なぜ量子コンピューティングが必要なのでしょうか?

著者注

友人の依頼で、量子コンピューティングに関する科学普及ビデオを書くはずだったのですが、うっかり書きすぎてしまいました。一般の方々にも役立つかもしれないと思い、恥ずかしげもなく全文をここに掲載します。実際、量子コンピューティングに関するポピュラーサイエンスの記事は数多くあり、私も以前にそれらについて書いたことがありますが、この記事の視点は少し異なります。なぜ量子コンピューティングが必要なのでしょうか?なぜ近年になってようやく注目されるようになったのでしょうか?これらの疑問に答えることができれば、おそらく一部の人々は安心するだろう。量子コンピューティングは科学者の空想ではなく、時代の産物なのだ。量子力学や相対性理論が人類が20世紀に残した輝かしい足跡であるように、量子コンピューティングもまた、人類が21世紀に残したもう一つの永遠の足跡となるかもしれません。

著者 |ウーシー

制作：中国科学普及-星空プロジェクト

私たちはコンピューティングの時代に生きている

人類の計算能力に対する渇望は尽きることがない。紐を結ぶ時代から、計算能力の向上は文明の進歩と密接な関係があり、古代ギリシャのピタゴラス学派でさえそれを真実とみなしていました。今日、私たちはコンピューティングの利点にあまりにも慣れているため、その素晴らしさをほとんどの人が無視しています。画面をスワイプしてキーワードを入力すると、検索エンジンが目的の結果をポップアップ表示します。これらの操作は数秒で完了します。この背後にどれだけの「計算」があるのか​​知っている人はどれくらいいるだろうか？私たちが短い動画を見ながら楽しくよだれを垂らしている間、次にどの動画をあなたにプッシュするかを機械が必死に計算していることを知っている人はどれくらいいるでしょうか?感染症流行のこの危機的状況において、私たち一人ひとりが協力してコードをスキャンし、核酸レベルをチェックしているが、感染症との闘いにおける「コンピューティング」の偉大な成果を認識できる人はどれくらいいるだろうか。今日、私たちの計算能力はピークに達しました。機械は、人類が誇る最後の知的拠点である囲碁を征服した。次に、機械は自動運転とメタバースを征服しようとするでしょう。私たちはコンピューティングの時代に生きていると言えます。

インカ文明の結び紐の記録: キプー

今日のスーパーコンピューティング能力は、「トランジスタ」と呼ばれる非線形コンポーネントによるものです。これは自然界で最もありふれた材料であるシリコンで作られていますが、そこには最先端の人類の知恵が凝縮されています。私たちの周りにはどこにでもありますが、最も清潔でほこりのない工場で生まれています。私たちの生活は急速に変化しており、今や私たち中国人は他者の言いなりになっている。これがチップです。

最先端のシリコン半導体チップでは、数百億個のトランジスタがブール代数と呼ばれるバイナリロジックに従って演算を実行します。このロジックは効率的ではありませんが、非常に柔軟で普遍的です。 50 年以上にわたりムーアの法則の速度で急激に成長した結果、CPU はすべての対抗勢力を駆逐し、ほぼ唯一のコンピューティング ツールとなりました。

ムーアの法則は50年以上前から提唱されており、現在でも有効です。対応する計算能力も飛躍的に成長しました。トランジスタのサイズがどんどん小さくなり、ナノメートルレベルに近づくにつれて、ムーアの法則は遅かれ早かれ終わるというのが実際のところの決まり文句になっています。私が言いたいのは、今日のインターネット時代において、ムーアの法則が長期間有効であるとしても、コンピューティング能力の発展は実際にはインターネット上のデータ拡張の速度にはるかに遅れをとっているということです。コンピューティングを通じてインターネットから抽出できる情報の量は、インターネットが実際に含まれている情報の量と比較すると、わずかなものになります。データを鉱山、コンピューティング能力を採掘機と想像すると、鉱山の前では採掘機はますます小型化していくでしょう。このような状況において、人類は現在のパラダイムを超えた新たなコンピューティング能力を求めることが差し迫っています。このような状況では、Google のような企業が量子コンピューティングに非常に関心を持ち、自らも関与しようとしている理由が理解できます。鉱山を所有しているからです。道具も持たずに金鉱の上に座って、自分の手で掘らなければならないところを想像してみてください。

