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量子コンピュータの基礎知識

量子コンピュータの基礎知識

著者:東京大学 大学院 工学系研究科 物理工学専攻 准教授 武田 俊太郎

量子コンピュータは、次世代のコンピュータとして近年注目され、世界中で激しい開発競争が繰り広げられています。しかし、量子コンピュータという名前は聞いたことがあっても、その正体はよく知らないという読者も多いでしょう。本連載では、量子コンピュータを実際に開発している立場から、全6回にわたり量子コンピュータの基礎知識を解説します。

第1回:量子コンピュータ入門

1. 量子コンピュータとは

量子コンピュータにまつわるニュースの中で、最近、最も世間を騒がせたのは、2019年10月のGoogleの発表でした。Googleは、最先端のスーパーコンピュータで1万年かかる計算を、量子コンピュータが200秒で解いたと発表しました。各種メディアが大々的にこのニュースを報じ、それを聞いた多くの人は、量子コンピュータの実用化はもうそこまで近づいているという印象を持ったのではないでしょうか。

このニュースをはじめとして、近年は各種メディアで、量子コンピュータが取り上げられる機会が増えました。しかし、多くのメディアは、量子コンピュータの限られた側面だけを取り上げ、超並列計算を可能とする夢のコンピュータ、現代のスーパーコンピュータよりも1億倍高速ともてはやします。その結果、量子コンピュータの正体はあまり認識されないまま、期待だけが過度に膨らみ、さらには量子コンピュータにまつわる多くの誤解を引き起こすこととなりました。本連載では、量子コンピュータの正体や現状について、専門家の立場から冷静な視点で解説します。

まずは、量子コンピュータとは何かを、簡潔に説明しましょう。現代のコンピュータには、スマートフォン、ノートパソコン、スーパーコンピュータなどさまざまな種類があります。ただし、どれも計算の仕組みは同じです。これ対して、量子コンピュータは、量子というミクロな粒の特殊な振る舞いを使って計算を行うといった異なる仕組みのコンピュータです(図1)。

図1:量子と量子コンピュータ

図1:量子と量子コンピュータ

量子とは、ざっくりいえば、物の構成単位となる小さな粒のようなものです。その代表例は、身の回りの物質の構成単位である原子や、原子そのものを形作る電子や陽子、また光の構成単位である光子などです。これらの量子は、……

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2. 量子コンピュータにまつわる誤解

表面的なニュース報道によって、世間一般の人は量子コンピュータについて誤ったイメージを持っていることが多々あります。典型的な誤解の一つが、量子コンピュータができればあらゆる計算が速くなるというものです。確かに、量子コンピュータは、現代のコンピュータの上位互換になっています。しかし、量子コンピュータを使うことで計算速度が増す計算の種類はごく一部です。それ以外のほとんどの計算は、現代のコンピュータでも量子コンピュータでも、速さは変わりません。速度が同じならば、現代のコンピュータで計算した方が圧倒的に低コストです。従って、量子コンピュータは、現代のコンピュータを完全に置き換えるというよりは、特定の計算をするときだけ補助的に使う専用コンピュータという位置付けになります。

それでは、量子コンピュータはどのような計算に使われるのでしょうか? 例えば、……

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3. 量子コンピュータの実現はいつ?

「量子コンピュータの実現は何年後でしょうか?」と聞かれることがしばしばあります。量子コンピュータのニュースが頻繁に取り上げられるようになったので、数年後には実用化されると期待している人も多いようです。しかし、現状の量子コンピュータの性能は実用化には程遠いもので、真に社会に役立つ量子コンピュータが実現するには、数十年はかかると見積もられます。

冒頭で、Googleが最先端のスーパーコンピュータで1万年かかる計算を、量子コンピュータが200秒で解いたと発表したと紹介しました。これを聞くと、量子コンピュータの性能は、既にスーパーコンピュータを超えたのではないか? と思うかもしれません。しかし、現在の量子コンピュータは性能が低すぎて、基本的には何をやっても今のコンピュータには勝てません。Googleは、量子コンピュータの方が圧倒的に有利な特殊な問題を作り、その1つの問題だけで戦わせ、量子コンピュータの方が速く計算できたと主張したに過ぎません。

ここで使われた問題は、乱数を発生させるような実用上は無意味な問題です。量子コンピュータは、まだまだ発展途上であり、大した計算もできない上に計算ミスばかりします。動かして遊べば、量子コンピュータっぽい振る舞いはするものの、……

