量子コンピューティングはAIに変革をもたらすロケット燃料を与える可能性がある!がまだその道のりは近いものではなさそうである

量子コンピューティングはAIに変革をもたらすロケット燃料を与える可能性がある!がまだその道のりは近いものではなさそうであるとサウスチャイナモーニングポスティングが伝えている。

量子コンピューティングは、現在よりもはるかに強力なマシンを実現する可能性があるが、その道のりはまだ長いと、この分野のリーダーたちは言う。

ChatGPTのようなシステムの驚異的な能力を駆動し、私たちの日常生活に急速に吸収されつつある。
人間の創造性を模倣するにせよ、共感的なカウンセラーになるにせよ、事務的な雑務をなくすにせよ、ジェネレーティブAIはその潜在的な利点に対してかつてないほどの興奮をもたらした。
同様に懸念されるのは、起こりうるマイナス面である。壊滅的な雇用の喪失、広範な偽情報、そして、荒唐無稽な話だが人類滅亡の可能性さえある。その最後の可能性が遠くにあるように見えるかもしれないが、今日最も衝撃的なAIの見出しは、すぐに脚注に追いやられるかもしれない。
このテクノロジーは、AIを単なるセンセーショナルなものから、大規模で普遍的な変革へと進化させるために必要なロケット燃料を与えてくれるかもしれない。
ひとたび量子コンピューターが稼働すれば、処理速度は飛躍的に向上し、物事の複雑な分子構造（言い換えれば、ほとんどすべての化学的性質）から、システム（経済、都市における人々の動き、天候など）が無限の、そして予測不可能な方法で相互に作用し合う様子に至るまで、世界の理解が飛躍的に深まるだろう。
そうなれば、ガンやアルツハイマーなどの病気を治療したり、地球環境を救うクリーンエネルギーを生み出したりする道も開けるだろう。量子コンピューティングの黄金の可能性は、あまりにも壮大で、抗うことはできない。
さらに、量子コンピューティングはAIを自然に補完するものだ。AIが自己改善と失敗からの学習能力をもたらすのに対し、量子コンピューターはスピードとパワーを追加する。
グーグルCEOのスンダル・ピチャイは「AIは量子コンピューティングを加速させることができ、量子コンピューティングはAIを加速させることができる」と述べている。
何十年もの間、知能マシンは「AIの冬」に低迷していた。チェスやクイズゲームではなんとか人間を打ち負かしたものの、あまりに早く過大評価されたため、その潜在能力を十分に発揮できなかったのだ。
2000年代半ばから始まったジェネレーティブAIの最近の急速な発展は、多くの人にとって機械学習の春がついに到来したというサインである。

香港大学の量子情報・計算イニシアチブのディレクターであるジュリオ・チリベラ教授は、「このミレニアムにおける科学技術の最も壮大な成果のひとつであり、人類の創意工夫と知識への憧れを示す画期的なものである」と言う。

それを実現するために、民間企業や政府によって世界中で数十億ドルが費やされている（1980年代半ばからの中国の量子コンピューターへの投資額は約250億ドルと推定されている）が、それは容易なことではない。
というのも、量子コンピューターは、今日のデジタル状況を形成し、私たちが依存するようになったスマートフォン、ラップトップ、デスクトップ、あるいは企業のスーパーコンピューター（総称して「古典的コンピューター」）とは似ても似つかないからだ。
量子コンピュータは、古典コンピュータの通常の「ビット」（2進数：情報の最小単位）の代わりに、「量子ビット」（qubits：量子ビット）で作られている。
ビットはオンかオフのスイッチと表現できるが、量子物理学の基本的に奇妙な性質（不確定性と確率の領域）のおかげで、量子ビットは同時にオンにもオフにもなり、その間の状態も実に多様である。

不可能に聞こえるが、これが素粒子の振る舞いであり、量子ビットは原子や素粒子から作られている。
量子ビットのスケールとぼんやりとした性質を考えると、制御された再現可能な方法で利用するのは極めて難しい。そのため、チリベラは「実際の量子コンピュータを作るのはまだ途方もない挑戦だ」と主張している。
量子ビットは本質的に壊れやすいため、人間の観察であれ、近くの粒子との相互作用であれ、外部からの干渉から隔離しておかなければならない。
一度危険にさらされると、量子ビットは “デコヒーレンス “状態に崩壊し、量子研究所の専門用語で言うところの “ノイズ “になってしまう。

