IBMとの連携で進む日本の量子コンピューティング ――世界初の商用量子コンピューターで共同研究を開始

東京大学は、量子コンピューターをはじめとする量子技術を世界に先駆けて社会実装するためのプロジェクトを進めてきました。従来のコンピューターでは手に負えない複雑な組み合わせの計算を得意とし、新素材や新薬の開発、新しい金融モデルの創出からサプライ・チェーン最適化に至るまで、情報化が進展した社会の未来を担う存在として期待されるのが量子コンピューターです。2019年に締結したIBMとのパートナーシップに基づき、昨年6月に発足したIBM東大ラボが中心となって、現在三つの取り組みが本格化しています。

川崎市に汎用型の最新鋭機を設置して活用

川崎市に設置されたSystem One。

一つ目は、世界初のゲート型商用量子コンピューター「IBM Quantum System One」のプロジェクトです。IBM、川崎市、東京大学の三者が締結した協定をもとに、最新鋭の量子マシンを川崎市に設置し、企業や大学などによる利活用を促していこうというものです。同型のマシンが設置されるのは日本では初めて。世界では米国、ドイツに続く3例目となります。

「量子コンピューターにはいくつか方式がありますが、用途を特化しない汎用型の主流とされるのが、超電導素子の回路を極低温で動かす量子ゲート方式です。この方式で最初に商用化を果たしたのがSystem Oneでした」と語るのは、IBM東大ラボ長の川﨑雅司教授。それまで一部の研究者のものだった量子コンピューターを2016年にクラウドで公開し、商用の道を拓いたのがIBMでした。量子ビットという単位で表される性能は、当時の5量子ビットから53量子ビットへと飛躍しています。そして、7月に設置されるこのマシンの使用権を占有するのが、東京大学です。量子コンピューターを使いたい企業と大学が手を組んで共同研究を進める仕掛けとして昨年7月に設立されたのが、量子イノベーションイニシアティブ協議会（QII）です。

「会員はSystem Oneを使用した共同研究を行うことができます。現在は金融、化学、電気、情報、エネルギーといった分野の14社が参画中です。この輪を広げることが日本の量子コンピューティングの向上に直結すると思っています」

浅野キャンパスのテスト機でハードを磨く

二つ目は、ハードウェア・テストセンターの運用です。ゲート型量子コンピューターを活用するには、極低温マイクロ波コンポーネントの技術、超電導量子ビットを安定的に動作させる材料の検討、信号伝送に必要な高周波部品や配線の技術、冷凍機やコンプレッサーの制御技術も不可欠です。浅野キャンパスに6月に新設されたセンターには、テスト用に構築された安定度の高い5量子ビットのマシンが設置されました。先端技術の情報管理に厳しいIBMが量子コンピューターのテストベッドを社外に設置するのは、世界でもこれが最初の例となります。

「量子コンピューターにデータをどう入力するかは大きな課題で、データ入力を量子的に行えればブレイクスルーになりますが、それも狙えるのがこのテストベッドです」と語るのは、情報理工学系研究科で量子計算のアルゴリズムを研究する今井浩教授です。今井先生によると、量子コンピューターに関して、20世紀最後の10年でいくつかのブレイクスルーがありました。中でも重要なものの一つが、先端科学技術研究センターの中村泰信教授がNEC時代の1999年に発明した超電導量子ゲート方式でした。もちろんIBMが採用している方式です。IBMではプロセッサーに鳥の名をつけるのが通例ですが、今回ついた名前は「ツル」。日本の研究者への思いが込められていたのかもしれません。

三つ目は、IBM Quantum－東京大学コラボレーションセンターの設置です。理学部1号館西棟10階の約60平米のフロアに新設されるこのコラボレーション施設には、IBMのエンジニアが常駐し、東京大学の研究者やQII会員の研究者とともに、川崎市に設置したSystem Oneの力を引き出すのに必要なソフトウェアやアルゴリズム、アプリケーションなどの開発を進める予定です。現在、8月中旬の運用開始を目指しています。

「これまでにセミナーを10回ほど開催してきましたが、量子技術を通して会員同士のつながりを深めるのもQIIの大きな目的です。産官学の技術を集結させて日本における量子コンピューティングのエコシステムを構築します」とラボ長は熱を込めます。

「順番に」ではなく「いっぺんに」が肝

さて、ここまでIBM東大ラボの活動を紹介してきましたが、そもそも量子コンピューターとはどういうものなのでしょうか。粒子と波の性質を兼ね備え、複数の状態を同時に表現できる量子の特性を利用することで、従来のコンピューターをはるかに凌駕する計算能力を持つ……などと言われますが、実際のところ何がそんなにすごいのでしょう。

「簡単に言えば、膨大な数の組み合わせを、一つ一つ順番にではなく、まとめていっぺんに計算できることです」とラボ長は言います。たとえば、一つの球には半径と同じ長さの線が無数に含まれます。従来のコンピューターはこの線を一つ一つ特定して順番に計算していかないといけません。しかし量子コンピューターでは、線の位置を特定しないまま、あり得る組み合わせをいっぺんに計算できるわけです。また、エネルギー消費の点でも注目です。現在のスーパーコンピューターは膨大な電力を必要としますが、超電導状態で動く量子コンピューターでは計算自体に使う電力は少なくてすみます。世界的に情報処理量が増大するなか、環境問題の上でも期待されているのです。

ただし、量子コンピューターが従来のコンピューターをすべて代替するわけではありません。現在の技術ではノイズがどうしても生じ、エラー訂正という作業が必要です。また、本質的な向き不向きの問題もあり、そこでポイントとなるのは組み合わせの有無だそうです。

「たとえば、単純な乗算と加算でできる給与計算などは組み合わせの問題ではなく、従来のコンピューターで行ったほうがよいでしょう。一方、半導体の微細加工などで必要となる量子化学計算では、励起状態の分子中にある多数の核と電子が時事刻々動いて膨大な組み合わせが生じます。そうした計算は量子コンピューターでないと無理です」

化学、暗号、創薬から量子ネイティブの育成まで

何万もの自販機の補充を効率よく行うための最適解を出す「巡回セールスマン問題」は、自販機の場所、積荷の内訳、トラック台数といった多くの要素を組み合わせ、さらに事故などによって刻々変わる渋滞状況も含めた計算ができる量子コンピューターの独壇場です。そうしたロジスティクスの分野や、インターネットや電子マネーの基盤となる暗号技術の分野、膨大な分子の組み合わせから最適な候補を導くことが求められる新薬開発の分野、そして量子コンピューターによる機械学習（量子AI）の進展も大いに期待されています。

加えて、大学が量子コンピューターを運用していくことの重要な意義がもう一つある、と川﨑先生は明言しています。それは、若いうちから量子技術と向き合う「量子ネイティブ」の育成です。

「将来研究者になる人に限らず、銀行で働く人でも医者になる人でも、量子技術に親しむ若者が増えることが重要です。特に東京大学が量子コンピューターを手元に置き、学生が触れる機会を持つことには、日本と世界の未来にとって特別な意味があると信じます」

昨年11月、IBMは量子コンピューターのプログラミング・コンテスト（IBM Quantum Challenge 2020）を実施しました。85カ国から3300人以上が参加したこのコンペで見事優勝したのは、東京大学工学部物理工学科4年の長吉博成さんでした。長吉さんに続く量子ネイティブたちの登場が待たれます。