1980 年代に理論的に登場して以来、量子コンピューティングは情報技術における次の大きな飛躍としてもてはやされてきました。量子粒子の奇妙な性質を利用することで、量子コンピューターは理論的には、従来のデジタル コンピューターでは不可能または非常に長い時間がかかる操作を実行できます。
しかし、量子コンピューティング技術の最近の進歩にもかかわらず、この技術に関しては依然として差し迫った問題が残っています。つまり、量子コンピューターに計算を実行するように依頼した場合、指示したことを実際に実行したことをどうやって知るのでしょうか?または何か「量子的」なことをしましたか?
この質問は学術的に聞こえるかもしれませんが、量子コンピューティング システムの潜在的に問題のある機能を指摘しています。通常のコンピューターに不信感を抱いている場合は、理論的には、コンピューターを開いて計算の各ステップを自分でチェックし、コンピューターが実際に指示どおりに実行したことを確認できます。量子コンピューターではそうではありません。量子コンピューターの内部状態は、古典的な状態の重ね合わせで構成されています。ですから、量子コンピューターの内部を観察しようとすると、重ね合わせが 1 つの明確な状態に崩壊します。言い換えれば、いわば 300 キュービットの量子コンピューターの内部を覗いてみると、1 と 0 の 300 の古典的なビットしか見えないということです。量子コンピューターは本質的にこの「ブラック ボックス」機能を備えています。では、量子コンピューターが実際に自分が考えている操作を実行していることをどのように検証すればよいのでしょうか?
現在、カリフォルニア大学バークレー校の大学院生が、量子コンピューティングにおけるこの長年の問題を解決しようとしている可能性があります。最近の論文で、カリフォルニア大学バークレー校の物理学科の大学院生である Urmila Mahadev は、完全に古典的なオブザーバーが、量子コンピューターが本来の動作を行っていることを疑いなく検証できるようにするインタラクティブなプロトコルの概要を説明しています。 .このプロトコルには、量子コンピューター内の「秘密の状態」の構築が含まれます。この状態の記述は、古典的な検証者には知られていますが、量子コンピューター自体には知られていません。次に、量子コンピューターは、秘密の状態を、測定するはずの状態と絡み合わせます。コンピューターが意図した状態を測定すると、測定された状態と秘密の状態の両方が 1 つの明確な古典的な状態に崩壊します。コンピューターは秘密状態の構成を認識していませんが、古典的な検証者は知っているため、検証者は操作の結果を確認することで、要求された操作を量子コンピューターが実際に実行したかどうかを判断できます。この論文は、プレプリント出版物arXivで全文を読むことができます。
ブラック ボックスと秘密の状態
量子コンピューターは、その性質上秘密主義です。古典的なコンピューターは、1 または 0 のいずれかの値を取るバイナリ ビットで情報を格納します。一方、量子コンピューターは、1、0、または 2 つの重ね合わせの値を取ることができる量子ビットで情報を格納します。 2 つの重ね合わせキュービットを構築した後、量子コンピューターはこれら 2 つのキュービットをもつれさせ、これらの状態の測定値が常に相互に相関するようにします。 1 つの量子ビットを測定すると、絡み合った量子ビットの重ね合わせが瞬時に一定の状態に崩壊し、高速で強力な計算が可能になります。ただし、この設計は認識論的な問題につながります。動作中に量子コンピューターを観察しようとすると、絡み合った量子ビットの重ね合わせが崩壊するため、観察者にはコンピューターが古典的なコンピューターのように動作しているように見えます。
量子コンピューターの古典的な検証スキームを構築できるかどうかという問題は、2004 年に物理学者の Daniel Gottesman によって最初に提案されました。4 年以内に、科学者は、量子コンピューターがその結果を検証者に証明できることを示すことで、部分的な答えを出しました。彼女自身の小さな量子コンピューターにアクセスできました。しかし、この応答は質問をさらに一歩後退させているように見えます。その場合、検証者は自分の量子コンピューターが意図したとおりに動作していることを検証する方法が必要であり、それには別の量子コンピューターが関与することになります。
Urmila Mahadevの作品に入ります。現在の研究は、2016 年に実施された彼女の研究に基づいており、量子コンピューターで「秘密の状態」を作成するための暗号化方法について説明しています。このプロセスには、「トラップドア」機能の作成が含まれます。この機能は、簡単に実行できますが、秘密の暗号化キーを持っていない限り元に戻すのは困難です。この関数は 2 対 1 である必要があります。各出力に対応する 2 つの入力があります。各出力に 2 つの入力がある 2 乗関数を考えてみてください (-3 と 3 の両方が出力として 9 にマップされます)。次に、コンピューターに、この関数に対するすべての可能な入力状態の重ね合わせを作成するように依頼し、この重ね合わせで関数を実行します。関数の可能な出力で構成される新しい重ね合わせを作成します。
次に、コンピューターは出力の重ね合わせを測定し、それを明確な状態に崩壊させます。2 つが絡み合っているため、入力状態は対応する入力の重ね合わせに崩壊します。したがって、square 関数を使用していて、測定値が 9 の出力を与える場合、入力状態は 3 と -3 の重ね合わせに崩壊します。最も重要なことは、それらは秘密鍵を持っているため、外部の検証者は入力状態の構成を知っていますが、コンピューターは知らないため、コンピューターは入力状態を確認できません。したがって、入力状態はコンピュータ自体にとって「秘密」です。
量子検証機の構築方法
秘密の状態を作成する方法の知識があれば、次のように古典的な量子検証器を構築できます。まず、前述の方法で秘密の状態を構築します。 Mahadev の研究では、Learning With Errors (LWE) と呼ばれる一種の暗号を使用して、適切なトラップドア機能を構築しています。秘密の状態を作成した後、コンピューターはその状態を、測定するはずの状態と絡み合わせます。その後、コンピュータはどのような測定を実行するかを指示されます。コンピューターが意図した状態を測定すると、絡み合った秘密の状態はそれに応じて崩壊します。コンピューターは秘密状態の構成を知らなかったので、新しい秘密状態の構成を知ることはできませんが、検証者は、元のキーと実行された測定の知識の両方を持っているため、知ることができます。結果が正しい証明のように見える場合、検証者はコンピューターが実際に言われたことを実行したことを確認できます。
本質的に、Mahadev のプロトコルは、コンピューターに特定の動作を強制して、目的の結果を取得します。コンピューターが実際に量子現象を使用していない場合、正しい結果を得る唯一の方法は、秘密状態の構成をチェックすることです。ただし、そうすると秘密の状態が崩壊し、元の情報が破壊されるため、コンピューターが正しい結果を出すことができなくなります。したがって、コンピュータが正しい結果を出す場合、しなければならない 量子現象を使用してそうしているのであれば、干渉の痕跡を検出することができます.
Mahadev の検証プロトコルは、秘密の状態を構築するために使用されるトラップドア関数を生成するために使用される LWE 暗号が、量子コンピューターによってクラックできないという仮定に依存しています。これはまだ未解決の理論的疑問ですが、これまでのところ、解読可能であることを示す証拠は見つかっていません.
マハデフのプロトコルは、多くの処理能力を必要とするため、実際の量子コンピューターに実装されるにはまだほど遠い.ただし、量子コンピューティングの分野は、過去 10 年間で多くの進歩を遂げ、いくつかの実用的な実装に成功しています。進歩のペースが速いことを考えると、Mahadev は、今後 10 年以内に彼女の研究が実際の量子コンピューターに実装されるのを見る可能性があります。
