量子コンピューター最大の壁「エラー訂正」

斉藤重之 @shigenokura

量子コンピュータの見た目ってSFっぽい仰々しさ。未来的というよりは古典的なメカメカしいかっこよさがある。わざとそういうデザインにしているのかな？ しかし、まだけっこう計算間違えるというおちゃめさ。 twitter.com/NikkeiScience/… pic.twitter.com/zjeO2Z3hEK

日経サイエンス @NikkeiScience

現在の量子コンピューターは，有用な計算ではスパコンに勝てていない。計算中に生じるエラーを訂正できず，正しい答えが得られないからだ。 誤り耐性を備えた量子コンピューターこそが究極の目標だ。 日経サイエンス2022年8月号 「量子コンピューターの究極の目標」 nikkei-science.com/202208_030.html pic.twitter.com/9xIXde5qxa

2022-06-28 12:24:38

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古田彩 Aya FURUTA @ayafuruta

お久しぶりです。日経サイエンスの古田です。しばらく留守にしておりましたが，ぼちぼち再開したいと思います。

古田彩 Aya FURUTA @ayafuruta

あ，twitterは留守にしていましたが，編集はしてました。現在発売している日経サイエンス８月号では，久々に量子情報を特集しました。テーマは量子コンピューターの「エラー訂正」です。

日経サイエンス @NikkeiScience

日経サイエンス2022年8月号 【特集：量子コンピューター最大の壁「エラー訂正」】 現在の量子コンピューターは，実用的な計算ではスパコンに勝てていない。真の威力を発揮するには，計算中に生じるエラーを訂正しながら計算を続ける「誤り耐性」を実装する必要がある。nikkei-science.com/page/magazine/… pic.twitter.com/XO4VptszIZ

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古田彩 Aya FURUTA @ayafuruta

「エラー訂正」って聞き慣れない言葉かもしれませんが，これこそ，量子コンピューターのアイデアが出てきたときから，実現に向けての最大の壁であり，最終目標です。

古田彩 Aya FURUTA @ayafuruta

量子コンピューターには，原理が提唱された1985年からずっと「実現不可能なコンピューター」との見方がついて回りました。計算の物理学を開いたR. ランダウアーは「量子コンピューターはエラー訂正ができない，エラー訂正ができないコンピューターに意味はない」と，最大の弱点を痛烈に批判しました。

古田彩 Aya FURUTA @ayafuruta

量子コンピューターの基本素子である量子ビットは，現在の最高性能のものでも，1000回に１回くらいの率でエラーを起こします。1000ステップの計算なら6割以上の確率で計算に失敗。化学計算なんかやろうとすればおそらく何百万ものステップが必要なので，成功の確率はゼロに近くなります。

古田彩 Aya FURUTA @ayafuruta

量子でないコンピューターだってエラーは起こしますが，計算中に答えをチェックし，エラーがあったら訂正して先に進むことができます。でも量子コンピューターは，途中でチェックすると量子的に記録した情報が破壊されてしまうので，エラー訂正ができない……と，最初は思われていました。

古田彩 Aya FURUTA @ayafuruta

でも，そうではなかった。ショアやスティーン，キタエフらが，実際にエラー訂正する方法を見つけ出しました。途中で結果をチェックしなくてもエラーが起きていることはわかるし，訂正もできるのです。

古田彩 Aya FURUTA @ayafuruta

でもやっぱり難しいんですよ，エラー訂正。量子ビット１個をエラーから守るのに数十〜数百の量子ビットが必要で，実装はめちゃ難しい。でも，量子コンピューターすごい，量子コンピューター速い，って言われるような計算はエラー訂正ができないと実行できない。だから世界中で懸命に研究してるわけです

古田彩 Aya FURUTA @ayafuruta

エラー訂正が困難なのは，量子コンピューターが情報を０か１かのデジタルでなく，０と１を重ね合わせたアナログで表すアナログコンピューターだからです。アナログコンピューターは計算能力は高いのですが，本来の値からエラーでちょっとずれたとき，それがエラーなのか本来の信号なのか区別がつかない

古田彩 Aya FURUTA @ayafuruta

デジタルなら，トランジスタの電位がエラーで少々ずれたとしても，０は０，１は１だと認識できます。このエラー耐性のおかげで，今のコンピューターはほぼすべて，アナログでなくデジタルになってます。

古田彩 Aya FURUTA @ayafuruta

でも実は，量子コンピューターなら，計算をアナログ情報で進めつつ，発生したアナログエラーをデジタル化して，取り除くことができます。それには量子力学ならではの「波束の収縮」という現象を使います。

古田彩 Aya FURUTA @ayafuruta

その辺のところを，エラー訂正の理論研究でトップを走る，大阪大学の藤井啓祐さん@fgkskに解説して頂きました。エラー訂正の解説はいろいろあるけど，量子にちょっと興味がある人が読むと，あー，そういうことなのか，ってめっちゃ腑に落ちると思う。 nikkei-science.com/page/magazine/…

古田彩 Aya FURUTA @ayafuruta

藤井さん@fgkskは，記事の中でこう書いています。「量子力学は、『量子コンピューターを作れ』と言わんばかりに、アナログとデジタルの世界を奇跡的に橋渡ししてくれている」。

古田彩 Aya FURUTA @ayafuruta

20年ばかり量子コンピューター追ってきたヲタクとしては，この言葉には「ここまで来たか」って思ったなあ。量子ってあいまいだとか，不確定だとか，とかく技術的なハードルという文脈で語られることが多いんだけど，

古田彩 Aya FURUTA @ayafuruta

量子だからこそアナログなのにエラー訂正できるというのはつまり，自然法則は量子計算を許すようにできている，ということです。

古田彩 Aya FURUTA @ayafuruta

量子を使うと計算量が劇的に減って計算が高速化するというのは，理屈ではわかってもどうも信じにくい話で，量子コンピューターのパイオニアたちは，心のどこかで「量子計算不可能定理」があるんじゃないかと思ったりもしてたけど

古田彩 Aya FURUTA @ayafuruta

藤井さんら現在一線にいる研究者たちは，おそらくそんなふうには感じていない。むしろ「必ず道はある」と思っているだろう。そんな意識の変化が，エラー訂正量子コンピューターの実現を引き寄せる。