2020年における量子コンピュータの進化

物理（その他）

2020年における量子コンピュータの進化と2021年の予測

量子コンピューティングは今年、転機を迎えようとしています。2020年に大幅に進展した量子コンピューティングは2021年には更に進化し、かつてないほど実用化に近づくと予想しています。しかし、耐量子コンピューティングへの対応には予想以上に時間がかかると考えられ、組織を守っていくには今からその準備を始めておく必要があります。

そこで、2020年の量子コンピューティング技術におけるいくつかの重要な進展をまとめ、2021年にどのようなことが期待できるのか、予測を行いました。

2020年における進展

2020年には様々な事が起こりました。多くの人がテレワークに移行を進める間も、量子関連技術の開発は進められました。ここでは2020年における量子関連技術の進化を時系列でまとめます。

3月

6月

7月

8月

9月

10月

11月

2021年の予測

今年、実用的な大規模量子コンピュータの実現に向けさまざまな進展が見られたことを考えれば、こうした進展が2021年も続くことが容易に予測でき、それはほぼ間違いないでしょう。さらに、いつか、企業が、量子コンピュータを使用して従来のスーパーコンピュータでは解決できなかった実際的な問題の解決に成功したと発表することになるでしょう。

量子コンピュータにより従来のスーパーコンピュータで解決できなかった問題を解決することは、商用に利用可能な量子コンピュータの実現に向け、次の重要なマイルストーンです。しかしそのマイルストーン自体が、RSAやECCといった暗号手法をリスクにさらすわけではありません。暗号アルゴリズムの解読には大規模な量子コンピューターが必要であり、そうしたコンピューターは2021年には存在していないからです。しかし、現実的な問題を解決する能力を得ることで、より優れた量子コンピューターの開発へのさらなる投資を促進することになります。これはまさに、かつてコンピュータが年々、指数関数的に能力を高めていったのと同様、ムーアの法則に通じるフィードバックループの好循環です。

暗号の移行には時間がかかり、数十年かかることも珍しくありません。そのため、十分な規模の量子コンピュータが実現した時に備えておきたいと考えるなら、企業や組織は今からその準備を始めなければなりません。標準化団体やセキュリティの専門家は、そうした移行の土台づくりに懸命に取り組んでいます。米国標準技術研究所（NIST）は先日、「耐量子コンピューター暗号アルゴリズムへの移行における検討事項」に関するワークショップを開催しており、NISTは2021年後半には標準化に向けていくつかのアルゴリズムを選択する予定です。これによって、こうしたアルゴリズムの実装に向けた取り組みが一気に進むことが期待されます。

2020年中のあらゆる進歩は、量子コンピューターの実用化を大きく近づけるものであり、ITプロフェッショナルの71%は量子コンピューティングが近い将来に非常に大きな脅威になると考えています。もし、まだ準備を始めていないとすれば、2021年には遅れをとり始めることになるでしょう。

今すぐ準備を始めましょう

もし、まだ量子コンピューティングへの準備を始めていないのであれば、量子コンピューティングについての知識を深め、準備することを新しい年の抱負にしましょう。量子コンピューティングは、今後5年から10年で実用化される可能性が高いと考えられます。科学者たちはすでに数年前からそう言ってきましたが、今やそれがかつてないほど真実味を帯びてきました。

量子コンピューティングが主流になるまでには10年はかかる可能性があるものの、これは負けるわけにはいかない競争です。基本的にこれは組織とコンピュータとの競争であり、のんびりしている時間などありません。

デジサートでは組織が量子コンピュータへの備えに着手できるよう、業界のエキスパートと連携して、将来の耐量子コンピューター暗号の脅威に備えるためのPKIエコシステムを構築しています。さらに耐量子コンピューター暗号（PQC）ツールキットを開発し、量子コンピューターによるアルゴリズム解読に対抗するハイブリッドのPQC/RSA証明書を検証することができます。

DigiCertのPQCツールキットには以下が含まれます：

デジサートの2021年の予測および将来展望の詳細については、こちらの新年のセキュリティ予測ブログをご覧ください。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

科学者は、無線周波数スペクトル全体をカバーする量子センサーを作成します

 

