量子コンピュータ入門

今回は、量子コンピュータのお話しをしようと思います。入門ということで、深い物理的な内容まで触れずに簡単に内容をお伝えしようと思います。

量子コンピュータとは？

量子コンピュータとは、量子物理学(量子力学)の原理に基づいて動作するコンピュータです。
これまでのコンピュータやスーパーコンピュータとは全く違う原理で動作します。

ちなみに普段我々が使うようなコンピュータであったりスーパーコンピュータは、「古典」コンピュータとよばれます。ここでの「古典」とは、量子力学を扱わないというだけの単なる物理学における呼び方です。なので、特に意味はなくそうやって呼ぶのだと理解していただければいいかと思います。

量子コンピュータは計算が速いのか？

結論から申し上げますと、特定の問題に関しては量子コンピュータを用いることで、スーパーコンピュータでも解くことができないような問題を高速に処理できることが分かっています。
ちょっと煮え切らない表現ですね。実は、量子コンピュータを使うとどんな問題でも速く計算できるわけではないのです。量子コンピュータが得意な問題と不得意な問題があるのです。

「量子コンピュータは速い」が意味するところ

さてこれまで、量子コンピュータは古典コンピュータに比べて特定の問題を速く処理できるという表現をしてきました。具体的には、量子コンピュータの計算の速さとは、特定の問題を解く際に必要な計算量が古典コンピュータと比較して大幅に少なくなるという意味なのです。
実は、一回の計算スピードに関しては、量子コンピュータは家庭用のコンピュータにすら負けています(今のところ)。ですが、古典コンピュータでは相当な計算量が必要な問題を、量子の性質を上手に扱うことで、必要な計算量を劇的に少なくすることができるのです。

古典コンピュータが解くことができない問題とは

ここで、「古典コンピュータでは解くことができない問題」という表現について少し注意をしておきます。
この表現の意味するところは、古典コンピュータでは現実的な時間スケールでは問題を解くことができないという意味です。

量子コンピュータが高速に処理できる問題、つまり、古典コンピュータでも解けないとされている問題は、実は原理的には古典コンピュータでも解くことが可能です。しかし、古典コンピュータを使って問題の解決に取り組むと、例えば1万年であったり、宇宙の寿命に相当する時間といったようなとんでもない時間がかかります。

これの意味するところは、原理的にはその問題を解くことができるが、現実的にはその問題を解くことができないということです。
この意味で、古典コンピュータには手に負えない問題と表現されます。

最後に

今回は、量子コンピュータについて簡単にご紹介しました。次回は、具体的にどんな原理で量子コンピュータが動作しているのかという点にフォーカスした記事を執筆したいと思います。

参考文献

[1]  M. A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information (Cambridge Univ. Press, 2000).
[2] 嶋田義皓 (2020) 「量子コンピューティング」 情報処理学会出版委員会 
[3] 藤井啓介 (2019) 「驚異の量子コンピュータ」 岩波書店 
[4] 武田俊太郎 (2020) 「量子コンピュータが本当にわかる!」 技術評論社