題名未設定

スマートフォンのバッテリー、もっと長時間使えるようになると嬉しいですよね。それにはまだ見ぬ新しいバッテリーの素材が必要なのかもしれません。

そういった材料開発は「量子化学計算」という計算が必要なのだそうです。これは「量子コンピュータによる化学計算」という意味ではなく、「量子化学の計算」という感じの意味合いです。「素材」の話なので、原子、分子、電子レベルであり、これらは量子なので「量子化学の計算」という流れです。

-

一般に量子化学計算は分子構造が安定する状態を求めるために行うそうです。これは原子同士の距離で決まり、そして原子の個数が増えるほど、そのパターンは膨大になり、計算量が爆発してしまいます。そのため量子コンピュータが期待されています。

-

期待されていますと書きましたが、実際には、他の応用分野よりも実現はしやすいようです。従来のソフトの一部の変換と量子コンピュータ用ソフトの付け加えによって利用できるそうです(さすがにこの一文だけでは詳細はわからないですが書籍からほぼ引用しました)。材料開発の革命と生活の激変はもしかすると近いのかもしれませんね。

-

-

-

参考

-

湊雄一郎

近年キテる技術としてパッと思い浮かぶのは機械学習ですよね(最近というには遅いか…)。機械学習の中でも、ディープラーニングあたりは計算量が尋常じゃなくなる場合があります。実際には少ないデータ量で近い精度にできるとか、モデルの圧縮ができるとか、計算量の少ない新しいアルゴリズムが研究されているとか、計算量を削減する研究はたくさんあるそうですが、それくらい多いということでもあります。

Googleさんのような大企業では、簡単には想像できないような超巨大なモデルというのも日々開発しているそうで、そういうものでは計算量が問題になります。環境に悪いのはあまり好きじゃないです。

ディープラーニングではたくさん並列計算をするので、量子コンピュータと相性が良さそうですが、並列計算という言葉が意味するものにもいろいろあるようで、単純にアルゴリズムを移植できるわけではないそうです。

-

自分はこういう、(機械学習の性能向上というよりは)古典コンピュータだと大量の電力を使っていたのを量子コンピュータが肩代わりすることによって、計算による環境への影響を小さくできたらいいなという思いを持っているので、期待大きめな分野の一つです。

-

-

-

参考

-

湊雄一郎

量子コンピュータは通信とかセキュリティとか暗号とか、そこらへんに良い影響と悪い影響を与え得ると考えられているそうです。

-

悪い影響

量子コンピュータに期待されているもの、それは古典コンピュータよりも高い計算性能です。とにかくあらゆる計算が古典コンピュータよりも速いというわけではなく、ある特定の、量子コンピュータ用のアルゴリズムを使った計算が古典コンピュータを圧倒することを期待されています。

特に現代の社会システムに対して絶大な悪影響を及ぼしそうなのがショアのアルゴリズムによる素因数分解ですね。

以前の投稿でも書きましたが、現代の通信の暗号に使われている素因数分解が現実的な時間内に解かれたら世の通信は筒抜けです。

-

良い影響

そんなやばいコンピュータが開発されているので、暗号の研究家さんたちも本気を出していて、新しい暗号の研究が進んでいるそうです。

たとえば格子暗号(有力らしい)、多変数暗号、代数曲面暗号などだそうです。。。いつか、調べましょうかね、どうしましょう。(量子コンピュータ関連分野広い……)

直近では、上記のような新しい方式の暗号が必要そうです。しかし量子の性質を使って、そもそも盗聴されない最強の通信をしようという方法も考えられているそうです。これは量子テレポーテーションという、複数の量子がもつれ状態になったらそれらの量子がどんなに離れてもその状態が保たれる(一方の状態が変化したら他方の状態が決まる)、という雰囲気の現象を利用するそうです。

量子状態は複製不可能らしく、量子状態を運んでいる最中に盗聴されると、そのことがバレるんだそうです。わかるようなわからないような、ですね。量子テレポーテーションを利用した通信には、量子状態を長く保てて高速に動く光子が使われるそうです。

