IBM SkillsBuild 学生向け技術セミナー（量子コンピューター）

20250606開催のIBM SkillsBuild 学生向け技術セミナー（量子コンピューター）のセミナー資料です。

Transcript

1. IBM Quantum / © 2021 IBM Corporation IBM SkillsBuild 技術セミナー 〜世界に先駆けた量子人材へ〜 量子コンピュータ入門 Daiki Murata / Qiskit Advocate
2. 2 ボードゲーム ENTANGLION を通して 量子コンピューティングを体験しましょう！
3. 3 量子コンピュータとは
4. 量子の性質を利用して 特定の問題を効率的に解くことが期待されているコンピュータ
5. なぜ量子コンピュータが必要？ 従来コンピュータはトランジスタの小型化・凝集により性能を発展させてきました。 しかし小型化は原子サイズまで到達してしまい、物理的に限界が近づいています… Wikipedia 2年ごとに2倍
6. まだまだ性能向上は必要！どうすれば？ 6 IBM Quantum / © 2023 IBM Corporation 1つの方法は、従来のコンピュータを連結して計算能力を向上させたスーパーコン ピュータを作る方法です。現在でも科学技術の発展に大きく貢献しています。
7. スーパーコンピュータでも苦手な問題 IBM Quantum / © 2023 IBM Corporation 倍々で膨れ上がる=指数関数的に計算量が増える問題 はスーパーコンピュータでも苦手な計算です。 時間 くりまんじゅうの数 はじまり 1コ（50g） 5分後 2コ（100g） 10分後 4コ（200g） 15分後 8コ（400g） 1時間後 4096コ（約200kg） ・・・ ・・・ 3時間後 6.9×1010コ（345万t） ・・・ ・・・ 12時間後 1.2×1018コ（6兆t） ・・・ ・・・ 24時間後 1.3×1036コ（6澗t） 2 n 小学館 てんとう虫コミックス 『ドラえもん』
8. 古典コンピュータが苦手な問題 分子の化学シミュレーション 膨大な計算が必要で、スーパーコンピュータでも困難 乱数生成 古典コンピューターでは疑似乱数しか生成できず、 シミュレーションのスケーラビリティに制約 素因数分解 現在の暗号は素因数分解の困難性に基づいている (2048ビット整数: 47億年) 創薬・材料研究 並列計算で膨大な組み合わせを計算 複雑な社会現象シミュレーション 量子乱数により、疑似乱数の周期性による制約から解放 新しいセキュリティ技術 量子アルゴリズムでは8時間 計算の困難性以外のアプローチによる セキュリティ技術の開発
9. 量子コンピュータでは従来のコンピュータと問題の解き方が根本的に異なります。 量子の性質を利用することで全候補を並列計算し、計算を高速化しています。 量子コンピュータの高速計算の理由 IBM Quantum / © 2023 IBM Corporation … try1 try2 try3 tryN(答え) 全候補同時 並行で計算 欲しい候補 だけ抽出 答え
10. 量子の性質その１ - 重ね合わせ 1つの量子の粒は同時に複数の状態をとることが可能であるため、 多数のビットを用意するほど、扱える情報が指数関数的に増やせそうです。 古典ビット: 情報は確定的 トランジスタがOFF=0 トランジスタがON=1 量子ビット: 情報は確率的 0か1かは情報を読み出すまでわからない （ある時は0、ある時は1）
11. 量子コンピューティング 11 量子コンピューティングとは、従来コンピュータと同様に、量子ビットに対して何 らかの操作を行い量子ビットの状態を制御して演算を行うことです。 この操作を量子ゲートと呼び、量子の性質（重ね合わせ・干渉・エンタングルメン ト）を上手に利用した基本操作がいくつか定義されています。 量子ゲートを組み合わせた量子回路の構築が第一歩です！ 1つ1つが量子ゲート
12. 並列計算≠計算の高速化 重ね合わせを使うことで確かに複数の可能性を並列に処理することが可能です。 しかし、実は知ることが出来る結果は複数の可能性の中のランダムな1つという制約 があります。 「計算」をするためには欲しい答えを抜き出す仕組みが欲しいところ… 全候補同時並行で計算 欲しい候補だけ抽出 答え
13. 量子の性質その２ - エンタングルメント 重ね合わせ状態の量子ビット間に作られる強い相関のこと。 一方の状態が確定した瞬間、他方の状態が確定する現象が発生します。 これを利用することでランダムな量子状態にルールを持たせることが可能です。 東京 1 測定 新川崎 1 |𝟎𝟎⟩ |𝟏𝟏⟩ 確 率 エンタングルメント 東京が0なら新川崎も0 東京が1なら新川崎も1 確定
14. 活用が期待される領域 14
15. AI × Quantum IBM Quantum / © 2023 IBM Corporation AI for Quantum AIの力を使って量子コンピュータ開発を推進 Quantum for AI 量子コンピュータの力を使ってAI開発を推進 arXiv:2505.23860 arXiv:2408.10726 量子回路の最適化 量子系のシミュレーション 量子データの解析 量子技術制御の自動化
16. まとめ 量子コンピュータとは • 量子の性質（重ね合わせ、エンタングルメント）を利用した新しい計算技術。 • 従来コンピュータよりも高速な夢のコンピュータというわけではなく、これまで と違った計算アプローチを採用することで、特定の問題を効率的に解くことが期 待されている。 • 量子ビットに対してゲート操作を行って量子の状態を変えていくことで計算を実 行する。 • 創薬、材料開発、金融、AIなど様々な領域への応用が期待されている。 IBM Quantum / © 2023 IBM Corporation
17. IBM Quantum / © 2021 IBM Corporation