量子コンピュータ単語

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リョウシコンピュータ
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量子コンピュータとは、量子力学的な効果を用いて計算を行うコンピュータである。

量子計算機、量子演算器とも。

概要

ミクロ世界における原子や電子の特殊な振る舞い、特に重ね合わせの原理と量子もつれ(エンタグル)と呼ばれる効果を利用して計算を行う。従来のコンピュータによる計算と異なり、ひとつの量子状態で複数の計算を並列に行うことができる。計算結果は観測により確率的に得られる。

中二っぽく言い直すと「数の並行世界で同時に計算を行い、その中から正しい答えを取り出すコンピュータ」となる。かっこいい

量子コンピュータと区別するため、いわゆる普通コンピュータ古典コンピュータと呼ばれることがある。本項でもこの用を使う。

な方式 説明、開発企業
量子ゲート 極低温に冷やす超伝導の技術などで量子ビットを実現。汎用性は高いが大規模集積化などに課題。
量子アニーリング 超電導の技術を利用。組み合わせ最適化問題に特価し、産業応用に向けた研究が進む。
量子ニューラルネットワーク 計算の過程で量子力学的な特性を利用。常温で動くなどの強みを持ち、組み合わせ問題への最適化を見込む。

量子ビット

量子ビットとは?

デジタルコンピュータの基本素子が論理ゲート回路であるように、量子コンピュータの基本素子は量子ビットである。では量子ビットとは何か? …一言で言うならば「シュレーディンガーの猫」である。なので分からない人は一度同項に入ってから戻ってくるように。シュレーディンガーの猫においての中に入れられたが「生きていてなおかつ死んでいる」状態で、「蓋を開けて『観測』することで初めて生死が確定する」ように、観測されなければ「1でありなおかつ0でもある」状態で、「観測することで初めて1か0が確定する」素子が量子ビットでありqubitキュービット)という単位で表す。そして「1でありなおかつ0でもある」状態のことを「量子の重ね合わせ」という。

単独の量子ビットを繰り返し観測しても、1か0になる確率は半分半分で結果は全にランダムである。ところが重ね合わせ状態の複数の量子ビットを(観測することなく)何らかの形で相互作用させると、量子ビット間に「相関関係」が発生し、相互作用させた量子ビットの一つを観測すると観測結果が即座に残りの量子ビット全てにする。これが「量子もつれ」である。多数の重ね合わせ状態の量子ビットを用意してこれらに適切な量子もつれを施し(量子ゲートタイプの場合は2〜4qubitの量子もつれを多数回行う。量子アニーリングタイプは一度に数千もの量子ビット全てをもつれさせる)、最終的に全ての量子ビットを観測すると望んでいた解が得られる。これが量子コンピュータの正体である。

量子コンピュータの動作を「エヴェレット解釈」で表すならば(コペンハーゲン解釈も可だが、現在の量子コンピュータの理論はエヴェレット解釈前提で作られた)、N qubitの量子コンピュータの内部には2のN乗個もの平行世界が重なり合うようにして存在する。これに量子もつれを施すと解ではない可性を持った世界が淘汰されて次々と消えていき、最後は正解を持った世界だけが生き残って観測される、という表現になる。

量子ビットの種類

量子コンピュータでできること

素因数分解

最も有名なのは自然数素因数分解である。そんなんでも出来るしwwwと思った人は試しに38686873991 [1] を手で素因数分解してみてほしい。きっと途中で投げたくなるはずである。実はこれは数が大きくなると古典コンピュータを使っても同様であり、非常に大きな素因数(数桁ぐらい)を持つ数をさくっと素因数分解できるアルゴリズムはまだ見つかっていない。あるのかどうかも分かっていない。

しかし充分にデカい量子コンピュータが使えると仮定すれば話は別であり、「ショアのアルゴリズム」と呼ばれるまともな速さ素因数分解を達成するアルゴリズムが見つかっている。これは量子コンピュータが古典コンピュータよりも素フーリエ変換を解けることを利用したアルゴリズムだ。

