量子コンピューターはまだ物体をテレポートできない

昨年11月、物理学者のグループが、グーグルのSycamore量子コンピューター内で初めてワームホールをシミュレートしたと主張した。研究者らは、シミュレートした粒子の1バッチに情報を投入し、その情報が別の2バッチの回路に現れるのを観察したと述べた。

それは大胆な主張だった。ワームホール（時空を貫くトンネル）は、重力の理論的な産物であり、アルバート・アインシュタインが普及に貢献した。重力と長い間対立してきた物理学のまったく異なる分野である量子力学でワームホールの複製を作るだけでも、驚くべき偉業となるだろう。

そして実際、3か月後、別の物理学者グループが、この結果は別の、より日常的な方法で説明できると主張しました。これに対して、シカモア プロジェクトのチームは、自分たちの結果をさらに強調しました。

彼らのケースは、興味深いジレンマを浮き彫りにしている。量子コンピューターでワームホールをうまくシミュレートできれば、古くからある物理学の難問を解くのに役立つかもしれないが、これまでのところ、量子ハードウェアは複雑な計算を実行できるほど強力でも信頼性も高くない。しかし、彼らは急速にそこに到達しつつある。

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問題の根本は数学的システムの違いにあります。この記事を読むために使用しているデバイスなどの「古典的な」コンピューターは、通常シリコンで作られた「ビット」を使用してデータを保存し、計算を行います。これらのビットはバイナリです。つまり、0 か 1 のいずれかであり、それ以外にはありません。

人間の作業の大半では、それは問題ではない。しかし、バイナリは量子力学の秘密、つまり最小のスケールで宇宙を導く奇妙なルールを解明するのには理想的ではない。なぜなら、このシステムは本質的にまったく異なる形式の数学で機能するからだ。

量子コンピューターの登場です。これはシリコンビットを量子力学に従う「キュービット」に置き換えたものです。キュービットは 0 か 1 ですが、量子トリックにより 0 と 1 の組み合わせになることもあります。キュービットにより、特定の計算がはるかに扱いやすくなります。2019 年、Google のオペレーターは Sycamore のキュービットを使用して、従来のコンピューターでは 1 万年かかるとされるタスクを数分で完了しました。

コンピューターが解ける方程式を使ってワームホールをシミュレートする方法はいくつかある。2022年の論文の研究者は、Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) モデルと呼ばれるものを使用した。従来のコンピューターは SYK モデルを処理できるが、非常に非効率的である。このモデルは、離れた場所で相互作用する粒子を含むだけでなく、かなりのランダム性も備えており、どちらも従来のコンピューターでは処理が難しい。

ワームホール研究者たちも、実験のためにSYKモデルを大幅に簡略化した。「彼らが行ったシミュレーションは、実は古典的には非常に簡単に実行できる」と、このプロジェクトには関わっていないカリフォルニア工科大学の物理学者、フラント・ガリビアン氏は言う。「ノートパソコンで実行できる」

しかし、モデルを単純化すると新たな疑問が浮上する。物理学者が量子数学によってワームホールを作ったことを証明したい場合、実際にそれができたかどうかの確認が難しくなる。さらに、物理学者が量子力学が重力とどのように相互作用するかを知りたい場合、扱える情報が少なくなる。

批評家たちは、シカモア実験では十分な量子ビットが使われなかったと指摘している。携帯電話やコンピューターのチップには数十億、数兆ビットの量子ビットがあるかもしれないが、量子コンピューターはそれよりはるかに小さい。特にワームホールシミュレーションでは 9 個の量子ビットが使われた。

研究チームは数十億の量子ビットを必要としなかったのは確かだが、専門家によると、9個以上の量子ビットを使うべきだったという。「9個の量子ビットを使った実験では、実験を従来通りにシミュレートしてわかったこと以外は何も学べない」と、論文の著者ではないテキサス大学オースティン校のコンピューター科学者スコット・アーロンソン氏は言う。

サイズが問題なら、現在の傾向から物理学者は量子コンピューターで適切なワームホールをシミュレートできると楽観視できる。わずか10年前は、1つの量子ビットを機能させることさえも素晴らしい偉業だった。2016年、クラウドアクセスを備えた最初の量子コンピューターは5つの量子ビットを持っていた。現在、量子コンピューターの量子ビットは数十個に上る。Google Sycamoreは最大53個だ。IBMは2020年代半ばまでに1,000量子ビットを超える量子コンピューターのラインを計画している。

さらに、今日の量子ビットは極めて壊れやすい。たとえ小さなノイズやわずかな温度変動でも（量子ビットは絶対零度よりわずかに高い極寒の温度に保たれる必要がある）、媒体のコヒーレンスが失われ、コンピューターが量子の世界から抜け出して、ありふれた古典的なビットに戻ってしまう可能性がある。（最新の量子コンピューターは、量子ビットを「よりクリーンに」することに重点を置いている。）

量子コンピューターの中には、個々の粒子を使用するものもあれば、原子核を使用するものもある。一方、Google の Sycamore は超伝導線のループを使用している。これらはすべて、量子ビットが VHS 対ベータマックスの時代にあることを示している。複数の競合相手が存在し、どの量子ビットが、どこにでもある従来のシリコン チップと同等になるのかは不明である。

「よりクリーンな量子ビットを備えた、より大きな量子コンピューターを作る必要があります」とガリビアン氏は言う。「そうして初めて、真の量子コンピューティングのパワーが実現するのです。」

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多くの物理学者にとって、それは大きな無形の報酬がもたらされるときです。宇宙を最小のスケールで導く量子物理学は、宇宙を最大スケールで導く重力を完全に説明できません。量子ビットが効果的にテレポートする量子ワームホールを示すことで、そのギャップを埋めることができるかもしれません。

つまり、この問題を真剣に研究しているのは Google ユーザーだけではない。2022 年の初めには、3 番目の研究者グループが論文を発表し、量子コンピューターで検出したテレポーテーションの兆候を列挙した。彼らはシミュレートされたワームホールを介して量子ビットを送信したわけではなく、古典的なビットを送信しただけだが、それでも有望な一歩だった。完全な SYK モデルのシミュレートなど、より優れた量子重力実験は、「純粋にプロセッサーを構築する能力を拡張すること」が目的であるとガリビアン氏は説明する。

アーロンソン氏は、たとえ量子コンピューターが数千の量子ビットに到達したとしても、ワームホールが意味のある形でモデル化されるかどうかについては懐疑的だ。「少なくとも、他の方法では計算方法がわからなかった量子重力に関連する何かがわかる可能性はある」と同氏は言う。「それでも、それが何なのか専門家に説明してもらうのに苦労した」