量子コンピュータとは。量子コンピュータの種類や原理、仕組みを解説〜OISTの量子コンピュータ研究開発者に聞く(前編)

INTERVIEW

沖縄科学技術大学院大学(OIST)
サイエンス・テクノロジー・グループ
サイエンステクノロジー アソシエイト
久保 結丸

量子コンピュータとは、原子や電子、分子といったミクロな粒子の状態や挙動を説明する理論である量子力学の特徴を巧みに利用して動作するコンピュータです。量子コンピュータは、従来のトランジスタ・コンピュータでは計算に膨大な時間がかかっていた問題を早く解ける特徴を活かし、高機能材料や薬品などの物質探索やシミュレーション、機械学習などへの活用が期待されています。本連載では、沖縄科学技術大学院大学(OIST)で行われている量子コンピュータの研究開発に注目します。今回は、超伝導方式の量子コンピュータの周辺ハードウェア技術の研究開発を行うOISTの久保結丸(くぼ ゆいまる)氏に、量子コンピュータの種類や原理、仕組みについてご解説頂きました。

量子コンピュータが注目された背景は、1990年代に証明されたNP問題をP問題に落とし込めるというショアのアルゴリズム

久保結丸(くぼ・ゆいまる)
2004年、筑波大学卒、工学博士(2009年、物質・材料研究機構、筑波大学)。専門はハイブリッド量子システム、量子固体デバイス、量子回路、ジョセフソン結合など。学振海外特別研究員、フランスCEA(Atomic Energy and Alternative Energies Commission)サクレー研究員等を経て、2015年より沖縄科学技術大学院大学(OIST)で研究。量子ダイナミクスユニットのグループリーダーを経て2021年よりサイエンス・テクノロジー・グループ サイエンステクノロジー アソシエイト(提供:久保結丸氏)
久保結丸(くぼ・ゆいまる)
2004年、筑波大学卒、工学博士(2009年、物質・材料研究機構、筑波大学)。専門はハイブリッド量子システム、量子固体デバイス、量子回路、ジョセフソン結合など。学振海外特別研究員、フランスCEA(Atomic Energy and Alternative Energies Commission)サクレー研究員等を経て、2015年より沖縄科学技術大学院大学(OIST)で研究。量子ダイナミクスユニットのグループリーダーを経て2021年よりサイエンス・テクノロジー・グループ サイエンステクノロジー アソシエイト(提供:久保結丸氏)


──── なぜ量子コンピュータが必要なのでしょうか。

久保氏(以下同):
従来のトランジスタ・コンピュータには、俗にNP困難(Nondeterministic Polynomial time Hardness)と呼ばれている苦手な計算があります。これは、解こうとしている問題のサイズや事象が大きくなると計算のステップが指数関数的に増えていき、トランジスタ・コンピュータを使っている限りは、あるところで現実的な時間で解けなくなる限界があるとされていることを指しています。

一方、量子コンピュータを使えばNP問題をP(Polynomial time:多項式時間)問題に落とし込めるというショア(Shor)のアルゴリズムが1990年代に証明されました。具体的には、ショアのアルゴリズムを用いると巨大整数の因数分解を効率良く解くことができます。これにより、絶対ではないにせよ一般的には量子コンピュータのほうが従来のトランジスタ・コンピュータよりもNP問題に対する計算能力が高いとされています。

ほかにも、巡回セールスマン問題で知られるルート探索などの最適化問題や、巨大なデータベース検索なども身近なNP問題として知られていますし、また量子コンピュータは高機能材料や薬品などの物質探索やシミュレーション、機械学習などとも非常に相性が良いと考えられていて研究が進められています。こういった背景から量子コンピュータが注目されているというわけです。


──── 量子力学という学問はどういうものなのでしょうか。

量子力学の根幹の一つは粒子であり波でもあるという二重性ですが、実はなぜそうなっているのかはまだ解明されていません。後述もしますが、量子力学には確率解釈という重要な概念があり、アインシュタインが「神はサイコロを振らない」と言って確率解釈に関して否定的に述べたように、誕生から100年経っても議論が続いているのが量子力学なのです。

このように量子力学というのは理不尽な学問ではありますが、これまで実験的にわかったことを理解するためには、そう考えるしかない、ということが量子力学の根幹にあります。物理学は実験で観測して初めて証明されるという部分も大きいのです。


──── なかなか理解が難しい学問・技術分野なのですね。

そうですね。量子の世界は我々人間の感覚では理解できませんし、人間の目で見えるように可視化できない場合が多いです。量子の世界の二重性の意味にしても、これを証明できればノーベル賞ものと言われています。


量子コンピュータはまだ開発前夜。ハードウェア、ソフトウェアとも方式が決まっておらず、これら両方の知見をあわせもつ人材によるブレイクスルーを期待

──── 量子コンピュータは、現在どの段階にあるのでしょうか。

現在は量子コンピュータの開発前夜という段階にあると思います。なぜなら、実は量子コンピュータのハードウェアの方式すらまだ決まっていないからです。量子コンピュータが実現されるといったいどんなことが起きるか、まだ誰もはっきりと想像できていません。

