量子力学的な情報とはどのようなものだろうか。量子力学における量子状態は〈確率〉的に〈重ね合わせ〉られているのだった。それゆえ、量子ビットが示す情報とは0と1の〈比率〉ということになる。0と1の比率は合わせると100%で、比率を変えることで様々な情報を表現することができる。量子ビットが表す、0と1が重なり合った量子力学的な情報を〈量子情報〉という。量子ドットに閉じ込められた電子の量子状態は、後述するように、二つの状態――↑と↓――が重なり合っているため、これを0と1の重ね合わせと見なすことができる。量子ドットは量子ビットの物理的な実現なのだ。量子ビットは量子コンピュータの本質であり、量子計算実現に向けた大きな第一歩となる。大塚さんによると、量子ビットをどのように物理的に実現するかによって、量子コンピュータは分類されるという。量子ドットは情報を物理状態として一定時間保持できなければならない。それを計算するわけだから、操作可能であることも要請される。現在、溶液中の分子の集合や超伝導素子などを利用した、様々な量子ビットが研究されている。「量子ドットは、他の形式の量子ビットに比べて小型で、集積化に適していると考えています」と大塚さんは語る。量子ドット研究は、理化学研究所や東京大学が世界的にリードしている。量子コンピュータの最前線に大塚さんたちのグループは立っているのだ。電子はスピン角運動量という物理量を持っている。これは観測するたびに、必ず同じ数値でプラスかマイナスのどちらかを示すので、それを慣習的にスピンが〈上向き〉〈下向き〉といい、矢印の↑や↓で表す。スピンは古典力学では説明できない、極めて量子力学的な物理量だ。古典力学では、質量はひとつの物体にひとつしかないし、エネルギーや速度は連続的に様々な値を取り得ると考える。ところが量子力学では――あるいは量子力学で記述される極小の世界では――物理量はこのスピンのように上か下かの二つしかなかったり、原子のエネルギーなどのように不連続で飛び飛びの値しか取らなかったりする。念を押すようだけれど、スピン↑の電子と↓の電子があるわけではない。同一の電子を観測するたび、↑か↓どちらかを示すのだ。観測する前は例の〈重ね合わせ〉によって↑と↓二つの状態が混ざっている。この状態を数式ではα|↑>+β|↓>と書く。αやβは――正確に言うとその絶対値は――観測されやすいほど大きい。αとβが同じ大きさなら、↑と↓という二つの状態が同じ比率で混じっているわけで、この量子状態の電子を観測すると、50%ずつの確率で↑か↓が観測される。図的に理解したほうがわかりやすいかもしれない。球の中心から球の表面を指すような矢印を考えよう。αとβは緯度と経度みたいなもので、矢印の向きを決めている。観測前、球の表面のどこか一点を指していた矢印が、観測後には――αとβで決まる確率に応じて――北極点|↑>か南極点|↓>を指すことになる。↑と↓の〈重ね合わせ〉は、0と1の〈重ね合わせ〉と数学的に同義であり、0か1のどちらかしか表現できない古典ビットとは根本的に異なっている。矢印が球の表面を差す方向を自在に操作できる量子ドットが実現すれば、それは量子ビットが実現できたことになる。ちなみに以上の話は、そのまま有名な思考実験〈シュレディンガーの猫〉に言い換えることができる。中身の見えない箱に、ある装置と猫を入れる。箱が開くと電子が一つ発射されて、その装置は↑か↓かを観測する。↑であれば猫は無事だが、↓なら毒ガスが出て猫は死ぬ。電子のスピンは一般的に|↑>と|↓>が混じり合っているわけだが、では猫の|生>と|死>も混じり合っているのか、という思考実験だ。様々な解釈はあるが、確立された答えはない。これもまた量子力学と古典力学の境界はどこにあるかという問題に関わっているのだ。以上のことから量子コンピュータによる〈量子計算〉の本質が見えてくる。古典ビットでは0か1のどちらかしか表現できなかったが、量子ビットでは0と1――あるいは↑と↓――という二つの状態を〈重ね合わせ〉たまま保持できるのだから、見かけ上、1量子ビットの情報量は1古典ビットの二倍を持ちうるということになる。2つの量子ビットを〈量子エンタングルメント〉の状態にすれば、2量子ビットとなり、2古典ビットの4倍の情報を扱える。3量子ビットなら3古典ビットの8倍と、2のn乗で増えていくのだ。それゆえnが数千数万となれば、スーパーコンピュータを遥かに超えた並列計算をしているようにも思えてくる。ぼくたちは〈重ね合わせ〉られた〈量子状態〉を、そのまま観測することはできないのだった。〈重ね合わせ〉られた複数の状態のうちのひとつだけしか見ることができないということを再確認しておこう。量子力学を用いれば、↑と↓がどのように〈重ね合わせ〉られているのか、あるいは猫の生死の確率は、理論的にあらかじめ計算できる。実験装置を使って、↑↓の比率や生死の確率を自由に変えることもできる。実際に目に見える結果は、結局は↑か↓かのどちらかであり、猫は生きているか死んでいるか、なのだ。これこそが量子力学の〈観測問題〉だ。複数の可能性のうち、一つだけが現実化して見えるのはなぜか。多くの物理学者が頭を悩ませ、今も結論は出ていない。アインシュタインは「神はサイコロを振らない」と言い、いずれ量子力学を超えた理論によって、なぜその一つが選ばれたのか理解できると考えたし、エヴェレットは〈多世界解釈〉を提案して、実際はすべての可能性が実現しているのだけれど世界が分岐したために観測者には一つの結果しか認識できないのだと主張した。いずれの〈解釈〉が正しいかはさておき、ともかく量子力学という理論を使う以上、あらかじめ起こりうる現象とその確率はわかるのだけれど、実際にどの現象が起きるかまではわからないのだ。いうことで、量子コンピュータは量子力学の枠組みのなかでは並列計算をしていると言えるのだけれど、古典的あるいは人間的な意味での計算結果としては、そのうちの一つしか確認できないのだ。このような――使い勝手の悪いようにも見える――量子力学の性質をうまく活かした計算の仕方が〈量子アルゴリズム〉だ。量子力学による膨大な並列計算のうち――得られるのは一つしかなくても――意味のある計算結果が得られるようにアルゴリズムを工夫すればいいのだ。雄哉(たかしま・ゆうや)1977年山口県宇部市生まれ。2014年、「ランドスケープと夏の定理」で第5回創元SF短編賞を受賞(門田充宏「風牙」と同時受賞)。同作は〈ミステリーズ!〉vol.66に掲載され、短編1編のみの電子書籍としても販売されている。2016年10月劇場公開の『ゼーガペインADP』のSF設定考証を担当(『ゼーガペイン』公式ページはhttp://www.zegapain.net)。SF文庫を始めとする本の情報を定期的にお知らせしています(HTML形式、無料です)。