以下の本を読んでみたので、まとめと感想を備忘用に載せておきます。
まとめ
量子コンピュータの概要
- 2023年3月に国産初の量子コンピュータが稼働開始
- 日本の量子コンピュータ界隈も結構すごい
- 理研の中村泰信氏が超伝導量子コンピュータの量子ビット素子を開発
- 量子アニーリングタイプは東工大の西村秀稔氏が発案。
- 古典コンピュータには限界がある。CPUの性能はサイズが小さくなるほどよくなるが、サイズが一定以下になると量子的な振る舞いをしてしまう。
- 方式がいくつかある
- 半導体方式
- イオントラップ方式
- 冷却原始方式など
- 日本と海外の量子コンピュータの違い
- ビット数（日本初号機64ビット、アメリカIBM1121ビット）
- 得意な方式（日本は超伝導、半導体が強い。）
| 方式 | 超伝導 | イオントラップ | 冷却原子 | 半導体 | 光 |
|---|---|---|---|---|---|
| 量子 | 電子２個 | イオン | 原子 | 電子 | 光子 |
| 主な開発国 | 世界中 | 欧米 | 欧米 | 米 | 世界中 |
| 特徴 | 早くから開発、商用化 | 高精度 | 量子ビット数の多さ | 量産化、商用化 | 常温で動作 |
- クラウドで利用するのが一般的
量子とは
- 原始、電子、陽子などの粒子の総称
- どの量子を使用するかで方式が異なる。
- 量子の鍵は「重ね合わせ」と「もつれ」
- 量子もつれにより、組み合わせの数を減らせ、計算が効率化する。
- 量子コンピュータ以外でも「量子通信」「量子センサー」などもポテンシャル高い
量子コンピュータの仕組み
- 古典コンピュータにおけるCPUが、量子コンピュータのQPU（演算のみ）
- 量子ビットにマイクロはを当てて、状態を変化させる。
- 量子ビットが多いほど優秀になるが、エラーも増える
- QPUの構造は方式で異なる。
- 超伝導方式：超伝導素子にマイクロ波を当てる
- イオントラップ：イオンを空中に静止させる
- 半導体（シリコン）：従来のシリコンを改造、電気を止める機能がついたイメージ
- 冷却原子：レーザーで原子を平面上に並べて止める。冷却されるのは原子のみ
- 光方式：QPUに光子が通る。
- アルゴリズムには「FTQC(Fault Tolerant Quantum Computer)アルゴリズム」と「NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum)」がある。
- FTQCは化学計算と暗号解読で期待
- FTQCはまだ二十年くらいかかる
- NISQは化学計算、最適化、機械学習で期待。
- NISQでは短い計算を何度も行う。
- 量子の重ね合わせの状態の維持は結構難しい。そのためエラーが生じる
- エラーを直す「誤り訂正」が必要
- 論理量子ビットを使う。これは複数の物理量子ビットを集めてつくる
シミュレーション
$$\newcommand{\ket}[1]{\left|{#1}\right\rangle}$$
$$\newcommand{\bra}[1]{\left\langle{#1}\right|}$$
$$\newcommand{\braket}[2]{\left\langle{#1}\middle|{#2}\right\rangle}$$
（私はIBM Quantum Composerで実施しました。）
画像のように足し算が実装されている。
q[0], q[1]が入力、q[2], q[3]が出力となっている。
Hゲートにより
$\ket{0}\rightarrow \frac{1}{\sqrt{2}}(\ket{0} + \ket{1})$ と変換されCX,Tofforiゲートによって１桁、２桁目の加算が行われている。
これによって
$0+0=0, 0+1=1, 1+0=1, 1+1=2$が一度に表現されている。
感想
去年は量子コンピュータという言葉を非常によく聞き、とても夢があると感じていた。
量子コンピュータによって素因数分解が効率的に解かれるという話を聞いた時、アルゴリズムが全然想像できなかったが、このシミュレーションを通じて、すこし（ほんとに少しだと思うが）理解できたような気がする。
これからも量子コンピュータの勉強を進めていきたい。