現実世界での「MOSS」の探求（第2部）：量子コンピュータに求められる5つの基本要件

制作：中国科学普及協会

著者: ルアン・チュンヤン (清華大学物理学科)

プロデューサー: 中国科学博覧会

今年のヒットSF映画『流転の地球2』では、最強の量子コンピュータ「MOSS」が比類のないスーパーコンピューティングパワーを発揮した。最強の量子コンピューター「MOSS」の過去と現在を探ることで、「MOSS」の創作のインスピレーションが現実の科学の進歩から来ていることがわかります。また、映画制作チームの未来の世界における量子コンピューターの素晴らしい想像力も組み込まれています。

流浪の地球のMOSS

(写真提供: The Wandering Earth の静止画)

量子コンピュータは今日の科学技術の発展の最前線にあります。 1/0 エンタングルメント状態の量子ビット (キュービット) を使用して並列コンピューティングを実行することで、指数関数的に増大するスーパーコンピューティング能力を獲得し、幅広い応用の可能性を秘めています。 1990年代以降、科学者たちは量子コンピュータの開発に熱心に取り組んでおり、一連の進歩を遂げてきました。現在、量子コンピュータは量子化学や量子最適化などの分野に応用され、革命的な変化をもたらしています。

（写真提供：Veer Gallery）

つまり、物理システム内に 2 つの区別可能なエネルギー状態 (エネルギー レベル) があり、外部駆動力によってエネルギー レベル間の確率的遷移が実現できる場合、これらの 2 つのエネルギー レベルはそれぞれ 1 状態と 0 状態にエンコードすることができ、それによって 1/0 エンタングルメント状態エンコードが実現され、量子ビットとして量子コンピューターの並列計算に参加できます。 1/0 のエンタングルメント状態をエンコードするために選択された物理的なキャリアに応じて、量子コンピューターはさまざまなタイプに分類できます。

現在までに、汎用量子コンピュータを実現するための主流の候補は数多く存在しますが、実際には、どのようなモデルの量子コンピュータを使用する場合でも、いくつかの特定の基本要件を満たす必要があります。次に、量子コンピュータを構築するための 5 つの基本要件を整理します。

0/1の重ね合わせ状態をエンコードできる量子ビットが必要

私たちが現在生活の中で接しているコンピューティング デバイスはすべて古典的なコンピューターであり、古典的なコンピューターは古典的なビットを使用してバイナリ演算を実行します。コインに表と裏の 2 つの状態しかないのと同じように、古典的なビットは 1 または 0 のいずれかの状態しか取れません。従来のコンピュータのすべての計算操作は、1 状態と 0 状態間の変換と組み合わせに基づいています。

量子ビットは量子コンピュータの基本的な計算単位です。単一の量子ビットは、同時に複数の状態をとることができます。最も基本的な量子状態は 1 と 0 ですが、単一の量子ビットは同時に 1 と 0 の重ね合わせ状態になることもできます。

たとえば、状態 1 と状態 0 が等しい確率で重ね合わせられている量子ビットの場合、外界で測定される前は、この量子ビットは状態 1 になる確率が 50%、状態 0 になる確率が 50% です。つまり、量子ビットは任意の確率 P で状態 1 になり、確率 Q で状態 0 になり、確率 P と確率 Q の合計は常に 100% になります。

（写真提供：Veer Gallery）

量子ビットの数は、量子コンピュータの計算能力を測る重要な指標の 1 つです。量子ビットの数が増えるほど、量子コンピュータの計算能力は強くなり、より複雑な問題を処理できるようになります。たとえば、50 量子ビットを持つ量子コンピュータは、わずか数時間で 2048 桁の非常に大きな整数を因数分解できますが、従来のコンピュータでは同じ問題を解くのに数千年かかります。

この計算結果は、暗号と情報セキュリティの分野で大きな意義を持ちます。なぜなら、今日の暗号化アルゴリズムのほとんどは、非常に大きな整数を因数分解する時間の複雑さに基づいており、量子コンピュータの出現により、従来の暗号化方法が脅かされる可能性があるからです。

現在、多くの新しい暗号化アルゴリズムが提案されており、広く研究されている代替手段の 1 つが、量子鍵配布 (QKD) と呼ばれる量子力学に基づく暗号化です。量子鍵配送の暗号化方式は、量子状態の非複製性と非局所性を利用するため、通信する2つの当事者は盗聴されることなく非常に安全な通信チャネルを確立できます。

量子論理ゲート演算の普遍的なセットが必要である

従来のコンピュータでは、任意の複雑な論理ゲート操作を、AND ゲート、OR ゲート、NOT ゲートなどの基本的なブール演算に分解できます。

このうち、AND 演算は、両方の入力が 1 の場合にのみ出力が 1 になり、それ以外の場合は出力が 0 になることを意味します。

OR 演算は、2 つの入力のうち 1 つが 1 の場合、出力は 1 になり、それ以外の場合は出力は 0 になることを意味します。

NOT 演算は入力を否定し、その反対の値を出力します。

したがって、これらの基本的な論理ゲート操作を組み合わせて使用​​することで、より複雑な論理回路を構築し、従来のコンピューターの複雑な計算要件を実現できます。

従来のコンピューティングにおける論理ゲート操作と同様に、量子コンピューターにおける複雑な計算も、特定の基本的な論理ゲートの組み合わせに分解することができ、これらの基本的な論理ゲートを使用して、複雑な量子アルゴリズムや量子回路を構築できます。したがって、これらの基本的な論理ゲートは、汎用量子論理ゲートと呼ばれます。

