JSA 北九州分会 2023年度第2回例会 2024年3⽉22⽇（⾦）

量⼦コンピュータとは何か？
―そのしくみと実⽤性について―
1.

量⼦⼒学とは？

2.

量⼦コンピュータの歴史

3.

量⼦ビット・量⼦ゲート

4.

量⼦コンピュータのしくみ

5.

実際の量⼦ビットおよび量⼦コンピュータ

6.

量⼦コンピュータで何ができるのか

7.

量⼦コンピュータの現状と課題

話題提供者

出⼝博之
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1. 量⼦⼒学とは？ 古典⼒学（ニュートン⼒学）
マクロな世界の⼒学

質量×加速度＝⼒ ( ma = F )物体の運動はニュートンの運動⽅程式に従う
初期条件が与えられれば，運動は決定される
量⼦⼒学

ミクロな世界の⼒学

出典：「ゼロからわかる量⼦コンピュータ」⼩林雅⼀著，
講談社現代新書(2022)

シュレーディンガー⽅程式の解の波動関数
ψ(r, t)を⽤いて電⼦などの状態を表す
2量⼦⼒学の特徴

出典： 「コア・テキスト

量⼦⼒学」三⾓樹弘著，サイエンス社(2023)

3量⼦⼒学の現象論的な原理
粒⼦と波の⼆重性 ド・ブロイの関係式
⼀⽅では粒⼦のように振る舞いながら他⽅では波のような性質を⽰す

出典： 「コア・テキスト量⼦⼒学」三⾓樹弘著，サイエンス社(2023)

古典物理学では粒⼦と波は別々のもの

4量⼦⼒学の原理
位置と運動量の不確定性関係
粒⼦の運動量が確定すると，その位置は完全に不確定になる．
粒⼦の位置が確定すると，その運動量は完全に不確定になる．
（位置のあいまいさΔx）×（運動量のあいまいさΔp) ≳ プランクの定数 ℏ/2

出典： 「コア・テキスト量⼦⼒学」三⾓樹弘著，サイエンス社(2023)

古典⼒学では，位置と運動量はあいまいさなしで同時に確定する
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量⼦⼒学の性質
運動量とエネルギーの離散性制限された空間に閉じ込められた粒⼦の運動量やエネルギーは離散化（量⼦化）される

出典： 「コア・テキスト量⼦⼒学」三⾓樹弘著，サイエンス社(2023)

古典⼒学では，運動量やエネルギーは連続的に値を変えられる

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2. 量⼦コンピュータの歴史
量⼦コンピュータ（量⼦ゲート⽅式）
量⼦⼒学を計算の原理に応⽤した次世代コンピュータ「量⼦重ね合わせ」と呼ばれる現象を超⾼速計算の理論に応⽤
論理回路に量⼦ビットを⽤いる
従来型コンピュータ（古典コンピュータ）
スーパーコンピュータを頂点とするデジタル汎⽤コンピュータ
トランジスタなどの半導体素⼦を⽤いる
ビットによりデータ処理
スーパーコンピュータ「富岳」
https://www.r‐ccs.riken.jp/fugaku/system/7

量⼦コンピュータのアイデア・理論
1961: IBM ランダウア― 「情報消去の原理」を提唱
なんらかの計算過程で情報が消去される場合に熱が発⽣する可逆計算では熱が発⽣しないのでエネルギー効率の良い計算
量⼦⼒学に従う計算⽅法も可逆計算モデルの⼀つ
量⼦コンピュータ開発の端緒
1980: ベニオフ 量⼦⼒学の原理に基づいて従来コンピュータと同じ計算が可能であるを⽰した
1981：ファインマン 「物理と計算」の会議で「物理のコンピュータ・シミュレーション 」と題して講演「物理現象をシミュレートするには，どんなコンピュータを使うべきだろうか？」「⾃然をシミュレーションしたいなら量⼦⼒学的に実現すべきだ．」初めて量⼦計算の可能性と意義を⽰唆したもの
1985: ドイチュ 量⼦⼒学の重ね合わせの原理によってある種の並列計算が実現できる 量⼦チューリングマシンの定式化
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量⼦コンピュータの歴史

出典：「量⼦コンピュータが本当にわかる！」武⽥俊太郎著，技術評論社(2020)9

量⼦コンピュータのトピック
Nature Vol 574, 505, 24 OCTOBER 2019
Googleの研究チーム 量⼦コンピュータの計算速度がスーパーコンピュータを越えた！（量⼦超越性）と発表

