量子コンピュータの登場でエンジニアはどう変わる？今後に向けて押さえておきたいことについて
近年は「量子コンピュータ」が注目されるようになってきました。各種メディアでも、量子コンピュータについて取り上げられることがあるため、注目している人も多いのではないでしょうか。新しいコンピュータの一種です。
将来的に普及が予想される量子コンピュータですが、現時点ではその概要を理解できていない人も多いでしょう。今回は、量子コンピュータの基本知識について解説し、従来のコンピュータとの違いや、エンジニアに与える影響についても解説します。
量子コンピュータの基本知識
最初に、注目を集めている量子コンピュータとは、どのようなコンピュータであるのかを理解しておきましょう。
量子コンピュータとは
量子コンピュータとは、量子力学の仕組みを利用して、情報を操作したり処理したりするコンピューターです。今までのコンピューターとは根本的に異なり、量子ビットと呼ばれるものが利用されています。
現在、一般的に利用されているコンピューターは「ビット」でデータを処理する仕組みです。0または1の状態を組み合わせることで、幅広い計算ができます。大まかな仕組みについては、理解できている人が多いのではないでしょうか。
それに対して、量子コンピュータの量子ビットは、0と1の状態を併せ持つことが可能です。これにより、同じ1ビットであっても、より多くの情報を処理できるようになりました。
また、エンタングルメントと呼ばれる現象により、他の量子ビットと「絡まった状態」を実現することができます。これも量子コンピュータが、複雑な計算を効率よく実現することに役立つ特徴です。まだ、すべてが実用化されているわけではありませんが、量子ビットを活用することによって、多くの処理を効率化できると考えられています。
ただ、量子ビットの取り扱いについては課題が多く、まだまだ研究が進められている状況です。日本だけではなく世界で研究が進められていて、大学などの教育機関やIT企業などが中心となっています。特に、量子ビットは状態が不安定であり、これが計算結果に悪影響を与えるとされている状況です。これがどのタイミングで解決するかによって、量子コンピュータの将来性は大きく変化するでしょう。
従来のコンピュータとの違い
量子コンピュータと従来のコンピューターの違いは、どのようなビットで計算するかです。量子コンピュータは、解説したとおり、量子ビットと呼ばれる単位で計算します。これは通常のコンピューターには存在しないもので、大きな違いだと考えましょう。ビットの考え方が異なるため、コンピュータの計算原理に大きな違いがあります。
また、並列処理の考え方にも大きな違いがあるため意識すべきです。まず、従来のコンピュータは、多くのコアやスレッドを活用することによって、並列処理を実現しています。つまり、多くの処理を実現するためには、それだけ多くのリソースが必要となったのです。しかし、量子コンピュータは量子ビットの重ね合わせによって、少ないビットでも並列処理を実現できます。
他にも、誤り訂正の仕組みに大きな違いがある点に注意しましょう。従来のコンピュータは、容易に誤り訂正を実現できますが、量子コンピュータはそうではありません。外部ノイズや干渉に大きな影響を受けてしまいます。ここの部分がどのように解消されるかによって、この先、エンジニアが量子コンピュータをどの程度習得する必要があるか変化してくるはずです。
量子コンピュータの種類
現在、量子コンピュータは2種類の方式で研究が進められています。「量子ゲート方式」と「量子アニーリング方式」と呼ばれるものです。それぞれについても理解しておきましょう。
量子ゲート方式
量子ゲート方式とは「量子ゲート」と呼ばれる基本操作を組み合わせ、量子ビットを操作し、処理する仕組みを指します。量子ゲートは「ユニタリー行列」と呼ばれる計算を用いて、量子の状態を変換する操作です。組み合わせることで、複雑な状態を実現できるようになり、難解な計算も処理できます。
なお、量子ゲート方式は今までのコンピューターと同様に、一般的な計算問題の高速化が期待できます。また、量子コンピュータ向けに生み出された「量子アルゴリズム」の実行でも高い能力を発揮可能です。
また、量子コンピュータの課題といわれる「量子エラーの訂正」の実現が期待できる方式でもあります。将来的に量子コンピュータが実用化される際は、量子ゲート方式が中心になると考えて良いでしょう。
量子アニーリング方式
量子アニーリング方式は、量子効果により問題を解決する方式です。最適化問題や組み合わせ問題に対処するため、エネルギー関数を活用した処理を得意としています。エネルギーが最小になる条件を見つけ出し、それを用いて最適解を導き出すのです。従来のアルゴリズムよりも、効率よく導き出せると期待されています。
ただ、その反面、量子アニーリング方式は汎用的な計算を得意としていません。一般的なコンピューターに求められる計算処理は、量子ゲート方式に劣ってしまいます。ここは重大な課題であるため、量子アニーリング方式の量子コンピュータを選択する際は、必ず注意しなければなりません。
量子コンピュータの実用化が進む
量子コンピュータは実用化が進み、これがエンジニアへ影響を与えると考えられています。具体的に、どのような実用化が進んでいるのかについて、把握しておきましょう。
普及に向けて実用化が進められる
量子コンピュータの開発は続けられていて、実用化が近づいています。話題になっているのはここ数年ですが、開発自体は古くから続けられているのです。急に実用化が進められているのではなく、段階的に進められ、ついに市販化されるようになりました。
