量子コンピューティングの地平線:エンジニアの視点

エド・ブラウン

(画像:phonlamaiphoto/Adobe Stock)

2025 年の国際量子科学技術年を迎えるにあたり、私はコンピューター、センサー、暗号化における量子力学の実用的な応用について考え始めました。エンジニアの観点からこれらのことを考えるのは、非常に難しいことだと思います。

「量子電気力学」の研究でノーベル賞を受賞したリチャード・ファインマンが、量子力学を本当に理解している人は誰もいないと思っていたとしたら、どうして最近、これほど多くの人が量子コンピューターが次の大きな話題になるだろうと話しているのでしょうか?一方、ファインマン自身は 1982 年に量子コンピューターの理論的基礎を説明し、「量子システムを正確にモデル化するには、科学者は別の量子システムを構築する必要がある」と述べました。その別のシステムは、現在私たちが量子コンピューターと呼んでいるものです。

たとえば、技術ブリーフに関する記事によると、 ウェブサイトによると、量子コンピューティングの分野は 2030 年までに 650 億ドルに達すると予想されています。別の記事では、「量子コンピューターは、人間の健康、創薬、人工知能における複雑な問題を、世界最速のスーパーコンピューターの何百万倍もの速さで解決できる可能性を秘めています。」

私の混乱をさらに悪化させたのは、「量子コンピューターからの答えは確率分布から導き出されます。量子コンピューターは答えの特定の値を提供しません。 量子コンピューターが行うのは、 どれだけ可能性があるかを伝えることです。」 特定の値が正しい解であるのです。」 - 彼らの答えは「あいまい」です。 「残念ながら、量子アルゴリズムを 1 回だけ実行するだけでは十分ではありません。 「正しい」答えにできるだけ近づくために、コンピューター科学者はこれらの計算を複数回実行します。各サンプルにより不確実性が軽減されます。最も正確な分布にできるだけ近づけるために、コンピュータはアルゴリズムを何千回も、あるいはそれ以上も実行する必要があるかもしれません。」しかし、利点もあります。「量子コンピューターはこれらのアルゴリズムを非常に高速に実行するため、従来のコンピューターよりもはるかに高速に結果を生み出す可能性がまだあります。」

量子力学を深く理解していなくても、量子力学を使用するというアイデアは受け入れることができますが、量子コンピューターからの確率だけの答えを使用するのは非常に困難です。エンジニアとして、私は現実世界の問題に対する修正された実行可能な解決策を探すことに慣れており、たとえば、エレベーターのボタンを押すとエレベーターがおそらく動くという答えではありません。 私のフロアに来てください。

数十年間 EE として働いた後、SAE Media Group の Ed Brown は第 2 のキャリア、つまり技術編集者として順調にスタートしています。

「エンジニア時代を振り返り、編集者として最新かつ最高の作品をすべて見ていると、自分のエンジニアリングの経験を踏まえて、今何が起こっているのかについてたくさんの考えがあることに気づきました。そのいくつかをここで共有したいと思います。」

私が出会った量子コンピューティングの最も優れた説明の 1 つは、国立標準技術研究所 (NIST) の物理学者タラ・フォーティアによる「5 つの概念は、量子力学と技術を理解するのに役立ちます — 数学なしで!」です。彼女は、「あいまいさ」は量子コンピューティングの本質的な特徴であるが、それは欠点ではないと説明します。 「古典物理学は、野球や惑星など、私たちが目にできるものの動きを支配します。量子物理学は、私たちが簡単に見ることができない世界です。量子のどこかが古典物理学と大きく異なるとすれば、それは、量子スケールの物理学が粒状であるだけでなく、ファジーでもあるということです。」

しかしフォーティエ博士は、自然そのものがあいまいであると指摘します。デジタル画像を拡大すると、その画像は個々のピクセルで構成されており、明確な境界があるように見えます。しかし、「ピクセルを構成する原子と素粒子を拡大できた場合、素粒子が明確に定義されていないことがわかります。その境界と動作はいくぶん不明確です。これは、鉛筆と定規で「完璧な」線を引くのと似ています。その線を顕微鏡で見ると、エッジは真っ直ぐというよりもぐらぐらと見えます。」

つまり、量子コンピュータは、世界のサンプルしか提供しないデジタル コンピュータよりも、世界の実際のあり方により近い形で世界を見ることができると言えるでしょう。

しかし、それでも、アインシュタインが言ったように、量子の振る舞いは不気味です。

Fortier の記事は、量子の動作の一部をより親しみやすくしていますが、それでも私にとっては非常に理解しにくいものです。たとえば、私が子供の頃から聞いてきたことは、「光は波であり粒子でもある」ということです。光の波が虹を与えるときのように、一方向に動作する場合もありますが、光がソーラーパネルに当たるときは粒子のように動作します。私にはそれを理解するのが難しいですが、不安を捨てて、それが両方の意味で役立つ可能性があることを受け入れることができます。

そして、「測定行為が物体の量子状態を乱すというハイゼンベルクの不確定性原理」もあります。では、測定によって量子粒子が乱れた場合、コンピュータはどのようにして量子粒子の状態を基にできるのでしょうか?

しかし私にとって、最も不気味なのは量子のもつれです。粒子間の距離に関係なく、ある粒子の量子状態は別の粒子の状態と相関関係にあります。したがって、1 つの粒子を測定すると、その相手の状態に影響を与えることになります。しかし、エンタングルメントには、安全な暗号鍵という実用的な用途があります。

これらすべてを考えると、実用的な量子コンピューターを開発するには科学以上のものが必要であると考えられます。エンジニアは、実際には理解できないテクノロジーを扱うことを受け入れる必要があるでしょう。