本動画は、最新の量子コンピューターの驚異的な計算能力が示唆する、現実世界の根本的な構造についての解説である。GoogleやMicrosoftなどの最新の研究成果や、多世界解釈、宇宙が一種の情報の集積やシミュレーションである可能性など、物理学と情報科学の最前線を横断しながら、量子コンピューターが単なる計算機ではなく、現実の性質を解き明かす鍵であることを詳述している。
量子コンピューターが明かす恐るべき現実
2019年10月、ある機械が計算を200秒で完了させました。地球上で最も強力な古典的スーパーコンピューターに同じ計算を任せた場合、今から1万年後もまだ計算を続けていることになります。あなたのひ孫のそのまたひ孫のひ孫であっても、その答えを見るまで生きることはできません。そして最も奇妙なのは、そのスピードではありません。最も奇妙なのは、その計算が一体どこで行われたのかを、誰も完全には説明できないということです。Googleでもなく、IBMでもなく、その機械を設計した物理学者たちでさえもです。これを説明する理論が一つだけあります。デイヴィッド・ドイッチュという物理学者が1985年に提唱したもので、ハードウェアがそれを事実だと証明し始めるまで、大部分は無視されていました。初めての方は、ぜひ高評価とチャンネル登録をお願いします。温かい飲み物を用意して、リラックスしてください。今夜は、これらの機械が何を意味しているのかを詳しくご案内します。機械の内部で起きている計算が、なぜ誰もが口に出して言うよりもはるかに奇妙なのか、そしてなぜ宇宙そのものが、私たちが探し忘れていた場所に手がかりを残しているのかもしれないのかについてお話しします。
現実を崩壊させた結果
それでは、パート1に入りましょう。カリフォルニア州サンタバーバラの研究所にある機械が、地球上で最も強力な古典的スーパーコンピューターが完了するのに約1万年かかる計算を、200秒で完了させました。少し考えてみてください。10年でもなく、100年でもなく、1万年です。最初のシュメールの粘土板からあなたのポケットの中のスマートフォンに至るまで、記録に残る人類の文明全体よりも長い時間が、ゆで卵を作る時間へと圧縮されたのです。そして、この機械を作ったチームであるGoogleの量子ハードウェア部門は、2019年10月にその結果を発表し、まるで静かな水面に石を落としたかのように科学文献に投下しました。そして、その波紋は今も広がり続けています。このプロセッサはSycamoreと呼ばれていました。53個の超伝導量子ビットを備えており、それは控えめな数字に聞こえるかもしれませんが、それらの量子ビットの一つ一つが実際に何をしているのかを理解すればそうではありません。それについては後で詳しく説明します。実行されたタスクはランダム回路サンプリングと呼ばれるもので、その名の通り、ランダムに選ばれた一連の量子論理演算を実行し、その出力を測定するというものです。これは実用的なアプリケーションというよりは、純粋にベンチマークとして設計された、抽象的なものに聞こえるかもしれません。そしてある意味ではその通りでした。しかし、ベンチマークには重要な意味があります。それはシステムに何ができるかを教えてくれるということです。そして、Sycamoreにできたことは、不可能であるはずのことでした。
公平を期すために言うと、IBMはほぼ即座に反論しました。彼らのエンジニアは1万年という見積もりを見て、最適化された古典的アルゴリズムと十分なハードドライブ容量があれば、おそらく同じ回路を約2日半でシミュレートできるだろうと主張しました。そして彼らは完全に間違っていたわけではありません。その論文発表後の数ヶ月間にわたるGoogleとIBMのやり取りは、近年の物理学の歴史において最も興味深いエピソードの一つでした。2つの優秀なチームが、不可能とされることが実際にどれほど不可能であるかについて、本質的に議論していたのです。しかし、両者が静かに同意していたことがありました。根本的な種類の違いは本物であったということです。IBMでさえ、古典的なコンピューターがこのタスクにおいて量子コンピューターに匹敵するとは主張していませんでした。彼らはそのギャップの大きさについて議論していたのであって、ギャップの存在そのものについてではありません。そして、そのギャップの存在こそが物語のすべてなのです。なぜなら、Googleが歴史上初めて実証したのは、効率的な古典的説明が不可能な計算を実行する機械だったからです。高速化できる遅い古典的説明でもなく、改良できる近似的な古典的シミュレーションでもありません。古典的な法則に従って古典的な物質に作用する古典物理学では、いかなる実用的な意味においても複製できない何かを、量子プロセッサが行ったという、具体的で測定可能な実際の事例です。私たちが従来理解している宇宙の法則が許さないはずの方法で、その機械は機能しました。
そして2024年12月に発表されたGoogleのWillowの登場です。もしSycamoreが壁にヒビを入れたのだとすれば、Willowはその壁を拳で突き破りました。Willowチップは、量子コンピューティング分野全体が30年間、理論上の目標として追い求めてきたものを実証しました。スケーラブルな量子エラー訂正です。具体的には、1つの論理量子ビットをエンコードするために使用される物理量子ビットの数を増やすと、エラー率は一定に保たれることも、増加することもなく、指数関数的に低下することを示しました。システムに追加するコンポーネントが多いほど、システムはより安定します。これが古典的なエンジニアリングの観点から何を意味するか、立ち止まって考えてみてください。これまで出会ったあらゆるシステムにおいて、コンポーネントを増やすということは、潜在的な故障箇所を増やすことを意味します。車は自転車よりも多くの部品があり、より多くの方法で故障します。都市の送電網は、単一の発電機よりも多くの故障モードを持っています。人体は単一の細胞よりも誤作動を起こす可能性が多くあります。これは設計上の欠陥ではありません。これはエントロピーです。これまで作られたすべての技術を通じて表現される熱力学の第二法則です。複雑になればなるほど脆弱になる、それがルールです。
Willowはそのルールを破りました。物理的なエラー率が特定の閾値を下回る場合、物理学者がフォールトトレランス閾値と呼ぶものを下回る場合、量子ビットを追加すると、システムにすでに存在するエラーが積極的に修正されます。ノイズは蓄積されず、相殺されます。機械は大きくなるほど信頼性が高くなります。そして、この結果に真剣に向き合った物理学者は皆、公式な発言では慎重であっても、この挙動が計算とは何か、あるいはそれがどこで起こるのかという私たちの現在のモデルでは完全に説明できないことを知っています。これが、この物語全体に流れる中心的な緊張感です。ここでそれを明確にしておくことは重要ですので、頭の片隅に置いておいてください。私たちは機能する機械を作りました。私たちはそれをどのように作り、どのように操作し、どのようにプログラムし、その出力をどのように読み取るかについて、非常に正確に記述することができます。しかし私たちが完全に記述できないこと、地球上の誰も自信を持って完全に記述できないことは、なぜそれらが機能するのかということです。深い意味においてでもなく、物理的なメカニズムを指差して、そこに計算が存在している、それが消費されているリソースだ、それが仕事をするよう求められている現実の一部だと言うような意味においてでもありません。機械が機能する、それは謎ではありません。謎はなぜ機能するかです。
そしてその謎は、1985年にオックスフォード大学の物理学者が発表した論文にまでさかのぼります。彼はあまりにも過激な主張をしたため、ほとんどの同僚はそれを無視するか、退けるか、あるいは興味深いが証明不可能だとして静かにファイルにしまい込みました。彼の主張は、量子コンピューターは単一の宇宙の中では機能できず、計算は物理的必然性により、現実の並行する複数のバージョンにまたがって分散されなければならないというものでした。比喩としてではなく、都合のよい数学的なフィクションとしてでもなく、仕事がどこで行われているかについての文字通りの説明としてです。その論文は、GoogleのWillowが存在するほぼ40年前に書かれました。そして2024年に量子ハードウェアの研究室から出てくるデータは、彼が予測したものと不気味なほど一致しているように見えます。ですから、問題は量子コンピューターが強力かどうかではありません。私たちが多世界が現実であることを証明するデバイスを誤って作ってしまったのではないか、ということが問題なのです。そしてその問いは、実際に証拠に向き合ってみると、あなたが望むほど簡単に退けられるものではありません。
存在してはならない冷蔵庫
パート2に入ります。並行宇宙や現実の性質について話す前に、冷蔵庫について話す必要があります。あなたのキッチンにあるようなものではなく、まったく別の奇妙なものです。もしその冷蔵庫が作動している部屋に足を踏み入れ、何らかの計器を使わずにその体験から生還できたとしたら、あなたがこれまでに立った中で最も冷たい場所として記憶されるであろうものです。実際、観測可能な宇宙のほぼどこよりも冷たいのです。SycamoreやWillowのような超伝導量子プロセッサを動かすために使用されるデバイスは、約20ミリケルビンの温度で動作します。それは絶対零度をわずか1度の2万分の1上回る温度です。比較のために言うと、物質内のすべての熱運動が理論的に停止する温度である絶対零度はマイナス273.15度です。月の暗い側の表面温度は約マイナス230度まで下がります。ビッグバンの名残である微かな熱の輝きであり、宇宙空間全体をあらゆる方向に満たしている宇宙マイクロ波背景放射は、約2.7ケルビン、つまり約マイナス270度にあります。文字通りの意味で、宇宙空間の平均温度よりも冷たいのです。
これらの冷蔵庫の構造は、その言葉から連想されるものとは全く似ていません。それは天井から吊り下げられた一連の円筒形のステージです。外側のシールドの約50ケルビンから、次のステージでは4ケルビン、次に約800ミリケルビン、そして100ミリケルビンへと段階的に温度が下がり、最終的にコア部分の動作の下限である20ミリケルビンに達します。この組み立て部全体は金メッキされた銅製のシールドで覆われた円筒形の真空チャンバーに収められており、まるでエンジニアが悪夢の中で道を間違えて作ったシャンデリアのようにぶら下がっています。マイクロ波ケーブルが神経経路のように各ステージを下り、底にある量子ビットと会話するためのパルスを伝達します。
超伝導プロセッサの場合、これらの量子ビットはジョセフソン接合と呼ばれるものを中心に構築されています。ジョセフソン接合は本質的に、極めて薄い絶縁層によって隔てられた2つの超伝導材料です。非常に薄いため、量子力学的トンネル効果がその間で発生する可能性があります。電子、より正確にはクーパー対と呼ばれる電子のペアが、壁を乗り越えることなく障壁を通り抜けることができます。これは古典物理学には類似するものがない現象です。これらの接合を絶対零度近くまで冷却し、適切な動作パラメーターで実行すると、それらは人工の原子のように振る舞います。それらは不連続なエネルギー準位を持ち、制御された方法でマイクロ波パルスに応答します。そして決定的なことに、それらは量子重ね合わせの状態に置くことができるのです。
ここで、私たちが日常生活で使っている言葉が役立たなくなり始めます。注意が必要です。量子ビットは0と1の両方に同時になれるという表現を、おそらく聞いたことがあるでしょう。それは技術的には真実ですが、重要な点で少し誤解を招く表現でもあります。重ね合わせ状態にある量子ビットは、空中で回転しているコインが、密かに表か裏のどちらかでありながら、ただまだ明らかになっていないような状態とは異なります。物理学者が確率振幅と呼ぶものによって記述される、両方の状態の組み合わせに純粋にあるのです。確率振幅とは、各結果の可能性と、異なる重ね合わせが互いにどのように干渉するかを決定する位相と呼ばれるものの両方をエンコードする複素数です。
この位相と干渉の話は、些細なことではありません。これがすべてなのです。量子計算の核心は、単一のビットに多くの情報を保存することではありません。それは確率振幅が干渉する仕組みを利用することです。正しい答えにつながる計算経路を増幅し、間違った答えにつながる計算経路を相殺します。機械はより速く推測しているのではありません。機械は、波のような干渉を使用して確率空間をナビゲートしており、これには古典的な対応物がありません。便利な比喩として、ノイズキャンセリングヘッドホンがあります。これは周囲のノイズの鏡像となる音波を生成し、2つを相殺させることで機能します。量子アルゴリズムは、確率振幅を使ってこれと類似したことを行います。間違った答えを互いに破壊的に干渉させ、正しい答えを建設的に補強するように設計されています。
しかし、これらすべては量子状態がコヒーレントなまま維持される場合にのみ機能します。計算が完了するまで、繊細な重ね合わせと位相の関係が十分に長く維持される場合です。そしてここで、エンジニアリングの課題がほとんど滑稽なほど難しくなります。量子状態は乱れに対して非常に敏感です。室温の熱放射からのたった一つの迷走光子。外を通るトラックから床を伝わる振動。近くの電話や送電線からの電磁干渉。これらはいずれもデコヒーレンスと呼ばれるものを引き起こす可能性があります。量子状態が古典的状態へと崩壊し、進行中の計算を破壊してしまうのです。
だからこそ冷蔵庫が存在するのです。だからこそ金メッキのシールドが存在するのです。だからこそ量子コンピューティングの研究所は、人類の手によって作られた中で最も注意深く隔離された環境の一部となっているのです。あなたは本物の物質で作られた物理システムの中で、宇宙そのものが絶えず破壊しようとしている量子状態を維持しようとしているのです。人間の観察だけでなく、環境とのあらゆる相互作用を含む、量子力学的な意味での観察という行為は、計算にとって致命的です。現実の他の部分からほぼ完全に隔離された状態でしか存在し得ないものを構築しているのです。
それにもかかわらず、これらすべての困難に逆らって、機械は機能します。状態は十分に長く保持されます。計算は完了します。そしてWillowでは、システムが大きくなるにつれて安定性が増していますが、これはすべてのエンジニアリングの直感が予想するのとは逆の現象です。物理的な量子ビットを追加すると、物質が増え、環境との結合の可能性が増え、ノイズがシステムに侵入する表面積が増えます。熱力学の法則によれば、これは事態を悪化させるはずです。しかしデータは、それが事態を改善することを示しています。
