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量子コンピュータとは?原理や課題をわかりやすく解説

その可能性が語られはじめて30年以上たち、いまだに「実現可能か不可能か」というレベルの議論が続けられている量子コンピュータ

人工知能(AI)や第四次産業革命など、デジタル技術に関する話題が盛り上がるとともに、一般のニュースでも耳にするようになりました。
でも、技術にくわしくない人にとっては

「量子コンピュータってなに?」
「なんか、すごいことは分かるけど……」
という印象ですよね。
この記事では話題の「量子コンピュータ」について、わかりやすく解説します。

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Google 対 IBM の戦い!?

2019年10月、Google社は量子プロセッサを使い、世界最速のスーパーコンピュータでも1万年かかる処理を200秒で処理したと発表しました。

何年にもわたり議論が続いていた「量子コンピュータは従来のコンピュータよりすぐれた処理能力を発揮する」という「量子超越性」が証明されたと主張しています。

これに対して、独自に量子コンピュータを開発しているもう一方の巨人、IBM社は「Googleの主張には大きな欠陥がある」と反論し、Googleの処理した問題は既存のコンピュータでも1万年かかるものではないと述べました。

量子コンピュータとは?どんな理論を背景としている?

名だたる会社がしのぎを削る「量子コンピュータ」とは、一体どのような理論を背景に生まれたものなのでしょうか?

コンピュータはどのようなしくみで動いている?

「ビット」という単位を聞いたことがあるでしょうか。
「ビット」とは、スイッチのオンオフによって0か1を示すコンピュータの最低単位です。

1バイト(Byte)=8ビットで、オンオフを8回繰り返すことにより=28 = 256通りの組み合わせが可能になります。(ちなみに、1バイト=半角アルファベット1文字分の情報量にあたります。)
ところで、この「ビット」はもともと何なのでしょう。

コンピュータののなかの集積回路は「半導体」の集まりからできています。
一つ一つの半導体がオン/オフすることをビットと呼ぶのです。

コンピュータは、半導体=ビットが集まったものを読み込んで計算処理をしています。
この原理は、自宅や学校のパソコンでも、タブレット端末でも、スマホでも、「スーパーコンピュータ京」でもなんら変わりありません。
この半導体=ビットの数を増やすことで、コンピュータは高速化・高機能化してきたのです。

とはいえ、1ビット=1半導体である限り、実現可能な速度にも記憶容量にも物理的な限界があります。
この壁(物理的な限界)を超える方法はないか?

その答えになる(かもしれない)技術として注目されているのが、量子コンピュータというわけです。

量子コンピュータはどうやって動く?

量子コンピュータは、1ビット=半導体のオン/オフで0か1を示す というこれまでのコンピュータと違い、「量子ビット」(キュービットとも言います)によって計算を行います。
ちょっと難しい話になりますが、順序立てて説明します。

まず、量子とは?—電子のスピンをコンピュータに生かす!

話は突然、「宇宙は何でできているか?」という話になります。
ご存じの通り、宇宙のすべては原子からできています。

そして、すべての原子は同じ「材料」でできています。その材料こそ「量子」です。
原子は、原子核をつくる陽子と中性子、原子の周りをぐるぐる回る電子によって構成されています。この電子の数によって、水素やヘリウム、リチウム……といった様々な元素ができるのですね。

原子をつくる材料のことを「素粒子」または「量子」と呼びます。
そして量子のうち、電子常に回転(スピン)しているといわれています。

量子コンピュータは、この回転(スピン)を計算に生かすことができないか?というアイデアから生まれたものです。

半導体から量子ビットへ!何ができる?

ここで、現在のコンピュータに使われている「ビット」に戻ります。
ビットは、半導体のオン/オフによって0と1を示す仕組みでしたね。
ちょうどコインの表裏のように考えると分かりやすいでしょう。表なら1、裏なら0というわけです。

これに対して量子ビットは、コインが回転(スピン)している状態。0でもあり、1でもある状態といえます。
たくさんの量子ビット=「0でもあり1でもある」ものが重ね合わされていくイメージと考えばいいでしょうか。

過去のコンピュータでは1ビットごとに0と1というシンプルな情報しか送れませんでしたが、量子ビットを使ったコンピュータ(=量子コンピュータ)なら、1量子ビットごとに比較にならないほど多くの情報を送ることができます。

「量子コンピュータなら、これまでのコンピュータよりはるかに速く、大容量の計算ができるはずだ!」
これが量子コンピュータの基本的な考え方です。

量子コンピュータの課題とは?

そんな量子コンピュータですが、まだまだ課題は山積みです。一体どのような議論があるのでしょうか。

そもそも、量子コンピュータは可能なのか?

