この作業が可能な量子コンピュータは、Google、IBM、Quantinuumが構築しているものとは異なるものになるだろう。それらは汎用機械ではない。特定のタスクのために一から設計され、その哲学の違いこそが、今日の量子コンピューティングにおける最も重要なアイデアかもしれない。
古典的限界
古典的コンピュータは、根本的なスケーリング問題に直面している。N粒子の量子系には、2^Nで成長するヒルベルト空間が必要である。相互作用する50粒子の完全な量子状態を保存するには、ペタバイト級の古典的メモリが必要となる。100粒子の場合、その要件は天文学的になる。素粒子物理学者が関心を持つ問題は、100をはるかに超える自由度を伴う。
現在のアプローチである格子QCDは、時空を格子状に離散化し、大規模なモンテカルロシミュレーションを通じて観測量を計算する。これらの方法は目覚ましい結果を生み出してきたが、実時間ダイナミクス、非平衡過程、完全な量子状態に依存する現象には苦戦している。量子コンピュータは、シミュレートするシステムと同じ法則に支配された量子ビット上で動作し、この指数関数的爆発を回避する。50量子ビットの機械は、原理的には古典的コンピュータではペタバイトを必要とする状態を表現できる。
汎用の罠
量子コンピューティングにおける支配的な物語は、普遍性の物語である。すなわち、誤り訂正された汎用プロセッサがあらゆる量子アルゴリズムを実行できるというものだ。これは古典的コンピュータに倣ったビジョンである。しかし、物理学コミュニティは、これが自分たちの問題に対する正しい道であるかどうかについて、ますます懐疑的になっている。
汎用量子コンピュータは、誤り訂正のために論理量子ビットあたり数千の物理量子ビット、普遍的なゲートセット、そしてすべての操作において極めて低いエラー率を必要とする。追加される一般性のすべてが、機械の構築をより困難にする。ジェンキンソンの研究は、別の選択肢を示唆している。因果的な場の量子論をシミュレートするために特別に設計された量子コンピュータである。対象とする理論の対称性と相互作用に最適化し、制限されたゲートセットを受け入れ、問題に合わせた接続パターンを優先することができる。
これは、より大きく汎用的なモデルがすべてのタスクを吸収するAIパラダイムの逆である。素粒子物理学のための量子シミュレーションにおいては、規模だけでは十分ではない。より大きな汎用量子コンピュータは、より小さな専用機よりも劣る可能性がある。なぜなら、物理と機械のネイティブ操作との間のマッピングが、対象の方程式のために設計されたことのない翻訳層と回路コンパイルによるオーバーヘッドを導入するからである。
設計原理としての因果律
ここでジェンキンソンの因果的形式化がハードウェア設計に直接関連してくる。標準的な場の量子論は、ファインマン図と時間順序摂動論の観点から定式化されており、数学的機構の密集の中で因果律を不明瞭にしている。ジェンキンソンのアプローチは振幅レベルではなく確率レベルで機能し、自然に遅延伝播関数、すなわち影響が時間的に前方にのみ伝わることを許す数学的対象を生成する。
量子コンピューティングとの関連性は微妙だが強力である。場の量子論の明示的因果定式化は、量子コンピュータの操作により自然にマッピングされる可能性がある。なぜなら、理論と機械の両方が同じ時間の矢を尊重するからである。従来の定式化では、粒子散乱過程のシミュレーションには、完全な時間発展演算子を構築し、その後最終状態に投影する必要がある。因果的形式化では、計算は相互作用の因果的順序付けの周りに構造化されており、これはまさに量子回路の動作方法である。すなわち、操作は順次発生し、各ゲートは量子ビットに作用し、情報は前方に流れる。
この接続が成り立てば、物理理論の構造とシミュレーション機械の構造が一致することを意味する。その一致は稀で貴重である。それは、「時間」という言葉のない言語に小説を翻訳することと、因果律そのものが文法である言語で小説を書くことの違いである。