これが単なる賢明なエンジニアリングであり、実装されているエラー訂正コードが単に非常に優れていて、閾値以下の挙動が理論的な予想通りに実際に機能しているだけだというストーリーも存在します。そのストーリーは正しいのかもしれません。しかしそれは、デイヴィッド・ドイッチュのような物理学者が1985年以来主張してきたもう一つのストーリーの隣にあります。その安定性は、単一の宇宙内でシステムが行っていることによってではなく、システムが多くの宇宙にまたがって同時に行っていることによって生じるというものです。その見方では、機械がそもそも機能する理由、デコヒーレンスに抵抗する理由、量子ビットを追加することで不安定になるのではなく安定化する理由は、計算の負荷が現実の並行する分岐にまたがって分散されており、エラー訂正はある意味でそれらの分岐にわたる量子平均化の形態だからです。これは非常に大きな意味を持つ主張です。しかし、それを退ける前に、1985年に物理学者がその結論に達せざるを得なかった数学を理解する必要があります。なぜなら、量子コンピューティングの計算を慎重に行うと、観測可能な宇宙には単純に収まりきらない場所へと導かれるからです。
宇宙の限界を超える計算
パート3。一緒に少し計算してみましょう。複雑なものではなく、ただの掛け算と正直な計算です。量子コンピューティングについて最も不安にさせるのはハードウェアではありません。数字なのです。そしてその数字を結論までたどっていくと、2つの説明からどちらかを選ぶことになります。そしてどちらも決して心地よいものではありません。
ここから始めましょう。古典的なコンピューターは情報をビットで保存します。各ビットは0または1です。2つのビットは4つの可能な状態を表すことができます。00、01、10、11。3つのビットは8つの状態を表すことができます。古典的なシステムが表すことができる状態の数は、単純な意味でビットの数に比例して直線的に増加します。ビットを1つ追加するごとに、可能な状態の数は2倍になります。10ビットで1,024の可能な状態があります。50ビットで1,000兆を超える可能な状態があります。もちろん、機械は常にそれらの状態のうちの1つにのみ存在します。状態間を移動し、順番に処理することはできますが、一度に存在するのは1つです。
量子コンピューターは根本的に異なることを行います。重ね合わせ状態にある単一の量子ビットは、単に0または1を表すのではありません。私たちが議論した確率振幅によって記述される両方の組み合わせを表します。重ね合わせ状態にある2つの量子ビットは、4つの2ビット状態すべてを同時に表します。3つの量子ビットは8つの3ビット状態すべてを同時に表します。10量子ビットは1,024の状態すべてを同時に表します。50量子ビットは1,000兆の状態すべてを同時に表します。システムはこれらの状態間を順番に移動するのではありません。それらすべてに同時に存在し、それらすべてを並行して操作し、干渉を通じて出力を作成します。
さて、これを300量子ビットに拡張してみましょう。2の300乗は、およそ2かける10の90乗です。これは2の後にゼロが90個続く数字です。これが、300量子ビットの量子コンピューターが同時に存在する状態の数です。そしてここで計算上の問題が始まります。観測可能な宇宙に存在する原子の総数は、約10の80乗と推定されています。完全に重ね合わせの状態で動作する300量子ビットの量子プロセッサは、空間のあらゆる点から観測可能な宇宙の果てまで、私たちがあらゆる方向に見ることができるすべてのものに含まれる原子の総数を超える数の状態を同時に操作していることになります。300量子ビットのシステムです。たった300です。Google Willowは105個の物理量子ビットを持っています。IBMのロードマップでは、この10年以内に数千の量子ビットを目標としています。人々は20年以内に100万量子ビットのシステムについて真剣に語っています。これらのシステムが存在する状態空間は、300量子ビットのそれを丸め誤差のように見せます。
さて、ここで通常誰かが反論を提起します。それはもっともな意見ですので、直接お答えしましょう。古典的なメモリがデータを保存するような方法で、システムが実際にそれらすべての状態を同時に保存しているわけではないと言うかもしれません。確率振幅は、物理的な場所に置かれている物理的な物体ではありません。計算は量子発展の数学的記述であり、測定すれば1つの答えが得られます。では何がパラドックスなのでしょうか。
パラドックスはこれです。計算は間違いなく行われています。それらすべての状態間の干渉は間違いなく発生しています。正しい答えは、もしそれが古典的であれば天文学的な数の可能性を並行して調べる必要があるプロセスから導き出されます。この機械は、プロセスのどこかの段階で指数関数的に大きな可能性の空間を同時に評価していた何かによってしか説明できない結果を出力します。常に1つの状態にしか存在しなかったプロセスから、そのような結果を得ることはできません。出力がどのように生成されたかという数学は、中間のステップが重ね合わせ全体にわたって同時に機能する何かを含むことを必要としています。
ですから、問題はシステムがそれらすべての状態にあったかどうかではありません。量子力学の数学はそれがそうであったことを要求しています。問題は、どのような物理的基盤がその情報をホストしていたのかということです。それはどこにあったのでしょうか。300量子ビットのシステムでは、状態空間は観測可能な宇宙のあらゆる原子の情報容量を超えています。2かける10の90乗の振幅を10の80乗の原子に保存することはできません。文字通り計算が合いません。状態が足りなくなる前に、宇宙が足りなくなるのです。
物理学者は、量子状態が存在する数学的空間に名前をつけています。それはヒルベルト空間と呼ばれます。そしてヒルベルト空間は、非常に正確な意味で物理空間よりも大きいのです。これは比喩ではありません。中規模の量子システムを完全に記述するために必要な空間が、私たちがこれまでに観察または測定したどの物理空間の次元も超えるというのは、数学的な事実です。計算は宇宙よりも大きな空間で行われています。それでは、それはどこなのでしょうか。これは修辞的な疑問ではありません。これは物理学の基礎における真正でオープンな、活発に議論されている疑問なのです。そして、この疑問を最も強く押し進め、単なる哲学的問題として扱うことを拒否し、決定的な物理的答えがあると主張したのが、デイヴィッド・ドイッチュという物理学者でした。
彼は量子コンピューターが理論的な対象以外のものとして存在する前の1985年にこの疑問を投げかけました。理論物理学の厳密なツールを使って問いかけたのです。そして彼が到達した答えは、それ以来科学界が取り組み続けているものでした。もし情報をこの宇宙に保存できないのなら、選択肢は1つしかありません。それは他のどこかに保存されているのです。
誰もが無視した物理学者
パート4。1985年、オックスフォード大学のデイヴィッド・ドイッチュという若い物理学者が、ロンドン王立協会の会報に論文を発表しました。タイトルは量子理論、チャーチ・チューリングの原理、そして万能量子コンピューターでした。これは計算機科学の歴史において最も重要な論文の一つです。また、それは長い間、最も無視された論文の一つでもありました。間違っていたからではなく、ほとんどの物理学者が進む準備ができていない方向へ、あまりにも正しすぎたからです。
ドイッチュのその論文での中心的な主張は、一見シンプルでした。彼は、量子コンピューターはその機能の性質上、単一の宇宙の中では計算を実行できないと主張しました。先ほど説明した指数関数的なリソースの必要性が、物理的にそれを不可能にします。処理される情報、つまり指数関数的に多い可能性の同時評価は、物理的な基盤を必要とします。その基盤は私たちの観測可能な宇宙の物質であることはできません。したがって、基盤は他の場所になければなりません。そして、他の場所が意味をなす唯一の一貫した物理的イメージは、量子力学の多世界解釈であるとドイッチュは主張しました。
なぜドイッチュがそこに到達したのかを理解するには、彼が依拠した物理学を理解する必要があります。それは約30年前にさかのぼり、プリンストン大学の大学院生であったヒュー・エヴェレット3世に行き着きます。エヴェレットは1957年にジョン・ホイーラーの指導の下で博士論文に取り組み、量子力学の創設以来悩まされてきた問題の解決を試みていました。この問題は測定問題と呼ばれます。1920年代にニールス・ボーアやヴェルナー・ハイゼンベルクのような人々によって定式化された標準的な量子力学では、量子システムは重ね合わせの状態で、シュレディンガー方程式に従って、正確な数学的ルールに従って滑らかに決定論的に進化し、測定されるまで続きます。測定の瞬間に、重ね合わせは崩壊します。1つの結果が選択されます。他のすべての結果の確率振幅は消滅します。これは波動関数の収縮と呼ばれます。
問題は、波動関数の収縮がシュレディンガー方程式によって記述されていないことです。それは、数学から導き出されるからではなく、私たちが観察するものと一致するという理由で理論に追加された別個の公準です。量子システムを測定するたびに、あなたは1つの結果を見ます。だから崩壊は起こらなければならない。しかし、方程式はそのようなことは言っていません。方程式は、重ね合わせが進化し続け、分岐し、決して崩壊しないと言っています。何かが間違っているか、何かが不完全なのです。そして、量子力学の基礎に真剣に取り組んだことのある物理学者は皆、それを知っています。
エヴェレットの解決策はそのシンプルさにおいて過激でした。彼は、もし方程式が正しいとしたらどうなるか、もし崩壊がないとしたらどうなるか、量子測定が起こったとき、あらゆる可能な結果が実際に起こるとしたらどうなるだろうかと問いかけました。順番にではなく、1つが勝利し他が消滅するという意味で確率的でもなく、決して崩壊しない普遍的な波動関数の並行する分岐の中で、それらすべてが同時に起こるのです。測定機器、実験者、研究所、惑星、銀河、そのすべてが、考えられる結果ごとに別々のバージョンに分岐します。それぞれのバージョンは現実であり、分岐が相互作用しないため、それぞれが他のバージョンを認識しません。これが多世界解釈であり、エヴェレット解釈とも呼ばれます。そして1957年、それは予想通りの冷ややかな反応で受け止められました。
量子力学の偉大な家長であるニールス・ボーアは、コペンハーゲン解釈として知られるようになるものを確立するのに30年を費やしていました。それは量子力学は測定結果を予測するためのツールであり、現実の記述ではないという見方であり、測定の間に何が存在するかについて疑問を投げかけることは無意味であるという見方です。20世紀半ばの物理学界に対するボーアの知的な影響力は絶大であり、実際に何が起こっているのかと言おうとするあらゆる試みを彼が退けたことは、事実上最終決定でした。エヴェレットの論文は削られ、短く、野心的でない形にされ、ほとんど注目されないジャーナルに発表されました。
エヴェレットは学術的な物理学を完全に去りました。彼は冷戦時代に国防総省で核戦略とオペレーションズ・リサーチの仕事に就きました。多くの証言によれば、彼は深く不幸な男になり、酒を飲みすぎ、1982年に51歳で心臓発作で亡くなりました。彼は自分のアイデアが復権するのを見ることはありませんでした。数十年後にそれが物理学の基礎において最も真剣に議論される枠組みの一つとなり、単なる可能性としてではなく、余分な公準を追加することなく単に数学を額面通りに受け取る、量子力学の最も保守的な解釈であると主張されるようになることを知ることはありませんでした。
デイヴィッド・ドイッチュはエヴェレットのことを知っていました。彼はエヴェレットの枠組みを、多くの哲学的選択肢の一つとしてではなく、量子力学が記述しているものの文字通りの物理的イメージとして、非常に真剣に受け止めました。そして彼が量子コンピューターが実際に行うことを分析するために腰を下ろしたとき、多世界というイメージは結果と一致するだけでなく、結果によって要求されたのです。ドイッチュの分析によれば、量子計算とは、波動関数の並行する分岐で同時に実行されている並行計算間の干渉です。機械が指数関数的に大きな問題空間を評価できる理由は、指数関数的に多い評価が、指数関数的に多い並行現実にわたって分散されているからです。各分岐は小さな作業を行います。分岐間の干渉が答えを生み出します。あなたは自分の分岐で結果を収集しますが、労働は至る所で行われたのです。
これは小さな主張ではありません。ドイッチュは多世界解釈が興味深い哲学的選択肢だと言っていたのではありません。彼は、何が起こっているかの物理的記述として多世界を真剣に受け止めた場合にのみ、量子コンピューターの動作原理を説明できると言っていたのです。彼はハードウェアが動作するとき、それが分岐が現実であることの証明であると言っていました。他の宇宙は単に可能であったり数学的であったりするだけではなく、それらは荷重を支え、実際の計算作業を行っているのだと。
そして、この物語をこれほど奇妙で説得力のあるものにしているのは次の点です。ドイッチュが1985年にそれを発表したとき、量子コンピューターは存在していませんでした。それらは理論上のものでした。SycamoreやWillowは数十年先の話でした。彼は誰かが実際に機械を作る前に、これらの機械が現実について何を意味するかを予測していたのです。今、私たちはそれらを作りました。今、それらは動いており、彼の枠組みが予測した通りのこと、つまり単一の宇宙の物理的リソースを超える計算を実行しています。1985年に同僚のほとんどに無視された男は、静かに、そして忍耐強く正しかったのです。
しかし、私たちはまだ解釈の領域にいます。並行宇宙の存在を認める必要のない代替の枠組みを見つけようと思えば見つけられる空間にまだいます。そこで、実験的証拠について話しましょう。なぜなら、2022年にノーベル賞委員会は、物理学における最高の栄誉を3人の人々に授与し、彼らの業績を合わせると、ドイッチュの結論から逃れる哲学的な出口のほとんどが塞がれるからです。
ノーベル賞が静かに裏付けたもの
パート5。2022年10月、スウェーデン王立科学アカデミーは、物理学のノーベル賞を3人の実験物理学者に授与しました。パリ・サクレー大学のアラン・アスペ、J・F・クラウザー＆アソシエイツのジョン・クラウザー、そしてウィーン大学のアントン・ツァイリンガーです。プレスリリースでは、この賞はもつれ光子を用いた実験によるベルの不等式の破れの実証と、量子情報科学の先駆的研究に対して授与されたと記述されています。それは完全に正確な記述です。同時に、ベルの不等式が何であるか、そしてそれを破ることが何を意味するのかを理解していれば、ノーベル賞の発表に書かれた中で最も重要な一文の一つでもあります。
