🍏 🦁 👩🏿‍🚀 量子コンピューター：夢から現実へ 🏂🏻 🈲 📐

今日、ナノテクノロジーと光学的相互作用の分野における新しい技術的能力のおかげで、量子物理学の根底にある非常に抽象的なアイデアが現実に変換されています。 これらのアイデアの1つである量子コンピューターのアイデアについては、後で説明します。 できる限り人気を試みます。

少しの物理学

一貫性を保つために、実際にそのようなデバイスを作成することを可能にした量子物理学の理論的成果に言及することは間違いありません。

一般に、 量子力学とは何ですか？ 量子力学は、原子などの微視的システムが従う理論であることが知られています。 マイクロワールド-原子、電子、光子、その他の粒子-は、特別な法則によって生きています。そこでは、すべてが非常に小さいわけではなく、すべてが完全に異なっており、マイクロワールドの多くの現象には、私たちにとって馴染みのある大宇宙に類似物がないため、幻想的に見えます。

名前に刻印されている量子力学の特徴的な機能-一部の物理システムでは、 エネルギーが量子化されます 。つまり、いくつかの離散的なセットの1つに等しい場合もあれば、他の値（バンドギャップ）がない場合もあります。大宇宙でそのような状況を想像しようとすると、たとえば、オブジェクトの温度は整数の度数でのみ表されると想像できます。つまり、10、20、31、36度-たぶん36.6度-それは単に不可能です。対象物を加熱および冷却することは可能ですが、同時に温度はすぐに前後にジャンプします。

特に、電磁場のエネルギーは、個別の不可分部分の形でのみ放出されます。この部分は量子と呼ばれます。量子の存在の仮定は、1900-1901年にマックスプランクによって行われました。これにより、量子理論、量子力学、およびコンピューターを含む形容詞量子のはるかな基礎が築かれました。

光子、電子、その他の粒子のもう1つの驚くべき特性は、粒子と波の両方の特性を発揮できることです。古典物理学では電磁波として表される光は、量子物理学では粒子に似た光子の集まりとして現れました。しかしその逆に、電子などの粒子は波に特徴的な特性を示します。それらは互いに干渉し、障害物で回折します（つまり、それらを丸めます）。粒子のこの性質は、それらを波力学として説明する理論の名前を生み出し、後になって「量子力学」という名前が生まれました。

そして最後に、3番目の基本的な特性： 量子オブジェクトは、古典的なオブジェクトとは対照的に、最初は統計的です。特定の場所で直接観測されない粒子の位置は、ある程度の確率でのみ可能です

マイクロワールドでの観測と測定には大きな制限もあります。 ハイゼンベルクの不確定性原理 ：粒子の速度と座標を同時に正確に測定することは不可能です。

オブジェクトを測定しない限り、オブジェクトの動作はさらに悪くなります。量子システムがいくつかの状態にあり、どの状態にあるかが不明な場合、それらは状態の重ね合わせについて話します 。システムがどの状態にあるかわからない、または同時に複数の状態にあると言えますが、これは解釈の問題です。いずれにせよ、測定時に、システムは状態の1つを選択します。

よく知られた実例は、「シュレディンガー猫」と呼ばれる思考実験です。生きた猫、有毒ガスの入った容器、放射性核が閉じた箱に入れられます。核が崩壊すると、ガスで容器を開けて猫を殺すメカニズムが作動します。コアが1時間で崩壊する確率は50％です。 1時間後、箱の中の猫は50％の確率で生きています。量子力学の観点から、ボックスが閉じている間、猫は2つの状態（生きているか死んでいるか、生きているか死んでいるか、生きていないか死んでいないか、何でも）の重ね合わせになっています。その瞬間、観察者は箱を開けると、猫が生きているか死んでいるかを確認します。

最後に、私たちにとって別の重要な現象は量子もつれです。これは、混乱、結束、そして時にはつながりです。エンタングルメントは、システム自体が空間的に分離されている場合でも、2つ（またはそれ以上）の量子システムの状態を互いに関連して記述する必要がある場合と言われています。したがって、各システムの物理的特性は、近くになく、何にも接続されていない可能性があるにもかかわらず、他のシステムの物理的特性に関連付けられています。

2つのもつれたシステムが状態の重ね合わせにある場合、一方の状態を測定することにより、もう一方の状態を見つけることができます 。たとえば、2つの原子を混乱させることができます。1つのスピン（特定の量子特性）は上に向けられ、もう1つの原子はダウンに向けられ、どの原子にどのスピンがあるのかわかりません。しかし、1つの原子のスピンを測定することにより、空間的に分離されていても、別の原子のスピンをすぐに認識します。

