量子コンピューティングの進歩は、大規模で複雑な分子のシミュレーションに役立つ可能性があります。
こうしたシミュレーションによって、現在のモデルより安価で効率的な、炭素回収のための新たな触媒が見つかる可能性があります。
現在は数十量子ビットまでの小分子をシミュレーションできますが、これを約100万量子ビットの規模に拡大する必要があります。
大気中から炭素を直接、安価かつ容易に「吸い取る」ことができると想像してみてください。そうした能力は気候変動との闘いに大きな力となり、設定された意欲的な世界の気候目標の達成に近づく助けとなるでしょう。
それはSFの話でしょうか？そうとも限りません。量子コンピューティングは、清潔で安全、導入しやすい革新を設計するために必要なツールかもしれません。
1995年、量子コンピューティングが、すでに起きた農業、産業、デジタルの各革命に匹敵する変革をもたらすかもしれないと初めて知りました。当時、量子力学をこれほど大きな効果につなげられるとは現実離れしているように思えましたが、近年の出来事を踏まえると、その可能性ははるかに高まったように見えます。
量子超越性
Googleが最近発表したことを受けて、大きな期待が寄せられました。発表されたのは、量子超越性です。「量子コンピューターが、古典コンピューターにはできないことを実行できる段階を指す。そうしたタスクが有用かどうかは問わない」。
今問われているのは、大規模で誤り訂正された量子コンピューターを開発し、極めて有用な応用を実現できるかどうかです。
朗報は、こうした本格的な量子コンピューターを科学技術のさまざまな重要課題にどう活用するか、すでに具体的に分かっていることです。その一つが、分子の性質や相互作用、他の分子との反応を調べるシミュレーションです。つまり化学であり、私たちが暮らす物質世界の本質そのものです。
分子のシミュレーションは、科学者の専門的な趣味のように思えるかもしれません。しかし実際には、世界のほぼあらゆる側面と、そこでの私たちの活動を支えています。分子の性質を理解すれば、強力な新薬、電池、クリーンエネルギー機器、さらには炭素回収の革新にもつながります。
量子シミュレーション
これまで、大規模で複雑な分子をシミュレーションする方法は見つかっていません。従来のコンピューターでは今後も実現できないでしょう。シミュレーション対象の分子の規模や複雑さに応じて、問題の計算量が指数関数的に増えるからです。大まかに言えば、原子10個の分子のシミュレーションに1分かかるなら、原子11個では2分、12個では4分という具合です。この指数関数的な増加により、従来型コンピューターはすぐに役に立たなくなります。わずか70個の原子からなる分子のシミュレーションにも、宇宙の年齢（130億年）を超える時間がかかります。
自然界にある（そして私たちが利用している）重要な分子を、私たち自身の体内にあるものも含めてシミュレーションできず、その振る舞いを理解できないことだけでも腹立たしいことです。それに加えて、新たな用途向けに設計できる新しい分子の数は無限にあります。
ここで量子コンピューターが私たちを救ってくれるかもしれません。偉大な物理学者、故リチャード・ファインマンのおかげです。1981年、彼は分子のシミュレーションにおいて、量子コンピューターなら古典コンピューターには不可能なことを実行できると見抜きました。マイクロソフトなどによる近年の研究のおかげで、今ではシミュレーションを実行するための具体的な手順が得られています。
気候変動対策となる量子触媒？
量子シミュレーションが大きな価値を発揮し得る、緊急性と実用的重要性の高い分野の一つが、SDGsの達成です。保健、エネルギー、産業、イノベーション、インフラだけでなく、気候変動対策も含まれます。例として、室温超伝導体（送電時に失われる発電量の10%を削減できる可能性がある）、世界の人々を養う窒素系肥料のより効率的な製造プロセス、そしてはるかに高効率な新型電池が挙げられます。
分子シミュレーションの非常に有力な応用の一つは、化学反応を速める新しい触媒の設計です。推定によると、商業生産される化学製品の90%に触媒が使われています（生体内では酵素と呼ばれます）。
大気中から二酸化炭素を直接「除去」する触媒は、気候変動への取り組みにおける強力な手段となり得ます。海洋や樹木が自然にCO2を吸収していますが、数十年にわたり、CO2の排出量はこうした自然の吸収量を上回っています。
CO2に対処する最善の方法は、これ以上CO2を排出しないことです。次善策はCO2を回収することです。「文字どおり時間を巻き戻すことはできませんが、排出の時計を巻き戻すようなものです」と、トーベン・デーネケ氏は述べています。RMIT大学の
炭素回収に使える既知の触媒はありますが、その多くは高価な貴金属を含むか、製造や導入が難しい、あるいは費用がかかります。「CO2を還元するための、安価で容易に入手できる触媒は、現在あまり知られていません」とウルフ＝ペーター・アプフェル氏は述べています。ルール大学ボーフムの
候補となる分子は無数にあるため、安価かつ容易に役割を果たす触媒（あるいは複数の触媒）が見つかると期待するのは妥当です。しかし候補分子の性質をシミュレーションできなければ、そのような触媒を見つけるのは途方もなく困難です。
そこで量子コンピューティングが役立つ可能性があります。
効率的な二酸化炭素の再利用を可能にし、水素（燃料）や一酸化炭素（化学産業で一般的な原料）などの有用な副産物を生み出す、安価な触媒が見つかるかもしれません。
量子コンピューティングによる解決には何が必要か？
現在、試作段階の量子コンピューターでは、数十量子ビット（古典コンピューターのビットに相当する量子単位）までの小分子をシミュレーションできます。しかし、新しいCO2触媒の発見などの有用な課題に対応する規模へ拡大するには、誤り訂正を実現し、約100万量子ビットでシミュレーションを行う必要があります。
私は長年、この課題が人間の時間尺度で、特にSDGsの目標年である2030年までに達成されるには、シリコンチップ産業がすでに持つ製造能力を活用するしかないと考えてきました。
今後の道筋
先月、世界経済フォーラムのグローバル・フューチャー・カウンシルの会合に、産業界や学術界など各分野の専門家チームが集まり、SDGsが示す地球規模の課題、とりわけ気候変動への対応に量子コンピューティングがどう役立つかを議論しました。
量子コンピューティングに関するグローバル・フューチャー・カウンシルの共同議長として、気候変動対策の実現や、SDGsのより広範な達成などに役立つ強力な量子コンピューティング能力の開発に向け、教育を含め、世界がより多くの資源を投じるべきだという点で全員の意見が一致したことを心強く思いました。SDGs、とりわけ気候変動に関する目標の達成に貢献できるよう、2030年までの開発を目指して、この重要技術に関する国際協力を強化することを、私たちは強く呼びかけました。
私にとって本当の問いは、間に合うかどうかです。その時間内に十分強力な量子コンピューターを実現できるでしょうか。私はできると信じています。もちろん、気候変動に対処するためにできること、すべきことはほかにも数多くあります。しかし、大規模で誤り訂正された量子コンピューターの開発は、私たちが手放す余裕のない備えです。
