量子コンピューターは、新素材開発や創薬といった分野に革新をもたらすと期待されています。2026年2月2日、研究チームは91量子ビットプロセッサーを用い、物理学の難問の一つである量子カオスのシミュレーションに成功したと発表しました。量子カオスとは、古典的なカオス概念を量子力学に適用した研究分野で、量子系の複雑な振る舞いを解明することを目指します。この画期的な成果は、「91量子ビットプロセッサーが多体量子カオスを正確にシミュレート」と題された論文として、物理学分野のトップクラス学術雑誌である「ネイチャー・フィジクス」に掲載され、大きな注目を集めています。
複雑な量子カオスの実像を解明
研究チームが挑んだのは、量子カオスと呼ばれる複雑な現象の解明です。カオスとは、初期状態のわずかな違いが将来の結果を大きく変えてしまう予測不可能な振る舞いのことを指します。これをミクロな量子力学の世界に適用したものが量子カオスであり、材料科学や素粒子物理学の基礎を理解する上で極めて重要な鍵を握っています。
今回の研究では、91量子ビットという大規模なシステムにおいて、多数の粒子が互いに影響し合う量子多体系の動的な振る舞いを再現しました。量子多体系とは、多数の粒子が相互作用する量子系のことで、その複雑な振る舞いを理解することは物性物理学や量子化学における重要な課題です。これは、従来の古典的なコンピューターでは到底不可能な規模の計算であり、量子コンピューターが理論上の概念を超えて、実際の科学的探究の強力なツールになりつつあることを示しています。
ノイズを克服する新技術：テンソルネットワーク誤差軽減法 (TEM)
量子コンピューターの実用化において最大の障壁となっているのが、計算中に発生するエラーです。量子ビットは非常にデリケートで、外部からのわずかなノイズで計算結果が歪んでしまいます。このエラーを完全に修正するには膨大な数の予備ビットが必要となりますが、研究チームはテンソルネットワーク誤差軽減法（TEM）という画期的な手法でこの問題を解決しました。TEMとは、量子コンピューティングにおける後処理型の誤差軽減技術で、テンソルネットワークを用いてノイズの逆チャネルを近似し、量子デバイスのサンプリングオーバーヘッドを削減します。これは、計算結果からノイズの影響を数学的に取り除くエラー緩和技術の一種です。エラー緩和は、量子コンピューターにおけるエラーの影響を軽減するための手法で、完全なエラー訂正が困難な場合に計算結果の精度を向上させます。例えるなら、ノイズキャンセリングヘッドホンが周囲の雑音を打ち消してクリアな音を届けるように、TEMは量子デバイス特有のノイズを古典計算で近似的に推定し、本来の正しい結果を導き出します。この手法により、ハードウェアが不完全な状態であっても、極めて精度の高いシミュレーションが可能になりました。
デュアルユニタリ回路でカオス解析を加速
研究チームは、デュアルユニタリ回路と呼ばれる特殊な量子回路を91量子ビット超伝導量子プロセッサー上で用いることで、今回のシミュレーションを実現しました。デュアルユニタリ回路とは、時空間両方でユニタリ性を持つ回路で、特定の量子系の特性を正確に計算できます。この特性により、通常は計算が非常に難しい量子系の特定の振る舞いを正確に評価でき、量子カオスのような複雑な系のダイナミクスを高い精度でシミュレートすることが可能になります。
デュアルユニタリ回路は、周期的に駆動される量子多体系のモデルであるキック・イジング・モデルのシミュレーションにも用いられ、特定の初期量子状態を準備しました。エラー緩和を施したシミュレーション結果は、異なるシステムサイズでのデュアルユニタリ回路における自己相関減衰の正確な解析予測と密接に一致しました。
古典計算の限界を超える量子コンピューターの精度
量子コンピューターの性能を証明するため、研究チームはシミュレーション結果を古典コンピューターによる計算と比較しました。量子系のシミュレーションには、主に2つの記述方法があります。
- ハイゼンベルク描像：量子力学における状態の時間発展を演算子に帰属させる描像。物理量そのものが時間とともに変化すると捉える方法です。
- シュレーディンガー描像：量子力学における時間発展の記述方法の一つで、量子状態（波動関数）が時間とともに変化し、物理量（演算子）は時間に依存しません。粒子の状態が時間とともに変化すると捉える方法です。
今回の実験では、ハイゼンベルク描像を用いた解析において、TEMを適用した量子コンピューターの結果が、古典シミュレーションの結果と高い一致度を示しました。一方で、シュレーディンガー描像を用いた計算では、量子ビット数が増えるにつれて古典コンピューターの負荷が指数関数的に増大し、全ての可能性をしらみつぶしに調べるようなブルートフォース古典シミュレーションでは太刀打ちできない領域に達しています。ブルートフォース古典シミュレーションとは、全ての可能性を列挙する直接的な古典シミュレーション手法です。この事実は、量子コンピューターが古典計算の限界を超えた優位性を持っていることを裏付けています。
社会実装に向けた展望と今後の課題
この技術革新は、産業分野に大きな恩恵をもたらすと考えられます。特に期待されるのが、材料科学と創薬の分野です。
材料科学においては、室温超伝導材料や次世代半導体の開発において、複雑な電子状態を正確に予測することが不可欠です。また創薬の分野では、タンパク質と化合物の相互作用をシミュレーションすることで、副作用が少なく効果の高い新薬を短期間で設計できる可能性があります。こうしたエラー緩和技術の社会実装を進めることは、技術発展を加速させる鍵となるでしょう。
編集者の視点：不完全な現実を乗り越える知恵
今回の成果が画期的なのは、エラーをゼロにする「完璧な量子コンピューター」の完成を待つのではなく、現在ある「不完全なマシン」をどう使いこなすかという現実的な解を示した点にあります。
科学の世界では、理想を追い求めることも重要ですが、制約の中で最大限の成果を出す知恵も同様に尊ばれます。TEMのようなエラー緩和技術は、量子コンピューターが私たちの生活を変えるまでの時間を劇的に短縮するはずです。量子技術はもはやSFの世界の話ではありません。私たちの目の前で、新しい科学の扉が今まさに開かれようとしています。この劇的な進化がもたらす未来を、期待を持って見守りたいと思います。