マイクロワールドのこれらすべておよび他の多くの機能により、量子コンピューターを構築できます。

古典的かつ量子的な情報

量子コンピューターは、他のコンピューティングデバイスと同様に、数字で動作する必要があります。数値を表すことができる最も単純なデバイスは、2つの安定した状態になることができるデバイスです。したがって、電流のある導体は2つの安定状態になります。電流がない場合-値0に対応し、電流がある場合-値1に対応します。他の安定状態はありません。数字のアクションを実行するためのそのようなデバイスの使用は、数字のバイナリ記録のおかげで可能です-そのようなセルには、2つのオプション（数字0と1、または2つのシステム状態）の選択に対応する情報が保存されます。彼らは、バイナリセルに格納される情報の量は1ビットであると言います。 2つのバイナリセルには2ビットの情報が格納されます。これは、2ビットの2進数00、01、10、および11の選択に対応します。N個のバイナリセルで構成されるレジスタは、Nビットの情報を格納します。）

次に、量子コンピューターでの情報の保存がどのように異なるかを見てみましょう。情報自体は、2進数、つまりゼロと1のチェーンの形式で表すこともできます。 2進数の1桁が2進セルに格納されます。このセルはキュービットと呼ばれ、量子システムを表します。その状態の1つは数値0に対応し、2番目の状態は数値1に対応します。これらの状態をψ1およびψ2で表します。これまでのところ、従来のコンピューターとの違いはありません。しかし、大きな違いが現れるのはこの時点です。事実、量子システムでは、いわゆる重ね合わせの原理が成り立ちます：量子システムが2つの状態のいずれか、たとえば状態ψ1と状態ψ2にある場合、線形として構築される状態のファミリー全体にもなりますソースの組み合わせ。これは、初期状態にいくつかの（複雑な）数値を掛けて加算することを意味します。数値c1とc2が選択されると、状態c1ψ1+c2ψ2が取得されます。

特に、キュービットが状態（∣0〉 + ∣1〉）/√2になった場合、これは数字0と数字1の両方が同時に書き込まれることを意味します。

量子並行性

したがって、量子ビットと呼ばれる量子コンピューターの1つのバイナリセルには、2進数の2桁のうちの1つ（0または1）（古典的なコンピューターの場合のように）だけでなく、同時に両方の数値も格納できます。たとえば、2つのキュービットには、4つの2進数00、01、10、11を同時に格納でき、量子コンピューターのレジスタにN個のキュービットがある場合、長さNの2 ^ N 2進数をそのようなレジスタに同時に格納できます。これらの数値はすべて同時に処理されます。これが量子並列性です。それぞれが長さNの2進数で動作する古典的なコンピューターのみを使用できる場合、2 ^ N個のそのような数を同時に処理するには、2 ^ N個のコンピューターが必要になります。 N個のキュービットを含む量子コンピューターを構築できた場合、1台（!!!）のコンピューターがすべての2 ^ N個の数値を同時に処理します。

量子アルゴリズム

古典的なコンピューターとは異なり、 量子コンピューターは普遍的ではありません 。コンピューティングの問題には、量子コンピューターでそれらを解決するアルゴリズムはありません。これまでのところ、少数の量子アルゴリズムのみが発見されています。

最も有名な量子アルゴリズム：

1）ショアアルゴリズム（因数分解）

2）Groverのアルゴリズム（順不同データベースでの高速検索）

3）Deutsch-Josアルゴリズム（質問への回答、定数または平衡関数）

量子エンタングルメントの現象と重ね合わせの原理の使用により、量子アルゴリズムは、対応する古典的なアルゴリズムと比較して実行速度が大幅に向上します。

Shore Algorithm-公開鍵暗号キラー

Shoreアルゴリズムについて説明します。これにより、数学的に同等な2つの問題のいずれかを解決できます。

1）複雑な周期関数の周期を見つける、または

2）非常に大きな数を因数分解する

これらのタスクの2番目は、暗号化で使用されるため、実用上非常に重要です。事実は、秘密メッセージを暗号化および復号化するための暗号化技術の1つ（公開キー暗号化）で、それらの因数分解が知られている多数が使用されるということです。このような数値は簡単に取得できることは明らかです。単に多数の素数を乗算するだけで、素数分解が知られている非常に多数の数値が得られます。デコード手順では長い数値の因数分解を使用し、この分解を知っているため、エンコードされた秘密メッセージの受信者はそれをデコードできます。

