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従来、物質の主要な三態は固体・液体・気体として知られてきました。しかし、マイクロソフトは量子コンピュータ開発の一環として、新しい物質状態の開発に成功したと主張しています。この量子コンピュータは、バッテリー技術、医療、人工知能などの分野でブレークスルーをもたらす可能性を秘めた先進的なマシンです。このテクノロジーの実現可能性に多くの科学者が疑問を投げかけていた2000年代初頭、同社はこの野心的なプロジェクトに着手しました。そして現在に至るまで、同社で最も長期にわたる研究プロジェクトとして継続されています。
この breakthrough により、同社は人工知能分野での現在の競争を超える、次なる主要な技術的戦場となりうる分野での競争の水準を大幅に引き上げました。マイクロソフトは具体的に何を達成し、それが量子コンピューティングの未来にどのような意味を持つのでしょうか。
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自然法則を正確にシミュレートできるほど強力なコンピュータを想像してみてください。それが量子コンピューティングの可能性です。しかし、常に大きな課題が立ちはだかってきました。
数十年にわたる研究の末、マイクロソフトは大きなブレークスルーを達成しました。これまで理論上の存在だった素粒子を観測するだけでなく、制御することにも成功したのです。これにより、まったく新しい物質状態が生み出され、単一チップ上で数百万量子ビットにまでスケールアップ可能な革新的な量子コンピューティングアーキテクチャが設計されました。
最も強力な従来型コンピュータでさえ、小規模な自然システムのシミュレーションに苦心しており、わずか30〜50個の電子の計算でも宇宙の年齢を超える時間がかかってしまいます。しかし、スケールアップされた量子コンピュータならば、これらの問題を効率的に解決し、従来のマシンでは手の届かない課題への解決策を見出すことができます。
量子コンピュータの中核を成すのは量子ビット、すなわち量子コンピューティングにおける情報の基本単位です。従来のビットが厳密に0か1かのどちらかであるのに対し、量子ビットは重ね合わせ状態で存在できます。つまり、0と1を同時に表現できるのです。これは、観測されるまでは生きているとも死んでいるとも言えないシュレーディンガーの猫のようなものです。
物質の三態は原子の振る舞いによって定義されますが、科学者たちは長年、素粒子の相互作用の仕方を根本的に変える可能性のある追加の状態の存在を理論化してきました。数学者たちは100年以上前にトポロジカルな物質状態を予測し、この状態の中で研究者たちは、マヨラナ粒子として知られるユニークで捉えどころのない準粒子を探し求めてきました。
昨年、マイクロソフトは初めてこの粒子の観測に成功し、今回さらに一歩進んで、その制御に成功。その驚くべき特性を活用して、トポコンダクターと呼ばれる半導体と超伝導体のハイブリッド材料という革新的な新材料を生み出しました。このブレークスルーにより、量子コンピューティングのための全く新しいトポロジカルアーキテクチャへの道が開かれ、マイクロソフトは単一チップ上で数百から数百万量子ビットへのスケールアップを実現できるようになりました。
これが、マヨラナ1です。
では、これはどのように機能するのでしょうか。マヨラナ粒子の力は、その独特な性質にあります。それは自身の反粒子でもあるのです。2つのマヨラナ粒子が出会うと、完全に消滅するか、まったく変化せずに残るかのどちらかとなり、0と1という基本的な二進状態を体現します。
この固有の安定性が、量子コンピューティングに理想的な特性となります。量子コンピューティングにおける最大の課題の1つであるエラー訂正の問題を解決する可能性を秘めているのです。マヨラナの特性により、小型で安定的、かつ量子コンピューティングで通常エラーを引き起こすノイズに耐性のあるトポロジカル量子ビットの作成が可能になります。
これらの量子ビットを使って、マイクロソフトは完全に新しい量子アーキテクチャ、トポロジカルコアを構築しました。これは単一の小型チップ上で100万量子ビットにまでスケールアップ可能です。このチップの中の原子は一つ一つ精密に配置され、原子レベルで緻密に構築された全く新しい物質状態を形成しています。
このユニークなアプローチにより、100万以上の量子ビットを小さなチップに詰め込むことができる超高密度なフォームファクターが実現します。しかし、これは単なる記憶容量の話ではありません。このアーキテクチャは、実用的な時間枠内で解を導き出せるよう、効率的な速度での計算を保証します。サイズ、速度、制御のバランスが完璧なトポロジカル量子ビットは、スケーラブルで信頼性の高い量子コンピューティングの新時代の扉を開きます。
しかし、それだけではありません。マイクロソフトの量子コンピューティングシステムは、量子と従来型のコンピューティングが協調して動作するハイブリッドモデルです。量子アクセラレータが複雑な計算を処理し、従来型マシンがそれを制御して結果を精緻化します。この相乗効果により、特に化学や材料科学の分野で超精密なシミュレーションが可能になり、科学者たちは実験室に入る前に完璧な精度で新材料を設計できるようになります。