量子コンピュータの歴史は、1980年アメリカの物理学者Paul Benioffが「量子の世界ではエネルギーを消費しないで計算が行える」という研究を発表したことにさかのぼります。

イスラエル生まれのイギリス人David Deutschは、1985年に「量子計算模型」と言える量子チューリングマシンを、1989年に量子回路を考案しました。

しかし、30年以上過ぎた現在でもなお「量子コンピュータは可能かどうか」という議論に決着はついていません。

Googleのように「量子コンピュータを開発した」という人や企業はつぎつぎと現れますが、必ず「それは量子コンピュータと呼ぶにふさわしいか(量子コンピュータと認めていいのか?)」の議論が起こります。

なぜ、このような議論が起こるのでしょうか?
それは「量子コンピュータが可能になる」という考え方そのものが理論物理学から生まれたからです。

理論物理学と量子コンピュータ

理論物理学とは、かんたんに言うと「過去の物理学の遺産を突き詰めていくと、こういう風に発展していく『はずだ!』」という学問です。
アインシュタインが1907年に発表したE=mc²という有名な式があります。

この説が出てくるまで、現在の原子力発電所のような方法で巨大なエネルギーが生み出せるとは誰も考えませんでした。
アインシュタインの式を発展させたことによって、原子力という新たなエネルギーが生まれたわけです。

「原子力が人間を幸せにするか?」という善悪の判断はさておき、理論物理学によって新しい技術が誕生したのは事実です。

量子コンピュータもまた「できるはずだ」という議論がはじめにあり、いままさに「できるかどうか」世界中の科学者が悪戦苦闘している真っ最中といえるでしょう。

量子コンピュータと疑似科学

「できるかどうかわからない」技術には、疑似科学(科学的かどうか、まだ証明されていない主張)がつきものです。
有名なのは「常温核融合」と「高温超伝導」でしょうか。

これまでの核融合は、原子炉の中で超高温状態で行われていました。これを室温でできるようにするのが「常温核融合」で、今の原子力発電所よりもはるかにコンパクトな設備でエネルギーが生み出せると言われています。

また、「高温超伝導」は、絶対零度(-273℃)近くでないと起きないと言われていた超伝導(無抵抗で電気が伝わる)を高温状態でできるようにするものです。
いずれも、世界中の科学者が努力を重ねている途中の技術ですが、その一方で「私は常温核融合を実現した」と主張する人は世界中にいます。

残念なことに、その一部はウソの医療グッズや健康食品になってしまっています。
夢の技術は、詐欺師の餌食にもなりやすい。

量子コンピュータもまた、そのようなリスクのなかにあると言えるでしょう。

量子コンピュータでできること

Google社、は今後も量子コンピュータの実用化に向けて研究を続けると発表しています。

IBM社はじめ世界のコンピュータメーカーにとっても、量子コンピュータは偉大なゴールになるでしょう。

おそらくは数十年後になるでしょうが、量子コンピュータが実現すると可能になりそうなテーマを上げます。

素数の謎を解明する

素数は「1と、その数以外で割り切れない数字」をいいます。素数を書き出すと、2、3、5、7、11……と、一見法則がないように並んでいきます。

有名な数学者ユークリッドは「最大の素数はなく、無限の素数が存在する」ことを証明しました。

以来、人類がさわることのできる最大の素数を探す努力が重ねられてきました。

現在までに見つかった最大の素数は 2*82589933  − 1(2018年12月現在)です。さらに人類はもっと大きな素数をさがしつづけています。

この計算を従来のスーパーコンピュータでやろうとすると、それぞれの数字を一つずつ割り算していくことになり、莫大な時間がかかっていました。

量子コンピュータが実現すれば、処理速度、容量、また、アルゴリズム(手順)の開発により、飛躍的にスピードアップするといわれています。

暗号を解く

実は、世の中の暗号には素数が使われています。

そのため暗号を解読するにも、すべての計算を順番に行っていく……という方法しかありませんでした。

「0でもあり1でもある」量子ビットを利用すれば、プロセスははるかに短縮され、高速で結果を出せるという説があります。

宇宙の謎を解き明かす

ビッグバンからの数十億年、広大な宇宙は多くの謎に満ちていています。

惑星間・恒星感の重力を計算するだけでも、現在最高のスーパーコンピュータでも及ばない複雑な処理が必要となります。

量子コンピュータが実用化する日が来たら、宇宙の謎も一つずつ解き明かされていくのかもしれません。

機械学習への利用

コンピュータの進化によって、機械学習や人工知能(AI)といった技術が本格的に使われるようになってきました。機械学習は、大量のデータと情報処理を必要とします。そのため、量子コンピュータによって取り扱えるデータの量と学習の回数が増えれば、これまで解決できなかった問題を解くための鍵を得ることができるでしょう。

量子コンピュータはその性質上、確率論的に答えが導き出されます。そのため、厳密に計算を行いたい場合は古典的なコンピュータの方が向いているとされています。しかし機械学習などで扱う分野は厳密に計算を行いたい場合が少なく、より効率的に大量のデータを処理することに重きを置いているため、量子コンピュータが向いている分野だと言えるでしょう。

まとめ: ロマンあふれる新技術!

科学者が懸命に研究をつづける量子コンピュータは、科学にはまだロマンがあふれていると教えてくれます。

原子よりも小さい量子の働きにより、人類の謎が解き明かされていく……そう考えると、ワクワクせずにはいられません。

量子コンピュータが人類にどんな新しい知恵をもたらしてくれるか、期待をもって見守っていきたいものですね。

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