量子力学がテクノロジー業界を変える

リチャード・ファインマンは、「量子力学を理解しているつもりなら、実際には理解していない」と言ったことがある。そうは言っても、試みること自体が間違っているわけではない。私たちが持つ探究心がなければ、どこにいるのかわからない。

未知の力について理解するために、量子物理学の背後にある2つの重要な概念を解明しよう。これはかなり抽象的だが、良いニュースは、ノーベル賞を受賞した理論物理学者である必要はないということだ。何が起こっているのかを見てみよう。

基礎を築く

一つの簡単な思考実験から始める。オーストリアの物理学者エルヴィン・シュレーディンガーは、密封された箱の中に猫を想像するように求める。ここまでは問題ない。次に、箱の中に致死性物質を入れた小瓶を置く。猫はどうなったのか？確実にわからない。観測されるまで、つまり箱を開けるまで、猫は死んでいるか生きているか、または科学的には状態の重ね合わせにある。 この有名な思考実験は、シュレーディンガーの猫のパラドックスとして知られており、量子力学の2つの主要な現象の1つを完璧に説明している。

重ね合わせは、愛らしい猫のように、粒子が観測されるまですべての可能な状態にあることを示唆する。「観測」すると、粒子の量子特性が破壊され、量子力学の規則に従う。

次に、物事はよりトリッキーになるが、気を落とす必要はない。アインシュタインですらこの考えに驚かされた。自分で「遠隔での不気味な作用」と表現した、粒子のペア間のつながり、つまり、物理的相互作用によって生じる共有状態（または、重ね合わせの場合、状態の欠如）を記述するものが、量子力学のもう一つの重要な概念である量子もつれである。

量子もつれは、1つの量子もつれ粒子の状態の変化が、他の粒子の予測可能な反応を即座に引き起こすことを示唆する。例として、2つの量子もつれのコインを空中に投げる。次に、結果を観測する。最初のコインが表に着地した場合、2番目のコインの観測結果は裏になる。言い換えれば、観測されたとき、量子もつれ粒子は互いの測定結果を相殺する。心配する必要はない。量子もつれはまだ一般的ではない。まだではないが。

英雄となる可能性

「これらの知識が使えなければ意味がない」と思うかもしれない。どんな質問でも、量子コンピューターには答えがある。デジタルコンピューターでは、処理能力を高めるためにビットを増やす必要がある。したがって、処理能力を2倍にするには、ビットの数を2倍にするだけだ。これは、量子コンピューターではまったく同じではない。

量子コンピューターは、量子情報の基本単位であるキュービットを使用して、世界で最も強力なスーパーコンピューターを上回る処理能力を提供する。どうやって？重ね合わせされたキュービットは、同時に複数の潜在的な結果（または状態）を処理できる。対照的に、デジタルコンピューターは一度に1つの計算しか実行できない。さらに、量子もつれによって、量子コンピューターの力を指数関数的に増幅できる。特に、デジタルマシンの伝統的なビットの効率性と比較した場合にそうだ。スケールを視覚化するために、各キュービットが提供する処理能力の量を考えてみて、それを2倍にするとどうなるか。

完璧なものはない

しかし、落とし穴がある。最も小さな振動や温度変化、科学者が「ノイズ」と呼ぶものは、量子特性を崩壊させ、最終的には完全に破壊する可能性がある。リアルタイムでこれを観測することはできないが、体験するのは計算エラーだ。量子特性の崩壊は、量子力学に依存するテクノロジーで最も大きな障害の1つである減衰と呼ばれる。
理想的なシナリオでは、量子プロセッサは完全に周囲から隔離されている。これを行うために、科学者は、クライオジェニック冷凍機と呼ばれる特別な冷蔵庫を使用する。これらのクライオジェニック冷凍機は、星間空間よりも冷たい。つまり、量子プロセッサはほぼゼロの抵抗で電気を伝導できる。超伝導状態と呼ばれるもので、量子コンピューターを非常に効率的にする。結果として、量子プロセッサはデジタルプロセッサが使用するエネルギーの小さな部分しか必要とせず、デジタルプロセッサよりもはるかに多くの電力を生成し、かなり少ない熱を発生させる。理想的なシナリオではそうだ。

新しい可能性の世界

天気予報、金融および分子モデリング、素粒子物理学… 量子計算の応用可能性は、巨大で豊かである。

しかし、最も魅力的な可能性の1つは、量子人工知能の可能性である。これは、量子システムが多数の選択肢の確率を計算する能力が優れているため、今日の市場では見られない、継続的なフィードバックをインテリジェントなソフトウェアに提供する能力があるからだ。推定される影響は、自動車業界のAIから医療研究まで、業界や分野を超えて計り知れない。ロックヘッド・マーティンは、米国の航空宇宙企業が、量子コンピューターを使用して自動操縦ソフトウェアのテストを行っている最初の企業の1つだった。メモを取っておこう。

量子力学の原理は、サイバーセキュリティの問題にも適用される。RSA（リバース・シャミール・アドレマン）暗号化は、世界で最も広く使用されているデータ暗号化方法の1つで、非常に大きな素数の因数分解の困難性に依存している。伝統的なコンピューターは多要素問題を解くのにあまり効果的ではないが、量子コンピューターは同時に多数の結果を計算できるため、これらの暗号化を簡単に破壊できる。

理論的には、量子鍵配送は、重ね合わせに基づく暗号化システムを使用してこれに対処する。機密情報を友達に伝えることを想像してみよう。友達に送るために、キュービットを使用して暗号化キーを作成する。暗号化されたキュービットが光ファイバーケーブルで受信者に送信される。暗号化されたキュービットが第三者によって観測された場合、友達とあなたは予期せぬエラーによって通知される。ただし、QKDの利点を最大化するには、暗号化キーが常に量子特性を維持する必要がある。簡単に言うが難しい。

食事のために

これはまだ終わりではない。世界中の最も優れた頭脳が、量子もつれを量子通信の手段として利用しようとしている。中国の研究者は、Micius衛星を通じて、745マイルの距離を量子もつれのフォトンを送信することに成功した。良いニュースだ。悪いニュースは、1秒間に送信される600万の量子もつれフォトンのうち、1つのペアだけが旅を生き延びた（減衰のせいだ）。しかし、これは将来使用する可能性のある量子ネットワークのインフラを概説する、驚異的な業績である。

量子レースでは、オランダのデルフト工科大学にあるQuTechという研究センターが、最近の大きなブレークスルーを達成した。彼らの量子システムは、絶対零度（-273度）より1度以上高い温度で動作する。

これらの成果は、あなたや私にとっては無視できるかもしれないが、真実は、試みる度に、このような画期的な研究が、明日のテクノロジーに一歩近づいているということだ。ただ一つのことは変わらない。それは、量子力学の力を効果的に利用することができた者が、世界の他の部分に対して優位性を得るという、明白な現実性だ。彼らはそれをどう使うと思うか？