量子コンピューター：複合体は単純なセットで構成されます

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投稿は次のアルゴリズムの考え方に従って書かれています

1.量子コンピューターの潜在的な（ほぼ素晴らしい）機能を調べる試み
2.新しい研究と成果のレビュー
3.簡単な例を使用して、量子凝集の現象を説明します。
4.文学

JPEGとMPEGを使用して視覚資料を凝縮していると、奇妙な考えが突然思い浮かびました。仮想画像またはビデオの場合、2次元のオブジェクトを圧縮することについて話しています。 しかし、 3次元オブジェクト（たとえば、 擬人化オブジェクトに相当する情報の記述と圧縮 ）についてはどうでしょうか？



すべてのデータ圧縮プログラムは同じ原理で動作します。 プログラムは画像を行ごとにスキャンし、同じ色の隣接ピクセルを探します。 3次元オブジェクトの記述には膨大な情報が必要であることは明らかです。 並列データ処理用に設計された大型のTianhe-1Aコンピューター（ TH-1A ）には、5万個のプロセッサーに相当するものが含まれています。 また、320億個のプロセッサに相当するプロセッサを並列に動作させるとどうなりますか？

3次元オブジェクトの「ピクセル」を使用して移動するにはどうすればよいですか？ 画像と同様に、1枚の紙、さらには1冊の本を電話線に貼り付けることはできませんが、 ファックスを送信することはできます。 光子のテレポーテーションに関する成功した実験があります（ Zeilinger 、 Francesco De Martini 、1997）。 しかし、人と他のすべては多くの粒子で構成されています。 したがって、次の自然なステップは、ある場所から別の場所への巨視的なオブジェクトの転送を可能にするような粒子のこの​​ような大きなコレクションに量子テレポーテーションを適用する方法を想像することです。

人間の脳の情報をコンピューターにダウンロードできるようにするには、克服しなければならない3つの問題があります。

-脳情報をコンピューター言語に翻訳およびコンパイルする方法が必要です。 現在、コンピュータープロジェクトBlue Brain Projectの作業が進行中です。 このプロジェクトは2023年までに完了する予定です。 そして、 SQUIDスキャナーに関わるチームへの脳信号の変換。 スキャナーは脳からすべての情報を削除できますか？ それは可能に思えますが、今ではありませんか？..
-十分な量のメモリを搭載したコンピューターが必要です。 たとえば、人間の脳には10〜14度のシナプスがあります。 各シナプスには1バイトのコンピューターメモリが必要です。 これは約1 TIBです。

-哲学的問題-生物学にはまだ発見されていない、またはまだ理解されていないものがあります。



2つの光子の共同測定は印象的な成果でしたが、光子を使った実験では、結合された粒子のペアは1つしか操作できません。 3次元マクロオブジェクトには、10億を超える粒子があります。 したがって、凝集粒子の2つのコンテナの作成は、最新の機能をはるかに超えています。 今日では、数十億個の粒子の共同測定を想像することさえ不可能です。

科学技術は絶えず不可能の境界を押し広げており、巨視的な物体のテレポーテーションはありそうにないようです。 しかし、知る方法は？ デカルトも、100 kmの距離で話をすることはないように思われました...

なぞなぞ

「量子コンピューターはいつ作られるのか-明日、10年後、それとも決してないのか？」という簡単な質問に、Googleの魔法は驚くべき結果をもたらします：130,000のリンク。

次のニュースは特に注目を集めています。アメリカ最大の武器メーカーであるロッキード・マーティンが 、レイニアプロセッサーを搭載したD-Wave One量子コンピューターの最初の商用モデルを買収しました 。 この企業は、購入する前に量子コンピューターを非常に細心の注意を払って研究し、1年以上も覗き見しました。 この話で最も奇妙なことは、議論中の量子コンピューターが働いているという科学的なコミュニティがまだ完全な自信を持っていないということです。 しかし、買い手の能力には疑い​​がないようです。
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2位は量子コンピューターの批評家であり、MITの従業員であるScott Aaronson （Scott Aaronson）です。 アーロンソン氏によると 、すべての質問は、査読付きジャーナルの1つの出版物によって削除され、プロセッサーが重要な量子効果（エンタングルメント、重ね合わせ状態）、および量子計算と古典的計算の直接比較を実装しているという明確な証拠を提供します。

より簡単に思えるかもしれません-ここでは、2つのキュービットを接続しました。これは突破口です。ここでは、キュービットをメモリ共振器に接続しました。これは、成功が近いことなどを意味します。 しかし、2012年2月上旬にインターネット上で発生した議論（数学者Godelのブログ Lost letter、Gödel's Lost Letter）は、量子コンピューターを作成する可能性について...

