量子コンピュータ技術推進委員会若手インタビュー 量子データが自在に行き交い情報処理される「グローバル量子サイバー空間」の実現を目指す

＜目次＞

• 実装難易度を下げ、安定的な量子コンピュータ・量子ネットワークの実現へ
• ハードウェアとソフトウェアの両面から課題に挑む
• 量子インターネットの社会実装がもたらすメリット
• 量子によるネットワーク化が進むのは必然

実装難易度を下げ、安定的な量子コンピュータ・量子ネットワークの実現へ

——現在の研究に至る経緯を教えてください。

学部生のときは、古典インターネットでQKD（Quantum Key Distribution, 量子鍵配送）を利用するための研究を行っていました。古典インターネットの暗号化通信では技術的にもコミュニティ的にもIPsec（Security Architecture for Internet Protocol）が大きな役割を果たしており、インターネットに接続されている全てのコンピュータにIPsecが実装されています。IPsecをQKD対応させることにより「QKDが全ての古典コンピュータで動くようになれば面白い」と考えたのです。

エラー訂正に興味を持ったきっかけは、大学の一般向け研究発表イベントでのこと。量子コンピューティングの特徴の一つである可逆計算のデモンストレーションのため、コンピュータの父として知られるバベッジの階差機関を参考に、2次関数を計算できる手回し式の機械をレゴブロックで作りました。

しかし、実際に動かしてみると、歯車の回転精度が低いため、デモがうまくできません。回転の精度を高めようとしてあれこれ装置をつけると、今度は重すぎて機械が回らず、無理やり力を入れれば壊れてしまう。歯車を回すたびにエラーばかり出て、そこで初めてエラー訂正の大変さと重要性に身をもって気づいたんです。

そこで修士課程では、ゲート型万能量子コンピュータに搭載する量子エラー訂正符号として有望視されるSurface Code量子計算の研究に移りました。現在の半導体技術に「歩留まり」の概念があるように、量子コンピュータのチップ上の量子ビットにも、製造段階で不良品が発生します。不良の一切ない量子チップを作るのは著しく困難と見込まれるので、そのような不良量子ビットがあっても、量子コンピュータアーキテクチャやSurface Codeのレイヤーで吸収して正しく動かせないかという研究です。量子コンピュータや量子インターネットの早期実現のため、いかにして実装難易度を下げるか。研究で培われたこの考え方は、今も私の中に生きています。

博士論文では、複数の符号を用いた分散量子コンピュータアーキテクチャを扱い、その後留学したエトヴェシュ・ロラーンド大学で機械学習に取り組んだのち、メルカリに入社したという経緯です。

——メルカリに入社されてからは、どのような研究をされているのですか？

主に量子コンピュータネットワークについてです。現在、世界中で何十億台というマシンが1つのネットワークでつながっているのは、通信プロトコルとして標準的に使われているTCP/IPのおかげですが、当たり前のようで実はとても驚くべきことなんです。

コンピュータネットワーク上で行われる通信の仕組みの上では、たくさんのノードがうまくかみ合って、相互に挙動を調整したり、あるいはしなかったりしつつ、結果としてお互い邪魔せず動いています。しかも、故障やハッキングなどで異常な挙動をするノードがあっても、妨害されずに動きます。マシン1台をとってみても、中にはたくさんのアプリケーションやモジュールがあり、それぞれのモジュールがあちらこちらと通信しているため、通信に登場する要素数は、ものすごく膨大になります。

それでも問題が起きにくいのは、古典インターネットにおいてTCP/IPの研究開発が何十年と続いてきた成果なんですよね。量子ネットワークにおいても、同じように安定的でスケールする量子情報処理の仕組みを構築したいと考えています。

ハードウェアとソフトウェアの両面から課題に挑む

——量子コンピュータネットワークの実現に向けては、どのような課題がありますか？

まず、スケーラブルなシステムを作らなければいけないということです。実際にシステム化しようと思うと、そのシステムのスケーラビリティは必ず重要になりますから。古典計算でも明らかになっているように、最初はハードウェアの開発が大変なのですが、システムを大きくしてくると、今度はソフトウェア側のスケーラビリティがボトルネックになってきます。ですから、長期的に考えれば、もしくは、可能な限り早期に量子情報システムを実現しようと考えれば、ハードウェアとソフトウェアの両面の研究をバランスよく進めることが大切です。

量子コンピュータネットワークの構築には、量子信号中継も課題の一つです。今でも全てのネットワーク機器で信号中継が行われており、信号を適切に中継増幅することで情報が伝達されています。ところが、量子の場合は信号を増幅できません。そのため量子ゲート操作を行い、しかも光子の吸収・放出といった光とのインターフェースが必要な量子ビットを作らなければならないなど、非常に複雑です。こうした「量子の光との出し入れ」と、出し入れした上での特別な量子信号中継操作が、ハードウェア的な難しさですね。

