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takahashicleaning · 24 days ago

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ＴＥＤにて

ショヒーニ・ゴーシュ：１０分でほぼ分かる量子コンピューター

（詳しくご覧になりたい場合は上記リンクからどうぞ）

量子コンピューターは、現在、私たちが利用しているコンピューターを単に強化したものではありません。

それは、既存のコンピューターとはまったく異なり、新たな科学的理解、すなわち、大きな不確定性に基づくものなのです。

TEDフェローのショヒーニ・ゴーシュとともに、量子の不思議の国に入り、この技術がいかにして医学を変革し、ハッキング不可能な暗号を生み出し、さらには、情報のテレポートを生み出す可能性を持っているかを学びましょう。

ゲームをしてみましょう。想像してください。あなたは、ラスベガスにいて、カジノにあるコンピューターの１台で、ゲームをすることにします。ソリティアやチェスをするみたいに、コンピューターは、人間と同じように、手を進めることができます。

これはコインゲームです。まず、コインを表にして始めます。先手は、コンピューターです。コンピューターは、コインの表裏を、反転させるかどうかを決めますが、あなたに結果は知らされません。

次は、あなたの番です。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、相手であるコンピューターには、その結果は知らされません、最後に、再びコンピューターが、コインを反転させるかを選びます。

この３回のプレイの後、コインの表裏が明かされます。表が出たらコンピューターの勝ちで、裏ならあなたの勝ちです。とても単純なゲームですが。

皆さんが正直にゲームして、コインが公正なものなら、このゲームに50%の確率で、勝てるはずです。その確認のために、コンピューターを相手に、このゲームをするように学生に指示し、多くの試行を繰り返したところ、勝率は50%か、50%に近い値となり、予想通りの結果になりました。

何だか退屈なゲームですよね？でも、量子コンピューターで、このゲームをしたらどうなるでしょう？

ラスベガスのカジノには、私の知る限り、量子コンピューターはありませんが、IBMは動作する超電導磁束量子ビットタイプの量子コンピューターを、製作しました。これがその写真です。

量子コンピューターとは何でしょうか？

量子物理学は、原子や、電子やフォトンといった素粒子の、振る舞いを説明します。量子コンピューターは、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、従来型のコンピューターとは、全く異なります。

量子コンピューターは、従来型のコンピューターを、単に強化したものではありません。電球が、ろうそくを強化したものではないのと同じです。どんなにろうそくを改良しても、電球は作れません。

電球はまったく異なる技術であり、より高度な科学的理解に基づいています。同様に、量子コンピューターは、新しいタイプの機器であって、量子物理学に基づいており、電球が社会システムを変革させたように、量子コンピューターは、私たちの生活の多くの面で、影��を与える可能性を秘めています。

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。

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。その素晴らしさを知るために、先ほどのゲームを、量子コンピューターで、プレイしてみましょう。IBMの超電導磁束量子ビットタイプの量子コンピューターに、ここからログインできます。

つまり遠隔操作でゲームが、できるのです。皆さんだってできます。量子コンピューターがほとんどの回で、勝利を収めています。数回負けたのは、コンピューター内部の、エラーによるものでした。

では、どのようにして、見事に連勝したのでしょうか？マジックか、いかさまのようにも、思われますが、実際には、量子物理学が、作用しているだけです。

その仕組みを説明しましょう。通常のコンピューターは、コインの表裏を、ビットでシミュレートします。つまり「０か１」、あるいは、コンピューターチップ内の「反転させる、させない」で表すのです。

量子コンピューターは全く異なります。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。０である可能性と、１である可能性の、重ね合わせ。つまり、０と１の組み合わせとして、存在することが出来ます。

言い換えると、その実体は、連続的な存在なのです。それは、例えば、０である確率が70％で、１である確率が30％だったり、それぞれの確率が80%と20%や、60%と40％だったりするのです。

無限の組み合わせがあり得ます。

カギとなる考え方は、０か１のどちらかだけであるといった、考えを捨て、量子レベルでは、不確定性を認めることです（ニュートン力学レベルの大きさでは、頭がおかしいと思われるのでおすすめしません）

このゲームにおいては、量子コンピューターは、表と裏、つまり、０と１の、混合状態を作り出して、プレイヤーの選択肢。つまり、反転させるかどうかに関わらず、重ね合わせ状態が、変化しないように維持できます。

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。攪拌するしないに関わらず、量子レベルでも液体は、精密に混合液のままであるのと同じです。どれだけ攪拌しても分離しません。

