量子コンピュータとは？「矢印」でわかる仕組みの基本【第1回】

2025年のノーベル物理学賞は、1984年から85年にかけて行われた、ある電気回路の実験に贈られました。

その実験から40年。いまIBMやGoogleが動かしている量子コンピュータの、いちばん基礎になる部品は、そこから一本の線でつながっています。

この連載では、量子コンピュータとは何かを全6回でご紹介します。第1回は、この分野でいちばん大事な「矢印」という考え方までを。盛岡で砕石と土木工事をしている当社には縁遠い話に見えますが、暗号の切り替えは2035年に私たちの銀行や役所にも及びます。他人事として書ける話ではありません。

1984年から、一本の線がつながっています

超電導方式の量子ビットを載せたチップのイメージ図。十字の形をした電極が格子状に並び、チップの縁から細い金線が周囲の基板へ弧を描いている
超電導方式の量子ビットを載せたチップ。1999年にNECが作った回路の子孫にあたります。イメージ図（生成AIで作成）

1984年から85年。クラーク、ドヴォレ、マルティニスの3氏が、超電導の電気回路で、量子の世界の現象が「目に見える大きさの回路」でも起きることを実験で示しました。超電導とは、うんと冷やすと電気の抵抗がゼロになる現象です。回路には、ジョセフソン接合という部品を使っています。この業績に対して、2025年のノーベル物理学賞が贈られています。

1999年。NECの基礎研究所にいた中村泰信氏、パシキン氏、蔡兆申氏の3氏が、量子ビットを思いどおりに操ることに世界で初めて成功しました。使ったのは、同じジョセフソン接合でできた「クーパー対箱」という回路です。論文は『Nature』の1999年4月29日号に載りました。

しかもこれは、量子ビットを作ろうとして作ったものではありません。蔡氏はNECで「次世代コンピュータを考えろ」と言われ、電子を1個ずつ制御する素子を研究していました。その素子で0と1を重ね合わせてみたら、重ね合わせの生成と読み出しに成功した。理化学研究所がこの経緯につけた題は、「気付いたら量子ビットができていた」です。

2007年。この回路を改良した「トランズモン」という方式が提案されます。論文の題名は、そのものずばり「クーパー対箱から導かれた、電荷ノイズに鈍感な量子ビット設計」。NECが使った回路の名前が、題名にそのまま入っています。そしてこの論文の共著者のひとりが、先ほどのドヴォレ氏です。

そして現在。このトランズモンが、IBMやGoogleの量子コンピュータの主力部品になっています。1984年の実験から数えて、40年。基礎研究が形になるまでに、それだけの時間がかかっています。

40年 1984-85 ジョセフソン接合の実験 2025年のノーベル物理学賞の対象 1999 NECが量子ビットを世界初実現 「クーパー対箱」。Nature 1999年4月29日号 2007 トランズモンの提案 論文の題名は「クーパー対箱から導かれた設計」 いま IBM・Google の主力部品に 2025年のノーベル物理学賞は、この線の出発点に贈られた 基礎研究が形になるまでに、40年かかりました
1984年の実験から、いまの機械まで。一本の線でつながっています。

ここからが本題です。量子ビットは「矢印」を持っています

いまのコンピュータは、すべての情報を0と1で表しています。この0か1かのひとつぶを「ビット」と呼びます。ビットは必ず0か1のどちらかです。スイッチと同じで、入っているか切れているか。

量子ビットは違います。ここを、ひとつずつ積み上げてご説明します。

量子ビットは、0と1をどういう割合で混ぜるか、そのものが状態になります。そして混ぜ具合には、「向き」がついています。

この「向きのある量」を、矢印だと思ってください。長さと、向き。長さは「その答えが出やすいかどうか」を、向きは「位相」と呼ばれるものを表します。位相という名前は、覚えなくて結構です。大事なのは「向きがある」ということだけです。

この矢印は、私たちが思いついた説明ではありません。ノーベル物理学賞を受けたリチャード・ファインマンが、一般向けの講演で量子の世界を説明したときのことです。数式をひとつも使わず、ぐるぐる回る矢印の足し算だけで説明しました（『光と物質のふしぎな理論』）。専門家が一般の人に伝えるときに使う、正統なやり方です。

そしてこの「向き」こそが、普通の確率との決定的な違いです。サイコロの目が出る確率には、向きがありません。3割は3割で、それ以上のものではない。ところが量子の世界では、同じ「3割」でも向きが違うと、その後の振る舞いがまるで変わります。

よく「0でもあり1でもある、不思議な状態」と説明されますが、この言い方だと向きの話がまるごと抜け落ちます。そして向きが抜けると、量子コンピュータが速い理由も、まるごと消えてしまうのです。

ふつうのビット 0 1 どちらか一方。必ず、どちらか スイッチと同じです 量子ビット 長さ 出やすさ 向き 位相 長さが同じでも、向きが違えば別のもの
ふつうのビットは0か1。量子ビットは、長さと向きを持つ矢印です。この「向き」が、普通の確率にはないものです。

量子ビットが増えると、矢印の数が爆発します

ここが、いちばん大事なところです。

量子ビットを2個並べると、「00」「01」「10」「11」という4通りの組み合わせができます。量子ビットの世界では、この4通りのそれぞれに、1本ずつ矢印がつきます。

3個なら8通りで8本。4個なら16通りで16本。1個増えるごとに、矢印の数は倍になります。

量子ビットの数矢印の本数
10個1,024本
20個約100万本
50個約1,126兆本
300個観測できる宇宙にある原子の数より多い

ここで大事なことを、はっきり申し上げます。これは「2の300乗個のデータを保存できる」という意味ではありません。そういう説明をときどき見かけますが、間違いです。取り出せる情報の量は、量子ビットの数だけです。

正しくはこうです。その状態を普通のコンピュータで書き留めようとすると、それだけの本数の矢印を並べる必要がある、ということです。

1個増えるごとに、矢印の数は倍になります 量子ビット 矢印 1個 2本 2個 4本 3個 8本 ⋮ 50個 約 1,126 兆本 ここまで来ると、もう描けません
矢印の本数は、量子ビットが1個増えるごとに倍になります。ただしこれは「その本数のデータをしまえる」という意味ではありません。

量子コンピュータとは、まとめ（第1回）

次回は、その矢印から、どうやって答えが出るのか。そして、なぜ普通のコンピュータでは追いつけないのかをご紹介します。

本稿は執筆時点（2026年9月）の情報です。この分野は動きが速く、内容は変わっていきます。下記の出典元で最新の情報をご確認ください。

参考・出典

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