従来のコンピューティングは、接続速度の制限や、次世代の強力なコンピューティングを実現するために必要な非常に高い電力など、処理能力を大幅に向上させる能力に限界がある。多くの人々が量子コンピュータに代表される新技術に興味を持ち始めており、従来のデジタル・コンピューターの能力を超えた難しい計算問題を解決できるのではないかと期待している。
既存のコンピューター・システムは2進数、つまり「ビット」を使っており、その値は0か1のどちらかである。しかし、量子コンピュータは「量子ビット」を使用する。量子ビットは、一度に複数の状態で存在することができる。量子ビットは同時に複数の値を表すことができるため、情報処理がより強力になる可能性がある。また、量子ビットは「もつれ」の状態をとることができる。つまり、ある量子ビットの状態は、それらがどんなに離れていても、別の量子ビットの状態とつながっている。これにより、新しい量子通信や暗号プロトコルを開発できる可能性がある。
量子コンピュータは、例えば創薬や材料科学などの分野に大きな影響を与えると期待されている。これらの分野では、複雑な分子や物質の挙動をシミュレートするために膨大な量の計算が必要だが、従来のコンピュータでは効率的に行うことができなかった。量子コンピュータは、これらの計算をはるかに高速に実行できるようになり、現在では不可能な新薬や新材料の発見につながると予測されている。
とはいえ、この技術にはそれなりの難しさがあり、汎用的な量子コンピュータを実現するためには、まだ克服すべき課題が山積している。大きな課題のひとつはハードウェアの限界である。量子コンピュータを構築する技術はまだ開発の初期段階にあり、現在の量子ビットシステムはエラーが多く、安定性を保つためには複雑なエラー訂正技術が必要となる。複雑な問題を解決するために必要な量子ビットの数は指数関数的に増加するため、大規模な問題を解決するために量子コンピューティングを拡張できるかどうかは不明である。量子ビットは通常、超伝導ワイヤーを介して送信される。超伝導ワイヤーは、量子ビットを表す電気信号を伝送することができる。しかし、この種の超伝導量子ビットは環境に非常に敏感で、極低温に保たなければならない。
光量子コンピューティングシステム
東京大学、理化学研究所、NTTが開発中の新しいタイプの光量子コンピューティングシステムは興味深い可能性を秘めている。
光量子コンピューティングは、情報の伝達と処理に光子を使用する量子コンピューティングの一種で、量子コンピュータがこれまでにない速度で動作するための適切な条件を作り出すのに役立つ可能性がある。光子は、光や、電波、X線、ガンマ線などの電磁放射の基本単位である素粒子である。質量がなく、真空中を光速で移動し、エネルギーと運動量を運ぶ。
従来の量子コンピューティングと比べ、光量子コンピューティングは、光子が非常に安定し、干渉の影響を受けにくいという利点がある。また、光量子コンピューティングは、超伝導ワイヤーを使った信号伝送に比べて、光ファイバーを使った長距離伝送で光子を簡単に操作・伝送できるため、通常の量子コンピューティングよりも拡張性が高い可能性がある。これにより、将来的には大規模な量子ネットワークの構築が可能になるかもしれない。
東京大学、理化学研究所、NTTの研究者は、市販の光通信システムと光量子技術を組み合わせる新しい方法を開発した。これにより、長距離の情報信号を伝送するために電気通信で使用される搬送波として知られる高周波信号に情報を符号化するある方法を測定したところ、43GHzという世界記録となる性能を達成した。
この研究は、光通信システムと量子コンピューターが信じられないほどの高速で同時に動作するようになるための一歩である。また、一本の光ファイバーで複数の信号を同時に送信することで、巨大なマシンを必要としないマルチコアの光量子コンピュータ・プロセッサを実現する。東京大学、理化学研究所、NTTは、各信号を伝送するために異なる波長の光を使用することで、ネットワークの容量と効率を向上させ、これを実現した。
この画期的な技術により、マルチコア光量子コンピュータの実現が可能になり、最終的にはコンピュータの中央演算処理装置（CPU）が命令を実行できるクロック速度である100GHz（現在の世界記録はまだ10GHzを越えていない）を達成し、多数の量子コンピューターを並列に動作させることが期待されている。
研究パートナーは、超量子コンピュータの実現に貢献することで、現在世界で最も困難な計算問題の解決に貢献している。この問題は、我々のコミュニケーション方法に影響を与え、病気の新しい治療法を発見し、未来のコンピュータ・システムに革命をもたらすだろう。