更新日:2021/03/12

    新原理コンピュータへの取り組みNTT物性科学基礎研究所

    NTT技術ジャーナル2021年3月号:特集「新原理コンピュータへの取り組み」より

    齊藤 志郎(さいとう しろう)†1/ 後藤 秀樹(ごとう ひでき)†2

    NTT物性科学基礎研究所†1/ NTT物性科学基礎研究所 所長†2

    新原理コンピュータ

    現在の半導体業界には「集積回路上のトランジスタの数が18カ月ごとに倍になる」というムーアの法則と呼ばれる経験則が存在します。実際に半導体素子はこの法則に従い微細化が進み、コンピュータの性能は年々向上しています。この経験則が今までどおり実現されていくと、トランジスタのサイズが微小化し、原子サイズで限界を迎えます。しかし、その前に量子効果が現れ従来の電気回路の法則が成り立たなくなる「量子力学の壁」があるといわれています。量子力学の世界には、重ね合わせ状態、粒子と波動の二重性など古典力学ではみられない不思議な性質があります。これらの性質を積極的に利用し従来とは異なる原理で動作するコンピュータが量子コンピュータです。現在の情報処理では、“0”と“1”の2値を取り得るビットを用いて計算が進みますが、量子コンピュータの基本素子である量子ビットは“0”と“1”の任意の重ね合わせ状態を実現できます。量子ビットをN個準備すると、2N個の状態の重ね合わせを表現することができ、量子ビットの数を増やすと重ね合わせの状態数が指数関数的に増えます。この膨大な数の重ね合わせ状態に対して演算を進めることで超並列計算が可能となり、量子コンピュータの速さの要因となっています。また、量子コンピュータでは量子ビットの波としての性質を利用し、量子ビット間の位相の干渉効果により、超並列計算の結果から所望の解を見つけ出します。従来の逐次計算に基づくノイマン型のコンピュータとは異なり、量子コンピュータのように、新しい原理で動作する非ノイマン型のコンピュータが近年注目を集めています。本特集では、NTT研究所における新原理コンピュータに関する取り組みを、理論と実験の両面から紹介します。
    新原理コンピュータは大きく分けて2つのタイプ、すなわち汎用量子コンピュータと量子アニーリングマシンに分けられます。前者は、多数の量子ビットを基底状態に準備し、図1(a)に示すように1量子ビットゲート操作と2量子ビットゲート操作を繰り返しながら計算を進めます。因数分解や大規模検索に関する量子アルゴリズムが発見されており、古典アルゴリズムよりも高速化されることが理論的に証明されています。しかし、量子ビットは外部ノイズに弱く、エラーが頻繁に発生するため、量子誤り訂正用の冗長な量子ビット、すなわち膨大な数の量子ビットが必要となります。例えば、2048ビットの数を因数分解するために2千万個の量子ビットが必要という試算があります(1)。この規模の量子ビットを現在の技術で作製することは非常に困難です。後者は、図1(b)に示すように、多数の量子ビットをすべての状態の重ね合わせ、すなわち高温状態に準備し、徐々に冷却することでエネルギー最低状態(正解)を見つけ出します。途中、局所的な安定点からは量子的なトンネル効果で抜け出すことができるため、古典的なアニーリングアルゴリズムよりも速く正解に到達するといわれています。量子性による高速化は厳密には証明されていませんが、社会的ニーズの高い組合せ最適化問題の近似解が得られるため、注目を集めています。また、安定な状態をゆっくりと変化させながら計算が進むため外部ノイズに強いという特徴もあります。このタイプのコンピュータでは、最適化問題を物理系に実装する際に、イジングモデルと呼ばれる相互作用するスピン系を表す物理モデルが使われるため、イジングマシンとも呼ばれています。

    図1 新原理コンピュータ
    図1 新原理コンピュータ

    イジングマシン

    超伝導量子ビットを用いた汎用量子コンピュータの研究において、2量子ビットゲート操作を実証、3量子ビットのもつれ状態を観測といった成果が報告されていた2011年に、カナダのベンチャー企業D-Wave Systemsから衝撃的なニュースが発表されました。128量子ビットを実装した量子アニーリングマシン(D-Wave One)が世界初の商用量子コンピュータとして発表されたのです。これは、超伝導量子ビットを用いて計算するイジングマシンです。…

    ■参考文献

    1. (1)C. Gidney and M. Ekera: “How to factor 2048 bit RSA integers in 8 hours using 20 million noisy qubits,”arXiv:1905.09749,2019.

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