量子コンピューティングはあらゆるものをあらゆる場所で変革する可能性があるが、すべてを一度に変えるわけではない
量子コンピューティングと、アカデミー賞受賞映画「Everything Everywhere All at Once」の共通点は何でしょうか？ 前者は衝撃的なフィクション作品であり、後者はコンピューターサイエンスの新たな最先端技術です。しかし、どちらも私たちの通常の現実観とは相容れない、重ね合わせにおける粒子の再配置を扱っています。
幸いなことに、理論物理学者のミチオ・カク氏は、「量子超越性：量子コンピュータ革命はすべてをどう変えるのか」と題した、現実世界の最先端へのガイドブックを出版している。
「私たちは、デジタルコンピュータに取って代わる次世代のコンピュータについて話しているんです」と、カク氏はFiction Scienceポッドキャストの最新エピソードで語っています。「例えば、今日アジアではそろばんはもう使われていません。…将来、私たちはデジタルコンピュータをそろばんと同じように、時代遅れで時代遅れのものと考えるようになるでしょう。これはゴミ箱行きです。未来はこうやって進化していくのです。」
コンピューター科学者たちはカク氏のデジタル終末論に異論を唱えるかもしれないが、今日の人工知能が分野を変革しているのと同じくらい、量子コンピューターがこの分野を変革することはほぼ間違いない。
「量子コンピューティングは、コンピューティングの面でAmazon Web ServicesやMicrosoft Azureが世界のために実現しようとしていることに、大きな革命を起こす可能性がある」と、米国エネルギー省パシフィック・ノースウエスト国立研究所の物理・計算科学担当副所長、ルイス・ターミネロ氏は語る。
カク氏の潜在的な影響に関する評価はさらに先を行く。彼の見解では、量子革命が本格化すれば、多元宇宙規模の可能性をふるいにかけるあらゆる問題がより容易に解決できるようになる。エネルギーの生成と貯蔵、食料生産、気候モデリング、疾患治療、遺伝子修復などはすべて、量子超越性の潜在的なターゲットとなる。
それはなぜでしょうか？ 従来のコンピューティングの基盤となっている厳格な1か0かのアプローチとは対照的に、量子コンピューターは、量子ビット（キュービットとも呼ばれます）が情報処理時に複数の状態を表現できるという事実を活用します。
「量子コンピュータは原理的に、0と1、0と1で計算するデジタルコンピュータよりもはるかに強力です。なぜなら、量子コンピュータは量子力学的な性質を持っているからです」と彼は述べた。「原子はあらゆる方向に回転できます。一体いくつの方向があるでしょうか？ 無限の数です。」
テクノロジー界の巨人たちは、量子コンピューティングの最適な基盤をまだ決めていません。Amazon、Google、IBMはハードウェアに超伝導回路を採用しています。シアトル地域に研究・製造施設を建設中のIonQは、トラップイオンをベースとした技術を支持しています。他の企業は、光子の量子特性、つまりシリコン格子の欠陥を利用しています。そして、Microsoftはトポロジカル超伝導ナノワイヤに賭けています。
どの技術が勝利するのでしょうか？カク氏は、まだ判断するには時期尚早だと語っています。
「量子コンピュータのアーキテクチャはいくつ考えられますか？ 無限にあります」と彼は言います。「もちろん、今のところ実用的で経済的なのはほんの一握りです。しかし、私が言いたいのは、母なる自然はすでに何百万もの量子力学システムを考案しており、私たちはそれに追いつこうとしているということです。ですから、いつかこれらの技術のうちの1つ、あるいは少数が、この分野全体を支配するようになると私は考えていますが、まだ確信はありません。」
本格的な量子コンピュータはまだ実用化には至っていないものの、研究者たちは既に光合成や窒素固定といった重要な生物学的プロセスの背後にある量子メカニズムをシミュレートする方法を模索しています。これらのタスクを実行するための新たな分子的手法の開発は、数十億ドル規模の価値を生み出す可能性があります。
「世界のエネルギーの約1%が、空気中の窒素を精製して肥料を作るプロセスに費やされています」とカク氏は言う。「しかし、これは非常に無駄が多い。…量子力学的な『緑の革命』が必要なのです。」
エネルギー分野では、量子コンピューターは、エンジニアが核融合発電用のより優れた原子炉を設計するのに役立つ可能性があり、化学者が太陽電池やバッテリー用の新しいタイプの材料を設計するのに役立つ可能性があります。
