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気ニナる		比喩表現が連発する量子コンピュータ
		---「不思議の国のアリス」を書いたルイス・キャロルは、実に想像力豊かな作家でしたが、そんな彼でもおそらく想像すらできなかった世界があります。それは量子の世界です。この世界では私たちが直感的に理解できないような不思議なことばかりが起こっています。そして、量子コンピュータはこの世界の性質をうまく使っていこうとしているのです。---
		この記事では 　ペンティアム５やSETI@homeよりもすごいのは・・・ 　もっと不思議の国のアリス 　見ないと見えて、見ると見えないものはなあに？ 　量子コンピュータのちから 　量子コンピュータの実現に向けて 　　　　　という内容で構成しています。
		ペンティアム５やSETI@homeよりもすごいのは・・・ 　コンピュータの処理を速くするにはどうすればよいでしょうか？まあ、簡単に思いつくのは、インテルなどの最新チップを取り付けるといったことかもしれません。宇宙にちょっと興味のある人は、SETI@homeみたいに、多くのコンピュータをたくさんつないで、そのネットワーク全体で同時に処理をすればいいというかもしれません。 　しかし、最新チップを買ったり、たくさんのコンピュータを用意したりするのは、お金もかかったりして大変です。 　だったら、一つのプロセッサに、いくつもの処理をさせればいいのです。 　そんなことできるはずがないだろと思うかもしれませんが、何も今あるタイプのコンピュータでそうしようというのではありません。今までのコンピュータとはまったく違ったタイプの量子コンピュータならば、一つのプロセッサで、いくつもの処理ができてしまうのです。 　今までのコンピュータは古典的な物理を基礎にしてきましたが、この量子コンピュータは、それとは全然違った量子力学を基礎にしているのです。 　しかも、この量子コンピュータというのは、ただ処理が速くてすごいだけではなくて、かなり奇妙なコンピュータでもあるのです。今回は、この量子コンピュータの不思議なパワーをのぞいてみましょう。 もっと不思議の国のアリス 　ルイス・キャロルの書いた「不思議の国のアリス」という物語は、人が小さくなったり、ネコが消えたりと、なんとも奇妙な物語でした。 　しかし、その不思議の国が、私たちのすむ世界と違うという点で奇妙だというのなら、量子の世界というのも実に奇妙な世界なのです。 　例えば量子の世界では、あるものが同時に、別の二つの状態に存在していたりします。もちろん、私たちの世界では、ものは時間軸にそって、ある一つの状態にしか存在することしかできませんよね。 　さらに奇妙なことに、この世界では、オバケのように壁をすり抜けたり、離れた距離でも音や信号の伝わる時間のずれもなく会話ができたりします。あげくの果てには、量子の世界では、「完璧には分からない」ということが分かっている不確定性原理なんていうものさえあります。 　いくらルイス・キャロルが、想像力豊かな作家であっても、この量子の世界の奇妙さには及ばなかったでしょう。 　量子コンピュータというのは、この奇妙な量子の世界の特徴を利用しています。そのため、まずは、量子の世界というのがどんなものか知っている必要があります。そこで、量子コンピュータの話に入る前に、量子の世界がどんなものか、もう少し詳しく見てみましょう。 見ないと見えて、見ると見えないものはなあに？ 　この量子の世界で主役になってくるのは、原子よりもちいさな粒子である電子や光子（光の粒子）などです。この電子や光子は、一つや二つといった少ない数で存在しているとき、私たちの世界では見られないような特徴が出てきます。電子や光子は、粒子としての存在とともに、波としての性質が現れてくるのです。 　例えば、光子が波であることを示すのにこんな実験があります。図1にあるように、二つの小さなスリット（すきま穴）にめがけて、一つの光子を飛ばし、そのスリットの向こうの壁に観測機を置いて、光のつくった干渉模様を観察するという実験です。イメージ的には、浜辺で防波堤と防波堤の間から波が入って来るような感じです。 　