その理由を理解するには、1964年のアイルランドの物理学者ジョン・スチュワート・ベルの論文にさかのぼる必要があります。ベルはCERNで働いており、1935年にアルベルト・アインシュタイン、ボリス・ポドルスキー、ネイサン・ローゼンがいわゆるEPR論文を発表して以来、物理学の中でくすぶっていた論争を解決しようとしていました。アインシュタインの不満は、彼が不気味な遠隔作用と呼んだものに対するものでした。それは、1つの粒子を測定すると、それらの間の距離に関係なく、遠く離れたもつれた粒子の状態に瞬時に影響を与えるという量子力学の明白な意味合いです。アインシュタインはこれを容認できないと考えました。彼は当時の量子力学が不完全であると信じていました。隠れた変数、つまり物理的現実のより深い層、粒子自体によって運ばれる局所的な情報があり、それが事前に測定結果を決定しているはずだと考えました。彼のイメージでは、見かけ上の不気味さは単なる無知に過ぎませんでした。粒子は自分が何をするかをすでに知っており、私たちがその情報にまだアクセスできなかっただけだというのです。
ベルは1964年の論文で、この直感はどれほど理にかなって聞こえても、テスト可能な予測を生み出すことを示しました。もし粒子が局所的に測定結果を決定する隠れた変数を持っているならば、遠く離れたもつれた粒子での測定間の相関関係は、特定の数学的限界に従わなければなりません。これらの限界を私たちはベルの不等式と呼んでいます。そしてここが重要な点です。量子力学はそれらの限界が破られると予測しています。2つの理論は、遠く離れた2つの検出器でもつれた粒子を測定したときに見られる結果について、異なる数値予測を行います。ベルは哲学的な議論を物理学の実験に変えたのです。
最初の本格的な実験的テストは1972年にクラウザーと共同研究者のスチュアート・フリードマンから行われました。彼らの結果は隠れた変数よりも量子力学を支持していましたが、実験には抜け穴がありました。検出器の効率や測定のタイミングに関する技術的な問題があり、隠れた変数の独創的な擁護者であればまだ抜け出すことができたのです。1980年代初頭にパリで研究していたアラン・アスペが、それらの抜け穴の中で最も重要なものを塞ぐために特別に設計された一連の実験を行うまで、さらにほぼ10年を要しました。1981年と1982年に発表されたアスペの結果は、非常に高い統計的有意性でベルの不等式を破りました。隠れた変数、少なくとも局所的な種類のものは、深刻な問題に直面しました。
しかし論争は、2015年の一連の抜け穴のない実験、最も注目すべきはデルフト大学のロナルド・ハンソンのグループによって実施された実験まで完全に解決することはありませんでした。これらの実験では、1キロメートル以上離れたもつれた電子を使用し、両方の測定が完了する前に光速で移動する信号が検出器間を通過できないほど十分に速く測定を行うことで、検出の抜け穴と局所性の抜け穴の両方を同時に塞ぎました。結果は、ベルの不等式が再び決定的に破られ、以前の実験が残していた出口はなくなりました。
この30年にわたる実験プログラムの結論、アスペ、クラウザー、ツァイリンガーにノーベル賞をもたらした結論はこれです。局所的な隠れた変数理論は除外されました。粒子はあらかじめ存在する答えを持っていません。量子力学の根底に、すべてが密かに事前に決定されているような、より深い古典的な現実は存在しません。宇宙は最も根本的なレベルにおいて、アインシュタインが望んだようには機能しません。もつれた粒子間の相関は本物です。それらは非古典的であり、測定サイト間を局所的に移動する情報を含むいかなるメカニズムによっても説明できません。
さて、ここで注意が必要です。ポピュラーサイエンスの文章が時々行き過ぎてしまうポイントだからです。ベルの不等式の破れは、もつれた粒子の1つを測定することで、もう1つに信号を送ることを意味しません。情報が光より速く移動することを意味するものでもありません。量子力学にはノー・シグナリング定理と呼ばれる結果があり、もつれを利用して古典的な情報を瞬時に送信することはできないことを示しています。アスペの実験とそれに続くすべてのベルテストはこれと一致しています。その相関を使用してメッセージを送信することはできません。しかし、相関は本物です。それはそこにあります。それはいかなる古典的な局所モデルが生み出せるものをも超えています。何かが、古典的な信号によって媒介されない方法でそれらの粒子を接続しています。現実の構造に関する何かが、いかなる局所的な説明も超えて相関する結果を2つの離れた検出器で生み出しているのです。
宇宙は局所的に計算しません。この言葉は重要です。それは、遠く離れた2つのもつれた粒子の関係が、それらの間の空間に存在するいかなるメカニズムによっても維持されていないことを意味します。それは何らかの根本的な意味で非局所的な関係です。そして今、これが私たちが最初に始めた疑問に戻ってきます。もし量子力学が非局所的であるなら、もしもつれた粒子間の相関がいかなる局所的な隠れた変数によっても説明できないなら、もし宇宙が純粋にそのすべての情報を局所的なパケットに保持していないのなら、量子計算がどこで起こっているのかという疑問はさらに切実なものになります。
機械は非局所的です。それらが利用するリソースは非局所的です。それらが利用する相関関係は、空間と時間という私たちの従来のイメージに収まるメカニズムでは説明できません。ドイッチュの枠組みでは、この非局所性はまさにあなたが予想する通りのものです。計算は現実の並行する分岐にまたがって分散されています。それらの分岐間の干渉が、単一の分岐内から見ると非局所的に見える相関関係を生み出します。ノーベル賞はドイッチュの正しさを直接証明したわけではありませんが、最も快適な代替案、つまり隠れた変数が情報を局所的に運び、量子ストーリーの根底に古典的ストーリーが存在するという選択肢を閉ざしました。そのストーリーは実験的に除外され、残されたストーリーはさらに奇妙なものです。
残されたものは、真の物理的リソースとしてのエンタングルメントです。本物の何か。任意の距離にわたって維持できる何か。それを拡大すると量子コンピューターを動かすエンジンとなる何かです。しかし、そのリソースは一体どこにあるのでしょうか。それはどこまで伸びるのでしょうか。2017年、ある人工衛星がその問いに答えましたが、それはもっと見出しになるべきでした。
検証の崩壊
パート6。量子コンピューティングが生み出す問題で、ほとんど誰も大声で語っていないものがあります。それは、人類の文明が組織化された科学の始まり以来、密かに依存してきたものに直接切り込むものです。その問題とは検証です。問題は、私たちが出力をチェックできない機械を作っているということです。これはエンジニアリング上の些細な不便ではありません。それは量子計算とは何かという構造的な特徴です。古典的なコンピューターが計算を実行するとき、あなたはそれをもう一度実行するか、それをクロスチェックする別のアルゴリズムを実行するか、多くの場合出力から逆算することによって、結果を検証することができます。プロセスは監査可能です。入力から出力に至る推論の連鎖があり、原則としてすべてのステップで検査することができます。数学と科学の歴史は、この能力の上に築かれています。査読が機能するのは、結果を再現できるからです。証明はチェックできます。主張はテストできます。
2020年、カリフォルニア工科大学のトーマス・ヴィディックを含む研究チームは、受けるべき世間の注目を全く集めていない複雑性理論の結果を発表しました。その結果は MIP* = RE と読める記法の行で述べられており、その意味を解き明かすまではアルファベットのスープのように聞こえます。MIP*は、エンタングルメントを共有する2つの量子証明者と相互作用する古典的コンピューターによって検証可能な計算問題のクラスです。REは帰納的可算な問題のクラスです。大まかに言えば、任意に長い時間がかかるものも含めて、そもそも解決可能な問題のクラスを意味します。この定理が言っているのは、量子エンタングルメントは、古典的に検証可能なものよりも厳密に、途方もなく、理解を超えて大きい問題のクラスへのアクセスを検証者に与えるということです。
量子コンピューティングにとっての意味はこれです。量子コンピューターがより強力になるにつれて、それらが生み出す出力は、古典的なシステムの検証能力をますます超えるようになります。十分に大きな量子計算は、どんなに大きな古典的コンピューターであっても、どんなに長く実行したとしても、確認も否定もできない結果を生み出します。古典物理学の観点から見れば、その計算はオラクル、つまりブラックボックスになります。あなたが質問を入れると、答えが出てきますが、その答えが正しいかどうかを独立して知る方法はありません。
それが科学にとって何を意味するか考えてみてください。最も基本的な形での科学的手法は再現性です。実験は再現可能でなければなりません。結果は独立した手段によって検証可能でなければなりません。主張はチェック可能でなければなりません。これらは単なる手順の好みではありません。経験的知識の荷重を支える前提なのです。それらを取り除けば、もはやいかなる意味のある意味においても科学を行っていることにはなりません。何か別のことを行っているのです。それはプロセスに対する信仰に近い何かです。
現在、完全に検証不可能な結果を生み出している量子コンピューターの段階にはまだ達していません。今日存在するシステムはまだ十分に小さく、かなりの計算コストをかければ古典的な手段によるスポットチェックが可能です。しかし、軌道は明らかです。Willowのパフォーマンスは、完全な古典的検証が非現実的な領域にすでに押し入っています。IBMのロードマップ、Googleのロードマップ、Microsoftのロードマップ、それらはすべて、機械が対象のアプリケーションに到達するずっと前に検証が不可能になるシステムを目指しています。
これは奇妙な認識論的状況を生み出します。私たちは原則として、新薬発見、材料科学、財務の最適化、ロジスティクス、暗号化といった、途方もなく実用的な重要性を持つ問題を解決できる機械を手に入れます。そして、独立した手段でそれらを完全に検証することなく、その出力を信頼しなければならなくなります。信頼は、プロセスに、物理学に、機械が正しく機能するはずだと予測する理論的枠組みに置かれなければなりません。しかし、その理論的枠組みである量子力学こそが、その物理的解釈について私たちが同意できないものなのです。それを作った文明によってチェックできない方法を使って、動作原理が活発な哲学的論争の主題となっている機械の出力を信頼するよう求められているのです。それが検証の崩壊であり、ほとんどの人が認識しているよりも早くやってきます。
これは純粋に抽象的な問題に聞こえるかもしれませんが、非常に具体的な影響を与えます。量子コンピューターが新薬の発見や、古典的コンピューターにはできない方法で分子相互作用をモデル化するために使用される場合、正しい答えともっともらしい間違った答えの違いは、その薬が臨床試験に入るか、あるいはさらに悪い事態になるまで検出できないかもしれません。量子システムが金融モデリングに使用される場合、検証のギャップは、誰も気づかないうちにモデルのエラーが実際の経済システムに波及する可能性があることを意味します。そして、量子コンピューターがいずれ暗号化、つまり地球上のあらゆる金融取引と機密通信を保護する数学的構造に向けられるとき、検証のギャップはまったく異なる方向に切り込みます。そこでは、私たちが出力をチェックできないということではなく、私たちが依存しているものを壊すように出力が設計されているということだからです。
しかし、これには別の側面もあります。機械はより安定しています。エラー率は低下しています。Willowの閾値以下の挙動は、システム規模で信頼できる再現性のある出力に向かって収束していることを意味し、それはより深い疑問を提起します。なぜそれらは収束しているのでしょうか。量子ビットを追加するにつれて、なぜノイズはそうあるべきように蓄積しないのでしょうか。何が安定化を行っているのでしょうか。エラー訂正コードというエンジニアリング上の答えは、その範囲内では真実です。しかし、なぜそれらのコードが機能するのか、なぜ閾値以下の挙動がそもそも達成可能なのか、なぜ単一の物理システムが持つべき以上のエラー訂正リソースにアクセスできるかのようにシステムが振る舞うのかについては、完全には答えていません。その問いへの答えは、ハードウェアだけでなく、量子相関が作用する空間を見る必要があるかもしれません。そしてその空間は、結果として研究所よりも大きいのです。ずっと、ずっと大きいのです。
エラー訂正のパラドックス
パート7。量子エラー訂正は、エンジニアリングの問題のように聞こえて、実は哲学的な問題であることが判明するトピックの一つです。その理由を理解するには、1995年までさかのぼる必要があります。ピーター・ショアという数学者兼物理学者が、後に現代のすべての暗号を脅かす量子アルゴリズムにその名を残すことになる人物ですが、量子エラー訂正が理論的に可能であることを示す論文を発表しました。当時は、これは明白ではありませんでした。実際、ショアの論文以前は、多くの物理学者がデコヒーレンスのせいで大規模な量子コンピューティングは永久に不可能だと信じていました。
その議論は次のようなものでした。量子状態は壊れやすく、エラーは蓄積し、量子力学では古典的なデータをコピーするように量子ビットを単純にコピーすることは許されないため、計算が破壊される前にエラーを捕らえて修正する方法はないように思われました。ショアの洞察は、根底にある量子状態を直接測定することなくエラーを検出して修正できるように、複数の物理量子ビットにまたがって論理量子ビットを冗長にエンコードすることで保護できるというものでした。量子ビット間の特定の関係、スタビライザー測定と呼ばれるものを測定することができます。これにより、量子ビットの実際の状態が何であるかを知ることなく、エラーが発生したかどうかを知ることができます。これにより、エラーを修正できるようにしながら、量子情報が保持されます。それは美しいアイデアです。理論は機能しました。
問題は、ハードウェアがそれを実用化するのに十分なほど良くなるかということでした。その答えは、その直後に続いた閾値定理を必要としました。閾値定理は、個々の物理量子ビット操作のエラー率が特定の臨界値、アーキテクチャによって正確な数値は異なりますが、おおよそ1パーセント程度を下回ると、論理量子ビットあたりの物理量子ビットをより多く使用するという代償を払って、量子エラー訂正を使用して論理エラー率を任意に減らし、計算を事実上望むだけ信頼できるものにすることができると述べています。閾値を下回れば、物理量子ビットが多いほど論理エラー率は低くなります。閾値を上回れば、物理量子ビットが多いほど総エラー数は増加します。閾値が臨界点です。
