誇大宣伝を 100 回聞いたことがあるでしょう。物理学者は、いつの日か、通常のコンピューターを圧倒する問題を解決できる超能力の量子コンピューターを構築したいと考えています。現在、4つの別々のチームが、このような「量子スピードアップ」を達成するための一歩を踏み出し、より単純でより制限された形式の量子コンピューティングを実証しました。これを改善できれば、すぐに従来のコンピューターに匹敵する金額になる可能性があります。しかし、本格的な量子コンピューターに期待してはいけません。ギズモは、1 つの特定の計算を超えてはあまり役に立たない場合があります。
警告があっても、量子コンピューティングの課題は非常に難しいことが証明されているため、新しい論文が注目を集めています.マサチューセッツ工科大学 (MIT) の理論計算機科学者であり、著者でもある Scott Aaronson は、次のように述べています。一枚の紙に。
0 または 1 に設定できる通常のビットを反転する代わりに、いわゆるユニバーサル量子コンピューターは、0、1、または量子力学の奇妙さのおかげで 0 になる量子ビットまたは「キュービット」を操作します。と 1 を同時に。大雑把に言えば、量子コンピューターは、「古典的な」コンピューターのように、一度に 1 つずつ計算するのではなく、一度に多くの数値を計算することができます。そのため、通常のコンピューターを圧倒する問題を解決できます。たとえば、本格的な「ユニバーサル」な量子コンピューターは、膨大な数をすばやく素因数分解することができ、今日のインターネット暗号化スキームを破るのに使用できる可能性があります。
まず、研究者は実行可能な量子ビットを組み立てる必要があります。たとえば、イオンは、1 つの方向に回転して 0 を表すか、別の方法で 1 を表すか、両方の方向に同時に回転して 0 と 1 の状態を作ることにより、キュービットとして機能します。量子ビットの測定では、その双方向状態が「崩壊」して 0 または 1 のいずれかが生成されますが、一度に多くの数値を処理するには、依然として双方向状態が不可欠です。万能の量子コンピューターを作るために、科学者は「エンタングルメント」と呼ばれる量子ビット間の奇妙な量子接続も確立しなければなりません。エンタングルメントでは、ある量子ビットの測定が別の量子ビットの状態を決定します。初歩的な万能量子コンピューターが行った最善の方法は、数 21 を因数分解することです。このタスクでは、パーソナル コンピューターがクラッシュすることはほとんどありません。
しかし、4 つのグループが、より短期間で開発できる可能性がある、より制限されたタイプの量子計算を実証しました。それらはすべて、交差する光チャネルの迷路を通過する光子、つまり光の量子粒子を使用します。交差点では、光子は特定の確率で経路を変更できます。すべての実験で、3 つの光子が 5 つまたは 6 つのポートから出入りします。タスクは、光子が出力ポートのさまざまな組み合わせから出てくる確率を計算することです。
一見したところ、この問題はビー玉が迷路をガタガタと音を立てて進む古典的なパズルに似ています。ただし、量子力学のために、光子は波のように作用し、重なり合ってさまざまな経路で互いに強化したり打ち消し合ったりします。これにより、出力から生じるものが変化します。考えられる結果を計算するには、迷路の詳細に依存する数のマトリックスの「永続的な」取得として知られる数学的操作が必要です。その計算は非常に複雑であるため、わずか数十個のフォトンとポートで、通常のコンピューターを圧倒します。
ただし、答えは、出力から出てくるものを測定するだけで得られます。このような「ボソン サンプリング」では、光回路自体が量子コンピューターとして機能し、パーマネントの分布を決定します。オーストラリアのブリスベンにあるクイーンズランド大学の物理学者である Andrew White と同僚 (Aaronson を含む) が、今日の Science 号で報告していることはまさにそれです。 、イギリスのオックスフォード大学の物理学者である Ian Walmsley とその同僚も同様です。ウィーン大学の物理学者 Philip Walther とその同僚は最近、arXiv プレプリント サーバーに投稿された論文で同様の結果を報告し、イタリア国立研究評議会とミラノ工科大学の Roberto Osellame とその同僚も同様でした。
では、物理学者は古典的なコンピューターを追い越したのでしょうか?程遠い。現在の実験では非常に少数の光子を使用しているため、標準的なラップトップで同じ計算を行うのに数分の 1 秒しかかかりません。対照的に、実験自体にはまだ何時間もかかることがあります。しかし、研究が約 25 個の光子と 400 チャネルまでスケールアップできれば、従来のコンピューターは実験に遅れを取り始めるはずです、と Walther は見積もっています。 「10 年かそこらで、既存の技術とリソースを使用して、従来のコンピューターよりも優れた性能を発揮できるようになるかもしれません」と彼は言います。
しかし、そのような努力がうまくいくかどうかは明らかではないと、パサデナにあるカリフォルニア工科大学の理論家であるジョン・プレスキルは言います。より大きな光回路は、回路内の光子の吸収や、結果を歪める可能性のある光ノイズなどの影響を受けやすくなります、と Preskill は指摘します。皮肉なことに、これらの欠陥を説明することで、回路のモデリングが難しくなるのではなく、より簡単になり、コンピューターが追いつくことができるようになる可能性がある、と Preskill は言います。
パーマネントの計算 (このアプローチで解決できる唯一の問題) については、おそらくこれらの実験以外の用途はありません。それでも、ボソン サンプリングが通常の計算よりも高速であることが示されれば、他のアプリケーションを探す価値があるだろうと、MIT の理論物理学者である Edward Farhi は述べています。 「おそらくそれは普遍的なものではないかもしれませんが、それをマッピングできるもっと興味深い別の問題があるかもしれません.」
この問題の真の価値は、従来のコンピューターではできないことを量子コンピューターでできることを示す機会を研究者に与えることだと、プレスキル氏は言う。 「それが量子コンピューティングの核心です」と彼は言います。 「もちろん、これらの人は、出入りする光子が 3 つしかありません。だから、彼らには道があるのです。」
