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物理が苦手な人のための、量子コンピューター入門|慶應義塾大学大学院理工学研究科・鹿野豊 前編

取材・文/鈴木俊之、写真/荻原美津雄、取材・編集/設楽幸生(FOUND編集部)

今、世間では、人工知能や機械学習、そしてディープラーニングなどの分野に注目が集まっています。

そんな中で関心が高まっているのが、「量子力学」という学問を利用した「量子コンピューター」というデバイスです。

なんだか一見難しそうな話に聞こえるかもしれません。取材前の私もそうでした。

しかし取材を終えてから、「量子コンピューター」は、単に頭のいい学者や研究者の中だけで語られるものでは決してなく、あらゆる人々の生活が、より豊かになる可能性を秘めた装置であることを知りました。

日々の暮らしがもっと便利で快適になればいいのにな…、そんな風に思っている人に送る、「 AIと量子コンピューター」全3回の連載。

お話を聞いたのは、慶應義塾大学で量子コンピューターを研究されている、鹿野豊先生です。

鹿野豊(しかの・ゆたか)
慶應義塾大学大学院理工学研究科 特任准教授。1984年神奈川県生まれ。2011年東京工業大学大学院理工学研究科基礎物理学専攻博士課程修了。博士(理学)。自然科学研究機構 分子科学研究所 特任准教授、東京大学先端科学技術研究センター 特任准教授を経て、現職。アメリカ・チャップマン大学量子科学研究所の准メンバーでもある。2018年より慶應義塾大学量子コンピューティングセンターが発足し、IBM Q Network Hubに選定され、その活動に携わっている。

原理なんかわからなくてもいい!?

――まずお聞きしたいのは、私たちが普段仕事などに使っているコンピュータと、量子コンピュータがどう違うのかという点です。

鹿野豊氏(以下、鹿野):
「どちらも計算機に変わりはありません。ただし、動作原理がちがうのです。

一般的に「コンピュータ」と言われるものは、電磁気学、そして量子コンピュータは、量子力学に基づいて計算しているというだけです」

――その「量子力学」とは、どういうものなのですか?

鹿野:
「それは、お答えするのも、理解するのもむずかしい。

だけど、コンピュータの中身がどうなっているかなんて、ブラックボックスのままでかまわないじゃないですか(笑)。中身の細かい仕組みは専門家に任せるとして……。

私は、みなさんに、量子コンピュータの原理を理解していただくよりも、さらに重要な役割を知ってほしいと思っているんです」

「量子」はモノではなく言語。どういう意味?

――そうおっしゃらずに、さわりだけでも……。そもそも「量子」とは何なのですか?

鹿野:
「物質を小さくすると、分子や原子、陽子や中性子になるというのは、学生時代に教わったことがあると思います。

『量子』とは、これらを表現するための言語です」

――「言語」?どういう意味でしょうか?

鹿野:
「物理学になじみのない文系脳の人は、こう考えてください(笑)。

日本の古い文学作品に『枕草子』や『源氏物語』があります。これらを総称して『古文』と言いますよね。

分子や原子、陽子、中性子は、『枕草子』や『源氏物語』です。それに対して量子は『古文』に当たります」

――感覚では納得しました。でも……。

鹿野:
「一般の人が理解できないのは、この量子という言葉が、分子や原子といった特定のモノを指している、と勘違いしているからです」

――まだ、わかりません。

鹿野:
「では、量子力学の歴史から見ていきましょう。

産業革命の起きた18世紀のヨーロッパでは、鉄鋼や金属の生産が盛んになりました。鉄や金属は溶鉱炉でドロドロに溶かして型に流し込みます。

しかしあまりに高温で、直接温度を測ることができませんでした。

そこで、溶けている金属の色で温度を測る研究が盛んになりました。

ドイツの物理学者プランクは、この研究から、
『光を放出する粒子(原子や分子)は、とびとびのエネルギーしかとることができない』
という仮説を、1900年に提唱したんです。