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　図1　干渉模様が現れたもの 　この実験では、スリットの裏側に置いた観測機に波の干渉模様が現れました。しかし、ちょっと考えてみてください。波の干渉模様ができたということは、光の波が二つのスリットを通り抜けて干渉したからだということですが、結局のところ、飛ばした粒子は一つだけのはずです。 　では、光子はどちらのスリットを通り抜けたのでしょう。一般的に考えれば、干渉模様ができているので、光子がどちらか一方のスリットだけしか通り抜けていないと考えるのは、あまりにも不自然です。一つの光子が、二つのスリットを同時に通り抜けているのでしょうか？ 　そこで、このようなことを考えてみます。片方のスリットのそばに、光子が通り抜けたことを観察できるものをおくのです。すると、ここで実に奇妙なことがおこるのです。光子が通り抜けたことを観測すると、先ほどまで観察できた干渉模様は「消えて」しまうのです。逆の言い方をすれば、干渉模様を観察しようとすると、光子が通った軌跡が分からなくなってしまうともいえます。 　　　　　　　　　 　　　　　　　　　図2　光子を観測したために干渉模様が消えてしまった。 　これこそ、まさに量子の世界の重要なところなのです。遠くからぼんやりと眺めていれば量子の世界は存在するのですが、近くでしっかり観察すると、量子の世界はどこかへ消えていってしまうのです。この例なら、量子的な性質を失わないためには、干渉模様と光子の軌跡の両方をぼんやりと「見る」必要があるのです。 　最初に述べた、あるものが同時に二つの状態に存在するというのは、この粒子の例のように、二つのスリットを同時に通り抜けたような性質のことを指しているのです。これは量子の世界の重要な性質で、「重ね合わせ（superposition)」とよばれています。しかも、この「重ね合わせ」の性質は見なければ存在するけれど、見ると消えてしまう存在なのです。まるで、なぞなぞか何かのように聞こえますが、この性質は量子コンピュータを作るときに中心になってくる性質の一つなのです。 　さて、この性質について、物理学者のシュレディンガーは、もう少し具体的な言葉を使って説明しようとしています。 　まずは、放射性元素を測定器の中に入れ、原子核が崩壊してアルファ粒子が飛び出すと,必ず測定器が作動して、青酸カリを入れたガラス瓶をこわす装置を作ります。そして、この装置といっしょに猫を大きな箱に入れます。この箱は、開けてみるまで中がどうなっているのか分からないようになっています。そして、一時間後に、箱を開けて猫の生死を確かめるという思考実験をするとしましょう。 　このとき猫が生存している確立はどうでしょうか？少なくとも箱を開ける前までは、生きているとも死んでいるとも考えられます。そのため、五分五分の確立だといえるでしょう。つまり、半生半死の状態だといえます。ところが、あけたとたんに、先ほどの半生半死の状態から、生きているか死んでいるかというどちらかの状態になってしまいます。 　箱を開けるという観察者の影響によって、二つの状態の間にあったものが、どちらか一方の状態に収束してしまうということです。 　なかなか、おそろしい例えですが、量子の「重ね合わせ」の性質を表す有名な例えとして、シュレディンがーの猫という名前で知られています。 　もちろん、一般に量子の世界は少ない数の原子や分子の大きさでしか存在せず、本物の大きさの猫には波の性質は現れないと考えられています。 　このように、長い間、物理学者は、量子の不思議な世界が、どのくらいのサイズから始まるのかということを議論してきました。 　なお、このことを示そうとして、先ほどのスリットの実験で、サッカーボールの形をした大きめの分子であるフラーレン(C60)を使った科学者がいます。その結果は、この大きめの分子にも、波としての性質が現れるということでした。 　もちろん、このことから私たちの大きさにまで話を広げるのは飛躍のしすぎですが、もし、私たちの等身大の世界でも量子の「重ね合わせ」の性質があるとしたら、どのような解釈ができるでしょうか? 　その一つとして、パラレルワールドという別世界の解釈の仕方があります。