カク氏は、化学は量子革命の主要ターゲットだと語る。
「化学反応のモデル化に量子コンピュータを使わない化学者は破産するでしょう」と彼は言う。「彼らは職を失い、量子コンピュータを使う化学者に取って代わられるでしょう。これはすべての医薬品に当てはまります。すべての医薬品は最終的に量子コンピュータに還元される可能性があります。」
量子コンピュータが普及すれば、研究者は特定の病気に対処する薬の合成分子を設計できるようになるだろう。
「今日、私たちはどうやって新薬を見つけるのでしょうか？試行錯誤です」とカク氏は言う。「何千枚ものペトリ皿に化学物質を入れて、抗生物質としての性質があるかどうかをじっくりと調べています。それを量子コンピューターのメモリでやってみたらどうでしょうか？」
量子計算は、病気が発症する前にそれを阻止できる可能性を秘めた遺伝子編集治療の方向性を決めることもできる。これは、倫理的な懸念と同時に希望も呼び起こす応用である。
「分子や原子を用いるあらゆる分野は、量子革命の恩恵を受けることができます。がん研究や老化研究も例外ではありません。私たちはなぜ死ぬのでしょうか？少し考えてみてください。私たちが必ず死ぬと定めている物理法則は一つもありません」とカク氏は言います。
不死は熱力学第二法則に反するのではないでしょうか？「もし開放系で量子コンピューターを使って外部からエネルギーを追加すれば、老化を止めるプロセスを開始できます」とカク氏は言います。「考えてみてください。DNAのエラーの蓄積を減らすことで、人間の寿命を延ばす可能性が。…その応用範囲は無限大です。」
彼は次世代コンピューティングが弦理論の謎を解き明かし、いわゆる「万物の理論」（カク氏が「神の方程式」と呼ぶ）を解明する助けとなることを期待している。そもそもこの希望こそが、彼が『量子超越性』を執筆するきっかけとなったのだ。
カク氏は数十年にわたり超弦理論の研究を続け、その分野を代表する教科書の一つを執筆しています。しかし、カク氏によれば、超弦理論は「あまりにも複雑で、共鳴点があまりにも多いため、人間の頭脳では解くことができていない」とのことです。
「なんてイライラするんだ」と彼は言う。「それで、ちょっと待て、弦理論は原子と同じように量子理論だ、量子コンピュータを使って量子問題を解くのはいいじゃないか、と自分に言い聞かせたんだ」
ここまで読んで、カク氏が量子革命に強気な姿勢を見せていることはご理解いただけたかと思います。量子コンピューターではできないことがあると、彼は認めるつもりでしょうか？実は、認めています。
『Everything Everywhere All at Once』のような映画で量子宇宙を行き来できるかのように描かれているとしても、カク氏はそれは全くのフィクションだと認めるべきだと指摘する。「そんなことはありません」と彼は言う。「宇宙間を移動するには膨大なエネルギーと時間が必要なのです。ですから、信じられないかもしれませんが、宇宙間を移動することは可能かもしれませんが、私たちには無理なのです。」
言い換えれば、量子コンピュータ革命でさえ、あらゆる場所で一度にすべてを変えることはできないのです。
『量子超越性：量子コンピュータ革命はすべてを変える』は5月2日に発売されます。5月に開催されるミチオ・カク氏の全米を巡るブックツアーの詳細については、氏のウェブサイトをご覧ください。
Fiction Science ポッドキャストの私の共同ホストは、Clarion West Writers Workshop の卒業生で、現在はカリフォルニア州バークレー在住の受賞歴のある作家、Dominica Phetteplace です。Phetteplace について詳しくは、彼女の Web サイト DominicaPhetteplace.com をご覧ください。
このレポートと付随するポッドキャストは、Cosmic Logでも公開されました。Fiction Scienceポッドキャストの今後のエピソードは、Apple、Google、Overcast、Spotify、Player.fm、Pocket Casts、Radio Public、Podvineで配信予定ですので、どうぞお楽しみに。Fiction Scienceが気に入ったら、ぜひ評価していただき、今後のエピソードのアラートを受け取るためにご登録ください。
