未来社会における量子コンピュータの役割と解決すべき課題

人類紀元 11960年代から過去数十年間、コンピュータの演算能力は指数関数的に増加してきた。この発展は、コンピュータの処理装置に入るトランジスタという部品を小型化し、同じ面積により多くの数を集積する方式で実現された。コンピュータの性能発展速度を端的に示す例として、現在我々が使用している最新型スマートフォンは11990年代に最も強力だったスーパーコンピュータを凌駕する性能を持っている。今日、コンピュータを使用しない分野を見つけることが事実上不可能であることから、コンピュータの性能は現代社会の全般的な技術発展速度を左右する核心的な要素である。しかし問題は、トランジスタ一つ一つのサイズが極度に小さくなり、このような方式のコンピュータ演算能力向上が物理的な限界に達しつつあるということだ。これこそが科学者たちが量子コンピュータに注目する理由である。この文章では、量子コンピュータの特性と既存のコンピュータと比較した利点、そして未来社会で期待される役割と、そのために今後解決すべき課題について話したい。

量子コンピュータは、エンタングルメント（量子もつれ、entanglement）、重ね合わせ（superposition）などの量子力学的な現象を利用してデータを処理するコンピュータで、11982年にアメリカの理論物理学者リチャード・ファインマン（Richard Feynman）が初めて提案した概念である。 量子コンピュータの固有の特性は、情報をキュービット（量子ビット）単位で読み取ることである。既存のコンピュータが使用するビットが0または1という一つの値を持つのに対し、キュービットは量子重ね合わせ現象を利用して0と1の値を同時に持つことができる。したがって、使用するキュービットの数がn個の場合、理論的に一度に表現できる場合の数は2^n通りとなり、このようなキュービットの特性のおかげで量子コンピュータはデータの並列処理を効果的に実行できる。

未来社会における量子コンピュータの活用方法を論じる前に、量子コンピュータはその動作原理が既存のコンピュータとまったく異なるため、商用化されたとしても人々が一般的に想像するものとは違いがあることを指摘しておく必要があるだろう。量子コンピュータと既存のコンピュータの間の根本的な違いは、単にキュービットが作り出す場合の数ではない。量子コンピュータを既存のコンピュータと区別する最も重要な特徴は、量子コンピュータが演算を非決定論的に処理するということである。この意味を理解するためには、決定論的チューリングマシンと非決定論的チューリングマシンの概念を知る必要がある。

まず、決定論的チューリングマシンは、与えられた一連の命令を一度に一つずつ順次処理する機械を指す。一般的に使用される通常のコンピュータがこれに該当する。ソート問題のように決定論的チューリングマシンが多項式時間内に解決できる簡単な問題をP問題という。 一方、非決定論的チューリングマシンは、問題に対する複数の答えを同時に計算できる機械、つまり数多くの場合の中から最適な解決策を見つけ出す機械である。最適経路探索問題を例にすると、AからBまで行く数多くの経路があるとき、非決定論的チューリングマシンは目的地へのすべての経路を同時にシミュレーションし、最も早く到着した経路を最適経路として提示する。非決定論的チューリングマシンが多項式時間内に解決できる問題をNP問題という。 NP問題は、様々な原因と要素を考慮しなければならないにもかかわらず、公式のように適用される標準化された解法が存在しない複雑な問題であり、前述の最適経路探索、素因数分解、離散対数、流体などの複雑系分析、自然言語分析などがこれに該当する。

これで、前述した量子コンピュータは演算を非決定論的に処理するという意味が理解できるだろう。既存のコンピュータ、つまり一度に一つの経路しか計算できない決定論的チューリングマシンがNP問題を解決しようとする場合、問題の複雑度が増加するにつれて所要時間が指数関数的に増加するが、非決定論的チューリングマシンである量子コンピュータは問題の複雑度が増加しても時間が算術級数的にしか増加しない。これこそが量子コンピュータが既存のコンピュータでは不可能な計算もこなせるという話の理由である。特に素因数分解と離散対数問題は公開鍵暗号アルゴリズムの重要な部分を占めるため、量子コンピュータについて話すたびに必ず暗号に関する話も一緒に出てくるのである。 しかし、これは量子コンピュータが万能であり、あらゆる面で既存のコンピュータより優れていることを意味するわけではない。むしろ、既存のコンピュータと量子コンピュータはそれぞれ得意とする分野が異なると理解する方がより正確だろう。確かに特定の分野では量子コンピュータが非常に強力な能力を発揮するが、演算の種類によっては非常に低い性能を示すこともある。つまり、量子コンピュータが商用化されたとしても、依然として既存のコンピュータが必要となるだろう。 決定論的な形態の計算作業には既存のコンピュータが引き続き利用され、既存のコンピュータが処理しにくい形態の複雑な問題解決を必要とする場所で量子コンピュータが活躍するだろう。量子コンピュータと既存のコンピュータは競争関係ではなく、相互補完関係なのである。