ジェンキンソンと彼の共同研究者は、因果的形式化が粒子散乱とウンルー効果（加速する観測者が空虚な空間を粒子の温かい浴槽として知覚するという予測）について既知の結果を再現することをすでに実証している。次のステップは、形式化が必要とする計算プリミティブを特定し、それらのプリミティブをネイティブに実装する量子プロセッサがどのようなものかを問うことである。
理論が時空と出会う場所
このアプローチの最も野心的な応用の1つは、量子情報理論と一般相対性理論の境界にある。何十年もの間、物理学者は量子力学と重力が共存を強いられたときに何が起こるかを理解するのに苦闘してきた。この緊張の最も有名な症状はブラックホール情報パラドックスであり、物質がブラックホールに落ち込み、ブラックホールがその後ホーキング放射によって蒸発するときに情報が失われるかどうかを問うものである。
量子情報理論は、これらの疑問を数学的な精度で提起するための言語を提供する。エンタングルメントエントロピー、相互情報量、量子誤り訂正の概念は、時空そのものの構造を理解するために驚くほど有用であることが証明されている。時空がより基本的な量子系のエンタングルメント構造から出現する可能性があるという考えは、ER=EPR予想とその変種として知られ、現代の理論物理学における最も挑発的なアイデアの1つである。
これらのアイデアを実験的にテストすることはほぼ不可能である。ブラックホールは遠くにあり、量子重力効果は微小であり、プランクスケールを探るために必要なエネルギーは人為的な加速器の能力を超えている。しかし、ブラックホール幾何学の因果構造を含む、湾曲した時空上の場の量子論をシミュレートするために設計された量子コンピュータは、そうでなければ純粋に数学的なままになるアイデアのための実験室として機能する可能性がある。
ジェンキンソンの論文は、すでにこの方向への一歩を踏み出しており、非回転ブラックホールの最も単純なモデルであるシュワルツシルト計量における様々な軌道上の粒子検出器の応答を検討している。専用の量子シミュレータは、この分析を解析的に扱える範囲をはるかに超えて拡張し、動的時空、特異点の近傍、および事象の地平線の存在下での量子場の振る舞いを探求することができる。
今後の展望
素粒子物理学のためのアーキテクチャ特化型量子コンピューティングのビジョンは、まだ初期段階にある。因果的な場の量子論を中心に一から設計された量子プロセッサを構築した者はまだいない。数学的形式化と工学的現実との間のギャップは大きく、量子ビット技術、誤り軽減、ゲート忠実度、およびシミュレートする必要のある自由度の数の問題に及んでいる。
しかし、方向性は明確であり、それは量子コンピュータが何のためにあるのかという根本的な再考を表している。それらは単により高速な古典的コンピュータではない。いつかすべての既存のハードウェアを置き換える普遍的な問題解決者でもない。それらは他の物理システムを模倣するように調整できる物理システムであり、与えられた問題に対して最も強力な量子コンピュータは、そのアーキテクチャが問題の構造を反映しているものである可能性が高い。
素粒子物理学にとって、それは因果律、粒子相互作用、時空幾何学の言語を話す機械を構築することを意味する。クォーク閉じ込めのシミュレーションに最適化された量子コンピュータがRSA暗号の実行には役に立たないかもしれないことを受け入れることを意味し、それは失敗ではない。それは機能である。
AIの世界では、限りなく拡大された汎用モデルがすべてのタスクを自らに吸収するというマントラが唱えられてきた。量子の世界は異なる物語を語る。ここでは、アーキテクチャが運命である。第一原理から陽子を最終的にシミュレートできる機械は、普遍的なオラクルではない。それは、CERNの粒子検出器と同じくらい注意深く設計された、微調整された道具であり、その設計は、それが発見することを運命づけられている物理学を符号化するのである。
雅子 訳