0でも1でもある計算機。量子コンピュータは何がそんなにすごいのか

「0と1を同時に扱う」と聞くと、魔法のように思えるかもしれません。しかしこれは量子力学という物理法則に基づいた、れっきとした技術です。普通のコンピュータがなぜ0と1で動くのかは「半導体とは何か」で確認しつつ、その常識を覆す量子コンピュータを見ていきます。

量子コンピュータとは何か

量子コンピュータとは、量子力学というミクロな世界の物理法則を使って計算する、新しい仕組みのコンピュータです。

普通のコンピュータは、情報の最小単位「ビット」で動きます。1ビットは0か1のどちらか一方の値しか取れません。これに対し、量子コンピュータの「量子ビット（キュービット）」は、0と1を同時に持てます。この違いが、計算のやり方を根本から変えます。半導体トランジスタのオン・オフで0と1を表す従来機とは、情報の扱い方そのものが異なります。

重ね合わせとは何か

量子ビットの中心的な性質が「重ね合わせ」です。重ね合わせとは、量子ビットが0と1の両方の状態を同時に持てることを指します。

普通のビットをコインに例えると、表（1）か裏（0）かに必ず決まっています。一方、量子ビットは「回転しているコイン」のようなもので、表と裏が混ざった状態を取れます。観測した瞬間に表か裏に確定しますが、計算中はその両方を同時に扱えるのです。

量子ビットがn個あれば、2のn乗通りの組み合わせを同時に扱えます。たとえば50個あれば1000兆通りを超えます。この並列性が、特定の問題で量子コンピュータが圧倒的に速くなる源泉です。並列で大量の計算をこなす点はGPUと似ていますが、その原理は「CPUとGPUの違いは“手数”だった——GPUがAIの主役になれた理由」とは根本的に異なります。

超伝導方式とイオントラップ方式はどう違うのか

量子ビットの作り方には、いくつかの方式があります。代表的な2つが、超伝導方式とイオントラップ方式です。

（出典：研究機関/媒体集計）

超伝導方式は、絶対零度（約マイナス273度）近くまで冷やした回路で量子ビットを作ります。高速で集積しやすく、IBMやGoogleが採用しています。イオントラップ方式は、電気の力で原子を真空中に浮かべて閉じ込め、量子ビットにします。精度と安定性に優れますが、速度では超伝導に劣る傾向があります。このほか、中性原子方式や光を使う方式もあり、まだ「どれが本命か」は決まっていません。

量子コンピュータの最大の課題は何か

最大の課題は、量子ビットが極めて壊れやすいことです。量子の重ね合わせは、わずかな振動・熱・電磁波（ノイズ）ですぐに崩れてしまいます。

このため、計算の途中で誤りが入り込みます。これを直す「誤り訂正」が、実用化の最大の鍵です。実際、信頼して使える量子ビットを1個作るには、壊れやすい量子ビットを多数束ねて互いの誤りを補正させる必要があり、膨大な数が求められます。したがって現在は、誤りを抱えたまま中規模で動かす「NISQ（ノイズあり中規模量子）」と呼ばれる段階にあります（IBM）。

なお、量子の性質は通信を守る暗号にも応用されています。盗み見ると壊れる量子暗号の仕組みは「盗み見ると壊れる暗号。量子が通信を守る仕組み」で詳しく扱っています。量子コンピュータは万能ではなく、分子のシミュレーション・組み合わせ最適化・暗号解読といった特定分野が得意な「専用アクセラレータ」です。普段の計算では普通のコンピュータの方が速く安価で、両者は当面、役割を分けて共存します。

この記事のまとめ

• 量子コンピュータは、0と1を同時に扱える量子ビットを使う、まったく新しい仕組みのコンピュータ。
• 重ね合わせにより膨大な組み合わせを一度に扱え、特定の問題を桁違いに速く解ける可能性がある。
• 主な方式は超伝導（IBM・Google、高速だが極低温）とイオントラップ（IonQ、高精度だが遅め）。
• 最大の課題は誤り訂正で、量子ビットは非常に壊れやすい（現状はNISQ段階）。
• 万能ではなく、分子計算・最適化・暗号など特定分野が得意。普通のコンピュータと共存する。