量子コンピュータが私たちの未来を変える日は実はすぐそこまで来ている。
そんな今だからこそ、量子コンピュータについて知ることには大きな意味がある。単なる専門技術ではなく、これからの世界を理解し、自らの立場でどう関わるかを考えるための「新しい教養」だ。
『教養としての量子コンピュータ』では、最前線で研究を牽引する大阪大学教授の藤井啓祐氏が、物理学、情報科学、ビジネスの視点から、量子コンピュータをわかりやすく、かつ面白く伝えている。今回は藤井氏がストーリー形式で量子力学について執筆した特別原稿をお届けする。
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最先端技術に興味津々の中学生Q太郎くんは夏休みに、量子コンピュータの研究をする量子（りょうこ）先生に量子コンピュータについて教えてもらうことになりました。
しかし、そもそも量子コンピュータを理解するために必要な量子力学についてほとんど知らないことに気づきます。
ここでは、量子先生（以下、量子）とQ太郎くん（以下、Q太郎）との間の会話を通して量子力学についての理解を深めます。今回は「量子力学の考え方」について学んでいきましょう。
波でも粒子でもある量子力学
Q太郎：先生！ 今までは身の回りの物質や力について教えてもらってけど、今日からは「量子力学」を教えてもらえるんだよね！
量子：そう、お待ちかねの「量子力学」だよ。
まず、原子の仕組みを理解したきっかけは、原子からの発光と関係するの。
リドベルグっていう研究者が、いろいろな原子が発する光のエネルギー（波長）を調べて、それらには綺麗な関係式があることを見つけました。
その関係式では、原子が発する光は、それぞれ原子固有の規則性を持ちます。
この光は、原子が失ったエネルギーと同じくらいなので、原子が規則性のあるとびとびのエネルギーしかとらないということがわかるっていうお話だね
Q太郎：ううん、ちょっと難しくなってきたぞ。
たしか、力学で考えると、運動エネルギーは物質の初速を変えればいろいろなエネルギーをとることができるよね？
それなのにどうして原子のエネルギーはとびとびになるの？
量子：これはなかなか難しい問題だったんだよ。
この問題を最初に解決したのはボーアっていう研究者なんだ。
ボーアは、電子が陽子の周りを安定的に回るためにはある条件を満たさなければならないと考えました。
その条件は「電子を波だと考え、その波の波長のちょうど整数倍が原子の周の長さになる」というものだったんだ。
だから、エネルギーはこの条件を満たすとびとびの値しかとれなくなると考えるんだよ。
Q太郎：ということは、電子は波だったっていうこと？
量子：そう思うのはまだ早いよ。
たしかに、粒子だと思われていた電子を波だと思うことですごくうまく実験結果を説明することができました
けれど、電子が粒子だと思えるような現象もいくつかあるんだ。
電子は波なのか粒子なのか、当時の物理学者たちはかなり悩んで、最終的に「電子は粒子と波の両方の性質を持つもの」だって考えたの。
電子のある側面を見ると波として、そして別の側面を見ると粒子として振る舞うとしたってことだね。
Q太郎：えぇ、そんなの都合がよすぎない？
量子：Q太郎くんがそう思うのも無理はないね。
電子の波や粒子を直接見ることはできないし、実感がわかないのもよくわかるよ。
もう少しわかりやすくなるように、電子の二重スリットという有名な実験について考えてみよう。
この実験は、電子銃から電子をスクリーンに向けて発射するんだけど、途中に二つのスリットを開けた壁を置いておくんだ。
このときスクリーンにどのような模様が現れると思う？
Q太郎：えーと、電子を粒で考えるか、波で考えるかで変わっちゃうんじゃないかな？
量子：お、いい考え方だね。
まず、答えから。
実は、波の干渉でできる縞々模様が見えるんだよ。
Q太郎：じゃあやっぱり電子は波ってことか。
なぜ縞々模様が見えるのだろうか？
量子：順を追って考えてみよう。
スクリーンでは、電子が一つひとつ観測されています。
これだけ見ると電子はどう考えても粒子だよね。
