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お話 量子コンピュータ入門 その1


計算の高速化と低消費電力を目指して

1985年 英国デビット・ドイチュが発明

図1　フォン・ノイマン型アーキテクチャに基づき命令を順次処理する現代のコンピュータに対し，量子コンピュータは，キュービットの重ね合わせと絡み合い（量子力学的性質）を活用して計算を実行する．［著・提供］漆谷 正義．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．詳細は［VOD/PiZero KIT］Python×ラズパイで初めての量子コンピュータ

お話 量子コンピュータ入門

量子コンピュータは，従来のコンピュータの限界を超える新たな計算技術です．英国の物理学者デビット・ドイチュが発明しました．

量子コンピュータは，ビット（0と1）を用いる古典的なコンピュータとは異なり，量子ビット（キュービット）と呼ばれる基本単位を使用します．これにより，従来のコンピュータでは不可能だった大規模な並列計算が可能となり，高速な計算処理と低消費電力の実現が期待されています．

従来のコンピュータと量子コンピュータの違い

従来のコンピュータはフォン・ノイマン型アーキテクチャに基づき，命令を順次処理する方式です．量子コンピュータは，キュービットの重ね合わせと絡み合い（エンタングルメント）という量子力学的性質を活用します．

例えば，量子状態$\psi$は$|\psi\rangle = \alpha|0\rangle + \beta|1\rangle$で表され，$\alpha$および$\beta$は確率振幅です．この特徴によって，量子コンピュータは複数の計算を同時に実行でき，巡回セールスマン問題や素因数分解のような複雑な問題を一瞬で解決できる可能性を秘めています．

量子コンピュータの応用可能性

量子コンピュータの発展によって，さまざまな分野での応用が期待されています．

量子暗号の開発により，情報のセキュリティは飛躍的に向上し，盗聴が不可能な通信が実現します．また，医薬品開発や材料設計においても量子計算が役立ち，副作用のない薬の発見や効率的な新素材の開発が進むでしょう．さらに，量子コンピュータは，自然現象の精密なシミュレーションにおいても強力なツールとなり，台風の進路予測や気候変動の分析に大いに貢献すると考えられています．

量子ビット（キュービット）とは

量子コンピュータの基本要素であるキュービットは，重ね合わせとエンタングルメントといった量子力学の原理に基づいています．

キュービットは$|0\rangle$と$|1\rangle$の両方の状態を同時にもつことが可能で，この特性を利用することで，量子コンピュータは膨大な並列計算能力をもちます．これにより，キュービット数の増加は指数関数的な計算能力の向上を意味します．

重ね合わせとエンタングルメント

量子コンピュータの動作原理の基礎となる「重ね合わせ」は，1つのキュービットが0と1の間のすべての状態をもつことを意味します．

これにより，量子コンピュータは，複数の計算結果を同時に得ることが可能です．一方，エンタングルメントは，複数のキュービットが相互に影響し合う状態で，1つのキュービットの状態がほかのキュービットに瞬時に伝播します．この性質を用いることで，量子計算では古典計算に比べて劇的に効率のよい問題解決が可能になります．

量子コンピュータは，これらの特性を活用しながら新しい計算モデルを提案することで，古典コンピュータの限界を超えた計算の高速化と効率化を実現しようとしています．〈著：ZEPマガジン〉

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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．
  6. ［VOD/Pi KIT］ラズパイ×Pythonで動かして学ぶモータ制御入門 ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  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．