量子コンピュータの何がすごいのか？NISTの理論家アレクセイ・ゴルシコフ氏とのQ&A

NIST オリジナル記事

以下は、米国国立標準技術研究所（NIST）の公式ブログ「Taking Measure」に掲載されたQ&Aである。写真の出典はNIST。

量子コンピュータの登場が話題になるにつれ、特に銀行送金などの暗号を解読する能力があるといった予言が多く聞かれるようになったが、実際に量子コンピュータを開発している専門家の一人に話を聞いてみると、このまだ実現されていないマシンの背後にあるアイデアを理解することができるようになった。通常のコンピュータが0か1のどちらかになるビットデータを扱うのに対し、量子コンピュータは0と1に同時になるビット（量子ビットと呼ばれる）を扱うため、暗号を解くためのさまざまな「鍵」を試すなど、特定の機能を指数関数的に高速に実行できるようになる。

簡単な量子コンピュータはすでに存在するが、強力な量子コンピュータを作ることは非常に困難である。それは、量子の世界が非常にデリケートだからだ。迷走する電気信号など、外界からのわずかな妨害が、量子コンピュータに有用な計算をさせる前にクラッシュさせる可能性があるからだ。

米国国立標準技術研究所（NIST）広報担当のチャド・ブーティン氏が、NISTとメリーランド大学の合同量子情報コンピューター科学センター（QuICS）および合同量子研究所の理論家であり、物理学とコンピュータ科学の研究の交差点で働くアレクセイ・ゴルシュコフ氏にインタビューした。彼の研究は、量子コンピュータの設計に役立ち、量子コンピュータが持つ可能性のある機能を明らかにし、私たち全員がその誕生に興奮すべき理由を示している。

量子コンピュータについて、世界中の多くの研究グループがその構築に貢献しようとしていることは、よく耳にするところです。あなたの理論的な研究は、量子コンピュータで何ができるのか、どのようにできるのかを明らかにするのに役立っていますか？

私は、量子コンピュータのハードウェアのアイデアについて研究しています。量子コンピュータは、古典的なコンピュータとは異なり、量子ビットと呼ばれるメモリユニットを使用します。中性原子など、さまざまな物質で構成される量子ビットのアイデアを提案するのが私の仕事です。また、論理ゲートの作り方や、量子ビットをつなげて大きなコンピュータにする方法についても話しています。

もうひとつは、量子コンピュータ上で実行可能なソフトウェアである量子アルゴリズムの提案です。また、大規模な量子システムを研究し、古典的なコンピュータで可能な計算よりも高速に有用な計算ができる可能性があるものを探っています。このように、私たちの仕事は多岐にわたりますが、やるべきことはたくさんあります。目の前には巨大で複雑なモンスターがあり、それをあらゆる手段で削り取ろうとしているのです。

量子システムに着目されていますね。それはどのようなものですか？

私は通常、非常に小さなスケールでは、世界は量子力学に従うと言うことから始めます。原子や電子は小さな量子系です。私たちが知っている大きな物体と比べると、粒子が同時に2つの場所にあるなど、一見相容れないように見える2つの状態を同時にとることができる点が特徴的です。これらの系の働きは、最初は奇妙ですが、だんだん分かってきます。

原子の束からなる大きな系は、個々の粒子とは異なります。私たちが利用したい不思議な量子効果は、大きな系では維持することが難しいのです。例えば、量子メモリービットとして働いている原子が1つあるとします。近くに磁場があるような小さな乱れがあると、その原子は情報を失ってしまう可能性があります。しかし、500個の原子が一緒に働いている場合、その乱れは500倍もの確率で問題を引き起こします。だからこそ、古典物理学は長年にわたって十分に機能してきたのです。古典的な効果は奇妙な量子効果を簡単に圧倒してしまうので、通常、私たちが日常生活で知っている大きな物体を理解するには、古典物理学で十分なのです。

私たちが行っているのは、大規模な量子系であっても「量子的な状態を維持する」、つまり専門家が「コヒーレント」と呼ぶものを理解し、構築することです。300量子ビットのようなたくさんの材料を組み合わせ、しかも、利用したい量子効果が環境によって台無しにならないようにしたいのです。環境による影響を受けない大規模なコヒーレント系は、古典的なコンピュータで作ることも、シミュレーションすることも困難です。しかし、コヒーレント性は、大規模なシステムを量子コンピュータとして強力にするものでもあります。

大規模な量子システムのどこが説得力があるのでしょうか？

大規模な量子系を理解しようとする最初の動機のひとつは、技術的な応用の可能性です。今のところ、量子コンピュータは有用なことは何もしていませんが、人々は近いうちにそうなると考えており、非常に興味深いです。量子インターネットが実現すれば、安全なインターネットになりますし、量子コンピュータをたくさんつないでより強力にすることも可能になります。このような可能性に魅力を感じています。

