経営とITの話題

「驚異の量子コンピュータ」(藤井啓祐:著、岩波科学ライブラリー)は、量子コンピュータの仕組みと特徴、将来展望などが概観できる好著だと思う。しかし、如何せん、160頁という短い紙幅のなかで語るにしては話題が多すぎる(詰め込み過ぎている)ようにも感じる。
テーマによっては解説が簡潔すぎて(短すぎて)私には良く理解できないところがあった。本書に盛り込まれている話題(テーマ)の全体を概観すると以下のとおりである。量子コンピュータ
・古典物理学と量子力学
・古典コンピュータ(ノイマン型コンピュータ)の歴史
・量子コンピュータの仕組みと特徴
・量子コンピュータの歴史と種類
・量子コンピュータの課題と将来展望 

本書の第一の特徴は、私のような量子力学の素人でも理解できるように、著者が分かりやすく、そして科学的に、正確に解説している点である。
本書の説明には数式がほとんど出てこない。著者は難しい概念を比喩を用いて巧みに説明しているので、初学者にも読み易い。この点は著者の苦労が読み取れる部分であるが、その分、深い理解は難しいのかもしれない・・・。

量子力学の特徴の一つである重ね合わせの原理は、二重スリットの実験を取り上げて説明している。(本書には、類似の図書でよく引用される「シュレディンガーの猫」は登場しない)
量子コンピュータの高速性を説明するとき、多くの図書では量子ビットの状態の重ね合わせを根拠にしているが、本書によれば状態の重ね合わせだけでなく、「確率の増幅」というプロセスも高速性に寄与しているそうだ。
本書には「干渉効果」という用語も出てくるが、私はこれと「確率の増幅」との関係がいまいち理解できていない。(詳しいことを知りたい方は本書および類書をあたって下さい)
「可能性を打ち消したり強め合ったりする干渉効果を用いることで、答えに可能性を集めてくる。この操作が量子コンピュータが高速で問題を解くうえで重要な役割を担っている」

(量子ビットの)重ね合わせの度合いを表す数値に「確率振幅」というものがある。これは確率になる前の状態だそうだ。(確率振幅は測定/観測を行うことで確率に収束する)
量子ビットの実現方式(実装方法)には、核スピン量子ビット、超伝導量子ビット、半導体量子ビット、光量子ビットなどがある。このなかで、超電導量子ビットが現時点で量子コンピュータ技術の先頭を走っている。

万能量子コンピュータ(現在の古典コンピュータのように汎用的に使える量子コンピュータ)は、「ゲート型(演算素子を用いた方式)」が主流のようだが、この他にも「測定型」や「断熱型」などが研究されている。(ゲート型は、書籍によっては量子ゲート方式と呼称しているものもある)
本書では、1万量子ビット~1億量子ビットクラスの、大規模で誤り訂正機能がある万能量子コンピュータを「誤り耐性量子コンピュータ」と呼んでいる。
このレベルの量子コンピュータの実現には、今後さらに10年~20年の研究開発が必要になるだろうと言われている。

量子コンピュータを実現するうえでの課題は「量子的な重ね合わせ状態がノイズに対して非常に脆い」ことである。(重ね合わせが失われた状態をデコヒーレンスという)
ノイズに伴う誤りを訂正する機能を有するのが「誤り耐性量子コンピュータ」である。これに対してある程度のノイズを許容するタイプのものがある。
多少のノイズを含む、数十量子ビット~数百量子ビットの中規模な量子コンピュータが「NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum Techinology)」である。NISQは、誤り耐性量子コンピュータが完成するまでの途中段階のコンピュータと位置付けられ、今後数年~10年くらいはNISQが主役を担うと考える識者もいる。
最近では、NISQデバイスを用いた「量子機械学習」の研究が活発化している。
量子コンピュータを実現するうえで、今ひとつの課題は「検証可能性の問題」である。これは、量子コンピュータの出力結果(アウトプット)が、本当に正しいものなのか否かを、いかにして検証するのか、という問題である。
開発中のプロダクトならではの課題だと言えそうだ。現在、この分野の研究が活発に行われている。

ゲート型のような汎用性はないが、専用機として開発された量子コンピュータの一つに量子アニーリング方式がある。量子アニーリングは量子力学を利用した最適化のためのヒューリスティックアルゴリズムである。(イジング問題と呼ばれる種類の組合せ最適化問題を近似的に解く経験的手法のこと)
量子アニーリング方式は、カナダのD-Wave社が製品を発表したことで世間に広く知られるようになった。

本書では量子コンピュータの種類を以下の5つに分類している。
①COMS/デジタルアニーラ
②コヒーレントイジングマシン
③量子アニーリング
④近似量子コンピュータ
⑤誤り耐性量子コンピュータ

④の近似量子コンピュータは、先に説明したNISQである。量子コンピュータの分類は、書籍によって分類方法が異なっており私たち門外漢には分かり難い。(技術が発展途上にあるためだろうとは思うが・・・)上記①、②に関する詳細な説明は本書にも載っていないようだ。②と③の違いも私には良く分からない。

量子コンピュータの活用が期待されているのは、材料、化学、触媒、創薬などの分野である。量子的な振る舞いを利用した「量子暗号」は既に実用段階に入ってきている。また、量子マネーや量子電子署名といったものも提案されている。
本書にはマヨナラ粒子のことが少し書かれている。 東京大学物性研究所のサイトに 、
「幻の粒子「マヨラナ粒子」の発見 ―トポロジカル量子コンピューターの実現に期待―」
というニュースが出ていた。(公開日: 2018年07月12日)
このニュースによれば、
「マヨラナ粒子は自分自身がその反粒子と同一という不思議な性質を持ち、理論的予言から80年以上もその存在の確証が得られていなかった「幻の粒子」である。近年、ある種の超伝導体や磁性体でマヨラナ粒子が出現する可能性が指摘され、大きな注目を集めてきた。
本研究により、マヨラナ粒子が存在する決定的な証拠が得られただけでなく、マヨラナ粒子による量子化現象が高い温度で実現することが明らかになった。
マヨラナ粒子の制御法の開発を行うことで、高温でも動作可能なトポロジカル量子コンピューターへの応用が期待できる」

本書には、量子通信ネットワークと量子中継技術に関する解説もある。従来のネットワークの中継技術は(私の理解では)、伝送データのノイズを除去してデータを複製(あるいは増幅)する類のものだと思う。しかし、量子の世界では未知の量子情報を完全に複製することができない「複製不可能定理」というものがある(と本書の別の部分に記載がある)。
だとしたら、量子中継装置はどのようにして伝送する量子情報を中継するのだろうか?
この点も個人的に良く分からない部分であった。
冒頭でも指摘したように、本書には沢山の話題が詰め込まれているので、より詳しいことを知りたい向きは別途他の書籍などを参考にする必要があるだろう。

 

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