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David Winelandは、イオンの投獄に関する研究で2012年のノーベル物理学賞を受賞しました。これは量子コンピュータにとって最も重要なことです。 （ゲッティイメージズ）
伝統的なコンピュータの時代は数えられるかもしれません。ムーアの法則では、市販のCPUのトランジスタ（コンピュータ処理情報の構成要素）の数は2年ごとに2倍になると述べています。最初はいいように思えますが、企業がより多くのトランジスタをCPUに押し込もうとすると、問題が発生し始めます。 Pentiumによって製造されたチップは、今ではわずか20原子の拡張に減らされました、そしてこの数が5に減らされるとき、深刻な問題があるでしょう。理論物理学者のMaku Kak氏は、次のように述べています。「計算能力は、標準的なシリコン技術では指数関数的な成長を維持することはできません」。代わりに新しいものが出現する必要があり、これは量子コンピュータかもしれません。
もつれとオーバーレイ
アトミックレベルに到達すると、新しい一連の法律が成立し始め、これらの法律はすでにコンピュータメーカーに問題を提起し始めています。量子コンピュータの基本を理解するためには、量子力学のいくつかの変わった現象を理解しなければなりません。これは原子の世界です。何かがどこにあるのか、そして電子が同時に2つの方向に回転することができるところをあなたがほとんど知ることができない世界。意味がないようですか。あなたがこの記事を読むのに使っているコンピュータは、量子力学のこれらの同じ法則に基づいています。言い換えれば、アプリケーションは非常に現実的です。
理解しなければならない2つの最も重要なアイデアは、インターレースとオーバーラップです。原子核を周回する電子はスピンと呼ばれる性質を持ち、スピンアップまたはスピンダウンすることができます。それらはまた対になり、そしてこれらは反対方向に回転する。注意深く観察しなければ、対の一方の電子がどちらの方向に回転しているのかを知ることは不可能です。量子力学の観点からの解釈は、我々がそれを観察し始めるまで電子が両方のスピンの上下に重なり合っていると言います、そしてそれはそれがユニークな状態をとるようにします。
ペア同士は絡み合っています。つまり、一方が上向きに回転している場合、もう一方は下向きに回転しています。簡単に言えば、1対に2つの電子がある場合、それらのうちの1つを観察するようになるまで、それらは両方とも上下にねじれが重なって存在します。この時点で、観測された電子はある状態（例えば上）に戻り、そのインターレースパートナーは反対の状態（下）を取ります。アインシュタインはこの出来事を「怖い行動」と呼びました。重なりや私たちの観測の効果は理解するのは簡単ではありませんが、それらは量子コンピューティングには不可欠です。
ビットとキュビット
通常のコンピュータは「ビット」を処理します。これは、1と0（2進数）で表される「オン」と「オフ」の位置です。重なりのために、電子、光子、および原子などの量子オブジェクトからなる量子コンピュータは、同時に１および０をとるビットによって形成することができる。これらの新しいビットは、量子ビット、または量子ビットと呼ばれます。 3ビットバイナリシステムでは、古典的なコンピュータは任意の期間内に0から7までの任意の数を表すことができます。しかしながら、重なり合った状態にある３つのキュビットは、全ての可能な数を同時に表すことができる。
オーバーラップとは、基本的に、キュビットが従来のコンピュータのように一度に1つずつ計算するのではなく、多数の計算を同時に実行できることを意味します。つまり、30キュビットのコンピュータは、毎秒10テラフロップスで動作する通常のコンピュータと同等になります。これは単に速度処理の尺度であり、量子コンピュータがもたらすことができる処理能力の大幅な向上を理解するために知っておく必要があるのは、現在のコンピュータが毎秒ギガフロップで測定されるということです。
実用的な課題
量子コンピュータの製造にはいくつかの制限的な実用上の問題があるが、それらは依然としてますます大きなサイズで製造されてきた。問題は、量子オブジェクトを扱うときだけでなく、観察されたときにそれらが異なるように振る舞うという事実によっても生じる。これはかなりわかりにくい考えですが、観察するとオーバーレイが通常の状態に崩壊します。したがって、観察した場合、キュビットは基本的に通常のビットになります。単なる観察の行為がそれらを普通のコンピュータにすることができるので、これは機能的な量子コンピュータを作成する際の明らかな問題を表す。
ただし、インターレースは解決策を提供します。粒子は対になっていて、一方を観察すると、それを観察しなくても他方についての情報が得られます。原子のペアを作成することによって、科学者は基本的に情報を一方から他方に伝達し、システムを直接観察することさえなく、したがってそれを通常のコンピュータにすることなく計算に必要な情報の交換を可能にします。インターレースは解決策を提供するかもしれませんが、それはかなりの規模で実装されているというわけではありません。マサチューセッツ工科大学のScott Aaronson氏は、「Charles Babbageとトランジスタの発明との間に100年以上の歳月が経ったので、急いではいなかったので、彼らを倒せれば有利になるだろう」と語った。