A beginner's guide to quantum computing | Shohini Ghose

翻訳: Hiroshi Uchiyama 校正: Tomoyuki Suzuki

Let's play a game.

ゲームをしてみましょう

Imagine that you are in Las Vegas,

想像してください

あなたはラスベガスにいて

in a casino,

and you decide to play a game on one of the casino's computers,

カジノにあるコンピュータの１台で ゲームをすることにします

just like you might play solitaire or chess.

ソリティアやチェスをするみたいに

The computer can make moves in the game, just like a human player.

コンピュータは人間と同じように 手を進めることができます

This is a coin game.

これはコインゲームです

It starts with a coin showing heads,

まずコインを表にして始めます

and the computer will play first.

先手はコンピュータです

It can choose to flip the coin or not,

コンピュータは コインの表裏を 反転させるかどうかを決めますが

but you don't get to see the outcome.

あなたに結果は知らされません

Next, it's your turn.

次はあなたの番です

You can also choose to flip the coin or not,

同じようにコインを 反転させるかどうかを選択しますが

and your move will not be revealed to your opponent, the computer.

相手であるコンピュータには その結果は知らされません

Finally, the computer plays again, and can flip the coin or not,

最後に再びコンピュータが コインを反転させるかを選びます

and after these three rounds,

この３回のプレイの後

the coin is revealed,

コインの表裏が明かされます

and if it is heads, the computer wins,

表が出たらコンピュータの勝ちで

if it's tails, you win.

裏ならあなたの勝ちです

So it's a pretty simple game,

とても単純なゲームですが

and if everybody plays honestly, and the coin is fair,

皆さんが正直にゲームして コインが公正なものなら

then you have a 50 percent chance of winning this game.

このゲームに50%の確率で 勝てるはずです

And to confirm that,

その確認のために

I asked my students to play this game on our computers,

コンピュータを相手に このゲームをするように学生に指示し

and after many, many tries,

多くの試行を繰り返したところ

their winning rate ended up being 50 percent, or close to 50 percent,

勝率は50%か 50%に近い値となり

as expected.

予想通りの結果になりました

Sounds like a boring game, right?

何だか退屈なゲームですよね？

But what if you could play this game on a quantum computer?

でも量子コンピュータで このゲームをしたらどうなるでしょう？

Now, Las Vegas casinos do not have quantum computers,

ラスベガスのカジノには 私の知る限り

as far as I know,

量子コンピュータはありませんが

but IBM has built a working quantum computer.

IBMは動作する量子コンピュータを 製作しました

Here it is.

これがその写真です

But what is a quantum computer?

量子コンピュータとは何でしょうか

Well, quantum physics describes

量子物理学は

the behavior of atoms and fundamental particles,

原子や 電子や光子といった素粒子の

like electrons and photons.

振る舞いを説明します

So a quantum computer operates

量子コンピュータは

by controlling the behavior of these particles,

このような素粒子の動きを 制御することで動作するので

but in a way that is completely different from our regular computers.

従来型のコンピュータとは 全く異なります

So a quantum computer is not just a more powerful version

量子コンピュータは 従来型のコンピュータを

of our current computers,

単に強化したものではありません

just like a light bulb is not a more powerful candle.

電球がろうそくを強化したものでは ないのと同じです

You cannot build a light bulb by building better and better candles.

どんなにろうそくを改良しても 電球は作れません

A light bulb is a different technology,

電球はまったく異なる技術であり

based on deeper scientific understanding.

より高度な科学的理解に基づいています

Similarly, a quantum computer is a new kind of device,

同様に量子コンピュータは 新しいタイプの機器であって

based on the science of quantum physics,

量子物理学に基づいており

and just like a light bulb transformed society,

電球が社会を変革させたように

quantum computers have the potential to impact

量子コンピュータは 私たちの生活の多くの面で

so many aspects of our lives,

影響を与える可能性を秘めています

including our security needs, our health care and even the internet.

安全に関するニーズや 医療、インターネットにまで及びます

So companies all around the world are working to build these devices,

そのような機器を作ろうと 世界中の企業が取り組んでいます

and to see what the excitement is all about,

その素晴らしさを知るために 先ほどのゲームを

let's play our game on a quantum computer.

量子コンピュータで プレイしてみましょう

So I can log into IBM's quantum computer from right here,

IBMの量子コンピュータに ここからログインできます

which means I can play the game remotely,

つまり遠隔操作でゲームが できるのです

and so can you.

皆さんだってできます

To make this happen, you may remember getting an email ahead of time, from TED,

プレイの前に確認です　事前にTEDから 電子メールが送られてきましたね

asking you whether you would choose to flip the coin or not,

皆さんがゲームをプレイするとしたら コインを反転させるかどうか

if you played the game.

決めて欲しいというお願いでした

Well, actually, we asked you to choose between a circle or a square.

