過去50年間、標準的なコンピュータープロセッサーはますます高速化してきた。しかし近年、その技術の限界が明らかになってきた。チップの部品は、重なったりショートしたりする前に、小型化や高密度化できる範囲に限りがある。企業がこれまで以上に高速なコンピューターを作り続けるには、何かを変える必要がある。
コンピューティングのさらなる高速化を実現する将来への大きな期待の一つは、私自身の専門分野である量子物理学だ。量子コンピューターは、これまで情報化時代に開発されたどの技術よりもはるかに高速になると期待されている。しかし、私の最近の研究で、量子コンピューターにも固有の限界があることが明らかになり、その限界を見極める方法も示された。
理解の限界
物理学者によれば、私たち人間が暮らすのは「古典」世界だ。多くの人は単に「世界」と呼び、物理現象を直感的に理解している。たとえば、ボールを投げると、予測可能な弧を描いて上がり、やがて落ちてくる。
より複雑な状況でも、人は物事の仕組みを無意識のうちに理解している傾向がある。多くの人は、車がガソリンを燃やす内燃機関（あるいは、バッテリーに蓄えられた電気を取り出す）ことでエネルギーを生み、そのエネルギーがギアや車軸を介してタイヤを回し、タイヤが路面を押して車を前進させることを、おおむね理解している。
古典物理学の法則のもとでは、こうした過程には理論上の限界がある。しかし、その限界は現実離れするほど高い。たとえば、車が光速を超えることは決してないことは分かっている。地球上の燃料や道路がどれほど豊富であっても、建設技術がどれほど優れていても、光速に近づく車は存在しない。光速の10％に達することさえない。
人々が世界の物理的な限界を実際に経験することはないが、そうした限界は存在し、適切な研究によって物理学者はそれを特定できる。しかし最近まで、研究者が持っていたのは、量子物理学にも限界があるという漠然とした考えにすぎず、それが現実世界でどのように当てはまるのかを見極める方法は分かっていなかった。
ハイゼンベルクの不確定性
物理学者は、量子論の歴史を1927年にさかのぼる。この年、ドイツの物理学者ヴェルナー・ハイゼンベルクは、古典的な手法が非常に小さな物体には通用しないことを示した。それらはおよそ個々の原子ほどの大きさだ。たとえば、誰かがボールを投げたとき、ボールがどこにあり、どれほどの速さで動いているかを正確に知るのは簡単だ。
しかし、ハイゼンベルクが示したように、原子や素粒子ではそうはいかない。観測者が分かるのは、粒子の位置か速度のどちらか一方であり、同じ瞬間に両方を知ることはできない。これは受け入れがたい発見だった。ハイゼンベルクがこの考えを説明した当初から、アルベルト・アインシュタインをはじめとする人々は、それに違和感を抱いていた。この「量子の不確定性」は、測定機器や工学技術の欠陥ではなく、私たちの脳の働きに関わるものだと理解することが重要だ。私たちは「古典世界」の仕組みに慣れるよう進化してきたため、「量子世界」の実際の物理的な仕組みを完全に理解することは、私たちの能力を超えている。
量子世界に入る
量子世界の物体がある場所から別の場所へ移動するとき、研究者はそれがいつ出発し、いつ到着するかを正確に測定できない。物理法則の限界により、検出にはごくわずかな遅れが生じる。実際の移動がどれほど速くても、検出されるのは少し後になる。（ここでの時間は極めて短く、1秒の1000兆分の1ほどだが、コンピューターで何兆回も計算を繰り返すと積み重なっていく。）
この遅れによって量子計算が実現できる速度は実質的に低下する。これが「量子速度限界」と呼ばれるものだ。
ここ数年の研究によって、私の研究グループは、大きく貢献してきた。こうした研究から、異なる種類の材料を異なる磁場や電場で用いる場合など、さまざまな条件下で量子速度限界がどのように決まるのかが明らかになった。それぞれの状況によって、量子速度限界は少し高くなったり低くなったりする。
誰もが大いに驚いたことに、予想外の要因が、ときには直感に反する形で、物事を速めることさえあると分かった。
この状況を理解するには、水の中を粒子が移動する様子を思い描くとよいかもしれない。粒子は移動する際、水分子を押しのける。そして粒子が通り過ぎると、水分子はすぐに元の場所へ戻り、その通過の痕跡は残らない。
今度は、同じ粒子が蜂蜜の中を進むところを想像してみよう。蜂蜜は水より粘度が高く、濃厚で流れが遅いため、粒子が通り過ぎた後、蜂蜜の粒子が元の位置に戻るまでに時間がかかる。しかし量子世界では、戻ってくる蜂蜜の流れが圧力を生み、量子粒子を前方へ押し進めることがある。この追加の加速により、量子粒子の速度限界は、観測者が通常予想するものとは異なる場合がある。
量子コンピューターの設計
研究者が量子速度限界について理解を深めるにつれ、その知見は量子コンピューターのプロセッサー設計に影響を与える。エンジニアがトランジスターを小型化し、古典コンピューターのチップ上により高密度に配置する方法を見つけたように、可能な限り高速の量子システムを作り、究極の速度限界にできるだけ近づけて動作させるには、巧みな技術革新が必要になる。
私のような研究者には、探究すべきことが数多くある。量子速度限界が、光速に決して近づけない車のように、到達不可能なほど高いのかどうかは明らかでない。また、例に挙げた蜂蜜のような環境中の予想外の要素が、量子過程の高速化に役立つ仕組みも、まだ十分に理解されていない。量子物理学に基づく技術が普及するにつれ、量子物理学の限界がどこにあるのか、そして分かっていることを最大限に生かすシステムをどのように設計するかを、さらに明らかにする必要がある。