ムーアの法則50年

量子コンピューティングが現実に

いろいろ話した後、ようやく話題は量子コンピューティングに移りました。多くの人は、量子というと、波であり粒子でもあるとか、テレポーテーションといった不思議な現象を連想する傾向があります。実際、これは必要ありません。私が量子について人々と話すとき、最も恐れているのは、虚無主義や認識論などの議論に巻き込まれることです。なぜなら、私は実際には哲学者ではなく、実験者だからです。私は量子を実用的な観点から見るのが好きです。量子は物質の根本的な動作を正確に記述します。それは今日でも非常に正確です。さて、量子の法則の下でどんな素晴らしいことができるか見てみましょう。量子を使ってコンピューティングを行うというのは、間違いなく前世紀で最も大胆なアイデアの 1 つです。なぜなら、その時代では量子の世界を制御する能力が現在とは大きく異なっていたためです。ショアのアルゴリズムやグローバーのアルゴリズムなど、最初のいくつかの重要な量子アルゴリズムは、実際には数学者によって開発されました。彼らはこれを数学的なおもちゃとして研究し、実現しようとは考えていませんでした。

21 世紀に入り、状況は大きく変わりました。 2012年のノーベル物理学賞は、「独立した量子システムの測定と操作における画期的な実験的進歩」によりセルジュ・アロッシュとデイビッド・J・ワインランドに授与されました。彼らは初めて原子をトラップし、光と原子の相互作用を利用して原子の量子状態を操作および測定しました。これが実際にイオントラップ量子コンピューティングの始まりでした。この研究は量子状態の操作と読み取りへの扉を開き、量子コンピューティングの物理的な実現への希望を燃え上がらせます。これからは、量子ビット、量子ゲート、量子コンピューティングは単なる数学的、理論的な段階にとどまりません。

2012年ノーベル物理学賞受賞者

世紀の変わり目に、もう一つの非常に重要な進歩がありました。日本の理化学研究所の蔡昭神氏の研究グループは、超伝導「島」における量子振動現象を初めて発見した。 Haroche と Wineland の研究との最大の違いは、この時点での量子システムが「マクロな量子システム」であることです。つまり、マクロなスケールの電子が量子プロセス全体に参加しているのです。この「超伝導クーパー対ボックス」は、現在最も人気のある量子コンピューティングの候補の 1 つである超伝導量子コンピューティングの前身です。マクロ的な量子システムは操作や読み取りが容易であり、その製造プロセスは半導体チップとほぼ互換性があります。これにより、このシステムは今後 10 年間で驚異的な活力に溢れることになります。 (超伝導量子ビットの詳細については、「量子コンピューティングと超伝導の出会い: 美しい出会い」を参照してください)

マクロ量子ビット: クーパー対ボックス |出典: Nakamura, Y., Pashkin, YA & Tsai, JS 単一クーパー対ボックスにおけるマクロ量子状態のコヒーレント制御。ネイチャー398、786-788（1999）。

前述の「クーパー対ボックス」や磁束量子ビット、位相量子ビットなどの初期の超伝導量子ビットは、操作、結合、読み取りに関連する多くの技術的問題を解決しましたが、重要な指標であるデコヒーレンス時間（量子「寿命」）に悩まされてきました。デコヒーレンス時間とは、システムの量子特性が消えて古典システムになる傾向がある特性時間を指します。いかなるシステムも完全に分離することはできないことはわかっています。そうでなければ、そのシステムは存在しないのと同じです。 「計算」が可能な量子ビットなので、孤立する可能性はさらに低くなります。外界と相互作用しなければなりません。そうでなければ、どうやって制御し、測定できるでしょうか?そして、いかなる相互作用も必然的に量子情報の損失につながります。原子などの自然界の粒子は寿命が非常に長く、光子と非常に弱い相互作用しか持たないため、両刃の剣となります。相互作用が弱いため、量子性は非常に強くなります。同時に、相互作用が弱いからこそ、それを操作したり測定したりすることが困難になります。これは、アロッシュとワインランドの研究がノーベル賞を受賞した理由を部分的に説明しています。それは確かに非常に困難です。

