量子コンピューター実現への突破口となるか:国立情報学研究所の、新理論

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量子コンピューターは、なぜなかなか実現の目処が立たないのか? 「未ださまざまな方法が試されている段階で、まだ最適な理論が見つけられていないからだ」と理論物理学者のティム・バーンズは語る。彼が紙とペンで導き出した、従来と異なる「巨視的」な量子ビットを使った新理論により、これまで実現の壁だった「壊れやすさ」が克服される可能性がある。

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複雑で時間のかかる計算も一瞬でできるようになると期待されている量子コンピューター。

しかし、その実現に向けては、いまだ最適な方法を見つけることができていないと国立情報学研究所の理論物理学者、ティム・バーンズは語る。

「ライト兄弟が1903年に動力飛行機を実現するまでの十数年、さまざまな人々がさまざまな方法で実現を目指していました。量子コンピューターはいま、それと同じ揺籃期にあります。世界中の研究者が、さまざまなやり方で量子コンピューターをつくろうとしていますが、まだそれを実現するための最適な方法は見出せていない状況です」

量子コンピューターの実現へ向けて、これまでも超電導やイオントラップを活用するなどして多くの研究者が試みている。ただ、これまで実現したのは、21の因数分解(21=3×7)といったごく簡単なものでしかないのだと言う。それはあまりに、“超高速計算”のイメージからほど遠い。「違うやり方で量子計算をやっていかないと実現は難しいのではないか」。バーンズはそのような発想から研究をスタートしたという。

ひとつより、たくさん

量子コンピューターでは量子ビットの「重ね合わせの状態」を利用して超並列計算を行う。これまでは原子や光子といった微小な粒子1個を使い、量子ビットをつくっていた。ところが、微小な粒を使って量子ビットをつくり出す上で、こうしたやりかたでは重ね合わせた状態が壊れやすく、計算がエラーになるという課題があった。

打開策を模索していたバーンズは、多数の粒子からなる「巨視的」な量子ビットを使う新方式を考案した。これによって、重ね合わせる際の壊れやすさを克服できるという。

バーンズの理論では、多数の粒子の塊である「ボーズ=アインシュタイン凝縮(BEC)」を利用する。BECは、それぞれ同じ状態の粒子が多数集まってひとつの塊を形づくっているため、重ね合わせ状態をあまり壊さずにすむ。例えば1万個の粒子からなるBECでは壊れる度合いが各粒子に分散されるため、粒子1個に集中する従来の方法と比べて、全体の重ね合わせの状態が壊れる量は1万分の1となる。

すでにバーンズは、このBECを使った量子コンピューターの理論構築を終えている。今後はその実現に向けて、NTT物性科学基礎研究所と共同研究を始め、実験室での実証実験を進める計画だという。

ティム・バーンズ | TIM BYRNES
国立情報学研究所に所属する理論物理学者。オーストラリア人の父と日本人の母を持ち、大学院までオーストラリアで過ごした。大学院での専門は物性物理学と高エネルギー物理学。旅行をきっかけに来日、その後、スタンフォード大学と国立情報学研究所で教授を務める山本喜久教授の研究室に博士号研究員(ポストドクター)として所属し、BECを使った量子コンピューターの発想を得た。

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