星野誠 makoto hoshino

2024.12.17

最近、Googleの最新量子プロセッサ「Willow」についての記事を読んだ。
量子コンピュータは何度か耳にしていたけれど、正直、普通のコンピュータと何が違うのか？どうして未来を変えると言われているのか？まったくピンとこなかった。

そこで、興味を持っていろいろ調べてみたら、もう SF！！
知れば知るほど衝撃の連続だった。もちろん、自分が研究したわけではないけれど、直感的に「すごい！」と思ったことを、ここでまとめてみる。

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普通のコンピュータと量子コンピュータの違い

今のパソコンやスマホは「0」と「1」の組み合わせで計算している。
データや動作は、必ずどちらか1つの状態だ。

ところが、量子コンピュータ は「0」と「1」が 同時に存在する 「重ね合わせ」という状態を使って計算するのだ！

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「0」と「1」が同時に存在する？ – 二重スリット実験

もうこの時点で「いやいや、意味わからん！」となるだろう。
普通の感覚では理解できないし、まるでSFだ。

これを直感的に理解するのに役立つのが、量子力学の代表的な実験 「二重スリット実験」 だ。

実験の流れ：

1. 電子や光の粒を2つのスリットに向けて撃つ。
2. 観測しない場合： 粒子は「波」のように振る舞い、干渉パターン（縞模様）を作る。
3. 観測する場合： 粒子は「粒」のように振る舞い、1つのスリットだけを通る。

つまり、「観測しないとき」 は粒子が複数の状態に重なり合って存在し、
「観測した瞬間」 に1つの状態に確定するのだ！

量子コンピュータは、この「重ね合わせ」の状態を計算に利用している。

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多元宇宙の考え方が登場

量子コンピュータの計算能力を直感的に説明するために、「多元宇宙（マルチバース）」という考え方がある。

• Qubit（量子ビット） を使うことで、「2^N個の状態」が同時に存在できる。
• イメージとしては、「そっくりな宇宙が2^N個分出現し、それぞれの宇宙で計算が進んでいる」という感じだ。

例えば、10個のQubitがあれば、2^10＝1024個の状態が同時に存在する。
そして、すべての「宇宙」で計算が行われ、正解を見つけた「宇宙」から答えが返ってくる、というわけだ！

もちろん、これは1つの解釈に過ぎないが、直感的に理解しやすくて面白い考え方だと思う。

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Googleの「Willow」は何がすごい？

Googleの最新量子プロセッサ 「Willow」 は、量子コンピュータ分野で 「ゲームチェンジャー」 と言われている。

理由は主に2つ：

1. 量子超越性の実証
   • 2019年、Googleは「Sycamore」で 量子超越性 を証明。
   • 従来のスーパーコンピュータでは数千年かかる計算を わずか200秒 で解いた。
2. 最先端の技術
   • 超冷凍技術を使ってQubitを安定化。
   • 量子ビットの制御技術で、他社より「実際に動く量子コンピュータ」の開発に成功している。

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量子コンピュータはどうやって動く？

量子コンピュータが動くには、以下の技術が必要だ：

1. 超冷凍技術
   • Qubitは 絶対零度（-273℃） 近くで動作するため、巨大な冷却装置が使われる。
2. Qubitの制御
   • 超伝導回路やレーザーで「重ね合わせ」「もつれ」状態を作り出す。
3. 量子アルゴリズム
   • 量子力学の性質を利用して効率的に計算する手法が開発されている。
     • ショアのアルゴリズム：素因数分解を高速で解く。
     • グローバーのアルゴリズム：データベースの探索を高速化する。

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量子コンピュータが変える未来

量子コンピュータが本格的に動き出せば、私たちの生活や社会に革命が起きるだろう。

期待される分野：

• 暗号解読：現在の暗号技術が一瞬で破られる可能性がある。
• 新薬の開発：分子レベルでのシミュレーションが飛躍的に進む。
• 人工知能の進化：AIの処理速度が爆発的に向上する。
• 最適化問題：物流や金融システムの効率化が加速する。

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量子コンピュータはSFじゃない！

Googleの「Willow」をきっかけに調べてみて、量子コンピュータが「0と1が同時に存在する」状態を使って計算を行うという仕組みが、少しだけ理解できた。

「0と1が同時に存在する」――普通では考えられないことが、量子力学の世界では起こる。そして、その性質を利用した量子コンピュータが、確実に未来を変える日が来るだろう。

まだ発展途上の技術ではあるけれど、知るだけでも ワクワク する。
こういう未来技術って、やっぱりすごい！

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Is Google’s “Willow” a Game-Changer? Quantum Computers Could Redefine the Future!

Recently, I came across an article about Google’s latest quantum processor, “Willow”, being called a “game-changer.” I’d heard about quantum computers here and there, but honestly, I had no idea how they worked or why they were considered revolutionary.

