[論文レビュー] Quantum-Computation and Applications

Bhupesh Bishnoi|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2020

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、量子計算の基礎的原則と実用的応用を検討し、ムーアの法則の終焉に続く量子計算の台頭と、原子、光子、超伝導体など多様な系におけるキュービットの物理的実装に焦点を当てる。古典的計算とは異なるアルゴリズム的特徴、工学的課題、IBM Quantum Experienceによる実世界の実装を示し、初期段階の量子優位性の可能性を示している。

ABSTRACT

In this research notebook on quantum computation and applications for quantum engineers, researchers, and scientists, we will discuss and summarized the core principles and practical application areas of quantum computation. We first discuss the historical prospect from which quantum computing emerged from the early days of computing before the dominance of modern microprocessors. And the re-emergence of that quest with the sunset of Moore's law in the current decade. The mapping of computation onto the behavior of physical systems is a historical challenge vividly illustrate by considering how quantum bits may be realized with a wide variety of physical systems, spanning from atoms to photons, using semiconductors and superconductors. The computing algorithms also change with the underline variety of physical systems and the possibility of encoding the information in the quantum systems compared to the ordinary classical computers because of these new abilities afforded by quantum systems. We will also consider the emerging engineering, science, technology, business, and social implications of these advancements. We will describe a substantial difference between quantum and classical computation paradigm. After we will discuss and understand engineering challenges currently faced by developers of the real quantum computation system. We will evaluate the essential technology required for quantum computers to be able to function correctly. Later on, discuss the potential business application, which can be touch by these new computation capabilities. We utilize the IBM Quantum Experience to run the real-world problem, although on a small scale.

研究の動機と目的

• 古典的計算から始まる量子計算の歴史的発展から、ムーアの法則以降の時代に至るまでの変遷を検討すること。
• 原子、光子、半導体、超伝導体などの多様な物理系に量子計算がどのようにマッピングされるかを分析すること。
• 情報の符号化と処理における違いに注目し、量子計算と古典的計算のパラダイムを対比すること。
• 機能的な量子計算システムを構築するうえでの核心的な工学的課題を特定し、評価すること。
• 発展中の量子計算能力によって可能になるビジネス的・社会的応用を調査すること。

提案手法

• 古典的計算のルーツとムーアの法則の終焉に伴う再燃に起因する量子計算の歴史的発展を調査すること。
• 捕獲イオン、光子系、超伝導回路を含む多様な物理系に量子計算をマッピングすること。
• 量子アルゴリズムとその基礎となる物理的キュービット実装との依存関係を分析すること。
• 実際の量子系におけるエラー低減、コherー次、ゲート忠実度のための技術的要件を評価すること。
• IBM Quantum Experienceプラットフォームを活用し、小規模な実世界の量子計算を実行・実証すること。
• スケーラブルな量子計算の工学的・科学的・社会的経済的影響を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ムーアの法則の限界が、なぜ再び量子計算への関心を高めたのか。
• RQ2 キュービットを実現可能な物理的系は何か。また、それらが量子アルゴリズム設計にどのように影響を与えるか。
• RQ3 量子計算と古典的計算のパラダイムは、情報の符号化と処理において、どのように根本的に異なるか。
• RQ4 フェイルセーフでスケーラブルな量子計算システムを開発するにあたり、主な工学的課題は何か。
• RQ5 現在段階の量子計算能力によって、どのような実世界のビジネス応用が可能になるか。

主な発見

• ムーアの法則の物理的・経済的限界に伴い、量子計算は再び重要な研究のフロンティアとして浮上した。
• キュービットは、原子、光子、半導体、超伝導回路など広範な系で物理的に実装可能である。
• 量子計算のパラダイムは、特に重ね合わせともつれを介して、古典的システムとは根本的に異なる情報処理を可能にする。
• コherー次を維持し、エラーを最小限に抑え、キュービット系を信頼性高くスケーリングするという、顕著な工学的課題が残っている。
• IBM Quantum Experienceプラットフォームを用いて、小規模な実世界の問題が成功裏に実行され、初期段階での実用的妥当性が示された。
• 新興の応用分野は、工学、科学、ビジネス、社会的分野にわたり広がっており、広範な変革的潜在能力を示唆している。