“テレポーテーション”も可能に？

量子コンピュータだけではない量子技術「量子鍵配送」「量子プリンタ」とは？

実用化に向けた取り組みが進む量子関連技術は、量子コンピュータだけではない。他の主要な量子技術の「量子鍵配送」「量子プリンタ」「量子センシング」について、実在する企業の取り組みを基に紹介する。

公開 2020年01月16日 05時04分

著者

David Petersson

[TechTarget]

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　IBM、Google、Intelの他、複数の政府機関までもが量子技術についてしのぎを削っている。量子コンピュータは2022～2024年までには利用可能になると予想される。

　現行のコンピュータは計算にビットを利用するのに対して、量子コンピュータは量子ビットを利用する。量子ビットの通常のビットとの違いは、重ね合わせが可能な点にある。つまり通常のビットは0と1のどちらか1つを表すのに対し、量子ビットは0と1の両方の状態を同時に持つ。この特性によって、量子コンピュータでは何百万件という演算の同時実行が可能になる。量子は世界の謎の一部を解き明かし、現状のスーパーコンピュータが抱える処理能力の壁を打ち破る。

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　現在世界中で利用が検討されている量子技術は、量子コンピュータだけではない。量子セキュリティや量子複製などがその例だ。本稿では実用化に向けた研究が進む3つの量子技術について説明する。

量子鍵配送（QKD）

　標準的な暗号化アルゴリズムの突破が、量子コンピュータによって容易になるのではないかという懸念が広がっている。その影響は、ブロックチェーンからセキュアな通信まであらゆるものに及ぶ。一方で量子の特性が、新しい暗号化技術に使われることもある。

　量子は観測されると状態が変化する。中国は、この量子の特性を生かして盗聴者が通信を傍受したかどうかを識別し、衛星通信を保護している。具体的には送信者が受信者に鍵を送信したら、それが観測されていないことを両者が確認した場合のみ、その鍵を使う。その後、鍵を使ってメッセージの暗号化と復号ができる。この手法を「量子鍵配送」（QKD）という。

　QKDでは、光の粒子的な側面であり、光エネルギーの最小単位である「光子」に1と0を“刻む”ことで、送信者と受信者の間で解読不能の鍵を共有する。何者かがその鍵の取得を試みて、データを傍受すると、量子力学の法則によって鍵が変化し、その鍵は添付されたデータの復号に使えなくなる。「このような方法を使えば、いずれ量子コンピュータに、現在使われている最高の暗号セキュリティ対策を突破する性能が備わったとしても保護できる」と話すのは、QKDサービスを提供するQuantum Xchangeの創設者兼CEOのジョン・プリスコ氏だ。

量子プリンタ

　量子ビットの重ね合わせという特性の他、量子技術には「量子もつれ」という同じく重要な特性がある。量子力学には簡単な話などないが、それでも簡単に説明すると、2つ以上の粒子につながりがあった場合、1つの粒子に加えられた変化が他の粒子にも加えられるという特性だ。この特性は、粒子同士がどれだけ離れていても、粒子間にどんな物質があるとしても変わらない。

シルベイン・ロション氏

　カナダ人未来学者のシルベイン・ロション氏はこう説明する。「量子もつれの特性に、精密な3D（3次元）プリンタ技術と原子スキャン技術を組み合わせれば、理論上、3Dの物体を正確に原子単位で複製する量子プリンタが実現する可能性がある」。ロション氏によれば、量子もつれによって、相互に作用していない他の量子に量子状態を転送する「量子テレポーテーション」も可能になるという。

量子センシング

　米ニューヨークに拠点を置く量子技術企業Estrapadusは、量子ビットの重ね合わせと量子もつれの特性を利用して、現在のセンサーよりも小型かつ高速で精度の高いセンサーを作成する方法を公開している。量子の特性を利用して計測する手法は「量子センシング」という。量子センシングはMRI（磁気共鳴画像法）での応用が進みつつあり、一般的なMRIと比べて「結果の表示速度が3倍になり、画質解像度も最大30％向上している」と、同社のCEOアンドレ・ケーニヒ氏は語る。

　量子センシングは重力計にも導入されている。計測の精度を向上させ、石油採掘や地理研究などの取り組みに活用できるようにするためだ。量子センシングは、地球の磁場の変化を計測することで重量を特定する。

　IT関連の研究開発を手掛けるInfo-Tech Research Groupで最高情報責任者（CIO）部門のリサーチディレクターを務めるアディブ・ガブリル氏が注目するのは、フランスのスタートアップ企業が開発した小型量子デバイスだ。このデバイスは高度レーザーシステムを使用して原子を捕捉し、数ミリケルビン（ケルビン：熱力学的な最低温度を0ケルビンと定めた「絶対温度」の単位）まで冷却した後、その原子の垂直方向への加速度を計測できる。

量子技術の用途は広い

　今のところ、量子コンピュータ研究者は自身の手法を改善し続けることで、環境との相互作用によるノイズの影響を減らしながら、量子ビット数を増やし、処理能力を高めている。量子コンピュータが実用化したら、人工知能（AI）から医薬品の開発、生化学の研究まで、広範囲にわたる産業が量子技術の恩恵を受けることになる。

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