XNUMX年後、誰もいつ
量子コンピューターに関する多くの出版物を読んだ知識の少ない人には、これらは通常のコンピューターと同じように機能する「既成の」マシンであるという印象を受けるかもしれません。 これ以上悪いことはありません。 量子コンピューターはまだないと信じている人さえいます。 また、ゼロワンシステムを置き換えるように設計されていないため、何に使用されるのか疑問に思う人もいます。
最初の実際の適切に機能する量子コンピューターは、約XNUMX年後に登場するとよく耳にします。 しかし、LinleyGroupのチーフアナリストであるLinleyGwennapが記事で述べているように、「量子コンピューターがXNUMX年後に登場すると人々が言うとき、彼らはそれがいつ起こるかわかりません」。
この漠然とした状況にもかかわらず、いわゆる競争の雰囲気。 量子優勢。 量子の仕事と中国人の進歩を懸念して、米国政府は昨年XNUMX月に国家量子イニシアチブ法を可決した。1）。 このドキュメントは、量子コンピューティングとテクノロジーの研究、開発、デモンストレーション、およびアプリケーションに対する連邦政府のサポートを提供することを目的としています。 魔法のような1年間で、米国政府は量子コンピューティングインフラストラクチャ、エコシステムの構築、および人材の採用に数十億ドルを費やします。 量子コンピューターのすべての主要な開発者（D-Wave、Honeywell、IBM、Intel、IonQ、Microsoft、Rigetti、および量子アルゴリズムXNUMXQBitとZapataの作成者）はこれを歓迎しました。 全国量子イニシアチブ.
D-WAveパイオニア
2007年、D-Wave Systemsは128キュービットチップを発表しました（2）、と呼ばれる 世界初の量子コンピューター。 しかし、それがそう言えるかどうかは定かではありませんでした。彼の作品だけが示され、彼の構造の詳細は示されていませんでした。 2009 年、D-Wave Systems は Google 向けに「量子」画像検索エンジンを開発しました。 2011 年 XNUMX 月、ロッキード・マーティンは D-Wave Systems から量子コンピューターを買収しました。 D-wave one 関連するアルゴリズムの運用と開発のための複数年契約に署名しながら、10万ドルで。
2012年、このマシンは、エネルギーが最も低いらせん状タンパク質分子を見つけるプロセスを実証しました。 D-Wave Systemsの研究者は、異なる数のシステムを使用しています キュービット、いくつかの数学的計算を実行しましたが、そのうちのいくつかは従来のコンピューターの能力をはるかに超えていました。 しかし、2014年の初めに、ジョン・スモーリンとグラハム・スミスは、D-WaveSystemsのマシンはマシンではないと主張する記事を公開しました。 その後まもなく、Physics of Natureは、D-WaveOneがまだ...
2014年2017月の別のテストでは、従来のコンピューターとD-Wave Systemsマシンの間に違いは見られませんでしたが、同社は、テストで解決したタスクよりも複雑なタスクでのみ違いが顕著であると回答しました。 XNUMX年の初めに、同社は表面上は 2キュービットこれは、最速の古典的なアルゴリズムよりも2500倍高速でした。 そして再び、XNUMXか月後、科学者のグループはこの比較が正確ではないことを証明しました。 多くの懐疑論者にとって、D-Waveシステムはまだ量子コンピューターではありませんが、 シミュレーション 古典的な方法を使用します。
第XNUMX世代のD-Waveシステムは 量子アニーリング量子ビットの状態は、超伝導量子回路（いわゆるジョセフソン接合に基づく）によって実現されます。 それらは絶対零度に近い環境で動作し、2048キュービットのシステムを誇っています。 2018年の終わりに、D-Waveが市場に導入されました ジャンプ、つまり、 リアルタイム量子アプリケーション環境 （KAE）。 クラウドソリューションは、外部クライアントに量子コンピューティングへのリアルタイムアクセスを提供します。
2019年XNUMX月、D-Waveは次世代を発表しました Пегас。 これは、キュービットあたりXNUMXつではなくXNUMXの接続を備えた、「世界で最も広範な商用量子システム」であると発表されました。 5キュービット以上 以前は未知のレベルでノイズリダクションをオンにしました。 このデバイスは来年半ばに発売される予定です。
量子ビット、または重ね合わせとエンタングルメント
