ゼロから量子へ

重ね合わせ

量子レベルになると、物理系は同時に複数の状態で存在することができます。その系が観測または測定されるまで、系は一度にすべての位置を占めます。量子力学の中心となるこの原理に基づいて、量子コンピュータは系の潜在的な可能性を扱うことができます。すなわち、想定されるあらゆる結果が計算に同時に存在するという可能性です。量子コンピュータの場合、使用される系は光子、トラップ内のイオン、原子、準粒子などです。

干渉

量子状態は他の量子状態に干渉することがあります。干渉は、振幅を打ち消したり増加させたりという形をとります。干渉をイメージするには、プールの水に 2 つの石を同時に落としたときのことを思い浮かべるといいでしょう。それぞれの石から広がった波が交差すると、波紋に強い山の部分と谷の部分ができます。このような干渉パターンを利用することで、量子コンピュータは古典的なコンピュータとはまったく異なるアルゴリズムを実行できるのです。

量子もつれ

量子レベルでは、粒子のような系が結合し、たとえ遠く離れていても互いの挙動を反映し合います。量子コンピュータは、もつれ合った系の状態を測定することで、もう一方の系の状態を「知る」ことができます。具体的に言うと、量子コンピュータは電子 A のスピンを測定することで、たとえ何百万キロ離れていても、電子 B のスピンの動きを知ることができます。

量子ビット

古典的なコンピュータでは、計算はビットと呼ばれる 2 進数の組み合わせで実行されます。このことが古典的な計算処理に限界がある理由でもあります。計算は常に 2 つの状態、つまり 0 か 1 のどちらかしかもたない言語で記述されます。量子コンピュータでは、計算は量子状態の言語で記述されます。量子状態は 0 か 1、または 0 か 1 の重ね合わせの任意の比率になります。このような計算情報を「量子コンピュータビット」、つまり量子ビット（Qubit）といいます。

量子ビットには、システムの中で情報を指数関数的に増やせるという特性があります。複数の状態が同時に動作するので、量子ビットは大量の情報を符号化することができるからです。ビットよりもはるかに膨大な量です。ですから、量子の計算能力はいくら誇張してもしすぎることはありません。量子ビットの組み合わせによる計算能力の向上は、古典的な計算処理よりはるかに急速に進みます。また、量子ビットは処理チップのように物理的な空間を占有しないため、無限大の計算能力に到達するのもはるかに容易だとする測定結果もあるくらいです。

量子コンピュータの種類

量子コンピュータを理解するには、量子の動き、位置、関係のふるまいを定める原理を理解しなければなりません。

種類にかかわらず、量子コンピュータのハードウェアは今のスーパーコンピュータのサーバールームとは大きく異なります。量子計算では、周囲の粒子による変化や混乱なしに測定できる状態に粒子を配置する必要があります。ほとんどの場合、これはコンピュータ自体を絶対零度近くまで冷却し、金でできた層を使って量子ビットの粒子をノイズから遮蔽することを意味します。現在の量子コンピュータは、このような繊細かつ精密な条件を必要とするため、開発にも構築にもきわめて特殊な環境が必要です。

現在、デジタル暗号の代表的な形式のひとつが RSA（Rivest-Shamir-Adleman）で、一般に公開鍵暗号と呼ばれているものです。RSA は、Rivest、Shamir、Adleman の 3 人によって 1977 年に初めて記述されたアルゴリズムですが、数十年たった今でも、いたって強力で実績のある暗号化システムとして知られています。

RSA の基盤となるのが、2 つのデジタル鍵を組み合わせて大きな素数を形成するしくみです。古典的なコンピュータは、2 つの既知の数を掛け合わせて素数の積を計算するのは得意ですが、その逆は不得手です。総当たりの 2 進数計算を使って素数の積から 2 つの因数を導き出そうとすると、処理はかなり煩雑になります。つまり、最も強力なスーパーコンピュータでさえ、妥当な時間内で鍵の値を計算することはできないため、現在の RSA アルゴリズムは本質的に解読不可能な暗号だということです。今日の 2048 ビット RSA 暗号は、最速のスーパーコンピュータを使っても復号におよそ 300 兆年かかると言われています。

そこに出現するのが、量子コンピュータの脅威です。量子コンピュータは、直線的な経路をたどることなく、あらゆる確率を一度に分析できるため、一度に 1 つの経路をたどるという古典的なコンピュータの手法を効果的に「スキップオーバー」し、現実的な時間内で正確な計算に到達できます。量子コンピュータなら、大きな素数を正しい因数に分割できる性能を備えているので、実質的に RSA を破れるのです。近未来の量子コンピュータに関する予測によると、RSA 暗号は数カ月で解読され、さらに高度な量子コンピュータになれば数時間、あるいは数分で RSA を復号できる可能性があるといいます。

量子コンピュータ

量子コンピュータで最も頻繁に誤用されている用語は「コンピュータ」（Post-Quantum Computing）、略して「PQC」でしょう。この用語が混乱を招いているのは、その略称が「Post-Quantum Cryptography」つまり耐量子コンピューター暗号と同じになってしまうためです。しかし、「耐量子コンピューター」というものは、量子コンピュータ科学の世界に存在しません。量子コンピュータとは機械の総称であり、量子コンピュータはその分野とプロセスを表しています。きわめて有益な最新の機械が誕生したとしても、そのとき存在するのは「量子コンピュータ」であって、「耐量子コンピューター」ではありません。

量子暗号

量子暗号は、耐量子コンピューター暗号と同じ量子力学を基礎としていますが、PQC とは同じ暗号技術ではありません。量子暗号では、予測不可能性という基本的な特性を利用し、量子ビットそのものに直接情報を符号化してデータを暗号化・復号します。現在、最も一般的に知られている量子暗号は、量子ビットの性質を利用して、誰かが勝手に情報を解読しようとすると量子ビットエラーが発生する方法でデータを保護するものです。この量子暗号は、ドアや窓に付いている警報センサーのようなものです。不正アクセスがあれば警報が発令されます。

耐量子コンピューター暗号（PQC）

耐量子暗号は、古典的コンピュータによる暗号化と同じように、数学的な方程式に基づいて動作します。違うのは、方程式の複雑さです。PQC では、数学に量子特性を利用して、量子コンピュータでさえ「スキップ」して正しい解に到達できないほど複雑な方程式を作成します。PQC の利点のひとつは、ほぼ解けない方程式を基礎にすることです。PQC も、現在の古典暗号と基本構造は変わらないため、現在の最先端の暗号と同様の手法で導入でき、今日のシステムもその多くを保護することができます。