古典プログラマ向け量子プログラミング入門 [フル版]

古典プログラマ向け量子プログラミング入門 [フル版]

1. 1. Ver1.1 2019年1１月２２日 宮地直人（miyachi@langedge.jp） 1 古典プログラマ向け 量子プログラミング入門 [ フル版 ] - ショアのアルゴリズムから巡回セールスマン問題まで - LangEdge,Inc. OsSAL.org サル量子部 https://www.ossal.org/qc/
2. 2. 2 はじめに LangEdge,Inc. 本資料はオープン勉強会として開催された、 サル量子オフ（https://www.OsSAL.org/qc/）の 2019年9月11日開催 [量子ゲート編] と、 2019年10月9日開催 [量子アニーリング編] で使用した資料に加筆した完全フル版です。 著者が趣味で勉強した量子プログラミングですが 入門用に出来るだけソースコードを付けて独習が できるようにしたつもりです。内容に誤りや問題が あれば全て著者の責任です。
3. 3. 3 Part 0：イントロダクション（プロローグ） Part 1： 関連数学と1量子ビット操作 1-1： 線形代数学の基本知識 1-2： ブラケット記法と量子計算 1-3： ブロッホ球と1量子ビット操作 1-4： IBM Q Part 2： 量子ゲート型のプログラミング 2-1： 複数量子ビット操作 2-2： 量子アルゴリズムの基本 2-3： ドイチェ アルゴリズム 2-4： グローバー検索（量子検索） 2-5： 量子フーリエ変換 2-6： ショアのアルゴリズム 2-7： エラー訂正問題 2-8： Cirq（Google）・Blueqat（MDR） 2-9： 量子ゲート編 付録 Part 3： 量子アニーリング型のプログラミング 3-1： ハミルトニアンとQUBO 3-2： イジングモデル 3-3： グラフ理論 3-4： 巡回セールスマン問題 3-5： 多体相互作用 3-6： アニーリング計算まとめ 3-7： ナップサック問題（応用） 3-8： D-Wave / D-Wave Leap 3-9： 量子アニーリング編 付録 Part 4： 量子と暗号 古典プログラマ向け量子プログラミング入門 [ フル版 ] 目次
4. 4. 4 Part 0： イントロダクション（プロローグ） LangEdge,Inc.
5. 5. 5 Richard Feynman （リチャード ファイマン） LangEdge,Inc. “If you think you understand quantum mechanics, you don't understand quantum mechanics.” 「もしあなたが量子力学を理解でき たと思うならば、それは量子力学を 理解できていないと言うことだ。」 ※ と言うことできっと私も理解できていないので間違い等ご指摘を！
6. 6. 6 量子とは？ LangEdge,Inc. 一般的な定義： 物理量を実数では無く単位量の整数倍で 表す場合にその単位量を「量子」と呼ぶ。 ※ 量子論/力学以外でも使われる場合がある。 例：アナログ波形のデジタル化を量子化と呼ぶ。 量子化
7. 7. 7 古典系と量子系の測定 LangEdge,Inc. 古典系回路1 X = A ÷ 2 A = 1 1回目：X = 0.5 2回目：X = 0.5 : n回目：X = 0.5 古典系回路2 X = A × 1.3 A = 1 1回目：X = 1.3 2回目：X = 1.3 : n回目：X = 1.3 量子系回路1 X = A × φ(0:25% + 1:75%) A = 1 1回目：X = 1 2回目：X = 0 3回目：X = 1 : n回目：X = 1 量子系回路2 X = A × φ(0:50% + 1:50%) A = 1 1回目：X = 0 2回目：X = 1 3回目：X = 1 : N回目：X = 0 何度繰り返し ても同じ値。 当たり前。 決められた確率で 決められた値が 出現するので0.5 等の数は出ない。 かつ繰り返す度に 異なる値になる為 再現性が無い。 φ：波動関数（複数の解を持つ）
8. 8. 8 量子系（量子論の世界） LangEdge,Inc. 量子論で記述された（量子）系が取る状態。 古典論では全く同じ系で測定された物理量は 毎回同じ測定値（実数）を示す。 量子論では全く同じ系で測定された物理量は 毎回異なった測定値を示す。 量子状態の測定値は実数では無く固有値に よるとびとびの値を取る（だから量子）。 どの測定値となるかは波動関数により決まる 確率分布にて示される（コペンハーゲン解釈）。 一般に原子以下のミクロな世界は量子状態。 量子の対語は古典
9. 9. 9 二重スリット実験 （光の波動性） LangEdge,Inc. 光源 スリット スクリーン 干渉縞 光子銃 スリット 最初の スクリーン 繰り返し後 スクリーン 二重スリット通過後に干渉縞が表示される。 と言うことは光に波動性があることを示す。 干渉縞は同じ位相を持つ光源が2つあり、 距離により位相が強めあう場所と弱めあう 場所がある為に生じる現象である。 光子1個ずつ発射可能な光子銃と光子1個を 認識できるスクリーンを使う。光子1個ずつを 打ち出しても繰り返すうちに干渉縞が出てくる。 つまり光子1個でも波動性があることになる。 重ね合わせ状態 （波動性）
10. 10. 10 二重スリット実験の観測問題 LangEdge,Inc. 光子銃 スリット 観測あり 観測無し 観測問題：どちらのスリットを通過したかを観測することにより干渉縞が出なくなる。 コペンハーゲン解釈では観測することで量子干渉が壊れて粒子として収束していると考える。 しかし他にも解釈は存在しており（平行宇宙論等）、正確なことは分かっていない。 観測 観測 観測すると 観測縞は 現れない。 異なる 観測することで波動性が 壊れ粒子性に収束すると 考えられる。 測定（粒子性） 波動関数の収束
11. 11. 11 波動と粒子の二重性 （量子重ね合わせ） LangEdge,Inc. 観測 重ね合わせ状態（波動性） 固有値状態（粒子性） 収束 観測しなくても 時間が経つと崩壊する 量 子 デ コ ヒ ー レ ン ス 複数の状態が同時に存在して 量子干渉を生じている （コペンハーゲン解釈） 波動関数（列ベクトル）を |ψ と表現すると |ψ c0|ψ0 c1|ψ1 |c0|2 |c1|2 1.0 c0 と c1 は複素数 固有状態のうち1つの状態 |ψ0⟩ または |ψ1⟩ のいずれか 波動性は失われる 複素数虚数部は意味を持たない ※ コヒーレンス時間（状態の量子干渉が失われるまでの時間）は通常短い。 コペンハーゲン解釈では、粒子状態 は波動がパルス状になったと考える。 位置が決まると波長は定まらなくなる。 デジタル的（計算結果：0 or 1）アナログ的（複数状態の並列計算） 量子計算中の状態 量子計算結果の状態
12. 12. 古典ビット 12 量子ビット （重ね合わせの実現） LangEdge,Inc. 1ビットの情報を持つ量子のビットが量子ビット。 量子ビットは観測されると0か1の値を取るが、 観測前は0と1の重ね合わせ状態を取る。 古典ビットは0か1のいずれかの値のみ持つ。 0 1 or 量子ビット 0 1 or 0 10and1 観測 アナログ的 観測後 0と1が同時に存在 している状態。 観測前 重ね合わせ状態
13. 13. 13 量子ビットの実現 LangEdge,Inc. 物理的に実現するには幾つかの方法がある。 方式 概要 開発 超伝導 量子ビット 現在主流となっている超伝導状態のシリコン回路で量子 ビットを実現する方式（極低温） IBM, Google, D-Wave イオントラップ 捕獲したイオンをレーザーで冷却して利用（室温） 理論的には量子ビット間の全結合が可能 IonQ 量子ドット 原子10～50個で構成した微小半導体を利用（極低温?） Intel トポロジカル 超電導体とトポロジカル絶縁体による量子ビット（極低温?） Microsoft NVセンター ダイヤモンド窒素-空孔中心 ダイヤモンドの炭素を窒素に置き換えて生じる欠損部に電 子を捕獲して量子ビットに利用（室温） （研究レベル） QNN 量子ニューラルネットワーク 光パルスを量子ビットとして利用（室温） 全結合によるアニーリング型の計算が可能（らしい） NTT/NII/東大 （ImPACT）
14. 14. 14 量子もつれ （量子エンタングルメント） LangEdge,Inc.  2つの粒子（量子ビット）の間に何らかの方法で関係を 設定することで、一方を測定すると、もう一方の値が 確定する現象を量子もつれと呼ぶ。 ? ? ? ? ? ? 1 1 観測 1 ? 観測 重ね合わせ 状態 もつれ状態 もつれ状態 どちらも同じ値に なるようにもつれ させる 片方を観測すると1だった 観測しなくても1に確定 必ず1が観測される
15. 15. 15 量子もつれの実現 LangEdge,Inc. |0 X2 Y2 H |0 X1 Y1 X1 |0⟩ : 50% |1⟩ : 50% Y1 |0⟩ X2 X1 |0⟩ : 50% |1⟩ : 50% X1が |0⟩ なら Y2も |0⟩ （Y1そのまま） X1が |1⟩ なら Y2も |1⟩ （Y1を反転する） X2Y2 |00⟩ : 50% |11⟩ : 50% ※ |01⟩ や |10⟩ は 0% 重ね合わせ状態を作る アダマール（H）ゲート。 CNOTゲート。 X2が0ならY2も0に、 Y2が1ならX2も1と、観測 量子ゲート型： 量子アニーリング型： －の相互作用を与える 例： 𝑱𝒊𝒋 －𝟏 （同じスピンになろうとする力が働く） 0 or 1 0 or 1 0 0 1 1 ア ニ ー リ ン グ 計 算 or
16. 16. 16 量子コンピュータの概要 LangEdge,Inc. 1. 0と1の2つの基底を持つ複数の量子ビットを利用。 2. 重ね合わせた状態のままで量子並列演算を行う。 3. 量子ビット同士を絡み合わせて量子回路を構築。 4. 重ね合わせ状態の出力を観測して固有値に収縮。 5. 繰り返し実行し確率的な固有値の出力分布を得る。 → 二重スリット実験時に光子の分布により干渉縞を確認するようなもの。 入力 （初期） データ 量子回路 （量子並列演算） ※ 可逆回路 観測 （固有値に収縮） 出力 （結果） データ 出力分布 （最終結果）繰り返し実行 （100～1000回程度） 実行の度に 異なる値に なる。
17. 17. 17 量子コンピュータの種類 LangEdge,Inc. 量子ゲート型 （狭義の量子コンピュータ） 方式： 量子ゲートの量子回路による量子計算 対象問題： 汎用 （ただし量子アルゴリズムの範囲内） 開発企業： IBM/Google/Intel/Alibaba/Microsoft等 量子アニーリング型 （正確には量子シミュレータ） 方式： イジングモデルを使った量子シミュレーション 対象問題： 最適化問題特化 （深層学習等への応用） 開発企業： D-Wave （非量子型では富士通と日立） ※ 非量子：富士通 「デジタルアニーラ」、日立 「CMOSアニーリングマシン」。 ※ 他に光を使ったCIM（コヒーレントイジングマシン）もあるがここでは省略。
18. 18. 18 量子ゲート型とソロバン LangEdge,Inc. ソロバンは珠（たま）を配置したハードウェアを、指で 弾いて行くことで計算を進めて行く。各珠の間には 桁上がり等の関連性がある。 量子ゲート型は量子ビットを配置したハードウェアを、 レーザーや電界で弾いて行くことで計算を進めて行く。 各量子ビット間には量子もつれによる関連性がある。 ソロバンは可逆回路でもある。ただしソロバンは同じ 操作をすれば毎回同じ値になるが、量子では異なる。 量子 ビット 量子 ビット もつれ 量子 ビット もつれ 操 作 操 作 操 作 Hや反転 等の操作
19. 19. NOTゲート ANDゲート CNOTゲート 可逆 非可逆（量子計算では使えない） 可逆 19 可逆コンピュータ LangEdge,Inc. 情報が失われる時にエネルギー（熱）が消費される。 可逆コンピュータが実現すると低電力化が可能となる。 IBMから1960年代に出た理論で今も研究が続いている。 ※ 量子コンピュータは可逆コンピュータの一種である（詳細は次ページ）。 A X X A B A B X Y A X 1 0 0 1 A B X 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 A B X Y 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 energy Yだけ見るとXOR 出力から入力が 再現できるので可逆 可逆コンピュータは非量子な場合には 低電力になっても低性能になる為に ほぼ実用化されていない。 出力から 入力が 再現でき ない
20. 20. 20 なぜ量子コンピュータは可逆なのか？ LangEdge,Inc. 量子計算： 1. 量子力学の計算にはシュレディンガー方程式を利用。 2. シュレディンガー方程式は時間に可逆な性質を持つ。 従って： シュレディンガー方程式を使う量子計算も可逆 となる必要がある。 つまり： ゲート型の量子コンピュータは可逆コンピュータ。 ※ 後ほどもう少し詳しくシュレディンガー方程式を見ます。
21. 21. 量子 アニーリング シミュレーテッド アニーリング （SA） 21 量子アニーリング型の計算 LangEdge,Inc. 時間と共に量子重ね合わせ状態が解消されていく（横磁場を弱めて行く） 初期状態 最終状態中間状態 量子ビット間を もつれ合わせて 重ね合わせ状態を 作るので最初は フラットなモデル。 収束するにつれて モデルが出来てくる。 重ね合わせが解消 して収束した結果。 量子トンネル効果の すり抜けが発生するエ ネ ル ギ ー 小 シミュレーテッドアニーリング（SA）は先に モデルをセットして最適解を求めて行く。 シミュレーテッドアニーリングは古くから 使われており、現在でも富士通や日立が 専用ハードウェアを使ったアニーリングを 実現（例：デジタルアニーラ）している。 壁を超えられない 場合もある。 量子アニーリングでは量子ビット間の全結合（もつれ）が理想だが… 局所解に なる場合も。 どちらも問題をイジング モデルとして定式化する 必要があり数学が必要。
22. 22. LangEdge,Inc. 光の量子コンピュータ 22 ビーム スプリッター 光子 上下から 光子対を 入射する。 • ビームスプリッターとは ハーフミラーのこと。 それぞれ反射 または透過 片方が反射し もう片方が透過 ※ 測定するとこちらのいずれかになる 2つの光子の 量子もつれ 上か下かの 重ね合わせ 状態 外ループ 内ループ 可変式 スプリッター 光スイッチ光スイッチ 入力： 光パルス発生器 測定結果で 光操作 出力 ホモダイン測定器 ループ型 光量子コンピュータ 1つの可変式ビームスプリッター を何度も使うことで量子計算を 行っていく。まだ完成していない。 複数のビームスプリッター を使うことで量子計算を 行っていくタイプもある。
