量子コンピューターについては、少なくとも数年前から聞いていました。 しかし、それは何ですか？ 量子コンピュータは何のためにあるのか? 今日はそれについて簡単な言葉で説明します。
量子 コンピューター 科学の発展に良い影響を与えると期待され、多くの研究者が期待している発明です。 しかし、量子物理学の仕組みを理解することは非常に困難です。 一部の物理学者は、現在の「量子コンピューター」がそう呼ばれるべきかどうかさえ疑っています。 量子コンピューティングの使用における最大の障害は、量子マシンの環境のわずかな変化でも影響を受ける多数のエラーです。 これまでのところ、量子ビットの可能性を十分に活用することはまだできていません。 今日は、これらの非常に量子ビットの何が特別なのかを見つけようとしますか?
量子コンピューターは存在しますか?
真の科学者の本質は、信頼せず、常にチェックすることです。 私がまだ学生だったとき、まさにこの言葉を思い出しました。 そして、彼はこのフレーズの正しさを何度も確認しました。 これは「量子コンピューター」にも当てはまります。 これらのコンピューターの名前を引用したのはなぜですか? 確認してみましょう。
量子コンピューターは非常に複雑なトピックですが、できるだけ単純にして、理解しやすい方法で説明します。 今日でも、科学者、物理学者、およびエンジニアは、実際に機能する量子コンピューターが世界のどこかに存在するかどうかという一見単純な問題について議論することができます。 「しかし、結局、IBM のような企業が量子コンピューターを自慢しているなんて!」 - 誰かが言うかもしれません。 そして彼は正しいでしょう。 IBM が本当に量子コンピューターを作成したのか、それとも単にそのデバイスを「量子コンピューター」と呼んだのかは未解決の問題です。
友人の 人が、量子コンピューターが私たちが慣れ親しんでいるコンピューターとどのように違うのかを簡単な言葉で説明するように頼んだとき、私は通常、簡単な比較を使用します。 私たちの古典的なコンピュータ（など パソコン, ラップトップ その スマートフォン) がろうそくなら、量子コンピューターは電球です。 両者の目的は同じで、白熱灯やろうそくの場合は光の放出であり、コンピュータの場合は計算です。 ただし、どちらの場合も、目標の達成方法はまったく異なり、結果も異なります。 簡単に言えば、電球が単なる大きなろうそくではないのと同じように、量子コンピューターは現代のコンピューターの単なる改良版ではありません。 ろうそくをどんどん良くして電球を作ることはできません。 電球が違う テクノロジー、より深い科学的理解に基づいています。 同様に、量子コンピューターは量子物理学に基づく新しいタイプのデバイスであり、電球が社会を変えたように、量子コンピューターは、セキュリティのニーズ、医療、さらにはインターネットなど、私たちの生活の多くの側面に影響を与える可能性があります。
したがって、コンピューターと電球の比較に固執すると、「量子ジョセフ・スワン」（最初の機能的な白熱電球の作成者）はまだ登場しておらず、これまでのところ、科学は簡単に言えば、 「赤くて熱いもの」をチェックして、どれだけ光るかを確認します。 量子コンピューターがどのように機能するかについての理論的基礎の一部はわかっていますが、その開発にはまだ解決を待っている大きな障害があります。
世界中の研究センターや企業がさらなるテストと研究を行っており、量子物理学の分野の専門家は、この段階では達成不可能な目標を達成するために使用できる、完全に機能する量子マシンの作成は明らかに数十を超えるだろうと同意しています。年の。
現在量子コンピューターと呼ばれているマシンは、そのような名前にまったく値しないと私は信じており、多くの科学者も私に同意するでしょう。 彼らは、計算を実行したり、通常の古典的な方法では解決できない問題を解決したりする能力を欠いています。
現在、古典的なコンピューターではアクセスできない問題を解決する量子マシンを作成できるほどの技術開発にはまだ達していません。 もちろん、Google や IBM は、従来の方法では実行が困難な何らかの計算を行っていると話していますが、現時点では説得力がありません。
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量子とは何ですか？
そもそも「量子」とは？ それは物理的な物体ではありません。 「量子」という用語は、物理学で何かの可能な最小の割合を表すために使用されます。 したがって、「力の量子」、「時間の量子」、または「粒子の量子」を持つことができます。 この道をたどると、「量子物理学」や「量子力学」などの用語に到達します。つまり、原子や個々のクォークのレベルで、可能な限り最小の相互作用またはシステムを扱う科学の分野です。
そして今、「量子情報の最小かつ分割不可能な単位」であるキュービット（量子ビット）にたどり着きました。 同時に、古典的なコンピューター (ビットを使用) と量子コンピューター (キュービットを使用) が計算を実行する方法の類似点と相違点について説明する最初のポイントにも到達します。
