用語集

量子コンピューティング用語集

22の量子コンピューティング用語の平易な言葉での定義。量子ビットから量子優位性まで、数学の学位不要。

Written by

Sohum Thakkar

CEO, Qolour

量子ビット(Qubit): 量子情報の基本単位。古典ビット(0または1)とは異なり、量子ビットは0と1の重ね合わせに同時に存在できます。物理的には、量子ビットは超伝導回路、捕捉イオン、光子、または任意の2準位量子系から作れます。
重ね合わせ: 量子系が複数の状態の組み合わせに同時に存在できる能力。重ね合わせの量子ビットは0でも1でもなく、それぞれに確率振幅を持ちます。測定すると、重ね合わせは振幅で決まる確率で1つの古典結果に崩壊します。
量子もつれ: 2つ以上の粒子間の量子相関で、それらの状態を独立して記述できないもの。もつれた粒子の1つを測定すると、瞬時にもう一方の測定結果が決まります。遠く離れていても同様です。量子もつれは量子テレポーテーション、量子鍵配送、多くの量子アルゴリズムを駆動するリソースです。
ブロッホ球: 単一量子ビットの状態を3D球の表面上の点として幾何学的に表現したもの。北極が|0⟩、南極が|1⟩を表し、他のすべての点が重ね合わせを表します。ブロッホ球は量子コンピューティング教育で最も一般的な可視化ツールです。
量子ゲート: 1つ以上の量子ビットの状態を変換する演算。量子ゲートは(ほとんどの古典論理ゲートと異なり)可逆で、ユニタリ行列で表されます。一般的なゲートにはアダマール(H)、パウリ-X/Y/Z、CNOT、回転ゲートRx、Ry、Rzがあります。
量子回路: 測定で終わる、量子ビットに適用される量子ゲートのシーケンス。量子回路は量子コンピュータをプログラムする最低レベルの抽象化です。古典のアセンブリ言語プログラムの量子版です。
測定: 量子ビットの古典状態を読み出す行為。測定により量子ビットの重ね合わせは0か1に崩壊し、確率は量子状態の二乗振幅で与えられます。量子ビットが測定されると、元の重ね合わせは破壊されます。
ボルン則: 量子状態から特定の結果を測定する確率を与える規則。量子ビットが状態α|0⟩ + β|1⟩にあるとき、0を測定する確率は|α|²、1を測定する確率は|β|²です。1954年にこれでノーベル賞を受賞したマックス・ボルンにちなんで命名されました。
デコヒーレンス: 量子系が環境との相互作用により量子的性質(重ね合わせと量子もつれ)を失うプロセス。デコヒーレンスは大規模量子コンピュータを構築する主な障害です。量子状態を維持するには、量子ビットを熱、振動、迷走電磁場から隔離する必要があります。
量子誤り訂正(QEC): 単一の論理量子ビットを多数の物理量子ビットに符号化することで、量子情報をデコヒーレンスとゲート誤りから保護する一連の技術。一般的な符号にはショア符号、ステイン符号、サーフェスコードがあります。
アダマールゲート(Hゲート): 等しい重ね合わせを生成する単一量子ビットゲート。|0⟩に適用すると(|0⟩ + |1⟩)/√2を生成します。アダマールゲートは量子アルゴリズムの主力で、ほぼすべての量子回路の最初に登場します。
CNOTゲート(制御NOT): 1つ目(制御)の量子ビットが状態|1⟩にあるときのみ、2つ目(標的)の量子ビットを反転する2量子ビットゲート。CNOTは最も一般的なもつれゲートで、単一量子ビット回転と組み合わせると量子コンピューティングに対して普遍です。
ベル状態: 4つの最大もつれ2量子ビット状態の1つ。4つのベル状態は2量子ビットヒルベルト空間の基底を形成し、量子もつれの最も単純な例です。アダマールゲートをCNOTが続いて適用することで生成されます。
量子優位性(量子アドバンテージ): 量子コンピュータが、合理的な時間内に古典コンピュータでは解けない問題を解ける時点。Googleは2019年にSycamoreプロセッサで、ランダム回路サンプリングタスクで量子優位性を主張しました。
ショアのアルゴリズム: 1994年にピーター・ショアが開発した量子アルゴリズムで、最も知られた古典アルゴリズムよりも指数関数的に速く大きな整数を因数分解します。ショアのアルゴリズムはRSA暗号を脅かし、耐量子計算機暗号の主な動機の1つです。
グローバーのアルゴリズム: 1996年にロブ・グローバーが開発した量子アルゴリズムで、N個のアイテムのソートされていないデータベースをO(√N)の演算で探索します。最良の古典アルゴリズムよりも二次関数的に速いです。多くの他の量子アルゴリズムのサブルーチンとして使用されます。
BB84: 1984年にチャールズ・ベネットとジル・ブラサールが発明した最初の量子鍵配送プロトコル。BB84により2者が物理法則によって保証されたセキュリティで秘密暗号鍵を共有できます。盗聴者は必ず検出されます。
CHSH不等式: 古典理論が満たすべき数学的不等式(クラウザー-ホーン-シモニー-ホルト)。量子力学はCHSH不等式に違反し、実験的違反は宇宙が局所隠れ変数で記述できないことを証明します。2022年のノーベル賞はこれを実験的に検証したことに対して授与されました。
NISQ(ノイジー中規模量子): ジョン・プレスキルが造語した、量子コンピューティングの現在の時代を表す用語:数百から数千の量子ビットだが、有意なノイズがあり完全な誤り訂正なし。NISQデバイスにはIBMのEagleおよびHeronプロセッサ、IonQのイオントラップマシンがあります。
量子テレポーテーション: 共有のもつれペアと2古典ビットの通信を使って、ある場所から別の場所に未知の量子状態を送信するプロトコル。名前にもかかわらず、物質やエネルギーはテレポートされません — 量子情報のみです。
波動関数: 系の量子状態の数学的記述。波動関数には、ボルン則を介してあらゆる可能な測定結果の確率を計算するために必要なすべての情報が含まれています。
パウリ演算子(パウリ行列): ヴォルフガング・パウリにちなんで命名された3つの単一量子ビットゲート(X、Y、Z)のセット。XはNOTの量子類似(|0⟩と|1⟩を入れ替え)、Yは反転と位相を組み合わせ、Zは|1⟩の位相を反転します。恒等と合わせて、すべての単一量子ビット演算の基底を形成します。

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