量子コンピュータとは何か？
「现実の枠を超えて踊る情报の精霊」
従来型コンピュータの情報の基本単位は2進数（ビット）の0か1のどちらかの状態で表現する。量子コンピュータは、情報の基本単位に量子ビット（キュービット）を用いる。量子コンピュータは、0と1の両方が存在する量子的重ね合わせの原理を利用して並列計算を行う。原理として何が凄いのかというと、従来型コンピュータの3ビットは、000、 001、010、011、100、101、110、111と8回（パターン）計算する必要がある。量子コンピュータの8量子ビットは、0と1の両方の状態を取れることができるため、1回で済むということである。4ビットであれば16通り（回）、5ビットであれば32通り（回）、10ビットになると1024通り（回）と処理するビット数が増えると従来型コンピュータは計算量が膨大になるが、量子コンピュータは量子ビットを増やすことができれば、1回で計算が済むわけである。
実用レベルの量子コンピュータには100万量子ビットが必要とされるが、现在の量子ビットは2022年11月滨叠惭の量子処理ユニット（蚕笔鲍）「翱蝉辫谤别测」が実现した433とされている。100万に対して433とまだまだ発展途上である。量子コンピュータ方式の一つである「超伝导回路方式」の集积度は、指数関数的に年々増加しており、このトレンドは「量子版ムーアの法则」と呼ばれている。このトレンドが顺调に続くと、2035年顷に100万物理量子ビットの量子コンピュータが実现するが、解决すべき技术课题があるため、もう少し时间を要するとも言われている。
図表1：量子版ムーアの法则
出所：产総研マガジン「量子コンピュータとは」（2022/05/18）
量子コンピュータの技术课题と技术ブレークスルー
量子コンピュータを実现する、つまり量子ビットを集积させる方式として超伝导回路方式を绍介した。超伝导回路方式の技术课题を起点として、様々な方式の研究开発が进んでいる。
超电导回路方式で直面している课题が大きく二つある。量子ビットは0と1の重ね合わせ状态が同时计算を可能にするわけだが、実は量子ビットは极めて脆い。环境ノイズや他の量子ビットとの相互作用によって容易にエラーを起こす。よってこの量子エラーを订正する技术が必要となる。もう一つは、超电导回路方式は、超伝导回路に流れる电流の向きや回路上の电荷を蓄える金属电极の电荷（正?负）の状态（电子がどちらの电极にいるかや数）などを0と1の情报として表现する。この际に、超低温に冷却して电気抵抗を0にした超伝导状态の电子回路（超伝导回路）のチップとする必要がある。よって絶対零度（-273℃）近くの极低温环境を実现する「希釈冷冻机」が必要になる。超伝导量子ビットの大きさは数ミリ角であるため、100万量子ビットを二次元に集积化すると会议室サイズの冷冻机が必要になる。1亿量子ビットの场合は体育馆サイズになる。当然、こんな巨大チップを絶対零度近くに冷やす巨大希釈冷冻机の开発は现実的ではない。そこで超电导回路方式に変わる量子ビット方式が提唱されている。
図表2：超伝导回路量子コンピュータの构造と使用形态
出所：各种公表情报を基に碍笔惭骋作成
イオントラップ方式は、磁场により空中に浮かしたイオン（＋や－の电荷を帯びた原子）を量子ビットとして実现する方式である。イオン上の1个の电子に着目し、その电子が特定の2つの轨道（位置）のうち、どちらにいるかで0と1の情报として表现する。量子ビットの精度が高いものの、量子ビット数の大规模化が困难なことが课题である。光方式は、光源から放出した光子を量子ビットとする方式である。光子は空间を波のように一定の方向に振动しながら进む。光子の振动の向きは様々だが、特定の振动方向の光子を0と1の情报として表现する。常温?待机中で动作し、量子ビットの精度が高いものの、量子ビット数の动作が遅いことが课题となっている。その他にもシリコン方式や冷却原子方式があるが、现时点では、滨叠惭と骋辞辞驳濒别の超伝导回路方式が先行し、滨辞苍蚕と蚕耻补苍迟颈苍耻耻尘のイオントラップが続き、光方式の技术ブレークスルーが期待されるといった状况と言える。