素因数分解なんかできても意味なくね?と思うかもしれないが大間違いである。インターネット情報をやりとりする際よく使われる暗号化技術であるRSA暗号はこの「非常に大きな数の素因数分解にはすごく時間がかかること」を暗号が解かれないことの根拠としているため、素因数分解さくさくできてしまうと現在ネットセキュリティいも同然になってしまう。おちおちニコニコ動画も見られなくなる。ヤバい

素因数分解の他にも高速に計算できる問題はいくつも見つかっているが、本項では割愛する。

量子暗号通信

つまり実用レベルの量子コンピュータを作ってしまうと世界は大混乱に陥ってしまうんだよ!!!……ということはない。

量子コンピュータと同様の原理を使うと、絶対に安全な暗号通信(正確には、攻撃を受けたときに絶対にそれを検知できる通信)を行えることが分かっている。達成しなければいけないハードウェアの規模を考えるとむしろ現在はこっちが本命なくらいであり、日本でも大学研究室のほか東芝三菱NECNTTなどが実用化に向けて共同で研究を行っている。

量子コンピュータでできないこと

量子コンピュータは「どんな計算でも爆速で終わらせてしまうウルトラスーパーコンピュータ」のようなイメージを持たれていることがあるが誤解である大事なことなのでもう一度言うと、誤解である。

仮に巨大な量子コンピュータを作れるようになったとしても、次のような問題は解くことができなかったり長い時間がかかったりする。

決定不能問題

意外かもしれないが量子コンピュータと古典コンピュータで計算できる問題に差はない。これは量子コンピュータの動作を古典コンピュータで(時間はめっちゃかかるかもしれないが)全にシミュレートできることによる。つまり、量子コンピュータで解ける問題は(時間はめっちゃかかるかもしれないが)古典コンピュータでも必ず解ける。

なので、古典コンピュータでそもそも原理的に解けない問題(決定不能問題、または計算不能問題と呼ばれる。簡単に言えば答えの範囲が無限になる問題。)は量子コンピュータでも解けない。

永久機関などと同様、「できるかどうか分かっていない」のではなく「できないことが分かっている」問題である。諦めましょう。

計算量クラスが大きい問題

じゃあ計算可な問題なら何でも爆速で解けるか?というとそうでもない。量子コンピュータを使っても長い時間がかかってしまう問題は計算の世界にはいくらでも存在する。

たとえば東ロボくんが入試数学の問題を解くのに使った「実閉体の限量子消去問題[2]」は実行時間がタワーで抑えきれないほど難しい問題であり、問題のサイズを大きくすると量子コンピュータを使ってもすぐには解けなくなる。古典コンピュータしか使っていない東ロボくんでも回答できているのは問題が小さいからである。

つまり、大学入試数学の問題をいじって変数がものすごく多くなるようにすると量子コンピュータを使っても制限時間以内に解くことはできない[3]。もちろん人間にも(たぶん)解けない。

実装の現状

量子コンピュータ実現の壁は量子デコヒーレンスと呼ばれる現である。これは古典コンピュータでいうと計算中に勝手にメモリ上のビットが書き換わってしまう(その上絶対に元に戻せない)ようなものであり、しかも量子コンピュータを大きくしようとすればするほどデコヒーレンスは起きやすくなる。どうにかしようとして計算方法や実装方法が色々研究されているが、少なくともまだ当分理そうだと考える人が多い。

とはいえ全く何もできていないわけではない。特に素因数分解物理実装はいくつも存在し、規模も少しずつ大きくなってきている。この版の執筆時点での量子コンピュータによる素因数分解の最高記録143である。……11×13だね。うん。現状では量子コンピュータより俺らの方が頭がいいと言って差し支えない。

