Quantum Computersの紹介（Explaining Computersからの翻訳）

こんにちは、Habr！ChristopherBarnattによる記事「 QuantumComputing 」の翻訳をあなたの注意を引くために提示します。

量子コンピューティング

量子コンピューティングは、コンピュータ研究の急成長分野であり、近い将来、商用アプリケーションが期待されています。この時までに、量子コンピューターは、分子および材料のモデリング、ロジスティクスの最適化、財務モデリング、暗号化、人工知能トレーニングなどの特定のタスクにおいて、従来のコンピューターを上回ります。

量子コンピューティングの基礎

従来のコンピューターは、数百万または数十億のミニチュアトランジスタを含むシリコンチップから構築されています。それらのそれぞれをオンにすることができます-マシンの理解では、これは状態「0」または「1」です。続いて、コンピュータは「バイナリ番号」または「ビット」を使用してデータを保存および処理します。



量子コンピューターは、「量子ビット」または「キュービット」で動作します。それらは、さまざまな方法でハードウェアでサポートできます。たとえば、超伝導電気回路または個々のトラップされたイオンの量子機械的特性を使用します。



Qubitsは、複数の状態または「重ね合わせ」で存在できます。"同時に。これにより、キュービットは同時に値「1」、「0」、またはその両方をとることができます。これにより、量子コンピューターは従来のコンピューターよりもはるかに多くのデータを処理し、大規模な並列処理を実行できます。また、量子コンピューターに追加されたすべてのキュービットは、そのパワーを指数関数的に増加させることも意味します。



ほとんどの人は、キュービットの特性について聞くと迷子になります。裏返したコインは、頭と尾を同時に上げることはできません。それでも、キュービットの量子状態は同様のことを行うことができます。したがって、有名な核物理学者Niels Bohrがかつて「量子論にショックを受けていない人は誰でもそれを理解していない」と言ったことは驚くべきことではありません。



重ね合わせに加えて、キュービットは絡まる可能性があります。 「絡み合い」は別の重要な量子力学的特性です。つまり、あるキュービットの状態が別のキュービットの状態に依存する可能性があります。これは、1つのキュービットを観察すると、その観察不可能なペアの状態を明らかにできることを意味します。



キュービットの作成と管理は非常に困難です。今日の実験的な量子プロセッサの多くは、超伝導材料で発生する量子現象を使用しているため、絶対ゼロ近く（約マイナス272℃）に冷却する必要があります。バックグラウンドノイズからの保護も必要であり、それでもキュービットを使用して計算を実行するにはエラー修正が必要になります。量子コンピューティングの主な目標は、耐障害性のあるマシンを作成することです。

量子のパイオニア

現在量子コンピューター用のハードウェアを開発している企業には、IBM、Alibaba、Microsoft、Google、Intel、D-Wave Systems、Quantum Circuits、IonQ、Honeywell、Xanadu、Rigettiなどがあります。それらの多くは主要な大学の研究グループと協力して働いており、それらはすべて大きな進歩を続けています。以下は、これらの各企業の作業の概要です。

IBM

IBMは35年以上にわたって量子コンピューターに取り組んできました。彼女はいくつかのマシンが動作することで大きな進歩を遂げました。IBM-QのWebサイトによると、「今日、量子コンピューティングは研究者の遊び場ですが、5年後には主流になるでしょう。 5年以内に、量子コンピューティングの効果は研究所を超えます。これは、かつては克服できないと考えられていた問題を解決するためにこの新しい計算方法を使用する、新しいカテゴリーの専門家や開発者によって広く使用されます。」



2016年、IBMはウェブサイトを立ち上げましたIBM Q Experienceと呼ばれ、インターネット全体に5キュービットの量子コンピューターを表示しました。それ以来、2台目の5キュービットマシンと16キュービットマシンが加わり、どちらも実験に使用できます。量子コンピューティングについて学び、参加したい人を支援するために、IBMはQiskitと呼ばれるオープンソースの量子コンピューティングソフトウェアプラットフォームを提供しています。



2017年11月、IBMは、2台の20キュービットマシンが量子クラウドに追加されることを発表しました。これらは、IBMQネットワークの登録メンバーであるクライアントが使用できます。..。 IBMは、これを「フォーチュン500の大手企業、新興企業、学術機関、およびIBMと協力して量子コンピューティングを進歩させ、ビジネスと科学の実用的なアプリケーションを探求する国立研究所の世界的なコミュニティ」と説明しています。