標準のコンピュータプロセッサは、パケットまたは情報に依存しており、それぞれが単一の「はい」または「いいえ」の答えを表します。 量子プロセッサは異なります。 彼らはゼロワンの世界では機能しません. 肘の骨、量子情報の最小で分割できない単位は、記述されたXNUMX次元システムです。 ヒルベルト空間。 したがって、それはそれがすることができるという点で古典的なビートとは異なります 任意の重ね合わせ XNUMXつの量子状態。 キュービットの物理モデルは、ほとんどの場合、電子などのスピンXNUMX/XNUMXを持つ粒子、または単一光子の偏光の例として示されます。
キュービットの力を利用するには、キュービットと呼ばれるプロセスを介してそれらを接続する必要があります 混乱。 量子ビットが追加されるたびに、プロセッサの処理能力 ダブルス あなた自身、エンタングルメントの数は、プロセッサですでに利用可能なすべての状態を持つ新しいキュービットのエンタングルメントを伴うため（3）。 しかし、キュービットを作成して組み合わせてから、複雑な計算を実行するように指示するのは簡単な作業ではありません。 彼らが滞在します 外部の影響に非常に敏感これは、計算エラーにつながる可能性があり、最悪の場合、絡み合ったキュービットの崩壊につながる可能性があります。 デコヒーレンスこれが量子システムの本当の呪いです。 追加のキュービットが追加されると、外力の悪影響が増大します。 この問題に対処するXNUMXつの方法は、追加を有効にすることです キュービット "コントロール"その唯一の機能は、出力をチェックして修正することです。
3キュービットIBMシステムの記号表現
ただし、これは、タンパク質分子がどのように折りたたまれるかを判断したり、原子内の物理プロセスをシミュレートしたりするなど、複雑な問題を解決するのに役立つ、より強力な量子コンピューターが必要になることを意味します。 多くのキュービット。 オランダのデルフト工科大学のトム・ワトソンは最近、BBCニュースに次のように語った。
–
要するに、量子コンピュータが離陸するのであれば、大きくて安定したキュービットプロセッサを作る簡単な方法を考え出す必要があります。
量子ビットは不安定であるため、多くの量子ビットを使ってシステムを構築することは非常に困難です。 したがって、最終的に、量子コンピューティングの概念としてのキュービットが失敗した場合、科学者は代替手段を持っています：キュービット量子ゲート。
パデュー大学のチームは、npjQuantumInformationで彼らの作成を詳述した研究を発表しました。 科学者はそれを信じています kuditsキュービットとは異なり、それらは0、1、2などのXNUMXつ以上の状態で存在する可能性があり、追加された状態ごとに、XNUMXつのquditの計算能力が向上します。 つまり、同じ量の情報をエンコードして処理する必要があります。 栄光が少ない キュービットより。
量子ビットを含む量子ゲートを作成するために、Purdueチームは、周波数と時間の観点から、20つの量子ビットをXNUMXつのもつれ合った光子にエンコードしました。 チームは、環境にそれほど影響を与えないため、フォトンを選択しました。複数のドメインを使用すると、より少ないフォトンでより多くのエンタングルメントが可能になりました。 完成したゲートの処理能力はXNUMXキュービットでしたが、必要な量子ビットはXNUMXつだけで、光子を使用することで安定性が増し、将来の量子コンピューターに有望なシステムになりました。
シリコンまたはイオントラップ
誰もがこの意見を共有しているわけではありませんが、シリコン技術は十分に確立されており、すでに大規模な産業がそれに関連しているため、量子コンピューターを作成するためにシリコンを使用することには大きな利点があるようです。 シリコンはGoogleとIBMの量子プロセッサで使用されていますが、それらの中で非常に低温に冷却されています。 これは量子システムにとって理想的な材料ではありませんが、科学者はそれに取り組んでいます。
Natureの最近の出版物によると、研究者のチームは、マイクロ波エネルギーを使用してシリコンに浮遊するXNUMXつの電子粒子を整列させ、それらを使用して一連のテスト計算を実行しました。 特にウィスコンシン大学マディソン校の科学者を含むこのグループは、マイクロ波放射のエネルギーによってスピンが決定されるシリコン構造に単一電子キュービットを「浮遊」させました。 重ね合わせでは、電子がXNUMXつの異なる軸を中心に同時に回転します。 次に、XNUMXつの量子ビットを組み合わせてプログラムし、テスト計算を実行しました。その後、研究者は、システムによって生成されたデータを、同じテスト計算を実行する標準的なコンピューターから受け取ったデータと比較しました。 データを修正した後、プログラム可能な XNUMXビット量子シリコンプロセッサ.