このノイズ問題に対処することは、量子コンピューター科学者が直面している主な困難のひとつである。水銀量子ビットを扱う一つのアプローチは、絶対零度に近い温度（摂氏マイナス273度／華氏マイナス460度、宇宙で最も寒い場所とほぼ同じ）に保つことである。
このような要件を考えると、量子ラップトップを職場に持ち込む人はすぐに現れないだろう。しかし研究室では、量子コンピューティングの大きな可能性の片鱗が見え始めている。
最終的な目標は、情報を直線的に処理する古典的なコンピューターよりもスピードとパワーを指数関数的に向上させることだ。これとは対照的に、個々の量子コンピューターは、同時に多くの計算を並行して実行するように設計されている。

もちろん、古典的なコンピュータを何台も並列に接続することは可能だが、そのような配置では、強力な量子コンピュータ1台に勝るスピードは得られない。古典的なスーパーコンピューターなら何千年もかかるような複雑な計算も、量子コンピューターなら理論的には数分で完了する。
その方法を理解し、量子コンピューターの潜在的な影響力を把握するには、量子物理学の背景を少し知っておくと役に立つ。
20世紀前半、アルベルト・アインシュタイン、ニールス・ボーア、エルヴィン・シュレーディンガー、ヴェルナー・ハイゼンベルクらの数学と思考実験によって、量子力学のミクロ以下の世界が初めて垣間見られた。
彼らが説明した現実は、彼ら自身が認めているように、理解することはほとんど不可能であった。

1992年に出版された著書『最終理論の夢』の中で、作家であり物理学者でもあった故スティーヴン・ワインベルクは、量子論がもたらす洞察について、幻想的なワーグナー神話を用いることに正当性を感じていた。
世界で最も傑出した科学者の一人が、量子論的世界観をこれほど不思議なものだと感じたのだから、その不思議な魅力と可能性は計り知れない。
量子の世界は深く奇妙で、直感に反する。それは、素粒子レベルでの物事の振る舞いが、深く奇妙で直感に反するからである。
アイザック・ニュートンとその古典的なアインシュタイン以前の力学によって確立された「時計仕掛け」の宇宙という考え方は、比較的論理的で親しみやすいものに思えた。現実の量子論的な見方は、ニュートン版よりもはるかに不可解で直感的ではないが、私たちはそれを受け入れなければならない。

「物理学者のリチャード・ファインマンは1981年、量子論の計算への応用が本格的に検討され始めたころ、「自然は古典的なものじゃないんだ。
ぼんやりとした自然の量子性を理解するためには、量子コンピュータという新しい種類のコンピュータが必要だとファインマンは言いたかったのだ。
量子コンピュータでは、量子力学の最も奇妙な2つの側面である「重ね合わせ」と「もつれ」が重要な役割を果たす。
量子重ね合わせは、量子ビットに「オンとオフが同時に存在する」性質を与えるもので、これがなければ量子コンピューターは存在しない。量子もつれは、量子コンピューターに巨大なパワーを与え、処理能力を古典的なコンピューターを超える指数関数的なレベルまで高める。

量子もつれは、量子コンピュータに巨大なパワーを与え、処理能力を古典コンピュータを超える飛躍的なレベルに引き上げる。粒子の測定と観測に関係する重ね合わせは、多くのカラフルな思考実験を生み出してきた。最も有名なのはシュレーディンガーの猫（前述のエルヴィンにちなんで命名された）で、箱の中に閉じ込められ、見ることができず、理論的には生きていると同時に死んでいる。
エンタングルメントとは、ある一対の粒子が、どんなに離れていても、それらを1つの物体として結合させる性質を共有できるというものである。
アインシュタインでさえ、エンタングルメントを “spooky action at a distance”（遠距離における不気味な作用）と呼んだほどであるが、発見から100年、実験によってエンタングルメントが真実であることが証明された。