実際の質問は 円と正方形の どちらかを選択するというものでした

You didn't know it, but your choice of circle meant "flip the coin,"

実は 円は「コインを反転させる」

正方形は「反転させない」という 意味だったのです

and your choice of square was "don't flip."

We received 372 responses.

372通の回答を頂きました

Thank you.

ありがとう

That means we can play 372 games against the quantum computer

これで量子コンピュータを相手に 皆さんの選択を利用して

using your choices.

372回ゲームができます

And it's a pretty fast game to play,

すぐに決着がつくゲームなので

so I can show you the results right here.

今ここで結果をお見せできます

Unfortunately, you didn't do very well.

残念ですが 皆さんの勝率は 芳しくありません

(Laughter)

（笑）

The quantum computer won almost every game.

量子コンピュータがほとんどの回で 勝利を収めています

It lost a few only because of operational errors in the computer.

数回負けたのはコンピュータ内部の エラーによるものでした

(Laughter)

（笑）

So how did it achieve this amazing winning streak?

ではどのようにして 見事に連勝したのでしょうか？

It seems like magic or cheating,

マジックか いかさまのようにも 思われますが

but actually, it's just quantum physics in action.

実際には量子物理学が 作用しているだけです

Here's how it works.

その仕組みを説明しましょう

A regular computer simulates heads or tails of a coin as a bit,

通常のコンピュータはコインの表裏を ビットでシミュレートします

a zero or a one,

つまり０か１ あるいは

or a current flipping on and off inside your computer chip.

コンピュータチップ内の 反転させる させないで表すのです

A quantum computer is completely different.

量子コンピュータは全く異なります

A quantum bit has a more fluid, nonbinary identity.

量子ビットは より流動的で ２値的なものではありません

It can exist in a superposition, or a combination of zero and one,

０である可能性と １である可能性の 重ね合わせ つまり

with some probability of being zero and some probability of being one.

０と１の組み合わせとして 存在することが出来ます

In other words, its identity is on a spectrum.

言い換えると その実体は 連続的な存在なのです

For example, it could have a 70 percent chance of being zero

それは例えば ０である確率が70％で

and a 30 percent chance of being one

１である確率が30％だったり

or 80-20 or 60-40.

それぞれの確率が80%と20%や 60%と40％だったりするのです

The possibilities are endless.

無限の組み合わせがあり得ます

The key idea here

カギとなる考え方は

is that we have to give up on precise values of zero and one

０か１のどちらかだけであるといった 考えを捨て

and allow for some uncertainty.

不確定性を認めることです

So during the game,

このゲームにおいては

the quantum computer creates this fluid combination of heads and tails,

量子コンピュータは 表と裏 つまり０と１の

zero and one,

混合状態を作り出して

so that no matter what the player does,

プレイヤーの選択肢 つまり

flip or no flip,

反転させるかどうかに関わらず

the superposition remains intact.

重ね合わせ状態が 変化しないようにできます

It's kind of like stirring a mixture of two fluids.

それは２種類の液体の混合液を 攪拌するようなものです

Whether or not you stir, the fluids remain in a mixture,

攪拌するしないに関わらず 液体は混合液のままであるのと同じです

but in its final move,

しかし 最後の手番で

the quantum computer can unmix the zero and one,

量子コンピュータは０と１を分離し

perfectly recovering heads so that you lose every time.

必ず表を出し 皆さんは毎回負けることになります

(Laughter)

（笑）

If you think this is all a bit weird, you are absolutely right.

ちょっと不思議だと 思っても当然のことです

Regular coins do not exist in combinations of heads and tails.

表と裏の混在なんて ふつうのコインにはありえません

We do not experience this fluid quantum reality

日常生活の中では この流動的な量子論的リアリティを

in our everyday lives.

経験することはありません

So if you are confused by quantum,

もし量子によって混乱しているなら

don't worry, you're getting it.

気にしないで すぐ理解できます

(Laughter)

（笑）

But even though we don't experience quantum strangeness,

量子の奇妙なふるまいを 経験しないにしても

we can see its very real effects in action.

その効果を実際に 見ることができます

You've seen the data for yourself.

皆さんは 自分でデータを ご覧になりました

The quantum computer won

量子コンピュータが勝利したのは

because it harnessed superposition and uncertainty,

重ね合わせと不確定性を 利用したからです

and these quantum properties are powerful,

そして このような量子の性質は

not just to win coin games,

コインを使ったゲームで 勝利するに留まらず

but also to build future quantum technologies.

未来の量子技術を 築くほどまでに強力なのです

So let me give you three examples of potential applications

ここで私たちの生活を変える 可能性のある応用例を

that could change our lives.

３つ示します

First of all, quantum uncertainty could be used to create private keys

まず第１に 量子の不確定性は 秘密鍵の生成に利用できるかもしれません

for encrypting messages sent from one location to another

ある所から別の場所に メッセージを暗号化して送る際に

so that hackers could not secretly copy the key perfectly,

盗聴者が秘密裏に鍵を 完璧にコピーすることを防止できる

because of quantum uncertainty.

