量子コンピューターはどう使う？

　NEDOは、エネルギー・地球環境問題の解決や、日本の産業技術力の強化を目指し、委託事業や補助金により技術開発を支援する経済産業省所管の国立研究開発法人だ。

　同機構が産業技術力の強化を目指し、取り組んでいるのが量子コンピューターに関する事業だ。NEDOでは量子コンピューターを作るハードウェア開発事業「ポスト5G情報通信システム基盤強化研究開発事業」に加え、社会での活用分野の創出を目指すユースケース開発「量子・古典ハイブリッド技術のサイバー・フィジカル開発事業」（以下、量子・古典事業）を実施している。

　NEDOが量子コンピューター事業に取り組む背景について、NEDOのAI・ロボット部 量子ユニット 量子ユースケースチーム 主査 プロジェクトマネージャー 橋本就吾氏は「量子コンピューターのハードウェア開発は、2030年前後で大規模化・実用化が示されるなど着実に進展する見込みが開発企業から示されています。一方、米国のボストン コンサルティング グループ（BCG）が調査した『What Happens When ‘If’ Turns to ‘When’ in Quantum Computing？』によると、量子コンピューティングは2040年までに全世界で4,500〜8,500億ドルの経済効果を生み出す予測です」と指摘する。その一方、市場規模の内訳を見ると量子コンピューターのハードウェアやソフトウェアなどの技術提供者側の市場規模は2割であり、残りの8割はエンドユーザー側の市場が占めると予測されている。量子コンピューターの市場の成長を促すためには、ハードウェアやソフトウェア開発のみならず、ユースケース開発への支援が不可欠といえるのだ。

　こうした背景から実施しているのが、前述した量子・古典事業だ。本事業では量子技術と古典コンピューターにおけるAIを組み合わせた「量子・古典ハイブリッド技術」によって実問題を解決するユースケースを開発することで、早期実用化による市場獲得を目指している。橋本氏は本事業で量子・古典ハイブリッド技術を用いる背景について次のように語る。

「本事業は2023〜2027年度の5カ年事業であり、2022年に事業の立ち上げを行いました。当時は量子コンピューターの実務利用は難しいと言われており、古典コンピューターを用いたAIとハイブリッドで運用することが検討されていました。例えば事象に対する予測はAIで行い、その予測を基にした最適化を量子コンピューターで行うというような使い分けです。2022年4月に策定された量子未来社会ビジョンでも同様に、量子と古典の技術システムを密接に連携し、融合・一体化させながら研究開発に取り組むことの重要性が提言されており、まずは量子・古典ハイブリッド技術によるユースケース開発の取り組みをスタートさせました。国が量子コンピューターを活用したモデルケースを創出することで、新規ユーザー企業の参入を促す狙いもあります」

　量子・古典事業では、二つの研究開発項目に取り組んでいる。一つ目は「量子・古典アプリケーション開発・実証」だ。これは素材開発、製造、物流・交通、ネットワークの分野において、量子・古典ハイブリッド技術を活用することで、従来技術では解決が困難だった事業課題を解決できる「量子・古典アプリケーション」を開発し、ユースケースの開拓を目指す。

　二つ目は「量子・古典最適化等に向けたライブラリ開発」だ。前述したアプリケーションにおける素材、製造、物流・交通、ネットワークの単一分野または複数の関連分野で共通的に使用できる共通ライブラリの開発に加え、管理体制の整備を行う。本記事では一つ目のアプリ開発にフォーカスを当てて紹介していく。

　研究開発例として、橋本氏は「量子・AI支援による機能タンパク質最適化技術の研究開発」を挙げた。本研究開発は東北大学と、東北大発のバイオベンチャー企業のレボルカが実施している素材開発事業だ。タンパク質は医薬品などさまざまな分野で利用されているが、このタンパク質設計の上で必要となるアミノ酸の組み合わせは膨大であり、古典コンピューターによるAIだけでは目的の特性をもつアミノ酸配列を見付けられる可能性が低い。そこで量子アニーリング※1を適用することで、配列の探索規模を拡大させ、医薬や産業に利用できる機能タンパク質の開発成功率と開発速度を向上させる技術開発を行っている。

