量子 技術

量子情報技術 (QIT) は、量子力学を活用して情報を革新的な方法で操作し、古典的な技術を大幅に上回る改善をもたらす急速に進展している分野です。QITは、重ね合わせや量子もつれといった量子現象を利用して、情報ストレージ、処理、伝送、セキュリティの課題を克服します。QITの分野は、量子コンピューティング、量子センシング、量子通信など、量子システムを活用する幅広いアプリケーションを網羅しています。

私たちは、量子力学によって実現される情報技術 (IT) 革命の瀬戸際にいます。それを達成するには、量子領域の特性を制御しようとすることに内在する課題に対処するための共同研究が必要です。あらゆるブレークスルーが量子特性の理解を深め、量子超越性と商業的に実現可能なアプリケーションの達成に近づく新しいアーキテクチャとイノベーションにつながります。

キュービット

量子ビット、すなわちキュービットは、QITの構成要素です。これらは量子情報の最も基本的な単位です。古典的なデータビットは、0と1で表される2つの状態で存在します。それらは多くの形態をとり、膨大な数の機能を実行できますが、ビットは常に0状態または1状態のいずれかである必要があります。

球体を想像すると、その表面はキュービットの可能なすべての状態を表します。古典的なビットは、球体の極にのみ位置する点のようなもので、0または1の状態に固定されています。キュービットは球体の表面上の任意の点を占めることができ、無限の数の可能な状態を表します。この自由度により、キュービットは古典的なビットよりも指数関数的に多くの情報を符号化および処理できます。

キュービットは、重ね合わせともつれによってこれを実現します。重ね合わせは、その驚くべき柔軟性と能力を提供します。もつれは、一方のキュービットの状態が、それらの間の距離に関係なく、もう一方のキュービットに瞬時に影響を与えるように、キュービットが相関することを可能にします。これらのユニークな特性は、古典的なビットの制約を打ち破り、キュービットが豊かで複雑な状態空間に存在することを可能にします。これらは、計算、通信、暗号化における有意義な進歩を約束する方法で量子情報を符号化および処理できます。

重ね合わせ

球体の類推に戻ると、重ね合わせにより、キュービットは0と1の状態の間で同時に情報を伝達できます。古典物理学では、物体は任意の時点で明確な特性を持ちます。しかし、量子物理学では、電子、光子、原子などの粒子は、重ね合わせとして知られる複数の状態の組み合わせで同時に存在できます。

シュレーディンガーの猫は、未崩壊および崩壊した放射性原子核の量子重ね合わせが、巨視的なレベルでの重ね合わせにどのように影響するかを記述する、よく知られた思考実験です。この恐ろしいシナリオでは、科学者が猫を箱に入れ、毒薬の入ったバイアルを制御する放射性メカニズムを設置します。毒薬が放出される瞬間は不明であるため、箱を開けてその運命を観察するまで、猫は生と死の両方の状態にあります。

量子力学はシュレーディンガーの猫の運命を予測することはできません。その代わりに、多数の同一の実験において、箱を開けたときに猫がどの状態にあるかという確率を提供します。

重ね合わせは、量子ビット (キュービット) が複数の状態を同時に表現することで、非常に複雑な機能を実行することを可能にするものです。球体の類推に戻ると、重ね合わせ状態は振幅を持ち、キュービットが0と1の状態の間で同時に情報を伝達することを可能にします。キュービットの数が増加するにつれて、利用可能な確率振幅の数は指数関数的に増加します。この特性こそが、量子技術に、古典的な対応物と比較して計算タスクの速度を劇的に加速する可能性を与えるものです。

量子もつれ

もつれは、量子情報処理を活用するための鍵です。量子もつれは、2つ以上の粒子の状態が相関し、一方の粒子の状態が、それらの間の距離に関係なく、瞬時にもう一方の粒子の状態に影響を与えるときに発生します。

