量子超越性とは何ですか？そして、なぜそれが重要なのですか？

量子システムの概念は、1980年にロシアの数学者、ユーリマニンによって最初に提案されました。しかし、1980年代初頭に量子コンピューターの可能性を考案したのは、リチャードファインマンでした。

ファインマンは、量子コンピューターが化学と物理学の問題を解決するのに効果的であると提案しました。今日のコンピューターはバイナリロジックを使用してタスクを実行しますが、量子力学のルールを利用すると、多くの複雑な計算タスクが実行可能になります。

2012年、アメリカの理論物理学者であるジョンプレスキルは、古典的なコンピューターよりもはるかに高度なシステムを表すために「量子超越性」という用語を作り出しました。騒々しい中規模の量子技術の時代を告げるものです。

この概要記事では、「量子超越性」がどのような違いを生むのか、テクノロジー企業がこれまでに達成したこと、なぜこれほど大きな取引になるのかについて説明しました。基本から始めましょう。

量子超越性とは正確には何ですか？

量子超越性は、従来のコンピューターでは妥当な時間で解決できない問題を解決できる量子コンピューティングシステムを構築するという目標です。

これには、強力な量子機械を開発するためのエンジニアリングタスクと、その量子コンピューターで解決できる計算問題を分類するための計算の複雑さの理論的なタスクが含まれます。

量子超越性は、より強力で有用な計算への道の重要なステップです。量子超越性を実証するためにいくつかの提案がなされてきました。最も注目すべきものは次のとおりです。

• ランダム量子回路の出力のサンプリング
• D-Waveによって設計されたフラストレーションのあるクラスターループの問題
• AaronsonとArkhipovによって導入されたボソンサンプリングの提案

量子超越性が達成されたことをどのように確認しますか？

量子超越性の検証は、最も難しい作業の1つです。核爆発やロケット発射のようなものではなく、それを見て、それが成功したかどうかを即座に知ることができます。

量子超越性を検証するには、次の2つのことを正確に示す必要があります。

1. 量子デバイスは計算を高速に実行します。
2. 従来のコンピューターでは、同じ計算を効率的に実行できませんでした。

2番目の部分は非常に複雑です。従来のコンピューターは、特定の種類の問題を非常に効率的に実行できることがわかりました（科学者の予想よりも優れています）。古典的なコンピューターが特定のタスクを効果的に実行できないことが証明されるまで、より効率的でより優れた古典的なアルゴリズムが存在する可能性が常にあります。そのような古典的なアルゴリズムがそこにないことを証明することは物議を醸す可能性があり、それは多くの時間がかかる可能性があります。

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量子コンピューターを作る戦い

量子デバイスは数年前から機能していますが、特定の条件下でのみ従来のコンピューターよりも優れたパフォーマンスを発揮します。これらの量子マシンによって実行されるタスクのほとんどは、日常生活でも役に立ちません。

2016年、Googleは、9キュービットの量子チップを使用して、水素分子の完全にスケーラブルな量子シミュレーションを開発しました。 2017年、Intelは量子コンピューティング用の17キュービットの超伝導テストチップを製造し、IBMは90マイクロ秒の間量子状態を維持できる50キュービットのチップで水準を引き上げました。

Intelが開発した17キュービットの超電導テストチップ

2018年にGoogleはBristleconeという名前の72キュービットプロセッサを発表し、2019年にIBMは世界初の商用回路ベースの量子コンピュータであるIBM Q SystemOneを発売しました。

資金が豊富なカナダの量子コンピューティング企業であるD-WaveSystemsは、依然として例外です。 2015年には、1000キュービットを超える2X量子コンピューターが、NASAの量子人工知能ラボに設置されました。同社は、2048キュービットのサブシーケンス出荷システムを持っています。彼らのデバイスは、非常に特殊な問題を解決するために、量子アニーリングと呼ばれる代替技術に依存しています。

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Googleの大きな発表

突然、2019年の終わりまでに、Googleの研究者は量子超越性を達成したと発表しました。彼らは、200秒でターゲット計算（ランダムサンプリング計算）を実行するSycamoreという名前の54キュービットプロセッサを開発しました。

研究チームによると、古典的なスーパーコンピューターは同じ計算を実行するのに10、000年かかります。この速度の大幅な向上（従来のアルゴリズムと比較して）は、この特定のタスクの量子超越性を実験的に実現したものです。

彼らは何をしましたか？

量子超越性を実証するために、Googleは「ランダム回路サンプリング」と呼ばれる特定の問題を解決することを選択しました。この問題の簡単な例は、フェアダイのロールをシミュレートするためのプログラムです。

プログラムは、考えられるすべての結果から適切にサンプリングすれば、正確に実行されます。これは、プログラムが繰り返し実行されるため、プログラムは1/6の時間で各番号を生成する必要があることを意味します。

実際のシナリオでは、コンピューターはダイを配置する代わりに、ランダム量子回路のすべての可能な出力から適切にサンプリングする必要があります。この一連のアクションは、一連のキュービットに対して実行されます。キュービットが回路を通過すると、その状態が絡み合います（量子重ね合わせとも呼ばれます）。