53量⼦ビットの量⼦プロセッサ「シカモア」がスパコン「IBMサミット」でも1万年以上かかる特殊な計算問題（ランダム量⼦回路サンプリング）をわずか200秒で計算
量⼦コンピュータに有利な計算問題での⽐較
IBMは2⽇半で計算できると後⽇反論 過⼤評価
出典：「量⼦技術の基本と仕組み」若狭直道著，秀和システム(2020)10

量⼦コンピュータの2つの⽅式
量⼦ゲート⽅式 汎⽤性あり
ついて今後説明する

こちらの⽅式に

量⼦アニーリング⽅式
出典：「量⼦コンピュータまるわかり」間瀬英之・
⾝野良寛著，⽇経⽂庫，⽇本経済新聞出版社(2023)

出典：「量⼦論のすべてニュートンプレス(2021)

改訂第２版」Newton別冊，
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3. 量⼦ビット・量⼦ゲート
量⼦ビットと従来のビット
従来のビットは，ある時点で「0」か「1」のどちらかの値をとる
量⼦ビットは，同時に「0」と「1」という2つの状態を取りえる．

出典：「特集 量⼦コンピュータ最⼤の壁「エラー訂正」」⽇経サイエンス⽇本版第５２巻
８号，⽇経サイエンス社(2022)12量⼦ビットとは?
量⼦ビットの表現

0の状態|0>と1の状態|1>の重ね合わせ

α2:0の状態をとる確率，β2:1の状態をとる確率
量⼦ビット|Φ>は，原点から半径1の円周上の1点に向かうベクトルで表現
θは0°〜360°まで連続的に変化

無限の値をとる出典：「ゼロからわかる量⼦コンピュータ」⼩林雅⼀著，
講談社現代新書(2022)

出典：「ラズパイ電⼦⼯作＆光の実験で理解する量⼦コンピュータ」藤井啓祐 ， 武 ⽥ 俊 太 郎 著 CQ ⽂ 庫 ， CQ 出 版(2022)
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量⼦重ね合わせの原理
マクロ（古典）の世界の状態

ミクロ（量⼦）の世界の状態

0か1のどちらか⼀⽅の状態

0と1の重ね合わせの状態

出典：「ラズパイ電⼦⼯作＆光の実験で理解する量⼦コンピュータ」藤井啓祐，武⽥俊太郎著CQ⽂庫，CQ出版(2022)14従来のビットと量⼦ビットのちがい3ビットの場合の⽐較 従来のビットは同時に「000」「001」「010」「011」「100」「101」「110」「111」のどれか1つの状態しか取りえないが，量⼦ビットでは，同時にこれらのすべての2の3乗の8つの状態を取りえる
同時並列的に次の状態に推移

量⼦並列性が⾼速計算を可能

出典：「ゼロからわかる量⼦コンピュータ」⼩林雅⼀著，
講談社現代新書(2022)15量⼦もつれとは？

出典：「量⼦コンピュータまるわかり」間瀬英之・⾝野良寛著，
⽇経⽂庫，⽇本経済新聞出版社(2023)16論理演算（ゲート）
従来コンピュータの論理ゲートと量⼦ゲート

従来のコンピュータのゲート（論理回路）

量⼦コンピュータの量⼦ゲート

出典：「ゼロからわかる量⼦コンピュータ」⼩林雅⼀著，
講談社現代新書(2022)17量⼦ゲートの演算 ⾏列とベクトルの積
NOT Xの演算|0>の状態を|1>に反転|1>の状態を|0>に反転
アダマール Hの演算|0>または|1>の状態に作⽤させると|0>と|1>の「重ね合わせ状態」を作り出す
CNOTの演算
同時に2個の量⼦ビットに作⽤する⾏列．2個の量⼦ビットが互いに相関しながら変化する「量⼦もつれ」と呼ばれる状態を実現できる．

出典：「ゼロからわかる量⼦コンピュータ」⼩林雅⼀著，
講談社現代新書(2022)18従来のゲート回路と量⼦ゲート回路

従来のコンピュータのゲート（論理回路）はトランジスタなど電⼦部品の回路として実現されている．量⼦ゲートは，量⼦ビットに対する⼀種のオペレーション（操作⾏為）である．
出典：「ゼロからわかる量⼦コンピュータ」⼩林雅⼀著，
講談社現代新書(2022)