この事実を念頭に置きながら、未来に量子コンピュータがどのような仕事を遂行できるか見てみよう。今後、量子コンピュータが活躍する最も適した分野は、断然ナノテクノロジーとデータ分析分野だと言える。まずナノテクノロジーの場合、量子コンピュータは粒子の微視的運動を分析する上で強力な能力を発揮できる。実際、リチャード・ファインマンが初めて量子コンピュータの概念を提案したのも、微視世界の運動を分析するためにシュレーディンガー方程式に基づいたコンピュータが必要だという内容の論文を通じてであった。 今日のコンピュータでは、タンパク質のような巨大分子の構造や複雑な生化学反応過程を予測するのに時間がかかり、予測精度も十分ではない。新薬を開発する際にコンピュータシミュレーションだけに依存せず、必ず複数段階の動物実験と臨床試験を経なければならない理由である。しかし量子コンピュータを利用すれば、数多くの要因が相互作用する生化学反応過程を予測し、様々な分子構造を速く正確に分析することができ、その結果を利用して新薬や新素材開発を加速化し副作用も減らすことができる。新薬開発に長い時間がかかる最大の理由が臨床試験のためであるが、量子コンピュータを利用すればシミュレーションの高い信頼性を基に臨床試験段階を簡素化することで、コロナ-19のような新しい疾病が発生した時にそれに対応する新薬を開発する期間を数週間程度に劇的に短縮できるだろう。

また、ビッグデータ分析にも量子コンピュータが有用に使われる可能性がある。量子コンピュータは量子重ね合わせを通じて、様々な要素が相互作用する複雑かつ膨大なデータも速く正確に分析することができる。この特性のおかげで、大気の流れと雲の動きを追跡することでより正確な天気予報が可能になり、リアルタイムで道路上の車両の動きを把握して最適経路を見つけることで自律走行にも核心的な役割を担うことができるだろう。

しかし、このように量子コンピュータを産業に活用するためにはいくつかの課題を解決する必要がある。まず、キュービットの安定的な実現と維持、そして量子エラー訂正方法を見つける必要がある。キュービットは小さな環境変化でも簡単に崩壊するため、これを安定的に制御することは量子コンピュータの商用化において大きな課題である。また、現在の量子コンピュータは量子エラーのため演算精度がやや劣るという問題があり、このようなエラーを訂正する方法を見つける必要がある。キュービット実現のためにイオントラップ、超伝導ループ、トポロジカルキュービットなど様々な方式が研究されており、それぞれ長所と短所がある。 そして同時に、量子アルゴリズムを作成し、量子コンピュータを維持、修理、駆動できる専門人材を養成する必要がある。既存のソフトウェアは量子コンピュータでは動作しないため、量子コンピュータに適した全く新しい方式のソフトウェアが必要となるだろう。

AIが本格的に注目され始めたのは12010年代に入ってからだが、パーセプトロンのような今日のAIの基礎となる技術は数十年前から研究されていたものである。将来、量子コンピュータが今日のAIのように注目されるようになった時に我々が競争力を持つためには、今から準備する必要がある。 イ・ジュング（Rhee June-koo）韓国科学技術院（KAIST）電気および電子工学部教授によると、現在の韓国の量子コンピュータ技術は他の先進国に比べて5～10年ほど遅れているという。その差がさらに広がり、取り返しのつかない状態になる前に、長期的な視点で関連政策を策定し投資規模をさらに拡大する必要があり、政府レベルの着実で一貫した支援を通じて量子コンピュータ実証研究を行うと同時に、ソフトウェア関連の知的財産権を確保するために努力しなければならない。そのためには、産業界、基礎科学研究院、政府政策決定者の間で十分な情報交換と円滑な協力が行われるべきである。

参考資料

• 韓経経済用語辞典、「量子コンピュータ」
• 基礎科学研究院科学知識百科、「話題の多い量子コンピュータ、誤解と事実」
• 基礎科学研究院科学知識百科、「量子コンピューティングの世界、基礎科学が土台を築く」
• サムスン電子ニュースルーム、「『瞬間の魔法』量子コンピュータの世界が来る」
• CIO Korea、「イ・ジェヨン コラム｜量子コンピュータと人工知能の大衆化」
• サイエンスオン、「量子コンピュータ『キュービット競争』激しくなる」、http://scienceon.hani.co.kr/?document_srl=474039&mid=media&m=0、(12019 HE)
• 毎日経済、「5年後、量子コンピュータが世界をひっくり返す」