量子力学について誰もが知っていることの一つは、その伝説的な奇妙さである。量子力学が描く世界の基本原理は、私たちが暮らす世界とはかけ離れたものに見える。重ね合わせとは、物事が同時に二つの状態にあることを指し、スイッチがオンであると同時にオフである状態、あるいは猫が 死んでいると同時に生きているという状態を指す。もう一つは量子もつれで、アインシュタインが「不気味な遠隔作用」と呼んだ現象であり、物体が巨大な距離で隔てられていても、目に見えない形で結びついている状態を指す。
奇妙であるかどうかにかかわらず、 量子論は誕生から一世紀近くになっており 、日常生活で数多くの応用を見いだしてきた。ジョン・フォン・ノイマンはかつて「あなたは量子力学を理解しているわけではない。ただ慣れてしまっただけだ」と述べた。電子工学の多くは量子物理学に基づいており、量子論をコンピューティングに応用することで、今日私たちが目にする複雑な計算やデータ処理に、大きな可能性が開けるかもしれない。
重ね合わせを活用できるコンピュータプロセッサを想像してみてほしい。そのプロセッサは、複雑な問題の任意に大きな数の順列の結果を同時に計算できる。量子もつれがどのように活用されうるかも想像してみてほしい。物理的に離れていても、世界の反対側にあるシステム同士を結びつけ、その取り組みを統合できるかもしれない。量子コンピューティングは計り知れない可能性を秘めており、薬剤に対する身体の反応のシミュレーション、気象パターンの予測、大規模データセットの分析といった、最も困難な課題の一部を容易にこなす。
そのような処理能力が必要とされている。最初期のトランジスタはかろうじて手に載せられる程度の大きさだったが、今日では14ナノメートルにすぎず、赤血球より500倍小さい。インテル創業者のゴードン・ムーアが予測し、「 ムーアの法則」として知られるこの絶え間ない微細化は、50年にわたって成り立ってきたが、無期限に続くことはできない。シリコンは縮小できる限界があり、私たちが慣れ親しんできた性能向上の恩恵を今後も受け続けたいのであれば、別のアプローチが必要である。
量子製造技術
半導体製造の進歩により、量子スケールの半導体（重ね合わせやもつれといった量子効果を示す電子回路）を大量生産することが可能になった。
原子スケールで撮影されたこの画像は、量子コンピュータの構成要素の有力候補の一つである半導体ナノリングの断面を示している。これらのリング内に閉じ込められた電子は、量子力学の奇妙な性質を示しており、半導体製造プロセスは、量子コンピュータの構築に必要なこれらの要素を統合する準備が整いつつある。こうした構造を用いて量子コンピュータを構築できるかもしれないが、依然として大きな課題が伴う。
従来のコンピュータプロセッサでは、膨大な数のトランジスタが互いに条件付きかつ予測可能な形で相互作用する。しかし、量子の振る舞いは極めて脆弱である。例えば量子物理学では、スイッチがオンかオフかを確認するといった、システムの状態を測定する行為そのものが観測対象を変化させてしまう。従来型コンピュータでは容易に扱えない有用な出力を生み出すために量子システムを統率することは、極めて困難である。
しかし、大規模な投資も行われてきた。例えば、 英国政府は2014年に量子技術向けに2億7,000万ポンドの資金提供を発表しており 、また、 グーグル、NASA、ロッキード・マーティン なども、この分野で研究を進めている。進展のペースを予測するのは難しいが、有用な量子コンピュータは10年後に実現するかもしれない。
量子コンピューティングの基本要素は量子ビットと呼ばれ、従来のコンピュータで用いられるビットに相当する量子的な単位である。これまでに科学者たちは、ダイヤモンド内の欠陥から半導体ナノ構造、微小な超伝導回路に至るまで、さまざまな方法で量子システムを利用して量子ビットを表現してきた。それぞれに長所と短所があるものの、量子コンピュータに求められる要件であるいわゆる「 DiVincenzo Criteria」をすべて満たすものは、まだ一つも存在しない。
最も目覚ましい進歩は、D-Wave Systemsによってもたらされている。同社は、従来型プロセッサに外観が似た小型チップに数百もの量子ビットを詰め込むことに成功した企業である。
量子による秘密保持
ただし、量子技術を活用する利点はコンピューティングに限られるものではない。量子コンピューティングがデジタル・コンピューティングを拡張または補完するかどうかにかかわらず、同じ量子効果は他の目的にも活用できる。最も成熟した例は量子通信である。
紙幣やダイヤモンドといった貴重品の偽造を防ぐ手段として、量子物理学が提案されてきた（下の図に示すとおり）。ここでは、量子物理学に組み込まれた特異な否定的規則が有用であることが分かる。すなわち、未知の状態を完全に複製することはできず、測定は測定対象のシステムを変化させる。この二つの制約がこの量子偽造防止方式で組み合わされ、その情報が格納されている対象物の識別情報を複製することが不可能になっている。
「 量子マネー 」という概念は、残念ながら極めて実用性に乏しいが、同じ発想は通信分野で首尾よく応用されてきた。その考え方は単純である。量子の重ね合わせ状態を測定する行為は、測定しようとしているものを変化させるため、そうした測定を行う盗聴者の存在を検知することが可能になる。適切なプロトコル、例えば BB84を用いれば、プライバシーが物理学の基本法則によって保証された状態で、秘密裏に通信することが可能になる。
量子通信システムは、現在、 東芝 および ID Quantiqueなどの企業から商用製品として提供されている。現時点では導入は扱いにくく高価だが、過去60年にわたってトランジスタが小型化してきたように、今後はより合理化され、小型化していくだろう。
ナノスケールの製造技術の改善は、量子ベースの技術の開発を大幅に加速させるだろう。有用な量子コンピューティングはまだ先のように見えるが、その将来は実に大いに期待できるものである。
本記事は、 The Conversationとの協力により掲載されたものである。掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではない。
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執筆者：ロバート・ヤングは、ランカスター大学の研究フェロー兼講師である。
写真：新竹にある台湾積体電路製造（TSMC）で展示されている12インチウェハー。REUTERS/Richard Chung
