現在のエネルギーを大量に消費する技術では、ウェブ上の情報に対する私たちの欲求とニーズの高まりに対応しきれなくなっています。
ワクチンや気候変動の探究における量子技術を用いた画期的なイノベーションは、既存のあらゆる技術を上回る力を秘めています。
「量子論について考えても目が回らないなら、量子論の基本すら理解していない」。これはニールス・ボーアの言葉で、1952年にコペンハーゲンで、量子力学の主要な創始者仲間であるヴェルナー・ハイゼンベルクとヴォルフガング・パウリと交わした会話に由来します。この会話以来、量子論とそこから生まれた技術は、レーザー、トランジスタ、スマートフォンを生み出し、私たちの生活を実際に一変させてきました。新たな量子技術に基づく将来の発明が計算能力に革命をもたらし、複数の分野を変革すると信じるに足る理由は十分にあります。
量子技術とは何か？
量子技術とは、光子、電子、原子、分子の量子的性質を利用するように設計されたシステムです。こうした技術に不可欠な量子的性質には、量子もつれ、重ね合わせ、トンネル効果があります。
量子シミュレーターとは、量子現象が重要となる別のシステムの振る舞いを再現するための量子システムです。量子シミュレーターの利点の一つは、すべての構成要素を制御する必要がなく、完全な量子コンピューターよりもはるかに簡単に構築できることです。量子シミュレーター向けの実用的なプラットフォームはすでに存在し、スーパーコンピューターに対する競争力も実証されています。こうしたプラットフォームの例として、イオントラップや光格子中の超低温原子があります。
量子コンピューターは、量子技術が目指す究極の、そして困難な目標です。古典コンピューターでは、情報は0または1の値を取るビットに符号化されます。量子コンピューターでは、メモリー単位は量子ビット（キュービット）と呼ばれ、複数の状態の重ね合わせにあることができます。簡単に言えば、n個の古典ビットが一度に運べるのは1つの数に関する情報ですが、n個の量子ビットは2ⁿ個の数に関する情報を同時に運びます。量子コンピューターの実現における課題の一つは、量子ビットを特定して製造することです。もう一つの重大な課題は誤り訂正に関するものです。
第四次産業革命に対して、世界経済フォーラムはどのような取り組みを行っ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社会への影響を理解する場を提供しています。
連携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生まれたイノベーションを、共通の地球規模の課題に取り組む実用的な応用へとつなげる支援をしています。
量子革命が必要な理由
私たちは技術時代の終わりに近づいています——ムーアの法則は計算能力に関してもはや当てはまらず、情報社会の基盤を形成する技術はその潜在能力をほぼ使い切っています。同時に、COVID-19のパンデミックや気候変動といった深刻な地球規模の課題に直面しながら、人々の生活と健康が継続的に改善することを期待しています。こうした課題の解決策を探るなかで、処理が必要な膨大なデータという障壁に突き当たりました。その処理には、現在利用できるものとは桁違いの計算能力が必要です。
もう一つの障壁は、インターネット上で急増するデータ量と情報交換を扱うために必要なエネルギーです。化石燃料に依存しない持続可能な方法でエネルギー供給を大幅に増やさなければ、現在の計算手法で必要なエネルギーを十分に、かつ責任ある形で供給することはできません。
立ち止まることは後退を意味する
量子技術の開発競争はすでに始まっており、それには十分な理由があります。最近のKPMGの報告書によると、量子技術の世界市場はまもなく500億ユーロに達すると予測されており、この技術の将来性は実に目覚ましいものです。この競争に参加しない国、立ち止まる国は、事実上後退することになります。さらに、国家安全保障の問題もあります。これはデータ暗号化と密接に結びついており、量子技術による大きな変革を目前にしています。
あらゆる汎用計算タスクを実行できる完全な量子コンピューターの実現は、まだ数十年先かもしれません。一方、IBM、Google、Microsoftなどの大手テクノロジー企業は、すでに新興の量子計算プラットフォームを無料で利用できるようにしています。その利用者が支払う唯一の代償は、データのプライバシーと知的財産を失う可能性です。
量子時代に加わるために、完全な量子コンピューターの登場を待つべきではありません。量子技術の要素と古典的なコンピューター手法を組み合わせたハイブリッドなソリューションは、すでに古典的なスーパーコンピューターを上回る計算上の優位性を示しています。また、量子シミュレーションなどの量子ベースの技術にも、量子的な性質を持つシステムの複雑な振る舞いを正確に予測できる可能性があります。
量子技術による各分野の変革
ライフサイエンス分野、ひいては人々の健康は、量子技術によって変革される可能性があります。量子ベースの技術は、新薬の探索に革命をもたらすうえで特に大きな可能性を秘めています。ペプチドやタンパク質などの分子医薬品の3D構造と機能には、量子力学的相互作用が不可欠な役割を果たします。タンパク質のアミノ酸配列からは無数の3D構造が考えられますが、自然界でどの構造が選ばれるのか、また生理的な細胞環境や関連する時間スケールのなかでどのように相互作用するのかを予測することが重要です。量子技術を使ってこうした探索を行い、候補となる医薬品を確実に特定できれば、貴重で費用のかかる実験室での時間を節約し、動物や人を試験に用いる必要性を最小限に抑えられる可能性があります。
新興の量子技術は、エネルギー分野も変革する可能性があります。たとえば、量子コンピューターは電力網を最適化し、さまざまなエネルギー生産・輸送方式が環境に及ぼす影響を予測できるようになります。また、量子ベースの計算装置は効率がはるかに高いため、同じタスクを従来型のコンピューターで実行する場合と比べて、エネルギー消費量を大幅に減らせます。さらに量子計算は、材料特性の予測にも優れている可能性があります。たとえば、光と材料の相互作用がまさに量子的な性質を持つ電池や太陽光発電向けに、より効率的な材料を探る際に役立ちます。
完全な量子コンピューターの計算能力は、想像しがたい形で変革をもたらすでしょう。より多くの情報をはるかに速く処理できるようになり、たとえばCOVID-19のパンデミックから生じた複雑なデータを理解し、次のパンデミックによりよく備えられる可能性があります。また、すべての気候データを処理・分析できれば、現在進行している気候変動の起源について貴重な知見が得られます。さらに、こうした変化を緩和し、地球を安定した均衡状態に戻すために役立つ知見も得られるでしょう。
ニールス・ボーアはまた、「予測は非常に難しい。とりわけ未来については」とも述べています。しかし、量子ベースの技術によって予測は容易になり、重要な分野が変革される可能性があります。こうした理由から、研究者、産業界、政治家、財団が一丸となって、量子への移行の実現を強く推進することが重要です。
