量子コンピューティング: 意味、利点など

量子コンピューティングは、計算の実行における量子力学の原理の応用です。 ここで使用される基本的な現象は、エンタングルメントと重ね合わせです。

量子コンピューティングは比較的新しい流行語ですが、量子力学はずっと前から存在していました。 それはエレクトロニクス産業の主要な発展を担っており、さらに人類の謎の多くに答えを提供しています.

量子力学は、原子と亜原子粒子がどのように機能するかに焦点を当てていますが、量子という言葉は、扱うことができる最小の粒子を指します。 これは、物理オブジェクトの最も基本的な構成要素です。

マックス プランクからアルバート アインシュタイン、ニールス ボーア、アーウィン シュレディンガーまで、多くの偉大な科学者が量子力学の開発に関与し、量子コンピューティング競争へと発展しました。

この投稿では、量子現象の魔法の世界にあなたを連れて行き、そこからコンピューターを作る方法を示し、その関連分野を探ります。

離れた場所での不気味なアクション

量子現象は、従来の理解を覆し、古典物理学とはまったく異なる用語で機能します。 そのため、1930 年代に、アインシュタインは「遠く離れた不気味な作用」という言葉を使用して、量子もつれの現象と、それが従来の科学にどのように適合しないかを説明しました。

量子もつれは新しいものではありません。 同じ場所と瞬間に 2 つのパーティクルを作成すると、それらはもつれます。 一方に何が起こっても、他方に影響を与えることを意味します。

恋に落ちて、恋人のことを考えるたびに電話がかかってくるようなものです。 または、電話をかけて「ちょうどあなたに電話しようとしていました」と聞きました。 一卵性双生児が同時に病気になることも知られています。

量子もつれの最も不気味な部分は、絡み合った粒子の 1 つを遠くに持ち出せることです。 そして、どんな条件にさらされても、銀河の半分離れた場所からでも、2 番目の粒子に即座に影響を与えます。

量子コンピューターはこの性質を利用して、一度に複数の粒子に関する膨大な量の情報を保存します。 これらの粒子はキュービットまたは量子ビットと呼ばれますが、最初に、2 番目の量子力学的現象を見てください。

アーウィン・シュレーディンガーと彼の猫

もう 1 人の初期の量子研究者は、オーストリアの物理学者アーウィン シュレディンガーでした。彼は、アルバート アインシュタインと同様に、量子現象の一部をばかげていると考えていました。 そこで彼は、量子重ね合わせのパラドックスを視覚化するために、「シュレディンガーの猫」と呼ばれる今では有名な思考実験を思いつきました。

これは実験ですが、猫と猫を殺すことができる何かを箱に入れて封印した場合. 箱を開けるまで、猫が生きているか死んでいるかわかりません。 したがって、論理的には、箱を開けるまで、猫は死んでいて生きている.

重ね合わせは、量子コンピューティングを可能にする 2 つ目の現象です。 古典的なコンピューターが常に 1 または 0 のいずれかを表すことができる情報のビットを操作するのに対し、量子コンピューターは、死んだ猫と 1 の両方を同時に表すことができるキュービット (量子ビット) を操作します。生きている。

ここでは、キュービットを詳しく見ていきます。

ビット vs キュービット

量子ビットは、量子コンピューティングを可能にするものです。 量子ビットまたは量子ビットとも呼ばれる量子ビットは、情報を保存および取得するために操作できるエネルギーの最小単位です。

通常のコンピュータ ビットは、任意の時点で 0 または 1 しかありません。 量子ビットは同時に両方になることができますが。 したがって、2 つの通常のビットは、任意の時点で 00、01、10、および 11 を保持できます。 しかし、2 つの量子ビットは同時に 4 つの状態すべてを保持できます。 これは、計算サイクルが 4 倍高速であることを意味します。

通常の 3 ビットを使用すると、任意の時点で 000、001、010、011、100、101、110、および 111 のいずれかを取得できます。 しかし、3 キュービットは 8 つの状態すべてを同時に保持するため、8 倍高速な計算サイクルが得られます。 ご覧のとおり、この関係は指数関数的であり、ビットが追加されるたびに利用可能な情報量が 2 倍になります。

したがって、5 キュービットでは 32 の同時状態が見られ、10 キュービットでは 1,000 を超え、20 キュービットでは 100 万を超えます。 ここで、IBM と Google が開発している 1,000 キュービットの量子コンピューターが同時に保持できる状態の数を考えてみましょう。

光子、電子、原子核、量子ドット、超伝導体、およびその他の実装から量子ビットを作成できます。 目標は、自由に便利に設定および測定できるエネルギーの量子ビットの安定したコレクションを作成することです。

量子コンピューティングの利点

量子コンピューティングの主な利点は、複雑な問題から瞬時に結果が得られることです。 これは主に、多くの可能性から正しい答えを選択する必要がある状況です。 これにより、人工知能における因数分解、大規模なシミュレーション、およびパターン認識に最適です。

古典的なコンピューターの標準的なアプローチは、探しているものが見つかるまでそれぞれの可能性を調査することです。 干し草の山検索で針と呼ばれることが多いこの操作にかかる時間は、ふるいにかけなければならない干し草や記録の量によって異なります。 そして、あなたのマシンがどれだけ速いかについて。

