スタッフの日記

３．量子コンピューター・シミュレーター
　なんだか、たくさんの本を読んだみたいなタイトルだが、実は、読了したと言えるのは、

　　　「先読み！IT×ビジネス講座 量子コンピューター(湊雄一郎、酒井麻里子、ISBN978-4-295-01737-0)」

一冊だけである。他には、読みかけの本が何冊かあるが、それ等については、またの機会に。

　この本には、量子コンピューター・シミュレーターが紹介されている。
　そのURLは、

http://qplat-education.devel-q.com/

である。このリンクを開くと、下図のような量子コンピューター・シミュレーター画面が表示される。この画面の表示は、ブラウザ等によって微妙に異なるが、内容としては同じである。

画面は、３つの領域に分かれている。 　

• 左は、「ゲート」の一覧である。
• 中央は、「キュービット」に「ゲート」を配置した図である。
• 右は、「計算」結果などを表示する。

　「キュービット」（「量子ビット」とも呼ばれる）は、左端に各キュービットの初期値である|0〉を持つ水平の線で表示される。
　キュービット上では、時間は左から右へ進む。
　量子コンピュータでも、繰り返し処理は可能であるが、これはシミュレータなので、時間は一方にしか進まない。
　値|0〉は、古典コンピュータにおける0（false、yes/noのno、偽）に当たる。
　1（true、yes/noのyes、真）に当たるのは、|1〉である。
　単に0、1と書かないのは、これらが「ベクトル量」とでも言うべきものだからである。

　「ゲート」を、ドラッグ&ドロップにより中央部に配置し、中央部右上の「EXECUTION」をクリックすると、「計算」が行われ、その結果が右部に表示される。
　だだし、ゲート種別名に「two」あるいは「three」と付いているものは、複数の「キュービット」にまたがって配置しなければいけないので、後述する調整操作が必要になることがある。
　「ゲート」は、古典コンピュータにおける「ゲート」との機能的な類似性からそう呼ばれる。
　しかし、古典コンピュータとは違って、「ゲート」は、いわば「『量子』の照射のしかた」である。
　「量子」を照射することによって、そろばん珠を指で弾いたのと同様に、キュービットが「値」を変える。

　「ゲート」一覧の一番下にある、measurement「M」ゲートは重要である。これは、「計算」をするゲートではなく、計算結果を「観測」する。だから、各「キュービット」の一番右に、一つずつ置かれることになる。

　この本に説明のある、他のゲートについて説明しておく。
　　　pauli gate「X」。これは、キュービットの値を反転させる（コインをひっくり返す）。
　　　one qubit gate「H」。「コインを回す」と表現されている。
　　　　　　表が出るか裏が出るか、「観測」されるまで分からないということ。
　　　two qubit gate「CX」。２つのキュービットの値により、計算結果が決まる。
　　　　　　配置すると、黒丸と四角に「X」が縦線で結んだ表示となる。
　　　　　　１つ目のキュービット(control bit)の値は不変。
　　　　　　２つ目(target bit)は１つ目が偽のときはそのまま、１つ目が真のときは反転。
　　　　　　つまり、２つ目は両者の排他的論理和となる。
　　　tree qubit gate「CCX」。３つのキュービットの値により、計算結果が決まる。
　　　　　　配置すると、黒丸２つと四角に「X」が縦線で結んだ表示となる。
　　　　　　１つ目、２つ目のキュービット(control bit)の値は不変。
　　　　　　３つ目(target bit)は、１つ目、２つ目がともに真のときにのみ反転する。

　ここで、「CX」や「CCX」のような、複数のキュービットにまたがるゲートのキュービットの指定方法について述べておく。
　「画面右の[Result]を[Detail]に切り替えたうえでブロックをダブルクリックすると云々」とある。
　例えば「CX」と「CCX」をドラッグ&ドロップにより配置し、[Detail]をクリック。下図のようになる。

　「CCX」をダブルクリックすると、下図のようになる。
　このとき表示される数値は、黒丸２つと四角に「X」の位置であるが、先頭のキュービットの番号は0、つまり「ゼロオリジン」となっている。

　[Detail]に表示された、[control bit1]、[control bit2]、[target bit]の数値を書き換える。
　すると、対応する黒丸２つと四角に「X」が、指定されたキュービット上に移動する。
　これで、当該の「CCX」は、配置したいところに配置された。

 

　中央部左上の「Qubits:5」とあるのは、使用する「キュービット」の個数。この数値を変更すると、表示される「キュービット」の個数が変わる。
　その隣の「Shots:1000」は、計算回数。古典計算機上では、同じ計算を多数回行うことで、確率が求められるので。

　中央部右にあるポリバケツは、配置されているゲートをすべて捨てる。「ご破算で願いましては」ということ。

　ポリバケツの下に並んでいるのは、中央部の表示倍率の調整用。

 

　シミュレータの操作法が分かった（と思えた）ので、やってみる。
　上２ビットの足し算で、３ビット目が10の位、４ビット目が1の位。下図が、その結果。

　最下行に、[ [ “0101”, 264 ], [ “1001”, 254 ], [ “1110”, 248 ], [ “0000”, 234 ] ]とあるが、
これは、
　　計算結果＝"0101"となったのが、264件
　　計算結果＝"1001"となったのが、254件
　　計算結果＝"1110"となったのが、248件
　　計算結果＝"0000"となったのが、234件
という意味である。計算結果は「観測」されたものなので、ベクトル量ではなく、スカラー量である。
　ちゃんと計算できているもののみであることが確認できる。

 

４．量子コンピューターはピアノ？
　筆者は、以前、「量子コンピュータはそろばん」と書いた（量子コンピュータ関連書籍を読んで（その１、その２））。
　しかし、この本には、「ピアノの鍵盤のようなものが並んでいて、それを演奏するようなイメージ」とある。

　ピアノとそろばんとでは、かなり違う。
　どちらが正しいのか、あるいはどちらも正しいのか。

　そろばんは、指で弾はじくことによって、珠たまを動かして計算する。
　ピアノは、指で弾ひくことによって音を出し、人間の魂たまに働きかける。
　やはり、ピアノとそろばんとでは、一見、違うように見えて、よく似ている。
　だから、きっと、どちらも正しい。