量子コンピューティングとは何ですか?

量子コンピューティングは、人類の技術進歩における新たな偉大なフロンティアです。トランジスタの革命は目に見えて明らかであり、その古典コンピューティングへの貢献は至る所に見られます。私たちが現実を疑う余地をなくすCPUやGPUから、私たちを繋ぎ止めるスマートフォン、そして究極的には、私たちの現実に不可欠な要素となったインターネットに至るまで。

トランジスタによって人間の仕事（と遊び）のプログラム可能な自動化とデジタル化が可能になった一方、量子コンピューティングとそのトランジスタ類似物である量子ビットは、これまで閉ざされていた扉を開くとともに、これまで存在すら知らなかった新たな扉を明らかにするでしょう。

ここでは、量子コンピューティングとは何か、なぜそれが必要なのか、そしてそれがどのように機能するのかについて大まかに説明します。 

量子ビットにより、はるかに多くの情報を同時に考慮して処理できるようになり、現在そして将来最も強力なスーパーコンピュータでも処理できないほどの複雑な問題を解決できるようになります。

飛行機の交通管制（速度、トン数、空域内を飛行しているかどうかに関係なく同時に飛行する飛行機の数を考慮）、センサーの配置（最近、量子によってわずか数分で解決された BMW センサー配置チャレンジなど）、巡回セールスマンの昔からの最適化問題（複数の販売場所を結ぶ最短ルートを探す）、タンパク質の折り畳み（アミノ酸鎖のあり方を何兆通りも予測する）などの複数の変数を伴う問題は、量子コンピュータが威力を発揮するワークロードの例です。

量子コンピューティングは、現在使用されているすべての暗号アルゴリズムを無意味にするでしょう。人間の時間スケールでは、最強のスーパーコンピュータでさえ破るのに非常に長い時間を要するような保護も、量子コンピュータでは瞬時に解読できるようになります。これは、量子コンピュータ開発競争におけるもう一つの要素、つまり量子コンピュータに耐えうる暗号アルゴリズムを開発する能力を浮き彫りにします。米国国立標準技術研究所（NIST）などの機関は、ポスト量子の未来においてセキュリティを保証できるソリューションを見つけるため、新たなポスト量子ソリューションを徹底的に検証しています。

材料科学、化学、暗号学、そして多変数問題解決は、量子コンピューティングのまさに聖地です。そして、この技術の可能性が理解されるにつれて、さらに多くの分野が実現していくことは間違いありません。

コインを投げる様子を想像してみてください。従来のコンピューターでは、表か裏かに応じて結果を0か1に分けます。しかし、量子ビットの世界では、表と裏を同時に見ることができるだけでなく、目の前で回転するコインが表と裏の間を行き来しながら、様々な位置を捉えることも可能です。

古典コンピュータは決定論的な結果を扱いますが、量子コンピューティングは確率論的な領域を活用します。この豊富な状態の可能性により、量子コンピュータは二進法よりもはるかに多くの情報を処理できます。

重ね合わせ以外の重要な量子コンピューティングの概念としては、エンタングルメントと量子干渉があります。

エンタングルメントとは、2つの量子ビットが分かちがたく結びつき、一方の状態を記述するにはもう一方の状態を記述しなければならない状態を指します。その結果、2つの量子ビットは別々の量子ビットであるにもかかわらず、単一のシステムとなり、互いに影響を与え合うようになります。

それぞれの状態は相関しており、エンタングルメントの種類に応じて、両方の粒子は同じ状態、あるいは反対の状態をとることができますが、一方の状態がわかれば、もう一方の状態もわかります。これは距離に関係なく起こります。エンタングルメントされた粒子は、互いにどれだけ離れていても物理的な限界がありません。これが、アインシュタインがエンタングルメントを「遠隔作用の不気味さ」と呼んだ理由です。

テニスの試合を見ているところを想像してみてください。二人の選手は相関関係にあり、一方の動きがもう一方の反動を引き起こします。テニス選手Aがコートの一点に移動し、相手のフィールドの一角に向かってボールを打った理由を説明するには、テニス選手Bの以前の行動、現在の位置、試合の質や変動、その他いくつかの要因を考慮する必要があります。一方の行動（あるいは量子ビットの意味での状態）を説明するということは、もう一方の行動（あるいは状態）を無視できないことを意味します。

