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  • 2018/01/22

量子コンピュータとは何か? 実用化進む次世代コンピュータの基礎と仕組みを解説

「量子コンピュータ」が注目を集める一方で、登場するたびに「本当に量子コンピュータと言えるかどうか」が取り沙汰されてきた。過去にはD-Wave社の「D-Wave One」、2017年11月に発表された国立情報学研究所とNTTチームによる量子コンピュータ試作機「QNN」もそうだ。果たして量子コンピュータとはいったい何なのか、量子コンピュータに何が期待されているのか。実用化が進む次世代コンピューターの仕組みを基礎から丁寧に解説する。

フリーライター/エディター 大内孝子

フリーライター/エディター 大内孝子

主に技術系の書籍を中心に企画・編集に携わる。2013年よりフリーランスで活動をはじめる。IT関連の技術・トピックから、デバイス、ツールキット、デジタルファブまで幅広く執筆活動を行う。makezine.jpにてハードウェアスタートアップ関連のインタビューを、livedoorニュースにてニュースコラムを好評連載中。CodeIQ MAGAZINEにも寄稿。著書に『ハッカソンの作り方』(BNN新社)、共編著に『オウンドメディアのつくりかた』(BNN新社)および『エンジニアのためのデザイン思考入門』(翔泳社)がある。

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従来のコンピューター(上)と量子コンピューター(下)の計算の仕組みの違い(内容は後ほど詳解)

量子コンピュータが注目される理由

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 これまでコンピューターの性能を引き上げてきたのは半導体技術の進歩だ。有名なムーアの法則のもと、開発メーカーはチップ上の論理ゲートの数を増やし、高速化、高機能化、大容量化、低価格化などを実現してきた。半導体の回路を小型化し、たとえばk分の1に細かくすると動作速度がk倍あがり、回路の集積度はkの2乗になり、消費電力がk分の1に下がるという具合に進んできた。

 従来のコンピューターの動作原理は、電圧の高低で「0」と「1」の2ビットを表し、ビットで論理演算を行うという論理ゲートからなる。どんなプログラムも最終的にはビットの演算処理で実行される。

 そして、その仕組みが変わらない以上、「コンピューターをより高性能にする」というのは、上述したように(論理ゲートの数を増やし回路を小型化する、などにより)チップ上の回路の集積度を上げて計算処理スピードを得る、ということになる。

 ところが、このムーアの法則の限界説はかなり前から指摘されているし、現在のコンピューターで扱うことが非常に難しい天候予測やタンパク質の構造解析など、複雑な組み合わせ最適化問題も存在している。こうした、いまだ解析しきれていない事象を扱うため、スーパーコンピューターを含め、次世代コンピューティングの研究開発が行われている。

 量子コンピュータもその1つ。特に今、注目されている理由に、実用化が近づいてきたこと、さらに人や社会とICTのかかわり方に起きている変化があげられるだろう。

 その変化はムーアの描いた曲線ではカバーできない速さで進んでおり、将来的に、IoTやクラウド、AIが基本インフラとなれば、コンピューターが扱うデータの量はさらに莫大なものになると考えられる。

 そうした真のビッグデータ時代により速く大量の計算が可能なシステムが求められるのは自明のことで、そこで、特に注目されているのが量子コンピュータということなのだ。実現すれば、従来のコンピューターとは別次元の革新的な進化を起こすと期待が集まっている。

 量子コンピュータとは、従来のコンピューターとは異なる動作原理で「計算するプロセス」を実現しようというもの。目指すのは、論理ゲートによる回路ではなく、「重ね合わせ」や「量子もつれ(エンタングルメント)」といった量子力学的な振る舞いを使って計算を行うシステムだ。

