KADOKAWA Technology Review
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Fundamentals of Quantum Computing

Q&A形式で分かる
量子コンピューターの
基礎知識

次世代コンピューティング技術として注目される量子コンピューター。原理や実装方式など、量子コンピューター関連記事を読む上でのガイドとなる基礎知識をQ&A形式でまとめた。(文:宇津木健 監修:藤井啓祐=大阪大学教授) by MIT Technology Review Japan2022.12.15

Q:量子コンピューターとはどんなものか?

A:量子力学の原理に基づいた新しいコンピューター

量子コンピューターは「量子力学特有の物理状態を積極的に用いて高速計算を実現するコンピューター」と言える。量子力学特有の物理状態とは、たとえば原子や電子、光子などのミクロな世界で見られる「量子重ね合わせ状態」や「量子もつれ状態」という、量子力学によって説明される状態のことを指す。これらの状態は、日常生活ではほとんど気にする必要がない特殊な状態だが、これまでの研究によってその存在が実証されている。このようなミクロな世界の特殊な状態を自在に操ることによって、従来のコンピューターでは困難だった計算問題の一部を高速に計算できるようになる。

一方、量子コンピューターに対して、古典物理学に準じた論理回路で演算するコンピューターを古典コンピューターと呼ぶ。言い換えれば、量子コンピューター以外のコンピューターはすべて古典コンピューターである。私たちが普段使っているノートパソコンやスマートフォン、そしてスーパーコンピューターも古典コンピューターに含まれる。

Q:そもそも量子力学とは何か?

A:”ミクロ”な物質の振る舞いを説明する物理学

投げたボールの運動を予測したり、電流の流れを計算したり、私たちの身の回りの現象(マクロな現象)は、古典力学や古典電磁気学と呼ばれる物理学の理論によって解析できる。これらは古典物理学と総称される。古典力学では、ニュートンの運動方程式などによって物体の運動を計算でき、また古典電磁気学ではマクスウェル方程式などによって、電流や磁石、光などの振る舞いを計算できる。また、これらはあくまで近似的な理論であることが知られており、物質を構成する原子1つ1つの挙動(つまり、ミクロな現象)までは正しく計算することはできない。

古典物理学では扱うことができない、原子や電子といった非常に小さなスケールのミクロな現象をも説明できる、いわば究極の理論が量子力学(量子物理学)である。量子力学でのみ説明できる現象も多くある。たとえば、電子が薄い壁をすり抜ける「トンネル現象」や電流の抵抗値が0になる「超伝導」、別項で解説する「量子重ね合わせ状態」、「量子もつれ状態」などはその代表例だ。

量子力学はこれら”量子特有”の現象を「シュレディンガー方程式」と呼ばれる理論を使って正しく計算できる。

Q:量子コンピューターと古典コンピューターの違いは?

A:古典ビットを使うか、量子ビットを使うかの違い

最大の違いは、古典コンピューターでは「(古典)ビット」を使って計算するのに対して、量子コンピューターでは「量子ビット」を使って計算する点だ。ビットは0か1かのどちらかの状態を取るのに対して、量子ビットは0と1だけできる。これを量子重ね合わせ状態(後述)と呼ぶ。これは、0と1が混ぜ合わされているような状態であり、量子コンピューターが読み出した時点で、0か1のどちらかが確率的に出力される。

量子ビットは、量子力学特有の物理現象下によってのみ作ることができるため、超伝導や電子などミクロな状態を究極的に制御することが求められる。

Q:「量子重ね合わせ」とはどんな状態か?

A:2つ以上の状態が混ぜ合わさったような状態

原子や電子スケールのミクロな現象における力学を記述する量子力学は、常識的には理
解が難しい”量子特有”の奇妙な性質をも説明することができる。たとえば、電子のスピン(小さな磁石のような状態)は、上向き状態と下向き状態が、両方同時に存在し、混ぜ合わさったような状態になっている。両方同時に存在するという不思議な状態を、量子力学では2つの状態が重なっている状態、つまり「重ね合わせ状態」と呼ぶ。また、2つの状態のどちらの度合いが大きいか、という”混ざり度合い”が測定確率として現れるという性質がある。たとえば、上向きスピンが70パーセント、下向きスピンが30パーセントの重ね合わせ状態といった具合である。

Q:「量子もつれ」状態とは何か?

