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量子コンピュータとは、量子力学的な効果を用いて計算を行うコンピュータである。

概要

ミクロ世界における原子や電子の特殊な振る舞い、特に重ね合わせの原理と量子もつれ(エンタグル)と呼ばれる効果を利用して計算を行う。従来のコンピュータによる計算と異なり、ひとつの量子状態で複数の計算を並列に行うことができる。計算結果は観測により確率的に得られる。中二っぽく言い直すと「数の並行世界で同時に計算を行い、その中から正しい答えを取り出すコンピュータ」となる。かっこいい。

量子コンピュータと区別するため、いわゆる普通コンピュータ古典コンピュータと呼ばれることがある。本項でもこの用を使う。

量子コンピュータでできること

素因数分解

最も有名なのは自然数の素因数分解である。そんなんでも出来るしwwwと思った人は試しに38686873991[1]を手で素因数分解してみてほしい。きっと途中で投げたくなるはずである。実はこれは数が大きくなると古典コンピュータを使っても同様であり、非常に大きな素因数(数桁ぐらい)を持つ数をさくっと素因数分解できるアルゴリズムはまだ見つかっていない。あるのかどうかも分かっていない。しかし充分にデカい量子コンピュータが使えると仮定すれば話は別であり、「ショアのアルゴリズム」と呼ばれるまともな速さで素因数分解を達成するアルゴリズムが見つかっている。

因数分解なんかできても意味なくね?と思うかもしれないが大間違いである。インターネット情報をやりとりする際よく使われる暗号化技術であるRSA暗号はこの「非常に大きな数の素因数分解にはすごく時間がかかること」を暗号が解かれないことの根拠としているため、素因数分解さくさくできてしまうと現在ネットセキュリティいも同然になってしまう。おちおちニコニコ動画も見られなくなる。ヤバい。

因数分解の他にも高速に計算できる問題はいくつも見つかっているが、本項では割愛する。

量子暗号通信

つまり実用レベルの量子コンピュータを作ってしまうと世界は大混乱に陥ってしまうんだよ!!!……ということはない。

量子コンピュータと同様の原理を使うと、絶対に安全な暗号通信(正確には、攻撃を受けたときに絶対にそれを検知できる通信)を行えることが分かっている。達成しなければいけないハードウェアの規模を考えるとむしろ現在はこっちが本命なくらいであり、日本でも大学の研究室のほか東芝三菱NECNTTなどが実用化に向けて共同で研究を行っている。

量子コンピュータでできないこと

量子コンピュータは「どんな計算でも爆速で終わらせてしまうウルトラスーパーコンピュータ」のようなイメージを持たれていることがあるが誤解である大事なことなのでもう一度言うと、誤解である。

仮に巨大な量子コンピュータを作れるようになったとしても、次のような問題は解くことができなかったり長い時間がかかったりする。

決定不能問題

意外かもしれないが量子コンピュータと古典コンピュータで計算できる問題に差はない。これは量子コンピュータの動作を古典コンピュータで(時間はめっちゃかかるかもしれないが)全にシミュレートできることによる。つまり、量子コンピュータで解ける問題は(時間はめっちゃかかるかもしれないが)古典コンピュータでも必ず解ける。

なので、古典コンピュータでそもそも原理的に解けない問題(決定不能問題、または計算不能問題と呼ばれる)は量子コンピュータでも解けない。

永久機関などと同様、「できるかどうか分かっていない」のではなく「できないことが分かっている」問題である。諦めましょう。

計算量クラスが大きい問題

じゃあ計算可な問題なら何でも爆速で解けるか?というとそうでもない。量子コンピュータを使っても長い時間がかかってしまう問題は計算の世界にはいくらでも存在する。

たとえば東ロボくんが入試数学の問題を解くのに使った「実閉体の限量子消去問題[2]」はかなり難しい問題であり、問題のサイズを大きくすると量子コンピュータを使ってもすぐには解けなくなる。古典コンピュータしか使っていない東ロボくんでも回答できているのは問題が小さいからである。

つまり、大学入試数学の問題をいじって変数がものすごく多くなるようにすると量子コンピュータを使っても制限時間以内に解くことはできない[3]。もちろん人間にも(たぶん)解けない。

実装の現状

量子コンピュータ実現のは量子デコヒーレンスと呼ばれる現である。これは古典コンピュータでいうと計算中に勝手にメモリ上のビットが書き換わってしまう(その上絶対に元に戻せない)ようなものであり、しかも量子コンピュータを大きくしようとすればするほどデコヒーレンスは起きやすくなる。どうにかしようとして計算方法や実装方法が色々研究されているが、少なくともまだ当分理そうだと考える人が多い。

とはいえ全く何もできていないわけではない。特に素因数分解物理実装はいくつも存在し、規模も少しずつ大きくなってきている。この版の執筆時点での量子コンピュータによる素因数分解の最高記録は143である。……11×13だね。うん。現状では量子コンピュータより俺らの方が頭がいいと言って差し支えない。

量子コンピュータの登場する作品

など。多くの場合極めて高性な、または特殊な性を持つコンピュータとして描かれている。

関連動画

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関連コミュニティ

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関連項目

脚注

  1. *正しい分解31337 × 1234543。これくらいなら古典コンピュータで解ける。
  2. *紛らわしいが限量子という用量子力学とは関係ない。
  3. *正確には、「限量子消去アルゴリズムを経由して解こうとする限りは」できない。入試数学の範囲に特化した解法を使えば大きな問題も解けるかもしれないが、それは古典コンピュータにも言える。

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最終更新:2019/11/15(金) 02:00

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