Q-Day へのカウントダウン - パート 1 投稿者 @apruden08 量子コンピューティングは、科学によってこれまでに作成された最も正確な物理理論である量子力学を活用しています。物理学者のリチャード・ファインマンが 1981 年に初めてこの概念を提案して以来、量子コンピューターは理論から現実へと移行し、現在では複数の機能プロトタイプが利用可能です。 最小のスケールでの彼らの実現は理論的な勝利でした。ただし、これらの第 1 世代のマシンは、消費者グレードの古典的なハードウェアと比べると初歩的です。量子コンピューターが関連性を持たせるためには、拡張する必要があります。私たちはそれらを「コンピューター」と呼んでいますが、量子コンピューターは、これを読むために使用している古典的なマシンとは根本的に異なります。量子力学の核となる教義、特に量子力学が古典的な計算概念とどのように異なるかを理解することは、量子コンピューターの潜在的な力と量子コンピューターを構築する際の課題を理解するために重要です。 この投稿は、量子コンピューティングの基礎的な理解と、暗号的に関連性の高い量子コンピューターのタイムラインを推定するための方法論を提供する 5 部構成のシリーズの第 1 回です。この基盤は、最終的に、Q-Day のタイムラインを現実的に評価し、どれくらいの期間準備する必要があるかを理解するためのフレームワークを提供します。 古典コンピューティングと量子コンピューティングの根本的な違い 古典的なコンピューターは比較的単純な論理概念に基づいて動作しますが、量子コンピューターは情報に関する私たちの日常の直感に挑戦する量子力学の原理に依存しています。重ね合わせ、もつれ、干渉、クローンなしの定理などの概念により、量子コンピューターは従来のコンピューターとは根本的に異なる特性を得るため、機能と制限も異なります。 量子コンピューターを本質的に定義する量子力学の重要な側面をいくつか紹介します。 重ね合わせ - 量子力学では、粒子は古典的なビットのように明確な状態を占めません。代わりに、それらは、波動関数によって記述される重ね合わせ、または可能な状態の線形結合で存在します。この波動関数は、記述しているシステムの考えられるすべての状態をエンコードします。 具体的には、古典的なビットは 0 または 1 のいずれかを明確に表しますが、量子ビットは両方を同時に重ね合わせることができます。測定時に得られる結果は、波動関数から導き出された確率分布に依存します。言い換えれば、重ね合わせにより、量子ビットは古典的なビットよりもはるかに豊富な状態空間をエンコードできるため、量子コンピューティングに指数関数的な可能性が与えられます。 この点は、量子コンピューターを構築する際の大きな課題の1つを理解する上で非常に重要です。古典的なコンピューティングでは、測定は受動的であり、メモリを読んでも記憶は変更されません。しかし、量子力学では、システムを測定する行為は、重ね合わせを一定の状態に崩壊させます。量子コンピューターから有意義な利点を得るには、その重ね合わせを適切な瞬間まで注意深く保存する必要があります。 もつれ - 量子力学では、粒子はもつれ、粒子の状態が単一のシステムとして記述されるようにリンクされることを意味します。距離が離れていても、一方の粒子の測定結果は、他方の粒子の状態と相関します(またはそれによって決定されます)。 言い換えれば、もつれは複数の粒子にまたがる特殊な種類の重ね合わせです。これは、量子コンピューターを指数関数的に拡張できるようにする重要な機能の 1 つですが、時間や距離の経過とともに維持するのが最も脆弱な機能の 1 つでもあります。 干渉 – 量子確率と古典確率の主な違いの 1 つは、干渉の概念にあります。古典的なシステムでは、確率は単に加算されます(たとえば、2つのコインを投げると、各結果に25%の確率が与えられます)。しかし、量子力学では、振幅(波動関数の成分)は測定前に互いに干渉する可能性があります。これらの振幅は、相対位相に応じて、強化(建設的干渉)または相殺(破壊的干渉)することができます。 量子コンピューターは、この現象を利用して、計算を正しい答えに向けて「誘導」することができます。量子アルゴリズムは、すべてのパスを並行して探索するのではなく、間違った答えが破壊的に干渉して相殺される一方で、正しい答えにつながる望ましいパスが建設的に干渉して最終結果を支配するように設計されています。 正しい結果を増幅し、間違った結果を抑制するこの機能がなければ、量子コンピューティングは従来のランダム化されたアプローチよりも利点を提供できません。 ノンクローニング定理 - 読み出しはシステムに直接的な影響を与えるため、重ね合わせを一定の状態に崩壊させるため、量子状態を「コピー」することは不可能です。これがクローン作成なしの定理です。 ...