量子コンピューティングは未来を形作るのか? 歴史、課題、リスク、利点

少し前まで、古典的なコンピューターの限界により、科学者は新しいタイプのコンピューティングである量子コンピューティングの開発を迫られました。量子コンピューターは古典的なビットの代わりに量子ビットを使用し、古典的なコンピューターよりもはるかに高速に特定の計算を実行できます。この利点は、多くの領域を変革し、私たちの生活をより良いものにする可能性があります。この記事では、量子コンピューティングによって革命が起こる可能性のある業界や分野など、量子コンピューティングの概要について説明します。また、このテクノロジーに関連する課題とリスク、およびこのテクノロジーの将来についても説明します。

IBM Quantum コンピューティング システムの内部。(クレジット: IBM )

量子コンピューティングとは何ですか?

1920 年代に量子理論が開発され、1945 年に最初のプログラマブル コンピューターである電子数値積分器およびコンピューター ( ENIAC ) が構築されて以来、コンピューティングは大きな進歩を遂げてきました。このマシンは、最初の「自動、汎用、電子、エドウィン D. ライリーの著書『コンピュータ サイエンスと情報技術のマイルストーン』によると、10 進数のデジタル コンピュータです。量子コンピューティングとは正確には何ですか? 簡単に言うと、量子力学の法則を利用して、古典的なコンピューターよりも効率的かつ強力な方法で複雑な問題を解決する、急速に出現しているテクノロジーです。 問題によっては、スーパーコンピューターはそれほど優れたものではありません。量子コンピューティングの中核は、情報の処理と操作に量子ビット (量子ビット) の使用に依存しています。2 つの状態 (0 または 1) のいずれかでのみ存在できる古典的なビットとは異なり、量子ビットは重ね合わせ現象により複数の状態で同時に存在できます。これにより、量子コンピューターは多くの計算を同時に実行できるようになります。量子コンピューティングのもう 1 つの重要な原理はエンタングルメントです。これにより、量子ビットが物理的に離れていても、ある量子ビットの状態が別の量子ビットの状態に瞬時に影響を与えることができるように、量子ビットが相関することが可能になります。これにより、量子コンピューターは、大きな数の因数分解や大規模データベースの検索など、特定のタスクをスーパーコンピューターよりもはるかに高速に実行できるようになります。

量子コンピューターはどのように動作するのでしょうか?

先ほど述べたように、量子コンピューターはビットの代わりに量子ビットを使用して多次元量子アルゴリズムを実行します。量子ビットは、量子トンネリングによって絶縁体を介して電荷を運ぶことができるクーパー対などの量子力学的効果を示す超伝導体を使用して作成されます。量子ビットの動作は、マイクロ波光子を照射することで制御および操作できます。量子ビットは、量子ビットのすべての可能な構成の組み合わせを表す重ね合わせの状態に配置できます。量子ビットのグループを重ね合わせることにより、複雑な問題を新しい方法で表現できる複雑な計算空間を作成できます。量子コンピューターはスーパーコンピューターよりも小型で、必要なエネルギーも少なくなりますが、非常に低温である必要があり、これは過冷却された超流体を使用して実現されます。

ジョセフソン接合の拡大図を含む、IBM の超伝導量子ビットの拡大図

量子コンピューティングの現状

量子コンピューティングは、複雑な問題を解決する方法に革命をもたらす急速に進化している分野です。IBM、Google、Rigetti を含むいくつかの企業がすでに量子コンピューターを構築し、活用しています。これらのコンピューターのサイズは数量子ビットから 100 量子ビットを超えるものまであり、それぞれが独自のアーキテクチャと一連の機能を備えています。

• 2017 年、リゲッティは、世界初の量子コンピューティング用フルスタック プログラミング環境である Forest 1.0 のパブリック ベータ版の提供を発表しました。
• Google のSycamore は 、53 量子ビットを備えた量子プロセッサです。これは 2019 年に開発され、ハイエンドのスーパーコンピューターが完了するまでに 1 万年かかるタスクを 200 秒で完了すると主張しました。
• IBM Quantum System 量子 コンピューターも 2019 年に IBM によって導入されました。これには、2.7x2.7x2.7 メートルのコンピューティング システムに収容された 20 量子ビットのトランスモン量子プロセッサが含まれています。興味深いことに、IBMはIBM Quantum Summit 2022で新しい433量子ビット「Osprey」プロセッサを発表しました。

