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科学・テクノロジー その33「量子コンピュータ 雑学脳が焼き切れそう…」


本 「量子論」なるものの概念には、兄弟サイトである「不思議…を考える」の「究極の一元的思考実験 シュレーディンガーの猫」「人が壁をすり抜ける確率は? 電子のトンネル効果」などで、この雑学脳を楽しませてきましたが、「量子論」と本格的に格闘しようとは考えていません。理系破綻者の脳では空中分解することが火を見るより明らかですから。もっとも、その時の「脳が溶けていくような感覚」が時としては快感なのですけど…。ということで、しばらくはこの「量子論」、個人的にテキトーに楽しむ事はあっても、記事にまとめることは避けてきたのですけど、どうにも避けがたいテーマが以前からありまして、ここはひとつ意を決してこの「量子」なるものと破綻覚悟で取り組んでみることにしました(けっこう悲壮な覚悟…)。それは「量子コンピュータ」なるものに関してです。

コンピュータの進化には目を見張るものがあり、ついこの間現れたかと思えば、あっという間に世界的な情報網を築き上げ、日々の生活に欠かせぬものとなっています。その性能はCPU(中央処理装置:Central processing unit)の能力で決まりますが、ご存知の方はご存知と思いますけどその性能の向上には「ムーアの法則」なるものがあります。これは、インテル創業者のひとり、ゴードン・ムーアが提唱した半導体進化の法則です。極力簡単に説明すると「コンピュータのCPU等に使われる『半導体のトランジスタ集積率』は18ケ月で2倍になる」という彼の経験則によるものです。つまり、「18ケ月でトランジスタ集積率が2倍になる、ということは、1.5年で集積回路上のトランジスタ数が2倍になる、ということです。2年後に2.52倍、5年後に10.08倍、10年後に101.6倍、20年後には10,321.3倍と加速度的にその性能が急上昇していくことになります」。既に提唱から50年以上を経ているその法則は、ほぼその通りの進化を遂げてきています。

しかしこの「ムーアの法則」も限界を迎えます。現在の半導体製造プロセスは10nm(1nm=10億分の1メートル)の、ナノテクノロジーを用いた開発になっています。そして、その集積率をさらに挙げようとすればいずれは「原子の幅」の世界となってしまい、技術的な限界に達してしまいます。ところが、です。人の脳とはどれほどに「諦めが悪い」というか「貪欲」なのでしょうか。この「ムーアの原則」の限界に対して「収穫加速の法則」「組合せ最適化」などの、「新しい技術」、例えば「演算方法」などですが、そうした違ったイノベーションとの結びつきにより更にその技術を高めていくという方向へと進んでいるようです。昔、「分子コンピュータ」なる言葉を聞いたような記憶がありますけど、いまや「量子コンピュータ」なる言葉が一般的なものとなり、その原理を応用したコンピュータが現実に稼働しているというのです(一部に量子力学としての技術によるものかという議論はあるようですけど)。

さあ、ここから雑学脳が泡立ち始めます。まず、従来のコンピュータは0か1の二進法で計算し、データ量の単位は「ビット:bit」です。余談ですが、スパコンは従来のCPUによって成立していますが、そのCPUの数がべらぼうです。一言でいえばとてつもなく速い計算ができるコンピュータです。日本の「京」というスパコンには80,000ものCPUが使われています。普通のパソコンがカタツムリとすれば、スパコンは音速ジェット機の速度で計算をします。しかし、「量子コンピュータ」はそのスパコンで数時間かかる計算をアッという間に行える能力を有しているというのです。その原理は、0か1という二進法ではなく、0と1、どちらでもある「重ね合わせ」という状態で、データ量の単位は「量子ビット」、複数の計算を瞬時に行えるのです。ハイ、雑学脳が火を噴きました。

では雑学脳が完全に焼き切れる前に、簡単に「量子論」なるものの能書きを(取って付けたように)垂れておきますと、「光子や電子などの極めて小さなミクロの物質は、波と粒子の二つの性質を併せ持ち、目に見えるマクロな世界を支配している『ニュートン力学』や『電磁気学』では説明が付かない」というものです。そもそもが「波と粒子」ですが、水という事で考えれば「波」は物質ではなく「状態」です。水は「物質」で、この両者はハッキリと区別できます。しかし、原子より小さな世界ではその区別ができないのです。例えば「光子」は「物質」ではなく「状態」となります。しかし「粒子(物質の性質)」と「波(状態の性質)」を併せ持つ存在を一般的な物質と区別するために「量子:Quantum」と呼び、それが「量子力学」の中で「ニュートン力学」とは違ったふるまいを持つミクロ世界の体系を持っています。この量子力学は20世紀に、マックス・プランクやアインシュタイン、ボーアらによってその理論が提唱され、シュレーディンガーやハイゼンベルクらによって確立されます。

ハイ、分かったような分からないような状況ですが、雑学脳がチリチリとヒューズが跳ぶ前のような状態です。で話を「量子コンピュータ」に戻しますけど、ではそれだけの高速な計算速度が一体何の役に立つのかという素朴な疑問があります。分かりやすい所では、台風の進路などの計算を行ったり、薬としての有効な分子の構造を気の遠くなるような組み合わせの中から決定したり、数学が得意な人は知っている素因数分解という桁違いの計算を行ったり(暗号解読などにつながる)、面白い所では「巡回セールスマン問題」といった「組み合わせの最適化」といった、複数の地点を1度ずつ回って戻る最短経路を選ぶ計算があります。天文学的な組み合わせの中から最適なものを抽出するための計算です。これらは、新薬の開発や情報技術(セキュリティなど)の最適化だけではなく「人工知能:Ai」の高度化などにもつながる技術です。

とまあ、雑学脳が焼き付きかけていますが、この辺まで何とかしがみつくようにして、「知ったような」記事を書いてきましたが、「素人はともかく専門家でも難解な問題に突っ込んでいくとこうなるよ」という状況にそろそろ陥っています。「1でもあり0でもあり」ってのは、もう幽霊、魑魅魍魎と同じ次元の存在で、そのような「量子」が辺り一面に存在しているのです。どれほどのイメージ力を以てしても掴み切ることなどできません。しかし、それがコンピュータという、これ以上なく実用的なものを生み出すのです。当然ながら、ニュートンが生きていた時代にそんなことを言ったら、どこかへ連れていかれるでしょうね。きついお薬でも飲まされたりして…。

しかし、こうしたテーマを考えている時、いつも単純に感じ入ってしまう事があるのです。ある人間の脳から生まれてきた「数式」が、現実世界でとてつもないエネルギーを生み出したり、ある人間が考え出したことがこの宇宙の仕組みに迫ったり…。で、いつも思います。その先にはいったい何があるのか…。「量子コンピュータ」の本格的な実現には様々な問題があるようですが、いつか、その姿を現すのでしょう。そしてその力で、宇宙の姿を我々に見せてくれるかもしれません。その時、少々予定調和的かもしれませんが、これも別サイトで書いた「シンギュラリティ」という「特異点(本記事と似たようなことをまとめています…)」が現実のものとなり、人の持つ世界が今とは全く別のものに変わっていくのでしょうか。で、いきなり現実(逃避)的に考えれば「別に今のままでもいいような…」なんて思ってしまいます。やっぱりこのテーマは口が裂けそうになりますね。実はもう、私の雑学脳はとっくの昔に焼き付いて…。

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