So, I decided to dig deeper—and what I found was mind-blowing. It’s a mix of science, technology, and what feels like pure science fiction. I’m no quantum physicist, but I’ll share what I learned in a way that hopefully makes sense and leaves you as amazed as I was.

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How Is a Quantum Computer Different From a Regular Computer?

Current computers—whether it’s your laptop, smartphone, or a supercomputer—process data using 0s and 1s, also known as binary code. At any given moment, data exists as either 0 or 1, nothing more, nothing less.

But quantum computers? They work using a state called “superposition”, where 0 and 1 can exist simultaneously.

At this point, you’re probably thinking, “Wait, what? That makes no sense!” And you’re right—this completely defies normal intuition and feels like something straight out of science fiction. But this isn’t fiction; it’s quantum mechanics, and it’s real.

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Superposition and the Double-Slit Experiment

To understand superposition a little better, let’s talk about the famous Double-Slit Experiment—a classic demonstration of quantum weirdness:

1. Imagine shooting tiny particles like electrons or photons toward two slits in a screen.
2. When unobserved: The particles behave like waves, passing through both slits simultaneously and creating an interference pattern on the screen.
3. When observed: The particles behave like solid objects (particles), passing through only one slit and eliminating the wave-like pattern.

This experiment shows that particles can exist in multiple states (both slits) until they are observed, at which point they collapse into a single state.

Quantum computers take advantage of this bizarre behavior: particles can exist in “superposition”—both 0 and 1 at the same time—until they are measured.

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The Many-Worlds Interpretation—What’s Really Going On?

To make sense of quantum computers’ incredible computing power, some scientists and enthusiasts use the “Many-Worlds Interpretation.”

Here’s the idea:

• When qubits (quantum bits) are in superposition, it’s as if 2^N parallel universes are created.
• For example, with 10 qubits, there are 2^10 = 1,024 possible states, and in each “universe,” one calculation is being performed simultaneously.
• The quantum computer gathers the results and returns the correct answer to our universe.

While this “multiverse” explanation is just one interpretation (and debated among physicists), it’s an easy way to intuitively grasp how quantum computers perform calculations at such mind-blowing speed.

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What Makes Google’s “Willow” Special?

Google’s “Willow” is its latest quantum processor, and it’s making headlines because it represents a significant step forward. Here’s why:

1. Quantum Supremacy:
   Back in 2019, Google proved “Quantum Supremacy” when their quantum computer Sycamore solved a problem in 200 seconds—a task that would take the world’s fastest supercomputer thousands of years.
2. Cutting-Edge Technology:
   Google uses superconducting qubits cooled to near absolute zero (-273°C) to stabilize quantum states. They’re leading the way in building reliable quantum processors.

Compared to competitors like IBM, Microsoft, or D-Wave, Google stands out for actually demonstrating real-world breakthroughs.

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How Do Quantum Computers Actually Work?

To function, quantum computers rely on a mix of cutting-edge science and technology:

1. Extreme Cooling (Cryogenics):
   Qubits are incredibly fragile and easily disturbed by heat or noise. To maintain their quantum state, they must be cooled to near absolute zero. Picture a massive, industrial-sized refrigerator—that’s where the magic happens.
2. Controlling Qubits:
   Superconducting circuits, lasers, and photons are used to create and control quantum states like superposition and entanglement.
3. Quantum Algorithms:
   Unlike traditional algorithms, quantum algorithms are specifically designed to leverage quantum mechanics. Examples include:
   • Shor’s Algorithm: Efficiently factorizes large numbers (potentially breaking encryption systems).
   • Grover’s Algorithm: Speeds up database searches.

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Why Is Quantum Computing a Game-Changer?

When quantum computers reach their full potential, they could transform entire industries:

• Breaking Encryption: Current encryption methods could become obsolete overnight.
• Drug Discovery: Simulating molecules and chemical reactions at a quantum level could revolutionize medicine.
• AI and Machine Learning: Quantum computing could supercharge AI’s ability to process data and learn.
• Optimization Problems: From logistics to finance, quantum computers could solve complex optimization problems exponentially faster.

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The Bottom Line – Quantum Computers Are Here to Stay

Google’s “Willow” brought quantum computing back into the spotlight, and the more I learned, the more amazed I became. Quantum computers don’t work like regular computers—they leverage the bizarre principles of quantum mechanics, like superposition and entanglement, to perform calculations on an unimaginable scale.

And while the concept of “0 and 1 existing simultaneously” still feels impossible, experiments like the Double-Slit experiment prove that this strange behavior is real.

Whether through “many worlds” or just clever quantum algorithms, the result is the same: Quantum computers are unlocking possibilities we never thought were achievable.

We’re still in the early stages, but the day when quantum computers reshape our world isn’t far off. Honestly, just learning about it feels like stepping into the future—and it’s exciting to think about what comes next!

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What do you think? Does this all still sound like science fiction, or are we on the brink of something truly revolutionary?

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