ディスカッションは、スコットアロンソンによって開始されました。 彼は、自然の法則に基づいて、スケーラブルな量子コンピューターを作成することの根本的な不可能性を証明する人に10万ドルの賞金を提供しました。 そのような並外れた行為の動機は、自然が設定する基本的な制限、この場合は情報処理の速度に目を向ける、すべての本当の研究者に生きる魅力的な欲望でした。

アロンソンは賞金10万ドルの意味を理解するために、彼の質問の背景を説明します。

-XVIIIの終わり-XIX世紀の初めに、人々は可能な限り多くの有用な仕事を生み出し、可能な限り少ない熱（つまり燃料）を消費し、 熱力学の第2法則によって設定された特定の制限を見つける機械を作成しようとしました- 熱機械の効率は低くなるはずです1 （ 1以上の場合-これは「永久運動機械」です）

-人にとって難しいタスクを単純なタスクに変えるコンピューターも一種の情報エンジンです。 熱エンジンのように、コンピューターは、タスクの複雑さの軽減の度合いとコンピューター自体の複雑さの度合いに関連する独自の情報効率を持つことができます。 コンピューターの情報効率に基本的な制限はありますか？ この質問への答えは、量子情報学の最初の仮説かもしれません（熱力学の第二法則に似ています）。

実際、この質問に対する答えは、スコットアロンソンを待っています。

量子成果

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一方、2012年9月19日、Nature誌は、アンドレアモレロ博士とUNSWスクールオブエレクトリカルエンジニアリングアンドテレコミュニケーションズのDzurak教授の研究チームによる興味深いレポートを発表しました 。 科学者は、1つの原子に属する電子を分離、測定、制御することができました。これはすべて、シリコンマイクロ回路の単一リン原子に量子ビットを実装する新しいデバイスのプロトタイプのおかげです。

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モレロ博士は次のように述べています。「このクォンタムは、キーボードのボタンに相当します。 どんな素材でも、シリコンのように壮大な成功を達成することは決してできませんでした-シリコンは科学的な観点からよく理解されており、業界で非常に受け入れられているため、利点があります。 私たちの技術は、数え切れないほどの日常の電子機器ですでに使用されているものと同じです。」

チームの次の目標は、量子ビットのペアを組み合わせて、2つの量子ビット論理ゲートを作成することです。 この経験により、量子コンピューターの基本的な処理ユニットが作成されます。

進化のどの段階で、特に量子コンピューターが存在するのか-ゲートと情報コーディングの本質-チャールズ・ペツォルトの有名な「コード」の生きた、アクセスしやすい、時には皮肉なページを更新する必要があります。



ソリッドステートシステムでは、キュービットは比較的最近正常にエンコードされました。

-ある研究では、リン原子の原子核のスピン状態が変化しました 。
-別の研究では、人工ダイヤモンドのNVセンターを使用しました（合成ダイヤモンドをベースとする先進材料の大手開発者および供給者である複合企業DeBeersの実験 ）

