米国エネルギー省 (DOE) は、従来のコンピューターを圧倒する問題を解決するために量子力学を利用するデバイスである量子コンピューターの開発に参加しています。このイニシアチブは、Google や他の企業が、テスト問題で従来のコンピューターを打ち負かして「量子超越性」を実証できる量子コンピューターを構築しようと競っているときに生まれました。しかし、そのマイルストーンに到達したからといって、実際に使用できるようになるわけではありません。新しい 4,000 万ドルの DOE の取り組みは、化学、材料科学、核物理学、素粒子物理学の研究に役立つ量子コンピューティング アルゴリズムの開発を促進することを目的としています。
「私たちは科学を進歩させることができるアルゴリズムを探しています」と、ワシントン D.C. にある DOE の 54 億ドル規模の科学局の事務局長である Stephen Binkley 氏は述べています。 P>
メリーランド大学カレッジパーク校の物理学者で、量子コンピューティングのスタートアップ IonQ の共同設立者である Christopher Monroe 氏によると、米国政府はすでに、主に陸軍研究局を通じて、量子コンピューティングに年間約 2 億 5,000 万ドルを費やしています。しかし、DOE の資金は主にその国立研究所に送られます。モンロー氏は、そこの研究者は機械の開発において主導的な役割を果たすことができると述べています。 「産業界は人がいないからできないし、学問は物を作らないからできない」
従来のコンピューターは、0 または 1 に設定できるビットを操作しますが、量子コンピューターは、奇妙なことに、同時に 0 と 1 に設定できる量子ビットまたはキュービットを使用します。キュービットは、電気的に帯電して 1 をエンコードするか、帯電せずに 0 をエンコードするか、同時に帯電と非帯電の両方を行うことができる超伝導金属のパッチである可能性があります。トラップされたイオンは、反対方向または同時に両方向にスピンすることができ、キュービットとしても機能します。一度に双方向の機能を使用すると、わずか 300 キュービットで、観測可能な宇宙に存在する原子よりも多くの数を同時にエンコードできます。
ただし、量子コンピューターの能力と限界を説明するのは、問題を解決する方法です。問題をエンコードして、潜在的な解決策がキュービットを通過するさまざまな量子波に対応するようにすることができます。波が正しい方法で干渉するように物事を設定すると、間違ったソリューションが互いに打ち消し合い、正しいソリューションが飛び出します。このようにして、量子コンピューターは大量の数を素速く素因数分解でき、現在のインターネット暗号化プロトコルをクラックできる可能性があります。しかし、このアプローチがすべての計算に役立つわけではありません。
たとえば、量子コンピューターは、スイスの大型ハドロン衝突型加速器などの原子粉砕機によって生成された数十億の個々の粒子衝突の記録を分析するのに役立たないと、イリノイ州バタビアにあるフェルミ国立加速器研究所の計算物理学者 James Amundson は述べています。それぞれの記録は簡単に分析できるため、並行して動作する多数の通常のコンピューターに入力するだけで済みます、と Amundson 氏は言います。量子コンピューターはプロセスを高速化できません。
量子コンピューティングのやることリスト
それでも、このマシンは、本質的に量子力学的プロセスのモデル化やシミュレーションを含む問題など、いくつかの問題に対して大きな可能性を秘めている、と研究者は述べています。たとえば、化学では、ニトロゲナーゼと呼ばれる酵素が反応を触媒し、窒素固定細菌が空気中の窒素を植物が利用できる形に変換できるようにします。このプロセスがどのように機能するかを正確に計算できる従来のコンピューターはありませんが、量子コンピューターなら可能だと、カリフォルニア州バークレーにあるローレンス・バークレー国立研究所の計算化学者 Wibe de Jong は言います。 「計算が複雑なため、まだモデル化が非常に難しい触媒プロセスがたくさんあります」と彼は言います。
量子コンピューターは、原子構成要素から材料の設計にも役立つ可能性があります。また、中性子星の超高密度物質がどのように振る舞うか、または粒子衝突中に陽子がどのように分裂するかを予測するのに役立つ可能性があります。このようなアプリケーションはすべて、素粒子を記述する量子波の相互作用を伴います。振動する波を追跡することは、従来のコンピューターを圧倒しますが、量子コンピューターは計算のその側面を自動的に処理します、とシアトルのワシントン大学の核理論家であるマーティン・サベージは説明します。
研究者たちは、このような問題を量子コンピューターのキュービットにマッピングする方法を理解し始めたばかりです。プロセスをスピードアップするために、DOE は 2017 年 9 月に 2 つのテストベッドを立ち上げ、設計者と科学者が量子計算へのアプローチに協力できるようにしました。バークレー研究所では、物理学者の Irfan Siddiqi と同僚が、超伝導量子ビットを使用して独自の 64 量子ビット量子コンピューターを構築することを目指しています。ユーザーからのフィードバックは、量子ビットがチップ上でどのように配置され、相互に接続されるかなど、設計に影響を与えるでしょう、と Siddiqi は言います。
対照的に、テネシー州オークリッジ国立研究所のテストベッドは、IBM と IonQ の既存のマシンへのリモート アクセスを提供します。オークリッジの量子情報科学者である Raphael Pooser は、このアプローチは、オークリッジの研究者がゼロから機械を構築する必要なく、同じ種類の「共同設計」を引き起こすはずであると述べています。また、DOE が産業界と協力してスーパーコンピューターを開発する方法に、よりよく似ていると彼は言います。
その間、商用マシンはより強力になっています。今週、カリフォルニア州サンタバーバラにある Google の研究所の研究者は、量子超越性を達成すると思われる 50 キュービット チップのテストを開始しましたが、実験にはまだ数か月かかる可能性があります。しかし、一部の研究者は、このようなデモンストレーションが、科学者が有用な量子コンピューターの開発において道の終わりに到達したと一般の人々に誤解を与える可能性があることを懸念しています. 「それは道の始まりでさえありません」と Siddiqi は言います。
Google の取り組みを率いる物理学者の John Martinis 氏は、Google は「量子超越性は大きなマイルストーンであり、何かを実用化するにはもっと時間がかかること、おそらくもっと時間がかかることを理解している」と述べています。 DOE は明確に同意します。
