シリコン半導体は、コンピューティングの道を目覚ましい進歩を遂げてきました。しかし、たとえ半導体が今後も速度とパワーを緩めることなく進化し続けても（そして、それを実現するのはますます困難になっています）、従来のコンピューティングには限界があります。
コンピューティングにおける次の真のゲームチェンジは量子です。物質の量子力学的特性を利用して情報を処理する技術は、今日の最大かつ最強のスーパーコンピューターをポケット電卓のように見せてしまうでしょう。そしてIBMなどの企業の科学者たちは、初めて量子コンピューターの理論構築にとどまらず、完成した量子コンピューターがどのように動作するかを実際に構想する段階に入っています。世界中の研究所で、最初の量子コンピューターの構成要素がゆっくりと現実のものとなりつつあります。
量子コンピュータが実際に機能すれば、私たちの足元の地盤を真に揺るがすほどの成果となることを考えると、これは非常に大きな成果です。比較的小規模な量子コンピュータがあれば、科学者は高度な暗号方式を解読し、前例のない精度で量子システムをモデル化し、複雑で非構造化されたデータベースを比類のない効率でフィルタリングできるようになります。
しかし、まずはそれを構築しなければなりません。
量子コンピューティングの概念は、物理学者リチャード・ファインマンによって1980年代初頭に提唱されましたが、この分野はまだ黎明期にあります。しかし、理論と実践が融合するにつれ、学問分野としては重要な転換期を迎えています。量子コンピュータを構築する方法は複数あり、どのアプローチが（あるいはどれが）実用的なシステムを生み出すのかを知るには、まだ時期尚早です。しかし、量子の世界にアクセスするためのこれらの多様なアプローチすべてに共通する点が一つあります。それは、量子ビットが全てであるということです。
古典コンピュータと同様に、量子コンピュータも情報単位に依存しています。古典コンピュータの世界では、それはビット（1バイトは通常8ビットで構成されます）であり、各ビットは0か1の2つの状態のいずれかを取ります。MP3、テキスト、ドキュメント、Tumblrなど、あなたのデータはすべてビットの列に過ぎません。
ビットの量子版は量子ビットと呼ばれます。ビットとは異なり、量子ビットは0、1、あるいは重ね合わせの状態（量子用語では基本的に0と1の両方の状態）で存在できます。ここから量子特性の奇妙な領域に入り込み、物事は直感的ではありません。「量子状態におけるあらゆる可能な答えの海から始まり、間違った答えを剥ぎ取って正しい答えが現れるアルゴリズムを設計します」と、IBMリサーチの実験量子コンピューティング研究チームのマネージャー、マティアス・ステフェンは述べています。問題に対して一度に1つの解決策を考えるのではなく、複数の解決策を同時に考えることができるのです。
この気が遠くなるような計算成果を私たちと結びつけるには、大きな課題が立ちはだかっています。量子スケールで作業することは、通常、絶対零度に近い極低温で作業することを意味します。粒子自体も不安定です。コヒーレンス時間、つまり、綿密に構築された量子システムが量子状態が崩壊する前にコンピューターが読み取ることができる時間の長さは、わずかマイクロ秒単位で測定されます。そして、量子計算には一般的に固有の誤差が存在するため、量子コンピューターは常にエラーを修正しなければなりません。
さらに、量子状態を測定するという問題もあります。量子状態は測定によって崩壊する傾向があります。量子相関、つまり量子もつれ（2つの粒子の状態を距離を超えて結びつけ、一方に影響を与えると他方にも影響を与えるという奇妙な量子現象）を熟知していなければ、研究者は量子系を破壊することなく実際に測定することはできません。言うまでもなく、これは決して容易なことではありません。
だからこそ、研究者たちはまず小規模な開発から始め、知力と研究資金を注ぎ込み、単一の安定した量子ビットの開発に取り組んでいます。そして最終的には、数十、数百、数千、数万の量子ビットの連なりへと発展させていくのです。では、未来の量子コンピューターはどのようなものになるのでしょうか？まだはっきりとは分かりませんが、いくつかの異なるアプローチが大きな可能性を秘めています。
人工原子
量子ビットを作る方法は一つではありません。必要なのは、古典的な量子体系における0と1の類似物として、2つの異なる量子エネルギー準位を提供できるものだけです。多くの量子ビットは自然現象であり、原子核、イオン、電子の量子特性を操作して量子システムに情報をエンコードします。しかし、もし望む特性を持つ量子ビットを人工的に製造できたらどうなるでしょうか？
