量子コンピュータと量子物理学

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量子コンピューターは、次の原理を使用するコンピューター設計です。 量子物理学 従来のコンピューターで達成できるものを超えて計算能力を向上させます。量子コンピューターは小規模で構築されており、より実用的なモデルにアップグレードする作業が続けられています。

コンピュータのしくみ

コンピュータは、データを格納することによって機能します。 2進数 などの電子部品に一連の 1 と 0 が保持される形式。 トランジスタ .コンピュータ メモリの各コンポーネントは、 少し また、コンピューター プログラムによって適用されるアルゴリズムに基づいて、ビットが 1 モードと 0 モード (「オン」と「オフ」と呼ばれることもある) の間で変化するように、ブール論理の手順を介して操作できます。

量子コンピューターの仕組み

一方、量子コンピューターは、情報を 1、0、または 2 つの状態の量子重ね合わせとして保存します。このような「量子ビット」により、バイナリ システムよりもはるかに高い柔軟性が得られます。

具体的には、量子コンピューターは、従来のコンピューターよりもはるかに大きな桁数で計算を実行できます...暗号化と暗号化の分野で深刻な懸念とアプリケーションを持つ概念.一部の人々は、成功した実用的な量子コンピューターが、宇宙の存続期間内に従来のコンピューターでは文字通りクラックできない多数の因数分解に基づいているコンピューター セキュリティ暗号化を破って、世界の金融システムを壊滅させるのではないかと懸念しています。一方、量子コンピューターは、合理的な期間内に数値を因数分解できます。

これがどのように高速化するかを理解するために、次の例を考えてみましょう。キュービットが 1 状態と 0 状態の重ね合わせにあり、同じ重ね合わせで別のキュービットを使用して計算を実行した場合、1 回の計算で実際には 4 つの結果が得られます: 1/1 の結果、1/0 の結果、 0/1 の結果、および 0/0 の結果。これは、デコヒーレンス状態にあるときに量子システムに適用された数学の結果であり、状態の重ね合わせにある間、1 つの状態に崩壊するまで続きます。複数の計算を同時に (またはコンピューター用語で並列に) 実行する量子コンピューターの機能は、量子並列処理と呼ばれます。

量子コンピューター内で機能している正確な物理メカニズムは、理論的にやや複雑であり、直感的に不安を感じます。一般に、それは量子物理学の多世界解釈の観点から説明され、コンピューターは私たちの宇宙だけでなく、宇宙でも計算を実行します。 他の さまざまなキュービットが量子デコヒーレンスの状態にある間、宇宙は同時に。これはとてつもないことのように聞こえますが、多世界解釈は実験結果と一致する予測を行うことが示されています。

量子コンピューティングの歴史

量子コンピューティングは、そのルーツを 1959 年のスピーチにさかのぼる傾向があります。 リチャード・P・ファインマン その中で彼は、量子効果を利用してより強力なコンピューターを作成するというアイデアを含む、小型化の影響について話しました。このスピーチは、一般的に、 ナノテクノロジー .

もちろん、コンピューティングの量子効果を実現する前に、科学者とエンジニアは従来のコンピューターの技術をより完全に開発する必要がありました。これが、何年もの間、ファインマンの提案を実現するという考えにほとんど直接的な進歩がなく、関心さえもなかった理由です。

1985 年、オックスフォード大学の David Deutsch によって、コンピューター内の量子領域を利用する手段として、「量子論理ゲート」のアイデアが提唱されました。実際、このテーマに関するドイツの論文は、あらゆる物理プロセスが量子コンピューターによってモデル化できることを示しました。

ほぼ 10 年後の 1994 年に、AT&T の Peter Shor は、いくつかの基本的な因数分解を実行するために 6 キュービットのみを使用できるアルゴリズムを考案しました。

ほんの一握りの量子コンピューターが構築されています。最初の 1998 年の 2 キュービット量子コンピューターは、数ナノ秒後にデコヒーレンスを失う前に、些細な計算を実行できました。 2000 年、チームは 4 キュービットと 7 キュービットの両方の量子コンピューターの構築に成功しました。このテーマに関する研究は今も活発に行われていますが、一部の物理学者やエンジニアは、これらの実験を本格的なコンピューティング システムにスケールアップすることの難しさについて懸念を表明しています。それでも、これらの最初のステップの成功は、基本的な理論が正しいことを示しています。

量子コンピューターの難しさ

量子コンピューターの主な欠点は、その強みと同じである、量子デコヒーレンスです。キュービット計算は、量子波動関数が状態間の重ね合わせ状態にある間に実行されます。これにより、1 と 0 の両方の状態を同時に使用して計算を実行できます。

しかし、量子系に対してあらゆる種類の測定が行われると、デコヒーレンスが崩れ、波動関数が単一の状態に崩壊します。したがって、コンピューターは、適切な時間まで測定を行わずにこれらの計算を何らかの形で継続する必要があります。適切な時間になると、量子状態から抜け出し、結果を読み取るために測定が行われ、残りのコンピューターに渡されます。システム。

このスケールでシステムを操作するための物理的要件はかなりのものであり、超伝導体、ナノテクノロジー、量子エレクトロニクスなどの領域に関係しています。これらのそれぞれは、まだ完全に開発されている洗練された分野であるため、それらをすべて統合して機能する量子コンピューターを作ろうとすることは、私が特にうらやましい仕事ではありません...最終的に成功した人を除いて.