量子コンピュータのゲームが示す未来の可能性とその驚異

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A quantum computer isn’t just a more powerful version of the computers we use today; it’s something else entirely, based on emerging scientific understanding — and more than a bit of uncertainty. Enter the quantum wonderland with TED Fellow Shohini Ghose and learn how this technology holds the potential to transform medicine, create unbreakable encryption and even teleport information.

量子コンピューターは、現在私たちが使用しているコンピューターを単に強化したものではありません。

それは、新たな科学的理解に基づいた、まったく別のものであり、多少の不確実性以上のものです。 TED フェローのショヒニ・ゴースとともに量子のワンダーランドに入り、このテクノロジーが医療を変革し、解読不可能な暗号を作成し、さらには情報をテレポートする可能性をどのように秘めているかを学びましょう。

タイトル A beginner’s guide to quantum computing
量子コンピューティングの初心者向けガイド
スピーカー ショヒニ・ゴース
アップロード 2019/02/02

「量子コンピューティングの初心者向けガイド(A beginner’s guide to quantum computing)」の文字起こし

Let’s play a game. Imagine that you are in Las Vegas, in a casino, and you decide to play a game on one of the casino’s computers, just like you might play solitaire or chess. The computer can make moves in the game, just like a human player. This is a coin game. It starts with a coin showing heads, and the computer will play first. It can choose to flip the coin or not, but you don’t get to see the outcome. Next, it’s your turn. You can also choose to flip the coin or not, and your move will not be revealed to your opponent, the computer. Finally, the computer plays again, and can flip the coin or not, and after these three rounds, the coin is revealed, and if it is heads, the computer wins, if it’s tails, you win.

So it’s a pretty simple game, and if everybody plays honestly, and the coin is fair, then you have a 50 percent chance of winning this game. And to confirm that, I asked my students to play this game on our computers, and after many, many tries, their winning rate ended up being 50 percent, or close to 50 percent, as expected. Sounds like a boring game, right? But what if you could play this game on a quantum computer? Now, Las Vegas casinos do not have quantum computers, as far as I know, but IBM has built a working quantum computer. Here it is.

But what is a quantum computer? Well, quantum physics describes the behavior of atoms and fundamental particles, like electrons and photons. So a quantum computer operates by controlling the behavior of these particles, but in a way that is completely different from our regular computers. So a quantum computer is not just a more powerful version of our current computers, just like a light bulb is not a more powerful candle. You cannot build a light bulb by building better and better candles. A light bulb is a different technology, based on deeper scientific understanding. Similarly, a quantum computer is a new kind of device, based on the science of quantum physics, and just like a light bulb transformed society, quantum computers have the potential to impact so many aspects of our lives, including our security needs, our health care and even the internet.

So companies all around the world are working to build these devices, and to see what the excitement is all about, let’s play our game on a quantum computer. So I can log into IBM’s quantum computer from right here, which means I can play the game remotely, and so can you. To make this happen, you may remember getting an email ahead of time, from TED, asking you whether you would choose to flip the coin or not, if you played the game. Well, actually, we asked you to choose between a circle or a square. You didn’t know it, but your choice of circle meant “flip the coin,” and your choice of square was “don’t flip.” We received 372 responses. Thank you. That means we can play 372 games against the quantum computer using your choices.

And it’s a pretty fast game to play, so I can show you the results right here. Unfortunately, you didn’t do very well. The quantum computer won almost every game. It lost a few only because of operational errors in the computer. So how did it achieve this amazing winning streak? It seems like magic or cheating, but actually, it’s just quantum physics in action. Here’s how it works. A regular computer simulates heads or tails of a coin as a bit, a zero or a one, or a current flipping on and off inside your computer chip. A quantum computer is completely different. A quantum bit has a more fluid, nonbinary identity. It can exist in a superposition, or a combination of zero and one, with some probability of being zero and some probability of being one.

In other words, its identity is on a spectrum. For example, it could have a 70 percent chance of being zero and a 30 percent chance of being one or 80-20 or 60-40. The possibilities are endless. The key idea here is that we have to give up on precise values of zero and one and allow for some uncertainty. So during the game, the quantum computer creates this fluid combination of heads and tails, zero and one, so that no matter what the player does, flip or no flip, the superposition remains intact. It’s kind of like stirring a mixture of two fluids. Whether or not you stir, the fluids remain in a mixture, but in its final move, the quantum computer can unmix the zero and one, perfectly recovering heads so that you lose every time.

If you think this is all a bit weird, you are absolutely right. Regular coins do not exist in combinations of heads and tails. We do not experience this fluid quantum reality in our everyday lives. So if you are confused by quantum, don’t worry, you’re getting it.

But even though we don’t experience quantum strangeness, we can see its very real effects in action. You’ve seen the data for yourself. The quantum computer won because it harnessed superposition and uncertainty, and these quantum properties are powerful, not just to win coin games, but also to build future quantum technologies. So let me give you three examples of potential applications that could change our lives.