エラーの割合は、いわゆるイオントラップ（イオン、電子、陽子などの荷電粒子がしばらくの間保存されるデバイス）やコンピューターよりもはるかに高いですが D-Waveなどの超伝導体に基づくと、外部ノイズから量子ビットを分離することは非常に困難であるため、その成果は依然として注目に値します。 スペシャリストは、システムをスケーリングおよび改善する機会を見出しています。 そして、技術的および経済的観点から、シリコンの使用はここで非常に重要です。
しかし、多くの研究者にとって、シリコンは量子コンピューターの未来ではありません。 昨年XNUMX月、アメリカの会社IonQのエンジニアがイッテルビウムを使用して、D-WaveやIBMシステムを凌駕する世界で最も生産性の高い量子コンピューターを作成したという情報が発表されました。
その結果、イオントラップに単一の原子を含むマシンができました（4）エンコードに単一のデータ量子ビットを使用し、量子ビットは特別なレーザーパルスを使用して制御および測定されます。 コンピュータには、160キュービットのデータを保存できるメモリがあります。 また、79キュービットで同時に計算を実行することもできます。
4.IonQイオントラップのスキーム
IonQの科学者は、いわゆるの標準テストを実施しました Bernstein-Vaziranianアルゴリズム。 マシンのタスクは、0から1023までの数値を推測することでした。従来のコンピューターは、10ビットの数値に対して100回の推測を行います。 量子コンピューターは、73つのアプローチを使用して、1％確実に結果を推測します。 最初の試みで、IonQ量子コンピューターは与えられた数の平均1023％を推測しました。 アルゴリズムを0,2から79までの任意の数で実行すると、一般的なコンピューターの成功率はXNUMX％ですが、IonQの成功率はXNUMX％です。
IonQの専門家は、イオントラップに基づくシステムは、Googleや他の企業が構築しているシリコン量子コンピューターよりも優れていると信じています。 彼らの79キュービットのマトリックスは、GoogleのBristlecone量子プロセッサを7キュービット上回っています。 IonQの結果は、システムの稼働時間に関してもセンセーショナルです。 マシンの作成者によると、99,97キュービットの場合は0,03％のままであり、これはエラー率が0,5％であることを意味しますが、競争の最高の結果は平均して約99,3％です。 IonQデバイスの95ビットエラー率はXNUMX％である必要がありますが、競合他社のほとんどはXNUMX％を超えていません。
グーグルの研究者によると、それを追加する価値があります 量子超越性 – 量子コンピューターが他の利用可能なマシンよりも優れたパフォーマンスを発揮するポイント – は、49 量子ビットのゲートでのエラー率が 0,5% 未満であれば、XNUMX 量子ビットの量子コンピューターですでに到達可能です。 しかし、量子コンピューティングにおけるイオントラップ法は、依然として、実行時間の遅さとサイズの巨大さ、技術の精度と拡張性など、克服すべき大きなハードルに直面しています。
廃墟やその他の結果における暗号の拠点
2019年2019月のCESXNUMXで、IBMCEOのGinniRomettyは、IBMがすでに商用利用のための統合量子コンピューティングシステムを提供していることを発表しました。 IBM量子コンピューター5）システムの一部としてニューヨークに物理的に配置されている IBM Q システム XNUMX。 QネットワークとQQuantumComputational Centerを使用すると、開発者はQiskitソフトウェアを簡単に使用して量子アルゴリズムをコンパイルできます。 したがって、IBM量子コンピューターの計算能力は次のように利用できます。 クラウドコンピューティングサービス、 合理的な価格。
D-Waveもこのようなサービスをしばらくの間提供しており、他の主要なプレーヤー（Amazonなど）も同様の量子クラウドの提供を計画しています。 マイクロソフトは導入をさらに進めました Q＃プログラミング言語 Visual Studioで動作し、ラップトップで実行できる（のように発音されます）。 プログラマーは、量子アルゴリズムをシミュレートし、古典的コンピューティングと量子コンピューティングの間のソフトウェアブリッジを作成するためのツールを持っています。
しかし、問題は、コンピューターとその計算能力が実際に何に役立つのかということです。 昨年XNUMX月にジャーナルScienceに発表された研究では、IBM、ウォータールー大学、ミュンヘン工科大学の科学者が、量子コンピューターが解決するのに最も適していると思われる問題の種類を概算しようとしました。
研究によると、そのようなデバイスは複雑な問題を解決することができます 線形代数と最適化問題。 漠然と聞こえますが、現在多くの労力、リソース、時間を必要とし、時には私たちの手の届かない問題に対して、より簡単で安価な解決策の機会があるかもしれません。
5.IBM量子コンピューター
便利な量子コンピューティング 暗号化の分野を正反対に変える。 それらのおかげで、暗号化コードはすぐに解読される可能性があり、おそらく、 ブロックチェーンテクノロジーは破壊されます。 RSA暗号化は、現在、世界中のほとんどのデータと通信を保護する強力で破壊不可能な防御のようです。 しかし、十分に強力な量子コンピューターは簡単に RSA暗号化をクラックする 経由 ショラのアルゴリズム.