陸軍研究所による ガラス蒸気セル内の原子は、レーザービームでリュードベリ状態に励起されます。それらは（バックグラウンドの金のアンテナから来る）電界を検出し、その情報をレーザービームに刻印します。クレジット：米国陸軍 陸軍の研究者によると、量子センサーは、0から100GHzまでの無線周波数スペクトル全体にわたって通信信号を検出する方法を兵士に与える可能性があります。 単一のアンテナによるこのような広いスペクトルカバレッジは、従来の受信機システムでは不可能であり、個々のアンテナ、増幅器、およびその他のコンポーネントの複数のシステムが必要になります。 米国陸軍戦闘能力開発コマンドの科学者であるDavidMeyer氏は、2018年に、陸軍の科学者は、リュードベリ原子と呼ばれる非常に励起された超高感度の原子を使用して通信信号を検出する量子受信機を世界で初めて作成したと述べています。陸軍研究所。研究者たちは、基本原理に基づいて受信機のチャネル容量、つまりデータ転送速度を計算し、ラボで実験的にそのパフォーマンスを達成し、他のグループの結果を桁違いに改善したとマイヤー氏は述べています。 「これらの新しいセンサーは非常に小さく、事実上検出できない可能性があり、兵士に破壊的な利点をもたらします」とマイヤー氏は述べています。 「リュードベリ原子ベースのセンサーは、通信受信機を含む一般的な電界検知アプリケーションで最近検討されたばかりです。リュードベリ原子は広く感度が高いことが知られていますが、動作範囲全体にわたる感度の定量的記述は行われていません。 「」 リュードベリ原子は、このアーティストの解釈で着信無線周波数フィールドを検出するリュードベリ状態に光学的に励起されます。クレジット：米国陸軍 潜在的なアプリケーションを評価するために、陸軍の科学者は、0〜1012ヘルツの膨大な周波数範囲で振動する電界に対するリュードベリセンサーの感度の分析を実施しました。結果は、リュードベリセンサーがスペクトル全体にわたって信号を確実に検出し、電気光学結晶やダイポールアンテナ結合パッシブエレクトロニクスなどの他の確立された電界センサー技術と比較して有利であることを示しています。 「量子力学により、センサーのキャリブレーションと究極のパフォーマンスを非常に高度に知ることができ、それはすべてのセンサーで同じです」とマイヤー氏は述べています。 「この結果は、このシステムを現場でどのように使用できるかを決定する上で重要なステップです。」 この作業は、ジオロケーション用のRF信号の検出に対する新しい通信概念またはアプローチに影響を与える可能性があるため、次世代コンピューターネットワークにおける陸軍の近代化の優先順位と、確実な位置、ナビゲーション、およびタイミングをサポートします。 将来的には、陸軍の科学者は、感度を改善してさらに弱い信号を検出し、より複雑な波形の検出プロトコルを拡張する方法を調査する予定です。

 

 

リュードベリ状態 ウィキペディアから、無料の百科事典 ナビゲーションにジャンプ 検索にジャンプ 原子または分子のリュードベリ状態[1]は、イオン化エネルギーでイオン状態に収束するときに、リュードベリの式に従うエネルギーを持つ電子励起状態です。リュードベリの式は、原子のエネルギー準位を記述するために開発されましたが、水素原子とほぼ同様の電子構造を持つ他の多くのシステムを記述するために使用されています。[2]一般に、十分に高い主量子数では、励起された電子-イオンコアシステムは水素システムの一般的な特性を持ち、エネルギーレベルはリュードベリの式に従います。リュードベリ状態には、イオンのエネルギーに収束するエネルギーがあります。イオン化エネルギーのしきい値は、原子または分子のイオンコアから電子を完全に解放するために必要なエネルギーです。実際には、リュードベリ波束は水素原子上のレーザーパルスによって生成されるため、リュードベリ状態の重ね合わせになります。[3]ポンププローブ実験を使用した最新の調査では、分子経路が示されています。 （NO）2の解離–これらの特別な状態を介して。[4]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

複雑な量子テレポーテーションが初めて実現

 

 

