量子コンピュータ「衝撃のインパクト」…いまさら聞けない。「古典コンピュータを圧倒的に凌ぐ能力」の説明で、必ず出てくる「重ね合わせ」。いったい、どういう状態のことか
AIの「次にくる時代」に備えよう！
急速に広がり、すでに生活のあらゆる場面に浸透しつつあるAI。一方で、その限界を指摘する声も聞こえてきます。そんななか、政府が技術イノベーション戦略として掲げ、超複雑な計算も瞬時にこなすその処理能力の高さから、産学各方面より注目を集めるのが「量子コンピュータ」です。
とはいえ、今までのコンピュータとどう違うのか、複雑な計算はできても単純計算に不向きとはどういうことか？ データのコピーなどはできるのか、量子機器につきものの「量子エラー」って何？ ……と、まだまだわからないことだらけと感じている人も少ないはず。
“すごそうだけど、まだよくわからない”量子コンピュータを、日米での量子コンピュータの関連特許を発明した著者が、懇切丁寧に解説する『量子コンピュータに何ができるか 知識ゼロから理解できる原理としくみ』が登場、すでに刊行前から大きな注目を集めています。
「産業革命以来のインパクトをもたらす」とまで言われる量子コンピュータの本質を、量子力学の基本から解説する本書から、必読の最新トピックをご紹介していきます。
今回は、古典コンピュータに対する量子コンピュータの長所として挙げられる、「重ね合わせ」の状態について解説します。
＊本記事は、『量子コンピュータに何ができるか 知識ゼロから理解できる原理としくみ』（ブルーバックス）を再構成・再編集したものです。
ChatGPTをはるかに凌ぐ自然言語処理
自然言語とは「日本語」や「英語」のように、私たちが日常で使っている言語のことです。
近年、自然言語処理をおこなうアプリケーションとして「ChatGPT」が話題になっていますが、ChatGPTをはるかに凌ぐ自然言語処理が将来、量子コンピュータによって達成されると考えられます（しかし、現時点ではまだ、量子コンピュータを用いた、確立した自然言語処理の方法は存在しません。本稿でのお話は、一例とお考えください）。
自然言語処理のタスク（作業）の一つに、文の意味の構築があります。文は単語からなっていますが、文の意味を単語の集まりから構築するわけです。
このタスクには、「単語の意味をどのように表現するか」という問題と、「単語が集まって文を作るとき、その単語の集合としての文が作る意味は何か」という問題に分けられます。
「アリスはクイーンが好き」を量子状態で表すと……？
たとえば、「アリスはクイーンが好き」という文を考えてみましょう。
簡単のために助詞の「は」と「が」を無視すると、この文は「アリス」「クイーン」「好き」という3つの単語から成り立っています。
それぞれの単語の情報を量子ビットに載せる、つまり、 「アリス」「クイーン」「好き」という単語にそれぞれ、1量子ビットからなる量子状態を対応させることになります。実用的にはより多くの量子ビットが必要ですが、ここでは実用性を無視して3単語に限った話をしています。
結局、「アリスはクイーンが好き」という文は、1量子ビット3つからなるので、3量子ビットの量子状態に対応することになります。
1量子ビットどうしの積、つまり、1量子ビットをかけ合わせたもので、複数量子ビットの状態を表すことにします。それには、以下のような操作をおこないます。
まず、「アリスはクイーンが好き」という文の量子状態を|アリスはクイーンが好き〉と表すことにします。
そして、「アリス」「クイーン」「好き」の各単語に対し、それぞれ|アリス〉、|クイー ン〉、|好き〉という3つの量子状態を対応させます。
これら3つの量子ビットの積を、次に示す式のように書くことにします。
3つの単語からなることを量子状態を使って示すと… |アリスはクイーンが好き〉= |アリス〉|クイーン〉|好き〉
これにより「アリスはクイーンが好き」という文が、「アリス」「クイーン」「好き」という3つの単語からなることを量子状態を使って表現できたことになります。
「重ね合わせの状態」を使う
次に、「クイーン」という単語について、より詳しく見ていくことにします。
この単語には、「女王」という意味と、ロックバンドの「Queen」という意味がありますが、量子ビットではこのあいまいさを表現できます。 もう一度、前回の記事で取り上げたブロッホ球の図を思い出してください。
描かれた球を地球と見た場合、| 0〉は北極点、| 1〉は南極点に対応します。そして、北極点に 「女王」を、南極点に「Queen」を対応させます。つまり、| 0〉を|女王〉に対応させ、|1〉を|Queen〉に対応させるわけです。
球面上の他の点は、「女王」という意味と「Queen」という意味をある確率で併せ持った「状態」と考えることにします。これが量子状態特有の「重ね合わせ状態」です。
赤道上の点には、 どちらの意味かわからない状態（両者が50％の確率をもつ状態）が対応すると考えます。
「クイーン」が「女王」と「Queen」の重ね合わせ状態であることを、次に示す式【A】のように書くこととします。|女王〉= |0〉と対応させ、また、| Queen〉= |1〉としたので、式【B】のように書いてもかまいません。
3つの単語の重ね合わせ状態を式で示す【A】 |クイーン〉= a|女王〉+b|Queen〉【B】 |クイーン〉= a|0 〉+ b|1〉
aとbは複素数であり、前回の記事で掲げた図「量子ビットの状態を表す半径1の球」中にある角度θとϕを使って表すことができます。
この重ね合わせ状態は、|女王〉である確率が |a|² で、|Queen〉である確率が|b|²の量子状態を表します（|a|はaの絶対値を、|b|はbの絶対値を表します）。
北極点に近い点では「女王」の確率が大きく、北極点では100％「女王」という意味になります。南極点に近い点では 「Queen」の確率が大きく、南極点では100％「Queen」という意味になります。
重ね合わせの状態を使うことにより、それぞれの単語の意味がもつあいまいさを保持したまま、文の意味の構築に進むことができます。「クイーン」がもつ意味のあいまいさを含んだ状態を表した式が以下です。
意味のあいまいさを含んだ状態を表した式 |アリスはクイーンが好き〉 = |アリス〉（a|女王〉+ b|Queen〉）|好き〉 = a|アリス〉|女王〉|好き〉 + b|アリス〉|Queen〉|好き〉
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