数年前、ある量子物理学者がVulture Southに対し、量子コンピュータの最も優れた用途の一つは現実をモデル化することかもしれないと示唆した。そして今、Googleは自社の研究者たちがまさにそれを実現したと考えている。
科学は量子システムをモデル化しようとします。なぜなら、量子システムは現実の核心にあるからです。例えば、Googleが応用分野として選んだ化学は、量子相互作用によって支配されています。
しかし、単純な化学反応を量子的に表現するだけでも、大きなハードウェアと大量のプロセッサ サイクルが必要になります。
ライアン・バブッシュ氏は、今のところ「世界で最もオタクっぽい名刺」とでも呼べるものを持っている人物（量子ソフトウェア エンジニア）で、Google Research Blog でその研究について説明しています。
研究者たちは、分子の電子構造の問題を、おおよそ「与えられた原子核に対して、電子の最も低いエネルギー構成は何か」という問題として選びました。
これは、古典的なコンピュータではうまくスケールしない種類の問題である、と彼は書いている。メタン (CH 4 ) の場合、これを解くのに 1 秒しかかからない。炭素原子 1 個と水素原子 2 個を加えるとエタン (C 2 H 6 )になるが、これには 10 分かかる。さらに炭素原子 1 個と水素原子 2 個を加えるとプロパン (C 3 H 8 ) になる。
プロパンガスの場合は、ガス機器を10 日間予約する必要があります。
人々がこうした種類の問題にリソースを投入する理由は、それが化学反応の速度を予測するもので、それがほぼ全世界に影響を与えるからです (量子ソフトウェア エンジニアの Babbush 氏は、太陽電池、触媒、医薬品、フレキシブル エレクトロニクス、材料科学、そして包括的な分野「その他」を挙げています)。
したがって、この問題に量子アプローチを適用することが望まれます。
量子ソフトウェア エンジニアのBabbush 氏(おそらく今年はこのフレーズを入力するのに飽きることはないと思います) は、この研究には「変分量子固有値ソルバー」(VQE) と呼ばれる量子アプローチのテストが含まれており、同氏はこれを「ニューラル ネットワークの量子アナログ」と表現しています。
研究者のジャーナル論文に掲載された VQE の概略図は次のとおりです。
GoogleのVQEの概略と説明
量子部分はたった2量子ビットだったように見えます（左上）。画像で言及されている「パラメータ化された仮説」とは、論文で説明されているように、「パラメータ化された推測波動関数」のことです。
彼らの研究の結果は、以下のグラフに示されています。これは、VQE による分子状水素 H2 のエネルギーランドスケープの計算を示しています(ここで参照されている PEA は、別の量子アルゴリズムである位相推定アルゴリズムによる計算です)。
たった2量子ビットだ。スケールアップしたらどうなるだろうか？バブッシュ氏は、100量子ビットのシステムがあれば「バクテリアが肥料を生成するプロセスをモデル化」するのに十分だと見積もっている。
肥料の工業生産には世界のエネルギーの1～2%が必要であり、非常に非効率であるため、これは単なるあくび以上のことである。
最後に指摘しておきたいのは、このシステムがテストされた特定の問題は、他の量子コンピューティング手法もテストされているため、使用されたということだ。論文には、「光子システム、核磁気共鳴システム、窒素空孔中心システムで実証されている」と記されている。
Google の VQE の違いは、他の量子コンピュータで必要な問題の低速な「事前コンパイル」を行わずに動作する点です。
この論文のバブッシュ氏の共著者には、Google のほか、カリフォルニア大学サンタバーバラ校物理学部、ハーバード大学化学部、ローレンス・バークレー国立研究所、タフツ大学物理学部、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの計算科学センターと同化学部出身者がいる。®