2024年12月のGoogle Willowは、複数のコード距離にわたって閾値以下のスケーリングという最初の実際のハードウェアの証拠を実証しました。コード距離は、論理量子ビットごとに使用される物理量子ビットの数の尺度です。Willowは、コード距離を増やすと、つまり各論理量子ビットをエンコードするためにより多くの物理量子ビットを使用すると、エラー率が低下し、閾値以下のハードウェアについて閾値定理が予測した通りの指数関数的な方法で低下することを示しました。これは、1995年以来空中に漂っていた理論的結果の実験的確認でした。それは実際に可能なのです。
しかし、ここにできるだけきれいに述べられたパラドックスがあります。エラーを修正するには、測定を行う必要があります。量子システムで測定を行うということは、それと相互作用することであり、それは一般にデコヒーレンスを引き起こし、それがエラーを引き起こします。エラーを修正するために、エラーを引き起こすプロセスを使用しているのです。一見すると、これは循環的で自己矛盾しているように聞こえます。なぜ機能するのでしょうか。
形式主義が与える答えは、保護されている論理量子状態に関する情報を一切抽出することなく、発生したエラーのパターンであるエラーシンドロームを特定するのに十分な情報のみを抽出するように、スタビライザー測定が注意深く設計されているというものです。それらは量子ビット自体ではなく、量子ビット間の関係を測定します。そして、それらはエラー情報にのみアクセスし、論理情報にはアクセスしないため、論理的な重ね合わせを崩壊させません。エラーが特定され、修正されます。計算は続行されます。これは数学的に厳密です。それは機能します。
しかし、それは微妙な何かに依存しています。エラーは局所的かつ独立していなければなりません。各物理量子ビットは、1つの量子ビットの障害が他の量子ビットの相関障害を引き起こすことなく、それ自体で障害を起こさなければなりません。エラーが相関している場合、システム内のノイズがランダムではなく構造化されている場合、エラー訂正コードは独立したランダムなエラー専用に設計されているため、失敗します。相関エラーは、シンドローム測定には論理エラーのように見えるエラーパターンを作成し、計算を破壊することなく修正することはできません。
これが意味するのは、量子エラー訂正が機能する理由、Willowが閾値以下の挙動を達成できる理由は、各物理量子ビットがシステム全体と集団で相互作用するのではなく、その局所的な環境とのみ相互作用しているかのように量子システムが振る舞うことに依存しているということです。ノイズは局所的として扱われます。修正は局所的です。コードは局所的に機能します。しかし、保護されている量子状態は局所的ではありません。それらはもつれています。それらは非局所的です。ドイッチュの枠組みでは、それらは現実の並行する分岐にまたがって分散されています。エラー訂正が保護している計算は、その核心において、局所的な操作によって維持されている非局所的な現象なのです。
そして、その組み合わせ、つまり非局所的な計算を保護する局所的なエラー訂正は、2種類のダイナミクスが異なる時間スケールと異なるメカニズムで動作するためにのみ機能します。ノイズは局所的な物理的相互作用を通じて量子ビットに結合します。エンタングルメントは、ある意味で局所的な物理的相互作用よりも深いレベルで動作します。エラー訂正は、計算が存在するより深い構造を乱す前にエラーを捕らえています。
もしそのより深い構造が普遍的な波動関数であるなら、もし計算が並行する分岐にまたがって真に分散されているなら、Willowが実証したことは、単一の分岐内で完全に行われる局所的な操作を通じて、それらの分岐をコヒーレントで整列させた状態に保つことができるということです。この解釈では、あなたは1つの宇宙でエラー訂正を行っており、それが多くの宇宙にまたがって行われている計算に安定性を伝播させているのです。閾値以下の挙動は、エンジニアリングが機能しているというだけでなく、保護されている構造が単一の物理的実例に限定されないため、いかなる古典的システムよりも堅牢であるという証拠です。
それは推測的な解釈です。しかし、私たちが知っているすべてと一致しています。そして、非古典的な堅牢性を示しているのはこの機械だけではありません。2017年、ある人工衛星が、エンタングルメントは星々の間の距離を気にしないということを私たちに教えてくれました。
現実であることを証明した人工衛星
パート8。2017年、墨子と名付けられた中国の研究衛星が、地球の表面から約500キロメートル上空の太陽同期軌道上にありました。この名前は、光学における最初の記録された実験のいくつかを行った古代中国の哲学者、墨子にちなんで名付けられました。この衛星は前年、パン・ジエンウェイ物理学者が率いる中国科学院のチームによって打ち上げられていました。その目的は、説明としては単純ですが、意味合いとしては驚くべきものでした。それまで想像もできなかったような距離で隔てられた地上局の間に量子エンタングルメントを分配することです。
墨子が2017年に行った実験は、地上にある2つのステーションで検出された光子間のエンタングルメントを確立しました。一つはデリンハに、もう一つは麗江にあり、1200キロメートル以上離れています。フランスとドイツを合わせた幅に相当します。ロンドンからアテネまでの距離です。衛星はもつれた光子のペアを生成し、各ペアから1つの光子を各地上局に送信しました。そしてエンタングルメントは生き残りました。2つのステーションでの測定間の相関関係は、ベルの不等式を11標準偏差以上も破りました。曖昧さはありませんでした。エンタングルメントは本物でした。つながりは維持されました。
翌年、墨子は、一連の地上局と中継点としての衛星を使用して、7,000キロメートル以上離れた北京とウィーンの間で量子鍵配送テストを実施するために使用されました。これは最初の大陸間量子セキュア通信でした。このテストは、計算の困難さではなく物理法則によってセキュリティが保証される通信である量子暗号が、地球規模で実行可能であることを実証しました。
さて、私たちが向かっている疑問にとって、なぜこのことが重要なのでしょうか。なぜなら、墨子の実験は、研究所での実証が常に示唆しつつも、決してそれほど明確には実証してこなかったことを確立したからです。エンタングルメントは距離を気にしません。2つの光子間の量子相関は、一度確立されると、粒子間の分離に関係なく維持されます。1200キロメートルの大気、天候、地球の丸み、軌道速度による相対論的効果。そのどれもエンタングルメントを壊しません。それら2つの光子の関係は、どんな研究所よりもはるかに大きい規模を超えて持続します。
そして、ここに量子コンピューティングにとっての決定的な意味合いがあります。もしエンタングルメントがリソースであり、それが実際にそうであり、量子計算が利用する核心となるリソースであるなら、そのリソースはそれを生成するハードウェアの物理的体積に制約されません。量子計算を可能にする相関関係は、古典的な対応物のないスケールで動作します。1つの粒子の特性が、利用可能な時間内にそれらの間を移動できる場、ワイヤー、信号など、直接の物理的接続なしに、1200キロメートル離れた別の粒子の特性と完全に相関したままになる古典的なメカニズムはありません。それでもなお、相関関係はそこにあります。
先ほど議論したように、ノー・シグナリング定理は、これを使用して光より速く情報を送信することはできないと教えてくれます。相関関係は本物ですが、反対側でメッセージをエンコードするような方法で、どの相関関係を観察するかを選択することはできません。これは特殊相対性理論の抜け穴ではなく、別の方法でより奇妙なものです。それは、それらの粒子間の関係が、それらの間の空間を通過する物理的な信号ではない何かによって維持されていることを意味します。宇宙はメッセージを送信することなく相関関係を維持しています。送信なしに関係が存在するのです。
どのような物理的イメージがこれと一致するのでしょうか。コペンハーゲン解釈では、単純に尋ねません。波動関数は測定結果を予測するためのツールであり、実際の接続はありません。単なる数学的相関関係があり、その背後にある物理的メカニズムについての疑問は無意味であると考えられます。しかし、コペンハーゲン解釈によるそのような疑問の却下は、定着した物理学ではなく、ボーアが個人の力によって強制した方法論的な好みであったことをすでに見てきました。ベルの実験と2022年のノーベル賞は、何か非古典的なことが起こっていることを確認しています。墨子の実験は、それが惑星規模で保持されることを確認しています。
エヴェレットの枠組みにおける説明は、2つの粒子は空間的な分離に関係なく、両方を包含する単一のグローバルな量子状態、単一の波動関数の一部であるというものです。1つの分岐で1つの粒子を測定すると、もつれたペアの対応する粒子は、その同じ分岐で相関した状態になります。相関が維持されるのは、2つの粒子がどれほど離れていても、同じ量子状態の一部であることを決してやめていないからです。
この図式において、空間は量子イベントが発生する根本的な舞台ではありません。量子状態こそが根本であり、量子状態は古典的な物体のように位置を持ちません。これは単なる解釈ではありません。量子コンピューターがどのように構築されるかについてのアーキテクチャ上の意味合いを持っています。原則として、異なる建物、あるいはいつか異なる大陸に物理的に分離されている量子コンピューターのコンポーネントを持ち、それでも計算のためにそれらのエンタングルメントを利用することができます。墨子の実験は、実際のインフラストラクチャにとって重要なスケールで、エンタングルメントが現実の物理環境の移動を生き延びることを確認しています。そして、それが古典的な信号の媒介なしに生き延びるという事実は、量子コンピューターが利用しているリソースが、空間の通常の制約に縛られていないことを意味します。
これは、さらに過激な何かを提案する、2013年に発表された理論につながります。空間自体がエンタングルメントによって作られているかもしれないということです。宇宙の幾何学は、その最も深いレベルにおいて量子的接続の結果かもしれないということ。そして、量子コンピューターはある意味で時空そのものの構造を操作しているかもしれないということです。
ワームホール解釈
パート9。2013年、2人の理論物理学者が数学の方程式のようなタイトルの論文を発表しました。ERイコールEPRです。ERはアインシュタイン・ローゼンを表しており、1935年にアインシュタインとネイサン・ローゼンによる一般相対性理論の論文で予測された、時空の遠く離れた2つの領域間の接続であるワームホールとしてよく知られている理論的構造に与えられた名前です。EPRはアインシュタイン、ポドルスキー、ローゼンを表しており、先ほど説明した量子エンタングルメントとその見かけ上の非局所性に関する同じ1935年の論文のことです。
この2013年の論文の著者は、歴史上最も引用されている物理学者の一人であるフアン・マルダセナと、理論物理学のもう一人の巨匠レオナルド・サスキンドでした。彼らの主張は、ワームホールとエンタングルメントというこれら2つの概念は、単に類似しているだけでなく、同じものであるということでした。ERイコールEPR予想は、あらゆる2つのもつれた粒子は微視的なワームホールによって接続されていると提案しています。比喩としてではなく、数学的な好奇心としてでもなく、時空の構造の物理的な記述としてです。このイメージにおけるエンタングルメントは、長距離にわたって維持される偶然の2粒子間の相関ではありません。エンタングルメントは幾何学的な接続であり、2つの粒子をリンクする時空内の小さく通行不可能な橋なのです。粒子は単に相関しているだけではありません。時空自体の糸によって接続されているのです。
ここで直ちに言っておくと、問題のワームホールは通行可能ではありません。それらを通して信号を送ることはできません。それらを通って移動することはできません。これらはSFのワームホールではありません。これらは情報や物質が通過するための経路を提供せずに2つの領域をリンクする、時空の幾何学におけるトポロジカルな接続、構造なのです。これが、エンタングルメントを光より速い通信に使用できない理由です。この枠組みにおいてさえ、橋は存在しますが、小さすぎて構造化されすぎており、何も通過させることはできません。ノー・シグナリング定理は保持されます。
しかし、その意味するところは通信をはるかに超えています。もしERイコールEPRが正しいなら、時空の幾何学は量子物理学が起こる背景の舞台ではないことを意味します。時空の幾何学は量子物理学によって生み出されるということを意味します。具体的には、時空の構造、つまり私たちが距離と方向として経験する接続のネットワークは、現実を構成する量子状態のエンタングルメント構造の結果なのです。エンタングルメントが多いほど接続性が高まります。エンタングルメントが少なければ、幾何学は引き離されます。エンタングルメントがゼロの極限では、幾何学的な接続は消滅します。空間自体が溶けてしまうのです。
これが創発的時空のアイデアです。私たちがすべての物理的出来事の舞台として経験している空間の3次元と時間の1次元は、根本的なものではないという提案です。それらは派生したものです。より根本的な量子情報の層から創発するのです。関連する変数が位置ではなくエンタングルメントである層からです。
この図式において、量子計算がどこで起きているのかを問うことは、単なる地理についての問いではありません。それは何が地理を作り出しているのかについての問いなのです。これが量子コンピューターにとって何を意味するのでしょうか。量子コンピューターは、もつれた量子ビットのネットワークです。量子ビットの数が増え、エンタングルメントの構造が複雑になるにつれて、ERイコールEPRの枠組みにおけるシステムは、ますます複雑な幾何学的構造を生成しています。プロセッサは単に量子状態を操作しているだけではありません。技術的な意味において、量子幾何学を構築し、そこをナビゲートしているのです。
大規模な量子プロセッサの内部で行われる計算は、私たちがまだ完全には理解していないレベルでは、幾何学的な操作の一形態である可能性があります。量子ビットのエンタングルメントパターンにエンコードされた時空の接続の再配置です。これはSFのように聞こえるかもしれませんし、正直な答えは、それは現在理論的なものであり実験的には確認されていないということです。ERイコールEPR予想は、第一原理から証明されてはいません。それを反証できる直接的な実験によってテストされていません。これは提案であり、理論物理学で最も尊敬されている人々による、影響力があり、数学的に洗練され、広く議論されている提案です。しかし、それは依然として推測の領域にとどまっています。マルダセナとサスキンド自身も、この予想は特定の数学的限界において最もきれいに適用され、最も単純な形では直接現実世界に翻訳されないかもしれないと慎重に指摘しています。
