夢か悪夢か？量子コンピューティングの現実世界についてお話しします

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画像出典: Visual China

多くの人々の目には、量子コンピュータは従来のコンピュータでは不可能なほぼすべてのタスクを実行できる「魔法の力」を持っているように見えます。しかし現実には、量子コンピューターに十分な数の処理ユニット、つまり量子ビットが存在せず、有用な作業を行うのに十分な安定性がない場合、これらの利点は単なる「机上の空論」に留まります。

しかし、この新興分野の無限の可能性に直面して、中国、米国、欧州連合を含む多くの国や地域が量子コンピューティングの研究に注力し始めています。同時に、IBM、Google、Intelなどの海外企業から、Baidu、Alibaba、Tencentなどの国内企業まで、テクノロジー大手もこの戦いに加わった。

しかし、現状では、量子コンピューティングの現実世界は科学者にとっては夢であり、エンジニアにとっては悪夢となっている。

ニューヨーク市から北へ約80キロの緑豊かな田園地帯に、小さな研究所があります。研究室の天井には精巧なチューブや電子機器が絡み合っている。これをスチームパンクのシャンデリアだと思わないでください。実際、この機器の山はコンピューターです。もちろん、これは普通のコンピュータではありません。これは「IBM Q」と呼ばれ、世界で最も先進的な量子コンピュータの1つです。これは、この分野の歴史において最も重要なマイルストーンとなる可能性も非常に高いです。

量子コンピュータは、従来のスーパーコンピュータの範囲をはるかに超えて動作すると期待されています。言い換えれば、原子レベルで物質の挙動をシミュレートすることで、新しい材料を発見できる可能性があるのです。あるいは、秘密のコードを解読することで、今日の暗号化市場を脅かす可能性もあります。データをより効率的に処理することで、人工知能を強化することもできます。

しかし、数十年にわたるゆっくりとした進歩を経て、研究者たちはついに、従来のコンピュータでは実行できないタスクを処理できるほど強力な量子コンピュータを構築しました。これは「量子超越性」という画期的な成果です。周知のとおり、このマイルストーンの開発は Google が主導してきましたが、Intel と Microsoft も多大な努力を払ってきました。 Rigetti Computing、IonQ、Quantum Circuits など、資金力のあるスタートアップ企業も多数参加しています。

それでも、量子コンピューティングの分野では、材料科学を進歩させ、50年前にコンピュータ革命の基礎を築いたIBMに匹敵する競合企業はまだ存在しない。そのため、昨年 10 月に IBM のトーマス J. ワトソン研究所は、「量子コンピューターの利点は何か」など、次のような疑問に答えようと試みました。人間は本当に実用的で信頼性の高い量子コンピュータを構築できるのでしょうか?

なぜ量子コンピュータが必要なのでしょうか?

70代の研究者チャールズ・ベネットが1972年にIBMに入社したとき、量子物理学はすでに50年以上の歴史を持っていました。彼の記憶によれば、当時のコンピューティングは依然として古典物理学と、1950 年代に MIT のクロード・シャノンが確立した情報の数学的理論に依存していた。シャノンは、情報の量を、それを保存するために必要な「ビット」（シャノンが普及させた用語だが造語ではない）の数で定義しました。これらのビット、つまりバイナリ コードの 0 と 1 は、すべての従来のコンピューティングの基礎です。

1年後、ベネットは量子情報理論の基礎を確立しました。この理論は、原子レベルでの物質の特異な挙動に基づいて、粒子が同時に多くの状態（たとえば、多くの異なる場所）の「重ね合わせ」状態で存在できると仮定しています。さらに、2 つの粒子は「エンタングルメント」を示すこともあり、一方の粒子の状態を変えると、もう一方の粒子の状態にも瞬時に影響が及ぶ可能性があります。

このような状況の中で、ベネット氏らは、量子現象の助けを借りれば、人間は指数関数的に時間がかかる、あるいは不可能でさえあるいくつかの計算タスクを効率的に実行できることに気づきました。量子コンピュータは情報を量子ビット（Qubits）に保存します。量子ビットは 1 と 0 の重ね合わせ状態で存在することができ、エンタングルメントと干渉効果を使用して指数関数的に大きな状態で計算ソリューションを見つけます。量子コンピュータを従来のコンピュータと比較するのは難しいですが、簡単な答えは、わずか数百の量子ビットを持つ量子コンピュータは、既知の宇宙にある原子の数よりも多くの計算タスクを同時に実行できるということです。

そして、1981 年の夏、IBM と MIT は「第 1 回計算物理学会議」と呼ばれる画期的なイベントを開催しました。当時、この会議には、最初のプログラム可能なコンピュータを開発したコンラート・ツーゼや、量子理論に大きく貢献したリチャード・ファインマンなど、コンピューティングと量子物理学の歴史において最も影響力のある人物が多数出席しました。その中で、ファインマンは量子効果をコンピューティングに利用するというアイデアを提唱し、その結果、量子情報理論の最大の推進力となりました。

現在、世界で最も有望な量子コンピューターの一つであるIBMの量子コンピューターが、ベネット氏のオフィスの廊下の向こう側に設置されている。このマシンは、量子コンピューターの必須要素である、情報を保存する量子ビットを作成し、操作するように設計されています。

夢と現実のギャップ

現在、IBMの量子研究所では、エンジニアたちが50量子ビットのコンピューターのバージョンを開発している。通常、単純な量子コンピュータのシミュレーションは通常のコンピュータで実行できますが、約 50 量子ビットになるとほぼ不可能になります。これは、IBM が理論的には、量子コンピュータが従来のコンピュータでは解決できない問題を解決できる点、つまり量子超越性に近づいていることを意味します。

