人工知能（AI）、高性能コンピューター（HPC）、量子コンピューティングが科学を飛躍的に加速させています。
これらの最先端技術は、材料発見を加速させ、パンデミック、気候変動、サイバーセキュリティといった課題への対応を可能にします。
官民パートナーシップを通じて、政府、産業界、学界が協力して、コンピューティングの未来を取り入れ、加速する発見の時代を推進することができます。
まず一本の短い線をゆっくりと着実に下ろし、さらに五本を続けて、完璧な六角形を完成させます。
15歳のとき、マドリードで暮らしていた私は理科の授業が大好きでした。特に印象的だった化学の先生は、元素周期表を丸ごと暗記するよう私たちに課題を出しました。実験室に行くのが大好きで、フラスコを熱すると色が変わる泡立つ液体で実験したり、目の前で相が変化する湯気の立つ物質を観察したり、分子の面白い棒状の図を描いたりしていました。
数十年後の2015年、私は同じ完璧な六角形を、次の装置で撮影された分子の画像の中で目にすることになります。1980年代初頭にIBMが設計した、ノーベル賞受賞の走査型トンネル顕微鏡。十代の頃、私は棒状の図を、小さな世界を表す簡単な方法としての、プラトン的な理想だと信じていました。そして今、私は非常に現実的な分子であるペンタセン（五つの六角形が一列に並んだもの）を見つめていました。私は十代の頃に戻り、そのとき未来を垣間見たのです。突然、未来が目の前にありました。
今日では、そのプロジェクトの主任科学者であるIBMリサーチの化学者レオ・グロスや、世界中の他の研究者たちが、日常的に分子を画像化しています。分子の電荷状態が変化する瞬間や、化学反応の前後の様子を、写真に収めることさえできます。
しかし、飛躍的に進歩しているのは化学的画像化だけではありません。科学的方法論全体が加速されています。その一因は、人工知能（AI）や量子コンピューターといった最先端のツールです。量子コンピューターは、スチームパンク風の金色のシャンデリアのように見える未来的な機械です。また、私たちの科学の進め方が変化していることも要因です。ついに世界は、科学的発見における官民協働の重要性を理解し始めています。そして新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックが、こうした成功を収めた複数のグローバルなパートナーシップの触媒となりました。
この勢いを保つべきです。従来の高性能コンピューター（HPC）、AI、量子コンピューティングは、それぞれ単独でも強力ですが、その可能性はさらに大きなものです。コンピューティングの未来を真に取り入れるためには、政策立案者、産業界、学界が、これらの技術が連携し、互いを高め補完し合うインフラを構築しなければなりません。
このインフラの結節点には、戦略的な国内および国際的なパートナーシップが必要です。産業界、学界、政府が協力して、進歩を加速させ、世界的な脅威への備えと対応を向上させ、世界をより良くしていくことが求められます。政府や産業界の指導的地位には、より多くの科学者が必要です。また、通常時も世界的な緊急事態のときも、政策立案者と研究者の間のシームレスな連携を確保する必要があります。
私たちが創設すべき世界的な協働の一つは、私が「科学即応予備隊（Science Readiness Reserves: SRR）」と呼ぶことを提案するものです。この組織は、さまざまな世界的災害の専門家である研究者を迅速に動員し、スーパーコンピューターや量子コンピューターなど最先端技術を持つ組織と、世界中の科学者を結びつけることを支援するものです。
この影響は、社会と経済のあらゆる分野に及ぶでしょう。それを実現するための要素はすべて揃っています。ビット、ニューロン、量子ビットです。秘訣は何でしょうか？それは、これらが協働しなければならないということです。
ビット、ニューロン、量子ビットの可能性
かつて描くのが大好きだった、あのシンプルな分子、ペンタセンを考えてみてください。辺を共有して連なった五つの完璧な六角形です。22個の電子と22個の軌道を持ち、従来の古典的コンピューターでシミュレーションできる最も複雑な分子の一つです。
しかし、分子の配置は数十億の上に数十億もあり、新しい分子に可能な組み合わせの数は、宇宙に存在する原子の数よりも多くなります。
この広大な化学空間を効果的に精査できれば、特定の分子を迅速に見つけ出し、望ましい特性を持つ新しい材料を創り出すことができます。これは材料設計の無限の可能性を開くものであり、命を救う医薬品、より優れた電池、より高度な義肢、より速く安全な自動車など、医療、製造、防衛、バイオテクノロジー、通信、そしてほぼすべての他の産業の発展につながります。この設計能力は、材料発見における、数世紀にわたる偶然の発見への依存に取って代わるものです。私たちは、プラスチック、テフロン、ベルクロ、ワセリン、加硫ゴムなど、数多くの画期的な発明を通じて、すでにこれを経験してきました。グラフェン（炭素の原子一層分の厚さで、既知の材料の中で最も薄く最も強い材料）でさえ、物理学者コスティア・ノヴォセロフが研究室のゴミ箱で捨てられたスコッチテープを見つけたことで、（情報に基づいた）偶然によって発見されました。
材料設計は長い間、緩慢で反復的なプロセスでした。通常、研究者は実験、理論、シミュレーションの間を行き来します。未知の分子の挙動を近似する計算を磨き上げるコンピューターと、分子が予測どおりに機能するかを確かめる実験室の間を、終わりのない循環の中で往復しているのです。確かに、高性能コンピューティング（HPC）は単純な物理的・化学的プロセスをシミュレーションできます。確かに、HPCの進歩は、実験室での検証に有用となりうる分子を特定する助けとなってきました。そして確かに、AIは新規の高性能材料のスクリーニングにおいて、ますます価値を高めています。物質の挙動と化学構造の関係を評価するモデルを作成し、未知の物質の特性を予測し、既に発表された論文を精査しています。
