量子コンピュータとはなんだろう

量子コンピュータに対して、これまでのコンピュータは古典コンピュータと呼ばれます。現在、使われているパソコン、スマホ、スーパーコンピュータも古典コンピュータです。
量子コンピュータと古典コンピュータの違いは何でしょうか？

古典コンピュータで使われるビット（古典ビット）は、０または１のどちらかしか取ることができません。量子コンピュータのビット（量子ビット）では、量子力学の重ね合わせの原理を使って、０と１のどちらも取ることができます。古典ビットはどちらかの値しか取れないため、２つの値をとれる量子ビット1つに対して、古典ビットは２つ必要になります。

古典ビットと量子ビットの違い

量子ビットが２つになると、00、01、10、11の４つの状態が作れますが、古典ビットでこれを実現するためには、４つのビットが必要になります。
量子ビットが３つになるとどうでしょうか？
000、001、010、100、011、101、110、111の８つの状態を３つのビットで実現できますが、古典ビットは8つ必要になります。
量子ビット10個では、古典ビットは1024個が必要となり、量子ビットの100倍ものビット数が必要となります。N個の量子ビットに対して、古典ビットは２のＮ乗個が必要になります。量子ビットが50個にもなれば、古典ビットは１兆の1000倍ものビット数にもなり、現在のスーパーコンピューターと同等のビット数を扱うことができるようになります。

このように、量子コンピュータは、量子力学の重ね合わせの原理をたくみに活用します。その他にも、量子もつれやコヒーレンスといった量子力学が持つ性質をうまく活用して、量子コンピュータは動作しています。

2019年、Googleは量子コンピュータと世界最大のスーパーコンピュータを比較し、量子超越を実現しました。量子超越とは、古典コンピュータよりも、量子コンピュータの計算能力が高いことをいいます。Googleが使ったのは、53個の量子ビットでした。量子コンピュータはスーパーコンピュータよりも10億倍速いことを示したといわれています。

ただ、現在の量子コンピュータは、ノイズに弱いため、計算エラーを訂正するために必要なビット数をまだ実現できていません。Googleは、ある特定の計算アルゴリズムについて量子超越を実現しました。そのため、現在、実現できている量子コンピュータは、NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum Computer）という誤り訂正のない中規模の量子コンピュータといわれます。誤り訂正の機能を持つ量子コンピュータが実現されるのに20年かかるともいわれています。

誤り耐性型の汎用量子コンピュータが実現されれば、新薬の創生や、古典コンピュータでは難しい計算など、さまざまな分野で、我々はその恩恵を授かることになるでしょう。