この相関は、もつれた粒子がたとえ長距離にわたって分離しても持続します。エンタングルメントがなければ、各キュービットは球上で独立して存在し、それぞれが独自の可能な状態を持つ世界にいます。しかし、キュービットがエンタングルメント状態になると、その位置は複雑に連動し、個々では到達できない広範な状態を探求できるようになります。

球面上でのもつれた量子ビットの座標運動は、重ね合わせによって可能になる柔軟性を最大化します。もし一方のもつれた量子ビットに対して測定を行い、それを特定の状態に収縮させると、球上のどこに位置していようと、もう一方の量子ビットの状態も瞬時に決定されます。もつれは、量子ビットがその集合的な量子特性を活用し、高効率な計算、安全な通信、そして新しい暗号プロトコルの可能性を解き放つことを可能にします。

このグラフは、2人の観測者、アリスとボブが、もつれた状態を共有していることを示しています。

量子デコヒーレンス

以前に説明した特性により、キュービットは古典ビットよりもはるかに高い計算能力を持つことができますが、量子コンピュータにとって大きな課題となるのは、量子デコヒーレンスと呼ばれる現象です。

量子デコヒーレンスは、システムが空気、熱放射、非破壊測定装置などの環境内の要素と相互作用する際に発生します。デコヒーレンスを理解するには、まず量子コヒーレンスを理解する必要があります。最も単純な形では、コヒーレンスとは、量子システム内の異なる可能な状態間の関係の尺度を指します。この情報は、量子コンピュータが機能するために不可欠です。隔離はコヒーレンスを維持します。

量子デコヒーレンスは、システムがその内部および外部環境と相互作用するときに発生します。このとき、システムの持つ情報と環境情報が混ざり合い、量子システムの信号を環境ノイズから区別することが困難になります。量子ビットの状態は不安定であり、さまざまな環境要因が科学的測定におけるノイズと同様に、未知の方法で量子ビットの状態に影響を与える可能性があります。迷光子や温度の変動は、量子ビットのエネルギーシフトを引き起こす可能性があります。その結果、状態は崩壊に近づきます。

量子干渉

環境要因の影響に加えて、もつれたシステム内の量子ビットは他の量子ビットの状態に影響を与える可能性があります。量子干渉は、量子ビットが取りうる異なる状態の確率振幅が互いに干渉し、建設的または破壊的な干渉効果を引き起こすときに発生します。各軌跡は、量子ビットに適用される異なる操作のシーケンスに対応します。

建設的干渉は、軌道の確率振幅が一致して互いに強め合い、特定の状態にあるキュービットを見つける可能性を高めるときに発生します。破壊的干渉は、軌道の確率振幅が互いに打ち消し合い、特定の状態にあるキュービットを見つける確率を減少させるときに発生します。

量子干渉は量子情報処理において極めて重要な役割を果たします。キュービットの量子状態を操作し、干渉効果を制御することで、量子アルゴリズムは干渉を利用して計算効率を向上させ、古典システムでは解決不可能と見なされる問題を解決することができます。

量子誤り訂正

量子デコヒーレンスとシステムノイズに対処するため、量子コンピュータはエンタングルメントと干渉を利用してエラー訂正を支援します。古典的な誤り訂正は扱いやすいです。ビットは0または1にしかなり得ず、エラーはビット反転のみです。これに対処するため、古典コンピュータはビットを冗長に符号化します。0または1を表すのに1ビットを使用する代わりに、000や111のように複数のビットを使用します。エラーは010のように見えるかもしれませんが、これは0を意味し、中央のビットにエラーがあったと仮定できます。古典ビットにおけるビット反転は稀であるため、これも機能します。

キュービットは異なります。その状態は期待値から逸脱する可能性がありますが、観測によって生じる測定崩壊のため、その変化を観測することはできません。これに対処する方法は、キュービットを冗長に符号化し、他の補助キュービットとエンタングル状態に置くという点で、古典ビットに似ています。エンタングル状態では、各キュービットの状態は他のキュービットの状態と関連付けられます。このようにして、補助キュービットから情報を抽出し、計算キュービットの状態変化を推測して訂正することができます。