Google の「1 億倍高速」の背後にあるもの: 量子コンピューティングはどのように実現されるのか?

最近、Google は D-Wave 量子コンピュータをリリースしました。これは、他のどのコンピュータよりも 1 億倍速く問題を解決できる能力があると主張しています。 Google は注目を集めるために商業的な宣伝をしているだけだと考える人もいます。一方、グーグルによる量子コンピュータの開発は大きな技術的進歩だと考える人もいる。同日、ロシアのメディアは「中国はダイヤモンドを使って世界初の量子コンピュータを開発した。量子論理ゲートの精度は99.99％に達した。この結果は固体スピンシステムの量子操作精度として世界最高レベルである」と報じた。では、世界初の量子コンピュータは、Google の D-Wave でしょうか、それとも中国のダイヤモンドベースの量子コンピュータでしょうか?量子コンピューティングの基礎 量子コンピューティングは、量子効果に基づいた新しいタイプのコンピューティングです。基本原理は、量子ビットを情報のエンコードと保存の基本単位として使用し、多数の量子ビットの制御された進化を通じてコンピューティングタスクを完了することです。量子ビットは 2 つの量子状態を持つ物理システムです。たとえば、光子の 2 つの偏光状態、電子の 2 つのスピン状態、イオン (原子) の 2 つのエネルギーレベルなどはすべて、量子ビットの 2 つの状態を構成できます。トランジスタにはオン/オフ状態のみがあり、つまり状態 0 または状態 1 のいずれかになります。量子重ね合わせの原理に基づいて、量子ビットは状態 0 と状態 1 を同時に持つことができます。量子システムの状態が変化すると、重ね合わせられたそれぞれの状態も変化する可能性があります。たとえば、1 つの量子ビットは 0 と 1 の両方を同時に表すことができるため、このような 2 つの量子状態は同時に 4 つの状態を表すことができます。 N 個の量子ビットは N 個のデータを同時に保存でき、データ量は N とともに指数関数的に増加します。同時に、量子コンピューターは 1 回の操作で 2 の N 乗のデータを同時に変換できます。データを並列処理するこの機能は、電子コンピュータが 2 の N 乗の演算を実行する効果に相当します。つまり、1 回の進化で 2 の N 乗のデータの並列処理を完了するのと同等です。これが、従来のコンピュータと比較した量子コンピュータの利点です。中国はダイヤモンドをベースにした量子コンピュータを開発していない 中国の学者たちはダイヤモンドを使って量子コンピュータを作ったわけではない。代わりに、ダイヤモンド内の炭素原子が窒素原子に置き換えられ、窒素原子の隣に空孔が追加されて NV カラーセンター構造が形成され、これがシングルスピン固体量子コンピューティングのキャリアになります。
（NV色中心）NV色中心の空孔内の不対電子はスピン1の特性を示します。NV色中心は532nmの緑色光で励起されると赤色蛍光を発することができ、蛍光のゼロフォノン線は637nmにあります。 532nmレーザーで励起された後、NV色中心は90%以上の確率で初期状態に準備され、研究者はマイクロ波と無線周波数を通じてその状態を操作することができます。
（結晶構造とエネルギーレベル構造）量子ドットや超伝導システムと比較して、NVカラーセンター電子スピンのコヒーレンス特性は非常に優れています。量子コヒーレンスは量子コンピューティングの前提条件であり、量子コンピューティングは量子コヒーレンスを使用して計算を実行する必要がありますが、各量子ビットは非常に壊れやすく、環境によって簡単にデコヒーレンスされ、量子コヒーレンスが失われ、システムの拡張とともにデコヒーレンス速度が指数関数的に増加します。量子ビットの数が増えるほど、デコヒーレンスの速度は速くなります。 NV カラーセンターの使用には、次のような利点があります。まず、イオンビーム注入によってダイヤモンドに窒素イオンを注入し、NV カラーセンター構造を形成する技術が成熟しています。 2つ目は、単一スピン量子ビットです。 NMRなどの集団スピンを研究対象とする手法とは異なり、NV色中心系の研究対象は単一電子スピンです。 3つ目は安定した蛍光特性と単一光子放出源です。長時間の強い光の作用下では、NV カラーセンターは安定した蛍光を発し続ける可能性があります。 4番目は、より理想的なデコヒーレンス時間です。超高純度のサンプルでは、これをミリ秒単位で達成することも可能です。第五に、単一スピン量子ビットの初期化と読み出しは、実装が容易な共焦点システムを使用して実現できます。 6 番目に、量子状態の準備、操作、および読み出しは室温で実現できます。他のほとんどの代替手段の実験条件は比較的厳しく（たとえば、Google D-Wave の低温超伝導体には、非常に厳しい温度要件があります）、操作の技術指標は非常に高くなります。実験は室温で実行できるため、実験の実現可能性が大幅に向上します。量子コンピューティングを実現するには、少なくとも次の条件を満たす必要があります。量子コンピューターには、識別可能で明確に定義された量子ビットが必要です。量子ビットは物理ビットと論理ビットに分けられます。エラー訂正コード処理により、いくつかの物理ビットが冗長化され、最終的に論理ビットが生成されます。