暗い部屋の中で懐中電灯を照らす場面を想像してほしい。光がどう進むかは正確に予測できる。ある点から別の点へと一直線に進むはずだ。私たちが目にする世界では、光は一つの明確な経路をたどるように見えるため、これは当然のことに思える。
しかし量子力学は、はるかに奇妙な描像を描き出す。
原子スケールまでズームインすると、光はただ一つの直線経路だけをたどるようには振る舞わない。むしろ光の粒子は、あり得るすべての経路を同時に探索するのである。確かに一つの経路は部屋を横切る直線かもしれない。しかし他の経路には、壁で跳ね返ったり、空間の中で曲がったり、目的地に到達するまでに信じがたいほど遠回りをしたりする経路も含まれ得る。
ある意味で、自然はこれらすべての可能性を同時に「生かした」ままにしている。一つの結果が現れるのは、光が「観測」される、すなわち測定が行われた後にのみである。私たちが観測する経路——通常は直線——は、あり得るすべての経路が相互作用した結果として、ある結果がより起こりやすくなり、別の結果がより起こりにくくなった末の、単に最も確率の高い結果にすぎない。
この考え方は日常生活の視点からするとほとんど不可能に思えるが、それは量子力学の核心に位置するものである。今日、私のような科学者たちは、こうした奇妙な量子効果を活用してまったく新しい種類の機械——量子コンピュータ——を構築する方法を学びつつある。
重ね合わせ
日常生活において、物理学は単純明快である。テニスボールはテーブルの上にあるか、ないかのどちらかだ。照明はついているか消えているかのどちらかである。たとえ別の部屋にいてどちらの状態か分からなかったとしても、その物体自体はすでに定まった状態を持っている。
量子力学はこうした通常の規則に従わない。量子力学の法則の下では、結果は誰かが観測するまで確定しないのである。
非常に微小なスケールでは、粒子は確定した状態を持たない。あれかこれかのどちらかであるのではなく、粒子はまだ決まっていない状態で存在する。これは情報が不足しているからではなく、現実そのものがまだ定まっていないからである。
電子や光子、原子は、重ね合わせ——複数の可能な状態が混ざり合った状態——を取ることができる。粒子はここにあるとも、あそこにあるとも、あるいはその中間にあるともいえる。シュレーディンガーの猫はその有名な例である。量子装置に連結された閉じた箱の中の猫は、誰かが確認するまで生きている状態と死んでいる状態の両方にある。
奇妙に聞こえるかもしれないが、重ね合わせは実験室での実験によって繰り返し確認されてきた。しかしこうした量子状態は極めて壊れやすい。熱や振動、迷走する電磁場、あるいは周囲の粒子との偶発的な接触といった外界との相互作用が、繊細な重ね合わせを破壊し、系を単一の状態へと強制的に移行させてしまうことがあるのである。
物理学者はこの過程をデコヒーレンスと呼ぶ。量子系は、いくぶんスピンするコインに似た振る舞いをする。コインが空中で回転している間、私たちの視点からは表か裏かに定まっておらず、両方の結果が可能なままである。量子力学において粒子は、複数の可能な状態が同時に共存する重ね合わせと呼ばれる、これに似た種類の混合状態で存在し得る。
測定が行われたときにのみ、系は確定した結果を「選択」する。ちょうど回転するコインが最終的に表か裏かのどちらかに着地するのと同じように。
物理学者はこの過程を「収縮(collapse)」と呼んでいるが、科学者たちはこの現象を引き起こす根本的な謎をまだ解明していない。音楽のストリーミングを想像してほしい。データはストリーミングサービスを起動するまで元の形のまま保持されており、そのサービスはどの曲でも再生できる状態にある。再生ボタンを押すことで、その可能性が実際の一曲へと変わる。量子粒子を測定することも、あり得るすべての結果を単一の実際の結果へと収縮させるという、同様の効果を生み出しているのである。
遠隔にある不気味な友情
重ね合わせは量子力学の奇妙な特徴の唯一のものではない。もう一つはエンタングルメント(量子もつれ)である。これは二つの粒子が相互作用し、それらの性質が深く結びつくようになる現象で、たとえ大きく離れていても生じる。
二つの粒子がある種の相互作用をすると、それらはもつれた状態になり得る。これは、一方を測定することで、どれほど離れていようとも、もう一方について何かが即座に分かるということを意味する。Einsteinはこの考えを好まず、これを「不気味な遠隔作用」と呼んだ。彼は量子論には何か欠けているものがあると考えていた。しかし数多くの実験の後、科学者たちは量子もつれが実在することを示した。
これを視覚化する良い方法は、二人のダンサーを思い浮かべることである。十分な練習を積んだ後、彼らは言葉を交わすことなく、異なる舞台の上でも互いの動きに合わせることができる。彼らの完璧なタイミングは、共に習得したルーティンから生まれるものである。
奇妙さから新種のコンピュータへ
では、これらすべてはコンピュータの未来にとって何を意味するのだろうか。
