量子コンピューティングは映画『フォレスト・ガンプ』の「人生はチョコレートの箱みたいなもの、開けてみるまで何が入っているか分からない」という言葉のようなものである。量子現象、すなわち原子および亜原子レベルでの物質とエネルギーの振る舞いは、明確に一つの状態ではなく、確率的なものである。量子システムを観察すると、その量子的性質が失われ、「収束」して確定した状態になる。
量子現象は神秘的でしばしば直感に反する。これが量子コンピューティングの理解を難しくしている。人々は新しい概念を説明する際に親しみやすいものを利用しがちであり、量子コンピューティングを説明するために従来のバイナリコンピューティングを比喩として使うことが多い。しかし、このアプローチは大きな概念的混乱を招く。なぜなら、両者は基本的に全く異なるものであるからだ。
この問題は、新しい技術を説明する際に一般的な比喩が有用であるという誤った信念を浮き彫りにする。時には、より斬新な比喩の方が役立つことがある。比喩の新しさは、発見の新規性と一致すべきである。
量子コンピュータの独自性は、異例の比喩を必要とする。私は技術を研究するコミュニケーション研究者として、量子コンピュータは万華鏡として理解する方が適切であると考えている。
デジタルの確実性対量子の確率
古典的なコンピュータと量子コンピュータの理解のギャップは広い。古典的なコンピュータはトランジスタを介して情報を記憶・処理する。トランジスタは1か0、「はい」か「いいえ」といった二進的で決定論的な状態を取る電子デバイスである。対照的に、量子コンピュータは原子および亜原子レベルで確率的に情報を処理する。
古典的なコンピュータは電気の流れを使ってゲートを順次開閉し、情報を記録・操作する。情報は回路を通じて流れ、スイッチの一連の操作を通じて1か0として記録される。バイナリ数学を用いることで、ビットはデジタルのすべての基盤となり、スマートフォンのアプリから銀行の口座記録、家庭内のWi-Fi信号に至るまでがこれに基づいている。
これに対し、量子コンピュータは原子、イオン、電子、または光子の量子状態の変化を利用する。量子コンピュータは複数の量子粒子をエンタングル（量子的に結びつけ）し、一つの粒子の変化が他のすべてに影響を与えるようにする。その後、干渉パターンを導入する。これは、複数の石を同時に池に投げ入れた時のように、ある波が高くなり、別の波が消し合う。慎重に調整された干渉パターンが、量子コンピュータを問題の解決へと導く。
概念的な量子飛躍を達成する
「ビット」という用語は比喩である。この言葉は計算中にコンピュータが大きな値を小さな値に分解し、電子デバイス（トランジスタなど）がより容易に処理できるようにすることを示唆している。
しかし、このような比喩を使うことにはコストが伴う。比喩は完全な比較ではなく、人々がよく知っているものから理解しようとしているものに知識を移転するものである。ビットの比喩は、バイナリ法が同時に多くの異なるビットを扱うわけではないという点を無視している。代わりに、すべてのビットは同じである。
量子コンピュータの最小単位は量子ビット、またはキュービットである。しかし、ビットの比喩を量子コンピューティングに転用することは、古典的コンピューティングに使用するよりもさらに不適切である。比喩を一つの用途から別の用途に転用することは、その効果を鈍らせる。
量子コンピューティングの一般的な説明は、古典的なコンピュータがトランジスタや他の計算単位で一かゼロのみを記憶・処理できるのに対し、量子コンピュータは重ね合わせのプロセスを通じて1か0の両方およびその中間の値を同時に処理・記憶できるとされている。
しかし、重ね合わせは同時に1か0や他の数値を記憶するわけではない。計算の終わりに1か0になる可能性があるという期待があるだけである。この量子的確率は、シュレディンガーの猫に似ており、観察のタイミングによって生死が決まる。だが、重ね合わせの間に異なる値が同時に存在するわけではない。確率としてのみ存在し、観察が重ね合わせを終了させる前にこれらの値が存在した頻度やタイミングを観察者は決定できない。
従来のバイナリコンピューティングの比喩を使用する際の課題を克服するためには、量子コンピューティングを説明するための新しい比喩を受け入れる必要がある。
万華鏡を覗き込む
万華鏡の比喩は量子プロセスを説明するのに特に適している。万華鏡は限られた数の色付きガラス玉、鏡の仕切り壁、光を使用して無限に多様で秩序あるパターンを作り出す。万華鏡を回転させることで、無限に変化する色と形のスペクタクルを生成する効果が高まる。
形は変化するだけでなく、逆に回しても元には戻らない。万華鏡を逆方向に回しても、画像は一般的には同じままであるが、各形の正確な構成や構造はガラス玉がランダムに混ざり合うために異なる。つまり、ガラス玉、光、鏡は以前に示されたパターンの一部を再現できるかもしれないが、それらは決して完全に同じではない。
万華鏡の比喩を使うと、量子コンピュータが提供する解決策、すなわち最終的なパターンは、計算プロセスを停止した時点に依存すると言う事が理解しやすいだろう。量子コンピューティングは、特定の粒子の状態を予測することではなく、多くの粒子がさまざまな状態で相互作用することでパターンを作り出す方法を数学的モデルで使用することに関するものである。このパターンは量子相関と呼ばれる。
各最終パターンは、量子コンピュータに提示された問題に対する答えであり、量子コンピューティング操作で得られるのは特定の構成が結果として現れる確率である。
新しい世界のための新しい比喩
比喩は未知のものを管理可能で、接近しやすく、発見可能にする。驚くべき対象や現象の意味を近似するために既存の比喩を拡張する方法は、斧の刃の縁を「ビット」と呼び、その平らな端を「バット」と呼ぶのと同じくらい古い。これら二つの比喩は、日常生活でよく理解しているものを、専門的な説明が必要な技術に適用する方法である。斧の刃を「ビット」と呼ぶことで、その役割を暗示し、
適用された対象を変えるというニュアンスを追加する。斧が木片を形作ったり割ったりする時、それは「噛みつく」。
しかし、比喩は単なる便利なラベルや新しいプロセスの説明を提供する以上の役割を果たす。新しい概念を説明するために使われる言葉は時間とともに変化し、広がり、独自の生命を持つようになる。
劇的に異なるアイデア、技術、または科学的現象に直面したときには、新鮮で印象的な用語を使用して心を開き、理解を深めることが重要である。新しい概念を説明しようとする科学者やエンジニアは、オリジナリティを追求し、比喩の達人になる、つまり詩人のように言葉を考えるべきである。
コメント