また、2017年11月、IBMは、当時最も強力な量子ハードウェアと見なされていた50キュービットの量子プロセッサを設計したことを発表しました。





IBMの50キュービット量子コンピューター



2019年1月、IBMはIBM Q SystemOneを発表しました「科学的および商業的使用のために開発された世界初の統合されたユニバーサル近似量子コンピューティングシステム」として。このモジュール式で比較的コンパクトなシステムは、実験室の外で使用するために設計されています。このプレスリリースでIBMQ SystemOneの詳細を読むことができます。

グーグル

量子コンピューティングを実現するために懸命に取り組んでいるもう1つの技術大手は、量子AIラボを持っているGoogleです。 2017年3月、施設で働くエンジニアのMasoud Mohseni、Peter Reed、Hartmut Nevenが、Natureに記事を公開しました。その中で、彼らは、量子コンピューティングは、今後5年間で登場する比較的小さなデバイスで可能であると述べました。これは、商用量子コンピューティングのタイミングに関するIBMのビジョンを裏付けています。



量子コンピューティングの初期の頃、Googleはカナダの会社D-WaveSystemsのマシンを使用していました。しかし、同社は現在、独自の機器を積極的に開発しており、2018年3月に新しい72キュービット量子プロセッサと呼ばれるものを発表しましたBristlecone。



2019年6月、Googleの量子人工知能研究所の所長であるHartmut Nevenは、彼らの量子プロセッサの能力が現在指数関数的に倍増していると報告しました。これは「ネバンの法則」と呼ばれ、2019年末までに量子コンピューターが従来のコンピューターを凌駕できる量子優位のポイントに到達できることを示唆しています。



2019年10月、GoogleエンジニアのチームがNatureに記事を公​​開しました、彼女は量子優位性を達成したと主張した。具体的には、Googleの科学者は、Sycamoreと呼ばれる量子プロセッサを使用して、疑似ランダム量子回路の出力をサンプリングしました。 Sycamoreがスキーマの1つのインスタンスを100万回サンプリングするのに約200秒かかりました。比較すると、Googleチームは、従来のスーパーコンピューターが同じ計算を実行するのに約10、000年かかると計算しました。その後、チームは次のように結論付けました。「超伝導キュービットに基づく量子プロセッサは、現在利用可能な最速の古典的なスーパーコンピュータの範囲を超えて計算を実行できるようになりました。この実験は、量子プロセッサでのみ実行できる最初の計算です。このように、量子プロセッサは量子覇権体制に達しています。」



Googleのエンジニアによるこの啓示は大きなニュースでしたが、すぐに論争を巻き起こしました。IBMは、Googleの実験での計算は、1万年ではなく、2日半で従来のコンピューターで実行できると述べたブログ投稿を公開しました。そしてIBMによれば、「2012年にJohn Preskillによって提案された「量子の覇権」という用語の本来の意味は、量子コンピューターが従来のコンピューターではできないことを実行できるポイントを説明することでした。この境界はまだ超えられていません。」

アリババ

中国では、主要なインターネットの巨人はGoogleではなくAlibabaです。そして2015年7月、彼らは中国科学アカデミーと合併して「CAS QuantumComputingLaboratory-Alibaba」を設立しました。 Jianwei Pan教授が説明したように、彼らの目標は「量子コンピューティングの実用化に最も有望と思われるシステムの最先端の研究を実施し、ムーアの法則と古典的コンピューティングのボトルネックを打破すること」です。こちらの研究所のウェブサイトにアクセスできます。



IBMと同様に、Alibabaは実験的な量子コンピューターをオンラインで利用できるようにしました。具体的には、2018年3月、中国の電子ビジネス大手は、11キュービットの量子コンピューターへのアクセスを提供するために「超伝導量子コンピューティングクラウド」を立ち上げました。これは中国科学アカデミーで開発され、ユーザーが量子プログラムを実行して結果をダウンロードできるようにします。

マイクロソフト

ご想像のとおり、マイクロソフトは量子コンピューティングにも関心を持っており、世界のトップクラスの科学者や大学と協力しています。この目的のために、マイクロソフトはカリフォルニア大学のラボなど、いくつかのステーションQラボを設立しました。 2019年2月、同社はすべてのパートナー連合をまとめるためのMicrosoft QuantumNetworkも発表しました。



