I've been challenged to explain a topic with five levels of increasing complexity.

複雑さを増す5つのレベルのトピックを説明することに挑戦したことがあります。

It's a completely different kind of computing called quantum computing.

それは、量子コンピューティングという全く別のコンピューティングです。

Quantum computers approach solving problems in a fundamentally new way.

量子コンピュータは、根本的に新しい方法で問題解決に取り組みます。

And we hope that by taking this new approach to computation will be able to start exploring some problems that we can never solve any other way.

そして、この新しい計算機へのアプローチによって、他の方法では決して解決できないような問題の探索を始めることができるようになることを期待しています。

Hopefully by the end of today everyone can leave this discussion understanding quantum computing at some level.

今日が終わるころには、誰もが量子コンピューティングをある程度理解した上で、この議論を終えることができるようになることを願っています。

What's this?

これは何？

What do you think that is fancy chandelier?

派手なシャンデリアだと思うのですが？

I think so too.

私もそう思っています。

We jokingly call it the chandelier, that's real gold.

冗談でシャンデリアと呼んでいるのですが、あれは本物の金なんですよ。

You know, this is a quantum computer.

これ、量子コンピューターなんですよね。

It's a it's a really special kind of computer.

本当に特別なコンピューターなんです。

What does it do?

何をするものなのか？

It calculates things but in a totally different way to how your computer calculates things.

計算するのですが、コンピュータが計算するのとは全く違う方法で計算します。

What do you think this is?

これは何だと思いますか？

Yeah.

そうですね。

You know what your computer thinks that is zero.

コンピュータがゼロと思うのは

This really specific combination of zeros and ones, everything that your computer does, showing you pink panther videos on youtube, calculating things, searching the internet.

この0と1の組み合わせは、コンピュータが行うすべてのこと、Youtubeでピンクパンサーのビデオを見せること、計算すること、インターネットを検索することなど、本当に特定のものです。

It does all of that with a really specific combination of zeros and ones which is crazy, right?

ゼロとイチという特殊な組み合わせですべてを行うのですから、おかしな話ですよね。

That would be like saying your computer only understands these quarters for each quarter.

それは、コンピュータが四半期ごとにこの四分の一しか理解できないと言っているようなものです。

You need to tell it that you're gonna use heads tails and you assign it heads or tails.

Heads tailsを使うことを伝えて、headsかtailsを割り当てる必要があります。

So I can switch between heads and tails and I can switch the zeros and ones in my computer so that it represents what I wanted to represent like an A and with quantum computers we have new rules, we get to use to, we can actually spin one of our quarters.

量子コンピュータでは、新しいルールが生まれ、実際に25セント硬貨を回すことができるようになりました。

So it doesn't have to choose just one or the other.

だから、どちらか一方だけを選ぶ必要はないのです。

Can computers help you with your homework?

コンピュータは宿題を手伝ってくれるの？

You're really hard homework.

本当に大変な宿題ですね。

Yeah, that can, especially if doing your homework involves calculating something or finding, but what if your homework was to discover something totally new?

でも、もし宿題がまったく新しいものを発見することだったらどうでしょう？

A lot of those discovery questions are much harder to solve using the computers we have today.

そのような発見的な問題の多くは、現在のコンピューターでは解決するのが難しいのです。

So the reason we're building these kinds of computers is because we think that maybe one day they're going to do a lot of really important things like help us understand nature better.

私たちがこのようなコンピュータを作っているのは、いつかこのコンピュータが、自然をよりよく理解するために重要なことをたくさんやってくれるようになると考えているからです。

Maybe help us create new medicines to help people.

もしかしたら、人々を助ける新しい薬を作るのに役立つかもしれません。

What's your favorite kind of computer?

好きなパソコンの種類は？

Smartphone, tablet, regular laptop pc?

スマートフォン、タブレット、通常のノートPC？

I've got to go with my iphone.

iphoneにしました。

So what do you do with your iphone social media?