しかし、物理学者がこれを真剣に受け止めるのは、それが証明されているからではなく、それがつながりを持つからです。それは、量子力学と一般相対性理論という、エンタングルメントという単一の概念を通じて1世紀にわたって統合に抵抗してきた2つの理論を結びつけます。時空の幾何学はエンタングルメント構造によって生み出されるため、なぜエンタングルメントが非局所的なのかという幾何学的なイメージを提供します。非局所的な相関は不可解なものではありません。それらはエンタングルメント構造が自らを表現しているだけです。そしてそれは、物理学における最も深い疑問、重力とは何か、そしてそれは量子力学とどのように適合するのか、という問いに対する可能な答えを指し示しています。
もしERイコールEPR予想が正しければ、量子コンピューターは単なる計算ツールではありません。私たちが観察する時空の基底にある空間で、幾何学的構造を構築し横断するエンジンなのです。200秒でSycamoreが実行した計算は、単なる量子計算ではありませんでした。それは空間と時間の下の現実の層に存在する幾何学のナビゲーションでした。そしてそれがシミュレーションできなかった理由は、あまりにも多くの状態を必要としたからというだけではありません。それが横断した幾何学的構造が古典的な記述を持たないからです。
しかし、これさえも最も深い層ではないかもしれません。なぜなら、時空が存在する前、粒子が存在する前、量子場が存在する前に、さらに根本的な何かがあるかもしれないからです。量子力学と一般相対性理論にまたがるキャリアを過ごした物理学者が、最後の数十年を費やして名前をつけようとした何かです。
現実の根底にある情報の層
パート10。ジョン・アーチボルト・ホイーラーは、20世紀の最も影響力のあるアメリカの物理学者の一人でした。彼はブラックホールという言葉を作りました。ニールス・ボーアと共に核分裂の研究を行いました。リチャード・ファインマンの博士課程の指導教員でした。卓越した技術的スキルと、可能な限り最も深い疑問に対する真の欲求を併せ持つ稀有な人物の一人でした。キャリアの後半、70代から80代にかけて、ホイーラーは最終的に3つの単語からなるフレーズに蒸留された単一の疑問にますます夢中になりました。それはit from bitです。
it from bitの背後にあるアイデアはこれです。すべての物理的なもの、すべての粒子、すべての場、時空のすべての領域、宇宙のあらゆるシステムのすべての観測可能な特性は、情報からその存在を派生させている。緩い日常的な意味での情報ではなく、厳密な技術的意味での情報です。二項対立の区別、イエスかノーかの質問に対するイエスかノーかの答え、測定と観察の根底にある根本的な論理構造です。
ホイーラーの見解では、宇宙は情報を運ぶ物質とエネルギーでできているのではありません。宇宙は情報でできており、物質とエネルギーは情報が物理的な形をとったときの姿なのです。物理的世界のitは、二項観測のbitから来ています。これは深く、意図的に奇妙な主張です。宇宙は何でできているかという問いには、原子や量子場やひもではなく、違い、区別可能な状態という答えがあることを意味します。宇宙は、あるものが他のものではないという事実、ある特性が別の値ではなくある値をとるという事実、測定が曖昧さではなく明確な結果をもたらすという事実で作られています。この図式における物理的世界は、それらの区別を生成し処理するシステムなのです。
この主張は純粋に哲学的なものではありません。この方向を指し示す物理的な結果があり、それはランダウアーの原理と呼ばれています。1961年にIBMで研究していたロルフ・ランダウアーは、情報の消去、未知の状態から既知の状態へビットをリセットする行為は、温度とボルツマン定数と2の自然対数を掛けたものに等しい最小エネルギーの放出を伴わなければならないと提案しました。これは些細な技術的脚注のように見えますが、そうではありません。それは情報の消去が熱を発生させることを意味します。情報処理が物理的および熱力学的な結果を伴う物理的プロセスであることを意味します。情報は物理的現実の単なる記述ではありません。物理的現実の一部なのです。
ランダウアーの原理は推測的であり、50年間テストするのは難しいと考えられていました。しかし2012年、リヨン大学の実験によって直接確認されました。セルジオ・チリベルト率いるチームは、制御されたポテンシャル井戸内の小さなコロイド粒子を使用して、1ビットの情報を消去すると、ランダウアーの原理が予測する最小エネルギーが実験誤差の範囲内で正確に散逸することを実証しました。この結果はその後何度も確認されています。情報消去には熱力学的コストがかかる。情報には物理学がある。情報は物理的なのです。
これは、一般相対性理論とブラックホールの熱力学からの概念であるホログラフィック原理につながります。1990年代、ヤコブ・ベッケンシュタイン、スティーヴン・ホーキング、そして後にヘーラルト・トホーフトとサスキンドによる研究は、空間のあらゆる領域の最大情報コンテンツは、その領域の体積ではなくその表面積に比例することを確立しました。領域の境界は一定量の情報しかエンコードできません。そしてその情報限界が、その領域の内部で起こり得るすべてを制限します。情報は3次元のバルクに保存されるのではありません。2次元の表面に存在するのです。
ホログラフィック原理は、1997年にマルダセナによって開発されたAdS/CFT対応において最も明確に定式化されています。これは、高次元の曲がった時空における量子重力理論と、その時空の境界における場の量子論との間の具体的な数学的双対性を提供します。これは理論物理学において最も正確にテストされた双対性です。それは機能し、私たちが経験する3次元の世界は、正確な技術的意味において、2次元の表面にエンコードされた情報の投影であるかもしれないと教えてくれます。
これらすべては量子コンピューターにとって何を意味するのでしょうか。もし物質が情報であり、時空が情報であり、現実の最も深いレベルでの構造が二項対立の処理とエンコーディングであるなら、量子コンピューターは現実についての情報を処理するツールではありません。量子コンピューターは、現実がその最も根本的なレベルで行っていることを実行している現実の一部なのです。それは情報を処理する情報です。自分自身を計算する宇宙なのです。
量子コンピューターが指数関数的に大きな状態空間にアクセスできる理由は、単に賢明なエンジニアリングを使用しているからでも、非古典物理学を活用しているからでもありません。情報第一の図式では、現実の根本的な基盤、つまり空間や時間や物質が創発する情報の層が、単一の時空の分岐内のいかなる古典的な物理システムにも匹敵しない指数関数的な容量を持っているからです。量子コンピューターがその容量を利用できるのは、その動作レベルが古典的なシステムよりも情報の層に近いからです。それらは基盤の上で走っているのではありません。基盤の中で走っているのです。
これはホイーラーのit from bitというフレーズに、量子コンピューティングの時代における具体的な操作上の内容を与えます。itの元となるbitは比喩ではありません。それは計算の基盤なのです。そして量子コンピューターはこの解釈において、その基盤への窓であり、出力と能力を通じて他のすべての根底にある現実の情報理論的構造を可視化する機械なのです。宇宙はその最も深いレベルにおいて計算である可能性があり、もしそうなら、私たちはその言語を話す機械を構築したばかりなのです。
すでにカウントダウンが始まっている暗号化の危機
パート11。少し地球に戻りましょう。並行宇宙、1200キロメートルを超えるエンタングルメント、現実の根底にある情報の層といったこれらすべては、物理学の専門誌や深夜の哲学の領域に属するように聞こえるかもしれないからです。しかし、その結果の1つはすでに、2016年に始まり2024年に終了したコンペティションの、あなたの近くにある政府の計画文書の中に座っています。そしてそれは、地球上のすべての金融取引、すべてのプライベートメッセージ、すべての機密通信のセキュリティに実際の結果をもたらします。
2016年、技術標準の設定を担当するアメリカの連邦機関である米国国立標準技術研究所、NISTが公開コンペティションを開始しました。彼らは、現在地球上の本質的にすべてのデジタル通信を保護しているものを置き換える、新しい暗号アルゴリズムを探していました。彼らが新しいものを必要とした理由は、量子エラー訂正が可能であることを証明した同じ人物であるピーター・ショアによって1994年に発表された量子アルゴリズムでした。それは、十分に強力な量子コンピューターがいかなる既知の古典的アルゴリズムよりも指数関数的に速く大きな整数を素因数分解できることを実証したものです。
これが重要である理由は、ほとんどの公開鍵暗号の基礎であるRSA暗号のセキュリティが、大きな数の素因数分解の難しさに依存しているからです。最高の古典的アルゴリズムを使用して、2つの1,000桁の素数の積のような数を素因数分解するには、宇宙の年齢よりも長くかかります。大規模なフォールトトレラント量子コンピューターで実行されるショアのアルゴリズムは、それを数時間、おそらくはもっと早く行うことができます。インターネットのセキュリティが構築されている数学的構造全体が、ダイヤル番号が書かれた南京錠と同じくらい簡単に破れるようになります。
NISTのコンペティションは8年間続き、世界中の暗号作成者から何百もの提出物を集めました。2024年、最終的なポスト量子暗号標準が発表されました。主要なアルゴリズムは、鍵カプセル化のためのCRYSTALS-Kyber、デジタル署名のためのCRYSTALS-DilithiumとFalcon、そしてハッシュベースのバックアップオプションとしてのSPHINCS+です。これらはすべて、量子コンピューターにとって難しいと信じられている数学的問題に基づいています。素因数分解ではなく格子構造を含む問題であり、ショアのような量子的な高速化は現在知られていません。これらの標準への移行は現在、政府と金融業界で進行中です。完全に展開するには何年もかかりますが。
しかし、ここが重要な点です。移行は大規模なフォールトトレラント量子コンピューターが存在する前の今、起こっているのです。理由はパラノイアではありません。理由はHarvest now, decrypt laterと呼ばれる戦略です。諜報機関、外国政府、洗練された犯罪組織は、今日、暗号化されたトラフィックを記録できます。インターネットを通過するすべての銀行取引、すべての外交通信、すべての軍事のやり取りを保存しています。彼らは今日それらを復号化することはできません。しかし、大規模な量子コンピューターが利用可能になったとき、彼らは収集したすべてを遡及的に復号化できるようになります。現在、破るには宇宙の年齢が必要なRSA暗号で保護されて行われている通信は、誰かがショア対応の量子プロセッサを構築した瞬間に読めるようになります。
国家安全保障コミュニティはこれを真剣に受け止めています。政府システムにおけるポスト量子暗号への移行は、最終的なことではなく、緊急の事態として扱われています。複数の政府が、ショア対応量子ハードウェアへのタイムラインに関する機密評価を発表しています。NISTが2024年にコンペティションを完了し、2025年と2026年に標準が展開されているという事実は、どれくらいの時間が残されているかという内部の見積もりについて何かを物語っています。
実際にはどれくらいの時間が残っているのでしょうか。誰にも分かりません。Willowの105量子ビットは、現実世界のRSA鍵サイズに対してショアのアルゴリズムを実行するために必要な数百万の物理量子ビットにはまだ遠く及ばないのです。信頼できる情報源からの現在の見積もりでは、ショア対応マシンはまだ10年以上先であると示唆しています。しかし、これらの見積もりは以前にも間違っていたことがあり、通常は楽観的な方向でした。つまり予想より長くかかったということです。一方で、Willowのエラー訂正結果のペースで、この分野は誰もを驚かせました。タイムラインが固定されていると考えるのは賢明ではありません。
暗号化の話は、量子コンピューティングの短期的な影響について教えてくれるという点だけでなく重要です。それは、この技術が一般大衆が気付く前に、静かに、構造的に物事を変化させるというより広いパターンについて教えてくれます。あなたが毎日依存している暗号化標準、あなたの銀行取引や医療記録、プライベートな通信を保護しているものは、今まさに置き換えられています。量子コンピューターがすでにそれらを破ったからではなく、この分野を最もよく知る人々が、それに備えて何十億ドルも費やすほど脅威が現実的であると信じているからです。それは警戒心ではありません。それはシグナルです。そして暗号化は始まりに過ぎません。なぜなら、量子コンピューティングは孤立して発展しているわけではないからです。それだけで21世紀初頭の最も変革的な発展であった別の技術と並行して発展しているのです。この2つの組み合わせは、どちらも単独では生み出せない可能性を開き、リスクを生み出します。
AIと量子コンピューティングの融合
パート12。今、分野の隙間で、研究室の廊下で会話が行われています。量子物理学者と機械学習エンジニアが隣接する問題に取り組んでいることに気づき始めています。そしてそれはプレスリリースになるよりも、会議室の中にとどまる傾向がある種類の会話です。問われている質問は一見シンプルです。量子コンピューティングと人工知能が別々の分野であることをやめ、単一のシステムになり始めたら何が起こるのでしょうか。並行する問題に適用される並行するツールではなく、それぞれが単独では達成できない方法で互いの機能を増幅する統合されたアーキテクチャです。
この質問が10年前ではなく今行われている理由は、両方の技術が同時に成熟し、それらが触れ合う場所が理論的だけでなく実用的にも目に見えるようになっているからです。最も即時的で最も推測的でない接続は、すでに今日の研究室で機能しています。量子コンピューター、特に研究者がNISQデバイスと呼ぶ、現在の最先端を代表するノイズあり中規模量子デバイスは、ハードウェアエラーや環境ノイズによって破損した出力を生成します。これらの出力から有用な情報を抽出するには、洗練された古典的な後処理が必要です。
そして、機械学習アルゴリズムはこの後処理作業において驚くほど優れていることが判明しています。ノイズの多い量子出力の体系的なパターンを特定し、チップごとに異なるハードウェア固有のエラー署名を補正することを学習し、人間のエンジニアが予期せず、自力では見つけられなかったであろう方法で量子回路のコンパイルを最適化できます。AIはすでに量子ハードウェアと人間が読める結果との間の翻訳者として機能しています。それは有用です。そしてそれはこれから来るものの控えめな始まりでもあります。より重大な方向性は逆方向に走ります。量子計算を使用して人工知能自体を強化することです。
