量子コンピューターについての22の最も興味深い事実| 2021年版

クォンタムコンピュータは、電子メールをチェックしたり、ステータスを更新したり、通常のソフトウェア/ハードウェアタスクを実行したりすることは想定されていません。代わりに、それらはより複雑なもの、つまり量子力学に基づいています。

量子コンピューターは、原子のサイズよりもはるかに小さい粒子を扱います。このような小規模では、物理学の規則は意味がありません。ここからエキサイティングなことが起こり始めます。粒子は前後に移動したり、同時に存在したりする可能性があります。これらのタイプのコンピューターは、今日の従来のコンピューターで達成可能なものを超えて計算能力を高めることができます。

現在、量子コンピューティングについて私たちが知っていることについて詳しく説明しましょう。心を曲げる量子コンピューターに関する興味深い事実をいくつか集めました。

1。情報ストレージパターン

現在使用しているコンピューターは、データをバイナリ形式（一連の0と1）で格納します。メモリの各コンポーネントはビットと呼ばれ、ブール論理のステップを介して操作できます。

一方、量子コンピューターは、データを「0」、「1」、または2つの状態の量子重ね合わせとして保存します。このような量子ビット（量子ビットとも呼ばれます）は、バイナリシステムと比較してはるかに高い柔軟性を備えています。

量子ビットは、「上」と「下」の2つのスピン状態を持つ粒子を使用して実装できます。このようなシステムは、効果的なスピン1/2システムにマッピングできます。

2。猛烈なスピード

量子コンピューターのデータは、0と1の状態以外にも存在する可能性があるため、計算を並行して実行できます。簡単な例を考えてみましょう。キュービットが状態0と状態1の重ね合わせにあり、同様の重ね合わせで別のキュービットを使用して計算を実行した場合、0 / 1、0 / 0、1 / 0、1 / 1の4つの結果が残ります。

量子コンピューターは、デコヒーレンスの状態にあるときに上記の結果を示します。これは、1つの状態に崩壊するまで（状態の重ね合わせにある間）続きます。複数のタスクを同時に実行する機能は、量子並列処理として知られています。

3。セキュリティの再定義

量子コンピュータの速度も、暗号化と暗号化の分野で深刻な懸念事項です。今日の世界の金融セキュリティシステムは、地球の寿命内で従来のコンピュータでは文字通り解読できない多数の因数分解（RSAまたはDSAアルゴリズム）に基づいています。ただし、量子コンピューターは妥当な期間で数値を因数分解することができます。

一方、量子コンピューターは、壊れないセキュリティ機能を提供できるようになります。重要なデータ（オンライントランザクション、電子メールアカウントなど）をはるかに優れた暗号化でロックできます。
量子コンピューター用に多くのアルゴリズムが開発されています。最もよく知られているのは、グローバーのアルゴリズム（非構造化データベースの検索用）とショアのアルゴリズム（多数を因数分解します。

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4。電力効率が良い

消費電力は、電気で動作するデバイスの重要な要素です。膨大な数のプロセッサは、パフォーマンスを維持するために大量の電源を必要とします。たとえば、世界最速のスーパーコンピューター（サミット）は13MWの電力を消費します。

しかし、量子コンピューターでは物事は本当に興味深いものになります。量子トンネリングを使用しているため、消費電力を100〜1000分の1に削減できます。

5。代替現実

量子物理学によれば、私たちは多元宇宙と呼ばれるものを扱います。そこでは、問題が多くの、または無限の可能性のある解決策を持っている可能性があります。たとえば、ラップトップでこの記事を読んでいる可能性があります。別の世界では、旅行中にモバイルでこれを読んでいる可能性があります。

量子コンピューターは、「n」個のパラレルユニバースで「n」個のタスクを実行し、結果に到達することができます。従来のコンピューターが「n」秒で「n」の計算を行う場合、量子コンピューターは「n ^{2」を実行できます} 同じ時間で計算します。

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IBMのディープブルーは、1997年に世界チェスチャンピオンのギャリーカスパロフを破った最初のコンピューターであったことを覚えているかもしれません。コンピューターは、毎秒2億回の可能な動きを調べてそうしました。人間の脳の能力からは程遠い！しかし、量子機械の場合、1秒あたり1兆回の移動、2秒で4兆回の移動、3秒で9兆回の移動が計算されます。

6。量子コンピューターの構築が難しい理由

量子コンピューターの問題は安定性です。干渉（あらゆる種類の振動が原子の振動を混乱させる）がジブリッシュな出力を生成することがわかります。量子力学の電子は波のように振る舞い、波動関数によって記述されます。これらの波は干渉し、量子粒子の奇妙な振る舞いを引き起こす可能性があり、これはデコヒーレンスと呼ばれます。

7。涼しい温度

パフォーマンスを向上させるために安定した状態を維持するために必要な温度は、実際に低くする必要があります。量子コンピューターを機能させるには、原子を安定させておく必要があります。そして、これらの原子を安定に保つための既知の効率的な方法の1つは、温度をゼロケルビンに下げることです。この場合、原子は熱を放出せずに安定します。

現在、D-Wave2000Qシステムは最先端の量子コンピューターです。その超伝導プロセッサは0.015ケルビン（星間空間の180倍の低温）に冷却されています。

8。問題解決スキル

量子コンピューターは古典的なアルゴリズムを実行できます。ただし、効率的な結果を得るために、本質的に量子に見えるアルゴリズムを使用するか、量子エンタングルメントや量子重ね合わせなどの量子計算の一部の機能を使用します。

決定不可能なクラスの問題は、量子コンピューティングでは決定不可能なままです。量子アルゴリズムを魅力的なものにしているのは、古典的なアルゴリズムよりも速く問題を解決できることです。たとえば、巡回セールスマン問題を数秒で解決できます。これは、従来のコンピュータでは30分かかります。

