バンクーバーを拠点とする1QBitは、世界経済フォーラムの 2015年度テクノロジー・パイオニアに選ばれた企業の一つです。同社は、困難な計算問題を伴う現実世界の課題に対処できる量子プロセッサ向けのソフトウェアを開発しています。共同創業者のランドン・ダウンズとアンドリュー・ファースマンが、量子コンピューティングが現在何をできるのか、そして今後どこへ向かうのかについて語ります。
量子コンピューティングの背景について、簡単に説明していただけますか？
人々が初めてそう考え始めたのは1980年代で、物質の量子的性質を利用すれば、従来のコンピュータよりはるかに速く計算を行えるコンピュータを構築できるのではないか、という発想でした。今日のコンピュータはすべて、オンかオフのいずれかである「ビット」で動作します。一方、ビットに相当する量子版である「量子ビット（キュービット）」は、物質が量子レベルで示す独特の振る舞いのため、オンとオフの両方の状態を同時にとり得ます。リチャード・ファインマンやデヴィッド・ドイッチュなどの物理学者は、コンピュータのビットを量子ビットに置き換えることができれば、この振る舞いを活用して計算を桁違いに高速化できると理論化しました。
しかし、理論を実践に移すことは、落胆させるほど困難であることが分かりました。量子ビットを一つ生成した状態から三つの量子ビットを用いるシステムにまで到達するには、何年もの研究が必要でした。そして、コンピュータは何十億ものビットを持っています。そのため人々は、量子ビットを使って万能コンピュータを構築するという野心から距離を置き、代わりに、量子効果を用いて、より限定された種類の特定の計算を行う別の方法があるかどうかに注目するようになりました。
それは電卓とコンピュータの違いのようなものです。ポケット電卓を覚えているほどの年齢であれば、今のスマートフォンができることは電卓にはできませんでしたが、限られた数の機能は非常にうまくこなせ、紙と鉛筆で計算するという代替手段よりもはるかに優れていました。現在の段階もそれに近いものです。私たちのソフトウェアが動作するプロセッサについては、「量子コンピュータ」よりも「量子電卓」と表現する方が適切でしょう。その領域は比較的狭いものですが、その範囲内では刺激的な応用を可能にします。
どのような種類の問題が、量子プロセッシングによるアプローチに適していますか？
一般的には、膨大な数の可能な選択肢の中から最良の解を探す問題です。この種の問題に取り組む方法は二つあります。一つは、すべての選択肢を順番に検討し、どれが最良かを確かめる方法です。しかし、かなり早い段階で非現実的になります。はい・いいえで答えられる質問が250個あると想像するだけで、観測可能な宇宙にある原子の数よりも多くの組み合わせが既に存在します。
そこで代替案として、ヒューリスティクス（経験則）を用います。これは、可能な限り最良の答えを見つけることを現実的に期待せず、許容できる十分に良い答えを許容できる短い時間内に得る必要がある状況のために、数百年かけて発展してきた工夫や手法です。物質の量子的振る舞いにより、これらのプロセッサは、量子アニーリングと呼ばれるプロセスを通じて最適解にすばやく到達できます。目標は、ヒューリスティクスの実行にかかるのと同じ時間枠で、網羅的探索で得られる答えにより近いものを得ることです。
この能力を活用できる実世界の応用例には、どのようなものがありますか？
私たちが最近開発し、特許を取得したソフトウェアの一例は、多次元構造を比較し、どれが互いに最も類似しているかを判断するツールです。考えられる応用先の一つは創薬です。まったく新しい分子があり、それが体にどのような影響を及ぼすかを予測したい場合、既知の作用をもつ分子のデータベースと比較するのも一つの方法です。その分子は、がんを治すことが知られている分子と、心臓病を引き起こすことが知られている分子のどちらにより類似しているでしょうか？
