IBM、グーグル、IonQ、リゲッティらによって作られた量子コンピューティングのプロトタイプは完璧には程遠いが、その商業的可能性は無限である。
Christopher Ferrie
Asia Times
October 19, 2023
6月、IBMのコンピュータ部門幹部は、量子コンピュータはハイテク実験装置が実用化される「ユーティリティ」の段階に入ったと主張した。9月には、オーストラリアの主任科学者キャシー・フォーリーが「量子時代の幕開け」とまで宣言した。
今週、オーストラリアの物理学者ミシェル・シモンズは、シリコンベースの量子コンピュータの開発で国内最高の科学賞を受賞した。
明らかに、量子コンピューターはその勢いを増している。しかし、量子コンピューターとは一体何なのだろうか？コンピューターについて考える1つの方法は、コンピューターが扱う数字の種類から考えることだ。
私たちが日常的に使っているデジタル・コンピュータは、整数（または整数）に依存しており、情報を0と1の文字列で表し、複雑な規則に従って並べ替える。電気回路や回転するローターや動く流体を介して操作される、連続的に変化する数（または実数）として情報を表現するアナログ・コンピューターもある。
16世紀、イタリアの数学者ジローラモ・カルダーノは、負の数の平方根を求めるといった一見不可能に見える課題を解決するために、複素数と呼ばれる別の種類の数を発明した。20世紀には量子物理学の出現により、複素数も光や物質の微細なディテールを自然に記述することが判明した。
1990年代には、量子物理学で符号化された複素数を直接扱うアルゴリズムを使えば、ある種の問題をはるかに速く解くことができることが発見され、物理学とコンピューター科学が衝突した。
次の論理的なステップは、光と物質を使って自動的に計算してくれる装置を作ることだった。これが量子コンピューターの誕生である。
私たちは通常、コンピュータが行うことを、表計算ソフトのバランスをとる、ライブビデオを送信する、空港までの乗り物を探すといった、私たちにとって意味のあることとして考えている。しかし、これらはすべて、数学的な言葉で表現された、究極的には計算上の問題なのである。
量子コンピューターはまだ始まったばかりの分野であるため、量子コンピューターが解決するとわかっている問題のほとんどは、抽象的な数学で表現されている。これらの中には、まだ予見できない「現実世界」での応用もあるが、より直接的な影響を見出すものもある。
初期の応用例のひとつは暗号技術である。量子コンピューターは現在のインターネット暗号アルゴリズムを解読できるようになるため、量子耐性を持つ暗号技術が必要になる。証明可能で安全な暗号と完全な量子インターネットには、量子コンピューティング技術が使われるだろう。
材料科学の分野では、量子コンピューターは分子構造を原子スケールでシミュレートできるようになり、新しい興味深い材料の発見がより速く簡単になる。これは、バッテリー、医薬品、肥料、その他の化学をベースとする領域で重要な応用が期待される。
量子コンピューターはまた、何かを行うための「最良の」方法を見つけたいような、多くの難しい最適化問題をスピードアップさせるだろう。これにより、物流、金融、天気予報などの分野で、より大規模な問題に取り組むことができるようになる。
機械学習もまた、量子コンピューターが進歩を加速させる可能性のある分野だ。これは、デジタル・コンピューターのサブルーチンを高速化することで間接的に起こる可能性もあるし、量子コンピューターが学習マシンとして再構築されれば、直接的に起こる可能性もある。
2023年、量子コンピューターは大学の物理学部の地下研究室から産業界の研究開発施設へと移行する。この動きは、多国籍企業やベンチャーキャピタルの小切手帳によって支えられている。
IBM、グーグル、IonQ、リゲッティなどによって作られた現代の量子コンピューティングのプロトタイプは、まだ完成には程遠い。
今日のマシンは、「ノイズの多い中級量子」と呼ばれる開発段階にあり、サイズも小さく、エラーの影響を受けやすい。微小な量子システムのデリケートな性質は、多くのエラーの原因になりやすいことを意味し、これらのエラーを修正することは大きな技術的ハードルである。
聖杯は、自らエラーを修正できる大規模量子コンピューターである。さまざまな研究グループや商業企業が、多様な技術的アプローチによってこの目標を追求している。
現在の主要なアプローチは、超伝導回路内の電流のループを使って情報を保存し操作するものだ。これはグーグル、IBM、リゲッティなどが採用している技術である。
もうひとつの方法である「トラップ・イオン」技術は、電荷を帯びた原子粒子群を用い、粒子固有の安定性を利用してエラーを減らすものである。このアプローチは、IonQとハネウェルが先導している。
第3の探求ルートは、半導体材料の微粒子の中に電子を閉じ込めることで、古典的なコンピューティングで定評のあるシリコン技術と融合させることができる。シリコン量子コンピューティングは、この方向性を追求している。
さらにもうひとつの方向性は、光の粒子（光子）を利用することである。PsiQuantumという会社は、量子計算を行うための複雑な「誘導光」回路を設計している。
これらの技術の中で明確な勝者はまだおらず、最終的に勝つのはハイブリッド・アプローチになるかもしれない。
量子コンピューティングの未来を予測することは、空飛ぶ自動車を予測し、その代わりに携帯電話にカメラを搭載してしまうようなものだ。とはいえ、多くの研究者が今後10年で到達しそうだと同意するマイルストーンはいくつかある。
より良いエラー訂正は大きなものだ。ノイズの多いデバイスの時代から、能動的なエラー訂正によって計算を維持できる小型デバイスへの移行が期待される。
もうひとつは、ポスト量子暗号の登場である。これは、量子コンピューターに簡単に破られない暗号標準の確立と採用を意味する。
量子センシングのような技術の商業的スピンオフも視野に入っている。
また、本物の「量子的優位性」の実証もあり得る展開である。これは、量子デバイスがデジタルの代替技術より優れていることが明白な、説得力のあるアプリケーションを意味する。
そして、今後10年間のストレッチゴールは、エラーのない（能動的なエラー訂正が可能な）大規模量子コンピューターの実現である。これが達成されれば、21世紀は「量子の時代」になると確信できる。
クリストファー・フェリーは、シドニー工科大学総長特別研究員兼ARC DECRAフェローの上級講師である。