A:2つの状態に強い相関関係があるような状態

量子特有の奇妙な性質のもう1つの代表的な例が「量子もつれ状態」だ。これは、2つの状態がお互いに量子特有の強い相関関係を持っ
ている状態である。たとえば、人物Aと人物Bがそれぞれ量子もつれ状態のコインを持って、遠く離れた場所にいたとする。このとき、もしAのコインが表ならBのコインは必ず裏、反対に、もしAのコインが裏ならBのコインは表である、といった距離が離れているにもかかわらず、強い関係が保たれるような状況である。実際のコインではこのような現象は起こらないが、原子スケールのミクロな量子状態ではこのような現象の存在が実証されており、光子による実証研究は2022年のノーベル物理学賞を受賞している。

Q:量子コンピューターはどうやって実現するのか?

A:さまざまな方式の量子コンピューターの研究・開発が進んでいる

現在、さまざまな量子コンピューターの実現方式が研究されている。量子コンピューターを作るためには、まず量子ビットを作る必要がある。

たとえば、絶対零度(-273.15°C)より0.01°Cだけ高いような超低温で動作する超伝導の電気回路によって量子ビットを作ることができる。または、原子1つ1つを制御することでこれを量子ビットとして使うことも可能だ。さらには、レーザーを用いて光の粒1つ1つ(光子)に量子ビットの役割を担わせることや、半導体素子の中で電子1つ1つを制御して量子ビットとする方法などが知られている。最近では、マヨラナ粒子という特殊な状態を用いた方式を量子ビットに使う挑戦的な研究も進められている。

今後どの方式が主流になっていくのか、あるいは、まったく新しい別の方式が出てくるのか、注目されている。

Q:ゲート型とアニーリング型の違いは?

A:量子コンピューターの計算手法で、ゲート型は汎用型、アニーリング型は特化型

量子コンピューターの計算方法は、大きく2種類に分けられる。1つはゲート型と呼ばれるもので、量子ゲートという操作を量子ビットに対して実行することで計算する量子コンピューターである。このゲート型が汎用的な問題を解く目的で開発され、IBMやグーグルが中心となって開発を進めている。

一方、アニーリング型は、イジングモデルと呼ばれる格子状の量子力学的なモデルに基づいて、組み合わせ最適化問題を解く専用マシンとして開発されている。カナダのDウェーブ(D-Wave)が世界で初めてアニーリング型量子コンピューターを開発・商用化している。

ゲート型:よく知られているゲート型の量子計算のモデルとして「量子回路モデル」がある。これは、量子回路図と呼ばれる五線譜のような図を使って量子ビットの時間変化として量子計算を表現する。量子計算は、基本的に「初期化」「量子ゲート操作」「測定」の3ステップで構成される。初期化では、量子ビットの状態をすべて0に設定する。そして、図中「H「」X」「Y」「Z」などの量子ゲートと呼ばれる操作によって量子ビットの状態を変化させ、最後に測定によって量子ビットの状態を読み出す。図はこれらの一連の計算過程を量子回路図によって示している。
アニーリング型:アニーリング型の計算は「イジングモデル」を使う。これは、量子ビットを格子状に配置したもので、距離の近い量子ビット同士をつなげる「結合」を作り、この結合の強さの度合いを設定していく。「初期化」「アニーリング操作」「測定」の3ステップで構成される。まず、量子ビットが多数用意されており、すべての量子ビットを0と1の50パーセントずつの量子重ね合わせ状態にする。次に、アニーリング操作と呼ばれる、徐々に量子重ね合わせ状態をほどくような操作を実行する。これにより、量子ビットの状態は全体としてより安定するように0か1の状態に決まっていく。このようにしてできた量子ビットの最終状態の組み合わせを測定することで、計算結果を得られる。
どのようにプログラムを実行するのか?
ゲート型のプログラミングは、上図のように量子ゲートをどのように組み合わせるか、読み出し結果に従って次のゲート操作をどうするか、といった命令を記述し、量子回路図を構築していく。一方、アニーリング型のプログラミングでは、問題に応じて量子ビット同士の結合の強さの組み合わせを設定する。解くべき問題に応じた命令を受け取った量子コンピューターは、ゲート型では量子回路(アニーリング型では結合の組み合わせ)に応じて量子計算を実行する。超伝導電方式で作られた量子ビットの場合、量子ビットに電磁波パルスを入力し、量子ビットの状態を変化させて、その状態を読み出すことで計算結果を出力する。現状の量子コンピューターは、さながら高度な物理実験を自動的に実行するマシンと言える。

Q:量子インスパイアードや疑似アニーリングとは?

