量子コンピュータとは：用語解説

量子コンピュータとは

量子コンピュータは、物質やエネルギーの最小単位である「量子」の持つ特別な性質、量子力学の原理を応用して計算を行うコンピュータです。量子が同時に複数の状態をとる「重ね合わせ」や、離れた量子同士が瞬時に影響しあう「量子もつれ」といった現象が計算に活用されています。

量子コンピュータのハードウェアには、超伝導方式、ダイヤモンドスピン方式、冷却原子方式、シリコン方式、イオントラップ方式など多様な実装方式があり、現在様々な企業が研究開発を進めています。しかし実はまだ、量子コンピュータの実用化に向けてどの方式が有望なのか判っていません。それぞれの方式には利点と課題があり、利点を伸ばし、課題を克服する研究が行われています。

量子ゲート型とイジングマシンに分類される主要な量子コンピュータ開発方式（超伝導、ダイヤモンドスピン、冷却原子、シリコン、イオントラップ）と、それらに取り組む富士通、Google、IBM、Intelなどの企業をまとめた図。

図1量子コンピュータのハードウェア実装方式（例）

量子コンピュータと従来のコンピュータの違い

私たちの身の回りにある従来のコンピュータは、たとえばスマートフォンやパソコン、スパコンに至るまで、すべて「0」と「1」の組み合わせで情報を処理しています。一方、量子コンピュータは「量子ビット」と呼ばれる情報を最小単位として扱い、従来のコンピュータとは全く異なる量子特有の性質を利用して計算を行います。

従来のコンピュータが扱う情報の最小単位：「ビット」とは

従来のコンピュータは、「0」か「1」かのどちらかで情報を表現する「ビット」を情報量の最小単位として計算を行います。これは、電気のON/OFFのように、2つの値で情報を表現するものです。

この「ビット」は、例えるならコインの表か裏のように、一度にどちらか1つの状態しか持つことができません。2つのビットがあれば、「00」「01」「10」「11」の4通り（2²通り）の組み合わせがありますが、従来のコンピュータが一度の計算で取り扱えるのは、そのうち1通りだけです。

そのため、N個のビットがある場合に考えられる2ⁿ通りのすべての組み合わせを計算しようとすると、それぞれ一つずつ計算を行う必要があります。結果として、2ビットであれば4回、Nビットであれば2ⁿ回の計算が必要になります。

量子コンピュータが扱う情報の最小単位：「量子ビット」とは？

量子コンピュータは、「量子ビット」を情報の最小単位として利用します。量子ビットは「重ね合わせ」や「量子もつれ」などの量子特有の性質を利用して計算を行います。

量子ビットの性質その１：「重ね合わせ」

従来のビットが「0」か「1」のどちらか一方の状態しか持てないのに対し、「量子ビット」は、「0」と「1」の状態を同時にとることができます。この性質を「重ね合わせ」と呼びます。

図2のように、従来のビットが「表」か「裏」のどちらか確定した状態のコインであるのに対し、量子ビットは、まだ「表」か「裏」どちらか確定していないコインをイメージすると判りやすいでしょう。このコインは観測するまでは表と裏、両方の可能性を同時に持っている状態です。これは、どちらの結果になるかは確定していませんが、それぞれの結果が起こる『可能性』を同時に持っている（確率的に存在しうる）状態です。そして、実際に観測した瞬間に、表か裏のどちらか一方に定まります。

従来のビットがコインの表裏のようにいずれか一方の状態しか持たないのに対し、量子ビットが表裏両面のコインや、粒子が複数の箱に同時に存在するような『重ね合わせ』の概念をイラストで解説した図

図2 量子ビットの重ね合わせの概念

「重ね合わせ」がもたらす効果

量子コンピュータは「重ね合わせ」により、N個の量子ビットで理論上2ⁿ通りの状態を同時に表現できます。計算では、この重ね合わせを「干渉」で巧みに制御して、正しい答えが測定される確率を高めることで効率化を達成します。（測定で得られる結果は一つです）

量子ビットの性質その２：「量子もつれ」

「量子もつれ」とは、複数の量子の状態が強く結びつき、互いの状態が単独では説明できなくなる現象です。片方の量子ビットを測定すると、もう一方の量子ビットの測定結果も対応した値として現れます。これは、あたかも量子ビット同士が離れた場所にいても強い関連を保っているようにみえる現象です。

身近な例では、2つのコインがあるとします。片方のコインの表裏が測定によって確定した瞬間、もう一方のコインの表裏も同時に確定する、といった関係性です。 (例：片方のコインが「表」になったと判れば、もう一方のコインは必ず「裏」になる)

ただし、これは事前に結果が決まっている、測定によって情報が瞬時に伝わる、との意味ではなく、「量子もつれ」は離れた場所にある量子ビット同士であっても、測定すると対応した結果が現れるような強い相関を持つ特別な状態です。

「量子もつれ」がもたらす効果

「重ね合わせ」が量子ビット１つ１つが複数の状態を同時に表現できる性質を与えるのに対し、「量子もつれ」は複数の量子ビットの状態が強く結びつき、個々では説明できない相関を持つ状態を作り出します。量子もつれを利用すると、量子ビット間の相関を計算の過程で活用できるため、特定の量子アルゴリズムでは処理効率が向上し、従来のコンピュータでは現実的な時間で解けない問題でも、量子コンピュータが高速に解を導ける場合があります。