Microsoftの戦略の重要な要素は、「トポロジカルキュービット」に基づいて量子コンピュータを開発することです。」同社は、エラーが発生しにくいと考えています（したがって、エラーを修正するために必要なシステムリソースが少なくて済みます）。マイクロソフトはまた、トポロジカルキュービットは商用アプリケーション向けにスケーリングしやすいと考えています。 Computer Weeklyの2018年5月の記事によると、MicrosoftのQuantum Computing担当副社長は、商用の量子コンピューターがわずか5年でAzureクラウドプラットフォームに到達する可能性があると考えています。



ソフトウェア側では、2017年12月に、マイクロソフトは、そののプレビューリリースコンピューティング開発ツール。ダウンロードは無料で、Q＃と呼ばれるプログラミング言語が含まれていますと量子コンピューティングシミュレータ。2019年5月、Microsoftは開発者ツールをオープンソース化することを発表しました。そして2020年5月、同社はAzureQuantumクラウドコンピューティングサービスを発表しました。

インテル

Intelは、世界をリードするマイクロプロセッサメーカーとして、量子コンピューティング用のチップにも取り組んでいます。同社は2つの異なるアプローチを採用しています。これらの分野の1つは、オランダを代表する量子コンピューティングのパイオニアであるQuTechと共同で追求されています。 2017年11月17日、Intelは17キュービットのテストチップをオランダのパートナーに納入することを発表しました。その後、2018年1月にCESで、同社はTangleLakeと呼ばれる49キュービットの量子テストプロセッサの納入を発表しました。



インテルの量子コンピューティング研究の第2のラインは完全に社内で行われ、スピンキュービットと呼ばれるテクノロジーに基づいたプロセッサーの作成が含まれます。"。スピンキュービットチップは従来のIntelシリコン製造方法を使用して製造されているため、これは重要な革新です。2018年6月、Intelは26スピンのキュービットチップのテストを開始したと発表しました。







インテルのスピンキュービットは、直径がわずか約50ナノメートル、つまり人間の髪の毛の幅の1/1500です。これは、おそらく10年以内に、Intelが数千または数百万のキュービットを含む小さな量子プロセッサを製造できるようになることを意味します。従来のプロセッサとは異なり、絶対ゼロ近くまで冷却する必要があります。しかし、その可能性は本当にエキサイティングです。セクションによると Intelの量子コンピューティングサイトである同社は、10年間の量子プロセッサの製造を目指しており、この技術が2025年頃に「商業段階」に入ると予想しています。

D-Waveシステム

D-Wave Systemsは、カナダを拠点とする量子コンピューティングのパイオニアであり、2007年に16キュービットの量子コンピューターを実証しました。2011年、同社は128キュービットのD -WaveOneマシンを米国の軍事産業企業であるLockheedMartinに1,000万ドルで販売しました。2013年-NASAとGoogleへの512キュービットD -WaveTwo 。2015年までに、D-WaveはD-Wave 2Xで1,000キュービットの障壁を打ち破り、2017年1月に最初の2,000キュービットのD-Wave2000Qをサイバーセキュリティ会社のTemporalDefenseSystemsに販売しました。



この成果のリストを読んでいると、D-Waveは世界をリードする量子コンピューターのメーカーであるはずだという結論に達したかもしれません。結局のところ、これはそのようなマシンを販売している唯一の会社です。しかし、会社の仕事は物議を醸すままです。これは、彼らの機器が「量子アニーリング」と呼ばれる「断熱」プロセスに基づいているためです。これは、他のパイオニアが「制限的」かつ「行き止まり」として却下したものです。たとえば、IBMは、従来のマイクロプロセッサでトランジスタが電子の流れを制御するのと同様の方法でキュービットを制御できるようにする、量子コンピューティングへの「ゲートベース」のアプローチを採用しています。しかし、D-Waveシステムにはそのような制御はありません。



代わりに、D-Wave量子コンピューターは、すべての物理システムが最小エネルギーの状態に向かう傾向があるという事実を利用しています。したがって、たとえば、お茶を淹れて仕事を辞めた場合、内容物は最小のエネルギー状態になる傾向があるため、戻ったときは寒くなります。 D-Waveシステムのキュービットもこれに影響されやすいため、同社は自社の機器を使用して、「エネルギー最小化問題」と表現できる最適化問題を解決しています。これにより可能性が制限されますが、それでもハードウェアは従来のコンピューターよりもはるかに高速に特定のアルゴリズムを実行できます。D-Waveが量子コンピューティングへのアプローチを説明しているビデオを見ることができます。



2016年8月の記事Physical Review Xの報告によると、一部のアルゴリズムは、シングルコアのクラシックプロセッサよりもD-Wave2Xで最大1億倍高速に実行されます。この研究の著者の1人はGoogleCTOでした。これはすべて、量子コンピューティングの開発におけるD-Waveの価値についての意見が依然として議論の余地があることを示唆しています。