A:量子コンピューターの仕組みの一部を古典コンピューターで模倣すること

量子インスパイアードとは、量子コンピューターの計算手法を取り入れた古典コンピューターのこと。特に、アニーリング型の量子コンピューターの手法を模倣することで、古典コンピューターのアプローチではあるものの、組み合わせ最適化問題を高速に解くマシンが各メーカーで開発されている(疑似アニーリング)。すでに、日立の「CMOSアニーリング」、富士通の「デジタルアニーラー」、東芝の「シミュレーテッド分岐マシン」などが商用化されている。

Q:量子コンピューターのエラーとは?

A:量子重ね合わせ状態が壊れる量子ビット特有のエラーがある

量子コンピューターでは、非常に壊れやすいとされる量子状態を計算に用いるため、エラーの発生が多い。特に、外界からのノイズによって量子重ね合わせ状態が壊れる、デコヒーレンスと呼ばれるエラーが有名だ。エラーが発生すると、量子ビットの0と1の量子重ね合わせ状態に誤りが発生し、量子計算の結果が間違ったものとなってしまう。このようなエラーは、たとえ100回に1回といった頻度で発生したとしても、大規模な計算は困難となる。一方、古典コンピューターのCPUやメインメモリーには、エラー発生時にそれを訂正する仕組みがすでに用意されている。

当然、量子コンピューターのエラーを訂正する方法も研究されている。量子ビットの性質の1つに「状態を読み出すと変化してしまう」という厄介な性質がある。そのため、古典コンピューターよりもエラーを訂正するのが難しく、量子エラー訂正は最先端の研究課題とされている。現在、小規模な量子エラー訂正
の実証が進められている。

Q:量子超越性(量子スプレマシー)とは何を指しているのか?

A:量子コンピューターが古典コンピューターの性能を上回る分岐点

「量子超越性(量子スプレマシー)」や「量子優位性(量子アドバンテージ)」とは、量子コンピューターが古典コンピューターの性能を上回ったことを意味する。ただし、「性能を上回る」という表現には注意したい。というのは、量子超越性を証明するのに、社会に有用な計算をする必要がないからだ。どんなタスクをどういった指標で上回ったのか、という点が重要となる。グーグルが2019年10月に発表した量子超越性に関する論文では、54量子ビットの超伝導型量子コンピューターを使ってランダムな量子回路を出力結果をサンプリングするといった特殊なタスク(有用な計算ではなかった)において、古典コンピューターの性能を上回ったと報告している

グーグルが開発した54量子ビットの超伝導型の量子プロセッサー「シカモア(Sycamore)」は量子超越性を達成した。

Q:「NISQ(ニスク)」とは何か?

A:直近数年にわたって開発される小・中規模の量子コンピューター

現在は大規模な量子コンピューターを実現するために、まだまだ多くのハードルがある。各社が量子ビット数を増やして量子コンピューター開発を進めているが、前述の量子エラー訂正を備えた万能な量子計算についてはまだ開発途上の段階である。しかし、現在の量子コンピューターでも、特定の計算問題に限っては古典コンピューターよりも高速に計算できる可能性がある。このような開発途上の量子コンピューターをNISQ(ニスク)と呼び、その性能を最大限引き出す努力がなされてる。

NISQは、”Noisy Intermediate-Scale Quantum device”の頭文字を取った略語で、「ノイズのある小・中規模(数〜数百量子ビット程度)の量子コンピューター」と訳される。これは、今後数年にわたって開発される量子エラー訂正機能がない(あるいは不十分な)量子コンピューターを表す用語だ。

NISQという表現は、量子コンピューター研究の権威であるジョン・プレスキル教授(カリフォルニア工科大学)の2017年12月の講演「Quantum Computing in the NISQ era and beyond」で初めて登場した。

Q:どのような用途で実現化されるのか?

A:創薬、材料開発、金融といった分野が有望視されている

量子コンピューターは、量子力学に基づく化学反応に関する計算(量子化学計算)が得意と考えられている。そのため、量子化学計算を必要とする創薬や材料開発などに最初に活用されるのではないか、という期待がある。量子コンピューターを使って、材料を構成する電子の振る舞いを正確にシミュレートすることで、新しい薬や材料などの開発期間を大幅に短縮できる可能性が示されている。他方で、金融計算や機械学習などへの応用も積極的に研究されている。

Q:今ある量子コンピューターではどんな計算が可能か?

