The high-stakes race to make quantum computers work - Chiara Decaroli

翻訳: Masako Kigami 校正: Tomoyuki Suzuki

The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology

この金属シリンダの中身は 革命的な技術なのか

or be completely useless—

それとも 無用の長物なのかは

it all depends on whether we can harness the strange physics of matter

極小スケールにおける 物質に対する奇妙な物理学を

at very, very small scales.

利用できるかにかかっており

To have even a chance of doing so,

そうする機会を得るために

we have to control the environment precisely:

精密に環境を整える 必要があります

the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps,

分厚い天板や脚は 足音やエレベータ付近

nearby elevators, and opening or closing doors.

そして扉の開閉から生じる 振動から守ります

The cylinder is a vacuum chamber,

シリンダは 真空の容器となっているので

devoid of all the gases in air.

空気中の気体は全くはありません

Inside the vacuum chamber is a smaller,

真空容器の内部には

extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams.

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

Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.

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?

これらの粒子に どんな価値があるのでしょうか？

In theory, quantum computers could outstrip the computational limits

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

of classical computers.

超えることもあり得ます

Classical computers process data in the form of bits.

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

Each bit can switch between two states labeled zero and one.

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

A quantum computer uses something called a qubit,

量子コンピュータは 量子ビットなるものを使い

which can switch between zero, one, and what’s called a superposition.

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

While the qubit is in its superposition,

量子ビットが重ね合わせ状態にある時

it has a lot more information than one or zero.

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

You can think of these positions as points on a sphere:

これらの状態を 球面上の点で考えてみましょう

the north and south poles of the sphere represent one and zero.

球の北極と南極が １と０を示しています

A bit can only switch between these two poles,

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

but when a qubit is in its superposition,

重ね合わせ状態にある量子ビットは

it can be at any point on the sphere.

球面上のどの点にでも移れます

We can’t locate it exactly—

その地点を 正確に特定できませんが

the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one.

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

But even though we can’t observe the qubit in its superposition,

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

we can manipulate it to perform particular operations while in this state.

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,

さて 問題が複雑になるにつれ

a classical computer needs correspondingly more bits to solve it,

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

while a quantum computer will theoretically be able to handle

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

more and more complicated problems

より多くの量子ビットを必要とせずに

without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.

ずっと複雑な問題を扱えるのです

The unique properties of quantum computers

量子コンピュータの独特な特性は

result from the behavior of atomic and subatomic particles.

原子と亜原子粒子のふるまいに 起因します

These particles have quantum states,

これらの粒子には 量子状態があり

which correspond to the state of the qubit.

これが量子ビットの状態に相当します

Quantum states are incredibly fragile,

量子状態は非常に壊れやすく

easily destroyed by temperature and pressure fluctuations,

温度や圧力の変化によって 簡単に破壊され

stray electromagnetic fields,

電磁場をさまよい

and collisions with nearby particles.

近くの粒子と衝突します

That’s why quantum computers need such an elaborate set up.

だから 量子コンピュータは 精巧に作る必要があり

It’s also why, for now,

また それゆえに さしあたり

the power of quantum computers remains largely theoretical.

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

So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.

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

変わりやすい量子状態を

in managing these fickle quantum states effectively:

効果的に制御するための要素は ２つあります

the types of particles a quantum computer uses,

量子コンピュータが使う粒子の種類と

and how it manipulates those particles.

粒子の操作方法です

For now, there are two leading approaches:

現在 最先端の方法は

trapped ions and superconducting qubits.

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

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

and manipulates them with lasers.

レーザーでイオンを操作します

The ions are housed in a trap made of electrical fields.

そのイオンは電界で囲われた トラップ内にあります

Inputs from the lasers tell the ions what operation to make

レーザーを当てることで イオンに対する操作を行い

by causing the qubit state to rotate on the sphere.

量子ビットを球面上で回転させます

To use a simplified example,

簡単な例を挙げると

the lasers could input the question:

レーザーで質問を入力します

what are the prime factors of 15?

「15を因数分解せよ」

In response, the ions may release photons—

答えを出すために イオンは光子を放出します

the state of the qubit determines whether the ion emits photons

量子ビットの状態が イオンが光子を放出するのか

and how many photons it emits.

さらに いくつ光子を放出するのかを 決定します

An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer:

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

3 and 5.

答えは３と５です

Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way:

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

using a chip with electrical circuits instead of an ion trap.

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

The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit.

各電子回路の状態は 量子ビットの状態へと変換され

They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves.

マイクロ波による 電気信号を送り操作します

So: the qubits come from either ions or electrical circuits,

つまり 量子ビットは イオンまたは電子回路で構成され

acted on by either lasers or microwaves.

レーザーかマイクロ波で動作します

Each approach has advantages and disadvantages.

どちらの方法にも それぞれ長所と短所があります

Ions can be manipulated very precisely,

イオンは極めて精密に操作でき

and they last a long time,

持続時間も長いですが

but as more ions are added to a trap,

より多くのイオンを トラップ中に加えていくと

it becomes increasingly difficult to control each with precision.

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

We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations,

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

but one possible solution might be to connect many smaller traps

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

that communicate with each other via photons

多くの より小さなトラップを 互いに接続して

rather than trying to create one big trap.

光子によって通信することです

Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions,

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

and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer

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

than the number of ions.

簡単にできます

But the circuits are also more fragile,

しかし 回路はより壊れやすく

and have a shorter overall lifespan.

寿命もより短いのです

And as quantum computers advance,

そして 量子コンピュータは 進化していますが

they will still be subject to the environmental constraints

なおも 量子ビットの状態を保つための

needed to preserve quantum states.

環境的な制約を受けています

But in spite of all these obstacles,

これらの障壁にもかかわらず

we’ve already succeeded at making computations

私たちは 中に入ってみたり 観測できない領域で

in a realm we can’t enter or even observe.

計算することに 既に成功しているのです