量子コンピューティングが世界をどのように変えるか

量子物理学はすでに私たちの生活に大きな影響を与えています。レーザーとトランジスタの発明は、実際には量子論の結果です。これらのコンポーネントは両方とも、今日のすべての電子デバイスの基本的な構成要素であるため、あなたが目撃しているのは、基本的に「量子力学の動作」です。

そうは言っても、量子領域からの真の力を利用するためにかなりの努力が払われているので、量子産業は今やコンピューティングの世界に革命を起こす準備ができています。量子コンピューティングは、セキュリティ、ヘルスケア、エネルギー、さらにはエンターテインメント業界など、さまざまな分野でアプリケーションを見つけることができます。

量子コンピューターと古典コンピューター

量子論の歴史は1世紀以上前にさかのぼります。しかし、現在の量子の話題は、量子粒子の固有の特性である不確実性が量子ポテンシャルを実現するための強力な武器として役立つ可能性があることを示唆する最近の研究結果によるものです。

理論が述べているように、個々の量子粒子(すなわち電子または光子)のすべての特性を知ることは一見不可能に見えます。古典的なGPSの例を考えてみましょう。ここでは、目的の目的地に到着するまでの移動の速度、場所、方向を正確に予測できます。

ただし、量子物理学の法則ではそうすることができないため、量子GPSは量子粒子の上記のすべての特性を正確に決定することはできません。これは、確実性の古典言語ではなく、量子世界で確率論的言語を生み出します。

この場合、確率論的言語は、速度、位置、移動方向など、確実に述べるのが難しいと思われる量子粒子のさまざまな特性に確率を割り当てることを意味します。量子粒子のこの​​確率論的性質は、あらゆる瞬間にあらゆるものが起こることを可能にする可能性を生み出します。

計算に照らして、キュービット(量子ビット)として表されるバイナリの0と1は、いつでも1または0であるという特性を持っています。

古典的なマシンでは、0と1はスイッチと回路にリンクされており、さまざまな瞬間にオンとオフが切り替わるため、上記の表現は口の中に苦い味を残します。したがって、それらの正確な状態(つまり、オンまたはオフ)を知らないことは、コンピューティングのコンテキストでは意味がないように思われます。

実際には、計算エラーが発生する可能性があります。ただし、量子世界の情報処理は、量子不確定性の概念に依存しています。ここで、0と1の「重ね合わせ」はバグではなく、機能です。それはより速いデータ処理を可能にし、より速いコミュニケーションを容易にします。

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量子コンピューティングのカスプで

量子論の確率的性質の結果は、量子情報の正確なコピーが一見不可能であるということです。セキュリティの観点から、これは重要です。量子鍵をコピーしてメッセージを暗号化して送信しようとするサイバー犯罪者は、量子コンピューターにアクセスできたとしても、最終的には失敗するからです。

ここで重要なのは、このようなハイエンド暗号化(つまり、秘密のデータやキーを不正アクセスを防止するコードに変換する高度な方法)は、今日使用されている数学的にスクリプト化されたアルゴリズムではなく、物理法則の結果であるということです。数学的暗号化は強力なコンピューターの助けを借りて解読することができますが、量子暗号化を解読するには物理学の基本法則を書き直す必要があります。

量子暗号化は現在の暗号化技術とは異なるため、同様に、量子コンピューターは非常に基本的なレベルで従来のコンピューターとは異なります。車と牛車の例えを考えてみましょう。ここでは、車は特定の物理法則に従っており、対応する車に比べて短時間で目的の目的地に到着します。同じ哲学が量子コンピューターと古典的なコンピューターにも当てはまります。

量子コンピューターは、量子物理学の確率的性質を利用して、独自の方法で計算を実行し、データを処理します。それははるかに速いペースでコンピューティングタスクを達成することができ、また量子テレポーテーションのような伝統的に不可能な概念に飛躍することができます。この形式のデータ送信は、将来のインターネット、つまり量子インターネットへの道を開く可能性があります。

量子コンピューターは今日何に使えるでしょうか?

量子コンピューターは、現在のコンピューターでは対処が難しいと感じる複雑な問題の解決に役立つ可能性があるため、R&D組織、政府当局、および学術機関に役立つ可能性があります。

重要なアプリケーションの1つは、分子が量子コンピューターと同じ量子物理法則で機能するため、化学物質と分子をシームレスにシミュレートおよび分析できる医薬品開発です。さらに、最速のスーパーコンピューターが今日の目標を達成できないため、効果的な量子化学シミュレーションが可能になる可能性があります。

また、量子コンピューターは複雑な最適化問題を解決し、ソートされていないデータの高速検索を支援することができます。この点に関しては、一見動的な気候、健康、または財務データの並べ替えから、ロジスティクスや交通流の最適化まで、数多くのアプリケーションがあります。

量子コンピューターは、機械学習の問題など、データのパターンを認識するのにも優れています。さらに、量子コンピューターは、天気予報など、将来を予測するモデルの開発において重要な役割を果たす可能性があります。

量子の未来に向けて準備する

量子の未来をめぐる競争が中心となる中、投資家や政府機関は量子の研究開発に数十億ドルを投じています。衛星ベースの量子鍵配送を採用したグローバル通信ネットワークはすでに実装されており、さらなる発展への道が開かれています。

グーグル、アマゾン、マイクロソフト、IBMなどの企業は、ハードウェアやソフトウェアなどの量子コンピューティングリソースの開発に多額の投資を行っています。

コスモスによると、中国の研究者チームは、古典的なコンピューターが完了するのに少なくとも8年以上かかるであろう、60分強で複雑な計算を完了する量子コンピューターを構築しました。

これは、過去2年間に行われた量子コンピューティングの開発のハイライトです。科学界はついにとらえどころのない「量子アドバンテージ」を達成したと信じられています。量子コンピューティングは、古典的なコンピューティングが文字通り非現実的な時間をかけて理解することができる最も洗練された問題を解決する立場にあります。

量子マイルストーンは、2019年Googleによって最初に達成され、計算を実行するために電流を使用するキュービットを使用しました。 2020年後半、中国のチームはフォトニックキュービットを使用してプロセスをスピードアップしました。現在2021年に、別の中国チーム(上海の中国科学技術大学のJian-Wei Panが率いる)が再びGoogleを上回りました。

プレプリントサーバーArXiv公開された研究論文で、寄稿した研究チームは、66キュービットで構成されるZuchongzhiという名前の量子プロセッサで超伝導キュービットを使用した量子優位性の発見を明らかにしました。チームは、Zuchongzhiが56キュービットを操作して、コンピューターの能力をテストすることを目的とした計算上の問題を処理できることを実証しました。

不確実性を受け入れる

過去5年間の量子技術の世界でのペースの速い開発は、非常にエキサイティングでした。 The Quantum Dailyによると、量子産業は2030年末までに数十億ドルの評価を受けると予想されています。このような大規模な展開の前に克服すべきさまざまな実際的な課題がありますが、将来は明るいようです。

幸いなことに、量子論は「予測不可能性」の明るい面に光を投げかけます。理論が進むにつれ、2つのキュービットは互いにロックされ、各キュービットは個別に決定されないままである可​​能性がありますが、1つの単位として見ると、互いに同期しています。つまり、両方が0または1です。

この個々の予測不可能性と組み合わされた確実性は、「エンタングルメント」と呼ばれます。これは、今日のほとんどの量子コンピューティングアルゴリズムにとって便利なツールです。したがって、不確実性を慎重に処理することにより、組織は量子の未来を受け入れるための形を整えることができます。