量子コンピューティングについて知っておくべき12のこと

多くの人にとって、量子コンピューティングは、数十年にわたる高額な研究にもかかわらず、大きな可能性を秘めているものの実証可能なメリットがない核融合技術と類似しているように思われる。

しかし、誇大宣伝や理論を超えて、製造業者が主要なビジネス課題をより迅速かつ安価に解決するための現実的な機会が数多く存在し、量子コンピューティングが特定の暗号化方式にもたらす脅威を認識することが重要です。

1. なぜ量子コンピューティングが必要なのでしょうか?

現代社会を特徴づけるコンピューティング能力の大幅な向上にもかかわらず、従来のコンピューターではうまく処理できないタスクがまだいくつかあります。例えば、室温超伝導体の開発は世界のエネルギー問題の解決に役立つだろうが、古典的なコンピューターでは多くの絡み合った粒子を持つ量子システムをシミュレートできないため、研究は妨げられてきた。

従来のコンピューターでは大きな分子を正確にシミュレートできないため、医学研究も影響を受けています。最適化および機械学習アルゴリズムは、計算リソースの制約によって制限されることがあります。量子コンピュータの計算パラダイムは根本的に異なるため、将来的にはこれらの困難な問題のいくつかを解決すると考えられています。

2. 量子コンピューティングは私の業界にどのような影響を与えますか?

今日のノイズの多い中規模量子 (NISQ) デバイスにはせいぜい数百の量子ビットしかなく、エラーが極めて発生しやすい状態です。現在の NISQ 時代では、量子コンピュータが古典コンピュータによって「トレーニング」される変分量子アルゴリズム (VQA) が、幅広い機能に使用される可能性があります。

• 最適化: 通信ネットワークの最適な構成の検出、ラストマイル配送の最適な車両ルートの特定、サプライ チェーンと工場プロセスの最適化など、さまざまな現実世界の問題を解決します。
• 機械学習: 特に製造上の欠陥を見つけるための異常検出に使用されます。
• 計算流体力学: 車両の周囲の流体の流れを計算し、空気力学的特性を高めます。

現代研究の「聖杯」は、原理的にはあらゆる量子アルゴリズムを実行でき、太陽電池、バッテリー、さらには室温超伝導体のための新素材の発見を通じて気候変動の課題に革命を起こすなど、多くの社会的なプラスの影響を与える、大規模で汎用的なエラー訂正量子コンピュータを構築することです。

3. 短期的にはどの業界が最も恩恵を受けるでしょうか?

複雑なサプライ チェーンを持つ複数の業界は、従来の方法よりも優れた最適化機能の恩恵を受けることになります。これは、迅速かつ大きな利益をもたらす最初の商用ユース ケースとなる可能性があります。たとえば、量子コンピュータは次世代バッテリーの開発に使用されており、航空宇宙産業は量子流体力学シミュレーションによって実現されるデジタルツインの恩恵を受けるでしょう。

4. 量子はどのようにして経済的機会につながるのでしょうか?

多くの企業が量子化学、流体力学、機械学習、最適化の向上から恩恵を受けるでしょう。これらの企業は、量子コンピュータや量子コンピュータへのクラウド アクセスだけでなく、完全な製品を購入する必要があります。量子コンピューティング、量子ソフトウェア、量子アルゴリズムを使用する権利に適した問題を理解するために、コンサルティング サービスを購入する必要がある場合があります。

量子コンピュータメーカーは、希釈冷凍機、レーザー、半導体ナノ構造の設計と製造、マイクロ波発生器など、必要なサプライチェーンのコンポーネントを自ら調達する必要があり、科学的研究に頼る必要があります。これらすべての取引は経済的機会を提供し、量子エコシステムを構築します。

5. 量子コンピュータとは何ですか?

量子コンピューターは、日常生活では目にすることのない、小さなスケールでのみ関係する量子効果に依存しています。たとえば、通常のエッグタイマーは最初は砂がいっぱいで、砂が取り除かれるにつれて徐々に空になります。原子スケールでの量子相当物はまったく異なります。放射線パルスにより、原子はエッグタイマーのように励起状態と基底状態の間で切り替わります。

量子力学では、エネルギーは塊、つまり「量子」の形で発生するため、適切な長さのパルスの後、原子が励起状態にあるか基底状態にあるかの確率は等しくなります。パルスは原子を「量子重ね合わせ」の状態、つまり励起状態と基底状態の両方に同時に存在する状態にします。原子は、古典的な計算ビットに相当する「量子ビット」と考えることができます。

6. 量子コンピューティングは通常のコンピューティングとどう違うのでしょうか?