では、iphoneのソーシャルメディアはどうするのか？

Um use it for your studying, Have you ever run out of space on your iphone all the time?

勉強に使ってください、いつも使っているiphoneの容量が足りなくなったことはありませんか？

Me to always when I'm trying to take a photo.

写真を撮ろうとするとき、いつも私に。

So did you know that there are certain kinds of problems that computers sort of run out of space?

では、コンピュータの容量が足りなくなるような問題があることをご存知でしょうか？

Almost like you're trying to solve the problem and just like how you run out of space on your iphone when you're trying to take a picture, if you're trying to solve the problem, you just run out of space And even if you have the world's biggest supercomputer.

ほとんど問題を解決しようとしているようなもので、写真を撮ろうとするとiphoneの容量が足りなくなるのと同じように、問題を解決しようとすると、容量が足りなくなるのです。たとえ世界最大のスーパーコンピュータを持っていてもです。

Did you know that can still happen?

今でも起こりうることだと知っていましたか？

So my team is working on building new kinds of computers, altogether?

では、私のチームは新しい種類のコンピュータを作ることに取り組んでいるのですね。

Ones that operate by a totally different set of rules.

まったく別のルールで動いているもの。

So, do you know what that is?

では、それが何であるか知っていますか？

I have no clue.

全く分からない。

It's quantum computer.

量子コンピュータです。

What have you ever heard of a quantum computer?

量子コンピュータという言葉を聞いたことがありますか？

I haven't.

していません。

Have you ever heard of the word quantum?

量子という言葉をご存知でしょうか？

No.

いいえ。

Okay, so quantum mechanics is a branch of science, just like any other branch of science, it's a branch of physics.

なるほど、量子力学は科学の一分野であり、他の科学の一分野と同じように、物理学の一分野なのですね。

It's the study of things that are either really, really small, really, really well isolated and really, really cold.

それは、本当に小さくて、本当によく隔離されていて、本当に冷たいものの研究なのです。

And this particular branch of science is something we're using to totally reimagine how computing works.

そして、この特殊な科学分野を利用して、コンピューティングの仕組みを完全に再構築しようとしているのです。

So we're building totally new kinds of computers based on the laws of quantum mechanics?

量子力学の法則に基づいて、まったく新しい種類のコンピュータを作るということですね。

That's quantum computer is I'm gonna start by telling you about something called superposition.

それが量子コンピュータです。まず、重ね合わせというものについてお話します。

So, I'm gonna explain it using this giant penny, Is that worth 100 pennies?

そこで、この巨大な1円玉を使って説明すると、100円玉の価値があるのか？

I don't know what it's worth, but I can put it face up.

価値はわからないが、顔出しはできる。

Right, And that's heads, I can put it face down.

そうですね、これはヘッドなので、下向きに置くことができます。

Right?

そうだろ？

So at any given time point in time, if I ask you is my Penny?

だから、どの時点でも、私があなたに尋ねれば、私のペニーは？

Heads or tails?

表か裏か？

Probably you can answer it.

たぶん、答えられると思います。

Right.

そうですね。

Yeah, Okay, But what if I spin the Penny.

ええ、わかりました、でも、もし私がペニーを回したらどうなるんですか？

So let's do it.

では、やってみましょう。

Okay, so while it's spinning, is that heads or tails?

では、回転している間、それは表か裏か？

While it's spinning?

回転させながら？

Oh, I wouldn't know it's sort of it's sort of a combination of heads and tails, Right, would you say so.

ああ、それはわからない......頭と尻尾の組み合わせのようなものだ」そうですね、そうでしょうか。

Superposition Is this idea that my penny is not just either heads or tails, It's in this state which is a combination of heads and tails.

重ね合わせとは、私の1円玉は表と裏のどちらか一方だけでなく、表と裏の組み合わせの状態になっているという考え方です。

This quantum property is something that we can have in real, real physical objects in the world.

