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~)

MUSIC

レーダーのシミュレーションに関する翻訳に、MUSICという言葉が出てくる(例えば、Keysight W1908 車載レーダーライブラリのp2の図1)。

MUSICは、MUltiple SIgnal Classificationの略で、アレイ・アンテナを用いて、波源(電波の発射元)の個数とそれらの方向を推定するための手法(アルゴリズム)である。マイクロフォン・アレイを用いて音源の方向を推定するためにも利用されている。

アレイ・アンテナにより波源の方向(電波が飛んで来る方向という意味で到来方向(Direction of Arrival、DOA)と呼ばれる)を推定する手法として最も基本的なものは、ビームフォーミング法である。この手法では、アレイ・アンテナを構成する各アンテナ素子からの信号の位相を調整することにより、メインローブ(アレイ・アンテナの指向性が最大となる方向で、主ビームとも呼ばれる)を形成し、それを全方向にわたって走査することにより、アレイ・アンテナからの出力が大きくなる方向を波源の方向として求める。この手法では、近接した方向を分離するために(高い角度分解能を得るために)指向性の鋭いメインローブが必要であり、そのために、素子数の多い(したがって、高価な)アレイ・アンテナが必要になるという欠点がある。少ない素子数で角度分解能を大幅に高める手法として、MUSIC法がある。MUSIC法も軍事技術での研究が元になっているが、素子数が少なく安価に高分解能が得られることから、自動車に搭載する衝突防止用ミリ波レーダーや電子機器のノイズ源の探知などでの利用が研究されている。

MUSIC法は、RALPH 0. SCHMIDTが「Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation」という論文で名付けた方法で、ここで詳細に説明するのは難しいが、概要は以下のようである。

K個のアンテナ素子が配置されたアレイ・アンテナに、L個の波源から角度θ_l(l=1、2、…、L)で平面波が到達すると、各素子で受信される信号は、行路差d_k×sinθ_l(k=1、2、…、K)に起因する位相差φ_k(l)=2π×(d_k×sinθ_l/λ)のみが異なる信号である。したがって、l番目の到来波の時刻tにおける各素子での複素信号をs_l(t)として、各アンテナ素子が無指向性で素子間結合がない場合は、各素子での時刻tにおける受信信号は、

x(k,t)=Σs_l(t)×exp(jφ_k(l))+v(k,t)、Σはl=1からLまでの和、v(k,t)は平均0、分散σ^2の各素子の内部白色雑音(熱雑音)で各素子毎に独立であると仮定する

と書ける。上の式の各素子の受信信号x(k,t)、k=1、2、…、Kをまとめて転置ベクトルX(t)=[x(1,t)、x(2,t)、…、x(K,t)]^Tで表し、exp(jφ_k(l))=exp(j(2π×(d_k×sinθ_l/λ)))、k=1、2、…、LをまとめてベクトルA=[a(θ_1)、a(θ_2)、…、a(θ_L)]で表し(ベクトルAは各素子での位相差を表し、方向ベクトル(ステアリングベクトル、モードベクトル)と呼ばれる)、s_l(t)、k=1、2、…、Lをまとめて転置ベクトルS(t)=[s_1(t)、s_2(t)、…、s_L(t)]^Tで表わし、v(k,t)、k=1、2、…Kをまとめて転置ベクトルV(t)=[v(1,t)、v(2,t)、…、v(K,t)]^Tで表わすと、

X(t)=AS(t)+V(t)

と書ける。ここで、各素子の受信信号の相関(コヒーレンス)を表わす相関行列Rxxは、

Rxx=E[X(t)X(t)~H]、E[・]はアンサンブル平均または時間平均、X(t)~HはX(t)のエルミート共役を表わす
=AE[S(t)S(t)~H]A~H+σ^2I、IはK×Kの単位行列
=ASA~H+σ^2I、S=E[S(t)S(t)~H]は到来波の相関行列 (1)

と表される。線形代数学の結果を用いると、入射するK個の信号に相関がない場合(インコヒーレントの場合)は、Rxxは、その固有値λ_kと固有ベクトルv_k、k=1、2、…、Kに分解でき、

