量子コンピュータは既に存在していますが、その存在はすぐには分かりません。研究者たちは今、量子優位性――この分野で長らく期待されてきた、古典コンピュータを上回る性能というマイルストーン――がついに到来したようだと述べています。しかし、この話には重要な注意点があります。
テキサス大学オースティン校とコロラド州のコンピューティング企業Quantinuumの科学者たちは、量子優位性（量子超越性とも呼ばれる）を実証する実験を考案・実施しました。研究者らは「この結果は証明可能かつ永続的であり、今後いかなる古典的アルゴリズムの開発もこの差を埋めることはできない」と述べています。査読をまだ受けていないこのプレプリントは、9月にarXivで公開されました。
ギズモードはこの分野の専門家数名に連絡を取り、新たな結果を認めました。彼らは、この実験は称賛に値するものの、量子コンピュータの最も実用的な用途ではないと付け加えました。量子コンピュータは、一般ユーザーにとって役に立たないことで既に批判されています。
とはいえ、「量子優位性」は奇妙でありながら驚くほど柔軟で、様々な応用が可能な概念です。全体として、この結果は間違いなく詳しく見る価値があります。
アリスとボブがカメオ出演
量子科学に興味のある方なら、量子思考実験でよく登場する架空の人物、アリスとボブをご存知かもしれません。今回の実験では、アリスとボブは2人の研究者で、1つのデバイスを用いて共同で計算を行っています。2人は異なるタイミングで異なる入力を受け取りますが、ボブにメッセージを送信できるのはアリスだけで、逆は不可能です。ボブはアリスのメッセージに基づいて、最終的な出力を生成するために、どのように測定し、解釈するかを決定しなければなりません。
論文によると、「量子メッセージの使用は、古典的な通信のみを使用するプロトコルと比較して、必要な通信量を指数関数的に削減できることが証明できる」とのことだ。言い換えれば、小さな量子メッセージで、はるかに大きな古典的なメッセージを置き換えることができる。この主張を証明するため、研究チームはQuantinuum社のH1-1トラップイオン量子コンピュータを用いて、この実験を1万回繰り返し、プロトコルの慎重な数学的検証を行った。
驚くべきことに、量子コンピュータはこの問題を解くのにわずか12量子ビット（量子コンピュータにおける最小の情報単位）しか必要としないことが分かりました。対照的に、最も効率的な古典コンピュータでさえ330ビット必要でした。
ゲームをプレイする別の方法
「これはこれまで見てきた量子優位性とは全く異なるタイプのものです。優れているとか劣っているとかいうのではなく、過去の実験とは全く異なることを証明しているだけです」と、シカゴ大学のコンピューター科学者ビル・フェファーマン氏はギズモードへのメールで述べた。フェファーマン氏は以前、筆頭著者のスコット・アーロンソン氏と共同研究を行っていたが、今回の研究には関与していない。
フェファーマン氏は、科学者が一般的に量子優位性を「量子コンピュータで、どんな古典コンピュータよりも劇的に高速に解ける計算を実行しようとすること」と捉えていると説明した。対照的に、今回の新たな実験では「量子情報超越性」を実現する。これは、速度よりも、古典コンピュータでは解くのに多くのビットを必要とする問題を、より少ない量子ビットで解くことに重点を置いている。
「彼らの結果は、証明されていない仮定に依存していないという意味で無条件であることは事実です」とフェファーマン氏は述べた。「もちろん、これはこの新しい実験の大きな特徴ですが、同時にこの『ゴールポストの移動』にも引き継がれています。」
ギズモードは研究の著者らに連絡を取ったが、彼らは論文が正式に発表されるまではコメントできないと述べた。
優位性を押し進める
この結果は、量子優位性を証明するというより広範な目標について疑問を投げかけています。IBM Quantumのディレクターが以前のGizmodoのインタビューで語ったように、その答えの一つは、量子コンピューターが私たちが既に熟知している計算問題をどのように強化できるか、という点です。
しかし、フェファーマン氏が指摘したように、量子優位性を達成するためのアプローチには必ずしも良いものや悪いものはありません。ただし、この「ゴールポスト」は、その価値を証明するためのこの分野にとっての聖杯であるように思われます。
これは量子コンピューティングの歴史が生み出した産物かもしれない、とスイス連邦工科大学ローザンヌ校（EPFL）の計算物理学者ジュゼッペ・カルレオ氏はビデオ通話でギズモードに説明した。カルレオ氏は今回の研究には関わっていない。量子コンピューティングの急速な発展により、理論検証に適したハードウェアがいかに最近になって利用可能になったかを忘れがちになる。
「この分野は、過去20～30年の間に歴史的に見て、機械を使って何かを実行できる応用分野というより、数学に近い形で発展してきました」と、量子コンピューティングの歴史についてギズモードに語ったカーレオ氏は述べた。その結果、この分野における分析のほとんどは、科学者が期待していたよりも長い間、理論的なレベルにとどまっていた。
しかし、ハードウェアの進歩と急成長する産業によって、この傾向は徐々に変化しつつあるとカーレオ氏は述べた。「優位性を示すために特別に調整された」量子優位実験の設計から、量子コンピューターが必ずしも覆すのではなく、役立つ分野へと移行するプロジェクトが増えていると彼は述べた。
それは実はこの分野の「起源」に近いと彼は付け加えた。量子コンピューティングの基礎を築いた物理学者リチャード・ファインマンは、量子コンピューターは量子現象を予測できるはずだと提唱した。確かに「金銭的な利益」はそれほどないかもしれないが、特に宇宙に関する根本的な疑問に関して、量子コンピューターは「理論物理学にとって非常に興味深い」ものだとカーレオ氏は説明した。
量子は決して簡単にはいかない
この新たな実験は、実用化との直接的な関連性を証明するのに苦労するかもしれない。しかし、ある意味では、このプレプリントはファインマンの助言に従っていると言える。量子ハードウェアを用いて量子概念を検証するという、理論的に確固とした実証であることは間違いない。
まさに今、それは現実から乖離しているように思えます。しかし、量子が簡単な答えを与えた例などあるでしょうか？しかし、科学史を例に挙げるとすれば、最高の発見は最も予想外で、一見非現実的な探求から生まれるものです。私たちはただ、この現象を注視していくしかありません。
