「量子コンピューターって何？」という疑問についてGoogleのエンジニアが解説

人工知能への応用や、新薬の開発などでの実用化が期待されている量子コンピューターですが、量子力学について専門知識を持たないほとんどの人にとっては「身近にあるデスクトップPCの超高性能バージョン」といった認識が精一杯かもしれません。しかし実際のところ、量子コンピューターを超高性能なコンピューターと捉えるのは正しくないそうで、それでは一体どのようなものなのかという疑問についてGoogleで量子コンピューターの開発に携わるエンジニアが説明しています。

Ask a Techspert: What is quantum computing?
https://www.blog.google/inside-google/googlers/ask-techspert-what-quantum-computing/

◆量子コンピューターと一般的なコンピューターの違い
「情報」とはある意味で抽象的な概念ですが、情報を処理しているコンピューターの中では物理現象が起きています。コンピューターは情報を一連の「ビット」として扱っていて、各ビットは「0」と「1」のどちらかの値を取ります。この「0」と「1」はコンピューターの中にある小さな開閉スイッチで制御されています。つまり、電子メールも写真もYouTubeのムービーも、すべて開閉スイッチのオンとオフの連続でできているわけです。量子コンピューターを一言で説明すると、この「ビット」に代わって「量子ビット(Qubits)」で情報を処理するコンピューターと言えます。

それでは、「ビット」と「量子ビット」とは一体どう違うのでしょうか。ビットは「0」か「1」のどちらかですが、量子ビットはより多くの可能性を持っています。例えると、量子ビットにおける「0」が北極で「1」が南極のようなもので、量子ビットは北極と南極以外にも地球上のあらゆる場所に存在することができます。ある量子ビットが赤道上にあった場合、その量子ビットは「『0』の可能性が50％、『1』の可能性が50％」と表現されます。量子コンピューターが量子ビットを扱う場合には、その量子ビットが実際に「0」なのか「1」なのか、繰り返し測定する必要があるわけです。

◆量子コンピューターの姿
Googleの量子コンピューターでは、量子ビットはシリコンチップ上に並べられたアルミニウムで作られた共振回路の中にあります。この回路は電気損失が発生しないように超伝導状態を保たなくてはならないため、50ミリケルビン以下の絶対零度に近い環境で制御されます。量子コンピューター全体は人間より大きなサイズですが大半は冷却用の機材で、量子プロセッサー自体はコイン程度の大きさしかありません。

◆量子コンピューターの用途
量子コンピューターは情報を処理する方法が通常のコンピューターと根本的に異なるので、通常のコンピューターでは不可能な計算ができます。一方で、わたしたちが近所のスーパーに行くのに自動車を使うことがあっても飛行機や宇宙船には乗らないように、量子コンピューターは一般的なコンピューターとは全く異なった用途と、特定の得意分野に特化した性能を持っています。つまり、量子コンピューターは汎用コンピューターの単なる高性能バージョンではないということです。量子コンピューターの得意分野の一例は化学反応のシミュレーションです。

ある物質の分子構造が解明されていても、それが現実の世界でどんな性質を持つかは実際にその分子を合成してテストするまで分かりません。原子は積み木とは違って無数の結合パターンがあり、原子がひとつ増えただけでもパラメーターが倍増してしまうため、小さな分子のふるまいをシミュレーションすることさえ普通のコンピューターには不可能です。一方で、量子コンピューターは分子のふるまいを支配する超ミクロな世界の物理法則と同じ原理に基づいて計算を行うので、分子のふるまいのシミュレーションが得意です。このため、より良い肥料や、防しょくコーティング剤、あるいはより効率的な太陽電池の開発など材料研究の分野での活躍が期待できます。

なお、Googleの量子人工知能研究所で働くジスティーナ氏が、量子コンピュータについて分かりやすく説明しているムービーも公開されており、日本語字幕付きのジスティーナ氏による解説を以下から見ることも可能です。

What is a quantum computer? (QuantumCasts) - YouTube