量子コンピューティングの核心となる謎を解くにはあなたの協力が必要です

IBMは2016年から、量子コンピュータへのオンラインアクセスを提供しています。ニューヨーク州ヨークタウン・ハイツにある5量子ビットまたは14量子ビットのマシンに、誰でも自宅でログインしてコマンドを実行できます。今月、私はついに試してみましたが、緊張しました。何をやっているのか全く分からず、ハードウェアを壊してしまうのではないかと心配でした。「何も壊れませんよ」とIBMの物理学者ジェームズ・ウートン氏はスカイプで保証してくれました。

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私は5量子ビットマシンを選びました。オンラインインターフェースは5本の水平線で構成された楽譜に似ており、1本の線が量子ビット（キュービット）に対応しています。量子コンピュータの基本的な構成要素であるキュービットは、コンピューターのトランジスタのように数値を表すハードウェアですが、量子力学の奇妙な法則に従います。設計は様々ですが、IBMのキュービットは超伝導線で作られた微小な回路で構成され、絶対零度に非常に近い冷蔵庫に保管されています。この回路は低温でのみ情報を保持できます。

量子コンピューティングの可能性は、これらの微小回路の奇妙な挙動にあります。トランジスタをレゴブロックとすれば、量子ビットはスライムの塊と言えるでしょう。この2つの構成要素は全く異なる規則に従い、全く異なる構造を構築するために使用できます。例えば、これらの回路は「重ね合わせ」と呼ばれる繊細な量子状態、つまり1でも0でもなく、その両方の組み合わせに等しい状態にプログラムすることができます。量子ビットは、世界を2進法で表現する通常のコンピューターでは実現できない流動性を提供します。研究者たちはこの新たな能力に期待を寄せていますが、その活用方法はまだ十分にはわかっていません。

量子オーケストラの指揮者として、私はそれぞれの小さな超伝導回路の動作を、コマンドを表す鮮やかな色のアイコンを対応する行にランダムにドラッグすることで決定した。「実行」をクリックすると、ニューヨークのコンピューターは指示に従い、量子ビットにマイクロ波パルスのカコフォニーを印加して値を変化させた。約1分後、IBMから計算結果の自動メールが届いた。最終的な値を確認すると、4つの量子ビットは0で、5つ目の量子ビットは98%が0、2%が1の重ね合わせ状態にあった。

「もちろん、理解できるものを実行するには、ユーザーガイドを読む必要があります」とウートン氏は私に言いました。

それだけでは足りないでしょう。しかし、「IBM Qエクスペリエンス」と名付けられたこのアプリは、すでに700万以上の量子プログラムを実行しており、それらは私のような意味不明なプログラムではありません。IBMとは関係のない研究者も含め、多くの正真正銘の研究者が、このアプリを使って120本以上の学術論文を発表しています。

このアプリは、量子コンピューティングのリテラシー向上を目指す大規模な取り組みの一環です。他の企業も、大衆、あるいはおそらくニッチな興味を持つオタク層にリーチするために、オープンソースのソフトウェアパッケージをリリースしています。多様なユーザー層が、量子コンピューティングをより創造的な用途へと導いてくれることを期待しています。「熱心なユーザーなら誰でも、これらのツールを自由に使えます」と、トロントに拠点を置く量子コンピューティングのスタートアップ企業、Xanaduの物理学者ネイサン・キロラン氏は述べています。Xanaduは今年11月、IBMのハードウェアと互換性のあるオープンソースライブラリ「PennyLane」をリリースしました。「より多くの人が参加すれば、アイデアはより早く生まれます」とキロラン氏は言います。「そして、それを実現する最良の方法は、アイデアをクラウドソーシングすることだと思います。」

確かに、学習曲線は存在します。主にPythonで書かれたパッケージは、詳細なチュートリアルとインタラクティブなアプリを提供することで、ソフトウェアを可能な限りユーザーフレンドリーにすることを目指しています。しかし、コンピューターの量子特性を真に活用するには、量子ビットがどのように重ね合わせ状態から出入りし、エンタングルメントと呼ばれる奇妙な特性を介して相互作用するかについての直感を養う必要があります。「私たちは、この移行を可能な限り容易にしようと努めています」とキロラン氏は言います。「しかし、ある段階では、量子的な側面について少し学ぶ必要があります。」ユーザーには、20世紀の真空管コンピューターのオペレーターのように、ある程度の専門的な技術知識が必要です。

