近年、量子コンピューティングの分野は急速な成長を遂げており、技術的進歩と大規模な投資が定期的にニュースとなっている。
国際連合は2025年を国際量子科学技術年に指定している。
その賭け金は高い – 量子コンピュータを持つということは、現在と比べて途方もないデータ処理能力にアクセスできることを意味する。これは通常のコンピュータに取って代わるものではないが、このような素晴らしいコンピューティングパワーを持つことで、医学、化学、材料科学、その他の分野で進歩をもたらすことになる。
したがって、量子コンピューティングが急速にグローバルな競争となっているのは驚くべきことではなく、世界中の民間企業や政府が世界初の本格的な量子コンピュータの構築を急いでいる。これを実現するには、まず安定的で拡張可能な量子プロセッサー、つまりチップを持つ必要がある。
量子チップとは何か？
ノートパソコンのような日常的なコンピュータは、古典的なコンピュータである。これらは情報をバイナリ数またはビットの形で保存・処理する。1つのビットは0か1のいずれかを表すことができる。
対照的に、量子チップの基本単位は量子ビット（キュービット）である。量子チップは多くの量子ビットで構成されている。これらは通常、電子や光子などの素粒子で、特別に設計された電場と磁場（制御信号として知られる）によって制御・操作される。
ビットとは異なり、量子ビットは0、1、またはその両方の組み合わせ（「重ね合わせ状態」としても知られる）の状態に置くことができる。このユニークな特性により、量子プロセッサーは最も強力な古典的コンピュータよりも指数関数的に速く、極めて大きなデータセットを保存・処理できる。
量子ビットを作る方法には様々なものがある – 超伝導デバイス、半導体、フォトニクス（光）、その他のアプローチを使用できる。各方法にはそれぞれの利点と欠点がある。
IBM、Google、QueRaなどの企業は、すべて2030年までに量子プロセッサーを大幅にスケールアップするロードマップを持っている。
半導体を使用する業界プレーヤーには、IntelやDiraq、SQCなどのオーストラリアの企業がある。主要な光量子コンピュータ開発企業にはPsiQuantumとXanaduが含まれる。
量子ビット：品質対数量
量子チップが持つ量子ビットの数は、実際には量子ビットの品質ほど重要ではない。
品質の低い数千の量子ビットで構成される量子チップは、有用な計算タスクを実行することができない。
では、高品質な量子ビットとは何か？
量子ビットは、エラーやノイズとしても知られる望ましくない外乱に非常に敏感である。このノイズは、製造プロセスの不完全さ、制御信号の問題、温度変化、あるいは単に量子ビットの環境との相互作用など、多くの源から生じる可能性がある。
エラーを起こしやすいことは、量子ビットの信頼性（フィデリティ）を低下させる。量子チップが複雑な計算タスクを実行するのに十分な時間安定を保つためには、高フィデリティの量子ビットが必要である。
研究者が異なる量子チップの性能を比較する際、量子ビットのフィデリティは重要なパラメータの1つである。
エラーをどのように修正するのか？
幸運なことに、完璧な量子ビットを構築する必要はない。
過去30年間、研究者たちは多くの不完全な、あるいは低フィデリティの量子ビットを使用して抽象的な「論理量子ビット」をエンコードする理論的な技術を設計してきた。論理量子ビットはエラーから保護され、したがって非常に高いフィデリティを持つ。有用な量子プロセッサーは多くの論理量子ビットに基づくことになる。
ほぼすべての主要な量子チップ開発者は現在、これらの理論を実践に移し、量子ビットから論理量子ビットへと焦点を移している。
2024年には、Google、QueRa、IBM、CSIROを含む多くの量子コンピューティング研究者と企業が、量子エラー修正において大きな進歩を遂げた。
100以上の量子ビットを持つ量子チップはすでに利用可能である。これらは世界中の多くの研究者によって、現世代の量子コンピュータがどれほど優れているか、そして将来の世代でどのように改善できるかを評価するために使用されている。
現在のところ、開発者は単一の論理量子ビットしか作成していない。複数の論理量子ビットを一つの量子チップに組み込んで、一貫して動作し、複雑な実世界の問題を解決できるようにするには、おそらく数年かかるだろう。
量子コンピュータは何に役立つのか？
完全に機能する量子プロセッサーは、極めて複雑な問題を解決することができる。これは、研究、技術、経済の多くの分野で革命的な影響をもたらす可能性がある。
量子コンピュータは、臨床試験データや遺伝学において、現在のコンピュータでは処理能力が不足している新しい関連性を見つけることで、新薬の発見や医学研究の進歩を助けることができる。
また、銀行業務、軍事目標設定、自動運転車など、人工知能アルゴリズムを使用する様々なシステムの安全性を大幅に向上させることもできる。
これらすべてを実現するには、まず量子優位性として知られるマイルストーンに到達する必要がある – これは、量子プロセッサーが古典的なコンピュータでは非現実的な時間がかかる問題を解決することである。
昨年末、GoogleのWillowという量子チップは、人為的なタスクにおいて量子優位性を実証した – これは、量子プロセッサーの独特な動作方法により、古典的スーパーコンピュータには困難だが量子プロセッサーには容易な計算問題として設計されたものである。
有用な実世界の問題を解決したわけではないが、それでも何年もの研究開発を要した注目すべき成果であり、正しい方向への重要な一歩である。結局のところ、走るためには、まず歩くことを学ばなければならない。
2025年以降の展望は？
今後数年間、量子チップは引き続きスケールアップしていく。重要なことは、次世代の量子プロセッサーは論理量子ビットに支えられ、ますます有用なタスクに取り組むことができるようになることである。
量子ハードウェア（つまりプロセッサー）は急速なペースで進歩してきたが、量子ソフトウェアとアルゴリズムの分野でも膨大な量の研究開発が行われていることを見過ごすことはできない。
通常のコンピュータ上での量子シミュレーションを使用して、研究者たちは様々な量子アルゴリズムを開発・テストしてきた。これにより、量子ハードウェアが追いついたときに、量子コンピューティングは有用なアプリケーションの準備が整うことになる。
本格的な量子コンピュータの構築は困難な課題である。チップ上の量子ビット数の拡大、量子ビットのフィデリティの向上、より良いエラー修正、量子ソフトウェア、量子アルゴリズム、そして量子コンピューティングの他のいくつかのサブフィールドなど、多くの分野での同時進歩が必要となる。
数年間の注目すべき基礎的な研究の後、2025年にはこれらすべての分野で新たなブレークスルーがもたらされると期待できる。
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