量子コンピューティングとその仕組みとは?

アダマール ゲートは、量子コンピューティングの基本的なゲートです。アダマール ゲートは、量子ビットを 0 または 1 の非重ね合わせ状態から重ね合わせ状態に移動します。重ね合わせ状態の間、それが 0 として測定される確率は 0.5 です。キュービットが 1 になる確率も 0.5 です。

q₀ にアダマール ゲート (赤い H で表示) を追加した場合の効果を見てみましょう。 ここで q₀ は現在 0 の非重ね合わせ状態にあります (図 2)。アダマール ゲートを通過した後、「測定確率」グラフは、q₀ が 0 または 1 になる確率が 50% であることを示しています。

「Statevector」グラフは a と b の値を示しており、どちらも 0.5 =0.707 の平方根です。量子ビットが 0 と 1 に測定される確率は 0.707 ² です。 =0.5 なので q₀ 重ね合わせ状態になりました。

測定値とは

重ね合わせ状態で量子ビットを測定すると、量子ビットは非重ね合わせ状態にジャンプします。測定により量子ビットが変更され、強制的に重ね合わせから 0 または 1 のいずれかの状態になります。

量子ビットが 0 または 1 の非重ね合わせ状態にある場合、それを測定しても何も変わりません。その場合、キュービットは測定時にすでに 100% が 0 または 1 の状態にあります。

回路に測定操作を追加してみましょう (図 3)。 q₀ を測定します アダマール ゲートの後、測定値を c1 のビット 0 (従来のビット) に出力します。

q₀ の結果を見るには アダマール ゲートの後の測定では、「ibmq_armonk」と呼ばれる実際の量子コンピューターで実行する回路を送ります。 」デフォルトでは、量子回路は 1024 回実行されます。結果 (図 4) は、時間の約 47.4%、q₀ 測定値は 0 です。残りの 52.6% の時間は、1 として測定されます:

2 回目の実行 (図 5) では、0 と 1 の異なる分布が得られますが、それでも予想される 50/50 分割に近いです:

量子コンピューティングにおけるエンタングルメント

2 つの量子ビットがエンタングルメント状態にある場合、一方の量子ビットの測定値は、他方の値を即座に「崩壊」させます。絡み合った 2 つのキュービットが離れていても、同じ効果が発生します。

例を見てみましょう。絡み合っていない 2 つのキュービットを絡み合った状態にする量子操作は、CNOT ゲートです。これを実証するために、まず別のキュービット q₁ を追加します デフォルトでは 0 に初期化されます。 CNOT ゲートの前では、2 つの量子ビットは絡み合っていないため、q₀ アダマール ゲートにより 0 または 1 になる確率は 0.5 ですが、q₁ 「測定確率」グラフ (図 6) は、(q₁ , q₀ ) (0, 0) または (0, 1) は 50% です:

次に、q₀ の出力を取得する CNOT ゲート (青い点とプラス記号で表示) を追加します。 アダマール門とq₁から 入力として。 「測定確率」グラフは、50% の確率で (q₁ , q₀ ) が (0, 0) であり、測定時に (1, 1) の 50% である (図 7):

(0, 1) または (1, 0) を取得する可能性はゼロです。 1 つの量子ビットの値を決定すると、2 つの値が等しくなければならないため、もう一方の値がわかります。このような状態では、q₀ そしてq₁ 絡み合っています。

これを実際の量子コンピューターで実行して、何が起こるか見てみましょう (図 8):

「00」状態と「11」状態の間でほぼ 50/50 の分布になっています。また、量子コンピューターのエラー率が高いため、予期しない「01」と「10」の発生も見られます。古典的なコンピューターのエラー率はほとんど存在しませんが、高いエラー率は量子コンピューティングの主な課題です。

ベル サーキットは出発点にすぎません

「エンタングルメント」セクションに示されている回路は、ベル回路と呼ばれます。この回路は基本的なものですが、量子コンピューティングのいくつかの基本的な概念と特性、つまりキュービット、重ね合わせ、エンタングルメント、および測定を示しています。 Bell Circuit は、量子コンピューティングの Hello World プログラムとしてよく引用されます。

ここまでで、おそらく次のような多くの質問があるでしょう:

• 量子ビットの重ね合わせ状態を物理的に表現するにはどうすればよいですか?
• 量子ビットを物理的に測定するにはどうすればよいですか? また、量子ビットを強制的に 0 または 1 にするのはなぜですか?
• 量子ビットの定式化における |0> と |1> は正確には何ですか?
• ² を行う理由 そしてb ² 量子ビットが 0 と 1 として測定される可能性に対応しますか?
• アダマール ゲートと CNOT ゲートの数学的表現は何ですか?ゲートが量子ビットを重ね合わせ状態とエンタングルメント状態にするのはなぜですか?
• エンタングルメントの現象を説明できますか?

量子コンピューティングの学習に近道はありません。この分野は、物理学、数学、コンピューター サイエンスにまたがる複雑なトピックに触れています。

この技術を紹介する優れた書籍やビデオ チュートリアルが豊富にあります。これらのリソースは通常、線形代数、量子力学、バイナリ コンピューティングなどの前提条件の概念をカバーしています。

書籍やチュートリアルに加えて、コード例からも多くを学ぶことができます。たとえば、金融ポートフォリオの最適化や配車ルートのソリューションは、量子コンピューティングについて学習するための優れた出発点です。

コンピューター進化の次のステップ

量子コンピューターは、最先端のスーパーコンピューターをも凌駕する可能性を秘めています。量子コンピューティングは、科学、医学、機械学習、建設、輸送、金融、緊急サービスのブレークスルーにつながる可能性があります。

約束は明らかですが、この技術が実際のシナリオに適用されるにはまだほど遠い状態です。ただし、新しい進歩は毎日発生しているため、量子コンピューティングは今後数年で大きな混乱を引き起こすと予想されます.