23. 23. 23 NISQの時代（今後5～10年程度） LangEdge,Inc. Q2B: QUANTUM FOR BUSINESS 2017 物理学者 John Preskill による基調講演の論文 「Quantum Computing in the NISQ era and beyond 」 https://arxiv.org/abs/1801.00862 NISQ: Noisy Intermediate-Scale Quantum ノイズエラーがあり中規模量子ビット数の時代 現在は標準ハードウェアと標準ソフトウェア（アルゴリズム） を確立する時期で、特にソフトウェアは量子シミュレータを 使って勉強しておくことで量子プログラミング時代に備える。 50～数百量子ビット程度
24. 24. 24 量子コンピュータの未来予想 LangEdge,Inc. 実用性 汎用性 ほぼない （一部を除き古典機の方が早い） 一部あり （古典機よりも早い分野がある） あり （ただし得意不得意はある） 信頼性 ノイズ（エラー）あり （部分的な） エラー訂正 エラー訂正あり 量子数 10～102 （エラー訂正あり） 102～106 106 （数百万）以上 利用形態 専用機 専用機・外部接続装置 単独・古典機と融合 NISQ ノイズあり中規模 量子加速 （Quantum Speedup） 万能 （Universal） 量子コンピュータ 2015 2019 2023～2030 2040～2060くらい（予測困難） 第１世代 真空管・試用や研究 第２世代 トランジスタ・商用化 第３世代 集積回路・パーソナル化 1950 1955 1970 参考：（ノイマン型）古典コンピュータの歴史 量子超越 （古典コンピュータでは解けない問題） RSA暗号解読 どこかでブレーク スルーを生じる 可能性はゼロ ではないが… 同じような経緯か？
25. 25. LangEdge,Inc. 古典量子ハイブリッドアルゴリズム 主な用途：  近似最適化： （Quantum Approximate Optimization Algo）  基底状態探索： （Variational Quantum Eigensolver）  機械学習： （Quantum Circuit Learning） 25 量子コンピュータ（NISQ） 古典コンピュータ 結果：期待値 フィードバック：パラメータ 量子コンピュータが 圧倒的に早いか、 または量子計算で しか解けない問題を 実行する。結果は 近似解でも良い。 ノイズも許容する。 量子計算の結果を 確認して、可能なら パラメータを調整。 量子コンピュータで 実装も可能だが、 古典計算で充分 また手軽に使える。 現実的な利用方法として古典コンピュータとの組合せ利用が進んでいる。 第２部で説明するショアのアルゴリズムもある意味ハイブリッド計算である。
26. 26. 26 量子計算フレームワーク （量子ゲート型） LangEdge,Inc. IBMやGoogleは自社量子コンピュータを使う為の量子計算フレームワークを 公開している。実機だけではなくシミュレーション機能を持っているので、量子 プログラミングの勉強用として最適だが小規模の量子回路のみとなる。 項目 IBM Qiskit Google Cirq ロゴ 構成 Terra: 量子計算の基盤部（Python） Aqua: 量子アルゴリズムのライブラリ OpenQASM: 量子低レベル中間言語 Cirq:量子計算基盤Pythonライブラリ OpenFermion: 量子化学ライブラリ 提供 オープンソース（GitHub） オープンソース（GitHub） 取得 https://qiskit.org/ https://github.com/Qiskit https://github.com/quantumlib/Cirq 情報 https://qiskit.org/documentation/ja/ https://cirq.readthedocs.io/en/latest/ その他 IBM Q Experience: GUI利用 ※ GUIからOpenQASMに展開し実行 https://quantumexperience.ng.bluemix.net/ 2018年夏に正式公開されたライブラリ 量子コンピュータ実機はまだ使えない
27. 27. 27 量子計算フレームワーク （量子アニーリング型） LangEdge,Inc. 日本のベンチャーが開発した量子計算フレームワークも公開されている。 D-Wave社のOceanもQiskit/Cirqと同じく基本的には自社ハード用SDKである。 項目 Blueqat D-Wave Ocean SDK ロゴ 構成 量子ゲート型の計算（本来ゲート型） 量子アニーリング計算も可能 量子アニーリング型の計算 提供 オープンソース（GitHub） オープンソース（GitHub） 取得 https://github.com/Blueqat https://github.com/dwavesystems/dwave-ocean-sdk 開発 株式会社 MDR https://mdrft.com/?hl=ja D-Wave Systems, Inc. （カナダ） https://www.dwavesys.com/ その他 Qiskit/Cirqよりも回路記述が簡単。 前身は量子アニーリング用のWildqat。 日本語のSlackも参加可能。 勉強会・ブログ等で積極的に日本語で 情報発信をしている。 D-Waveマシン用のSDK。 シミュレーテッドアニーリング計算も可能。 計算に実機を使う為には登録が必要。 D-Wave Leap https://www.dwavesys.com/take-leap
28. 28. 28 量子計算シミュレータ LangEdge,Inc. 今、我々に必要なもの： エラーなし高速の量子計算シミュレータ 目的：量子アルゴリズムの学習の為 量子コンピュータの実機とシミュレータの比較： 実機（NISQ）：エラーがあり小規模（各種制限あり）のみ シミュレータ：エラーなしで中規模（制限少）、ただし限界あり ※ シミュレータもNISQ計算のQiskit/Cirqはその意味では向いていない。  Qulacs（QunaSys社）：C++実装で高速化  QGATE（個人の趣味）：GPUを使って高速化 https://numba.pydata.org/ （Blueqat 0.3.9 の numba バックエンドで利用） 富士通のデジタルアニーラや、 日立のCMOSアニーリングも、 ある意味ではシミュレータである。
29. 29. 29 Part 1： 関連数学と1量子ビット操作 LangEdge,Inc. まず必要となる関連数学として線形代数学の 勉強と、1量子ビットのイメージを学びます。 主に量子ゲート型向けですが量子アニーリング でも共通の概念が使われています。
30. 30. 30 参考： シュレディンガー方程式と波動関数 LangEdge,Inc. ※ 理解できなくても量子プログラミングでの大きな問題にはなりません。 𝑖ℏ 𝑑 𝑑𝑡 𝜓 𝑥, 𝑡 𝐻𝜓 𝑥, 𝑡 ℏ 2𝑚 𝑑2 𝑑𝑥 𝑉 𝑥 𝜓 𝑥, 𝑡 （時間依存する）シュレディンガー方程式 𝐸𝜙 𝑥 𝐻𝜙 𝑥 ℏ 2𝑚 𝑑2 𝑑𝑥 𝑉 𝑥 𝜙 𝑥 運動エネルギー 古典力学では粒子のエネルギーは保存される（時間依存が無い）ので、 時間発展しないシュレディンガー方程式を導くことができる。 H:ハミルトニアン ポテンシャルエネルギー時間から見た全エネルギー Ψ:波動関数 ℏ : プランク定数h / 2π m : 質量 エネルギー固有値 φ:波動関数 （時間依存無し） シュレディンガー方程式は、波動関数の値を求める方程式ではなく、 波動関数の式そのものを求める方程式となっている。 プサイ ファイ http://scienceinoh.jp/schrodinger/
31. 31. 31 量子計算は複素数計算が必要 LangEdge,Inc. シュレディンガー方程式 左辺に虚数単位 が出てくる。 この方程式を成立させる為には右辺の が実数である ので、波動関数 が複素数で表現されなければならい。 あなたとわたしの シュレティンガー
32. 32. 32 波動力学と行列力学 LangEdge,Inc. 時間発展しないシュレディンガー方程式（波動力学） Hはハミルトニアン式、φ x は波動関数（固有関数）、Eはエネルギー固有値 Aは正方行列、xは列ベクトル（固有ベクトル）、λはスカラー値（固有値） 行列における固有値問題の式 量子計算は行列の固有値問題として解くことができる。 これをハイゼンベルク方程式（行列力学）と呼ばれる。 この場合に波動関数は固有ベクトルとして求められる。 ※ 波動力学と行列力学が数学的に同じであることはシュレディンガーにより確認されている。
33. 33. 33LangEdge,Inc. 量子の状態はベクトルで表現できる 次元量子の状態 基底: |0⟩, |1⟩, … , |n-1⟩ 0 1 n-1 量子ビットの状態 基底: |0⟩ と |1⟩ 0 1 ただし C0～Cn-1は複素数。 量子系の状態ベクトル C0|0⟩ C1|1⟩ … Cn 1|n-1⟩ C0|0⟩ C1|1⟩ ただし |C0|2 |C1|2 |Cn-1|2 1 |0⟩ を得る確率は |C0|2 |1⟩ を得る確率は |C1|2それぞれ確率50%なら： C0 C1 ただし |C0|2 |C1|2 1
34. 34. 34 1-1： 線形代数学の基本知識 LangEdge,Inc. 量子計算が行列演算で解けるということは、 行列演算の線形代数学の知識が必要です。 このパートは線形代数学をマスターしている人は 読み飛ばして頂いて構いません。
35. 35. 35LangEdge,Inc. 数学： 複素数と共役（複素共役） 名称 定義 例 実数 実在する数 0, 2, 0.4, 1/3, 2 虚数 2乗してマイナスになる数 i をつけて表す i 1, i3 3, i4 4 i0 1, i1 i, i2 1, i3 i 複素数 実数と虚数で示される数 実数部/虚数部が0も含む 5 i3, 2 – i4, 0.2 i0.2, 2 i0 2, 0 – i3 3i 0 y y x r r Re 実軸 Im 虚軸 z x iy z r cos θ i sin θ z reiθ 𝒛 x – iy 𝒛 re iθ 複素平面における共役関係 θ 偏角 θ 複素共役（ふくそきょうやく） 虚数部がマイナスになっているペア値。 複素数 に対して と書く。 1. z が実数なら、z z 2. z z z1 z2 3. z z z1×z2 4. z z z1 z2 5. z z |z|2 共役
36. 36. 36LangEdge,Inc. 数学： オイラーの公式 指数関数を三角関数で表す。 オイラーの公式の複素共役。 三角関数を指数関数で表す。 , 複素数の場合には 指数関数と三角関数 の相互変換が可能。 量子ビットの位相 を扱う為に重要
37. 37. 37LangEdge,Inc. 数学： ベクトルと基底ベクトル ベクトル：始点/終点と向き/長さを持つ  n次元の1行のみの行ベクトルや 1列のみの列ベクトルとして扱う。  量子計算では原点を始点とした ベクトルのみを扱う（線形変換）。  量子計算では座標を示す数は複素数。 基底ベクトル：基本単位となるベクトル 量子計算は |0⟩ と |1⟩ を規定ベクトルと する。「|ψ⟩ （ケット）」に関しては後述。 規定ベクトルを基準にすることで、移動 や回転が表現できる（線形変換）。 量子計算では回転のみを利用する。 3, 2 0, 0 3 2 列ベクトル 1 0 |0⟩ 0 1 |1⟩ 基底ベクトル ベクトルと列ベクトル表記 注：値は複素数 例：1 1 i0
38. 38. 38LangEdge,Inc. 数学： ベクトルの演算 スカラー倍： ベクトル同士の和と差 （同じ次元数同士のみ）： m a1 a2 … an ma1 ma2 … man b1 b2 : bn m mb1 mb2 : mbn , b1 b2 : bn a1 b1 a2 b2 : an bn a1 a2 : an b1 b2 : bn a1 b1 a2 b2 : an bn a1 a2 : an , a1 a2 … an b1 b2 … bn a1 b1 a2 b2 … an bn a1 a2 … an b1 b2 … bn a1 b1 a2 b2 … an bn
39. 39. 39LangEdge,Inc. 数学： ベクトルの内積 行ベクトル・列ベクトル 1 2 n ・ 1 2 n 1 1 2 2 n n j j 同じ次元間のみ 内積計算が可能 内積の結果はベクトル ではなくスカラー値になる ただし複素数なので注意
40. 40. 40LangEdge,Inc. 数学： 行列と正方行列 行列とは数・記号・式などを縦（列）と横（行）に並べたもの。 列数と行数が同じ場合には正方行列と呼び、量子計算に おいては正方行列のみを理解していれば良い。 a11 a12 … a1m a21 a22 … a2m : : ⋱ : an1 an2 … anm a11 a12 … a1n a21 a22 … a2n : : ⋱ : an1 an2 … ann n m 正方行列 a b c d 0 1 2 3 4 5 6 7 8 ex1) 2x2 ex2) 3x3 行 列
41. 41. 41LangEdge,Inc. 数学： 行列の演算 a11 a12 … a1n a21 a22 … a2n : : ⋱ : an1 an2 … ann λ λa11 λa12 … λa1n λa21 λa22 … λa2n : : ⋱ : λan1 λan2 … λann スカラー倍： 行列同士の和 （同じ次元数同士のみ）： a11 a12 … a1n a21 a22 … a2n : : ⋱ : an1 an2 … ann b11 b12 … b1n b21 b22 … b2n : : ⋱ : bn1 bn2 … bnn a11 b11 a12 b12 … a1n b1n a21 b21 a22 b22 … a2n b2n : : ⋱ : an1 bn1 an2 bn2 … ann bnn
42. 42. 42LangEdge,Inc. 数学： 行列と列ベクトルの内積 a11 a12 … a1m a21 a22 … a2m : : ⋱ : an1 an2 … anm b1 b2 : bm c1 c2 : cn ・ n行m列とm次の列ベクトルの内積はn次の列ベクトルになる： c1 a11b1 a12b2 … a1mbm c2 a21b1 a22b2 … a2mbm : cn an1b1 an2b2 … anmbm C1 a1jbj ベクトル同士の内積
43. 43. 43LangEdge,Inc. 数学： 行ベクトルと行列の内積 b11 b12 … b1m b21 b22 … b2m : : ⋱ : bn1 bn2 … bnm a1 a2 … an ・ n次の行ベクトルとn行m列の内積はm次の行ベクトルになる： c1 a1b11 a2b21 … anbn1 c2 a1b12 a2b22 … anbn2 : cm a1b1m a2b2m … anbnm C1 ajbj1 ベクトル同士の内積 c1 c2 … cm