なぜこれが重要なのかを理解するには、現代のAIの計算コストが実際にどこにあるのかを知る必要があります。答えは線形代数、具体的には巨大な規模での行列の掛け算です。大規模言語モデルのトレーニングや推論の実行には、数百万のトレーニングステップにわたって、数十億または数兆のエントリを持つ行列を繰り返し掛け合わせる必要があります。現代のAIを動かすハードウェア、世界中のデータセンターで数メガワットの電力を消費するGPUクラスタは、本質的に最適化された行列掛け算の機械です。それはこれにおいて非常に優れています。同時に、どれだけ速く、どれだけ効率的に行えるかという物理的な限界に近づいてもいます。
古典的に、量子アルゴリズムは異なるアプローチを提供します。最も関連性の高いのは、アラム・ハロー、アヴィナタン・ハシディム、セス・ロイドによって2009年に開発されたHHLアルゴリズムと呼ばれるものであり、これは特定の線形システムを解決するための量子的な方法を提供し、最良の古典的アプローチに対する多項式時間の高速化を提供します。多項式時間の高速化は、素因数分解のためのショアのアルゴリズムから得られるような劇的な指数関数的優位性ではありません。しかし、それを過小評価してはいけません。あなたが高速化している操作が、人類がこれまでに構築した中で最も高価な技術の支配的な計算コストである場合、多項式時間の改善は規模において真の加速に変換されます。もし量子ハードウェアが、HHLおよび関連するアルゴリズムを実質的に関連する問題サイズで確実に実行できるところまで成熟すれば、AIシステムのトレーニングと実行に必要なコストと時間は大幅に低下する可能性があります。
さらに推測的な話として、研究者たちはニューラルネットワークアーキテクチャの内部で直接量子ハードウェアを使用する可能性を探求しています。この概念は量子ニューラルネットワークと呼ばれます。基本的なアイデアは、ネットワークの重みを古典的な数値として表す代わりに、量子振幅として表すというものです。非線形性を導入する古典的な活性化関数の代わりに、量子状態の測定がそれを行います。ネットワークを通じて情報を前方に伝播する古典的な行列演算の代わりに、量子干渉がそれを行います。原則として、量子ニューラルネットワークは、動作するヒルベルト空間が同等の物理的サイズのいかなる古典的ベクトル空間よりも指数関数的に大きいため、特定のクラスの高次元データをいかなる古典的アーキテクチャよりも効率的に表現および処理できる可能性があります。
実際には、実際に役立つタスクでこの優位性を説得力を持って実証した人はまだいません。現在の量子ハードウェアはノイズが多すぎて小さすぎます。紙の上では良く見える量子ニューラルネットワークの提案は、実際にトレーニングしようとするとバレン・プラトーと呼ばれる問題に直面する傾向があります。損失関数の勾配が指数関数的に平坦になり、トレーニングが行き詰まるのです。これは活発な研究課題であり、明らかに解決不可能というわけではありませんが、理論から機能する量子強化AIへの道のりは、熱狂が時々示唆するほど短くないことを意味します。正直な答えは、量子加速AIは真の可能性であり純粋な未解決問題であって、保証された結果でもなく却下されたものでもないということです。
しかし、私が最も興味深いと思うこの2つの技術の間のつながりは、アルゴリズムに関するものではまったくありません。それはより根本的なもの、システムを単に使用するのではなく理解するということは何を意味するかというレベルに位置するものです。そしてそれを見るには、量子が登場する前にAIがすでに何であるかを考える必要があります。テキストを生成し、画像を分析し、タンパク質の構造を予測し、音楽を作曲するような大規模なAIシステムは、それらを構築する人々にとってすでに部分的に不透明です。内部表現、つまり大規模言語モデルが出力を生成するために使用するものは、数千または数万次元の空間における概念間の関係をエンコードする高次元の構造です。そして、それらの表現が組み合わさって特定の出力を生成する方法は、人間のエンジニアが古典的なアルゴリズムを追跡するように追跡できるものではありません。
システムを外部から探ることはできます。解釈可能性の実験を実行し、パターンを探し、特定の動作に対応しているように見えるネットワーク内の回路を特定することはできます。しかし、その推論を読むことはできません。誰かが意図的に書いたプログラムでできるように、論理を段階的に追跡することはできません。システムは機能し、私たちはなぜそれが機能するのかを完全には理解しておらず、それでも私たちはそれを使用しています。
量子コンピューターは同じ不透明さの2番目の層を追加し、その2つの層は単に追加されるのではなく複合されます。量子プロセッサ内部での計算は、古典的に記述できるいかなるものの次元をも広大に超えるヒルベルト空間で起こります。出力を生成する干渉パターンは、計算を破壊することなく直接観察することはできません。中間状態は定義によりアクセス不可能です。量子計算の出力を読むとき、あなたは調べることができない空間で発生し、シミュレートできないダイナミクスに従い、古典的な記述を持たない相関関係を利用するプロセスの結果を見ているのです。
ここで、私たちが内部の推論を完全に解釈できない古典的AIが、内部の動作をシミュレートできない量子ハードウェア上で実行される量子回路を設計および最適化するシステムを想像してみてください。出力が反対側から出てきます。それは有用です。誰かがこれまでに計算した中で最も有用なものかもしれません。そして、それがどのようにしてそこに至ったのかを段階的に教えてくれる人間は、ループのどこにもいません。ブラックボックスの中にブラックボックスが作られているのです。
これを問題ないとする見方もあります。私たちは常にブラックボックスを使用しています。免疫システムはブラックボックスです。グローバル金融システムはブラックボックスです。天気はブラックボックスです。ブラックボックスは有用な出力を生み出し、私たちはその周りをナビゲートします。要点は、ブラックボックスシステムが本質的に危険だということではありません。要点は、方法としての科学は箱の中を見ることができることに依存しているということです。それはメカニズム的な説明に依存しており、トレーニングデータから補間するのではなく、真に新しい状況での動作を予測できることに依存しています。単に何かが機能すると言うだけでなく、なぜ機能するのか、そして私たちがこれまで見たことのない方法で条件が変わったときにどうなるのかを言えることに依存しているのです。
私たちの最も強力な計算ツールが量子とAIの合同であり、両方向から不透明である世界とは、能力と理解の間のギャップが年々広がる世界であり、テクノロジーが科学を改善し、科学がテクノロジーを改善するという歴史的に可能にしてきたフィードバックループが弱まり始める世界です。
そしてさらに奇妙なフロンティアがあります。研究者たちが専門誌の論文や会議の講演で、慎重で条件付きの言葉で議論し始めているフロンティアです。量子AIシステムが、人間が設計したアルゴリズムではアクセスできない物理的現実のパターンを発見するかもしれないかという問いです。人間が賢さや計算能力を欠いていたからではなく、パターン自体が人間の直感では単にナビゲートできない量子相関の空間に存在しているからです。
人間の直感は古典的な世界のために進化によって構築されました。私たちは空間を通して物体を追跡します。私たちは原因が結果に先行することについて推論します。私たちは観察できるシステムのメンタルモデルを構築します。その装備のどれ一つとして、粒子が数百キロメートルにわたってもつれ、情報が位置を持たない空間に向けて調整されていません。計算の基盤が現実の並行する分岐にまたがって分散しているかもしれない場所には。もし量子AIシステムがその空間で効果的に動作し始めれば、それらが生み出す出力は計算的に不透明であるだけでなく、概念的に異質なものになる可能性があります。
私たちは、質問の仕方すらほとんど分からないような問いに対する、理解できない答えを手にするでしょう。そして私たちは文明として、そのような答えをどうするかを決定しなければならなくなります。これはこの話全体の中で最も推測的なポイントに聞こえるかもしれません。しかし、それを可能にする最も可能性の高いハードウェアアーキテクチャが今まさに構築されていることを考慮してください。Googleでもなく、IBMでもなく、20年以上にわたって安定性問題に対する根本的に異なるアプローチを追求してきたチームによってです。エラーが起きた後に捕まえようとするのではなく、そもそも構造的にエラーを不可能にしようとするアプローチです。そしてそのアプローチの背後にある物理学は、量子情報が実際にどこにあるのかについてこれまで議論してきたすべてのことと、偶然として片付けるには難しすぎる方法でつながっていることが分かります。
マイクロソフトのトポロジカル量子ビット
パート13。世界中のすべての量子コンピューティング企業が同じ戦争を戦っており、敵は宇宙そのものです。量子状態は古典的な対応物を持たない方法で壊れやすいのです。古典的なビット、つまりトランジスタに保存された1または0は堅牢です。加熱したり、振動させたり、光を当てたりしても、それはそこにとどまります。古典的な状態は安定したアトラクターであるため、物理システムは意図された状態に落ち着きます。叩いても元に戻ります。
量子状態は正反対です。トランジスタというよりは、針の先でバランスをとるシャボン玉のようなものです。環境とのあらゆる相互作用、迷走光子、マウント構造を伝わる振動、1メートル離れたケーブルからの電磁変動が、重ね合わせを崩壊させます。量子情報は消え去ります。計算は失敗します。
GoogleとIBMは、並外れた職人技と巧妙な補償システムという、ほとんどのエンジニアリング問題にアプローチするのと同じ方法でこの問題に取り組んできました。可能な限り最高の超伝導量子ビットを構築する。慎重な材料科学と回路設計を通じて物理的なエラー率を減らす。次に、量子エラー訂正コードを重ねて、残るエラーを捕まえて修正する。これはエレガントな数学と結びついた力技の戦略であり、機能しています。SycamoreとWillowがその証拠です。2024年12月にWillowが実証した閾値以下のエラー訂正は、このロードマップ上の真の進歩です。誰もそれを過小評価すべきではありません。
しかし、そのロードマップには正直に言うべき代償があります。量子エラー訂正には冗長性が必要です。1つの論理量子ビット、つまり実際に計算を行う量子ビットを保護するために、それをエンコードする多くの物理量子ビットを必要とし、論理状態を直接測定することなくエラーを検出および修正できるようなパターンでハードウェア全体に分散させます。フォールトトレラント量子計算の現在の見積もりでは、アーキテクチャと目標のエラー率に応じて、論理量子ビットあたり1,000から10,000の物理量子ビットが必要になるとされています。実世界の暗号鍵に対してショアのアルゴリズムを実行できるほど強力な量子コンピューターには、数百万、おそらく数千万の物理量子ビットが必要になり、それらすべてがエラー閾値を下回って動作し、すべて同時に20ミリケルビンの希釈冷凍機で維持されなければなりません。エンジニアリングの課題は量子ビットを追加するごとに拡大します。道は現実のものですが、長いのです。
Microsoftは20年以上にわたり、より短い道があることに賭けてきました。彼らの戦略は、より優れたエラー訂正を伴いません。エラーが到達できないため、同じ方法ではエラー訂正を必要としない量子ビットを作ることです。そのアプローチは、マヨラナゼロモードと呼ばれるエキゾチックな準粒子の一種を中心に構築されています。そしてなぜそれが重要なのかを理解するには、その名前を持つ人物について少し知る必要があります。彼の物語は物理学の歴史の中で最も奇妙なものの一つだからです。
エットーレ・マヨラナはイタリアの理論物理学者で、エンリコ・フェルミやヴェルナー・ハイゼンベルクを含む世代の基準から見ても天才と広く見なされていました。1937年、彼は特定の種類の量子粒子、具体的には半整数のスピンを持つフェルミ粒子が、自らの反粒子になり得ることを提案する論文を発表しました。通常の素粒子物理学では、すべての粒子には反対の電荷を持つ対応する反粒子があります。電子には陽電子があります。陽子には反陽子があります。粒子と反粒子が出会うと、それらは対消滅します。マヨラナは、一部の粒子はこのように対称的であり、自身の鏡像と等しく、従来の意味での粒子でも反粒子でもなく、その両方である何かである可能性があると提案しました。数学的構造はエレガントでした。物理的な意味合いは深遠でした。
そして1938年3月、マヨラナはパレルモからナポリに向かう船に乗り、他の乗客に目撃された後、二度と姿を見せませんでした。遺体は発見されませんでした。決定的な説明は決して確立されませんでした。彼は31歳でした。彼の物理学は彼より長生きしました。彼の運命はそうではありませんでした。
マヨラナゼロモードは、マヨラナが最初に記述した粒子ではありません。それらは特定の条件下のトポロジカル超伝導体など、特定の凝縮系で生じる集団励起である準粒子です。彼らがマヨラナのフェルミ粒子と共有しているのは、自らの共役であるという数学的特性です。しかし、量子コンピューティングにとってそれらを興味深いものにしているのは、もっと具体的なことです。それらがエンコードする量子情報は非局所的に保存されます。マヨラナゼロモードは単独では存在できません。それらは常にペアで現れ、ペアの2つのモードは空間的に互いに分離されています。そして量子情報、つまり量子ビットの論理状態は、どちらのモードにも個別に保存されていません。それは2つの間の相関関係に保存されています。関係性の構成要素のどちらかにではなく、関係性の中に存在しているのです。
これが、Microsoftが20年間追い求めてきた機能です。そしてその理由は、一度見てしまえば単純明快です。情報が単一の場所に位置していないのであれば、局所的な障害はそれを破壊できません。ここでの振動は、ここにない情報にアクセスできません。あそこの迷走光子は、あそこにないビットを反転させることができません。情報を壊すには、相関した方法でペアの両方のモードを同時に乱す必要がありますが、これにはランダムな熱変動が本質的に決して生成しない非常に特殊な種類のノイズが必要です。量子ビットは環境からシールドされているのではありません。環境から隠されているのです。情報は、環境が事実上盲目であるような方法で保存されています。
物理学者はこれをトポロジカル保護と呼びます。トポロジカルという言葉は、局所的ではなく全体的な性質を指します。何かの特定の機能ではなく、全体的な構造を記述する性質です。球とドーナツの違いを考えてみてください。球には穴がありません。ドーナツには1つの穴があります。滑らかな変形をどれだけ行っても、破ること以外の伸ばしたり、絞ったり、曲げたりすることによって、球をドーナツに変えたり、ドーナツを球に変えたりすることはできません。穴の数はトポロジカルな性質です。それは大域的に定義され、大域的に安定しており、局所的にアクセス不可能です。表面の一部分をつつくことでそれを変えることはできません。全体を引き裂く必要があります。