それでも、研究者たちは、誰もが参加することで、誰かがついに量子コンピューティングの謎を解くだろうと期待している。なぜなら、量子コンピューティングは現代の暗号を破る！超高効率バッテリーを開発する！肥料業界を一新する！といった期待は高まっているものの、従来のコンピューティングに対する量子コンピューティングの優位性は、まだ理論上のものに過ぎないからだ。業界が目指すレベルに到達するには、数百万個のエラーフリーの量子ビットで構成された強力なハードウェアが必要であり、その開発には数十年かかるだろう。メリーランド州に拠点を置くスタートアップ企業IonQが火曜日に発表した、これまでで最大のデバイスには、エラーが発生しやすい量子ビットが160個搭載されているという。

しかし、研究者たちは、こうしたまだ若くて不安を抱えたデバイスにもまだ可能性があると考えています。例えば、Googleは72量子ビットの量子コンピュータを保有しており、外部の研究者に公開する予定です。Googleの化学者ジャロッド・マクリーン氏によると、同社のプロジェクトの一つは、創薬や材料設計における同社のコンピュータの利用を促進することです。その目的のため、同社は今年、「OpenFermion」と呼ばれるソフトウェアパッケージをリリースしました。専門家たちは、電子、原子、分子は量子ビットと同じ量子重ね合わせの法則に従うため、量子コンピュータは従来のコンピュータよりも正確に化学反応をシミュレートできるはずだと考えています。

企業はまた、人工知能（AI）の専門家に自社のコンピューターを利用してもらいたいと考えている。量子コンピューティングの研究者たちは、確証は得られていないものの、新しいデバイスが機械学習アルゴリズムの速度向上や精度向上につながる可能性があると考えている。量子コンピューターは異なる数学的規則に従うため、データセット内の異なるパターンを識別できるはずだと、ザナドゥの物理学者マリア・シュルド氏は述べている。先月、ザナドゥは量子コンピューター上で機械学習アルゴリズムをより簡単に実行できるようにするソフトウェアパッケージ「PennyLane」をリリースした。

XanaduやGoogleのようなソフトウェアパッケージは、複数の量子コンピューティングアーキテクチャと互換性があります。Googleの物理学者デイブ・ベーコン氏は、どの企業のハードウェアが覇権を握るかがまだ不透明だと述べています。GoogleとIBMはどちらも超伝導回路で作られた量子ビットを使用しています。IonQのコンピューターはチップ上に置かれた単一のイオンで構成されています。Xanaduは個々の光子から量子ビットを生成しようとしています。量子ソフトウェア開発者は、ライバル企業のハードウェアに対してオープンな姿勢を保つ必要がありました。

さらに、ハードウェアはまだ完成には程遠いとシュルド氏は言う。ハードウェアとソフトウェアは共生関係にあり、ハードウェアの専門家は、最も潜在能力の高いアルゴリズムに合わせてマシン設計を調整することができる。同時に、ハードウェアの限界は、ソフトウェア開発者がツールを構築する方法に影響を与える。「（ソフトウェア開発者は）ハードウェア開発者が何を試してみたいかを予測でき、ハードウェア開発者は『ああ、ちょっと待って。これは簡単にはできない』と言えるのです」とシュルド氏は言う。

IBMとXanaduは、コードの利用を促進するため、自社ツールを活用した優れたプロジェクトを表彰するコンテストも開催しています。彼らが求めているのは一体何でしょうか？彼らは特に厳しい条件を設けていません。Xanaduのコンテストでは、「ほぼあらゆるもの」に1000ドルの賞金を提供していると広報記事に記されています。ただし、特に需要が高い分野として、量子コンピューティングとは何かを説明するコミュニケーションプロジェクトを取り上げています。

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