量子コンピューターの概要と参考情報/参考図書

量子コンピューターとは

量子コンピューターは、”量子力学と人工知能と自然言語処理“゛ても述べている量子力学の原理を利用して情報を処理するコンピューターの形態となる。従来のコンピューターとの相違点は、従来のものが「ビット」と呼ばれる2進数の情報を処理してい他のに対して、量子コンピューターでは「量子ビット」または「qubit」と呼ばれる量子力学的な特性を持つ情報の単位を使用点にある。

この量子ビットは、量子力学の重ね合わせの原理に基づいて複数の状態を同時に表現できるため、一度に多くの計算を並行して実行することができ、これにより、量子コンピューターは従来のコンピューターよりも高速に特定の問題を解くことができる可能性があるところが特徴となる。

量子コンピューターの応用事例

量子コンピューターの応用事例は以下のようなものがある。

• 暗号解読: 量子コンピューターを使用すると、現在のコンピューターでは非常に困難な素因数分解問題を解くことができ、これにより、RSA暗号などの一部の暗号方式の破解が可能になって一部の暗号方式を効率的に解読する可能性がある。
• 最適化問題: 量子コンピューターは、巨大なデータセットを扱う組み合わせ最適化問題や、交通ルート最適化、素材設計などの最適化問題において、より高速な解を見つけることが期待されている。
• 分子シミュレーション: 量子コンピューターは、量子力学的な相互作用を正確にモデル化することができるため、複雑な化学反応や材料の性質をより正確に予測することが可能であり、これにより、医薬品の設計やエネルギー変換材料の開発など、分子や物質のシミュレーション分野での応用が期待されている。
• 機械学習: 量子機械学習と呼ばれる分野では、量子コンピューターの特性を活かしてデータ解析やパターン認識の高速化や精度向上を図る研究が行われており、量子コンピューターを用いることで、機械学習のアルゴリズムやパターン認識を大幅に改善する事が期待されている。

量子コンピューターの技術的な要素

量子コンピューターの技術的な要素としては以下のものがある。

• 量子ビット(qubit): 量子コンピューターの基本的な情報の単位であり、従来のビットとは異なり、量子ビットは量子力学的な特性を持ち、これにより、量子ビットは重ね合わせた複数の状態を同時に表現することが可能となる。
• 量子ゲート: 量子ゲートは、量子ビット上で操作を行うためのゲートとなる。量子ゲートは量子ビットの状態を変化させ、量子計算を実行する。一般的な量子ゲートにはアダマールゲート、位相シフトゲート、CNOTゲートなどがある。
• 量子エラー訂正: 量子ビットは環境の影響を受けやすく、ノイズやエラーが生じる可能性がある。そのため、量子エラー訂正技術が重要であり、量子エラー訂正は、ノイズやエラーを検出し、修正するための手法で、量子ビットの信頼性と安定性を向上させるものとなる。
• 量子アルゴリズム: 量子コンピューターでは、量子アルゴリズムと呼ばれる新たなアルゴリズムが必要となる。量子アルゴリズムは、量子ビットの特性を活用して、従来のコンピューターでは解決が難しい問題を効率的に解くためのアルゴリズムであり、代表的な量子アルゴリズムとしては、ショアのアルゴリズム（素因数分解）、グローバーのアルゴリズム（検索問題）などがある。
• 量子ビットの実装技術: 量子ビットは物理的な実装が必要であり、現在、超伝導回路、イオントラップ、光子などの様々な手法で物理システムに実装されている。それぞれの手法には利点と課題があり、信頼性、スケーラビリティ、エラー率などが考慮される。

量子コンピューターの課題

現在、量子コンピューターの実現には、以下のような課題が存在している。

• クオリティーと信頼性の向上: 量子ビットは環境の影響を受けやすく、ノイズやエラーが生じる傾向がある。信頼性の高い量子ビットの作成と保持、エラーの検出と訂正のための技術の開発が必要であり、量子ビットの信頼性とエラーレートの低減は、量子コンピューターのパフォーマンスと応用の拡大にとって重要な要素となる。
• スケーラビリティ: 現在の量子コンピューターはごく少数の量子ビットしか扱えないが、実用的な量子コンピューターには数百または数千の量子ビットが必要とされている。それらを実現するためには、大規模な量子コンピューターの開発と、それに伴う制御や通信の課題に対処するための技術の進展が必要となる。
• 量子ビットの安定性: 量子ビットの状態は非常にデリケートで、環境の微小な変化によって影響を受けやすい。このため、量子ビットを長時間安定させるための冷却技術や絶縁技術などの開発が必要となる。
• 量子アルゴリズムの設計と最適化: 量子コンピューターの応用範囲を広げる上で、最適なアルゴリズムの設計や、既存のコンピューターのアルゴリズムを量子コンピューターに適用する方法の研究が必要とされている。
• コストとリソースの課題: 現在の量子コンピューターは高度な技術と設備が必要であり、高価で大規模なリソースを必要とし、コストの削減やリソースの効率的な利用に関する課題が存在している。

