近年、ビジネスやテクノロジーに関連する話題の中でよく聞かれるようになった「量子コンピュータ」。GoogleやIBM、各国政府などが開発競争を繰り広げており、ソフトバンクも研究機関と連携して開発を進めています。ただ、こうした動きを耳にしても「そもそも量子って何？」「普通のパソコンと何が違うの？」と聞かれると、答えに迷う人も多いはずです。今回は、日本の量子コンピュータ研究の第一人者である藤井啓祐さんの解説のもと、量子コンピュータの仕組みと、私たちの社会にもたらす未来像に迫ります。
目次
教えてくれた人
京都大学大学院情報学研究科教授／大阪大学大学院基礎工学研究科教授／理化学研究所量子コンピュータ研究センター量子計算理論研究チーム チームディレクター
藤井啓祐（ふじい・けいすけ）さん
専門は量子情報・量子コンピューティング。量子コンピュータの理論・ソフトウェア研究に幅広く取り組む。量子コンピュータ向けソフトウェアを開発するQunaSysを共同創業。日本科学未来館の常設展示「量子コンピュータ・ディスコ」の総合監修も務める。著書に『驚異の量子コンピュータ』（岩波書店、岩波科学ライブラリー）、『教養としての量子コンピュータ』（ダイヤモンド社）などがある。
「100年経っても実現できない」と言われていた、夢のテクノロジー
量子コンピュータとは、「量子力学」特有の性質を利用して計算を行うコンピュータのこと。ある特定の問題においては、従来のスーパーコンピュータで何十万年かけても解けない計算を超高速で解くことができると言われています。期待される応用先は幅広く、たとえば新しい薬や材料の研究、高性能な電池の設計、物流の最適化、金融取引のリスク算出などが挙げられます。
今でこそ、世界中の国家や企業が開発にしのぎを削る量子コンピュータですが、藤井さんが研究を始めた2005年頃は、大学の基礎研究としても ”流行っていない” 分野だったと言います。
藤井さん 「学生時代、当時の指導教員に『量子コンピュータの研究がしたい』と話したら、『そんなもの100年経ってもできないよ』と言われたくらいです（笑）。理論としては存在していても、本当に動く機械として作れるとは思われていない、未来のぶっ飛んだテクノロジーだと思われていました」
そこから20年ほどの間に、量子コンピュータを実現するための技術は進化。デバイスを作る技術だけではなく、外部環境の影響を受けやすい量子ビットの状態を安定して保つための技術、さらにはエラーが起きた時にカバーする技術などが確立・実証されていったことにより、「本当に実現できそうだ」という期待が高まってきました。
特に風向きが大きく変わったのは2014年頃。Googleが量子コンピュータのハードウェア開発に本格参入したことでした。そこから、大学のアカデミックな基礎研究から、実際に動くコンピュータを作るというエンジニアリングのレースへと一気にシフトしたのです。
そろばんと電卓くらい違う!? 量子コンピュータのすごいところ
藤井さん 「たとえるなら、『そろばん』と『電卓』ぐらい違いますね。そろばんは玉を物理的に動かして計算しますが、電卓は電気回路を使ってデジタルに処理します。それと同じように、量子コンピュータは情報の表し方から処理の仕方まで、従来のコンピュータとはまったく原理が違います。従来のコンピュータは情報を0または1で表現する、2進法の世界。対して量子コンピュータは『０でも1でもある』など、不思議な性質を持っています」
・従来のコンピュータ：情報を「0」か「1」のどちらかの状態で表現する。最小単位は「ビット」
・量子コンピュータ：「0でも1でもある」という状態（量子ビット）で情報を表現し、計算
量子コンピュータについて、「今のパソコンの処理速度が10倍、100倍になる」「将来的にはなんでも量子コンピュータで計算すればいいのでは」といったイメージを持っている人もいるかもしれませんが、そうではありません。日常的なアプリの処理や一般的な計算は、従来のコンピュータの方が得意です。量子コンピュータは、特定の問題で強みを発揮することが期待されています。その代表例が「素因数分解」です。
藤井さん 「イベントなどに登壇するときは、よくお客さんに下のような問題を出してみるんです。『15を素因数分解してください』と言われたら、中学生でもすぐに『3×5』と答えられるのですが、「10403」などになると、すぐには分解できず、桁数が増えるほど難しくなっていきますよね。これが600桁とかになると、スーパーコンピュータでも何十万年かかっても解けないくらい難しい問題になります。実は、巨大な数の素因数分解が難しいという性質は、インターネット通信などで使われる一部の暗号の安全性を支えています。将来、量子コンピュータでこうした計算を高速に解けるようになれば、現在の暗号の安全性にも大きな影響を与える可能性があるのです」
量子コンピュータであれば、一番下の問題も高速で解くことができる
スピリチュアル？パラレルワールド？ 量子の世界の不思議なルール
