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量子コンピュータは何がすごい?文系にも分かりやすく解説してみた。【人工知能とのコラボが熱い!】

こんにちは、道玄坂学徒です。

実現は数十年後だろうと言われていた量子コンピュータがいつの間にか作られて商用化までされているという事をご存知でしょうか?

ネットで調べてみても文系の私にはイマイチ分かりやすい解説が見つからなかったので、書籍等で勉強してみて分かった内容をまとめてみることにしました。

私は難しい物理や数式なんて分かりません。なので、逆にそんな文系な人にもざっくりと量子コンピュータのイメージを掴んでもらえるような観点で解説してみたいと思います。

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量子コンピュータって何?

量子コンピュータは従来のコンピュータとは全く違う量子力学に基づいて設計されたコンピュータです。

ただし、コンピュータという名前は付きますが私達のイメージしているパソコンとは随分違います。どちらかというと、「実験装置」とか「計算機」というイメージの方が近いです。

 

私達の普段使っているコンピュータはハードディスクとかメモリとかいろんな記録媒体なんかがついていますが、量子コンピュータはそんなものはありません。

学校の理科の実験で使った実験装置のように何かを測定する道具のようなものです。

例えば温度計は温度を測ると、実験をしてる人が目盛りを読み取って「これは●度だ」と観測しますよね。量子コンピュータもそんな感じでコンピュータという名前はついていますが、実験装置のようにその実験結果を観測者が読み取るという使い方をします。

 

では、どんななものを測定するかというと「組み合わせ最適化問題」の最適解を求めるのに使います。

組み合わせ最適化問題とは、例えばセールスマンが5箇所の客に訪問する場合どの順番で営業に行くのが最短の距離かというような問題です。5箇所だと120通りですが、10箇所になると360万通りと爆発的に多くなります。これは「組み合わせ爆発」というやつです。

従来のコンピュータではこの数が多くなるとスーパーコンピュータでさえ数年とかすごく時間がかかるのですが、量子コンピュータはこの難しい問題を一瞬で解いてしまいます。

現段階では、量子コンピュータは「組み合わせ最適化問題専用の実験装置だ」いうイメージを持っておけば文系人間的にはほぼOKです。

量子コンピュータは何がすごいの?

さて、いきなり結論です。

量子コンピュータは何がすごいのかというと、「組み合わせ最適化問題」を圧倒的に速く解くことが出来る点がすごいのです。

どれくらい凄いのでしょうか?

なんと、量子コンピュータは従来のコンピュータに比べて1億倍速いのです!

もちろん、これは特定の限定された状況下での話しなので全てにおいて1億倍なわけではないです。が、例え限定された状況下とはいえ、1億倍高速に計算できるのはすごいことですよ!!

先ほどの組み合わせ爆発の問題で、セールスマンが回る店を30箇所に増やすと組み合わせの数は2.7×(10の32乗)個になります。これはスーパーコンピュータをもってしても8.4億年かかるそうです。量子コンピュータならこの計算を数日とか数週間で終わらせてしまうというから驚愕です。

つまり、量子コンピュータはスーパーコンピューターでも膨大な時間がかかる「組み合わせ最適化問題」を一瞬で終わらせることが出来る点が超すごいのです!

難しいことがよく分からない私のような文系人間はこの点だけ押さえときましょう。

量子コンピュータはどんなことに役立つの? 

量子コンピュータはなんかよく分からないけどとりあえず凄いのは分かってもらえたと思います。

でも、そもそも「組み合わせ最適化問題」が高速で解けても「だからどうしたの?」というのが文系人間の疑問でしょう。

結論から言うと、「組み合わせ最適化問題」が高速で解けるだけでめちゃくちゃ助かる人がいっぱいいるんです!

いくつか例をあげましょう。

①物流が効率化される

セールスマンの話から一番イメージしやすいのが物流です。

世界中の物資は船で輸送されていますが、例えば日本からアメリカに荷物を載せた船は、アメリカに到着後さらに荷物を載せてまた違う国に行ったりします。

こういう物流はまさに「組み合わせ最適化問題」です。

これを量子コンピュータで最適化して数%効率を上げると、規模が大きいので世界中でものすごいレベルの効率化が起こるわけです。

②投資のポートフォリオの最適化

投資のポートフォリオも「組み合わせ最適化問題」です。

ポートフォリオとは株とかのいくつかの金融資産の組み合わせです。全資産の中でA株を50%、B株を30%、C株を20%とかの組み合わせですね。

世の中には膨大な数の銘柄があるので、組み合わせも膨大です。

だから、投資会社が量子コンピュータを使って最適な組み合わせを見つけ出そうというわけです。

この試みは既に始まっているんですよ!

③人工知能の機械学習の高速化

量子コンピュータの活用で一番すごそうなのは何と言っても人工知能とのコラボです。

人工知能の機械学習、特にディープラーニングを活用することで高性能の人工知能を実現できるようになることが期待されています。

ミーハーは文系人間の私は「量子コンピュータ×人工知能」の可能性を知ったときにまるでSF小説を読んでいるときのようなワクワクとした気持ちになりました(笑)

これから面白い時代に入っていきますよ!

量子コンピュータのしくみ

量子コンピュータの仕組みは量子力学を理解していないと分からないらしいので、文系の私には当然分かりません。

なので、ざっくりしたイメージで解説したいと思います。

 

量子コンピュータは「組み合わせ最適化問題」を解いてくれるのでした。

では、量子コンピュータはどうやって最適解を出してくれるのでしょうか?

結論から言うと、量子コンピュータは「自然現象を使って自動的に答えを決める」というしくみになっています。

これだけじゃ意味が分かりませんよね(笑)

 

科学の世界では自然現象を使ってうまく答えを求めるというやり方が結構あります。

例えば「遺伝的アルゴリズム」なんかそうです。これは生物が環境に適した最適な生物に勝手に進化して、その生物自体が答えになっているという性質に着眼したアルゴリズムです。

 

量子コンピュータの場合は、量子が最低エネルギーの状態になる最適な組み合わせが自然と決まるという現象を利用します。

簡単に説明します。

量子ビットと呼ばれる「0」と「1」をあらわす物を網の目上に設置して横磁場をかけると「0」と「1」の「重ね合わせの状態」になるという量子力学特有の現象が起きます。そして、徐々に横磁場を緩めて行くと「0と1の重ね合わせの状態」が崩れて、徐々に各量子ビットは「0」か「1」かはっきりと値が決まっていきます。

そして、最後に決まった「0」と「1」の組み合わせは、量子が最低エネルギーの状態になる最適な組み合わせに自然と落ち着きます。この「0」と「1」の組み合わせがまさに「組み合わせ最適化問題」の答えになっているわけです。

 

分かったような分からないような微妙な感じでしょうか?

大丈夫です、私もそんな程度の理解です(笑)

とにかく文系人間が押さえておくべきは、

①「量子コンピュータは自然現象を使って自動的に答えを決めている」

②「量子ビットにかけた横磁場を徐々に緩めた時に各ビットの0と1の組み合わせがまさに最適解になっている」

というざっくりしたイメージでしょう。

量子コンピュータについてもっと知りたい人へ

量子コンピュータについてもっと知りたい人は「量子コンピュータが人工知能を加速する」という本が超オススメです。

この本は量子コンピュータの基礎理論を考え出した一人である西森 秀稔さんの書いた本です。普通の人にも分かりやすく量子コンピュータを説明するために書かれた本なので非常に分かりやすくて素晴らしい本です。

私の正確性に欠ける説明より1億倍は勉強になるので、量子コンピュータに興味を持った方はぜひ読んでみて下さい!

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