量子コンピューティングの奇妙な世界へのアマゾンの進出に新たな拠点ができた

アマゾンとカリフォルニア工科大学の量子コンピューティングセンターが正式にオープンした。両社は本日、カリフォルニア工科大学のパサデナキャンパスに昨年建設していた新しい2階建ての建物が、ついに「フォールトトレラント」量子コンピューターの構築作業を開始する準備が整ったと発表した。

この施設は今後、アマゾン ウェブ サービスの量子コンピューティング センターの本拠地となり、量子デバイスの設計と実行に特化したツールを備えた研究室を備えた量子研究チームが入居します。ハードウェア エンジニア、量子理論家、ソフトウェア開発者が協力して、既存の量子コンピューターを微調整し、極低温冷却システムなどを使用して、より大きな量子デバイスをサポートするためにテクノロジーを拡張する方法をテストします。

アマゾンは2月のブログ投稿で、量子コンピューターは0と1の2進数である通常のビットを使用しないため、従来のコンピューターとは動作が異なると説明した。「従来のコンピューターがビットを使用して情報を表すのに対し、量子コンピューターは量子ビット、つまりキュービットを使用し、重ね合わせやエンタングルメントという量子現象を活用します」とアマゾンは書いている。

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量子コンピューターは非常に複雑になる可能性があるため、ここでは知っておくべき基本的な情報を紹介します。

量子コンピュータは従来のコンピュータとどう違うのでしょうか?

量子コンピューターは、従来のコンピューターとよく似た仕組みです。コンピューターで私たちが考える 1 と 0 は、シリコン チップにトランジスタが搭載されているという考えに基づいています。トランジスタは、電流を流すか流さないかを制御することができる小さなスイッチです。 『Quantum Computing for the Quantum Curious』という本では、「コンピューター ハードウェアは、1 ビットを (トランジスタ内の) ワイヤを流れる電流として認識し、0 ビットはワイヤに電流が流れていない状態として認識します。これらの電気信号は、「オン」(1 ビット) または「オフ」(0 ビット) として考えることができます。」と説明されています。

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一方、量子コンピューターは、量子ビット (キュービット) を使用することで、情報を異なる方法で処理できます。従来のビットは 0 または 1 の値を持ちますが、キュービットは 0、1、または 2 つの重ね合わせの値 (同時に両方になる中間の状態) を持つことができます。理論上、この特性により、コンピューターは一度に 1 つの解決策だけを試すのではなく、問題に対する複数の可能な解決策を試して答えを見つけることができます。

カリフォルニア工科大学は投稿の中で、重ね合わせに加えて、量子ビットは「量子力学的に互いにリンクされていることを意味する、もつれ状態」になることもあると説明している。「重ね合わせともつれ状態により、量子コンピューターは従来のコンピューターにはない機能を獲得します。」もつれ状態により、量子コンピューターはより多くの情報を処理できるようになり、ネットワークのセキュリティも向上する可能性がある。

「量子アルゴリズムを設計する技術は、問題をもつれた量子ビットの列にエンコードし、量子ビットの重ね合わせが崩れたときに、その値が問題の解決策を表すようにすることです」とアマゾンはブログ投稿に書いている。

2019年、この技術は原理実証タスクにおいて注目すべきマイルストーンを達成し、Googleが割り当てた特定の計算をスーパーコンピューターよりもはるかに速く完了しました（具体的には、従来のスーパーコンピューターでは1万年以上かかるタスクを200秒で完了しました）。

カリフォルニア工科大学によれば、エンジニアは原子、素粒子、光子を操作したり、「人工原子」を作ったりすることで量子ビットを作ることができるという。

現在、量子コンピューターが 100 量子ビットを超えることはほとんどありません。量子コンピューターが実際にどのようになるかを見てみましょう。

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量子状態を維持するために、量子ビットは絶対零度近くまで冷却され、他の分子との相互作用や外部磁場からの妨害から保護された入れ子状のチャンバー内に配置する必要があると、カリフォルニア工科大学は書いている。そして、量子ビットの数が増えるにつれて、それらの管理と分離が難しくなり、崩壊して重ね合わせやエンタングルメントの特性を失う可能性が高くなる。

AWS 量子コンピューティング センターの研究は、極低温で動作する超伝導量子ビットに重点を置いています。Amazon は、超伝導材料を使用してコンピューターの電気回路要素を構築することを目指しており、「マイクロエレクトロニクス製造技術」によって「多数の量子ビットを繰り返し作成する」ことが可能になり、超伝導量子ビットはクロック速度により他の方式よりも速く問題を解決できると主張しています。

研究者たちはまた、量子エラーを修正できるハードウェアベースのコンピューターアーキテクチャも解明したいと考えています。考えられる設計の 1 つは「シュレーディンガーの猫量子ビット」に基づくもので、これは量子ビットが重ね合わせ状態からランダムに反転してバイナリ状態のいずれかに変わるのを防ぐことで量子ビットを安定化できます。

「従来のコンピューターには数十億、さらには数兆ビットのビットがある」と、カリフォルニア工科大学の理論物理学教授でAWSの量子アルゴリズム責任者であるフェルナンド・ブランダオン氏はニュースリリースで述べた。「そして、それが量子ビットで最終的に目指すところだ」