コンピューターをはるかにしのぐ計算能力を発揮すると期待されている「量子コンピューター」の最新の研究成果について話し合う国際会議が、グーグルやNASA=アメリカ航空宇宙局など世界トップレベルの研究者が参加して、26日から東京で開かれています。人工知能や画期的な新薬の開発など私たちの生活にどのように影響していくのか注目されます。


量子コンピューターは従来のコンピューターが「0」か「1」の2進法で情報を表すのに対し、「0」であると同時に「1」でもあるという、電子などの極めて小さな世界の物理法則を応用することで、これまでにない超高速の計算を可能にするものです。

実現には数十年かかるとも言われていましたが、6年前にカナダのベンチャー企業が量子コンピューターのうち、量子アニーリングと呼ばれるタイプのものを世界で初めて発売。このコンピューターを購入したNASAやグーグルが人工知能や画期的な新薬の開発などに役立つ「組み合わせ最適化問題」と呼ばれる問題で、「従来のコンピューターの1億倍のスピードで計算できた」と発表したことから、急速に研究が加速しつつあります。

東京・丸の内で26日から開かれている国際会議にはグーグルやNASA、ロッキード・マーチン社などのほか、東京大学の研究者ら200人が参加しました。

このうちグーグルの担当者はカナダの量子コンピューターを参考に独自の量子コンピューターの開発を進めていて成果をあげつつあることや、人工知能に応用しようとしていると報告しました。また、マサチューセッツ工科大学の研究者はカナダの量子コンピューターの性能をしのぐ新たな量子コンピューターを開発するため、アメリカが国家プロジェクトを立ち上げて研究を進めていると紹介しました。

会議は今月29日まで開かれる予定で、量子コンピューターの計算能力を、大都市の渋滞解消や画期的な新薬の開発などにどのように生かせるのか議論が行われることになっています。

会議に参加したグーグル量子人工知能研究所のハルトムト・ネーヴェン博士は「量子コンピューターを使うことで人工知能は劇的に改善することができる。将来的には量子コンピューターなしに人工知能は存在しないだろう」と話していました。
また、国際会議の主催者で現在実用化されている量子コンピューターの基本原理「量子アニーリング」の概念を提唱した東京工業大学の西森秀稔教授は「この分野が基礎研究から応用に広がりつつあることを感じる。自分の提唱したときには純粋な基礎研究だったが、20年をへてここまで広がったのは驚きだ」と話していました。


量子コンピューターとは

量子コンピューターとは電子や光子といった極めて小さな物質の世界で成り立つ特殊な物理法則を応用したコンピューターです。

従来のコンピューターでは情報は「0」か「1」で表されます。半導体にかかる電圧が低い状態を「0」。高い状態を「1」とし、これを「1ビット」という情報の基本単位にしています。

一方、量子コンピューターは「重ねあわせ」と呼ばれる量子力学の現象を利用し、「0」でも「1」でもある状態を作り出すのが特徴です。

これが「1量子ビット」と呼ばれる単位です。この2種類のビットの違いが量子コンピューターに画期的な計算速度をもたらすのです。

どのくらい違うのか。3ビット分の情報処理を行う場合で比較してみます。従来のコンピューターでは「111」「110」「101」「100」など8種類の情報を作り、処理も8回必要になります。ところが「0」でも「1」でもある状態を表せる量子コンピューターなら処理は1回。速度は8倍です。

これが30ビット分の情報処理になれば、組み合わせは一気に増えて10億通り。ところが、この場合も量子コンピューターなら処理は1回。処理する情報量が多くなればなるほど計算速度に差が出るのです。

量子コンピューターが1回の処理で済むには理由があります。

実は、量子コンピューターは従来のコンピューターのようにすべての組み合わせを処理して比較し、答えを出している訳ではありません。10億通りの組み合わせがあるなら、このうちのどれが最も効率的な組み合わせなのか、量子ビットのエネルギー量が最も安定した状態を見つけ出すことで、瞬時に選んでいるのです。