これが量子物理学のはじまりです。

中学や高校で習う分子や原子のモデルは、それらの『かたち』を表現するために発案された表現です。

一方、量子は、それらの『エネルギー』を記述するために考え出されたというわけです」

――それが『量子は言語だ』の意味なんですね。

鹿野:
「そうです。
原子は、中心に正の電荷を帯びた原子核があり、周囲を負の電荷を帯びた電子が飛び回っているという『かたち』をしていると習いましたね。

でも不思議だと思ったことはありませんか?正と負なら引き合うはずです。

しかし2つはくっつかないのですから。この現象はなかなか説明できませんでした。

ところがプランクが唱えた『とびとびのエネルギー』という考え方を導入すると、うまく説明できることがわかりました。

こんなふうに、モノのたいへん小さな世界を探求していくうちに、それまでとはちがう新しい言語がどうしても必要になった。

それが量子であり、量子力学の体系なんです」

――大昔に書かれた随筆や物語を調べてみると、どうも現代国語とは言葉遣いや感性がちがうようだ。

だったら「古文」と名付けて、別々に研究しようと考えたのと同じだということですね。

量子コンピュータは、自然の力を利用した計算機

鹿野:
「そもそも、物理学というものを、みなさんは誤解していらっしゃる。物理学は、自然へ問いかける学問なんです。

たとえば、目の前にお菓子の箱があったとします。私たち物理学者は『これはどうなっているんですか?』とその箱に尋ねる。

尋ねるというのは、測定器を使って長さや重さを測るという意味です。

すると自然は、『何センチですよ』『何グラムですよ』と答えてくれます。

しかし中身はわかりません。

そこで箱を開けます。するとお菓子が出てくる。

またそのお菓子に『これはどうなっているんですか?』と問いかける。

そのうち、見た目だけでは判断できないレベルに到達します。

すると今度はエックス線構造解析などを使う。するとまた、そのモノの成分について、自然が答えを教えてくれる、という具合です」

――それが量子コンピュータと、どう関係があるのですか?

鹿野:
「実は、量子コンピュータも、これと似た発想が、開発のきっかけになっているんです。

量子はごく小さな世界の『自然』です。

そこへ問いかける。すると『自然』は勝手に答えを出してくる。

これを計算機に応用しようというわけです。このような考え方を『ナチュラル・コンピューティング』といいます。

1980年代頃、多くの物理学者がこの仕組みを考えていました。たとえば、粘菌は迷路の出口を探す能力があるので、これを計算機に応用しようと考えた人がいました。

また、DNAの二重らせん構造がもつ性質を、計算機に応用しようとする人もいました。

こうした、さまざまなナチュラル・コンピューティングの構想の中で『これは有望だぞ』と注目されたのが『量子コンピュータ』だったのです。

最初に発表したのは、イギリスの物理学者ドイッツェです。1985年のことです」

――なぜ有望視されたのですか?

鹿野:
「量子コンピュータは、理論上、現在あるコンピュータより確実に速い、ということがわかったからです」

――どのくらい速いんでしょう?

鹿野:
「それは問題によります。一番わかりやすいのが『素因数分解』でしょう。

現在、コンピュータのセキュリティは、この素因数分解を応用した『RSA暗号』によって守られています。

現行のコンピュータでは解読に天文学的な時間がかかり、事実上不可能だからです。

ところが量子コンピュータは、この素因数分解の問題を圧倒的なスピードで解く可能性が高い。

1994年に、米国の科学者ショアが、素因数分解の量子アルゴリズムを発見しました。(※アルゴリズム=計算が可能となるように問題の解き方の手順を明確化したもの)

この発見に端を発して『第一次量子コンピュータブーム』が起きたわけです」

少々駆け足でしたが、「量子」と「量子コンピューター」について、物理が苦手な方でも、なんとなくおわかり頂いたのではないでしょうか?

次回に続きます。
(つづく)

物理が苦手な人のための、量子コンピューター入門|慶應義塾大学大学院理工学研究科・鹿野豊 前編
超高速のパソコンを何に使うかが問題だ|慶應義塾大学大学院理工学研究科・鹿野豊 中編
目先の結果ばかりに囚われてはいけない|慶應義塾大学大学院理工学研究科・鹿野豊 後編

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