44. 44. 44LangEdge,Inc. 数学： 行列同士の内積 a11 a12 … a1m a21 a22 … a2m : : ⋱ : an1 an2 … anm ・ n行m列とn行m列との内積はn行m列の行列になる： c11 a11b11 a12b21 … a1mbm1 c12 a11b12 a12b22 … a1mbm2 : cnp an1b1p an2b2p … anmbmp ベクトル同士の内積 b11 b12 … b1p b21 b22 … b2p : : ⋱ : bm1 bm2 … bmp c11 c12 … c1p c21 c22 … c2p : : ⋱ : cn1 cn2 … cnp
45. 45. 45LangEdge,Inc. 数学： 単位行列 1 0 … 0 0 1 … 0 : : ⋱ : 0 0 … 1 単位行列とは対角の値が1でそれ以外の値が0の正方行列： 単位行列 = 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 ex1) 2x2 ex2) 4x4 Eはシュレディンガー方程式の エネルギー固有値Eとは異なる ので注意すること。 単位行列Eの性質： 正方行列Aを単位行列Eにかけると元の正方行列Aのまま 1 0 0 0 1 0 0 0 1 a11 a12 a13 a21 a22 a23 a31 a32 a33 1 0 0 0 1 0 0 0 1 a11 a12 a13 a21 a22 a23 a31 a32 a33 a11 a12 a13 a21 a22 a23 a31 a32 a33
46. 46. 46LangEdge,Inc. 数学： 逆行列 逆行列とは元の正方行列をかけると単位行列になる正方行列： 行列 の逆行列を 1（インバース）と書く 1 1 逆行列A 1の性質： 正方行列Aに逆行列A 1をかけると単位行列Eになる 1 0 0 0 1 0 0 0 1 b11 b12 b13 b21 b22 b23 b31 b32 b33 a11 a12 a13 a21 a22 a23 a31 a32 a33 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 2 1 1 1 0 1 1 1 1 2 1 1 1 0 1 1 1 ex) 3x3 1 1 1 1 0 1 0 1 1 2x2の場合のみ： A で ad – bc 0 の時、 A 1 となる。 a b c d d b c a
47. 47. 47LangEdge,Inc. 数学： 行列式と逆行列の計算 行列式は正方行列を式としてスカラー値を得る計算ができる： a11 a12 a21 a22 a11 a12 a21 a22 A | A | a11a22 a12a21 行列A 行列式A 3x3 a11 a12 a13 a21 a22 a23 a31 a32 a33 = a11a22a33 a12a23a31 a21a32a13 a13a22a31 a12a21a33 a23a32a11 逆行列の計算： 余因子行列： （エーハット） a22 a12 a21 a11 Â ここではこれ以上 詳しく説明しない
48. 48. 48LangEdge,Inc. 数学： 固有値問題式変形 （固有値問題1） は正方行列、 は固有値（スカラー値）、 は列ベクトル a11 a12 a21 a22 λ x y λ 1 0 0 1 x y λ 0 0 λ x y 0 0 λ 0 0 λ x y x y 11 12 21 22 a11 a12 a21 a22 x y a11 λ a12 a21 a22 λ x y 単位行列を 使って展開 0 0 右辺を左辺に移動 係数をまとめる x 0 かつ y 0 a11 λ a12 a21 a22 λ この行列がゼロで ある必要がある。
49. 49. 49LangEdge,Inc. 数学： 固有値の計算 （固有値問題2） 固有値 1 2 を求める計算例： ※ 2次元の場合の固有値は2つ（重解なら1つ）。 とした場合、 この行列がゼロである必要がある 2 答：固有値 1 2 11 12 21 22 11 12 21 22 右行列式 が成り立つ 右行列式 が成り立つ λ が 2 か 3 の 時に成り立つ。 x 0 y 0
50. 50. 50LangEdge,Inc. 数学： 固有ベクトルの計算 （固有値問題3） 前頁の結果から： の固有値は λ1 2 と λ2 3 である。 この時のそれぞれの固有ベクトルを計算。 1 2 2 1 4 2 x y 0 0 = = 1 2 1 2 x y x 2y 0 1 3 2 1 4 3 x y 0 0 = = 2 2 1 1 x y x y 0 λ1 2 の時： λ2 3 の時： → λ1の固有ベクトル解： 2 1 = x1 y1 λ2の固有ベクトル解： 1 1 = 1 λ 2 1 4 λ x y 0 0 x2 y2 （の定数倍） （の定数倍）
51. 51. 51LangEdge,Inc. 数学： 行列の対角化 （固有値問題4） 1 2 1 1 2 1 4 2 1 1 1 2 1 1 1 2 0 0 3 = = P x1 x2 y1 y2 2 1 = x1 y1 1 1 = x2 y2 と、 を結合した行列Pを、 とすると、 AP P λ1 0 0 λ2 固有値λを対角化した行列を使って、 が成り立つ。 4 3 2 3 確認： A P P 固有値行列 の両辺にP 1を掛けて、AP P λ1 0 0 λ2 が成り立つ。固有ベクトルを結合した逆行列P-1と行列Pで 挟むことで対角化された固有値行列となる
52. 52. 52LangEdge,Inc. 数学： 固有値問題まとめ （固有値問題5） は正方行列、 は固有値（スカラー値）、 は列ベクトル a11 a12 a21 a22 λ x y x y  2次元行列の固有値は2つある（量子ビットにも関連）。 ※ ただし重解（同じ値）のケースでは1つだけ。  以下の行列式を解くことで固有値 の計算が可能。  固有値 が計算出来たら固有ベクトルも計算できる。  対角化により固有値と固有ベクトルの式が成立する。 a11 λ a12 a21 a22 λ λ1 0 0 λ2 1 x1 x2 y1 y2 Pは2つの固有ベクトル を繋げた行列 固有値の1つをセットすることで 1つの固有ベクトルの式ができる。
53. 53. 53LangEdge,Inc. 数学： 転置行列と複素共役行列 行列の転置とは行と列を入れ替える操作： a11 a12 a13 a21 a22 a23 a31 a32 a33 行列 の転置行列を T （トランスポーズ）と書く A = a11 a21 a31 a12 a22 a32 a13 a23 a33 AT = 行列の複素共役は虚数部を反転する操作： 行列 の複素共役行列を （バー）と書く ex) 3x3 1 2i 3 4 5 3i 6i 7i 8 2i 9 B = B = 1 2i 3 4 5 3i 6i 7i 8 2i 9
54. 54. 54LangEdge,Inc. 数学： 共役転置行列 （または随伴行列） 共役転置行列は、行列の複素共役と転置を行う： 行列 の共役転置行列を * （スター）と書く ex) 3x3 1 2i 3 4 5 3i 6i 7i 8 2i 9 B BT 1 4 7i 2i 5 3i 8 2i 3 6i 9 * T 1 4 7i 2i 5 3i 8 2i 3 6i 9 物理学の定義： † T *
55. 55. 55LangEdge,Inc. 数学： 正規行列 元行列と共役転置行列を掛けて、交換法則（可換）が成り立つ 場合に、その行列を正規行列と呼ぶ： ex) 3x3 0 2 0 0 0 2 2 0 0 B B* 0 0 2 2 0 0 0 2 0 B* B 0 0 2 2 0 0 0 2 0 0 2 0 0 0 2 2 0 0 4 0 0 0 4 0 0 0 4 B B* 0 2 0 0 0 2 2 0 0 0 0 2 2 0 0 0 2 0 4 0 0 0 4 0 0 0 4 物理学の定義： † †
56. 56. A* A 56LangEdge,Inc. 数学： ユニタリ行列 元行列と共役転置行列を掛けると単位行列Eになる行列： ※ 逆行列と共役転置行列が等しくなる。 ※ 内積の値（ベクトルの長さ）は変わらず複素空間の回転が可能。 ex) 1 * 正規行列 1 1 i i A = 1 i 1 i 1 1 i i 1 0 0 1 A A* 1 1 i i 1 i 1 i 1 0 0 1 物理学の定義： † † （ダガー） 量子ビットの 操作に利用 （後述）
57. 57. 57LangEdge,Inc. 数学： エルミート行列 エルミート行列は元行列と共役転置行列が同じ行列： エルミート行列の対角は実数になる。 エルミート行列の固有値は実数になる。 ex) 2x2 1 2 i 2 i 3 1 2 i 3 i 2 I 5 4 i 3 i 4 I 6 * * * * 正規行列 ex) 3x3 物理学の定義：行列 のエルミート行列は † （ダガー） 量子ビットの 観測に利用 （後述）
58. 58. 58LangEdge,Inc. 数学： 正規行列・エルミート行列・ユニタリ行列 正規行列 * * エルミート行列 * * * ユニタリ行列 1 * * * エルミート行列かつ ユニタリ行列と言う ケースもある。 量子ビットの操作は 全てユニタリ行列を 使ったユニタリ変換
59. 59. 59LangEdge,Inc. 数学： 推薦図書 高校数学でわかる線形代数 行列の基礎から固有値まで (ブルーバックス) 竹内 淳 (著) - 231 ページ 出版社: 講談社 (2010/11/20) Kindle版：950円 https://www.amazon.co.jp/gp/product/B00J9YQF3E/ 1-1で説明した内容の多くが本図書 で説明されています。量子力学と 固有値問題に関しても説明あります。 値段も安いし良書だと思います。
60. 60. 60 1-2： ブラケット記法と量子計算 LangEdge,Inc. このパートからいよいよ量子計算関連する話に なります。 と同時に数学から物理学へ話が変わります。
61. 61. 61LangEdge,Inc. 物理学と数学の違い 紛らわしい…特にA*… このページ以降は物理学の 作法で記述して行きます。 物理学 （量子力学） 数学 （線形代数学） 複素共役 （虚数部の±反転） （スター） （バー） 複素共役転置 （ダガー） （スター） エルミート （自己随伴） ユニタリ 単位行列 （id:単位ゲート）
62. 62. 量子計算では 基底ベクトルとして 1 と 0 の2次元の ブラケットを利用。 62LangEdge,Inc. ブラケット（BraKet）記法 : ブラ（行）ベクトル : ケット（列）ベクトル ブラ ケット c0 c1 ： cn d0 d1 … dn n次元ブラ： （行）ベクトル n次元ケット： （列）ベクトル 1 0 |0⟩ 0 1 |1⟩ ⟨0| 1 0 ⟨1| 0 1 量子計算結果の |0⟩ と |1⟩ が重要 ,
63. 63. 63LangEdge,Inc. ケットベクトルとブラベクトルの関係 n次元ケット（列ベクトル）： n次元ブラ（行ベクトル）： 0 1 ： n 0 * 1 * n * と言う ケットがある時に、同じ の ブラは、 転置＋複素共役 をとった関係となる。 ex) 4 3 2𝑖
64. 64. 64LangEdge,Inc. ブラケットベクトルの内積と外積 c0 c1 ： cn d0 d1 … dn n次φブラ： （行ベクトル） n次ψケット： （列ベクトル） 内積： d0 d1 … dn c0 c1 ： cn d0c0 d1c1 … dncn 𝑑𝑗 𝑐𝑗 c0d0 c0d1 … c0dn c1d0 c1d1 … c1dn : : ⋱ : cnd0 cnd1 … cndn 外積： d0 d1 … dn c0 c1 ： cn がある時に、 結果はスカラー 結果は行列 ,
65. 65. 65LangEdge,Inc. 同じベクトルの内積 a0 a1 ： an a0 * a1 * … an * ケットベクトル： 0 * 0 1 * 1 n * n がある時に内積計算は、 ブラベクトル： a0 * a1 * … an * a0 a1 ： an , 量子計算では、内積の結果が1となるように規格化されている。 ※ これはベクトルの長さが1と言うことと同じ。
66. 66. 66LangEdge,Inc. テンソル積 （1階のテンソル積） |ψ1⟩ a|0⟩ b|1⟩ a b |ψ2⟩ c|0⟩ d|1⟩ c d つの 次元ベクトル 1 と 2 がある時、 1 と 2 のテンソル積 は 次元ベクトルとなる。 |ψ1⟩ ⊗ |ψ2⟩ ac ad bc bd テンソル積の記号 は省略されることが多い。 1 2 1 2 1 2 bc|10⟩ bd|11⟩ a b c d c d ac|00⟩ ad|01⟩
67. 67. 67LangEdge,Inc. 複数量子ビットとテンソル積 1 0 |0⟩ 1 0 0 0 |00⟩ 0 1 0 0 |01⟩ 0 0 1 0 |10⟩ 0 0 0 1 |11⟩ 0 1 |1⟩ 1 0 0 0 0 0 0 0 |000⟩ 0 1 0 0 0 0 0 0 |001⟩ 0 0 0 0 0 0 0 1 |111⟩ であるので、 …（略）… |111⟩ |7⟩ と表示する場合もある
68. 68. 68LangEdge,Inc. 演算子 （正方行列） ブラケットを利用した計算の演算子は正方行列で表す。 演算子をA（正方行列）とすると、ケットは左から、ブラは右から 演算子を適用して、新しいケットやブラに変換ができる。 † 相対関係 |ψ⟩ A |ψ’⟩ |ψ⟩ |0⟩ 0 1 1 0 A 1 0 0 1 1 0 1 0 A|0⟩ |1⟩ 0 1 ex) の時、 |ψ’⟩ |1⟩ なので、 となる。 A|ψ⟩ |ψ’⟩ 量子回路的表現 演算子 複素共役転置になる ビット反転演算子
69. 69. 69LangEdge,Inc. ユニタリ（ ）演算 量子計算の演算子は全てユニタリ演算子 U となる。 （ ） の時、 ユニタリ演算により、 となる。 ユニタリ演算子は回転操作（長さは変化しない）演算である。 この為に複数のユニタリ演算子を時間的に順番に利用できる。 0 1 1 0 U1 1 0 0 1 U2 U2U1|0⟩ |1⟩ ex) 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 U2U1|0⟩ |0⟩ U1 U2 時間 時間 マイナスは位相反転 位相反転演算子
70. 70. 70LangEdge,Inc. エルミート（ ）演算 エルミート行列Hは、 （ ） である。 2つの固有ベクトル φ𝑖 と φ𝑗 と、その固有値 λ𝑖 と λ𝑗 がある時、 式1： 𝑖 𝑖 𝑖 と、式2： 𝑗 𝑗 𝑗 となる。 結果： 𝑗 𝑖 𝑖 𝑗 𝑖 = 𝑗 * 𝑗 𝑖 より、 （ 𝑖 − 𝑗 *） 𝑗 𝑖 を得る。 式1の左辺から φ𝑗 を適用し 𝑗 𝑖 𝑖 𝑗 𝑖 となる。 式2を複素共役転置して式3： 𝑗 † 𝑗 𝑗 * 𝑗 とし、 式3の右辺から φ𝑖 を適用し 𝑗 𝑖 𝑗 * 𝑗 𝑖 となる。 𝑖 j なら λ𝑖 λ𝑖 * で λ𝑖 は実数、規格化より φ𝑖 φ𝑖⟩ 1 となる。 𝑖 j なら λ𝑖 λ𝑗 * は0ではなく、 φ𝑗 φ𝑖⟩ 0 （直交）となる。