A:量子化学計算や組み合わせ最適化問題

現状、小規模な量子化学計算や、組み合わせ最適化問題、その他さまざまなアプリケーションが想定され、研究・実践されている。また、IBMやアマゾンは、小規模な量子コンピューターをクラウドで公開しており、ユーザーが量子コンピューターを遠隔操作して量子計算を実行することもできる。ただし、量子ビット数が少ないなどの理由により、古典コンピューターをしのぐ性能を発揮するには至っていないのが現状だ。

Q:ショアのアルゴリズムとは何か?

A:因数分解問題を高速に解く、実用性のある最初の量子アルゴリズム

ショアのアルゴリズムは、1994年に米国の数学者ピーター・ショアによって、実用性のある最初の量子アルゴリズムとして発表された。それ以前は量子コンピューターが実用的な問題において古典コンピューターよりも優位である例は発見されておらず、注目度も低かった。しかし、ショアのアルゴリズムが発表されると、量子コンピューターで素因数分解を高速に解けることが明らかになった。素因数分解の特性を使ったRSA暗号という現代の暗号システムの基盤を揺るがすアルゴリズムだっただけに、量子コンピューターは一気に注目されるようになった。他に、ロブ・グローバーによって1996年に発見されたグローバーの探索アルゴリズムなど、古典コンピューターを上回る性能が示されている量子アルゴリズムがある。

Q:量子コンピューターが完成したら古典コンピューターは不要になるか?

A:併用して効率的な計算を目指す

理論的には究極の量子コンピューターは、万能な計算が可能であり、古典コンピューターの上位互換であることが知られている。ただし、ここでいう「究極の」とは、理論上完璧なものを意味しており、実際に実現し得るかどうかは分からない。

量子ビットが非常に壊れやすいことから、少なくとも量子エラー訂正の実装が必要と考えられている。しかし、究極の量子コンピューターが実現できなかったとしても、古典コンピューターが苦手とする問題を肩代わりして併用できれば、大きな社会的インパクトがあると考えられている。特にNISQでは、量子コンピューターと古典コンピューターのハイブリッドで、それぞれが得意な計算を担当し、お互いを補い合って効率的な計算を実現する仕組みが開発されつつある。

また、別の視点として、現在の量子コンピューター・システム全体を見ると、その制御の大半を古典コンピューターが担っているという事実がある。そのため実用的な量子コンピューターが完成しても、古典コンピューターが不要になることは当分ないと考えられる。

Q:世界の研究開発や投資動向は?

A:巨大テック企業を中心に研究開発に積極投資

世界の量子コンピューター開発で特に注目されているのは、IBMやグーグル、マイクロソフト、アマゾンといった巨大テック企業だ。IBMは、量子コンピューターの開発初期から先駆的な実績を残しており、現在でも実機開発、クラウドサービス、全世界での研究拠点の開設など、ユーザーの裾野を広げる戦略を展開している。グーグルも量子超越性の実証に代表される多くの成果を挙げ、オープンソース・ソフトウェアの開発にも取り組んでいる。一方、各研究機関や大学発のベンチャー企業も数多く設立されており、数十億円単位の研究開発費が盛んに投資されている。

IBMは433量子ビットの量子プロセッサー「オスプレイ」を発表したばかり。2023年には1000量子ビット越えを目指す。

Q:日本における研究開発の状況は?

A:企業、大学、研究機関、ベンチャー企業による研究開発が活発化

日本では現在、複数の国家プロジェクトによって量子コンピューターが開発されている。たとえば、国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)が推進する大型プロジェクト「ムーンショット型研究開発事業」では、産学が連携して、超伝導、原子、イオン、光、半導体中の電子などを量子ビットとした複数の方式の量子コンピューター開発を推進している。また、経済産業省はグローバルな視点での量子技術の社会実装に向けて、産業界を総合的に支援する「量子・AI融合技術ビジネス開発グローバル拠点」を産業技術総合研究所つくばセンター(茨城県つくば市)に創設する。

民間レベルでは、日本初の量子ハードウェア開発のスタートアップであるナノファイバー・クアンタム・テクノロジーズが2億円の創業資金を得るなど、今後も量子コンピューター開発の盛り上がりが予想される。

文:宇津木 健
2013年、東京工業大学大学院修了。同年、日立製作所入社。2019年、翔泳社より「絵で見てわかる量子コンピュータの仕組み」を出版。現在、量子コンピューターの研究開発に従事。

監修:藤井啓祐(大阪大学教授)
2011年、京都大学大学院修了。2019年から大阪大学基礎工学研究科教授を務める。日本の量子コンピューター研究の第一人者。量子スタートアップのQunaSys(キュナシス)で最高技術顧問も兼任。

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