研究者たちは今日の技術を使って量子コンピューティングの未来をどのように描いているのか
急速に発展する量子コンピューティングの分野によって、新しい治療薬が現在よりもはるかに速く、現在の何分の一かのコストで設計される未来を想像してみてください。
ヘルスケアと個別化医療の変革は計り知れないものとなるでしょう。しかし、この革新的なコンピューティングが革命を起こす可能性のある分野はこれだけではありません。暗号技術からサプライチェーンの最適化、固体物理学の進歩に至るまで、量子コンピュータの時代は、その潜在能力が最大限に発揮されれば、計り知れない変化をもたらす可能性があります。
しかし、これらすべてが実現するまでには、まだ多くのハードルを乗り越える必要があります。これが、パシフィック・ノースウエスト国立研究所とマイクロソフトが協力してこの新興分野の発展に取り組んでいる理由の一つです。
Q#プログラミング言語の開発元であるMicrosoft Quantumは最近、Q#やその他の言語を用いて異なる量子ハードウェアプラットフォームに命令を送信するための中間ブリッジの開発を発表しました。これには、PNNLが所有する強力なスーパーコンピュータ上で実行されるシミュレーションも含まれます。これらのスーパーコンピュータは、将来これらのプラットフォームで実行可能な量子アルゴリズムのテストに使用されています。スケーラブルな量子コンピューティングの実現にはまだ何年もかかりますが、これらのシミュレーションによって、最終的に使用される多くのアプローチの設計とテストが可能になります。
「スーパーコンピュータの並列プログラミングに関しては、豊富な経験があります」と、PNNLのコンピュータ科学者であるスリラム・クリシュナムーシー氏は述べた。「問題は、これらのシステムを構築する際に、量子アルゴリズムと量子アーキテクチャがどのように動作するかを理解するために、これらの従来のスーパーコンピュータをどのように活用するかということでした。」
古典コンピューティングと量子コンピューティングは互いに大きく異なるため、これは重要な質問です。量子コンピューティングは古典コンピューティング2.0ではありません。電球がろうそくの改良版であるのと同じように、量子コンピュータは古典コンピューティングの改良版ではありません。一方を使ってもう一方をシミュレートすることはできますが、根本的に異なる技術であるため、そのシミュレーションは決して完璧ではありません。
古典的なコンピューティングは、ビット、つまりオンかオフかで0か1を表す情報に基づいています。しかし、量子ビット（キュービット）は、0か1、あるいはそれらの2つの値の任意の割合を同時に表すことができます。これにより、全く異なる方法で計算を実行することが可能になります。
しかし、量子ビットがこれを行うことができるのは、重ね合わせと呼ばれる特殊な状態にある場合に限られます。この重ね合わせと、量子もつれなどの量子挙動の他の特徴を組み合わせることで、量子コンピューティングはあらゆる種類の複雑な問題、特に指数関数的な性質を持つ問題に答えられるようになる可能性があります。これらはまさに、古典コンピュータでは容易に解くことができない、あるいはそもそも解けるかどうかさえ分からない種類の問題です。
例えば、世界の電子プライバシーの多くは、素数を利用した暗号化方式に基づいています。2つの素数を掛け合わせるのは簡単ですが、2つの素数の積を因数分解して逆算するのは非常に困難です。場合によっては、古典コンピュータは1万年かけても解を見つけられないこともあります。一方、量子コンピュータは数秒でこの作業を実行できる可能性があります。
だからといって、量子コンピューティングが古典コンピュータが実行するすべてのタスクを置き換えるわけではありません。これには量子コンピュータ自体のプログラミングも含まれますが、量子の振る舞いの性質上、プログラミングは非常に困難になる可能性があります。例えば、量子ビットを観測するだけでデコヒーレンスが起こり、重ね合わせ状態やエンタングルメント状態が失われる可能性があります。
こうした課題は、Microsoft AzureのQuantumグループが取り組んでいる取り組みの一部の原動力となっています。大規模な量子アプリケーションには古典コンピューティングと量子コンピューティングの両方のリソースが必要になると予想し、Microsoft QuantumはQIR（量子中間表現）と呼ばれるブリッジを開発しました。QIRの背後にある目的は、プログラミングスタックのある時点で、量子ビットへの干渉を回避する共通インターフェースを作成することです。これにより、インターフェースは言語やプラットフォームに依存しなくなり、異なるソフトウェアとハードウェアを併用できるようになります。
