量子の時代が今年、始まる…夢だと思われていた量子コンピューティングがついに実用化されるかも

量子力学について、物理学の門外漢が最も理解しにくいのは、「1つのものが同時に2つの状態にあり得る」という概念だ。 目に見えないほどの速さで2つの状態を行き来しているということではない。観測によって、どちらか一方の状態に定まるまでは、あいまいな状態にある。 この矛盾は、量子コンピューティング分野がどういう状態にあるかをめぐって何十年も続いてきた議論を表現するのに、まさにぴったりだ。 量子コンピューティングは、コンピューターに何ができるかを根本から変える技術になる──この点はノーベル賞委員会も米国家安全保障局（NSA）も、シリコンバレーの半分も認めてきた。その一方で、常温核融合や少し前までのAIと共に、「いつまでも実現は30年先と言われ続ける夢の技術」の枠に入れて差し支えないものでもあった。 従来型の古典コンピューターは、情報をビットに保存する。ビットはオンかオフ、1か0という、2つの状態しか取らないスイッチだ。 量子コンピューターが使うのは量子ビット（キュービット）だ。1でもなく0でもない「重ね合わせ」の状態を取ることができる。数を増やすほど、同時に保持できる状態は猛烈な勢いで増える。数百の量子で、観測可能な宇宙の原子数を上回る可能性を表現できる。

量子で動くコンピューターに何ができるのか。科学者はその可能性を長いこと追い求めてきた。 それが今、理論から実用の世界へ移りつつある。現実世界での活用は、もはや想像上の話ではない。高速の磁気浮上式鉄道から、GPSに依存しない量子航法システム、性能の高いバッテリーや製造過程で環境負荷の少ない肥料、患者一人一人に合わせた医薬品、竜巻についての正確な予測まで範囲は広い。 この技術の最前線にいる人々は、実用化が本当に始まるのは今年だと言う。「役に立つ量子コンピューティングは、今まさにここにある」と、IBMの研究部門を率いるジェイ・ガンベッタはこの春、ボストンの満員の会議場で語った。 1981年5月、マサチューセッツ工科大学（MIT）とIBMが共催した計算物理学の会議で、会場を埋めたコンピューター科学者たちを前に話し始めたのは、物理学者のリチャード・ファインマンだった。 あなたがたのやり方は間違っていると、ファインマンは言った。世界が実際にどう動いているかを理解したいなら、古典的なデジタルマシンでは絶対に十分ではない、世界は1と0で動いているわけではないからだ、と彼は主張した。「自然は古典じゃないんだよ。自然をシミュレーションしたければ、量子力学的にやらないとだめだ」

ファインマンの発言から45年。量子コンピューティング分野を牽引するIBMと、同社が10年かけて集めた多数のパートナーは、今まさに決着をつけようとしている。10年近くにわたる公の場での予測を通じ、この技術が学問上の興味だけで終わらないことを証明するものに名前が付けられた。それが「量子優位性」。その実現の年とされたのが、2026年だった。 簡単に言えば量子優位性とは、量子コンピューターが現実の問題を、最高性能の古典コンピューターより速く、安く、あるいは正確に解けるようになることだ。性能を誇示するためのパズルではなく、本当に答えが必要な問題である。 具体的に何を量子優位性とするのか、それをどう判定するのかについては議論が続く。だが1つ確かなのは、量子優位性が達成されたという主張は今やセミナー室で議論されるのではなく、公の場で検証され始めているということだ。 量子の奇妙さ（この分野が生まれた理由でもある）は、この考え方が登場して以来、人々を悩ませてきた。アルバート・アインシュタインは人生後半の30年間、量子力学だけでは宇宙の仕組みを完全には説明できないと主張し続けた。 量子力学によれば2つの粒子は遠く離れていても、一方を測定すると他方の状態が瞬時に定まる。アインシュタインは、これを「不気味な遠隔作用」と揶揄した。

彼は間違っていた。その誤りを確認した実験は、22年のノーベル物理学賞につながった。 そこに量子力学の特異さがある。これは史上最も成功した物理理論だ。実験結果を小数点以下11桁まで予測でき、人間には見ることも触れることも、直感的に理解することもできない世界の層を記述する。 人間は分子や物質、化学反応を支配する方程式を書き表すことはできたが、それを解くことはできなかった。量子力学は、その方程式を解き明かす可能性を開く。 量子力学を築いた1人ポール・ディラックは、1920年代に既にその点を指摘していた。化学のほぼ全てと生物学の大半は量子力学の方程式で記述できるが、複雑すぎて解けない。実際の計算では、問題を単純化して解くしかなかった。 異次元のように感じられる世界に手を伸ばしたいという野心こそ、IBMのガンベッタをこの分野に引き込んだものだ。博士課程での研究テーマは、測定の瞬間に何が起きるかをめぐる量子力学の「解釈」だった。 「結局、私たちは数学の議論をしているだけだと気付いた」と、ガンベッタは本誌に語った。「使っている数式は同じなのに、その数式が現実について何を意味するかを議論しているだけだった」

