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量子コンピュータの転機となった1990年代の発見とは何か

本当によくわかる「量子コンピュータ入門」(2)コンピュータの歴史

武田俊太郎
東京大学大学院工学系研究科准教授
情報・テキスト
量子コンピュータは1980年代まだ概念的なものであり、何の役に立つのかすらよく分かっていなかった。その後、1990年代に価値のあるものだという認識が広がり、2000年代以降、研究機関で基礎研究が本格化、さらには企業も開発に乗り出すことになった。今回はコンピュータの歴史をたどりながら、量子コンピュータの可能性に迫る。(全4話中第2話)
時間:12:38
収録日:2022/03/09
追加日:2022/08/02
≪全文≫
●そもそもコンピュータとは何か

 それではここからコンピュータの歴史の話をしていきたいと思います。まず量子コンピュータの話に入る前に、「そもそもコンピュータとは何か」を考えていきましょう。そのほうが、量子コンピュータをイメージしやすくなるからです。



 「コンピュータ」といったときに、皆さんは、スマートフォンだったり、タブレットだったり、普通のデスクトップのパソコン、そしてスーパーコンピュータといったものを思い浮かべるでしょう。皆さんが思い浮かべたコンピュータは、ある種の見方をすると、「人間がしたい計算を何らかの物理現象に置き換えて解く道具である」と考えることができます。「物理現象」というとなかなかピンと来ないと思いますが、具体例を見ていくと少しずつ分かるのではないかと思います。



 例えば、原理がもっとも分かりやすい、シンプルな計算機に「そろばん」があります。そろばんも、珠(たま)の配置で0から9という数字の情報を表している立派な計算機です。その珠を人間が一定のルールで弾いていくことで計算することができます。ある種、これも珠がある位置にいて、それをあるルールで物理的に動かしていくという方法で計算をしているデバイスになります。



 そろばんだとシンプルすぎるということで、もう少し後になると、歯車を使った機械式計算機が登場します。この計算機の内部では、歯車がたくさんかみ合っています。そろばんの珠の代わりに歯車を使っていると考えると分かりやすいでしょう。

 この場合も、歯車の回転の角度、すなわち「どういう角度にあるか」で0から9までの数字を表しています。歯車はかみ合っているため、1つを回すと他が連動する。この仕組みを使うと、そろばんでやっていた計算の一部が歯車によって自動化され、より簡単に計算ができます。結局、これも歯車に情報をのせて、歯車を回すという物理現象で計算をしている装置ということになります。


●コンピュータには10憶個のスイッチが備わっている



 ここから一気に、今皆さんが使っているような「電子計算機」(コンピュータ)に話が移りますが、電子計算機も本質は同じことです。スライドで挙げている計算機は全部同じ仕組みで内部が動いています。現代のコンピュータはそろばんの珠や歯車の代わりに、電気的なスイッチを使っています。スイッチにはONとOFFという2つの状態があるため、それぞれが1、0というように情報を表すと決めることで、スイッチを使って0、1という情報が表せるのです。さらにこのスイッチの状態を切り替えながら、といった物理現象で計算をするというのが、今のコンピュータになっています。



 スイッチというと、まず皆さんがピンとくるのは、電気を流すか、流さないかを切り替えるスイッチでしょう。スライドにあるように、ONの状態にすると電気が流れて電球が光りますし、OFFにすると電流が流れないので電球は光りません。実際のコンピュータの中で使われているスイッチは「トランジスタ」と呼ばれています。



 トランジスタは、人間がポチポチとボタンを押してON/OFFを切り替える代わりに、電気の信号、電圧を使います。「電圧をかけているときはON、かけていなければOFF」というように電気信号で電流の流れ、ON/OFFを切り替えるスイッチといえます。

 トランジスタのいいところは、電流で電流を制御できるので、たくさんつなげていくと自動で計算ができるようになる点です。つまり、歯車がかみ合って計算をするように、スイッチをたくさんつなげていくと、あるスイッチがONになればそこに電流が流れて、別のスイッチがONになって、さらに別のスイッチがONになって……というように、ある意味「ドミノ倒し」のようにスイッチがたくさん連係して計算ができるのです。

 このように、スイッチが切り替わりながら、といった物理現象で計算をするのが、今のコンピュータの基本的な仕組みになっています。



 では、そのトランジスタというスイッチが今のコンピュータのどこに入っているかということですが、実際にコンピュータの中を開けると、「CPU」と呼ばれる計算の脳ミソに当たる部分があります。この脳ミソとなるチップの中に、トランジスタが現代だと10億個、あるいはそれ以上入っていることが知られています。この10億個のスイッチが連係しながらON/OFFを切り替えて計算をしているのが今のコンピュータなのです。


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