71. 71. 71LangEdge,Inλ. 演算子の行列表現 （エルミート演算による対角化） φ0 H|φ0⟩ φ0 H|φ1⟩ … φ0 H φn φ1 H|φ0⟩ φ1 H|φ1⟩ … φ1 H|φn⟩ : : ⋱ : φn H|φ0⟩ φn H|φ1⟩ … φn H|φn⟩ エルミート演算を波動ベクトルで囲った行列を演算子の行列表現 と呼ぶ。ここでは演算を φ 𝑛 H|φ 𝑛⟩ で （n 0,1,2,…,n） とすると、 𝑖 j なら λ𝑖 λ𝑖 * で λ𝑖 は実数、規格化より φ𝑖 φ𝑖⟩ 1 であり、 𝑖 j なら λ𝑖 λ𝑗 * は0ではなく、 φ𝑗 φ𝑖⟩ 0 （直交）となるので、 λ0 0 … 0 0 λ1 … 0 : : ⋱ : 0 0 … λn H00 H01 … H0n H10 H11 … H1n : : ⋱ : Hn0 Hn1 … Hnn φ0 H|φ0⟩ λ0 φ0 φ0⟩ λ0 φ1 H|φ1⟩ λ1 φ1 φ1⟩ λ1 : φn H|φn⟩ λn φn φn⟩ λn 固有値の 対角化
72. 72. 72LangEdge,Inλ. エルミート演算による期待値 観測前ベクトル |ψ⟩ と、観測後固有ベクトル φn と、固有値 λn が あり、どちらのベクトルも規格化されている（長さが1）とする。 この時の期待値（観測される物理量）は P ψ H|ψ⟩ で計算可能。 λ0 0 … 0 0 λ1 … 0 : : ⋱ : 0 0 … λn ψ H |ψ⟩ φ0 ψ⟩* φ1 ψ⟩* … φn ψ⟩* φ0 ψ⟩ φ1 ψ⟩ : φn ψ⟩ φ0 ψ⟩* φ1 ψ⟩* … φn ψ⟩* λ0 φ0 ψ⟩ λ1 φ1 ψ⟩ : λn φn ψ⟩ λ0| φ0 ψ⟩|2 λ1| φ1 ψ⟩|2 … λn| φn ψ⟩|2 λ0の期待値 λ1の期待値 λnの期待値
73. 73. 73LangEdge,Inc. ボルンの規則 量子系の任意ベクトル ψ の物理量（オブザーバブル）の観測時に、 各測定値（固有値λn）が取る期待値は固有値のどれかとなり、また 測定値（固有値λn ・固有ベクトルφn）を得る確率は φn ψ |2 となる。 確率振幅を cn φn ψ⟩ とした時に、全固有ベクトルは完全系を なすので、以下の式が成り立つ。なお cn は複素数である。 n n 0 0 1 1 n n 0 2 1 2 n 2 よって任意のベクトルは取りえる全ての固有ベクトルで表せる。 ※ 期待値が確率振幅の二乗となることをボルンの規則と呼ぶ。  ボルンの規則は他の方程式から導けないが実験結果と一致するので現在 主流となっている計算方法である。 全確率の合計は1（100%）となる
74. 74. 74LangEdge,Inc. 有限準位量子力学系 （量子ビット＝2次元） 量子ビットは2つの固有ベクトル・固有値を持つ。 2つの固有（基底）ベクトルを と とする。 任意の量子ベクトル に関して確率振幅 n を 使ってボルンの規則により以下の式が成り立つ、 0 1 0 2 1 2 0 1 確率振幅 c0 と c1 は 複素数
75. 75. 75 1-3： ブロッホ球と1量子ビット操作 LangEdge,Inc. お待たせしました！ このパートからやっと量子計算の話になります。 ここからが本題です！
76. 76. 76LangEdge,Inc. 量子ビットとブロッホ球 X Y Z ブロッホ球は複素ヒルベルト空間を示す。 1 0 |0⟩ 0 1 |1⟩ 基底ベクトル θ 0° θ 90° θ 1 0 |0⟩ θ' 0° 0 1 |1⟩ θ‘ 180° 2θ ブロッホ球 量子状態を単位球面上に表す表記法 θ' 2θ これでは上半球の部分しか 使えない…また虚数部がある ので4次元の空間となる。 量子状態のイメージが掴めない… θ‘ 2θ とすることで 球面上を量子ビット の状態が移動する。 虚数部（位相）は絶対値ではなく 干渉に関する相対値とする。 なので|0⟩の位置をゼロとして、 |1⟩の虚数部（Z軸の回転θ）に 位相差を示し3次元空間にする。
77. 77. 77LangEdge,Inc. 量子ビットの存在確率と位相 |𝝍⟩ 𝐜𝐨𝐬 𝜽 𝟐 |𝟎⟩ 𝒆𝒊𝝋 𝒔𝒊𝒏 𝜽 𝟐 |𝟏⟩ |0⟩ 実数部 z 𝑐𝑜𝑠 θ |0⟩ 虚数部 位相差を見るのでゼロ |1⟩ 実数部 x 𝑐𝑜𝑠 φ 𝑠𝑖𝑛 θ |1⟩ 虚数部 𝑦 𝑠𝑖𝑛 φ 𝑠𝑖𝑛 θ |ψ⟩ cos θ 2 0 𝑐𝑜𝑠 φ 𝑖 𝑠𝑖𝑛 φ 𝑠𝑖𝑛 θ 2 |1⟩ X Y Z |𝝍⟩ |ψ⟩ 𝑐0|0⟩ 𝑐1|1⟩ 𝑐0 2 𝑐1 2 1 二乗すると |0⟩ の存在確立 二乗すると |1⟩ の存在確立 位相差 オイラーの公式 ※ θ は存在確率を、φ は位相を示す。 1 0 |0⟩ 0 1 |1⟩ C0 C1 球面上の制約 θ‘ 2θ なので
78. 78. 78LangEdge,Inc. 存在確率の計算例 （角度θのみに依存） の場合 2 2 2 ％ 2 2 2 ％ ※ 位相 iφ は虚数部なので１つの 量子ビット計算には影響しない。 X Y Z |𝝍⟩ 1 0 |0⟩ 0 1 |1⟩ C0 C1 |0⟩ 75% |1⟩ 25% Z軸の値が 存在確率。
79. 79. 79LangEdge,Inc. 量子ビットに対するユニタリ演算 ユニタリ行列による座標変換： 恒等演算 1 0 0 1 ビット反転演算 0 1 1 0 位相ビット反転演算 0 i i 0 位相反転演算 1 0 0 1 id X Y Z パウリ (Pauli) ゲート 単位行列 I なので何もしない 演算となる。 位相のみを変換する場合は位相シフトゲートとも呼ぶ。
80. 80. 80LangEdge,Inc. の を使う （ローカル環境） 環境： Anaconda3 （Python3） 以下より環境に合わせてダウンロードとインストール https://www.anaconda.com/distribution/ ライブラリ： Qiskit （キスキット） Windows版： Anaconda Prompt MacOS版：ターミナル インストール バージョン指定インストール アンインストール pip install qiskit pip uninstall qiskit ※ Qiskitのバージョン確認： 本資料のソースは 0.12.0 と表示 される環境にて確認しています。 In: import qiskit qiskit.__qiskit_version__ Out: {'qiskit-terra': '0.9.0', 'qiskit-ignis': '0.2.0', 'qiskit-aqua': '0.6.0', 'qiskit': '0.12.0', 'qiskit-aer': '0.3.0', 'qiskit-ibmq-provider': '0.3.2'} pip install qiskit=0.11.1 Qiskit はバージョンアップの頻度が多く、ソースが そのまま使えないケースもあるので注意が必要。 後述する IBM Q Experience の notebook 画面を使っても良い。
81. 81. 81LangEdge,Inc. でブロッホ球を表示する （恒等演算） from qiskit import * # 量子計算用 from qiskit.tools.visualization import * # 結果表示用 backend = Aer.get_backend('statevector_simulator') # シミュレータ指定 q = QuantumRegister(1) # 量子ビットを1つ用意 qc = QuantumCircuit(q) # 量子回路に量子ビットをセット qc.iden(q[0]) # 恒等演算（初期値 |0⟩ を出力） r = execute(qc, backend).result() # 回路実行して結果取得 psi = r.get_statevector(qc) # ステータス取得 print(psi) # ステータス（ベクトル）表示 plot_bloch_multivector(psi) # ブロッホ球表示 (※ Qiskit 0.7以降) Jupiter Notebook から以下を実行（コピペで大丈夫です）。 各量子ビットの初期状態は |0⟩ なので、左の ように |0⟩ のブロッホ球が表示されるはず。 次ページからはプログラムの6行目の演算を 変更することでユニタリ演算を確認して行く。 ※ Qiskit 0.6 以前は plot_state(psi,"bloch") を使う。
82. 82. = = = = = = 82LangEdge,Inc. ビット反転演算 ゲート qc.x(q[0]) ゲートの演算は、 ブロッホ球の 軸回りに、 度（ ）回転する。 ビットは反転するが、 位相 は変わらない。 Z軸の回転が分かり にくいので手で表す 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0
83. 83. = = = = = = 83LangEdge,Inc. 位相ビット反転演算 ゲート qc.y(q[0]) ゲートの演算は、 ブロッホ球の 軸回りに、 度（ ）回転する。 ビットは反転し、 位相 も反転する。Z軸の回転が反転 0 i i 0 1 0 0 i 0 i i 0 0 1 i 0 虚数部は結果に影響しない マイナスが位相反転を示す
84. 84. = = = = = = 84LangEdge,Inc. 位相反転演算 ゲート qc.z(q[0]) ゲートの演算は、 ブロッホ球の 軸回りに、 度（ ）回転する。 ビットは反転しないが、 位相 は反転する。 Z軸の回転が反転 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 |1⟩のマイナスが位相反転を示す |0⟩の虚数部はゼロ固定
85. 85. 85LangEdge,Inc. アダマール ゲート （重ね合わせ状態の生成） アダマールによる座標変換： アダマール演算 1 1 1 1 H qc.h(q[0]) ゲートの演算は、 ブロッホ球の 平面に、 度傾いた軸回りに、 度（ ）回転する。 ※ Y軸に90度回転する訳ではない。 Hadamard －
86. 86. 86LangEdge,Inc. でブロッホ球を表示する Try Bloch! https://qease.herokuapp.com/bloch/try/ アダマールゲート H を試してみよう！
87. 87. 0 ⟩ 1 ⟩ 87LangEdge,Inc. へのアダマール ゲート適用 qc.x(q[0]) qc.h(q[0]) 1 1 1 1 1 0 1 1 0 ⟩ 1 ⟩ 1 1 1 1 0 1 1 1 H |0⟩ と H |1⟩ はどちらも |0⟩ : 50% と |1⟩ : 50% となり同じ確率分布になる。 ただし位相が逆になっている。 |0⟩ HX ビット反転
88. 88. 88LangEdge,Inc. アダマール ゲートを2回適用 qc.h(q[0]) qc.h(q[0]) － 結論：2回アダマール演算を適用すると元のベクトルに戻る。 |0⟩ HH 1回目 2回目 － （単位行列） 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0
89. 89. ex) HXHの計算 89LangEdge,Inc. 量子ゲートの組み合わせ アダマールゲートで挟むと変換が可能となる。 ：ビット反転Xゲートを挟むと位相反転Zゲートに。 ：位相反転Zゲートを挟むとビット反転Xゲートに。 ：位相ビット反転Yゲートを挟むと位相のみ反転。 － 0 1 1 0 1 0 0 1 XH － － H XH Z －
90. 90. 90LangEdge,Inc. 位相シフト / / / ゲート （あまり使わない） 位相シフト演算 1 0 0 iS 位相反転演算 1 0 0 1 Z − 位相シフト演算 1 0 0 iS† 位相シフト演算 1 0 0T − 位相シフト演算T† 1 0 0 反転なので逆位相も同じ
91. 91. |0⟩ |0⟩ |0⟩ |0⟩ 91LangEdge,Inc. 重ね合わせ状態での位相シフト qc.h(q[0]) qc.s(q[0]) qc.h(q[0]) qc.sdg(q[0]) qc.h(q[0]) qc.t(q[0]) qc.h(q[0]) qc.tdg(q[0]) S S† T T† ※ ダガー"†"が付くと逆方向の位相となる。 位相シフト演算 − 位相シフト演算 位相シフト演算 − 位相シフト演算 H H H H
92. 92. 92LangEdge,Inc. 以外の位相シフトの意味 課題： 量子演算を行う為にはブロッホ球 上の任意の場所にベクトルを移動 する必要がある。 qc.h(q[0]) # |A⟩ qc.t(q[0]) # |B⟩ qc.h(q[0]) # |C⟩ |A⟩ |B⟩ |C⟩ 解決方法： アマダール演算と位相シフト演算を 組み合わせることで任意の位置に ベクトル移動することが可能となる。 ただしπ/8のシフト演算だけだと 取れる方向はある程度限定されて しまうが現在の量子計算では十分 な精度らしい。 |0⟩ TH H 0.85355339 0.35355339j 0.14644661 0.35355339j |𝐂⟩ 𝑐0 2 0.85355339 𝑐1 2 0.14644661
93. 93. 93LangEdge,Inc. 軸回転 ゲート 実際の量子プログラミングでは、任意角度での 軸回転（シフト）ゲートが必要になる。 軸回転演算 cos 𝜃 2 𝑖 sin 𝜃 2 𝑖 sin 𝜃 2 cos 𝜃 2 Rx 軸回転演算 cos 𝜃 2 sin 𝜃 2 sin 𝜃 2 cos 𝜃 2 Ry 軸回転演算 e 0 0 e Rz
94. 94. 94LangEdge,Inc. 測定 （量子ビットを収束させて古典ビットとして取り出す） from qiskit import * # 量子計算用 from qiskit.tools.visualization import * # 結果表示用 backend = Aer.get_backend('qasm_simulator') # 量子シミュレータ指定 q = QuantumRegister(1) # 量子ビットを1つ用意 c = ClassicalRegister(1) # 古典ビットを1つ用意 qc = QuantumCircuit(q, c) # 量子回路に量子ビットと古典ビットをセット qc.h(q[0]) # 量子重ね合わせ（アダマール演算） qc.measure(q[0], c[0]) # 量子ビットq[0]を観測し古典ビットc[0]へ r = execute(qc, backend, shots=1000).result() # 回路を1000回実行する rc = r.get_counts() # 結果取得 print(rc) # 結果表示 plot_histogram(rc) # ヒストグラム表示 Jupiter Notebook から以下を実行（コピペで大丈夫です）。 Z 標準基底測定 |0⟩ H Z c 0