ウィーン大学 オーストリアと中国の科学者は、初めて3次元量子状態（シンボリックイメージ）の転送に成功しました。クレジット：ÖAW/ HaraldRitsch オーストリアと中国の科学者は、初めて3次元量子状態のテレポートに成功しました。高次元テレポーテーションは、将来の量子コンピューターで重要な役割を果たす可能性があります。 オーストリア科学アカデミーとウィーン大学の研究者は、以前は理論的な可能性しかなかったものを実験的に実証しました。中国科学技術大学の量子物理学者と協力して、複雑な高次元量子状態のテレポートに成功しました。研究チームは、ジャーナルフィジカルレビューレターでこの国際的な最初の報告をします。 彼らの研究では、研究者たちはある光子（軽い粒子）の量子状態を別の離れた光子にテレポートしました。以前は、2レベルの状態（「キュービット」）、つまり値が「0」または「1」の情報のみが送信されていました。しかし、科学者たちは、いわゆる「キュートリット」と呼ばれる3レベルの状態をテレポートすることに成功しました。量子物理学では、古典的なコンピュータサイエンスとは異なり、「0」と「1」は「どちらか/または」ではありません。両方を同時に、またはその間にあるものも可能です。オーストリアと中国のチームは、これを実際に実証し、3番目の可能性「2」を示しました。 新しい実験方法 多次元量子テレポーテーションが理論的に可能であることが1990年代から知られています。ただし、「最初に、高次元テレポーテーションを実装するための実験方法を設計し、必要な技術を開発する必要がありました」と、オーストリア科学アカデミーのウィーン量子光学量子情報学研究所のManuelErhard氏は述べています。 テレポートされる量子状態は、光子がとることができる可能な経路でエンコードされます。これらの経路を3本の光ファイバーとして描くことができます。最も興味深いことに、量子物理学では、単一の光子を3つの光ファイバーすべてに同時に配置することもできます。この3次元量子状態をテレポートするために、研究者たちは新しい実験方法を使用しました。量子テレポーテーションの中核は、いわゆるベル測定です。これはマルチポートビームスプリッターに基づいており、複数の入力と出力を介して光子を導き、すべての光ファイバーを接続します。さらに、科学者は補助光子を使用しました。これらは複数のビームスプリッターにも送られ、他の光子と干渉する可能性があります。 特定の干渉パターンを巧妙に選択することにより、量子情報は、2つが物理的に相互作用することなく、入力光子から遠く離れた別の光子に転送できます。実験の概念は3次元に限定されませんが、Erhardが強調しているように、原則として任意の数の次元に拡張できます。 量子コンピューターのためのより高い情報容量 これにより、国際的な研究チームは、高次元の量子システムが量子ビットよりも大量の情報を輸送できるため、将来の量子インターネットなどの実用的なアプリケーションに向けて重要な一歩を踏み出しました。 「この結果は、量子コンピューターをキュービットを超える情報容量と接続するのに役立つ可能性があります」と、オーストリア科学アカデミーとウィーン大学の量子物理学者であるアントンツァイリンガーは、新しい方法の革新的な可能性について述べています。 参加している中国の研究者は、多次元量子テレポーテーションにも大きなチャンスがあると考えています。 「次世代量子ネットワークシステムの基礎は、今日の私たちの基礎研究に基づいています」と、中国科学技術大学のJian-WeiPan氏は述べています。パンは最近、ウィーン大学とアカデミーの招待でウィーンで講演を行いました。 将来の研究では、量子物理学者は、新たに得られた知識を拡張して、単一の光子または原子の量子状態全体のテレポーテーションを可能にする方法に焦点を当てます。

 

 

科学者は、大規模システム全体のノイズを特徴付ける最初の量子アルゴリズムを開発します

 

シドニー大学 研究者たちは、IBM QuantumExperienceを使用して実験を行いました。クレジット：IBM 量子システムは、エラーやノイズが発生しやすいことで有名です。これを克服して機能的な量子コンピューターを構築するために、物理学者は理想的にはシステム全体のノイズを理解する必要があります。ロビン・ハーパー博士と同僚​​がノイズを特徴づける最初のシステム全体の量子アルゴリズムを開発したことで、それは今まで手の届かないものでした。 ノイズは、大規模な量子コンピューターを構築する上での主な障害です。ノイズ（干渉または不安定性）を抑えるために、科学者はそれが量子システム全体にどのように影響するかを理解する必要があります。これまで、この情報は非常に小さなデバイスまたはデバイスのサブセットでのみ利用可能でした。 NaturePhysicsに本日発表されたRobinHarper博士とその同僚による研究は、大規模な量子デバイス全体で機能するアルゴリズムを開発しています。彼らは、IBM Quantum Experienceデバイスのノイズを診断し、これまで検出されていなかった14キュービットマシンの相関関係を発見することで、これを実証しています。 ハーパー博士は次のように述べています。「この結果は、現在の量子デバイス以降で実行できる、証明可能な厳密でスケーラブルな診断アルゴリズムの最初の実装です。」 ハーパー博士は、シドニー大学ナノ研究所のポスドク研究員であり、オーストラリア研究会議のエンジニアリング量子システムセンターオブエクセレンスの一部です。

