quantum bit(量子ビット)

量子ビット制御に関する翻訳に、quantum bit(量子ビット)という言葉が出てくる(例えば、Quantum Researchersツールキット+Labber)。量子ビットは、Quビット、Qビット、クビットとも呼ばれる。

通常のコンピュータの世界でのビット(1ビット)は、電圧が低いまたは高いで表される、0(偽)または1(真)の2つの状態の内のどちらか1つの状態を表わす(このようなビットを、量子ビットに対する用語として古典ビットと呼ぶ)。量子コンピュータの世界では、古典ビットに対応するものとして量子ビットが用いられる。1量子ビットは、量子力学の2準位系の基底ベクトルである2つの独立した状態を|0>と|1>として、

a|0>+b|1> (a、bは、|a|^2+|b|^2=1を満たす複素数。)

という状態ベクトル(量子力学の波動関数)で表される(|0>である確率が|a|^2、|1>である確率が|b|^2)。これは、観測するまでは、|0>の状態と|1>の状態が同時に存在していること(|0>の状態と|1>の状態の重ね合わせ状態であること)を意味していて、観測すると、確率|a|^2で|0>の状態に決まり、確率|b|^2で|0>の状態に決まることを意味する。2量子ビットは、同様に、

a|00>+b|01>+c|10>+d|11> (a、b、c、dは、|a|^2+|b|^2+|c|^2+|d|^2=1を満たす複素数。)

のように4つの状態を同時に表現可能(4つの状態の重ね合わせ状態を実現可能)である。n量子ビットでは、2^n個の状態を同時に表現可能(2^n個の状態の重ね合わせ状態を実現可能)である。古典ビットでは、nビット(n個のビット並び)で表現可能な2^n個の組み合わせ(00…0~11…1)の内の1つしか表現できない。このことが、n量子ビットとn古典ビットの違いであり、2^n個の状態を同時に表現可能な量子ビットを用いた量子コンピュータにより、超並列計算が可能になる理由の1つである。

量子コンピュータで計算を行なうには、量子ビットに対する操作(演算)が必要であるが、量子力学では重ね合わせの原理(全確率(|状態ベクトル|^2)の保存)が成り立つことから、状態ベクトル(量子ビット)の操作(遷移または時間発展)をユニタリ変換により行なうことができる。すなわち、n量子ビット(2^n個の状態の重ね合わせ状態)に対してユニタリ変換を1回行なうだけで、同時に2^n個の状態に対する並列計算を行なうことができる。これが、量子コンピュータで超並列計算が可能になるもう1つの理由である。

このように量子コンピュータの原理は(量子エンタングルメントを除いて)比較的分かり易いが、量子ビットの初期化、演算、読み出し(観測)をどのようにハードウェアで実装するかは、非常に難しい。

量子計算の原理については、以下を参照。

フレッシュマンに贈る量子計算の概略と基礎

量子エンタングルメントによる量子情報処理

量子ビットのハードウェア実装については、以下を参照。

量子コンピュータの基本素子・量子ビットのハードウェア実装(シリコン編その1~素子構造~)

量子コンピュータの基本素子・量子ビットのハードウェア実装(シリコン編その2~スピンとは何か~)

量子コンピュータの基本素子・量子ビットのハードウェア実装(シリコン編その3~データの初期化と読み出し~)

量子コンピュータの基本素子・量子ビットのハードウェア実装(シリコン編その4~データの書き込み・演算~)

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