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

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)

量子コンピュータと人工知能に関するこの連載、前回のインタビューでは、量子コンピューターを動かしている「量子とは何か?」を中心にお聞きしました。

今回は、2度にわたって起こった「量子コンピュターブーム」の第二期についてお聞きしたいと思います。

前回に引き続き、慶應義塾大学の鹿野先生にお話をうかがいます。

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。

すでに完成している量子コンピュータ。課題は2つ

――前回は、第一次量子コンピューターブームについてお聞きしました。

今日は「第二次」についてお聞かせください。まずそれは、いつ頃起きたのでしょうか?

鹿野:
「第二次がまさに、現在なんです。

きっかけは、米国IBMがクラウド型量子計算機を完成させたからです。2016年公開の『IBM Qエキスペリエンス』です。

2018年には商用の運用も始まり、慶應義塾大学も契約を交わしています。

クラウド型なので、世界中誰でもアクセスできる。私たちの研究室でもコードを組み、量子計算機に送ると、ちゃんと結果が返ってきます」

――ありがとうございます。なるほど、量子コンピュータは、すでに実現されていたんですね。

鹿野:
「はい。ただし注意しなければならないのは、現在運用されている従来型のスーパーコンピュータと、速度や結果があまり変わらない、あるいは劣るという点です」

――量子コンピュータが完成したから、いきなり既存のコンピュータを凌駕した、というわけではないんですね。

鹿野:
「現在、量子コンピュータの世界が解決しなければならない課題は2つあります。

1つは計算機の性能をさらに高めることです。世界一速いコンピュータを作ることを目指し、IBMだけでなく世界中の大学・企業がしのぎを削っている段階です。

『2番でもいい』などと言っていたら、まちがいなく置いていかれてしまうでしょう(笑)。

しかし、私たち『慶應義塾大学量子コンピューティングセンター』が行っているのは、ハードウェアの開発競争ではありません。

この量子コンピュータによって『何を、どのように使ったら、おもしろいことができるか』を示すことです。これが2つ目の課題です」

近年、コンピュータの性能はわざと落とされている?

――そうした課題をクリアし、さらに進化を遂げれば、世の中のコンピュータは全部、量子コンピュータに置き換わるんですか?

スマホの中に量子コンピュータが組み込まれるとか。

鹿野:
「そうではありません。私は、量子コンピュータは、計算機の『Only One』ではなく『One of Them』(多くの選択肢の中の1つ)にならなければいけないと考えています」

――それはなぜでしょう?

鹿野:
「世の中ではいろいろな計算機が動いています。

パソコンだけでなく、テレビなどの家電製品も自動車も飛行機も、今やほとんどすべての製品に計算機が内蔵されている。

計算リソース(資源)にあふれているんです。まずそれらの可能性を最大限まで使わなければならない、と思うからです。

みなさんは、それらの計算リソースをフルパワーで活用しようと考えたことはあるでしょうか」

――ないですね。

鹿野:
「ノートパソコンひとつでも、性能をマックスまで使おうとすれば、けっこういろいろなことができます。

また、フルパワーを発揮することが、計算機を最大限に利用することでもないんです。利用する場面によって、計算速度が遅くてもかまわない場合がある。

たとえば、電車の乗換案内アプリを考えてください。

結果が出るまで1時間もかかるなら役に立ちませんが、1秒で結果が表示されるなら十分満足です。

ところが、1秒なんて悠長なことは言っていられないケースもあります」

――どういうケースでしょう?

鹿野:
「自動車の自動運転です。アクセル、ブレーキ、ハンドルの操作判断に1秒もかかっていたら、あっというまに交通事故を起こしてしまいます。

このように、コンピュータの存在意義というのは、状況や問題設定に、完全に依存しているんです。

時間に余裕のある問題なら、量子コンピュータより従来のコンピュータに計算させればいいし、膨大な計算を短時間でこなしたいと考えるなら、量子コンピュータにやらせることを考えてもいい。

近年、CPU(コンピュータの中央処理装置)の処理速度をわざと落としているのをご存知ですか?」

――いえ、知りませんでした。なぜ、そんなことを?