論理ビットは優れた耐障害性特性を備えています。量子コンピュータは信頼できる初期状態を準備できなければなりません。量子コンピュータは弱いデコヒーレンス効果を持つはずです。量子コンピュータは正確な量子ゲート操作を実行できなければなりません。 Google の低温超伝導システムの動作精度は、量子コンピューティングに必要な 1 ビットゲートと 2 ビットネームの精度にはほど遠いものです。量子コンピュータは非常に強力な量子測定メカニズムを確立する必要があります。 NV カラーセンターシステムは上記のすべての点を満たしています。NV カラーセンターシステムには、スピン 1 の電子スピンシステムと複数の核スピンが含まれており、これらはすべて量子ビットとして使用できます。 NV カラーセンターシステム内の電子スピンはレーザー励起によって初期状態に準備することができ、その周囲の核スピンは動的核分極または分極移動によって高い忠実度で初期状態に準備することができます。窒素含有量が5×10^-9（質量分率）未満の超高純度ダイヤモンドでは、NV色中心の電子スピンのデコヒーレンス時間は数百マイクロ秒と長く、核スピンのデコヒーレンス時間も数百マイクロ秒と長い。コヒーレンス時間は数十ミリ秒と長く、NV カラーセンター電子スピンの周囲の核スピンを精製した後、電子スピンのデコヒーレンス時間は数ミリ秒、あるいはそれ以上に長くなることがあります。 GHz に達する可能性のある単一の量子 NOT ゲート演算の速度と比較すると、これは量子コンピューティングの高精度を保証するのに十分です。現在、NV カラーセンターシステムの単一量子ゲート操作の精度は 99.99% を超えています (これはロシアのメディアが報じた最新の技術革新です)。 NV色中心システムにおける単一電子および単一核スピンのシングルショット測定が実現しました。理解できない場合は結論だけ見てください。したがって、NV カラーセンターシステムは量子コンピュータキャリアになるための最も基本的な要件を満たしており、量子コンピュータキャリアの優れた候補になります。ロシアメディアが報じた杜江鋒研究グループの最新の科学研究成果によると、従来の誤り訂正符号の下で非常に高い動作精度を達成し、量子論理ゲートの精度は99.99%に達したという。シングルビットゲートの精度により、フォールトトレラントコンピューティングのニーズを満たしています。量子コンピュータを構築するための次のステップは、数百または数千の論理ビットがフォールトトレラントコンピューティングに必要な精度に到達できるようにシステムを拡張し、量子コンピューティングを実現することです。しかし、システムを拡張するのは極めて困難であり、量子コンピュータの構築にはまだ長い道のりが残っています。したがって、杜江鋒の研究グループが重要な技術的進歩を達成したとしても、「中国の学者がダイヤモンドをベースにした世界初の量子コンピュータを開発した」というロシアメディアの報道は明らかに誇張である。 Google の「1 億倍高速」は信頼できるのか?標準的な量子コンピュータは、従来のコンピュータと同様に、さまざまなアルゴリズムを実行できる汎用コンピュータです。その回路はチューリングマシンモデルと同等であり、チューリングマシンのさまざまな機能は基本ゲートで構成された回路を使用して実装できます。標準的な量子コンピュータにもこのような概念があり、一連の基本的な論理ゲートで構成されて量子回路を実現し、さまざまなアルゴリズム機能を実現します。このタイプの量子コンピュータは汎用量子コンピュータと呼ばれますが、Google の量子コンピュータには量子コンピュータに相当するゲートの概念がありません。では、Google は「他のどのコンピューターよりも 1 億倍速く問題を解決できる」と主張していますが、これはどういうことでしょうか?焼きなましの概念は金属加工技術から生まれました。金属を再結晶温度より高い温度まで加熱し、この温度を一定時間維持した後、ゆっくりと冷却することを指します。 Google の D-Wave は、量子場と最適化アルゴリズム空間の類似性を利用して、数学的な最低点ではなく、物質の最低エネルギー点での最適化空間を直接シミュレートする量子アニーリングマシンです。量子力学はミクロレベルとマクロレベルで異なるため、いくつかの潜在的な障壁構造を貫通することができます。たとえば、高さ 5 メートル、厚さ 0.1 メートルの壁がある場合、それを乗り越えるには人民解放軍と同等以上のスキルが必要です。しかし、量子力学のレベルでは、普通の人間が壁を直接通り抜けることができる可能性が一定数あります。古典的なレベルでは、従来のコンピュータを使用してシミュレーションを行う場合、正直に言って壁を乗り越えなければなりません。これが、D-Wave 量子アニーリングアルゴリズムの高速化が大幅に進み、Google が 1 億倍高速であると主張する理由です。つまり、Google の量子コンピュータは、特定のリンクに対して特別なアルゴリズムを実行するコンピュータにすぎません。 Google のアニーリングアルゴリズムは、特定のリンクやアプリケーションでは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が、汎用的ではありません。