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第2回:量子コンピュータの歴史と計算の仕組み

前回は、量子コンピュータの全体像を紹介しました。今回は、量子コンピュータ誕生の歴史と計算の仕組みについて、現代のコンピュータと比較しながら解説します。

1. 現代のコンピュータの計算の仕組み

現代のコンピュータは、どのような仕組みで情報を表し、計算をしているのでしょうか? コンピュータは、数字、文字、画像などあらゆる情報を、「011001…」のように0と1だけで表します。この0か1という情報単位を、ビットと呼びます。ビットの情報を表しながら処理するために、トランジスタと呼ばれる電気スイッチが活躍します。電気スイッチが、電気を通さないOFFの状態なら「0」、電気を通すONの状態なら「1」を表すと決めます。この電気スイッチを多数集めれば、大量の情報を表すことができます。さらに、電気スイッチ同士をうまく接続して連携させることで、足す、引く、かける、割るといった計算のルールを実現し、スイッチに自動的に計算をさせることができるようになります。

現代のコンピュータは、このような電気スイッチの集合体です。現代のコンピュータの脳に相当するCPU(中央演算処理装置)には、このスイッチが約10億個搭載されており、目にも止まらぬ速さでONとOFFの状態を切り替えながら、計算を行っています。この基本的な情報処理の仕組みは、スマートフォン、ノートパソコン、スーパーコンピュータなど、どれも同じです。

コンピュータの性能は、過去数十年で飛躍的に向上しました。トランジスタが小型化し、1個のCPUチップに搭載されるトランジスタの数が、ムーアの法則と呼ばれる「約1.5年で2倍」のペースで増え続けたためです。しかし近年、このペースが頭打ちになりつつあります。トランジスタのサイズがあまりに小さくなり、原子1個のサイズに迫ってきたからです。

一方で、現代社会は、人工知能やIoT、……

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2. 量子コンピュータの歴史

量子コンピュータ誕生の歴史をひもといてみましょう(図1)。量子コンピュータというアイデアは、1980年代にリチャード・フィリップス・ファインマン(アメリカ)やデイヴィッド・ドイッチュ(イギリス)といった物理学者たちによって生み出されました。ミクロな量子の性質を利用し、従来の「0」か「1」というビットの代わりに、「0と1の重ね合わせ」という量子ビットを使って計算をする、全く新しいコンピュータです。概念としては誕生したものの、当時は、まだそれが何に役立つのかは分かっていませんでした。

図1:量子コンピュータの歴史

図1:量子コンピュータの歴史

1994年に、量子コンピュータを使った高速な計算によって、……

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3. 量子コンピュータの計算の仕組み

それでは、量子コンピュータは、従来のコンピュータとどう違うのでしょうか? その違いを、図2に示しました。

図2:現代のコンピュータと量子コンピュータの違い

図2:現代のコンピュータと量子コンピュータの違い

現代のコンピュータの主役であるトランジスタは、物理的にOFFとONの2パターンの状態の、いずれか片方にしかコントロールできません。従って、情報は「0」か「1」の片方しか表すことができません。一方、ミクロな世界の量子の振る舞いを調べていくと、違った物理法則が見えてきます。量子は、とりうる状態が2パターンあるのなら、そのいずれか片方だけでなく、どちらとも決まらず両方が共存した「重ね合わせ」という中間的な状態になれるのです。従って、トランジスタの代わりに量子を使えば、「0」か「1」だけではなく「0と1の重ね合わせ」という新しい情報を表すことができます。この情報単位を、量子ビットと呼びます。

量子ビットは、複数集まることで膨大な情報を表すことができます。例えば、量子ビットが2個あれば、「00」、「01」、「10」、「11」という4パターンの情報全てを重ね合わせて保持できます。通常のビットであれば、4パターンのうちどれか1つの情報しか保持できません。より一般には、量子ビットがn個あると、「00…0」から「11…1」まで2のn乗通りのパターンを全て共存させ、全パターン同時に計算を行えるようになります。このような計算の仕方は、現代のコンピュータにはできない全く新しいものであり、計算の高速化をもたらす重要な要素です。