95. 95. 95LangEdge,Inc. 測定結果の例１： ゲート （アダマール演算） |0⟩ H Z c 0 qc.h(q[0]) qc.measure(q[0],c[0]) ‘0’ : 500, ‘1’: 500 となるはずだが…NISQシミュレータなのでノイズを考慮している。 参考：ブロッホ球表示
96. 96. 96LangEdge,Inc. 測定結果の例２： ゲートと ゲート qc.h(q[0]) qc.t(q[0]) qc.h(q[0]) qc.measure(q[0],c[0]) c 0 |0⟩ TH H Z 参考：ブロッホ球表示 ‘0’ が 85%くらい ‘1’ が 15%くらい 0.85355339 0.35355339j 0.14644661 0.35355339j |𝝍⟩ 𝑐0 2 0.85355339 2 0.35355339 2 0.85355339 85.36% 𝑐1 2 0.14644661 2 0.35355339 2 0.14644661 14.64%
97. 97. 97 1-4： IBM Q と Qiskit LangEdge,Inc. https://www.research.ibm.com/ibm-q/
98. 98. 98LangEdge,Inc. のバックエンド  'statevector_simulator' • 重ね合わせ状態のまま値を取得できるローカル量子シミュレータ。 • ノイズ無しの理論値（確率振幅）を取得できる。 • ブロッホ球（重ね合わせ状態）の表示時に使う。  'qasm_simulator' • ノイズありのローカル量子シミュレータ。 • 通常の量子計算に使う標準のシミュレータ。  'ibmq_qasm_simulator' • IBM Q の量子シミュレータ（アカウントが必要）。  'ibmq_ourense' / 'ibmqx4' / 'ibmqx2' • IBM Q の5量子ビット実機（アカウント・トークンが必要）。  'ibmq_16_melbourne' • IBM Q の16量子ビット実機（アカウント・トークンが必要）。 IBM Q Experience のクラウドサービス
99. 99. 99LangEdge,Inc. クラウド量子計算： IBM Q を使う為のクラウドサービス https://www.research.ibm.com/ibm-q/technology/experience/ サインインの為には登録（無料）が必要。 Linkedin/GitHub/Google/Twitterアカウントも利用可能 機能： 1.GUIを使って簡単な量子回路の編集が可能。  実行時に以下の選択が可能： A) 実機を使わない量子シミュレーション（Qiskitと同じ） B) 5/16量子ビットの実機を使った量子計算（バッチ実行） C) 過去に同じ量子回路の実機を使った結果の利用 2.Qiskitを使った実行（Jupiter環境） ※ 新機能
100. 100. 100LangEdge,Inc. の GUI 操作 Jupiter 操作 現在の backend の状況 API Token 取得
101. 101. 101LangEdge,Inc. 公開中 量子ビットシステム 16量子ビットの結合図 （もつれ可能の方向） 1量子ビットの エラー確率 CNOTの エラー確率 状態
102. 102. 102LangEdge,Inc. の 編集 Drag&Dropで ゲートを配置回路をQASM で表示可能 回路の保存 保存するとRun可能
103. 103. 103LangEdge,Inc. 実行 バックエンド（実行機） の選択
104. 104. 104LangEdge,Inc. 実行 完了済み 結果待ち 実行結果
105. 105. 105LangEdge,Inc. の 画面 自動的に初期設定が 実行される
106. 106. 106LangEdge,Inc. の 取得 API Token の取得 オンラインのJupiter 環境なら直接実行 できるようだ
107. 107. 107LangEdge,Inc. で 実機を使う（準備） 登録： 1回のみ from qiskit import IBMQ IBMQ.save_account('MY_API_TOKEN') 読み込み： セッション毎 from qiskit import IBMQ prov = IBMQ.load_account() [ibmq] token = MY_API_TOKEN url = https://quantumexperience.ng.bluemix.net/api verify = True .qiskit 指定： from qiskit import IBMQ backend = prov.get_backend('ibmqx4') バージョン： import qiskit qiskit.__version__ ここまでが前準備。 OKなら次ページのプログラム実行。
108. 108. 108LangEdge,Inc. で 実機を使う（実行） from qiskit import * # 量子計算用 from qiskit import IBMQ # 実機利用用 print("Start: Load accounts") prov = IBMQ.load_account() # 実機用にアカウントロード backend = prov.get_backend('ibmq_ourense') # 実機指定：IBM Q 5 qubit #backend = prov.get_backend('ibmq_qasm_simulator') # 量子シミュレータ指定 q = QuantumRegister(1) # 量子ビットを1つ用意 c = ClassicalRegister(1) # 古典ビットを1つ用意 qc = QuantumCircuit(q, c) # 量子回路に量子ビットと古典ビットをセット qc.h(q[0]) # 量子重ね合わせ（アダマール演算） qc.measure(q[0], c[0]) # 量子ビットq[0]を観測し古典ビットc[0]へ print("Run: Start") r = execute(qc, backend, shots=100).result() # 回路を100回実行する print("Run: End:") rc = r.get_counts() # 結果取得 print(rc) # 結果表示 Start: Load accounts Run: Start Run: End: {'1': 48, '0': 52} Run: Start 後に数分～10数分かかる場合があります（キュー実行の為） IBM Q 実機での実行結果！ この部分 は実機で もシミュ レータで も同じ。 ※ 実行状況は自分の Dashboard で確認できます。
109. 109. 109LangEdge,Inc. の 量子ビット機 https://www.research.ibm.com/ibm-q/technology/devices/ 20量子ビットの結合図 やはり接続に制限があるが 5量子ビットより複雑だ （現在は結合図未公開？） ※ IBM Q Network で利用可能
110. 110. 110LangEdge,Inc. 参考： （ ） IBMが公開している量子回路アセンブラ言語。 Cirq（Google）、Q#（MS）、Blueqat（MDR）等の ほぼ全ての量子プラットホームがサポートして いるので相互運用ができる。 Visual Studio Code用の拡張も公開されている。 https://marketplace.visualstudio.com/items?itemName=qiskit.qiskit-vscode include "qelib1.inc"; qreg q[1]; creg c[1]; h q[0]; measure q[0] -> c[0]; |0⟩ H Z c 0 QASM The IBM Q Experience は QASMの回路エディタにも使える
111. 111. 111 Part 2：量子ゲート型のプログラミング LangEdge,Inc. 複数の量子ビットを使った量子アルゴリズムを 使った量子ゲート型プログラミングを説明します。
112. 112. 112LangEdge,Inc. の を使う 環境： Anaconda3 （Python3） 以下より環境に合わせてダウンロードとインストール https://www.anaconda.com/distribution/ ライブラリ： Cirq （シルク） Windows版： Anaconda Prompt MacOS版：ターミナル インストール バージョン指定インストール アンインストール pip install cirq pip uninstall cirq ※ Cirqのバージョン確認： 本資料のソースは 0.5.0 と表示 される環境にて確認しています。 In: import cirq cirq.__version__ Out: '0.5.0‘ pip install cirq=0.5.0
113. 113. LangEdge,Inc. アダマール演算 （量子 ） import cirq # cirq量子計算用 Q = cirq.LineQubit(0) # 量子ビットを1つ準備 qc = cirq.Circuit.from_ops( # 量子回路生成 cirq.H(Q), # 量子重ね合わせ（アダマール演算） cirq.measure(Q, key='m') # 量子ビットQを観測しkey名'm'へ. ) print("Circuit:") print(qc) # 量子回路表示 qsim = cirq.Simulator() # 量子シミュレータ result = qsim.run(qc, repetitions=1000) # 回路を1000回実行する print("Results:") result.histogram(key='m') # key名'm'のヒストグラム表示 Jupiter Notebook から以下を実行（コピペで大丈夫です）。 Circuit: (0, 0): ───H───M('m')─── Results: Counter({0: 494, 1: 506}) 実行結果。 113
114. 114. 114 2-1： 複数量子ビット操作 LangEdge,Inc. Part1 では1量子ビット操作の話をしました。 （ここまでは大丈夫ですか？） Part2 は量子ゲート型の複数の量子ビット操作 から説明して行きます。
115. 115. LangEdge,Inc. 制御反転 （ ）ゲート |φ0⟩ |φ1⟩ |φ0⟩ |φ1′⟩ |0⟩ |0⟩ |0⟩ |0⟩ |0⟩ |1⟩ |0⟩ |1⟩ |1⟩ |0⟩ |1⟩ |1⟩ |1⟩ |1⟩ |1⟩ |0⟩ |φ0⟩ |φ0⟩ |φ1⟩ |φ1′⟩ CNOT |00⟩ = |00⟩ CNOT |01⟩ = |01⟩ CNOT |10⟩ = |11⟩ CNOT |11⟩ = |10⟩ テンソル積 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 制御反転演算 ゲートの演算は、制御 （Controlled）ビットが の時のみ 標的（Targeted）ビットが反転する。 制御ビット 標的ビット NOT（X）ゲート 制御ゲート 反 転 CXとしても良い 出力 |φ1′⟩ だけ 見ると XOR ゲートと言える 115
116. 116. LangEdge,Inc. ベル状態 （量子もつれ） ベル状態とは、 つの量子ビット間に量子もつれを生じて いる状態であり、 つを観測するともう片方の値が決まる。 量子回路としてはアダマールと を使って実現可能。 |φ0⟩ |φ0′⟩ |φ1⟩ |φ1′⟩ H ベル状態（量子もつれ）回路 入力： 0 , 1 出力： 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 2 0 1 2 0 1 0 1 0 |φ0φ1⟩ 1 2 0 1 2 0 1 2 0 0 1 2 |φ0′φ1′⟩ ※ |φ0⟩が|0⟩で観測されると|φ1′⟩も|0⟩に、|φ0⟩が|1⟩で観測されると|φ1′⟩も|1⟩となる。 0% 116
117. 117. 実行結果 array([516., 0., 0., 484.]) LangEdge,Inc. ベル状態回路の実行 import cirq Q = [cirq.LineQubit(i) for i in range(2)] qc = cirq.Circuit.from_ops( cirq.H(Q[0]), cirq.CNOT(Q[0],Q[1]), cirq.measure(Q[0], key='q0'), cirq.measure(Q[1], key='q1') ) print("Circuit:") print(qc) qsim = cirq.Simulator() result = qsim.run(qc, repetitions=1000) print("Result:") cirq.plot_state_histogram(result) Circuit: 0: ───H───@───M('q0')─── │ 1: ───-───X───M('q1')─── q0が0ならq1も0に、 q0が1ならq1も1になる。 01と10にはならない。 ベル状態（量子もつれ） を確認できる。 117
118. 118. LangEdge,Inc. 制御ユニタリ ゲート |φ0⟩ |φ0′⟩ |φ1⟩ |φ1′⟩ 例） Zゲートの CZ q0, q1 ベル演算結果： |00⟩ |10⟩ （CNOT）ゲートは標的ビット側を ゲートにしたが、 や 等の 任意ユニタリ演算も指定できる。 制御ビット 標的ビット ユニタリゲート 制御ゲート U 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 u00 u01 0 0 u10 u11 0 i i 0 1 0 0 1 Y Z ここに任意のユニタリ 演算行列を入れる Circuit: 0: ───H───@─── │ 1: ───-───@─── cirq.H(Q0) / cirq.CZ(Q0,Q1) CZゲートは上下を 入れ替えても同じ。 回路ではどちらも “@” で表現される。 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 －1 CZ 118
