誰に尋ねるかにもよりますが、量子コンピューターはインターネットを破壊してほぼすべてのデータセキュリティプロトコルを時代遅れにする可能性がある、または気候危機から抜け出す方法を計算できるようにする可能性があると言う人もいます。
これらの超強力なデバイスは、量子力学の特性を利用した新興テクノロジーであり、非常に話題になっています。
昨年11月、IBMは最新の量子コンピューターOspreyを発表した。これは、2021年に開発されたばかりの以前のコンピューターよりも3倍強力な新しい433量子ビットプロセッサーである。
しかし、この誇大宣伝は一体何なのでしょうか？
量子は、原子や素粒子のスケールで自然の物理的特性を研究する科学分野です。
量子技術の支持者らは、これらの機械が創薬や材料科学などの分野で急速な進歩をもたらす可能性があると述べているが、これには、例えば、より軽量で効率的な電気自動車のバッテリーや、効果的なCO2回収を促進する材料を作成するという魅力的な可能性が懸かっている。 。
気候危機が迫っており、このような複雑な問題を解決できると期待されるテクノロジーは、強い関心を集めるに違いありません。
したがって、世界最大のテクノロジー企業の一部 (数例を挙げると、Google、Microsoft、Amazon、そしてもちろん IBM) が量子の未来にその地位を賭けてそれに多額の投資を行っているのも不思議ではありません。
量子コンピューターはどのように動作するのでしょうか?
これらの理想郷のように聞こえるマシンがこれほど熱狂的な関心を集めていることを考えると、それらがどのように動作するのか、また古典的なコンピューティングと何が違うのかを理解することはおそらく有益でしょう。
ポケットの中のスマートフォンから最も強力なスーパーコンピューターまで、私たちが今日持っているあらゆるデバイスを考えてみましょう。これらは、バイナリ コードの同じ原理に基づいて動作し、これまでも常に動作してきました。
基本的に、私たちのコンピュータのチップは、オン/オフ スイッチとして機能する小さなトランジスタを使用して、2 つの可能な値、0 または 1 (バイナリ ディジットの略でビットとも呼ばれます) を与えます。
これらのビットは、より大きく、より複雑な単位に構成できます。基本的には、コンピュータに何をすべきかを指示するデータ コマンドでエンコードされた 0 と 1 の長い文字列です。ビデオの表示。 Facebook の投稿を表示します。 mp3を再生します。電子メールを入力できるようにするなどです。
でも量子コンピューター？
これらのマシンはまったく異なる方法で機能します。古典的なコンピューターのビットの代わりに、量子コンピューティングにおける情報の基本単位は、量子ビット、つまり量子ビットとして知られています。これらは通常、光子や電子のような亜原子粒子です。
量子マシンの高度な計算能力の鍵は、これらの量子ビットを操作する能力にあります。
「量子ビットは、量子情報を保存できる 2 レベルの量子システムです」と、チューリッヒの IBM 研究所で量子シミュレーション用の高度なアルゴリズムの世界的リーダーであるイバノ タベルネリ氏はユーロニュース ネクストに説明しました。
「古典的な計算では 0 と 1 の 2 つのレベルだけを持つ代わりに、これら 2 つの状態の重ね合わせを構築できます。」と彼は付け加えました。
重ね合わせ
量子ビットの重ね合わせは、2 つの可能な値、0 または 1 を持つ 2 進数系とは異なり、重ね合わせの量子ビットは 0 または 1、または 0 と 1 を同時に取り得ることを意味します。
それが理解できない場合は、よく言われる 1 ペニーのたとえが挙げられます。
静止しているとき、ペニーには 2 つの顔、つまり頭か尾があります。でもひっくり返すと？それとも回す？ある意味、着陸して測定できるようになるまでは、表と裏の両方が同時に行われます。
また、コンピューティングの場合、同時に複数の状態になれるこの機能は、データをエンコードできる状態が指数関数的に増加することを意味し、量子コンピューターは従来のバイナリ コード コンピューターよりも指数関数的に強力になります。
量子もつれ
量子コンピューティングの仕組みに重要なもう 1 つの特性は、もつれです。これは量子力学のやや神秘的な特徴であり、当時のアインシュタインさえも困惑させ、「遠くから見ると不気味な動きだ」と断言した。
2 つの量子ビットがもつれ状態で生成される場合、それらがどれだけ離れていても、もつれペアの一方の量子ビットに何が起こるか、もう一方に何が起こるかの間には、直接測定可能な相関関係が存在します。この現象は古典的な世界ではこれに相当するものはありません。
「このもつれの特性は、さまざまなユニットと量子ビットの間に非常に強力な接続性をもたらすため、非常に重要です。したがって、このシステムの精緻化能力は、古典的なコンピューターよりも強力で優れています。」とIBMリサーチディレクターのアレッサンドロ・クリオーニ氏は述べています。チューリッヒの研究室がユーロニュース・ネクストに説明した。
実際、今年のノーベル物理学賞は、量子もつれに関する実験と量子情報分野の進歩に対して、アラン・アスペクト、ジョン・クラウザー、アントン・ザイリンガーの3人の科学者に授与された。
なぜ量子コンピューターが必要なのでしょうか?