あなたの机の上にあるような通常のコンピュータは、ビットを使用する。各ビットはゼロか1のどちらかであり、ちょうど照明のスイッチのようなものである。あなたのすべての写真、動画、メッセージは、こうしたスイッチの長い連なりにすぎない。しかし量子コンピュータは量子ビット(キュービット)を使用する。重ね合わせのおかげで、1個の量子ビットはゼロにも、1にも、あるいはその両方の混合にもなり得る。量子ビット2個で同時に4通りの可能性を符号化でき、10個の量子ビットでは1,024通り、300個の量子ビットでは宇宙に存在する原子の数よりも多くの状態を表現できる。
量子コンピュータは、特定の計算を古典コンピュータよりはるかに高速に行うことを目指しているが、現行のシステムは速度、安定性、計算能力の面で依然として大きな限界に直面している。
標準的なコンピュータは、迷路のあらゆる経路を一つずつ順番に確認していかなければならない走者のように動作する。一方、量子状態は、有用な計算経路が互いに強め合うように進化し、系を正しい結果へと導いていく。
量子コンピュータは、メールの操作や表計算の管理、コンテンツのストリーミングには実用的ではない。こうした作業には既存の古典コンピュータで十分だからである。量子コンピュータの真の可能性は、世界で最も強力な古典コンピュータをもってしても複雑すぎる問題を解決することにある。
こうした課題には、科学者が新薬を設計する助けとなる分子間相互作用のシミュレーション、太陽電池やバッテリーなどの技術を改善し得る新材料の発見、そして暗号技術のような分野の前進が含まれる。
インターネットの鍵と錠
オンラインで送信される個人情報のほぼすべて——銀行のログイン情報、医療記録、個人的なメッセージ——は、デジタル通信の保護において最も広く使われている手法の一つである、Rivest-Shamir-Adleman(RSA)暗号によって保護されている。RSAは二つの大きな素数の掛け算に依存している。これらを掛け合わせるのは容易である一方、その結果からどの素数が使われたかを逆算するのは非常に困難であるため、安全性が保たれている。通常のコンピュータが力任せの推測によって強固なRSA鍵を破るには、数十億年かかるとされる。
しかし1994年、数学者Peter Shorは、十分に強力な量子コンピュータであればこの問題をわずか数時間で解けることを示した。今日の量子コンピュータはまだそれほど大きくはないが、急速な進歩により、今後10年から20年のうちにそれが実現するかもしれない。
こうした進歩を受けて、セキュリティ専門家たちは「今収集し、後で復号する(harvest now, decrypt later)」という手法について警告してきた。ハッカーたちは将来の量子コンピュータがそれを解読可能にすることを期待して、すでに暗号化されたデータを収集している。例えば、2026年の医療記録が2040年には危険にさらされる可能性がある。
量子力学は現行のセキュリティシステムを脅かすだけでなく、新たな形の保護をも可能にする。量子鍵配送は、量子状態の繊細な性質を活用して盗聴者を検知できる可能性がある。誰かが量子メッセージを傍受しようとすれば、それによって系が変化し、改ざんの明確な痕跡が残ることになる。
中国の研究者たちは2017年に衛星を介した量子鍵配送を実証し、現在では世界各国の政府が量子安全ネットワークの構築に取り組んでいる。
しかしこうした進歩は倫理的な問題ももたらす。タンパク質の理解に役立つのと同じ量子ツールが、個人的なメッセージを盗み見るためにも利用され得るのである。古典コンピュータを凌駕する量子コンピュータを最初に構築する国や企業は、他者に対して大きな力を持つことになる。
この変化は、文字の発明や核技術と同じくらい重要なものになる可能性がある。技術そのものに善悪はなく、重要なのは人々がそれをどう使うかである。
現在地はどこか
2019年、Googleは自社のSycamoreプロセッサがある計算を200秒で行ったと発表した。同チームの見積もりでは、典型的なスーパーコンピュータであれば同じ作業に1万年かかるという。この主張に疑問を呈する声もあり、またその計算自体はあまり実用的なものではなかったが、それでもなお大きな一歩であり、「量子的優位性(quantum benefit)」の実例であった。
Googleの量子コンピュータSycamoreは、古典コンピュータよりも高速に複雑な問題を解こうとしている。
現在、IBM、Google、IonQ、そして多くの大学が、より大規模で信頼性の高い量子コンピュータの構築に取り組んでいる。最大の問題は、量子ビットが極めて壊れやすいことである。振動や迷光、わずかな温度変化といった些細なものでさえ、その状態を乱してしまう。ほとんどの量子コンピュータは、宇宙空間よりもさらに低い温度まで冷却する必要がある。
量子コンピュータがあなたのデスクトップパソコンに取って代わったり、日々のコンピュータ作業を高速化したりすることはおそらくないだろう。しかし量子コンピュータは、医療、材料科学、サイバーセキュリティを向上させ得る技術革命の一部である。その影響はおそらく段階的に現れるだろう。近い将来、量子コンピュータは専門的な研究ツールにとどまるが、今後10年から20年のうちに、さまざまな分野で実用的な役割を果たし始めるかもしれない。