こうした計算能力は「組み合わせ最適化問題」という膨大なデータを処理する現代社会のさまざまな問題で必要となるものです。

例えば、この問題の1つが「巡回セールスマン問題」です。セールスマンが都内の5か所を1日に回る場合、どの周り方がいちばん効率的か。120通りの組み合わせから探すことになります。これが30か所に増えると回るパターンは1兆の1万倍をはるかに上回る膨大な数字になります。

量子コンピューターはこの「組み合わせ最適化問題」で従来のコンピューターの1億倍の処理速度で計算できることがグーグルの研究で分かっていて、今後、こうした現在のスーパーコンピューターでも時間がかかりすぎて解けない問題を解くことができると期待されています。

量子コンピューターは1980年代から研究開発が進められてきましたが、「重ね合わせ」状態を制御するのが難しく、実用化は遠いと考えられてきました。こうした中、6年前にカナダのベンチャー企業が「アニーリングマシン」というタイプの量子コンピューターを発売し、世界を驚かせていました。


開発した量子コンピューターとは

カナダのベンチャー企業「D-Wave Systems社」が開発した量子コンピューターは見た目は縦、横、高さが3メートルほどの黒い箱です。

実は、この箱は内部を摂氏マイナス273度ほどという「絶対零度」近くまで冷やす冷凍庫です。通常のコンピューターが持つCPU=中央演算処理装置やメモリーなどの記憶装置はありません。あるのはおよそ1センチ四方のチップに特殊な金属のリングを焼き付けた「量子ビット」。このリングの中を動く電子が左回りか右回りで通常のコンピューターのような「0」か「1」が表されます。

このリングを絶対零度にまで冷やして超電導状態にすることで、電子が「0」でも「1」でもある状態、量子力学でいう「重ね合わせ」と呼ばれる状態を作り出すことで、従来のコンピューターでは不可能な超高速の計算処理を可能にしたのです。

この量子コンピューターは6年前に世界で初めて発売されこれまでにグーグルやNASA、ロッキード・マーティン社など最先端の科学研究を行う企業が購入しています。


北京市の渋滞解消で研究

量子コンピューターが大きな力を発揮する「組み合わせ最適化問題」は実際の社会問題の解決に広く応用できるものです。ことし3月、D-Wave Systems社はドイツの自動車会社フォルクスワーゲンと共同で、量子コンピューターを使って道路の渋滞を解消する研究を発表しました。

研究では中国の北京で418台のタクシーが一斉に街の中心部から空港に行くとき、渋滞を防ぎながら最短時間で到着するルートを導き出します。

量子コンピューターを使う前の図で見ると、渋滞を示す赤い部分がいくつも見られます。一方、量子コンピューターで得られた最適なルートで418台を走らせた図では渋滞を示す赤い部分は消えています。

フォルクスワーゲンによりますと、自社が持つ高性能のコンピューターではこの結果を出すのに30分かかりましたが、量子コンピューターではわずか数秒だったということで、将来の自動運転システムなどに応用できると話しています。


日本人研究者も貢献

量子コンピューターの研究開発には日本人も大きく貢献しています。「D-Wave Systems社」が実用化した量子コンピューターの原理は「量子アニーリング」と呼ばれるものですが、この概念を提唱したのは東京工業大学の西森秀稔教授らのグループです。

西森教授らは1998年に量子アニーリングの理論を発表しましたが、当時は純粋な理論研究で、実用化を想定したものではありませんでした。

また、このタイプの量子コンピューターで量子ビットと呼ばれる頭脳にあたる部分を世界で初めて開発したのは東京大学の中村泰信教授と東京理科大学の蔡兆申教授です。

グーグルやNASAなど世界トップレベルの研究を行う組織が使う量子コンピューターの基礎的な理論や技術は日本で生まれたものです。

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