 

 

 

ETSIは、Quantum-Safeスキームの移行戦略と推奨事項をリリースします

 

ソフィア・アンティポリス、2020年8月11日 ETSI Quantum-Safe Cryptography（QSC）ワーキンググループは、Quantum-Safeスキームの移行戦略と推奨事項を定義し、すべてのビジネスセクターで暗号化の認識を強化するテクニカルレポートTR 103619のリリースを発表しました。 非対称暗号化に対する量子コンピューティングの脅威は、ETSIの研究やその他の場所で広く報告されており、日常の存在を非対称暗号化に依存している多くのビジネスセクターに対する存在の脅威として認識されています。ただし、脅威を認識するだけでは不十分であり、ビジネス内の暗号化された資産を保護できるようにするための量子安全な暗号化アルゴリズムが存在することも知りません。これで、ビジネス全体が新しい完全に量子安全な暗号化状態（FQSCS）に移行する準備ができている必要があります。これを見越して、ETSIは、完全に量子安全な暗号化状態への移行を可能にするために組織が取るべき行動のフレームワークを定義する新しいテクニカルレポートを作成しました。 「移行レポートで説明しているのは、暗号化の役割と、ビジネスにおける暗号化の統合の深さをよりよく理解することです。数年後に攻撃が可能になると商業的に機密性が高くなる可能性があることを念頭に置いて、暗号化されたデータを送信できるように、暗号化の認識を高める必要があります。これは、収穫攻撃に対抗するのに役立ちます」と、ETSIQSCグループのテクニカルレポートの報告者であるScottCadzow氏は述べています。 移行フレームワーク、およびそれを文書化する移行計画は、次の3つの段階で構成されます。 在庫の編集 移行計画の準備 移行の実行 最初の段階では、量子コンピューターの影響を受ける組織内の資産についての知識がなければ、移行を計画することはできないという単純な点を示しています。この段階では、在庫のコンパイルは、専任のマネージャーとその開発と保守に割り当てられた予算を必要とするビジネスプロセスであり、これは暗号化プロパティに特に焦点を当てた既存の在庫管理の拡張である可能性があることを認識しています。 ステージ2には詳細な計画が含まれ、これもビジネスプロセスとして扱われます。大まかな想定では、移行は同様の基準で行われ、非対称の暗号で保護された資産は移行後に同じ方法で保護され、対称の暗号で保護された資産も同様に移行後に同じ方法で保護されます。 。ただし、移行計画中に一部の資産が大幅に再設計され、場合によっては廃止される可能性があることが文書化されています。 ステージ2で強調された1つの側面は、移行と初期展開の両方の設計が同じエンドポイントを達成することですが、移行は、中断に敏感なビジネス機能をサポートする既存の作業展開がある場合にのみ異なります。ステージ2の役割は、ビジネス全体が移行を認識し、その重要性が認識されていることを確認することです。 最終段階3は、移行自体のターンキー要素です。 ETSIレポートは、移行の管理と計画に詳細に対処するための一連のチェックリストを提供します。 ETSIについて ETSIは、業界と社会のすべてのセクターにわたるICTシステムとサービスのグローバルに適用可能な標準の開発、承認、およびテストをサポートするためのオープンで包括的な環境をメンバーに提供します。私たちは、65の国と5大陸から集まった、世界中に900を超える会員組織を持つ非営利団体です。メンバーは、大小の民間企業、研究機関、学界、政府、公的機関の多様なプールで構成されています。 ETSIは、EUによって欧州標準化団体（ESO）として正式に認められています。詳細については、https：//www.etsi.org/をご覧ください。

 

 

UChicagoの科学者たちは、量子状態を10,000倍長く持続させる方法を発見しました

 

