量子コンピューターの仕組み

コンピューター メーカーが生み出す膨大な処理能力は、スピードとコンピューティング能力に対する私たちの渇望をまだ満たすことができません。 1947 年、アメリカのコンピュータ技術者ハワード エイケンは、わずか 6 台の電子デジタルコンピュータが米国のコンピューティング ニーズを満たすだろうと述べました。増大する技術的ニーズをサポートするコンピューティング能力の量について、同様の誤った予測を立てた人もいます。もちろん、エイケンは、科学研究によって生成される大量のデータ、パーソナル コンピューターの普及、インターネットの出現などを当てにしていませんでした。これらは、私たちのコンピューティング パワーの必要性をますます増大させるだけでした。

私たちが必要とする、または望んでいる量のコンピューティング能力を手に入れる日は来るのでしょうか?ムーアの法則が示すように、マイクロプロセッサ上のトランジスタの数が 18 か月ごとに 2 倍になり続ければ、2020 年か 2030 年にはマイクロプロセッサ上の回路が原子スケールで測定されることになります。そして論理的な次のステップは、原子と分子の力を利用して記憶と処理タスクを実行する量子コンピューターを作成することです。量子コンピューターは、シリコンベースのコンピューターよりも大幅に高速に特定の計算を実行できる可能性があります。

科学者たちは、特定の計算を実行できる基本的な量子コンピューターをすでに構築しています。しかし、量子コンピューターが実用化されるのはまだ何年も先のことだ。この記事では、量子コンピューターとは何か、そしてそれが次のコンピューティング時代で何に使用されるのかを学びます。

量子コンピューティングの起源を見つけるのにそれほど遡る必要はありません。コンピューターは 20 世紀の大部分にわたって存在していましたが、量子コンピューティングは 30 年も前に物理学者によって初めて理論化されました。ポール ベニオフは 1981 年に初めて量子理論をコンピュータに適用したとされています。ベニオフは量子チューリング マシンの作成について理論化しました。この記事を読むために使用しているものと同様、ほとんどのデジタル コンピューターはチューリング理論に基づいています。これが何であるかについては、次のセクションで説明します。

量子コンピューターの定義

1930 年代にアラン チューリングによって開発されたチューリング マシンは、小さな正方形に分割された無制限の長さのテープで構成される理論上の装置です。各四角形には記号 (1 または 0) を入れることも、空白のままにすることもできます。読み書きデバイスはこれらのシンボルとブランクを読み取り、マシンに特定のプログラムを実行する指示を与えます。これには聞き覚えがあるでしょうか？そうですね、量子チューリングマシンの違いは、読み書きヘッドと同様に、テープも量子状態で存在することです。これは、テープ上のシンボルが 0 か 1、または 0 と 1 の重ね合わせである可能性があることを意味します。言い換えれば、シンボルは同時に 0 と 1 (およびその間のすべての点) になります。通常のチューリング マシンは一度に 1 つの計算しか実行できませんが、量子チューリング マシンは一度に多くの計算を実行できます。

チューリング マシンのような今日のコンピューターは、0 または 1 の 2 つの状態のいずれかに存在するビットを操作することで動作します。量子コンピューターは 2 つの状態に限定されません。それらは情報を量子ビット、つまり量子ビットとしてエンコードし、重ね合わせて存在することができます。量子ビットは、原子、イオン、光子、または電子、およびそれらが連携してコンピュータ メモリおよびプロセッサとして機能するそれぞれの制御デバイスを表します。量子コンピューターはこれらの複数の状態を同時に含むことができるため、今日の最も強力なスーパーコンピューターよりも何百万倍も強力になる可能性があります。

この量子ビットの重ね合わせによって、量子コンピューターに固有の並列性が与えられます。物理学者のDavid Deutsch氏によると、この並列処理により、デスクトップ PC が 1 回の計算で動作する一方で、量子コンピューターは一度に 100 万回の計算を実行できるようになります。 30 量子ビットの量子コンピューターは、10テラフロップス(1 秒あたり数兆回の浮動小数点演算) で実行できる従来のコンピューターの処理能力と同等になります。今日の一般的なデスクトップ コンピューターは、ギガフロップス (1 秒あたり数十億回の浮動小数点演算) 単位で測定される速度で動作します。

量子コンピューターは、もつれとして知られる量子力学の別の側面も利用します。量子コンピューターの考え方に関する問題の 1 つは、素粒子を見ようとすると、粒子にぶつかってしまい、その値が変わってしまう可能性があることです。値を決定するために量子ビットを重ね合わせて見る場合、量子ビットは 0 または 1 のいずれかの値を想定しますが、両方の値を想定することはありません (効果的に、気の利いた量子コンピューターが平凡なデジタル コンピューターに変わります)。実用的な量子コンピューターを作成するには、科学者はシステムの完全性を維持するために間接的に測定を行う方法を考案する必要があります。もつれは潜在的な答えを提供します。量子物理学では、2 つの原子に外部の力を加えると、それらが絡み合い、2 番目の原子が最初の原子の特性を引き継ぐ可能性があります。したがって、放っておくと原子はあらゆる方向に回転します。妨害された瞬間に、それは 1 つのスピンまたは 1 つの値を選択します。同時に、2 番目の絡み合った原子は反対のスピン、つまり値を選択します。これにより、科学者は量子ビットを実際に見ることなくその値を知ることができます。