ただ、市販化されるようにはなったものの、量子コンピュータは非常に高価なものです。部品などの量産化が進んでおらず、通常のコンピューターと比較すると価格には大きな違いがあります。そのため、まだまだ普及を目指している状況と表現した方が正しいでしょう。
また、量子コンピュータは市販されるようになりましたが、性能面では通常のコンピューターに劣っています。量子ビットを搭載したコンピューターは発売されましたが、現在がスタートであり、これから実用化が進んでいくでしょう。
新たなプログラミング言語の開発が進む
量子コンピュータは、従来のコンピュータとは根本的に異なったアーキテクチャです。そのため、量子コンピュータに適した新たなプログラミング言語の開発が進められています。エンジニアは、量子コンピュータの実用化に向けて、これらのプログラミング言語を習得しなければなりません。
例えば、命令型量子プログラミング言語として「QCL」「LanQ」が開発されています。これらのプログラミング言語は、量子コンピュータを操作するための基本的な言語であるため、エンジニアは習得しなければならないでしょう。また、関数型量子プログラミング言語として「QML」の開発が進められています。関数型のプログラミング言語は、まだ開発途上ではありますが、完成が近づくにつれてエンジニアは習得が必要でしょう。
エンジニアは量子コンピュータでどう変わるのか
量子コンピュータの登場は、エンジニアにいくつもの影響を与えます。続いては、エンジニアがどのように変わるのか考えていきましょう。
役割分担
量子コンピュータが普及することで、エンジニアの役割分担が変わる可能性があります。現行のコンピューターと使い分けが生じ、それぞれを扱う専門のエンジニアとなるのです。量子コンピュータは、独自のスキルが必要となるため、特化した仕事になるでしょう。
量子コンピュータを扱うようになれば、継続的にそれだけを扱うはずです。エンジニアの絶対数に違いがあるため、量子コンピュータを使えるエンジニアが、通常のコンピューターを扱う機会は減ると考えられます。
ただ、現時点では量子コンピュータが爆発的に普及しているわけではありません。そのため、通常のコンピューターと量子コンピュータを両方扱うこともあるでしょう。量子コンピュータの普及とともに、専門性が高まると考えるべきです。
扱う言語
現時点では、通常のコンピューターと量子コンピュータは、異なったプログラミング言語が利用されます。量子コンピュータは専用のプログラミング言語を実行し、一般的なプログラミング言語を実行しないのです。この点で根本的に大きな違いがあります。
そのため、どちらを扱うエンジニアになるかによって、習得しなければならないプログラミング言語が変化するのです。追加で量子コンピュータのプログラミングをするならば、新しく言語を習得しなければなりません。エンジニアの負担になりかねない部分でもあります。
ただ、量子コンピュータが発展すると、既存のプログラミング言語も高速で処理できるようになるかもしれません。これからの発展に左右される部分であるため、注視しておきたい部分です。
量子コンピュータの普及に焦る必要はなし
量子コンピュータが登場したことで、心配になっているエンジニアは多いかもしれません。しかし、現時点で大きな心配を抱く必要はないため、その理由について解説します。
実用化にはまだ時間を要する
量子コンピュータは、ここ数年で格段に進化し、非常に高価ではありますが市販されている状況です。一般的なエンジニアでも、量子コンピュータが手に入る時代になっています。
ただ、そのような時代にはなっているものの、高価すぎるため、コストパフォーマンスはよくありません。既存のコンピューターを活用した方が良いケースが大半です。そのため、すぐに普及することはないと考えられます。一般的な企業にも導入できるような実用化には、時間を要するのです。
正確性に課題あり
量子コンピュータは、量子ビットによって大量の情報を処理できるようになっています。これは通常のコンピューターにはなく、量子コンピュータだからこそのメリットです。
ただ、同時に量子ビットには「状態が安定しにくい」という課題があります。つまり、ビットがどの状態にあるのかを判定できず、正確に処理できないことがあるのです。これは量子コンピュータを利用する上で、非常に大きな課題だと考えられているものです。
この課題を解決するために、世界中の科学者が研究を続けています。量子コンピュータの実用化は、世界が目指すところであり、量子ビットが安定するように、日夜研究が続けられているのです。しかし、現時点ではこの問題を解決する、確実な方法が見つかっていません。
そのような状況であることを鑑みると、量子コンピュータが世界のスタンダードになるのは先の話です。正確な数値計算ができなければ、コンピューターとしての役割を発揮できません。研究が進み、それが量産されるまでは、エンジニアへの影響は限定的でしょう。
まとめ
量子コンピュータの登場で、エンジニアはどのような影響を受けるのかについて解説しました。現状、量子コンピュータは一部の環境でのみ利用されているため、いきなりエンジニアへ大きな影響は与えないでしょう。まだまだ研究の分野で、量子コンピュータの発展が続くと考えられます。
ただ、量子コンピュータが普及しだすと、状況は大きく変化するはずです。例えば、今までとは大きく異なった、量子コンピュータに沿ったアルゴリズムが利用されるでしょう。そのような時代が訪れるとは思われますが、それまでは少しずつ量子コンピュータを理解していけば良いと考えられます。