スーパーコンピュータは、可能性の一つ一つをチェックする速度を速めることで、このような問題を容易にします。 一方、量子コンピューターは、十分な量子ビットが利用可能であれば、すべての可能性を同時に生成できます。 そのため、通常のコンピューターが計算に数百年から数千年かかる問題を数時間で計算できます。

量子コンピューティングの問題と限界

従来のコンピューターではビットを簡単に測定できますが、キュービットを測定すると、その状態とエンタングルされたキュービットの状態が破壊されます。

また、古典的なビットは、電荷を保持する (1) か保持しない (0) かのいずれかのみを必要とする幅広い半導体材料から作られています。 ただし、キュービットははるかに複雑で実装が困難です。 また、量子ビットを空間的に分離するだけでなく、温度や静電気の変動などの環境干渉から量子ビットを保護する必要があります。 そのような小さな環境の変化もこれらの状態を悪化させるからです。

このエンタングルメントまたはシステム バランスの喪失は、量子デコヒーレンスと呼ばれ、ほとんどの研究者が解決しようとしている主要な問題です。 Google の次期 1,000 キュービット マシンでは、各キュービットのエラー訂正に最大 1,000 キュービットが必要になるほど深刻です。 したがって、100 万量子ビットのマシンになります。

また、ラップトップやスマートフォンのように量子コンピューターを現在扱うことができないことも意味します。 コンピューターは、量子ビットの安全なレベルの安定性を維持するために実験室の条件を必要とします。

もう 1 つの欠点は、いわゆる量子超越性の範囲が限られていることです。これは、すべてのコンピューティングの問題に大量の数や可能性が含まれるわけではないためです。 したがって、他のほとんどの操作における計算のブーストは、量子コンピューティングのアプローチを正当化するにはあまりにも重要ではありません。 また、量子コンピューターが従来のコンピューターよりも安価にならない限り、すぐに置き換えられることもありません。

これらすべての欠点にもかかわらず、量子コンピューターとそのキュービットは、コンピューター業界で大きな可能性を秘めています。大量のデータを簡単に処理できるからです。

量子コンピューティングに危険性はありますか?

はい。 すべての優れたハッカーは、すべてのテクノロジーに抜け穴があることを知っています。 あなたはそれを見つけなければなりません。 したがって、将来の量子コンピューターの実際の実装に関係なく、技術にはまだ問題があります。 そして、それらを利用する準備ができている俳優。

このシナリオは、銀行、金融、政府、および同様の公共活動などの用途を指します。 2 つ目のシナリオは、悪意のある攻撃者が優れた量子コンピューターの驚くべき能力を利用して偉業を達成する場合です。 そしていつものように、人々は行為が行われた後にのみそのような可能性に気付くでしょう.

量子コンピューティングは数字をうまく処理します。 そのため、公開鍵 RSA などの因数分解を使用する非対称暗号化アルゴリズムは安全ではありません。 一方、AES-256 や 512、SHA-256 や 512 などのハッシングおよび対称暗号化は比較的安全です。

量子力学のその他の応用

量子コンピューティングの世界は刺激的ですが、それはまだ量子力学の一部にすぎません。 言い換えれば、量子パーティーはまだ始まったばかりです。

量子力学は、半導体や現代の電子機器の開発に役立ってきました。 スイスに本拠を置く量子暗号のパイオニアである ID Quantique など、量子ネットワーキングと暗号化の作業も進行中です。 さらに、量子現象は、光合成、嗅覚受容体、さらには時間の理解など、多くの研究分野で有望視されています.

実世界の量子コンピューター

多くの量子コンピューターと同様のアプリケーションが世の中にあります。 Google や IBM などの大規模な多国籍企業や政府機関、さらには Rigetti などの小規模企業からも参加しています。

量子コンピューティングは現在、地球上で最もホットな研究分野の 1 つです。 そのため、おそらく想像以上に多くの秘密のプログラムが存在します。 以下にいくつかの主要なプロジェクトを示します。

• Google は 54 量子ビットと 72 量子ビットのマシンを所有しています
• IBM は、65 キュービットの Manhattan を含め、世界中に 30 台以上のマシンを所有しています。
• 中国は、76 キュービット マシンや量子衛星通信など、多くの量子コンピューターの本拠地です。
• Google の 54 キュービット Sycamore 搭載マシンは、計算に 10,000 年かかるスーパーコンピューターの計算にわずか 200 秒しかかかりませんでした。
• IBM は 2023 年までに 1,000 量子ビットのマシンを開発中です
• Rigetti Computing は、31 キュービット マシンを含む 4 台を所有しています。
• Google は、2029 年までに 1,000 キュービットのコンピューターを作成するために新しい量子センターを建設しています。エラー修正を因数分解すると、そのコンピューターの合計キュービットは 100 万に達する可能性があります。

結論

量子コンピューターはここにとどまります。 それらは多くの機会を生み出し、古典的なコンピューターが何十年も苦労してきた現実世界の問題を解決します。

しかし、そこにたどり着くまでには、まだやるべきことがたくさんあり、克服しなければならない課題があります。 そしてそれまでは、中国は世界を驚かせるかもしれません。