さらに、量子コンピューターは、DNAシーケンスデータを分析することで、遠くの惑星を発見し、天気を正確に予測し、癌を早期に検出し、より効果的な薬を開発するのに役立ちます。

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9。 A.Iゲームチェンジャー

人工知能は初期段階にあります。今日の高度なロボットは、部屋に足を踏み入れ、材料、形状、可動体を認識できますが、それらを本当にインテリジェントにする要素が欠けています。量子コンピューターは、情報処理の分野ではるかに優れています。300ビットを使用すれば、宇宙全体をマッピングすることができます。

Quantumマシンは、機械学習操作の速度を指数関数的に高速化し、時間を数十万年からほんの数秒に短縮することができます。

1ゼタバイトサイズの2つの大きなベクトル間の距離を測定するには、GHzのクロックレートを備えた従来のコンピュータは数十万年かかります。一方、GHzクロックレートの量子コンピューター（将来構築される場合）は、ベクトルが補助量子ビットと絡み合ってから1秒しかかかりません。

10。すべてのものを高速化できるわけではありません

量子コンピューターは問題を解決するための最適な方法を見つけますが、パーソナルコンピューターが日常的に使用する基本的な数学的原理のいくつかに依存しています。これは、すでに十分に最適化されている基本的な算術を指します。

数字のセットを追加するのに、単にそれらを合計するよりも良い方法はありません。このような場合、古典的なコンピューターは量子コンピューターと同じくらい効果的です。

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11。量子コンピューティングに関する最新の成果

ニューサウスウェールズ大学の科学者は、2015年にシリコンを使用した最初の量子論理ゲートを開発しました。同じ年に、NASAは、1500万ドル相当のD-Wave製の最初の運用可能な量子コンピューターを発表しました。

2016年、メリーランド大学の研究者は、最初の再プログラム可能な量子コンピューターの作成に成功しました。 2か月後、バーゼル大学は、半導体の電子正孔を（電子スピンを操作する代わりに）低温で使用する電子正孔ベースの量子機械の変形を指定しました。これは、デコヒーレンスの影響をまったく受けません。

2019年、Google AIはNASAと協力して、量子超越性を達成したと主張する論文を発表しました。これは、量子コンピューティングの歴史における画期的な出来事です。

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12。システムを使用して量子機械をシミュレートできます

量子コンピューティングの最も重要なアプリケーションの1つは、量子シミュレーターです。それらは、スーパーコンピューターでモデル化することが不可能であり、実験室で研究するのが難しい量子システムの分析を可能にします。

量子シミュレータは、特定の物理問題への洞察を提供するように特別に設計されています。それらは、従来のプログラム可能な「デジタル」量子コンピューターで構築することができ、幅広い量子問題を解決することができます。

これまでのところ、量子シミュレータは、トラップされたイオン、極性分子、極低温量子ガス、量子ドット、超伝導回路など、さまざまな実験プラットフォームで実現されています。

13。量子コンピューターのためのプログラミング言語

2020年に、研究者たちはSliqを開発しました。これは、量子コンピューター向けのわかりやすい高級プログラミング言語です。

量子計算では、開発者は通常、コードが乱雑になる低レベルの抽象化、破棄する必要のある一時的な値など、いくつかの苛立たしいことに対処する必要があります。

一部の量子言語はこれを回避しようとしますが、比較的複雑な方法で機能します。一方、Sliqは、直感的なセマンティクスを可能にする安全な自動計算解除をサポートしています。

さらに魅力的な事実と発見

14。 量子コンピューティングは、1959年にリチャードファインマンの有名な講義「底に十分な余地があります」で最初に言及されました。彼は、合成化学の強化された形式として個々の原子を操作する可能性を検討しました。

15。 世界初の量子鍵配送プロトコルであるBB84は、IBMの研究者であるGilliesBrassardとCharlesBennettによって1984年に開発されました。これは、ワンタイムパッド暗号化で使用するために秘密鍵をある場所から別の場所に安全に送信する手法です。

16。 2018年2月、物理学者は、量子コンピューティング革命を推進する可能性のある、非線形量子媒体内の3光子束縛状態を含む新しい形の光を考案しました。

17。 2018年3月、大学宇宙研究協会、NASA、Googleが運営するQuantum Artificial Intelligence Labは、Bristleconeという名前の72キュービットプロセッサをリリースしました。

18。 量子計算の現実的なモデルは、量子アルゴリズムで実行されます。量子アルゴリズムは、解決する問題のタイプまたは使用する手法/アイデアによって分類できます。現在、振幅増幅、量子フーリエ変換、およびハイブリッド量子アルゴリズムに基づくアルゴリズムがあります。

19。 量子機械を物理的に実装するために、いくつかの異なる候補が追求されています。その中で最も人気のあるものは–

• 超伝導およびトラップ型量子コンピューター
• スピンベースおよび空間ベースの量子ドット
• ダイヤモンドベースの量子コンピューター
• 空洞量子電気力学
• 分子磁石

20。 量子状態でエンコードされたデータはコピーできません。このデータを読み取ろうとすると、その量子状態が変化します。この機能を使用して、量子鍵配送の盗聴を特定できます。

21。 これまでに、Google（Bristlecone）、IBM（IBM Experience and Q）、Intel（Tangle Lake）、Rigetti（19Q）、D-Wave（Ranier）の5社が量子チップを製造しています。

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22。 2020年、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の研究者チームは、量子コンピューター内でエラーなしに量子ビットを準備および測定するための新記録を樹立しました。より具体的には、0.03％の準備と測定のエラー率を達成しました。量子情報科学のほぼすべての分野に影響を与えます。