このアプローチは、超伝導量子ビットの完成を目指した量子コンピューティング研究の新たな分野を生み出しました。IBMリサーチがこの分野のリーダーとして台頭してきたのは、おそらく意外ではないでしょう。このアプローチは、IBMの超伝導、微細加工、そしておそらく最も重要な、技術を最終製品へとスケールアップさせるという専門知識と見事に融合しているからです。
複雑な物理学の要素を取り除けば、超伝導量子ビットを人工原子と考えるのは簡単です。技術的に言えば、超伝導量子ビットは2つの超伝導材料から成り、ジョセフソン接合と呼ばれる装置に振動電流を流します。量子物理学の魔法により、量子ビットは電流が持ち得る多数の振動周波数の中から2つだけを切り出し、それらの周波数を古典的な0と1として利用することができます（ここでは詳しく説明しませんが、これらの振動を制御することで量子ビットの基本要件が満たされると言えば十分でしょう）。
超伝導量子ビットの主な利点は、製造可能であるためカスタマイズが容易で、最終的には数百、数千の量子ビットを備えたより大規模な量子コンピュータへの拡張性も備えていることです。しかし、最近、最大10～100マイクロ秒という記録的なコヒーレンス時間と95%の成功率でのゲート操作を実証したIBMのチームでさえ、この手法が勝者だと断言するにはまだ時期尚早であることを認識しています。
「超伝導アプローチには大きな可能性があり、最有力候補だと考えています。だからこそ私たちはこの研究に取り組んでいるのです」と、IBMリサーチの情報物理学イニシアチブを率いる物理学者マーク・ケッチェンは語る。「しかし、まだ初期段階であり、状況は変化する可能性があります。5年後には、このシステムは全く異なる姿になっているかもしれません。」
電子スピンを利用する
超伝導量子ビットが唯一の選択肢ではないからです。ハーバード大学のアミール・ヤコビー博士は、量子ドット（独特の電子特性を持つ微小な半導体結晶）内の電子スピンを介して情報をエンコードする可能性を研究しています。一般的に、電子は2つのスピン状態（左スピンと右スピンと呼びます）を持ち、古典ビットの0または1の状態を表すことができます。量子ドットに閉じ込められた電子スピンは、測定と操作が可能です。しかし、これは量子コンピューティングに共通する問題を引き起こします。
これは、量子システムを扱う際によく見られるパラドックス問題であるシュレーディンガーの猫によってもたらされる問題と同じです（このことをより深く理解するには、かの有名な猫と量子もつれについて調べてみてください）。実用的な量子ビットを作るには、研究者は環境から自身を切り離す能力に優れ、外部要因の影響を受けない何かを求めています。同時に、計算を制御できるように、外部からの力によって操作できる何かも必要です。
実用的な量子コンピューティングシステムに必要な、これらの矛盾した要件を満たすものを見つけるのは容易ではありませんが、電子スピンはパラドックスの両側を満たす上で大きな役割を果たします。スピンは原子レベルで長期間持続するため、スピンに情報をエンコードすれば、システム内で比較的長期間存在し続け、コヒーレンスの向上に貢献します。量子ドットに閉じ込められた電子は、弱い磁場に反応しながらも、環境から切り離すように誘導することができます。この磁場は弱く予測可能なため、量子システムにエラーを引き起こすノイズを導入した場合でも、比較的容易にエラーを修正できます。
それでも、スピンは、非常に小さな粒子で非常に大きなことを成し遂げようとしている量子コンピューティングコミュニティの多くの人々を悩ませている問題から逃れられない。超伝導量子ビットと同様に、量子ドットコンピューティングは非常に低い温度、つまり絶対零度より0.1度高い温度で実行する必要がある。量子の複雑さはさておき、数個以上の量子ビットを持つシステムを製造することに伴う技術的な課題は、非常に困難である。しかし、ヤコビーは動じない。
「1000個、あるいは1万個の量子ビットを冷却するという技術的課題に直面するまでに、私たちは多くの発見に出会うことになるでしょう」とヤコビー氏は言う。「私は楽観的で、非常に自信を持っています。私が生きているうちにそのレベルに到達できると。」
イオンの捕捉
しかし、量子ビットの候補を見つけるのに、原子核の素粒子まで深く掘り下げる必要はありません。イオン（電子と陽子のバランスが崩れ、正味の電荷を持つ原子）は、原子核のスピンが0/1の古典状態を表す、素晴らしい量子ビットになり得ます。電場によって閉じ込められ、真空チャンバー内でレーザー冷却されたイオンは、その脆弱な量子状態を乱す可能性のある外部要因から非常によく隔離されているため、非常に長いコヒーレンス時間を有します。また、イオンは電荷を持っているため、電場を介して中性原子よりもはるかに操作しやすいという利点もあります。
