量子コンピュータは何がすごいのか? NASAとGoogleが世の中の空気を変えた

未来を変える可能性のカギとは?

量子コンピュータといえば、次世代のコンピュータ。実態はよくわからないながら、何かとてつもない可能性を秘めている……。そんなイメージが先行する中で「量子コンピュータは決して万能ではない。けれども際立つ省エネ性能があり、未来を変える可能性を秘めている」と語るのが、東北大学大学院情報科学研究科の大関真之教授です。

大関教授は量子コンピュータを活用して社会の課題解決に挑むベンチャーを起業し、メーカーとの共同研究も進めています。量子コンピュータは世界の未来をどう変えるのでしょう。また変革を実現するためにはどのような研究が必要なのでしょうか。「研究はひたすら楽しい」と語る大関教授に、次世代コンピュータが秘める可能性を伺いました。

量子コンピュータのすごさとは

——量子コンピュータは、量子力学の現象を利用して計算するといわれています。しかし具体的にどういうことか説明できるかというと、ほとんどの人がつまずきそうです……。

量子コンピュータを簡単に定義するなら、「量子力学の基本原理である『量子重ね合わせ』それに「干渉」を活用するコンピュータ」となります。従来のコンピュータは二進法に基づき、「0」と「1」の2つのビットを使って計算してきました。これに対して量子コンピュータでは、ビットの概念を拡張した量子ビットを利用して計算します。この量子ビットはよく「0」と「1」の重ね合わせ状態と表現され、「0」でもあり「1」でもある状態ともいわれます。このあたりで“それは一体何を意味しているのか?”とついてこられなくなるケースが多いでしょうね。

——確かに「0」と「1」の重ね合わせといわれた段階で「?」マークが点灯します。

量子コンピュータでも最終的な答えは、従来のコンピュータと同じく「0」か「1」として出てきます。これが重要なポイントです。では、量子コンピュータは従来のコンピュータとどこか違うのかといえば、途中の計算過程が異なるのです。従来のコンピュータは「0」と「1」のままで計算している、これは途中の計算段階では、常に「0」か「1」のどちらかを経由しなければならないことを意味します。実際には「0」「1」は、スイッチの切り替えによる電流のオン・オフです。

これに対して量子コンピュータでは、いちいち「0」か「1」のいずれをも経由せずに、その途中の状態を利用して計算できるのがメリットです。

仮に2ビットの計算をする場合、通常のコンピュータでは「0・0」「0・1」「1・0」「1・1」と4通りのいずれかに向けて途中経過を経ながら最適解を求めます。これに対して量子コンピュータの「0」と「1」の重ね合わせなら、従来のコンピュータでは必要だった途中の計算プロセスをすっ飛ばして1回で答えが出てくるような方法も作り得る。

3ビットの計算なら「0・0・0」から始まる2の3乗分の計算が必要なところ、量子コンピュータなら途中を飛ばせるかもしれない。だから計算処理が速いと期待されているわけです。そもそも計算時間が短ければ、そこで消費する電力も自ずから小さくなりますよね。

そもそも量子コンピュータの研究は、エネルギーを極力使わない計算方法を求めて始まっています。要するにいかに楽して計算するかを追究した結果が量子コンピュータです。結果としてさまざまな新しい側面が明らかとなっていった。そうして今日での量子コンピュータの脅威的な性能が明らかとなっていったわけですね。

『量子コンピュータが変える未来』(寺部雅能・大関真之共著/オーム社)P17より改変

——その量子コンピュータにも細かくいえば2種類があるそうですね。

量子ゲート方式と量子アニーリング方式ですね。量子ゲート方式は、現在の汎用型コンピュータの次世代版であり、現時点で壮絶な開発競争が進み、実用化が今か今かと期待されています。これに対して既に商用化されているのが、量子アニーリングマシンです。これは組み合わせ最適化問題と呼ばれる、一種のパズルを解くことに特化したマシンです。この原理となる「量子アニーリング方式」を1997年に提唱したのが私の師匠にあたる西森秀稔・東京工業大学特任教授です。ただ当時の西森先生らの学会発表は、ほとんど注目されずに終わったそうです。

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