それを防ぐ方法は？ 公開暗号鍵の長さを、量子復号化を克服するために必要なサイズに増やすことを提唱する人もいます。 その他の場合は、安全な通信を確保するために単独で使用する必要があります。 量子暗号のおかげで、データを傍受するという行為自体がデータを破壊し、その後、粒子に干渉している人はそれから有用な情報を得ることができなくなり、受信者は盗聴の試みについて警告されます。
量子コンピューティングの潜在的なアプリケーションも頻繁に言及されています。 経済分析と予測。 量子システムのおかげで、市場行動の複雑なモデルを拡張して、以前よりも多くの変数を含めることができ、より正確な診断と予測につながります。 量子コンピューターで数千の変数を同時に処理することで、開発に必要な時間とコストを削減することも可能です。 新薬、輸送およびロジスティクスソリューション、サプライチェーン、気候モデル巨大な複雑さの他の多くの問題を解決するためだけでなく。
ネベナの法則
古いコンピューターの世界には独自のムーアの法則がありましたが、量子コンピューターはいわゆる ネベナの法則。 彼の名前は、Googleで最も著名な量子スペシャリストのXNUMX人に由来しています。 Hartmut Nevena (6）、これは量子コンピューティング技術の進歩が現在行われていると述べています XNUMX倍の指数速度.
これは、古典的なコンピューターやムーアの法則の場合のように、連続する反復でパフォーマンスをXNUMX倍にする代わりに、量子技術がパフォーマンスをはるかに高速に向上させることを意味します。
専門家は、量子優位性の出現を予測しています。これは、古典的なものに対する量子コンピューターの優位性だけでなく、他の方法でも、有用な量子コンピューターの時代の始まりとして変換できます。 これにより、化学、天体物理学、医学、セキュリティ、通信などの飛躍的な進歩への道が開かれます。
しかし、少なくとも予見可能な将来においては、そのような優位性は決して存在しないという意見もあります。 懐疑論のより穏やかなバージョンはそれです 量子コンピューターは、そうするように設計されていないため、古典的なコンピューターに取って代わることは決してありません。 テニスシューズを原子力空母に置き換えることができないのと同じように、iPhoneやPCを量子機械に置き換えることはできません。。 従来のコンピューターでは、ゲームをプレイしたり、電子メールをチェックしたり、Webサーフィンをしたり、プログラムを実行したりできます。 ほとんどの場合、量子コンピューターは、コンピュータービットで実行されるバイナリシステムには複雑すぎるシミュレーションを実行します。 言い換えれば、個々の消費者は自分の量子コンピュータからほとんど利益を得ることができませんが、本発明の実際の受益者は、例えば、NASAまたはマサチューセッツ工科大学になります。
IBM と Google のどちらのアプローチがより適切であるかは時間が経てばわかります。 ネーベンの法則によれば、いずれかのチームが量子の優位性を完全に実証できるまであとわずか数か月です。 そして、これはもはや「XNUMX年後、つまりそれがいつになるかは誰にも分からない」という見通しではありません。