しかし、最後の手番で、量子コンピューターは０と１を分離し、必ず表を出し、皆さんは毎回負けることになります。

ちょっと不思議だと、思っても当然のことです。表と裏の精密な混在なんて、ふつうのコインにはありえません。日常生活の中では、この流動的な量子論的リアリティを、経験することはありません。頭がおかしいと思われるだけです。

もし、量子によって混乱しているなら、気にしないで、すぐ理解できます。

量子の奇妙なふるまいを、経験しないにしても、その効果を実際に、見ることができます。皆さんは、自分でデータを、ご覧になりました。量子コンピューターが勝利したのは、重ね合わせと不確定性を、利用したからです。

そして、このような量子の性質は、コインを使ったゲームで、勝利するに留まらず、未来の量子技術を、築くほどまでに強力なのです。ここで、私たちの生活を変える、可能性のある応用例を、３つ示します。

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。

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、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量子の不確定性を利用した暗号鍵です。暗号鍵を盗聴するには、量子物理学の法則を、破らなければなりません。

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、すでに試験が行われています。現在、全世界で170億台もの機器が、低プライバシーや低セキュリティのネットに接続されています。量子暗号が将来に与える影響を、想像してみてください。

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。

例えば、医薬品開発での、分子設計と分析が、現時点の難題です。分子内のすべての原子、そして、その原子の量子特性を、正確に記述し、計算することは、スーパーコンピューターの計算能力さえも、超えた困難な作業だからです。

しかし、量子コンピューターなら、上手くいくかもしれません。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、動作しているのですから。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、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、可能にするかもしれません。

そして、３つ目は、わたしのお気に入りの応用例で、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。

情報を物理的に、送信する訳ではありません。SFのように聞こえますが可能なのです。それは、量子的な粒子の持つ、流動的な性質が、時空を超えて「量子エンタングルメント(もつれ)」を生じさせます。

これは、一方の粒子を変化させたとき、他方の粒子に影響が及ぶ��とで、テレポーテーションの無線的な伝送路を創り出せるのです。すでに、研究所で実証されていて、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。

そのようなネットワークは、まだありませんが、私たちのチームは、量子コンピューター上で、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。私たちは、興味深いプロトコルを、設計し実装しました。

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効率的なデーター送信や安全な投票プロトコルさえあります。

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。皆さんにもお勧めしますよ。

私たちは、量子の不思議の国の、探検家になるのです。次にどんな応用が見つかるか誰にも分かりません。量子の未来を築く時には、慎重かつ責任を持って、歩みを進めなければなりません。

そして、私自身は、量子物理学を、量子コンピューターを作るためだけの道具とは考えていません。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、量子コンピューターを見ているのです。

私たち人類の素晴らしさは、ユニバースへのアクセスが、比較的限られているのにも関わらず、想像力と独創性を活用することで、その先の世界も、見通せることにあります。ユニバースは、それに応えるように、ユニバースが、どれほど興味深く、驚異的であるかを見せてくれます。

その後

2024年12月にGoogleが、量子エラー訂正の指数関数的な改善のための基礎アーキテクチャを元に超高速計算を実現した新たな超伝導量子チップ「Willow」を発表しました。

量子ビットを増やすとエラー率も増えてしまうことが実用化を困難にしていました。

今回、エラー率を低減するため量子ビットを格子上に配置、量子ビット間を距離1とした時、距離を2増やすごとにエラー率が2.14倍減少するという指数関数的な改善を示しました。

これは、より多くの量子ビットを追加してもエラー率が指数関数的に低下していくため高精度な量子計算が可能になります。

理論ではなく開発した超伝導量子チップ「Willow」で実際に実験して数値を具体的に示しています。

2024年時点の最速のスーパーコンピューターを使うと1025年かかる計算を、Willowであればエラー訂正もしつつ5分未満で実行できるそうです。

エラー訂正のアルゴリズムにディープラーニングのトランスフォーマーモデルを使用してリアルタイムで処理していきます。

具体的には、量子ビット間の配線部分に実装して通過するデータをリアルタイムにてエラー訂正処理を行ってます。

ニューラルネットワークのディープラーニング層を訓練すれば、より効率的なエラー訂正アルゴリズムになり、使えば使うほど量子コンピューターの精度は上昇していくことが予想されます。

個人的には、ChatGPT以外にもCPUやGPUの処理にディープラーニングを使用するかもしれないと思ってましたが・・・

エラー訂正にも応用できるトランスフォーマーアルゴリズムの汎用性は素晴らしいです。他には、2024年のノーベル化学賞を受賞したアルファフォールドにも使われてます。

その他には

2018年にザイリンガーなどが実験を行い量子エンタングルメントの実在が確定しました(局所実在性「物体が観測されていなくても独立して存在するという考え方」が否定され、実在性は観測によって確定されるという量子物理学の基本原理に基づいています)

これからは、量子エンタングルメントを組み込んだ量子論として標準理論も再構築されていき教科書が書き換えられていきます。

（個人的なアイデア）

The human brain is forming a heart?