3つの基本的な論理ゲートシンボルのベクトルセット

（写真提供：Veer Gallery）

一般に、量子論理ゲートのユニバーサル セットには、通常、単一量子ビット ゲートとマルチ量子ビット ゲートが含まれており、量子ビットに対してさまざまな種類の変換と相互作用を実行できます。このうち、単一量子ビットゲートは、単一の量子ビットに作用するゲート操作であり、単一の量子ビットの状態を変更するために使用されます。マルチ量子ビットゲートは複数の量子ビットに作用することができ、量子ビット間のエンタングルメント操作などを実現します。

一連の単一量子ビット ゲートおよび複数量子ビット ゲートに対して複合演算を実行することにより、量子コンピュータは任意の特定の量子アルゴリズムを実装でき、それによって量子コンピューティングにおける効率的な計算タスクを実現できます。したがって、一連の普遍的な量子論理ゲート操作は非常に重要で価値があり、量子アルゴリズムの設計と実装の基礎とサポートも提供します。

高品質の量子状態を準備し初期化することができる

量子コンピューティングで特定の動作アルゴリズムを実行するには、量子コンピューター内の量子ビットを外部条件によって駆動して特定の量子状態を準備し、初期化を完了する必要があります。例えば、実験的には、量子ビットは 1 状態または 0 状態、あるいは 1 状態と 0 状態が等しい確率で重なり合う重ね合わせ状態に直接作成することができます。このようにして、特定の量子状態に準備された量子ビットは、計算における初期化操作を完了します。

しかし、量子ビットの量子状態は外部からの干渉やエラーの影響を非常に受けやすいです。したがって、量子コンピューティングの結果の正確性と信頼性を確保するには、量子状態を高品質で準備し、初期化できることが必要です。

実験では、高品質の量子状態の準備と初期化には、いくつかの特別な操作方法を使用する必要があります。例えば、レーザー冷却技術を使用することで、ほぼ静止した荷電イオンを準備し、量子コンピューティングに必要なエネルギーレベルの状態に正確に調整することができ、高品質の準備と初期化を実現できます。

(画像出典: Phys.org)

したがって、高品質の量子状態の準備と初期化は量子コンピューティングの成功に不可欠であり、量子コンピューティングにおけるエラーと干渉を減らし、それによって量子コンピュータの全体的なコンピューティングパフォーマンスを確保することができます。

論理ゲートの動作時間に対するコヒーレンス時間の比率が十分に大きいことが必要である

量子ビットは回転するボールとして想像できます。外部からの干渉がない場合、ボールは回転し続け、1/0 の絡み合い状態で安定して維持されます。しかし、量子ビットの量子状態は外部干渉の影響を非常に受けやすいため、ボールは徐々に回転状態を失い、1/0 エンタングルメント状態を破壊します。量子ビットがエンタングルメント状態を維持する時間の長さが「コヒーレンス時間」です。

（写真提供：Veer Gallery）

この期間中、量子ビットの量子状態は 1/0 のエンタングルメント状態に安定して留まります。これが量子コンピューティングの重要な基盤です。コヒーレンス時間の長さは、量子ビットが配置されている外部環境と量子ビットの物理的構造によって異なります。通常、量子ビットのコヒーレンス時間はわずか数ミリ秒以下です。

したがって、この限られたコヒーレンス時間内に量子ビットに対して十分な論理ゲート操作を実行するには、コヒーレンス時間と論理ゲート操作時間の比率が十分に大きくなければなりません。

実際の応用においては、実験環境の温度を下げる、最適化された量子ビットの構造と設計を採用する、量子エラー訂正技術を使用するなど、さまざまな対策を講じて量子ビットのコヒーレンス時間を延長し、量子コンピューティングの精度と信頼性を向上させます。

最後に、量子ビットの状態を高品質で検出できる。

量子コンピュータの計算の最後には、量子ビットの状態を高品質で検出する必要があります。これは、量子コンピューティングの最終結果の精度と信頼性が、量子ビットの正確な読み取りに依存するためです。同時に、高品質の量子ビット検出技術は、量子通信や量子鍵配布（QKD）などのアプリケーションの基盤にもなります。

一般的に、量子ビットの状態は検出器を通じて読み取られます。検出器は量子ビットのスピン、位置、エネルギーなどの状態を検出できるためです。

さらに、高品質の量子ビット検出には、高精度と高速という特性だけでなく、さまざまな種類の量子ビットに適用可能であることも必要です。超伝導量子干渉計、単一光子検出器など、さまざまな種類の量子ビットに適した一連の検出技術が開発されています。

（写真提供：Veer Gallery）

これらの高品質な検出方法は、量子ビットの状態を正確に読み取るのに役立つだけでなく、さらに小さな量子効果を検出することも可能にします。したがって、量子コンピューティングの成功には、量子ビットの状態を高品質で検出することが不可欠です。

まとめると、真に実用的な量子コンピュータを実現することは現在非常に大きな課題であり、量子コンピュータを実現するための 5 つの基本要件を満たし、数え切れないほどの実験的および技術的な困難を克服する必要があります。

結論

量子コンピューティング技術の開発にはまだ多くの課題がありますが、科学者たちはさまざまな量子コンピューティングソリューションを絶えず探求、研究、開発しています。現在、イオントラップシステム、超伝導量子システム、光子システム、中性原子、量子ドット、ダイヤモンドNV色中心、トポロジカル量子システムなど、多くの量子コンピューティング方式が提案されています。

（写真提供：Veer Gallery）

それぞれの候補には独自の長所と短所があるものの、量子コンピューティングへの道はまだ追いついている段階です。技術の継続的な発展と進歩により、近い将来、真に実用的な量子コンピュータが登場し、人類社会の発展に前例のない生産性の向上をもたらすと信じる理由があります。

編集者：孫晨宇