難しいハードウェアの上で、どういうネットワークシステムにすれば、将来、何万台とか何十万台の量子ネットワークをスケーラブルに問題なく動かすことができるのか。私がチャレンジしているのはその部分というわけです。

——量子コンピュータネットワークの研究を進める狙いはどこにあるのでしょうか？

今こうしている間にも、デジタルデータが世界中を駆け巡り、自在に処理されています。例えばWeb会議サービスでは、カメラで撮ったアナログデータをデジタル化して、さらに送りやすいようにエンコードして、送信先でデコードして、それを画面に映すのもデータの処理ですよね。メールでもWebブラウジングでも同じです。

これを量子データで行えるようにしたいんです。量子コンピュータが自在に処理した量子データを、量子インターネットで世界中どこにでも届けられるようにして、送信した先でもまた量子コンピュータが処理する。量子センサーが量子インターネットとつながれば、グローバルな量子センシングが可能になり、量子IoTへの発展も期待できるでしょう。量子データが世界中で自在に生成されて、自由に流通して、また処理もされるという、新しい量子サイバー空間の構築を実現したいですね。

量子インターネットの社会実装がもたらすメリット

——量子コンピュータネットワークが社会実装されていくと、どういったことに役立つのでしょう？

量子インターネットで複数の量子コンピュータをつなぎ、多くの量子ビットを1つの計算に利用することには、大きなメリットがあります。

例えば、10量子ビットの量子コンピュータは、1台で1,024個のパターンの中から解を高速に見つけられます。2台が量子ネットワークによるエンタングルでつながれば20量子ビットとなり、2の20乗で約100万個の解の候補から1つの解を高速に見つけることができます。

一方、古典計算では2台、3台と接続台数を増やしても、計算力も2倍、3倍にしか増えていきません。つまり、古典計算と比べて、複数のコンピュータをつなげて計算する意味が大きく変わってきます。

量子インターネットに接続すると、離れた拠点の量子コンピュータ同士をエンタングルさせて、さらに多くの量子コンピュータを繋げることができます。量子インターネットの社会実装は、創薬や材料設計などの量子化学、AI技術をさらに充実させる量子機械学習など、量子コンピューティングの応用範囲もますます広げられると期待しています。

「量子計算」の巨大化の他にも、多数のコンピュータや機械を協調動作させる際に必要となるやり取りの回数が減ることによって作業が高速化したり、デジタル技術で課題となっているコンピュータ間の高精度な時刻同期が可能になったりするなど、空間的に離れている際に威力を発揮する応用も見つかっています。

——セキュリティシーンも大きく変化しそうですね。

まずよく挙げられるのが、いわゆる暗号化通信が理論上解読不能になるというものです。データを読み取り不能にする秘匿性だけでなく、正しい相手と通信していることを確認する認証に寄与する仕組みもあります。暗号化通信の他にも面白いアプリケーションがあります。

現在のクラウドにおけるデータ処理のネックは、暗号化したまま自在に計算できないことです。クラウド事業者やその構成員が攻撃を受けたり、ミスを起こしたり、その気になれば、どういう処理をしているのかや、どういうデータが預けられているのかなど、技術的には全て見られるんですね。ただ、それは契約や規約等によって見ないことにしている。言ってしまえば“お約束”でしかありません。

技術者からすると、そこが気になるところです。クラッキングなどサイバー犯罪の危険性も考えると、お約束ではなくやはり技術的に秘匿できるようにしたい。しかし古典計算の技術だと、暗号化したまま計算処理を行うのは大変で、オーバーヘッドが非常に大きくかかってしまいます。

一方、量子計算の場合は、量子インターネットがあれば、暗号化したまま計算してもオーバーヘッドが古典情報技術のように爆発しないという研究結果があり、将来、クラウド上でプライバシーを守ったまま計算する技術の開発が期待できると思います。先述の創薬や材料設計といった分野など、知的財産を守りながら計算したい分野にも大きく貢献するのではないでしょうか。

——他にはどのような活用が考えられますか？

量子インターネットは量子センサーネットワークとしても発展していくと考えています。例えば、古典センサーだと光子100個単位で飛んでこなければ取り出せないような信号が、量子センサーネットワークでは、光子10個単位のようなさらに弱い信号でも飛んできた方向まで正確に測れるといわれています。

これを宇宙に向ければ、宇宙からの微弱信号を捉えることで宇宙物理学の発展が期待できますし、地中に向ければ防災にも役立つかもしれません。医療分野では、人体のセンシングにも活用が進むでしょう。現在の量子センサーは古典データを出力することを主眼としていますが、量子データを出力できるようになれば、そこで生成された量子データは、量子インターネットを介してあらゆる量子コンピュータで処理できます。ですので、量子データの自由自在な生成・流通・処理は、すべてワンセットでつながっているというわけです。

