量子コンピューティングにおける一連のブレークスルー
現在、古典的または伝統的なコンピューターと呼ばれている通常のコンピューターは、0と1（XNUMXとXNUMX）の基本概念に基づいて動作します。 私たちが尋ねるとき コンピュータ 私たちのためにタスクを実行するために、たとえば、数学的な計算や予定の予約、または日常生活に関連するものを実行するために、特定の瞬間のこのタスクは、0と1の文字列に変換（または変換）されます（これは、 input）、この入力はアルゴリズム（コンピューターでタスクを完了するために従うべき一連のルールとして定義されます）によって処理されます。 この処理の後、0と1の新しい文字列が返され（出力と呼ばれます）、これは期待される結果をエンコードし、ユーザーがコンピューターに実行したいことに対する「答え」として、より単純でユーザーフレンドリーな情報に変換されます。 。 アルゴリズムがどれほど賢く見えても、タスクの難易度がどうであれ、コンピューターアルゴリズムは、各ビットが0または1の場合、ビットの文字列を操作するというXNUMXつのことだけを実行するのは魅力的です。操作はコンピューター（ソフトウェア側）で行われ、マシンレベルでは、これは（コンピューターのマザーボード上の）電気回路によって表されます。 ハードウェアの用語では、電流がこれらの電気回路を通過するとき、電流がないときは閉じて開いています。
古典対量子コンピューター
したがって、従来のコンピューターでは、ビットは0つの可能な状態（1またはXNUMX）で存在する可能性のある単一の情報です。 量子 コンピュータでは、通常、量子ビット（「キュービット」とも呼ばれます）を使用します。 これらは0つの状態を持つ量子システムですが、通常のビット（1またはXNUMXとして格納される）とは異なり、キュービットははるかに多くの情報を格納でき、これらの値の任意の仮定に存在できます。 より良い方法で説明すると、キュービットは架空の球であると考えることができます。ここで、キュービットは球上の任意の点である可能性があります。 量子コンピューティングは、亜原子粒子が常に複数の状態で存在し、相互に排他的であるという能力を利用していると言えます。 一方、古典的なビットはXNUMXつの状態にしか存在できません。たとえば、球のXNUMXつの極の端にあります。 システム全体を見ると、これらの重ね合わせが消えてしまうため、通常の生活ではこの「重ね合わせ」を見ることができません。これが、このような重ね合わせの理解が不明確な理由です。
これがコンピューターにとって意味することは、量子ビットを使用する量子コンピューターは従来のコンピューターよりも少ないエネルギーで大量の情報を保存できるため、量子コンピューターでは比較的高速に演算や計算を実行できるということです。したがって、古典的なコンピューターは 0 または 1 を取り、このコンピューターの 00 つのビットは 01 つの可能な状態 (10、11、XNUMX、または XNUMX) を取ることができますが、常に XNUMX つの状態のみが表現されます。一方、量子コンピューターは重ね合わせ可能な粒子を操作し、コンピューターを「二値制約」から解放する重ね合わせの特性により、XNUMX つの量子ビットでまったく同じ XNUMX つの状態を同時に表すことができます。これは同時に実行される XNUMX 台のコンピューターに相当し、これらの量子ビットを追加すると、量子コンピューターの能力は指数関数的に増大します。量子コンピューターは、アルバート・アインシュタインによって定義された「量子もつれ」と呼ばれる量子物理学の別の特性も利用しています。量子もつれとは、量子粒子が空間内の位置に関係なく接続して通信できるようにする特性です。 宇宙 そのため、一方の状態を変更すると、もう一方にも瞬時に影響を与えることができます。 「重ね合わせ」と「もつれ」の 2 つの機能は、原理的には非常に強力です。したがって、量子コンピューターが達成できることは、古典的なコンピューターと比較すると想像を絶するものです。これはすべて非常に刺激的で簡単に思えますが、このシナリオには問題があります。量子コンピューターが量子ビット (重ね合わせビット) を入力として受け取る場合、その出力も同様に量子状態になります。つまり、重ね合わせビットを含む出力は、状態に応じて変化し続ける可能性があります。この種の出力は、実際にはすべての情報を受け取ることはできないため、量子コンピューティング技術における最大の課題は、この量子出力からできるだけ多くの情報を得る方法を見つけることです。
量子コンピューターがここにあります！
量子コンピューターは、情報処理にまったく新しいアプローチを採用する量子力学の原理に基づいた強力なマシンとして定義できます。彼らは、常に存在していながらも通常は隠されたままになっている複雑な自然法則を探求しようとしています。このような自然現象を調査できれば、量子コンピューティングで新しいタイプのアルゴリズムを実行して情報を処理できるようになり、材料科学、創薬、ロボット工学、人工知能の革新的なブレークスルーにつながる可能性があります。量子コンピューターのアイデアは、1982 年にアメリカの理論物理学者リチャード・ファインマンによって提案されました。そして現在、テクノロジー企業 (IBM、マイクロソフト、グーグル、インテルなど) と学術機関 (MIT、プリンストン大学など) が量子の研究に取り組んでいます。主流の量子コンピューターを作成するためのコンピューターのプロトタイプ。 