この技術では、量子ビットの数も増加しています。

-21世紀の変わり目に、多くのキュービット量子プロセッサが多くの科学研究所で作成されました。
-2009年11月、米国のNIST物理学者が初めて、2量子ビットで構成されるプログラム可能な量子コンピューターを組み立てました。
-2012年4月。NISTは、数百の量子ビット（qubit）間の相互作用を再現できる量子シミュレーターを作成しました。
-Nature Magazineの4月号で、Stephan Ritterは、量子光学研究所のマックスプランク研究所長であるGerhard Rempe教授が最初の基本的な量子ネットワークを構築した科学者チームの研究をまとめました。 この実験では、遠方の量子通信が約1マイクロ秒で作成され、約100マイクロ秒が保持されました。 遠い将来、彼の意見では、インターネット全体が同様のコヒーレントな量子システムに変わる可能性があります。
-2012年5月末、アントンザイリンガー率いるヨーロッパの科学者グループが、 2つの絡み合った光子の量子状態を 2つのカナリア諸島-ラパルマとテネリフェン（ 143 kmを超える距離 ）の間で転送することに成功しました。 量子テレポーテーションは、単に大気を介して行われました。 未解決のルーティングの問題のため、光ファイバーは使用されませんでした（1本のファイバーの制限内でのみ量子状態で光子を送信することが可能です）。 研究者の努力は、効果的なデータ伝送の距離を伸ばすことだけでなく、グローバルネットワークの概念を開発することも目的としています。これは、粒子の特定の量子特性に基づく未来のインターネットです。


-中国の物理学者は、 1つの量子ビットでルーターを発表しました 。
-16 \ 128 \ 1024-qubits（D-Waveで開発）で構成されるアプローチコンピューター。

量子コンピューターは現在、現代の電卓の「青い鳥」です。 ダミーの中には、そのようなマシンが三次元オブジェクトを操作して、ほんの一瞬で、最も複雑な暗号を解読できるという認識があります。その秘密は、いわゆる カナダの会社D-Waveによれば、アルゴリズム的に複雑なタスクは、必要な医薬特性または特定の疾患につながる生物学的コードを持つ化合物の化学式を非常に迅速に決定します（順不同のデータベースで検索）古典的なコンピューターの力で。

理論のビット

現代のコンピューティングの基本単位、つまり「文字」は、2つのビット状態「0」と「1」です。 それらをエンコードするには、電子電荷だけで十分です。 しかし、電子には他の特性があり、それは「アルファベット」を拡張するために量子ビットで使用されます。 ビットからキュービットへの移行により、コンピューターの計算能力を大幅に向上させることができます。

量子ビットは、特定の状態の単一の電子に対応します。 同意します。電子の電荷をエンコードすることと、 2つの近接したチャネルに沿って電子の軌道をエンコードすることは同じではありません。 後者の場合、2つの異なる状態が可能です。電子は、上部チャネルまたは下部チャネルに沿って移動します。 量子理論によれば、粒子は同時にいくつかの状態にある可能性があります。つまり、何らかの理由で一度に2つのチャネルを通過する可能性があります。 このような混合状態は、量子コンピューティングの拡張「アルファベット」を形成します。

したがって、量子コンピューターは非常に多数の階乗を使用して何倍も高速に動作します（一方、通常の電子機器では、このようなタスクは不必要にリソースを消費します）。 最高のマルチコアプロセッサを使用すると、150桁の数字を暗号化または復号化できます。 しかし、タスクが1000桁の数字を解読することである場合、世界のすべてのコンピューティングリソースがこれを行う必要があります。 量子コンピューターの場合、同様のタスクには数時間しかかかりません。

量子コンピューターを計算するために、量子並列性や量子エンタングルメントなどの量子力学的効果を使用する、いわゆる量子アルゴリズムを使用します。 この現象の意味は、たとえ粒子が空間で分離されていても、粒子の量子状態は互いに関連している可能性があるということです。

アインシュタインのボーアとの対話は、量子もつれに関する典型的な議論としてしばしば引用されます。

-神はサイコロをプレイしません。
-何をすべきかを神に言わないでください。

紛争の結果：
-ボーアはコペンハーゲンシステムを作成し、量子エンタングルメントについて考えることは禁止されました
-アインシュタイン、ポドルスキー、ローゼンはEPRパラドックスを策定しました。 彼らは、有名な記事「物理的現実の量子力学的記述は完全であると考えることができますか？」（1935）で説明されているベテルギウス量子会社の2つの十二面体で思考実験を行いました。

