「夢物語」といわれていた量子コンピューターの実用化が近づきつつある。既存のスーパーコンピューター（スパコン）では困難な計算を高速で処理する革新的技術で、世界各国の企業、研究機関が開発を競い合っている。量子コンピューターは、何を可能にするのか。実用化への道のりは今、どの段階にあるのか。研究を進める科学技術イノベーション研究科の三木拓司教授に、最先端の動向、未来への展望を聞いた。
高度情報化社会で計算する量が膨大に
量子コンピューターとは、どのようなものなのでしょうか。
三木教授：
原子や電子のふるまいなど、極めて小さいスケールの現象を説明する「量子力学」の原理を利用したコンピューターです。例えば、既存のコンピューターが「0か1」のどちらかの状態しか持てないのに対し、「0と1」の状態を重ねて持つことができる「量子重ね合わせ」という量子力学特有の現象を活用して、複数の可能性を同時に扱いながら計算を進めることができます。
有力な応用分野の一つが、化学の計算です。例を挙げると、新しい薬や新素材を開発する際に必要となるような計算です。化学反応といったミクロの世界の状態をシミュレーションしようとすると、既存のコンピューターでは計算の量が大変多くなり、膨大な時間がかかります。それが、量子コンピューターを使うと、飛躍的に短い時間で計算できるようになると期待されています。
ただ、量子コンピューターが得意とする計算は特定の種類に限られ、どのような計算でも速くできるわけではありません。しかし、その中に大変重要な計算があります。その一つが素因数分解、つまり、ある整数を素数（1とその数自身でしか割り切れない数）だけの掛け算に分解することです。これは、既存のコンピューターが苦手とする計算です。
ここ数年、量子コンピューターが急速に注目されるようになった背景は何でしょうか。
三木教授：
高度情報化社会の時代に突入し、コンピューターに計算させる量が急増している現状があります。AI（人工知能）にしても、車の自動運転にしても、膨大な計算が必要で、その量は今後ますます増えていくでしょう。そうした急速な変化に対応する新しい計算技術の一つとして、量子コンピューターが注目されています。
量子コンピューターが実現すれば、エネルギー問題の解決を目指すうえでもメリットがあります。スパコンで長時間の計算をすると、大量の電力が必要になりますが、量子コンピューターを使って短時間で計算できるようになれば、エネルギー消費を減らせる可能性があります。この省エネという観点は非常に重要です。
量子コンピューターは「冷却」が鍵
現在取り組んでいる研究について教えてください。
三木教授：
量子コンピューターには、計算をつかさどる「量子ビット」という基本単位があります。その量子ビットには、グーグルなどが採用している「超伝導方式」のほか、「イオントラップ」「中性原子」といったさまざまな方式がありますが、私たちの研究グループが取り組んでいるのは、「シリコン量子ビット」といわれるものです。
シリコンは半導体の素材として利用されており、シリコン量子ビットは既存の半導体技術をベースにしています。特徴は集積化のしやすさ、つまり、多数の量子ビットをチップ上に配置するのに適しているという点です。量子コンピューターの計算の精度を高めるには、多数の量子ビットが必要で、シリコン方式はその数を増やすうえで有利だと期待されています。
現在、量子コンピューターの大きな課題は計算中にエラーが生じやすいことです。このエラーを抑えるためには、多数の量子ビットを用いた「量子誤り訂正」という技術が必要です。今のところ、実用的な量子コンピューターを実現するためには、100万量子ビット規模が必要だといわれています。
昨年、理化学研究所と富士通が発表した超伝導方式の量子コンピューターは256量子ビットです。現状では、これが世界最大級ですが、今後数年から10年くらいで1000、1万という量子ビットのものが発表されていくでしょう。私たちの研究グループも、シリコン方式で量子ビット数を増やすことに挑戦していきます。
量子ビット数を増やすには、どのようなアプローチが必要なのでしょうか。
三木教授：
大前提として、多くの量子ビット方式では、まず冷却する必要があります。私たちが生活している通常の温度の世界では、熱に起因するノイズが多く、量子力学特有の現象が現れにくいからです。ノイズを除去するには、極低温冷凍機と呼ばれる装置を用いて、温度の下限である絶対零度（摂氏－273.15度）近くまで下げなければなりません。
ところが、量子ビットを増やすと制御する配線などが増え、極低温冷凍機の外部から熱が入り込んでしまいます。そこで、解決策として考えたのが、制御回路自体も極低温冷凍機の中に配置する方法です。
一方で、この方法の場合、制御回路を構成する半導体が極低温の環境でも作動するようにしなければなりません。半導体はもともと、極低温で動かすことを想定していないため、絶対零度近くで半導体がどういうふるまいをするかを見極める必要があります。正確な動作モデルがないので、予測と実験を繰り返しながら日々研究を進めています。
また、制御回路が動くと電力を消費し、発熱が起こって冷凍機の中の温度が上がってしまいます。そうすると、量子ビットの動作精度が低下してしまうので、消費電力が究極的に低い制御回路を実現していくことも重要な課題です。
暗号が解読される懸念にも量子技術で対策
量子コンピューターの実用化は、いつごろ実現すると考えていますか。