First of all, quantum uncertainty could be used to create private keys for encrypting messages sent from one location to another so that hackers could not secretly copy the key perfectly, because of quantum uncertainty. They would have to break the laws of quantum physics to hack the key. So this kind of unbreakable encryption is already being tested by banks and other institutions worldwide. Today, we use more than 17 billion connected devices globally. Just imagine the impact quantum encryption could have in the future.

Secondly, quantum technologies could also transform health care and medicine. For example, the design and analysis of molecules for drug development is a challenging problem today, and that’s because exactly describing and calculating all of the quantum properties of all the atoms in the molecule is a computationally difficult task, even for our supercomputers. But a quantum computer could do better, because it operates using the same quantum properties as the molecule it’s trying to simulate. So future large-scale quantum simulations for drug development could perhaps lead to treatments for diseases like Alzheimer’s, which affects thousands of lives.

And thirdly, my favorite quantum application is teleportation of information from one location to another without physically transmitting the information. Sounds like sci-fi, but it is possible, because these fluid identities of the quantum particles can get entangled across space and time in such a way that when you change something about one particle, it can impact the other, and that creates a channel for teleportation. It’s already been demonstrated in research labs and could be part of a future quantum internet. We don’t have such a network as yet, but my team is working on these possibilities, by simulating a quantum network on a quantum computer. So we have designed and implemented some interesting new protocols such as teleportation among different users in the network and efficient data transmission and even secure voting. So it’s a lot of fun for me, being a quantum physicist. I highly recommend it.

We get to be explorers in a quantum wonderland. Who knows what applications we will discover next. We must tread carefully and responsibly as we build our quantum future. And for me, personally, I don’t see quantum physics as a tool just to build quantum computers. I see quantum computers as a way for us to probe the mysteries of nature and reveal more about this hidden world outside of our experiences. How amazing that we humans, with our relatively limited access to the universe, can still see far beyond our horizons just using our imagination and our ingenuity. And the universe rewards us by showing us how incredibly interesting and surprising it is. The future is fundamentally uncertain, and to me, that is certainly exciting. Thank you.

「量子コンピューティングの初心者向けガイド(A beginner’s guide to quantum computing)」の和訳

さあ、ゲームをしましょう。あなたがラスベガスのカジノにいて、カジノのコンピューターでゲームをすることにしたと想像してみてください。ソリティアやチェスをプレイするように、コンピューターはゲーム中に動きをします。これはコインゲームです。コインは表を示してスタートし、コンピューターが最初にプレイします。コインを裏返すかどうかを選択できますが、結果を見ることはできません。次に、あなたの番です。あなたもコインを裏返すかどうかを選択できますが、あなたの動きは相手であるコンピューターには明かされません。最後に、コンピューターが再びプレイし、コインを裏返すかどうかを選択できます。これらの3ラウンドの後、コインが明らかになり、表ならコンピューターの勝利、裏ならあなたの勝利です。

ですので、これは非常にシンプルなゲームで、誰もが正直にプレイし、コインが公平であれば、このゲームに勝つ確率は50パーセントです。これを確認するために、私は学生にこのゲームをコンピューターでプレイするように依頼しました。何度も試行した結果、彼らの勝率は50パーセント、またはそれに近い値になりました。退屈なゲームのように聞こえますね?しかし、もしこのゲームを量子コンピューターでプレイできたらどうでしょうか?今、私の知る限り、ラスベガスのカジノには量子コンピューターはありませんが、IBMは実際に動作する量子コンピューターを構築しました。こちらです。

では、量子コンピューターとは何でしょうか?量子物理学は、原子や電子、光子などの基本粒子の振る舞いを記述します。したがって、量子コンピューターはこれらの粒子の振る舞いを制御することによって動作しますが、通常のコンピューターとはまったく異なる方法で行います。したがって、量子コンピューターは現在のコンピューターのより強力なバージョンではありません。キャンドルより強力なランプではありません。良いキャンドルを積み重ねても、ランプを作ることはできません。ランプは、より深い科学的理解に基づく異なる技術です。同様に、量子コンピューターは、量子物理学の科学に基づく新しい種類のデバイスであり、ランプが社会を変革したように、量子コンピューターは私たちのセキュリティニーズ、医療、さらにはインターネットなど、私たちの生活のさまざまな側面に影響を与える可能性があります。

世界中の企業がこれらのデバイスを構築しようとしており、その興奮が何なのかを見るために、量子コンピューターで私たちのゲームをプレイしてみましょう。私はここからIBMの量子コンピューターにログインできるので、リモートでゲームをプレイすることができます。あなたも同じようにできます。これを実現するために、事前にTEDからメールを受け取ったことを覚えているかもしれません。ゲームをプレイする場合、コインを裏返すかどうかを選択する必要があると尋ねられました。実際には、円または四角形の選択を求めました。気づかなかったかもしれませんが、円の選択は「コインを裏返す」を意味し、四角形の選択は「裏返さない」を意味します。私たちは372件の回答を受け取りました。ありがとうございます。これは、あなたの選択を使用して量子コンピューターとの372回のゲームをプレイできることを意味します。