ロジャーペンローズは、この記事とEPRパラドックスについて、Shadows of Reasonで創造的に再考しました 。十二面体。

次に、十二面体は慎重に梱包され、メールで送信されます（1つは地球に、もう1つはケンタウルスアルファシステムに送られます）。十二面体の上部にあるボタンの。

ここで最も重要なことは、2つの十二面体の向きで完全な同一性を達成することです。 ボタンを同時に押すと、何も起こりません。 ただし、次のイベントが発生する可能性があります。このイベントでは、ベルが鳴り、印象的な花火が鳴り、この特定の十二面体が完全に破壊されます。

ボタンを押すことは空間的に類似したイベントです。相対性理論によれば、ユーザーがどのボタンをクリックしたかに関する情報を送信する信号の交換は不可能です。 それどころか、量子理論は、空間のような分離された事象を通じて十二面体を接続する何らかの「接続」の存在を完全に認めています。 一般的に、この「接続」を使用して直接「使用可能な」情報を送信することはできません。この意味で、サービスステーションとCTの間に運用上の競合はありません。 STRのスピリットとの衝突のみがあります。実際、これは量子理論の最も深遠なZの謎の1つである量子非局所性の現象の優れた実例です。 十二面体の中心にある2つの原子はインターロック状態を形成し、標準CTの規則に従って、それらは別個の独立したオブジェクトとは見なされません。

最も重要なことは、ユーザーがボタンをクリックし始めると、この「長距離通信」が存在する必要があり、その性質は、信号が約4光年の距離にわたって、明らかに、即座に送信されるということです。 会社の秘密は、各十二面体の中心にある1つの原子を単純に取り込んで停止させることです。その原子のスピンは、これ以上でもそれ以下でもありません。

ボタンを押すと、対応する十二面体の中心にある原子の測定が有効になります。 スピンで粒子を測定した結果は4つしかありません;それらは相互に直交する4つの状態に対応しています。 任意のボタンを押すと、測定デバイスは必ずこのボタン自体の方向（12面体の中心から）に向けられます。



4つの可能な位置の2番目で測定中の原子が検出されると、ベルが鳴ります（結果は「はい」です）。 言い換えれば、他の3つの状態は反応を引き起こしません（答えは「いいえ」です）。 答えが「いいえ」の場合、残りの3つの光線は（不均一な磁場の方向を逆にすることによって）まとめられ、破壊的な効果は伴わず、別のボタンをクリックして、新しい変化の方向を選択できます。フィールド。

重要な仮定として、地球とアルファ十二面体の間に長距離の「接続」はないと仮定しましょう。 十二面体が「組立工場」を出た後、それらは互いに完全に独立して別々に存在すると仮定します。

量子力学的形式の予測は、互いに別々に考慮されるオブジェクトの観点から説明することはできません。 この風変わりな方法で「リンク」されたオブジェクトは、互いにどの程度離れているかに関係なく、リンクされたままです。

シュレーディンガーは、これらの粒子を最初に「もつれた」またはリンクしたと呼びました。 今日、もつれた粒子のほとんどの実験では、光子が使用されています。 これは、もつれた光子を取得し、検出器に送信することの相対的な単純さによって説明されます。

量子懐疑論者と楽観論者

1983年に、リチャードファインマンは、たとえば量子世界で発生するプロセスと同じ複雑さの計算（情報の処理）のプロセスを使用して、自然界で遭遇するあらゆる複雑さのプロセスを（数学の言語で）記述する基本的な可能性のアイデアを表明しました 。

その後、長い間、量子情報学の分野の研究者の努力は、大まかに言って、2つの方向に分けられました。

一方では、量子情報を保持および処理できる物理デバイス（キュービット）が積極的に作成されましたが、すべての実験は最終的に「基本的な可能性の実証」を目的として、少数（最大10）のキュービットをテストすることになりました。実際のコンピューターを作成しないでください。 一方、量子アルゴリズムを開発した応用数学者は混乱せず 、古典的な（量子ではない）方法で実際に「解決不可能」な問題を解決するために、実行される操作の数を大幅に減らすことができました（正確にこの数は入力数の長さに依存します）。 ただし、提案されたすべてのアルゴリズムは、「真空中の球形の馬」の存在、つまり理想的なキュービットとそれらに対して理想的に実行される論理演算を前提としています。

