量子コンピュータ完全ガイド：2021年版 知っておくべき22の重要事実

量子コンピュータは、メールのチェック、ステータス更新、通常のソフトウェア/ハードウェアタスクのためのものではありません。代わりに、もっと複雑なもの — 量子力学 — に基づいています。

量子コンピュータは、原子よりもはるかに小さな粒子を扱います。このような小さなスケールでは、物理学のルールは意味をなさなくなります。ここで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、同時に存在したりできます。このタイプのコンピュータは、今日の従来のコンピュータでは達成できない計算能力を実現できます。

現在わかっている量子コンピューティングについて詳しく説明しましょう。量子コンピュータについての興味深い事実をいくつか集めました。これらはあなたの常識を覆すでしょう。

1. 情報格納パターン

今日私たちが使用しているコンピュータは、データをバイナリ形式（0と1の系列）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で操作できます。

一方、量子コンピュータはデータを「0」、「1」、またはその2状態の量子重ね合わせとして格納します。このような量子ビット（キュービットとも呼ばれる）は、バイナリシステムと比較してはるかに大きな柔軟性を持ちます。

キュービットは、「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、実効的なスピン1/2システムにマッピングできます。

2. 圧倒的な速度

量子コンピュータのデータは0と1の状態だけでなく、より多くの状態で存在できるため、並列計算を実行できます。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、同様の重ね合わせにある別のキュービットと計算を実行すると、4つの結果 — 0/1、0/0、1/0、1/1 — が得られます。

量子コンピュータは、デコヒーレンス状態（状態の重ね合わせにある間）にあるときに上記の結果を示し、1つの状態に崩壊するまで続きます。複数のタスクを同時に実行するこの能力は量子並列性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は、暗号と暗号理論の分野でも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、従来のコンピュータでは地球の寿命内に事実上解読できない大きな数の素因数分解（RSAまたはDSAアルゴリズム）に基づいています。しかし、量子コンピュータなら合理的な期間で数を因数分解できます。

一方、量子コンピュータは破れないセキュリティ機能を提供できるようになります。オンライン取引、メールアカウントなどの重要なデータを、はるかに優れた暗号化でロックできます。量子コンピュータ向け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）とショアのアルゴリズム（大きな数の因数分解）です。

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4. 省電力

電力消費は電気で動くあらゆるデバイスの重要な要素です。巨大なプロセッサアレイには、性能を維持するために多額の電力供給が必要です。世界最速のスーパーコンピュータ（Summit）でさえ、13MWの電力を消費します。

しかし、量子コンピュータでは事情が本当に面白くなります。量子トンネル効果を使用するため、消費電力を100〜1000分の1に削減できます。

5. 並行現実

量子物理学によれば、問題には多くの、または無限の確率的解決策がある「多世界」を扱います。例えば、あなたはノートパソコンでこの記事を読んでいるかもしれません。別の宇宙では、移動中にモバイルで読んでいるかもしれません。

量子コンピュータは「n」のタスクを「n」の並行宇宙で実行し、結果に到達できます。従来のコンピュータが「n」秒で「n」の計算を行うなら、量子コンピュータは同じ時間で「n²」の計算を実行できます。

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IBMのDeep Blueが1997年に世界チェスチャンピオンのガリー・カスパロフを破った最初のコンピュータだったことを覚えているかもしれません。このコンピュータは1秒あたり2億手の可能な手を調べることでそうしました。人間の脳の能力からは程遠い！ しかし、もし量子マシンなら、1秒あたり1兆手、2秒で4兆手、3秒で9兆手を計算できたでしょう。

6. 量子コンピュータ構築が困難な理由

量子コンピュータ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乱す）がガベージ出力を生成することが判明しています。量子力学における電子は波のように振る舞い、波動関数で記述されます。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します。これをデコヒーレンスと呼びます。

7. 低温環境

より良いパフォーマンスのための安定した状態を維持するために必要な温度は、本当に低くなければなりません。量子コンピュータを動作させるには、原子を安定させる必要があります。そして、これらの原子を安定させる知られている効率的な方法の一つは、温度をゼロケルビンまで下げることです。そこでは原子は熱を放出せずに安定します。

現在、D-Wave 2000Qシステムが最も先進的な量子コンピュータです。その超伝導プロセッサは0.015ケルビン（星間空間の180倍冷たい）まで冷却されています。

8. 問題解決能力

量子コンピュータは古典アルゴリズムを実行できます；しかし、効率的な結果を得るためには、本質的に量子的と思われるアルゴリズムや、量子もつれや量子重ね合わせのような量子計算の特徴を使用するアルゴリズムを使用します。