それでも、新しい材料の開発には何年もかかります。量子をこの組み合わせに取り入れ、ビット、ニューロン、量子ビットを並んで機能させる必要があります。
私たちは皆、日常的にビットを扱っています。タブレットを巧みに操る幼児から、原子力発電所の事故現場を片付ける自律型ロボットに至るまで、です。ビットはスマートフォン、地元の病院にある脳スキャナー、そして火星で遠隔操作されるNASAの探査車を動かしています。一方、人工ニューロンは数学的関数であり、AIのディープニューラルネットワークが複雑なパターンを学習するのを助けるものです。これは、脳の神経細胞である自然のニューロンを大まかに模倣したものです。
次に量子ビットがあります。これは情報の基本単位です。量子ビットはビットの風変わりで、ずっと若い量子版の親戚です。量子ビットは原子と同じように振る舞い、重ね合わせ（同時に複数の状態にあること）や、もつれ（一方の量子ビットが、もつれた相手と同時に状態を変化させること。たとえそれらが何光年も離れていたとしても）といった不思議な性質を持っています。古典的コンピューターは、ビットの値（0または1）の潜在的な組み合わせを一度に一つずつ調べなければなりませんが、量子コンピューターは指数関数的な数の状態を同時に相互作用させることができます。
分子は化学結合によって結びついた原子の集まりであり、量子ビットは分子の挙動をシミュレーションするのに優れた手段です。材料設計において、量子コンピューティングは、はるかに複雑な分子系の正確なシミュレーションという、かけがえのない新たな次元を加えるでしょう。
材料発見にとどまらず、量子コンピューターは、多くの可能性に基づいて最善の結果を予測する必要がある分野において、大きな恩恵をもたらすでしょう。例えば、金融ポートフォリオの投資リスクや、旅客機にとって最も最適な燃料節約経路の計算などです。この技術は、ちょうど商用化の段階に入ったところであり、クラウドを通じて利用・プログラミングが可能になっています。
IBMでは、量子コンピューターは、特定のユースケースにおいていかなる古典的コンピューターをも凌駕する、いわゆる「量子優位性」に、今後10年以内に到達すると考えています。
IBMでは、量子コンピューターは、特定のユースケースにおいていかなる古典的コンピューターをも凌駕する、いわゆる「量子優位性」に、今後10年以内に到達すると考えています。
ダリオ・ギル、IBMリサーチ所長
その時が来れば、世界は以前とは同じではなくなるでしょう。ただし、秘訣を忘れなければの話です。ビット、ニューロン、量子ビットは、それぞれ単独でも強力ですが、協働することで真の技術革命を引き起こすでしょう。それは、未来の標準的な科学的方法である、新たな「加速する発見」のワークフローを可能にするのです。
医療分野では、これが創薬に影響を与え、より優れた個別化医療、より効率的な臓器のバイオプリンティング、そして迅速に開発されたワクチンにつながるでしょう。AIはすでに、従来のコンピューターが医療画像診断、診断、データ分析を高速化する助けとなっています。将来的には、量子コンピューターが、極めて高次元の特徴空間を探索することで新たなパターンを見出すためにAIアルゴリズムを支援し、画像診断や病理学などの分野に影響を与える可能性があります。HPC、AI、量子コンピューターを組み合わせることで、食料供給の減少、汚染、CO2回収、エネルギー貯蔵、気候変動への対応に役立つ可能性があります。さらに、この手法は、まだ起きていないが、いつ起きてもおかしくない世界的脅威のリスクに関する、私たち自身の評価を補完するものとなるでしょう。
コンピューティングの未来には、世界的な協働が必要です
ここで、コンピューティングの未来を実現するために必要なもう一つの要素に話を移します。それは、国内および国際的な協働です。
パンデミックは、たとえ業界のライバル同士で構成されていても、官民協働が機能することを示しました。2020年3月に設立されたCOVID-19ハイパフォーマンスコンピューティング・コンソーシアムは、政府、産業界のリーダー、学術研究機関を結集し、COVID-19研究を行う科学者を支援するために計算資源を持ち寄りました。この協働は、重要なデータ共有と創造的な知見の交換も提供しています。
これは、パンデミックを超えて、世界規模で私たちが必要としている種類の協働です。量子、HPC、AIによって推進される科学的方法の強化は、サイバーセキュリティから娯楽、製造に至るまで、社会の多くの要素への対処と改善に貢献できます。科学技術機関の人材をどう活用するかを再考し、協働を促進する新たな方法を模索すべき時でもあります。だからこそ、提案されている科学即応予備隊は非常に重要になりうるのです。
科学は、私たちの将来の繁栄と健康にとって不可欠です。これは、これまでも常にそうであり、今後も常にそうでしょう。科学の緊急性と協働の力を認識するための警鐘が必要だったことがあるとすれば、それは今です。
世界経済フォーラムは、第四次産業革命に対して何をしているのでしょうか？
フロンティア技術・イノベーションセンターは、科学者、政策立案者、ビジネスリーダーを結集し、新興技術とその現実世界への影響を理解する取り組みを行っています。
協働と実験を可能にすることで、同センターはパートナーが、研究から得られたイノベーションを、世界が共有する課題に対処する実用的な応用へと転換する支援を行っています。