前世紀の90年代の終わりに、量子情報学の成功は「馬の非球形性」と「雰囲気」の存在、つまり、ノイズの存在下で実際の条件で量子アルゴリズムを実装する能力に依存することが明らかになりました。 ノイズは、計算プロセスのすべての要素（初期データ、論理演算、データの読み取りなど）にエラーを導入するため、量子と古典の両方の計算に干渉します 。 シャノンの時代に修正することを学んだ、古典的な計算から生じる誤差。 量子システムでは、すべてがはるかに複雑です-外部ノイズに対してより敏感であり、自然の基本的な特性のために古典的なエラー修正方法はそれらに適用できません （測定値は量子ビットの状態を破壊します）。 懐疑論者は、量子システムから情報を抽出しようとすると、理想的な量子アルゴリズムの有効性全体が無効になると信じていました。

しかし、1997年に最も有名な量子アルゴリズムの著者であるPeter ShorとJohn Preskillと他の多くの研究者は、アルゴリズム自体の大幅な拡張につながらない量子システムでエラー修正方法を開発しました（より正確には、多項式数の修正操作が必要です）。 さらに、エラーに強い計算を可能にする量子情報コーディング方式が提案されています。 その後、皆が少し落ち着き、懐疑論者は落ち着き、楽観主義者は、量子ビットの新しい物理的実現、量子コンピューティングの新しい（非デジタル）コンセプトを作成し、2つ以上の量子ビットを含む量子コンピューティングデバイスを構築しようと熱心に始めました。 それにもかかわらず、今世紀の10年以上にわたって、いわゆる 「量子深by」（つまり、10を超えるキュービットを重ね合わせ状態に維持することはできませんでした）（カナダの会社D-Waveは、1000オーダーのキュービット数で量子コンピューターを作成できたと主張していますが、企業はこの声明を無条件に信じることを許可していません）。

懐疑論者と悲観論者は再び生き返り、疑問を持ち込みました-量子コンピューターは完全に不可能でしょうか？

懐疑的な Gil Calayiは、キュービット数の増加は壊滅的なエラーの増加につながり、その修正には古典的なコンピューターでの問題の解決と同じくらい時間がかかると考えています。 その主な議論は、ノイズが「間違った」量子相関を生成する可能性です。これは、大規模システムでは、ドミノの原理に従って伝播し、すべてのキュービットをカバーします。 言い換えれば、量子コンピューターを非常に強力で魅力的なコンピューティングツールにするもの、つまり量子相関は、同様に強力で迅速なノイズの増加と伝播をもたらします。

楽観主義者のアラム・ハローは、アインシュタインに続いて、自然はcであるが、悪意はないと考えている（「神は微妙だが悪意はない」）。 ハローは、これまでに作成された特定のシステムでは、相関ノイズが発生する可能性は低いか、または考慮に入れて系統誤差として排除できると考えています。 量子力学の方程式の線形性を考えると、ハローは壊滅的なノイズ伝播の原因を認識しません（ただし、エラー修正手順が定期的に適用される場合）。



他の科学者も議論に積極的に関与しています。 当事者の強い議論は自然の秘密を明らかにするのにまだ不十分であるが、討論者は紛争での勝利の希望を失いません。新しい事実を探します。

結論

量子コンピューターのモデリング、構築、操作は、以下の学際的アプローチにより可能です。

-プログラミング（ コンピューターアーキテクチャ 、 並列計算 ）
-素粒子物理学
- オーバーロック
- 暗号学

ソース：
ブライアン・グリーン「コスモスの布」
リチャードペンローズシャドウオブザマインド

ko.com.ua/100000_ili_kakovoj_budet_cena_otkrytiya_62001
en.wikipedia.org/wiki/Quantum_computer
www.supercomputers.ru
blogs.computerra.ru

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弦理論B.グリーンの著者によると、一般的なレベルでの量子凝集の現象は、最近の本で詳しく説明されています。
ジークフリート・T・ザ・ビットと振り子。 ニューヨーク：ジョン・ワイリー、2000;
ジョンソンG.時間のショートカット。 ニューヨーク：Knopf、2003。