人間の脳が心を形成している？

In the body realistic, brain over the membrane of the hologram exactly, are controlling the hybrid gene to understand, at the cellular level unit?

リアルな身体に、脳が正確にホログラムの膜をかけて、遺伝子、細胞レベル単位で把握しハイブリッドにコントロールしている？

I’m similar to the introspection of Buddhism

仏教の内観に似ている。安全で具体的に内観が出来るためのツール？

Electric and magnetic fields are generated by charges and currents as sources. When these waves propagate, they can affect places where there is no source. We call these waves “electromagnetic waves” - or “light” if they are in the wavelength range visible to our eyes.

電荷や電流を源(ソース)として、電場や磁場が生じる。これらが波として伝播することでソースの無い場所にまで影響を及ぼすことが出来る。我々はこの波を「電磁波」―我々の目で見える波長領域のものであれば「光」―と呼んでいる。

The theory of gravity, like electromagnetism, is based on general relativity. The naming of gravitational element and gravitational current is strange.

一般相対性理論によって、重力の理論も電磁気と同じように、グラビティ荷やグラビティ流？重力荷や重力波だとネーミングが変だ。

It would have to be electromagnetic force waves to make sense. I’d like to name it as a new concept other than gravity load or gravity current. I think we need to name it as a new concept.

これだと電磁力波にしないと辻褄が合わない。グラビティ荷やグラビティ流？以外の新しい概念として名前を命名しないと探索しようがない。

Dark matter and dark energy have been tentatively named, but if this is the case, the probability of the existence of gravitational dark element and gravitational dark current seems to be high.

ダークマター、ダークエネルギーと仮名が命名されているが、これなら重ダーク荷や重ダーク流も存在確率は高そうだ。

No, “gravitational dark element” can be called “heavy element” and “gravitational dark current” can be called “heavy current.

いや、「重ダーク荷」は「重さ荷」や「重ダーク流」は「重さ流」でも良さそうだ。

The “gravitational wave,” which has a strange naming, may be the equivalent of the discovery of electromagnetic waves. This one was data observed by LIGO.

整理するとネーミングが不思議な「重力波」は電磁波の発見に相当することかもしれない。こちらは、LIGOでデータ観測しました。

Other things like the “electric prime” of physical constants may apply to gravity as well as its definition as a “prime quantity of weight”.

その他には、物理定数の「電気素量」のようなことが、重力にも「重さの素量」としての定義が当てはまる可能性もあります。

The coupling constant of superstring theory is another possibility related to the mathematical underpinnings such as invariants of knots.

スーパーストリング理論の結合定数も結び目の不変量など数学的裏付けに関係する一つの可能性です。

Supersymmetric particles are akin to the phenomenon of looking in a matching mirror, where it is confirmed that there is no evidence of supersymmetric particles, even with precise conditions for their existence at CERN in 2022.

超対称性粒子は、合わせ鏡を見ている現象に似ている？CERNで2022年に存在条件を精密に設定しても超対称性粒子の証拠が見当たらないことが確認された。

If this is true, then the basis for the superstring theory of supers will change, and a dynamic restructuring of the theory will take place in theoretical physics in the future?

事実なら、スーパーストリング理論のスーパーの根拠が変化して、理論のダイナミックな再構築が、今後、理論物理学で行われていくことに？

As the interaction with supersymmetric particles vanishes and the possibility of other particles arises, we may have to construct “some” mechanism to deter the frenzy of quantum effects to maintain consistency.

超対称性粒子との相互作用は消滅し、それ以外の粒子の可能性がでてくると、量子効果の狂乱を抑止する「何か」のメカニズムを構築しないと整合性を維持できないかもしれません。

This is natural in physics, but it opens up a new frontier.