これは、トランジスタを発明した研究者たちが、この技術によって将来遠隔地同士でビデオ通話が可能になったり、レーザーを使って音楽が再生できたり、ロボットによる外科手術が可能になるといったことを想像していなかったであろうことと同じで、あとになってみないとわからない、という類のものだと思います。ですが、先述のように従来のトランジスタ・コンピュータではできなかった計算が可能になり,その結果まったく新しい仕組みの情報通信や産業が創出されるのではないかという期待から注目を集めています。


──── では、ハードウェアの研究開発のほうが先行しているのでしょうか。

ソフトウェアの研究開発はかなり歴史があるのですが、そもそも十数年前まで本当にハードウェアの量子コンピュータができるかどうかわからなかったので、量子コンピュータでなにができるのかというソフトウェアのほうの研究はまだ歴史が浅いのです。

ただ現在はAIや機械学習、データサイエンスなどの分野で量子コンピュータの用途について研究が急速に進んでいますので、ハードウェアとソフトウェアの知見をあわせもった人材が現れて次のブレイクスルーが起きるのではないかと期待しています。逆に、社会に有用な応用例を見いだせないままだと量子コンピュータの研究開発やビジネスの未来はそう明るくないと思います。


──── ハードウェアのほうの問題は解決済みなのでしょうか。

いえ、課題は山積みです。トランジスタ・コンピュータでは、電気を流すことも流さないこともできる半導体の性質を利用し、例えば電気が流れている状態を1、流れていない状態を0として、トランジスタの状態を制御しながら二進法の計算をするわけです。一方、量子には0と1を同時に表現できる「重ね合わせ」という状態があります。これはトランジスタに例えると電流が流れてもいるし流れてもいない、という不思議な状態です。この性質を利用して、量子コンピュータでは一度に膨大な量の状態を同時に表現することができ、並列計算が可能になります。この「重ね合わせ」ができることがNP問題をP問題に落とせるという根本的な理由になります。

ただ、この量子的な重ね合わせ状態は大変脆いのですぐに壊れてしまいます。これを専門用語でデコヒーレンスと言いますが、このデコヒーレンスをいかにして抑制しながら量子コンピュータをスケールアップしていくか、というのが技術的に非常に難しい課題です。さらに、測定してしまうと重ね合わせてあった量子ビットの状態が一つに確定してしまう、という量子力学のもう一つの大事な性質があることも量子コンピュータのアルゴリズムを考える上で難しいポイントです。つまり、最後にどのような測定をすれば効率良く所望の計算結果を得られるのか、というアルゴリズムを考えることが難しいのです。


量子コンピュータの種類は、ハードウェアの候補で分けると光、イオン、スピンなど。OISTでは超電導方式のなかでスピンに注目

──── 量子コンピュータの種類にはどのようなものがあり、最も可能性のある方法はどれなのでしょうか。

いくつかのハードウェアの研究開発が、世界中の研究機関で進められています。ハードウェアの候補には、光、イオン、スピンなどを用いたものがありますが、私はその中でも超伝導方式の量子コンピュータが有望だと考えています。実際、世界的な状況を見ても超伝導量子コンピュータが現状では研究者の数も研究資金も最も多いのです。

もちろん、量子コンピュータを実現するために利用する量子系は電子でも光でもイオンでも理論上は可能です。しかし、量子的な特性を損ねることなく量子ビットをどう増やしていくか、という点が量子コンピュータの研究開発において重要な技術的課題なのですが、この点において超伝導方式が今のところ有望なのです。その一方、量子コンピュータの周辺技術までを含めた量子技術を広く考えると、超伝導だけではすべてのタスクや機能を効率良く実行することは不可能です。私はここにスピンを使った量子技術をいくつか確立したいと思って研究をしています。


──── このスピンというのはどういうものなのでしょうか。

原子核や電子は自転をしていて、電磁石などの身近な例からもわかるように、電気が流れるとそこに磁場が生じます。つまり、原子核や電子が自転をすることでも微小な磁場が生じるのです。もう少し正確に言うと、磁気モーメントが生じます。この磁気モーメントを発生している自転する電子のことを、私のような物理屋はスピンと呼んでいるのです。これはいわば最小単位の磁石のようなものです。

さて、このようなスピンを実験的に観測するためには、多くの場合、静磁場をかける必要があります。こうすることでスピンの方向によってエネルギーの差が生まれます。例えば、スピンが上向きのエネルギーが下向きのときよりも大きくなる、といった状況です。そのエネルギー差に相当する周波数の電磁波を照射することでスピンを観測することができます。これを磁気共鳴と言い、磁気共鳴のわかりやすい応用例が水素原子の核スピンを検出するMRI(Magnetic Resonance Imaging)です。


──── ところで久保先生が量子コンピュータの研究を始めるきっかけはどのようなものでしたか。

もともと大学院では物質工学系の研究科で超伝導材料の研究をしていました。その過程で次第に超伝導材料やその物性よりも、超伝導の特性を活かしたデバイスの量子的な振る舞いなどの量子物理へと自分の興味が移りました。