そこで彼は、議論の前提を変えた。「解釈を議論するより、実際に量子コンピューターを作れるか試してみよう。そうすれば少なくとも、どの解釈が正しいかを判断できる」 そのような機械が機能すれば、何ができるのか。その答えは、古典コンピューターとの違いにある。 古典コンピューターで分子をモデル化するとき、分子を実際の姿のまま表現することはできない。計算量が大きすぎるため、計算できる大きさになるまで細部を切り捨てるしかないからだ。 量子ソフトウエア企業Q-CTRLの創業者マイケル・ビアクックはその結果を、解像度の限界を超えて拡大した写真に例える。「非常に複雑な量子の像を古典コンピューターに入れようとすると、画素が粗くなる」と、彼は言う。「情報が失われる。収まるようにするために、いろいろなものを捨てるからだ」 理論上、量子コンピューターの用途は大きく4つの分野に分けられる。最も身近で分かりやすいのは、分子、物質、化学反応といった物理系のシミュレーション。ファインマンが指摘したのも、まさにこの分野だった。 2つ目は経路設定や物流などの最適化。3つ目は機械学習で、今のところ最も未知数な分野だ。4つ目は、流体や熱、空気の動きを支配する微分方程式だ。

ガンベッタは、一般の人々が量子コンピューティングを初めて実感するのは微分方程式の分野だと考えている。そこから流体力学へ、さらに予測へと道がつながっているからだ。 量子コンピューターによって、現時点では望ましい精度で解明できないことが計算できるようになれば、分子が体内でどのように働くかをシミュレーションして創薬に役立てたり、気象を予測したりすることが可能になるだろう。 そのいずれも、これまでの量子技術への投資が念頭に入れていなかった用途だ。量子技術の開発を支援してきた政府機関の最大の関心事は、ベル研究所の数学者ピーター・ショアが1994年に指摘したこと、つまり十分な規模の量子コンピューターがあれば、オンライン通信や金融取引や国家機密を保護する暗号は、事実上全て解読できるようになるというものだ。それが可能になる日は「Qデー」と呼ばれるが、実現はまだ遠い先の話と考えられている。 だが、「そのようなマシンが登場するという期待こそが、NSAがIBMやハーバード大学などの開発を支援し始めた理由だ」とビアクックは語る。その中核にあるのは、敵より先に暗号を解読できる量子コンピューターを開発しなければという焦りだ。「中国に先を越されないようにしたいが、その間に私たちには何ができるのだろうか」

量子優位性と聞くと、1つの事象を指している印象を受けるかもしれないが、学界には多くの論争がある。なかでも今なお議論の的となっているのが、2019年10月にグーグルが実現したと発表した「量子超越性」だ。グーグル独自の量子ビットを54個搭載する量子プロセッサ「シカモア」に乱数をつくる計算問題をさせたところ、世界最速のスーパーコンピューターでも1万年かかる（とグーグルが主張する）ところを、3分20秒で解いたというのだ。 これに対して、IBMはすぐさま反論を発表した。既存のスーパーコンピューターの能力に関するグーグルの想定は大間違いで、きちんと最適化すれば1万年でなく2日半で解けると指摘した。またグーグルが選んだ課題は、従来のコンピューターには解きにくいように設計されている上に、実用的な価値がないことも明白だった。 一方、古典的な計算方法がもはや進化しないという証明がない限り、優位性も超越性も受け入れないという研究者たちもいた。この「不可能性の証明」と、グーグルに代表される「ゆがめられたベンチマーク」の間に位置するのが、今年発表された一連の研究結果だ。 そこに共通するのは、誰かが既に金を払って解こうとしている問題を解き、既存の最高の方法を凌駕し、しかもクラウドの量子コンピューターを借りれば誰でも同じ結果を再現できるようにすること（つまり検証可能にすること）だ。

量子優位性に向けた第一歩は、23年にIBMとカリフォルニア大学バークレー校の共同研究で始まった。その時使われた量子コンピューターは、従来のスーパーコンピューターでは処理できない計算もできる大規模なものだった。IBMはこのマイルストーンを「量子有用性」と呼び、同年6月のネイチャー誌の表紙に「ノイズをはねのけて」という見出し入りで紹介された。 だが、有用性と優位性は違う。量子コンピューターそのものの性能に関心があるのは、量子力学者くらいだろう。そこでガンベッタは24年、より具体的な予測を示した。量子コンピューターは26年までに、現在有償で解決されている課題で、古典コンピューターを凌駕する、というものだ。ただしそれは、古典コンピューターと量子コンピューターという2つの世界の協力が必要だ。 ※この記事は前編です。後編「『量子の時代は今だ』…新薬開発や材料科学でスパコンをも凌駕し始めた量子コンピューターの実力とは」は関連記事からご覧ください。