超伝導量子ビットの状況はまさに逆です。量子ビットを構成する超微細エネルギーレベルは、マクロ的な数のクーパー対の集団的動作によって引き起こされます。これらは、よりマクロ的な固体システムの中に存在しており、その環境は単一の原子よりもはるかに劣悪です。未知の発生源から来る光子、残留電子、外部の電磁場の乱れによって引き起こされる電荷​​と磁場の変化はすべて量子ビットに影響を与えます。また、マクロな自由度であるため、これらの外部の自由度との結合強度も非常に強く、量子ビットの情報は非常に短時間で失われてしまいます。しかし、まさにこれこそが、電磁場制御によって非常に短時間で操作したり読み取ったりできるものであり、「ニンジンを引っ張って、引っ張って、引っ張って…」とさえ言えないほどの速さです（「超伝導量子ビットの寿命は500マイクロ秒を超える ― 人間界ではほんの一瞬だが、非常に重要な意味を持つ」を参照）。

デコヒーレンス時間の問題は 2007 年に転機を迎えました。当時、この分野の科学者は、静電容量の増加が電荷ノイズの抑制に効果があることにすでに気づいていました。イェール大学の Koch 氏らと我が国の You Jianqiang 氏は、ほぼ同時に、バイパス容量の増加がそれぞれクーパー対ボックスと磁束量子ビットシステムのデコヒーレンス時間の改善に及ぼす影響を体系的に研究しました。前者は現在普及しているトランスモン量子ビットです。それ以降、超伝導量子ビットのデコヒーレンス時間は急速に10マイクロ秒から100マイクロ秒のオーダーに達し、これは10ナノ秒の操作時間に比べて非常に長い時間です。その後すぐに、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の Martinis グループは、トランスモン量子ビットに基づくスケーラブルなスキームとシステム エレクトロニクス ソリューションを迅速に提案し、超伝導量子コンピューティングのエンジニアリングの基礎を築きました。その後の物語は、このグループが Google に加わり、Google 向けに「Sycamore」チップを開発し、量子超越性というセンセーショナルなマイルストーンを生み出したというものです。この話は別の号で掲載することもできるので、今は置いておきます。 (「IBM が Google を反駁、量子超越性対量子優位性、量子コンピューティングはどれほど遠いのか?」および​​「Google の「量子超越性」の中心人物: 私が Google を辞めた理由」を参照)

Google の Sycamore チップ (出典: wikipedia.org)

つまり、今日、量子コンピューティングは、数学者のおもちゃ、理論物理学者の概念から徐々に現実のものへと変化してきました。これには多数の実験物理学者とエンジニアの努力が必要であり、部外者には理解しにくいものです。いずれにせよ、これらの実験、技術の進歩、蓄積により、私たちは量子コンピューティングの将来について語る資格を得ることができ、量子コンピューティングがいかにして従来のコンピューティングを圧倒するかを自慢できる自信を持つことができます。次は吹き始めましょう！

量子コンピューティングの力

ビットの概念はシャノンの情報理論に由来します。いくつかの情報によれば、この概念は以前（1940 年代）に数学者によって作成されたようです。バイナリ代数論理における情報の最小単位を表すために使用されます。従来のコンピュータでは、情報はビット単位でエンコード、処理、送信、取得されます。量子の世界では、情報の最小単位は量子ビットとなり、これは情報の符号化、処理、伝送、取得の単位でもありますが、今ではそれが量子場の中で実行されます。論理的には、これは首尾一貫して重ね合わせることができる 2 つの状態システムです。物理的には、区別可能な（準）2 レベル システムです。複数の量子ビットを組み合わせることで複合システムを形成できます。もしもそれらが絡み合うことができれば、それは奇跡を目撃する瞬間です。

情報理論の創始者、クロード・シャノン |出典: インターネット

エンタングルメントは量子の世界に特有のものです。そこには、現在まで完全には理解されていない非常に深遠な物理学が隠されていますが、私たちは多数の実験を通じてその存在を確認しました。 2 つの量子ビットによって形成された複合システムを例に挙げます。このシステムは特定の量子状態になることができます。このとき、全体として見れば量子システムですが、ある量子ビットだけを見れば量子システムではなくなります。言い換えれば、複雑なシステムは全体としてしか見ることはできず、そのサブシステムからは情報を得ることができません。数学的に言えば、エンタングルメントシステムはより大きな直積空間を開き、この直積空間の次元はビット数とともに指数関数的に増加します。ここにいくつか恐ろしい数字があります。N = 50 の場合、この空間の次元は、今日の最先端のスーパーコンピューターによる 1 秒あたりの計算数とほぼ同等になります。 N = 300 の場合、次元は既知の宇宙全体の原子の総数を超えます (コップ 1 杯の水には約 1023 個の原子があります)。

