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暗号技術への脅威? 新たな技術の幕開け? MITが量子コンピュータのスケール化に道筋

 インターネット決済に使われるクレジットカード番号や、機密情報など、第三者に漏れてはいけない情報は、暗号化された上で端末からサーバーへと送信される。その暗号化の基本要素として使われるのが、巨大な数の素因数分解だ。

 15=3×5、91=7×13というように、あらゆる正の整数は素数のかけ算で表わすことができ、これを素因数分解と言う。素因数分解には解の公式のようなものはない。2〜3桁程度なら人間でも計算できるが、桁が増えることに困難さは指数的に上昇し、数百桁になってくると、スパコンでも膨大な時間がかかる。それを逆手に取ったのが現在広く用いられているRSA暗号化技術で、巨大な素数による合成数の素因数分解のしにくさが、その安全性の根拠となっている。

 一方、複雑な解析を効率的に行なうコンピュータとして、量子コンピュータに注目が集まっている。従来のコンピュータでは基本的に1つのトランジスタが0か1の値を持つ。これに対し、量子コンピュータの基本素子(Qubit)は、原子などの量子力学的な重ね合わせ状態を用いて、「0と1の値を同時に」持つことができる。これを応用することで、従来型コンピュータでは逐次演算していたものを、1回の並列演算で済ませることが可能となる。しかし、多数の原子の同時制御の困難さが、量子コンピュータ発展の障壁となっていた。

 そんな中、今回マサチューセッツ工科大学(MIT)の研究者が、理論的にスケーリング(拡張)可能な量子コンピュータの基礎技術を開発した。まずチームは、これまで「15」という数字の素因数分解に12qubit必要だったところを、5qubitで済ます方法を開発した。

 具体的には、正に耐電した5つの原子をイオントラップによって、数μm間隔で配置。この距離では原子同士は相互作用を行なうことができ、論理ゲートとして機能する。5つの原子の内4つにレーザーパルスを照射し、演算を実行。その結果を5番目の原子によって、ストア、フォワード、そしてリサイクルなどの処理を行なうことで「ショアのアルゴリズム」を実行し、素因数分解に成功した。

 このQubitをリサイクルさせる方法は、システムリソースを従来の3分の1に減らすことができる点で画期的と言える。加えて、このシステムはより多くの原子とレーザービームを用いることで、現時点では非常にコストがかかるものの、論理的にはいくらでも拡張することができるという。

 このような高性能な量子コンピュータは、新たな技術の発展をもたらす可能性もある。一方で、今回の実験では2桁の15という数字の素因数分解に成功しただけだが、拡張させれば膨大な桁数の素因数分解も短時間に行なうことが可能で、現在の暗号化技術の安全性を脅かす可能性も秘めている。

(若杉 紀彦)