決定不能クラスの問題は量子コンピューティングでも決定不能のままです。量子アルゴリズムが魅力的なのは、古典アルゴリズムよりも高速に問題を解決できることです。例えば、従来のコンピュータで30分かかる巡回セールスマン問題を数秒で解けます。

さらに、量子コンピュータは遠隔惑星の発見、精密な天気予報、癌の早期発見、DNAシーケンシングデータの分析によるより効果的な薬の開発に役立ちます。

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9. AI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入り、材料、形状、動く物体を認識できますが、それらを真に知的にする要素を欠いています。量子コンピュータは情報処理の分野で圧倒的に優れています — 300ビットで宇宙全体をマッピングできます。

量子マシンは、機械学習操作の速度を指数関数的に高速化し、数十万年から単なる数秒に短縮できます。

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ために、GHzクロックレートの従来コンピュータなら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（将来構築されるなら）は、ベクトルが補助キュービットとエンタングルされた後、わずか1秒で完了します。

10. すべてが高速化できるわけではない

量子コンピュータは問題を解決する最適な方法を見つけますが、あなたのパーソナルコンピュータが毎日使用している基本的な数学的原則の一部に依存しています。これはすでに最適化されている基本的な算術を指します。

数のセットを加算するより良い方法は、ただそれらを足し合わせること以外にありません。このような場合、古典コンピュータは量子コンピュータ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の最新成果

ニューサウスウェールズ大学の科学者たちが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。同年、NASAはD-Wave製の最初の運用可能な量子コンピュータ（1500万ドル相当）を公開しました。

2016年、メリーランド大学の研究者たちが最初の再プログラム可能な量子コンピュータを作成しました。2ヶ月後、バーゼル大学は、低温で半導体中の電子ホール（電子スピンの操作ではなく）を使用する電子ホールベースの量子マシンの変種を指定しました。これはデコヒーレンスに対してかなり脆弱性が低いです。

2019年、Google AIはNASAと提携し、量子超越性を達成したと主張する論文を発表しました — 量子コンピューティングの歴史におけるブレークスルーです。

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12. 量子マシンをシミュレートするために使用できるシステム

量子コンピューティングの最も重要な応用の一つは量子シミュレータです。スーパーコンピュータではモデル化不可能で、実験室で研究するのが困難な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学問題への洞察を提供するために特別に設計されています。従来のプログラム可能な「デジタル」量子コンピュータで構築され、幅広い量子問題を解決できる可能性があります。

これまで、量子シミュレータはトラップドイオン系、極性分子系、超低温量子ガス、量子ドット、超伝導回路など、多くの異なる実験プラットフォームで実現されてきました。

13. 量子コンピュータ用プログラミング言語

2020年、研究者たちが量子コンピュータ向けの理解しやすい高水準プログラミング言語「Sliq」を開発しました。

量子計算では、開発者たちは通常、抽象化レベルの低さによる煩雑なコード、破棄が必要な一時的な値など、いくつかのフラストレーションを伴う事項を扱わなければなりません。

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動作します。一方、Sliqは安全な自動アンコンピュテーションをサポートし、直感的なセマンティクスを可能にします。

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・ファインマンが有名な講演「底には広大な部屋がある」で初めて言及しました。彼は個々の原子を操作する可能性を、合成化学の強化された形態と見なしました。

15. 世界初の量子鍵配送プロトコルBB84は、1984年にIBMの研究者ジル・ブラッサールとチャールズ・ベネットによって開発されました。ワンタイムパッド暗号で使用するため、ある地点から別の地点へプライベートキーを安全に送る技術です。

16. 2018年2月、物理学者たちは非線形量子媒質中の3光子束縛状態を含む新しい形の光を考案しました。これが量子コンピューティング革命を推進する可能性があります。

17. 2018年3月、大学宇宙研究協会、NASA、Googleによって運営される量子人工知能研究所が、72量子ビットプロセッサ「Bristlecone」をリリースしました。

18. 現実的な量子計算モデルは量子アルゴリズムで動作し、解決する問題のタイプや使用する技術/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、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. 量子マシン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。其中で最も人気のあるものは —

• 超伝導とトラップドイオン量子コンピュータ
• スピンベースと空間ベース量子ドット
• ダイヤモンドベース量子コンピュータ
• キャビティ量子電気力学
• 分子磁石

20. 量子状態に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。この特徴は、量子鍵配送での盗聴検出に使用できます。

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

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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チームが、エラーなしで量子コンピュータ内部の量子ビットを準備・測定する新記録を樹立しました。具体的には、準備・測定エラー率0.03%を達成しました。これは量子情報科学のほぼすべての分野に影響を与えるでしょう。