量子ビットとは

公開日：2024年2月28日
寄稿者：Josh Schneider、Ian Smalley

量子ビットとは

量子ビット（キュービット）とは、量子コンピューティングでデータをエンコードするために使用される情報の基本単位です。量子は情報をバイナリでエンコードするために古典的なコンピューターで使用される従来のビットに相当すると考えると最もよく理解できます。

「量子ビット」という用語は、アメリカの理論物理学者ベンジャミン・シューマッハに由来しています。量子ビットは通常、光子、電子、トラップされたイオン、超電導回路、原子などの量子粒子（物理宇宙の既知の最小構成要素）を操作および測定することで作成されます（ただし、この方法に限りません）。

量子力学独自の特性により、量子コンピューターは量子ビットを使用して従来のビットよりも多くのデータを保存し、暗号化システムを大幅に改善し、従来のスーパーコンピューターでさえ完了するのに数千年かかる（または不可能な）非常に高度な計算を実行します。

量子ビットを搭載した量子コンピューターは、がんやその他の医療研究、気候変動、機械学習、人工知能（AI）など、人類が直面する多くの大きな課題を解決する上で、近い将来極めて重要な役割を果たすことになるかもしれません。

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量子コンピューティングを理解する

次世代のコンピューティング能力を代表する量子コンピューティングは、従来のコンピューターやスーパーコンピューターでは解決できない（または十分な速さで解決できない）複雑な問題を解決するために、量子力学の原理を活用したコンピューター・ハードウェアやアルゴリズムなどの特殊なテクノロジーを使用します。

1980年代に初めて提案された量子コンピューターの開発は、純粋な理論から実用的なハードウェアの応用まで、長い道のりを歩んできました。現在、IBM Quantumによって、科学者が30年前に想像し始めたばかりのツールである実際の量子ハードウェアを何十万人もの開発者が利用できます。

物理学者やエンジニアは、困難な問題に遭遇すると、スーパーコンピューターに頼ります。しかし、スーパーコンピューターでさえ、20世紀のトランジスター技術に依存したバイナリ・コードベースのマシンであり、非常に複雑な問題を解決するのに苦労しています。このような従来のコンピューターは、オーバーヒートなどの物質的な制約も受け、情報処理能力に厳しい制限を課せられています。分子内の個々の原子のモデリングのような複雑な問題には、従来のコンピューターではどのような規模の問題でも解き方がわからないものがあります。

量子力学の法則は自然界の秩序に従います。量子ビットの量子状態を使用して計算を行うコンピューターは、多くの状況において量子状態を理解し、最も複雑な問題を解決するための最良のツールとなるはずです。

量子コンピューターを研究する場合、量子力学は従来の物理学とは異なることを理解することが重要です。量子粒子の挙動を説明することには、独自の課題があります。というのは、自然界に関するほとんどの常識的なパラダイムには、一見直感に反する量子粒子の挙動を理解するための語彙が欠けているからです。

量子ビットとビットの比較

ビットと量子ビットにはさまざまな種類がありますが、すべての量子ビットは量子物理学の法則に従い、量子重ね合わせの中で存在できる必要があります。

従来のビットは、0位置または1位置のいずれかにのみ存在できます。ただし、量子ビットは重ね合わせとして知られる3番目の状態をとることもできます。重ね合わせは、0、1、およびその間のすべての位置を一度に取得し、合計3つの別個の位置を表します。

量子ビットは3つの別々の位置をエンコードできますが、引き続きバイナリ・システムを通じて情報を伝達するために使用されます。このようなシステムでは、ビットという用語は、0または1を表すために使用されるマテリアルかプロセス、またはそのビット（つまり、0または1）の測定値のいずれかを指す場合があります。

ビットを理解する

従来のコンピューティングでは、1ビットは0または1で表記されるバイナリ情報と考えることができます。現代のコンピューターは通常、ビットを電圧パルスまたは電流パルス（またはフリップ・フロップ回路の電気状態）として表します。

これらのシステムでは、電流が流れていない場合、回路はオフであると見なすことができ、この状態は0で表されます。電流が流れているとき、回路はオンと見なされ、この状態は1で表されます。

「ビット」という用語自体が「2進数」の混成語であり、バイナリ・ビットはすべてのコンピューティングの基礎です。デジタル・ビデオの録画、3Dモデルのアニメーション、電卓アプリの使用など、オペレーティング・システムからソフトウェアに至るまですべてのデータは、ビットの集合であるバイナリコードから構築されます。コンピューターの1バイトは8ビットで構成され、これは2進数で1文字を伝えるのに必要な最小ビット数です。

ビットは、たとえばシリコン・チップに電流を流す（または流さない）ことによって電気的に表すことができます。ビットは、昔のパンチカード・コンピューティングで使用されていたように、紙の穴または穴がないことで物理的に表現することもできます。システムの状態が2つの可能な位置（たとえば、上または下、左または右、オンまたはオフ）のうちの1つだけで表すことができる二準位系はどれでも、ビットを表すために使用できます。

量子ビットを理解する

量子技術はバイナリ・コードを使用しますが、量子ビットなどの量子システムから得られる量子データは、従来のビットとは異なる方法でデータをエンコードします。研究者は、量子ビットを作成したり、自然界に存在する量子システムを量子ビットとして利用したりするさまざまな方法を確立してきました。しかし、量子コンピューターは、量子ビットを隔離し、干渉を防ぐために、ほとんどすべての場合において極端な冷却を必要とします。