同社は引き続き量子コンピューターを宣伝しています。2018年10月、D-WaveはLeapと呼ばれるクラウドベースの量子アプリケーションフレームワークを立ち上げました。D-Wave 2000Q量子コンピューターへのリアルタイムアクセスを提供し、アクセスは2019年3月に拡張され、この機能を日本とヨーロッパ全体に提供しました。

リゲッティ

量子コンピューティングの分野におけるもう1つのプレーヤーは、Rigettiと呼ばれるスタートアップです。同社はすでに120人以上を雇用しており、Forestと呼ばれる開発環境を通じてオンラインで利用できる19キュービットの量子コンピューターを構築しています。

量子回路

もう一つのスタートアップは、量子回路エール大学の主要な量子コンピューティングの教授、ロバートSchölkopfや他の同僚によって設立され、。同社は1800万ドルのベンチャー資本を調達し、実行可能な量子コンピューターを作成する競争で「コンピューティングの巨人を打ち負かす」ことを計画しています。

IonQ

IonQ-トラップされたイオン量子コンピューティングを専門としています。同社の技術は、「比類のない物理的性能、完璧なキュービットレプリケーション、光接続、高度に最適化されたアルゴリズムを組み合わせて」、「強力であると同時にスケーラブルで、さまざまなアプリケーションをサポートする量子コンピューターを作成する」と主張しています。さまざまな業界で。」量子コンピューティングについて詳しく知りたい場合は、IonQサイトに優れたチュートリアルがあります。

ザナドゥ

Xanaduは、「量子シリコンフォトニックチップを既存のハードウェアに統合して、完全に機能する量子コンピューティングを作成する」ことにより、フォトニック量子コンピューティングを開発しています。同社が指摘しているように、他のキュービットテクノロジーと比較して、「フォトンは非常に安定しており、熱によるランダムノイズの影響をほとんど受けません。フォトニックチップを使用して、非常に高速な計算を可能にする方法でフォトンを生成、制御、および測定します。」

ハニーウェル

Honeywell は、トラップされたイオン量子コンピューティングを使用している別の会社です。同社はビジネスコンピューティングで豊富な経験を持っています。2020年6月、Honeywellは世界最高性能の量子コンピューターを発表しました。残りの企業はこれに懐疑的でした。しかし、それにもかかわらず、これは別の重要な進展です。特に、米国の金融機関であるJPMorgan Chaseが、不正検出やAI制御の取引など、金融サービスアプリケーションを開発するためにこのシステムをすでに実験していることがわかったためです。

アマゾン

Amazonは、量子コンピューティング用のハードウェアまたはソフトウェアの開発を発表していません。しかし、2019年12月2日、巨人は多数の量子AmazonWebサービスを開始しました。これには、科学者、研究者、開発者が複数のハードウェアベンダーの量子コンピューターで実験を開始できるようにするAmazonブラケットが含まれます。具体的には、顧客はRigetti、Ion-Q、およびD-Wave Systemsの機器にアクセスできます。つまり、3つの異なるキュービットテクノロジーに基づくシステムを試すことができます。



ブラケットに加えて、AmazonはAmazon Quantum SolutionsLabも立ち上げました..。これは、企業が一流の専門家と協力できるようにすることで、企業が「量子コンピューティングの準備」を支援するように設計されています。したがって、Amazonがクォンタムコンピューティング製品で行う重要なことは、クラウドブローカーとして機能することです。つまり、量子コンピューターのメーカーとその機能を使いたい人との間の仲介者になることです。

量子コンピュータソフトウェア開発者

最高の装備を備えた量子コンピューターでさえ、適切なソフトウェアなしでは使用できず、これらのマシンのメーカーの多くは独自に開発しています。それにもかかわらず、量子コンピューター用のサードパーティソフトウェアの数は絶えず増加しています。

1Qビット

1QBitは、大企業および「最適化、シミュレーション、および機械学習における業界の課題に対処するための主要なハードウェアベンダー」と提携しています。同社は、クラシックプロセッサと量子プロセッサの両方のソフトウェアを開発しています。

CQC

Cambridge Quantum Computingは、量子化学、量子機械学習、量子サイバーセキュリティなどの分野で「最も興味深い問題」を解決するための量子コンピューティングソフトウェアを開発しています。クライアントには、量子コンピューティングの力を利用しようとしている「世界最大の化学、エネルギー、金融、材料科学組織のいくつか」の企業が含まれます。

