量子コンピュータの仕組みとは？
これらのシステムがどのように動作するかを理解すれば、なぜこのシステムがすべてを変えることができるのかがわかります。
もし誰かに「量子コンピューターを想像してみてください」と言われたら、あなたは頭の中で何を思い浮かべますか？もしかしたら、普通のコンピュータを思い浮かべるかもしれません。もっと大きくて、内部では不思議な物理学の魔法が繰り広げられているとか。ラップトップやデスクトップは忘れてください。コンピュータのサーバーファームも忘れてください。量子コンピューターは、見た目も、そしてさらに重要なことには、情報を処理する方法も根本的に異なります。
現在、量子コンピューターを構築する方法はいくつかあります。しかし、まずはその仕組みを説明するために、代表的な設計の1つを紹介しましょう。
電球のフィラメントが逆さまに吊るされているのを想像してみてください。しかし、これまで見たこともないような複雑な光です。細いワイヤーではなく、銀色のワイヤーの群れが芯の周りに整然と編み込まれています。それらは、下に行くほど狭くなるように層状に配置されています。金色のプレートが構造をセクションに分けています。
この容器の外側はシャンデリアと呼ばれています。これは超強力な冷蔵庫で、液化ヘリウムを混ぜた特殊な材料を使って、コンピューターの量子チップを絶対零度近くまで冷やします。これは、理論的に可能な限り最も低い温度です。このような低温では、チップ内の微小な超伝導回路が量子的な性質を持つようになります。この性質を利用することで、古典的なコンピューターでは不可能な計算を行うことができるのです。
ノートパソコンやスマートフォンの情報を処理する数十億個のトランジスタは、オン（1）かオフ（0）かの2値で動作します。コンピュータは、「ゲート」と呼ばれる一連の回路を用いて、スイッチの状態に基づいて論理演算を行います。古典的なコンピュータは、柔軟性のない特定のルールに従うように設計されています。そのため、信頼性は非常に高いのですが、ある種の問題、特に「干し草の中から針を探す」ような問題を解くのには向いていません。
その点、量子コンピューターは優れています。
コンピュータが問題を解く様子を、迷路を走るネズミに例えると、古典的なコンピュータは、すべての経路を試して最後までたどり着きます。しかし、試行錯誤しながら迷路を解くのではなく、可能性のあるすべてのルートを同時に検討することができたらどうでしょうか。
量子コンピューターは、古典コンピューターの2進法の「ビット」を「量子ビット」と呼ばれるものに置き換えることで実現しています。量子ビットは、物理学が原子や素粒子のスケールでは異なる働きをするという量子力学の不思議な法則に従って動作します。
量子力学を実証する典型的な方法は、2つのスリットを持つ障壁に光を当てることです。ある光は上のスリットを通り、ある光は下のスリットを通り、光の波がお互いにぶつかり合って干渉模様ができます。しかし、今度は光を暗くして、光を構成する元素の粒子である光子を1つ1つ発射するようにします。論理的には、それぞれの光子は1つのスリットを通過しなければならず、干渉するものは何もありません。しかし、なぜか干渉縞ができてしまいます。
量子力学的にはこうなります。スクリーンで検出されるまで、それぞれの光子は "重ね合わせ "という状態にあります。あたかも、すべての経路を一度に通っているような状態です。つまり、観測によって重ね合わせた状態が「崩壊」し、スクリーン上に1つの点が現れるまでです。
この性質を利用して、量子ビットは非常に効率的な計算を行います。迷路の例で言えば、重ね合わせた状態にはすべての可能なルートが含まれています。そして、チーズへの最も可能性の高い経路を明らかにするためには、重ね合わせの状態を崩さなければなりません。
古典的なコンピュータの性能を向上させるためにトランジスタを追加するように、より強力な量子コンピュータを作るために量子ビットを追加します。量子力学の特性である "もつれ"のおかげで、複数の量子ビットを同じ状態にすることができます。個々の量子ビットは2つの状態の重ね合わせで存在していますが、より多くの量子ビットを互いに絡ませると、その状態は指数関数的に増加します。つまり、2量子ビットのシステムでは4つの可能な値が保存され、20量子ビットのシステムでは100万以上の値が保存されます。
では、計算能力はどうなるのでしょうか。量子コンピューターを現実世界の問題に応用することを考えてみましょう。それは、素数の問題です。素数とは、1以上の自然数で、自分自身か1でしか均等に割り切れない数のことです。小さい数字を大きくするのは簡単ですが、その逆は難しく、数字を見ただけではその要因を知ることはできません。これが、最も一般的なデータ暗号化方式の1つであるRSA暗号の基礎となっています。RSA暗号は、2つの素数の積を因数分解しなければ解読できません。それぞれの素因数は数百桁の長さで、答えを事前に知らなければ事実上解けない問題の固有の鍵となります。