-

-

-

参考

-

湊雄一郎

量子コンピュータはたくさんのパターンを同時に計算して、最後にその中の1パターンの出力を取り出す、といった感じの動きらしいので、大量のパターンから最適な一つを見つける「組合せ最適化問題」というのが得意なのだそうです。

QAOAとか、アニーリングっていうアルゴリズムが使われるのだそうです。QAOAは問題を数式化してそれを細かく分割して計算、アニーリングは量子アニーリングマシンっていう専用のマシンで選択肢を量子ビットに割り当てて収束させていくような感じらしいです。

これらは問題が小さいと古典コンピュータでも解けてしまうそうなので、より大規模な問題で成果を発揮するかもしれません。ある意味良い制約かもしれませんね。

最適化の具体例は、職場のシフトや工場のロボットの制御、仕事のスケジュール、渋滞緩和とかいろいろあるそうです。コンピュータの計算によって、きつきつのスケジュールを組まれたらつらいですね。人間の体力を考慮して、かつ効率の良いスケジュールが自動で組まれたら嬉しいかもです。

-

-

-

参考

-

湊雄一郎

量子コンピュータってどう役に立つのかがわかりにくいですよね。

古典コンピュータだと、今こんなふうに文字を打てたり、それをまた続きから書けるように保存したり、動画を撮影したり、編集したり、視聴したり、音楽を再生したり、表計算ソフトを使ってグラフを書いたり、とこれらのいくつかは実際にはコンピュータにマイクやスピーカーやカメラなどが付いていることが前提ですが、まあ書き連ねるなんて困難なくらいいろいろできます。

ではここでもう一度、量子コンピュータってどう役に立つのか。

現在開発が進んでいる量子コンピュータは演算装置のみらしいですが、その演算能力を活かすような使われ方を期待されているようです。具体的には、、、

　・最適化系

　・通信のセキュリティ系

　・並列計算系

　・化学計算

なんだかよくわからないですが、計算が大変そうですね。古典コンピュータは計算能力をとんでもなく上げてきて、20年くらい前(?)のスーパーコンピュータの計算能力が現代のスマートフォン(?)、PC(?)の大きさまで小さくなったんだそうです。ただそのようなコンピュータでも、計算量が爆発する問題(上記らへん)というのには原理的に追いつけないそうで、なのでエラー訂正機能を持つ大規模な量子コンピュータの実現が期待されています。世の中がどう変わるのか、楽しみですね。

-

-

-

参考

-

湊雄一郎

量子コンピュータの入門書を読んでいると超高確率で紹介されているのがショアのアルゴリズムです。素因数分解をとっても速く解ける量子コンピュータ用のアルゴリズムなんだそうです(現在ある誤り訂正のない量子コンピュータ(NISQ)ではできないっぽい)。

素因数分解というのは、中学校(?)でも習う、ある数字を素数のかけ算で表すことですね。素数というのは、1とその数字以外ではわりきれない数のことですね(たとえば17は1と17ではわりきれるがその間の数ではわりきれないため素数)。

何故それがあらゆる量子コンピュータの入門書で紹介されるかというと、現在のコンピュータ同士の通信を安全にしているRSA暗号というのは超巨大な数の素因数分解が難しいということを安全の根拠にしているのに、アルゴリズムを使うとそれを現実的な時間で解かれると考えられているからです。大変ですね。

入門書ではよく、量子は粒と波の両方の性質を持っていると説明されたりしますが、ショアのアルゴリズムではその波の性質をいい感じに使うのだそうです。よくわからないので変なことは書かずにおきます。いつか入門者に説明できるようになりたいですね。自分、入門者なんですが……。

-

ちなみに現在はそのショアさんが推薦した(?)という書籍の日本語訳版を買っていろいろ勉強しています。3冊構成で、1冊税抜き5,500円くらいでした。頑張ります。

-

-

-

参考

-

湊雄一郎

量子アルゴリズムは万能型とNISQ型があるそうです。NISQはNoisy Intermediate-Scale Quantum Computerだそうです。NISQはエラー訂正機能がないというのが違いだそうです(エラー訂正機能はまだ詳しく勉強していません…)。現代の量子コンピュータはNISQだそうです。

