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世界で最も寒いコンピュータ

アメリカが攻撃を受けていると想像してください。弾頭を搭載した敵機がレーダーに出入りする海岸に向かっています。戦闘機はスクランブルされており、ターゲットを特定するために必死の努力がなされています。

しかし、国の最善の防御は空母でもミサイルシステムでもありません。それは信じられないほど冷たい原子の箱です。

「量子コンピューターを使う」と大将は叫ぶ。コンピュータ内部の原子は複雑な問題を解決し、ほとんど瞬時に、レーダーアレイを再構成して敵の航空機を追跡して標的にできるようにするための指示を出します。

このようなシナリオに既に取り掛かっている企業の1つがColdQuantaです。それは最近、米国の防衛研究機関Darpaと契約を結び、防衛システムが部分的に故障した場合にレーダー装置を再配置する最善の方法を迅速に解決できる量子コンピューターを構築しました。

このプロジェクトは、計算を実行できるようにする量子コンピューターの構成要素である量子ビットとして、十分な数の原子を集めることに依存しています。

これを行うには、原子が非常に低温でなければならず、そのようなコンピュータは世界で最も低温になります。

量子コンピューティングは大々的に宣伝されていますが、テクノロジーは非常に初期の段階にあります。企業は、ある特定の有用なタスクにおいて、ある日、従来のデジタルコンピュータを上回ると主張するシステムを構築し始めたところです。

「今後40か月間に私たちに求められるのは、現実世界の防衛関連の問題を解決するために何千ものキュービットを備えたマシンを手に入れることができることであり、私たちが取り組んでいるのはこのレーダーのバージョンですカバレッジの問題」と語るのは、コロラドに拠点を置くColdQuantaのCEO、Bo Ewald氏。

上記の例は最適化の問題であり、数千または数百万の解決策が考えられるシナリオです。重要なのは、最適なものを選択することです。

軍用アプリケーションに加えて、量子コンピュータは、ドラッグデザイン、投資戦略、暗号化クラッキング、および大規模な車両群の複雑なスケジューリング問題に使用できます。

エワルド氏は、これが量子コンピュータが最初の影響を与える場所であると言います-既存のコンピュータ、最速のスーパーコンピュータでさえ、解決に何時間も何日もかかる問題の最適な解決策を見つける上で。

開発中の量子コンピューターにはさまざまな種類がありますが、キュービットとして超冷中性原子を使用するアプローチは珍しいです-これは、IBMやGoogleなどの大企業や荷電原子を使用する他のプロジェクトで開発されている超伝導量子コンピューターとは異なります。代わりに、イオンとして知られています。

超伝導量子コンピューターは個々の原子をキュービットとして使用しません。これらのシステムは低温に依存していますが、ColdQuantaの中性原子に必要なものほど低くはありません。

「超伝導の人々はミリケルビンで動いている…我々はマイクロケルビンにかかっている」と彼は誇らしげに説明する。

ケルビンは温度の測定です。ゼロケルビン、絶対ゼロ(-273.15C)は、これまでで最も寒いものです。

そして、ミリケルビンは冷たいですが、0.001ケルビンですが、ColdQuantaのマイクロケルビン原子ははるかに冷たく、およそ0.000001ケルビンです。どちらも、実際には、私たちが自然界で知っているどこよりもかなり低温です。

ColdQuantaの場合、ルビジウム原子は、幅約1インチ、深さ1インチ、高さ2インチの、小さな六角形または長方形のガラスボックス内の真空内に集められます。原子は純粋にレーザーによって空中に保持されます。

しかし、なぜ温度がそれほど重要なのでしょうか。ストラスクライド大学のAndrew Daley教授は、原子を操作して適切な位置に保持できることが重要であると述べています。

原子にレーザーを照射すると、エネルギーが放出されて速度が低下します。それはそれらをほぼ完全に静止させることを可能にします、それがここの本当のポイントです。あなたや私が寒さを想像するという意味では、彼らは寒くない-むしろ、彼らはただ非常に遅くなっている。

アヒル-アトム-を一列に並べたら、好きなようにアヒルを配置できますと、Daley教授は言います。原子に対するこのきめの細かい制御は、原子を2次元または3次元の構成で配置し、量子コンピューターの中心部に互いに近接して配置できることを意味します。アトムを追加するたびに、コンピューターの機能が2倍になるため、これは重要です。

各中性原子にさらに別のレーザーを照射すると、それらが励起され、サイズが大幅に増加します。これらの調整は情報をエンコードするか、エンタングルメントと呼ばれる奇妙な現象を介して原子をリンクします。これで、数学モデルやある種の問題を表すために微調整できるシステムとして機能するキュビットのコレクションができました。

驚くべきことに、量子コンピューターのユーザーは、理論上、このシステムをプログラムして、一度に膨大な数の可能性をシミュレートすることができます。これは、多くの計算を並行して処理する従来のコンピューターのようなものではなく、奇妙であり、それよりも予測が難しく、最後に役立つ答えを出すのは難しいです。

ストラスクライドのデーリー教授の同僚であるジョナサン・プリッチャード氏は、「あなたが望んでいるのは、最後の量子状態があなたが解決しようとしている問題への答えを表しているということです」と語っています。量子コンピュータは、特定の状態、または問題に対する1つの特定の答えを優先する必要があります。

正しい問題については、従来のコンピューターよりも迅速かつ効率的に、最適な答えにかなり近づくことができます。

「私たちは、これらのマシンが従来のコンピューターで実行できることを超えて何かを実行したことを証明できるコンピューティングタスクのデモンストレーションを本当に待っています」とDaley教授は言います。

Illustration of atoms

フランスの会社Pasqalは、ColdQuantaと同様の原則に基づいて、プロトタイプシステムを構築しています。

Pasqalのシステムはエネルギー大企業EDF向けであり、これが機能すれば、電気自動車の充電に非常に効率的なスケジュールが作成されます。具体的には、目標は、すべての車両の充電を完了するために必要な合計時間を最小限に抑えながら、特定のより重要な車両を他の車両よりも優先することです。

この種の問題は従来のコンピューターで対処できると、会長のクリストフ・ユルザックは認めるが、量子システムは、たとえば24時間ではなく1時間でそれを大幅に高速化できると主張している。

「それほど大きくはないように思えますが、戦略を1時間ごとに更新したい場合、それは大きな違いです」と彼は言います。そして、その過程でスーパーコンピュータより100倍少ない電気を使用するかもしれません。

現時点では、これらすべてが実際に実証されるには至っていません。しかし、今後数年のうちに、予想よりも速く、当惑するほど冷たいコンピュータのこの品種が実際にどれほど有用であるかがわかるでしょう。