この量子的な性質は、この世に存在する実際の物理的な物体に持たせることができるものなのです。

So that superposition.

その重ね合わせということですね。

And the second thing that we'll talk about is called entanglement.

そして2つ目の話は、「エンタングルメント」と呼ばれるものです。

So now I'm gonna give you a penny, wow.

だから今度は1円玉をあげるよww

When we use the word entangled in everyday language, what do we mean that something is intertwined or exactly that there's two things that are connected in some way and usually we can separate them again.

私たちが日常的に使う「もつれる」という言葉は、何かが絡み合っているという意味なのか、正確には、2つのものが何らかの形でつながっていて、通常は再び分離することができる、という意味なのか。

Your hair is tangled or whatever, you can un entangle it, right?

髪が絡まったりしても、絡みを解くことができますよね？

But in the quantum world when we entangle things, they're really now connected, it's much much harder to separate them again.

しかし、量子の世界では、物事を絡め取ると、それが本当につながってしまい、再び分離することが非常に難しくなります。

So using the same analogy, we spin our pennies and eventually eventually they both stopped, right?

同じように例えると、私たちは小銭を回して、結局最終的にはどちらも止まってしまったわけですよね。

And when they stop, it's either heads or tails.

そして、停止すると、頭か尻尾のどちらかになるのです。

Right?

そうだろ？

So in my case I got tails and you've got heads, you see how they're totally disconnected from each other, right?

私の場合、私は尻尾で、あなたは頭です。このように、互いにまったく切り離されているのがわかりますか？

Our pennies In the real world.

私たちの小銭 現実の世界では

Now, if our pennies were entangled and we both spun them together, right?

さて、私たちの1円玉が絡み合って、2人で一緒に回転させたとするでしょ？

When we stop them, if you measured your penny to be ahead, I would measure my penny to be ahead.

止めるときは、1円玉を測って先行させたら、1円玉を測って先行させる。

And if you measured your penny to be a tail and measure my penny to be a tails.

そして、あなたの1円玉を尾っぽと測り、私の1円玉を尾っぽと測った場合。

If we measured it at exactly the same time we would still find that they were both exactly correlated.

もし、まったく同じ時刻に測定しても、両者は正確に相関していることがわかるだろう。

That's crazy.

それはおかしいよ。

That's cool.

かっこいいですね。

My God.

なんてことだ。

The way that we are able to actually see these quantum properties is by making our quantum chips really, really cold.

このような量子的な性質を実際に見ることができるのは、量子チップを本当に低温にすることで可能になります。

So that's what this is all about.

というわけで、これはこれでいいのです。

Actually this is called a dilution refrigerator and it's a refrigerator.

実はこれ、希釈式冷凍機と呼ばれるもので、冷蔵庫なんです。

It does you look like a normal refrigerator, right?

普通の冷蔵庫に見えますよね？

But it's something that we use actually there's usually a case around it to cool our quantum chips down cold enough that we can create super positions and we can entangle cubits and the information isn't lost to the environment.

しかし、量子チップを十分に冷却して、超位置を作り出し、キュービットをエンタングルして、情報を環境に流出させないようにするために、通常はケースに入れて使います。

Like what could those chips to be used to do?

そのチップを何に使うかとか。

So one of the things that we're trying to use quantum computers to do is simulating chemical bonding.

そこで、量子コンピュータを使ってやろうとしていることのひとつに、化学結合のシミュレーションがあります。

Use a quantum system to model a quantum system.

量子系を使って、量子系をモデル化する。

Yeah, I mean I'm definitely gonna impress all my friends when I tell them about this, they're gonna be like quantum.

このことを友達に話したら、量子力学みたいな印象を持たれるに違いない。

What?

何？

So what do you think that thing is is it some sort of conductor circuit that is a really good guess.

