お話 量子コンピュータ入門 その3

ラズパイ・キットでブロッホ球上のベクトルの動きをLED表示

Python numpyライブラリでプログラミング

ラズベリー・パイで体験する量子演算の基礎

量子ビットとブロッホ球の基礎

量子ビットは従来のビットと異なり，状態が0か1のいずれかではなく，その間の無限の状態をもつことができます．これを表現するために，ブロッホ球と呼ばれる3次元の球体が使用されます．

量子ビットの状態は，この球上の任意の点として表現され，振幅$\theta$と位相$\phi$によりその位置が決まります．例えば，$\theta = 0$のときは$|0\rangle$の状態，$\theta = \pi$のときは$|1\rangle$の状態になります．

ラズベリー・パイとLEDを組み合わせることで，このブロッホ球上の量子ビットの動きを視覚的に表示することが可能です．

Pythonを使った量子演算の実装

量子ゲートは，量子ビットに対して操作を加えるための基本的な演算子です．例えば，PythonでHadamardゲートやCNOTゲートを実装でき，量子演算をシミュレートできます．ラズパイ上で量子ビットの状態を制御するために，`class Qstate`を用いて量子ビットの状態を管理し，ブロッホ球上でその動きを追跡します．LEDを用いた表示プログラム`class qbit`を使うことで，量子状態の変化が視覚化されます．

グローバーのアルゴリズムと探索の効率化

量子コンピュータの有名なアルゴリズムの1つに「グローバーのアルゴリズム」があります．これは，大規模なデータセットの中から特定の項目を効率的に探索するためのアルゴリズムです．従来の計算では，$N$個のデータから探索を行う場合，平均して$N/2$回の検索が必要ですが，グローバーのアルゴリズムを使用すると，その回数が$\sqrt{N}$まで減少します．これにより，膨大なデータセットの中から特定のデータを高速に見つけ出すことができます．

グローバーのアルゴリズムでは，特定の解を位相反転（符号を反転）する「位相オラクル」と，振幅を増幅させる「拡大操作」が用いられます．この操作により，解の確率振幅がほかの候補に対して優位に立ち，探索が成功する確率が劇的に向上します．Pythonを使ってこのアルゴリズムを実装することも可能です．〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

• 1971年　神戸大学大学院理学研究科修了
• 1971年　三洋電機株式に入社．レーザ研究，レーザ応用機器開発に従事．その後，ベータ，VHSビデオ開発，ディジタルビデオ・カメラ開発に従事
• 2009年　大分県立工科短期大学非常勤講師
• 2012年　西日本工業大学非常勤講師
• 2017年　大分大学工学部非常勤講師

著書

1. ［VOD/KIT］ ラズパイ・キットで学ぶLinux I/Oボードの作り方・探し方・動かし方，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD/PiZero KIT］Python×ラズパイで初めての量子コンピュータ，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. 電子工作で始める量子コンピュータ，Interface，2019年3月号，CQ出版社．

参考文献

1. ［VOD/Pi KIT］ラズベリー・パイで学ぶLinux＆Pythonプログラミング超入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD/KIT］ 実習キットで一緒に作る！オープンソースCPU RISC-V入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/Pi KIT］ラズベリー・パイで学ぶLinux＆Pythonプログラミング超入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD/KIT］ラズベリー・パイで学ぶエッジAIプログラミング入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD/Pi KIT］SLAMロボット＆ラズパイ付き！ROSプログラミング超入門，ZEPエンジニアリング株式会，ZEPエンジニアリング株式会社．社．
6. ［VOD/Pi KIT］ラズパイ×Pythonで動かして学ぶモータ制御入門
7. ［VOD/Pi KIT］MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［VOD/KIT］ラズパイ×Node-REDで作ろう！IoTアプリ開発入門，ZEPエンジニアリング株式会社．