量子コンピューティング解説：仕組みと重要性

Google、IBM、Amazon、Microsoftなどのテクノロジー大手が量子コンピューティングに多額のリソースを投入しています。量子コンピューティングの目標は、次世代コンピューターを創造し、従来のコンピューティングの限界を克服することです。

進歩がある一方で、この新興分野にはまだ未知の領域が多く残されています。

この記事では、量子コンピューティングの基本概念を紹介します。量子コンピューティングとは何か、どう機能するのか、そして標準的なマシンと量子デバイスを区別するものが何なのかを学びます。

量子コンピューティングとは？ 定義

量子コンピューティングは、原子および素粒子を研究する物理学の一分野である量子力学に基づく、次世代のコンピューターです。これらのスーパーコンピューターは、通常のコンピューターでは処理できない速度とレベルで計算を実行します。

量子デバイスと通常のデスクトップの主な違いは以下の通りです：

• 異なるアーキテクチャ： 量子コンピューターは従来のデバイスとは異なるアーキテクチャを持ちます。例えば、従来のシリコンベースのメモリやプロセッサーの代わりに、超伝導回路やトラップされた原子イオンなどの異なる技術プラットフォームが利用されます。
• 計算集約的なユースケース： 一般ユーザーにとって量子コンピューターの用途は多くありません。これらのマシンの計算負荷の高さと複雑さにより、当面は企業や科学の現場に適しています。

通常のコンピューターとは異なり、量子コンピューターは複数の操作を同時に実行できます。また、データの単位あたりにより多くの状態を格納し、より効率的なアルゴリズムで動作します。

驚異的な処理能力により、量子コンピューターは複雑なタスクの解決や、未ソートデータの検索が可能です。

量子コンピューティングの用途は？ 業界ユースケース

より強力なコンピューターの採用はあらゆる業界に利益をもたらします。しかし、一部の分野はすでに量子コンピューターが大きな影響を与える絶好の機会として際立っています：

• ヘルスケア： 量子コンピューターは新薬開発をより速いペースで支援します。DNA研究も量子コンピューティングの活用で大きな恩恵を受けます。
• サイバーセキュリティ： 量子プログラミングはデータ暗号化を前進させます。例えば、新しい量子鍵配送（QKD）システムは光信号を使用してサイバー攻撃やネットワーク侵入者を検知します。
• 金融： 企業は量子コンピューターで投資ポートフォリオを最適化できます。不正検知やシミュレーションシステムの改善も期待されます。
• 輸送： 量子コンピューターは交通計画システムやルート最適化の進歩につながります。

キュビットとは？

量子コンピューターの力の鍵は、量子ビット（キュビット）を生成し操作する能力にあります。

キュビットq₀の状態は以下で表されます：

q0 = a|0⟩ + b|1⟩, ここで a2 + b2 = 1

q₀が測定時に0である確率はa²、1である確率はb²です。この確率的性質により、キュビットは同時に0と1の両方の状態を取り得ます。

a=1、b=0の場合、q₀は古典ビットの0と等価です。測定時に値0になる確率は100%です。a=0、b=1なら、q₀は古典ビットの1と等価です。したがって、古典的なバイナリビットの0と1はキュビットの部分集合と言えます。

IBM Circuit Composerの空の回路に単一のキュビットq₀がある場合（図1）、「測定確率」グラフはq₀が0として測定される確率が100%であることを示します。「状態ベクトル」グラフはaとbの値を示し、それぞれ「計算基底状態」列の0と1に対応します。

図1の場合、a=1、b=0なので、q₀が0として測定される確率は1²=1となります。

接続されたキュビットのグループは、同じ数のバイナリビットよりも高い処理能力を提供します。この処理の違いは、重ね合わせともつれという2つの量子特性によるものです。

量子コンピューティングにおける重ね合わせ

0 < a かつ b < 1のとき、キュビットは重ね合わせ状態にあります。この状態では、測定時に0または1のいずれかに移行する可能性があります。0または1になる確率はそれぞれa²とb²で定義されます。

アダマールゲートは量子コンピューティングの基本ゲートです。アダマールゲートは、キュビットを0または1の非重ね合わせ状態から重ね合わせ状態へ移動させます。重ね合わせ状態では、0として測定される確率は0.5、1になる確率も0.5です。

