いつの日か、量子コンピューターは複雑な最適化問題を解決し、巨大なデータセットを迅速にマイニングし、現在数十億ドルの粒子加速器を必要とする種類の物理実験をシミュレートし、現在のコンピューターの範囲を超えた他の多くのタスクを実行できるようになるかもしれません.つまり、それらが構築された場合です。しかし、手ごわい技術的課題が夢を遠ざける一方で、理論家はますます量子コンピューティングのアイデアと技術を活用して、古典的なコンピューター サイエンス、数学、暗号化における長年にわたる深い問題を解決しようとしています。
ジョージア工科大学の暗号学者でありコンピューター科学者でもあるクリス・ペイケルト氏は、「量子コンピューターが実際に構築されるかどうかについては、非常に活発な議論が行われています。 「しかし、それは、量子技術や量子アルゴリズムが新しい方法で問題を解決するのに役立つかどうかとは別の問題です。」
近年、量子のアイデアは、研究者が格子ベースの暗号システムと呼ばれる有望なデータ暗号化スキームのセキュリティを証明するのに役立ってきました。その一部のアプリケーションは、DNA などのユーザーの機密情報を、それを処理する企業からさえ隠すことができます。量子コンピューティングの証明は、データ破損に対する保護手段であるエラー訂正コードの最小長の公式にもつながりました。
量子のアイデアは、多くの重要な理論的結果にも影響を与えました。たとえば、複数の都市を通る最速のルートを見つける方法を尋ねる、難しいことで有名な巡回セールスマンの問題を効率的に解決すると主張する古い誤ったアルゴリズムの反証などです。
「一度だけだったら偶然でしょうが、『量子的に考えて』証明にたどり着く例はたくさんあります」と、ニューヨーク大学のコンピューター科学者である Oded Regev 氏は述べています。
この繰り返されるテーマにより、一部の研究者は、ポリゴンが三角形の一般化であるのとほぼ同じように、量子コンピューティングはコンピューター サイエンスの難解なサブフィールドではなく、古典的なコンピューティングの一般化であると主張しています。多角形には任意の数の辺があり、三角形には 3 つしかないのと同じように、量子コンピューターは任意の数 (正または負、実数または虚数) で表される演算を実行できますが、従来のコンピューターの演算では非負の実数のみが使用されます。
より一般的なケースとして、量子のアイデアは、より具体的な古典的なコンピューティングの証明を開発するための強力なツールです。 「量子とは何の関係もない多くの古典的な問題がありますが、それらは量子レベルに一般化し、量子情報理論を使用して何かを証明し、結果を古典レベルにスケールバックすることによって最も簡単に分析できます」とRonald de氏は述べています。 Wolf は、オランダの数学およびコンピューター サイエンス センターの理論コンピューター科学者です。
現在、量子コンピューティングを研究している理論的コンピューター科学者は 5% 未満であると推定されています。しかし、研究者によると、「量子的に考える」ことによる最近の成功により、ますます多くの理論家が物理学をブラッシュアップするようになりました。マサチューセッツ工科大学の理論コンピューター科学者である Scott Aaronson は、次のように述べています。
量子コンピューティングの目標は、従来のコンピューターでは実現できないと考えられていた計算を実行するために、量子スケールで粒子の特異な動作を利用することです。通常のコンピュータは情報の「ビット」をトランジスタに保存します。これは、スイッチと同様に、「1」または「0」で表される 2 つの状態のいずれかに設定できます。量子コン1 つのキュービットが別のキュービットの状態を決定します。
重ね合わせともつれにより、量子ビットはビットとはまったく異なる動作をします。従来のコンピューターの 2 ビット回路は 4 つの可能な状態 (0 と 0、0 と 1、1 と 0、または 1 と 1) のうちの 1 つのみになることができますが、キュービットのペアは 4 つすべての状態の組み合わせになることができます。 .回路内の量子ビットの数が増えると、可能な状態の数、つまりシステムに含まれる情報量が指数関数的に増加します。量子ビット数がわずか数百の量子コンピューターであれば、今日のスーパーコンピューターよりも速く特定の問題を解決できるでしょう。
唯一の問題は、両手で数えきれないほど多くのキュービットを持つ量子回路を構築できた人がいないことです。 IBM Research の超伝導量子計算グループの物理学者である Chris Lirakis は、キュービットのシステムの繊細なもつれが崩壊しないようにするには、システムを隔離して絶対零度に近い温度に冷却する必要があると説明しました。同時に、キュービットは、1 つのキュービットに対して実行される操作が隣接するキュービットの状態を変更するのを防ぐために、約 1 センチメートル離す必要があります。この課題により、1,000 キュービットのシステムは非常に大きくなり、極端な冷却を実現できる種類の冷蔵庫には収まりません。
「システムをスケーラブルにするためには、多くの深刻なエンジニアリング上の課題を解決する必要があります」と Lirakis 氏は述べています。 「これは、これらすべての異なる問題の間の綱引きです。」
格子ベースの暗号システムのセキュリティを証明するために量子のアイデアを使用することでパイケルトと協力した Regev は、彼が生きているうちに量子コンピューターが構築され、それらが実際に動作するのを見ることができるようになることを望んでいる. 「しかし、量子は非常に大きな影響を与えたので、たとえ量子コンピューターが構築されなくても、私はあまり気にしません」と彼は言いました。
コンピューター科学者の間で量子技術がより一般的になるにつれて、より古典的な結果が得られる可能性があります。 「宇宙が量子力学的ではなかったとしても、最終的にはコンピューター科学者が証明ツールとして量子コンピューティングを発明しただろうということを私に確信させたのは、これらの結果です。」