従来のコンピューターでは、各情報は一連の と として格納されます。 このような情報は、コンピューター、コンソール、スマートフォン、 スマートウォッチ その スマートテレビ、この情報に対して実行される操作と同様です。 休暇中の写真を見たり、友達とおしゃべりしたり、最新のゲームをプレイしたり、高度な暗号計算を行ったりする場合でも、すべてが 0 または 1 のみのバイナリ システムで行われます。 実際、それは古典的なイエスかノーのようなものです。
このシステムがどれほど非効率的であるかは、限界に達したときにわかります。 また、別のセルフィーのためにスマートフォンのスペースが不足している場合でも、科学者がパンデミックの発生の数学的モデルを作成しようとしている場合でも、問題はゼロと が多すぎることです。それらを計算することはできません。
Qubit はこの問題を解決します。 この情報は、いわゆる重ね合わせ状態を維持できる量子物理学の特性を使用しています。 キュービットは、0 から 1 の間の任意の値を取ることができます。これは、スペクトル全体のプロパティを持ち、15% ゼロや 85% などの値を持つことができます。 理論的には、これにより、より多くの情報を保存したり、計算を高速化したりすることができます。 しかし同時に、制御や理解さえ困難な多くの問題が発生します。
計算能力の追加スケーリングを可能にする量子コンピューターのもう つの機能は、量子もつれの使用です。 これは つの量子ビットが互いに接続されている状態であり、そのうちの つを観察するたびに、もう一方もまったく同じ状態になります。 エンタングルメントにより、量子ビットをさらに効率的な単位にグループ化して、情報の記録と処理を行うことができます。
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量子装置
量子コンピューターは、量子ビットを格納する領域、量子ビットに信号を送信する方法、プログラムを実行して命令を送信する従来のコンピューターの つの主要部分で構成されます。
量子ビットを構成する量子材料はデリケートで、環境の影響に非常に敏感です。 一部の量子ビット格納方法では、量子ビットを格納するユニットは絶対零度に近い温度に保たれ、それらのコヒーレンスが最大化されます。 他のタイプのキュービット ストレージでは、真空チャンバーを使用して振動を最小限に抑え、キュービットを安定させます。
信号を量子ビットに送信するには、マイクロ波、レーザー、電圧など、さまざまな方法があります。
量子コンピューターが正常に動作するためには、多くの問題を解決する必要があります。 量子コンピューターの主な問題はエラー訂正であり、スケーリング (キュービットの追加) によってその周波数がさらに増加します。 これらの制限があるため、量子パーソナル コンピューターがデスクに置かれるのはまだ遠い未来ですが、近い将来、商用の量子コンピューターが利用可能になる可能性があります。 これについて詳しく説明しましょう。
量子コンピュータの問題点
しかし、量子コンピューターには つの大きな問題があります。 つまり、科学者はその使用に大きな問題を抱えています。その特殊な特性のおかげで、キュービットからデータを正確に読み取ることができるように十分に静かな環境が必要だからです。 どんなに小さな違反でも、情報を正確に読み取ることができなくなります。
古典的なコンピュータの場合、過去には同様の問題が重要な役割を果たしていましたが、今日では重要ではないため、学術科学でも見落とされることがよくあります。 エラー率について話しています。 これは、情報のビットまたはキュービットのどの割合が破損する可能性があるかを判断する指標です。 これは、たとえば、過電圧やその他の障害が発生したときに発生する可能性があります。
従来のデバイスの場合、エラー確率は約 ～ です。 1017 少し量子コンピューターの場合、これはまだ数百分の 272 です。 そしてこれは、量子コンピューターが最も隔離された状態で摂氏-度、つまり絶対零度よりわずかに高い温度で動作する状況です。 温度変動、電磁場の変化、さらには動きさえも計算全体を破壊します。
もうつの問題は、量子状態の「不安定性」です。 量子状態を測定したり乱したりするたびに、ゼロと の つの位置のいずれかに戻ります。 この場合、量子状態は崩壊します。 このプロセスは、量子デコヒーレンスと呼ばれます。
このように考えてみてください。量子コンピューターは、複雑な計算を実行する熟練した数学者であり、その結果は 0 から 1 万の間です。 私たちは、何かが多すぎたり少なすぎたりする可能性があることしか理解していない子供です. 数学者が 356 や 670,23 などの異なる結果を出す可能性がある場合は常に、世界に対する私たちの理解によれば、これらの結果のそれぞれは、1 つの特定の違いを定義することなく、少数 (846) または多数 (662) に分類されます。 これが量子デコヒーレンスです。 正しい計算を行う唯一の方法は、数学の作業が完了する前に保証することです。
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量子コンピューターを何に使うのか?