量子の不確定性を利用した暗号鍵です

They would have to break the laws of quantum physics

暗号鍵を盗聴するには 量子物理学の法則を

to hack the key.

破らなければなりません

So this kind of unbreakable encryption is already being tested by banks

この様な解読不可能な暗号化は 世界中の銀行やその他の機関によって

and other institutions worldwide.

すでに試験が行われています

Today, we use more than 17 billion connected devices globally.

現在 全世界で170億台もの機器が ネットに接続されています

Just imagine the impact quantum encryption could have in the future.

量子暗号が将来に与える影響を 想像してみてください

Secondly, quantum technologies could also transform health care and medicine.

２つ目に 量子技術は医療や医薬品も 変革させるかもしれません

For example, the design and analysis of molecules for drug development

例えば医薬品開発での 分子設計と分析が

is a challenging problem today,

現時点の難題です

and that's because exactly describing and calculating

分子内のすべての原子 そしてその原子の量子特性を

all of the quantum properties of all the atoms in the molecule

正確に記述し 計算することは

is a computationally difficult task, even for our supercomputers.

スーパーコンピュータの計算能力さえも 超えた困難な作業だからです

But a quantum computer could do better,

しかし量子コンピュータなら 上手くいくかもしれません

because it operates using the same quantum properties

シミュレートしようとしている分子と 同じ量子特性を利用して

as the molecule it's trying to simulate.

動作しているのですから

So future large-scale quantum simulations for drug development

未来の医薬品開発における 大規模な量子シミュレーションは

could perhaps lead to treatments for diseases like Alzheimer's,

多くの人命にかかわる アルツハイマー疾患などの治療を

which affects thousands of lives.

可能にするかもしれません

And thirdly, my favorite quantum application

そして３つ目は わたしのお気に入りの応用例で

is teleportation of information from one location to another

ある場所から他の場所への 情報のテレポーテーションです

without physically transmitting the information.

情報を物理的に 送信する訳ではありません

Sounds like sci-fi, but it is possible,

SFのように聞こえますが可能なのです

because these fluid identities of the quantum particles

それは量子的な粒子の持つ 流動的な性質が

can get entangled across space and time

時空を超えて 「量子もつれ」を生じさせます

in such a way that when you change something about one particle,

これは 一方の粒子を変化させたとき

it can impact the other,

他方の粒子に影響が及ぶことで

and that creates a channel for teleportation.

テレポーテーションの 伝送路を創り出せるのです

It's already been demonstrated in research labs

すでに研究所で実証されていて

and could be part of a future quantum internet.

将来の量子インターネットの 構成要素になるかもしれません

We don't have such a network as yet,

そのようなネットワークは まだありませんが

but my team is working on these possibilities,

私たちのチームは 量子コンピュータ上で

by simulating a quantum network on a quantum computer.

量子ネットワークのシミュレーションを行い その可能性に取り組んでいます

So we have designed and implemented some interesting new protocols

私たちは興味深いプロトコル(通信規約)を 設計し実装しました

such as teleportation among different users in the network

ネットワーク上の異なるユーザー間の テレポーテーションや

and efficient data transmission

効率的なデータ送信や

and even secure voting.

安全な投票プロトコルさえあります

So it's a lot of fun for me, being a quantum physicist.

量子物理学者である私にとって 多くの楽しみがあります

I highly recommend it.

皆さんにもお勧めしますよ

(Laughter)

（笑）

We get to be explorers in a quantum wonderland.

私たちは 量子の不思議の国の 探検家になるのです

Who knows what applications we will discover next.

次にどんな応用が見つかるか 誰にも分かりません

We must tread carefully and responsibly

量子の未来を築く時には 慎重かつ責任を持って

as we build our quantum future.

歩みを進めなければなりません

And for me, personally,

そして私自身は 量子物理学を

I don't see quantum physics as a tool just to build quantum computers.

量子コンピュータを作るためだけの 道具とは考えていません

I see quantum computers as a way for us to probe the mysteries of nature

自然の神秘を探り 私たちの経験を超えた 世界のベールをはがす一つの手段として

and reveal more about this hidden world outside of our experiences.

量子コンピュータを 見ているのです

How amazing that we humans,

私たち人類の素晴らしさは

with our relatively limited access to the universe,

宇宙へのアクセスが 比較的限られているのにも関わらず

can still see far beyond our horizons

想像力と独創性を活用することで

just using our imagination and our ingenuity.

その先の世界も 見通せることにあります

And the universe rewards us

宇宙は それに応えるように

by showing us how incredibly interesting and surprising it is.

宇宙が どれほど興味深く 驚異的であるかを見せてくれます

The future is fundamentally uncertain,

未来は基本的に不確定であることが

and to me, that is certainly exciting.

私をとてもワクワクさせるのです

Thank you.

ありがとう

(Applause)

（拍手）