C++から学ぶ従来型コンピューティングと量子コンピューティングの違い

コンピューティングの世界は絶えず進化を続けており、毎日のように新しいデバイスが登場しては、従来の機器を最新の技術変化に対応できないものへと変えています。部屋全体を占めるほど巨大で、計算に何時間もかけていたコンピュータの時代は、すでに遠い昔のものとなりました。

真空管からトランジスタ、集積回路、そしてタッチスクリーンデバイスへの進化の過程で、技術の発展はコンピューティングの手法そのものも大きく変えてきました。新しいデバイス向けのプログラミングスタイルも変化しており、従来どおりのプログラムの書き方はもはや通用しません。組み込まれるソフトウェアには、高い効率性、迅速な応答性、そしてインタラクティブな操作性が求められるのです。

両者の根本的な違いは、より高速で発熱が少なく、複数のタスクを同時に処理できるよう革新されたハードウェアにあります。ジョブの切り替えやスケジューリングも不要になりました。

従来型コンピューティングとは

従来型コンピューティングとは、古典的なコンピューティングデバイスの仕組みを指します。従来のコンピュータが実行しているタスクは、基本的に次の2つです。1つはメモリへの情報の保存、もう1つは保存した情報に対してアルゴリズム・計算・数式を適用し、要求に応じた結果を生成することです。

• 電気回路をベースとしており、回路には2つの状態しかありません。オフ状態は「0」、オン状態は「1」で表されます。

• 従来型コンピュータの基本構成要素は「ビット」です。ビットは0または1のいずれかの値を持ち、すべての情報を0と1だけで表現できます。このため、数字・アルファベット・各種文字・特殊記号・改行・ラインフィード・キャリッジリターンなどを表現するUnicodeが開発されました。

• 計算を担うのは回路であり、トランジスタを組み合わせて構成される「論理ゲート」と呼ばれます。これらの素子はすべてオンとオフの2状態のみを持ちます。

• 広く使われているのは金属酸化膜半導体で作られたCMOSトランジスタです。

• 処理は通常CPUで行われます。CPU内部には、すべての計算を管理する制御装置(CU)と、実際の計算を実行する演算論理装置(ALU)が備わっています。

• しかし、従来型コンピュータでは解決まで数十億年を要してしまうような問題が存在します。それは事実上、解答が得られないことを意味します。果たして結果はどうなるのか、正しい答えになるのかさえ分かりません。

量子コンピューティングとは

量子コンピューティングは、量子物理学の法則に基づく計算方式です。「2つ以上の状態が同時に存在しうる」という考え方が土台となっています。原子は量子粒子であり、時間を前後に移動したり、同時に2つの場所に存在したりできるとされます。量子コンピュータは、この不思議な性質を計算に活かすことで、飛躍的に高速な計算能力の実現を目指しています。

• 量子物理学の法則に基づいており、粒子は2つを超える複数の状態を取りうるとされています。

• 基本構成要素は「キュービット(量子ビット)」です。量子ビットは電子のスピン現象を応用したもので、0と1に加えて、両方が同時に存在する「重ね合わせ状態」を持ちます。キュービットは外部環境から隔離された状態で保たれています。

• 回路構造全体が、量子物理学の法則に基づいて根本から再設計されています。

• SQUID(超伝導量子干渉デバイス)と呼ばれる装置も登場しました。超伝導ループを利用して極めて微弱な磁場まで測定できる、超高感度の磁力計です。

• さらに現在では、QPU(Quantum Processing Unit:量子演算プロセッサ)が登場しています。QPUとは、複数のキュービットを相互接続して構成された量子チップのことです。

• 量子コンピュータは、航空機の駐機スケジュールのような最適化問題の解決に特に適しています。加えて、数十億倍にも及ぶ高速な計算速度、膨大なデータの処理能力、そしてデータセキュリティを実現する解読困難な暗号化技術などが、コンピューティングの常識を塗り替えつつあります。

ただし、量子コンピュータがパーソナルコンピュータに取って代わることはないでしょう。すべての個人用デバイスにそこまで複雑なシステムが必要だからです。量子コンピュータは、今日の技術では解決が困難な複雑な問題の処理に特化した形で活用されていくはずです。