量子コンピュータの紹介

「さくらインターネット×大阪大学 量子コンピューター見学会」( https://sakura-tokyo.connpass.com/event/379158/ )で量子コンピュータの紹介のために使用した資料です。

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1. 量子コンピュータの紹介 Feb. 14 2026 阪大量子コンピュータ見学会 桝本尚之 特任研究員(常勤) 宮地 孝輔 特任研究員(常勤) 大阪大学
2. QIQBについて • Center for Quantum Information and Quantum Biology at The University of Osaka. • 大阪大学 量子情報・量子生命研究センター • “大阪大学 量子情報・量子生命研究センターは、学際的研究によって、 情報から生命さらにその先に至る幅広い領域の「量子2.0」のフロンティ アを開拓し、資源・エネルギー・環境・医療・セキュリティなど社会問 題解決への貢献や事業化も含めた社会実装をめざします” • https://qiqb.osaka-u.ac.jp/about-qiqb#about-qiqb • 複数台の量子コンピュータと制御ソフトウェアスタック、クラウドサー ビスを所有、運用 阪大量子コンピュータ見学会 2 Feb. 14 2026 https://qiqb.osaka-u.ac.jp/newstopics/pr20250414
3. 背景: 理論(量子力学の誕生) • 前期量子論(1900~) • プランク定数(1900、エネルギーの量子化) • 光量子仮説(1905、アインシュタイン) • 原子模型(1913、ボーア) • ミクロの世界での物理法則修正の必要性 • 量子力学の誕生(1925) • 前期量子論の困難を克服 • ハイゼンベルク、シュレディンガー、ディラックらによってミクロな世界 を統一的に記述する物理理論が誕生 • ヒルベルト空間、シュレディンガー方程式、・・・ 阪大量子コンピュータ見学会 3 Feb. 14 2026 https://en.wikipedia.org/wiki/Paul_Dirac https://en.wikipedia.org/wiki/Niels_Bohr https://en.wikipedia.org/wiki/Max_Planck
4. 背景: 理論(量子コンピュータの提案) • リチャード・ファインマン (1981): • 「自然をシミュレートするには、量子力学自体による計算が必要」 • デイビット・ドイチュ (1985): • 万能量子コンピュータ(量子チューリングマシン)の定義=量子計算の標 準的なモデル • ピーター・ショア(1994): • 実用的な量子アルゴリズムの発見 • 「ショアのアルゴリズム」:高速な素因数分解 阪大量子コンピュータ見学会 4 Feb. 14 2026 https://en.wikipedia.org/wiki/Richard_Feynman https://en.wikipedia.org/wiki/David_Deutsch https://en.wikipedia.org/wiki/Peter_Shor
5. 背景: 実装 阪大量子コンピュータ見学会 5 Feb. 14 2026 https://www.itpro.com/technology/big-data/ibm-is-targeting-quantum-advantage-in-12-months-and-says-useful-quantum-computing-is-just-a- few-years-away •1999: 超伝導量子ビットの実現(中村泰信) •世界初の超伝導量子ビットの作成(at NEC) •重ね合わせ状態の観測 •2014: 超伝導量子ビットの高性能化 (ジョン・マルティネス) •高忠実度(フィデリティ) •長緩和時間 •高スケーラビリティー •2016: 世界初の量子クラウドサービスの展開(IBM) • クラウド上で量子計算を設計、実行できるサービス
6. 量子コンピュータとは/量子ビット Feb. 14 2026 阪大量子コンピュータ見学会 6 ビットに変わる新しい情報の単位 • ビットにはない以下の性質を持つ • 重ね合わせ: 0と1の両方を同時にもつことができる量子力学的性質 • | ۧ ψ = α| ۧ 0 + β| ۧ 1 • α と β は複素数であり、観測の確率振幅を表す • α 2 + |β|2 = 1 • 量子もつれ(Entanglement): 離れていても成立する量子ビット間の相関
7. 量子コンピュータとは/ヒルベルト空間 Feb. 14 2026 阪大量子コンピュータ見学会 7 量子コンピュータは巨大な数学的空間を利用できる •ヒルベルト空間: N量子ビットは 2N 次元の複素内積空間をとることができる •この空間が「実在」するのか? •数理的世界観 vs 機械的世界観 •この巨大な空間内で「正解」を表すベクトルのみ抽出することができれば、巨大 なサイズの計算問題に対処可能 • 理論的には。。。 実現の難しさ •現実世界の量子ビットは熱雑音やデバイス欠陥に弱い •完璧な量子ビットを作ることは難しい • → 量子デバイスの高性能化、量子誤り訂正、…
8. 量子コンピュータとは/量子超越性(古典コンピュータに勝つこと) 阪大量子コンピュータ見学会 8 Feb. 14 2026 • 量子化学： • 強相関電子系などの複雑な分子において、古典的な厳密解法の指数関数的 な計算量を多項式時間へ短縮し、精密なシミュレーションを可能にする • 最適化問題： •特定の組み合わせ最適化に対し、Grover検索を用いることで、古典アルゴリ ズムを上回る探索効率や解の精度を実現する •セキュリティ： •Shorのアルゴリズムを用いた素因数分解の指数関数的な高速化により、現行 のRSA暗号などの公開鍵暗号体系を無効化する •ランダム量子回路の出力サンプリング問題 •量子コンピュータの動作自体を計算する問題 •量子超越性達成の主張(2019、Google) ARUTE, Frank, et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature, 2019, 574.7779: 505-510.
9. 量子コンピュータの実装 阪大量子コンピュータ見学会 9 Feb. 14 2026 •どんなミクロな系でも量子ビットとして使える •量子力学に従う系であれば実装の候補になる •中性原子、イオン、光子、… •現在有力なのは超伝導量子ビット •人工的に作られた巨視的な量子力学系(2025年ノーベル物理学賞) •「シャンデリア」(液体ヘリウム希釈冷凍機) •量子コンピュータは古典コンピュータの「真空管時代」 •低信頼性 •巨大 https://en.wikipedia.org/wiki/Colossus_computer https://www.osaka-u.ac.jp/ja/event/2023/11/10578