量子コンピュータの目的は何ですか?

かつて人類が成し遂げた最も有名な技術的成果が、ロケットに人を乗せて月へ向かわせることだった当時、その技術者たちは克服すべき大きな課題を抱えていた。しかし、現代のコンピューター科学者は、少なくともその基本原理は説明できると不満を言うかもしれない。つまり、燃料が爆発して下に落ち、宇宙飛行士が上に上がるという原理だ。

今日、私たちの大切なガジェットはケープカナベラルの発射台ではなく、机の上やポケットの中にあり、最先端技術の世界はより難解であると同時により身近なものになっています。iPhone 6 Plus がなぜ魅力的なのかは誰もが知っていますが、その仕組みを正確に説明するのは難しいでしょう。

これは、量子コンピューターの革命的で奇妙な世界について話すときに特に当てはまります。これらのデバイスは現在、大学や、Microsoft から Google まで、大手テクノロジー企業で開発中です。時折、量子コンピューターを作ったと主張する人がいますが、それが実際に量子メカニズムを使用していることを確実に証明できる人はいません。小さなコミュニティが新しい開発ごとに熱心に追っていますが、外部にいる私たちのほとんどにとって、量子コンピューターが一体何をするのかを説明するのは困難です。

この記事を書いている間、バスの列に並んでいた物理学と工学の大学院生に簡単な非公式のアンケートを実施しました。「量子コンピューターとは何ですか。そして、それは何をするのですか。」と尋ねたところ、主に 3 つの回答がありました。

• 非常に高速な通常のコンピューターのようなものです。
• これは、他のすべてのコンピューターのセキュリティを上回ることができるコンピューターです。
• あるいは、単に「わかりません」。ある人は、確率や微細な相互作用についてのアイデアを延々と説明し始めたが、結局、細かい点に迷い込んでしまった。

「私たちは量子力学そのものを過去まで遡ってテストしているのです。」

理論計算機科学者のスコット・アーロンソン氏はポピュラーサイエンス誌に対し、ジャーナリストや研究者が量子コンピューティングについて不完全な、ほとんど虚偽の話を伝えてきたと語った。

「量子コンピューターは、あらゆる答えを同時に考慮するため、どんな問題も瞬時に解ける機械だという話があります」と彼は言う。この概念は、量子計算を動かす量子ビット（キュービット）に由来する。通常のコンピューターのビットのように0か1かを読み取るのではなく、キュービットは計算において複数の「重ね合わせ」、つまり可能な値の宇宙を保持することができる。その値のひとつが正解だという話だ。これは技術的には正しいのかもしれない。しかし、人々が見逃しているのは、量子コンピューターは単一の答えを出すために、それらの重ね合わせをすべて解決しなければならないということだとアーロンソンは言う。どんな問題でも正しい答えを選び出せるかどうか、しかもそれを従来の機械よりも速くできるかどうかは、未解決の問題だ。言い換えれば、qPhoneがiPhoneよりも速く動作する特別な理由はないのだ。

それで、そもそもそれを作る意味は何でしょうか?

簡単に答えるとすれば、量子コンピューターは従来のコンピューターよりはるかに速く解ける特別な問題がいくつかあるということだ。最も有名な例は素因数分解だ。トランジスタチップは多数の素数を掛け合わせて 1 つの大きな数にするのは簡単だが、その大きな数を各要素に分解するには長い時間がかかる。マシンは正しい素数の組み合わせに出会うまで、あらゆる素数の組み合わせをテストしなければならない。この基本的な考え方は、Facebook のパスワードから銀行口座のお金まで、あらゆるものを守るために非常に重要であることがわかった。

1994 年、数学者のピーター・ショアは、量子コンピュータの特殊性により、膨大な数であっても、その真の因数を不正解の海から素早くふるいにかけることができることを示しました。大まかに言えば、素因数分解問題に対するすべての可能な答えは、量子ビット上に重ね合わせて同時に存在します。そして、それらは振幅と呼ばれる特性を持っています。振幅は確率に関連していますが、負の数と虚数を含むように歪んでいます。量子の世界で確率が暴走したバージョンだと想像してください。ショアは、特定の素因数分解問題に対する潜在的な答えを、不正解の振幅が互いに打ち消すように並べる方法を考案しました。ショアのアルゴリズムを量子コンピュータで実行すると、間違った答えは互いに打ち消され、正しい答え (この場合は、おそらく Facebook のパスワードを解読する鍵) だけが残ります。

アーロンソン氏は、この考えは正しいものの、量子コンピュータの本質を見失っているとも言う。

「人々に話すのは簡単な話だが、正しい話ではない」と彼は言う。彼の考えでは、量子コンピューティングはオンライン銀行強盗を成功させることではない。それは、宇宙に関する根本的な事実を証明することだ。つまり、数十年前に主張された量子力学の奇妙な主張（アインシュタインが「不気味」と呼び、何年もかけて否定しようとした考え）は単なる理論以上のものだということだ。

「量子力学に不快感を覚えないなら、あなたは量子力学について正しく考えていない」とアーロンソンは言う。量子力学は、世界についての私たちの基本的な仮定はすべて偽りであると教えてくれる。野球ボールがバットに当たったとき、それはおそらくレフトフィールドに飛んでいくだろう。しかし、それはまた、小さな暴れまわるゴリラに変身したり、地面に落ちてカナダ国歌を大声で歌ったり、あるいは目に見える世界から完全に消え去ったりするかもしれない。私たちが目にするすべてのものの下では、粒子が猛烈なランダム性で震えている。私たちは奇妙な振幅のスープの中に生きているが、それを経験的に観察することはほとんどない。

アーロンソン氏は、本格的な量子コンピューターが構築されれば、量子を疑う人（科学者の中にもまだ疑う人はいる）は皆、恥をかくことになるだろうと言う。それは、CERN の科学者がヒッグス粒子を発見し、物理学の標準モデルの主張の多くを確認するために使用した大型ハドロン衝突型加速器のような偉業となるだろう。言い換えれば、アーロンソン氏は、量子コンピューターは純粋科学に奉仕することを最大の目的とする機械だと考えている。

「量子コンピューティングにはどこかレトロなところがあります」と彼は言う。「私たちはずっと昔に遡って量子力学そのものをテストしているのです。」