たくさんの粒子がぶつかりあって干渉が見えていると考えるかもしれないけど、今は一つひとつ電子を発射して観測しているから、ぶつかり合うことはないはず。
じゃあなんで、その一つの粒子が干渉して、縞々模様になると思う？
Q太郎：難しいな……うーん、粒子は途中で波に化けた？ さすがにそんなわけないか。」
量子：正解！
Q太郎：ええ!? 嘘でしょ？
量子：だってスクリーンにぶつかるまで電子がどのように振る舞っていたかなんて誰も見てないんだよ？
だったら、途中は波として伝わったって考えてもいいんじゃないかな。
こういう考え方が波と粒子の二重性、量子力学の考え方なんだ。」
Q太郎：なんか納得できるような、できないような……。
でも、それって解釈じゃないの？ 証拠がないよね？
音だったら空気が、海だったら水が揺れることで「波だ！」ってわかるけど、電子が波だとしたら何が揺れてるの？
量子：いい気づきだね。
そう、途中が波だっていうことを直接見ることはできない。
ここが重要なポイントで量子力学の本質なんだ。
スクリーンで観測したときのように「どこに粒子がいるか」を観測してしまうと、電子は粒子になっちゃうんだよ。
だけど、観測をしないで、どこにいるかわからない状況にすると電子は波として振る舞っていると考えるのが量子力学なの。
この電子の波のことは波動関数と呼ばれています。
Q太郎：なんだか不思議だなあ。
（本連載は『教養としての量子コンピュータ』の著者による特別原稿です。）
量子コンピュータは「単なる速い計算機」ではない――著者より
皆さんは「量子」あるいは「量子コンピュータ」という言葉を聞いて、どのようなイメージを持つだろうか。
「何か不思議でよくわからないもの」「小さくて難しそうなもの」といった印象を持つ人もいれば、最近では「ビジネスにつながりそう」と感じている人もいるかもしれない。
量子関係のニュースが出ると乱高下する「量子銘柄」なる企業の株もあるそうだ。
あるいは、残念ながらテレパシーや死後の世界など、精神世界の崇高なキーワードとして「量子」が語られることもある。
なぜ「量子」にはこれほど多種多様なイメージがまとわりつくのだろう。
それは、量子が日常的に見たり触れたりできる「古典的な世界」とは異なる、私たちの直感を超え、想像力を必要とする「概念的な世界」とつながっているからかもしれない。
これが「量子」の持つ不思議な魅力や技術の可能性の根源でもあり、また同時に、そのわかりにくさの理由にもなっている。
量子コンピュータはこれから世界をどう変えるのか?
正直にいうと、私たち研究者にもまだはっきりとはわからない。
それが知りたくて量子コンピュータの研究をしている。
一九五〇年代の科学者たちが、将来コンピュータが人類全体のコミュニケーションや経済の基盤になるとは想像できなかったように、量子コンピュータが何をもたらすかも、これから形づくられていくものだ。
しかし、確かなのは「何かすごいことが起きそうだ」という予感である。
そして、そうした予感を信じて手を動かし続けた人たちが、現代のインターネットや生成AIを作ってきた。
本書では、量子力学誕生から百年にわたる歩みと、そこから生まれた量子コンピュータの全体像、そして未来に向けた応用までを、わかりやすく、かつ読者の好奇心を刺激するような知的な冒険の軌跡として紹介していく。
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2025年は「量子力学誕生100年」の記念の年だ。
そんな今、量子コンピュータが私たちの日常を変える日は、実はすぐそこまで迫っている。
だからこそ、量子コンピュータについて知ることには大きな意味がある。
単なる専門技術ではなく、これからの世界を理解し、自らの立場でどう関わるかを考えるための「新しい教養」を身につけよう。
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「私のような門外漢にも、すべてが変わることがよくわかった。楽しみでもあるし、怖くもある」
橋本幸士氏（京都大学教授）
「世界を研究で先導する藤井氏の情熱あふれる本書は、物質情報の世界をゲームを解くように教えてくれる。量子の研究は知的冒険だ！」