119. 119. LangEdge,Inc. トフォリ ゲート |φ1⟩ |φ1⟩ |φ2⟩ |φ2′⟩ 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 トフォリ演算 |φ0⟩ |φ0⟩ Circuit: 0: ───@─── │ 1: ───@─── │ 2: ───X─── cirq.CCNOT(Q0,Q1,Q2) CCNOT Toffoli 制御反転ゲートに 対しもう１つ制御 ビットを追加した ゲート。 CSWAP |000⟩ = |000⟩ CSWAP |001⟩ = |001⟩ CSWAP |010⟩ = |010⟩ CSWAP |011⟩ = |011⟩ 反 転 CSWAP |100⟩ = |100⟩ CSWAP |101⟩ = |101⟩ CSWAP |110⟩ = |111⟩ CSWAP |111⟩ = |110⟩ ※ トフォリゲートはAND/OR/NOT等が実現可能な万能ゲートである。 119
120. 120. LangEdge,Inc. 交換 ゲート |φ0⟩ |φ1⟩ |φ1⟩ |φ0⟩ Circuit: 0: ───×─── │ 1: ───×─── cirq.SWAP(Q0,Q1) ゲートを つ 交互に重ねると 量子ビットの値を 交換できる。 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 交換演算 SWAP |00⟩ = |00⟩ SWAP |01⟩ = |10⟩ SWAP |10⟩ = |01⟩ SWAP |11⟩ = |11⟩ 反 転 SWAP Xでは無い 120 計算過程： |φ0⟩ |φ1⟩ → (CNOT01)→ |φ0⟩ |φ1 ⊕ φ0⟩ (CNOT10)→ |φ0 ⊕ φ1 ⊕ φ0 ⟩ |φ1 ⊕ φ0⟩ = |φ1⟩ |φ1 ⊕ φ0⟩ → (CNOT01)→ |φ1⟩ | φ1 ⊕ φ0 ⊕ φ1⟩ = |φ1⟩ |φ0⟩ ⊕ は XOR
121. 121. LangEdge,Inc. 制御交換 ゲート Circuit: 0: ───＠─── │ 1: ───×─── │ 2: ───×─── cirq.CSWAP(Q0,Q1,Q2)|φ0⟩ |φ0′⟩ |φ1⟩ |φ1′⟩ |φ2⟩ |φ2′⟩ SWAP 交換ゲートに対し 制御ビットを追加 した ゲート。 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 制御交換演算 CSWAP |000⟩ = |000⟩ CSWAP |001⟩ = |001⟩ CSWAP |010⟩ = |010⟩ CSWAP |011⟩ = |011⟩ 反 転 CSWAP |100⟩ = |100⟩ CSWAP |101⟩ = |110⟩ CSWAP |110⟩ = |101⟩ CSWAP |111⟩ = |111⟩ 121
122. 122. 122 2-2： 量子アルゴリズムの基本 LangEdge,Inc. 複数の量子ビットを使った演算も行えるように なりました。これをどう使えば量子計算ができる のかを疑問に思われているでしょう。 まず量子アルゴリズムの基本となる、位相に 関係する仕組みを勉強します。
123. 123. LangEdge,Inc. プラスケット と マイナスケット は、 をアダマール変換した重ね合わせ状態。 を再度アダマール変換すると に戻る。 0 ⟩ 1 ⟩1 1 0 ⟩ 1 ⟩1 1 は、 をアダマール変換した重ね合わせ状態。 を再度アダマール変換すると に戻る。 と は逆位相の関係。 123
124. 124. LangEdge,Inc. アダマール変換と位相 プラスケット と マイナスケット も考慮すると、 アダマール変換では、入力ケット（下の例では ）が、 位相に影響すると言う見方もできる。 （ ） アダマール変換は、 重ね合わせ状態の生成と同時に、 振幅（入力ベクトル）を位相に変換する。 124
125. 125. LangEdge,Inc. 制御反転 ゲートと位相の反転 答え：実行すると 0 1 になる。 あれ？なぜ制御ビットの値が変化しているの？ CNOTゲートの制御（Controlled）ビットは 同じ値が出力される…はず？ ではアダマールで重ね合わせした値 を入力するとどうなる？ |0⟩ |φ0⟩ |1⟩ |φ1⟩ H H H H 同じ|0⟩になるはず？ |0⟩ ⊗ |1⟩ →（H⊗H）→ | ⟩ ⊗ | ⟩ （|0⟩ |1⟩）⊗ | ⟩ →（CNOT）→ （（ 1）NOT 0 |0⟩ （ 1）NOT 1 |1⟩）⊗ | ⟩ = （ |0⟩ |1⟩）⊗ | ⟩ = （|0⟩ |1⟩）⊗ | ⟩ | ⟩ ⊗ | ⟩ →（H⊗H）→ |1⟩ ⊗ |1⟩ 制御ビットの値は変化しない が位相が反転する。 125
126. 126. LangEdge,Inc. アダマールと の確認 Q = [cirq.LineQubit(i) for i in range(2)] # 2量子ビットを用意 qc = cirq.Circuit.from_ops( cirq.X(Q[1]), # Q1を反転して |1⟩ にする cirq.H.on_each(*Q), # Q0/Q1にアダマール変換 cirq.CNOT(Q[0],Q[1]), # CNOT適用 cirq.H.on_each(*Q), # Q0/Q1にアダマール変換 cirq.measure(Q[0], key='q0'), # Q0を観測 cirq.measure(Q[1], key='q1') # Q1を観測 ) Jupiter Notebook から以下回路を実行。 Circuit: 0: ──-──H──@──H──M('q0')── │ 1: ──X──H──X──H──M('q1')── Results: array([ 0., 0., 0., 1000.]) 実行結果。 結果は前頁と同じ |11⟩ となっている。 126
127. 127. LangEdge,Inc. 位相キックバック （ ） 前頁の （ ）では位相が制御ビットに影響したが これは一般的な制御ユニタリ ゲートにも適用可能。 ゲートの動作を関数 とすると、 関数を制御ビットの位相に反映する。 これを位相キックバックと呼ぶ。 |x⟩ 1 𝑓 x |x⟩ |1⟩ |1⟩ 𝑓 H H 位相キックバック 127
128. 128. LangEdge,Inc. オラクル（ ：神託）ボックス 関数 を計算するオラクル（神託）ボックス 𝑓 を想定。 |x⟩ |x⟩ |y⟩ |y⊕𝑓 x ⟩ オラクル 𝑓 ⊕ は XOR 制御ビット 入力ビット オラクルボックス 𝑓 はユニタリ演算のブラックボックス。 入力は複数ビットに拡張できる。 |x⟩ |x⟩ |y⟩ |y⊕𝑓 x ⟩ オラクル 𝑓 x CNOT |x⊗n⟩ |x⊗n⟩ |y⟩ |y⊕𝑓 x⊗n ⟩ オラクル 𝑓 128
129. 129. 129 2-3： ドイチェ アルゴリズム LangEdge,Inc. 位相キックバックとオラクルボックスが分かった ところで、オラクルボックスを使う基本として、 ドイチェアルゴリズムを見ます。
130. 130. LangEdge,Inc. ドイチェ（ ）問題 ドイチェ問題は ビット関数 の性質（種類）を判定。 性質A：一定（constant）：出力は常に一定の値となる。 𝑓 0 0 かつ 𝑓 1 0 、または 𝑓 0 1 かつ 𝑓 1 1 性質B：均等（balanced）：0 と 1 が均等（50%）の確率で出力される。 𝑓 0 0 かつ 𝑓 1 1 、または 𝑓 0 1 かつ 𝑓 1 0 古典アルゴリズムでは 𝑓 0 と 𝑓 1 の両方結果を取得しないと、 どちらの性質（種類）か判定ができない。古典アルゴリズムでは 𝑓 0 0 だったとしても 𝑓 1 の結果を見る必要がある。 つまり問い合わせが と の必ず 回必要となる。 性質A：一定（constant） 性質B：均等（balanced） 𝑓 0 0 1 0 1 𝑓 1 0 1 1 0 130
131. 131. LangEdge,Inc. ドイチェ問題の量子計算 入力を と とする。 測定ユニタリの入出力にアダマール を適用。 上位ビット出力は と の となる。 |0⟩ |𝑓 0 ⊕𝑓 1 ⟩ |1⟩ |1⟩ 𝑓 H H H H 上位ビット出力 を確認して判定。 一定（ ） ： 均等（ ） ： 位相キックバックを使った 位相の結果をアダマール で値に変換している。 グローバル位相は無視できる。 重ね合わせ状態を作る。 131
132. 132. LangEdge,Inc. ドイチェ問題を計算する為の定義 性質A：一定（constant） 性質B：均等（balanced） 𝑓00 x 𝑓11 x 𝑓01 x 𝑓10 x 𝑓 0 0 1 0 1 𝑓 1 0 1 1 0 変換 𝑓 ゲート cirq def oracle_f00(x, y_fx) return yield def oracle_f11(x, y_fx) yield X(y_fx) def oracle_f01(x, y_fx) yield CNOT(x, y_fx) def oracle_f10(x, y_fx) yield X(y_fx) yield CNOT(x, y_fx) 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 U 𝑓01 U 𝑓10U 𝑓11U 𝑓00 |x⟩ |y⟩ |y⊕𝑓 x ⟩ |x⟩ 何もしない 132
133. 133. LangEdge,Inc. ドイチェ問題の計算 from cirq import * # ユニタリ定義 def oracle_f00(x, y_fx): return yield def oracle_f01(x, y_fx): yield CNOT(x, y_fx) def oracle_f10(x, y_fx): yield X(y_fx) yield CNOT(x, y_fx) def oracle_f11(x, y_fx): yield X(y_fx) Jupiter Notebook から以下回路を実行（左右は連続）。 qc.append(oracle_f00(Q[0], Q[1])) ⇒（実行結果）⇒ c=0 （constant） qc.append(oracle_f01(Q[0], Q[1])) ⇒（実行結果）⇒ c=1 （balanced） qc.append(oracle_f10(Q[0], Q[1])) ⇒（実行結果）⇒ c=1 （balanced） qc.append(oracle_f11(Q[0], Q[1])) ⇒（実行結果）⇒ c=0 （constant） 実行結果。 Q = [LineQubit(i) for i in range(2)] qc = Circuit() qc.append(X(Q[1])) qc.append(H.on_each(*Q)) qc.append(oracle_f00(Q[0], Q[1])) # qc.append(oracle_f01(Q[0], Q[1])) # qc.append(oracle_f10(Q[0], Q[1])) # qc.append(oracle_f11(Q[0], Q[1])) qc.append(H.on_each(*Q)) qc.append(measure(Q[0], key='c')) r = Simulator().run(qc) print(r) 133
134. 134. LangEdge,Inc. ドイチェ・ジョサ（ ）問題 ドイチェ問題の入力を複数量子ビットにした問題。 ビット以上だと一定・均等以外のケースもある。 例：2ビットの時に 0010 のように一定でも均等でも無いケースがあり得る。 この為に一定・均等いずれかであることを前提。 |0 ⊗ n⟩ |1⟩ |1⟩ 𝑓 H H H ⊗ n H ⊗ n M ⊗ n 観測 複数ビットに対しても適用可能とすることで、 ビット数が増えても演算は 回で済む。 134
135. 135. LangEdge,Inc. ビットのドイチェ・ジョサ問題 一定（constant） 均等（balanced） 𝑓C0 𝑓C1 𝑓B0 𝑓B1 𝑓B2 𝑓B3 𝑓B4 𝑓B5 𝑓 00 0 1 0 0 0 1 1 1 𝑓 01 0 1 0 1 1 1 0 0 𝑓 10 0 1 1 0 1 0 1 0 𝑓 11 0 1 1 1 0 0 0 1 C0 C1 B0 B1 B2 B3 B4 B5 ビットまでは ゲートで構成可能。 ビット以上では （トフォリ） ゲートが必要。 135
136. 136. LangEdge,Inc. その他の量子アルゴリズム問題 ベルンシュタイン・ヴァジラニ（Bernstein-Vazirani）問題 nビットの変数xと定数aの内積を解とする関数𝑓 x がある時に定数aを求める。 𝑓 x x・a x0・a0 ⊕ x1・a1 ⊕…⊕ xn・an サイモン（Simon）問題 nビット変数xと関数𝑓 x がある時に、𝑓 x 𝑓 x⊕s となる秘密鍵sを得る問題。 ただしs 0とする。古典では2n回かかるが量子ではn回で済む。 |0 ⊗ n⟩ |1⟩ |1⟩ 𝑓 H H H ⊗ n H ⊗ n |an ⊗ n⟩ |xn ⊗ n⟩ |0 ⊗ n⟩ |𝑓 x ⟩ 𝑓 H ⊗ n H ⊗ n |s⟩ 秘密鍵 136
137. 137. LangEdge,Inc. ドイチェ系 量子アルゴリズム アダマールゲートによる重ね合わせを作る。  複数の入力状態を同時に実現する。  振幅（値）を位相に変換する。 ブラックボックスにて位相キックバックを使う。  内容が分からないユニタリ変換関数の性質を得る問題用。  関数を使ったオラクルボックスを設定する。  関数の内容を位相にキックバックさせる。 アダマールゲートにより位相を振幅に戻す。  位相を振幅（値）に変換する。 ※ 量子アルゴリズムを使うことで、対象となるビット数 が増えても 回の問合せで済む。これらの問題では 確率的な解にはならず決定的な解となる。 137
138. 138. 138 2-4： グローバー検索（量子検索） LangEdge,Inc. 検索を高速化する重要な量子アルゴリズムが、 グローバー検索です。
139. 139. LangEdge,Inc. グローバー（ ）検索問題 個の未ソート（ランダム）状態のデータがある時、 解となる特定の値 を検索する問題である。 未ソート データ 古典的な計算では 回の検索が必要となるが、 グローバー（量子）検索では 回の検索で済む。 ※ 量子検索でも 回では検索できないが充分早い。 検索と言っているが、関数 がある時に、 特定の解 を与える が存在するかどうかを、 判断する逆関数の導出問題である。 139 1011 0001 0101 1001 0010 1100 0111 1101 0100 1110 マークされた値を探す
140. 140. LangEdge,Inc. 振幅増幅手法 欲しい解の確率振幅をマイナスにマーキングして、全確率振幅 の平均値で逆転させる計算手法で、グローバー検索で利用。 問題： （ ） がある時に、 この中から を探す（2量子ビットにおける検索例）。 手順1：解 |10⟩ の確率振幅（位相）をマイナスにマーキングする。 |φ⟩marked （|00⟩ |01⟩－|10⟩ |11⟩） 手順2：全確率振幅の平均値を求める。 𝑎 / 4 手順3：全確率振幅の平均値の周りで反転させる。 |φ⟩′marked |00⟩ |01⟩ |10⟩ |11⟩ |10⟩ 140 平均値の周りで逆転する為に、 平均値から確率振幅を引いた後で平均値を足す 求める |10⟩ が 見つかった