Rxx=VΛV~H、ここで、V=[v_1、v_2、…、v_K]、Λ=対角成分が固有値λ_k(k=1、2、…K)の対角行列

となる。各素子での信号と雑音が無相関の場合は、固有値には、

λ_1≧λ_2≧…≧λ_L>λ_L+1=…=λ_K=σ^2

の関係があり、L個の固有値は雑音電力σ^2より大きく、(K-L)個の固有値はσ^2に等しくなる。この結果から到来波の個数Lがわかる。

また、σ^2の固有値に対応する固有ベクトルを[e_L+1、e_L+2、…、e_L+K]=[v_L+1、v_L+2、…、v_L+K]と書くと、(1)式から、

Rxxe_i=(ASA~H+σ^2I)e_i=λ_ie_i=σ^2e_i、(i=L+1、…、K)

が成り立つことから、ASA~He_i=0、(i=L+1、…、K)が得られる。AとSのランクはKで正則なので(入射するK個の信号に相関がないと仮定しているので)、A~He_i=0、(i=L+1、…、K)である。上でA=[a(θ_1)、a(θ_2)、…、a(θ_L)]と定義しているので、これは、

a~H(θ_l)e_i=0、(l=1、2、…、L;i=L+1、…、K) (2)

と書け、到来波の方向ベクトルと雑音の固有ベクトルが直交していることがわかる。

MUSIC法では、

Pmusic(θ)=a~H(θ)a(θ)/Σ|a~H(θ_l)e_i|^2、Σはi=L+1からKまでの和

で表される関数を定義し、θを掃引することにより、θが到来波の方向と一致すると(すなわち、θ=θ_1、θ_2、…、θ_Lのときに)、(2)式からPmusic(θ)の分母がゼロになり、Pmusic(θ)が鋭いピークを示すので、高分解能で到来方向を推定できる。

MUSIC法については、以下を参照。

狭帯域信号の到来方向推定

MUSIC法による高分解能推定

Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation(MUSIC法の原論文)

RTD

データ収集システムに関する翻訳で、RTDという言葉が出てくる(例えば、Keysight 34970A データ収集/スイッチ・ユニットのp2)。

RTDは、Resistance Temperature Detectorの略で、測温抵抗体とも呼ばれる。RTD(測温抵抗体)は、温度が上昇すると電気抵抗が増加するという金属の性質(金属原子は一般に、最外殻の電子を放出して陽イオンになりやすく、放出された電子は、多数の金属原子の最外殻の重なりを自由に動き回れるので、電気を通しやすいが、温度が上昇すると、電子を放出した陽イオンの振動が激しくなり自由電子の走行が阻害され抵抗が増加する。室温付近では、金属の電気抵抗は温度にほぼ比例する)を利用した温度検出器である。工業用温度測定には、広い温度範囲で温度と抵抗の関係が一定で温度係数(単位温度当たり抵抗変化)が大きく、化学的に安定で経年変化の少ない白金(Pt)が使用され、日本工業規格、JIS C 1604-2013で規定されている。

測温抵抗体の抵抗値の測定には、2線式、3線式、4線式がある。2線式は、測温抵抗体の両端にリード線をつなぎ、定電流を流して電圧降下を測定しオームの法則から抵抗を計算する。2線式は、リード線が長い(リード線の抵抗が大きい)と誤差が大きくなるので、ほとんど使用されない。3線式は、測温抵抗体の一方の端に1本のリード線(抵抗値:r1)、もう一方の端に2本のリード線(抵抗値:r2と抵抗値:r3)をつないだものを使用する測定で、測温抵抗体の抵抗値をRとして、この文献の図のように、固定抵抗(抵抗値R1=R2の2つの抵抗)、可変抵抗(抵抗値R3)で、R1とR3+r2、R2とR+r1が対になるように(対向するように)ブリッジ回路を構成し、可変抵抗R3を調整して検流計に電流が流れないようにすると、R1×(R3+r2)=R2×(R+r1)が成り立つので、r1=r2の場合(リード線の長さが同じ場合)はR3=Rとなり、リード線の抵抗の影響を回避して測温抵抗体の抵抗値が得られる。4線式は、ケルビン接続によりリード線の影響を回避する方法である。