2 020年8月22日 それを利用できれば、量子技術は素晴らしい新しい可能性を約束します。しかし、最初に、科学者は数百万分の1秒より長くヨークを維持するために量子システムを誘導する必要があります。シカゴ大学のプリツカー分子工学部の科学者のチームは、量子システムが動作し続けることを可能にする簡単な変更の発見を発表しました-または「コヒーレント」-以前の10,000倍の長さ。科学者たちは、固体量子ビットと呼ばれる特定のクラスの量子システムで技術をテストしましたが、他の多くの種類の量子システムにも適用できるはずであり、したがって、量子通信、コンピューティング、およびセンシングに革命をもたらす可能性があると考えています。 この研究は8月13日にScienceに掲載されました。 「この画期的な進歩は、量子科学の研究の刺激的な新しい道の基礎を築きます」と、研究の筆頭著者である、アルゴンヌ国立研究所の上級科学者でシカゴ量子取引所のディレクターである分子工学のLiewファミリー教授であるDavidAwschalomは述べています。 「この発見の幅広い適用性と、非常に単純な実装により、この堅牢な一貫性が量子工学の多くの側面に影響を与えることができます。これにより、以前は非現実的と考えられていた新しい研究の機会が可能になります。」 原子のレベルでは、世界は量子力学の規則に従って動作します。これは、私たちが日常生活で目にするものとは大きく異なります。これらのさまざまなルールは、事実上ハッキングできないネットワークや非常に強力なコンピューターなどのテクノロジーに変換される可能性があります。米国エネルギー省は、7月23日にシカゴ大学で開催されたイベントで将来の量子インターネットの青写真を発表しました。しかし、基本的なエンジニアリングの課題は残っています。量子状態は、振動、温度変化、または漂遊電磁界。 したがって、科学者は、システムの一貫性を可能な限り長く保つ方法を見つけようとします。一般的なアプローチの1つは、システムをノイズの多い環境から物理的に分離することですが、これは扱いにくく複雑になる可能性があります。別の手法では、すべての材料を可能な限り純粋にする必要がありますが、これにはコストがかかる可能性があります。 UChicagoの科学者たちは、別の取り組みをしました。「このアプローチでは、周囲の騒音を排除しようとはしていません。代わりに、システムを「だまして」ノイズが発生しないと考えさせます」と、この論文の最初の著者であるポスドク研究員のケビンミャオ氏は述べています。 量子システムを制御するために使用される通常の電磁パルスと並行して、チームは追加の連続交流磁場を適用しました。この場を正確に調整することにより、科学者は電子スピンを急速に回転させ、システムが残りのノイズを「調整」できるようにすることができます。 「原則を理解するために、それは人々があなたの周りで叫んでいるメリーゴーランドに座っているようなものです」とミャオ族は説明しました。 「乗り心地が静止しているときは、完全に聞こえますが、高速で回転していると、ノイズが背景にぼやけます。」 この小さな変更により、システムは最大22ミリ秒までコヒーレントを維持でき、変更なしの場合よりも4桁高く、以前に報告された電子スピンシステムよりもはるかに長くなりました。 （比較のために、まばたきには約350ミリ秒かかります）。このシステムは、温度変動、物理的振動、電磁ノイズのいくつかの形態をほぼ完全に調整することができます。これらはすべて、通常、量子コヒーレンスを破壊します。 科学者たちは、この簡単な修正で、量子技術のほぼすべての分野での発見を解き放つことができると述べた。 「このアプローチは、スケーラビリティへの道を作ります」とAwschalom氏は述べています。 「これにより、量子情報を電子スピンに保存することが実用的になるはずです。保存時間が延長されると、量子コンピューターでのより複雑な操作が可能になり、スピンベースのデバイスから送信された量子情報がネットワーク内を長距離移動できるようになります。」 「このアプローチでは、周囲の騒音を排除しようとはしません。代わりに、システムを「だまして」、ノイズが発生していないと考えさせます。」 ケビンミャオ、ポスドク研究員 ケビンミャオ、ポスドク研究員ケビンミャオ、ポスドク研究員 彼らのテストは炭化ケイ素を使用した固体量子システムで実行されましたが、科学者たちは、この技術が超伝導量子ビットや分子量子システムなどの他のタイプの量子システムでも同様の効果を持つはずだと信じています。このレベルの汎用性は、このようなエンジニアリングの飛躍的進歩としては珍しいものです。 「量子コヒーレンスを長期間維持できなかったために押しのけられた量子技術の候補はたくさんあります」とMiao氏は述べています。 「コヒーレンスを大幅に改善するこの方法ができたので、これらを再評価することができます。「最良の部分は、それが信じられないほど簡単なことです」と彼は付け加えました。 「その背後にある科学は複雑ですが、交流磁場を追加するロジスティクスは非常に簡単です。」 この研究に参加した他のUChicagoの科学者は、大学院生のJoseph Blanton、ポスドク研究員のChris Anderson、大学院生のAlexandreBourassaとAlexCrook、そしてアルゴンヌの科学者GaryWolfowiczでした。 日本国立量子放射線科学技術研究所の阿部寛と大島武も共著者でした。 チームは、Pritzker NanofabricationFacilityのリソースを使用しました。 チームは、起業家精神とイノベーションのためのポルスキーセンターと協力して、発見を商業化します。 引用：「ソリッドステートキュービットにおけるユニバーサルコヒーレンス保護」。 K. C. Miao et al。、Science、2020年8月13日。DOI：10.1126 / science.abc5186