次に、量子コンピューティングの分野における最近の進歩をいくつか見ていきます。

今日の量子コンピューター

かつてトランジスタが真空管に取って代わったのと同じように、量子コンピュータはいつかシリコンチップに取って代わるかもしれない。しかし今のところ、そのような量子コンピューターの開発に必要な技術は私たちの手の届かないところにあります。量子コンピューティングの研究のほとんどは依然として理論的なものです。

最先端の量子コンピューターは 16 量子ビット以上の操作しか行っておらず、実用化には程遠いことを意味します。しかし、量子コンピューターは、従来のコンピューターでは信じられないほど時間がかかる計算を、いつの日か迅速かつ簡単に実行できるようになる可能性が残っています。過去数年間で、量子コンピューティングではいくつかの重要な進歩が見られました。開発された量子コンピューターのいくつかを見てみましょう。

1998年

ロス アラモスとマサチューセッツ工科大学の研究者らは、アラニン(量子状態崩壊の分析に使用されるアミノ酸) またはトリクロロエチレン(量子誤差補正に使用される塩素化炭化水素) 分子の溶液の各分子の 3 つの核スピンに単一の量子ビットを分散させることに成功しました。量子ビットを分散させることで破損が難しくなり、研究者は量子情報を分析する間接的な方法としてもつれを使用して状態間の相互作用を研究できるようになりました。

2000年

3月、科学者らは1滴の液体内で7量子ビットの量子コンピューターを開発したと発表した。量子コンピューターは、核磁気共鳴 (NMR) を使用して、トランス クロトン酸の分子の原子核内の粒子を操作します。トランス クロトン酸は、6 つの水素原子と 4 つの炭素原子で構成される分子からなる単純な流体です。 NMR は電磁パルスを適用するために使用され、粒子を強制的に整列させます。これらの粒子を磁場と平行または逆の位置に配置することで、量子コンピューターがデジタル コンピューターのビットの情報エンコーディングを模倣できるようになります。

の研究者らは、これまでで最も先進的な量子コンピューターであると主張するものを 8 月に開発しました。 5 量子ビット量子コンピューターは、5 つのフッ素原子の原子核が量子ビットとして相互作用し、高周波パルスによってプログラムされ、病院で使用されているものと同様の NMR 装置によって検出できるように設計されました ( 「磁気共鳴イメージングのしくみ」を参照)。詳細）。アイザック・チュアン博士率いる IBM チームは、従来のコンピューターではサイクルを繰り返す必要があった数学的問題を 1 ステップで解決することができました。この問題はorder-findingと呼ばれ、特定の関数の周期を見つけることが含まれます。これは、暗号化に関係する多くの数学的問題の典型的な側面です。

2001年

IBM とスタンフォード大学の科学者は、量子コンピューター上でショールのアルゴリズムを実証することに成功しました。ショールのアルゴリズムは、数値の素因数を見つける方法です (暗号化において本質的な役割を果たします)。彼らは、15 の因数を見つけるために 7 量子ビット コンピューターを使用しました。コンピューターは、素因数が 3 と 5 であると正しく推定しました。

2005年

インスブルック大学の量子光学・量子情報研究所は、科学者たちがイオントラップを使用して最初の量子バイト、または一連の 8 量子ビットを作成したと発表しました。

2006年

ウォータールーとマサチューセッツの科学者は、12 量子ビット システムでの量子制御方法を考案しました。システムがより多くの量子ビットを使用するにつれて、量子制御はより複雑になります。

2007年

カナダの新興企業 D-Wave は、16 量子ビットの量子コンピューターを実証しました。コンピューターは数独パズルやその他のパタ​​ーン マッチングの問題を解決しました。同社は、2008 年までに実用的なシステムを開発すると主張している。懐疑論者は、量子コンピュータの実用化はまだ数十年先であり、D-Wave が作成したシステムは拡張性がなく、D-Wave の Web サイトにある主張の多くはまったく不可能であると考えている (あるいは、量子力学の理解を考慮すると、少なくとも確実に知ることは不可能です）。

機能的な量子コンピューターが構築できれば、大きな数を因数分解するのに役立ち、したがって秘密情報の解読および暗号化に非常に役立ちます。もしそれが今日構築されたとしても、インターネット上に安全な情報は存在しないでしょう。私たちの現在の暗号化方法は、量子コンピューターで可能な複雑な方法と比較すると単純です。量子コンピューターを使用すると、従来のコンピューターに比べてほんのわずかな時間で大規模なデータベースを検索することもできます。他の用途には、量子コンピューターを使用して量子力学を研究したり、他の量子コンピューターを設計したりすることが含まれる可能性があります。

しかし、量子コンピューティングはまだ開発の初期段階にあり、多くのコンピュータ科学者は、実用的な量子コンピュータを作成するために必要な技術が完成するのは何年も先のことだと考えています。量子コンピューターが現実世界の問題を解決するには、少なくとも数十の量子ビットが必要であり、実行可能なコンピューティング手法として機能します。