量子コンピュータの可能性に世界中が注目している。
そんななか、光を使った独自の量子コンピュータで、
世界を変えようとしている日本人研究者がいた。

「0と1の重ね合わせ」を用いた
新しい計算原理のコンピュータ

　世界で注目を集める革新的テクノロジーの中でも異彩を放つ存在なのが「量子コンピュータ」だ。最先端のスーパーコンピュータで何万年もかかる計算を数分で解いてしまった――。そんな記事を目にするたび、とんでもないことが研究現場で起こっている気配を感じる。

　その証拠にアメリカ、中国、ヨーロッパなど各国では、数千億円規模の研究資金を投じて量子コンピュータの研究を進めているほか、Google、IBM、Microsoftなど巨大IT企業もそれぞれ独自の量子コンピュータを開発している。もちろん日本の企業や大学でも量子コンピュータの研究開発は進められている。」

「コンピュータの進歩は、国の産業や安全保障を支える柱となります。今や自動運転システムや治療薬の開発から天気予報、景気予測まで、すべて最新のコンピュータが担っています。だからこそ、どの国も企業もいち早く量子コンピュータを実現させるために必死なのです」

　そう語るのは、東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻の武田俊太郎准教授だ。

　現在使われているコンピュータは、トランジスタと呼ばれる電気的なスイッチのON／OFFの切り替えを利用して、「0」と「1」の2進法で計算を行っている。皆さんが日々使っているパソコンの中には、CPU（中央演算処理装置）と呼ばれる数センチ四方の小さなチップが内蔵されていて、そこにトランジスタが10億個レベルで詰まっている。つまり現在のコンピュータである「電子計算機」は、2進法の単純な計算をものすごい回数こなしているのだ。

　電子計算機が電気スイッチのON／OFFという物理現象を用いて計算を行うのに対し、量子コンピュータは「量子力学の物理現象」を用いて計算を行う。どういうことだろうか？

「現在のコンピュータで用いる0、1という情報単位を『ビット』と呼びます。これに対し、量子コンピュータでは、『0と1の重ね合わせ』を情報単位として使います。これは『量子ビット』と呼ばれるもので、量子力学の原理に基づいたアイデアです。この量子ビットは、扱いが難しいもののうまく活用できれば、従来のコンピュータをしのぐ大量の情報を一度に処理することができます。これは、まったく新しい計算原理のコンピュータなのです」

　0と1を重ね合わせた単位……？　頭の中はパニック寸前だが、ここは前に進もう。

　量子コンピュータの開発現場では、現在さまざまな方式による研究が進められている。主流とされているのが、GoogleやIBMが開発に注力する超伝導方式。ほかにもイオン方式、半導体方式などがあり、それぞれ量子レベルの現象を用いて計算を行っている。

　一方、武田准教授が手がけるのは、光方式の量子コンピュータ。これは、光の粒子である「光子」を量子ビットとして扱う方式だという。光子の通り道となる回路をつくり、そこを光が通り抜ける過程で計算が行われる。

　光方式のメリットは、超伝導方式などで必要な冷凍・真空装置が不要で、常温・大気中で動作すること。また、高速な計算処理が可能であること、光を用いた量子通信との相性がいいことなども挙げられる。

　ただし、いいことばかりではない。1秒間に地球を7周半してしまう光速の「光子」を扱うのは至難の業だという。

「光量子コンピュータでは、絶えず動き続ける光子を用いて計算を行います。演算回路は、光の経路に従って並べられるのですが、計算が大規模化すると量子ビット数や計算ステップに比例して、回路がどんどん巨大化してしまいます。これでは汎用化は難しい。そこで、私は光子の量子ビットを一列に並べてループ構造をつくる『ループ型光量子コンピュータ』のアイデアを考案しました。これなら1個のループ型回路を使って、繰り返し何度も演算を行うことができます。これによって、光量子コンピュータをコンパクトに実現する道が見えてきました」

　武田准教授が量子力学に出合ったのは学生時代のこと。東京大学工学部物理工学科古澤明教授の研究室で、「量子テレポーテーション」と呼ばれる摩訶不思議な現象を実現する実験装置を見て、衝撃を受けた。まるで、映画『バック・トゥ・ザ・フューチャー』に登場するタイムマシンのような配線がぐちゃぐちゃした装置を見て、これを自分の手でつくりたいと直観的に思ったという。そのまま同研究室に配属になった武田准教授は、量子コンピュータの研究にのめり込んでいく。そして、大学院博士課程まで光量子コンピュータの研究をやり遂げた後、量子力学の周辺領域の研究経験を経て、現在に至る。

「光量子コンピュータが実用化レベルに達する道のりは、山登りに例えるとまだ1合目か2合目というのが実状です。しかし、日本には光に関するユニークな技術が多数あり、その蓄積からも光方式に可能性を感じます。光量子コンピュータの研究成果は、量子通信、量子センサーといった別の研究にも応用できます。光子という量子レベルの物理現象を活用した革新的な技術を日本から世界に向けて発信したいと思っています」

東京大学の実験室にある光量子コンピュータの演算回路。タタミ2畳分ほどのスペースに光学機器が配置されている