理論的には、任意の二準位量子系を使用して量子ビットを作成できます。特定のシステム・プロパティーを上または下などのバイナリ位置で測定できる場合、量子システムは二準位として表されます。マルチレベルの量子システムは、そのシステムの2つの側面を効果的に分離してバイナリ測定を生成できる限り、量子ビットの作成にも使用できます。従来のコンピューターが複数の種類のビット（電流、電荷、パンチカード・コンピューティングで紙に開けられた(または開けられていない) 穴など）を使用できるのと同様に、量子コンピューターも複数の種類のビットを使用できます。特定のビットは特定の機能に適しており、高度な量子コンピューターは、さまざまな操作を実現するためにビット・タイプの組み合わせを使用する可能性があります。

各ビットは0か1のどちらかを表すので、2ビットの情報を対にすることで、最大4つの一意のな2進数の組み合わせを作ることができます。

各ビットは0か1のいずれかですが、1つの量子ビットは0または1か、あるいは重ね合わせのいずれかになります。量子重ね合わせは、実際には量子ビットの状態の確率を表すため、0と1の両方、または0と1の間のすべての可能な状態として表すことができます。

量子レベルでは、量子ビットの確率は波動関数として測定されます。量子ビットの確率振幅は、他の量子ビットと組み合わせることで、1ビット以上のデータをエンコードしたり、非常に複雑な計算を実行したりするために使用できます。

大きな素数の因数分解などの複雑な問題を処理する場合、従来のビットは大量の情報を保持することで制約を受けます。量子ビットは異なる振る舞いをします。量子ビットは重ね合わせを保持できるため、量子ビットを使用する量子コンピューターはより大量のデータを計算できます。

ビットと量子ビットを理解するのに便利な例えとして、複雑な迷路の中心に立っていると想像してください。迷路から脱出するには、従来のコンピューターは問題を「ブルート・フォース」で解決し、あらゆる経路の組み合わせを試して出口を見つける必要がありました。この種のコンピューターは、ビットを使って新しい経路を探求し、どの経路が行き止まりかを記憶します。

一方、量子コンピューターは、比喩的に言えば、迷路を俯瞰し、複数の経路を同時にテストして、正しい解を明らかにすることができます。ただし、量子ビットは一度に「複数のパスをテスト」するわけではありません。代わりに、量子コンピューターは量子ビットの確率振幅を測定して結果を決定します。これらの振幅は波のように機能するため、互いに重なり合って干渉します。非同期波が重なると、複雑な問題に対する可能な解決策が効果的に排除され、実現したコヒーレント波が解決策を提示します。

量子もつれとは

量子もつれとは、アインシュタインが「不気味な遠隔作用」として初めて説明した量子もつれとは、2つの量子ビット（または2つ以上の量子粒子）が絡み合って、粒子間の距離に関係なく、一方の粒子の状態が他方の粒子の状態から独立して表せない現象です。

2 つの量子ビットがもつれている場合、どちらかが測定されるまで、両方とも重ね合わせの状態で存在します。一度観測されると、両方の量子重ね合わせが崩れ、観測されなかった量子ビットは観測された量子ビットの反対の位置をとります。

たとえば、もつれた量子ビット・ペアの半分が1の位置で測定された場合、もう一方の量子ビットは即座に0として測定できます。この現象の理解は限られているため、量子もつれがもたらす影響も不明です。従来のビットはもつれないと言っても過言ではありません。このように、もつれた量子ビットは、光速よりも速く、一瞬で光年を超えて情報を転送できるようです。量子ビットは実際には光よりも速くデータを転送しませんが、量子もつれは量子回路の能力を劇的に向上させることができます。

さまざまな種類の量子ビットとその利点

どの二準位量子系を使っても量子ビットを作ることができるため、現在研究者たちによってさまざまな種類の量子ビットが開発されており、特定の量子ビットは特定の用途により適しています。

超電導

極低温で動作する超電導体から作られた超電導量子ビットは、マイクロ波パルスによって操作され、比較的堅牢なコヒーレンスを備えているため、量子コンピューター科学者の間で人気があります。

トラップ内のイオン

高度なレーザー技術を使えば、トラップされたイオン粒子を量子ビットとして使うこともできます。トラップされたイオン量子ビットは、長いコヒーレンス時間と忠実度の高い測定で注目されています。

量子ドット

量子ドットは、単一の電子を捕捉して量子ビットとして使用できる小さな半導体です。量子ドットの量子ビットは磁場を使用して操作でき、潜在的な拡張性と既存の半導体技術との互換性のために研究者にとって特に興味深いものとなっています。

光子

光子量子ビットは、個々の光粒子の方向性スピン状態を設定および測定することにより、光ファイバー・ケーブルを介して量子情報を長距離送信するために使用することができ、現在、量子通信や量子暗号に使用されています。

中性原子

一般的に存在する中性原子は、バランスの取れた正電荷と負電荷のイオン電荷によって定義されます。レーザーを使用すると、これらの原子にエネルギーをチャージして多くの励起状態にすることができ、そのうちの任意の2つを使用して、スケールアップや演算の実行に適した量子ビットを作成できます。

量子ビットの課題

量子ビットは強力ですが、非常に気まぐれでもあります。量子ビットが機能するには、絶対零度よりほんの数分の1度高い温度、つまり宇宙空間よりも低い温度まで冷却する必要があります。

量子粒子が量子ビットとして機能するように十分に制御されている場合、量子粒子はコヒーレンスを有すると言われます。量子ビットがこの能力を失うと、デコヒーレントであるといいます。機能的量子ビットのコヒーレンス状態を作り出すために必要な強力な冷却は、量子コンピューティングにとって大きな課題です。

最も低温の条件下でも、量子ビット・システムは一般にデコヒーレンスによる故障の影響を受けやすいです。ありがたいことに、アルゴリズムによる量子誤り訂正という新興分野の進歩により、以前は不安定だった量子システムを安定化できる可能性があります。