量子超越性

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量子超越性
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Anonim

10月23日、ジャーナルNatureは、Googleの量子人工知能部門の研究者による記事を発表しました。この記事では、量子超越性の達成について説明しています。ジョン・マルティニスが率いる科学者のチームは、量子コンピューターの助けを借りて、最新の古典的なスーパーコンピューターには耐えられない問題の解決策を発表しました。 N + 1は、何が起こったのかを詳細に把握しました。

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Sycamore量子プロセッサ

インセプション

量子コンピューターのアイデアは、約40年前にソビエトの科学者ユーリ・マニンの作品に登場しましたが、すぐに独立して、リチャード・ファインマンによって策定されたはるかに明確な形になりました。

量子コンピューティングのパラダイムの本質は、データを格納および処理するための量子システムの使用にあります。その状態は、主要な位置の間の連続体で任意の値を取ることができますが、古典的な場合、たとえばコンピューターの要素です。トランジスタは、2つの可能な位置のいずれかに一意にあります。

通常の情報ビットとの類推により、量子の場合、キュービットが導入されます。その結果、Nキュービットのシステムは、2N個のパラメーターのみを使用して完全に記述されます。各パラメーターは、0から1までの任意の数に等しくなります。同時に、N個の古典的なビットのシステムも2N個のパラメーターで記述されますが、それらは2つの極値しかとることができません。

量子コンピューターは、さまざまなクラスの問題を解決するのに依然として効果的であるため、古典的なコンピューターの代わりにはならないことに注意する必要があります。さらに、科学者が問題の最初の例を思いついたのはごく最近のことであり、原則として、量子コンピューターだけが解決することができます。

進化

量子コンピューターは、最初の量子アルゴリズムが登場した1990年代半ばまで、つまり、理論的には彼らの助けを借りて実行可能なプログラムまで、あまり注目されませんでした。ターニングポイントは、多数を効果的に因数分解する方法、つまりそれらを素因数に分解する方法を見つけたピーター・ショアの作品のリリース後に来ました。

従来のコンピューターでのこのタスクの複雑さは、数が増えるにつれて急速に増大します。そのため、特に広く使用されているRSAプロトコルでは、いくつかの暗号化メカニズムの基礎になっています。この方法の暗号化セキュリティは、通常のコンピューターが妥当な時間内に番号を復号化するために必要な番号を見つけることができないという事実に基づいており、Shorのアルゴリズムのおかげで、量子コンピューターは理論的にこれを行うことができます。

世界の多くの国の科学者が量子コンピューターの開発を始めました。さらに、グーグル、IBM、マイクロソフトなどの商業構造、さらにはモルガン・スタンレーなどの一部の金融機関も関心を示し始めました。この理由は、特に株価の分析で発生する、暗号化と多変量最適化の問題を解決する量子コンピューターの期待される能力にあります。

2010年代初頭、最も楽観的なアナリストは、有用な量子コンピューターが今後数年以内に登場すると主張しました。より慎重な専門家はそれを作成するのに数十年かかりました。この分野の進歩を何らかの形で形式化し、開発の初期段階の完了を示すために、物理学者のジョン・プレスキルは2012年に「量子優位性」という用語を提案しました。

量子超越性は、結果が実用的な意味を持っているかどうかに関係なく、量子コンピューターが古典的な計算にアクセスできない計算を実行できる瞬間に発生します。

この定式化はかなり緩く、多くの異なる解釈を可能にします。たとえば、比較の方法や使用されている古典的な類似体については何も述べていません。

優越性

10月23日、Googleの従業員は、量子超越性の達成について論じた論文をNature誌に発表しました。研究者たちは、非常に特殊な問題を200秒で解決できた53キュービットのSycamoreプロセッサでの作業結果に基づいてこの声明を発表しましたが、最も強力な最新のサミットコンピューターで問題を解決するための推定時間は1万時間になるはずです。年。

課題は、ランダムであるがよく知られている1キュービットおよび2キュービット操作のシーケンスを実行し、結果として得られるキュービットの状態を数値文字列に変換し、この手順を何百万回も繰り返すことでした。結果として、特定の状態にあるキュービットの確率分布を構築することが可能であり、これは、一連の操作のように、キュービット間の相互作用のためにランダムではない。

このタスクはかなり技術的であり、可能な唯一のアプリケーションは乱数の生成です。量子優位性の漠然とした定式化のために、著者は比較的単純な問題を自分で選択することができたが、それは同時に古典的なコンピューターでは解決するのが難しいことも注目に値する。

確かに、古典的なコンピューターのアルゴリズムを最適化するための努力がなされてきましたが、この分野の進歩は量子コンピューターの開発に大きく遅れをとっています。

これは、従来のコンピューターのタスク実行時間が大幅に過大評価されており、最適化を使用すると数日まで短縮できると主張するIBM従業員の声明によって再び確認されています。

これに対して、Googleは、IBMの従業員によって提案されたアルゴリズムには、スーパーコンピューターの通常の操作モードからの顕著な逸脱が含まれているため、そのパフォーマンスの実際のテストが必要であると回答しました。また、量子プロセッサによって取得されたデータはすでに公開されており、IBMと他のチームの両方による検証が容易になります。

グーグルのコンピューターにおけるキュービットの物理的基礎は超伝導回路です。このオプションは比較的簡単に作成できますが、ノイズとエラーがかなり高く、計算が困難になります。その解決策のアルゴリズムはエラーに耐性があり、エラーの修正を必要としないため、これは選択された問題を支持する追加の議論になりました。

結果

作品の公開後すぐに、Googleの従業員が記者会見を開催し、その間にマティーニと実験の他の参加者が彼らの成果についてコメントしました。彼らは、乱数生成が量子コンピューターの最初の実用的なアプリケーションになる可能性があると述べました。科学者たちはまた、特に分子の量子化学シミュレーションの分野で、すでにより洗練された実験を行っていると報告しました。

著者らは、彼らの主な任務を、彼らが研究する分野への多数の研究者の魅力と呼び、そのために彼らはオープンなソフトウェアライブラリを作成しました。科学者のやる気のあるコミュニティは、近い将来、量子コンピューターの適切な実用的なアプリケーションを見つけるのに役立つはずです。

マルティニスのグループは、数年以内に約千キュービットで実験を開始する予定です。これにより、多くの物理キュービットに基づいて、少数の論理キュービットの動作をシミュレートできます。論理キュービットの特性は、理想にはるかに近くなります。特に、それらのエラーは指数関数的に小さくする必要があります。

このようなスキームの実装は、はるかに幅広いクラスの問題を解決するのに適した、エラー訂正を備えた量子コンピューターの作成に向けた重要なステップになります。

Googleの従業員は、暗号化のセキュリティに対する脅威の可能性について尋ねられたとき、RSAなどの暗号化アルゴリズムを実際に実行可能に破るには約1億の物理キュービットが必要であると回答しました。

これは近い将来予想されるよりも何倍も多いため、科学者は、量子耐性のある暗号化方式を作成して実装するのに十分な時間があると信じています。

Martinisと彼の同僚はまた、専門家がGoogle内と米国およびその他の政府の両方で暗号化セキュリティの問題に取り組んでいるため、このような強力な量子コンピューターが登場するまでに通信とデジタルトランザクションの整合性について心配する必要はないと述べました。

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