物理学では当然のことなのですが、これにより新たなフロンティアが出現します。

スーパーストリング理論よりも大きな枠組みには、ループ量子重力理論があり超対称性粒子でなく

超高エネルギー領域も視野に入れた重力理論が中心になりそう。今後が楽しみです。

その後

「背景重力波について2025」にも書いてるように・・・

最近の重力波についての研究に進展が見られ、背景重力波というLIGOで測定した従来の重力波とは、違う周波数で重力波が存在する可能性が示された。

このことから重力波は、電磁波の一種ではなく、時空の歪みから来る性質の違う独立した波として電磁波とは別々と考えた方が腑に落ちます。

もしくは、場の量子論から電磁波と重力波がハイブリッドに融合して、しかも、周波数が近い場合には相互作用しつつ共鳴して時空やそれ以外に何かしらの影響を与えているメカニズムも考えられそうです。

他には

意識のある物は、何も食べるべきではないと考えており、ベジタリアンになるべきだと思っていたデイヴィッド・チャーマーズ。

これは、極端な考えですが、一神教である西洋の肉食中心。あらゆる場所に神々がいると考えている多神教である東洋は肉食中心ではないことにも関係があるかもしれません。

もしも

個々、人の内なる映画（人間以外にも？）が存在するなら・・・

エヴェレットの多世界解釈が関連してくるだろうし・・・

発展させて・・・「エピソード10 Episode10 - 意識のマップと超大質量ブラックホールのエントロピー」のような

２０２４年時点での仮説にも到達する可能性もあります。

重力の「重さの素量」としての定義が、量子エンタングルメントの強さを測る量であるエンタングルメント・エントロピー

として具体的に数値化されれば検証することもでき「重さの素量」の数値が物理定数として判明するかもしれません。

それから

2022年のノーベル物理学賞の受賞者に、物質を構成する原子や電子のふるまいについて説明する理論「量子力学」の分野で

「量子エンタングルメント」という特殊な現象が起きることを理論や実験を通して示し、量子情報科学という新しい分野の開拓につながる大きな貢献をした。

フランスのパリ・サクレー大学のアラン・アスペ教授、アメリカのクラウザー研究所のジョン・クラウザー博士、オーストリアのウィーン大学のアントン・ザイリンガー教授の3人です。

量子論で有名な「ベルの不等式」などから、ゆらぐ物質の定義についての議論が始まります。

実在論も。

ザイリンガーは「ザイリンガーの原理」でも有名です。

量子論で有名なベルの不等式は、量子レベルでは、観測されるまで、不確定性な量子場という状態が、この世の法則の真実ということを数学で表した（隠れた変数がある場合、多数の測定結果の相関は「ある数値」を超えることはない）

ここから見えない領域を確率的にしか、人間は認識できないと言う限界が、明確に示されたため、場の量子論、ディラック方程式が産みだされるキッカケにもなった。

ディラック方程式は、特殊相対性理論と量子論を融合してます。

これを具体的にある程度言語化する超古代の方法を個人的に研究して知ってるけど秘密です。

不確定性原理とも整合性させるため、このままではコントロールできないから、一度、シュレーディンガー方程式で粒子として量子化する。

こうすると現象も数学で人間に説明できる形にできる。

量子化から、どんなに離れていてもエンタングルメントによって別地点にある量子の情報も状態が確定してしまう特性も生じます。

量子レベルでは、光速を超えて近接作用以外で伝播するとも言える。さらに人工的に情報処理へ応用して、エンタングルメントの構造を量子ゲートとして、活用しようとしてる。

「量子エンタングルメント」（古典力学では見られない多事象間のもつれで、遠隔作用とみまがう相関を生み出す）から始めて

もつれた二体間の一方のみを観測したとき、ホーキング放射からの数学を活用して、どれだけの情報が欠落するのかを測れる「エンタングルメント・エントロピー」で数値化できます。