ただし、「n個の量子ビットがあると、2のn乗通りの計算が同時にできて、計算が2のn乗倍速くなる」わけではないことにも注意が必要です。量子の性質上、……

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第3回:量子の重ね合わせとは

前回は、量子コンピュータ誕生の歴史と、計算の仕組みを紹介しました。今回は、量子コンピュータに使われる量子の重ね合わせの性質について、詳しく説明します。

1. 重ね合わせとは

量子コンピュータは、量子というミクロな粒の不思議な振る舞いを使って計算を行う、現代のコンピュータとは異なる計算の仕組みのコンピュータです。量子は、2つの状態のどちらとも決まらない、重ね合わせ(第2回)という中間的な状態になることができます。その現象を使って、「0と1の重ね合わせ」である量子ビットという情報を表すことで、新しい計算の仕方ができるのです。

この重ね合わせとは、一体何なのでしょうか? 多くの読者が疑問に思っているでしょう。重ね合わせはミクロな世界特有の現象で、目に見えるものではないので、なかなかイメージできるものではありません。しかし、ミクロな世界で実際に起こる物理現象を説明するには、重ね合わせという概念を持ち出さないとつじつまが合いません。その物理的実体を知ってもらうためには、少しだけ物理の話をする必要があります(ただし、どうしても物理の話は聞きたくないという方は、今回は読み飛ばして、第4回へと進んでもらっても構いません)。

2. 二重スリットの実験で量子の世界を垣間見る

量子力学は、日常生活よりもずっとずっと小さな世界の物理法則をまとめた理論です。量子とは、ざっくりいえば、物の構成単位となる小さな粒のようなものです(第1回、図1)。その代表例は、身の回りの物質の構成単位である原子や、原子そのものを形作る電子や陽子、また光の構成単位である光子などです。これらの量子は、私たちの日常的な感覚とは違った性質を持っています。量子の性質が現れる最も美しい実験の一つが、二重スリットの実験です。この実験は、量子コンピュータの計算の仕組みの本質的な部分とも深く関わっています。以下で詳しく見ていきましょう。

量子の代表として、電子を考えます。電子を、図1のように細長い隙間を2つ空けた板に向かって打ち出します。電子は、後ろの壁のどこに当たるでしょうか? 電子がもし左の隙間を通ったら、そのまま直進して壁の左寄りの位置に当たるはずです。右の隙間を通ったら、右寄りの位置に当たるでしょう。従って、左寄りか右寄りのどちらかの位置に当たると予想できます。

図1:二重スリットの実験の予想

図1:二重スリットの実験の予想

しかし、実際にやってみると、……

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3. 二重スリットの実験をどう解釈するか?

二重スリットの実験は、なぜ予想に反する結果となったのでしょうか? それを説明するために、量子力学では図3のように考えます。

図3:二重スリットの実験の解釈

図3:二重スリットの実験の解釈

電子は、打ち出された直後は1個の粒でした。しかし、その後はあたかも波のように広がりながら空間を進みます。この波は、電子が空間のさまざまな場所にいる可能性を表しています。電子の波は、2つの隙間をそれぞれ通り抜けて、後ろ側に2つの波が広がっていきます。これらの波が出会うと、波の高い部分(山)と低い部分(谷)がどのようなタイミングで出会うかに応じて、波が強め合って大きくなる位置と、弱め合って小さくなる位置が交互に並びます。この波は電子が存在している可能性を表しているので、この波が壁に当たる際、波が大きくなり、電子が存在する可能性が高まった場所に電子は現れやすくなり、逆に波が小さくなった場所には電子は現れなくなります。この結果、電子を何個も打ち出して積み重ねると、波の強め合い・弱め合いの痕跡がしま模様のように現れるのです。

つまり、しま模様が現れたのは、……

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4. 二重スリットの実験と量子コンピュータ

二重スリットの実験では、実体は1個であるはずの電子が、あたかも2つの隙間を両方同時に通ったかのような状況が生まれていることが分かりました。これこそが、重ね合わせです。つまり、電子は隙間を通り抜けた後、左の隙間を通った状態と、右の隙間を通った状態のどちらとも確定しない重ね合わせ状態になっているのです。同じ現象は、電子の代わりに他の量子、例えば原子や光子を使っても起こります。このような量子に共通の特別な振る舞いがあるのなら、それを計算に活用しようというのが、量子コンピュータです。

量子コンピュータは、二重スリットの実験で隙間の数を増やしたものとイメージできます。電子を1個発射するだけで、同時にたくさんの隙間を通り、多数のパターンを重ね合わせながら処理することができます。さらに、……

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