量子コンピュータ #1 概要まとめ

量子コンピュータとは？

量子力学の原理に基づいて設計されたコンピュータ。微小サイズ(ナノサイズ以下)の世界で顕著になる物質の波動性を用いて様々な計算過程を重ね合わせることが可能であり、測定結果が確率的に得られる。これら二つの量子力学における特性を活かすことで高速に計算が可能となる。

量子コンピュータの方式

• 超電導方式
• イオントラップ方式
  • 上記二種類は基本的なプログラミング方式は同じ
• 光量子コンピュータ
  • 計算原理及びプログラミング方式が上記二種類と大きく異なる

量子コンピュータと古典コンピュータの違い

• 量子コンピュータ
  • QPU(Quantum Processing Unit)のみから構成される。つまり演算装置のみから成る。よって、古典コンピュータと連携して利用される。
• 古典コンピュータ
  • 五大装置から成る。このうち演算装置と制御装置はCPUが通常担う。QPUはCPUにおける演算装置に相当する。
    • 演算装置
    • 制御装置
    • 記憶装置
    • 入力装置
    • 出力装置

量子アルゴリズム

• 代表的な量子アルゴリズム

名称	概要	発表年
Shor Algorithm ショアのアルゴリズム	素因数分解問題を解くことができるアルゴリズム	1994年
Grover Algorithm グローバーのアルゴリズム	ある目的のデータを効率的に検索する探索問題をとくことができるアルゴリズム	1996年
HHL(Harrow Hassidim Lioyd) Algorithm	連立一次方程式を高速に解くことのできるアルゴリズム	2009年

• 汎用量子アルゴリズム
  • 全ての計算を量子コンピュータ上で実行するように設計されたアルゴリズム。但し、計算でエラーが発生しない理想的な量子計算機上で実行されることを想定している。現在の量子コンピュータは演算実行時にハードウェア由来の複数のエラーが発生する。よって、汎用量子アルゴリズムをエラーなく計算を実行することは困難であり、理想的な量子コンピュータも現状実現していない。
  • 研究が盛んな汎用量子アルゴリズム
    • 量子位相推定 : 量子化学計算、組み合わせ最適化問題、機械学習、暗号化など
      → Shor Algorithm(ショアのアルゴリズム)
    • 量子振幅増幅 : 検索、金融、流体シミュレーション
      → Grover Algorithm(グローバーのアルゴリズム)
• 量子古典ハイブリッドアルゴリズム
  • 量子コンピュータと古典コンピュータを組み合わせて計算を実行する。汎用量子アルゴリズムとは異なり、一定の計算エラーの発生を許容したアルゴリズムであるため、現状の量子コンピュータでも計算可能である。しかし、古典コンピュータと繰り返し通信士ながら計算を行うため、古典コンピュータ側の処理による制約や量子コンピュータとの通信速度などに影響される。
  • 研究が盛んなハイブリッドアルゴリズム
    • 量子変分アルゴリズム : 量子化学計算、材料計算、組み合わせ最適化問題など
      → 現状の量子コンピュータの主流アルゴリズム
    • 量子機械学習 : 現状の機械学習と同様に大量のデータによる学習に基づいたアルゴリズム

Reference

• IBM Quantumで学ぶ量子コンピュータ PythonとQiskitでプログラミング!!
  湊雄一郎 他著 ; 秀和システム ; 2021年