量子コンピューターの参考情報と参考図書

量子コンピューターの参考情報としては、大学共同利用機関法人 情報・システム研究機構 国立情報学研究所(NII)が、量子技術に関する図やグラフ、練習問題やプログラムコードなど様々なコンテンツを収めた教材データベースを構築し、量子技術高等教育拠点として公開している。

参考図書としては一般的な読み物としては「現代思想2020年2月号　特集＝量子コンピュータ―情報科学技術の新しいパラダイム」がある。

以下にその目次を示す。

Googleの研究チームによる「量子超越性の実証」が報じられて以来、改めて注目を集めつつある量子コンピュータ。それは私たちの世界をどのように変えうるのだろうか。本特集ではその歴史や理論的な基礎から最新の成果まで、量子情報科学の現在形を一望するとともに、政治経済や哲学、文学など多様な観点から量子時代の行く末を考える。

【討議】

量子をめぐるエコシステム　 ／　江間有沙＋藤井啓祐

はじめに
エコシステムをいかに回すか
エコシステムの外との関係
量子コンピュータの挑戦
プレイヤーを増やしていくために
量子だからこそできること

【量子コンピュータ入門】

量子コンピュータ開発の現在と応用可能性について　 ／　根本香絵

量子コンピュータの原理と優位性　 ／　竹内勇貴

はじめに
古典コンピュータと量子コンピュータ
量子コンピュータの誕生とその原理
量子コンピュータは何が特殊なのか
量子エラー訂正
量子コンピュータと量子もつれの関係
様々な量子コンピュータのモデル
量子ビットの実現方法――量子コンピュータの実現に向けて
終わりに

量子計算を哲学してみる　 ／　細谷曉夫

１はじめに
２計算とは何か
３ビットとｑビット
４ユニタリー発展
５ｑビットの測定による結果の読み取り
６エンタングルメント
７量子アニーリング
８量子アルゴリズムの分類
９むすび

或る理論計算機科学の研究者から見た量子コンピュータ研究の歴史　 ／　西村治道

はじめに
１量子コンピュータによる計算（量子計算）の始まり
２量子計算量理論の芽生え
３サイモン、そしてショア
４グローバーの発見
５第一次量子コンピュータブーム
６第一次量子コンピュータブームを過ぎて
７第二次量子コンピュータブームと量子計算量理論の現在
８結び


【歴史のなかの量子コンピュータ】

Ｈのない量子力学 ――機器がつくる世界　 ／　佐藤文隆

量子超越性の達成
量子力学への遡及
量子力学の二重構造で棲み分け
モノの理論として大展
ポパー「観測者なき量子力学」
外界と概念
力学と統計学
「ありのままに自然を見ない」修行
量子力学の教科書
コヒーレント表示と個数表示
シュレーディンガー方程式からの脱却
原子発見史より対話的実験での導入
もつれ（エンタングル）状態の重なり


【拡張する量子の科学】

情報の観点からみた量子力学　 ／　北島雄一郎

１はじめに
２ＣＢＨ定理
３ＰＲボックス
４超量子相関
５ＣＢＨ定理の意義
６おわりに

圏・量子情報・ビッグデータの哲学 ――情報物理学と量子認知科学から圏論的形而上学と量子ＡＩネイティブまで　 ／　丸山善宏

１フォン・ノイマンの不道徳な告白――量子論の解釈主義から再構築主義へ
２万物の情報性と遍くプロセスの計算性――TheoryofEverythingとしてのPancomputationalism
３圏論的構造主義と圏論的量子論、或は万物の多元プロセス存在論
４量子脳理論と量子認知科学――物質的量子効果と構造的量子効果
５ＡＩネイティブ・量子ネイティブ・圏論ネイティブ

