量子コンピュータと聞くと、原子や電子をものすごく細かく操る難しい機械だと思うかもしれません。では、量子アニーリング方式は違うのかと聞かれたら、答えは半分イエスです。この方式は「答えを探す」というより「エネルギーが低いところに自然と落ち着かせる」という発想で動きます。今回はその仕組みと、いま何ができているのかを見ていきます。
量子アニーリング方式では、超伝導素子でできた小さなループを量子ビットとして使います。このループには電流が右回りと左回りの両方の状態が同時に存在できる、という量子力学の性質があります。解きたい問題は、量子ビット同士のつながり方や強さとして装置に書き込みます。そして磁場をゆっくり弱めていきます。すると、量子ビット全体がエネルギーの低い状態、つまり答えに近い状態へと自然に落ち着きます。ボールを凸凹の坂に置いて、揺らしながらいちばん低いくぼみまで転がすようなイメージです。ただし実際には量子力学の効果を使うので、単なる物理のボールとは仕組みが違います。
この方式の強みは、組合せ最適化と呼ばれる種類の問題に向いていることです。組合せ最適化とは、たくさんの選び方の中から一番良い組み合わせを探す問題です。例えば配送ルートを決めたり、通信網の設定を決めたりする作業がこれにあたります。こうした問題は、QUBO（制約なし二次二値最適化）という共通の書き方に直せます。QUBOに直せる問題なら、幅広く同じ装置で扱えるというのが強みです。
一方で弱みもはっきりしています。答えが本当に最良のものかどうか、理論的に保証する仕組みがないことです。ゲート方式の量子コンピュータのように任意の計算をこなす万能さもありません。得意なのはあくまで最適化の問題に限られます。さらに、量子アニーリングやよく比較されるQAOAといった手法があります。これらには、性能を裏付ける理論的な保証がないという指摘もあります。だからこそ、古典のコンピュータと同じ問題で比べて、本当に得意なのかを確かめる作業が欠かせません。
いまどこまで来ているのかを見ると、実運用に近い成果が出てきています。ある通信事業者は、この方式のハイブリッドプラットフォームを使いました。333の基地局、3つのトラッキングエリアリスト（TA-List）、9つのトラッキングエリアにまたがる実運用ベンチマーク問題を対象としました。これを約5分で解いたと報告されています。この結果は実際のネットワーク計画に組み込まれています。9,300万件を超えるモバイル契約を支える基盤の一部になっているとされます。ただし、これは特定の事業者の特定の問題での数字です。分野全体としてどこまで古典のコンピュータを上回っているかは、まだはっきりしない部分が残っています。
比較を公平にしようという動きも進んでいます。QOBLIB（Quantum Optimization Benchmarking Library）は、組合せ最適化の問題を集めた取り組みです。10種類の問題について、1,264通りを収録しています。量子・古典・ハイブリッドの手法を同じ土俵で比べられるようにしています。立ち上げ時点で24の機関から2,600件を超える投稿が集まったといいます。こうした共通の物差しがあります。それにより、「量子アニーリングは本当に速いのか」という問いに、より正確に答えられるようになります。QUBOへの変換や、この方式が抱える課題があります。その全体像はQUBO変換とQAOA・アニーリングの現状整理でも詳しく触れています。
取り組む企業としては、NTT DOCOMOとD-Wave Quantum Inc.の事例が具体的です。この2つ目の商用アプリケーションがあります。位置登録のシグナリングを65.3%、ページングの負荷を7.0%減らしたと報告されています。この方式は装置がすでに実際の現場で動いている点が特徴です。業界全体の最新の動きは週報でも追いかけられます。
量子アニーリング方式を一言でまとめます。答えを探すのではなく、エネルギーが下がる先へ自然に落ち着かせる方式です。これで「方式くらべ」は6回すべてがそろいました。超伝導、イオントラップ、中性原子、シリコンスピン、光、そして量子アニーリングです。どれか1つが勝ち残るという話ではなく、得意な問題も課題も方式ごとに違います。各回を並べて読むと、その違いが見えてきます。