International Business Machines Corp. (IBM) は最近、同社の科学者らが強力な量子コンピューティング プラットフォームを構築し、アクセス可能にできると発表しましたが、ほとんどのタスクを実行するには十分ではないと述べています。彼らは、現在開発中の 50 量子ビットのプロトタイプは、古典的なコンピューターが今日解決している多くの問題を解決でき、将来的には 50 ～ 100 量子ビットのコンピューターがそのギャップをほぼ埋めることになるだろう、つまり、わずか数百量子ビットの量子コンピューターは、既知の原子の数よりも多くの計算を同時に実行する 宇宙。現実的に言えば、量子コンピューターが困難なタスクで実際に古典的なコンピューターを上回るパフォーマンスを発揮できるようになるまでの道のりには、困難と課題が山積しています。最近インテルは、同社の新しい 49 量子ビット量子コンピューターは、わずか 17 か月前に 2 ビット量子ビット システムを実証したばかりの同社にとって大きな進歩であり、この「量子超越性」への一歩となると宣言しました。彼らの優先事項は、量子ビット数の拡大が現実世界の結果をもたらすことができる量子コンピューターを作成するための鍵であるという理解に基づいて、プロジェクトを拡大し続けることです。
材料は量子コンピューターを構築するための鍵です
材料シリコンは、その主要な機能セットにより一般的な（または古典的な）コンピューティングに適しているため、何十年にもわたってコンピューティングの不可欠な部分でした。 しかし、量子コンピューティングに関する限り、シリコンベースのソリューションは主にXNUMXつの理由で採用されていません。XNUMXつはシリコン上で製造されたキュービットを制御することが難しいこと、もうXNUMXつはシリコンキュービットが他のキュービットと同様にスケーリングできるかどうかがまだ不明です。ソリューション。 大きな進歩として、Intelはごく最近開発しました1 従来のシリコン上で生成される「スピン量子ビット」として知られる新しいタイプの量子ビット。 スピン量子ビットは半導体エレクトロニクスに非常によく似ており、シリコンデバイス上の単一電子のスピンを利用し、小さなマイクロ波パルスで動きを制御することにより、量子パワーを提供します。 インテルがこの方向に進むに至った100つの大きな利点は、第一に、企業としてのインテルはすでにシリコン業界に多額の投資を行っているため、シリコンに関する適切な専門知識を持っていることです。 第二に、シリコン量子ビットは、従来の量子ビットよりも小さいため、より有益であり、長期間にわたってコヒーレンスを保持することが期待されます。 これは、量子コンピューティングシステムをスケールアップする必要がある場合（たとえば、200キュービットからXNUMXキュービットに移行する場合）に最も重要です。 Intelはこのプロトタイプをテストしており、同社は数千の小さな量子ビットアレイを備えたチップを生産することを期待しています。このような生産を大量に行うと、量子コンピューターのスケールアップに非常に役立ち、真のゲームチェンジャーになる可能性があります。
で公開された最近の研究では 科学、フォトニック結晶用に新しく設計されたパターン（つまり、フォトニックチップに実装された結晶設計）は、米国メリーランド大学のチームによって開発されました。2。 これらの光子は既知の最小量の光であり、これらの結晶は光を相互作用させる穴で固定されていました。 さまざまな穴のパターンによって、光が結晶を曲がったり跳ねたりする方法が変わり、ここでは何千もの三角形の穴が作られました。 このような単一光子の使用は、量子コンピューターを作成するプロセスにとって重要です。これは、コンピューターが、現在のコンピューターでは実行できない多数の化学反応を計算できるようになるためです。 チップの設計により、量子コンピューター間での光子の移動を損失なく行うことができます。 この損失は、量子コンピューターにとっても大きな課題と見なされてきたため、このチップが問題を処理し、効率的なルートを可能にします。 量子 あるシステムから別のシステムへの情報。
未来
量子コンピューターは、従来のスーパーコンピューターをはるかに超えて計算を実行することを約束します。 それらは、原子レベルまで物質の振る舞いをシミュレートすることを可能にすることによって、新しい材料の発見に革命を起こす可能性を秘めています。 また、データをより高速かつ効率的に処理することで、人工知能やロボット工学への期待を高めます。 商業的に実行可能な量子コンピューティングシステムの提供は、この研究がまだオープンエンドであり、すべての人にとって公正なゲームであるため、今後数年間で主要な組織のいずれかによって行われる可能性があります。 今後1〜XNUMX年で大きな発表が見込まれ、理想的には一連の進歩と言えば、工学的な問題に対処し、XNUMX万キュービット以上の量子コンピューターを実現する必要があります。
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ソース
1. Castelvecchi D.2018。シリコンは量子コンピューティングの競争で地位を確立しました。 自然。 553（7687）。 https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. etal。 2018.トポロジカル量子光学インターフェース。 化学。 359（6376）。 https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