あれは何だと思いますか？導体回路のようなものでしょうか？

There's parts of that that are definitely about conducting, this is the inside of a quantum computer.

その中には、これは量子コンピュータの内部なんだ、という導線に関する部分が確かにあります。

Oh wow.

すごいなー。

Yeah this whole infrastructure is all about creating levels that get progressively colder as you go from top to bottom down to the quantum chip which is how we actually control the state of the Cupids.

このインフラは、キューピッドの状態をコントロールするための量子チップに至るまで、上から下へ行くほど温度が低くなるように作られているんだ。

Oh wow.

すごいなー。

So when you say colder you mean like physically colder?

寒くなったというのは、物理的に寒くなったということですか？

Like physically colder.

物理的に寒くなるような。

So room temperature is 300 kelvin as you get down all the way to the bottom of the fridge.

室温は、冷蔵庫の底にずっと降りていくと、300ケルビンになるわけです。

It's that 10 million kelvin.

その1000万ケルビンのことだ。

Oh wow, Amanda, what do you study?

すごい！アマンダさん、何を勉強しているんですか？

So I'm studying computer science currently a sophomore.

それで、現在2年生でコンピュータサイエンスを勉強しています。

And the track that I'm in is the intelligent systems track machine learning artificial intelligence.

そして、私が所属しているトラックは、インテリジェント・システム・トラック、機械学習・人工知能です。

You ever heard of quantum computing?

量子コンピュータという言葉を聞いたことがありますか？

From my understanding with a quantum computer rather than using transistors is using spins, you can have superposition of spins, so different states more combinations means more memory.

私の理解では、量子コンピュータはトランジスタを使うのではなく、スピンを使うので、スピンの重ね合わせができ、異なる状態をより多く組み合わせることで、より多くのメモリを持つことができます。

So that's pretty good.

だから、かなりいい感じです。

So you mentioned superposition but you can also use other quantum properties like entanglement entanglement.

重ね合わせの話が出ましたが、エンタングルメントentanglementのような他の量子特性も使うことができるんですね。

I have not.

していません。

Okay, so it's this idea that you have two objects and when you entangle them together they become connected and then there sort of permanently connected to each other and they behave in ways that are sort of a system now.

つまり、2つの物体があって、それを絡め合わせると、それらがつながって、ある種の恒久的なつながりになり、今では一種のシステムのような振る舞いをする、という考え方です。

So superposition is one quantum property that we use.

つまり、重ね合わせは、私たちが使っている量子的な性質の一つなのです。

Entanglement is another quantum property.

エンタングルメントも量子力学の特性の一つである。

And a third is interference.

そして3つ目が干渉です。

How much you know about interference?

干渉についてどれくらい知っていますか？

Not much.

あまりないですね。

Okay, so how do noise canceling headphones work?

なるほど、ではノイズキャンセリングヘッドホンはどのように機能するのでしょうか？

They read like wave, ambient wavelength and then produce like the opposite one to cancel out they create interference.

波動、周囲の波長を読み取り、それを打ち消すように反対側の波長を出すと干渉を起こす。

So you can have constructive interfere and you can have destructive interference.

つまり、建設的な干渉もあれば、破壊的な干渉もあるわけです。

You have constructive interference of amplitudes, wave amplitudes that add to the signal gets larger.

振幅の建設的な干渉、信号が大きくなるために追加される波の振幅があります。

And if you have destructive interference, The amplitudes cancel by using a property like interference.

また、破壊的な干渉がある場合は、干渉のような性質を利用して振幅を打ち消します。

We can control quantum states and amplify the kinds of signals that are towards the right answer and then cancel the types of signals that are leading to the wrong answer.

量子状態を制御して、正解に向かう信号の種類を増幅し、不正解に向かう信号の種類を打ち消すことができるのです。

So given that you know that we're trying to use superposition entanglement and interference for computation, how do you think we build these computers?

