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わかりやすい量子コンピュータ

GoogleとNASAのエイムズ研究所は、共同で「Quantum Artificial Intelligence Lab(量子人工知能研究所)」を設立するし、研究所にはカナダのD-Wave社による量子コンピューターを設置する。

更新日: 2016年05月11日

twcritiqueさん

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理論 量子ビット(qubit)

「量子ビット」は、同じ確率で同時に「0」と「1」の両方の状態をとることができる。とりあえず、今は「なんで?」ということは脇に置いて、そういうものだと思ってほしい。

量子コンピュータでは、このような重ね合わせ状態を入力として用いることにより、同時に表現された2N個の値に対して一度に並列して処理を進めることができるため、現在のコンピュータとは桁違いに高速な計算ができることになります。おおざっぱな言い方をすれば、現在のコンピュータでは00…00から11…11まで1つ1つ、合計2N回処理しなければならないことを、量子コンピュータでは、それらが全て重なり合った状態に対して一度だけ演算することで、同等のことができるというわけです。

約30年前、科学者たちはその二元性を超えうる機械を提案した。量子力学の、魔術的な原理に従うシステムにデータを保管できるマシンの提案である。

「量子ビット」はいわゆる重層原理によって、〈1〉または〈0〉というだけでなく、〈1〉と〈0〉を同時に保管できるようになった。

量子情報とは、0と1からなる2進数の「ビット」を基本単位とするような古典力学的な状態で表される従来の情報(古典的情報)に対して、0と1の みならず0と1の任意の重ね合わせ状態を取ることができるような量子力学的な状態で表される情報を指し、量子2準位系の状態 で記述される「量子ビット(qubit)」を基本単位とする。

ためしに作ってみる人

function Qubits(length){
this.length = length;
var statelen = Math.pow(2, length);
this.states = new Array(statelen);
this.states[0] = 1.0;
this.state_length = statelen;
for(var i=1;i<statelen;++i){
this.states[i] = 0.0;
}
}

長さnのビット列に対し、量子ビットクラスは2nの状態を保持し、それぞれの状態は係数を持ちます。シミュレーターを実装するにあたって、量子ビットクラスのコンストラクターは以下のようにつくりましょう。ビットの長さをlengthで保持し、各状態の振幅をthis.statesの配列で持つことにします。
初期状態では、∣∣0⟩の確率が1になるように初期化しておきます。

量子コンピュータにできること

量子コンピュータが実現すれば、大量の数を扱うような計算問題を、今までのコンピュータとは比べものにならない高速度で解くことができるというのである。

1,量子コンピュータが実用化されると、どんなことができるようになりますか。
 出来ることは現在のコンピュータとなんら変わりありません。とにかく性能が格段に飛躍します。

Paul Benioffは1980年からの一連の論文で、エネルギーを消費せずに計算が行えることを示した。[2]こうして、はじめて量子コンピュータという概念が誕生した。82年には、ノーベル物理学賞を受賞したFeynmannも、この有用性について言及している。

量子コンピュータは、どんな計算でも速くなる、という訳ではありません。
古典コンピュータに比べて早く計算できる問題、という問題は限られています。
例えば離散対数問題など、その問題を解く効率的な「量子アルゴリズム」が発見されている問題がそれに当てはまります。

1 大きな桁数の素因数分解が、実用的な時間で可能になる。
Excel のグラフ描画が早くなる、ということは(多分)ない。

量子コンピュータは、それぞれの並行世界における計算結果に応じて、その世界の「リズム」をコントロールすることができる。そのリズムを一致させることで、光子の検出と同じように、最終的な現象として結果を知ることができる。そのようにして、莫大な数の計算結果から、一つの結論を導きだせるのだ。

実用化と企業 D-Ware Systems

まず、あっさり言い切ってしまおう。従来型は、量子チューリングマシンを目指しているのだが、D-Waveは違うのだ。前章で説明したように、従来型の基本は、論理演算の量子バージョン・量子理論を駆使して、量子演算回路(量子ゲート)を組んで、並列計算を実行することに目標を置いていた。(量子ゲート方式)。しかし、D-Waveは、最初から的を絞った演算に特化したのだ。ようするに、最適化問題専用の量子コンピューターを創ろうとしたのである。ちょっと極端な例で言えば、従来型がバベッジの解析機関(汎用コンピュータ)なら、D−Waveは階差機関(階差計算専用機)に当たるのだ。

ローズ氏の発想は、「量子力学の焼きなまし現象」が発生する実験装置を作るという途方もないものだった。「量子力学の焼きなまし現象」を従来型コンピュータ上でシミュレーションするよりも、実験装置で実際の現象として発生させた方が、結果を高速に得られると考えたのだ。そしてその実験装置を、超伝導回路を使って作成した。これが2011年に商用化したD-Waveマシンの誕生の経緯であり、D-Waveマシンで組み合わせ最適化問題が解ける理由である。

彼は量子コンピューターの専門家である南カリフォルニア大学のダニエル・ライダー(Daniel Rider)に相談したところ、D-Waveを推薦された。アレンはD-Wave社の量子コンピューターに関する論争を知っていたので、あまり乗り気はしなかったがライダーは強力に推薦した。そこでアレンは古い戦闘機F16のすでに開発されているコードをD-Wave社に送った。このコードにはバグがあり、社内の技術者がそれを発見するのに数カ月もかかったものである。そのバグはD-Wave社により6週間で発見された。そこでアレンは量子コンピューターの可能性を確信し、会社のお偉方を説得して量子コンピューターD-Wave Oneを買わせた。

D-Ware Systemsが世界で初めて商用量子コンピュータを販売。買い手は飛行機・宇宙船の開発製造会社のロッキード・マーティン社。
発売されたのはD-Wave Systems社のスーパーコンピュータD-Wave Oneで128量子ビット計算機。

量子ゲート

わたしの気づいている限りでは、最初に万能量子ゲートを示唆したのはデイヴィット・ドイッチェで、1989年のことだった。ドイッチェのゲートはトフォリ・ゲートにもとづいており、したがって3量子ビット・ゲートとして働く。それはトフォリゲートを実現し、その他にもはるかに多くのことができる。もしドイッチェのゲートで十分に複雑なネットワークが作れたら、量子ビットの集合に対してすべての可逆な演算が実現できるだろう。

ファインマンに始まりドイッチュやショアらによって発展させられた量子コンピュータのアイディア.それはなぜ超高速の計算を可能とするのか? 実際のマシンを創るために,いかなる試みがなされているのか? 「量子状態のからみ合い」をキーワードにして,物理法則と計算の可能性が交錯するドリーム・マシンの世界に案内する.

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