三木教授：
100万量子ビット規模を一つの目安とすると、現在のペースなら2035年から2040年ごろではないでしょうか。2030年前後を目指している企業もあり、さらに加速するかもしれません。
量子ビットにはさまざまな方式があると言いましたが、今はまだ本命が決まっていません。今後、一つに集約されていく可能性もありますが、各方式にはそれぞれ長所、短所があり、さまざまな方式が並存する形になるかもしれません。
量子コンピューターの実現で、新たに生じる課題もあると聞きます。
三木教授：
先ほど、既存のコンピューターは素因数分解が苦手だと話しました。その特徴を利用しているのが暗号です。現在の通信で採用されている暗号化技術の一部は、スパコンでさえ何年かかっても解読できないとされています。しかし、量子コンピューターが実現すれば、解読が可能になります。
世界各国が量子コンピューターの研究に力を入れているのは、まさにそのような懸念があるためです。暗号は軍事技術にも利用されており、量子コンピューターは既存のセキュリティーの仕組みを破壊しかねない力を持っています。現在、その防御策として、量子コンピューターでも解読が難しい「耐量子暗号」や、量子力学の原理を利用した「量子暗号通信」の研究が進められています。
こうした懸念点を伝えることは重要で、私の授業でも学生にレポートを書かせるようにしています。量子コンピューターの技術は素晴らしいものですが、倫理的な側面も視野に入れながら研究・教育を進めていくことが大切だと考えています。
将来、量子コンピューターはどのように活用されるでしょうか。
三木教授：
大きな進展が期待される分野として、創薬、新素材の開発などがあります。また、AI、金融関係のシミュレーションなどへの活用も期待されています。
地球規模の課題に目を向ければ、光合成など、エネルギーを生み出す過程を人工的に作り出すこともできるかもしれません。太陽光と二酸化炭素からエネルギーを生み出すような化学反応式を再現するのは難しいのですが、量子コンピューターを使えば人工光合成に適した触媒を探し出せる可能性があります。
ただ、既存のコンピューターのように、1人に1台という状況にはならないでしょう。データセンターに設置された量子コンピューターを人々が活用する形になると思います。
量子コンピューターが実現しても、得意とする計算は限定されるので、既存のコンピューターは残ります。これは大変重要な点で、すべてが量子コンピューターに置き換わるわけではないということを強調しておきたいと思います。
「量子×医療」「量子×バイオ」という異分野共創も
以前はメーカーで研究されていました。その経験は今、どのように生きていますか。
三木教授：
学生時代から半導体集積回路について学び、就職したパナソニックでも半導体関連の研究をしていました。現在の研究は、企業時代に培った技術が基礎になっています。
実は、2017年に会社を退職して大学に移った当時、量子コンピューターの研究をするとは思っていませんでした。ところが、2年後の2019年、グーグルが、特定の計算において既存のコンピューターでは到達困難な計算能力を示す「量子超越性」を実証したと発表し、大変な衝撃を受けました。量子コンピューターが理論だけでなく、本格的な「ものづくり」の段階に入ったと感じたのです。
私はもともと「ものづくり」に関心があり、工学分野を志しました。量子コンピューターが実用化に向けた新たな段階に入ったことで、私のような工学系の研究者もどんどん研究に参画できるようになりました。
今後の研究の展望について教えてください。
三木教授：
2020年から、国の大型研究プログラム「ムーンショット型研究開発事業」のプロジェクトに参画しており、理化学研究所やさまざまな企業、大学と連携して研究を進めています。私たちのチームには、国内のシリコン量子コンピューター研究を牽引する研究者が数多く参画しています。まずは2030年までに一定の成果を示すことが目標です。
量子コンピューターが実現した後の未来についても、考えておく必要があります。量子コンピューターは、創薬やバイオテクノロジー分野への応用が期待されています。神戸大学は「バイオものづくり」の研究が盛んで、神戸市には医療関連産業が集積する「神戸医療産業都市」があるので、その強みを生かした取り組みができれば、と考えています。実際、神戸大学の中に「量子×医療」「量子×バイオ」という異分野共創研究の枠組みを立ち上げようとしているところです。
かつて、コンピューターは一つの部屋を占めるほどの大きさでした。それが1人1台となり、今はスマートフォンにまで小型化されました。量子コンピューターも、将来は社会のさまざまな場面で活用され、私たちの暮らしを大きく変える技術になっていくと信じています。これからの時代を生きる人々にとって、量子技術は無関係ではいられないものになるでしょう。ですから、他の分野の研究者や学生にも、量子技術をもっと知ってほしい。そのための普及活動にも貢献していきたいと思います。
三木拓司教授 略歴
2006年、立命館大学大学院情報システム学研究科博士前期課程修了。2006年～2017年、パナソニック株式会社。2017年、神戸大学大学院システム情報学研究科博士後期課程修了。博士（工学）。同年、神戸大学大学院科学技術イノベーション研究科特命准教授。2022年、同研究科准教授。2025年、同研究科教授、神戸大学高等学術研究員卓越教授。