攻撃者がこの数を素因数に含めることができれば、メッセージをデコードすることもできます。ただし、このような分解には膨大な時間が必要です。したがって、実用的な観点から、そのようなメッセージをデコードすることは不可能です。しかし、敵に（十分なパワーの、つまり十分に大きい数で動作する）量子コンピューターがあれば、彼は長い数を素因数に分解できるため、そのようなメッセージを簡単に解読できます。この一般的な暗号化方法は機能しなくなります。これは、量子コンピューターの作成を重要にする議論の1つです。

量子コンピューター構築の問題

物理的：

デコヒーレンス（今日の主な問題は、後で説明します）
論理演算を実行する特定のプロセスを検索する

数学：

新しいアルゴリズムを検索する
エラー修正方法の検索

これらの問題は、 スケーラビリティという言葉で説明できます。通常のコンピューターに追加のメモリを接続するのは簡単なルーチンです。それぞれの新しいキュービットを宇宙船に参加させることは、まだ作業の一部です。

デコヒーレンス

デコヒーレンスの現象は、測定されたシステムが特定の量子特性を失うことです。つまり、量子システムと環境との相互作用において、純粋な状態はすぐに混合物に変わります。

デコヒーレンスに対抗するために、一方では、極低温や高真空の使用など、量子システムを分離するさまざまな方法が開発され、他方では、デコヒーレンスエラーに耐性のあるコードの導入が行われます（通常、このようなスキームでは論理キュービットの状態です）いくつかの結合物理キュービットの状態によってエンコードされます）。

QCを構築するための要件

ユニタリー演算子の精度は、さまざまな推定によると、99.99から99.999999まででなければなりません（特定の実装に応じて）。

超伝導量子コンピューターD-Wave

2007年2月、カナダの会社D-Wave Systemsは16量子ビットの量子コンピューターを組み立てました。創設者兼最高技術責任者のGeorge Rose（Geordie Rose）は、これまでで最も強力な量子コンピューターであり、商業的に重要なアプリケーションを実行できる最初の量子コンピューターと呼びました。 2007年11月、スーパーコンピューターに関する会議で、同じ会社のD-Waveが既に28キュービットコンピューター（Ledaチップ）のモデルの動作をオンラインで実証しました。同社は現在、コード名Rainierと呼ばれるプロトタイプの128キュービットチップをテストしています。会社の将来の計画は、近い将来に1024キュービットのコンピューターを作成することです。

このすべてが他のほとんどの量子コンピューター設計よりもはるかに優れていることに同意する必要があります.D-Waveは、光回路、量子ドット、レーザー封じ込め、または他のエキゾチックな製造技術に頼ることなく、半導体製造技術と既存の半導体工場を使用してコンピューターを作成できました。 D-Waveは、問題の後半、つまり、量子コンピューティングを提供する見込みのある機会を活用できるアプリケーションを作成するためのプログラミングツールにも取り組んでいます。

D-Wave量子チップの材料はニオブです。十分に低い温度まで冷却すると、超伝導体になります。通常の金属が電流を伝導すると、電荷のキャリアである電子が非理想的な金属構造と衝突し、その結果抵抗が現れます。ニオブなどの超伝導金属を冷却すると、金属の電子がクーパーペアを形成します。クーパーペアがチップ上のジョセフソン接合（弱い絶縁障壁で接続された超伝導ニオブの2つのセグメントで構成される）に入ると、それらは接合の絶縁体をトンネルし、効果的に電流を流すことができる電子のような準粒子として表すことができます。

ニオブはリングの形で配置され、電流はそれを介して時計回りに流れたり、反対方向に混合されたり、両方向に流れたりします-Roseによると、「0」、「1」、または量子情報ビット（qubit）の2つの値の重ね合わせに対応し、量子コンピューティングのベース。「チップは、シリコン基板上の一連の金属トラックです。ここでの基板は、半導体プロセスに使用される基板と同じですが、上部には絶縁体で分離された金属層があります。私たちの前にあるのは、すべての情報が金属ループと遷移を通る電流の流れの形で保存される全金属磁気デバイスです。

電流の方向は、キュービットが一方向（0または1）にオフセットを持っているかどうか、隣接するキュービットが同じ方向または反対方向に移動するかどうか、およびキュービットの異なる状態間のエネルギー障壁から、キュービットの値に変換されます。現在のLedaチップには28の量子ビットを提供する28のリングが装備されていますが、それらは互いに接続されておらず、特定の数の「隣接」だけが接続されています。ニオブのクーパーのペアは、厳密に言えばボソンです。したがって、それらはすべて1つの量子状態で存在し、すべての量子ビットを接続しなくても超伝導体全体の量子特性を与えます。相互接続の数を減らすと、生産が簡単になります。

