コンピュータが暴走: 指数関数的演算! 「Quantum」に行動を起こすよう依頼する必要がある

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

前章で述べたように、「スーパーコンピュータ」のさらなる発展は多くの問題によって制限されています。では、コンピューターのサイズと消費電力を削減しながら、コンピューターの計算能力を継続的に向上させるにはどうすればよいでしょうか?

（写真提供：Veer Gallery）

コンピュータが「量子」と出会うとき

諺にあるように、疑問があるときは量子力学に頼ってください。コンピューターが量子力学に遭遇した場合、この想像力豊かな「量子コンピューター」は量子力学の魔法を使用して、指数関数的な計算能力を必要とする複雑な問題を処理できるでしょうか?

従来のコンピューターでは計算に 2 進法が使用され、計算の基本単位はそれぞれ 0 または 1 の特定の状態しか取れないことがわかっています。この計算の基本単位は「ビット」とも呼ばれます。しかし、これはまた、従来のコンピューターの「ビット」数は、チップ上のトランジスタの密度を増やすことによってのみ増加でき、それによってデータの計算能力が直線的に向上することを意味します。しかし、「量子コンピュータ」を使えば、この厄介な問題は簡単に解決できます。

「量子コンピュータ」の基本的な計算単位は「量子ビット」と呼ばれ、確率的な精度で同時に 0 または 1 の状態をとることができます。言い換えれば、N 個の「量子ビット」を持つ「量子コンピュータ」は、2 の N 乗の可能な状態を同時にとることができ、N が増加するにつれて 2 の N 乗は指数関数的に増加し、指数関数的に強力な計算能力を持つことになります。

想像してみてください。このような特異な「量子ビット」があれば、1 つの「量子ビット」は 2 つのコンピューティング ユニットとして機能し、10 の「量子ビット」は 1024 のコンピューティング ユニットとして機能し、100 の「量子ビット」は実際には約 1.27 の 30 乗のコンピューティング ユニットとして機能します...このように、非常に少ない「量子ビット」を持つ「量子コンピューター」を使用して、指数桁の規模を必要とするコンピューティング問題の魔法を打ち破ることができます。

シュレーディンガーの猫——「量子の重ね合わせ」の魅力を体感

幸いなことに、量子力学における「量子重ね合わせ」が私たちにこの魔法の力を与えてくれます。名前が示すように、「量子重ね合わせ」とは、量子システムが測定される前に同時に複数の状態の重ね合わせ状態になる可能性があることを意味します。

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例えば、猫が外からは観察できない箱の中に閉じ込められており、箱の中には猛毒ガスを放出できるスイッチ装置があり、スイッチを作動させる条件は放射性同位元素の崩壊によって放出される信号を受信することであると仮定します。この場合、放射性同位元素の崩壊により毒スイッチが作動し、子猫は死にますが、崩壊しなければ子猫は生き残ります。

しかし、放射性同位体の崩壊は確率的であるため（50% の確率と仮定）、観察のために箱を開ける前は、子猫の生死も確率的な重ね合わせであることを意味します。この時点では、「子猫は生きている」と「子猫は死んでいる」という 2 つの事象の発生は放射性同位体が崩壊するかどうかに依存するため、子猫の状態を記述する決定論的な方法はないことがわかります。つまり、理論的には子猫がまだ生きている可能性は 50%、死んでいる可能性は 50% です。したがって、子猫は「子猫は生きている」と「子猫は死んでいる」の重ね合わせ状態にあり、両方の状態が存在する確率は 50% です。これは有名な「シュレーディンガーの猫」の思考実験です。

もちろん、箱を開けて観察すると、子猫の状態は「子猫は生きている」か「子猫は死んでいる」と一意に決まりますが、これは量子力学におけるこの「量子重ね合わせ状態」が、観察されるとすぐに特定の状態に崩れることを意味します。

量子コンピュータの基本的な計算単位 - 量子ビット

従来のコンピュータでは、基本的な計算単位を表す各「ビット」は、チップ上に統合された単一のトランジスタ スイッチによって実装されます。トランジスタがオンのときは 1 状態を表し、オフのときは 0 状態を表します。同様に、「量子コンピュータ」も、現実世界で「量子重ね合わせ」の魔法を発揮するために、「量子ビット」として適切な物理的キャリアを見つける必要があります。違いは、この物理的なキャリアは計算プロセス中に状態 1 と状態 0 の重ね合わせを維持する必要があり、この魔法の「量子ビット」を現実世界でどのように見つけるかが、科学者が常に追求してきた目標であるということです。

