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の話とそれが何であるかを理解するためのかゆみに混乱していますか? 初心者向けの紹介です。

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的原理の適用です。 ここで採用されている基本的な現象は次のとおりです。 エンタングルメント および 重畳.

量子コンピューティングは比較的新しい流行語ですが、量子力学はずっと長い間存在してきました。 それは電子産業の主要な発展に責任があり、さらに人類の謎の多くへの答えを提供します。

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、使用できる最小の粒子を指します。 これは、あらゆる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、エルヴィン・シュレーディンガーまで、多くの偉大な科学者が量子力学の開発に関与し、最終的には量子コンピューティングの競争に至りました。これは、私たちの時代で最も偉大な技術競争のXNUMXつです。

この投稿では、量子現象の魔法の世界を紹介し、そこからコンピューターを作成する方法を示し、関連する分野を探ります。

離れた場所での不気味な行動

量子現象は、従来の理解に反し、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「遠隔作用」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。 同じ場所で瞬時にXNUMXつのパーティクルを作成すると、それらは絡み合います。 つまり、一方に何が起こっても、もう一方に影響を及ぼします。

それはあなたがあなたの恋人について考えるときはいつでも恋に落ちて電話を受けるようなものです。 または、電話をかけて「電話をかけようとしていた」と聞きます。 一卵性双生児も同時に病気になることが知られています。

量子もつれの最も不気味な部分は、もつれている粒子のXNUMXつを遠くに持っていくことができるということです。 そして、あなたがそれをどのような条件にさらしても、銀河の半分から離れていても、XNUMX番目の粒子に瞬時に影響を与えます。

量子コンピューターはこの特性を利用して、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、XNUMX番目の量子力学的現象を見てください。

エルヴィン・シュレーディンガーと彼の猫

別の初期の量子研究者はオーストリアの物理学者ErwinSchrödingerでした。彼はAlbertEinsteinのように、量子現象の一部を同様にばかげていると感じました。 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いた。

しかし、これは実験によれば、猫と猫を殺す可能性のあるものを箱に入れて密封した場合です。 箱を開けるまで、猫が死んでいるか生きているかはわかりません。 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ました。

重ね合わせは、量子コンピューティングを可能にする1番目の現象です。 古典的なコンピューターが常に0または0を表すことができる情報のビットを処理するのに対し、量子コンピューターは、死んだ猫と死んだ猫のように、同時に1とXNUMXの両方を表すことができるキュービット(量子ビット)を処理します。生きている。

これがキュービットの詳細です。

ビット対量子ビット

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qbitとも呼ばれるキュービットは、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、常に0または1のみです。 一方、量子ビットは同時に両方にすることができます。 したがって、00つの通常のビットは、いつでも01、10、11、および4を保持できます。 しかし、XNUMXつの量子ビットはXNUMXつの状態すべてを同時に保持できます。 これは、XNUMX倍速い計算サイクルを意味します。

3つの通常のビットを使用すると、いつでも000、001、010、011、100、101、110、および111を取得できます。 ただし、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、計算サイクルがXNUMX倍速くなります。 ご覧のとおり、この関係は指数関数的であり、ビットを追加するたびに、利用可能な情報の量がXNUMX倍になります。

つまり、5キュービットでは、32の同時状態が表示され、10キュービットでは、1,000状態を超え、20キュービットでは、XNUMX万を超えます。 ここで、州の数を考えてみましょう。 1,000キュービット量子コンピューター IBMとGoogleが開発していることは同時に保持することができます。

あなたはからキュービットを作ることができます 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。 目標は、自由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、複雑な問題からの瞬間的な結果です。 これは主に、多くの可能性から正しい答えを選択しなければならない状況にあります。 そしてこれは、それらを数分解、大規模シミュレーション、および人工知能のパターン認識に最適にします。

従来の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。 干し草の山の検索で針と呼ばれることがよくありますが、この操作にかかる時間は、干し草や記録をふるいにかける必要がある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ーは、それぞれの可能性をチェックする速度を上げることによって、そ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では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制限

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)かを問わず、さまざまな半導体材料から作られています。 ただし、Qubitははるかに複雑で、実装が困難です。 また、キュービットを空間的に分離することに加えて、温度や静電変動などの環境干渉からキュー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変化もこれらの状態を破壊するからです。

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。 グーグルの今後の1,000キュービットマシンは、各キュービットのエラー訂正のために最大1,000キュービットを必要とするほど深刻です。 したがって、1万キュービットのマシンになります。

また、現在、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扱うことができないことも意味します。 コンピュータは、そのキュービットの安定性の安全なレベルを維持するために実験室の条件を必要とします。

もうXNUMXつの欠点は、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、いわゆる量子超越性の範囲が限られていることです。 したがって、他のほとんどの操作での計算の向上は、量子計算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。 そして、量子コンピューターが古典的なコンピューターよりも安くならない限り、それらはすぐにそれらを置き換え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量子ビットは、簡単に処理できる数が多いため、コンピューター業界で多くの可能性を秘めています。

量子コンピューティングには危険がありますか?

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、技術には依然として問題があります。 そして、俳優はそれらを利用する準備ができています。

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。 XNUMX番目のシナリオは、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力を利用して偉業を成し遂げる場合です。 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値でうまく機能します。 したがって、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と512、SHA-256と512などのハッシュと対称暗号化は比較的安全です。

量子力学の他のアプリケーション

量子コンピューティングの世界はエキサイティングですが、それでも量子力学の一部にすぎません。 つまり、量子党はまだ始まったばかりです。

量子力学は、半導体および最新の電子機器の開発に貢献してきました。 スイスを拠点とする量子ネットワークや暗号化などの作業も進行中です。 量子暗号のパイオニアIDQuantique。 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.

実世界の量子コンピューター

そこには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あります。 彼らはグーグルやIBMのような大規模な多国籍企業、そして政府、そしてリゲッティのようなさらに小さなプレーヤーから来ています。

量子コンピューティングは現在、地球上で最も注目されている研究分野のXNUMXつです。 ですから、おそらくあなたが想像できるよりも多くの秘密のプログラムがそこにあります。 以下はいくつかの主要なプロジェクトです。

  • Googleは54キュービットと72キュービットのマシンを所有しています
  • IBMは、30キュービットのマンハッタンを含め、世界中に65台以上のマシンを所有しています。
  • 中国には、76キュービットのマシンや量子衛星通信を含む多くの量子コンピューターがあります。
  • Googleの54キュービットのSycamore搭載マシンは、スーパーコンピューターの計算に200、10,000年かかるものを計算するのにわずかXNUMX秒しかかかりませんでした。
  • IBMは1,000年までに2023キュービットのマシンを開発しています
  • Rigetti Computingは、31キュービットマシンを含むXNUMX台を所有しています。
  • Googleは、1,000年までに2029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構築しています。エラー修正を考慮すると、そのコンピューターの合計キュービットは1万に達する可能性があります。

まとめ

量子コンピューターはここにとどまります。 彼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の問題を解決するでしょう。

しかし、そこにたどり着く前にやるべきことや克服すべき課題はまだたくさんあります。 そしてそれまで、中国は世界を驚かせるかもしれません。

Nnamdi Okeke

ンナムディ・オケケ

Nnamdi Okekeは、さまざまな本を読むのが大好きなコンピューター愛好家です。 彼はWindows/MacよりもLinuxを好み、使用しています。
当初からのUbuntu。 ツイッターで彼を捕まえることができます ボンゴトラックス

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