今私たちがいる世界は、いくつもの世界があったうちのひとつに過ぎないというわけです。とうぜん、他にもいくつもの世界があるというわけです。 　もっとも、このパラレルワールドというのは、数ある解釈のしかたの一つにすぎないので､気に入らなければ文字通り受け取ってもらう必要もないのですが(^^;。 　さて、不思議の国の話はこの程度にしておいて、これからはこの不思議な世界を、どのようにして情報サイエンスに利用していくかということを見ていきましょう。 量子コンピュータのちから 　量子コンピュータのことを考える前に、なぜ今までのコンピュータではいけないのかを考えてみましょう。 　今の半導体の技術の進化を予測するものにムーアの法則というものがありますが、これはもう一つの皮肉な面を持ち合わせています。それは、いつ半導体技術に限界がやってくるかということです。 　というのも、ムーアの法則にしたがって、コンピュータチップの回路が高密度で小さくなっていくと、そのうち配線が原子や分子のサイズになってしまいます。 　そのくらいのサイズになるころには、もう回路は不思議の国に突入してしまっていて、電子に波の性質が登場してきます。そのため、配線のなかを流れていた電子は、波として配線から染み出してしまい、もはや回路として機能しなくなってしまいます。回路のなかの電子の有無で０と１というふうに信号を送っていたのに、回路から電子が染み出しては、どうしようもないというわけです。 　つまり、回路が不思議の国に突入する時期、言い換えれば半導体技術の終焉の時期も、ムーアの法則によってわかってしまうという皮肉なことが起こるわけです。それはだいたい２０２０年ごろだとされています。 　そこで、郷に入っては郷に従えということで、不思議の世界では、不思議の世界のきまりを守ろうという発想をするわけです。つまり、量子コンピュータでは、この量子の性質を逆手にとって利用していこうというわけです。 　今までのコンピュータが０と１というように、二つの状態のどちらかだけということで情報を伝えてきました。そして、それをビットにしていたわけです。 　ところが量子の世界では、量子の世界では、先ほどの猫のように、生きている状態と死んでいる状態の二つにまたがって存在することができるわけです。そこで、０と１の二つの状態の両方にあるということを情報と使用というわけです。こちらは、先ほどの古典的なビットと比較するために、キュービット(quantum bit：量子ビット）としています。 　以前の「ナノテクノロジー　序章：小さな世界の大きな情報スペース」でも書きましたが、ファインマンは、今までの０と１で表したコンピュータは原始的で、このような小さな世界には今まで以上に情報のスペースが存在しているということを4０年ほども前から予言していたのです。 　さて、いよいよ、量子コンピュータの威力を説明しはじめましょう。これも、日常的な言葉を使って表現したほうが分かりやすいでしょうから、例えを使いましょう。ただし、シュレディンガーのように恐ろしいたとえではなくて、もう少し平和的な例えですが(^^;。 　例えば、図書館員がある百科事典を検索するときの話を使ってみましょう。今までのコンピュータでは、一人の図書館員が百科事典を一生懸命検索しているのと同じだといえるでしょう。コンピュータの進歩とは、図書館員がどれだけ検索がうまくなるかということに対応してるといえるでしょう。 　ところが量子コンピュータの場合は、突如、図書館員と百科事典のクローンが出現し、同時に、多くの図書館員がそれぞれ百科事典を調べているようなイメージといえるでしょう。 　量子的な二つの状態のあいだのどこかに存在しているすべての図書館員に、それぞれ検索の仕事を与えているようなものです。理論上は、この分身する図書館員は無限にいるわけで、どれだけでも処理が速くなるというわけですが、もちろんこれを実現させるのは実に大変なのですが。しかし、この「重ね合わせ」が量子コンピュータの重要な要素であることには変わりありません。 　このようにして、一つのプロセッサが同時にいくつもの処理ができるわけです。 　ただし、このときに問題が起こります。一人の図書館員から多くのクローンができたために、どの図書館員がどの答えを出したかが分からなくなってしまうのです。 　