では、計算のために重ね合わせのもつれや干渉を利用しようとしていることはわかったとして、そのコンピュータをどのように作ればいいのでしょうか？

I have no idea.

全く分かりません。

So step one is you need to be able to have an object or physical device.

つまり、ステップ1では、物体や物理的なデバイスを用意する必要があるのです。

We call it a cubit or quantum bit that can actually handle those things can actually be put into superposition of states, you know, to cube.

キュービットと呼ばれる量子ビットは、実際にそれらを扱うことができ、状態の重ね合わせ、つまりキューブに入れることができるのです。

It states that you can physically entangled with each other.

物理的に絡み合うことができるとしています。

That's not really trivial.

それは、本当に些細なことなんです。

Right?

そうだろ？

And things in our classical world, you can't really entangle things in our classical world so easily.

そして、私たちの古典的な世界では、そう簡単に物事を絡めることはできないのです。

We need to use devices where they can they can support a quantum state and we can manipulate that quantum state, atoms ions and in our case superconducting qubits, we make cubits out of superconducting materials.

私たちは、量子状態をサポートし、その量子状態を操作できるデバイス、原子イオン、そして私たちの場合は超伝導量子ビットを使用する必要があります。

But as like a programmer, how would quantum computing affect a different way of writing a program?

しかし、プログラマーのように、量子コンピュータがプログラムの書き方の違いにどのような影響を与えるのか。

It's a perfect question.

完璧な質問ですね。

I mean it's very early for quantum computing but we're building assembly languages.

量子コンピュータはまだ早いですが、私たちはアセンブリ言語を作っているのです。

We're building layers of abstraction that are gonna get you to a point as a programmer where you can interchangeably be programming something the way that you already do and then make calls to a quantum computer so that you can bring it in when it makes sense.

私たちは抽象化のレイヤーを構築することで、プログラマーがこれまでと同じようにプログラミングをしながら、量子コンピュータを呼び出し、必要なときに呼び出すことができるようにすることを目指しているのです。

We're not envisioning quantum computers completely replacing classical computers anytime soon?

量子コンピュータが古典的なコンピュータを完全に置き換えるということは、すぐには想定できないのですね。

We think that quantum computing is going to be used to accelerate the kinds of things that are really hard for classical.

量子コンピュータは、古典的なものでは本当に難しい種類のものを加速するために使われるようになると考えています。

So what exactly are some of those problems simulating nature is something that's really hard because we take something like modeling atomic bonding and electronic orbital overlap.

自然界のシミュレーションは、原子の結合や電子軌道の重なりをモデル化するようなもので、本当に難しいものです。

Instead of now writing out a giant simulation over many terms, you try and actually mimic the system, you're trying to simulate directly on a quantum computer which we can do for chemistry.

何項もの巨大なシミュレーションを書き出すのではなく、実際にシステムを模倣し、量子コンピュータ上で直接シミュレーションを行おうとしているわけで、化学ではそれが可能です。

And we're looking at ways of doing that for other types of things.

そして、他の種類のものについても、その方法を検討しています。

There's a lot of exciting research right now on machine learning trying to use quantum systems to accelerate machine learning problems.

今、機械学習の分野では、量子システムを使って機械学習の問題を加速させようというエキサイティングな研究がたくさん行われています。

So would it be like in five years or 10 years that I would be able to have one of these sitting in my laptop just in my dorm?

ということは、5年後、10年後には、寮にあるだけのノートパソコンにこれが入っているようなことになるのでしょうか？

I don't think you're going to have one in your dorm room anytime soon, but you'll have access to one.

すぐに寮の部屋に置くことはないと思いますが、アクセスすることはできます。

There's three free quantum computers that are all sitting in this lab here that anyone in the world can access through the cloud.

このラボには無料の量子コンピュータが3台あり、世界中の誰もがクラウドを通じてアクセスすることができるのです。

Okay, so quantum computing creates new possibilities and new ways to approach problems that classical computers have difficulty doing.