重ね合わせとエンタングルメントの証明可能な効果のおかげで、量子コンピューターのアイデアは、少なくとも理論的には可能性の領域に入った。
しかし、現実世界で量子コンピュータを作るには、量子力学の知識だけでは不十分である。実用的な量子マシンに向けた最大の前進、つまりある種のエウレカの瞬間は、数学、そしてマサチューセッツ工科大学（MIT）のピーター・ショー教授（応用数学）が解明したゲームチェンジャー的アルゴリズムにあった。
1994年、ショーは「ショーのアルゴリズム」として不朽の名声を誇るアルゴリズムを考案し、ファインマンが想像していた量子コンピュータの命令を事実上実現した。

言い換えれば、彼は量子ハードウェアを設計するためのソフトウェアを書いたのであり、そうすることで、現実に役立つ量子デバイスの開発競争をスタートさせたのである。
世界最高の」量子コンピュータを作ることを使命とするIonQ社の共同設立者兼最高技術責任者（CTO）であるジュンサン・キムは、20年以上もの間、量子ビットの製造と制御の課題に没頭してきた。
「量子ビットの小さな秘密は、いくらでも量子ビットを作ることはできるが、量子ビットは量子コンピューターではないということだ。

「まず、コンピュータに何をすべきかを指示できなければなりません。次に、コンピュータが確実に正しい答えを出さなければなりません。量子コンピュータの課題は、誤差がまだ大きいことです。
「実際に量子コンピュータに特定の計算を指示するとき、コンピュータのハードウェアは完全ではなく、ある時点でノイズに支配され、ランダムな計算をしてしまう。
「量子コンピュータがランダムな計算をする場合、量子ビットの数に関係なく、ゴミが出てしまうのです」。
しかし、量子ビットのゴミ問題の解決策は比較的単純である。大方の予想では、量子コンピュータの処理能力の約90％は、量子ビットのエラー訂正に向けられなければならない。

量子コンピューター科学者にとって朗報なのは、適切なアルゴリズムがあれば、それは十分に可能だということだ。「パサデナにあるカリフォルニア工科大学（Caltech）の量子情報物質研究所の数理物理学者スピロス・ミハラキスは言う。
「我々が量子エラー訂正と呼んでいるのは、エラーを見つけて訂正し、計算を続けるというものです」。
IonQは、有用な量子コンピュータを目指す競争のトップランナーの1つと考えられており、希土類元素（イッテルビウム）の原子を捕獲し、電磁場によってその場に保持する「トラップドイオン」と呼ばれる量子ビットへのアプローチを追求している。
「キムは、「この10年の半ばまでには」測定可能な進歩を遂げたいと考えている。

IonQのトラップド・イオン・テクニックは、量子コンピューティングへのいくつかのアプローチのひとつであり、それぞれが異なるタイプのハードウェアに賭け、異なる種類の量子ビットに依存している。
宇宙学者のアンドリュー・ポンツェンは新著『箱の中の宇宙』でこう説明している： 「正確なハードウェアはほとんど関係なく、原子や光、超伝導金属など、量子的な振る舞いを示すものであれば何でもよい。
アマゾン・ウェブ・サービス、グーグル、IBM、インテル、アリババ（サウスチャイナ・モーニング・ポストのオーナー）、バイドゥなど、さまざまな有名企業によって開発されているいわゆる超伝導量子ビット・マシンは、不安定な量子ビットを制御するために設計されたシャンデリアのような冷却構造がハードウェアに含まれているため、注目を集めている。

「ファインマンが教鞭を執り、ショーが研究していたカリフォルニア工科大学のキャンパスで会うと、ミハラキスは言う。
「ファインマンが教鞭をとり、ショーが学んだカリフォルニア工科大学のキャンパスでミハラキスと会った。
理論物理学者のアレクセイ・キタエフが独自に開発した量子ビットへのまったく異なるアプローチ、すなわちトポロジカル量子コンピューティングは、マイクロソフトが自社の量子への野望の礎としている。
これらの方法のいずれが最初に成功するにしても、あるいは量子ハードウェアの最適解が別のところにあるにしても、物質的な課題や耐障害性を克服するのは容易ではない。
しかし、量子コンピューターが完全に機能するようになれば、ミシャラキスは「度肝を抜くような」ことができるようになるだろう。例えば、バッテリー技術が大幅に改善されるかもしれない。
その利点を期待して、自動車業界はすでに量子コンピューター分野のパイオニアと提携している。
ダイムラーはIBMと、フォルクスワーゲンはDウェーブ・システムズ（カナダの量子コンピューター企業）と、現代自動車はIonQと提携している。

