量子コンピュータは、従来のコンピュータとはまったく異なる計算能力を持つことで、現在注目を集めています。その基本単位である量子ビット数が、量子コンピュータの性能を左右する重要な要素となっておりますが、その増加に伴う現状の課題や性能指標、さらには国内外で行われている開発事例について理解を深めることが、このテクノロジーの今後の発展の鍵になります。本記事では、量子コンピュータのビット数に関する現状、課題、そして将来の取り組みを中心に解説いたします。
1. 量子ビット数の現状と課題
量子コンピュータの実用化には、量子ビットの適切な機能性が求められます。しかし、必要な量子ビット数を実現することは非常に困難であり、開発において大きな課題となっています。
1.1 量子ビット数の現状
量子コンピュータの最大の課題は、数百万から数千万個の量子ビットを実現することです。実用的な問題を解決するには、誤りを検出・訂正し、正確な計算を続ける能力が必要です。しかしながら、現在の技術では量子ビット数を十分に確保することはできず、実用的なレベルには至っていません。
例えばIBMやD-Wave Systemsは量子コンピュータを開発していますが、現在の量子ビット数は十分とは言えません。IBMは2016年に5量子ビット、2017年に16量子ビットの量子コンピュータを発表しました。D-Wave Systemsでは、2017年には2,000量子ビットまで進展していますが、まだ目標とされる100万量子ビットには遠く及びません。
1.2 量子ビットの繊細さ
量子ビットは非常に繊細であり、熱やノイズ、他の量子ビットとの干渉などによって正常に動作しないことがあります。そのため、量子コンピュータの開発は困難を伴います。
現在、量子ビットの制御にはマクロ波を使用していますが、調整が難しく制御が困難な状況です。そのため、情報の損失を補うために補助的な量子ビットが使用される研究も行われています。
以上が、量子ビット数の現状と課題の概要です。次のセクションでは、量子コンピュータの性能指標である「量子ボリューム」について説明します。
2. 量子コンピュータの性能指標「量子ボリューム」
量子コンピュータの性能を評価する重要な指標の一つが「量子ボリューム」です。量子ボリュームは、量子システム全体の性能を包括的に評価するために考案されました。
2.1 量子ビットの制御効率
量子ビットの制御効率は、量子ビットが適切に制御される能力を示します。高い制御効率は、精密な演算が可能であることを意味します。
2.2 量子ビットのエラー率
量子ビットのエラー率は、量子ビットが正確な状態で保たれる能力を示します。低いエラー率は、計算結果の信頼性を高めます。
2.3 量子デバイス間の接続性
量子デバイス間の接続性は、量子ビット間での情報のやり取りが容易に行えることを示します。高い接続性は、複雑な演算や通信を可能にします。
2.4 ソフトウェアのコンパイラの効率
ソフトウェアのコンパイラの効率は、量子ビットの演算を効率的に実行するためのソフトウェアの性能を示します。効率的なコンパイラは、演算速度やエラー率の改善に寄与します。
これらの要素を総合的に考慮して算出された量子ボリュームは、量子コンピュータの性能を示す重要な指標となります。量子ボリュームは、ムーアの法則になぞらえて「量子版ムーアの法則」とも呼ばれています。
多くの企業が量子ボリュームの向上に取り組んでおり、年々その数値は増加しています。たとえば、2017年に一般公開された量子デバイスでは量子ボリュームが4であり、その後もTokyoでは8、Parisでは32、Montrealでは128と、大幅な向上が達成されました。そして、2021年のPragueでは256の量子ボリュームを達成することができました。
IBMは、今後も量子ボリュームの向上に力を入れており、年内には433量子ビットのOspreyプロセッサをリリースする予定です。これによって、より高性能な量子コンピュータの実現に期待が高まっています。
量子ボリュームは、量子ビットの制御効率やエラー率、デバイス間の接続性、ソフトウェアの効率などに基づいて算出される性能指標です。これからも多くの企業が量子ボリュームの向上に取り組み、量子コンピュータの進展が期待されます。
3. 国内外の量子コンピュータ開発事例
IBMの量子コンピュータ
IBMは量子コンピュータの開発において世界的なリーダーとして知られています。彼らは独自の量子ビット技術を使用し、最先端の量子コンピュータの開発に取り組んでいます。IBMの最新の量子コンピュータでは、2025年までに4,000量子ビットを実現するという大きな目標を掲げています。さらに、量子通信ネットワークや量子センサーなど、他の技術との組み合わせによって、さらなる活用の可能性を追求しています。
日本の研究開発事例
日本でも量子コンピュータの研究開発に積極的に取り組んでいます。1990年代には日本の研究者が量子アニーリング方式の論文を発表し、その後D-waveの開発にも貢献しました。産業技術総合研究所（産総研）は、超伝導量子コンピュータやシリコン量子コンピュータの開発を大学や企業との連携のもとで行っています。また、NECとの共同で超伝導量子アニーリングマシンの開発も進められています。
海外の量子コンピュータ開発事例
海外では、大手IT企業を中心に量子コンピュータの開発競争が活発化しています。特にIBMやGoogleは、数年以内に数百量子ビットから数千量子ビットに至る量子コンピュータの実現を目指しています。一方、カナダのD-WAVE社は、量子アニーリング方式による量子コンピュータの開発で世界的な先駆けとなっています。