量子コンピュータを理解するためには、「量子」の性質を知る必要があります。私たちが普段目にする世界（マクロな世界）では、「粒子」と「波」は異なるものとして捉えられています。粒子は、ボールのように一つ一つ数えられ、特定の場所に存在するものとしてイメージできます。一方、波は、水面の波や音、電波など、振動や変化が空間を伝わっていく現象のこと。波には、互いに重なり合うことで強め合ったり、弱め合ったりする性質があります。
ところが、原子や電子、光を構成する「光子」などの非常に小さなものの世界（ミクロな世界）では、私たちの日常の感覚とは異なる現象が起こります。例えば電子や光子は、観測の仕方によって、一つ一つ検出される「粒子」のような性質と、広がって干渉する「波」のような性質の両方を示します。これは「波と粒子の二重性」と呼ばれる特徴です。電子や光子などは「量子」の代表例であり、こうしたミクロな世界で顕著に現れる不思議な現象を説明する物理学の理論が「量子力学」です。
不思議な性質①「重ね合わせ」
量子力学の不思議な性質の代表格が「重ね合わせ」です。従来のコンピュータのビットは0か1のどちらかの状態しか持てないのに対し、量子ビットは、0でも1でもある「重ね合わせ」という状態を表現できます。
藤井さん 「なかなかイメージしづらいと思うのですが、まるで『パラレルワールド』のような不思議な世界観です。例えば、2つの箱のどちらかにボールが入っているとします。私たちが普段目にする世界では、どちらの箱に入っているか分からなくても、ボールは必ずどちらか一方にあると断言できますよね。でも量子の世界では、ボールを『観測』するまで、右の箱にある状態と左の箱にある状態が重なり合って存在することができるんです。これが『重ね合わせ』です。量子コンピュータは、この性質を利用して、さまざまな計算の可能性を重ね合わせた状態で、同時並列的に処理を進めることができるわけです」
量子の「観測」とは？
量子力学における「観測」とは、測定装置などを使って量子の位置や状態を調べること。例えば、観測する前は「右の箱にある状態」と「左の箱にある状態」が重なり合っていることがあります。しかし、どちらの箱にあるかを観測すると、その重ね合わせの状態が変化し、結果は右か左のどちらか一方に確定します。単に「どちらにあるか判別できない状態だったのを、箱を開けて確かめた」のではなく、観測することによって初めて、どちらか一方に決まるのです。
不思議な性質②「干渉」
ただ、単に同時並列で計算するだけでは、圧倒的な速さは生まれません。量子コンピュータは、さまざまな可能性を重ね合わせた状態で計算を進めることができますが、最後に計算結果を確認（観測）すると、得られる答えはそのうちの1つだけです。しかも、どの結果が得られるかは確率的に決まるため、必ずしも正解が得られるとは限りません。そのままでは、正解にたどり着くために何度も計算を繰り返す必要が生じます。そこで重要になるのが、「干渉」という波の性質です。
藤井さん 「水面に波を立てると、波同士が重なり合って高くなる場所と、打ち消し合って平らになる場所ができますよね。これが干渉です。量子コンピュータのプログラムは、この干渉を巧みに利用します。例えば、間違った答えにつながる可能性は波の『山と谷』をぶつけるようにして小さくし、正しい答えにつながる可能性は『山と山』を重ねるようにして大きくする。こうした仕組みを使って、正解が得られる確率を高めるアルゴリズムがあるんです。スピリチュアルみたいな話ですよね（笑）。でも、こうした量子ならではの性質を使うことで、特定の問題を効率よく解けるようになるのです」
不思議な性質③「量子もつれ」
もう1つの不思議な性質が「量子もつれ」です。量子もつれの状態にある粒子同士は、遠く離れていても、それぞれを観測したときの結果に強い相関が現れます。
藤井さん 「以心伝心のようなイメージですね。例えば、量子を人に見立てた場合、離れた場所にいる2人に同時に『白か、黒か？』と聞いたとします。1人目が『黒』と答えたら、もう1人もまったく同時に『黒』と答えるんです。しかし、『黒と回答した情報が相手にも伝わった』わけでも『人が瞬間移動した』わけでもありません。ただ遠く離れた2つの答えを照らし合わせると強い相関があることが分かるのです」
この「離れていても強く相関する」という性質は、量子コンピュータの計算能力を支える重要な要素の1つです。量子もつれを利用することで、複数の量子ビットをそれぞれ独立したものとしてではなく、互いに結びついた1つのまとまりとして扱えるようになります。これにより、個々の量子ビットだけでは表現できない複雑な状態をつくり出し、計算に活用できるのです。
量子コンピュータはデリケート！ 実用化の壁を越え、社会を支えるインフラに
特定の問題で大幅な高速化が期待される量子コンピュータですが、その実用化へのハードルはまだまだ高いのも事実。計算に利用する量子ビットの状態は非常にデリケートで、ちょっとしたことで計算に誤りが生じてしまうからです。