 

 

 

 

 

 

 

グーグルの量子コンピュータが化学のマイルストーンを達成

 

この量子化学実験は、『Science』の8月28日号に掲載されたもので、12量子ビットしか使用していないにもかかわらず、同じ基本的なサイカモアのデザインに依存している。しかし、この実験は、このシステムの汎用性を示していると、Googleプロジェクトのアルゴリズム開発を担当する研究者のライアン・バブッシュは論文の中で主張している。

 

Takushi Yoshida

Takushi Yoshida

 

記者、編集者、Bizdev, Product Manager, Frontend Engineer, Finance 早大政治経済学部卒、東南アジアで新聞記者、米系デジタルマーケティングメディアDIGIDAY日本版立ち上げ、を経てaxionを創業。 ■Blog https://bit.ly/2W66n9l ■You Tube https://bit.ly/2L0O3Ii

 

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8 Sep 2020 • 4 min read

グーグルの量子コンピュータが化学のマイルストーンを達成

 

昨年秋、グーグルの研究者たちが、量子コンピュータが通常のコンピュータでは不可能なタスクを実行できる「量子超越性」を達成したと発表した。ただし、そこには実用性がなかった。乱数発生器の出力をチェックするこのプログラムは、実用的な価値が限られており、同社のマシンが何か有用なことができることを証明するものではなかった。

 

しかし今、グーグルの量子コンピュータは、簡単な化学反応のシミュレーションに成功するという、実世界での応用が可能なことを達成した。この偉業は、量子化学への道を指し示している。量子化学は、分子反応の科学者の理解を広げ、より良い電池、肥料の新しい作り方、空気中の二酸化炭素を除去する方法の改善などの有用な発見につながる可能性がある。

 

昨年の量子優位性実験は、53個の超伝導量子ビットを含む「サイカモア」と呼ばれるチップ上で行われた。絶対零度近くまで冷やされた量子ビットは、量子力学的な特性を持ち、古典的なコンピュータのビットを構成する単純な電流の「オン／オフ」の流れよりも複雑で有用な方法で量子ビットを操作できるようになった。いつか、量子コンピュータが、古典的なコンピュータでは宇宙の寿命が尽きてしまうような計算を素早く実行できるようになることが期待されている。

Google AI Quantumチームが、「量子超越 」と呼ばれる実験で、量子コンピュータが古典的なコンピュータにはできないタスクを実行できることをどのように実証したか。

 

この量子化学実験は、『Science』の8月28日号に掲載されたもので、12量子ビットしか使用していないにもかかわらず、同じ基本的なサイカモアのデザインに依存している。しかし、この実験は、このシステムの汎用性を示していると、Googleプロジェクトのアルゴリズム開発を担当する研究者のライアン・バブッシュは論文の中で主張している。「これは、実際、このデバイスが完全にプログラム可能なデジタル量子コンピュータであることを示しており、どんなタスクにも対応できることを示している」。

 

チームはまず、12個の水素原子からなる分子のエネルギー状態を単純化したものをシミュレーションした。次に、水素原子と窒素原子を含む分子の化学反応をモデル化し、水素原子が片側からもう片側に移動したときに分子の電子構造がどのように変化するかを調べた。電子のエネルギーは、ある温度や濃度の異なる分子でどのくらいの速度で反応が起こるかを決定するため、このようなシミュレーションは、化学者が反応の仕組みを正確に理解し、温度や化学物質の種類を変えた場合にどのように変化するかを理解するのに役立つだろう。