「量子コンピューティングの分野を前進させるには、特定のエンドツーエンドシステムを構築する方法を考えるだけでなく、それ以上の視点で考える必要があります」と、Microsoft Quantumのシニアソフトウェアエンジニアリングマネージャー、ベティーナ ハイム氏は最近のプレゼンテーションで述べた。「様々なアプローチの開発と実験を促進するグローバルなエコシステムをどのように成長させるかを考える必要があります。」
75年前の古典的コンピューティングの状況を考えてみると、これらはまだ黎明期にあるため、このエコシステムでは、量子ゲート、アルゴリズム、誤り訂正など、多くの基本コンポーネントの開発と改良が依然として必要です。そこでPNNLの量子シミュレータDM-SIMが登場します。これらの要素について、様々なアプローチや構成を設計・テストすることで、目標を達成するためのより良い方法を発見することができます。
クリシュナムーシー氏は次のように説明しています。「現在私たちが不足しているもの、そしてこのシミュレーション インフラストラクチャで構築しようとしているのは、ターンキー ソリューションです。これにより、コンパイラの作成者、ノイズ モデル開発者、システム アーキテクトなどが、量子ビットを組み合わせるさまざまなアプローチを試し、「これを実行したら、何が起こるか?」という質問をすることができます。」
もちろん、道のりには多くの困難や失望が待ち受けています。例えば、2018年にNature誌に掲載された論文の撤回が迫っています。マイクロソフトが一部資金提供したこの研究では、マヨラナ粒子と呼ばれる理論上の粒子の存在を示唆する証拠が提示され、量子力学における大きなブレークスルーとなる可能性を秘めていました。しかし、その後、データに誤りが見つかり、その主張を覆す結果となりました。
しかし、進歩は続いており、十分に堅牢でスケーラブルな量子コンピュータが利用可能になれば、あらゆる潜在的な用途が可能になる可能性があります。サプライチェーンや物流の最適化は理想的な用途となり、ビジネスに新たなレベルの効率性とエネルギー節約をもたらす可能性があります。量子コンピューティングは未分類データに対しても非常に高速な検索を実行できるはずなので、金融データ、気候データ分析、ゲノミクスといった分野にも応用できる可能性があります。
これはほんの始まりに過ぎません。量子コンピュータは化学や固体物理学における物理プロセスを正確にシミュレートするために使用でき、これらの分野に新たな時代をもたらす可能性があります。分子特性をこれまでよりもはるかに高速かつ正確にシミュレートし、特定できるようになるため、材料科学の進歩が可能になる可能性があります。量子コンピュータを用いたタンパク質のシミュレーションは、医療に革命をもたらすような生物学に関する新たな知識につながる可能性があります。
将来的には、量子暗号も、真に安全な暗号化ストレージと通信を実現する可能性を秘めているため、普及する可能性があります。これは、物理法則に違反することなく量子データを正確にコピーすることは不可能であるためです。量子コンピュータが普及すれば、このような暗号化はさらに重要になります。なぜなら、量子コンピュータの独自の能力により、前述のように従来の暗号化手法を迅速に解読できるため、現在堅牢な多くの手法が安全ではなく、時代遅れになってしまうからです。
多くの新技術と同様に、量子コンピューティングがもたらす可能性のあるあらゆる用途や問題を予測することは困難です。だからこそ、企業や産業界は開発の初期段階から量子コンピューティングに関与する必要があるのです。学際的なアプローチを採用することで、あらゆる新しいアイデアやアプリケーションが生まれ、最終的には信頼性と倫理性を兼ね備えた技術の構築につながることが期待されます。
「それを実現するために、皆さんはどのように協力するのでしょうか？」とクリシュナモーシー氏は問いかける。「少なくとも今後20～30年は、化学の問題や原子核理論などにおいて、誰もが同時に設計しプログラムする仮想的な機械が必要になるでしょう。そして、シミュレーションはそのために不可欠になるでしょう。」
量子コンピューティングの未来は、私たちの世界に計り知れない変化と課題をもたらすでしょう。最も重要なデータの保護から遺伝子コードの秘密の解明に至るまで、量子コンピューティングは、私たちがまだ想像もしていない応用分野、分野、そして産業への鍵を握る技術です。