量子と生命　 ／　田中成典

１はじめに――量子生命科学について
２量子システム生物学
３フェルミオン多体問題
４再考――量子と生命の古くて新しい繋がり

「わたし」に向かって一般化される量子コンピューティング　 ／　郡司ペギオ幸夫

１はじめに
２認知的誤謬と量子力学
３認知的非局所性とブール代数の準直和構造
４認知的非局所性からもたらされる認知的誤謬・議論


【量子がひらくパンセ】

量子力学と現代の思潮　 ／　全　卓樹

１序章――量子と確率と観測者
２世界観としての量子力学
はじめに
２‐１量子力学の非実在的メタ理論
２‐２量子力学の改定補足による実在的メタ理論
２‐３量子力学の多世界的実在メタ理論
３量子力学解釈と時代思潮
４終章

無時間、無空間からの出発　 ／　内井惣七

１ロヴェッリの量子重力理論
２ライプニッツの究極の理論
３重ね合わせの威力と限界
４空間の出現
５時間の出現
６確率の解釈

量子力学・情報科学・社会システム論 ――量子情報科学の思想的地平　 ／　大黒岳彦

序
「量子超越性」を巡る騒動
量子情報科学へのスタンス
1
情報科学の誕生とサイバネティックス
モノ・意味・情報
「情報的世界観」とは何か？
2
物理学における「物的世界像」の綻び
物理学における「情報」への視界
量子力学における「モノ」と「情報」の相克
3
量子力学と情報科学
量子情報科学の誕生まで
量子情報科学の現在
量子情報科学の思想的地平
4
量子力学・情報科学と社会システム論
社会システム論と量子情報科学


【ＡＩ・暗号・ネットワーク】

未来技術の倫理　 ／　河島茂生

序
人間と機械の異質性
社会‐技術システム
一人称的な認知
未来技術による計算／非計算の領域
結

デジタル署名、ブロックチェーンと量子アルゴリズム ――新たなるサイファーパンクの夜明け　 ／　斉藤賢爾

過去は、変更可能な性質を帯びている
量子アルゴリズムと暗号解読
記録の真正性は保てるか
デジタル署名とアリバイ証明問題、経時証明問題
ブロックチェーンと記録の真正性
ブロックチェーンにとっての脅威
ブロックチェーンにおけるクリプトアジリティとデジタル古文書
新たなるサイファーパンクの夜明け

チャイバースペース（Chyberspace）の出現について ――中国の「サイバー主権」論の背景にあるもの　 ／　羽根次郎

はじめに――「沖縄ＩＴ憲章」と新自由主義
１国連ミレニアム宣言
２世界情報社会サミット
３チャイバースペースの萌芽
４スノーデン事件
まとめ


【〈情報〉はどこからきて、どこへゆくのか】

情報概念の形成 ――一九二〇年代における物理学と工学の接近　 ／　河西棟馬

はじめに
１情報という語の歴史について
２通信工学における情報概念の形成
３悪魔の機械化――シラード・エンジンの導入まで
４Convergence

ホームオートメーション再考 ――一九八〇年代の日本が描いた二一世紀の情報化社会　 ／　鈴木真奈

１IoT技術とホームオートメーション（ＨＡ）
２一九八〇年代におけるホームエレクトロニクス①将来予想図に描かれたＨＡ／ＨＥ
３一九八〇年代におけるホームエレクトロニクス②書籍に見られるＨＡ／ＨＥ
４一九八〇年代における家庭用通信技術①家庭外と家庭内を結ぶ通信
５一九八〇年代における家庭用通信技術②家庭内における通信


【クォンタムな想像力】

偶然性・平行世界・この私 ――量子力学と文学をめぐる諸問題　 ／　加藤夢三

はじめに
１中河與一「偶然文学論」
２多世界解釈への招待
３量子コンピュータの文芸史
終わりに


【連載●デミウルゴス●第一〇回】

虚諧（二）　 ／　磯崎新


【連載●ポストヒューマニティーズへの百年●第二回】

実存と形而上学――ヤスパース　 ／　浅沼光樹

１はじめに
２ヤスパース
実存哲学とは何か
ヤスパースの人となり
キェルケゴールとカントの間
３『シェリング――偉大さと宿命』
成立
特徴
評価
４ヤスパースとハイデガー
友情と反目
ハーバーマスの書評
シェリングという謎
５おわりに


【研究手帖】

ネコはバイリンガル　 ／　高木佐保

このほかにも”IBM Quantumで学ぶ量子コンピュータ”

“量子コンピュータシステム: ノイズあり量子デバイスの研究開発”等がある。