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大規模量子計算機の実用化における統計的問題 (量子統計モデリングのための基盤構築)

Takanori Sugiyama

Published Jan 1, 2017• 0 citations
OpenAlex

Abstract

量子計算機とは量子系の性質を積極的に利用して計算を行う装置の1種である。量子計算機を用いることにより、様々な問題の解を既存の計算機よりも高速に求められることが理論的に示されている。量子計算機の実用化のためには, 量子誤り訂正符号とよばれるエラー対策方法を導入し、その上でシステムの大規模化と演算のさらなる高精度化が必要となる。実装デバイスの演算精度を評価する手法として, 量子トモグラフィやRandomiaed Benchmarkingなど様々な統計的手法が提案され実験でも利用されている。しかしながら、現在提案されているどの手法にも長所と短所があり、量子誤り訂正に利用される演算の精度評価手法としてはどれも不十分である。本稿では、精度評価に利用される統計的手法の一つである量子トモグラフィの基本事項と課題、そして課題解決に向けた近年の試みについて解説する。

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陽子素粒子単一世界による虚実界面モデル(原典)

Masaru Morimoto

本稿は、虚界の状態を粒子性と波動性が未分化に共存する連続モードとして捉え、観測可能な実界へ移行する際に離散化が生じ、粒子として具現化する構造を示す。粒子化は連続モードへのデルタ作用として表され、波動成分は実界においても残存する。本稿では、虚実界面に定常波を描き、その波から粒子が生成される図解モデルを用いて、連続モードと離散モードの接続構造を視覚的に示す。

•Aug 17, 2026•0 citations

霧箱観測による結果判定の問題点(原典)

masaru morimoto

霧箱観測は荷電した何らかの物体が媒質をイオン化した際に生じる軌跡を可視化する装置として広く利用されてきた。しかし、霧箱に形成される軌跡が直ちに「粒子の通過」を意味するとする前提には、実験的厳密性の観点から再検討の余地がある。 霧箱はイオン化反応に対して応答する装置であり、反応を引き起こす主体が粒子であるか、あるいは別種の電荷を帯びた波動的・場的影響であるかを区別する機能を持たない。したがって、霧箱に軌跡が観測されたとしても、それを粒子の存在証拠と断定することは論理的に飛躍を含む。 この懐疑を解消するためには、追加実験として電磁波などの非粒子的電荷影響を霧箱に照射し、同様の反応が生じるかを検証することが有効である。本研究は、霧箱観測に基づく結果判定の妥当性について、実験装置の原理に立ち返り再評価する必要性を指摘する。

•Sep 11, 2026•0 citations

デジタル量子コンピュータ開発の進展と課題 (量子システム推定の数理)

Takanori Sugiyama

量子コンピュータとは量子系の性質を積極的に利用して計算を行う装置の1種である. 量子コンピュータを用いることにより, 特定の問題に対して既存のコンピュータよりも高速に(問題によっては指数関数的に速く)解を求められることが理論的に示されている. 現在実現している量子コンピュータは搭載している壁子ビット数が16程度と小規模であり, 既存のコンピュータと同規模の問題を扱うには, 量子誤り訂正符号とよばれるエラー対策方法を導入し, その上でシステムの大規模化と演算のさらなる高精度化が必要となる. 本稿では特に超伝導量子回路による量子コンピュータの開発状況を概説し, 開発における理論的な課題について説明する.

•Oct 1, 2017•0 citations

確率的対数領域計算による確率行列のスペクトルギャップ増幅

Kensuke Suzuki

近年,量子計算機の研究開発が盛んに行われており,量子計算量クラスに関する理論的な研究も活発に行われている.量子計算機は古典計算機に比べ高速に計算できることが期待されており,すでに実装可能な量子計算機がスーパーコンピュータを上回る性能に達しているという研究結果も存在する[3].しかし現在実装可能な量子計算機は古典計算機に比べ扱えるビット数が少ないため,量子領域計算クラスに関する困難性を明らかにすることは重要な課題となっている. また量子計算機はすべての問題において古典計算機より高速に計算できるわけではない.量子ビットは古典ビットに比べ少ない量で多くの情報を保持することが可能だが,保持した情報を一つずつ取り出すといった操作は得意ではない.こういった性質から,量子計算機では行列演算など複数の情報を用いた演算を古典計算機より少ないステップで行い,その結果を出力するという問題に強く,実際に行列に関する様々な問題の量子アルゴリズムが考案されている.こういった量子計算量クラスに関する様々な研究成果が出る中で,古典計算量クラスとの関係性を明らかにすることは量子計算機を活用するうえで重要な指標となる.現在行列問題における古典計算量クラスと量子計算量クラスの違いとして,扱えることのできる行列の種類や,近似を行う際の精度といったことが予想されている. このような背景より,古典における領域複雑性と行列問題の精度の観点から,Doron らの研究[6] に注目した.Doron らは確率行列の第二固有値を判定する問題について,逆多項式の精度を要求する場合はBPL 完全であることを示した.しかし彼らの研究において,より簡単な問題である定数精度を要求する第二固有値問題がどれほど困難かについては議論されておらず,定数精度と逆多項式精度の第二固有値問題における困難性が同等かは不明である.そこで本研究では逆多項式精度の第二固有値問題を定数精度に確率的対数領域計算で帰着させることで,定数精度と逆多項式精度の第二固有値問題が確率的対数領域計算において同等の困難性を持つことを示そうと試みた.結果として確率的対数領域計算が可能な状況では,定数精度の第二固有値問題が一部の逆多項式精度の問題より困難であることを示した.

