量子コンピューティングは、現在の限界を克服できれば、人類の最も差し迫った問題に関連する計算問題を解決できる可能性があります。
光子を用いる光量子コンピューティングは、電子を用いる方式の技術に関連するエネルギーの課題を回避します。
2030年までに100万量子ビットのコンピューターを実現できる可能性があり、光量子は持続可能なAIを含む複数の分野で解決策を提供できる可能性があります。
気候の緊急事態、食料不足、健康格差に至るまで、社会の課題はますます複雑になっており、希望を与えているのは技術、とりわけAIです。しかし、社会がAIとの統合を進めることは、エネルギーに対する大規模かつ前例のない需要ももたらしています。世界の最も差し迫った問題に取り組み、AIを責任ある持続可能な形で活用できる未来を築くためには、はるかに少ない電力を使いながら、より高い性能を実現できる技術を、従来型のコンピューティングの枠を超えて模索しなければなりません。
その答えは、量子コンピューティングとフォトニクスです。量子コンピューティングは驚異的な速度で計算を実行できる可能性があり、従来のスーパーコンピューターでは10万年かかる問題を瞬時に解決できることを意味します。量子コンピューティングは、従来のコンピューターの計算限界を超える新しく異なる方法で動作するため、長らく不可能とみなされてきた課題に取り組めるようになります。
量子コンピューティングは2030年頃から、具体的な実社会での便益をもたらし始めると見込まれています。社会的課題への対応、AIの可能性の実現、そして個別化医療、再生可能エネルギー、安全な食料供給といった進展を可能にすることを通じて、人類の進歩を前進させるものです。そして最新の進展である、フォトニクスに基づく光量子コンピューティングが現在開発中です。これは、さらに高い拡張性、より高い精度、より優れたエネルギー効率――しかも光の速さで――によって、これらすべてを実現する可能性をもたらします。
量子コンピューティングがこれほど困難な理由
35年にわたる開発の後でも、量子コンピューティングには依然として大きな障壁があります。
まず、量子コンピューティングは容易にも効率的にも拡張できません。量子ビット（キュービット）として知られる量子ビットは、量子コンピューターにおける情報の基本的な構成要素です。量子ビットの数が増えると、量子コンピューターの物理的な大きさが増し、より多くの冷却システムが必要となるため、著しく多くのエネルギーが求められます。
二つ目の大きな課題は誤り訂正です。計算が複雑になるにつれて「量子ノイズ」が蓄積し、正確な計算を行うことが困難になります。このノイズは、電磁放射、温度変動、不完全な制御信号などの外乱の形で生じることがあり、いずれも量子ビットの状態に影響を及ぼしかねません。
これらの課題に対処するための決定的な要素は、フォトニクス、すなわち光学技術を方程式に加えることです。光量子コンピューティングとして知られるこの技術は現在開発段階にあり、世界の在り方を変えることになるでしょう。
光学技術が量子コンピューティングをどのように進展させるか
光量子コンピューティングは、フォトニクスに基づくものとなります。簡単に言えば、情報を伝送するために光の粒子に依存することを意味します。これは今日使われている電子技術からの大きな飛躍です。電子はデータの伝送と処理にエネルギーを必要とし、熱を発生させ、その冷却にさらに多くのエネルギーを要します。光子は光速で移動し、必要とするエネルギーはごくわずかで、ほとんど熱を発生させません。
電子を用いる量子コンピューターは、性能が向上するにつれて消費電力も増大するため、エネルギーの課題に直面しています。また、絶対零度近くまで冷却する必要があるため、膨大なエネルギーを消費する大規模な冷却システムでしか動作できません。
一方、光量子コンピューティングは、室温・大気圧下で動作することができ、特殊な冷却システムや真空システムを必要としないため、消費電力を大幅に抑えることができます。
量子コンピューティングの仕組み
光学ベースであるかどうかにかかわらず、量子コンピューティングの基本原理は同じです。迷路を想像してください。従来型コンピューターで問題を解くことは、一度に一つの経路を確認しながら迷路を進むことに似ています。行き止まりに着くまで通路をたどり、最後の分岐点まで戻って次の経路を試します。最終的に出口を見つけるまで、このアプローチを続けます。迷路が複雑になるほど、確認しなければならない経路の数は大幅に増えます。
