クォンタムアドバンテージとは何ですか? 極めて強力な量子コンピューターが到来する瞬間

プラトン再発行

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量子アドバンテージは、最も強力な非量子コンピューター、つまり古典的なコンピューターでは到達できない問題を量子コンピューターが解決できるとき、量子コンピューティングの分野が熱心に取り組んでいるマイルストーンです。

量子とは、私たちが経験する物理法則が崩れ、別の直感に反する法則が適用される原子や分子のスケールを指します。量子コンピューターは、これらの奇妙な動作を利用して問題を解決します。

問題にはいくつかの種類があります。古典的なコンピューターが解決するのは非現実的、といった最先端の暗号化アルゴリズムをクラッキングする。ここ数十年の研究により、量子コンピューターにはこれらの問題の一部を解決できる可能性があることが示されています。これらの問題の XNUMX つを実際に解決する量子コンピューターを構築できれば、量子の利点が実証されたことになります。

私は〜です物理学者量子情報処理と量子システムの制御を研究している。私は、この科学技術革新のフロンティアは、計算における画期的な進歩を約束するだけでなく、量子暗号や量子センシングの大幅な進歩を含む、より広範な量子技術の急増を意味すると信じています。

量子コンピューティングの力の源

量子コンピューティングの中心となるのは量子ビット、またはキュービット。 0 または 1 の状態しか取り得ない古典的なビットとは異なり、量子ビットは 0 と 1 の組み合わせである任意の状態を取ることができます。この 1 だけでも 0 だけでもない状態は、「量子ビット」として知られています。量子重ね合わせ。量子ビットが追加されるたびに、量子ビットで表現できる状態の数は XNUMX 倍になります。

この特性は、量子コンピューティングの力の源であるとよく誤解されます。代わりに、それは重ね合わせの複雑な相互作用に帰着します。干渉 , エンタングルメント.

干渉には、計算中に量子ビットの状態が建設的に結合して正しい解を増幅し、破壊的に間違った答えを抑制するように量子ビットを操作することが含まれます。建設的な干渉は、音波や海の波など、XNUMX つの波のピークが結合してより高いピークを作成するときに発生します。相殺的干渉とは、波のピークと波の谷が結合して互いに打ち消し合うときに起こる現象です。量子アルゴリズムは数が少なく、考案するのが困難ですが、問題に対する正しい答えを生み出す一連の干渉パターンを設定します。

もつれは、量子ビット間に独自の量子相関を確立します。量子ビットがどれだけ離れていても、一方の状態を他方の状態から独立して記述することはできません。これは、アルバート・アインシュタインが「遠くから見ると不気味な行動」として却下したことで有名です。量子コンピューターを介して調整されたエンタングルメントの集団的な動作により、従来のコンピューターでは到達できないほどの計算速度の向上が可能になります。

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量子コンピューティングの応用

量子コンピューティングには、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幅広い用途が考えられます。暗号化において、量子コンピューターは機会と課題の両方をもたらします。最も有名なのは、彼らが持っているものです。現在の暗号化アルゴリズムを解読する可能性がある、広く使用されているなど RSA方式.

この結果の XNUMX つは、将来の量子攻撃に耐えられるように今日の暗号化プロトコルを再設計する必要があるということです。この認識により、次のような分野が急成長しています。量子後暗号。長いプロセスを経て、国立標準技術研究所は最近 XNUMX つの耐量子アルゴリズムを選択し、世界中の組織が暗号化テクノロジでそれらを使用できるように準備するプロセスを開始しました。

さらに、量子コンピューティングは、量子シミュレーション、つまり量子領域で動作する実験の結果を予測する能力を劇的に高速化できます。有名な物理学者リチャード・ファインマンこの可能性を想定した 40年以上前。量子シミュレーションは、化学および材料科学に大きな進歩をもたらす可能性をもたらし、創薬のための分子構造の複雑なモデリングなどの分野に役立ち、新しい特性を持つ材料の発見または創造を可能にします。

量子情報技術のもう XNUMX つの用途は次のとおりです。量子センシング: 電磁エネルギー、重力、圧力、温度などの物理的特性を検出および測定します。より高い感度と精度非量子機器よりも。量子センシングは、次のような分野で無数の用途があります。環境モニタリング, 地質調査, 医療画像処理, 監視.

の開発などの取り組み量子インターネット量子コンピューターを相互接続することは、量子コンピューターと古典的コンピューターの世界の橋渡しに向けた重要なステップです。このネットワークは、量子鍵配布などの量子暗号プロトコルを使用して保護でき、これにより、量子コンピューターを使用した攻撃を含む計算攻撃から保護される超安全な通信チャネルが可能になります。

量子コンピューティングのアプリケーションスイートが成長しているにもかかわらず、特に量子の利点を最大限に活用する新しいアルゴリズムの開発機械学習において—依然として進行中の研究の重要な領域です。

背景に緑色のレーザー光がある金属製の装置 — MITの研究者が開発した量子センサーのプロトタイプは、あらゆる周波数の電磁波を検出できる。画像クレジット: 王国清, CC BY-NC-ND

一貫性を保ち、エラーを克服する

　量子コンピューティング分野はハードウェアとソフトウェアの開発において大きなハードルに直面しています。量子コンピューターは、環境との意図しない相互作用に非常に敏感です。これにより、量子ビットが急速に古典ビットの 0 または 1 状態に劣化するデコヒーレンス現象が発生します。

量子の高速化を実現できる大規模な量子コンピューティングシステムを構築するには、デコヒーレンスを克服する必要があります。鍵となるのは効果的な方法を開発することです量子エラーの抑制と修正, 私自身の研究が焦点を当てている分野.

これらの課題を乗り越えるには、数多くの量子ハードウェアおよびソフトウェアのスタートアップ Google や IBM などの確立されたテクノロジー業界のプレーヤーと並んで台頭してきました。この業界の関心は、世界中の政府からの大規模な投資と相まって、量子テクノロジーの変革の可能性に対する集団的な認識を強調しています。これらの取り組みは、学界と産業界が協力する豊かなエコシステムを育成し、この分野の進歩を加速します。

量子の優位性が見えてくる

量子コンピューティングは、いつか、 generative AI。現在、量子コンピューティング技術の開発は正念場を迎えています。一方で、この分野はすでに、狭く特化された量子の利点を達成する初期の兆候を示しています。 Googleの研究者そして後で中国の研究者チーム量子の利点が実証された乱数のリストを生成するため特定の特性を持つ。私の研究チームは量子の高速化を実証しました乱数推測ゲーム用.

一方で、現実的な成果が短期的に実現できなかった場合、投資が削減される「量子の冬」に突入する明白なリスクもあります。

テクノロジー業界は短期的に製品やサービスにおいて量子の優位性を実現しようと取り組んでいますが、学術研究は依然としてこの新しい科学技術を支える基本原理の調査に重点を置いています。この現在進行中の基礎研究は、私がほぼ毎日出会うタイプの新しく聡明な学生たちの熱心な幹部たちによって後押しされており、この分野が確実に進歩し続けることを保証します。

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