こんにちは！
最近、量子コンピューターのニュースを見かけることが多くなりました。
量子力学は専攻してなかったので理解していなかったのですが、そろそろ量子コンピューターの時代になりそうなので、基本的なことを理解しようと思います
概念
量子とは
とても小さな物質やエネルギーの単位で、原子そのものや、さらに小さな電子、陽子、中性子なども量子に含まれます。
これらは通常の物質とは異なる特別な法則に従っており、この法則を量子力学といいます。
続いて、量子コンピューティングの主要概念である量子ビット、量子ゲート、量子もつれ、量子重ね合わせについて説明します。
量子ビット（qubit）
通常のビットは0か1のどちらかですが、量子ビットは0と1の両方の状態を同時に持つことができます。
量子コンピューティングでは、この重ね合わせの状態が非常に重要です。
量子ゲート
量子ゲートは、量子ビットの状態を変化させるために使います。
これにより、量子計算の柔軟性と強力な計算能力を実現することができます。
量子もつれ
量子もつれは、二つの量子ビットがお互いに密接に関連している状態です。一方が変化すると、もう一方も同時に変化します。
これにより、並列処理の効率化、通信の高速化、セキュリティの飛躍的向上などに役立ちます。
量子重ね合わせ
量子重ね合わせは、量子ビットが複数の可能性を同時に持つことを意味します。これにより、量子コンピュータは多くの計算を並行して行うことができます。
これだけだと、そんなに速いか？と思いますが、ここで終わりではありません。
複数の量子ビットを組み合わせることで、その性能が顕著になります。
-
2つの量子ビットがある場合
それぞれが0と1の状態を同時に持つことができます。これにより、4つの異なる状態（00、01、10、11）を同時に表現することができます。
| 量子ビット1 | 量子ビット2 | 表現される状態 |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 00 |
| 0 | 1 | 01 |
| 1 | 0 | 10 |
| 1 | 1 | 11 |
-
3つの量子ビットがある場合
3つの量子ビットがそれぞれ0と1の状態を同時に持つことができるため、8つの異なる状態（000、001、010、011、100、101、110、111）を同時に表現できることを示しています。
| 量子ビット1 | 量子ビット2 | 量子ビット3 | 表現される状態 |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 000 |
| 0 | 0 | 1 | 001 |
| 0 | 1 | 0 | 010 |
| 0 | 1 | 1 | 011 |
| 1 | 0 | 0 | 100 |
| 1 | 0 | 1 | 101 |
| 1 | 1 | 0 | 110 |
| 1 | 1 | 1 | 111 |
これらが同時に存在することになるので、量子ビットの数によって、量子コンピュータの計算能力を指数関数的（2のn乗）に増加させることができます。
では、量子ビットが１００あるとどうなるでしょうか。
約 1.267 × 10^30
という、身の回りに存在しない数になります。
これが同時に存在する、というのが、量子重ね合わせの凄いところです。
簡単に言うと、これまで丸一日かかっていた処理が、ほんの一瞬で完了する、ということになります。
通常の処理よりも、暗号の解読とか、新薬の開発、新しい物質の生成など、膨大な計算やシミュレーション能力を要する分野の方が力を発揮できると思います。
もし、AIが量子重ね合わせで学習をしたら、今とは比較にならないくらい高性能になるでしょうね。
ここまでで、なんか凄そうだ、と思えますね。
まとめ
今回は、量子コンピューティングの基礎について、かなり簡単にまとめました。
実際は使う側なので理解してなくても使えるのですが、せっかくなので、概念くらいは理解しておきたいものです。
どこかでこの知識の応用ができたりする可能性もあるので、知っておいて損は無いと思います。
みなさんも一緒にがんばりましょう！