シカモア。グーグルが２０１９年に独自開発した５３キュービットの量子コンピュータだ。ネイチャー論文に公開されたシカモアはスーパーコンピュータで１万年以上かかる演算をただ２００秒で終えた。祖沖之２号。１０月に中国が発表したグーグルを上回るという６６キュービットの量子コンピュータだ。中国量子科学の父と呼ばれる潘建偉氏が率いる研究陣が開発した。

技術冷戦とまで呼ばれる米中技術覇権競争が量子情報科学に広まっている。量子情報科学が情報通信産業と経済、国家安全保障、さらには未来科学技術発展の地図を変えるゲームチェンジャーと見なされるためだ。米国の対中牽制はファーウェイの５Ｇ通信装備で見つかったデータバックドア議論に触発されたというが、実はＧ２に浮上する中国の挑戦に対応したものだった。米国は貿易規制を通じて中国半導体産業の成長にブレーキをかけており、人工知能分野では中国と激しいトップ争いをしている。現在の産業技術だけでなく未来の先端基礎科学でも激戦が広がっているのだ。

量子情報科学は量子科学と情報科学が合わさった分野だ。一般的に量子コンピュータ、量子暗号通信、量子センサー、量子物質、量子ソフトウエア、量子シミュレーション分野の科学技術を通称する。科学の領域なのか技術開発の領域なのか曖昧に聞こえる理由は量子情報科学の特徴のためだ。量子情報科学は量子現象に関する物理学、量子現象を情報の単位として活用するコンピュータ科学、量子を観測して量子状態を制御するための電子工学などがすべて必要な融合・複合分野だ。

量子とはある物理量のこれ以上小さくすることはできない単位、または区別される特定の物理状態をいう。例えば電荷量の基本単位は電子１個の電荷量で、光の最小単位は１個の光子だ。電子のスピンは１対の量子状態を持つ。原子内部のエネルギーも幾層にも量子化されている。量子水準の極めて小さい世界では日常の世界と違った物理現象が起きる。量子現象は理論だけで存在するのではない。半導体を作る時に回路線幅を狭めるのは集積度を高めて電力消費を減らすのに必須だが限りなく狭めることはできない。回路に乗って流れる電子がトンネル効果のためとんでもないところに飛ぶためだ。光通信、医療機器、精密加工、照明などで広く使われるレーザーも量子現象の結果だ。

確率は量子現象の重要な特徴だ。量子世界では観測されるまで状態が分からず、確率的に２つの状態がともに存在することが可能だ。これを量子の重ね合わせ現象という。既存のデジタルコンピュータの情報単位であるビットは０と１のうちひとつの状態だけを持つ。これに対し量子重ね合わせ現象は２つの状態を組み合わせただけの情報を一度に扱えるようにする。量子コンピューティングの基本情報単位であるキュービットは量子の重なった確率的状態を含め４つの情報を一度に扱う。キュービット数をｎ個に増やせば一度に処理できる情報の量が２のｎ乗個に増える。それだけ演算速度が爆発的に速くなる。

また別の量子現象である「量子もつれ」も量子情報科学のすべての分野にわたった核心概念だ。１組のもつれた量子は遠く離れていてももつれた状態を維持するが、このうちひとつを観測して状態が決まればもうひとつの状態も決まる。理解するのが容易でない量子現象を説明した理由は、量子情報科学が人類がまだ完全にわかっていない科学の領域と、どうであれ観測と部分的な制御が可能な現象を応用する技術の領域が重なっているということを話すためだ。

◇今後３年以内に「量子優位」実現か

量子コンピュータは物理的に具現された特別な量子環境を必要とする。グーグルとＩＢＭが開発した量子コンピュータはいずれも絶対零度（マイナス２７３度）近くの極低温で超伝導ジョセフソン素子の量子系を使う。良質の量子系を具現し維持すること自体が極低温物理学の挑戦課題だ。キュービットを活用して演算する量子コンピューティングのアルゴリズム、さらには量子コンピューティング言語を開発するのはコンピュータ工学の課題だ。量子コンピュータはまだ進む道は遠く、いままさによちよち歩きを始めた段階だ。だが保安暗号解読のような特定の演算性能ではすでに既存のデジタルコンピュータを凌駕する量子コンピュータが商用化されるに至った。ＩＢＭは１１月に１２７キュービットプロセッサ「イーグル」を発表し、マイクロソフト、アマゾン、アイオンキューも量子コンピュータ開発競争に参加している。

【コラム】米中技術覇権競争の核に浮上した量子科学技術（２）