量子コンピューターは実際にはどんな機械なのか

「量子コンピューターは0と1を同時に扱える」と言われても、どうも雲をつかむような話である。そこで難しい理屈はいったん横に置いて、実際にどんな部品を使い、どうやって計算しているのかを見てみよう。

現在研究されている量子コンピューターにはいくつか種類があるが、ここでは代表的な超伝導方式を例にする。

計算する本体は意外に小さい

量子コンピューターの写真を見ると、金色の巨大なシャンデリアのような機械が目につく。

ところが、実際に計算する中心部分は、数センチほどの小さなチップである。

普通のパソコンにはCPUが入っている。CPUの中には大量の小さな電気スイッチがあり、ONとOFFを「1」と「0」にして計算している。

量子コンピューターにも、それに相当するチップがある。

ただし普通のスイッチではなく、非常に小さな超伝導の電気回路を作る。この回路一つ一つが「量子ビット」として働く。

つまり「量子」という不思議な物質を箱に入れているわけではない。

特殊な電気回路を量子の世界で動かしているのである。

なぜ巨大な冷蔵庫が必要なのか

では、小さなチップなのに、なぜ量子コンピューター全体はあれほど巨大なのか。

最大の理由は冷却である。

量子ビットは恐ろしくデリケートである。少しの熱や振動、電磁波などでも量子状態が壊れてしまう。

そこで量子チップを、

約マイナス273℃

という、とんでもない低温まで冷やす。

そのために使われるのが「希釈冷凍機」という巨大な冷却装置である。

写真で見る金色のシャンデリアのような部分は、乱暴に言えば超高性能な冷蔵庫なのである。

主役のチップは小さいのに、それを働かせるための冷蔵庫が巨大なのである。少々ぜいたくなCPUである。

0と1をどうやって作るのか

量子ビットには、エネルギーの低い状態と少し高い状態がある。

そこで、

低い状態＝0
高い状態＝1

と決める。

ここまでは普通のコンピューターと似ている。

ところが量子の世界では、「0」と「1」のどちらかだけではなく、0と1を重ね合わせた状態を作ることができる。

では、人間はどうやってそれを作るのか。

ここで登場するのがマイクロ波である。

電子レンジにも使われている電磁波の仲間だが、もちろん量子コンピューターでは、はるかに精密に制御する。

量子ビットに決められた周波数のマイクロ波を、決められた時間だけ与える。

すると、

0だけの状態
↓
0と1の重ね合わせ

へ変化させることができる。

要するに、マイクロ波を使って量子ビットを操っているのである。

量子ビットをチームにする

量子ビットを何個も用意し、それぞれを関係させることもできる。

これが量子もつれである。

例えば2個なら、

00
01
10
11

という4つの組み合わせがある。

量子もつれを利用すると、量子ビットを一個ずつバラバラに扱うのではなく、複数の量子ビットの関係を含めて一つの量子状態として扱える。

10個なら1,024通り、50個なら約1,126兆通りの基底状態がある。

ただし、「1,126兆個の答えが一瞬で手に入る」という意味ではない。

ここが重要である。

正解が出やすいように仕掛ける

量子コンピューターは、すべての答えを一度に取り出す機械ではない。

量子には波の性質がある。

池に石を二つ投げると、波と波が重なって大きくなったり、打ち消し合ったりする。

量子コンピューターも、この性質を利用する。

簡単に言えば、

間違った答えにつながる波を弱くする。
正しい答えにつながる波を強くする。

そして最後に測定する。

すると、正しい答えが出る確率を高くできるのである。

同じ計算を何度も繰り返し、その結果を普通のコンピューターで集計する。

実際の量子コンピューターを分解すると

つまり、現実の超伝導量子コンピューターは非常に単純化すれば、

① 普通のコンピューター
「この計算をしろ」と命令する。

　　↓

② マイクロ波を作る装置
量子ビットを操作する信号を作る。

　　↓

③ 巨大な冷却装置
量子チップを約マイナス273℃まで冷やす。

　　↓

④ 小さな量子チップ
ここで量子の性質を利用して計算する。

　　↓

⑤ 測定装置
量子ビットを0か1として読み取る。

　　↓

⑥ 普通のコンピューター
結果をまとめて、人間に分かる形にする。

という機械なのである。

魔法のコンピューターではない

こうして見ると、量子コンピューターも意外に現実的である。

小さな特殊回路を猛烈に冷やし、マイクロ波で操作し、その結果を普通のコンピューターで読み取っている。

これが実物の姿である。

そして量子コンピューターは、現在のパソコンの「超高速版」ではない。

普通のコンピューターが一つ一つ論理的に計算するのに対して、量子コンピューターは重ね合わせ、量子もつれ、波の干渉という量子の性質を利用して、答えが出やすい状態を作る計算機である。

未来の魔法の箱というより、

「極端に寒い場所でしか働かない、とても神経質な特殊計算機」

と考えたほうが、実物の量子コンピューターに近いのである。