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量子コンピュータが、量子と古典的世界との関連性を解明

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November, 6, 2019, Los Alamos--ロスアラモス国立研究所(LANL)の研究チームは、量子と古典の移行をより明確に理解する新しい量子コンピューティングアルゴリズムを開発した。これは、生体タンパク質など、量子世界と古典世界の先端についてのモデルシステムに役立つ。また、大きな対象に対して量子力学をどのように適用するという問題も解決する。

「量子系にどんどん粒子を増やすと、量子と古典の移行が起こる」とLANL凝縮物質と複合系物理学、Patrick Colesは言う。「奇妙な量子効果がなくなり、系が、より古典的に振る舞い始める。このような系では、量子と古典の移行の研究に古典的コンピュータを使用することは本質的に不可能である。われわれは、これの研究を、われわれのアルゴリズムと、数100qubitsで構成される量子コンピュータで行う。量子コンピュータは、われわれの見方では、その分野の現在の進歩をベースにすると、次の数年で利用できるようになる」。

量子-古典の移行についての問題に答えることは、難しいことで有名である。数個以上の原子の系では、その問題は急に解決困難になる。原子が加わるたびに、方程式の数が指数関数的に増加する。例えば、タンパク質は、長い分子のストリングでできている。これらは重要な生体成分、あるいは病気の原因かもしれない、それらがどのように折り畳まれているかに依存する。タンパク質は、比較的大きな分子であるが、タンパク質の折り畳みを理解し、予測しようとすると、量子-古典移行、それを扱えるアルゴリズムが重要になる程度にタンパク質は小さい。

量子コンピュータで量子-古典移行の側面を研究するためにチームには、まず量子系が古典的挙動にどの程度近いかを特性評価する手段が必要になる。量子的物体は、粒子と波の両方の性質を持つ。ある場合には、それらは微小なビリヤードボールのように相互作用し、別の場合には、海の波が結合してもっと大きな波になったり、相互に相殺しあったりするのと全く同じように相互干渉する。波のような干渉は、量子効果である。幸い、量子系は、干渉がないときは、より困難な量子力学的方法ではなく、直感的な古典的確率を使い記述できる。

LANLグループのアルゴリズムは、量子系が古典的振る舞いにどの程度近いかを決定する。その結果は、量子系に古典的特質を探すために使えるツールになる。また、結局、われわれの日常生活で、量子系がいかに古典的に見えるかを理解するために利用できるツールになる。
(詳細は、https://www.lanl.gov/)