クラシックコンピューターに量子コンピューターの特性をもたらす科学者

リンコーピング大学（Linköping University）の科学者グループは、量子コンピューターの動作を実証し、クラシックコンピューターでその特性をシミュレートすることができました。

「私たちの結果は、量子コンピューターの構築方法を決定する上で非常に重要であるはずです」と、Jan-Åke Larsson教授は述べています。

スウェーデン、ヨーロッパ、その他の世界の地域は、超高速の強力な量子コンピューターを作成するために、多大な資源を投資し、研究に焦点を当てています。10年以内に、スウェーデンの量子コンピューターが構築されることが予想されており、EUは量子テクノロジーを主要プロジェクトの1つとして位置付けしています。

現在、量子コンピューターで使用できる有用なアルゴリズムはわずかです。ただし、この種のテクノロジーは、生物学的、化学的、物理学的なシステムのシミュレーションにおいて極めて重要になります。多くのこれらのシステムは、現在の最も強力なコンピューターでも処理することができません。コンピューターでは、ビットは1または0の値を取りますが、量子ビットは1と0の間のすべての値を取ります。これは、量子コンピューターが各計算で多くの操作を実行する必要がないことを意味します。

Jan-Åke Larsson教授と彼の博士課程の学生Niklas Johanssonは、情報符号理論部門（Division for Information Coding at the Department of Electrical Engineering）、リンコーピング大学から、量子コンピューターがクラシックコンピューターよりも強力な理由を多く発見しました。彼らはまた、量子コンピューター内部で何が起こっているかを調査しました。

研究の結果は、科学雑誌Entropy.に掲載されています。

「私たちは、量子コンピューターの大きな違いは、各ビットに2つの自由度があることであることを示しました。クラシックコンピューターで追加の自由度をシミュレートすることで、量子コンピューターと同じ速度で一部のアルゴリズムを実行できます」と、Jan-Åke Larssonは述べています。

チームは、量子シミュレーションロジック（Quantum Simulation Logic）と呼ばれるシミュレーションツールを作成しました。これにより、クラシックコンピューターで量子コンピューターの動作をシミュレートできます。量子シミュレーションロジックには、量子コンピューターにしかない特性があります。つまり、各ビットに1つ追加の自由度があります。

「したがって、各ビットには2つの自由度があります。これは、位置と速度の2つの自由度を持つ機械システムに相当します。ここでは、計算結果に関する情報を保持するコンピューテーションビットと、関数の構造に関する情報を保持する位相ビットを扱います」と、Jan-Åke Larssonは説明しています。

QSLツールは、チームによって、関数の構造を管理する責任がある一部の量子アルゴリズムを研究するために使用されています。多くのアルゴリズムは、シミュレーションで量子コンピューターと同じ速度で実行できます。

「結果は、量子コンピューターの高速性は、情報を1つの追加の情報保持自由度で保存、処理、取得できる能力から生じることを示しています。これにより、量子コンピューターの動作をよりよく理解できます。また、この知識は、量子コンピューターの構築を容易にするはずです。なぜなら、量子コンピューターが期待どおりに動作するために最も重要な特性が何であるかを知っているからです」と、Jan-Åke Larssonは述べています。

チームは、電子コンポーネントを使用した物理的なバージョンも構築しました。量子コンピューターに似たゲートを使用し、ツールキットは量子コンピューターの動作をシミュレートします。これにより、学生や他の人々が量子暗号化や量子テレポーテーションなどの量子コンピューターの側面をシミュレートし、理解することができます。

この新しい研究は、量子コンピューティングと人工知能の間のクロスオーバーを増加させることができます。1つのクロスオーバーは、特徴マッピングです。IBM Research、MIT、オックスフォード大学の科学者による他の研究では、量子コンピューターがより強力になると、クラシックコンピューターでは実行できない、高度な複雑なデータ構造の特徴マッピングを実行できることが示されています。特徴マッピングは、機械学習において重要であり、クラシックコンピューターが検出できないデータ内のパターンを識別できる、より効果的なAIにつながる可能性があります。

これらの分野での研究がさらに進むにつれて、2つの重要な分野の間でクロスオーバーが増加することになります。