しかし、どの図書館員がどの答えを出したかということを無理に見ようとしてはいけないことは、言わなくてもお分かりですよね。先ほどのスリットの実験ですが、スリットの前に光子の観測機を置いたために干渉模様が消えてしまったように、この図書館員の場合も無理に区別しようとすると、クローンがふっと消えてしまい、残るのはもとの一人の図書館員なのです。 　このように、不思議の国の性質は、そのまま量子コンピュータのなかで生きているのです。 　つまり、図書館員の分身を消さないように、それぞれの図書館員を見つめずに、また答えを区別するために、それぞれの図書館員を区別しなくてはいけないのです(笑)。 　しかも、これは光子なり電子なりが一つだけに限られたときの話にです。実際は、いろいろな複雑で多様な処理を可能にするためには、たくさんの光子の量子的な情報を相互に「絡み合わせ(entanglement)」ておく必要があります。 　しかし、そこから答えを導き出そうとして、無理に見ようとしたために、もし一つの光子の量子的な情報が失われてしまったら、それと同時に、その光子に「絡み合っ」ている他の光子もすべて量子的な情報が失われていってしまいます。 　このような量子の「絡み合い」をどのように扱っていくかということこそ、量子コンピュータ実現の最大の難関だとされているわけです。 　確かに、この「絡み合い」は量子コンピュータの実現の障害となっているのですが、逆にこの性質はある面では大いに利用することができます。 　それは、暗号化技術への応用です。実は、この暗号化技術への応用も、量子コンピュータをつくる大きな目的の一つともいえます。言うまでもないことですが、現在多くの情報の安全性がクラッキングにさらされているわけです。 　で、この「絡み合い」を利用すれば、クラッキングをされたとたんに情報が消滅してしまうわけです。もう何度も繰り返すことになってしまいますが、量子の情報は無理に見ようとすると消滅してしまうわけです。したがって、外部の第三者が量子化された情報を無理に見ようとすることはできないわけです。 　今までのデジタル技術というのはコピーが簡単なのですが、これはセキュリティの問題となってきました。しかし、量子化された情報はコピーをするのは絶対に無理だと考えられています。コピーという外部の干渉によってデータが失われてしまうからです。データを見ることができるのは、もともと「絡み合わ」せて入る相手だけだというわけです。 量子コンピュータの実現に向けて 　現在IBMやNEC、その他もろもろの大学や研究機関が基礎って研究開発にはげんでいるのですが、いまのところ、まだ１０個程度の量子を「絡み合わ」せることしかできていません。ファインマンが２０年程前に、今までの半導体とは異なる新しいコンピュータの概念を提唱してから、多くの科学者が必死に量子コンピュータの実現に努めてきたのに、確かに１０個というのは少なく聞こえるかもしれません。 　そこで最近では、量子コンピュータの「重ね合わせ(superposition)」の性質だけを利用して、「絡み合い(entanlgement)」の方を避けて量子コンピュータを作ろうと考える科学者もいます。 　例えば、最近のものでは、光の干渉を利用したものなどがあげられます。これらのものは試作機が出来上がる段階まできています。 　しかし、この光のコンピュータの場合は、用途が主にデータ検索に限られてしまうといったように、大きなマイナス点もあります。もちろん、先ほどの暗号化技術への応用も難しくなるでしょう。 　やはり究極の量子コンピュータを実現させるには、この「絡み合い」をどう制御していくかというのが、今後の課題となっていくわけです。究極の量子コンピュータが実現するまでには、まだしばらく時間がかかるでしょう。 　この量子コンピュータをまえにすると、不思議の国の方がよっぽど現実的に見えてさえくるかもしれません。私たちの直感に反することばかりなので、たとえ話で考えてみないとイメージすらつかむのも大変なくらいです。しかし、そのぶん、このまったく新しいコンピュータが切り開いてくれる世界は、ルイス・キャロルの生み出す世界よりもはるかに魅力的なもに違いありません。 ※量子の「絡み合い」(entanglement)は量子の「もつれ」とも言います。 　　　　　　　 