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量子の優位性とは、量子コンピュータの分野が熱烈に目指しているマイルストーンであり、量子コンピュータが、最も強力な非量子コンピュータ(古典コンピュータ)の手の届かない問題を解決できるようになることである。

量子とは原子や分子のスケールを指し、そこでは我々が経験する物理法則が崩れ、別の直感に反する法則が適用される。量子コンピューターは、こうした奇妙な振る舞いを利用して問題を解決する。

最先端の暗号化アルゴリズムを解読するなど、古典的なコンピューターでは解決不可能なタイプの問題もある。ここ数十年の研究により、量子コンピューターがこれらの問題の一部を解決できる可能性があることが示されている。これらの問題を実際に解決する量子コンピューターが作られれば、量子的な優位性が実証されることになる。

私は量子情報処理と量子システムの制御を研究する物理学者である。そして、この科学技術革新のフロンティアは、計算における画期的な進歩を約束するだけでなく、量子暗号や量子センシングにおける重要な進歩など、量子技術のより広範な飛躍を意味すると信じている。

量子コンピューティングのパワーの源

量子コンピュータの中核をなすのが量子ビット(qubit)である。0か1しかありえない古典的なビットとは異なり、量子ビットは0と1の組み合わせであればどのような状態にもなりうる。量子ビットが1つ増えるごとに、量子ビットで表現できる状態の数は2倍になる。

この性質は、量子コンピュータのパワーの源だと誤解されがちだ。その代わりに、重ね合わせ、干渉、エンタングルメント(量子もつれ)が複雑に絡み合っているのだ。

干渉とは、計算中に量子ビットの状態が建設的に結合して正解を増幅し、破壊的に結合して不正解を抑制するように量子ビットを操作することである。建設的干渉とは、音波や海洋波のような2つの波のピークが組み合わさって、高いピークを形成するときに発生する。破壊的干渉とは、波のピークと波の谷が組み合わさって打ち消し合うときに起こるものである。量子アルゴリズムは、数が少なく考案が難しいが、問題に対する正しい答えを導き出す干渉パターンのシーケンスを設定する。

エンタングルメントは量子ビット間に独自の量子相関を確立する:量子ビットがどんなに離れていても、1つのビットの状態を他のビットから独立して記述することはできない。これは、Albert Einsteinが有名な言葉 “spooky action at a distance”(不気味な遠隔作用)として否定したものである。エンタングルメントの集団的な振る舞いは、量子コンピュータを通して組織化され、古典的なコンピュータでは到達できない計算の高速化を可能にする。

量子コンピューターの応用

量子コンピュータには、古典的なコンピュータを凌駕する可能性のある様々な用途がある。暗号技術の分野では、量子コンピュータはチャンスであると同時に課題でもある。最も有名なのは、広く使われているRSA方式のような現行の暗号化アルゴリズムを解読できる可能性があることだ。

この結果、現在の暗号化プロトコルは、将来の量子攻撃に耐えられるように再設計する必要がある。この認識により、ポスト量子暗号という分野が急成長している。長いプロセスを経て、米国標準技術研究所は最近、4つの量子耐性アルゴリズムを選定し、世界中の組織が暗号化技術に使用できるように準備を始めた。

さらに量子コンピューティングは、量子シミュレーション(量子領域で行われる実験の結果を予測する能力)を劇的に高速化することができる。著名な物理学者であるRichard Feynmanは、40年以上前にこの可能性を思い描いていた。量子シミュレーションは、創薬のための複雑な分子構造のモデリングや、新しい特性を持つ物質の発見や創造を可能にするなど、化学や材料科学の分野で大きな進歩をもたらす可能性を秘めている。

電磁エネルギー、重力、圧力、温度などの物理的特性を、非量子機器よりも高い感度と精度で検出・測定することである。量子センシングは、環境モニタリング、地質調査、医療イメージング、監視などの分野で無数の応用がある。

量子コンピュータを相互接続する量子インターネットの開発などの取り組みは、量子コンピューティングと古典コンピューティングの世界の架け橋となる重要なステップである。このネットワークは、量子鍵配布のような量子暗号プロトコルを用いて保護され、量子コンピュータを使用したものを含む計算機攻撃から保護された超安全な通信チャネルを実現することができる。

量子コンピューティングの応用範囲は広がっているが、特に機械学習において、量子の利点を最大限に活用する新しいアルゴリズムの開発は、現在進行中の重要な研究分野である。

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MITの研究者が開発した量子センサーのプロトタイプは、あらゆる周波数の電磁波を検出できる。(Credit: Guoqing WangCC BY-NC-ND)

コヒーレントを維持し、エラーを克服する

量子コンピューター分野は、ハードウェアとソフトウェアの開発において大きなハードルに直面している。量子コンピューターは、環境との意図しない相互作用に対して非常に敏感である。これは、量子ビットが古典ビットの0または1の状態に急速に劣化するデコヒーレンス現象につながる。

量子の高速化を実現する大規模量子コンピューティング・システムを構築するには、デコヒーレンスを克服する必要がある。鍵となるのは、量子エラーを抑制・訂正する効果的な方法を開発することであり、私自身の研究はこの分野に集中している。

このような課題を克服するために、GoogleやIBMのようなテクノロジー業界の老舗企業とともに、量子ハードウェアやソフトウェアの新興企業が数多く登場している。このような産業界の関心と、世界各国の政府からの多額の投資は、量子技術が変革をもたらす可能性があることを集団で認識していることを裏付けている。このような取り組みにより、学界と産業界が協力する豊かなエコシステムが形成され、この分野の進歩が加速している。

見えてきた量子の優位性

量子コンピューティングはいつの日か、生成AIの登場と同じくらい破壊的なものになるかもしれない。現在、量子コンピューティング技術の開発は重要な岐路に立っている。一方では、この分野はすでに、狭い範囲に特化した量子の優位性を獲得した初期の兆候を示している。Googleの研究者たち、そして後に中国の研究者チームが、特定の性質を持つ乱数のリストを生成する量子的優位性を実証した。私の研究チームは、乱数当てゲームで量子スピードアップを実証した

その一方で、実用的な成果が短期間で得られない場合、投資が抑制される「量子の冬」に突入するリスクも目に見えている。

テクノロジー産業が近い将来、量子的な優位性を製品やサービスで実現しようと取り組んでいる一方で、学術研究は依然として、この新しい科学技術を支える基本原理の解明に重点を置いている。この継続的な基礎研究は、私が毎日のように出会うような、熱心で優秀な学生たちによって支えられている。


本記事は、Daniel Lidar氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「What is quantum advantage? A quantum computing scientist explains an approaching milestone marking the arrival of extremely powerful computers」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。

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