「新しい 433 量子ビットの『Osprey』プロセッサーは、量子コンピューターを使用してこれまで解決できなかった問題に取り組む段階に一歩近づきます。」 – IBM 上級副社長兼研究ディレクターのダリオ・ギル博士は述べています。ハードウェアの開発に加えて、量子コンピューティング用のソフトウェア ツールも進歩しています。Q# や Qiskit などのプログラミング言語を使用すると、開発者は量子プログラムを作成し、量子ハードウェアまたはシミュレーター上で実行できます。ただし、量子コンピューティングは依然としていくつかの課題と制限に直面しています。主なものはエラー訂正です。量子プログラムが実行されるとエラーが急速に蓄積し、科学者にとって課題となります。したがって、大規模で信頼性の高い量子コンピューターを構築するには、効果的なエラー訂正方法を開発することが重要です。もう 1 つの重要な制限はスケーラビリティです。数十または数百の量子ビットを備えた量子コンピューターはすでに存在していますが、数千または数百万の量子ビットを備えた大規模な量子コンピューターを構築することは依然として課題です。しかし、これらの課題は今後数年間で克服され、量子コンピューティングのより広範な採用への道が開かれるだろうという楽観的な見方もあります。IBM Quantum システムは、2025 年以降までに 4,000 量子ビット以上にスケールアップすると約束されています。

量子コンピューティングは世界をどのように変えるのか? 実際のアプリケーション

とはいえ、さまざまな業界で量子コンピューティングが驚くべき結果を示しているユースケースがすでにいくつかあります。

健康管理

最も有望な分野の 1 つはヘルスケアです。量子コンピューターは、古典的なコンピューターよりも分子や材料の挙動をより正確にシミュレートできるため、新薬や病気の治療法の発見を加速できる可能性があります。たとえば、変分量子固有ソルバー (VQE) などの量子アルゴリズムを使用すると、分子の電子構造を古典的な方法よりも正確に計算できます。さらに、量子コンピューティングを使用して、医療記録や臨床試験からの大規模なデータセットを分析し、創薬の新しい標的を特定することもできます。量子コンピューティングがヘルスケアにどのように使用できるかというもう 1 つの例は、薬剤候補の仮想スクリーニングによるものです。これには、潜在的な薬剤の大規模なデータベースを検索して、目的の特性を持つ薬剤を特定することが含まれます。量子コンピューティングは、膨大な量のデータを効率的に検索することでこのプロセスを加速し、創薬と開発の迅速化につながります。

ファイナンス

量子コンピューティングのもう 1 つの重要な用途は、金融分野で遭遇するような問題の最適化にある可能性があります。量子コンピューティングは、財務モデリングとリスク管理を改善するために使用できる可能性があります。たとえば、量子アルゴリズムを利用すると、大規模なデータセットを迅速に分析し、市場動向を予測できます。さらに、量子暗号は金融取引を保護し、サイバー脅威から保護するために使用できます。量子キー配布 (QKD) は、量子力学の原理を使用して、2 者間で暗号キーを安全に送信する技術です。QKD は、もつれた量子ビットの力を利用して、検出されずに傍受することが不可能な鍵を作成します。

ロジスティクス

量子コンピューティングは、サプライチェーン管理を最適化し、輸送コストを削減し、納期を短縮するために使用できる可能性があります。たとえば、量子アルゴリズムを使用して、輸送と流通の最も効率的なルートを迅速に分析できます。さらに、量子コンピューティングは、航空会社や鉄道のスケジュール設定で発生するような複雑なスケジュール設定の問題を解決するために使用できる可能性があります。

エネルギー

量子アルゴリズムは、エネルギー貯蔵装置に使用される材料の挙動をシミュレートするために使用され、より効率的な電池の開発につながる可能性があります。それに加えて、量子コンピューティングを使用して、気象パターンを分析し、エネルギー需要を予測することで、エネルギー生産を最適化することもできます。

製造業

量子コンピューティングは大規模なデータセットを分析し、最適な生産スケジュールを予測できるため、製造業でも大いに役立つ可能性があります。ご覧のとおり、量子コンピューティングの潜在的な用途は広大で、このテクノロジーによって変革できる産業は数多くあります。

未来への「不安」

これらすべてから、量子コンピューティングが社会に与える影響は重大であると結論付けるのは簡単です。そして、他の革新的なテクノロジーと同様に、量子コンピューティングにはいくつかのリスクが伴います。最も重要な課題の 1 つは、テクノロジーの倫理的および社会的影響です。量子コンピューティングは、機密データの保護に使用される暗号化方式の多くを破る可能性があり、プライバシー侵害やその他のセキュリティ上の懸念につながる可能性があります。さらに、量子コンピューティングは、世界の安全保障に脅威を与える可能性のある新しい兵器や技術の開発に使用される可能性があります。

まとめ

量子コンピューティングにはいくつかの課題とリスクがありますが、多くの組織は、新しい暗号化方式の開発、量子ハードウェアとソフトウェアの改善、トレーニングと教育の機会の提供によって、それらに対処するために積極的に取り組んでいます。したがって、私たちは量子コンピューティングが良い意味で世界に革命を起こすと信じています。堅牢で信頼性の高い量子テクノロジーを開発することで、量子コンピューティングの可能性を最大限に引き出し、コンピューティングと社会全体にとってより明るい未来を生み出すことができます。今が行動の時です。CodeGym でテクノロジーの世界を発見し続けてください。