はじめてみよう 量子プログラミング 2024.9.17 吉祥寺.pm36 ito-koichi

自己紹介 名前： ito-koichi (伊藤公一)　　X：@itokoichi01X: @itokoichi01 所属：富士通 職業：システムエンジニア テーマ「プログラミング！」： 仕事：TypeScript、Kotlin 好きな言語：Ruby 量子プログラミングはただの趣味です（専門ではありません） Qiskit (IBMの量子コンピュータSDK) の資格持ってます

量子プログラミングしたことありますか ● 量子コンピュータ持ってません ● 量子プログラミングって言語は何を使うの？ ここできみにすごいラッキーなニュースがあります

量子プログラミングはブラウザ上でできるんです * Python + Qiskit SDK 等 ● IBM Quantum Composer ● Qni ● QCoder ● Qookbook 量子プログラミング環境 を作る(*) コード プログラミング ビジュアル プログラミング ブラウザベースのサービス 自分で環境構築

量子プログラミングはブラウザ上でできるんです ● ビジュアル系 ○ IBM Quantum Composer (https://quantum.ibm.com/composer) ○ Qni (https://qniapp.net/) ● コード系 ○ QCoder (https://www.qcoder.jp/) (Qiskitを使用する) ○ Qookbook (https://www.qookbook.net/) IBM Quantum Composerを使って ビジュアル量子プログラミングのデモをします

IBM Quantum Composer IBM Quantum(*)のビジュアル量子プログラミング環境 * IBM Quantum: IBMの量子コンピューティングプラットフォーム ● 量子コンピュータのシミュレータを使えます（ユーザー登録不要）　※デモ ● 量子コンピュータの実機を使えます（ユーザー登録要） 量子プログラムの動きを見れるので便利

デモ　量子ビットの論理演算 量子ビットを量子ゲートで反転した後に測定する ● 量子ビット ○ ふつーのビットの量子版（重ね合わせ状態） ○ 重ね合わせ状態のままでは値は決まらない（不確定性原理） ○ 測定すると重ね合わせ状態が壊れて値が決まる（波束の収縮） ● 量子ゲート ○ ふつーの論理ゲートの量子版 ○ 入力、出力とも量子ビット（並列計算） ○ デモではXゲート（NOTゲートの量子版）を使う

デモ

できました！ 量子プログラミングは ブラウザ上で すぐにはじめられる

できました！ 量子プログラミング 完全に理解した！　

できました！ おい

今回のデモはプログラムを書く部分 プログラムの書き方 ● ビジュアルプログラミング ● コードプログラミング 量子アルゴリズム ● 量子位相推定、誤り訂正 ... 前提知識 ● 数学、物理学 ● 情報理論 量子コンピュータの知識 ● 量子ビット、量子ゲート ● トランスパイラ プログラムの周 辺知識も必要 そのためにおす すめの方法を二 つ紹介します 適用できる問題の探求 ● 量子鍵配送、...

①勉強しよう ● 本（「量子コンピュータ」で探す） ● Webコンテンツ(チュートリアル等) ● 動画コンテンツ できれば数式を説明しているもの（大事） そのうち「数式の方がシンプルで楽」になる 説明をプログラムにして動かしてみる 実際に動かすことで説明を納得できる

①勉強しよう 本を読んでも「量子プログラミングなにもわからない（本当に）」とき 別の本を読んでみる それでもわからなかったら、さらに別の本を 一冊で全てを理解できなくてもいい（大事）

②量子プログラミングのイベントに参加しよう ● QCoder Programming Contest (https://www.qcoder.jp/) ○ 不定期に開催されるオンラインの量子プログラミングコンテスト（競プロ） ○ ブラウザ上でQiskitを使ったコードを入力して問題を解く ● IBM Quantum Challenge (https://challenges.quantum.ibm.com/) ○ 年2回くらい開催されるオンラインの量子プログラミングイベント ○ Python + Qiskitを実行できる環境を用意して問題を解く 問題が解けるとモチベーションが上がる（大事）

まとめ 量子プログラミングはブラウザ上ですぐにはじめられる 周辺知識を得るためには勉強とイベント参加がおすすめ 準備はできた おいでよ量子プログラミングの沼 基本的な 量子ゲート操作 量子 アルゴリズム ハイブリッド アルゴリズム 問題解決 量子アプリケーション 量子コンピュータ の基礎 とはいえ沼は広くて深い。無理せず楽しんでいこう

おまけ１ デモ

デモ　準備 1. IBM Quantum Composerを開く (https://quantum.ibm.c om/composer) ● ①：量子回路（ここに量子ゲー トを配置する） ● ②：量子ゲート（ここから回路 上に持っていく） ① ②

デモ　準備 2. 量子回路を学習用に1量子ビット構成にする 初期状態 q[3]をクリックしてごみ 箱。 q[0]のみにする c4をクリックしてマイナ ス。 c1まで減らす 1量子ビット構成の完成 → → →

デモ　準備 3. グラフを「Statevector」と「Probalilities」にする（左右は任意） ● Statevector (状態ベクトル) ○ 量子状態を表す ○ 初期状態は|0>が1.0、|1>が0.0 (ちなみに値は確率振幅と呼ばれる複素数 ) ● Probabilities (測定確率) ○ 量子状態を1024回測定したときに0, 1がそれぞれ出る確率 (%)

デモ　初期状態 ● 量子ビットの初期状態は |0> ● Statevectorは|0>が1.0

デモ　Xゲートを配置する ● 量子ビットの初期状態は|0> ● Statevactorは|0>が1.0 ● Probabilitiesは未測定なので無し ● Xゲートを配置する ● 量子ビットは反転して |1>に なった ● Statevectorは|1>が1.0

デモ　測定 ● 測定を配置する ● 量子ビットを測定した結果が c1 に入る ● |1>状態は、測定すると100% で1になる ● Probabilitiesを見ると確かに1 が100%になっている

参考　量子コンピュータの実機で実行した結果 ノイズがあるため1が100%にはな らない 1024回の実行結果 ● 0: 19回 (1.9%) ● 1: 1005回 (98.1%)

おまけ２ 量子プログラミングを学習するときの予備知識

量子プログラミングを学習するときの予備知識 本には書いてあることですが、最初はイメージしにくい（実感しにくい）ので図にしてみま した。 知ってると位相キックバックや量子テレポートを理解しやすいと思います。 ①量子ビットは全体で一つの系を構成する ②量子演算は量子系全体に影響する

①量子ビットは全体で１つの系を構成する 0 or 1 1ビット 2ビット 3ビット 古典ビット 量子ビット a|00> + b|01> + c|10> + d|11> 0 or 1 0 or 1 a|0> + b|1> 0 or 1 0 or 1 0 or 1 a|000> + b|001> + c|010> + d|011> + e|100> + f|101> + g|110> + h|111> 量子系は「全体で一つの状態ベクトル」ということです

②量子演算は量子系全体に影響する 入力 2ビット 0 or 1 0 or 1 a|00> + b|01> + c|10> + d|11> 古典ビット 量子ビット NOT 0 or 1 0 or 1 X 1ビット目を反転 a|01> + b|00> + c|11> + d|10> 出力 2ビット 量子演算は「系全体の状態ベクトル」を変更するものと考えるとよいです Id (単位ゲート)