1995年、当時AT&Tベル研究所に所属していたMITの数学者ピーター・ショーは、どんな大きさの素数でも因数分解できる新しいアルゴリズムを考案しました。いつの日か、量子コンピュータがその計算能力とショーのアルゴリズムを使って、銀行の記録から個人のファイルまであらゆるものをハッキングできるようになるかもしれません。
2001年、IBMはショアーのアルゴリズムを実証するために、7つの量子ビットを持つ量子コンピューターを作りました。量子ビットには、2つの異なるスピン状態を持ち、高周波パルスで制御できる原子核を使いました。この方法では、量子コンピュータの規模を拡大するのが非常に難しいため、あまり良い方法ではありませんでした。しかし、ショアーのアルゴリズムを実行し、15を3と5に因数分解することができました。驚くべき計算ではありませんが、アルゴリズムが実際に機能することを証明しただけでも大きな成果です。
現在でも、専門家たちは、量子コンピューターが従来のスーパーコンピューターを凌駕するほどの性能を発揮することを目指しています。これは、量子状態が壊れやすいという理由から、非常に困難な課題です。過冷却室や真空チャンバー内で精密なレーザーを使っても、量子ビットが外部環境と相互作用するのを完全に止めるのは難しいのです。システムにノイズが入ると、「デコヒーレンス」と呼ばれる状態になり、重ね合わせが崩れてコンピュータが情報を失ってしまうのです。
量子コンピューターでは、2進法の厳密なルールではなく、確率を扱うため、多少の誤差が生じるのは当然です。しかし、デコヒーレンスでは、結果がわからなくなるほどのノイズが発生することがよくあります。1つの量子ビットがデコヒーレンス状態になると、システム全体を可能にするエンタングルメントが壊れてしまうのです。
では、これをどうやって修正するのか。その答えは「誤り訂正」と呼ばれるもので、いくつかの方法があります。
【誤り訂正1】完全に誤り訂正された量子コンピュータは、量子ビットが突然間違った状態に変化する「ビット反転」のような一般的な誤りを扱うことができる。
これを実現するには、実際に計算を行う「論理的」量子ビットと、エラーを訂正する標準的な量子ビットをいくつか備えた量子コンピュータを構築する必要がある。このシステムを動作させるためには、大量の誤り訂正用量子ビットが必要となる（論理的量子ビット1個あたり100個程度）。しかし、最終的には非常に信頼性が高く、一般的に有用な量子コンピューターになるだろう。
【誤り訂正2】他の専門家たちは、さまざまな誤りによって発生するノイズを見分ける巧妙な方法を見つけようとしている。彼らは、別のアルゴリズムを使って、「ノイズの多い中間規模の量子コンピュータ」と呼ぶものを構築しようとしている。うまくいく場合もあるかもしれませんが、全面的にうまくいくわけではないでしょう。
【誤り訂正3】もう1つの戦術は、情報保持に優れた「トポロジカル粒子」など、ノイズの影響を受けにくい新しい量子ビットソースを見つけることです。しかし、これらのエキゾチックな粒子（または準粒子）の中には、純粋に仮説的なものもあり、この技術は数年から数十年先になるかもしれません。
こうした難しさのため、量子コンピューティングの進歩は遅いが、大きな成果も出ている。
2019年、Googleは「Sycamore」と名付けられた54量子ビットの量子コンピュータを使って、量子乱数発生器を100万回実行して異なる結果の可能性をサンプリングするという、信じられないほど複雑な（役に立たないかもしれない）シミュレーションを4分以内に行いました。Sycamoreは、IBMがショアーのアルゴリズムを実証するために作った量子コンピュータとは全く異なる仕組みを持っています。Sycamoreは、超伝導回路を低温にすることで、電流が量子力学的システムのように振る舞い始めます。これは、イオンを電界中に閉じ込めることで、異なるエネルギーレベルが異なる量子ビットの状態を表すのと同様に、現在、量子コンピューターを構築するための有力な方法の1つです。
Sycamoreは大きなブレークスルーでしたが、どのくらい大きなものかについては多くのエンジニアの間で意見が分かれています。Google社によれば、古典的なコンピュータでは不可能なタスクを達成するという、いわゆる量子的優位性を初めて実証したとのことです。Googleは、古典的なコンピュータでは不可能なタスクを達成した、いわゆる量子優位性を初めて実証したとしています。IBMはこの主張に異議を唱えています。
少なくとも今のところは、本格的な量子コンピューターの実現はまだ先のことです。しかし、政府や世界の大手企業が数十億ドルの投資を行っており、量子コンピューターの性能向上に向けた競争は順調に進んでいます。問題は、量子コンピューターが、私たちにとっての「コンピューター」の意味をどのように変えるかということです。電子的に接続されたこの世界の仕組みをどのように変えるのか。そして、いつ？
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