これは私たちにとって何を意味するのでしょうか。100万量子ビットの量子コンピュータは、新しい化学物質の設計、革新的な薬品の創造、持続可能な食料生産のための酵素工学など、根本的な課題に取り組むことができます。かつては遠い将来の可能性と考えられていたこれらのブレークスルーが、今や手の届く範囲に入ってきているのです。
マヨラナ1の公開は、技術の本質を再形成するイノベーションが行われる量子時代の幕開けを告げるものです。これは、昨年12月に発表されたGoogleの最新のWillowチップに続くものです。Willowは実験的な量子コンピュータで、最先端のスーパーコンピュータでも10セプティリアン年（既知の宇宙の年齢をはるかに超える時間）かかる計算をわずか5分で解けるとされています。
さらにGoogleは、その新しい量子チップが並行宇宙を利用して結果を導き出している可能性があるという、驚くべき主張も行っています。言い換えれば、Googleのチップは非常に高速で、その計算が並行宇宙にまたがって行われている可能性があるという大胆な主張です。これは大きな懐疑論も引き起こしています。
この大胆な主張の背後にある科学とは何でしょうか。Willowは、古典的なコンピュータでは手の届かない問題に取り組むため、量子力学の奇妙で直感に反する原理を活用するGoogleの最新の量子コンピューティングへの取り組みです。
しかし、Willowは単なる重ね合わせの話ではありません。Googleの研究者たちは、Willowがこれまでに見たことのないような桁違いの速度と効率で、より複雑な問題を処理できると主張しています。
そしてここで、さらに興味深い点に触れましょう。量子エラー訂正です。量子コンピュータを実用的なものにするには、古典的なコンピュータほど直面することのないエラーの問題に対処しなければなりません。量子ビットの量子状態は非常に脆弱で、熱、ノイズ、さらには宇宙線によっても容易に乱され、情報が失われてしまいます。
ここで量子エラー訂正が不可欠となります。これまで、エラー訂正の欠如が量子システムのスケーリングにおける大きな障害となっていましたが、GoogleはWillowで新しい量子エラー訂正方式によってこの課題を解決したと考えています。Willowは量子システムをより信頼性の高いものにし、複雑な問題に取り組み、新しいコンピューティング時代の幕開けを可能にする可能性があります。
量子コンピューティングの最も興味深い側面の1つは、重ね合わせのおかげで並列計算を実行できることです。量子ビットは同時に複数の状態で存在できるため、量子コンピュータは一度に多くの可能性を処理できます。これにより、古典的なコンピュータでは何百万年もかかる問題を、わずか数分で解決できる可能性があります。
巨大なパズルを解くことを想像してみてください。古典的なコンピュータは1つずつピースを試し、異なる組み合わせを検証していきます。一方、量子コンピュータは並列処理能力のおかげで、同時に複数の組み合わせをテストできます。
さらに進んで考えてみましょう。量子コンピュータが単に並列で計算を処理するだけでなく、複数の可能な結果を同時に探索し、最適な解を素早く特定できたらどうでしょうか。これこそが本当のブレークスルーです。量子エラー訂正とWillowのようなシステムにより、これらの計算はこれまで以上に高速で、信頼性が高く、より精密なものになる可能性があります。
私たちは本当に並行宇宙を利用しているのでしょうか。同時に複数の可能性を探索する能力は、量子事象が結果の分岐するタイムラインを生成するという多世界解釈という量子力学の理論と共鳴します。
これは推測の域を出ませんが、Googleの大胆な主張はオンライン上で多くの懐疑論を呼んでいます。その一つの理由として、Willowが解くように設計された計算には、即座に実用的な応用がないことが挙げられます。問題の計算は、ランダムな分布を生成することでした。
ドイツの物理学者のサビーネ・ホッセンフェルダーは、Googleの発表に対してこうツイートしています。「この計算結果に実用的な使い道はありません。これは2019年に約50量子ビットのチップで行ったのと全く同じ計算です」。
当時、Googleは量子超越性、つまり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ことができる地点に達したと主張しました。その課題が有用かどうかは別として、です。2012年にこの用語を最初に作った John Preskill が2019年のQuantum magazineのコラムで書いたように、Googleのブレークスルーの意味と重要性については議論の余地が残っています。
しかし、同社はすでに将来に目を向けており、Willowを本当に実用的なレベルまでスケールアップすることを目指しています。
私個人としては、Willowについて大いに期待しています。あなたはどう思いますか？下のコメント欄で教えてください。そして、territoryのチャンネル登録をお忘れなく。ここはあなたの空間なのですから。
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