そして、これはかなり速いゲームですので、ここで結果を示すことができます。残念ながら、あなたはあまりうまくいきませんでした。量子コンピューターはほとんどのゲームに勝ちました。コンピューターの操作エラーのために、わずかなゲームしか負けませんでした。では、なぜこの驚くべき連勝を達成したのでしょうか?それは魔法か詐欺のように見えますが、実際には、量子物理学が作用しています。こういう仕組みです。通常のコンピューターは、コインの表裏をビット、つまり0または1、またはコンピューターチップ内での電流のオンとオフとしてシミュレートします。量子コンピューターはまったく異なります。量子ビットは、より流動的で非バイナリーのアイデンティティを持っています。それは、0と1の組み合わせである重ね合わせの中に存在し、0となる確率と1となる確率があります。

言い換えれば、そのアイデンティティはスペクトラム上にあります。たとえば、0が70%の確率であり、1が30%の確率であるか、80-20または60-40であるかもしれません。可能性は無限です。ここでの重要な考え方は、0と1の正確な値を諦め、ある程度の不確実性を許す必要があるということです。したがって、ゲーム中、量子コンピューターは、ヘッドとテール、0と1のこの流動的な組み合わせを作成し、プレイヤーがフリップするかどうかに関係なく、重ね合わせが維持されます。これは、2つの液体の混合物をかき混ぜるようなものです。かき混ぜるかどうかに関係なく、液体は混合物のままですが、最終的な動きで、量子コンピューターは0と1を分離し、ヘッドを完全に回復させて、あなたは毎回負けるのです。

これがすべて少し変だと思うなら、あなたは完全に正しいです。通常のコインはヘッドとテールの組み合わせで存在しません。私たちは日常生活でこの流動的な量子の現実を経験しません。したがって、量子に戸惑っているなら心配しないでください。理解しています。

しかし、量子の奇妙さを経験しなくても、その非常に実際の効果を行動中に見ることができます。あなた自身がデータを見たことがあります。量子コンピューターが勝利したのは、重ね合わせと不確実性を利用したからであり、これらの量子特性は、コインゲームを勝つだけでなく、将来の量子技術を構築するためにも強力です。だからこそ、私はあなたに私たちの生活を変える可能性のある3つの応用例をご紹介しましょう。

まず第一に、量子の不確実性は、暗号化されたメッセージの送信に使用される秘密鍵を生成するために利用される可能性があります。これにより、ハッカーが鍵を完璧に秘密裏にコピーすることができなくなります。量子の不確実性のために、彼らは鍵をハックするために量子物理学の法則を破る必要があります。このような解読不能な暗号化は、すでに世界中の銀行や他の機関でテストされています。今日、世界中で170億以上の接続されたデバイスを使用しています。将来、量子暗号化がどれほどの影響を与えるかを想像してみてください。

第二に、量子技術は医療と医学を変革する可能性もあります。たとえば、薬の開発のための分子の設計と分析は、今日でも難しい問題です。なぜなら、分子内のすべての原子のすべての量子特性を正確に記述して計算することは、私たちのスーパーコンピューターでも計算的に難しいからです。しかし、量子コンピューターはより優れているかもしれません。なぜなら、それはシミュレートしようとしている分子と同じ量子特性を使用して動作するからです。将来の大規模な量子シミュレーションにより、アルツハイマーなどの病気の治療法が開発される可能性があります。

そして第三に、私のお気に入りの量子アプリケーションは、情報の物理的な送信なしに、情報を一箇所から別の場所にテレポートすることです。SFのように聞こえますが、これは可能です。なぜなら、量子粒子のこれらの流動的なアイデンティティが、空間と時間を越えて絡み合うことができるからです。その結果、一方の粒子に何かを変えると、他方に影響を与えることができ、それがテレポーテーションのチャンネルを作り出します。

これはすでに研究室で実証されており、将来の量子インターネットの一部となる可能性があります。まだそのようなネットワークはありませんが、私のチームはこれらの可能性に取り組んでいます。量子コンピューター上で量子ネットワークをシミュレートすることで、テレポーテーションや効率的なデータ伝送、そして安全な投票など、興味深い新しいプロトコルを設計し、実装しています。

私にとって、量子物理学は量子コンピューターを構築するためのツールだけではありません。量子コンピューターは、自然の謎を探求し、私たちの経験の外のこの隠された世界についてさらに多くのことを明らかにする手段として見ています。私たち人間が相対的に限られた宇宙へのアクセスしか持たないにもかかわらず、私たちは想像力と独創性を使って遥か彼方を見ることができるということは、どれほど素晴らしいことでしょう。

そして、宇宙は私たちがどれほど興味深く驚くべきものであるかを示してくれるのです。未来は基本的に不確実であり、私にとってそれは確かにエキサイティングなことです。ありがとうございました。

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