量子コンピューティングは、迷路のすべての経路を同時に探索し、出口につながる経路だけを残すようなものです。複数の可能性を同時に検討できるため、量子コンピューティングは従来のコンピューターよりもはるかに複雑な問題を解くことができます。これは量子ビットを通じて行われ、量子ビットは本質的に標準的なコンピューターのビットに相当する量子的な存在です。
社会に大きな影響を与える応用に量子コンピューターを広く利用できるようになるには、100万から1億量子ビットが必要とされます。1億量子ビットの達成にはまだ長い道のりがありますが、100万量子ビットを扱えるコンピューターの開発に向け、迅速かつ協調的に取り組んでいます。この目標は、今年代末までに達成することを目指しています。
光量子コンピューターは、マルチプレキシングによってこれを前進させます。これは本質的に、別々のデータ流や信号を組み合わせ、単一の光ファイバーケーブルで同時に送信することを意味します。これにより量子ビットの数が格段に速く拡張され、100万量子ビット、あるいは1億量子ビットという目標により早く到達できるようになります。
人類にとって量子コンピューティングが重要な理由
従来型コンピューターの限界のために、今日では克服できない実社会の問題が存在します。量子コンピューターは、こうした種類の問題を解決できるようになると見込まれています。光量子コンピューターは、より少ない電力で大規模なシミュレーションや最適化を可能にすることで、これをさらに前進させます。
量子コンピューティングが提供できるものは、次のとおりです。
気候変動対策： エネルギー効率の高い材料の設計を可能にし、再生可能エネルギーシステムを最適化することで、世界の炭素排出量の削減を支援します。
気候の緊急事態： 台風やハリケーンなどの主要な気候事象の状況や推移を専門家が予測できるよう支援することで、気象関連の緊急事態や災害を緩和します。また、AIだけでは見落としがちな低確率のパターンを特定することにより、まれで局所的な極端現象のより正確な予測を可能にします。
食料安全保障： 低エネルギーの窒素固定プロセスを通じた肥料製造の革新を可能にすることで、より安定した世界の食料供給に貢献します。
医療と健康・福祉：新薬発見の迅速化と個別化医療の進歩を可能にし、パンデミックへの備えを支えるとともに、健康格差の縮小に役立ちます。
金融の安定： 大規模なリスク分析と最適な投資戦略をリアルタイムで実行することを支援し、世界の金融市場の安定性を高めます。
量子技術は、産業を変革する可能性も秘めています。例えば製造業では、サプライチェーンや炭素中立型の製品設計を最適化することができ、持続可能な産業構造への移行を後押しします。情報通信技術産業では、量子コンピューティングによって世界規模の通信ネットワークを最適化し、従来のコンピューターでは対応できないレベルで災害や障害に強いものにすることができます。さらに、エネルギー分野では、量子技術に由来する発電、エネルギー貯蔵、スマートグリッドの最適化における革新が、脱炭素化に向けた進展を促すと期待されています。
未来への光子の道筋
光量子技術は、人類の持続可能な未来の基盤を提供できます。肥料を効率的に合成することで食料問題の解決に役立て、大都市の交通と物流を最適化し、一人ひとりに合わせた最適な薬剤分子構造を設計し、新たなエネルギー源になると期待される核融合炉を設計することができます。
従来のコンピューターはこうした課題に対して近似解を導くことはできますが、その精度には限界があります。量子コンピューティングは、著しく高い精度で非常に複雑な問題を解くことができ、光量子コンピューターはさらに大きな利点、すなわち消費電力を抑えた高速処理をもたらします。光学技術によって量子ビットの容量を急速に拡大できるため、2030年頃までに耐障害性を備えた100万量子ビット規模のシステムを実現できると見込んでいます。そして、それは世界を変えることになるでしょう。
光量子コンピューティングは、人類にとって最大級の地球規模の課題の解決に大きく近づけ、責任ある持続可能なAIを可能にするとともに、ビジネス、健康、科学などにおいて長期的な社会的便益をもたらします。それは、かつては想像もできなかった形で希望を与える技術です。
