地平線上の量子コンピューティング：エンジニアの視点

Ed Brown

（画像：phonlamaiphoto/Adobe Stock）

2025年、国際量子科学技術年を祝う中、私はコンピュータ、センサ、暗号における量子力学の実用的応用について考え始めました。そして、エンジニアの視点からこれらを考えるのはかなり難しいと感じています。

「量子電磁力学」の研究でノーベル賞を受賞したRichard Feynmanでさえ、誰も量子力学を真に理解していないと考えていたのに、なぜ今日これほど多くの人々が量子コンピュータを次のビッグシングだと語れるのでしょうか？一方で、Feynman自身が1982年に量子コンピュータの理論的基盤を築き、「量子系を正確にモデル化するには、科学者は別の量子系を構築する必要がある」と述べました。その「別の系」が今我々が量子コンピュータと呼ぶものです。

例えば、Tech Briefsウェブサイトの記事によると、量子コンピューティング分野は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の数百万倍の速さで解く可能性がある」と読めます。

困惑を深めるのは、「量子コンピュータからの答えは確率分布から引き出される。量子コンピュータは答えの具体的な値をくれない。ある値が正解である可能性を教えてくれるだけだ」——答えは「ファジー」だということ。「残念ながら、量子アルゴリズムを1回実行するだけでは不十分。『正しい』答えにできるだけ近づくため、コンピュータ科学者たちはこれらの計算を複数回実行する。各サンプルが不確実性を減らす。アルゴリズムを数千回、あるいはそれ以上実行して、可能な限り最も正確な分布に近づける必要があるかもしれない。」しかし裏返せば：「量子コンピュータはこれらのアルゴリズムを非常に速く実行するため、依然として古典コンピュータよりはるかに速く結果を生み出す可能性がある。」

OK、量子力学を深く理解せずに使うことは受け入れられますが、答えが確率のみである量子コンピュータを使うことには、エンジニアとして実質的な困難を感じます。エンジニアとして、エレベータのボタンを押したらエレベーターがおそらく私の階に来る、というような答えではなく、現実世界の問題に対する固定された実行可能な解決策を求める習慣があるからです。

EEとして数十年働いた後、SAE Media GroupのEd Brownは第2のキャリア、テックエディターとして順調に進んでいます。

「エンジニア時代を振り返り、エディターとして最新かつ最高のものを見守る中で、自分のエンジニアリング経験の光で今起きていることを考えると多くの思考があり、それらを今共有したいと思っています。」

私が出会った量子コンピューティングの最良の説明の一つは、米国国立標準技術研究所（NIST）物理学者Tara Fortier氏による「数学なしで量子力学と技術を理解するのに役立つ5つの概念」です。彼女は「ファジネス」が量子コンピューティングの本質的特徴であるものの、それは欠点ではないと説明します。「古典物理学は、野球ボールや惑星のように見えるものの動きを支配します。量子物理学は我々が容易に見えない世界です。量子のどの部分が古典物理学と実質的に異なるかと言えば、量子スケールの物理学は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Fortier博士は、自然界自体がファジーであると指摘します。デジタル画像をズームインすると、明確な境界を持つ個々のピクセルで構成されているように見えます。しかし、「ピクセルを構成する原子と素粒子までズームインできたら、素粒子は明確に定義されておらず、境界と振る舞いがある程度不明確であることがわかるでしょう。これは鉛筆と定規で『完璧な』線を引くのと似ています。顕微鏡でその線を見ると、エッジは直線よりヨレヨレに見えます。」

つまり、量子コンピュータはデジタルコンピュータ（世界のサンプルのみを与える）より、世界の本当の姿に近い形で世界を見ていると言えるかもしれません。

それでも、アインシュタインが言ったように、量子振る舞いは不気味です。

Fortier氏の記事は量子振る舞いをいくぶん親しみやすくしますが、依然として私にとって消化しきれないほど難しいです。例えば、子供の頃から聞いてきた「光は波でもあり粒子でもある」というもの。虹のように光波として振る舞うときもあれば、ソーラーパネルに当たると粒子のように振る舞います。理解しがたいですが、どちらの形でも有用だと受け入れておきます。

それから「ハイゼンベルクの不確定性原理。測定行為が対象の量子状態を乱す」というもの。測定がそれらを乱すなら、量子粒子の状態に基づいてコンピュータをどう構築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もつれ——1つの粒子の量子状態が、どれだけ離れていても別の粒子の状態と相関していること。一方を測定すると相手の状態に影響する。それでももつれには実用的用途があります——安全な暗号鍵です。

これらすべてが、実用的な量子コンピュータを開発するには科学以上のものが必要——エンジニアが真に理解できないテクノロジーと働くことを受け入れなければならない——と私に思わせます。