量子コンピュータが実用化されるのはいつになるだろうか

GoogleとXPrize Foundationは、500万米ドルに相当するコンペティションを開始した。量子物理学の原理は、量子コンピューターが特定の問題に対して非常に高速な計算を実行できることを示唆しているため、このコンペティションは、量子コンピューターが従来のコンピューターよりも優位性を持つ応用範囲を拡大する可能性がある。

私たちの日常生活において、自然が機能する方法は一般的に古典物理学と呼ばれるもので説明できる。しかし、原子以下の小さな量子スケールでは、自然の振る舞いは大きく異なる。

量子テクノロジーを利用するための競争は、古典物理学の特性を利用する装置から量子力学の奇妙で素晴らしい特性を利用する装置へと進歩する、新たな産業革命と見なすことができる。科学者たちは何十年もの間、これらの性質を利用して新しいテクノロジーを開発しようとしてきた。

量子テクノロジーは私たちの日常生活に革命をもたらすとよく言われることを考えると、いまだに賞の提供によって実用的なアプリケーションを探さなければならないことに驚かれるかもしれない。しかし、量子特性を利用してセンシングやタイミングの精度を向上させることに成功した例は数多くあるが、古典的な先行技術を凌駕する量子コンピューターの開発は驚くほど進んでいない。

この開発を妨げている主なボトルネックは、量子アルゴリズムを使用したソフトウェアが、古典物理学に基づくコンピュータよりも優れていることを実証する必要があることだ。これは一般に「量子優位性」として知られている。

量子コンピューティングが古典コンピューティングと決定的に異なる点は、「量子もつれ」として知られる性質を利用することである。古典コンピューティングでは、情報を表現するために「ビット」を使用する。このビットは1と0で構成され、コンピュータが行うことはすべてこの1と0の文字列で構成される。しかし量子コンピューティングでは、これらのビットが1と0の「重ね合わせ」の状態になることができる。言い換えれば、量子ビット（qubit）では、1と0があたかも同時に存在しているかのようである。

この性質により、計算タスクを一度に実行することができる。それゆえ、量子コンピューティングは古典的なコンピューティングに比べ、多くの計算タスクを同時に実行できるという大きな利点があると信じられている。

注目すべき量子アルゴリズム

多くのタスクを同時に実行することで、古典的なコンピューターよりも性能が向上するはずだが、これを実践するのは理論が示唆するよりも難しいことが分かっている。実際に、古典物理学を用いた場合よりも優れたタスクを実行できる注目すべき量子アルゴリズムは数少ない。

最も注目されるのは、1984年に開発されたBB84プロトコルと、1994年に開発されたShorのアルゴリズムで、どちらも量子もつれを利用して、特定のタスクにおいて古典的アルゴリズムを凌駕している。

BB84プロトコルは暗号プロトコルであり、2つ以上の当事者間の安全でプライベートな通信を保証するシステムであり、同等の古典的アルゴリズムよりも安全であると考えられている。

Shorのアルゴリズムは、量子もつれ（エンタングルメント）を利用して、現在の古典的暗号化プロトコルがいかに破られるかを実証している。また、従来のコンピュータ用に設計された同様のアルゴリズムよりも高速に特定の計算を実行できるという証拠もある。

これら2つのアルゴリズムが従来のものより優れているにもかかわらず、有利な量子アルゴリズムはほとんど登場していない。しかし、研究者たちはその開発を諦めてはいない。現在、研究の主な方向性はいくつかある。

量子的利点の可能性

1つ目は、量子力学を使って大規模な最適化タスクを支援することだ。最適化とは、ある課題を解決するための最良の、あるいは最も効果的な方法を見つけることである。交通の流れを効率的にする、工場のパイプラインで作業手順を管理する、ストリーミング・サービスで各ユーザーに何を勧めるかを決めるなど、日常生活において最適化は不可欠である。量子コンピューターがこのような問題に役立つことは明らかである。

最適化を実行するのに必要な計算時間を短縮できれば、エネルギーを節約することができ、現在世界中でこれらのタスクを実行している多くのコンピューターとそれをサポートするデータセンターの二酸化炭素排出量を削減できる。

量子力学に従って振る舞う原子の組み合わせなどのシステムを、量子計算を使ってシミュレートすることも、広範な利益をもたらす可能性がある。量子システムが実際にどのように機能するかを理解し、予測することで、例えば、より良い薬剤設計や医療治療につながる可能性がある。

量子システムはまた、電子デバイスの改良にもつながる可能性がある。コンピューター・チップが小型化するにつれ、量子効果が支配的になり、デバイスの性能が低下する可能性がある。量子力学の基礎的理解が深まれば、このような事態を避けることができるだろう。

量子コンピュータの構築には多額の投資が行われてきたが、それが直接的に公共の利益につながるかどうかという点にはあまり焦点が当てられてこなかった。しかし、その状況は変わりつつあるようだ。

今後20年以内に量子コンピュータが家庭に普及するかどうかは疑問が残る。しかし、量子コンピュータの実用化に向けた現在の財政的コミットメントを考えると、社会はようやく量子コンピュータを活用しやすい状況にあると思われる。具体的にはどのような形になるのだろうか？それを見極めるために、500万米ドルの賞金がかけられているのだ。

本記事は、Adam Lowe氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「How long before quantum computers can benefit society? That’s Google’s US$5 million question」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。