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量子コンピューティングのためのハードウェアは、あと数年で現実の使用事例が見られる段階にまで開発が進んでいる（Volkswagenリリース）。それにともない、当然のことながら量子コンピューターの力を最大限に活かせるプログラム方法の研究も着実に増えている。その分野の研究のひとつにSilq（シルク）がある。スイス連邦工科大学（ETH）チューリッヒ校の量子コンピューティング用高水準プログラミング言語だ。

ここで重視すべきは、「高水準プログラミング言語」であるという点だ。この言語の開発に携わる研究者たちによれば、現在、量子コンピューターのプログラマーたちは、まだ抽象度の低い低水準言語で必要以上に苦労しているという。

「このプロジェクトの歴史は、量子コンピューターの中核的な問題を解決したいというところから始まっています」とETHコンピューター科学准教授であるMartin Vechev（マーティン・ベシェフ）氏は私に話してくれた。「しかし量子コンピューティングの中核的問題を解決するためには、例えば量子プログラムの解析や推論をするには、それらの問題が記述されている言語が必要です。それは既存の言語です。私たちは量子コンピューティングのさまざまな問題を見てきましたが、基本的にはその言語を見て、問題がどのように記述されているかを確認するという作業が主体になります。しかしお察しのとおり、これは理想的とはいえず、最適な方法でありません」。

そこで彼らは、実際に使われている別の言語も調べてみることにした。Microsoft（マイクロソフト）のQ#や、IBMのQiskitなどのSDKだ。

「当初は、新しい言語を開発する必要性などまったく感じていませんでした」とベシェフ氏の博士課程大学院生であるBenjamin Bichsel（ベンジャミン・ビクセル）氏は話す。「そこをそもそものスタート地点として検討するなど、考えてもみませんでした。量子コンピューターで、もっと高度な問題を解決したいと思ったときに、よしそれじゃあ適当に言語をひとつ選んで、それでやろうというのが私たちの考え方でした。しかし気がついたのです。私たちが推論したいと関心を持つような高度なプロパティーには、既存の言語はまったく不適格でした」

今週のPLDI 2020で発表を予定しているSilqの論文を
共著した1人は、あまりにも面倒なので既存の言語は一切使わなかったとさえ話している。この論文の執筆には、ビクセル氏とベシェフ氏の他、Timon Gehr（ティモン・ゲール）氏とMaximilian Baader（マクシミリアン・バーダー）氏も参加している。

では、既存の言語のどこが悪いのだろうか？「それを理解するための入口として最適なのが、従来の言語には存在しなかった量子コンピューティングならではの基本的な難題、つまり『非計算』に注目することです」とベシェフ氏は話す。実際、非計算はSilqの中核的なアプローチであり、ネイティブに組み込まれている。非計算には古典対応があるものの、だからといってその概念が直感的にわかるというものではない。

「古典的な言語で『AまたはBまたはC』を計算させようとすると、先に『AまたはB』を計算してから、『（その結果）またはC』が計算されますが、その間に計算された一時変数は忘れ去られてしまいます」とビクセル氏。「これを量子で行うと、予期せぬ副作用が発生します【略】結論として、こうなると予測されたことが、ここでは起こりません。そのためなんとかこれに対処しなければならないのです。これが意味するものは、現在あるすべての量子言語では、本質的に抽象度が大変に低いところでの作業を強いられるということです。そこでは、すべての一時変数を考慮しなければなりません。基本的にこれが、高水準な思考を妨げているのです」。

つまり、整数を可算するなど比較的些細なことをしようと思っても、量子コンピューターでは、処理の過程で発生したあらゆる一時変数を考慮して、明示的に扱わなければならないということだ。

「量子コンピューティングでは、廃棄すべき一時変数などのガーベッジに常に対処しなければならないため、常に対応が強いられます。それが、これらの言語を使う上で大変な手間になるのです」とビクセル氏。現在の量子言語はその回避を試みているが、その方法はやや難解だ。それに対してSilqは、安全な自動非計算が最初から使えるようになっている。

ベシェフ氏はまた、低水準プログラムの記述ではエラーが発生しやすく、アルゴリズムが実際に何をしているのかを理解しづらいと話している。それに対してSilqの型チェッカーには、プログラマーが犯しやすい一般的なミスを低減してくれる機能がある。また研究チームは、古典的な言語の最新の技術（オーナーシップタイプやリニアタイプのシステム）に注目し、量子コンピューシングのコンテキストに実装しているが、これもSilqが初めてだ。

ここまで知れば、Silqで書かれたプログラムは、Q#やQuipperなどと比べてずっと短く、量子プリミティブの数もずっと少なくなる（Silqリリース）ことを研究チームが発見したと聞いても、ビックリはしないだろう。

しばらくの間、Silqはまだ研究プロジェクトの段階であり、既存のいずれの量子ハードウェアプラットフォームでも走らせる予定はない。だが彼らは、独自で量子エミュレーターを作成して前提の検証を行っている。「我々の場合、大変に高水準な言語のため、コンパイルは2段階処理で行うことを考えています。まずは高水準な目的を表現する。するとそれを受けてコンパイラーが使用されるアーキテクチャーを特定し、それに対してどのように最適化するかを判断します」とビクセル氏。

Silqの詳細を深く知りたいという方は、こちらで論文が読める。

画像クレジット：ALFRED PASIEKA / SCIENCE PHOTO LIBRARY / Getty Images
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（翻訳：金井哲夫）

古典的なコンピュータのパラダイムは、常にスピードで語られてきた。少なくとも一般的なイメージでは。もちろん実際には、古典的なコンピュータの目標は、もっとずっと複雑なものになってきている。たとえば、より大きな、より多くの、あるいはより微妙なデータから、意味のある洞察を取り出せるような能力の向上、といったものだ。しかし、われわれがスマートフォン、タブレット、ラップトップを評価する際に気にするのはスピードだ。つまりどれだけ速いかということ。それによって、どれが「最高」なのかが決まる。

