量子コンピュータは、従来のコンピュータでは不可能な問題を解決できる夢の技術として期待されてきた。しかし、近年の研究の進展により、その実用的な利点（量子アドバンテージ）が期待されていた分野で、次々と疑問符が打たれている。本解説では、複雑な分子シミュレーションや物流・金融に不可欠な巡回セールスマン問題において、従来の古典的コンピュータが依然として優位性を保っている現状を分析する。さらに、莫大な冷却コストや消費電力といった、これまで見過ごされがちだった「経済性とエネルギー」という現実的な壁についても言及し、量子コンピュータの未来が当初の楽観的な予測とは異なる困難な道のりにあることを示唆している。
量子コンピュータの期待と現実の乖離
量子計算の歴史が、いよいよはっきりしてきたように私には感じられます。研究が進めば進むほど、具体的なユースケースが消えていくのです。まるで手品を見ているようですね。最初にウサギが消え、次に帽子が消え、最後には観客までもがいなくなってしまう。さらに、量子コンピュータには、これまで誰も深く考えてこなかった重大な問題があることも分かってきました。詳しく見ていきましょう。
量子コンピュータは素晴らしい、と世間では言われています。なぜなら、これらのマシンは従来のコンピュータには難しすぎる問題を解決できるからです。「言われている」というのが、私のお気に入りの情報源ですけれど。量子コンピュータの強みは、量子物理学にのみ存在する相関関係の一種である、量子もつれの力から得られます。
これはあまりに強力な相関関係なので、パーティーでその話をしようものなら、即座に二人の哲学者が現れて自由意思についての議論を始めてしまうほどです。量子コンピュータは特定の計算を劇的に加速させる可能性があり、それは単なる学術的な興味にとどまりません。材料科学や化学、物流、暗号解読、あるいは金融の分野で役立つかもしれない。少なくとも、そう言われてきました。
突きつけられた厳しい研究結果
しかし、物事は予定通りには進んでいません。たとえば、量子コンピュータがいつか複雑な分子をシミュレートできるようになるというアイデアを考えてみましょう。その代表的な例が「鉄硫黄クラスター（FeMoコファクター）」でした。ベンチャーキャピタリストにプロテインパウダーを売りつけるスタートアップのような名前ですが、そうではありません。これは、土壌に窒素を補給する細菌の中で極めて重要な役割を果たす分子です。
このプロセスは植物を育て、最終的には私たち人類を養っています。この分子を理解できれば、より優れた肥料の開発につながり、世界の食糧事情に大きな影響を与える可能性があります。私たちはこの分子の性質を記述する方程式を持っていますが、従来のコンピュータでは解くことができません。あまりに難解すぎるのです。だからこそ、量子コンピュータが必要だと言われてきました。
ところが、プレプリントサーバーのarXivに掲載されたばかりのカリフォルニア工科大学のチームによる新しい論文では、従来のコンピュータクラスターを使用して、この分子の基底状態エネルギーを驚くべき精度で計算することに成功したのです。これ自体がすぐに世界を変えるわけではありませんが、量子コンピュータにとっての実用的な優位性を見出すことがいかに困難であるかを証明しています。
未来の技術が、ファンとケーブルでいっぱいの大きな部屋と、家に帰るのを拒んだ一人の熱心な研究者によって追い抜かれてしまったわけです。この論文が発表されるわずか数週間前にも、別の物理学者のグループが、量子コンピュータの主要な活用例として挙げられる「巡回セールスマン問題」の解決は、無駄な試みであると主張しました。
巡回セールスマン問題という高い壁
巡回セールスマン問題とは、与えられた複数の地点を回る最短経路を見つけるというものです。これに密接に関連する問題は、物流から金融、3Dプリンティングに至るまで、多くの日常業務で解決されなければなりません。そのため、この問題は量子コンピュータの格好のセールストークになってきました。
しかし新しい論文で著者たちは、この問題を量子コンピュータが有利になるような形式に当てはめようとして失敗に終わった過去20年間の試みを精査しました。そして、古典的なシステム、あるいは古典と量子のハイブリッドシステムを使い続ける方が良いと示唆しています。具体的には、こう記されています。
純粋に量子的なアプローチ（量子・古典ハイブリッドアプローチとは対照的）が、たとえ小規模な巡回セールスマン問題であっても解決できるという証拠があるかどうかという問いに対し、本論文は20年分もの文献を調査した結果、楽観視できる理由は存在しないと結論付けた。
「楽観視できる理由はほとんどない」というのは、実に見事な学術的表現ですね。これは悲観論ではありません。正しく修正された上での楽観論なのです。この分野のパイオニア二人による最近の楽観的なレビューでさえ、量子アドバンテージへの道は険しいこと、つまり量子コンピュータが真に有用であることを証明できる有意義なタスクを見つけるのがいかに難しいかを認めています。
量子コンピュータが抱えるコストとエネルギーの課題
誤解のないように言っておきますが、研究の視点から見れば、すべては順調に進んでいます。エラー訂正は、小規模な回路ではありますがテストに成功していますし、量子ビットの精度と品質も着実に向上しています。最近のニュースの見出しには、量子コンピュータが「トランジスタの瞬間」に達したとさえ書かれていました。
でも、本当にそうでしょうか？マイクロチップがこれほど劇的な成功を収めたのは、トランジスタが著しく小型化し、安価に製造できるようになったからです。しかし、現時点での量子コンピュータのコスト要因は、極低温冷却とノイズ緩衝に対する極めて厳しい要求です。
これらのコストは、より多くの量子ビットを冷却する必要がある場合、安くなることはありません。そこが問題なのです。量子コンピュータのコストが低下するという兆候は、今のところ全く見当たりません。
そして、量子コンピュータには、これまであまり注目されてこなかったもう一つの問題があります。それは、膨大なエネルギーを消費するということです。オリヴィエ・エズラティによる最近の試算によると、実際に有用な計算を実行できるほど大規模なエラー訂正機能付き量子コンピュータは、スーパーコンピュータのクラスター全体と同じ、場合によってはそれ以上の電力を必要とします。
つまり、建設費用が高いだけでなく、運用コストも決して安くはならないということです。ここで皆さんは「分かった、でも量子コンピュータの方がずっと速いのがポイントじゃないのか？」と言うかもしれません。確かに、特定のタスクにおいては、そのタスク単体で見れば速いでしょう。しかし、計算全体が短時間で終わるという意味ではありません。
量子コンピュータでは、望ましい精度に達するために計算を何度も繰り返す必要があるため、結果的に計算時間が長くなってしまいます。たとえそれがピーク時の電力の話であっても、そのピーク電力を供給する設備が必要であり、それがコストをさらに押し上げます。もっとも、プレスリリースだけはどんどん安上がりになっていますね。それだけは実に見事にスケールアップしています。
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