科学者やエンジニアは、困難な問題に遭遇すると、スーパーコンピューターに頼ります。 スーパーコンピューターは非常に大型の旧式コンピューターであり、多くの場合、非常に大規模な計算と高度な人工知能を実行できる数千の旧式のCPUとGPUコアを搭載しています。ただし、スーパーコンピューターでさえ、20世紀のトランジスター・テクノロジーに依存したバイナリー・コード・ベースのマシンです。 特定の種類の問題を解決するのに苦労しています。

スーパーコンピューターが行き詰まったとしたら、それはおそらく、大きな旧式マシンが高度に複雑な問題を解くように求められたからでしょう。 旧式コンピューターが失敗するのは、多くの場合、複雑さが原因です。

複雑な問題とは、多くの変数が複雑に相互作用する問題です。 分子内の個々の原子の振る舞いをモデル化することは、さまざまな電子全部が相互作用するため、複雑な問題です。 金融取引における不正行為の微妙なパターンやスーパーコライダーにおける新しい物理現象を特定することも複雑な問題です。 旧式コンピューターではどのような規模であっても、解決方法がわからない複雑な問題がいくつかあります。

現実世界は量子物理学で動いています。 量子ビットの量子状態を使用して計算を行うコンピューターは、多くの状況において量子状態を理解するための最良のツールとなるはずです。

旧式コンピューターが失敗した場合に、量子コンピューターがどのように成功するかを示す例を見てみましょう。

旧式コンピューターは、分子の巨大なデータベースを分類するような難しいタスクに優れているかもしれません。 しかし、これらの分子がどのように振る舞うかをシミュレートするなど、より複雑な問題はなかなか解決できません。

今日、科学者が分子がどのように振る舞うかを知りたければ、それを合成し、現実世界で実験する必要があります。 わずかな調整がその振る舞いにどう影響するかを知りたい場合は、通常、新しいバージョンを合成し、実験を最初からやり直す必要があります。 これは高価で時間のかかるプロセスであり、医療や半導体設計などのさまざまな分野の進歩を妨げています。

旧式スーパーコンピューターは多くのプロセッサーを使用して、分子のあらゆる部分がどのように振る舞う可能性があるのかを探るために、分子の挙動を総当りでシミュレートしようとするかもしれません。しかし、最も単純な分子を分析した後、スーパーコンピューターは失速します。 既知の方法を使用して分子の挙動の考えられるすべての順列を処理できる作業メモリーを備えたコンピューターはありません。

量子アルゴリズムは、この種の複雑な問題に対して新しいアプローチを採用し、多次元の計算空間を作成します。 これは、化学シミュレーションのような複雑な問題を解決するためのはるかに効率的な方法であることが判明しています。

旧式コンピューターでこれらの計算空間を作成する良い方法はなく、量子計算なしではその有用性が制限されます。 工業化学者はすでに量子手法を研究に組み込む方法を模索しています。 これはほんの一例です。 エンジニアリング会社、金融機関、世界的な海運会社などは、量子コンピューターが各分野の重要な問題を解決できるユースケースを模索しています。 量子の研究開発による利益の爆発的な増加が目前に迫っています。 量子ハードウェアのスケールと量子アルゴリズムが進歩するにつれて、分子シミュレーションのような多くの大きく重要な問題は解決策を見つける必要があります。

IBM Quantumプロセッサーは、ノートPCに搭載されているものと大きさがそれほど変わらないウェハーです。 量子ハードウェア・システムは自動車ほどの大きさで、大部分は超電導プロセッサーを超低温の動作温度に保つための冷却システムで構成されています。

旧式プロセッサーは、旧式ビットを使用して操作を実行します。 量子コンピューターは量子ビット（CUEビット）を使用して多次元量子アルゴリズムを実行します。

超電導体

デスクトップ・コンピューターは、作業に十分な温度を保つためにファンを使用している可能性があります。 IBMの量子プロセッサーは、「デコヒーレンス」を回避したり、量子状態を保持したりするために、絶対零度より約100分の1度高い温度で非常に低温である必要があります。 これを達成するため、過冷却された超流体を使用しています。 これらの超低温では、特定の物質が重要な量子力学的効果を示し、電子は抵抗なくその中を移動します。 これにより、それらの物質は「超電導体」になります。

電子が超電導体を通過すると、電子は一致して「クーパー対」を形成します。 クーパー対は、量子トンネルとして知られるプロセスを通じて、障壁または絶縁体を越えて電荷を運ぶことができます。 絶縁体の両側に配置された2つの超電導体がジョセフソン接合を形成します。

コントロール

IBMの量子コンピューターは、超電導量子ビットとしてジョセフソン接合を使用します。 これらの量子ビットにマイクロ波光子を照射することで、量子ビットの動作を制御し、量子情報の個々の単位を保持、変更、読み出すことができます。

重ね 合わせ

量子ビット自体はあまり役に立ちませんが、 重要なトリックを実行できます。それは、保持する量子情報を重ね合わせ状態に置くことで、量子ビットのありとあらゆる構成の組み合わせを表すことです。量子ビットのグループを重ね合わせると、複雑な多次元の計算空間を作成できます。複雑な問題は、これらの空間で新しい方法で表現できます。

もつれ

量子もつれは、2つの別々のものの振る舞いを相関付ける効果です。 物理学者は、2 つの量子ビットがもつれている場合、一方の量子ビットへの変化がもう一方の量子ビットに直接影響を与えることを発見しました。

干渉

もつれた量子ビットが重ね合わせ状態に置かれた環境では、確率の波があります。 システムの測定結果の確率です。これらの波は、その多くが特定の結果でピークに達したときに互いに積み重なったり、ピークと終息期が相互作用するときに互いに打ち消し合ったりします。 どちらも干渉の一種です。

量子コンピューターでの計算は、考えられるすべての計算状態の重ね合わせを準備することで機能します。 ユーザーが準備した量子回路は、アルゴリズムに従って重ね合わせの要素に選択的に干渉を使用します。 起こりうる結果の多くは干渉によって打ち消されますが、他の結果は増幅されます。 増幅された結果が計算の解になります。

IBMの量子コンピューターは、オープンソースかつPythonベースの量子SDK、Qiskitを使用してプログラミングされています。 Qiskitには、金融、化学、最適化、機械学習のアプリケーションをカバーするモジュールがあります。

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Qiskit Runtimeは、量子回路と従来の処理を組み合わせる実行環境を提供し、特定の量子プログラムの実行をネイティブに高速化します。 つまり、世界をリードする量子システムにおいて、イテレーションの高速化、遅延の低減、計算時間の制限の緩和が実現しました。Qiskit Runtimeのクラウドベースの実行モデルでは、分子挙動のシミュレーションが120倍高速化されたことが実証されました。