なるほど、量子コンピュータは、古典的なコンピュータが苦手とする問題にアプローチする新しい可能性や方法を生み出すのですね。

Couldn't have said it better myself.

これ以上ないくらい、素晴らしい言葉です。

So I'm a first year master student and I'm studying machine learning.

私は修士1年生で、機械学習の勉強をしているんですね。

So it's in the computer science department but it mixes computer science with math and probability and statistics.

コンピュータサイエンス学部ですが、コンピュータサイエンスと数学、確率・統計学をミックスしていますね。

So have you come up upon any limits to machine learning?

では、機械学習の限界に思い至ったことはありますか？

Certainly depending on the complexity of your model then computer.

確かに、モデルの複雑さ、コンピュータの複雑さにもよりますが。

One thing I have colleagues here that you can take up two weeks to train certain neural networks and actually machine learning is one research direction where we're really hoping that we're going to find key parts of the machine learning computation that can be sped up using quantum computing.

機械学習は、量子コンピュータを使って機械学習の計算を高速化できる重要な部分を見つけることを期待している研究分野のひとつです。

It's exciting.

ワクワクしますよね。

So in the classical computer, you know, you have all sorts of logical gates that perform operations and they change an input to some sort of output.

古典的なコンピュータでは、演算を行うあらゆる種類の論理ゲートがあり、入力をある種の出力に変えますよね。

But I guess it's not immediately obvious how you do that with quantum computers.

でも、量子コンピュータでそれをどうやるかは、すぐにはわからないと思います。

If you think about even just classical information like this right at the end of the day when you store a bit in your hard drive, there's a magnetic domain and you have a magnetic polarization, right?

古典的な情報でも、ハードディスクにビットを保存するときに、磁区があって、磁気分極がありますよね？

You can change the magnetization to be pointing up or pointing down.

磁化が上を向いていたり、下を向いていたりするように変更することができます。

Right?

そうだろ？

Quantum systems were still manipulating a device and changing the quantum state of that device.

量子システムは、やはりデバイスを操作して、そのデバイスの量子状態を変化させるものだった。

You can imagine if it's a spin that you can have spin up and spin down.

スピンアップとスピンダウンがあるのは、スピンなら想像がつくでしょう。

But you can also, if you isolate it enough, you can have a superposition of up and down.

しかし、十分に分離すれば、上下の重ね合わせも可能です。

So what we do when we try to solve problems with a quantum computer is we encode part of the problem we're trying to solve into a complex quantum state and then we manipulate that state to drive it towards what will eventually represent the solution.

つまり、量子コンピュータで問題を解決しようとするとき、私たちは問題の一部を複雑な量子状態に符号化し、その状態を操作して、最終的に解決策を示す方向に動かします。

How do we actually encode it to start with?

そもそも、実際にどのようにエンコードするのか？

Yeah, that's a really good question.

ええ、本当にいい質問ですね。

This actually is a model of the inside of one of our quantum computers.

これは、量子コンピュータの内部を模したものです。

So you need a chip with cubits.

だから、キュービットを使ったチップが必要なんですね。

Each cubit is a carrier of quantum information and the way we control the state of that cube, it is using microwave pulses.

各キュービットは量子情報のキャリアであり、そのキューブの状態を制御する方法として、マイクロ波パルスを使用しています。

You send them all the way down these cables and we've calibrated these microwave pulses so that we know exactly this kind of pulse with this free this duration will put the cube it into superposition or will flip the state of the cubit from 0 to 1.

このようなマイクロ波パルスをケーブルで送り、校正しました。このようなパルスで、この長さのパルスを送ると、立方体が重ね合わされ、0から1に反転します。

Or if we apply a microwave pulse between two cubits, we can entangle them.

あるいは、2つの立方体の間にマイクロ波パルスを当てると、2つの立方体を絡ませることができます。

Yes, exactly.

はい、その通りです。