141. 141. LangEdge,Inc. 振幅増幅のイメージ 141 1 2 3 4 5 … N 1.0 1 𝑁 1 𝑁 確率振幅 qbit 1.0 1 𝑁 1 𝑁 1.0 1 𝑁 1 𝑁 1 2 3 4 5 … N 1 2 3 4 5 … N 3 𝑁 量子ビットある時の各量子ビットの確率振幅は となる。 振幅増幅を繰り返すことでマーキングされた量子ビットの値 のみ増幅され、他の量子ビットは減衰されて行き、ある回数 を繰り返した時にマーキングされた量子ビットの振幅確率が となるが、更に繰り返すと減衰される（後述）。 マーキング
142. 142. LangEdge,Inc. のマーキング実行 142 from cirq import * import numpy as np # 結果表示にnumpyを使う Q = [LineQubit(i) for i in range(2)] qc = Circuit() qc.append(H.on_each(*Q)) # 均等な重ね合わせ状態を作る qc.append(S(Q[0])) qc.append(CZ(*Q)) qc.append(S(Q[0])) print("Circuit:") print(qc) r = Simulator().simulate(qc) # 位相を見る print(np.around(r.final_state, 3)) # 丸めて結果表示 Circuit: 0: ───H───S───@───S─── │ 1: ───H───-───@─────── [ 0.5+0.j 0.5+0.j -0.5+0.j 0.5-0.j]
143. 143. LangEdge,Inc. 量子ビット確率分布（位相）マーキング 143 対象 回路 回路ソース 実行結果 |00⟩ Q0: ─H─S─@─S─ │ Q1: ─H─S─@─S─ H.on_each(*Q) S.on_each(*Q) CZ(*Q) S.on_each(*Q) [ 0.5+0.j -0.5+0.j -0.5+0.j -0.5+0.j] |01⟩ Q0: ─H─-─@─-─ │ Q1: ─H─S─@─S─ H.on_each(*Q) S(Q[1]) CZ(*Q) S(Q[1]) [ 0.5+0.j -0.5+0.j 0.5+0.j 0.5-0.j] |10⟩ Q0: ─H─S─@─S─ │ Q1: ─H─-─@─-─ H.on_each(*Q) S(Q[0]) CZ(*Q) S(Q[0]) [ 0.5+0.j 0.5+0.j -0.5+0.j 0.5-0.j] |11⟩ Q0: ─H─-─@─-─ │ Q1: ─H─-─@─-─ H.on_each(*Q) CZ(*Q) [ 0.5+0.j 0.5+0.j 0.5+0.j -0.5+0.j]
144. 144. LangEdge,Inc. 平均値の周りで反転 （拡散変換） 144 0: ─H─X─@─X─H─ │ 1: ─H─X─@─X─H─ 平均値の周りで反転させる（拡散変換）回路 q0 q1 マーキング 回路 （オラクル）H H M('q0') M('q1') 拡散変換 回路 グローバー検索の回路 均等な重ね 合わせ状態 観測 量子ビット数が増えた 場合は繰り返し実行
145. 145. from cirq import * Q = [LineQubit(i) for i in range(2)] qc = Circuit() # 均等な重ね合わせ状態を作る qc.append(H.on_each(*Q)) # マーキング |10> qc.append(S(Q[0])) qc.append(CZ(*Q)) qc.append(S(Q[0])) # 平均値の周りで反転 （拡散変換） qc.append(H.on_each(*Q)) qc.append(X.on_each(*Q)) qc.append(CZ(*Q)) qc.append(X.on_each(*Q)) qc.append(H.on_each(*Q)) # 観測（結果） qc.append(measure(Q[0], key='q0')) qc.append(measure(Q[1], key='q1')) # 実行と結果表示 r = Simulator().run(qc, repetitions=1000) plot_state_histogram(r) 実行結果 array([ 0., 0., 1000., 0.]) LangEdge,Inc. 量子ビットのグローバー検索の実行 145 解として|10⟩ が出力された
146. 146. LangEdge,Inc. 繰り返し数の最適回数 今回は2量子ビットの問題を解いたので1回の拡散変換で結果が 出たが、量子ビット数が増えると繰り返して拡散変換を実行する 必要がある。なお最適回数をオーバーすると結果が悪くなる。 繰り返し数の最適回数 は以下の式となる。 最適回数 146 N 計算結果 K 22=4 1.070796327… 1 23=8 1.721441469… 2 24=16 2.641592654… 3 25=32 3.942882938… 4 26=64 5.783185307… 6 N 計算結果 K 28=256 12.06637061… 12 210=1024 24.63274123… 25 212=4096 49.76548246… 50 214=16384 100.0309649… 100 216=65536 200.5619298… 201
147. 147. LangEdge,Inc. グローバー検索の応用例 147 充足可能性（ ：SATisfiability）問題 一つの命題論理式が与えられたとき、それに含まれる変数の値を偽 False あるいは真 True にうまく定めることによって全体の値を‘真’にできるか、と いう問題である。オラクルUを解きたいSATに合わせてセットすることで解ける。 例題： の時 解： にすると全体が になる。 素数探索問題 |i⟩がある時に i が素数かどうかを判定するオラクルをグローバーのアルゴリズ ムを使って用意し、量子フーリエ変換と組み合わせて素数の探索を行う。 Jose I. Latorre, German Sierra Quantum Computation of Prime Number Functions, arXiv:1302.6245 [quant-ph] (2013) https://arxiv.org/abs/1302.6245 ※ グローバーのアルゴリズムを使った論文は多く、応用性の高いアルゴリズムです。
148. 148. 148 2-5： 量子フーリエ変換 LangEdge,Inc. アナログ計算であるフーリエ変換は量子計算と 相性が良いアルゴリズムです。また可逆性より フーリエ変換が可能なら逆フーリエ変換の量子 回路も可能となります。
149. 149. 入力：複雑な波形 sin波の組み合わせに分解 振幅と角周波数に変換 LangEdge,Inc. フーリエ変換 （波形を振幅と角周波数に分解） 149 0 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 8 5*sin(2t) 4*sin(5t) 3*sin(7t) 振幅：5 角周波数：2 振幅：4 角周波数：5 振幅：3 角周波数：7 時間tの関数 𝑓 t 角周波数ωの関数 F(ω)
150. 150. LangEdge,Inc. アダマールは 量子ビット フーリエ変換 ※ アダマール変換は2回適用すると元に戻るが位相が逆の逆フーリエ変換でもある。 アダマール変換を量子フーリエ変換的に解く。 |0⟩ 1 |1⟩ |0⟩ 1 |1⟩ （2n）数の量子フーリエ変換（ N）に拡張する。 N 150 𝑥 0 : |0⟩ |1⟩ 𝑥 1 : |0⟩ |1⟩ ωの例：アダマールH（N=2）の時 ω = ※ 組み合わせ数（N=2nビット）が増えると角度（位相）は半分ずつ減って行く。 ω exp
151. 151. LangEdge,Inc. 制御位相回転ゲート 量子フーリエ変換は位相 計算が必要。 制御付きの位相回転ゲート の n として、 1 2 0.5 3 0.25 n 1/2n-1 となる。 では 2 0.5 とする。 151 1 0 0 0 . 0 1 0 0 . 0 0 1 0 . 0 0 0 1 1/2n-1 1/2n-1 Rn Rn =
152. 152. QFT4 SWAP 2量子ビット（N=4） LangEdge,Inc. 量子ビットの量子フーリエ変換 N 152 QFT4 2量子ビット（N=4） R2 H H |φ0⟩ |φ1′⟩ |φ1⟩ |φ0′⟩ R2 H H |φ0⟩ |φ0′⟩ |φ1⟩ |φ1′⟩ SWAP 上位ビットと下位ビットが 入れ替わる SWAPで元に戻す QFT16 4量子ビット（N=16） R2 H H |φ0⟩ |φ3′⟩ |φ1⟩ |φ2′⟩ R3 |φ2⟩ |φ1′⟩R2 H R4 |φ3⟩ |φ0′⟩R3 R2 H
153. 153. LangEdge,Inc. 量子ビットの量子フーリエ変換 計算 153 入力が振幅（入力ベクトル）なら位相に変換して出力 4 （ ） 入力が位相なら振幅（入力ベクトル）に変換して出力 4 ※ |00⟩ を使った場合は、2量子ビットのアダマール変換と同じ。 量子干渉効果で打ち消し
154. 154. from cirq import * Q = [LineQubit(i) for i in range(2)] qc = Circuit() # 量子フーリエ変換 qc.append(H(Q[0])) qc.append(CZ(*Q)**0.5) qc.append(H(Q[1])) # 上位と下位のビット入れ替え qc.append(SWAP(Q[0],Q[1])) # 観測（結果取得） qc.append(measure(Q[0], key='q0')) qc.append(measure(Q[1], key='q1')) print("Circuit:") print(qc) # 実行と結果表示 r = Simulator().run(qc, repetitions=1000) plot_state_histogram(r) 実行結果 array([264., 237., 250., 249.]) LangEdge,Inc. 量子ビットの量子フーリエ変換 実行 154 Circuit: 0: ─H─@───-─×─M('q0')─ │ │ 1: ─-─@^0.5─H─×─M('q1')─ 振幅（値）を 位相に変換
155. 155. from cirq import * Q = [LineQubit(i) for i in range(2)] qc = Circuit() # 重ね合わせ状態を入力 qc.append(H.on_each(*Q)) # 量子フーリエ変換 qc.append(H(Q[0])) qc.append(CZ(*Q)**0.5) qc.append(H(Q[1])) # 上位と下位のビット入れ替え qc.append(SWAP(Q[0],Q[1])) # 観測（結果取得） qc.append(measure(Q[0], key='q0')) qc.append(measure(Q[1], key='q1')) # 実行と結果表示 r = Simulator().run(qc, repetitions=1000) plot_state_histogram(r) 実行結果 array([1000., 0., 0., 0.]) LangEdge,Inc. 量子ビットの量子フーリエ変換 実行 155 位相を振幅 （値）に変換 量子干渉効果により重ね合わせ状態が 打ち消されている。よく利用される変換。
156. 156. LangEdge,Inc. 量子ビットの逆量子フーリエ変換 N 1 156 QFT4 1 2量子ビット（N=4） R2 † H H |φ0⟩ |φ1′⟩ |φ1⟩ |φ0′⟩ 上位ビットと下位ビットが 入れ替わる QFT16 1 4量子ビット（N=16） R2 † H H |φ0⟩ |φ3′⟩ |φ1⟩ |φ2′⟩ R3 †|φ2⟩ |φ1′⟩R2 † H R4 †|φ3⟩ |φ0′⟩R3 † R2 † H 逆量子フーリエ変換は 位相の向きを逆にする。 n を n † に変更する。 ※ アダマールは反転だった。
157. 157. LangEdge,Inc. 量子フーリエ変換・逆量子フーリエ変換 157 from cirq import * # 量子フーリエ変換 定義（inv=-1なら逆変換） def qft(Q,n,inv): for i in range(n): for j in range(i): yield CZ(Q[i],Q[j])**(inv*1/2**(i-j)) yield H(Q[i]) # 前準備 n = 3 # 3量子ビット(qbit) Q = [LineQubit(i) for i in range(n)] qc = Circuit() # 入力として最後の量子ビットを反転して |001> に qc.append(X(Q[2])) # 量子フーリエ変換 inv = 1 qc.append(qft(Q,n,1)) qc.append(SWAP(Q[0],Q[2])) # Q[1]は入れ替え不要 # 逆量子フーリエ変換 inv = -1 qc.append(qft(Q,n,-1)) qc.append(SWAP(Q[0],Q[2])) # Q[1]は入れ替え不要 # 観測（結果取得） qc.append(measure(Q[0], key='q0')) qc.append(measure(Q[1], key='q1')) qc.append(measure(Q[2], key='q2')) # 実行と結果表示 r = Simulator().run(qc, repetitions=1000) plot_state_histogram(r) print(r) 実行結果 初期値の |001⟩ に 戻っている
158. 158. 158 2-6： ショアのアルゴリズム LangEdge,Inc. 素因数分解を行うショアのアルゴリズムにより 公開鍵暗号が破れると言う注目をされました。 実際には必要なスケールを持つ量子ハードを 実現できないのですが正しく恐れる為に、 アルゴリズムを学びましょう。
159. 159. LangEdge,Inc. 素因数分解問題 ある正の整数を、素数の積の形で表わすこと。 ここでは正の整数の入力から、 つの素因数の 積に分解する（2つの異なる素因数を得る）問題と考える。 ※ 素因数：整数の因数である約数のうち素数であるもの。 例 ： × （入力： 、出力： と ） 例 ： × （入力： 、出力： と ） 例 ： × （入力： 、出力： と ） 古典計算にて安直に解くには順番に素数を掛けて試して行く。 例2なら、 221÷2、 221÷3、 221÷5、 …、221÷13 17（正解!） と することで解けるが元の整数が大きくなると指数的に困難になる。 ※ RSA暗号は素因数分解が困難であることを前提とした暗号方式である。 159