しかし、このソフトウェアは、ノードとエッジの集合として捉えられるもの、すなわち数学ではグラフとして知られるものであれば、どのようなものにも同様に適用できます。たとえば金融では、さまざまな可能なポートフォリオをグラフとして表し、比較することができます。計算金融は、私たちが取り組んでいる分野です。限られた時間内により良い答えを得ることには明らかな利点があり、たとえばポートフォリオにとって最適な金融商品の組み合わせなどが対象となります。
グラフ比較は、今日の量子プロセッサ上で動作する、私たちが開発中の複数のソフトウェアツールの一つにすぎません。そして、これらのプロセッサがより大きなチップへと進化するにつれ、こうしたソフトウェアの中核部分の上に構築される応用は、ますます強力になっていくでしょう。
あなたのソフトウェアはどの量子プロセッサ上で動作しますか？
私たちのパートナーであるD-Waveが製造したシステムです。量子ビットから量子的な振る舞いを得るため、プロセッサは真空中に置かれ、地球の磁場から遮蔽され、絶対零度近くまで過冷却されています。必要な設備の規模で言えば、今日のパーソナルコンピュータではなく、1960年代の初期のメインフレームコンピュータに例えるとよいでしょう。
D-Waveが唯一の量子プロセッサですか、それとも他にもありますか？
D-Waveは現在、購入可能な量子プロセッサを製造している唯一の商業事業体です。しかし、スタートアップ、学術界、そしてGoogle、Microsoft、IBMといったテクノロジー大手など、多くのグループが素晴らしい研究を進めています。この研究の一部はD-Waveのような超伝導システム上で行われており、一部はさらに特殊で実験的なものです。
これらの異なるグループは、他のグループの取り組みをどの程度把握できているのでしょうか？
学術界の研究は絶えず発表されており、私たちは正式なものも非公式なものも含め、さまざまなワーキンググループに参加しています。その中には、NASA、Lockheed Martin、Google、Universities Space Research Associationを含むD-Waveユーザーグループもあります。私たちは、互いが何に取り組んでいるかを把握し、互いに助言し合い、有望に見えるものを理解するよう努めています。競争意識はあまりありません。分野そのものが生み出す勢いが大きいほど、私たち全員にとって良いことだと分かっているからです。
1年後、5年後、10年後、20年後に量子コンピューティングがどこまで進んでいるかを予測することは可能でしょうか？
短期と長期のどちらの時間枠も、自信をもって答えやすいものです。量子ビット数が毎年倍増するという、かなり一貫した傾向が続いてきました。D-Waveは、1,000量子ビットを超える初のプロセッサの提供開始を発表したばかりです。したがって、1年後には2,000量子ビットを超えるプロセッサが登場すると予想しています。そして、ほぼ誰もが、20年後には、1980年代にリチャード・ファインマンなどが構想した、より汎用的な万能量子コンピュータが実現していると考えています。
不確実なのは中間的な期間に何が起こるかです。ここからそこに到達するまでに取り得る道筋は100万通りもあるからです。私たちの予測 ‒ そして確かに私たちの希望 ‒ は、技術へのアクセスが広がることによって進歩が促されるというものです。将来的には、他の開発者が基盤として利用できるソフトウェアを構築し、人々がAndroidスマートフォンで様々な操作を試すのと同じように、量子処理を自由に試せるようにしたいと考えています。そうなれば、様々な新しく刺激的な応用が生まれると確信しています。
2015年テクノロジー・パイオニアの全選出者の詳細は こちらでご覧いただけます。
執筆者：ランドン・ダウンズ、アンドリュー・ファースマン（1QBit共同創業者）
画像：2011年5月16日、スイス連邦工科大学（EPFL）の、ローザンヌ近郊のエクブラン（Ecublens）にある低粒子汚染ナノファブリケーション・クリーンルームで、「Guardian Angels」プロジェクトのメディア向け発表中に撮影されたシリコンウェハー。REUTERS/Valentin Flauraud
