量子コンピューティングとは

IBM Quantum System Oneのクローズアップ
量子コンピューティングとは

量子コンピューティングは、量子力学の法則を用いて古典的なコンピューターには複雑すぎる問題を解決する、急速に台頭しているテクノロジーです。 

今日、IBM Quantumは、数千人の開発者に、実際の量子ハードウェア(30年前は科学者がまだ想像し始めただけだったツール)を提供しています。 IBMのエンジニアは、世界を変えるために必要な量子コンピューティングの速度と容量を実現するように構築された、これまで以上に強力な超伝導量子プロセッサーを定期的に提供しています。 

これらのマシンは、半世紀以上前から存在している古典的なコンピューターとは大きく異なります。 ここでは、この革新的なテクノロジーについてご紹介します。

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量子コンピューターが必要な理由

ある種の問題に対しては、スーパーコンピューターはそれほど「スーパー」ではありません。

科学者やエンジニアは、困難な問題に遭遇すると、スーパーコンピューターに目を向けます。 スーパーコンピューターは、通常は何千もの古典的なCPUコアとGPUコアを備えた、非常に大規模な古典的なコンピューターです。 しかし、スーパーコンピューターであっても、ある特定の問題を解決することは困難です。

スーパーコンピューターが問題の解決につまずいたとき、おそらくそれは、この巨大な古典的なマシンが高度に複雑な問題の解決を求められたときです。 古典的なコンピューターが問題の解決に失敗する原因の多くは、複雑さにあります。

複雑な問題は、多数の変数が複雑に相互作用する問題です。 分子内の個々の原子の振る舞いをモデル化することは、個々のすべての電子が相互作用しているため、複雑な問題です。 グローバル海運ネットワークで、数百隻のタンカーの最善の航路を選別することもまた複雑です。  

 


量子コンピューターが高速である理由

古典的なコンピューターが実現できないものを、いかに量子コンピューターが実現できるかを示す例を見てみましょう。 

スーパーコンピューターは、タンパク質配列の巨大なデータベースを整理するような難しい作業には向いているかもしれません。 しかし、それらのタンパク質がどのように振る舞うかを決定する、データの微妙なパターンを見極めるのは、スーパーコンピューターには困難です。

タンパク質は、アミノ酸が連なった長い鎖であり鎖であり、複雑な形に折りたたまれると有用な生物学的機械になります。 タンパク質がどのように折りたたまれるのかを解明することは、生物学と医学にとって重要な意味を持つ問題です。

古典的なスーパーコンピューターは、答えを導き出す前に、タンパク質を力ずくで折りたたむことを試み、多数のプロセッサーを利用してこの化学物質の鎖を折りたためる方法をすべて確認するかもしれません。 しかし、タンパク質配列が長く複雑になると、スーパーコンピューターは行き詰ります。 100個のアミノ酸から成る鎖の折りたたみ方は、理論的には何兆通りあります。 個々の折りたたみ方の可能な組み合わせをすべてを処理する作業メモリーを備えたコンピューターは存在しません。

量子アルゴリズムは、このような複雑な問題に対して、個々のデータ・ポイントにリンクするパターンが出現する多次元空間を作成するという新しいアプローチを取ります。 タンパク質の折りたたみの問題の場合、そのパターンは、生成するのに最小のエネルギーを必要とする折りたたみ方の組み合わせである可能性があります。 そのフォールドの組み合わせが、問題の解決策となります。

古典的なコンピューターは、このような計算空間を作れないため、これらのパターンを見つけることができません。 タンパク質の場合、古典的なコンピューターの面倒な確認手順なしに、まったく新しいより効率的な方法で折りたたみパターンを見つけることができる、初期の量子アルゴリズムが既に存在します。 量子ハードウェアが拡張し、これらのアルゴリズムが進歩すれば、これらのアルゴリズムを使用して、スーパーコンピューターには複雑すぎるタンパク質の折りたたみの問題に対処することができます。

複雑さがスーパーコンピューターを困惑させてしまう仕組み

タンパク質は、アミノ酸が連なった長い鎖であり鎖であり、複雑な形に折りたたまれると有用な生物学的機械になります。 タンパク質がどのように折りたたまれるのかを解明することは、生物学と医学にとって重要な意味を持つ問題です。

古典的なスーパーコンピューターは、答えを導き出す前に、タンパク質を力ずくで折りたたむことを試み、多数のプロセッサーを利用してこの化学物質の鎖を折りたためる方法をすべて確認するかもしれません。 しかし、タンパク質配列が長く複雑になると、スーパーコンピューターは行き詰ります。 100個のアミノ酸から成る鎖の折りたたみ方は、理論的には何兆通りあります。 個々の折りたたみ方の可能な組み合わせをすべてを処理する作業メモリーを備えたコンピューターは存在しません。