また、折しも私が大学院生だった2000年代は、量子コンピュータの基本素子になり得る超伝導量子ビットが実現され、今の超伝導量子コンピュータの動作原理に繋がる面白い研究成果が次々に報告されていたいわゆる熱い時代でした。このような時代の潮流もあって量子コンピュータ関連の研究分野に惹かれ、そして博士号取得後に運良くフランスのサクレー研究所に研究員として採用してもらうことができたのでこの研究分野へ転入することができました。


──── 大学院時代の時代背景が影響したというわけですね。

そうです。また私は筑波大学だったのですが、当時はNECが筑波に研究拠点をもっていました。現在は東京大学先端技術科学技術研究センターの中村泰信先生が当時のNECつくば研究所にいらして、中村さんらが世界で初めて超伝導量子ビットを実現したのも筑波だったのです。


超伝導方式の量子コンピュータは、超伝導体の中ですべての電子が同一の波として振る舞う特徴を活かし、ナノテク技術により超伝導体のコヒーレントな電子の振る舞いをうまく制御する

──── その量子ビットというのは何ですか。

量子ビットというのは、量子コンピュータで計算する最小単位ですが、量子コンピュータ版のトランジスタのようなものです。この量子ビットが50個程度になると、現在のスーパーコンピュータと同程度の計算能力をもつようになると考えられています。

これはおおざっぱにいえば、先ほどの「重ね合わせ」の原理によって2の50乗個のトランジスタと同程度の計算能力となるからです。つまり、50量子ビットが1つの臨界点であり目標でもあります。実際、2019年にGoogleが実証した「量子超越」のデモンストレーション実験は53量子ビットが集積した量子CPUを用いて行われました。


──── 量子コンピュータに超伝導を使うというのはどういう意味なのでしょうか。

超伝導というのは極低温に冷やすと電気抵抗がゼロになるという現象です。超伝導になる物質を超伝導体と言います。超伝導量子コンピュータのチップは、この超伝導体で構成される電気回路を極低温に冷やします。

ちなみに、量子コンピュータに使う超伝導体には現在は一円玉のように我々の身近にあるアルミニウムを使っていますが、これは単なる経験則です。アルミニウムには使い勝手やコスト面での利点が大いにありますが、これがベストチョイスという理論的な根拠はまったくありません。近いうちにアルミニウムよりも高品質な量子ビットが別の超伝導体を使って実現され、材料面でもブレイクスルーが起こるかもしれません。このような材料研究も活発になってきています。


超電導研究開発に必須の機器、極低温冷凍機(提供:久保結丸氏)
超電導研究開発に必須の機器、極低温冷凍機(提供:久保結丸氏)


──── なぜ超伝導を量子コンピュータに使うと都合がいいのですか。

それは、電気抵抗がゼロになるという現象の原因が、量子コンピュータを実現するという観点から大変都合が良いからです。超伝導体の中ではすべての電子が同一の波として振る舞います。少し難しい言い方をすると、これは量子の性質が巨視的に発現している状態です。つまり、超伝導体内には10の20数乗個という天文学的な数の電子がありますが、これらの膨大な数の電子があたかも1個の電子のように集団で同じ位相をもって振る舞います。これを専門用語ではコヒーレントに運動する、などと言います。


──── 無数の電子を一つの単位として扱うことが重要ということでしょうか。

そうです。ナノテク技術が進歩した1990年代ごろから、こうした超伝導体のコヒーレントな電子の振る舞いをうまく制御したりすることができるようになってきました。そして、1999年の中村先生らの量子ビットの実証に繋がったわけです。このように開拓された「超伝導量子ビット」の研究分野ではそれ以来、理論と実験の進歩により、量子ビットの性能が5桁以上向上しました。


──── 超伝導量子コンピュータはかなり実現性の高い技術ということなのでしょうか。

量子コンピュータに使うための超伝導の技術はすでにかなり確立していますが、物理学として超伝導そのものもまだわかっていないことも多いのです。そのため今後、まったく予想もつかなかった物質が超伝導体として発見され、巨大な冷凍機に入れて極低温の絶対零度まで冷やさなくてもいいようになったり、それを量子コンピュータに応用することで性能をかなり向上させるという可能性もあります。逆に、まず量子コンピュータを作り、それを使ってさらに優れた超伝導体の新たに物質が発見されるかもしれません。


──── 量子コンピュータの仕組みはどのようになっていますか。

超伝導量子コンピュータのチップは、実はかなりシンプルな回路になっています。チップ上の回路はアルミニウムまたはニオブで配線されることが多いです。量子ビット自体はアルミニウムのトンネル接合でできています。このような超伝導量子ビットが2次元に配列されていて、それぞれの量子ビットに制御用の配線が付いています。これらの回路や配線は、すべてのマイクロ波周波数帯での挙動を高精度に制御できるように設計されています。



量子コンピュータといっても種類があり、超伝導を使う量子コンピュータにアドバンテージがあると語る久保氏。後編では、超伝導方式の量子コンピュータに欠かせない増幅器の研究開発内容についてご紹介します。

文/石田雅彦



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