以上により、国内外の企業や研究機関が量子コンピュータの開発に取り組んでいることがわかります。今後は、さらなる量子ビットの増加やエラー訂正機能の実現に向けた技術の発展が重要となります。また、量子コンピュータの実用化に向けた取り組みも進められており、金融や自動車、化学など様々な産業分野での利用も期待されています。量子コンピュータの研究開発は長期戦になるでしょうが、技術革新や産学連携を通じて、日本も世界の先端を走る量子コンピュータの発展に貢献していくことが期待されます。
– IBMの量子コンピュータ
IBMは、量子コンピュータの研究開発に力を入れており、商用化に向けた取り組みを行っています。以下に、IBMの量子コンピュータに関する取り組みを紹介します。
IBM Quantum Experience
2016年に、IBMはクラウドサービス「IBM Quantum Experience」を無償提供しました。これは、5つの量子ビットからなる量子コンピュータを操作することができるサービスです。このサービスは、約1年間で100カ国以上の4万5000人のユーザーに利用され、約30万回の実験が行われました。
量子ビット数の拡大
2017年には、IBMは17個の量子ビットを備えたプロセッサの試作品を発表しました。これは、商用の量子コンピュータ用プロセッサの試作品として位置づけられました。また、2022年には433個の量子ビットを備えたプロセッサ「IBM Osprey」の発表が予定されています。
量子ボリュームの向上
IBMは、量子コンピュータの性能評価指標である「量子ボリューム」の向上に力を入れています。2017年には量子ボリュームが「4」、2018年には「8」、2019年には「32」、2020年には「128」と増加し、2022年には「256」にまで達成しました。また、IBMは2025年までに量子ボリュームを4000以上に引き上げる目標を掲げています。
ソフトウェアの開発
IBMは、量子コンピュータのソフトウェア開発にも重要な取り組みを行っています。2023年にはソフトウェアスタックにサーバーレスアプローチを導入する予定であり、これによって量子コンピュータと古典コンピュータの間で問題を効率的に分散処理することができるでしょう。
量子安全技術の提供
量子コンピュータの進展とともに、セキュリティ標準を解読できる可能性のある量子コンピュータからの保護策が必要とされます。IBMは、この問題に対して量子安全技術を提供しています。例えば、米国国立標準技術研究所（NIST）に関連したアルゴリズムの標準化に向けた貢献を行っています。
以上が、IBMの量子コンピュータの取り組みです。IBMは量子ビット数の拡大や量子ボリュームの向上、ソフトウェアの開発などに取り組んでおり、量子コンピュータの実用化に向けて進んでいます。
– 日本の研究開発事例
日本には量子コンピュータの研究開発に取り組むさまざまな研究機関や企業があります。以下に日本の代表的な研究開発事例を紹介します。
理化学研究所（理研）
- 2021年に設立された量子コンピュータ研究センターでは、量子計算を実行する量子コンピュータの研究開発を進めています。
- 理研は文部科学省の光・量子飛躍フラッグシッププログラム（Q-LEAP）に参加し、超伝導量子コンピュータなどの開発にも力を入れています。
産業技術総合研究所（産総研）
- 産総研は内閣府に認定された量子技術イノベーション拠点の一つで、量子コンピュータの開発に取り組んでいます。
- 大学や他の研究機関、企業との連携の下で、超伝導量子コンピュータやシリコン量子コンピュータの研究開発を行っています。
- また、量子コンピュータの社会実装に向けた取り組みも重点的に行っています。
大阪大学
- 大阪大学では、量子情報・量子生命研究センターを設立し、量子コンピュータや量子技術に関する研究を行っています。
- 国内でも最大級の研究機関であり、量子コンピュータの研究開発において重要な役割を果たしています。
東京大学
- 東京大学では、光量子科学研究センターなどで研究を行い、量子コンピュータの研究開発に積極的に取り組んでいます。
- アルゴリズム開発や実装において多くの成果を上げており、世界的にも注目されています。
富士通株式会社
- 富士通は量子研究所を設立し、超伝導量子コンピュータの開発に力を入れています。
- また、研究成果を活かした新製品やサービスの開発にも積極的に取り組んでいます。
日本電信電話株式会社（NTT）
- NTTは量子ICT研究室を設立し、量子コンピュータや量子通信の研究開発を行っています。
- 特に光を用いた量子コンピュータの開発に注力しており、大阪大学との共同研究も行っています。
これらの研究機関や企業の取り組みによって、日本でも量子コンピュータ技術の研究が進んでいます。将来的にはさらなる発展が期待されており、量子コンピュータの普及への貢献が期待されています。
まとめ
量子コンピュータのビット数は、現在の技術では実用的なレベルには至っていません。数百万から数千万個の量子ビットを実現することは非常に困難であり、量子ビットの繊細さも課題となっています。ただし、IBMやD-Wave Systemsなど、多くの企業や研究機関が量子コンピュータの開発に取り組んでおり、量子ボリュームの向上やソフトウェアの開発など、さまざまな領域で進展が見られています。日本でも理化学研究所や産業技術総合研究所などが積極的に取り組んでおり、量子コンピュータ技術の発展が期待されています。量子コンピュータの実用化への道は長いものの、技術革新や産学連携により、日本も世界の先端を走る量子コンピュータの発展に貢献していくことが期待されます。