量子アドバンテージが世界をどう変えるか、コンピューター科学者が語る

本記事は、Fastcompanyにより翻訳された記事です。

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のことで、そこでは私たち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ます。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します。

最先端の暗号化アルゴリズムを解読するなど、普通なコンピューターでは解決不可能なタイプの問題があります。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いくつかを解決できる可能性が示されています。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ば、量子的な優位性が実証されることになります。

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は、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著しい進歩など、量子技術におけるより広範な飛躍を意味すると信じています。

量子コンピュータのパワーの源

量子コンピューティングの中心は量子ビット（qubit）です。0か1しかありえないクラシック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のです。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倍になります。

この性質はしばしば、量子コンピューティングのパワーの源だと誤解されます。その代わりに、重ね合わせ、干渉、エンタングルメントが複雑に絡み合っているのです。

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、より高いピークを作り出すことです。破壊的干渉とは、波のピークと谷が組み合わさって打ち消し合うときに起こるものです。量子アルゴリズムは、数が少なく考案が難しいですが、干渉パターンのシーケンスを設定したら、問題に対する正しい答えが導き出します。

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します： 量子ビットがどんなに離れていても、一方の状態を他方の状態から独立して記述することはできません。これは、アルバート・アインシュタインが有名に 「spooky action at a distance」（距離による不気味な作用）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、普通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します。

量子コンピューターの応用

量子コンピュータは、今のコンピュータを凌駕することができる潜在的な用途の範囲を持っています。暗号技術において、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ります。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です。

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ります。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ます。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ました。

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ます。著名な物理学者であるリチャード・ファインマンは、40年以上前にこの可能性を構想しました。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・創製といった分野で役立ち、化学や材料科学における大きな進歩の可能性をもたらします。

量子情報技術のもうひとつの用途は、量子センシングである：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ります。

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することができます。量子鍵配布は、量子コンピュータを使用したものも含め、計算機攻撃から保護された超安全な通信チャネルを可能にします。

量子コンピューティングの応用範囲は広がっている中、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、現在も重要な研究分野である。

首尾一貫した状態を保ち、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ます。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ります。

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ります。その鍵となるのは、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す。

このような課題を克服するため、グーグルやIBMのようなテクノロジー業界の老舗に加え、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ます。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、量子技術が変革の可能性を持っていることを認識させるものである。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ます。

量子アドバンテージが見えてくる

量子コンピューティングはいつか、ジェネレーティブAIの登場と同じくらい破壊的なものになるかもしれません。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たされています。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ます。グーグルの研究者たち、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ました。

その一方で、目先の実用的な結果が出なければ、投資を減らす「量子の冬」に突入するリスクも目に見えています。

テクノロジー産業が近い将来、製品やサービスにおいて量子的な優位性を実現しようと取り組んでいる同時に、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ます。この継続的な基礎研究は、私がほぼ毎日出会うような熱心で優秀な学生たちによって推進され、当分野の進歩を確実なものにしています。

以上、量子アドバンテージが世界をどう変えるについて紹介しました。量子科学がジェネレーティブAIのように人類にもっと便利な生活をもたらす日がお楽しみますね。最後AI背景透過ジャンルに関心を持つ方に、AIによる画像を一瞬で透明化にするBGremoverを試すのをおすすめします。