量子ビットは「0と1を同時に重ね合わせて持つ」と聞いたことがあるかもしれません。でも、0であり1でもある状態を、どう思い描けばいいのか困った人も多いはずです。測定した瞬間にどちらかに決まるなら、重ね合わせに何の意味があるのか。今回はこの疑問を、順番にほどいていきます。
まず普通のコンピュータが使う「ビット」から確認します。ビットは0か1のどちらか一方だけを表す情報の単位です。スイッチのオンとオフだと考えれば分かりやすいでしょう。量子ビットは、0である度合いと1である度合いを同時に持てます。これを重ね合わせと呼びます。
たとえるなら、コインを机の上で回転させている状態に近いイメージです。回っている間は、表とも裏とも決まっていません。ただし、このたとえは正確ではありません。実際には、測定した瞬間に必ず0か1のどちらかに定まります。測定するまでは、0と1、両方の可能性を持ち続けるのです。
この重ね合わせが役立つのは、量子ビットの数が増えたときです。ビットがn個なら、2のn乗通りの組み合わせのうち、たった1つしか表せません。量子ビットがn個なら、2のn乗通りすべてを同時に重ね合わせとして持てます。量子ビットが増えるほど、扱える組み合わせの数は爆発的に増えていきます。
ただし、重ね合わせを持っているだけでは計算は速くなりません。正しい答えの確率だけを高め、間違った答えを打ち消し合わせる工夫が必要です。この工夫を積み重ねた手順のことを、量子アルゴリズムと呼びます。重ね合わせは、計算の材料を大量に用意する仕組みだと考えると分かりやすいでしょう。
この重ね合わせは、放っておくとすぐに壊れてしまう繊細な状態でもあります。熱のゆらぎや材料のわずかな欠陥が、重ね合わせを壊してしまうと報告した記事があります。UCLA主導のコンソーシアム、60論理量子ビットのイオントラップアーキテクチャでNSFから400万ドルの助成金を獲得という記事があります。そちらを参照してください。詳細はそちらにあります。複数の量子ビットをまとめてエラーに強くしたものを、論理量子ビットと呼びます。この考え方が、いま各地で研究されています。
重ね合わせを実際に作り出す方法は、方式によって違います。イオントラップ方式では、レーザー光を当てて原子の内部状態を変え、重ね合わせを作ります。【方式くらべ】イオントラップ方式とは？原子物理を礎にした量子ビットの仕組みに詳しく書かれています。同じ重ね合わせでも、どう作りどう保つかは、方式ごとの工夫の見せどころです。
重ね合わせは、離れた量子ビット同士をつなぐ土台にもなります。二つの粒子が離れていても強く相関し合う状態を、量子もつれと呼びます。重ね合わせを土台にした量子もつれを、光子を介して遠くの量子ビット間に作る手法があります。中性原子アンサンブルによる高速量子インターコネクトで紹介されています。一台の装置に閉じ込めず、複数の装置をつないで規模を広げる発想も、重ね合わせなしには成り立ちません。
重ね合わせを保ったまま、多数の量子ビットで演算をやり切る挑戦も進んでいます。畳み込み型コンパイル戦略により最大100量子ビットで量子フーリエ変換を実験実証という記事があります。そこでは、量子フーリエ変換という基本手順が、最大100個の量子ビットで実証されています。量子ビットが増えるほど、重ね合わせの持つ計算力を引き出すのが難しくなることも、この記事から分かります。
今回の答えを一言でまとめます。重ね合わせとは、0と1のどちらかに決まる前の可能性を同時に保つ状態です。それが、計算の材料を爆発的に増やす仕組みになっています。次回も、この土台の上に話を積み重ねていきます。