というわけで、この妄信的なものさしが、量子コンピュータの議論に持ち込まれるのも不思議ではない。量子コンピュータに関する一般的な記事を読むと、ほとんどスピード、スピード、スピードという語で埋まっている。スピードしか気にしていない。そのように考えている限り、量子コンピュータがわれわれに何をもたらしてくれるのか、理解することはできないだろう。

なによりも、古典的なコンピュータのスピードへの関心は、現在では時代遅れで潜在的に有害であるとみなされている。というのも、スピードの追求は、現在最も火急の研究開発課題とされているエネルギー効率から目をそむけさせるからだ。

このような固定観念によって量子コンピュータを見ることは、本質を突いたものではなく、古典的なコンピュータと量子コンピュータの性質の違いを描き出すものではない。

古典的な計算機の限界と、それを量子コンピュータによってどのように克服できるのか、ということが多くの人の関心を集めている。しかしスピード、トランザクションのスピードに、あまりにも興味が集中してしまう。私は実際に、量子コンピュータを使えば取引業務がどれくらい速くなるのか、と聞かれたことさえある。データセンターにある標準的なラックマウント型コンピュータと量子コンピュータの速度を比較できるチャートを見せてほしい、と言われたこともあるが、それはまだマシなほうだ。

もちろん、それは、この驚異的な新技術を評価するために取るべき手段ではない。むしろ、われわれは、これまでに考えたこともなかったようなやり方で、問題を解決する方法を検討すべきなのだ。量子コンピュータは、そのためにある。これらのマシンは、現在も解決できている問題を、単により迅速に解決するために設計されたのではなく、想像したことさえなかったような問題を解決するためのもの。まったく新しい能力を備えた、まったく新しいカテゴリのマシンなのだ。

古典的な「巡回セールスマン問題」を考えてみよう。訪ねるべき町のリストと、それぞれの間の距離が示されたとき、すべての町を巡って元の場所に戻ってくる最も短い経路を求める、というものだ。

われわれは、自身の想像力を使って、量子コンピュータによって可能になることを想像してみる必要がある。

あるいは、「ケーニヒスベルクの７つの橋」について検討してみよう。このかつてのプロイセンの都市は、プレゲル川の両岸にまたがっていた。その川の中には２つの島があり、それらが互いに合計７つの橋でつながれていた。それらの橋を必ず１度だけ通って、街を渡り歩く方法を見つけ出すことができるだろうか？Leonhard Euler（レオンハルト・オイラー）氏は、1736年に、それが不可能であることを証明した。この難問に挑むには、数学的な分析の技法を使わなければならなかった。そして、この不可であるという発見が、今日「グラフ理論の最初の定理」として広く知られている定理の創出に、そしてネットワーク理論の最初の証明に、Euler氏を導いた。

この答えがない奇妙な問題が、数学的なブレークスルーをもたらしたのだ。もしオイラー氏が量子コンピュータを持っていたら、どうだっただろう？　役に立っただろうか？それは私には分からないが、これだけは言える。われわれは、自身の想像力を使って、量子コンピュータによって可能になることを想像してみる必要がある、ということ。スピードに固執した古典的なコンピュータの世界とは決別すべきだ。そこには何の類似性もない。

量子コンピュータは、その設計において、古典的なコンピュータとはまったく異なっていて、私たちが夢見たこともないようなことを実行する能力を持っている。

量子コンピュータは古典的なコンピュータを置き換えるものではない。これからも両方が使われ続けるだろう。それらは異なった用途のために設計されているからだ。

古典的なコンピュータは、0か1かで表されるビットを使う。そろばんを使うのと基本的に同じ方法で計算を実行するわけだ。そのため、古典的なコンピュータで解くことのできる問題の種類は、事実上われわれが手で解くのと同じ。つまり、古典的なコンピュータが得意とする問題の種類は、演算にかかる時間が入力のサイズに応じて急激に大きくならないようなものに限られることになる。言い換えれば、もし入力に応じて評価時間が指数関数的に増加するような場合、古典的なコンピュータが解答を導き出す頃には（もし答えが出ればの話だが）、あなたはすでに死んでいる、ということも考えられる。

量子コンピュータは、キュービット、つまり量子ビット使用する。１つのキュービットは、その古典的なコンピュータとまったく同じように、0または1の値を取ることができる。ただし、それら２つの状態を重ね合わせた状態になることも可能だ。それは、以下のように書くことができる。

a|0⟩ + b|1⟩

ここで、aとbは複素数の値を表す。キュービットを計測すると、|a^2|の確率で0となり、|b^2|の確率で1となる。量子コンピュータは、キュービットの状態にユニタリ変換を適用して計算を実行する。そうして、これら２つの要素を組み合わせることにより、手計算でも、古典的なコンピュータでも不可能な計算の可能性が生まれる。これには、より優れた因数分解、検索、および量子力学のシミュレーションなどが含まれる。これらすべてが、計算機にとってまったく新しい時代の到来を意味している。それは、今後10年間で、これまでの計算機のすべての歴史よりも大きな変化をもたらすと、私は信じている。

速度に固執するのではなく、どのような種類の計算上の課題が量子コンピュータのスイートスポットとなるのかを想像してみる必要がある。もし、量子コンピュータが昔からある計算のために生まれたのでないとすれば、過去の問題を解決するために適したものでもない、ということになる。量子コンピュータは、まだだれも夢にさえ見ていなかったような、まったく新しい問題を解決するためのものなのだ。

画像クレジット：Syaheir Azizan／Shutterstock

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（翻訳：Fumihiko Shibata）