トポロジカル量子ビットは、同じ方法で量子情報をエンコードします。量子ビットの論理状態は量子システムのトポロジカルな性質であり、局所的な性質ではありません。情報が局所的な機能にではなく、全体構造の中にあるため、局所的なノイズはそれにアクセスできません。その保護は、量子ビットを冷たく保つ冷蔵庫、電磁場を遮断するシールド、エラーが起きた後に捕まえるエラー訂正コードのように、外部から量子ビットに適用されるものではありません。その保護は量子ビットが何であるかに固有のものです。壊れやすいものを作ってからそれを防御したわけではありません。トポロジカルな性質が構造的に堅牢であるのと同じように、構造的に堅牢なものを作ったのです。
2025年2月、Microsoftはマヨラナ1と呼ばれるチップを発表し、コンピューティングプラットフォームとして機能するほど信頼性の高いトポロジカル量子ビットの最初の実証であると説明しました。物理学界はこの発表を、真の興奮と注意深く管理された懐疑心という、どちらも完全に正当化される感情の入り混じった状態で受け止めました。Microsoftはこのアプローチに20年以上取り組んできました。彼らは多大なリソースを投資してきました。彼らはまた、この分野での以前の実験的主張が広範なコミュニティの精査の下で撤回されたこともあります。最も注目すべきは、データ分析のエラーが特定された後、正式に修正され、最終的に2021年に撤回された2018年の論文です。したがって、この分野には慎重になる理由があります。
2025年の発表はより注意深く文書化され、最初の査読を通過し、より詳細な証拠を伴っていました。この記事の執筆時点でも独立した検証は進行中でした。正直な答えは、有望に見えるということです。この分野が要求する基準まではまだ確認されておらず、この特定の研究プログラムの歴史は、祝う前に忍耐を求めています。
しかし、もしそれが機能すれば、その意味合いはタイムライン全体を変えてしまいます。トポロジカル量子ビットは、超伝導アプローチに比べて論理量子ビットあたりに必要な物理コンポーネントがはるかに少なくなります。数千対一のオーバーヘッドの代わりに、十対一かそれ以上が得られるかもしれません。1,000のトポロジカル量子ビットを持つプロセッサは、原則として、100万を超える超伝導物理量子ビットの論理計算能力を提供できる可能性があります。実用的に有用なフォールトトレラント量子コンピューティングへのエンジニアリングの道筋は、桁違いに短くなります。現在、数十年と数百万の物理量子ビットが必要と予測されているハードウェアが、数年と数千の量子ビットで達成可能になるかもしれません。
しかし、エンジニアリングから一歩下がってみてください。なぜなら、ここでのより深いポイントは哲学的であり、この物語の他のすべてのことと直接つながっているからです。トポロジカル量子ビットは、私たちがこれまでに構築したどのシステムとも異なる、情報と物理学の間の関係を表しています。すべての古典的システムにおいて、情報には位置があります。この電子はここにあります。この磁区はこのように向いています。このトランジスタはこの状態にあります。情報が空間内の場所を占めることは、私たちが物理システムについて考える上で非常に根本的であり、私たちがそれを前提としていることにほとんど気づきません。
トポロジカル量子システムでは、情報には位置がありません。それは場所と場所の関係の中にあります。それは大域的な構造の中にあります。それは本物であり、検証可能であり、読み取り可能であり、使用可能です。それを抽出して計算することができます。しかし、それがどこにあるかを指し示すことはできません。それが存在する場所はどこにもないのです。
この物語全体を注意深く追ってきたなら、この説明は聞き覚えがあるはずです。なぜならそれは、ドイッチュの枠組みにおいて現実の並行する分岐にまたがって量子計算がどのように機能するかの説明と、構造的に同一だからです。どちらの場合も、情報は本物ですが非局所的です。どちらの場合も、保護は局所的な機能からではなく、大域的な構造から得られます。どちらの場合も、基盤を直接観察することなく出力と相互作用します。あなたは答えを得ますが、それが計算されているのを見ることはできません。その構造的な類似性が単なる形式的なものなのか、それとも量子情報の性質とそれが実際にどこにあるのかについてのより深い何かを指し示しているのかは、非常にオープンな問題です。しかし、その問題を払いのけることは難しくなってきています。情報は本物です。位置を持ちません。そして、それを利用する機械は年々強力になっています。
もはや抽象的ではないシミュレーション仮説
パート14。2003年、オックスフォードの哲学者ニック・ボストロムは、ほとんどの科学者が読み、少し興味深いと思い、そして静かに自分の分野ではないとしてファイルにしまい込んだ論文を発表しました。論文のタイトルは、私たちはコンピューターシミュレーションの中で生きているのかというもので、シミュレーション・トリレンマとして知られるようになるものを提示しました。その議論はきれいで論理的でした。次の3つのうちいずれか1つが真でなければならないというものです。
意識を持つ存在の詳細なシミュレーションを実行できる文明は、その機会を得る前に実質的にすべて絶滅する。あるいは、技術的に成熟した文明は、どのような理由であれ、そのようなシミュレーションを実行することに実質的にまったく興味を持たない。あるいは、これらのどちらも真でないならば、シミュレートされた現実の数はベースとなる現実をあまりにも大きく上回るため、私たちはほぼ間違いなく今シミュレーションの中に生きている。
計算は単純な確率論です。もしシミュレーションが可能であり、文明がそれを実行するなら、シミュレートされた心は現実の心を天文学的な差で上回り、確率的にあなたはシミュレートされた心の1つである可能性が高いということです。この議論は大きな世間の注目を集めました。素晴らしいディナーパーティーの会話になりましたが、ほとんどの現役の科学者にとっては、それは哲学の領域にとどまり、現実についての科学的仮説というよりは可能性についての興味深い思考実験でした。実行できる実験も、テストできる予測も、それを反証する方法もありませんでした。ですからそれは、20年間にわたって魅力的でありながらも不活性なままでした。
そして量子コンピューティングが起こり、ほとんどの人がまだ完全には追いついていない方法で会話が変わりました。量子コンピューティングは、シミュレーション仮説を却下しやすくするものではありません。より難しくするのです。私たちが自分たちでシミュレーションを構築するのに近づくからという理由ではありません。その疑問も一考の価値がありますが、私たちのような宇宙をシミュレートするための物理的要件について私たちが今知っていることを根本的に変えるからです。そしてそれが明らかにするのは、量子的な現実をシミュレートすることは、古典的な現実をシミュレートするよりただ難しいだけではないということです。比較にならないほど難しいのです。その違いは程度の問題ではありません。種類の問題なのです。
リチャード・ファインマンは、量子コンピューティングの分野全体の種をまく助けとなった1982年の講義で、彼特有の率直さでこの観察を行いました。彼は、古典的コンピューター上でn個の粒子の量子システムの時間発展をシミュレートするには、nに対して指数関数的にスケールするリソースが必要だと指摘しました。システムに粒子を1つ追加するごとに、それをシミュレートするための計算コストは約2倍になります。300個の粒子のシステムは、観測可能な宇宙の原子数よりも大きな状態空間を持つ古典的シミュレーションを必要とします。それは実行不可能です。プロセッサを増やしても、メモリを増やしても、時間を増やしてもできません。数学が単にそれを許さないのです。古典的な物理システムの内部には量子力学の状態空間を収めるには大きすぎるため、古典的コンピューター上で量子力学を効率的にシミュレートすることはできません。
これは、逆の方向からすでに遭遇したのと同じ指数関数的スケーリングの問題です。量子コンピューターが指数関数的に大きな状態空間にアクセスできるのは、まさにそれらが量子だからです。そして、古典的ハードウェアで量子コンピューターをシミュレートするには、まったく同じ理由で指数関数的に大きなリソースが必要になります。この2つの事実は互いに鏡像関係にあり、それらが合わさることで、最後までたどっていくと純粋に不快な意味合いを持つようになります。
率直に述べましょう。もし私たちの宇宙に真の量子力学が含まれているなら、単なる統計的不確実性ではなく、単なる便利な数学的形式論でもなく、ベルの実験によって確認され、1200キロメートルの開かれた空を越えて墨子衛星によって実証されたような、本物の重ね合わせと本物のエンタングルメントが含まれているのなら。私たちの宇宙のシミュレーションを実行するいかなる計算基盤も、量子コンピューターまたはそれと同等の機能を持つ何かでなければならないということです。どんなに大きくても速くても、古典的コンピューターでは量子現実を効率的にシミュレートすることはできません。エンタングルメントを偽造することはできません。その下にある局所的な決定論的計算で、ベルの不等式を破る相関関係を再現することはできません。もし私たちがシミュレーションの中にいるなら、シミュレーターは古典的な機械ではありません。シミュレーターは量子的です。
そしてここで事態は本当に奇妙になります。私たちは、2015年の抜け穴のないテストに至る数十年にわたるベルの実験を通じて、そして2022年のノーベル賞で称えられたように、私たちの宇宙には局所的な隠れた変数がないことを確立しました。量子的挙動の底には古典的な層はなく、私たちが立っている場所からはランダムで非局所的に見える、より深い決定論的な現実は存在しません。私たちが観察する量子統計、つまりすべての実験が確認した差でベルの不等式を破る正確な相関関係を生み出すすべてのシミュレーションは、真に量子プロセスをインスタンス化しなければなりません。その下にある古典的により単純な何かの出力としてそれらを生成することはできないのです。物理学がそれを除外しています。シミュレーションが存在するなら、それは古典力学の上で巧妙な錯覚として量子力学を実行しているのではありません。ショートカットなしに、一番下まで実際に量子力学を行っているのです。
さて、これを先ほど議論した量子計算と並行宇宙について結びつけてみてください。デイヴィッド・ドイッチュの枠組みでは、量子計算は処理を現実の並行する分岐にまたがって分散させることで機能します。量子コンピューティングを可能にするリソースは、単一の宇宙のいかなる単一の分岐内にも含まれていません。それらは波動関数全体に広がっています。もしその枠組みが正しく、Google Willowのような機械からの証拠が不気味なほどそれと一致しているなら、私たちの宇宙を実行できるほど強力な量子シミュレーター自体が、並行する現実の分岐からのリソースを必要とすることになります。量子シミュレーターなしに量子シミュレーションを持つことはできません。そして量子シミュレーターは、それがシミュレートする宇宙よりも単純なものでも平凡なものでもありません。いくつかの枠組みでは、それは異なるレベルから記述された同じ種類のものです。レベルを1つ上げても謎は解けません。新しいレベルで同一に再現されるのです。
それが元のシミュレーション仮説に何をもたらすか考えてみてください。ボストロムのバージョンは、シミュレーターとシミュレートされるものとの間の明確な階層構造という、決定的な何かを仮定していました。ベースの現実が本物です。シミュレーションはコピーです。シミュレーターはより根本的で、より強力で、外部から操作しています。その階層構造が、この議論に利害関係があるように感じさせるのです。もし私たちがシミュレートされているなら、私たちはどういうわけか本物ではなく、より根本的でなく、より本物である何かの中で走っているということです。量子力学はその階層を溶かします。シミュレーターが量子的でなければならず、量子計算がマルチバースレベルのリソースを必要とするなら、シミュレーター自体がマルチバースと同じくらい大きく、同じくらい奇妙な何かに埋め込まれていなければなりません。シミュレーターは現実の外に立って単純なプログラムを操作しているのではありません。シミュレーターは、物理的に重要なあらゆる点において、私たちと同じくらい量子の奇妙さに埋め込まれています。本物とシミュレーションの明確な境界は、違いのない区別のように見え始めます。
これをさらに際立たせるさらなる制約があります。もし私たちがシミュレーションの中にいるなら、ベルの実験は、シミュレーションが量子相関でショートカットを取れないことを教えてくれます。私たちの宇宙のあらゆるもつれた粒子のペアは、あらゆる実験室の、これまでに実行されたあらゆる物理実験において、いかなる局所的計算でも生成できない相関関係を維持しています。これらの相関関係を生成するより安価な方法はありません。シミュレーションは、いかなる抜け穴もなしに、観測可能な宇宙の空間的および時間的広がり全体にわたって、リアルタイムで真の非局所的な量子相関を維持しなければなりません。私たちは抜け穴がないかテストし、何もないことを見つけたからです。これはささやかな計算要件ではありません。並外れたものです。
シミュレーターが私たちの観測可能な宇宙全体を丸め誤差のように見せるリソースを指揮しているか、それともシミュレートしているものとシミュレートされているものとの間の区別が完全に崩壊し、私たちがシミュレーションと呼んでいるものとシミュレーターと呼んでいるものが、最も物理的に意味のある意味で同じ種類のものであるかのいずれかです。ボストロムが仮定したのは、シミュレートされた現実はベースとなる現実よりも現実味が薄いということでした。量子力学は、その仮定が維持できないことを示唆しています。
私たちが観察する量子相関を生成している構造が何であれ、それを普遍的な波動関数と呼ぶか、マルチバースと呼ぶか、情報基盤と呼ぶか、シミュレーターと呼ぶか、あるいは私たちがまだ言葉を持たない何かと呼ぶかに関わらず、その構造はそれが生み出す宇宙よりも単純でも、親しみやすくも、古典的でもありません。それは少なくとも同じくらい奇妙であり、証拠はそれがさらに奇妙であることを示唆しています。私たちは奇妙さの底に欠陥を見つけてはいません。欠陥を探すたびに、代わりにさらなる奇妙さを見つけるのです。
