1950年代のコンビュータは、部屋を埋め尽くすほどの大きな計算機でした。それから、現代の薄型ノートPCやスマートフォンまで、従来型（古典）コンピュータは驚くほど速く、高性能になってきました。それでもなお、相互作用が極めて複雑な問題や、可能性の数が爆発的に増大する問題、物質の極微スケールでの振る舞いを扱う問題では、依然として計算が難しい場合があります。
量子コンピュータは、従来型コンピュータを単に高速化したものではありません。特定の種類の計算問題を解くために設計された、根本的に異なる装置です。
量子コンピュータは、まったく新しいアプローチを提供します。0と1だけで情報を処理する代わりに、量子物理学の法則を利用して、多くの可能性を同時に探索することができます。
OIST量子技術センター長の根本香絵教授は、次のように説明します。
「グローバル物流や気候モデリングから、化学・材料科学に至るまで、現代の課題には極めて複雑なものが数多くあります。量子コンピュータは、こうした課題に対して新たなアプローチをもたらします。
従来のコンピュータの処理能力がほぼ線形的に向上するのに対し、量子コンピュータは、複雑さが指数関数的に増大するタイプの問題に取り組める潜在力を持っています。十分な規模で実現できれば、次のような進展が期待できます。
- 基礎科学へのより深い洞察
- より安全な通信・暗号技術
- エネルギー・物流分野における資源のより効率的な活用
- 新薬・新素材のより迅速な発見
しかし、現在の量子コンピュータはまだ試作段階にあります。量子エラー訂正、フォールトトレランス （誤り耐性）、スケーラビリティといった大きな課題を乗り越える必要があります。これらは、OISTの量子研究における中心的なテーマです。」
量子研究に関する取材先をお探しのメディアの方や、新しい研究室や共同研究先を検討している研究者の方は、OISTの量子分野の研究者をご紹介していますので、ぜひご覧ください。
量子コンピュータの実現には、ひとつのブレークスルーだけでは不十分です。物理学、材料科学、電子工学、ソフトウェア、極低温工学など、多様な分野を精密に統合することで成り立つシステムなのです。
従来型コンピュータは、0と1で表される「ビット」という情報の最小単位を組み合わせた、2進コードを基盤としています。
一方、量子コンピュータの基本単位は「量子ビット（キュービット）」で、0や1に加えて、その両方が同時に存在する「重ね合わせ（スーパーポジション）」の状態をとることができます。また、複数のキュービットが古典的には見られない相関を持つ「量子もつれ（エンタングルメント）」と呼ばれる状態にもなります。こうした性質により、量子コンピュータは特定のタスクにおいて情報を非常に効率よく表現し、処理できるのです。
量子ビットを物理的に生成する方法には、複数のアプローチがあります。OISTをはじめ、世界中の研究者たちが、それぞれ独自の利点と課題を持つさまざまなプラットフォームを探求しています。
OISTのイオントラップ方式による量子ビット生成に関する取り組みの詳細は、高橋優樹准教授のインタビュー、またはムーンショットプロジェクトのウェブサイトをご覧ください。
量子ビットの作成は、量子計算を行うための最初のステップにすぎません。計算を実行するには、量子ビットの状態の変化や相互作用を精密に制御する必要があります。
この制御に使われるのが「量子ゲート」であり、量子ビットを操作するための基本的な演算を指します。量子ゲートには、量子ビットの状態を反転させるゲート、重ね合わせ状態に置くゲート、二つの量子ビットを量子もつれの状態にするゲートなど、さまざまな種類があります。
量子ゲートを並べたものが「量子回路」で、量子プロセッサ（チップ）上で実行されます。有用な計算を行いながらエラーを最小限に抑える量子回路の設計は、量子計算研究の重要なテーマの一つです。
量子ハードウェアは単独では機能しません。複数のソフトウェアの層（スタック）によって支えられています。ソフトウェアスタックは、次のような役割を担っています。
ソフトウェアスタックは、人間が設計したアルゴリズムと繊細な量子ハードウェアを橋渡しする存在です。
量子計算の最終段階では、各量子ビットの量子状態を測定する必要があります。
「読み出しシステム」は、繊細な量子情報を古典的な信号（通常の0と1）に変換し、従来のコンピュータで処理・分析できるようにします。測定誤差が計算結果を不明瞭にする可能性があるため、正確で信頼性の高い読み出し手法を設計することが極めて重要です。
ほとんどの量子システムは、周囲の環境に非常に敏感です。わずかな熱、振動、あるいは外部からの電磁波によって量子状態が乱れ、量子特有の振る舞いが急速に失われることがあります。この現象は「デコヒーレンス」と呼ばれています。
これを防ぐため、多くの量子プロセッサは、絶対零度よりわずかに高い極低温環境で動作させる必要があります。そのため、専用の極低温冷凍機の内部で、精密に同期された電子パルスやマイクロ波パルスによって量子ビットを制御します。
OISTでは、久保結丸博士らの研究チームが、量子ビット、制御電子機器、読み出しシステムを高い効率で統合する次世代量子ハードウェアの開発に取り組んでいます。
では、量子コンピュータがまだ日常生活に広く普及していないのはなぜでしょうか。その理由は、研究者が現在進行形で克服に取り組んでいる、複雑で難度の高い科学的・技術的課題が数多く存在するためです。OISTでは、これらの課題に対してどのように挑んでいるのでしょうか。
量子システムは、本質的に非常に脆弱です。環境との相互作用や不完全なゲート操作、または不正確な測定によって、計算にエラーが生じる可能性があります。
研究者たちは、情報を多数の量子ビットに符号化する「量子エラー訂正」や「フォールトトレラント（誤り耐性）アーキテクチャ」を用いることで、この問題に対処しています。こうした手法により、計算そのものを損なうことなくエラーを検出し、訂正することが可能になります。
現在の量子コンピュータは、一般的に数十から数百の量子ビットで動作しています。しかし、実用的な応用には、数千から数百万規模の量子ビットが必要になる可能性があります。
そして、量子ビット数が増えるにつれて、次のような課題が生じます。
このように、量子コンピュータの規模を拡大すること（スケーリング）は、量子コンピューティングにおける最大級の課題の一つです。
量子コンピュータは物理学の探究だけでなく、現実の環境で確実に動作するように設計されなければなりません。
研究者たちが取り組む必要のあるのは、次のような課題です。
こうした綿密なエンジニアリングを重ねることで、実験室レベルのプロトタイプを、実用的な技術へと発展させつつあります。
強力な量子コンピュータを用いて何を解くのかが重要です。
真に量子アプローチの恩恵を受けるのは、どのような問いでしょうか。また、限られた量子資源を効果的に活かすには、どのようにアルゴリズムを設計すべきでしょうか。量子技術が成熟しつつある今、意義ある応用分野を見極めることの重要性は一層高まっています。
フォールトトレラント（誤り耐性）な量子コンピュータを実現するには、学際的かつ機関横断的な協力が不可欠です。
「OIST量子技術センター（OCQT）」は、この取り組みの中核として、理論、実験、工学、応用分野の研究者を結びつけ、プロジェクトやイベント、研修プログラムを通じて次世代の量子研究者を育成し、実用的な量子技術の実現に向けた進展を牽引しています。OIST量子技術センターのメンバー、プロジェクト、イベント、求人情報については、同センターの公式サイトをご覧ください。