量子コンピューティングにおいて、コヒーレンスははるかに不安定な問題です。量子ビットの状態と量子ビットのエンタングルメントは、特に環境からの干渉（ノイズ）の影響を受けやすく、マイクロ秒（100万分の1秒）で崩壊する可能性があります。このノイズは、放射線、温度（そのため、一部の量子ビット設計では絶対零度（-273.15℃）近くまで冷却する必要があります）、隣接する量子ビットの活動（今日ではトランジスタ同士が近接して配置されているため、同様の現象が発生します）、さらには肉眼では見えない他の素粒子の影響など、様々な形で現れます。これらは、量子コンピューティングにエラーをもたらし、結果に悪影響を及ぼす可能性のあるノイズの原因のほんの一部に過ぎません。

古典コンピューティングでは、エラーは通常、ビット反転（0から1へ、またはその逆）しますが、量子コンピューティングでは、これまで見てきたように、情報の中間状態が多数存在します。そのため、エラーはこれらの状態に影響を与える可能性があり、その影響は単なる1または0よりも桁違いに大きくなります。

量子コンピューティング研究は人類が知る最も複雑なテーマの一つであり、誰がそれを追求できるかという障壁が立ちはだかっています。通常、最も裕福な機関や大手IT企業だけが、本格的にこの研究に取り組んでいます。

この分野で研究できる（そして研究したい）科学者はほんの一握りであり、この分野はまだ初期段階であるため、材料、反復的な開発、研究資金に多大な投資が必要になります。

この分野はまだ初期段階にあり、挑戦的な課題（あるいは見方によっては遊び場）と言えるでしょう。現在、複数の企業がそれぞれ独自の道を歩み、実用的な量子コンピュータの開発に取り組んでいます。IBMは超伝導量子ビットを武器として選択し、Quantum Brillianceは常温で動作可能なダイヤモンドベースの量子ビットを採用しています。QCIは環境干渉を考慮したエントロピー量子コンピューティング（EQC）の道を歩んでいます。XanaduのBorealis QPUはフォトニクスを活用しています。Microsoftは、まだ実現されていないトポロジカル量子ビットの開発に取り組んでいます。

これらの企業はいずれも、自社が選択したアプローチのメリットを大々的に宣伝しており、何千時間もの作業と何百万ドルもの投資から生まれた、そのアプローチに投資する理由をそれぞれが持っています。

これを競争と捉えるのではなく、探求の余地が複数あるという点を重視することが重要です。しかし、実際には、さらなる資金と市場シェア獲得を目指す競争が存在します。量子優位性、つまり量子コンピュータが特定の問題、あるいは複数の問題を解く際に、既存または将来のスーパーコンピュータを証明可能な速度で凌駕するレベルを最初に突破した企業が、最初に利益を享受することになるでしょう。

そして、人類のコンピューティング科学の次のステップを最初に歩むことは、その未来を形作る上で紛れもない利点となります。

現在、量子コンピュータは依然としてノイズの多い中規模量子時代（NISQ）にあります。科学者たちは、より強力な量子コンピュータとより複雑な量子ビット配置を実現するために、より多くの量子ビット数へのスケールアップに苦心しています。これは主に、先ほど触れた量子干渉の問題によるものです。しかし、この問題の解決は時間の問題です。ポストNISQ量子デバイスはいずれ実現するでしょう。たとえそれが明確な名前を持っていないという事実自体が、今後の道のりが長いことを示唆しているとしても。

量子コンピューティング市場の成長に対する期待はさまざまですが、ほとんどの予測では、2030年までに200億ドルから300億ドル規模の市場になると見込まれています。しかし、これは日々ブレークスルーが起こっているエコシステムであり、そのうちの1つが、切望されている量子超越性時代への道を加速させることにつながり、これらの予測を覆すには十​​分です。

量子コンピューティングの現状から判断すると、開発のペースと量子処理装置に導入される量子ビット数の加速が期待できます。IBMのロードマップは最も明確なものの一つです。同社は今年、Osprey QPUを通じて最大433量子ビットの運用が可能になると見込んでおり、これは2021年モデルのQPU「Eagle」の3倍以上です。同社は2023年までに1,121量子ビットのQPU（Condor）の実現を目指しており、2026年以降には100万量子ビット以上のQPUを収容すると予測しています。

とはいえ、NISQ時代を脱却するために必要な量子ビットの正確な数は不明です。量子ビットによって性能が異なり、処理できる量も異なります。今後は標準化が鍵となります。IBMが提案した量子性能の標準規格CLOPSは、まだ発展途上にある業界が統合を目指している好例です。異なるQPU間の比較を標準化するための業界による協調的な取り組みも進行中であり、この分野の健全な未来にとって不可欠な要素です。

量子コンピューティングの世界は広大です。そして、私たちはまだ始まったばかりです。

Francisco Pires 氏は、Tom's Hardware のフリーランス ニュース ライターであり、量子コンピューティングに関心を持っています。