しかし、真空チャンバー内にイオンを1個（あるいは数個）閉じ込めるのは比較的容易ですが、高度に調整された電場と、非常に正確なタイミングでオンオフを切り替える必要のある冷却レーザーに依存するシステムは、イオンを追加するごとに非常に複雑になります。数十、数百の量子ビットを考え始めると、この種のシステムをスケーリングすることが最大の課題となります。
「トランジスタのように、チップ上に100個、1000個、あるいは100万個もの量子を組み込むことはできません」と、ワシントン大学トラップイオン量子コンピューティンググループの主任研究員で物理学准教授のボリス・ブリノフ氏は語る。「現在、一般的なコンピューターはそうやってスケールアップしています。イオンの場合は、量子コンピューティングに必要な相互作用をするように、イオンを一箇所に配置する方法を考え出さなければなりません。この点で、イオンは不利な立場にあるのです。」
ブリノフ氏と彼のチームは、多数の微細加工イオントラップを用いたモジュール式アプローチによってこの問題を回避しようと取り組んでいる。チップ状の各トラップは、数個のイオン（ただし、多すぎない）を保持し、光ファイバーケーブルネットワークを介してシステム全体に光子を照射することで、チップ間の相互作用を実現する。これらの単一光子をトラップされたイオンとエンタングルメントさせ、システム全体に照射することで、システム内の異なるチップ上のイオンが量子レベルで相互作用できるようになる。
難解に聞こえるだろうか？確かにそうだ。しかし、バリウムイオンを用いた研究において、ブリノフ氏と彼の研究グループはゆっくりとではあるが着実に進歩を遂げている。もし彼ら、あるいは他の研究グループがスケーラビリティの問題を解決できれば――そして今のところ、この分野には「もし」という仮定が溢れている――イオンは将来の量子コンピューターにおいて実用的な量子ビットとなる可能性がある。
未来のスーパーコンピュータ
もちろん、前述の潜在的な量子ビットのいずれについても、そして世界の物理学界で少しずつ前進している量子コンピューティングへの他の数多くのアプローチについても、同じことが言えるでしょう。最終的に実用的な量子コンピューターを実現する方法は、おそらく10年後、あるいはそれ以降になるかもしれませんが、前述の方法のいずれか、あるいは研究が始まったばかりの別の方法、あるいはまだ構想すらされていない方法のいずれかになるかもしれません。
「これは依然として科学的な試みであることを忘れてはなりません」とハーバード大学のヤコビー氏は語る。「私たちの軌道は、発見によって絶えず中断されます。あることを考えていたのに、実は別のものだったということもあります。これは障害となることもありますが、そうした発見の中には飛躍的な進歩をもたらすものもあります。私たちは研究を進める中で、これまで知らなかったことを発見し、軌道を修正していくのです。」
未来への道のりが謎めいた量子の霧に包まれている一方で、完成した量子コンピュータがどのようなものになるかについては、ある程度の合意が得られています。まず、量子コンピュータ内部で量子アルゴリズムを実際に実行する古典的なコンポーネントが組み込まれるでしょう。量子コンピュータは大規模で、古典的なスーパーコンピュータと量子コンピュータの両方で構成されます。量子コンピュータは、量子ビット数に応じて、一連の真空チャンバーと光学テーブル、あるいは粒子をほぼ絶対零度（あるいは全く別のもの）まで冷却するための過冷却チャンバーが何列にも並んだものになるでしょう。
この構築は、それがどのようなものになるにせよ、それ自体が課題を突きつけています。古典的電子工学は温度が低くなるほど性能が低下するため、低ケルビン温度を必要とする古典的コンピュータと量子コンピュータを連携させるには、現在の技術では十分に解決できない高度な工学技術が必要となります。しかし、量子コンピューティング分野の研究者は概ね、完璧な量子ビットを構築するのにかかる時間内に、実用的なエンジニアリング上の問題も自然に解決されると考えています。そして、そうなれば、人類の知識のあらゆる領域に劇的な影響を与えるようなコンピューティングパワーが、たとえ私たちがまだ想像もしていないような形で実現するとしても、解き放たれると研究者たちは信じています。
「コンピューティングの将来を予測するのはそれほど簡単ではありません」とIBMのステッフェン氏は語る。「トランジスタを発明した人たちに、それが将来どうなるか尋ねたとしたら、彼らはそれが将来何をもたらすか想像もできなかったでしょう。量子コンピューティングについても同じことが言えます。」
