量子コンピュータという言葉を聞いたことはありますか？
映画やアニメに出てくるような未来の技術のように思えるかもしれませんが実は今世界中の研究者たちがこの技術の開発に取り組んでいます。
この記事では量子コンピュータとは何かどんなことができるのかそして私たちの未来をどう変えるのかについてわかりやすく解説します。
【理解できない？】量子コンピュータ簡単解説【意味不明？】
私たちが日常で使っているスマホやパソコンと量子コンピューターはどう違うのでしょうか？
それを理解するためには、まずコンピュータがどのように情報を扱うかを知る必要があります。
ビットと量子ビット
普通のコンピュータは「ビット」という単位で情報を処理します。
ビットは0か1の値しか持てません。電気が流れていれば1、流れていなければ0というイメージです。あらゆるデータ（文字、画像、音楽など）はこの0と1の組み合わせで表現されています。
一方量子コンピュータは「量子ビット」（キュービットと読みます）で情報を処理します。
量子ビットの不思議なところは0と1の状態を同時に持てることです。これは「重ね合わせ」と呼ばれる量子力学の現象によるものです。
例えるなら普通のコインは表か裏のどちらかしかありませんが量子のコインは超高速で回転していて表でもあり裏でもある状態になるようなものです。
量子の不思議な性質
量子ビットのもう一つの不思議な性質が「量子もつれ」です。
これは2つの量子ビットが特別なつながりを持ち片方の状態が変わるともう片方の状態も瞬時に変わるという現象です。
例えば2つのサイコロがあるとします。普通のサイコロなら一方が6の目を出しても他方の目はランダムです。でも「もつれた」量子サイコロでは一方が6の目を出したら他方は必ず特定の目（例えば1の目）を出すことがあらかじめ決まっているような状態になります。
しかもこの2つのサイコロが地球の反対側にあっても即座にこの関係が成り立つのです。
この「重ね合わせ」と「量子もつれ」という2つの性質により量子コンピュータは特定の計算を普通のコンピュータよりもずっと速く処理できるのです。
量子コンピュータのしくみ
量子コンピュータには大きく分けて2つの種類があります。それぞれのしくみと特徴を見てみましょう。
量子ゲート方式：万能型の量子コンピュータ
量子ゲート方式は通常のコンピュータの仕組みに近い形で量子ビットを操作します。「量子ゲート」と呼ばれる操作を量子ビットに適用することで計算を進めます。
例えばスマホゲームをするときに上下左右のボタンを押してキャラクターを操作するように量子ゲートは量子ビットの状態を操作するボタンのようなものです。
ただし普通のゲームと違って量子の世界では「上と下に同時に移動する」といった通常では考えられない操作も可能なのです。
この方式の量子コンピュータは理論上はどんな計算でもできる「万能型」と呼ばれています。GoogleやIBMなどの大手企業がこの方式の量子コンピュータの開発を進めています。
量子アニーリング方式：特化型の量子コンピュータ
量子アニーリング方式は最適な答えを探すような問題を解くのに適した方式です。例えば「100カ所の配達先を最短ルートで回るにはどうすればいいか」といった問題が得意です。
この方式のしくみは山の頂上から谷底に向かってボールを転がし最も低い場所（最適解）を見つけるようなイメージです。量子の性質を使うと通常のボールが乗り越えられない小さな丘もトンネルを掘って通過できるためより良い解を見つけやすくなります。
カナダのD-Wave社はすでにこの方式の量子コンピュータを商品化しており交通ルートの最適化や新薬開発の研究などに活用されています。
量子コンピュータは何ができるの？
量子コンピュータができることにはどんなものがあるのでしょうか？普通のコンピュータが苦手な問題で量子コンピュータが活躍できる分野を見てみましょう。
複雑な計算も一瞬で？
量子コンピュータの最大の特徴は特定の問題を驚くほど速く解けることです。
例えば「とても大きな数を素因数分解する」という問題があります。この問題は現代のインターネットセキュリティの基盤になっている暗号技術に関係しています。
普通のコンピュータでは数が大きくなればなるほど計算時間が爆発的に増えますが量子コンピュータなら理論上はずっと短い時間で解けます。例えば200桁の数の素因数分解は現在のスーパーコンピュータでは何千年もかかる計算ですが十分に発達した量子コンピュータなら数時間で解ける可能性があります。
新薬開発や材料設計も速くなる？
分子や原子の世界も量子の法則に従っています。そのため新しい薬や材料の性質をシミュレーションするのに量子コンピュータは特に適しています。
例えばアルツハイマー病の治療薬を開発するには脳内のタンパク質の振る舞いを正確に理解する必要があります。普通のコンピュータではこうした複雑な分子の動きをシミュレーションするのに何カ月もかかることがありますが量子コンピュータなら数時間〜数日で計算できるかもしれません。
これにより新薬の開発スピードが格段に上がり今は治療法のない病気の治療薬が見つかる可能性があります。
交通や物流の問題も解決？
私たちの身近な問題にも応用できます。例えば混雑する道路の交通流を最適化したり多くの配達先を効率よく回るルートを計算したりするのも得意です。
こうした「組み合わせ最適化問題」と呼ばれる問題は選択肢の数が増えると計算量が爆発的に増えるため普通のコンピュータでは解くのが難しくなります。