 

研究者らが実行したシミュレーションは、ハートリー=フォック法として知られているが、古典的なコンピュータでも実行できるため、それ自体が量子コンピュータの優位性を示すものではなかった。古典的なコンピュータの助けを借りて実行され、機械学習を使用して各計算を評価し、量子シミュレーションの新しいラウンドを改良した。これは量子コンピューター上で行われた以前の記録保持化学計算の2倍の大きさだった。

 

2017年、IBMは6つの量子ビットを使って量子化学シミュレーションを行った。その結果は1920年代の科学者が手で計算できるレベルの複雑さを持つ分子系を記述したものだったという。その数字を12クビットに2倍にすることで、グーグルのプロジェクトは1940年代のコンピューターで計算できるシステムに取り組んだ。

 

これまでのところ、古典的なコンピューターでは達成できなかったことを達成した量子コンピューターはない。2019年に同社が量子超越性を達成したことでさえ、グーグルの量子コンピューターでは3分以上で達成したものの、スーパーコンピューターで同じ結果を2日半で達成する方法を示したIBMの研究者たちから疑問の声が上がった。

 

この目標を達成できない理論的な理由はないが、数量子ビットから数百、最終的にはさらに多くの量子ビットに移行するためには、多くの複雑なエンジニアリングが必要になるとされている。何百万ものクビットを持つ汎用量子コンピュータを作るには、エラー訂正プロトコルの開発が必要になるが、これは特に困難な問題で、解決には10年以上かかるかもしれない。しかし、完全な誤り訂正機能を持たない、いわゆるノイズの多い中間規模の量子コンピュータは、その間にも有用であることが証明されるかもしれない。

 

例えば、風力タービンや太陽電池で生産されたエネルギーを貯蔵するために、より良い電池材料を探している。このような材料は、急速に充電と放電を行うのに十分な反応性を持ちながらも、爆発や引火を回避するのに十分な安定性を持っていなければならないという、相反する性質を持っている。この反応をコンピュータでモデル化することで、このトリッキーな作業に適した理想的な材料を特定することができる。このようなモデルは、新薬の開発にも重要な役割を果たす可能性がある。

 

それでも、量子コンピューターは、化学反応をモデル化する唯一の革命的な新しい方法ではないかもしれない。人工知能が、古典的なコンピュータ上で使用可能なシミュレーションを実行するのに十分な効率的なアルゴリズムを開発する可能性があるのだ。彼の研究室では、その賭けを回避するために、ミッドレンジの量子コンピューター上で動作する新しいアルゴリズムを開発したり、新しいタイプの材料を発見するための人工知能駆動ロボットを開発したりしている。

 

 

量子電気力学における前例のない精度：

 

 

