Introduction of Quantum Computer

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1. 量子コンピュータ概論
2. １．量子コンピュータとは ２．量子コンピュータ開発の流れ ３．量子コンピュータの活用方法 ４．今回のまとめ 内容
3. 量子コンピュータとは
4. 古典コンピュータ→量子コンピュータへ • 古典コンピュータ（CPU） 1.　量子コンピュータとは • 量子コンピュータ（QPU） ビット 量子・・・目に見えない。なんか小さい物質やエネルギーの総称。 →　「重ね合わせ」と「量子もつれ」の性質を利用。 量子ビット 4/16
5. 量子力学の「重ね合わせ」と「量子もつれ」の状態 1.　量子コンピュータとは • 量子もつれ状態 量子コンピュータ：量子ビット 古典コンピュータ：ビット 俺は変わらない 俺も変わるわ 複数の情報を同時に制御できる 量子の根本的な性質・・・粒子と波動の二重性 観測すると粒、未観測だと波。 （なんでそうなるかは世界の謎。） 波は互いに干渉する性質を持つ。 5/16
6. 量子コンピュータが注目されるまでの経緯 • 計算資源の更なる需要 • 古典コンピュータの性能向上の限界？ • 量子科学技術の発展 ・機械学習などの分析作業の時間やコストの低減 →　大きくない処理に焦点は当たっていない。 ・ムーアの法則の終焉？ →　古典コンピュータ以上の発展 ・量子力学的な状態を実験的に制御可能になってきた →　量子ビットの実現 →　クラウドの利用 1.　量子コンピュータとは • 量子コンピュータやってみよう！ 6/16
7. 量子力学の「重ね合わせ」と「量子もつれ」の状態 • 量子重ね合わせ状態 1.　量子コンピュータとは 古典コンピュータ：ビット or or or 量子コンピュータ：量子ビット 1つのビットは、0か1の どちらか観測するまで決まっていない。 1つのビットは、0か1の どちらか観測しなくても決まっている。 古典力学（マクロ） 量子力学（ミクロ） どう動くんだか見てみないと分からない どう動くんだかは大体分かる 0と1の状態を同時に表現できる →　情報の可能性が単一 →　情報の可能性が複数 7/16
8. 量子コンピュータ 開発の流れ
9. ２．セキュリティの原則 2.　量子コンピュータ開発の流れ • 量子マシン勃興期（1980年～） • 量子コンピュータやってみよう！ ・Paul Benioffが論文発表、David Deutschが 量子チューリングマシンを発表。 参考 ：https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%87%8F%E5%AD%90%E3%82%B3%E3%83%B3%E 3%83%94%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%82%BF • 開発が活発になってくる（2000年～） ・IBMが20年以上前、量コンの開発を開始。 参考：https://www.ibm.com/quantum-computing/what-is-quantum-computing/ • “非古典コンピュータ”を開発中・・・ ・非古典コンピュータ ・非万能量子コンピュータ ・万能量子コンピュータ ＝量子計算モデルを100% 再現できるコンピュータ 量子コンピュータ（広義） ”量子超越性”が示される ”エラー耐性”がある 9/16
10. IBMの量子コンピュータ開発のロードマップ 2.　量子コンピュータ開発の流れ 100万量子ビットある量子コンピュータを作らないと ”量子超越性”を示せない。 →　何十年後になるのやら・・・。 →　量子ビットを作るのに手こずっている。（ハード面） 量子ビット 10/16
11. 量子コンピュータ の活用方法
12. 量子コンピュータの活用ステップ 3.　量子コンピュータの活用方法 ①課題・問題抽出 課題から解きたい問題の抽出を行う ②問題の定義 量子コンピュータに計算させる問題の入力、計算内容、 制約条件、出力を明確化する。 ③計算モデルへの落とし込み 計算で使用するアルゴリズムを選定／作成し、量子コ ンピュータで計算できる形式に落とし込む。 ④計算要求プログラムの作成 落とし込んだ問題・アルゴリズムを量子コンピュータに 投入（計算要求）するためのクライアント・プログラムを 作成し実行する。 （※量子コンピュータ用の開発ツールを利用） ⑤量子コンピュータでの計算 クライアントからの計算要求に基づき、専用機器を使っ て、量子演算装置上の量子ビットの制御により計算を 行う。 課題・問題抽出 問題の定義 アルゴリズムの選定／作成 量子回路 イジングモデル プログラム 開発ツール (SDK、ライブラリ) 開発環境 量コン 計算タスク受付 用のサーバ 量子ビット制御・ 読み取り機器 QPU マイクロ波 汎用 専用 12/16
13. 量子コンピュータの演算方法 3.　量子コンピュータの活用方法 量子ゲート方式 量子アニーリング方式 仕組み ・特定の問題を解くための ”量子アルゴリズ ム”（≒量子回路）で解を求める。 ・量子ゲートを組み合わせる。 ・”イジングモデル”か”QUBO”形式に変換して、”ア ニーリングアルゴリズム ”を使って解を求める。 ・組み合わせ最適化問題を解くことに特化した方 式。 イジングモデル →　そして、アニーリングアルゴリズム使用。 アルゴリズム 問題に応じたアルゴリズム 量子アニーリングアルゴリズム 解ける問題 理論的には汎用。アルゴリズムが必要。 組み合わせ最適化問題 量子ビット の実現方法 超電導、イオントラップ、トポロジカル絶縁体 超電導 |0〉 |0〉 |1〉 H H X 量子回路の例 13/16
14. 今回のまとめ
15. まとめ ４．量子コンピュータの今後 ・量子コンピュータは、量子の「重ね合わせ」と「量子もつれ」の状態を利用している。 →　重ね合わせ・・・情報の可能性が複数。 →　量子もつれ・・・観測する前の量子は波。波は互いに干渉する性質を持つ。 or or 15/16
16. まとめ ４．量子コンピュータの今後 ・現在の量子コンピュータはおもちゃレベル（ゼニガメレベル）。 →　現在の性能は127qbit（目標は100万qbit）。PlayStation 2のCPUが128bitらしい。 →　ハード面（量子ビット）が開発のボトルネック。あと 10年以上はかかりそう・・・。 ・量子コンピュータの真価が出るのは、特定の問題と大規模な問題の場合である。 →　組み合わせの中から最適な答えを統計的・確率的に算出するのに有用。 　　（素因数分解とか最短経路とか） →　普段利用する用途やちょっとした処理では、古典コンピュータで十分。 16/16