量子情報理論の基礎となる。小さな量子系が多数集まって大��な系（量子多体系）をなす場合、その中での局所的な相互作用を扱うのは「場の量子論」になります。

量子情報理論の考え方を導入した量子力学の特徴たる量子エンタングルメント。

続いて・・・

仏教の無明にも似ているホーキング放射は、ブラックホール・エントロピーという概念でスーパーストリング理論から数値化されています。

これによって、ブラックはどのくらいブラックか？を計算できます。

ブラックホールの面積増大の法則とエントロピーの必然的増大の法則の類似性はホーキングも気付いていた偶然の一致として。

このブラックホールと熱力学の法則は、ブラックホールの事象地平とエントロピーが方程式で同一視せざるをえないが

同時に、ブラックホールに温度があることにもなるからです。

ブラックホールに温度がある？ブラックホールの物理学の重力法則は、極端な熱力学の法則の書き換えに他ならないことも示している。

エンタングルメントや量子コンピューターの誤り訂正にも応用されている。

カラビヤウ��が、別のカラビヤウ相に変わってしまうことで一度、消滅し、トポロジー的に転化

ホーキング放射によってブラックホールは素粒子に相転移します。アクシオン？

一般相対性理論と量子力学を融合させるツールがスーパーストリング理論で確立している。

航空機の飛行する原理なども・・・

つまり、ベルヌーイの定理は、揚力をどの程度得られるか？を数値化できる。他には、流体全般も扱えるなど応用範囲が広い。

ベルヌーイの式は、流体の速さと圧力と外力のポテンシャルの関係を記述する式で、流体の力学的エネルギー保存則ともみなせる。ダニエル・ベルヌーイによって1738年に発表。

運動方程式からのベルヌーイの定理の完全な導出は、その後、1752年にレオンハルト・オイラーが示している。

完全流体についての条件。これは、非圧縮性と非粘性を持つ流体のこと。

ベルヌーイの定理は、主に現実的な場所では、水道管など経路が固定された内部を隙間なく押し出されていく状態を数値で表現できる方法です。

高温の蒸気なども配管を通して計算を行い数値で表現します。

配管の径は変更せず、蒸気圧力を上げた場合、蒸気の流量は増加します（計算できるので精密に表せます）

逆に、圧力損失等により蒸気圧力が低下した場合、蒸気の流量は減少します（計算できるので精密に表せます）

これら配管内部の「高温の蒸気」「水」の圧力と流量にはある関係性があります。

めんどくさいので圧力計測は静圧を対象としており、静水圧、流水圧、動圧、全圧等を直接測定することは基本的にできません。

「圧力＝静圧」は閉じられ限定された空間内分子の「エネルギー状態」とも読みとれます。

エネルギー保存則なので・・・同時に、「流水圧は動圧との保存則」「静水圧は位置エネルギーとの保存」も表せます。

ベルヌーイの定理は、他にも飛行機の翼の先端など自由度の高く限定のない空間内分子の「エネルギー状態」も計算できます（ゆらぐので計算は非常に難しい）

似たような感じで・・・

開かれた空間内分子の「エネルギー状態」のワームホール。

イメージ的にワームホールも具体的な水道管が配置されているわけではなく、ある経路を通過するためのメカニズムが存在すると言う意味にもなります。

ワームホールとは、アインシュタイン - ローゼンブリッジと言われていて、時空構造上のトポロジー幾何学として考えうる構造の一つ。

また、ホーキング放射にもあるブラックホール内にできるワームホールは、高温の蒸気などが通る自然の配管ともみなして計算しています。

こう仮定することで、初めは計算できない概念を計算できるフレームワークに落とし込んでホーキングはブラックホールを計算しています。

物理学では、新しいことではなく伝統的な手法です。

量子論もボルツマン、マクスウェル、リュードベリー、プランクなどの当時の天才たちが、熱力学を土台としてから最初は構築しています。

その後、量子力学の黎明期に次世代の天才たちが、今の形に発展させています。

お金に色がつかないように、量子にも色はつきません（数学の言葉で裏付）人間が色を定義していく。

テーラワーダ仏教では「色」も定義されていて、「色」とは「五蘊（ごうん）」の一部であり「存在する物や事を視覚で認識」すること。

「色即是空」の「色」です。

「五蘊（ごうん）」は「五根（ごこん）」という身体の感覚器官から執着が生じていると論じています。

偶然の一致か否か？不思議なことに・・・

「量子力学」という分野を開拓し、発展させた三人の物理学者「ニールス・ボーア」「ヴェルナー・ハイゼンベルグ」「エルヴィン・シュレーディンガー」たちは

とても奇妙なことに気がつきました。

素粒子の物理学を究極まで追求していくと、驚いたことに、はるか昔の東洋の賢者たちが説いた哲学に

どんどん接近してしまうのです。

これは何を意味するのでしょうか？

＜おすすめサイト＞

背景重力波について2025

ジョージ・ザイダンとチャールズ・モートン：確率の雲として存在する電子

キアラ・デカロリ：量子コンピューターを作るための一か八かの競争？

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量子コンピューターの基本素子である超電導磁束量子ビットについて2019

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ロルフ・ランデュア：反物質はどこへ行ったのか？

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