RTD(測温抵抗体)については、以下を参照

エム・システム技研のホームページ > エムエスツデーサイト > 計装豆知識 > センサ > 測温抵抗体の導線方式

DSRC

車載RF/マイクロ波システムの測定に関する翻訳に、DSRCという言葉がよく出てくる(例えば、FieldFoxハンドヘルド・アナライザによる車載RF/マイクロ波システムの検証/トラブルシューティングのp3)

DSRCは、Dedicated Short Range Communications(専用狭域通信)の略で、路車間(道路上に設置された無線設備(路側機)と自動車に搭載された車載器間)の狭い範囲での5.8 GHz帯を利用した近距離無線通信である。日本では、ARIB(Association of Radio Industries and Businesses、社団法人電波産業会)のARIB STD-T75として標準化されている(米国では、IEEE 802.11p)。

DSRCを用いたサービスとして最も有名なのが、ETC(Electroic Toll Collection、有料道路自動料金収受システム)である。ETC以外には、駐車場、ガソリンスタンド、ファーストフード店のドライブスルーでの利用も可能になってきている。また、リアルタイムかつ大容量の道路交通情報や安全運転情報を提供するITS(Intelligent Transport System、高度道路交通システム)の中心となるものである。

DSRCについては、以下を参照。

一般社団法人 建設電気技術協会のホームページ > 技術に関する話題 基礎講座 > 162 DSRC(狭域通信)の現状と動向

CXPI

シリアルバスの測定に関する翻訳に、CXPIという言葉が出てくる(例えば、InfiniiVision Xシリーズ オシロスコープ用シリアル・バス・オプションのp2)。

最近の自動車には、ECU(Electronic Control Unit)と呼ばれる自動車制御用コンピュータが多数搭載され(100個以上搭載している自動車もある)、電子制御により高度な機能(パワートレイン制御(エンジンやトランスミッションの制御)、ボディー制御(パワー・ウィンドウ、ドアロック、ミラーなどの制御)、安全制御(各種センサで取り込んだ車外情報によるブレーキ制御など)など)を実現している。また、これらの機能は互いに関連することが多いので、各ECU間でデータ通信を行って協調動作する必要がある。しかし、各ECUをそのデータ専用の個別のワイヤで配線すると、ECUの数が多い場合は、配線の数が膨大になり、配線の重量やスペースが増え、コストの増加、信頼性の低下、故障診断や設計変更が困難になるといった問題が生じる。

電子制御機能の内のボディー制御には、シンプルで低コストのLINの使用が適しているが、応答が遅いという欠点がある(マスターデバイスが順次スレーブデバイスをポーリングして通信を許可する方式で、スレーブ間通信はマスターを経由する必要があるので)。そこで、低コストで応答性を高めた車載通信規格として、日本発の国際標準を目指して社団法人自動車技術会が推し進めているのが、CXPI(Clock Extension Peripheral Interface)である。CXPIでは、CSMA/CR(Carrier Sense Multiple Access / Collision Resolution、搬送波感知多重アクセス/衝突解消)と呼ばれる方式を使用して、バスへのアクセスがなければどのスレーブも送信が可能で、同時に送信した場合もそれを調停する仕組みを備えているため、LInに比べて応答性が向上する。

CXPIについては、以下を参照。

日本発の車載LAN規格「CXPI」は「CANとLINのイイとこどり」

skew(スキュー)

高速デジタル回路測定に関する翻訳に、skew(スキュー)という言葉がよく出てくる(例えば、FPGAのデザインに適したI/Oアーキテクチャの選択)。

skewの一般的な意味は、「斜め」とか「歪み」であるが、高速デジタル回路の分野では、バス(ハードウェアの各要素がデジタルデータをやりとりするための経路。例えば、メモリコントローラとメモリ間のメモリバスなど)上の個々の信号線間の配線遅延に起因するタイミングのずれ(伝達時間の差)のことである。特にクロック同期式デジタル回路で設計されたLSIでは、すべての同期式順序回路(フリップフロップ)に同じタイミングでクロックを供給する必要があり、クロック回路から分配されたこれらのクロック信号間の遅延時間差はクロック・スキューと呼ばれる。