量子によるネットワーク化が進むのは必然

——そうすると研究領域も広大になりそうです。どういった研究者の方々とコラボレーションしていきたいですか？

ネットワークの分野は基本的に、いかにみんなと繋がるかが大切だと思っていますので、まずはオープンなマインドで研究されている方々とコラボレーションしていきたいです。とは言えオープンな研究開発に取り組む方々に限定するつもりはなくて、通信インタフェースやモジュール間インタフェースさえオープン仕様とできれば、個々のデバイスの内部実装は秘匿されていても繋げることができます。このような協調領域・競争領域の切り分けは、量子情報技術を発展させて行く上で極めて重要です。

量子ネットワークは、個々の研究を集めて連携して動くような1つのシステムとして組み上げないと実現できません。そこで、量子インターネットに関係する方々のコミュニティとして「量子インターネットタスクフォース（QITF）」を2019年に設立し、積極的な交流や共同研究の推進に注力しています。

結局は「人の役に立つものを作ろう」という研究なので、人類の生活をより発展させていけるかというビジョンを一緒に考えられる方々と力をあわせて、これからも研究を進めたいと思います。

——この分野の研究に進まれたのも、人類の発展に貢献したいという思いからでしょうか。

実は、そこまでは思っていなくて（笑）。小さい頃からレゴが好きで、モノづくりには興味がありました。とはいっても、高校まで方向性を決めきれないまま大学に入学して、プログラミングの授業を受けたら、とても面白かったんです。やはり、モノを作る感覚が共通していたからでしょうね。そこで関連する研究室の門を叩いてみたら、メーリングリストに「量子情報のグループを作るぞ」というメールが来て、たまたま面白そうだったから飛びついてみました。

後に気づいたことですが、おそらく何もないところから作っていくことが、自分に合っていたんだと思います。当時は量子コンピュータも量子通信も、システムとしてはまだまだ整っていなかったため、新しいモノを作る感覚を得られたことはとても面白かったですね。その気持ちは、今でも自分の根底に流れていると思います。

——プライベートについてもお聞きします。休日はどう過ごされていますか？

特に変わったことはしていません。昼頃まで寝て過ごして、ゲームをしたり、なんとなく窓から外を眺めたり。ジムで運動しながらオーディオブックで小説を聴くこともあります。ゲームは結構好きで、ジャンルを問わずよく遊びますね。ゲームしている時間は、難しいことを考えないで済みますから。頭をすっきり空っぽにするためにゲームをするというイメージでしょうか。

ガンダムシリーズも昔から好きで、よく見ます。4歳か5歳か、物心ついたときには劇場版3部作のうちの第3作が家にあって、多分幼心にも巨大ロボットが好きで見ていたんですよね。今でも、SFは「未来を妄想する肥やし」だと思っています。

学部生の頃は、量子による世界をどう妄想していいかピンときませんでしたが、今では「好きに妄想していいんだ」と開眼しました（笑）。私は「何を作りたいか」を先に考えて実行するタイプなので、好き勝手に妄想していると、研究仲間からは「それを実現するのは大変なんだぞ！」と怒られることも…。量子インターネットタスクフォースのボードメンバーとも、よくそんな議論をしています。

——最後に、量子分野を目指したい大学生や高校生、若手研究者に向けてメッセージをお願いします。

今後、量子によるネットワーク化が進むのは必然だと考えています。量子コンピュータのチップですら量子ビットのネットワークであって、スケールを大きくしようとするとチップのネットワーク化があり、もっと大きくすると量子コンピュータネットワークになっていく。そして日本中がつながり、世界中がつながり、ゆくゆくは宇宙までつながっていくと考えています。そこに到達するまでの道のりはまだまだ長く、研究すべきテーマがなくなることはありません。

量子技術の研究開発は、サイエンスとしての原理実証と、実際に量子コンピュータ・量子ネットワークを作る工学的・技術的な分野と、量子情報技術の中でも二極化が進んでいくと思われがちです。それはある意味正しいかもしれません。しかし、ブレイクスルーは原理実証からもたらされるのみならず、工学的・技術的な側面からも起こります。各々の発展が互いを発展させる関係でもあるため、私は「一方がなければもう一方が成り立たない」という世界になると思います。

特にコンピュータネットワークによる情報通信分野は、物理・工学から情報理論・情報工学、特にネットワークに関連する理論・ソフトウェア工学・計算機/ネットワークアーキテクチャなど、様々なレベルの多様な技術の異分野集合体です。ですから、量子の研究者に限らず、たくさんの人々に関わっていただきたいですね。そして、一緒に夢をかなえられる仲間が増えれば、とてもうれしく思います。