ロシア技術：物理技術研究所（ロシア科学アカデミー物理技術研究所）の量子コンピューター研究室

核スピンの鎖に基づくキュービット。数ナノメートルのサイズの半導体に構造を作成するための最新の技術を使用して、シリコン内の狭いチャネルにリンイオンの線形チェーンを注入できます。このようなチェーンには、1万個から100万個の原子が含まれています（核スピンは非常に小さく、それを制御して確実に検出するには、十分な数の粒子を収集する必要があります）。これは1つの論理キュービットです。
高温超伝導体（HTSC）。 pコンタクト。この場合、2つの異なるタイプのHTSCの境界にキュービットが作成されます（SDS遷移）。このような遷移のポテンシャルエネルギーには2つの最小値があり、位相変数の値は0とpです。それらはキュービットの2つの基本的な状態に対応します。
イオントラップのキュービット
光学的に制御された量子ドット

実験では、99.98％の量子計算の精度が得られました。今日、それは世界最高の結果です。ご覧のとおり、わが国には自慢できることもあります;）

なぜ量子コンピューターが必要なのですか？

量子計算は、従来のタスクと比較してどのようなタスクに対して利益をもたらしますか？

第一に、量子システムは複雑な計算上の問題を効果的に「解決」します-それ自体をシミュレートします。量子コンピューターでは、多項式のステップ数で任意の量子システムをシミュレートできます。これにより、（量子コンピューターの存在下で）分子と結晶の特性を予測し、数十オングストロームのサイズの微細な電子デバイスを設計できます。現在、このようなデバイスは技術的能力の限界にありますが、将来的には従来のコンピューターで使用される可能性があります。

2番目の例は、分解とアーベル群に関連する同様の数論的問題です。 Shorアルゴリズムはすでに以前に述べられています-分解問題の複雑さの疑いは、RSAなどの一部の公開キー暗号化アルゴリズムの暗号強度の中心にあります。そして、この美しい結果は有用というよりも有害である可能性があります。数値を要素に分解したり、暗号の鍵を選択したり、電子署名を偽装したりすることができますただし、量子コンピューターを作成することの難しさは非常に大きいため、今後10年間、暗号ユーザーは安心して眠ることができます。

3番目の例は、順序付けされていないデータベース（Groverのアルゴリズム）と同様のタスク（たとえば、画像認識-D-Waveが最初のチップで示したもの）で目的のレコードを検索します。将来、量子コンピューターは、人工知能を作成する問題の解決に近づくことができます。

量子コンピューターは、現代の物理学の「聖杯」です。量子コンピューターのアイデアは、非現実的であると同時に魅力的です。おそらく、従来のコンピューターのプロジェクトは、チャールズ・バベッジの時代にも認識されていました。その発明はわずか100年後に実現されました。量子コンピューターを作成する問題は、複雑さにおいて星間飛行の問題や熱核融合の問題と同等です。現在、2つまたは3つのキュービットのQCはすでに存在しますが、その構築にも高度な技術が必要です（非常に純粋な物質、個々の原子の非常に正確な注入、超精密測定システム）。しかし、前述のように、主な課題は技術的なものではなく、基本的なものです-スケーラビリティ。

私たちの時代には、科学技術の進歩が早くなり、それほど長く待つ必要がなくなることを期待しましょう。 おそらく、1つの新しいアイデアで十分であり、さらに新しい技術を開発するのに数年かかります...

文学

1）Mensky M.B. -人間と量子世界。モスクワ、Vek2、2007。ISBN：5-85099-161-1

2）GoogleのHartmut NevenとGeordie RoseによるQuantum Computingに関するGoogle Tech Talksシリーズ| カリフォルニア州サンタモニカ

3）ウィキペディアの記事

4）Computerraの記事

5） S.Ya. lin。量子情報。 Physics-Uspekhi、vol。169、No. 5、p。 507-527、1999

6）量子教育プログラム。 Lenta.ru

7）トムのハードウェアガイド。 D-Wave Orion：最初の量子コンピューター。ドミトリー・チェカノフ、2008年8月6日

8） 8）A.Kh. シェン、M.N。緩慢。講義コース「古典的および量子コンピューティング」。インターネット情報技術大学

9）量子コンピューターと量子コンピューティング。エド。 Sadovnichy V.A.

10）量子コンピューティング：長所と短所。エド。 Sadovnichy V.A.

量子コンピューター：夢から現実へ