現在非重ね合わせ状態の0にあるq₀にアダマールゲート（赤いHで表示）を追加した効果を見てみましょう（図2）。アダマールゲートを通過後、「測定確率」グラフはq₀測定時に0または1になる確率が50%ずつであることを示します。

「状態ベクトル」グラフはaとbの値を示し、両方とも√0.5 = 0.707です。キュビットが0と1として測定される確率は0.707² = 0.5なので、q₀は重ね合わせ状態にあります。

測定とは？

重ね合わせ状態のキュビットを測定すると、そのキュビットは非重ね合わせ状態にジャンプします。測定はキュビットを変化させ、重ね合わせから0または1の状態へ強制的に移行させます。

キュビットがすでに0または1の非重ね合わせ状態にある場合、測定しても何も変わりません。その時点で、キュビットは測定時に100%の確率で0または1の状態にあるからです。

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

アダマールゲート後のq₀測定結果を見るため、実際の量子コンピューター「ibmq_armonk」で回路を実行します。デフォルトで量子回路は1024回実行されます。結果（図4）では、約47.4%の確率でq₀の測定値は0、残り52.6%で1となります：

2回目の実行（図5）では異なる分布になりますが、依然として期待される50/50の分割に近い結果です：

量子コンピューティングにおけるもつれ

2つのキュビットがもつれ状態にある場合、一方のキュビットを測定すると、もう一方の値が瞬時に「収束」します。この効果は、2つのもつれたキュビットが遠く離れていても発生します。

例を見てみましょう。もつれていない2つのキュビットをもつれ状態にする量子操作がCNOTゲートです。まず、デフォルトで0に初期化される別のキュビットq₁を追加します。CNOTゲートの前では、2つのキュビットはもつれていないため、q₀はアダマールゲートの影響で0または1になる確率が0.5ずつ、q₁は0のままです。「測定確率」グラフ（図6）は(q₁, q₀)が(0, 0)または(0, 1)になる確率が50%であることを示します：

次に、アダマールゲートからのq₀の出力とq₁を入力とするCNOTゲート（青い点とプラス記号で表示）を追加します。「測定確率」グラフは、測定時に(q₁, q₀)が(0, 0)になる確率50%、(1, 1)になる確率50%であることを示します（図7）：

(0, 1)や(1, 0)になる確率はゼロです。一方のキュビットの値が決まると、もう一方の値も必ず同じになるため、2つは等しくなければなりません。この状態では、q₀とq₁はもつれています。

実際の量子コンピューターで実行してみましょう（図8）：

『00』と『11』の状態の間でほぼ50/50の分布に近づいています。『01』と『10』の予期しない出現も見られますが、これは量子コンピューターの高いエラー率によるものです。古典コンピューターのエラー率はほぼ存在しませんが、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。

ベル回路は出発点に過ぎない

「もつれ」セクションで示した回路はベル回路と呼ばれます。基本的な回路ですが、キュビット、重ね合わせ、もつれ、測定という量子コンピューティングの基本概念と特性をいくつか示しています。ベル回路は量子コンピューティングにおける「Hello World」プログラムとしてよく引用されます。

この時点で、おそらく以下のような疑問が湧いているでしょう：

• キュビットの重ね合わせ状態を物理的にどう表現するのか？
• キュビットを物理的にどう測定し、なぜそれがキュビットを0または1に強制するのか？
• キュビットの定式化における|0⟩と|1⟩とは正確には何か？
• なぜa²とb²がキュビットが0と1として測定される確率に対応するのか？
• アダマールゲートとCNOTゲートの数学的表現は？ なぜゲートがキュビットを重ね合わせともつれ状態にするのか？
• もつれ現象を説明できるか？

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、計算機科学にまたがる複雑なトピックに触れます。

優れた書籍やビデオチュートリアルが豊富にあり、これらは通常、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概念をカバーしています。

書籍やチュートリアルに加え、コード例からも多くを学べます。金融ポートフォリオ最適化や車両ルーティングの解決策などは、量子コンピューティング学習の優れた出発点となります。

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、最も高度なスーパーコンピューターさえ超え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、医療、機械学習、建設、輸送、金融、緊急サービスの分野でブレークスルーをもたらす可能性があります。

その可能性は明確ですが、技術が実生活のシナリオに適用可能になるにはまだ程遠い状態です。しかし、日々新たな進歩が生まれているため、今後数年で量子コンピューティングが大きな破壊的変化をもたらすことは期待されます。