19出典：「量⼦論のすべて 改訂第２版」
4. 量⼦コンピュータのしくみ
量⼦アルゴリズム（計算の⼿順） Newton別冊，ニュートンプレス(2021)

従来のコンピュ「波の⼲渉」や「量⼦もつれ」を組み合わせて，並列的に広がった計算プロセスを絞りこむ．「波束の収縮」によって複数個の状態を1つの状態に収束20させて解を求める．

量⼦アルゴリズムの具体例「ショアのアルゴリズム」(1994)
素因数分解の量⼦アルゴリズム
素因数分解 91 = 7×13
素因数分解の対象の数がある桁数以上になると，分解することがスパコンを⽤いても困難
そのため現在RSA暗号の公開鍵におおむね600桁以上の合成数（２つの素数の積）が⽤いられている素因数を求める鍵となる周期pをショアのアルゴリズムで超並列計算することで指数関数的な⾼速化を達成できる．
本格的な量⼦コンピュータでショアのアルゴリズムを⽤いればRSA暗号を破ることができる

出典：「ゼロからわかる量⼦コンピュータ」
⼩林雅⼀著，講談社現代新書(2022)

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5. 実際の量⼦ビットおよび量⼦コンピュータ
実際の量⼦ビットの例1

出典：「量⼦論のすべて 改訂第２版」Newton別冊，
ニュートンプレス(2021)
光量⼦ビット：光⼦の偏光において横⽅向の振動を0，縦⽅向の振動を1としてこの重ね合わせ状態で量⼦ビットを表現
超伝導量⼦ビット（磁束量⼦ビット）：超伝導微⼩リングに流れる円電流の右回りを0，左回りを1としてその重ね合わせ状態で量⼦ビットを表現

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実際の量⼦ビットの例2

出典：「量⼦論のすべて
ニュートンプレス(2021)

改訂第２版」Newton別冊，

イオン・トラップ量⼦ビット：真空中に浮かせたイオンの基底状態を0，励起状態を1として，この重ね合わせ状態で量⼦ビットを表現
量⼦ドット：シリコンからできた微⼩空間の量⼦ドットに閉じ込められた電⼦のスピンの上向きを0，下向きを1として，この重ね合わせ状態で量⼦ビットを表現

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実際の量⼦ビット回路および量⼦プロセッサ(CPU)の例

出典：「ゼロからわかる量⼦コンピュータ」⼩林雅⼀著，講談社現代新書(2022)24量⼦ビットの代表的な⽅式の⽐較

出典：「量⼦コンピュータが本当にわかる！」
武⽥俊太郎著，技術評論社(2020)

出典：「ゼロからわかる量⼦コンピュータ」⼩林
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雅⼀著，講談社現代新書(2022)

「誤り訂正」技術について
コンピュータの計算過程においてノイズ，誤動作が⽣じてビットの情報が変化（エラー）するということが起こりうる．
スーパーコンピュータのノード当たりの故障率は，109時間(>10万年）に数⼗回程度と少ない．それでもエラーが検出されれば訂正するプログラムが組み込まれている．
従来型コンピュータのエラー（誤り）訂正機能
誤り訂正符号 0を000，1を111と３つのコピーで表す．
３つのビットのうち１つにエラーが⽣じた場合，001または010のように変化している．多数決から000と推定でき誤りを訂正できる．
量⼦コンピュータの量⼦ビットと量⼦ゲートはノイズに弱く，1000回に１回程度の確率でエラーを起こす．エラー訂正機能がなければ有⽤な計算ができない．「量⼦誤り訂正技術」
エラー訂正機能を有する量⼦コンピュータ 誤り耐性量⼦コンピュータ
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「量⼦誤り訂正」技術
量⼦ビットの場合値が少しずれるアナログなノイズのエラーが発⽣

エラー訂正のために量⼦ビット３つを⽤いて000と111という状態の重ね合わせを作り論理量⼦ビットをつくる．「隣り合う量⼦ビットが同じ値かどうか」を測定してエラー発⽣の有無を検出できる．（実際の論理量⼦ビットは９個の量⼦ビットを必要とする）

出典：「特集 量⼦コンピューター最⼤の壁「エラー訂正」」⽇経サイエンス⽇本版第５２巻８号，27
⽇経サイエンス社(2022)

