●第1章 量子コンピュータはどれだけ凄いのか？

世紀初頭には物理学での偉大な発見が続きまし（汎コン）や超大型のスーパーコンピュータ（スパコン）も、機能的に組み込まれています。中型の汎用コンピュータ

量子スプレマシーの実現た。 素粒子論からのヒッグス粒子の発見や、一般相対さまざまな分野で利用されています。

（上らの大発見は 世紀に理論提案されていたものです呼ばれます）を超えることです。２０１９年

ータがこれら従来型のコンピュータ（古典コンピュータと量子スプレマシー（量子超越性）とは、量子コンピュ

量子コンピュータのアイデアは１９８２年に米国の物ティングが離陸する」とする解説記事も掲載しました。

動力飛行機の初飛行になぞらえて、「量子コンピューの実証があります。 ネイチャー誌はライト兄弟によるよる量子超越もネイチャーに発表されています。とです。２０２０年 月には、中国での光子ビットに（２００秒）で解いたとのこ
子コンピュータでは 分 秒

端のスパコンで計算すると約 万年かかる問題を、量学術雑誌ネイチャーに発表されました。 現在の最先

米国グーグル社が量子超越性を確認したとの論文が、２００秒

米国「サミット」
日本「富岳」（世界最速2020年6月）

米国「シカモア」
米国「IBMQ」
カナダ「D-Wave」

20

1

装置

●物理学の革新応用としての量子コンピュータ●量子超越性の例として、スパコンで1万年の見積りの計算が量子コンピュータで２００秒スパコンと比べても桁違いの実力！

性理論からの重力波の発見、などがあります。これ
世紀の物理学の革新応用として、量月に、子コンピュータでの「量子スプレマシー（量子超越性）」図）。一方、理学者リチャード・ファインマンが提案し、英国の物

10

理学者デイヴィッド・ドイチュにより計算モデルが考案

312

スパコンと量子コンピュータとの比較を下図にまとめスパコンBOXされてきました。

（グーグル）

量子コンピュータ

現状◎既存技術で汎用並列化◎高度な大規模計算で実績大〇組み合わせ最適化に特化（量子イジング方式）△汎用化は開発中で未完成（量子ゲート方式）

将来△大規模超並列では消費電力大で困難◎超並列・小型化・消費電力小の可能性大ました。 現状ではスパコンは汎用並列化による大規模スパコンと量子コンピュータとの比較

現代社会では、コンピュータは私たちの生活にはな

2019年10月 量子超越性の実証（リチャード・ファインマン）

高速計算の実績は多大です。一方、量子コンピュータ

物理学の革新応用

1982年 量子コンピュータの提案

くてはならない道具となっています。 毎日みなさんが（アルバート・アインシュタイン）では汎用化は未完成ですが、将来の超並列・小型化

2016年 2月 重力波の発見

1916年 一般相対性理論・省電力の可能性に期待が集まっています。

（ピーター・ヒッグス）

使っているスマホやＰＣはもとより、最近の家電製品

2013年 3月 ヒッグス粒子の発見

1964年 ヒッグス機構の提案

や通勤・通学での電車や自動車にも、コンピュータが物理学の大発見（＊）
これはグーグルの見積（量子コンピュータの１５憶倍）。
IBMの見積もりは２日半（１０００倍）。

２１ ２０世紀

世紀

２0２１

要点

10

１万年（＊）
計算時間の比較

11特長

1２１

２１世紀の物理学の大発見と革新応用

●第1章 量子コンピュータはどれだけ凄いのか？

ット、ＡＩ（人工知能）、データマイニング（データから用されています。ＩｏＴ（モノのインターネット）やロボは、 処理が必要なデータ量が飛躍的に増大してきて（ 機 械の他にモノとの通 信 を 含む）の時 代の現 代で一方、ＡＩやＭ２Ｍ（機械と機械との通信）やＩｏＴ国家戦略としての夢の技術の知識発掘）など、大量の情報データの高速処理と列の新しいコンピュータの出現が望まれています（上図）。

います。したがって、スパコンを超える超高速で超並います。

その通信の安全性が必要となってきました。 そのた
それを実現するのが「量子技術」であり、その技術のチップの進展は、「ムーアの法則 」で表され、集積密積回路やマイクロプロセッサ）の更なる進展が必要です。

速化・並列化の高性能化のためには、計算機のチップ（集の様々な研究に供されています。スパコンの更なる高コン）の開発が進められており、国立研究所や大学で関連する量子技術の開発が進められています。そして、ＩＴ（情報技術）企業や金融機関では、通信や暗号にや量子コンピュータの開発競争が繰り広げられています。