量子コンピュータならより効率的に解を探索できるため私たちの生活を便利にする可能性があります。
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量子コンピュータの現状はどうなの？
量子コンピュータはまだ発展途上の技術です。現状と課題を見てみましょう。
実現するのは難しい？
量子コンピュータの実現には大きな技術的課題があります。量子ビットは非常にデリケートで周囲の環境からの影響をすぐに受けてしまいます。この現象は「デコヒーレンス」と呼ばれ量子状態が壊れてしまう原因になります。
これを防ぐために現在の量子コンピュータは極低温（マイナス273度近く！）に冷やされています。またわずかな振動や電磁波の影響も避ける必要があるため特殊な装置の中で動作させています。
さらに計算中に発生するエラーも大きな問題です。量子ビットの数が増えるほどエラーも増えるため大規模な計算をするのは現状では難しい状況です。
今できることは？
現在の量子コンピュータは数十〜数百個の量子ビットを持つものが最先端です。これは実用的な問題を解くには不十分な場合が多いですが基礎研究や特定の限られた問題では成果を上げ始めています。
例えばIBMやGoogleは独自の量子コンピュータを開発しクラウド経由で研究者や企業が利用できるサービスを提供しています。D-Wave社の量子アニーリングマシンは交通ルートの最適化や機械学習の一部で使われ始めています。
いつ実用化される？
多くの専門家は汎用的な量子コンピュータの実用化には10年以上かかると予測しています。しかし特定の分野では5年以内に実用的な成果が出始めると期待されています。
初期段階では普通のコンピュータと量子コンピュータを組み合わせた「ハイブリッド方式」が主流になるでしょう。例えば問題全体は普通のコンピュータで処理し特に計算が難しい部分だけを量子コンピュータに任せるといった使い方です。
量子コンピュータに関するよくある質問
量子コンピュータは普通のパソコンやスマホを置き換えるの？
いいえそうはならないでしょう。量子コンピュータは特定の計算が得意ですがウェブブラウジングやワープロ、ゲームなどの日常的なタスクは今のコンピュータの方が適しています。
量子コンピュータは現在のコンピュータの「置き換え」というより「補完」するものになると考えられています。
量子コンピュータについて勉強するにはどうすればいい？
高校レベルの数学と物理の基礎を学んだ上で量子力学の入門書から始めるとよいでしょう。
英語がある程度できる方であれば、オンライン学習プラットフォームのCoursera、edX、Udemyなどには量子コンピューティングの入門コースがあります。
IBMの「Quantum Experience」では実際の量子コンピュータをクラウド経由で使ってみることもできます。
自分で量子コンピュータを使ってみることはできますか？
はい可能です！IBMの「IBM Quantum Experience」やAmazon Web Servicesの「Amazon Braket」などのサービスではクラウド経由で本物の量子コンピュータを使ってみることができます。
無料プランもあり簡単なプログラムなら実行できます。ただし本格的に使うには量子コンピューティングの基礎知識が必要です。
将来量子コンピュータを自宅に置けるようになりますか？
基本的に近い将来では難しいでしょう。
量子コンピュータは極低温に冷やす特殊な冷却装置が必要で非常にデリケートなシステムです。
将来的には小型化や常温動作の技術が開発される可能性もありますが今後数十年は専門の施設やクラウドサービスを通じてアクセスする形が主流と考えられています。
将来どうなるか？それはもちろんわかりません。なにかの技術革新が幾つか起きて手のひらサイズになることもあるかも…?
量子コンピュータと私たちの未来
大規模シミュレーションや環境問題の打開にも
気候変動や製薬のシミュレーション、そして新しいクリーンエネルギー技術の開発にも量子コンピュータは役立つことでしょう。
例えば太陽光をより効率よく電気に変換する新材料や二酸化炭素を効率的に回収する触媒の開発などが進む可能性があります。これにより環境問題の解決や持続可能な社会の実現に近づくことができるかもしれません。
新しい職業の誕生
量子コンピュータの発展に伴い「量子プログラマー」や「量子アルゴリズム開発者」など新しい職業が生まれる可能性もあります。一部では量子力学と情報科学の両方を理解できる人材は貴重で将来的に需要が高まると予想されているようです。
今中学生高校生の辺りの方たちが将来就く仕事の中には。量子コンピュータに関連した職業が含まれているかもしれません。
まとめ
量子コンピュータはまだ発展途上の技術ですが私たちの未来を大きく変える可能性を秘めています。
「重ね合わせ」や「量子もつれ」といった不思議な量子の性質を利用することで今のコンピュータでは解くのが難しい問題を解決できるようになるでしょう。
様々な分野で革新をもたらす量子コンピュータ。その発展には技術的な課題もありますが世界中の研究者たちが日々研究を進めています。
少し前まではSFの世界のような技術だったわけですが、徐々に、確実に、私たちの現実の世界に近づいているのです。
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