バック・トゥ・ザ・フューチャー: 25年後の量子コンピューティングの再考

25 年以上前、1999 年頃、私は量子コンピューティングの将来についての記事を執筆し、アルゼンチンの新聞の科学欄に掲載されました。

元の記事はこちら（スペイン語）でご覧いただけます。また、 このリンクをたどると自動翻訳が表示されます。

当時の私の記事はかなり推測的なものでした。

量子コンピューティングは、今日のテクノロジーに関する議論において大きな注目を集め、重要性を増しています。

TL;DR: さまざまな対象者に向けて、量子コンピューティングを 5 つのレベルで説明します。

子供

量子コンピュータは超スマートな魔法の箱のようなものです。

通常のコンピューターのように通常のビットを使用する代わりに、キュービットと呼ばれる特別な魔法のビットを使用します。

これらの量子ビットは通常のビットよりも多くのトリックを実行できます。

こまで遊んでいるところを想像してください。量子ビットは、同時に多くのトリックを実行できるこまのようなものです。

これらの魔法のコンピューターは、いつの日か不可能と思われる 100,000 ピースのパズルを解くのに役立つかもしれません。

ティーン

特殊な積み木を同時にいろいろな場所で使って遊べる絵です。

量子コンピュータは、量子ビットと呼ばれる同様のものを使用します。

表と裏が同時に出る魔法のコインについて考えてみましょう。

量子ビットは、空中で回転するコインのように、0、1、またはその両方になります。すべて同時に。

これにより、量子コンピュータは同時に多くの可能性を探索できるようになります。

量子コンピュータは、個人のパスワードのような秘密コードを解読できるため強力です。

それは、通常のコンピューターよりもはるかに速く非常に難しいパズルを解くことができる超強力な計算機を持っているようなものです。

大学生

量子コンピュータは量子力学の原理を利用して動作します。

古典的なビットの代わりに、量子重ね合わせの状態にある量子ビットを使用します。

各量子ビットは 0 と 1 の両方を同時に表現できるため、大規模な並列計算が可能になります。

シュレーディンガーの猫を思い浮かべてみてください。これは、猫が生きている状態と死んでいる状態を同時に持つことができるという有名な思考実験です。

量子ビットは、複数の状態を同時に持つことによって同様に動作します。

量子コンピュータは、暗号化されたインターネット接続の公開鍵と秘密鍵を解読する従来のコンピュータよりも指数関数的に高速に、大きな数を因数分解できます。

この機能は、因数分解の難しさに依存する従来の暗号化とブロックチェーンを脅かします。

研究者たちは、量子ビットが多くの現実にまたがって計算を行っているように見えることから、多元宇宙理論における量子コンピューティングの影響についても研究している。

最近、Google は量子コンピュータが「量子超越性」を達成し、従来のコンピュータでは妥当な時間枠内で処理できなかった問題を解決したと主張した。

Nature 誌の研究では、量子ビットを安定させるための新しい量子材料も取り上げられました。

奇妙なのは、これらの粒子が、SF 映画の並行宇宙のように、多くの異なる現実が同時に存在することを示唆しているかもしれないということです。

大学院生

量子コンピューティングは、重ね合わせ、エンタングルメント、干渉などの量子現象を利用します。

古典的なビットはバイナリですが、量子ビットは量子重ね合わせを利用して複数の状態を同時に表現します。

量子もつれにより、距離が離れていても量子ビットが相互接続されたままになり、非常に効率的なアルゴリズムが可能になります。

量子ゲートを使用して量子ビットを操作し、量子アルゴリズムを実行する量子回路を作成できます。

ショアのアルゴリズムは整数の多項式時間因数分解を可能にし、RSA 暗号を直接脅かし、 P 対 NP 問題を解決します。

同様に、 Grover のアルゴリズムは、非構造化検索問題に対して 2 次的な高速化を実現します。

こうした進歩により、量子脅威に対するデジタルシステムの保護に関する懸念が高まっています。

ヒュー・エヴェレットの多世界解釈で仮定されているように、重ね合わせ状態にある量子ビットが他の現実と相互作用する可能性があるため、多元宇宙の推測が生まれます。

一方、コペンハーゲン解釈は、量子的な振る舞いは測定すると単一の結果に収束することを示唆しています。

Google の研究では、従来のスーパーコンピューターでは数千年かかる計算タスクを数秒で解決することで、量子超越性 (後に量子優位性と名付けられる)を実証しました。

専門家

量子コンピューティングは、量子重ね合わせ、量子もつれ、およびユニタリー進化の原理を推進して情報を処理します。

量子ビットは、多次元ヒルベルト空間に情報をエンコードすることで古典的な論理ゲートを超越し、指数状態空間を可能にします。

ショアのアルゴリズムのようなアルゴリズムは、半素整数を多項式時間で分解し、RSA や ECC のような暗号システムを弱体化させます。

グローバーのアルゴリズムは、検索タスクの二次最適化を示し、量子優位性の極めて重要なクラスを表します。

これらのシステムの基礎となる量子力学の解釈は異なります。コペンハーゲン解釈では、測定中に波動関数が崩壊すると仮定しています。

多世界解釈では、計算結果は観測によって 1 つの宇宙に集約されるまで、複数の平行宇宙にまたがっていると示唆されています。

これにより、多元宇宙状態にわたる量子並列性に関する議論が活発化します。

Google の量子超越性の実証では、54 量子ビットの Sycamore プロセッサを活用して、これまで世界で最も強力なスーパーコンピュータでも 1 万年かかると推定されていたサンプリング問題を 200 秒で解決しました。

プランクスケール (10^-35 m) は、時空の基本的な粒度を示唆しており、量子計算能力を制限する可能性があります。

Nature のレポートは、実用的な量子計算に不可欠な、トポロジカル量子エラー訂正とフォールトトレラント設計による量子ビットの安定化の進歩を強調しています。

量子の未来にワクワクしていますか?