鹿野:
「CPUのクロック周波数(CPUの性能を表す)は現在(2019年)、1.9~2.2ギガヘルツが主流です。

ところが3年ほど前は、3.0ギガヘルツくらいのものが主流だったんです。

なぜ性能を落としたのか?

必要なかったからです。各社がしのぎを削って、高性能のチップを開発したものの、オーバースペックになってしまったんです。

それなら、性能を落とし、コストを下げて提供したほうがいいと、市場から判断されたんですね」

――だから『何を、どのように使ったら、おもしろいことができるか』を研究しなければならないんですね。

鹿野:
「そうです。現在、このセンターはユニークで、IBMと契約を交わしている他に、量子コンピュータを使ってみたいという4社の『メンバー・カンパニー』と協力しています。三菱UFJフィナンシャル・グループ、みずほフィナンシャルグループ、JSR、三菱ケミカルです。

彼らとともに、『どんなふうに使ったら、面白いことが実現できるだろうか』という量子コンピュータの未来像を考えています」

量子コンピュータの最前線は泥くさい

――量子コンピュータの研究と聞いていたので、てっきり世界最速のハードを開発しているのかと思っていました。

鹿野:
「そういう世界トップの最先端技術を研究開発している機関はあります。

世界最速の量子コンピュータを作って、世界で最初にRSA暗号を解いてやるぞと野心を燃やしている方たちはいるんです。

たとえば、私たちが契約している『IBM Q』の現場もそうです。

量子コンピュータの中には数十本の結線が入っており、その他の回路も膨大な数です。

彼らは、このマシンを運用するために、結線やねじを回したり、切ったり、貼ったりといった、泥くさい作業を延々と続けているんです。

世界最初のコンピュータは、1万8000本の真空管と数マイルに及ぶ配線をもつENIACというマシンでしたが、それが完成した1946年当時と同じような作業が、21世紀の量子コンピュータの最前線でも行われているんです」

――なぜそんな作業が必要なのでしょう?

鹿野:
「量子コンピュータが、たいへん小さな世界の原理に基づいて動いているからです。いまだに原因のわからないノイズがあるそうです。

そうした問題をひとつひとつ探り、解決しているのが今の段階です。

現場のエンジニアなどからは『今日はうまくいかねえなあ〜』なんて、およそデジタルの世界とは思えないような言葉が交わされています。

であるにもかかわらず『IBM Q』は安定して動いています。そういう点も不思議で面白い点です」

既存のコンピュータは限界が見えている

――まるで野良仕事か工事現場みたいですね。そこまでして、量子コンピュータの開発が急がれているのには、どんな理由があるんですか?

鹿野:
「既存のコンピュータは性能の限界が見えてきたからです。

現在、CPUの最大クロック周波数は3.0~4.0ギガヘルツです。これ以上は向上しないと言われています。

現在、CPU基板の配線の幅は14ナノメートルです。なぜ14ナノメートルかというと、基板に配線を焼き付ける紫外線を集光できる最小サイズが14ナノメートルだからです。

さて、次世代CPUでは、この配線の幅が7ナノメートルになります。

そうすると同じ面積の基板に4倍以上の配線をプリントできる。よってCPU基板の性能も4倍以上になるというわけです。

このような工夫で、性能を上げようとしたわけです。

ところ新たな問題が起きました。

線と線のあいだが狭くなりすぎて、線を通る電子が隣の線に飛んで行ってしまうという現象が起きてしまったんです。

これは既存のコンピュータが基礎とする古典物理学上の現象ではなく、量子物理学上の現象なのです。

つまり、既存のコンピュータも性能を極めようと努力するうち、いつのまにか量子物理学の世界へ突き当たってしまったというわけです。

ここが既存のコンピュータの限界です」

――コストを切り詰めてアパートを建てたら、壁が薄くて隣の部屋の音が聞こえてしまった、みたいなものですね。

鹿野:
「こうした現状をふまえて、私たちのような量子コンピュータの研究者は、既存のコンピュータの開発とは別の道を行き、問題解決に向けた別の選択肢を確保しようとしたのです。

