ツイッター掲載中Ｋスペシャルを見ていただければ、前提知識としての量子力学の
知識は一般的には十分だと思います。ここからは、それがどのよ
うにして量子コンピュータになるのかについて考えます。
現在のＣＰＵのチップは、限りなく原子レベルに近づいていま
す。コマのように回転軸を上に向けて、反時計回りに自転する原
子を仮に「１」とします。それをひっくり返して回転軸が下を向
いて時計回りに自転するようすれば、その原子は「０」をあらわ
すことになります。もちろん、０と１は逆でもいいのです。この
場合、原子は極小のスイッチとして機能します。
しかし、微細化がさらに進んで素粒子レベル、量子レベルにな
ると、量子力学が働き、量子は「０」と「１」の両方の状態をと
るようになります。つまり、「重ね合わせ」です。これについて
ニューヨーク・タイムズ紙の科学記者、ジョージ・ジョンソン氏
は、自著で次のように述べています。
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コンピュータ技術者が、量子レベルにまで小型化を進めると、
チップの中の出来事は、もはや決定論的ではなくなる。１と０を
はっきり区別できなくなるのだ。そして１と０に加えて、Φとい
う状態も取りうるようになる。（ここではこの記号はギリシャ文
字の「ファイ」の意味ではなく、０と１が量子的に重ね合わされ
た状態を表す）。量子はこのようなあいまいさを持っているので
同じ原因が同じ結果を及ぼすとは限らない。不確かさが支配する
のだ。正しい用語ではこれを「量子的不確定性」と言う。
──ジョージ・ジョンソン著／水谷淳訳
『量子コンピュータとは何か』／早川書房
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上記の「１と０をはっきり区別できなくなる」とは、重ね合わ
せのことをいっているのですが、要するにノイマン型コンピュー
タのが「０か１か」、つまり「あれかこれか」であるのに対し、
量子コンピュータは「１であり、０でもある」、つまり「あれで
あり、これであり」ということになるのです。
量子コンピュータでは、ノイマン型のコンピュータのビットで
ある「０」と「１」の情報単位を扱う代わりに、重ね合わせを応
用して、「０」と「１」の併存が可能な「量子ビット」（キュー
ビット）という情報単位を使います。「０」と「１」を併存する
演算とは、「０」と「１」を重ね合わせたまま演算できることを
意味しています。
量子コンピュータは、この重ね合わせの特質により、ノイマン
型コンピュータよりも処理速度が圧倒的に速いのです。
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ｎ量子ビットコンピュータは、ノイマン型では２のｎ乗回必要
だった演算を一度に行うことができる。
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量子ビットによるスイッチが２つの場合を「２量子ビット」、
３つの場合を「３量子ビット」といいますが、それぞれが重ね合
わせにより、一度にやれるデータを以下に示します。
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≪量子スイッチが２つの場合／２量子ビット≫
「００」「０１」「１０」「１１」
≪量子スイッチが３つの場合／３量子ビット≫
「０００」「００１」「０１０」「０１１」
「１００」「１０１」「１１０」「１１１」
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２量子ビットコンピュータの場合、２の２乗回、すなわち、ノ
イマン型では４回やらなければいけない演算を１回でやれるとい
う意味であり、３量子ビットコンピュータの場合、ノイマン型で
は、２の３乗回、すなわち、８回やらなければいけない演算を１
回でやれるという意味になります。
既に試作品ながら、５１２量子ビットコンピュータができてい
ます。この場合、現代のコンピュータであれば、２の５１２乗回
必要な演算を一度にやってしまうことになります。
この量子コンピュータのアイデアは、英国の物理学者であるデ
イヴィッド・ドイチェ氏（１９５３年５月１８日～）の発案なの
です。既出の竹内繁樹北海道大学教授は、ドイチェ氏について次
のように述べています。
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量子コンピュータのアイデアの登場は１９８５年。場所はイギ
リス、オックスフォード大学である。発案者は、デビッド・ドイ
チェ。彼はそのころ、理論物理学を研究する若手の研究者で、特
に平行宇宙論というものに関心を持っていた。
平行宇宙論とは、「重ね合わせ」の考え方をもっと拡張して、
解釈する考え方だ。「重ね合わせ」にあるそれぞれの状態は実際
には別々に平行して存在する宇宙に属しているものと解釈する。
ちょっと想像するのが難しいかもしれない。
ただ、「重ね合わせ」状態と観測にまつわる解釈はまだいろい
ろある。たぶん、厳密に比べれば研究者が１００人いれば１００
人とも違うかもしれない。とはいうものの、「重ね合わせ状態」
に関する実験結果は厳然とした事実なのである。平行宇宙論は、
その中の解釈の一つだ。 ──竹内繁樹著
『量子コンピュータ／並列計算のからくり』
ブルーバックス
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ドイチェ氏は「オックスフォードの仙人」と呼ばれ、変わり者
が多い数学・物理学者のなかでも、筋金入りの変わり者の学者と
いわれています。オックスフォード大学に教授職で籍を置きなが
ら、講義も試験もしないのです。そのため、大学からの給与はゼ
ロで、研究助成金と執筆の収入で暮らしています。しかし、自宅
を訪れて教えを請う学生には、ていねいに授業をしてくれるそう
です。 ──［次世代テクノロジー論／６３］
≪画像および関連情報≫
●「量子ビット」を高精度化 演算速度が約１００倍に
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理化学研究所や東京大学などの研究グループは２０１７年
１２月１８日、量子コンピュータの情報単位「量子ビット」
を実現する素子をより高精度化したと発表した。従来と比べ
ると演算速度が約１００倍になり、量子コンピュータを計算
作業に使える時間も伸びるという。
量子コンピュータは、量子ビットと呼ばれる情報単位を用
いる。量子ビットは０と１に加え、０と１の「重ね合わせ状
態」（量子の重ね合わせ）を扱える。量子計算のアルゴリズ
ムを使えるため、従来のコンピュータと比べて計算や解析が
短時間で行えるといわれる。
実用化には、演算精度が９９％以上の高精度な量子ビット
が必要になる。そのためには（１）量子ビットの演算速度を
向上させる、（２）量子ビットは時間経過とともに情報を失
う（重ね合わせ状態を失う）ため、より長く保持できるよう
にする（情報保持時間）――という条件を両立させなければ
ならない。２つの条件を別々に達成する手法はあったが、同
じ材料を使って両立した例はなかった。研究グループは、よ
り情報保持時間を長くするために、磁気的な雑音が少ないシ
リコン同位体の基板を使い、「量子ドット」と呼ばれる構造
を作った。この構造に閉じ込めた電子の自転（電子スピン）
を量子ビットとして使い、微小な磁石で高速にスピン操作を
加えたところ、通常の約１００倍の演算速度を実現したとい
う。 http://bit.ly/2DyhNHH
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デイヴィッド・ドイチェ教授