IBM の研究者が言うように、量子超越性は捉えどころのない概念です。これを機能させるには 50 個の量子ビットすべてが必要ですが、実際には量子コンピューターはエラー訂正の問題に悩まされています。しかし、量子ビットを長時間維持することは困難を伴います。なぜなら、量子ビットは「退化」する傾向があり、繊細な量子特性を失うからです（煙の輪がわずかな空気の流れで崩壊するのと同じように）。そして、量子ビットの数が増えるほど、これら 2 つの問題を解決することが難しくなります。

「50または100個の量子ビットがあり、それらが完全なエラー訂正機能を備えて非常にうまく機能すれば、従来のコンピューターではできないような驚くべき計算が可能になります」とイェール大学教授で新興企業Quantum Circuitsの創設者であるロバート・シェルコップ氏は語った。 「量子コンピューティングの裏側は、エラーが発生する確率が指数関数的に高くなることです。」

もう一つ注目すべき点は、完全に機能する量子コンピュータであっても、その実用性は明らかではないかもしれないということです。これは、研究者が課すあらゆるタスクを単に高速化するだけではありません。実際のところ、多くの計算では従来のコンピュータよりも遅くなります。これまでのところ、量子コンピューター上で利点を示したアルゴリズムはほんの一握りしか考案されておらず、それらのアルゴリズムであっても、その利点は長続きしない可能性があります。

最も有名な量子アルゴリズムは、整数の素因数を見つけるために MIT のピーター・ショアによって開発されました。多くの一般的な暗号化方式は、大きな整数を従来のコンピュータで因数分解することが困難であるという事実に依存しています。しかし、暗号技術を変更して、因数分解に依存しない新しいタイプの暗号を作成することもできます。

そのため、IBM の研究者たちは、50 量子ビットのマイルストーンに近づいているにもかかわらず、量子コンピューティングをめぐる誇大宣伝を払拭しようとしています。量子アルゴリズムとIBMハードウェアの潜在的応用を研究しているジェイ・ガンベッタ氏は、「私たちは特別な時期にいます。従来のコンピューターよりもはるかに複雑なタスクをシミュレートできる機器はありますが、使い慣れたアルゴリズムを実行できるほど正確に制御することはできません」と語った。

量子コンピューティング：物理学者の夢、エンジニアの悪夢

「量子コンピューティングが今これほど人気が​​あるのは、人々がそれが実際に存在するということを徐々に認識し始めているからだ」とMITのアイザック・チュアン教授は語った。 「これはもはや物理学者の夢ではなく、エンジニアの悪夢となっている。」

実際、チュアン氏は1990年代後半から2000年代初頭にかけて、いくつかの初期の量子コンピュータの開発を主導した。チュアン氏は、この分野の研究はもう行っていないが、量子コンピューティングが最終的には人工知能の分野で役割を果たすという、非常に重要な出発点にいると信じている。

しかし彼はまた、新世代の学生やハッカーが量子コンピューターを使い始めるまで、革命は実際には始まらないかもしれないと考えている。ある程度、量子コンピューターには異なるプログラミング言語だけでなく、根本的に異なるプログラミング方法も必要です。ガンベッタ氏はこう言う。「量子コンピュータ上で『Hello, World』がどのように表示されるかは、実際にはわかりません。」

しかし現在、研究者たちはその答えを見つけるための研究を始めています。 2016年、IBMは小型の量子コンピュータをクラウドに接続しました。QISKitと呼ばれるプログラミングツールキットを使用して、ユーザーはその上で簡単なプログラムを実行できます。現在までに、学術研究者から小学生まで何千人もの人々が、基本的な量子アルゴリズムを実行する QISKit プログラムを構築してきました。さらに、Google やその他の企業も、初期の量子コンピューターをオンラインで接続しています。現時点では量子コンピューティングで多くのことを実現することはできませんが、最先端の研究室の外にいる少なくとも一部の人々は、将来何が可能になるかを垣間見ることができます。

こうした状況の中、関連スタートアップはますます盛り上がっています。トロント大学ビジネススクールが開催した量子スタートアップ投資コンペティションにて。いくつかの起業家チームは教授や投資家のグループに自分たちのアイデアを発表しました。たとえば、ある企業は量子コンピュータを使用して金融市場をシミュレートしたいと考えています。別の企業は量子コンピューティングを通じて新しいタンパク質を設計する計画を立てています。さらに高度な AI システムを構築したいという人もいます。しかし、現場では、たとえその技術が革命的なものであったとしても、各チームがまだ存在していなかった技術に基づいてビジネスを提案していることに、ほとんど誰も気づきませんでした。さらに恐ろしいのは、この事実に恐怖を感じる人がほとんどいないことです。

実際、最初の量子コンピューターが実用的な進歩を遂げるのに時間がかかっていると判明すれば、その熱意はすぐに薄れてしまうかもしれない。ベネット氏やチュアン氏など、量子コンピューティングの開発の難しさを理解している人々は、最初の実用的な量子コンピュータが実現するのはまだ何年も先だと推測しており、この推測は、多数の量子ビットの管理と操作の問題が最終的には解決不可能ではないと仮定しています。

しかし、研究者たちは依然として大きな希望を抱いている。あなたの2歳の子供が成長したら、どんな量子の世界に直面することになるのか考えたことがありますか?おそらく、その時までに彼は量子コンピュータを構築するためのツールキットを手に入れているだろう。