懸命な努力が報われ、科学者たちはついに、1 と 0 の両方の状態の重ね合わせを同時に維持できる自然界の物理的キャリアを発見しました。この物理的なキャリアは、私たちが中学時代から知っている古い友人、つまり荷電イオンに他なりません。

荷電イオンには 2 つの重要な特性があります。 1 つ目は、電荷を帯びていることです。 「電場-磁場」という物理的な手段を通じて、任意の数の荷電イオンを捕捉することができます。 2 つ目は、量子力学の理論によれば、荷電イオンのエネルギーは離散的であり、つまり、同じ荷電イオン内のエネルギーは、惑星の軌道のように連続的なレベルを持っているということです。このエネルギー分類法はエネルギーレベル構造と呼ばれます。

科学的研究により、この独自の離散エネルギーレベル構造では、特定の 2 つのエネルギーレベルを選択して「量子ビット」を構築できることが判明しました。このうち、エネルギーの高いエネルギーレベルは 1 状態を表し、エネルギーの低いエネルギーレベルは 0 状態を表します。このように、2 つのエネルギー レベル間の確率的な遷移は、1 と 0 の重ね合わせ状態を表すことができます。自然界の荷電イオンを使用したこのエンコードは「キュービット」と呼ばれ、量子コンピューティングを実行するこの方法は「イオン トラップ」と呼ばれます。

技術の継続的な進歩により、人々は人工的な物理システムを使用して「量子ビット」をエンコードする試みも始めています。研究では、フォトリソグラフィープロセスによって作成された電子回路を 0.015K 近くまで冷却すると、荷電イオンと同様の離散的なエネルギーレベルを示すことができることがわかりました。この人工的な 2 レベルの物理システムは、「超伝導量子ビット」とも呼ばれます。この「超伝導量子ビット」の利点は、現代の集積回路技術と互換性があることであり、業界から広く注目されています。

しかし、絶対零度より少し高く、宇宙空間よりも寒い 0.015K 未満の極低温環境も必要であり、極低温環境を提供するには超小型の「冷蔵庫」が必要になります。さらに、人工の「超伝導量子ビット」のそれぞれが完全に同一であることは不可能であり、そのため較正の精度と制御の正確さに対する要求がさらに高くなります。

さらに、中性原子、光量子、量子ドット、さらに想像力豊かなトポロジカル量子などの物理システムも「量子ビット」として使用することが提案されています。現在でも、「イオントラップ」と「超伝導量子ビット」は、科学者によって量子コンピューティングを実現するための有力な候補と考えられています。

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理論が現実に！量子コンピュータが誕生！

科学者たちは、N ≥ 50 の場合、量子コンピュータの計算能力は最大 2 の 50 乗になり、すべての古典的コンピュータの限界を超えると推定しています。つまり、特定のコンピューティング問題を扱う場合、量子コンピュータは従来のコンピュータに対して「量子優位性」または「量子覇権」を発揮することになります。

2019年、「超伝導量子コンピューティング」ソリューションに基づく53量子ビットのプロセッサが突如登場しました。特定の乱数のサンプリング作業を完了するのにかかった時間はわずか約 200 秒でしたが、この計算問題は当時最も強力なスーパーコンピュータを使用しても約 10,000 年かかりました。この指数関数的なレベルの計算能力は、計算速度の向上をもたらすだけでなく、多くの伝統的な産業に革命的な影響を及ぼします。

たとえば、現代の金融業界で広く使用されている公開鍵暗号 (RSA) アルゴリズムは、最も強力なスーパーコンピュータでもパスワードを解読するのに約 80 年かかるのに対し、量子コンピュータは指数関数的な計算能力を使用して約 8 時間で総当たり攻撃でパスワードを解読できるため、絶対に安全であると考えられています。これは、従来の暗号に基づく現代の暗号化システムが量子コンピューターからの大きな影響を受けることを意味します。

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量子シミュレーション: 特定の問題に合わせてカスタマイズ