量子コンピュータの登場する作品

など。多くの場合極めて高性な、または特殊な性を持つコンピュータとして描かれている。

関連動画

関連項目

脚注

  1. *正しい分解31337 × 1234543。これくらいなら古典コンピュータで解ける。
  2. *限量子は「ある変数は~」「全ての変数で~」という論理学記号であり、量子力学とは関係ない。
  3. *正確には、「限量子消去アルゴリズムを経由して解こうとする限りは」できない。入試数学の範囲に特化した解法を使えば大きな問題も解けるかもしれないが、それは古典コンピュータにも言える。

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量子コンピュータ

62 ななしのよっしん
2022/05/20(金) 14:52:43 ID: h3qVujPVyN
アメリカ系の企業開発した量子コンピューター同士の会話についていけなくてシャットダウンしたとかあったと思うけど
追い詰められたロシア量子コンピューター同士の会話に賭けてシンギュラリティしまくる展開だと核戦争よりヤバいかもな
なんかナチス系あたりでも有り得そうな展開
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63 ななしのよっしん
2022/05/20(金) 14:55:45 ID: 2wejP7YI7s
それは量子コンピュータ関係ないAI同士の会話やったな
Facebookだったか
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64 ななしのよっしん
2022/09/19(月) 19:10:50 ID: f8uDebBno1
https://note.com/akita11/n/n88bd38cd0023exit
中国ベンチャーで販売されているNMRタイプのポータブル量子コンピュータ
3qubitのものまであり、グロバーアルゴリズムが実行可
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65 ななしのよっしん
2023/03/09(木) 20:17:12 ID: ilrRV//E80
高速量子計算のための世界最速43 GHzリアルタイム量子信号測定に成功 ~5G時代の高速通信テクノロジ量子テクノロジ融合による スーパー量子コンピュータ実現へ~
工学部/工学研究科】 プレスリリース - 東京大学
https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2023-03-07-001exit


【速報】NTT/東京大/理研/JST 革新的な量子コンピュータ新技術で驚きの成果 世界最速43GHzを計測!量子と通信を融合、量子マルチコアの実現へ「IBM Qを置き換えたい」 -ロボスタ
https://robotstart.info/2023/03/06/quantum-ntt-tokyo-u.htmlexit

高速量子計算のための世界最速43ギガヘルリアルタイム量子信号測定に成功 -科学技術振興機構
https://www.jst.go.jp/pr/announce/20230306/index.htmlexit


(省略しています。全て読むにはこのリンクをクリック!)
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66 ななしのよっしん
2023/03/22(水) 21:03:10 ID: u3kgNpAmCr
https://gigazine.net/news/20221021-brains-quantum/exit
人間は量子計算をしているとの研究結果

昨年10月ニュースだけど意外だった
>この発見のポイントは、単にで量子的な信号が確認されただけでなく、それが短期記憶といったや人の意識といったの機にも関係していたという点です。
>このことからKerskens氏は「これらの量子プロセスが私たちの認知的・意識的なの重要な一部である可性があります」と摘しました。
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67 ななしのよっしん
2023/03/29(水) 00:56:14 ID: ilrRV//E80
そのか、意識的集合体に近づけるカギとも言われてるか
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68 ななしのよっしん
2023/03/29(水) 01:00:38 ID: ilrRV//E80
集合意識 だったな
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69 ななしのよっしん
2023/04/20(木) 20:05:12 ID: aQ5Is0B+C9
革新的な一歩」が多すぎていい加減にしろよって思う。
まあどれも実際革新的な一歩なのかもしれないが
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70 ななしのよっしん
2023/11/06(月) 21:40:13 ID: kgh3rITCro
まあ、気長にやってくれ
そう簡単にRSA暗号が役立たずになっても困るしな
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71 ななしのよっしん
2023/11/12(日) 17:31:28 ID: PR3Z1W9rad
>>69
「着実な一歩」が存在しない分野なのではないか
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