量子コンピュータとは、今までのコンピュータとは違う新しい種類のコンピュータです。今までのコンピュータは、電気のスイッチで情報を表していました。電気が流れると「1」、流れないと「0」というように、情報は「0」と「1」の組み合わせで表されます。これを「ビット」と呼びます。しかし、量子コンピュータは、光や電子などの小さな物質で情報を表します。これらの物質は、「0」と「1」だけでなく、「0でも「1」でもあるような状態」になることができます。これを「量子ビット」と呼びます。
量子ビットが特徴は、一度にたくさんの情報を表せることです。例えば、3つのビットは、「000」「001」「010」「011」「100」「101」「110」「111」の8通りの情報の一つしか表せません。しかし、3つの量子ビットは、これら8通りの情報を全部同時に表せます。この特徴を使って、量子コンピュータは、一度にたくさんの計算を行います。これが超高速計算の秘密です。
量子コンピュータは、“次世代の計算機”として社会を大きく変える可能性があります。その仕組みや特徴を理解することで、その可能性や課題についてもっと知ることができます。
それでは、もう少し量子ビットについて詳しく説明しましょう。
ビットと量子ビットの違い
ビットは、0か1のどちらかの値を持つ情報の単位です。例えば、コインを投げて表か裏かを判定するとき、表を0、裏を1とすると、コインの状態はビットで表せます。コインを投げる前には、表になる確率と裏になる確率はそれぞれ50%ですが、コインを投げた後には、どちらか一方に確定します。つまり、ビットは確率的な不確定性を持たない情報です。
量子ビットは、0と1の重ね合わせ状態を持つ情報の単位です。例えば、光の偏光状態を測定するとき、水平方向を0、垂直方向を1とすると、光の状態は量子ビットで表せます。光の偏光状態は、水平方向と垂直方向の重ね合わせになっており、その割合は確率振幅という数値で表されます。光の偏光状態を測定する前には、水平方向になる確率と垂直方向になる確率はそれぞれ確率振幅の絶対値の自乗に比例しますが、光の偏光状態を測定した後には、どちらか一方に確定します。つまり、量子ビットは確率的な不確定性を持つ情報です。
このように、量子ビットはビットと違って、0と1の間にあるような状態を持つことができます。この状態は確率振幅という数値で記述されますが、これは単なる確率ではありません。確率振幅は複素数であり、大きさだけでなく位相という角度も持ちます。ビットと異なり、量子ビットは確率振幅という情報を持つために高速計算が可能なわけです。量子コンピュータは、量子ビットの重ね合わせ状態やもつれ状態を利用して、量子ゲートによって確率振幅を操作し、その位相の差（干渉）を利用して計算結果を得ます。確率振幅の観測は、計算の最後に行うことが多いです。
量子ビットの観測：確率振幅の測定
重ね合わせ状態の特徴は、観測するまでは量子ビットがどちらの状態にあるかわからないということです。観測するときに初めて確率的に決まります。また、観測すると重ね合わせ状態は崩れてしまい、「0」か「1」のどちらか一方の状態になります。
例えば、ある量子ビットが「0」と 「1」 の重ね合わせ状態で、それぞれの確率振幅が 「1/√2」であるとします。この場合、この量子ビットを観測すると、「0」 が観測される確率は 「|1/√2|^2 = 1/2」 であり、同様に「1」が観測される確率も 「1/2」です。したがって、この量子ビットを観測すると、半々の確率で 「0」か「1」 のどちらかになります。そして、一度観測された量子ビットはその状態に固定されてしまい、再び観測しても同じ結果が得られます。量子ビットの重ね合わせ状態を観測することは、量子コンピュータの計算結果を得るために必要な操作ですが、同時に計算過程で利用されていた量子情報を失ってしまう不可逆的な操作でもあります。確率振幅は、確率なので１回の観測では測定できませんが、必要最小限の回数観測を行うことにより、求めることができます。このようにして量子ビットの重ね合わせ状態を測定します。
量子ビットを観測する実際の方法は、量子ビットの物理的な実現方法によって異なります。例えば、シリコン量子ドット中の電子スピンを用いた量子ビットでは、電子スピンの状態を読み出すために、近くに配置した単一電子トランジスタというデバイスを利用します。このデバイスは、電子の移動を検出することができるため、電子スピンの状態に応じて電流の変化を測定することで、量子ビットの状態を観測できます。
また、トラップされたイオンを用いた量子ビットでは、レーザー光によってイオンを励起し、イオンが放出する光子を観測することで、量子ビットの状態を観測できます。この方法は非常に高い精度で行うことができるとされています。
量子コンピュータの計算法
量子コンピュータの計算の基本は、量子ビットの重ね合わせ状態やもつれ状態を利用して、量子ゲートによって量子ビットの状態を操作することです。量子ビットの観測は、計算の最後に行うことが多いです。量子ビットが0か1になる確率を測定することは、確率振幅を推定することにはなりますが、それだけでは量子コンピュータの計算能力を十分に活用できません。量子コンピュータの計算能力を活用するためには、量子アルゴリズムを設計して、量子ゲートの組み合わせで量子回路を作ることが必要です。
まとめ
量子コンピュータは、量子ビットを用いた新しい種類のコンピュータです。量子ビットは、0と1の重ね合わせ状態を持つことができる情報の単位です。この重ね合わせ状態は、確率振幅という数値で表されます。確率振幅は複素数であり、大きさだけでなく位相という角度も持ちます。この位相が量子コンピュータの計算能力を高める要因の一つです。量子コンピュータでは、量子ゲートという装置で量子ビットの確率振幅を操作し、その位相の差（干渉）を利用して計算結果を得ます。確率振幅について理解することで、量子ビットや量子コンピュータの特徴や可能性について理解を深めることができます。
量子コンピュータは、その特殊な計算能力を活用して、さまざまな問題に対して有効な解決策を提供することが期待されています。例えば、新薬の開発や金融市場の予測、交通渋滞の解消など、複雑な問題を高速かつ正確に解決することができるかもしれません。
しかし、量子コンピュータの実用化にはまだまだ課題があります。量子ビットは非常にデリケートで、ノイズや温度変化などの影響を受けやすいため、安定性の確保が重要です。また、量子ビットを増やすことで計算能力を向上させることができますが、そのためには大量のケーブルや冷凍機などの設備が必要です。これらの課題を克服することで、量子コンピュータはより実用的なものとなるでしょう。
これは、以前執筆した量子ビットに関する随想をBing AIで一般向け解説にしたものだ。会話スタイル「厳密」を用いている。ほとんどの量子コンピュータの解説は確率振幅について述べられておらず、確率振幅がわからないと量子コンピュータは全く理解できない。その点この解説は悪くない、と思う。あと残っているのは論理ゲートだが、これは読んでもすぐ忘れてしまうので、なかなか書けない。
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