従来のコンピューターより 1 億倍高速というのは、特定の問題に対して特別に選択された最適化されたアルゴリズムを、構成が不明な従来のコンピューター上のシミュレーテッドアニーリングアルゴリズムと比較することです。確かに、Google D-Wave が特定のリンクやアプリケーションにおいて従来のコンピューターよりも優れている可能性は否定できません。しかし、D-Wave は汎用的ではなく、超伝導システムの動作精度は量子コンピューティングの要件を満たすにはほど遠い。したがって、D-Wave は真の量子コンピュータではありません。実際、2014 年 1 月 13 日、カリフォルニア大学の Martinis 教授と Lidar 教授が率いる研究チーム (Google の研究者を含む) は、503 量子ビットの D-WaveTwo 量子コンピューターの実験データには量子加速の証拠は見られなかったと公式に発表しました。 MITのコンピューター科学者で量子コンピューティングの専門家であるスコット・アーロンソン氏は、D-Waveは誇大宣伝の達人であり、たとえD-Waveがいわゆる1,000ビットの量子コンピューターを発売したとしても、原理的に量子加速の利点はなくなるため、何も変わらないと考えている。 D-Wave が特定の分野で役割を果たす可能性は否定できないものの、量子コンピュータでもない量子アニーリングマシンを従来のコンピュータと比較して特定のアルゴリズムをシミュレートし、「他のどのコンピュータよりも 1 億倍高速」と主張することは、商業的な誇大宣伝であると疑われるのは避けられません。注目を集めることだけを狙っていて真実を伝えようとしない国内メディアの中には、「Google が量子コンピュータの開発に成功した」という噂を流し、D-Wave に商業的な誇大宣伝を少し加えているところもある。ダイヤモンドは贅沢すぎる素材でしょうか？ダイヤモンドは高価すぎて素材として使えないというネットユーザーの意見があるが、実はダイヤモンドの高価格は、デビアスグループなどの独占グループが莫大な利益を得るために人為的に価格を吊り上げているだけである。当初、彼らはダイヤモンドの原産地、流通経路、加工などを管理することで、ダイヤモンドの利益分配と価格をしっかりとコントロールしていました。ロシアがダイヤモンドを大量に販売し始め、原産地を管理できなくなった後も、ロシアはブランド化、マーケティング、チャネル、加工、認証などの手段を通じて産業チェーンを管理し続け、ロシアのダイヤモンドが国際独占グループの利益に影響を与え、ダイヤモンドの価格を引き上げ続けることを不可能にした。しかし、人工ダイヤモンドの技術が成熟し、品質が天然ダイヤモンドに劣らず、あるいはそれ以上になると、国際独占グループは人工ダイヤモンドを軽蔑し、天然ダイヤモンドを称賛し始めました...実際、中国の人工ダイヤモンドの生産量は長い間世界一であり、世界の生産量の90％を占めています。一方で、市場の需要は非常に大きいです。一方、六面トッププレスや化学蒸着法など、独自の知的財産権を持つ設備やプロセスも徐々に成熟しつつあります。統計によると、2015年の中国の人工ダイヤモンドの年間生産量は約100億カラットで、年間成長率は21.45%でした。中国の合成ダイヤモンドの総輸出量は過去10年間で14倍以上に増加しており、米国は中国の合成ダイヤモンドの最大の輸出市場となっている。この発展傾向によれば、生産がさらに拡大すれば、人工ダイヤモンドのコストはさらに下がる可能性がある。さらに、温度要件が非常に厳しい低温超伝導材料と比較すると、人工ダイヤモンドの材料コストは、一部の人が想像するほど「贅沢」なものではなくなっています。結論 Google が標準的な量子コンピュータではなく量子アニーリングを研究している理由は、超伝導システムの動作精度が量子コンピューティングの要件を満たすにはほど遠いためです。同時に、超伝導システムにおける比較的成熟した超伝導電子技術の助けを借りて、Google は多数の量子ビットを簡単に統合することができます。しかし、この道を選ぶということは、Google が量子アニーリングマシンを「アップグレード」して量子コンピュータを作成する可能性がなくなることも意味します。杜江鋒の研究グループによるダイヤモンドシステムに基づく固体量子コンピューティングは新しいシステムを生み出したが、そのNVカラーセンターは量子ドットシステムや超伝導システムに比べてはるかに統合性が低く、真の量子コンピュータを構築するにはまだ長い道のりが残っている。したがって、前者は標準的な量子コンピュータではありません。後者は重要な技術的進歩を達成しましたが、量子コンピュータを真に構築するにはまだ時間がかかるでしょう。

今日頭条の青雲計画と百家曼の百+計画の受賞者、2019年百度デジタル著者オブザイヤー、百家曼テクノロジー分野最人気著者、2019年捜狗テクノロジー文化著者、2021年百家曼季刊影響力のあるクリエイターとして、2013年捜狐最優秀業界メディア人、2015年中国ニューメディア起業家コンテスト北京3位、2015年光芒体験賞、2015年中国ニューメディア起業家コンテスト決勝3位、2018年百度ダイナミック年間有力セレブなど、多数の賞を受賞しています。

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