量子の性質の実証性

「重ね合わせ」や「量子もつれ」などの量子の性質は、私たちの日常感覚や古典物理学では説明しにくい現象です。実際に、20世紀の偉大な物理学者アルベルト・アインシュタインは、量子もつれを「不気味な遠隔作用(spooky action at a distance)」と呼び、量子力学がこの現象を十分に説明できていないのではないかと疑問を呈しました。

その後、ジョン・スチュワート・ベルが量子力学と古典的な考え方（局所実在論）を区別する理論的枠組みを確立し、アラン・アスペ、ジョン・クラウザー、アントン・ツァイリンガーら一連の精密な実験によって量子もつれ特有の相関が現実に存在することを確認しました。これらの成果は量子力学の基礎を大きく前進させ、2022年にはこの分野の研究に対してノーベル物理学賞が授与されています。

量子コンピュータの活用領域

これまで見てきたように、量子コンピュータは従来のコンピュータとはまったく異なる原理で動作する計算機で、私たちの社会が抱える複雑な問題の解決に貢献すると期待されています。
従来のコンピュータでは計算に膨大な時間がかかり、事実上解くことが難しかった問題（例：量子化学計算、特定の機械学習タスク、素因数分解、組み合わせ最適化など）について、量子コンピュータは特定の分野で大幅な高速化をもたらす可能性があります。そのため、以下のような分野での活用が期待されています。

量子化学計算：[応用例] 新薬、触媒、次世代バッテリー材料の設計など
量子機械学習：[応用例] 製造の異常検知や金融データ分析など
素因数分解：[応用例] RSA暗号や電子署名の安全性検証など
組み合わせ最適化：[応用例] 配送ルート、工場スケジューリング、金融ポートフォリオ最適化など

量子コンピュータの課題と実用化への道のり

量子コンピュータは革新的な可能性を秘めていますが、現在の量子コンピュータには大きく以下2つの課題があります。
（1）量子ビット数の大規模化
（2）量子ビットエラーと高精度計算

量子ビット数の大規模化

量子ビット数の大規模化には、現在の延長ではないイノベーションが必要です。
超伝導型量子コンピュータの場合、極低温まで冷却するために特殊な冷凍機を使用していますが、冷凍機のサイズには制約があります。

大規模化の取り組みとしては、冷却技術の進化だけでなく、量子ビットの配置と接続方法の改善など、多様なハードウェア研究が進められています。特に、限定された空間内で安定して多数の量子ビットを動作させるための技術開発が重要視されています。

量子ビットエラーと高精度計算

量子ビットは外界からの様々な影響を受け、エラーが発生します。ここで鍵となるのが誤り耐性量子計算です。誤り耐性量子計算を実現するために、主に以下の2つのアプローチが検討されています。

エラー訂正技術
量子コンピュータが、計算を行う過程で生じたエラーを検出し、訂正するための技術です。
1つの量子ビットの情報を複数の量子ビットを用いて冗長化することで、単一の量子ビットがエラーを受けても、他の量子ビットから正しい情報を再構築することができます。
エラー緩和技術
エラー緩和技術は、エラーの影響を最小限に抑えることを目指します。エラー訂正に多数の量子ビットが必要になるため、より少ない量子ビット数で計算精度を上げて、将来の誤り耐性量子計算へとつなげる技術として期待されています。これは、エラーが計算結果に与える影響を最小限に抑えるためのアルゴリズムの改良など、ソフトウェア的な手法も含んでいます。

富士通の量子コンピュータ開発における主要な取り組み

このような世界の動向の中、日本においても多くの企業や研究機関が、この次世代技術の研究開発を推進しています。その中で富士通は、長年の計算機開発の実績と経験を活かし、量子コンピュータの研究開発に取り組んでいます。

世界最大級256量子ビット超伝導量子コンピュータの実現：
2025年4月、理化学研究所との共同開発により、世界最大級となる256量子ビット超伝導量子コンピュータを実現。2025年度第一四半期より提供を開始しました。
2026年度、1,024量子ビット超伝導量子コンピュータ公開（予定）：
世界最大規模の1,024量子ビット超伝導量子コンピュータを開発しています。富士通の本社に量子棟を建設し、2026年度に設置・公開予定です。
量子コンピュータの産業化に向けた国家プロジェクトへの参画：
2030年度に1万物理量子ビット超の超伝導量子コンピュータ構築を目指します。その一環としてNEDOが推進する国家プロジェクトに2027年度までの事業期間で参画しています。
ダイヤモンドスピン方式量子コンピュータの開発：
超伝導方式に比べ、小型化が可能かつ光接続による優れた拡張性を持つ方式です。2025年3月、大規模化に必要なエラー確率0.1%未満の高精度量子ゲート操作を世界で初めて達成しました。
量子コンピュータの実用計算を加速する新しい量子計算アーキテクチャの開発：
富士通が大阪大学と共同開発した「STARアーキテクチャ」は、実用的な量子計算に必要な物理量子ビット数を削減できる技術。材料分野において100万量子ビットが必要とされる量子計算を、本アーキテクチャを用いることにより、6万量子ビットで精度を維持しつつ、現行コンピュータで5年かかる計算を約10時間での実行できることを理論的に示しました。
世界最大級40量子ビットシミュレータの活用：
世界最大級の40量子ビット量子コンピュータシミュレータを、2023年10月より提供しています。量子コンピュータとの連携により、量子アプリケーションの研究開発を強力に推進しています。
ハイブリッド量子コンピューティングプラットフォームの開発：
世界最大級の量子コンピュータと量子シミュレータを連携し提供しています。外部ライブラリとの連携も可能で、ノイズを含む実機とノイズを含まない量子シミュレータをシームレスに使い分けることができます。