はじめてみよう量子プログラミング

吉祥寺.pm36【オンライン】
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1. はじめてみよう 量子プログラミング 2024.9.17 吉祥寺.pm36 ito-koichi
2. 自己紹介 名前： ito-koichi (伊藤公一)　　X：@itokoichi01X: @itokoichi01 所属：富士通 職業：システムエンジニア テーマ「プログラミング！」： 仕事：TypeScript、Kotlin 好きな言語：Ruby 量子プログラミングはただの趣味です（専門ではありません） Qiskit (IBMの量子コンピュータSDK) の資格持ってます
3. 量子プログラミングしたことありますか • 量子コンピュータ持ってません • 量子プログラミングって言語は何を使うの？ ここできみにすごいラッキーなニュースがあります
4. 量子プログラミングはブラウザ上でできるんです * Python + Qiskit SDK 等 • IBM Quantum Composer • Qni • QCoder • Qookbook 量子プログラミング環境 を作る(*) コード プログラミング ビジュアル プログラミング ブラウザベースのサービス 自分で環境構築
5. 量子プログラミングはブラウザ上でできるんです • ビジュアル系 ◦ IBM Quantum Composer (https://quantum.ibm.com/composer) ◦ Qni (https://qniapp.net/) • コード系 ◦ QCoder (https://www.qcoder.jp/) (Qiskitを使用する) ◦ Qookbook (https://www.qookbook.net/) IBM Quantum Composerを使って ビジュアル量子プログラミングのデモをします
6. IBM Quantum Composer IBM Quantum(*)のビジュアル量子プログラミング環境 * IBM Quantum: IBMの量子コンピューティングプラットフォーム • 量子コンピュータのシミュレータを使えます（ユーザー登録不要）　※デモ • 量子コンピュータの実機を使えます（ユーザー登録要） 量子プログラムの動きを見れるので便利
7. デモ　量子ビットの論理演算 量子ビットを量子ゲートで反転した後に測定する • 量子ビット ◦ ふつーのビットの量子版（重ね合わせ状態） ◦ 重ね合わせ状態のままでは値は決まらない（不確定性原理） ◦ 測定すると重ね合わせ状態が壊れて値が決まる（波束の収縮） • 量子ゲート ◦ ふつーの論理ゲートの量子版 ◦ 入力、出力とも量子ビット（並列計算） ◦ デモではXゲート（NOTゲートの量子版）を使う
8. デモ
9. できました！ 量子プログラミングは ブラウザ上で すぐにはじめられる
10. できました！ 量子プログラミング 完全に理解した！　
11. できました！ おい
12. 今回のデモはプログラムを書く部分 プログラムの書き方 • ビジュアルプログラミング • コードプログラミング 量子アルゴリズム • 量子位相推定、誤り訂正 ... 前提知識 • 数学、物理学 • 情報理論 量子コンピュータの知識 • 量子ビット、量子ゲート • トランスパイラ プログラムの周 辺知識も必要 そのためにおす すめの方法を二 つ紹介します 適用できる問題の探求 • 量子鍵配送、...
13. ①勉強しよう • 本（「量子コンピュータ」で探す） • Webコンテンツ(チュートリアル等) • 動画コンテンツ できれば数式を説明しているもの（大事） そのうち「数式の方がシンプルで楽」になる 説明をプログラムにして動かしてみる 実際に動かすことで説明を納得できる
14. ①勉強しよう 本を読んでも「量子プログラミングなにもわからない（本当に）」とき 別の本を読んでみる それでもわからなかったら、さらに別の本を 一冊で全てを理解できなくてもいい（大事）
15. ②量子プログラミングのイベントに参加しよう • QCoder Programming Contest (https://www.qcoder.jp/) ◦ 不定期に開催されるオンラインの量子プログラミングコンテスト（競プロ） ◦ ブラウザ上でQiskitを使ったコードを入力して問題を解く • IBM Quantum Challenge (https://challenges.quantum.ibm.com/) ◦ 年2回くらい開催されるオンラインの量子プログラミングイベント ◦ Python + Qiskitを実行できる環境を用意して問題を解く 問題が解けるとモチベーションが上がる（大事）
16. まとめ 量子プログラミングはブラウザ上ですぐにはじめられる 周辺知識を得るためには勉強とイベント参加がおすすめ 準備はできた おいでよ量子プログラミングの沼 基本的な 量子ゲート操作 量子 アルゴリズム ハイブリッド アルゴリズム 問題解決 量子アプリケーション 量子コンピュータ の基礎 とはいえ沼は広くて深い。無理せず楽しんでいこう
17. おまけ１ デモ
18. デモ　準備 1. IBM Quantum Composerを開く (https://quantum.ibm.c om/composer) • ①：量子回路（ここに量子ゲー トを配置する） • ②：量子ゲート（ここから回路 上に持っていく） ① ②
19. デモ　準備 2. 量子回路を学習用に1量子ビット構成にする 初期状態 q[3]をクリックしてごみ 箱。 q[0]のみにする c4をクリックしてマイナ ス。 c1まで減らす 1量子ビット構成の完成 → → →
20. デモ　準備 3. グラフを「Statevector」と「Probalilities」にする（左右は任意） • Statevector (状態ベクトル) ◦ 量子状態を表す ◦ 初期状態は|0>が1.0、|1>が0.0 (ちなみに値は確率振幅と呼ばれる複素数 ) • Probabilities (測定確率) ◦ 量子状態を1024回測定したときに0, 1がそれぞれ出る確率 (%)
21. デモ　初期状態 • 量子ビットの初期状態は |0> • Statevectorは|0>が1.0
22. デモ　Xゲートを配置する • 量子ビットの初期状態は|0> • Statevactorは|0>が1.0 • Probabilitiesは未測定なので無し • Xゲートを配置する • 量子ビットは反転して |1>に なった • Statevectorは|1>が1.0
23. デモ　測定 • 測定を配置する • 量子ビットを測定した結果が c1 に入る • |1>状態は、測定すると100% で1になる • Probabilitiesを見ると確かに1 が100%になっている
24. 参考　量子コンピュータの実機で実行した結果 ノイズがあるため1が100%にはな らない 1024回の実行結果 • 0: 19回 (1.9%) • 1: 1005回 (98.1%)
25. おまけ２ 量子プログラミングを学習するときの予備知識
26. 量子プログラミングを学習するときの予備知識 本には書いてあることですが、最初はイメージしにくい（実感しにくい）ので図にしてみま した。 知ってると位相キックバックや量子テレポートを理解しやすいと思います。 ①量子ビットは全体で一つの系を構成する ②量子演算は量子系全体に影響する
27. ①量子ビットは全体で１つの系を構成する 0 or 1 1ビット 2ビット 3ビット 古典ビット 量子ビット a|00> + b|01> + c|10> + d|11> 0 or 1 0 or 1 a|0> + b|1> 0 or 1 0 or 1 0 or 1 a|000> + b|001> + c|010> + d|011> + e|100> + f|101> + g|110> + h|111> 量子系は「全体で一つの状態ベクトル」ということです
28. ②量子演算は量子系全体に影響する 入力 2ビット 0 or 1 0 or 1 a|00> + b|01> + c|10> + d|11> 古典ビット 量子ビット NOT 0 or 1 0 or 1 X 1ビット目を反転 a|01> + b|00> + c|11> + d|10> 出力 2ビット 量子演算は「系全体の状態ベクトル」を変更するものと考えるとよいです Id (単位ゲート)