160. 160. LangEdge,Inc. ショア（ ）のアルゴリズム 年に のピーター・ショアが発表した、 素因数分解アルゴリズム。（25年前なので結構古い） 全てを量子計算する訳では無く、位数発見部を 量子計算する（他は古典計算する）ことで、多項式時間 （n個の計算を c 回で計算、c は定数）で計算可能とする。 ※ 古典解法では指数時間（n個の計算を n 回で計算）が必要だった。 量子と古典の両方の計算を使う、ハイブリッド計算 が必要になるので による計算は適している。 ※ 素因数分解は可能だがビット数が増えると必要な量子ビット数 が増える。この為、実用にはハードウェアの進歩が必要。 160
161. 161. LangEdge,Inc. ショアのアルゴリズムの手順 ショアの計算では以下の3ステップが必要。 ：前処理 （古典計算） • 入力された整数 から任意の数 を選択。 • と は互いに素である必要がある。 ：周期発見 （量子計算） • 数 を使って量子的に位数発見問題を解く。 • 位相の数から位数 （周期 ）を得る。 ：後処理 （古典計算） • 位数 をチェックして正しくなければ へ、 位数 を使い つの素因数を計算して終了。 161
162. 162. LangEdge,Inc. 参考： フェルマー（ ）テスト 互いに素： つの整数の最大公約数が である。 つの整数 の最大公約数 が となる。 フェルマーの小定理： が素数の時に互いに素な整数 に以下が成り立つ。 p p 1 フェルマーテスト（素数判定）： と が互いに素の時。 フェルマーの小定理の対偶を使うと以下が言える。 p 1 なら は素数ではない。 162
163. 163. LangEdge,Inc. ：前処理 （古典計算） 入力値 から より小さく互いに素な因数 を選択する。 と互いに素な素因数 の見つけ方： 1. Nより小さい整数aを選ぶ。 2. Nとaの最大公約数 gcd N,a が1ならaは素因数（※）。 3. 最大公約数が1以外なら別の整数aを選びやり直す。 ※「ユークリッドの互除法」 により最大公約数が1なら「互いに素」となる。 例：入力値 が与えられた場合 解：互いに素な値 は、 となる。 163 import math # gcdを使う為にmathを利用 N = 15 # 入力値N for i in range(2,N): # 1は除くので2からNまで r = math.gcd(N,i) # 最大公約数の計算 if r == 1: # rが1なら互いに素 print(i) # 互いに素な値a表示 2 4 7 8 11 13 14 実行 古典計算
164. 164. LangEdge,Inc. ：周期（位数）発見 （量子計算） 入力値 と で計算した値 から位数を計算。 適切なユニタリ回路を組み、位数発見問題を解く。 ※ 量子フーリエ変換は全ビットをアダマール変換すれば良く、逆量子フーリエ変換は既出である。 例：入力値 の場合に、 と を試してみる。 解：次ページ以降に記載の量子回路を実行する。 の場合の位数 を得る の場合の位数 を得る 164 |0…0⟩ |0…0⟩ ユニタリ 𝑓 𝑓 x ax mod N QFTn −1H (QFTn ) |x⟩ |𝑓 x ⟩ n n 現れる固有値の数で位数 r を得る。量子モデュロ計算回路
165. 165. LangEdge,Inc. 簡易： 位数発見問題のユニタリ回路 関数 y 𝑓 x ax mod N x 0,1,2,… のユニタリ回路が必要。 まともにやるのは大変なので真理値表から作って試験する。 165 𝑓 x 3x mod 8 |x0⟩ |x0⟩ |x1⟩ |x1⟩ |0⟩ |y0⟩ |1⟩ |y1⟩ x0 x 𝟏 0 0 0 1 1 0 1 1 y0 y 𝟏 0 1 1 1 0 1 1 1 𝑓 x 2x mod 3 |x0⟩ |x0⟩ |x1⟩ |x1⟩ |0⟩ |y0⟩ |1⟩ |y1⟩ x0 x 𝟏 0 0 0 1 1 0 1 1 y0 y 𝟏 0 1 1 0 0 1 1 0 𝑓 x 4x mod 15 |x0⟩ |x0⟩ |x1⟩ |x1⟩ |0⟩ |y0⟩ |0⟩ |y1⟩ x0 x 𝟏 0 0 0 1 1 0 1 1 y0 y 𝟏 y 𝟐 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 |1⟩ |y2⟩ 簡易方法では位数rを発見 する回路の為に全ケースを 先に計算（位数rは明確）を しているので実用的では 無いが最小量子ビット数で 回路を実現できるので学習 用として利用されている。 第1 レジスタ 第2 レジスタ
166. 166. LangEdge,Inc. 周期発見 の実行 166 from cirq import * # 量子フーリエ変換 定義（inv=-1なら逆変換） def qft(Q,n,inv): for i in range(n): for j in range(i): yield CZ(Q[i],Q[j])**(inv*1/2**(i-j)) yield H(Q[i]) # 前準備 n = 3 # yは3qbit（入力N=15なので充分） Qx = [GridQubit(0,i) for i in range(n-1)] # xは2qbit Qy = [GridQubit(1,i) for i in range(n)] qc = Circuit() # 計算用Qxを重ね合わせ状態にする qc.append(H.on_each(*Qx)) # オラクル計算 qc.append(X(Qy[n-1])) qc.append(CNOT(Qx[1], Qy[0])) qc.append(CNOT(Qx[1], Qy[2])) # Qxを逆量子フーリエ変換 inv = -1 qc.append(qft(Qx,n-1,-1)) qc.append(SWAP(Qx[0],Qx[1])) # Qxの観測（結果取得） qc.append(measure(Qx[0], key='q0')) qc.append(measure(Qx[1], key='q1')) # 実行と結果表示 r = Simulator().run(qc, repetitions=1000) plot_state_histogram(r) 実行結果 array([506., 0., 494., 0.]) 値が出るのは、 00, 10 の2通りなので r=2
167. 167. LangEdge,Inc. 簡易： 位数発見問題のユニタリ回路 x だとこんなに複雑に 167 𝑓 x 7x mod 15 |x1⟩ |x1⟩ |x2⟩ |x2⟩ |0⟩ |y0⟩ |0⟩ |y1⟩ x0 x 𝟏 x 𝟏 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 y0 y 𝟏 y 𝟐 y 𝟑 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 |0⟩ |y2⟩ |1⟩ |y3⟩ |x0⟩ |x0⟩ この程度でも汎用的な位数発見回路が必要と思える。 しかしまともにやると必要となる量子ビット数が増える…
168. 168. LangEdge,Inc. 周期発見 の実行 168 from cirq import * # 量子フーリエ変換 定義（inv=-1なら逆変換） def qft(Q,n,inv): for i in range(n): for j in range(i): yield CZ(Q[i],Q[j])**(inv*1/2**(i-j)) yield H(Q[i]) # 前準備 n = 4 # yは4qbit（入力N=15なので充分） Qx = [GridQubit(0,i) for i in range(n-1)] # xは3qbit Qy = [GridQubit(1,i) for i in range(n)] qc = Circuit() # 計算用Qxを重ね合わせ状態にする qc.append(H.on_each(*Qx)) # オラクル計算 qc.append(X(Qy[n-1])) qc.append(CNOT(Qx[2], Qy[1])) qc.append(CNOT(Qx[2], Qy[2])) qc.append(CNOT(Qx[1], Qy[1])) qc.append(CNOT(Qx[1], Qy[3])) qc.append(CCX(Qx[1], Qx[2], Qy[0])) qc.append(CCX(Qx[1], Qx[2], Qy[1])) qc.append(CCX(Qx[1], Qx[2], Qy[2])) qc.append(CCX(Qx[1], Qx[2], Qy[3])) # Qxを逆量子フーリエ変換 inv = -1 qc.append(qft(Qx,n-1,-1)) qc.append(SWAP(Qx[0],Qx[2])) # Qxの観測（結果取得） qc.append(measure(Qx[0], key='q0')) qc.append(measure(Qx[1], key='q1')) qc.append(measure(Qx[2], key='q2')) # 実行と結果表示 r = Simulator().run(qc, repetitions=1000) plot_state_histogram(r) 実行結果 array([261., 0., 243., 0., 232., 0., 264., 0.]) 値が出るのは、 000, 010, 100, 110 の4通りなので r=4
169. 169. LangEdge,Inc. ：後処理 （古典計算） Step2で計算された位数 r を使って以下をチェック。 位数 が奇数ならば、 から別の でやり直し。 位数 が偶数かつ、 r/2± と が互いに素であれば、 から別の でやり直し。 周期 が偶数で、 r/2± と が互いに素で無ければ、 以下の計算により つの素因数が得られる。 素因数 r/2 素因数 r/2 例： （ ） の時、 素因数 2 素因数 2 解： の素因数は と である （5×3 15 なので正しい）。 169
170. 170. LangEdge,Inc. 補足： 素因数を得る為の計算 から、 となる。 これより が導かれる。 で位数 が偶数なら、 － となり、 最大公約数 ± により、 因数が高い確率（ ％以上）で計算できる。 ※ と r/2± が互いに素の場合は計算に失敗する。 170
171. 171. LangEdge,Inc. の周期表 171 a ^1 ^2 ^3 ^4 ^5 ^6 ^7 ^8 ^9 ^10 ^11 ^12 r chk 2 2 4 8 1 2 4 8 1 2 4 8 1 4 OK 4 4 1 4 1 4 1 4 1 4 1 4 1 2 OK 7 7 4 13 1 7 4 13 1 7 4 13 1 4 OK 8 8 4 2 1 8 4 2 1 8 4 2 1 4 OK 11 11 1 11 1 11 1 11 1 11 1 11 1 2 NG 13 13 4 7 1 13 4 7 1 13 4 7 1 4 OK 14 14 1 14 1 14 1 14 1 14 1 14 1 2 NG 関数 𝑓 x ax mod 15 の計算結果： a 2, r 4 ： P1 gcd 22 1, 15 gcd 5, 15 5 / P2 gcd 22 1, 15 gcd 3, 15 3 a 4, r 2 ： P1 gcd 41 1, 15 gcd 5, 15 5 / P2 gcd 41 1, 15 gcd 3, 15 3 a 7, r 4 ： P1 gcd 72 1, 15 gcd 50, 15 5 / P2 gcd 72 1, 15 gcd 48, 15 3 a 8, r 4 ： P1 gcd 82 1, 15 gcd 65, 15 5 / P2 gcd 82 1, 15 gcd 63, 15 3 a 11, r 2 ： P1 gcd 111 1, 15 gcd 12, 15 12 / P2 gcd 111 1, 15 gcd 10, 15 10 a 13, r 4 ： P1 gcd 132 1, 15 gcd 170, 15 5 / P2 gcd 132 1, 15 gcd 168, 15 3 a 14, r 2 ： P1 gcd 141 1, 15 gcd 15, 15 0 / P2 gcd 141 1, 15 gcd 13, 15 13 ar/2±1とNが互いに素 ならNGとする。
172. 172. LangEdge,Inc. 位数（周期）発見問題 関数 x において、 となる位数 を発見する。 ※ 位相が分かればその数から位数が高確率で取得できる。 （逆）量子フーリエ変換を使い、位数を発見する事が可能。 位数発見の量子回路： ※ 量子フーリエ変換は全ビットをアダマール変換すれば良く、逆量子フーリエ変換は既出である。 関数 x の汎用ユニタリ回路が必要。 172 |0…0⟩ |0…0⟩ ユニタリ 𝑓 𝑓 x ax mod N QFTn −1H (QFTn ) |x⟩ |𝑓 x ⟩ n n 現れる固有値の数で 位数 r を得る。
173. 173. LangEdge,Inc. 位数（周期）発見の汎用回路 ： x 173 入力：整数 と任意の数 を入力。 ← 2入力 出力：位数 を得る。 ← 1出力 実現：位数発見の汎用的モジュロ回路が必要！ 推薦資料 「 のアルゴリズム」 加藤 拓己*, 湊 雄一郎*, 中田 真秀** （*MDR株式会社, **理化学研究所） https://speakerdeck.com/gyudon/shorfalsearugorizumu 参考資料「量子計算機の到来を正しく恐れたい」 國廣 昇 （東京大学） ： NICTサイバーセキュリティシンポジウム2019発表資料 ※ 本資料の疑問への答えが、上記の「Shorのアルゴリズム」と言える。 https://www2.nict.go.jp/csri/plan/H31-symposium/pdf/kunihiro.pdf 以上の資料が参考になる。
174. 174. LangEdge,Inc. を計算する量子ゲート回路 174 V. Vedral, A. Barenco, A. Ekert, Quantum Networks for Elementary Arithmetic Operation, arXiv:quant-ph/9511018 (1995) https://arxiv.org/abs/quant-ph/9511018 入力ビット数（L）に対し： 量子ビット数 → 3L+2 qbit L=2048bit なら 6146 qbit 量子ゲート数 → L3 ゲート L=2048bit なら 20483 = 109 量子ビット数を減らす場合： 量子ビット数 → 2L+2 qbit L=2048bit なら 4098 qbit 量子ゲート数 → L4 ゲート L=2048bit なら 20484 = 1013 「いちばんやさしい量子コンピュータで暗号を解くshorのアルゴリズム概要」 Blueqatを使ったモジュロ演算の実装例 @YuichiroMinato （MDR） https://qiita.com/YuichiroMinato/items/5f98c467c006d7cb902c