そして、『IBM Q』のように、誰でも利用できるシステムが登場したことと、量子コンピュータの性能が少しずつスケールアップしているという2点から、

『量子コンピュータなんて夢のまた夢だと思っていたけれど、もしかしたら実用化できるんじゃないか』

と注目を集めはじめたのが、現在というわけです」

――性能は上がっているんですね。

鹿野:
「私が学生の頃は、2量子ビットしか入力できませんでした。2量子ビットとは『2の2乗通り』です。

それが現在では20量子ビットまで入力できるようになった。『2の20乗通り』です。すぐに50量子ビットになるでしょう。

これでもまだ、既存のコンピュータと同じ程度です。しかし近い将来に、それを追い越す可能性が見えてきたというわけです」

量子コンピュータの得意技は、素因数分解と最適化問題

――しかし大切なのは、『何を、どのように使ったら、おもしろいことができるか』なんですね?

鹿野:
「そうです。量子コンピュータを含め、こうした計算機のリソースをフルに活用して、どんな社会を作り、どんな未来を描くのかということです。

これをみなさんと一緒に考えたい。そして、それを考えるには、仕組みなんて知らなくてもいいんです」

――それが冒頭におっしゃった「量子コンピュータの原理を理解するより、さらに重要な役割」なんですね?

しかし、考えるヒントをいただきたいです。量子コンピュータのような計算機は、どんな仕事に適していると思われますか?

鹿野:
「その問いに答えることができたら、我々はこんな研究をやっていません(笑)。しかしそれでは話が終わってしまいますね。

一般のみなさんへご説明する時に、よく出す例が2つあります。

1つめは、前回お話した『素因数分解』です。

セキュリティへのアタッキング・プロトコルとして最有力なので、だれかが作ったら世界中がたいへんなことになりますが、同時に何かが大きく変わるはずです。

そして、2つめは、『最適化問題』です。

『最高の結果を得るには、何がどれくらいあればいいか』という問題のことです。

日常のあらゆる局面に登場しますが、効率的に解くアルゴリズムがなく、総当たりで計算しなければなりません。

よって量子コンピュータの計算スピードが強みとなります。

この最適化問題のアルゴリズムとAI技術とを組み合わせれば、金融ポートフォリオの作成に応用できるのではないか、と期待されています」

――まっさきに導入されそうな業界はどこでしょう?

鹿野:
「今述べた金融でしょう。膨大な計算によって成り立っている業界だからです。

たとえば銀行は午後3時に閉店します。その後はその支店にあるすべての口座の利息を計算しなければならないからです。

現在はコンピュータですが、昔は手計算でした。だから3時に窓口を閉めざるを得なかったんです。

この計算が地域、国、全世界へと広がり、その過程で誕生したのが金融派生商品です。

ところがこれだけ規模や種類が増えると、何をどう計算していいのかわからなくなってきている。

もしかしたら、ここに量子コンピュータを利用する余地があるかもしれないと期待されています。ただし、具体案は、まだ見えていません」

――未知の領域が広いんですね。

鹿野:
「未知の領域というより、ニーズが圧倒的に足りません。

みなさんも、日本製のスパコンが世界一になったとか、他の国に追い抜かれたとかで一喜一憂したことがあると思います。

さっきも言ったように、ハードウェアの開発はたいへん重要なのですが、さらにむずかしいのは、こうして開発したすごい計算機を『何に使うか』なんです」

何事も適材適所が大切だ、ということは、量子コンピューターの世界にもあてはまるようです。

「モノ」はあるけど、それを使う「用途」を考えないといけない。

高性能のスーパーマシーンがあっても、ニーズがなければ意味がないということですね。
次回につづきます。
(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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