今日、20 年前のスマートフォンのように、量子コンピューターは何に使用できるのかという疑問が生じます。 もちろん、すでにいくつかの計画と仮定がありますが、量子コンピューターが普及したときに、量子ビットの使用に関する最も興味深い方向性が明らかになるでしょう。
暗号は、量子コンピューティングが最も頻繁に使用される最も人気のある分野の つです。 問題は、それが非常に安全な方法で情報を送信する方法であり、セキュリティは計算プロセスの複雑さに基づいているのではなく、物理法則に基づいているということです。これにより、特定のことは単に不可能であるという確信が得られます. そして現時点では、聞いたり、スパイしたり、ハッキングしたりすることは不可能です。
この場合のセキュリティは、キュービットのまさに物理的特性によって保証されます。前述したように、量子ビットは、観察されるとすぐに重ね合わせ機能を示さなくなります。 そのため、エンコードされたメッセージを傍受したりコピーしたりする試みは、単にメッセージを破壊するだけです。
量子コンピューターは、自然のプロセスをよりよく理解することも可能にするかもしれません。 重ね合わせの「カオス」は、たとえば DNA の突然変異、したがって病気や進化の発生などをよりよく反映しています。 量子コンピューティングは、今日すでに新薬の開発に使用されています。
おそらく、データ テレポーテーションに量子コンピューターを使用することについて話すのは理にかなっています。 はい、正確にはデータのテレポーテーションであり、おそらく人です。 情報を物理的に転送することなく、場所から場所へテレポートできるようになります。 幻想のように聞こえるかもしれませんが、量子粒子のこの流動性が時間と空間で絡み合い、ある粒子の変化が別の粒子に影響を与え、テレポーテーションのチャネルが作成されるため、可能です。 これはすでにラボで実証されており、将来の量子インターネットの一部になる可能性があります。 そのようなネットワークはまだありませんが、一部の科学者はすでにこれらの可能性に取り組んでおり、量子コンピューターで量子ネットワークをシミュレートしています。 彼らはすでに、ネットワーク ユーザー間のテレポーテーションや効率的なデータ転送、安全な投票など、興味深い新しいプロトコルを開発して実装しています。
また、医薬品やワクチンなど、さまざまな状況をシミュレートし、問題の解決策を見つけるために、量子コンピューターを使用する必要があるとも言えます。 たとえば、コロナウイルスのようなパンデミックの間、より高速な計算とオプションの計算が必要な場合。 ここでは、古典的なコンピューターでは実行できない量子モデリングの可能性を利用できます。 新しい病気が出現すると、治療法を見つけるまでに約 15 年かかり、最大で 2,6 億ドルの費用がかかる可能性があります。 一部の疾患では、ドナーになる可能性が高い数百人の有望な個人のみを特定するために、数百万の分子をフィルタリングする必要があります。 その後、テスト中に分子の約 99% が落とされます。これは、とりわけ、動作の予測ミスとサンプリングの制限が原因です。 ここで量子コンピューターが登場します。
そしてこれらは、量子物理学を使って達成できる素晴らしいアイデアのほんの一部にすぎません。 現在、私たちは彼女の気まぐれな性格をある程度飼いならすことに成功していますが、すべての開発はまだ初期レベルにあります. 真の量子コンピューターとその大規模なアプリケーションの作成はまだかなり先のことですが、進歩は止まらない. したがって、おそらく約 年後には、量子コンピューターの助けを借りてこの記事を読んで、見下したような笑顔になるでしょう。
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