「バッテリーのエネルギー密度をさらに2、3、4倍高めることができれば、300マイル（480km）ではなく、600マイルや1,200マイルを（1回の充電で）走ることができます」とキムは言う。
「そうなれば、化石燃料よりもはるかに魅力的な存在になります。そうなれば、地球温暖化やこうした問題すべてにインパクトを与えることができるのです」。
窒素をアンモニアに変換するバクテリアの酵素であるニトロゲナーゼに関する量子コンピューターによる知識の向上は、我々の生活に大きな変化をもたらす可能性がある、とキムは言う。
「窒素をアンモニアに変換する古典的な方法として、ハーバー・ボッシュ・プロセスというものがあります。

「バクテリアは室温でこれを行うが、複雑すぎるため、核となる力学的な仕組みはわかっていない。
「もしそれを理解することができれば、現在肥料製造に使われているエネルギーの10％を節約することができるということですか？もちろんです」。
同様に、炭素隔離の謎も量子コンピューターによって解明されるかもしれない。
分子レベルでの薬物設計に革命が起こり、ワクチンや、例えば個別化がん治療への新たな道が開けるかもしれない。

効果的な量子コンピューティングによって、化学プロセスの理解は神の域に達するだろう。
金融と投資もまた、量子ビットが革命を起こすかもしれない。市場を変動させる要因は非常に多岐にわたるため、その結果は無限に近い可能性があり、量子コンピューターではこれらの可能性をモデル化するのは比較的簡単である。
市場の動きの予測ははるかに正確になるだろう。量子コンピューターはまた、最適化やコスト削減の効率化の問題にも自然に適合するだろう： 「起業家たちに言っていることですが、現在、あなたのビジネスの物流に必要なアルゴリズムがあれば、それを後押ししてくれる量子アルゴリズムが理論家たちによって開発されているかどうか試してみてください」とミハラキス氏は言う。
「これがどれほど人生を変えることになるか。
今のところ、われわれはNISQ時代（Noisy Intermediate-Scale Quantum）に留まっている。量子コンピュータが古典的なコンピュータに対して大きな優位性を明確に示す、量子至上主義のブレークスルーの瞬間を待っているのだ。
Googleは53量子ビットのSycamoreマシンで、2019年に早々と量子の覇権を主張したが、ミシャラキスによれば、これはまだ素晴らしい画期的なことであり、2020年には中国の研究者からも同様の主張がなされる。
「中国科学技術大学のPan Jianwei教授率いるチームは、Jiuzhangと呼ばれる光ベースの量子コンピュータが、当時知られていた最高の古典アルゴリズムよりも高速な計算を行うという画期的な実験を行いました」とChiribellaは言う。
「この実験は、古典的な総当たりシミュレーションと比較して、約1兆兆倍のスピードアップを達成しました。この実験は、古典的シミュレーションの総当り計算と比較して、およそ1兆兆倍ものスピードアップを達成したのです。今日では、この実験は量子の覇権を追求する上での重要なマイルストーンのひとつとみなされています」。

2021年、パンはZuchongzhiと名付けられた66量子ビットの量子プロセッサーで超伝導量子ビットのアプローチをとった。それ以来、このプロセッサーは「量子化学と量子物質の研究のための数多くの興味深いアプリケーション」で使用されている、とチリベラは説明する。
しかし、量子コンピューティングのハレルヤの瞬間が完全に活気づいたとは言い難い。観測者たちは、量子コンピューター時代の偉大な夜明けが保留されている証拠として、覇権を決定するために使用される計算の選択的性質と、エラー訂正の継続的な課題を強調している。
「量子覇権には2つの課題があります。「ひとつは、それを達成することであり、もうひとつは、達成したことを確信することである。
ミハラキスは、この分野の多くの専門家と同様、忍耐を実践している。「私たちは、興奮の流れを受け止め、誇大宣伝からより深く、より思慮深い研究に移行させることができる明晰な頭脳を世に送り出そうとしているのです」と彼は言う。
「私は極端な楽観主義者です。あなたが何を望んでも、宇宙は与えてくれる。

