図解で分かる量子技術　量子コンピューターはどのように計算する？

　「こんなに量子が面白いなんて」――。2021年、人知れず盛り上がりを見せた動画配信の授業がある。テーマは「量子アニーリングを利用した組み合わせ最適化問題の解法に関するワークショップ・チュートリアル」。東北大学大学院の大関真之教授が量子コンピューティングの人材育成で裾野を広げようと、国プロジェクトの一環として開催したYouTubeの授業だ。

東北大大学院の大関教授は量子コンピューターの裾野を広げる（写真：行友 重治）

　なにやら小難しそうな量子コンピューターの世界だが、独フォルクスワーゲンの交通の流れの最適化などを分かりやすく解説するうち受講者らは引き込まれていく。講義の最終目標は「量子コンピューターを活用したアプリ」の企画提出。質問への回答や応募者のアイデアに対し、予備校講師経験のある大関教授がリアルタイムで軽快につっこんでいく同企画には、普段は量子コンピューターに縁のない社会人から高校生の母親まで数百人が熱中し、参加者の希望で当初の予定時間を大幅に延長、日程も増やすなど「白熱教室」さながらだった。

21年に日本で初めて設置されたIBMの量子コンピューター。新川崎・創造のもり かわさき新産業創造センター（川崎市）で稼働を始めた（写真：日刊工業新聞／共同通信イメージズ）

量子コンピューターの内部は心臓部を守るためのシャンデリアのような構造だ（写真：ロイター＝共同）

　授業やコンテストでは「量子で最適なグループ分けをする『量子婚活街コン』」「給食の献立作成」「プレゼントレコメンド」など様々なアイデアが飛び出し、国が4月に公表した「量子未来社会ビジョン」の将来活用の一事例としても掲載された。「想定を超える反響だった。量子力学を勉強していない、だから使えない、という時代じゃなくてもよいのでは」。大関教授は22年の開催も検討中。量子コンピューター利用者の裾野は少しずつ広がり始めている。

10億回相当の計算も1回に

　量子コンピューターの開発が注目されているのは、半導体の性能が18カ月で2倍になるという「ムーアの法則」に限界が生じている、との指摘があることにも起因する。従来のコンピューターが限界を迎えており、突破するために従来と全く異なる技術として注目されているのが量子コンピューターというわけだ。

　では、まず量子コンピューターとスーパーコンピューターを含む従来のコンピューターの仕組みの違いから解説していこう。

　従来のコンピューターは、「0」か「1」の値をとる「ビット」を基本単位として計算する。これに対して量子コンピューターは、「0」と「1」どちらでもある「量子ビット」を基本単位として計算する。いうなれば、コインが表か裏のどちらかを示している状態と、回転し続けている状態の違いだ。

　従来のコンピューターは2進法で計算するためnビットの場合、2のn乗を逐一計算する。2ビットで考えてみよう。

従来のコンピューターと量子コンピューターは計算の基本単位が違う

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　この場合、従来のコンピューターは2の2乗である4通りを順番に組み合わせて一番いい組み合わせを回答する。一方量子コンピューターでは、量子ビットにより4通りの組み合わせを同時に表せる。つまり1回で4通りに相当する計算が可能なのだ。30ビットではもっと大きな差がつき、30量子ビットは1回で2の30乗の10億通り以上に相当する計算が可能だ。