量子コンピューターとは？なぜ“夢の計算機”なのか

　これまでコンピューターの性能を引き上げてきたのは、基本的には半導体技術の進歩だ。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。開発メーカーはチップ上の論理ゲートの数をいかに増やし、高速化、高機能化、大容量化、低価格化するかでしのぎを削ってきた。

　もちろんアルゴリズムの進化という面もある。さらには、ディープラーニング＋GPUといった機械学習技術の登場によってコンピューターの性能は大きく向上し、"できること"を格段に広げている。

　ただ、コンピューターの根本の動作原理自体は変わらない。現在のコンピューターは電圧の高低で「0」と「1」による2ビットを表し、ビットで論理演算（論理演算を行う電子回路を「論理ゲート」という）を行う。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。

　しかし、集積率の向上にはいずれ物理的限界が来る。また、従来のコンピューターでは計算できない、「組み合わせ爆発」現象を起こしてしまう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。

　量子コンピューターもその1つ。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で、「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。特に注目が続く理由は、実用化されれば革新的な性能が得られるという期待感にある。

　量子コンピューターが話題になり始めた頃よく言われていたのが、ICT技術のさまざまな場面で使われているRSA暗号を解いてしまうという脅威論だ。それくらいの進化が起こる可能性が量子コンピューターにはあるということになる。

　商用の量子コンピューターが登場している今、その話はどうなのかというと、まだ技術的にそこまでの性能に至っていないため、すぐにでもRSA暗号が破られてしまうという状況ではないというところだ。そのあたりも含めて、本稿では量子コンピューターの基礎とその可能性を見ていこう。

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量子コンピューターの原理となる量子の「振る舞い」

　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、次の2つの特徴がある。


　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。それが、量子の振る舞い、量子の性質のとらえにくさ、マニピュレートのしにくさにつながっている。


　ここで、量子コンピューターの原理となる量子の「振る舞い」について見ておこう。ただ、あくまで量子コンピューターに使われる（とされている）特徴ということで、量子論としての解説ではないので、その部分はご了承いただきたい。

　まず量子の持つ特徴として「状態の共存」があることは先に述べた。1つのものが同時に複数の場所に存在する、複数の状態を持ちうる。この「重ね合わせ状態（共存した状態）」を使ってビット（量子ビット）を表現するのだ。

　たとえば、粒子の持つ物理量の1つである「スピン（≒自転）」を使って、ある電子の右回りのスピンを「0」、左回りのスピンを「1」としたとき、重ね合わせ状態にある電子はこの「0」と「1」を同時に持つことができる。こうした電子を2つ用いて、「00」「01」「11」「10」を表現できるということになる。


　もう1つ重要なのが「量子もつれ（エンタングルメント、量子からみ）」と呼ばれる、量子の特徴だ。量子もつれの状態にある2つの電子があるとき、一方の電子において右回りのスピンが“観測”された場合にもう一方は左回りのスピンが確定する。つまり、1つが右（左）回りであるとき、もう1つは左（右）回りである、という状態が量子もつれだ。量子もつれの状態にある2つの電子は、このようにスピンの値を打ち消し合う。

　これが量子コンピューターになぜ必要なのかというと、高速に並列計算を行うためだ。絡み合っていない量子ビットのビット列は個々に動いてしまう。複数の量子ビットが絡み合っていれば、1つの量子ビットに対する作用を、瞬時に、全体へ及ぼすことができる。


　ちなみに、この量子もつれの特性を用いたものに「量子テレポーテーション」がある。アリスとボブの2者の間で量子もつれにある光子の対を、アリスが光子（a）、ボブが光子（b）というように持つ。そして、この光子対には重ね合わせ状態を持つ量子ビット（c）がある。このときアリスが（a）と（c）を一緒に観測し、その”結果”をボブに伝えると、ボブはその情報をもとに（b）を操作することで（c）が得られる、というものだ。


　暗号鍵の交換方法としても非常に魅力的であるとともに、量子テレポーテーションは量子通信という新たなネットワークの可能性を示している。量子もつれの制御、通信距離を伸ばすための技術など、各国さまざまな研究機関がこうした量子テレポーテーションの研究に取り組んでいる。

　たとえば、1998年古澤明（現・理化学研究所）が量子テレポーテーションの実験に成功（無条件下で成功したのは世界初のこと）。その後、3者間の量子もつれ制御（2004年）、9者間の量子もつれ制御に成功（2009年）。また、2016年に中国が宇宙規模での量子実験を目的に打ち上げた実験衛星「墨子号」は、地球上の1200キロ離れた2つの地点間における量子テレポーテーションに成功するなどの成果をあげているという。

　2021年には、理化学研究所、シドニー大学、ルール大学ボーフム校による共同研究チームが「3量子ビットの量子テレポーテーション」を成功させている。

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