6. 量⼦コンピュータで何ができるのか
量⼦コンピュータの得意な問題1
計算⽅法はわかっていても，それに従って実際に計算しようとすると従来型スパコンを使っても⾮常に⻑時間の計算時間がかかり事実上解けないような問題
１ 巡回セールスマン問題
あるセールスマンが，ある地域のすべての都市を１回ずつ訪問して出発点に戻ってくる．このときの最短距離を求める問題
２ ナップサック問題
ナップザックの容量を越えないように品物を詰め込み，それらの品物の価値の合計が最⼤になるようにする問題
３ ⼤規模信号機群を制御する最適化技術
４

新たな化学物質を合成するための最適の反応計算

５

新たに開発しようとする新薬物質の薬効をシミュレーション

６

投資ビジネスの競争優位性を⾼める
モンテカルロ・シミュレーション

出典：「基礎から学ぶ量⼦コンピューテング
イジングマシンのしくみを中⼼に」⼯藤和恵著，
オーム社(2023)

出典：「量⼦論のすべて
ニュートンプレス(2021)

改訂第２版」Newton別冊，28

6. 量⼦コンピュータで何ができるのか
量⼦コンピュータの得意な問題2

出典：「量⼦コンピュータが本当にわかる！」武⽥俊太郎著，技術評論社(2020)
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7. 量⼦コンピュータの現状と課題

内閣府総合イノベーション戦略推進会議 「量⼦技術イノベーション戦略（最終報告）」
https://www8.cao.go.jp/cstp/tougosenryaku/ryoushisenryaku.pdf

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企業の量⼦コンピュータの開発状況

出典：「量⼦コンピュータまるわかり」間瀬英之・
⾝野良寛著，⽇経⽂庫，⽇本経済新聞出版社(2023)

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⽇本の研究開発の現状
2020年 内閣府総合イノベーション戦略推進会議 「量⼦技術イノベーシ
ョン戦略（最終報告）」
https://www8.cao.go.jp/cstp/tougosenryaku/ryoushisenryaku.pdf
2021年 ⽇本初のIBM製「ゲート型商⽤量⼦コンピュータ」が新川崎・創造のもり
かわさき新産業創造センター（KBIC、神奈川県川崎市幸区）で稼働
2023年新たに127量⼦ビットの「IBM Quantum Eagle」プロセッサを搭載したIBM
Quantum System Oneを設置

2022年 内閣府総合イノベーション戦略推進会議 「量⼦未来社会ビジョン〜量⼦技術により⽬指すべき未来社会ビジョンとその実現に向けた戦略〜」
https://www8.cao.go.jp/cstp/ryoshigijutsu/ryoshimirai_220422.pdf
2023年 理化学研究所を中⼼とする研究グループが国産量⼦コンピュータ初号機「叡」を公開，クラウドサービスを開始
https://www.riken.jp/pr/news/2023/20231214_1/index.html
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内閣府総合イノベーション戦略推進会議 「量⼦技術イノベーション戦略（最終報告）」
https://www8.cao.go.jp/cstp/tougosenryaku/ryoushisenryaku.pdf

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内閣府総合イノベーション戦略推進会議 「量⼦技術イノベーション戦略（最終報告）」
https://www8.cao.go.jp/cstp/tougosenryaku/ryoushisenryaku.pdf

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量⼦コンピュータ開発のロードマップ

出典：「特集 量⼦コンピューター最⼤の壁「エラー訂正」」⽇経サイエンス⽇本版第５２巻８号，
⽇経サイエンス社(2022)

現在，量⼦コンピュータはNISQの段階にある．従来コンピュータにはできない計算を実⾏できるが，有⽤な計算ではまだスパコンを越えていない．エラーを訂正しながら計算を進める誤り耐性量⼦コンピュータを実現するにはおよそ１００万量⼦ビットを集積する必要あり
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量⼦コンピュータ（量⼦情報技術）が軍事転⽤される可能性
主要各国は量⼦情報技術の軍事利⽤に向けた研究開発を進めている．
中国 2017年量⼦暗号通信の成功，国家量⼦情報科学研究所の建設
量⼦技術の軍事研究を加速
⽶国 2021年国防総省を占める

量⼦技術の研究開発費

広範なこの分野の研究予算の80%

⽶軍の中で量⼦技術に関⼼を寄せているのが空軍．宇宙を舞台にした次世代の戦争で，転換的な役割が期待
ロシア

国営原⼦⼒企業「ロスアトム」が量⼦技術の研究開発
2019年「量⼦技術ロードマップ」を策定
ウクライナ侵攻により停滞

EU

2018年「量⼦フラグシップ計画」

表向きは平和利⽤を挙げているが，実際には軍事利⽤を念頭に置いた動き
核兵器を保有する⼀部の国々が，今後は量⼦情報技術のような安全保障にかかわるテクノロジーによって覇権国の地位を確定させる恐れ
出典：「ゼロからわかる量⼦コンピュータ」⼩林雅⼀著，講談社現代新書(2023)