「量子コンピュータ」は、特定の量子アルゴリズムに対してのみ効率的な計算能力を発揮し、日常のオフィス業務を処理するために従来のコンピュータに取って代わることはできないことに注意する必要があります。さらに、「量子ビット」自体の量子重ね合わせも外部からの干渉や損失に極めて弱く、最終的に大規模なフォールトトレランスを実現できる量子コンピュータが実現されるまでにはまだまだ長い道のりがあります。

しかし、汎用の「量子コンピュータ」が最終的に実現される前に、特定のコンピューティング問題を処理するための専用マシンを構築することは可能です。現段階では、このような特殊な用途の量子コンピュータを一般に「量子シミュレータ」または単に「量子シミュレーション」と呼んでいます。

特定の計算を処理できる専用マシンもそう遠くない将来に登場します。航空機の設計に使用される大型風洞は興味深い例です。航空機設計における空力形状最適化設計を例にとると、古典的な意味でのコンピュータシミュレーションでは、航空機と周囲の気流をグリッドに離散化し、各グリッドの力の解析と運動状態を計算し、最終的にすべての計算グリッドを統合して航空機の全体的な空力データを取得する必要があります。

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十分に小さいグリッド精度を達成するには、短期的なデータ操作を実行するために「スーパーコンピュータ」の計算能力が必要になることが多く、それ以上の無限離散グリッド分析は不可能です。この計算問題を解決するために、一般的には、航空機の縮小モデルを使用して、大型風洞内で直接風洞シミュレーション実験を実施し、航空機の空力形状の信頼性を直感的に検証します。

実は、この大型風洞自体がコンピューターなのです。さまざまな空力パラメータを入力するだけで、航空機のシミュレートされた力と運動状態を直感的に得ることができます。この「風洞コンピュータ」は私たちが想像するコンピュータではありませんが、航空機設計の特定のアルゴリズムタスクでは、従来のコンピュータの能力をはるかに超えるパフォーマンスを発揮します。

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この素晴らしいアイデアは、薬物反応プロセスの分子動力学シミュレーション、ブラックホール衝突の相対論的シミュレーション、核融合プロセスにおける電子脱出問題など、いくつかの極めて複雑な計算問題を再検討するきっかけにもなりました。

実際、1982 年にはすでに、物理学者のリチャード ファインマンは次のように提案していました。「量子力学で必要な計算リソースは粒子の数の増加とともに指数関数的に増加するため、最も良い方法は、より制御しやすい別の量子システムを使用して、元の複雑な量子システムをシミュレートすることです。」

簡単に言えば、指数計算を必要とする計算問題の場合、0 と 1 の古典的な計算方法を使用して解決する必要がなくなります。代わりに、元々複雑な問題と同等のシミュレーションを実行するための、別のシンプルで制御可能な物理システムを見つけて、コンピューティング リソースの膨大な浪費を回避する必要があります。これが「量子シミュレーション」の基本的な出発点です。

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したがって、「量子コンピュータ」も一般化された量子シミュレーションシステムであると言えますが、「量子コンピュータ」は量子重ね合わせ状態の並列計算特性を活用し、「量子ビット」と一連の量子論理ゲート操作を通じて、指数関数的なデータ計算機能を実現します。 「量子シミュレータ」は、狭義の量子シミュレーションシステムに属します。対象システムと同等の物理モデルを構築することで、特定の複雑な量子システムをシンプルかつ制御可能な方法でシミュレートできます。

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したがって、「スーパーコンピュータ」は古典コンピュータのリソース最適化と統合であり、「量子コンピュータ」は量子力学における新しい計算方法を活用した将来に向けた汎用計算機であり、「量子シミュレーション」も量子力学における新しい計算方法を活用しているが、現段階では特定の問題をシミュレーションできる専用計算機であると結論付けることができます。

しかし、後者の 2 つの出現は、量子時代が静かに到来し、人々の将来の生産とライフスタイルを前例のない形で大きく変えるであろうという刺激的な事実を人々に伝えています。この変化は想像を絶するものであり、ちょうど 19 世紀の人々がそろばんなどの機械式計算機を使用していたときには、電子計算機に含まれる計算能力が情報交換の方法を完全に覆すとは想像もできなかったのと同じです。

未来を想像してみましょう。量子コンピュータの強力な指数関数的計算能力により、私たちの世界はどのような衝撃的な変化を経験するのでしょうか?

編集者：孫晨宇