量子コンピューティングとは何ですか? 計算進化の次の時代を解説

初めて「量子コンピューター」という用語に出会ったとき、深刻な時事ニュースではなく、どこか遠く離れた SF の概念として受け止めてしまうかもしれません。

しかし、この言葉が頻繁に飛び交うようになったことで、量子コンピューターとは一体何なのか疑問に思うのも無理はありませんし、どこに飛び込めばよいのか戸惑うのも同様です。 ここでは、量子コンピューターとは何なのか、なぜこれほど話題になっているのか、そしてそれがあなたにとって何を意味するのかについて概要を説明します。

量子コンピューティングとは何ですか? また、どのように機能するのでしょうか?

すべてのコンピューティングは、物理媒体などで「オン」状態または「オフ」状態、より一般的には 1 または 0 としてエンコードされる情報の最小単位であるビットに依存します。

ほとんどの場合、ビットは、コンピューターのマザーボード内の回路を伝わる電気信号という物理的な形式をとります。 複数のビットをつなぎ合わせることで、テキストや音楽など、より複雑で便利なものを表現できます。

量子ビットと (今日使用しているコンピューターの) 「古典的な」ビットの 2 つの主な違いは、ビットがとる物理的形式と、それに応じてビットにエンコードされるデータの性質です。 古典的なコンピューターの電気ビットは、一度に 1 か 0 の 1 つの状態のみで存在できます。

量子ビット (または「量子ビット」) 亜原子粒子でできています、つまり個々の光子または電子です。 これらの素粒子は古典力学よりも量子力学の規則に準拠しているため、量子粒子の奇妙な特性を示します。 コンピューター科学者にとってこれらの特性の中で最も顕著なものは重ね合わせです。 これは、少なくともその状態が測定されて単一の状態に崩壊するまでは、粒子は複数の状態で同時に存在できるという考えです。 この重ね合わせの特性を利用することで、コンピューター科学者は次のことが可能になります。

量子コンピューターを動作させるもう 1 つの量子力学的な特徴は、2 つの量子粒子 (この場合は 2 つの量子ビット) の結合であるもつれです。 2 つの粒子が絡み合うと、一方の粒子の状態の変化により、そのパートナーの状態が変化します。 予測可能な方法。量子コンピューターに問題の答えを計算させるときに役立ちます。 あなたはそれに餌を与えます。

量子コンピューターの量子ビットは、コンピューターが最初に問題を処理し始めるとき、1 と 0 のハイブリッド状態で始まります。 解が見つかると、重ね合わせ中の量子ビットは、解を返すために安定した 1 と 0 の正しい方向に崩壊します。

量子コンピューティングの利点は何ですか?

量子コンピューターは、最もエリートな研究チーム以外には手が届かないという事実を除けば (そしておそらくしばらくはその状態が続くでしょう)、私たちのほとんどは量子コンピューターをあまり使いません。 私たちが頻繁に行う種類のタスクでは、従来のコンピューターに比べて実際の利点はありません。

ただし、最も強力な古典的なスーパーコンピューターであっても、固有の計算の複雑さのため、特定の問題を解決するのは困難です。 これは、一部の計算は、答えが見つかるまで推測する総当たり的な方法でのみ実現できるためです。 最終的に考えられる解決策は非常に多くなり、世界中のすべてのスーパーコンピューターを組み合わせて正しい解決策を見つけるには何千年もかかることになります。

量子ビットが示す重ね合わせ特性により、スーパーコンピューターはこの推測時間を大幅に短縮できます。 古典的コンピューティングの骨の折れる試行錯誤の計算では、一度に 1 つの推測しかできません。 一方、量子コンピューターの量子ビットの 1 と 0 の二重状態により、同時に複数の推測が可能になります。 時間。

では、このような時間のかかる推測による計算が必要となる問題とはどのようなものでしょうか? 1 つの例は、原子構造、特に原子が他の原子の構造と化学的に相互作用する場合のシミュレーションです。 量子コンピューターが原子モデリングを強化することで、材料科学の研究者はエンジニアリングや製造で使用するための新しい化合物を作成できるようになります。 量子コンピューターは、ほんの数例を挙げると、経済市場の力、天体物理学、生物の遺伝子変異パターンなど、同様に複雑なシステムをシミュレートするのに適しています。

しかし、この新興テクノロジーの一般的に無害な応用例の中に、重大な懸念を引き起こす量子コンピューターの用途もいくつかあります。 これまでのところ最も頻繁に挙げられる害は、量子コンピューターが引き起こす可能性です。 現在使用されている最も強力な暗号化アルゴリズムの一部を破る.