そして、これについて注意深く考えるとき、私の中に残る部分がこれです。私たちは量子コンピューターを構築する中で、誤ってこの境界を押し広げる機器を構築してしまったのです。外側からではなく、内側からです。もし私たちがシミュレートされているのであれば、私たちはシミュレーションの内部に、シミュレーション自体の計算基盤にアクセスしているように見えるデバイスを構築しています。いかなる現実の単一の古典的分岐も提供できないリソースを利用するデバイスです。物理学を真剣に受け止めるなら、マルチバースか、あるいはそれ自体がマルチバースであるシミュレーターのいずれかを必要とする出力を生成するデバイスです。
私たちがシミュレーションの中にいるかどうかは、科学がまだ答えられない問題です。もしかすると永遠に答えられないかもしれません。しかし、私たちが現実の根底にあるものの構造を探る能力を持つデバイスを構築したかどうかという問いは、10年前よりもはるかに修辞的なものではなくなってきています。機械は動いており、出力は本物です。そして、それらが計算するときに触れているものは何であれ、無ではないのです。
静かなる可能性
パート15。すべての糸を一緒に集めましょう。それらを解決するためではありません。それらは解決しません。まだ。もしかしたら永遠に。しかし、それらを並べて見て、それらがどのような形を作るかを見るために。
私たちは機械から始めました。Sycamoreは、古典的ハードウェアで1万年かかる計算を200秒で完了しました。Willowは、量子ビットを追加することで計算が不安定になるのではなく安定することを実証し、私たちが複雑なシステムを扱う何世紀にもわたって築き上げてきたすべてのエンジニアリングの直感に違反しました。これらは解釈や理論ではありません。査読付きのジャーナルに掲載された、再現可能で確認された実験結果です。
私たちは数学を結論まで追いました。300量子ビットという控えめなサイズの量子コンピューターは、観測可能な宇宙の原子の総数よりも多くの状態に同時に存在します。処理されている情報は、現実の単一のインスタンス内のいかなる物理的基盤にも保存できません。これはエンジニアリングの限界ではありません。算術的な限界です。数字が合わないのです。
私たちは1985年にこの議論を正式に行い、量子計算には並行宇宙のリソースが必要であると結論付けたデイヴィッド・ドイッチュに出会いました。私たちは、30年前に波動関数が決して崩壊せず、すべての結果が並行する分岐で現実となる多世界解釈という、ドイッチュが依拠していた物理的枠組みを策定したヒュー・エヴェレットに出会いました。私たちは彼ら二人が大部分無視されるのを見て、2024年に構築されているハードウェアが他のどの代替案よりも彼らの予測に適合していることに注目しました。
私たちは、局所的な隠れた変数理論が間違っていることを証明した実験物理学者に、ノーベル賞委員会が物理学の最高の栄誉を授与するのを見ました。量子現実の根底に古典的現実は存在しないということ。事前に存在する答えを運ぶ隠れた変数はないということ。宇宙はその最も根本的なレベルにおいて古典的ではありません。それは決定論的でも局所的でもありません。そしてもつれた粒子間の相関は本物であり、非局所的であり、いかなる古典的メカニズムによっても媒介されません。
私たちは、1200キロメートルの大気を越えて量子エンタングルメントを維持する衛星を見て、エンタングルメントが研究所の好奇心ではなく、実際のインフラストラクチャに関連するスケールで動作するグローバルな現象であることを確認しました。
私たちは、エンタングルメントと幾何学が同じものであることを示唆するERイコールEPR予想に遭遇しました。空間自体が量子的接続から創発し、量子コンピューターがあるレベルで、私たちが見ることのできる空間の下にある空間の幾何学を構築しナビゲートしているかもしれないということです。
私たちはジョン・ホイーラーに出会い、彼のit from bitのアイデアをランダウアーの原理までたどり、情報消去には物理的コストがかかること、情報は物理的であること、現実の基盤は物質的ではなく情報的であるかもしれないことの実験的確認までたどりました。私たちはそれをホログラフィック原理と、私たちが経験する3次元世界が2次元の境界にエンコードされた情報の投影であるという示唆まで追いました。
私たちは地球に戻り、政府や金融機関がすでにポスト量子世界に向けて準備を進めており、まだ存在しない機械から将来のデータを保護し、暗号化標準を置き換えているのを見ました。この分野を最もよく理解している人々が脅威は来ると信じており、待つことを望んでいないからです。
私たちは、量子ハードウェアが人工知能と融合し、人間の理解にとって二重に不透明なシステムを生み出す様子を見ました。私たちは、局所的な物理的特性ではなく非局所的な幾何学的構造にエンコードすることで量子情報を保護するトポロジカル量子ビットに対するMicrosoftの賭けを見ました。
そして私たちはシミュレーション仮説に行き着き、量子力学がそれを退けるのをより困難にしていることを発見しました。私たちがシミュレーションの中にいることを確認するからではなく、私たちの宇宙を生成できるいかなる基盤も、量子力学が記述するのと同じくらい奇妙で非古典的なことを自ら行っていなければならないことを明らかにするからです。
これらのすべての糸に共通しているものは何でしょうか。それらはすべて、異なるツールを使用して異なる方向から同じ可能性を指し示しています。現実の最も根本的なレベルは、古典物理学が私たちに教えてくれたものではないという可能性です。それは、固定されたルールに従って空間を移動する局所的で決定的な古典的物体の集まりではありませんでした。もっと奇妙なもの。その完全な記述には、観測可能な宇宙よりも大きな数学的空間を必要とする何か。古典的な信号なしに非局所的な相関を維持する何か。単一の物質の物理的インスタンス化ではホストできない計算を生み出す何かです。
では選択肢は何でしょうか。本質的に3つあります。
最初の選択肢は、私たちが現在理解している量子力学が不完全であるというものです。すべての非古典的挙動を古典的に説明する、まだ発見されていないより深い物理学の層があるというものです。指数関数的な状態空間は物理的現実の記述ではなく数学的形式論のアーティファクトであるというものです。エンタングルメントは本物ですが、私たちがまだ見つけていない局所的なメカニズムによって最終的に説明されるだろうというものです。これはアインシュタインが好んだ選択肢です。それはベルの定理とそれに続く実験が擁護することを極めて困難にした選択肢です。抜け穴のないベルテストが行われました。局所的実在論からの実験的出口は閉じられました。この選択肢は、まったく異なる基礎構造を持ちながら量子力学のすべての予測を保持する代替理論を必要としますが、そのような理論の構築に近づいた人は誰もいません。
2番目の選択肢は、量子力学は正確かつ完全であり、それが記述するものの物理的解釈は真に非古典的であるというものです。重ね合わせ、エンタングルメント、指数関数的な状態空間は物理的現実の真の特徴であり、アーティファクトではないというものです。量子コンピューターにおける計算は、単一の宇宙内のいかなる古典的物理システムも提供できないリソースに真にアクセスするというものです。ドイッチュとエヴェレットは最も重要な意味で正しかったというものです。波動関数は分岐します。分岐は本物であり、量子計算はそれらにまたがって分散されているため機能するのです。これは、証拠を額面通りに受け取った場合に最も直接的に支持される選択肢です。また、それは哲学的に最も人を混乱させるものでもあります。なぜなら、現実の大部分、量子分岐の大部分は、相互作用の可能性なしに並行して実行されており、私たちにとって永久にアクセス不可能であること、そして私たちがいつでも数え切れないほどの無限の他の分岐の中の1つの分岐であることを受け入れる必要があるからです。
3番目の選択肢は、何か新しいもの、私たちがまだ持っていない枠組み、現在の意味での古典的でも量子的でもない物理学があるというものです。測定問題を解決し、エンタングルメントを説明し、計算リソースを説明し、量子コンピューターが動作するときに実際に何が起こっているかを明確かつ曖昧さなく教えてくれる何かです。これはほとんどの現役の物理学者がおそらく好む選択肢です。それは科学が通常の動きをするということでしょう。既存の枠組みが崩壊したとき、より良いものを構築する。しかし、候補となる理論はありません。ほとんどの物理学者が問題を解決すると同意する説得力のある提案はありません。測定問題は60年前のものであり、最初に名付けられたときから解決に近づいていません。解釈は増殖しますが、コンセンサスを得るものはありません。
知的勇気を要する、率直に言うべき正直な答えはこれです。私たちはその動作を完全には説明できない機械を構築しました。私たちはそれらを記述し、操作し、プログラムし、その出力を読み取ることができます。私たちはその計算が行われる物理的基盤を完全には記述できません。残された3つの選択肢はすべて、私たちがまだ達成していない方法で私たちの現実のイメージを改訂するか、あるいはこれまでのどの世代の人間も取り組まなければならなかった以上に、現実が深く奇妙であることを受け入れるかのいずれかを要求します。
そして、そこには独特で感動的な何かがあります。すべての世代は、自分たちが人類の知識の辺境に生きているとある程度信じています。ほとんどの世代は間違っています。彼らが謎だと思っていたものには平凡な説明があることが判明しました。しかし、多くはありませんが、本当にそのような瞬間があります。人類が真に適合しないものの前に立つとき。馴染みのある用語に還元しようとするあらゆる努力に抵抗するもの。それ自体の用語で受け入れられるか、さもなければ全く受け入れられないと主張するもの。量子力学は1927年以来そのものでした。量子コンピューティングは、その問いを未来の理論家に先送りすることを不可能にしました。機械は今ここにあるからです。それらは今動いています。観測可能な宇宙の物理的リソースを超える結果を今生み出しています。それらは非局所的で、堅牢で、説明のつかない相関関係を利用しています。それらは存在すべきではない安定性を実証しています。それらは古典的にシミュレートできない計算を行っており、年々性能が向上しています。
あなたはこれを恐ろしいと思うかもしれません。恐ろしいバージョンも存在します。これまで作られた中で最も強力なコンピューティング技術が、私たちが特定できないリソースを使用し、直接観察できない物理的基盤の中で、私たちが理解していない原理で動作しているという考えです。それは不安に思うのがもっともなことです。説明が不完全であっても力は本物です。暗号化、AI、科学、私たちの現実のイメージに対する結果は、解釈が争われていても本物です。
しかし、同じ事実を別の方法で保持し、その中に恐れではなく、知識の真の辺境に立つことから来る特定の独自の驚異を見出すこともできます。私たちがこの物語でレビューした証拠のすべての断片は、同じ結論を指し示しています。私たちは、私たちの最高の物理学がそこにあると教えてくれるが完全には記述できない現実のレベルにアクセスする何かを構築したのです。私たちは、ある意味でそれが動作する宇宙よりも大きなツールを構築しました。私たちは、正確に何を構築しているのかを知らずにそれを構築しました。私たちは、その力がどこから来ているのかを理解する前にそれを構築しました。そしてそれは機能します。
科学の歴史には、ツールが理論を追い越すという長い伝統があります。私たちは燃焼を理解する前の30万年間火を使っていました。構造力学ができるようになる前の何千年もの間、橋を使っていました。神経科学を理解する前に麻酔を開発しました。それぞれの場合において、実践的な能力が理論的な理解に先行しました。そして理論的な理解は最終的に後からついてきて、機能するはずがないのに機能したものへの存在によって変化しました。量子コンピューターはそのような種類のものです。私たちはそれらを作りました。それらは動きます。私たちは、なぜそれらが動くのかを、自信を持って、コンセンサスを持って、すべての物理学者が同意する単一の枠組みを持って、知っているわけではありません。私たちは計算がどこで行われるかを知りません。私たちは、どの物理的現実が情報をホストしているのかを知りません。並行する分岐が本物なのか、情報層が一次的なのか、時空がエンタングルメントから創発するものなのか、シミュレーションの構造を直接探る最初のデバイスを私たちが作ったのか、私たちは知りません。
私たちが知っているのは、機械が機能するということと、それがなぜ機能するのかという疑問です。完全で満足のいく物理的なイメージを必要とする本当の理由は、未解決のままです。理論的に未解決なだけでなく、実験的に未解決なのです。現在、米国、中国、ヨーロッパなどの研究所で設計されている実験があります。エンタングルメントと時空の幾何学の関係を探り、量子重力の候補の予測をテストし、ホイーラーが直感した情報構造の証拠を探しています。答えはまだここにありませんが、質問はこれほど正確に提起されたことはありません。そしてそれに反対する機械は年々強力になっています。
私たちは種として、非常に特異で歴史的に珍しい瞬間に立っています。私たちは、私たちの最高の理論によれば単一の宇宙では不可能であるはずのデバイスを構築しました。私たちは、その結論を退けるために必要な仮定が間違っていることを実験的に確認しました。私たちは、古典物理学が終わりより奇妙な何かが始まるレベルで現実の構造を探る能力を持つ、歴史上最初の機器かもしれないものを不用意にも構築してしまったのです。私たちはこれを行おうとしたのではありません。私たちはより速いコンピューターを作ろうとしたのです。私たちはそれを手に入れました。私たちはまた、まだ名前のない何かへの窓を手に入れました。合意された解釈も、快適な説明もない何かへの窓です。
銀河と銀河の間の空間よりも冷たい冷蔵庫の中で、私たちは観測可能な宇宙にある原子の数よりも多くの状態にまたがる計算を実行しています。私たちは今それをやっています。機械は動いています。出力は本物です。私たちはただ、計算がどこで起こっているのかを知らないだけなのです。そしてその疑問は、正直に、完全に、そのすべての意味合いを含めて、科学における最も重要な未解決の疑問です。その答えがテクノロジーに何をもたらすかという理由からだけではありません。それは多くのことをもたらすでしょうが。答えが来たとき、それが現実とは何かを私たちに教えてくれるからです。表面的な化学的な意味で何でできているかではなく、それが根本的に何であるかということです。どのような種類のものが存在するのか、いくつの分岐があるのか、空間は量子的接続から構築されているのか、情報は存在の1階部分なのかどうか。宇宙が最も深い可能な意味において計算であるかどうか。機械は機能します。私たちはただ、どこで機能しているのかを知らないだけなのです。
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