関連コラム 　以前私の書いた関連コラム 　「ナノテクノロジー　序章：小さな世界の大きな情報スペース」 　今回の記事とあわせて読むとより深く理解できると思います。 　「そして光は止まった....」 　私には理屈はわかりませんが(^^;、このコラムで書いたことも量子コンピュータの実現に貢献すると考えられているようです。 関連サイト 　とりあえず、日本語のサイトで、量子コンピュータについて数式などを使わずに書いていたものを紹介しておきます。 ・HotWired　日本語版 　　・量子コンピューティングが考える未来の計算技術とは(上) 　　・量子コンピューティングが考える未来の計算技術とは(下) 　　・量子物理学を利用した暗号化技術 　　ほかにもHotWiredに似たサイトはいくつかあると思うのですが、ここのサイトほど超現象とか、量子コンピュータといったSFチックなものが好きなサイトはありませんね(^^;。 ・科学コラム　量子の世界を見る　- 日立 基礎研究所の外村彰博士の講演やエッセイが収録されたページ。イメージで把握しにくい量子の世界の入り口を分かりやすく解説した講演録や、最先端のホログラフィー電子顕微鏡の解説のページなどもあります。内容はかなり充実しています。 ・量子コンピュータニュース 　量子コンピュータに関するニュースへのリンク集 　　　　　　　　　　　　-------------------------- これから紹介するサイトは英語が多いですが、目を通してみると、今回の内容をより多層的に理解できると思います。 ・Center for Quantum Computer（英語） 　・Introductions and Tutorials　 　　量子コンピュータについて一通り学べるサイト ・Wave-particle duality of C60 molecules（論文）- Nature（英語） フラーレンを使って量子の世界と私たちの世界の境界を調べようとした実験報告 ・Computing, One Atom at a Time - NY Times（英語） １０個の原子を使った量子コンピュータを作った科学者たちについて ・Light shines in quantum-computing arena - ScienceNews（英語） 文の最後の方に出てきた光を利用した量子コンピュータについて 　　　　　　　　　　　-------------------------- ☆量子コンピュータの説明は、たとえ話をどれだけ上手に使っていけるかといったことにセンスが光るような気がしますが、私の好きな物理専門のサイエンスライターのPhilip Ballもその点でセンスが光ってます。Natureの専属ライターみたいです。以下はPhilip Ball氏の書いた関連記事。 　・How decoherence killed Schrodinger's cat（英語） 　・Quantum juggling（英語） 　・Not a tangled web（英語） 　　　　　　　　　　　-------------------------- ☆ナノテクノロジーをはじめて唱えたファインマンについてのページをあつめてみました。この人はノベール賞を取っていて偉大な科学者なんですが、人柄もいい意味で変わっていています。私的には、ファインマンでも、ファインマン博士でもなく、「ファインマンさん」と呼びたくなります。国内外問わずファンサイト(?)も多し(^^;。 ・いつでもどこでもファインマンさん 　かなりのボリューム。ファインマンが好きな人にはうれしいページ。 ・There's Plenty of Room at the Bottom（英語） 　小さい世界には大きな情報スペースがあるといった有名な講演　 これらは本の紹介ですが、まあ興味のある方は、どっかで手に入れてぜひ読んでください。下はbk1のサイトから。 　・ご冗談でしょう、ファインマンさん 上 　・ファインマンさん　ベストエッセイ集 　もちろん、他にもたくさんの「ファインマンさん」本があります。

もちろん他にもいろんな科学コラムがあります。
ぜひ、そちらもよんでください。
バックナンバー紹介を見てください。