量子力学がテクノロジー業界を変える

Richard Feynmanは一度、「量子力学を理解しているつもりなら、実は量子力学を理解していない」と言ったことがある。そう言っても、試してみることには何の害もない。なぜなら、我々には好奇心というものがあるからだ。

未知の力について理解するために、量子物理学の背後にある重要な概念を2つほど解説しよう。実際にはかなり抽象的だが、それは私たちにとって良いニュースだ。なぜなら、ノーベル賞を受賞した理論物理学者である必要はないからだ。何が起こっているのか、見てみよう。

基礎を築く

一つの簡単な思考実験から始める。オーストリアの物理学者エルヴィン・シュレーディンガーは、密封された箱の中に猫を想像するように求める。ここまで良い。次に、箱の中に致死性の物質を入れた小瓶を置く。猫に何が起こったのか？確実にわからない。したがって、状況が観測される（つまり、箱を開ける）まで、猫は死んでおり、同時に生きている。あるいは、より科学的な表現を用いれば、猫は状態の重ね合わせ（スーパーポジション）にある。この有名な思考実験は、シュレーディンガーの猫のパラドックスとして知られている。これは、量子力学の2つの主要な現象の1つを完璧に説明している。

重ね合わせは、愛する猫と同様に、粒子が観測されるまですべての可能な状態にあることを示唆する。「観測」することで、粒子の量子特性は破壊され、見てみろ、もう一度クラシカルな力学の規則に従うようになる。

ここで、物事はよりトリッキーになるが、気を落とすな。アインシュタインさえもこの考えに驚かされた。アインシュタイン自身が「遠距離でのスプーキーな作用」と表現した、量子もつれ（エンタングルメント）は、2つの粒子の間に生じる接続である。物理的な相互作用により、粒子の状態が共有される（あるいは、重ね合わせの場合には共有されない）。

量子もつれは、1つのもつれた粒子の状態の変化が、他の粒子に即時的な、予測可能な反応を引き起こすことを示唆する。例を挙げてみよう。2つのもつれたコインを空中に投げ上げ、結果を観察しよう。最初のコインが表に落ちた場合、もう1つのコインの測定結果は裏になるはずだ。言い換えれば、観測されたとき、もつれた粒子は互いの測定結果を打ち消す。怖がる必要はない。もつれはまだあまり一般的ではない。まだ、だが。

英雄となる可能性

「これらの知識が使えないのなら、意味がない」と思うかもしれない。どんな疑問でも、量子コンピューターには答えがある。デジタルコンピューターでは、システムの処理能力を高めるためにビットを増やす必要がある。したがって、処理能力を2倍にするには、ビットの数を2倍にするだけだ。これは量子コンピューターではまったく同じではない。

量子コンピューターは、基礎となる量子情報の単位であるキュービットを使用して、世界で最も強力なスーパーコンピューターを上回る処理能力を提供する。どうやって？重ね合わせされたキュービットは、同時に多数の潜在的な結果（または状態、以降のセグメントと一致させるために）に取り組むことができる。一方、デジタルコンピューターは一度に1つの計算しか実行できない。さらに、もつれを利用することで、特にデジタルマシンの伝統的なビットの効率と比較して、量子コンピューターの力を指数関数的に増やすことができる。スケールを視覚化するために、各キュービットが提供する処理能力の純粋な量を考えてみて、それを2倍にしよう。

完璧なものはない

しかし、ある落とし穴がある。ささいな振動や温度の変化、科学者が「ノイズ」と呼ぶものは、量子特性を崩壊させ、最終的には完全に消失させることができる。リアルタイムでこれを観察することはできないが、経験するのは計算エラーだ。量子特性の崩壊は、量子プロセッサが完全に周囲から隔離される理想的なシナリオでは、科学者は専用の冷蔵庫、極低温冷蔵庫を使用する。これらの極低温冷蔵庫は、星間空間よりも冷たく、量子プロセッサがほぼ抵抗なしで電気を伝導できるようにする。これは、超伝導状態と呼ばれ、量子コンピューターを非常に効率的である。結果として、量子プロセッサはデジタルプロセッサが使用するエネルギーの小さな部分しか必要とせず、デジタルプロセッサよりもはるかに多くの電力を生成し、熱も大幅に少なくする。理想的なシナリオでは、だが。

新しい可能性の世界

天気予報、金融、分子モデリング、素粒子物理学…量子計算の可能性は膨大で豊かだ。

まだ、最も魅力的な可能性の1つは、量子人工知能の可能性である。量子システムは、多数の選択肢の確率を計算することに優れており、その能力は、現在の市場では並ぶものがない。推定される影響は、フィールドや産業を超えて計り知れない。例えば、自動車産業におけるAIや医療研究など。ロックヒード・マーティンは、量子コンピューターを使用してオートパイロットソフトウェアのテストを行っている。

量子力学の原理は、サイバーセキュリティの問題に対処するために使用される。RSA（リバース・シャミール・アドレマン）暗号は、データの暗号化方法の1つで、大きな素数の因数分解の困難性に依存している。伝統的なコンピューターでは、多要素問題を解くのに特に効果的ではないが、量子コンピューターはその独自の能力により、これらの暗号化を簡単に解くことができる。

理論的には、量子鍵配送がこれを、重ね合わせに基づく暗号化システムで解決する。想像してみよう。機密情報を友達に送信しようとしている。友達に暗号化キーを作成するためにキュービットを使用し、それを光ファイバーケーブルで送信する。暗号化されたキュービットが第三者によって観測された場合、両者は予期せぬエラーによって通知される。ただし、QKDの利点を最大化するには、暗号化キーは常に量子特性を維持する必要がある。簡単に言うが難しい。

考える材料

まだまだ続く。世界中の最も優れた頭脳が、もつれを量子通信の手段として利用しようとしている。中国の研究者は、もつれた光子のペアを、Micius衛星を通じて、745マイルの距離を超えて成功的に伝送した。これが良いニュースだ。悪いニュースは、1秒間に6百万個のもつれた光子がビームされるものの、そのうちの1ペアだけが旅を生き残った（もつれのせい）。とはいえ、すごい業績であり、これは将来使用される可能性のある量子ネットワークのインフラストラクチャを示唆している。

量子レースでは、最近、QuTechというオランダのデルフト工科大学の研究センターから、重要なブレークスルーが報告された。彼らの量子システムは、絶対零度（-273度）より1度以上温かい温度で動作する。

これらの業績は、あなたや私にとっては無視できるかもしれないが、真実は、試みる度に、そんな革新的な研究が、明日のテクノロジーに私たちを一歩近づけている。変化しないのは、量子力学の力が成功に導くことができた者が、世界の他の部分を支配することだけだ。どうやってそれを使うのか、あなたはどう思う？