アルゴリズムの第一人者であるショーは、強力な量子コンピュータの登場にはどれくらいの時間がかかるのかと尋ねられると、「量子コンピュータは改良を続け、最終的には20年後か30年後には、本当に役に立つことができるくらいの大きさになると思います。
「私たちが賢ければ、そんなに時間はかからないでしょう。でも、何回かのブレークスルーが必要です」。
では、次の飛躍の瞬間を待つ間、量子コンピュータの当面の未来はどうなっているのだろうか？
「このような方法論の多くは、私たちがそれを掘り下げていくと、ハイブリッドな問題になると思います」とキムは言う。「古典的なコンピュータが得意とするタスクはたくさんあり、量子コンピュータを使う意味はありません。
「古典的な計算能力という点で、我々が持っているすべての弾薬を使うべきだと思います。
多くの人が誤解していることのひとつは、量子コンピューターは古典コンピューターができることは何でもできる、ただもっともっと速くできる、と思っていることです。そして、量子コンピューターで高速化できるのは、特定の問題だけだということが判明したのです」。それゆえ、キムが提案したハイブリッド・ロードマップの可能性があるのだ。

そのロードマップが私たちをどこに導くかは推測の余地があるが、すべてのシナリオは、最近のジェネレーティブAIの台頭によってよく知られるようになった将来性と危険性のバランスにかかっている。
例えば、量子コンピューターは現在のデータ暗号やサイバーセキュリティの暗号を解読するのにほとんど問題はないだろうし、予防措置として、（まだ作られていない）量子デバイスによる将来のサイバー攻撃に耐えるツールはすでに設計されている。
逆に、量子コンピューターによって生成される新しいタイプの暗号鍵は、現在のプロトコルよりもはるかに安全である可能性がある。したがって、量子の成功がコンピューティングの優位性にどのような影響を与えるかは、その到着のタイミングと場所次第である。
量子コンピューターとAIのパートナーシップに思いを馳せるときにも、諸刃の剣の光が点滅する。
理論物理学者のミチオ・カクが最新刊『Quantum Supremacy（量子至上主義）』の中で述べているように、一方では存亡の危機という暗雲が立ち込め、他方では人間を超える知性に支えられた明るい未来が約束されている： AIには新しく複雑なタスクを学習する能力があり、量子コンピュータはそれに必要な計算能力を提供できる」。

「実際、この2つの融合は科学のあらゆる分野に革命をもたらし、私たちのライフスタイルを変え、経済を根本的に変えるかもしれない。
「AIは、人間の能力を模倣し始める学習マシンを作る能力を与え、量子コンピュータは、最終的に知的マシンを作る計算能力を提供するかもしれない」。
重要なことに、今年6月、パンと彼のチームは九張マシンの新たなマイルストーンを発表した。テストでは、AIに必要なある種の計算を、世界最速のスーパーコンピューターの1億8000万倍の速さで実行した。
たとえノイズやエラーがあっても、九藏は素晴らしい結果を出すことができる。
それまでは、世界の量子パイオニアたちの研究室から、哲学的に遠大な何かが私たちの共通の意識に浸透し始めているという、夜明けのような実感を味わうことに専念しよう。

多くの物理学者や数学者にとって、機能的で世界を変える量子コンピューターへの道のりの一歩一歩は、より深遠な目標、すなわち現実の本質をより深く理解することを前提としている。
これはまた、理解の本質が再考されることを意味する。
「量子物理学における革命は、視点をコペルニクス的に変えることです。
「量子物理学は、基本的な真理は存在しないのだから、可能性のあるすべての視点を占めなければならないと教えてくれる。他の誰よりも優れている基本的な視点などない。それらはすべてつながっている。
ミハラキスにとって、量子ビット、数学、哲学のこの合流は極めて重要であり、啓発的であり、我々の量子宇宙では必然的なことである： 「人間として何を追い求めるべきかについて、ある時点で誤解があることに気づく。真理の追求？それは間違っている。
「唯一の真実など存在せず、共通の真実という幻想があるだけだとしたら、真実を追求すべきではない。理解を追求すべきだ。