近年、バスは、データ転送の高速化により、複数の信号線を用いるパラレルバスから1対の差動信号線を用いるシリアルバスに移行してきているが、メモリモジュール内のバスやメモリやCPU内部のバスでは、複数のビットを同じタイミングで処理する必要があるので、パラレル転送が必要である。例えば最新のGPUでは、メモリバス幅が256ビットのものがあり、ピン数が非常に多く、配線遅延をなくすためにGPUのピンとメモリのピン間を等長で接続するのは非常に困難になる。したがって、PCのマザーボードのようにメモリモジュールを用いるのではなく、GPUを囲むようにメモリチップが直接配置されている。それでも、それぞれのピン間を接続するためには信号線を曲げる必要があるので(それぞれのピン間の信号線の距離が同じにならないので)、等長にするためにミアンダライン(蛇行した配線)が用いられたり、配線長を補正するためのトレーニング(電源投入時に遅延を予め測定して調整すること)が用いられている。

高速デジタル信号のタイミングのずれの問題については以下を参照。

基板設計がうまくいかない、高速信号を手なずけるには

TPMS

車載RF/マイクロ波システムの測定に関する翻訳に、TPMSという言葉がよく出てくる(例えば、FieldFoxハンドヘルド・アナライザによる車載RF/マイクロ波システムの検証/トラブルシューティングのp3)

TPMSは、Tire Pressure Monitoring System(タイヤ空気圧監視システム)の略で、自動車のタイヤの空気圧を運転席から監視するためのシステムである。タイヤの空気圧の不足は、自動車はエンジンで動かすので運転していても分かり難く、パンクやタイヤの破裂の原因になり、燃費も悪くなる。このため、米国では2007年、欧州では2012年、韓国では2013年から、TPMSの新車への搭載が義務付けられている。

TPMSには、直接方式と間接方式の2種類がある。直接方式では、タイヤ内部に温度と圧力を検出するセンサーと送信機を取付け(タイヤのエアバルブと一体になったものが多い)、走行中にセンサーからのデータを受信して温度と空気圧を確認する。間接方式では、空気圧が減少すると、タイヤの半径が小さくなり、回転数が他のタイヤより速くなるので、それをABS(アンチブレーキシステム)の車速センサーで検出して空気圧の減少を間接的に計算する。直接方式には、各タイヤ毎の状態を高精度に確認できるという利点があるが、バッテリーに寿命があり、バッテリーの交換時にタイヤの着脱が必要になるという欠点がある。間接方式には、タイヤを着脱しなくても利用可能であるという利点があるが、回転差の測定からの間接測定なので精度はあまりよくない。

TPMSについては、以下を参照。

カーエレ用語 TPMS ティーピーエムエス

TPMS(タイヤ空気圧警報システム)の特徴とは?

LIDAR(ライダー)

デジタイザに関する翻訳で、LIDAR(ライダー)という言葉がよく出てくる(例えば、Keysight U5303A PCIe高速デジタイザ、オンボードプロセッシング搭載のp2)。

LIDARは、RADAR(RAdio Detecting And Ranging、電波探知および測距)のRAdio(電波)をLIght(光)に置き換えた、LIght Detecting And Ranging(光探知および測距)の略で、レーザー光線を使用して周囲の物体の方向や距離を測定する装置である。レーザー光線を用いるので、LIDARはレーザー・レーダーと呼ばれることもある。

電波も光も同じ電磁波であるが、レーダーに用いられる電波の波長は3 mm~3 m程度(周波数にして0.1 MHz~100 GHz)で、ライダーに用いられる半導体レーザーの波長は可視光領域(波長:400 nm程度)~近赤外線領域(波長:1 μm程度)である。一般に、用いる電磁波の波長より小さな物体の検出感度は低下するので、レーダーよりもライダーの方がはるかに小さな物体を検出でき、高分解能画像が得られる。

このことから、ライダーは、PM2.5(直径2.5 μm以下の炭素成分、硝酸塩、硫酸塩、アンモニウム塩などからなる粒子状物質で、健康に害を及ぼすとされている)などの粒子状物質の観測に用いられたり、航空機に搭載して地形の測量などに利用されている。また、最近では、自動運転カーに搭載するセンサとして開発が進められている。