 以降では、まず量子力学、量子コンピュータという概念が登場するまでの流れを見ていこう。

量子力学分野から見る量子コンピュータ誕生の背景

 そもそも「量子」は、温度だけで決まる黒体放射を説明するために、プランクが1900年に提唱した概念だ。黒体放射とは19世紀後半、多くの科学者が取り組んでいた問題の1つ。当時、製鉄業において溶鉱炉の内部の温度を正確に知る方法が求められていたことから、温度と色(スペクトラム)の関係を解明しようとしたのだ。

 しかし、原子から放出される光のエネルギーは1、2、3…というように整数倍で離散的な数値を示す。ニュートン力学をベースにした自然界の法則では、これはあり得ないことだった。

 プランクはそれを説明するための仮説として量子仮説を発表。振動数νの光を放出・吸収する場合、そのエネルギーは連続的でなく、hνを単位とする不連続な量の放出・吸収だけが許されるとし、hを作用という次元の量の最小単位とした(hをプランク定数、あるいは作用量子と呼ぶ)。

 このように量子とは何らかの物理量のかたまりのことで、たとえば光のエネルギーのかたまりを「光量子」と呼ぶ。ただ、それではとらえにくいので、逆説的になるが、量子力学で扱うことのできる物質(原子、分子、電子など)の総称が量子だと考ればよいだろう。

 はじまりからわかるように、ミクロのスケールでの物質の振る舞いには、私たちが知覚できる世界の認識とはまるで違う、2つの特徴がある。

・量子は波の性質と粒子の性質を持つ(波と粒子の二面性)
・1つのものが同時に複数の場所に存在する(状態の共存)

 もちろん、私たちが目や耳で知覚できるマクロな物体も、その運動や性質などについて量子レベルで説明することができる。

 マクロな物体の運動は、いわゆるニュートン力学を基本とする古典的な物理法則を使った計算でも、量子論を用いた計算でも同じ結果になるという。

 ただ、原子以下の大きさ、電子や分子のサイズ(約1000万分の1mm)となると、量子力学で考えないと説明できない現象が現れるということなのだ。

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ミクロのスケールからマクロスケールへ

 ざっと量子力学の確立までの流れをさらうと、量子という概念をプランクが表したのが1900年。その時代からミクロの物質の探求が本格的に始まり、1920年代後半以降、ハイゼンベルグ方程式(波動方程式)、不確定性理論、ディラック方程式などさまざまな理論が発表された。

 1930年ディラックが『量子力学』を、1932年にフォン・ノイマンが『量子力学の数学的基礎』を著す。そして、1932年にハイゼンベルクが、1933年にシュレーディンガーおよびディラックが、量子力学の理論を打ち立てた功績により、ノーベル物理学賞を受賞。ここに、理論として量子力学という分野が確立したと言える。

 量子力学は、よく知られているボーア・アインシュタイン論争や、ある種の思考実験「シュレーディンガーの猫」のように、どう解釈するのかといった解釈問題がいまだに存在する分野でもある。

 しかしながら、技術の進歩も相まって、1960年代以降、量子力学は実験ベースで発展していくことになる。量子システムを計算に使えるのではないか、という可能性が言及されたのはこの時期である。

 1959年にリチャード・P・ファインマンが、量子力学的な「振る舞い」を使って計算を行うことができるのではないかとの考えを米国物理学会の年次総会における講演(注1)で示した。ファインマンは、原子や分子といったスケールになると、ニュートン力学上の物理法則とは異なるルールの動きになる。今後は、そうした"振る舞い"を新たなシステムの設計に利用できるようになるだろう、とした。

注1:There's Plenty of Room at the Bottom[December 29th 1959 at the annual meeting of the American Physical Society at the California Institute of Technology](http://calteches.library.caltech.edu/47/2/1960Bottom.pdf)


 ただ、実際に量子コンピュータのアイデアが提示されるようになるのは、それから20年が経って1980年代に入ってからだ。完全に解明されていない量子の振る舞い、性質のとらえにくさ、マニピュレートのしにくさなどが理由で、量子コンピュータがいまだに実用化されない理由も根本的にはそこにある。

【次ページ】量子コンピュータの実装方法とは?

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