また、基礎物理学的な面でも魅力的です。なぜこのシステムがおかしなことをするのか、理解しようとするわけです。多くの科学者が、それを楽しんでやっていると思います。

個人的に量子研究に興味を持ったのはなぜですか？

私が初めて量子研究に触れたのは、大学3年生の時でした。数学、物理学、コンピュータサイエンス、そして実験家との交流が見事にミックスされていることがすぐにわかりました。これらの分野が交わるからこそ、とても楽しいのです。つながりが見えるのがいいんです。ある分野のアイデアを別の分野に応用すると、こんなにも美しいものになるんです。

量子コンピュータが暗号を解読して、私たちのデジタル化された秘密をすべて暴露してしまうのではないかと心配する人がたくさんいます。では、量子コンピュータが実現する可能性のある、それほど心配する必要のないこととは何でしょうか？

その前に、すべての暗号が解読されるわけではないことを覚えておくことが重要です。暗号化プロトコルの中には、量子コンピュータに対して脆弱な数学の問題に基づいているものもありますが、そうでないものもあります。NISTのポスト量子暗号プロジェクトでは、量子コンピュータに対抗できる暗号化アルゴリズムを研究しています。

何が興奮させるかというと、たくさんあります。でも、いくつか例を挙げてみましょう。

ひとつは、シミュレーションです。化学、材料科学、原子物理学などの分野で、本当に複雑なものをシミュレートできるかもしれません。大きな複雑な化学反応があって、それがどのように起こっているかを把握したい場合、大きな分子の周りにたくさんの電子が雲を張っているような状態をシミュレーションできるようにしなければなりません。それは面倒なことで、研究するのは難しいのです。量子コンピュータは、原理的にこのような疑問に答えることができます。だから、新薬の探索に使えるかもしれません。
もう一つの可能性は、古典的な最適化問題と呼ばれる、古典的なコンピュータが苦手とする問題に対して、より良い解を見つけることだと考えています。例えば、「複雑なサプライチェーンネットワークの中で、より効率的に出荷を指示する方法は何か」という問題です。量子コンピュータがこの問題に古典コンピュータよりも優れた解を出せるかどうかは不明ですが、希望はあります。

先ほどの質問の続きです。量子コンピュータがまだ作られていないのであれば、その能力についてどのように知ることができるのでしょうか？

私たちは、量子ビットが依拠する微視的な量子論を知っている（あるいは知っていると考えている）ので、これらの量子ビットを組み合わせれば、その能力を数学的に記述することができ、それによって量子コンピュータが何をすることができるかを知ることができるのです。数学、物理学、コンピュータサイエンスの組み合わせです。数式を駆使して、どんどん進めていくのです。

懐疑論者の中には、我々がまだ知らない効果によって、大規模なシステムのコヒーレント性が損なわれるかもしれない、と言う人もいます。このような懐疑論者が正しいとは思えませんが、反証するためには、より大規模な量子系で実験を行うことです。

特定の研究目標を追いかけているのですか？いつか実現したい夢があれば、その理由も教えてください。

一番の動機は、何か役に立つことをする量子コンピュータです。私たちはエキサイティングな時代に生きているのです。でも、もうひとつのモチベーションは、ただ楽しいということです。中学2年生のとき、遊びで数学の問題を解いていたんです。でも、その楽しさがやめられないんです。そして、楽しんでいるうちに、いろいろな発見があります。今、私たちが解いている問題も、同じように楽しくてたまらないんです。

最後に、なぜNISTなのでしょうか？なぜ計測研究所でこの研究に携わることが重要なのでしょうか？

量子力学はNISTの中心であり、その人材がその理由です。ここには、複数のノーベル賞受賞者を含む一流の実験者がいます。NISTは私たちに偉大な科学を行うためのリソースを与えてくれます。また、公的な機関で働くことは、社会に貢献できるという点でも良いことです。

量子コンピュータは、多くの点でNISTと計測から生まれました。より良い時計を作ろうとすることから生まれたのです。デイブ・ワインランドが行ったイオンの研究は、ここで重要な意味を持ちます。また、イェ・ジュンの中性原子の研究も重要です。この2人の研究により、イオンと中性原子を見事に制御できるようになり、これは量子コンピュータにとって非常に重要なことです。

計測は量子コンピュータの核心です。多くの人が取り組んでいるエキサイティングな未解決の問題は、私たちが「量子アドバンテージ」と呼んでいるものをどのように計測するかということです。例えば、「ここに量子コンピュータがあるが、古典的なコンピュータと比べてどの程度の優位性があるのか」と言われたとします。私たちは、その測定方法を提案しています。