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量⼦AI技術 量⼦コンピュータと⼈⼯知能の融合
内閣府総合イノベーション戦略推進会議 「量⼦技術イノベーション戦略（最終報告）」

https://www8.cao.go.jp/cstp/tougosenryaku/ryoushisenryaku.pdf

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量⼦コンピュータの課題
ハードウェアの課題
ノイズなどの影響による誤り発⽣確率が⾼い．1量⼦ビット演算0.05％発⽣
コヒーレンス時間（重ね合わせ状態を保てる時間）が短い
超伝導⽅式では1 ミリ秒以下
ソフトウェアの課題
エラーのある⼩・中規模のNISQの量⼦コンピュータの有⽤な⽤途がない（従来コンピュータでも可能な計算の範囲を超えていない）
ソフトウェア資産を維持するコストが⾼い
量⼦コンピュータの現状

エラーのある⼩・中規模のNISQ量⼦コンピュータ（2022:IBMオスプレイ433量⼦ビット，2023:IBMコンドル1121量⼦ビット）
真の量⼦超越を可能にするには「量⼦誤り訂正」+100万量⼦ビットの量⼦コンピュータが必要
2030年〜2040年ごろ？
出典：「量⼦コンピュータまるわかり」間瀬英之・⾝野良寛著，⽇経⽂庫，⽇本経済新聞出版社(2023)
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量⼦コンピュータの最新のニュース 2024年2⽉
中性原⼦⽅式

280量⼦ビット+誤り耐性機能を有する量⼦コンピュータ

磁場とレーザー光で中性原⼦Rbを閉じ込め

リュウ―ドベリ軌道における電⼦の有無で量⼦ビット
利点：⼤規模化が可能，ノイズが少ない，コヒーレンス時間が数秒と⻑い

出典：「量⼦コンピュータまるわかり」間瀬英之・
⾝野良寛著，⽇経⽂庫，⽇本経済新聞出版社(2023)

出典：「Logical quantum processor based onreconfigurable atom arrays 」Dolev Bluvsteinet.al. Nature Vol.626, p58, 1 February 2024
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参考⽂献・資料（インターネット資料はURLを資料ページに掲載）「ゼロからわかる量⼦コンピュータ」⼩林雅⼀著，講談社現代新書(2022)「基礎から学ぶ量⼦コンピューテング
「量⼦コンピューテング

イジングマシンのしくみを中⼼に」⼯藤和恵著，オーム社(2023)

基本アルゴリズムから量⼦機械学習まで」嶋⽥義皓著，オーム社(2020)「量⼦もつれとは何か」古澤明著，講談社ブルーバックス，講談社(2011)「コア・テキスト

量⼦⼒学」三⾓樹弘著，サイエンス社(2023)「驚異の量⼦コンピュータ

宇宙最強マシンへの挑戦」岩波科学ライブラリー

岩波書店(2019)「量⼦コンピュータが本当にわかる！」武⽥俊太郎著，技術評論社(2020)「量⼦技術の基本と仕組み」若狭直道著，秀和システム(2020)「ラズパイ電⼦⼯作＆光の実験で理解する量⼦コンピュータ」藤井啓祐，武⽥俊太郎著CQ⽂庫，CQ出版(2022)「量⼦コンピュータの数理」⼤⽮雅則著，パリティ物理学コース，丸善(1999)「量⼦アニーリングの基礎」⻄森秀稔，⼤関真之著，基本法則から読み解く物理学最前線，共⽴出版(2018)「特集 量⼦コンピューター最⼤の壁「エラー訂正」」⽇経サイエンス⽇本版第５２巻８号，⽇経サイエンス社(2022)「量⼦コンピュータまるわかり」間瀬英之・⾝野良寛著，⽇経⽂庫，⽇本経済新聞出版社(2023)「量⼦論のすべて改訂第２版」Newton別冊，ニュートンプレス(2021)「Quantum supremacy using a programmable superconducting processor」Frank Arute et.al. Nature Vol.574,
p505, 24 OCTOBER 2019
「Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays 」Dolev Bluvstein et.al. Nature Vol.626, p58,
1 February 202440