Quantum Supremacy (2023)は、量子コンピューターの背後にある事実と理論を、誰にでもわかりやすく解説する一冊である。現代コンピューターの歴史をたどりながら、最も強力な現代のスーパーコンピューターをもってしても解決できない人類の課題に、量子コンピューティングが挑む未来を提示する。
この本で得られること——量子コンピューターと、それがあなたの未来にどう関係するのかを理解する
コミックを読んだことがある人や『ビッグバン・セオリー』を見たことがある人なら、パラレルユニバースやシュレーディンガーの猫といった量子用語を耳にしたことがあるでしょう。しかし多くの人は、量子物理学は自分の理解の範囲を超えており、学ぶ価値がないと考えています。
もしあなたがそうした人の一人なら、考えを改める準備をしてください。量子物理学が私たちの世界で実際にどんな意味を持つのかを理解することは、可能であるばかりか簡単であり、そして重要なことでもあります。量子の領域は単なるコミックの題材ではありません。実際、まさに今、探求が進められているのです。
コンピューティングの未来は——ひいては世界の未来は——量子なのです。燃料、医療、経済の面で人類に開かれる可能性を考えれば、量子コンピューティングの進歩は誰もが注目すべきものです。
ここでは、現在存在する量子コンピューターの状況——その能力と限界を含めて——を見ていきます。また、ここに至るまでのコンピューティングの歴史を簡単にたどりましょう。そして最後に、量子コンピューターが社会、医療、そして世界全体に与えうる影響についてお話しします。
シリコンに別れを告げる
2019年、Googleはシカモア（Sycamore）と呼ばれる量子コンピューターを開発しました。それは、現在最速のスーパーコンピューターが解くのに1万年かかる複雑な数学の問題を、わずか200秒で解くことができました。デジタルコンピューティングでは情報の基本単位はビットですが、量子コンピューティングでは量子ビットです。シカモアは53量子ビットで動作し、当時それによって世界で最も強力なコンピューターとなりました。
しかしわずか2年後、中国の量子イノベーション研究所は、彼らの量子コンピューターがスーパーコンピューターより100兆倍高速だと主張しました。それは113量子ビットで動作していました。
同じ年の11月16日、IBMイーグルが127量子ビットで両者を上回りました。その1年後、IBMは433量子ビットのオスプレイを発表しました。
量子コンピューターが特定のタスクでデジタルコンピューターを上回る性能を発揮することを、量子超越と呼びます。明らかに、この地点はすでに到達されています。さらに言えば、私たちはまだ可能性の表面をかすめたに過ぎません。
量子コンピューティングが機能する方法はいくつかあります。ほとんどの開発者はもつれ合った原子を使用しています——これについては後ほど詳しく説明しますが——少数の研究者は、鏡をベースにした大掛かりな装置を使って光ビームで情報を送る方法を見つけました。このテクノロジーを最初に最適化しようとする競争が繰り広げられています。しかし、医療から燃料、サイバーセキュリティに至るまでの分野で現実世界の問題を解決できる実用的な量子コンピューターが登場するまでには、まだ何年もかかります。
それでも、シリコンの時代は終わりに近づいているようです。1965年に初めて提唱されたムーアの法則は、マイクロチップに組み込めるトランジスタの数が18ヶ月ごとに倍増することを示唆しています。実質的に、それはコンピューターのパワーも18ヶ月ごとに倍増することを意味します。しかし、主にシリコンを使い続けるならば、この法則は近い将来当てはまらなくなります。
つまり、デジタルコンピューターは大規模な問題を解決する能力の限界に達しつつあります——少なくとも、役に立つほど速く解決する能力の限界に。しかし量子コンピューターは、その驚異的な速度と、複数の経路や問題を同時に分析して最適な解決策を生み出す能力によって、私たちを新たな時代へと導くことができます。
では、量子コンピューターをそれほど強力にするのは何でしょうか？その力に寄与する2つの重要な要素があります。
1つ目は重ね合わせ、つまり原子が同時に複数の状態で存在できる能力です。これが量子コンピューターが問題を非常に速く解決できる理由です——すべての経路を同時に分析して、最小作用の経路を決定するのです。