エンタングルメントによってもたらされる恐ろしい次元の拡張は、計算問題のための巨大なコーディング空間を提供し、特定の問題がより高い次元でより効率的な解決策を探すことを可能にします。 100 年以上の開発を経て、従来のコンピューターと理論は多くの問題を効率的に解決できるようになりました。しかし、天気予報、株価、抗がん剤など、解決できない問題はまだたくさんあります。これらの問題を正確に計算できれば、私たちの世界は非常に美しくなるか、あるいは非常に退屈になるかもしれません。たとえば、中国サッカー代表チームが次の試合で何点負けるかを正確に計算できます。残念ながら、量子コンピューティングでもこれらの問題を解決することはできません。さて、それではなぜ私たちはそんなに苦労しているのでしょうか? ！心配しないでください。量子コンピューティングのフレームワーク内では、特定の問題が驚くほど効率的に解決できることがわかっています。また、これらの問題は非常に意味のあるものでもあります。

その 1 つが有名な Shor アルゴリズムです。今日のインターネットでは、Web を閲覧してユーザー名とパスワードを入力するときに、他の人に覗かれないようにするにはどうすればよいでしょうか?銀行カードのパスワードが他人に盗まれるのを防ぐにはどうすればよいでしょうか?隠せと言う人もいます。実際、インターネットでは、暗号化システムによる保護がなければ、この情報はほとんど透明です。インターネットのもう一つの特徴は、情報が瞬時に地球のどこにでも送信できることです。あなたのパスワードを覗き見する人は、モーリシャスに座ってココナッツウォーターを飲んでいるかもしれません。従来のポイントツーポイント暗号化はインターネットには適していません。ノードの数が増えると、パスワードを単に保存するだけでは大惨事になります。非対称暗号化システムである RSA 暗号化は、この問題を効果的に解決します。いわゆる非対称とは、暗号化と復号化に使用されるキーが異なることを意味します。つまり、復号化には秘密キーが使用されます。暗号化には公開鍵が使用されます。公開鍵は公開されており、誰でも取得できます。 Li Si が Zhang San に説明できないデータを送信したい場合は、Zhang San が公開した公開鍵で暗号化する必要があります。張三はそれを受け取った後、秘密鍵で開いて楽しむことができます。現時点で、この情報を密かに欲しがっている人がいたとしても、残念ですが、その人は公開鍵を持っていても、秘密鍵がなければ開くことができません。張三と通信したい人は誰でも公開鍵を共有できるため、この暗号化システムは必要な鍵リソースを大幅に節約します。

この暗号化システムは、ほとんどエラーなく、長年にわたってインターネットを保護してきました。その暗号化原理は、数学的な発見、すなわち大きな数の不可分性の原理に由来しています。 2 つの既知の大きな素数を掛け合わせて大きな数を得る場合、注意深い中学生であれば結果を計算できます。しかし一方で、掛け算の結果を教えて、どの 2 つの素数を掛け合わせればその結果が得られるかを尋ねます。一流の数学者でさえも唖然とするだろう。人類の最も印象的な業績は、RSA-768 の解読です。以下を参照してください。

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現在、RSA-1024 と RSA-2048 が一般的に使用されています。後ろの数字は指数です。この問題を解く難しさは問題の大きさに応じて指数関数的に増加するため、現代のコンピュータはそれに頼ることしかできず、はるかに遅れをとっています。

量子フーリエ変換の指数関数的加速のおかげで、ショアのアルゴリズムは上記の問題を準多項式難易度で解決することができ、元々数百万年かかっていたクラッキング時間を数秒に短縮します。これは次元削減攻撃です。ショアのアルゴリズムは恐ろしく強力だが、20 世紀では問題にはならなかっただろう。当時の技術では、ショアのアルゴリズムを実装するのは火星着陸よりも困難だったのだ。