藤井さん 「たとえば『超伝導方式』という仕組みで作られる量子コンピュータは、約マイナス273度という極低温の冷凍機の中で動かします。それでも、わずかな熱や電磁波、材料に含まれる不純物などの影響によって、周囲の環境に『観測された』かのような状態になり、重ね合わせの状態を保てなくなって、正しい計算を続けられなくなってしまうのです」
数千・数万の量子ビットの状態を狂いなく制御するのは、「大混雑のテーマパークにいる全員が一斉に同じタイミングで襟を立てる」ほど至難の業だと言います。現在は、計算中に生じるエラーを検出・訂正する「量子誤り訂正」の研究開発が、世界中で急ピッチで進められています。
新素材開発に暗号解読。社会にもたらす変化とは
では、この高い壁を越えた先で、量子コンピュータは社会をどう変えるのでしょうか。量子コンピュータの活躍が期待される分野として、代表的なものが2つあります。分子や材料など、自然界の物質の性質や振る舞いをシミュレーションする計算と、素因数分解のように、量子コンピュータならではの仕組みを生かして高速化できると考えられている数学的な計算です。
藤井さん 「自然界の物質はすべて量子力学で動いているので、それを量子コンピュータでシミュレーションするのは非常に理にかなっています。薬の成分がどう化学反応するか、より高性能な電池につながる材料は何か。これまでのコンピュータでは正確な計算が難しかった分子や材料の性質を調べることで、将来、新素材や薬の開発が大きく加速すると期待されています」
そして、素因数分解のような数学的計算を応用すると、暗号解読なども可能になると言われています。なぜなら、現在クレジットカード決済や、インターネット通信などの情報を保護するために使われている暗号の一部は、大きな整数の素因数分解が難しいことを、安全性の土台にしているからです。
藤井さん 「十分な性能を持つ量子コンピュータが実現すれば、こうした計算の一部を非常に速く解けるようになり、現在使われている一部の暗号が安全ではなくなる可能性があります。それを見越して、量子コンピュータでも解読が難しい新しい暗号への移行は、すでに世界中で始まっています」
AI時代に高まる量子コンピュータへの期待
また、生成AIが爆発的な進化を遂げている今の時代こそ、量子コンピュータが注目されているという面もあります。
藤井さん 「生成AIの基盤となっている大規模言語モデルは、インターネット上に存在する膨大な言語データを学習して賢くなりました。しかし、ネット空間に存在しないデータもありますよね。たとえば、まだ誰も実験したことのない未知の化学反応のデータ。将来、量子コンピュータでこうした化学反応を高精度にシミュレーションできるようになれば、そのデータをAIに学習させることで、新しい材料や薬の開発に役立つAIを、さらに賢くすることができるでしょう」
ソフトバンクも、AIと量子を組み合わせた計算基盤づくりを進めています。AIの普及によってコンピュータによる計算の需要が急増するなか、量子コンピュータとスーパーコンピュータなどを組み合わせ、それぞれが得意な計算を分担することで、従来のコンピュータだけでは対応が難しい課題にも取り組めるよう、計算の可能性を広げようとしています。
自社のAIデータセンターや通信基盤を生かした「量子AIデータセンター」の将来的な実現も視野に入れ、さまざまな企業・研究機関と連携して、量子コンピュータの活用技術の研究や事業化に向けた検証を進めています。こうした取り組みを通じて、量子コンピュータを次世代の社会を支える計算基盤として実用化するとともに、専門知識がなくても誰もが量子技術の恩恵を受けられるようにする「量子の民主化」を目指しています。
ソフトバンクの量子コンピュータの取り組みについてはこちらをご覧ください。
- ソフトバンクのAI計算基盤と理化学研究所の量子コンピュータの接続を開始（2025年9月29日 ソフトバンク株式会社 プレスリリース）
- 量子コンピュータを活用した材料開発基盤構築の研究を6社で開始（2026年10月28日 ソフトバンク株式会社 プレスリリース）
量子コンピュータは、未来の私たちの生活を支える技術の1つとして期待が寄せられています。ただ、一般の人が「量子コンピュータを使っている」と実感する機会はあまりないかもしれません。
藤井さん 「量子をフル活用するような量子コンピュータを動かすには、冷却装置や大規模な設備が必要なので、当面はスマートフォンやパソコンの中に量子コンピュータが入るということはないと思います。しかし、私たちがAIに向かって『〇〇に効く薬を見つけて』と尋ねると、裏側でAIが『これは量子コンピュータに投げよう』と判断して計算させ、その結果を使って薬の候補を提案してくれる。そんな世界になっていくのではないでしょうか」
SFの世界から、現実のエンジニアリングへ。量子コンピュータは裏側で、AIとともに社会を支える存在になっていくのかもしれません。
（掲載日：2026年11月13日）
文：周藤瞳美
編集：エクスライト