ライダーについては、以下を参照。

日本気象学会のホームページ > 情報交換 教育と普及活動 > 夏期大学 > これまで(第40回以降)の夏季大学のテーマ 第44回 2010年8月7・8日 気象観測技術の最前線 > ライダーネットワークでエアロゾルの三次元的な動態を捉える

LoRa

無線通信機器設計に関する翻訳に、LoRaという言葉が最近よく出てくる(例えば、IoT-大きな可能性と大きな課題のp3の図1)。

IoT向けの無線規格として、近距離ネットワーク用のBluetooth Low Energy (BLE)ZigBeeWi-SUN、中距離ネットワーク用の802.11ahなどがある。NB-IoT、SIGFOXとともに、LPWA(Low Power Wide Area)と呼ばれるIoT向けの長距離ネットワーク用の規格として注目されているのが、LoRaWANという規格である。

LoRaは、Long Rangeの略で、長距離通信を低消費電力で行なうためにSemtech社(元はフランスのCycleo社が開発し、Semtech社が買収)が開発したIoT/M2M向けの変調方式(LoRa変調)で、CSS(Chirp Spread Spectrum、チャープスペクトラム拡散)変調に基いたものである。

CSS変調は、搬送波の振幅が一定でその周波数を変化させることにより、デジタル情報(0、1のビット列)を伝送するものであるが、FSK(周波数シフトキーイング)のように、デジタル情報が0のときに低い周波数、1のときに高い周波数を対応させて伝送するのではなく、デジタル情報が0のときに周波数をリニアに減少させ(ダウンチャープと呼ばれる)、1のときに周波数をリニアに増加させて(アップチャープと呼ばれる)伝送する変調方式である(例えばこれのp10~p11)。

スペクトラム拡散では、拡散率(処理利得)を上げると(受信時の逆拡散処理により、信号対(雑音+干渉)の電力比が拡散率の分だけ改善され)、リンクバジェット(受信感度)が増加し、雑音や干渉信号に対する耐性が上がり、到達距離が長くなる。拡散率を上げるということは、拡散信号速度に対してベースバンド信号速度を遅くすることに対応するので、その分データ転送速度は遅くなる。したがって、スペクトラム拡散は、IoT向けの長距離ネットワーク通信に適した変調方式である。

LoRaWANについては、以下を参照。

株式会社ソラコムのblog > アーカイブ > LoRaWANの仕様とネットワークアーキテクチャー

MOST

車載機器測定に関する翻訳に、MOSTという言葉がよく出てくる(例えば、Infiniium Sシリーズ 高分解能オシロスコープのp24)。

最近の自動車には、ECU(Electronic Control Unit)と呼ばれる自動車制御用コンピュータが多数搭載され(100個以上搭載している自動車もある)、電子制御により高度な機能(パワートレイン制御(エンジンやトランスミッションの制御)、ボディー制御(パワー・ウィンドウ、ドアロック、ミラーなどの制御)、安全制御(各種センサで取り込んだ車外情報によるブレーキ制御など)など)を実現している。これらのECUをそのデータ専用の個別のワイヤで配線すると、ECUの数が多い場合は、配線の数が膨大になり、配線の重量やスペースが増え、コストの増加、信頼性の低下、故障診断や設計変更が困難になるといった問題が生じるので、これらを解決するために、CAN FDなどの車載ネットワークが用いられている。

自動車には上記の運転制御用のネットワークのほかに、カーオーディオやカーマルチメディアシステムなどのインフォテイメント機器があり、これらのデータを伝送/制御するためのネットワークが必要である。このための規格がMOST(Media Oriented Systems Transport)であり、MOST Cooperationと呼ばれる業界団体により推進されている。通信帯域幅25 Mbpsの第1世代のMOST25、通信帯域幅50 Mbpsの第2世代のMOST50、通信帯域幅150 Mbpsの第3世代のMOST150が規格化されている。

MOSTについては、以下を参照。

車載Networkの話(5)「MOST」