2つ目の要素はもつれとして知られています。これは2つの原子が相互作用を確立し、情報を共有し、たとえ遠く離れてもそのつながりを維持する現象です。
さて、あなたはおそらくすでにこう思っているでしょう。「どうすれば量子コンピューターを手に入れられるのか？なぜすべての技術がすでに量子コンピューティングをベースにしていないのか？」と。問題は、主要な課題が1つあり、それはコヒーレンスというものに関係しています。
量子コンピューターが機能するためには、システムが完全に安定している必要があります。原子は壊れやすく、わずかな外乱でも乱されてしまいます。したがって、現在存在する量子コンピューターは、絶対零度の温度に保つシステム内に組み込まれなければなりません。
ただし、希望はあります。母なる自然は、光合成という小さなプロセスの中で、常温でコヒーレンスを達成しています。そこで科学者たちは、自然の中でコヒーレンスがどのように達成されるかを研究し、そのプロセスをコンピューターで再現する方法を見つけようとしています。
しかし、量子コンピューターの実用的応用について話す前に、私たちがここに至るまでの経緯を簡単に振り返ってみましょう。
2000年に及ぶコンピューターの歴史
1901年、ギリシャのアンティキティラ島沖で、研究者たちは1世紀の商船の残骸を発見しました。その船の上で、彼らはユリウス・カエサルへの贈り物として送られていたと推測されるローマの遺物を発見しました。
それらの遺物の中に、奇妙な青銅の塊がありました。それは明らかに人工物でしたが、発見当時は正体を特定することが不可能でした。実際、この金属片は数十年にわたり研究者たちを困惑させ続けました。1970年代にはX線画像が遺物の調査に使用されましたが、研究者たちがこの装置の意味を認識し始めたのは、2006年にCTスキャンが公開されてからでした。
現在アンティキティラ島の機械として知られるものは、当時知られていた宇宙の非常に複雑なシミュレーションを提供していました。この装置は日食などの出来事を予測することができ、地球の楕円軌道による速度の変化を予測して較正することさえできました。
シミュレーションは量子コンピューティングの目標です。私たちの周りの世界を量子レベルまでシミュレートできるようになれば、太古の昔から私たちを悩ませてきた多くの問題を分析し始めることができます。
アンティキティラ島の装置の技術的進歩に近づく装置は——ましてやそれを発展させるものは——1800年代まで現れませんでした。その頃、チャールズ・バベッジが最初のデジタルコンピューターを発明しました。バイロン卿の娘であるエイダ・ラブレスは、コンピューターに情報を与えて、建設や航海などの産業に不可欠な複雑な数学的タスクを実行させる方法を考え出しました。彼女は本質的に最初のプログラマーでした。
1900年までには物事が加速し始め、マックス・プランクはニュートン物理学に挑戦し、量子エネルギーの大きさを表すプランク定数と呼ばれるものを生み出しました。この定数は量子力学と量子論の基礎となりました。
そして1926年、エルヴィン・シュレーディンガーはプランク定数を使って波動方程式を作り出すことで、これを発展させました。シュレーディンガーは電子を粒子として見るのではなく、波として存在することを提唱しました。言い換えれば、電子は測定される瞬間まで——つまり波が粒子へと収縮する時まで——同時に多くの場所に存在するのです。
この考えを説明するために、シュレーディンガーの猫という例えが生み出されました。猫が箱の中にいる間、猫は死んでいる状態、生きている状態、そしてその間のすべての状態にあると考えることができます——観察されるまでは。その時点で、猫のすべての状態は測定可能な1つの状態に収縮します。
10年後の1936年、アラン・チューリングは、後にチューリングマシンとなるものを記述しました——すべての現代コンピューティングの基礎です。彼のマシンは、第二次世界大戦中にナチスが使用していた、それまで解読不可能だった暗号を解読するのに貢献しました。その結果、戦争は2年短縮され、推定1400万人の命が救われました。
1948年、リチャード・ファインマンは経路積分法を完成させました。それ以前に科学者たちは、光合成において量子粒子が最小作用の経路をたどる傾向があることを観察していました。しかし、粒子はどうやってその経路を「知って」いたのでしょうか？ファインマンはその問いに答えました。彼は、電子は波として存在するため、すべての経路を同時に経験することができると提唱したのです。