通常の、つまり「古典的な」コンピューティングで使用されるビットは、常に 0 または 1 の 2 つのバイナリ状態のいずれかになります。重ね合わせのおかげで、量子ビットはより多くの情報を保持できます。量子コンピュータでは、複数の量子ビットを重ね合わせて並列処理することで、特定の計算問題において従来のコンピュータに比べて大きな利点が得られます。

7. 量子超越性とは何ですか?なぜそれが重要なのでしょうか?

Google は、53 量子ビットの超伝導量子デバイスが従来のコンピューターでは不可能な計算を実行した際に、量子超越性を主張した。 「覇権」という言葉の使用は、その政治的な意味合いから、現在では一般的に不適切だと考えられています。この計算には商業的価値がなく、エラー率も高かったが、それでも重要な実証は、特定のアプリケーションで量子コンピューティングを使用するとより安価になったり便利になったりするなど、将来の量子商業的利点を示唆している。

8. 量子コンピュータが商業化される、あるいは実際に影響を与えるようになるまでにはどのくらい時間がかかりますか?

ほとんどの専門家は、量子コンピュータが特定の用途で商業的に実現可能になるまでにはまだ3～8年かかると考えているが、汎用のフォールトトレラントコンピュータが実現するには少なくとも10年かかるとしている。量子コンピュータはすでに影響を与えていると言う人もいます。少なくとも 1 つの大企業はまだ量子オプティマイザーを完全に実装していませんが、アルゴリズムを毎日実行することで、企業全体でデバイス ルーティングを構成する最適な方法に関する貴重な洞察が得られることがわかりました。

9. 近い将来、量子コンピューティングの機能を利用できるようになるのは誰でしょうか?

現在、誰でも量子コンピュータにアクセスできます。たとえば、Qiskit を使用すると、数行の Python コードで量子回路をプログラムし、小さな IBM デバイスに送信できます。 Amazon Bracket や Microsoft Azure などの大手クラウド コンピューティング ベンダーは量子ハードウェア ベンダーにクラウド アクセスを提供し、D-Wave などのメーカーは自社の機器へのアクセスを販売しています。 DigitalCatapult は今年後半に量子技術アクセス プログラムを実施する予定です。

10. 量子コンピューターの競争において英国はどのような立場にあるか?

英国は早くから量子研究への資金提供を開始し、2014年以降総額10億ポンド以上を投資してきた。2023年3月には新たな10カ年国家量子戦略を発表し、2020年からの10年間で英国における量子技術の開発に25億ポンドを投資することを約束した。2024年。国立量子コンピューティングセンター（NQCC）の報告によると、英国は量子プロジェクトの実施で世界第4位、量子技術の商業化で世界第2位となっている。

11. 人工知能に見られるような、量子コンピューティングの潜在的な悪影響はありますか?

ショアの量子因数分解アルゴリズムは、RSA 暗号を解読できる驚異的な「量子高速化」を提案し、1994 年に研究コミュニティを驚愕させた。完全なアルゴリズムを実行するために必要な、大規模で汎用的なフォールトトレラントな機器が実現するのはおそらくまだ数十年先ですが、アルゴリズムのバリエーションによって RSA 暗号をより迅速に解読できるようになる兆候があります。

現代の自動車のようなモノのインターネット (IoT) デバイスの開発期間と耐用年数は非常に長いため、RSA 暗号化アルゴリズムがチップに組み込まれている場合、暗号を解読できる量子コンピュータが登場したときにも、これらのデバイスがまだ使用されている可能性があります。

12. 起こり得る悪影響をどのように防ぎ、軽減できるでしょうか?

企業秘密を保護するために RSA または類似のスキームを利用している業界は、「最初に保存して後で破る」攻撃のリスクを認識する必要があります。ソフトウェアとハ​​ードウェアの両方で耐量子暗号化を実装するための戦略を開発する十分な理由があります。他の新しいテクノロジーと同様に、量子コンピューティングの影響が完全に明らかになるまでには数十年かかるでしょう。長期的には、量子コンピューティングは飛行やシリコンチップの発明と同じくらい大きな影響を与え、私たちの未来を大きく形作ることになるでしょう。

今後 10 年以内に、従来のコンピュータでは不可能な計算を量子コンピュータが実行できるようになると思われます。