「量子コンピューターと古典コンピューターは得意分野が異なります。量子コンピューターは計算における『アクセラレーター』の役割を担う存在であり、従来の古典コンピューターが苦手としていた計算量が膨大な問題に適用することで価値を発揮できます。例えばアプリ開発事業でシャープが取り組んでいる『大規模な物流倉庫における入出庫の経路最適化アプリケーションの研究開発』では、倉庫のAGV（搬送車）の運搬経路を量子コンピューターを活用して最適化する実証実験を行っています。物流量が増加する中で、倉庫を走行するAGVの数も増加しています。これらのAGVは500台規模であれば古典コンピューターで効率的な制御が行えますが、700〜1,000台規模になると計算量が増大し、現場が求める最適化スピードに追いつかなくなります。そこで組み合わせ最適化問題に特化した量子コンピューター『量子アニーリングマシン』を活用し、物流倉庫のAGVの経路最適化制御アプリケーションの開発に取り組んでいます」と橋本氏は語る。

　古典量子開発事業では、アプリ開発やライブラリ開発に加え「量子技術に関するユースケース事例調査」も実施している。国内外の最新の量子コンピューターの実用化や事業化のユースケースを調査し、それらを事例集として公開しているのだ。「これらの事例を見ても組み合わせ最適化問題に特化した量子アニーリングマシンの実用化が進みつつあることが分かります」と橋本氏。

　量子技術の活用例増加の背景には、国内における量子コンピューターの利用環境が整いつつあることが挙げられる。またNEDOでは「量子・スパコンの統合利用技術の開発」において、量子コンピューターとスパコンを連携利用するためのプラットフォームを構築し、テストユーザーが参画できるプログラムや、ユーザー数増加や人材育成を目的とした懸賞金事業「量子コンピューターを用いた社会問題ソリューション開発」など、量子コンピューターの実用化に向けた事業を多方面から展開している。

　NEDOではこうした量子コンピューターのハードウェア開発やユースケースの創出をさらに促進させるため「量子コンピューターの産業化に向けた開発の加速および環境整備」事業を実施する。本事業は2026〜2028年度の3カ年の事業で、2030年ごろの量子技術の産業化に向けて、量子コンピューターの次世代機の研究開発並びに人材育成とともに、ユースケース創出に向けた大型実証事業などを進めていく。このうち、「ユースケース創出のための大型実証」については、1件当たりの提案額上限はNEDO負担額ベースで20億円、公募におけるNEDO負担額の上限は総額150億円（いずれも3年分）と大規模な実証事業だ。

　現時点では古典と量子を組み合わせることでより高度な計算を実現しているが、今後量子コンピューターの技術が進展することで古典コンピューターが不要になる可能性はあるのだろうか。橋本氏は「一般的に100論理量子ビットのゲート型マシン（汎用量子コンピューター）で実用可能なアプリケーションが出始めるのは、2030年前後と言われています。量子コンピューターは引き続き進化を続けていきますが、疑似量子技術（従来の古典コンピューター上で量子コンピューターの原理を実現する技術）にも古典コンピューターのGPUが必要になります。加えて、量子コンピューターと古典コンピューターを組み合わせて最適化問題等を解くハイブリッド型の計算手法においても、古典コンピューターは重要な役割を担います。このため、古典コンピューターには引き続き需要が見込まれています。企業の皆さまには、ゲート型マシンが本格的に使える状況を見据えた『量子レディネス』※2を確保し、量子技術の本格利用に備えてもらえたらと思います」と語った。

※1量子力学の性質を利用して膨大な組み合わせの中から最適解を効率的に探索する計算手法。
※2量子コンピューティングの活用やそれに伴うリスクに対応するため、企業が戦略・人材・技術・セキュリティの観点から備える“組織的な準備度”。