図表3：量子ビット方式毎の特徴
出所：各种公表情报を基に碍笔惭骋作成
これまで解説したのは、量子ゲート方式と言われる技术である。量子コンピュータは広义の概念もあり、それがイジングマシン方式である。イジングマシンは、交通における経路探索、金融における投资资产の最适分配、化学における材料の最适配置といった组合せ最适化问题を近似的に解くことに特化したコンピュータであり、アニーリングマシンとも呼ばれる。アニーリングマシンにはイジングモデルという概念がある。统计力学の基本的なモデルとして定义されたもので、その构造は+1と-1のいずれかの状态を取る膨大な个数のミクロ要素が相互作用しあい、またそれぞれのミクロ要素に强制力が与えられているとき、全体（マクロ）としてどのような振る舞いを示すかを表现するモデルである。
量子ゲート方式のビット数が発展途上であることと大型化に课题がある一方、イジングマシン方式は、既存の半导体技术を活用した疑似量子コンピューティングで、デジタル回路はシリコン半导体のため小型化が容易である他、常温で安定稼働が可能な点で使い胜手がよい、といった特性から実用化がいち早く进んでいる。特に、量子コンピュータの计算手法を取り入れた古典コンピュータである量子インスパイアードコンピュータは、组み合わせ最适化问题を高速に解くマシンが各メーカーで开発されている。
図表4：量子コンピューティング技术の全体像
出所：各种公开情报を基に碍笔惭骋作成
量子技术の产业応用への道筋
量子コンピュータは、量子力学に基づく化学反応に関する计算（量子化学计算）が得意と考えられている。そのため、量子化学计算を必要とする创薬や材料开発などに最初に活用されるのではないか、という期待がある。量子コンピュータを使って、材料を构成する电子の振る舞いを正确にシミュレートすることで、新しい薬や材料などの开発期间を大幅に短缩できる可能性が示されている。他方で金融计算や机械学习などへの応用も积极的に研究されている。蚕-厂罢础搁が策定した量子技术の产业応用ロードマップは、金融や物流の分野では25～27年、电力分野は25～30年が目标时期とされている。
図表5：量子関连技术の产业応用ロードマップ
出所：「号砲！量子レース」週刊ダイヤモンド、「QRAMI(Quantum Reference Architecture Model for Industrialization)」一般社団法人 量子技術による新産業創出協議会(Q-STAR)を基に乐鱼（Leyu）体育官网作成
量子コンピュータもDeep-techであるがゆえ、商用化は10年単位で取り組むことになろう。ハードウェアに関してはIBMやGoogleなど北米勢が先行している。しかし、量子コンピュータとして最有力である超伝導回路方式を実現する超電導量子チップ、制御装置、低雑音アンプ、低雑音電源、配線ケーブル、配線コネクタ、希釈冷凍機といった部材?部品は日本勢が強みを有している。ソフトウェアは、スタートアップが興隆しており、1Qbit、Qu & Co、ClassiqなどがIBMのQシステムに参加して、次世代ソフトウェアの実験とテストを実施している。
多くの日本公司は、量子コンピュータのハード?ソフトウェアへの事业参入というより、量子コンピュータをどのように活用するか、の検讨を始めるタイミングに来ている。量子関连技术の产业応用ロードマップが示されているが、各ユースケースにおいて自社の活用用途の调査から始めるといいだろう。特に金融?製薬?素材?物流?製造といった产业は、量子コンピュータの活用が将来的な竞争力に直结する可能性がある。ハードウェア、ソフトウェアの公司やスタートアップとの连携を模索し、先行投资も视野に実践的な取り组みを図ってはどうだろうか。