量子コンピューターは複雑さに対応するように設計されています。
量子アルゴリズムは、このような複雑な問題に対して、個々のデータ・ポイントにリンクするパターンが出現する多次元空間を作成するという新しいアプローチを取ります。 古典的なコンピューターは、このような計算空間を作れないため、これらのパターンを見つけることができません。 タンパク質の場合、古典的なコンピューターの面倒な確認手順なしに、まったく新しいより効率的な方法で折りたたみパターンを見つけることができる、初期の量子アルゴリズムが既に存在します。 量子ハードウェアが拡張し、これらのアルゴリズムが進歩すれば、これらのアルゴリズムを使用して、スーパーコンピューターには複雑すぎるタンパク質の折りたたみの問題に対処することができます。


量子コンピューターの仕組み

量子コンピューターは、スーパーコンピューターよりサイズも必要とする消費電力も小さい、洗練されたマシンです。 IBM Quantumプロセッサーは、ノートPCに搭載されているものと大差ない大きさのウェハーです。 量子ハードウェア・システムは、自動車程度の大きさであり、その大部分は超伝導プロセッサーを超低温の動作温度に保つための冷却システムで構成されています。

古典的なプロセッサーは、ビットを使用して演算を行います。 量子コンピューターは、量子ビット(CUEビット)を使用して多次元の量子アルゴリズムを実行します。

超流動
デスクトップ・コンピューターは、多くの場合、ファンを使用して十分に冷却してから動作します。 IBMの量子プロセッサーは、絶対零度よりも約百万分の1度上という非常に低い温度まで冷却する必要があります。 これを実現するために、IBMは過冷却された超流動体を使用して超伝導体を作っています。

超伝導体
この超低温では、IBMのプロセッサーに使用されている特定の物質が、電子が抵抗なく移動するという、もうひとつの重要な量子力学的効果を発揮します。 つまり、これらの物質は「超伝導体」になります。電子が超伝導体を通過するとき、これらは対となって「クーパー対」を形成します。これらの対は、量子トンネリングと呼ばれるプロセスを通じて、電荷を障壁(絶縁体)を越えて運ぶことができます。 絶縁体の両側にある2つの超伝導体は、ジョセフソン接合を形成します。

制御
IBMの量子コンピューターは、ジョセフソン接合を超伝導量子ビットとして使用します。 この量子ビットにマイクロ波を照射することで、量子ビットの振る舞いを制御し、それらが個々の量子情報を保持、変更、読み取るようにすることができます。

重ね合わせ
量子ビットは、それ自体はあまり役に立ちません。 しかし、量子ビットには、それが保持する量子情報を重ね合わせた状態にする(量子ビットのすべての可能な構成の組み合わせを表す)という重要な機能があります。 重ね合わせた量子ビットのグループは、複雑で多次元的な計算空間を作ることができます。 このような空間では、複雑な問題を新しい方法で表すことができます。

エンタングルメント
エンタングルメントとは、2つの別個のものの振る舞いを相関させる量子力学的効果のことです。 2つの量子ビットがもつれると、一方の量子ビットの変化がもう一方の量子ビットに直接影響を与えます。 量子アルゴリズムは、この関係を活用して、複雑な問題の解決策を見つけます。


量子コンピューティングの喧伝と現実

IBM Quantumは、量子コンピューティングにまつわる喧伝を排除し、企業がこの新しいテクノロジーを活用して競争上の優位性を獲得できるようにする、企業のパートナーです。 ビジネス・リーダーが今、量子コンピューティングについて理解しておくべきことについて説明します。

ビジネスのための量子コンピューティングについて見る(1:38)

量子コンピューターは、研究のあり方を大きく変えようとしています。 古典的なコンピューターでは、化学反応やタンパク質の折りたたみなど、自然体系をモデル化しようとしても、行き詰まってしまいます。 量子コンピューターは、自然界を理解するための新たなツールを提供します。

研究のための量子コンピューティングについて見る(1:43)

量子コンピューター用のプログラミングには、大規模な再教育や新しいコーディング言語は必要ありません。 しかし、まったく新しいコンピューティング・パラダイムを活用できます。 ここでは、量子コンピューターの開発を始めるために知っておくべき基礎知識について説明します。                             

開発者のための量子コンピューティングについて見る(1:39)

量子コンピューティングのプログラミングを学ぶ

IBM Cloudでは、量子コンピューティングの世界を無料で体験し、量子コードの書き方を完全にゼロから学ぶことができます。 開発者の方は、世界最大の量子開発者コミュニティーに参加して、今すぐ始められます。

IBMの量子コンピューターは、Pythonのソフトウェア開発キットであるQiskit (ibm.com外部へのリンク)を使用してプログラムされています。 Qiskitは無料のオープンソースです。Qiskitには、包括的な教材と1学期にわたる講座が付属しています。

量子コンピューティングを学ぶ

使ってみる

量子コンピューティングのソフトウェアとプログラミング・ツール

既存のコーディング言語を使用したことのある人なら誰でもなじみのあるツールを備えた開発スイートを使用して、実際のアプリケーションに対して量子アルゴリズムを実行します。


Qiskit Runtime

強力な量子アルゴリズムを簡単に作成し、大規模に実行します。


量子コンピューティング・システム

IBMのオンロケーション・システムとクラウド・サービスは、全世界の業界、機関、官公庁・自治体のニーズを満たすように作られています。