QCウェア

QC Wareは、Airbus、BMW、Goldman Sachsなどのクライアント、およびAWS、D-Wave Systems、Google、IBM、Microsoft、Rigettiなどのハードウェアパートナーと「エンタープライズ量子コンピューティングソフトウェアおよびサービス」を開発しています。

QSimulate

QSimulateは、「定量的モデリングの力を利用して、差し迫った製薬および化学の問題を解決する」ソフトウェアを開発しています。

ラーコ

Rahkoは、量子機械学習（quantum AI）を使用して量子化学の問題を解決するように設計されたソフトウェアを作成します。

ザパタ

Zapataはクライアントと協力して、化学、金融、ロジスティクス、製薬、機械工学、材料などの分野で複雑なコンピューティングの問題を解決するための量子コンピューターソフトウェアを開発しています。

量子コンピューティングアプリケーションには、分子モデリング（量子化学とも呼ばれます）、ロジスティクス最適化、財務モデリング、暗号化、および人工知能トレーニングが含まれます。一部の大企業は、量子マシンが研究開発、製品とサービス、および収益のために何ができるかをすでに積極的に調査しています。いくつか例を挙げましょう。







Daimlerは、IBMとGoogleの両方と協力して、量子コンピューターをロジスティクスで使用して、車両の配送ルートや工場を通る部品の流れを最適化する方法を調査しています。同社はまた、量子コンピューターを使用してバッテリー内の化学構造と反応をモデル化し、電気自動車の改善に役立てる方法を模索しています。



もう1つの自動車大手であるフォルクスワーゲンは、GoogleおよびD-Wave Systemsと協力して、量子コンピューターを適用してトラフィック最適化の問題を解決し、より優れたバッテリーを開発しています。



金融セクターでは、JPMorganはIBMと協力して、量子コンピューターが取引戦略、ポートフォリオの最適化、資産価格設定、およびリスク分析の設計にどのように役立つかを研究しています。別の金融コングロマリットであるバークレイズは、IBM Qネットワークに参加して、大量の金融取引の計算を最適化するために量子コンピューターを使用できるかどうかを確認しています。



2011年、航空宇宙の巨人ロッキードマーティンD-Wave Systemsによって製造された量子コンピューターの最初の購入者になり、航空交通管制やシステム検証などのアプリケーションにこのテクノロジーを使用する可能性を模索し続けています。Airbusも同様に、量子コンピューターが研究活動を加速する方法を模索しており、量子マシンのソフトウェア会社であるQCWareに投資しています。



一方、AccentureLabsとバイオテクノロジー企業Biogenは1QBitと協力して、分子比較に量子コンピューターを使用することで薬物発見を加速する方法を探っています。2017年9月、IBMは7キュービットのハードウェアを使用して、三原子の水素化ベリリウム分子の構造をモデル化しました。2017年10月、GoogleとRigettiは、量子コンピューターで化学プロセスをシミュレートするプログラムであるOpenFermionも発表しました。

量子の未来

この記事で、量子コンピューティングがファンタジーから現実に非常に迅速に移行する方法が示されたことを願っています。1920年代には、量子スーパーコンピューターがクラウドから利用可能になり、実用的なアプリケーションが低コストで見つかると考えるのが妥当です。10年以内に、主流のインターネット検索およびクラウドAIサービスが、ほとんどのユーザーが気付かないうちに量子マシンの能力を活用する可能性があります。



詳細を知りたい方のために、ここにいくつかの選択された情報源があります。

• Kevin Hartnett、The Dawn of Quantum Computing、Quanta Magazine、2019年6月18日
• Masoud Mohseni2017の記事「初期の量子技術の商業化」
• JohnPreskillによる記事「NISQ時代以降の量子コンピューティング」2018年
• IonQテクノロジーのウェブサイト
• 量子アニーリングを説明するD-Waveシステムのビデオ
• IBM-QのWebサイト
• マイクロソフトクォンタムコンピューティングサイト
• Google QuantumAIのWebサイト
• インテルクォンタムコンピューティングニュースブログ
• D-WaveSystemsのWebサイト
• QuantumCircuitsのWebサイト
• HQS QuantumSimulationsのWebサイト

本「でデジタルジェネシスクリストファーBarnatt、この記事とexplainingcomputers.comの著者による」あなたは、量子コンピューティングとはるかなどの有機コンピュータなどの将来のコンピューティングの発展に関連について読むことができます。