攻撃的な外国政府の敵の手に渡れば、量子コンピューターは広範囲を侵害する可能性がある 安全なインターネット トラフィックが減少し、機密性の高い通信が広範な被害を受けやすくなります。 監視。 現在、まだ難しい計算に基づいて暗号を成熟させる作業が行われています。 量子コンピュータでもそれが可能ですが、それらすべてが全盛期に向けて準備ができているわけではなく、現時点で広く採用されているわけでもありません。

量子コンピューティングは可能でしょうか?

10 年ちょっと前、量子コンピューターの実際の製造はまだ初期段階にありました。 しかし、2010 年代から、機能する量子コンピューターのプロトタイプの開発が始まりました。 数年前の時点で、多くの企業が実用的な量子コンピュータを組み立てており、IBM は研究者や愛好家が量子コンピュータを利用できるようにするまでに取り組んでいます。 クラウド経由で独自のプログラムを実行する.

IBM のような企業が機能するプロトタイプの構築に向けて間違いなく進歩を遂げてきたにもかかわらず、量子コンピューターはまだ初期段階にあります。 現在、研究チームがこれまでに構築した量子コンピューターは、誤り訂正の実行に多くのオーバーヘッドを必要としています。 実際に計算を実行する量子ビットごとに、その間違いを補う役割を担う数十個の量子ビットが存在します。 これらすべての量子ビットの集合体が、いわゆる「論理量子ビット」を形成します。

早い話が、産業界と学術界の巨人たちは量子コンピューターを稼働させたが、そのやり方は非常に非効率的だった。

量子コンピューターを持っているのは誰ですか?

量子コンピュータ研究者間の熾烈な競争は、大企業と中小企業の間で依然として激化しています。 量子コンピューターを稼働させている企業の中には、IBM、インテル、マイクロソフト、グーグルなど、従来から有力なテクノロジー企業が予想されます。

量子コンピューターの開発は、ベンチャー企業としては非常に複雑で費用がかかるものですが、驚くほど多くの中小企業や新興企業がこの課題に立ち向かっています。

比較的スリムな D-Wave Systems はこの分野で多くの進歩をもたらしてきました そして、Google の重大な発表に対して、 ロスアラモス国立研究所との巨額契約. それでも、リゲッティ・コンピューティングのような小規模な競合他社も立候補している。 量子コンピューティングのイノベーターとしての地位を確立する.

誰に尋ねるかに応じて、「最も強力な」量子コンピューターの最有力候補が異なります。 Google は確かに最近、 量子超越性の達成、Google 自体が多かれ少なかれ考案した指標です。 量子超越性とは、量子コンピューターが初めて、ある計算において古典コンピューターを上回るパフォーマンスを発揮できる点です。 Google の Sycamore プロトタイプ 54 量子ビットを搭載し、わずか数秒で問題を突破してその障壁を突破することができました。 最も強力な古典的なスーパーコンピューターを動かすのに 10,000 年かかる 3 分半 を通して。

D-Wave も負けじと、間もなくロス アラモスに供給する予定のデバイスの重さは 1 台あたり 5000 量子ビットであると自慢しています。 D-Wave の量子ビットの品質は以前にも疑問視されていました. IBMはここ数年、GoogleやD-Waveほどの話題を作っていないが、特に彼らの軌跡を考慮すると、彼らもまだ無視されるべきではない ゆっくりと着実に達成した記録.

簡単に言えば、世界で最も強力な量子コンピューターをめぐる競争は、これまでと同様に広範囲に広がっています。

量子コンピューティングは従来のコンピューティングに取って代わるのでしょうか?

これに対する簡単な答えは、少なくとも近い将来に関しては「実際にはそうではない」です。 量子コンピューターの動作には、膨大な量の機器と、細かく調整された環境が必要です。 この最先端のアーキテクチャは、絶対零度をわずかに上回る冷却を必要とするため、一般の消費者が所有するのは実用的ではありません。

しかし、クラウド コンピューティングの爆発的な普及が証明しているように、その機能を活用するために専用のコンピューターを所有する必要はありません。 前述したように、IBM はすでに、大胆な技術愛好家に、自社の一部のプログラムを実行する機会を提供しています。 Q System One の量子ビット. やがて、IBM とその競合他社は、不可解な問題に量子コンピュータを適用することに関心のある人々のために、より堅牢な量子コンピュータでの計算時間を販売することになるでしょう。

しかし、量子コンピューターが解決を目指す非常に難しい問題を研究していないのであれば、おそらく量子コンピューターとあまり対話することはないでしょう。 実際、量子コンピューターは、純粋に量子コンピューターが非常に特殊化されているために、場合によっては、私たちが日常的にコンピューターを使用している種類のタスクでは劣っています。 あなたが量子コンピューティングが盛んに行われる種類のモデリングを実行している学者でない限り、量子コンピューティングを手に入れることは決してないでしょうし、その必要も決してありません。

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