The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology or be completely useless— it all depends on whether we can harness the strange physics of matter at very, very small scales. To have even a chance of doing so, we have to control the environment precisely: the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps, nearby elevators, and opening or closing doors. The cylinder is a vacuum chamber, devoid of all the gases in air. Inside the vacuum chamber is a smaller, extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams. Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.
この金属シリンダの中身は 革命的な技術なのか それとも 無用の長物なのかは 極小スケールにおける 物質に対する奇妙な物理学を 利用できるかにかかっており そうする機会を得るために 精密に環境を整える 必要があります 分厚い天板や脚は 足音やエレベータ付近 そして扉の開閉から生じる 振動から守ります シリンダは 真空の容器となっているので 空気中の気体は全くはありません 真空容器の内部には より小さな極めて低温の区画があり 極めて微弱なレーザー光線を当てられます その内部には 量子コンピュータを構成する 非常に敏感な粒子が存在します
So what makes these particles worth the effort? In theory, quantum computers could outstrip the computational limits of classical computers. Classical computers process data in the form of bits. Each bit can switch between two states labeled zero and one. A quantum computer uses something called a qubit, which can switch between zero, one, and what’s called a superposition. While the qubit is in its superposition, it has a lot more information than one or zero. You can think of these positions as points on a sphere: the north and south poles of the sphere represent one and zero. A bit can only switch between these two poles, but when a qubit is in its superposition, it can be at any point on the sphere. We can’t locate it exactly— the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one. But even though we can’t observe the qubit in its superposition, we can manipulate it to perform particular operations while in this state.
これらの粒子に どんな価値があるのでしょうか? 理論的には 量子コンピュータは 古典的コンピュータの計算上の限界を 超えることもあり得ます 古典的コンピュータは ビット形式のデータを処理します 各ビットは0か1の 2通りの状態を切り替えることができます 量子コンピュータは 量子ビットなるものを使い 0や1 もしくは重ね合わせ状態の間を 移り変わることができます 量子ビットが重ね合わせ状態にある時 1か0の一方である状態よりも 多くの情報を含んでいます これらの状態を 球面上の点で考えてみましょう 球の北極と南極が 1と0を示しています ビットではこの2極の間でのみ 入れ替わることができますが 重ね合わせ状態にある量子ビットは 球面上のどの点にでも移れます その地点を 正確に特定できませんが それを読込んだその瞬間に 量子ビットは0か1に決まります しかし 重ね合わせ状態の 量子ビットを観測できなくても この状態にあるときに 特定の操作を行って変化させることができます
So as a problem grows more complicated, a classical computer needs correspondingly more bits to solve it, while a quantum computer will theoretically be able to handle more and more complicated problems without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.
さて 問題が複雑になるにつれ 古典的コンピュータでは それを解くのに より多くのビットが必要としますが 量子コンピュータでは 理論上 古典的コンピュータほどには より多くの量子ビットを必要とせずに ずっと複雑な問題を扱えるのです
The unique properties of quantum computers result from the behavior of atomic and subatomic particles. These particles have quantum states, which correspond to the state of the qubit. Quantum states are incredibly fragile, easily destroyed by temperature and pressure fluctuations, stray electromagnetic fields, and collisions with nearby particles. That’s why quantum computers need such an elaborate set up. It’s also why, for now, the power of quantum computers remains largely theoretical. So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.
量子コンピュータの独特な特性は 原子と亜原子粒子のふるまいに 起因します これらの粒子には 量子状態があり これが量子ビットの状態に相当します 量子状態は非常に壊れやすく 温度や圧力の変化によって 簡単に破壊され 電磁場をさまよい 近くの粒子と衝突します だから 量子コンピュータは 精巧に作る必要があり また それゆえに さしあたり 量子コンピュータの能力は 概ね理論上の想定に留まっているのです 今のところ 同じ時間に同じ場所にある 数個の量子ビットを制御するのみです
There are two key components involved in managing these fickle quantum states effectively: the types of particles a quantum computer uses, and how it manipulates those particles. For now, there are two leading approaches: trapped ions and superconducting qubits.
変わりやすい量子状態を 効果的に制御するための要素は 2つあります 量子コンピュータが使う粒子の種類と 粒子の操作方法です 現在 最先端の方法は イオントラップ型と 超伝導量子ビットの2つです
A trapped ion quantum computer uses ions as its particles and manipulates them with lasers. The ions are housed in a trap made of electrical fields. Inputs from the lasers tell the ions what operation to make by causing the qubit state to rotate on the sphere. To use a simplified example, the lasers could input the question: what are the prime factors of 15? In response, the ions may release photons— the state of the qubit determines whether the ion emits photons and how many photons it emits. An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer: 3 and 5.
イオントラップ型の量子コンピュータは 粒子としてイオンを使って レーザーでイオンを操作します そのイオンは電界で囲われた トラップ内にあります レーザーを当てることで イオンに対する操作を行い 量子ビットを球面上で回転させます 簡単な例を挙げると レーザーで質問を入力します 「15を因数分解せよ」 答えを出すために イオンは光子を放出します 量子ビットの状態が イオンが光子を放出するのか さらに いくつ光子を放出するのかを 決定します 画像システムが 光子を集めて処理し 答えを導き出します 答えは3と5です
Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way: using a chip with electrical circuits instead of an ion trap. The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit. They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves. So: the qubits come from either ions or electrical circuits, acted on by either lasers or microwaves. Each approach has advantages and disadvantages. Ions can be manipulated very precisely, and they last a long time, but as more ions are added to a trap, it becomes increasingly difficult to control each with precision. We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations, but one possible solution might be to connect many smaller traps that communicate with each other via photons rather than trying to create one big trap. Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions, and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer than the number of ions. But the circuits are also more fragile, and have a shorter overall lifespan.
超伝導量子ビットの量子コンピュータは 別の方法で同じことをします イオントラップの代わりに(量子)電子回路を 組み込んだチップを使います 各電子回路の状態は 量子ビットの状態へと変換され マイクロ波による 電気信号を送り操作します つまり 量子ビットは イオンまたは電子回路で構成され レーザーかマイクロ波で動作します どちらの方法にも それぞれ長所と短所があります イオンは極めて精密に操作でき 持続時間も長いですが より多くのイオンを トラップ中に加えていくと 個々のイオンを精密に制御するのが 難しくなっていきます 現在 高度な計算用に十分な数のイオンを トラップ中に入れられませんが あり得る解決策は 大きなトラップを1つ作るのではなく 多くの より小さなトラップを 互いに接続して 光子によって通信することです 超伝導回路の方がイオントラップ型よりも ずっと高速に動作し しかも コンピュータの回路を増やす方が イオン数を増やすよりも 簡単にできます しかし 回路はより壊れやすく 寿命もより短いのです
And as quantum computers advance, they will still be subject to the environmental constraints needed to preserve quantum states. But in spite of all these obstacles, we’ve already succeeded at making computations in a realm we can’t enter or even observe.
そして 量子コンピュータは 進化していますが なおも 量子ビットの状態を保つための 環境的な制約を受けています これらの障壁にもかかわらず 私たちは 中に入ってみたり 観測できない領域で 計算することに 既に成功しているのです