-

万能型の中のグローバー型という種類のアルゴリズムに「グローバーのアルゴリズム」というのがあります。これは細かいことを全て省くと、速く検索を行えるアルゴリズムだそうです(でもこの説明も怪しそうです…)。

流れは、1.特定のデータをマーキングする、2.全ての量子ビットに共通の操作をすることで求めたいデータだけを浮かび上がらせる(振幅増幅反転)3.「2」を繰り返し行いめっちゃ浮かび上がらせる、という操作だそうです。この流れを満たせば、グローバーのアルゴリズムにはいろいろな実装があるそうです。

重ね合わせた状態で同時に計算するので計算量が少なくて済み、データが増えるほど古典コンピュータとの計算量の差が広がっていくそうです。

一般書に書いてある簡単な例だと、何故それがすごいのかうまく読み取れないので、数学的背景を知ってからまた書けたらいいなと、そう思っています。

-

-

-

参考

-

湊雄一郎

現在開発が進められている量子コンピュータは、演算装置のみで構成されているので、演算のみでアルゴリズムを考える必要があるとのことです。古典コンピュータはメモリでデータを記憶しておいたり、制御装置で繰り返し処理や分岐処理をできたりします。

具体的には、「量子ゲート」を組み合わせた「量子回路」で表す必要があります。量子ゲートというのは1個とか2個とか3個とかの量子ビットに対して、その量子ビットの状態の変化を起こす存在です。なんかいっぱいあるので、それは時間をかけて勉強していきたいです……。

-

最近はハイブリッド型というのが考案されていて、古典コンピュータと量子コンピュータを組み合わせて、それぞれに得意な処理をさせるといいんじゃないという話があります。スーパーコンピュータとかクラウドとかサーバとかGPUとかも考え方は近いですよね。

-

-

-

参考

-

湊雄一郎

量子コンピュータの量子というのは、とても小さいもののことです。具体的には、原子前後からです。書いている書籍によって微妙に範囲が違う気がするので厳密な定義があるのかは調べないとですが、ここでは重視しないので調べないです。分子→原子→電子、陽子、中性子→クォーク？→？。調べないで書いているのでこの記載は信用しないでください。

量子コンピュータは量子の性質を使った計算機なので、新素材の研究とかに必要な科学計算(化学計算？)が得意だそうです。

-

量子コンピュータは古典コンピュータと同じ計算が可能ということで汎用性があるので、古典コンピュータのためのアルゴリズムも頑張れば使えそうらしいです。しかしそれでは既に技術が確立している古典コンピュータのほうが便利なのでそれで十分です。量子コンピュータは、専用のアルゴリズムを実行できてこそ真価が発揮されます。

-

-

-

参考

-

湊雄一郎

とても説明を省くと、量子コンピュータは2つの点ですごいらしいです。それは「汎用性」と「高速性」です。

-

汎用性

今の時代のみんなが普段使っているコンピュータを量子コンピュータと比較して古典コンピュータと言われることがありますが、古典コンピュータは汎用性があるらしいです。説明できないので説明は省きますが、古典コンピュータはあらゆる計算ができます == 汎用性があります。

量子コンピュータは計算の最も小さい単位で古典コンピュータの計算を再現できるので、汎用性があるとのことです。

-

高速性

汎用性だけの性質だと古典コンピュータと比較して優れているとは言えません。何故なら、古典コンピュータは既に確立した技術があって、そのレベルが毎年のように上がっているからです。

量子コンピュータは「古典コンピュータと同じ性質で、より速いマシンである」というわけではありません。

量子コンピュータの高速性というのは、2つの状態を重ね合わせて演算を進めるという点です。説明不足すぎますが、これを書いている本人も説明できるほど頭の中にすとんと落ちてきてないので、詳しくは書けないです。ごめんなさい。

でも古典コンピュータの並列計算とは違って、最終的に得られる答えは1つなんだそうです。つまり、全く新しい考え方が必要らしいのです。

-

-

-

参考

-

湊雄一郎