したがって、確かに単純化して一言で言えば、これらは量子コンピューターがどのように動作するかの構成要素です。
しかし、繰り返しになりますが、すでにスーパーコンピューターがあるのに、なぜこのような超強力なマシンが必然的に必要になるのでしょうか?
「量子コンピューターは、物理世界のシミュレーションをはるかに容易にするだろう」と彼は語った。
「量子コンピューターは、量子の世界、つまり原子や分子のシミュレーションをより適切にシミュレートできるようになります。」
Curioni 氏が説明するように、これにより、量子コンピューターは、調整された特性を備えた新しい材料の設計と発見を支援できるようになります。
「エネルギー貯蔵のためにより良い材料を設計できれば、移動の問題を解決できます。肥料としてより良い材料を設計できれば、飢餓と食糧生産の問題を解決できます。二酸化炭素の回収を可能にする新しい素材を設計できれば、気候変動の問題も解決できます」と彼は語った。
望ましくない副作用?
しかし、量子時代に突入するにつれて、いくつかの望ましくない副作用が発生する可能性もあり、それを考慮する必要があります。
主な懸念は、将来の量子コンピューターが非常に強力な計算能力を備えているため、今日のインターネットのセキュリティの基礎となる暗号化プロトコルを破る可能性があるということです。
「人々がインターネットを介して通信する場合、誰でも会話を聞くことができます。そのため、最初に暗号化する必要があります。そして、会ったことのない 2 人の間で暗号化が機能する方法は、RSA または楕円曲線として知られるアルゴリズムに依存する必要があることです」 、ディフィー・ヘルマン、秘密鍵を交換するためです」とチューリッヒのIBM研究所の暗号学者ヴァディム・リュバシェフスキー氏は説明した。
「秘密鍵の交換は難しい部分であり、それにはいくつかの数学的仮定が必要ですが、量子コンピュータでは壊れてしまいます。」
これを防ぐために、組織と国家主体はすでに暗号を量子安全なアルゴリズムに更新する必要がある、とリュバシェフスキー氏は言う。量子コンピューターでも解読できないもの。
これらのアルゴリズムの多くはすでに構築されており、他のアルゴリズムは開発中です。
「たとえ量子コンピューターがなくても、アルゴリズムを書くことはできますし、量子コンピューターが存在すれば何をするのか、どのようにアルゴリズムを実行するのかがわかります」と同氏は語った。
「私たちは、特定の量子コンピューターが何をするのか、特定の暗号化スキームや他の特定の暗号スキームをどのように破るかについて、具体的な期待を持っています。したがって、そのようなことに確実に備えることができます」とリュバシェフスキー氏は付け加えた。
「それは当然です。彼らが何をしようとしているのかは正確にわかっているので、そのようなことに備えるのは理にかなっています。」
しかし、量子安全アルゴリズムで暗号化されていない既存のデータの問題があります。
同氏は、「政府機関は現在、量子コンピューターを構築すれば解読できるようになるだろうと期待して、すでに大量のインターネットトラフィックを保存しているという非常に大きな危険がある」と述べた。
「つまり、今はまだ安全だとしても、10年後、15年後も興味深い何かが今送信されているかもしれない。そしてその時こそ、量子コンピュータを構築する政府がそれを解読し、おそらくその情報を利用できるようになるだろう」彼は使うべきではない。」
それにもかかわらず、リュバシェフスキー氏は、量子コンピューティングの潜在的な利点と比較して、これらのリスクによってこれらのマシンの開発が停止されるべきではないと述べています。
「暗号を解読することが量子コンピュータの目的ではなく、それは単なる副作用だ」と同氏は語った。
「化学反応を発見し、それを医療などに利用できる速度を向上させるなど、さらに多くの有用なユーティリティが搭載されることが期待されます。つまり、これが量子コンピューターのポイントです」と彼は付け加えた。
「そして確かに、暗号を破るというマイナスの副作用があります。しかし、それは量子コンピューターを構築しない理由にはなりません。なぜなら、私たちはそれにパッチを当てることができ、それをすでにパッチしているからです。つまり、それはそこで解決するのは簡単な問題です」 」。
このストーリーの詳細については、上のメディア プレーヤーで説明ビデオをご覧ください。
