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水田尊久

Author:水田尊久
http://www.takao.asia/
2000年渡韓、2012年末までサムスンに勤務、約四半世紀のエンジニア生活の後、2013年に韓国で法人を設立し独立。技術コンサルティングを中心に、韓国進出支援、市場調査など、韓国を中心に活動しています。

<コラム>量子コンピュータ

最近、「量子コンピュータ」という言葉を目にする機会が増えてきました。ただでさえ取っ付きにくい「量子力学」を用いたコンピュータというだけで「お手上げ」といった感がありますが、今回は、現存する「量子コンピュータ」と、その基本的な考え方について皆さんと一緒に勉強していきたいと思います。


既存のコンピュータは全て0と1のいずれか一方の値を持つ「ビット」を基に計算を行い、この処理を行うために論理回路(論理ゲート)を用います。論理ゲートには、掛け算(論理積)を行うANDゲートや、足し算を行う(論理和)ORゲート、値を反転させる(否定)NOTゲートなどがあります。

一方、量子コンピュータは0と1の両方の値を持つ「量子ビット」を基に処理を行います。この「両方の値を持つ」というのが量子力学的な効果になります。ここで、この「量子ビット」の扱い方の違いにより、量子コンピュータは「デジタル式」、「アナログ式」と呼ばれる2方式に分かれます。アナログ、デジタルと言っても既存のアナログ回路やデジタル回路とは直接関係ありません。

まず、デジタル式ですが、量子ビットを組み合わせて既存のコンピュータで用いられている論理ゲートに相当する「量子ゲート」を用いる方式です。この方式は現在まだ研究段階で実用化には至っていません。

もう一方のアナログ式では、量子ビットの「量子ゆらぎ」という性質を利用した「量子アニーリング方式」と呼ばれる方式を用いたカナダのD-Wave Systems社が2011年に世界初の商用量子コンピュータ「D-Wave One」を発売しています。

この「量子アニーリング方式」の基本概念は東京工業大学の西森秀稔教授と当時大学院生だった門脇正史氏による1998年の論文で提案されました。

ちなみに、D-Wave Oneは128量子ビットを搭載していましが、その後D-Wave Systems社は、2013年に512量子ビットを搭載した「D-Wave Two」、2015年には1000量子ビットを搭載した「D-Wave 2X」、そして今年1月には2000量子ビットを搭載した「D-Wave 2000Q」を商用化しています。

また、アナログ式には「量子アニーリング方式」以外に、レーザー照射によって量子力学的現象を発生させ計算に用いる「レーザーネットワーク方式」と呼ばれる方式があり、国立情報学研究所の山本喜久教授の研究チームによって開発が進められています。

ここで、量子コンピュータも既存のコンピュータと同じようにいろんな事に利用できるように思われがちですが、上に挙げた「量子アニーリング方式」は「組み合わせ最適化」に特化したコンピュータになります。ただし、処理したい内容を組み合わせ最適化の問題に変換できれば汎用としても利用が可能です。一方デジタル式の場合、完成すれば既存のコンピュータのように汎用計算に用いることが可能になります。

さて、量子コンピュータの計算速度がなぜ早いのか?ポイントは「量子ビット」にあります。まず、既存のコンピュータの「ビット」との処理の違いを確認してみます。例えば3ビットの計算を行う場合、データの組み合わせは、[0,0,0]、[0,0,1] 、[0,1,0]、[1,0,0]、[0,1,1] 、[1,0,1]、[1,1,0]、[1,1,1]の8通りあり、これらデータを全て処理するためには8回の計算が必要になります。

一方、「量子ビット」の場合、0と1の両方の値を持っていますので、これを「#」と表すと、データの組み合わせは[#,#,#]の1通りだけになり、データを全て処理するための回数も1回だけです。

次に、最近のパソコンで使われている64ビットの場合は、データの組み合わせは1844京(18,446,744,073,709,551,616)通りになります。全てのデータを処理するためには1844京回の計算が必要になりますが、量子ビットを使うとこれが1回になります。この計算数の差が量子コンピュータの強みになります。

スーパーコンピュータの性能を評価比較するプロジェクト「TOP500」によると、上位500機のスーパーコンピュータの計算速度の平均は、1993年6月の1.1TFlop/s から、2017年6月には748.4PFlop/sとなり、24年で約75万倍高速になっています。この数字を基に上に示した1844京という数字をみると、量子コンピュータが真に実用化された時のインパクトがいかに大きいか予想されます。

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