や大学を中心として、国家技術戦略としてスパコンにしのぎを削っています（下図）。 各国の国立研究所

世界中で国家や企業がこの量子コンピュータの開発中心にあるのが「量子コンピュータ」
です。

度は 年半から 年で倍増し、処理能力と小型化が現在、国家の威信をかけて超大型コンピュータ（スパおり、企業や国家間での競争が激化しています。

めの高速並列計算機と暗号通信が重要となってきて現代社会では、さまざまな場面でコンピュータが活世界の 大企業や国家が激突！

12

国家・国立研究所・大学

Ｉ
Ｔ企業・金融機関

大企業

各国の主要大企業も幅広い産業応用のために、国際夢の技術の実現のスタート指数関数的に進展すると考えられています（上図）。

量子コンピュータの開発と利用競争として量子コンピュータの開発・応用を進めてい量子コンピュータの産業利用広い分野でのコンピュータ利用

量子通信、量子暗号の開発
通信ネットワークの安全性確保

高性能量子コンピュータの開発
スパコンの性能の国際競争（＊）
Ａ
Ｉ（ＡｒｔｉｆｉｃｉａｌＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）
人工知能
Ｍ２Ｍ（Machine to Machine）
機械と機械
IｏＴ
（Internet of Things）
モノのインターネット

13

現在●半導体チップの進展の限界と必要データ量の増大から、量子コンピュータに期待●国家戦略としての量子コンピュータ開発

Ｉ
Ｔ

ムーアの法則として、チップの集積密度は1年半から2年で倍増し、処理能力と小型化が指数関数的に進展します。ただし、現在は限界に達しています。

IT（情報技術）社会では、扱うデータ量が爆発的に増大しています。

ます。

則

年

限界を超える新しいチップの概念が必要となってきて必要なデータ量法のアー
ム

計算性能（チップ内トランジスタ数）

年
現在

ＡＩ、M2M、ＩｏＴ時代の統合データ量増大（＊）

しかし、 現 在は集 積 度の限 界に近づいており、その2半導体のミクロ化限界

BOX

1

量子コンピュータ
スパコンを超える超高速、超並列の新しいコンピュータが必要となっています

要点

2
ムーアの法則の限界とデータ量の爆増●第1章 量子コンピュータはどれだけ凄いのか？

か観測できません。

ゲート方式とアニーリング方式

トと同じ確定値が使われ、最終的な結果も確定値し２つの方式で新たな可能性が生まれている！

一言で量子コンピュータと言っても、様々な形態があります。特に、主要な方式として、「ゲート方式」と「アての「ビット」が変化することを意味しています。 古典は「門」の意味ですが、門をくぐると情報の単位とし「量子ゲートコンピュータ」です（上図）。 英語のゲートて、古典コンピュータの様に汎用的な計算機とするのが、古典コンピュータの並列化を量子論の原理を応用しギーの低い領域に遷移する物理現象を利用します。

型では、量子ゆらぎと量子トンネル効果によりエネルられていくことを意味しています。 量子アニーリング

した物質が徐々に冷えていく過程で安定な物質が作す。アニーリングとは「焼きなまし」の意味であり、熱最適化問題などを解く方法が「量子アニーリング」で一方、統計的で量子的なゆらぎをうまく利用して、ゲートでは、入口で「０」または「１」のビットが、門をこれを古典回路で模擬したシミュレーティッド・アニー

ニーリング方式」とがあります。

くぐると変化したりしなかったりで、「０」か「１」のいリング型もあります（下図）。
量子アニーリング方式ではすでに数千個の量子ビッずれかになります。一方、量子コンピュータでは、計量子アニーリング型

エネルギー

BOX
座標算の単位が「０」と「１」との重ね合わせの状態であり、古典ゲート●ゲート方式は汎用の万能量子コンピュータ●アニーリング方式は組み合わせ最適化問題に特化した量子コンピュータ
座標トを実現しており、組み合わせ最適化に適しているとエネルギー

量子ゲートを通ると重ね合わせの状態が変化します。

シミュレーティッドアニーリング型

されています。ただし、汎用計算はできません。一方、さまざまな最適化問題に有効そのような様々な門を通すことで、 重ね合わさった量子論的ゆらぎ（量子アニーリング）により、また、古典的で統計力学的な熱のゆらぎ（シミュレーティッドアニーリング）により、エネルギー最小の状態への移行が可能

量子ゲート方式では、現在の量子ビット数は百程度量子ビット多様な状態（量子ビット）での並列計算が、瞬時にで古典ビットな万能量子コンピュータをめざしています。

量子ゲートですが、将来の数百万程度のビットでエラー訂正可能

汎用古典コンピュータを凌ぐ並列性と高速性を実現！

測」することができません。 最初の入力は、古典ビッ量子力学的な重ね合わせや量子もつれの原理により、超並列の計算が可能きることになります。ただし、重なり合った状態は「観量子ゲートコンピュータ
古典コンピュータ

要点
熱ゆらぎ

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量子アニーリングコンピュータのイメージ図

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量子ゆらぎとトンネル効果

3量子ゲートコンピュータのイメージ図