すでに説明したように、状況は今は異なります。パスワードの世界で最も厄介な問題の一つは、パスワードが破られたかどうかが分からないということなので、誰もが恐れています。さらに、現在では解読できないパスワードも保存できます。たとえ20年後にひびが入ったとしても、被害は依然として大きいでしょう。したがって、ショアのアルゴリズムの出現、特に技術的な実装の可能性により、人々は積極的に新しい形式の暗号化を探すようになりました。中国は量子通信に傾倒しており、この点では世界をリードしていますが、米国は量子暗号で遅れをとっています。一方、ヨーロッパは諦めようとしていません...つまり、これは緊急に解決する必要がある問題です。もし誰かが先にそれを破る方法を見つければ、国際的な抑制と均衡は一瞬にして破られ、悲惨な結果をもたらすだろう。

もう一つの有用な量子アルゴリズムはグローバーのアルゴリズムです。これは、非構造化配列内のターゲットを従来のアルゴリズムよりも平方根 N 倍高速に検索します (N は配列の長さ)。この加速機能は Shor のアルゴリズムに比べれば大したことはないが、検索問題は多くの問題を解決するための基礎であり、情報マイニングの重要な手段であるため、このアルゴリズムの方がおそらく有用である。 N が非常に大きい場合、このアルゴリズムの利点は非常に大きくなります。現在、インターネット上で毎瞬生成される膨大な量のデータは、N が非常に大きい状況に該当しませんか?

長い道のり

自慢ばかりしていたが、現実を直視しなければならない。上記の 2 つのアルゴリズム、およびその派生アルゴリズムは、操作と読み取りエラー率に関して極めて高い要件があり、量子ビットが完璧でエラーがないことがほとんど要求される。問題は、あらゆる物理システムは誤差の影響を受けやすく、実際の操作には一定の精度が求められることです。ある程度の冗長性を作り出すことでエラー訂正を実現できますが、これは従来のコンピュータの初期の研究でも重要なテーマでした。興味深いことに、今日の半導体チップではビットエラーの確率が非常に低いため、エラー訂正はまったく不要になります。こうしたエラー訂正理論の遺産が失われようとしていたちょうどそのとき、量子コンピューティングが登場してそれを継承したのです。

量子エラー訂正は量子コンピューティングを実現する上での大きな課題であり、たとえエラー訂正の要件を現在の技術で許容できるレベルまで低減できる表面符号化などのトポロジカル符号エラー訂正技術が発見されたとしても、短期的には達成が困難です。これは非常に複雑な科学と工学の分野横断的な問題です。ビット数が 1,000 に達し、制御、分離、読み取りの技術が同時に進歩して初めて、この問題に真に取り組むことができるようになります。 （「量子コンピューティングにおける次の大きな課題」を参照）

この期間中、量子エラー訂正のブレークスルーを辛抱強く待つべきでしょうか?実際、誰もそんなことはしません。現在、この分野全体の科学者やエンジニアは、「ノイズの多い中規模量子コンピューティング（NISQ）」にさらに注目しています。その考え方は、量子ハードウェアの現在のレベルに基づいてノイズの存在を許容し、実用的な応用価値のある量子アルゴリズムまたは量子シミュレーション方法を具体的に探すことです。したがって、現在の研究のホットスポットは、古典-量子ハイブリッドコンピューティングに基づく変分量子アルゴリズム (VQE) と量子近似最適化アルゴリズム (QAOA) です。応用シナリオには、量子化学コンピューティング、金融ポートフォリオ最適化、人工知能などが含まれます。特定の応用分野で量子優位性が達成されると、量子コンピューティングに対する信頼は継続し、より多くの資金と人材が参加し、量子エラー訂正などの困難を克服することになります。

これからの道のりは長くて困難です!私はあちこち探し回ります。量子コンピューティングは困難な道です。我々は最前線にいますが、方向性が明確に見えていません。もしかしたら私たちは迷路に入り、剣を抜いて混乱しながら辺りを見回すかもしれません。あるいは霧を切り抜けて足元の前方の道が見えるかもしれません。これを国家間の競争だと考える人もいるが、私は人間精神の輝かしい例だと思う。失敗するかもしれないが、私たちは頭を下げるつもりはない。

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