この考えがファインマンを経路積分法の創出へと導きました。アイザック・ニュートンは運動を伴う問題を解くために微積分を発明していました。経路積分法は同じ問題をはるかにシンプルな方法で解決し、さらなる量子の発見への道を開きました。
経路積分法の説明が聞き覚えがあるように感じるなら、それはおそらく、量子コンピューターが最適な解決策を選ぶ前にすべての可能性を同時に経験し分析できるという話をすでにしたからでしょう。過去のこれら科学者や発明家たちが生み出したすべてが、今日私たちが量子科学として知るものの発展につながってきました。
この高名なリストにもう1つ名前を加える必要があります。それはヒュー・エヴェレットです。長い間、科学者たちは波動理論と、測定されると波が単一の現実に収縮するという考えについて議論していました。これは克服すべき大きな問題でしたが、エヴェレットは、波は実際には収縮しないのかもしれないと提案しました。波が経験する現実のすべてのバージョンが同時に存在するのかもしれない、と。
ですから、コミックのマルチバースやパラレル次元を探求するフィクションを楽しむなら、エヴェレットに感謝すべきです。
さて、多世界解釈は確かに面白いエンターテイメントになりますが、量子物理学者にとっては深刻な研究対象であり、今日も探求が続けられています。では、これらの量子の発展すべてが近い将来どのような価値を持つのかを理解することに戻りましょう。
進歩の中の善と悪
1918年、フリッツ・ハーバーは、強烈な熱と圧力を使って窒素を硝酸塩肥料に変換するプロセスを発明したことにより、ノーベル化学賞を受賞しました。その結果、緑の革命が始まり、人類の人口を現在の80億人規模にまで成長させるのに十分な食料が生産されました。
しかし、フリッツ・ハーバーは別の名前でも知られています。化学兵器の父として。彼の発明は、第一次世界大戦、ロシア革命、そしてホロコーストを通じて何百万人もの死の原因となりました。
今日、ハーバーが最初に発明したこの粗雑で資源を大量に消費する窒素固定プロセスは、量子科学者たちによって挑戦を受けています。
2つのブレークスルーのおかげで、私たちは生命の構成要素をよりよく理解できるようになりました。
1952年、スタンリー・ミラーは、先史時代の地球に存在したと考えられていた多くの元素に電気の衝撃を加える実験を行い、アミノ酸を自然発生的に生成することに成功しました。私たちは現在、宇宙のガス雲に見られる元素を使ったシミュレーションを通じて、アミノ酸が宇宙に存在し、隕石の塵に乗ってここに運ばれてきた可能性が高いことを知っています。
2つ目のブレークスルーは、フランシス・クリックとジェームズ・ワトソンによるものでした。シュレーディンガーは1944年の著書『生命とは何か』の中で、私たちが知る生命の発達を説明する未知の分子の特徴を記述していました。クリックとワトソンは彼の考えをさらに発展させ、現在DNAとして知られるものの二重らせん構造を特定しました。
これらすべての発明と発見のおかげで、私たちは生命を維持するエネルギーを生み出すために必要な部品とプロセスを理解しています。しかし、克服すべき障害はまだ多くあります。ハーバーの粗雑な窒素固定プロセスと同様に、クリーンエネルギーを生み出そうとする私たちの試みの多くは、実際には持続不可能な手段によって調達されており、発見への努力は依然として主に試行錯誤で行われています。
量子コンピューターは、窒素固定や太陽光の力の活用といった問題を解決する可能性を秘めています。量子コンピューティングが第二の緑の革命をもたらす日がそう遠くないことを願いましょう。
がんが敗北する日
1971年12月23日、リチャード・ニクソン大統領は国家がん法に署名し、がんとの戦いを宣言しました——がんが勝ちました。がんの問題は、それを容易に特定して阻止するにはあまりにも多くの異なる変数に由来していることです。
がんは外部からの侵入者ではありません。それは私たち自身の健康な細胞によって生み出されます。成人に達すると、一部の細胞は死ぬようにプログラムされており、他の細胞が分裂します。がんの場合、健康な細胞は死ぬことを忘れ、代わりに驚異的な速度で増殖します。
私たちの体が外来の侵入者ではなく自分自身を傷つけることによって引き起こされる病気は多くあります。COVID-19を例に取ってみましょう。COVID-19に関連する死亡は、ウイルスの症状の結果ではなく、免疫システムが暴走することによって生み出されるサイトカインストームによるものでした。