•Mar 1, 2023•0 citations

Quantum Information Theory and Its Difficulty

Masahito Hayashi

近年の電子情報通信に関するデバイス技術の進化にしたがって,物理層の奥深くまで踏み込んだ情報処理が可能になりつつある.このような事情から,究極の情報処理理論として量子情報理論が定式化され,様々なバックグラウンドを持った研究者の努力により急激に進展した.しかしながら,量子情報理論では,これまでブラックボックスとして扱っていた部分に踏み込んで情報処理理論を展開するので,基本的概念の理解のレベルでさえ様々な参入障壁がある.本稿では,これらの障壁を取り除くため,初学者が誤解しやすい点や概念に重点を絞って解説する.例えば,波動関数と密度行列の違い,物理量とPOVM,状態複製と状態準備の違いなどについて丁寧に触れる.同時に,量子情報理論の最近の研究動向を解説する.具体的には状態識別,量子通信路符号化,量子鍵配送などの最新に成果にも触れる.

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本稿は、虚界の状態を粒子性と波動性が未分化に共存する連続モードとして捉え、観測可能な実界へ移行する際に離散化が生じ、粒子として具現化する構造を示す。粒子化は連続モードへのデルタ作用として表され、波動成分は実界においても残存する。本稿では、虚実界面に定常波を描き、その波から粒子が生成される図解モデルを用いて、連続モードと離散モードの接続構造を視覚的に示す。
霧箱観測は荷電した何らかの物体が媒質をイオン化した際に生じる軌跡を可視化する装置として広く利用されてきた。しかし、霧箱に形成される軌跡が直ちに「粒子の通過」を意味するとする前提には、実験的厳密性の観点から再検討の余地がある。 霧箱はイオン化反応に対して応答する装置であり、反応を引き起こす主体が粒子であるか、あるいは別種の電荷を帯びた波動的・場的影響であるかを区別する機能を持たない。したがって、霧箱に軌跡が観測されたとしても、それを粒子の存在証拠と断定することは論理的に飛躍を含む。 この懐疑を解消するためには、追加実験として電磁波などの非粒子的電荷影響を霧箱に照射し、同様の反応が生じるかを検証することが有効である。本研究は、霧箱観測に基づく結果判定の妥当性について、実験装置の原理に立ち返り再評価する必要性を指摘する。
量子コンピュータとは量子系の性質を積極的に利用して計算を行う装置の1種である. 量子コンピュータを用いることにより, 特定の問題に対して既存のコンピュータよりも高速に(問題によっては指数関数的に速く)解を求められることが理論的に示されている. 現在実現している量子コンピュータは搭載している壁子ビット数が16程度と小規模であり, 既存のコンピュータと同規模の問題を扱うには, 量子誤り訂正符号とよばれるエラー対策方法を導入し, その上でシステムの大規模化と演算のさらなる高精度化が必要となる. 本稿では特に超伝導量子回路による量子コンピュータの開発状況を概説し, 開発における理論的な課題について説明する.
近年,量子計算機の研究開発が盛んに行われており,量子計算量クラスに関する理論的な研究も活発に行われている.量子計算機は古典計算機に比べ高速に計算できることが期待されており,すでに実装可能な量子計算機がスーパーコンピュータを上回る性能に達しているという研究結果も存在する[3].しかし現在実装可能な量子計算機は古典計算機に比べ扱えるビット数が少ないため,量子領域計算クラスに関する困難性を明らかにすることは重要な課題となっている. また量子計算機はすべての問題において古典計算機より高速に計算できるわけではない.量子ビットは古典ビットに比べ少ない量で多くの情報を保持することが可能だが,保持した情報を一つずつ取り出すといった操作は得意ではない.こういった性質から,量子計算機では行列演算など複数の情報を用いた演算を古典計算機より少ないステップで行い,その結果を出力するという問題に強く,実際に行列に関する様々な問題の量子アルゴリズムが考案されている.こういった量子計算量クラスに関する様々な研究成果が出る中で,古典計算量クラスとの関係性を明らかにすることは量子計算機を活用するうえで重要な指標となる.現在行列問題における古典計算量クラスと量子計算量クラスの違いとして,扱えることのできる行列の種類や,近似を行う際の精度といったことが予想されている. このような背景より,古典における領域複雑性と行列問題の精度の観点から,Doron らの研究[6] に注目した.Doron らは確率行列の第二固有値を判定する問題について,逆多項式の精度を要求する場合はBPL 完全であることを示した.しかし彼らの研究において,より簡単な問題である定数精度を要求する第二固有値問題がどれほど困難かについては議論されておらず,定数精度と逆多項式精度の第二固有値問題における困難性が同等かは不明である.そこで本研究では逆多項式精度の第二固有値問題を定数精度に確率的対数領域計算で帰着させることで,定数精度と逆多項式精度の第二固有値問題が確率的対数領域計算において同等の困難性を持つことを示そうと試みた.結果として確率的対数領域計算が可能な状況では,定数精度の第二固有値問題が一部の逆多項式精度の問題より困難であることを示した.
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