たとえば、回路が54キュービットに作用する場合、54キュービットは2 ⁵⁴ の重ね合わせになります。 回路の終わりで可能な状態。これは、2 ⁵⁴ のセットを意味します 可能性は54ビットの1つの文字列に崩壊します。ダイスを転がすようなものですが、6つの可能な結果の代わりに、2 ⁵⁴ を取得します。 結果であり、すべてが同じように発生するわけではありません。

このランダム回路からの一連のサンプル（適切な分布に従う）は、量子コンピューターで効率的に生成できます。ただし、最先端のスーパーコンピューターでこれらのサンプルを生成するための従来のアルゴリズムはありません。したがって、サンプル数が増えると、デジタルスーパーコンピューターは急速に計算に圧倒されます。

この実験では、Googleの研究者は、ゲートサイクル（量子論理ゲート）の数を一定に保ちながら、12〜53キュービットのランダムな簡略化された回路を実行しました。次に、古典的なシミュレーションを使用して量子コンピューターのパフォーマンスをチェックし、理論モデルと比較しました。

システムが正しく動作していることを確認したら、53キュービットのランダムなハード回路を実行し、ゲートサイクルを増やして、従来のシミュレーションが機能しなくなるまで続けました。

量子超越性を実証するためのプロセス|クレジット：Google

実験は、完全にプログラム可能な54キュービットチップであるSycamoreで実行されました。これには、各キュービットが他の4つのキュービットに接続されている2Dグリッドが含まれているため、キュービット状態に十分な接続が可能になり（プロセッサ全体で即座に相互作用するため）、従来のコンピューターで同じ計算を実行できなくなります。

このレベルのパフォーマンスを達成するために、彼らは近くのキュービット間の相互作用をオフにすることができる新しい種類のコントロールノブを利用し、マルチ接続されたキュービットシステムのエラーを大幅に減らしました。また、量子ビットの欠陥を回避するための新しい制御キャリブレーションを開発し、クロストークを低減するようにチップ設計を最適化して、量子チップのパフォーマンスをさらに向上させました。

Googleは本当に量子超越性を達成しましたか？

GoogleのSycamoreチップは、量子クライオスタット内で冷却されています。画像クレジット：Eric Lucero / Google

グーグルは量子超越性を達成し、古典的なスーパーコンピューターが同等のタスクを実行するのに約10、000年かかると主張したが、IBMはこの主張に異議を唱え、同じタスクの理想的なシミュレーションは古典的なコンピューターで2。5日で実行できると述べた。忠実度が向上します。

Googleの実験は、量子デバイスが従来のコンピューターよりも「最高」であるという証拠と見なされるべきではありません。しかし、それは超伝導ベースの量子コンピューティングの進歩を完全に示しており、53キュービットシステムで最先端のゲート忠実度を明らかにしています。

「達成された量子超越性」のバリエーションを含む見出しは人目を引くものであり、読むのは興味深いものですが、一般大衆を完全に誤解させます。

量子超越性の定義によると、目標は達成されていません。そして、誰かが近い将来それを実証したとしても、量子コンピューターは古典的なコンピューターよりも「最高」に君臨することは決してないでしょう。代わりに、量子システムは、それぞれに独自の長所と利点があるため、従来のスーパーコンピューターと一緒に機能します。

ネーミング論争

一部の科学者は、「量子至上主義」という用語に同意しません。彼らの見解によれば、「至上主義」という言葉は、「白人至上主義」との関連を通じて、暴力、新植民地主義、人種差別の倍音を持っています。代わりに「アドバンテージ」を使用する必要があります。

しかし、このフレーズを思いついたジョン・プレスキルは、量子法に基づく情報技術が優勢である歴史の中で特権的な時期であることを強調したいと述べました。彼はまた、「量子超越性」が彼が伝えたいポイントを最もよく捉えていると説明した。 「アドバンテージ」などの他の言葉には、「優位性」のパンチが欠けています。

アプリケーションと将来

量子コンピューティングの最近の進歩により、まったく新しい世代のコンピューターサイエンティストや物理学者は、情報技術の側面を根本的に変えるようになりました。

現在、科学者は、計算エラーをリアルタイムで修正し、エラーのない量子計算を可能にするフォールトトレラントな量子マシンに取り組んでいます。量子コンピューティングの現在の最先端を考えると、この目標は実現から数年先です。

テクノロジー企業は、フォールトトレラントな量子デバイスを可能な限り迅速に開発するために数億ドルを投資しています。ただし、大きな問題は、量子マシンが有用なタスクを実行する前に、フォールトトレラントである必要があるかどうかです。

このようなマシンは、さまざまな価値のあるアプリケーションを約束します。たとえば、量子コンピューティングは、天気予報を改善し、サイバーセキュリティを強化し、飛行機や車両の軽量バッテリー用の新しい材料の設計に役立つ可能性があります。個々の分子を正確にマッピングできるため、製薬研究の機会が開かれる可能性があります。

また、銀行セクターにも大きな影響を与える可能性があります。量子コンピューティングは、投資戦略の最適化に関連する財務上の問題を処理する場合があります。これには、膨大な数のポートフォリオの組み合わせを分析して、最適な基準を見つけたり、不正な取引を認識したりすることが含まれます。

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現在、非常に限られた一連のタスクでテストされているため、どの業界の量子コンピューティングが最も影響を与えるかを予測することは困難です。量子時代の素晴らしさを十分に理解するには、数年（あるいは数十年）も我慢する必要があります。