体が自分自身に反旗を翻すもう1つの例は、自己免疫疾患です。これは、体がそれ以外では健康な粒子について誤った情報を受け取り、自分自身を攻撃し始めることで起こります。
アルツハイマー病やその他の神経学的障害は、プリオンと呼ばれる異常に折りたたまれたタンパク質の結果である可能性があります。なぜタンパク質が誤って折りたたまれるのかは誰も知りませんが、それが起こると、その情報を他のタンパク質に送り、障害を広げる可能性があります。
技術の進歩は私たちの生活の質と寿命を向上させてきました。衛生から抗生物質、ワクチン、より良い栄養に至るまで、私たちは人類の寿命を約30年から70年に延ばし、その生活の質も全体として向上させてきました。しかし、これらすべてを主に試行錯誤によって成し遂げてきました。がんやアルツハイマー病のように、あまりにも多くの要因が絡んでいるものについては、私たちは自分たちだけでは答えを見つけられないかもしれません。量子コンピューターが私たちを救ってくれるかもしれません。
私たちの惑星とその先へ
さて、焦点を気候変動と宇宙に切り替えましょう。
地球は人間の行動の結果として温暖化しています。この温暖化はさまざまな問題を生み出しています。その1つは、極地の氷冠の融解による温室効果ガスであるメタンの放出です。メタンが放出されると、それがさらなる地球温暖化に寄与します。
気候変動のもう1つの結果は、これまでかなり安定していた極渦が不安定になっていることです。極地の寒気と低気圧の領域は常に存在しますが、冬にはより強くなります。ここ数十年で、それは拡大しており、より寒く、より予測不可能な天候をさらに南へと押しやっています。
気候変動の結果は、わずかに不便なものから壊滅的なものまで多岐にわたり、実際のところ、私たちはもはや災害を防ぐことはできず、緩和することしかできません。
残念ながら、天気パターンの予測や気候変動の評価に関して、デジタルコンピューターができることにも限界が近づいています。一方、量子コンピューターは理論的に、人類の未来を変えうる仮想的な天気予報を提供することができます。多くの経路を同時に評価する能力により、短期的・長期的な気象状況について、より迅速に正確な予測を生み出すことができるのです。
気候の先には、量子コンピューターのもう1つの重要な応用があります。それは星を理解する能力です。
1859年、記録史上最大の太陽フレアが地球を襲いました。それは非常に美しいオーロラをもたらしましたが——同時に電信線を発火させました。
今日、同じ嵐が襲来した場合、私たちを150年後退させる可能性があります。衛星通信や無線通信を混乱させるだけでなく、送電網を完全に破壊するのです。
大きな問題は、星がどのように機能するのか、太陽嵐の強度の違いの原因は何かを理解していないため、それらを予測して備える手段がないことです。宇宙をシミュレートする能力を持つ量子コンピューターは、私たちが太陽をよりよく理解し、予期せぬ太陽フレアに不意を突かれないようにするのに役立つかもしれません。
これらのコンピューターはまた、太陽の力を瓶詰めにするのにも役立ちます。現在の核融合炉の状況は前進しています。2022年12月、その反応を生み出すのに要したエネルギー量を上回る核融合反応が達成されました。
しかし、核融合を商業化し、それで世界に電力を供給するまでには、まだ少なくとも数十年はかかります。問題は、これらすべてを試行錯誤で解明しなければならないことです。そして、失敗に伴う費用は法外です。量子コンピューターは、すべての可能性をシミュレートし、正しい道を示すことで、私たちが最善の前進経路をより迅速に見つけるのを助けてくれます。
私たちの惑星と宇宙をよりよく理解できるようになれば、惑星の生命と寿命を向上させるだけでなく、真に惑星間種族になることができます。
最後のまとめ
量子コンピューターは存在し、急速に改善されています。前代未聞の速度で暗号を解き、複雑な方程式を実行する実用的なコンピューターがあるだけでなく、その異なる形態も存在します。量子コンピューターは、エルヴィン・シュレーディンガー、リチャード・ファインマン、ヒュー・エヴェレットといった人々による、短く急速な一連の発見と発明の自然な次の段階です。第二の緑の革命やがんの治療法といった可能性はすべて、量子コンピューターを次のレベルに引き上げる私たちの能力にかかっています。
