英語で読む日経サイエンス
SCIENTIFIC AMERICAN May 2016
Quantum Connections
難関を突破するモジュール量子計算
| By Christopher R. Monroe ／Robert J. Schoelkopf／Mikhail D. Lukin | C. R. モンロー ／R. J. ショルコフ／M. D. ルーキン |
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| For the past two decades scientists have been attempting to harness the peculiarities of the microscopic quantum world to achieve leaps in information processing and communication ability. By exploiting several features of physics at the universe’s smallest scales—that electrons are both particles and waves, that an object can be in many places at once and that two particles can maintain an eerie instantaneous connection even when separated by vast distances—quantum machines could make previously unthinkable computing, communication and measurement tasks trivial. To cite just one example, a quantum computer should be able to break “unbreakable” codes. | 過去20年間，ミクロの量子世界の奇妙な特性を利用して情報処理と通信の能力を飛躍的に高めようと試みられてきた。電子が粒子であると同時に波であったり，1つの物体が複数の場所に同時に存在できたり，遠く離れた2つの粒子が不気味にも瞬時に影響し合うなど，宇宙の最も小さなスケールを支配する量子力学に備わっている性質を利用することで，これまで想像もできなかった計算能力や通信性能，計測技術を実現できる可能性がある。一例を挙げると，現在のところ“決して破られない”暗号も量子コンピューターなら解読できるとされる。 | |
| At the same time, quantum machines can be used for storing and communicating information such that privacy is guaranteed by the laws of physics. They can also be used to simulate processes in complex chemical and materials systems that would otherwise be intractable. And quantum systems could boost the precision of the world’s most accurate timekeepers—atomic clocks—and serve as miniature precision sensors that measure the properties of chemical and biological systems at the atomic or molecular scale, with applications ranging from biology and materials science to medicine. | 量子マシンを情報の保存や通信に用いれば，物理法則に基づいてプライバシーを保障できる。また，従来のコンピューターには手に負えない複雑な材料系や化学系における様々なプロセスをシミュレートする量子マシンも考えられる。量子システムを使えば，世界で最も正確な時計（原子時計）の精度を何桁も高めることができる。また，生物化学システムの性質を分子・原子レベルで計測できる小型の精密センサーも実現できるだろう。その応用範囲は生物学から材料科学，医学にまで及ぶと考えられる。 | |
| This potential is why technology behemoths such as Google and Intel, several start-up companies, and defense and other government agencies are betting big on the field. The academic community is also inspired: in 2015 alone, three major journals published more than 3,000 scientific papers mentioning “quantum computing” or “quantum information.” | このような潜在性に惹かれ，グーグルやインテルなどの巨大ハイテク企業やいくつかのベンチャー企業，米国防総省をはじめとする政府機関が量子情報科学分野に巨額の研究費を投じている。学術界も活気づいており，3つの代表的な学術誌に掲載された量子計算や量子情報に関する論文は，2015年だけでも3000報を超える。 | |
| The problem is that scientists have not yet been able to build a large-scale quantum machine that realizes this promise. The challenge is that such a computer must, by definition, operate in the quantum realm, and yet when we try to build one large enough to be useful, its natural tendency is to start obeying the classical rules of the macroscopic realm. | だが，これらの夢を実現する大規模な量子マシンはまだ作られていない。量子コンピューターはその名の通り量子的に動作するものでなくてはならないが，そこが難しい。実用的な大規模なマシンを作ろうとすると，マクロ世界を支配する古典的法則に従うようになってしまうのだ。 | |
| Building a system that maintains quantum rules on a large scale and exercises the full power of quantum information processing will likely require a modular approach, where smaller, demonstrably quantum units are connected in a way that does not kill their quantum nature. Recent work has taken this so-called modular approach beyond the theoretical realm to successful tests on small scales and is paving the way for realizing the unique potential of quantum machines. | 大規模化しても量子的に振る舞い，量子情報処理の能力を最大限に働かせるシステムを構築するには，小さな量子ユニットをその量子的性質を壊さずにつなぐ方法が求められるだろう。この「モジュール方式」の研究は理論的なアイデアの段階を超え，近年は小規模システムのテストに成功している。ユニークで有望な量子マシンの実現に向けた道が開かれつつある。 |