陽子荷電半径パズルの解決に向けた大きな飛躍 マックス・プランク協会、カタリーナ・ジャラ AlexeyGrininとDeryTarayは、1S-3S実験の真空システムに取り組んでいます。クレジット：Max Planck Society マックスプランク量子光学研究所の物理学者は、水素分光法を使用して量子力学をまったく新しいレベルの精度でテストしました。そうすることで、彼らはよく知られている陽子荷電半径パズルの解決にはるかに近づきました。 マックスプランク量子光学研究所（MPQ）の科学者は、小数点以下13桁までの前例のない精度で量子電気力学をテストすることに成功しました。新しい測定は、以前のすべての水素測定を組み合わせた場合のほぼ2倍の精度であり、科学を陽子サイズのパズルの解決に一歩近づけます。この高精度は、高分解能分光法で原子を励起するためにここで初めてデビューしたノーベル賞を受賞した周波数コム技術によって達成されました。結果は本日Scienceに掲載されました。 物理学は精密科学と言われています。これは、物理理論の予測（正確な数）を実験によって検証または改ざんできることを意味します。実験はあらゆる理論の最高の裁判官です。量子力学の相対論的バージョンである量子電気力学は、間違いなくこれまでで最も成功した理論です。これにより、たとえば、小数点以下12桁までの水素原子のスペクトルの記述など、非常に正確な計算を実行できます。水素は宇宙で最も一般的な元素であると同時に、電子が1つしかない最も単純な元素です。それでも、それはまだ未知の謎をホストしています。 プロトンサイズパズル 水素原子の電子は陽子のサイズを「感知」し、エネルギーレベルの最小限のシフトに反映されます。何十年もの間、水素に関する無数の測定により、一貫した陽子半径が得られてきました。しかし、電子が200倍重い双子であるミューオンに置き換えられた、いわゆるミューオン水素の分光学的調査により、謎が明らかになりました。測定は、2010年に、当時ヘンシュ教授（MPQ）のレーザー分光法部門のグループリーダーであり、現在はマインツのヨハネスグーテンベルク大学の教授であるランドルフポールと共同で実施されました。これらの実験から導き出せる陽子半径の値は、通常の水素の値よりも4パーセント小さくなっています。すべての実験が正しいと考えられる場合、すべての理論項が正しい場合、ミューオン水素と通常の水素のすべての測定は同じプロトン半径を報告する必要があるため、量子電気力学の理論と矛盾します。その結果、この「プロトン半径パズル」は、世界中で新しい精度の測定を動機付けました。ただし、GarchingとTorontoからの新しい測定では陽子半径が小さいことが確認されましたが、Parisからの測定では以前の大きい値が再びサポートされました。 この図では、陽子半径のさまざまな結果がフェムトメートル[fm]、つまりmで比較されています。通常の水素の1S-3S遷移からの新しい値は、ミューオン水素の2S-2P遷移から得られる値に近くなります。このエキゾチックな原子は、200万分の1秒という短い時間でしか生成できませんが、陽子の半径に特に「敏感」です。したがって、最小の測定誤差（水平の黒いエラーバー）が発生します。クレジット：Max Planck Society 測定値の比較 科学は独立した比較で繁栄します。そのため、テオドール・ヘンシュのレーザー分光法部門のAlexey Grinin、Arthur Matveev、Thomas Udemが率いるGarchingチームは、まったく異なる、したがって補完的な方法を使用して、パリと同じ遷移を測定したいと考えました。いわゆるドップラーフリーの2光子周波数コム分光法を使用して、精度を4倍に向上させることに成功しました。陽子半径の結果は、水素を合わせた以前のすべての測定値の2倍の精度になりました。量子力学が小数点以下13桁までチェックされるのは初めてです。このように決定された陽子半径の値は、より小さな陽子半径を確認するため、原因としての理論を除外します。同じ遷移の場合、理論に関係なく、実験結果は一致する必要があります。次の図（図1）は現在の状況を示しています。量子電気力学の妥当性の評価は、いくつかの独立した測定値を比較することによってのみ可能です。理論とその応用が当てはまり、すべての実験が正しく行われる場合、陽子半径の値は、実験の不確実性の範囲内で互いに一致する必要があります。しかし、写真でわかるように、そうではありません。この不一致の開示–陽子パズル–は、最も正確な物理理論である量子電気力学が根本的な欠陥を持っている可能性を開きました。しかし、新しい結果は、問題が基本的な性質ではなく実験的なものであることを示唆しています。そして、量子電気力学は再び成功したでしょう。 周波数コム分光法の新しいマイルストーン 青色レーザー光（410nm）は、非線形結晶を利用するパルスチタンサファイアレーザーの第2高調波として生成されます。 このプロジェクトで実行された周波数コム分光法の成功は、別の理由で科学における重要なマイルストーンを意味します。水素やその他の原子や分子の精密分光法は、これまでほとんど連続波レーザーでのみ行われてきました。対照的に、周波数コムはパルスレーザーによって生成されます。このようなレーザーを使用すると、極紫外線範囲までのはるかに短い波長に浸透することが可能です。連続波レーザーでは、これは絶望的な試みのようです。水素様ヘリウムイオンなどの非常に興味深いイオンは、このスペクトル範囲で遷移しますが、最初の量子論が開発されてから100年以上経っても、正確に研究することはできません。つまり、レーザー光です。現在提示されている実験は、この不満足な状況を変えるための重要なステップです。さらに、これらの紫外線周波数コムにより、水素や炭素などの生物学的および化学的に重要な元素をレーザーで直接冷却できるようになり、科学がそれらをさらに高精度で研究できるようになることが期待されています。