1量子ビットを制御してみよう：踊るバズワード 〜Behind the Buzzword（4）量子コンピュータ（4）（3/8 ページ）

量子ビットを制御する「量子ゲート」

　さて、ここからは、量子ビットを制御する ―― あるいは、”0猫”、”1猫”に虐待の限りを尽くす ―― 量子ゲートの「種類」についてお話します。

　いろいろな量子ゲートがあるようですが、私は、この4つを選んでみました。

　「（1）恒等ゲートI」は、入力した量子ビットの状態を、同じ量子ビットの状態で出力するゲートで、正直、何のためにあるんだ？と、私は首をかしげています（後述）。

　「（2）位相シフトゲートP_θ」は、”0猫”と”1猫”の相対的な位相を任意の角度にずらすことができるゲートです。

　「（3）否定ゲート」は、”0猫”と”1猫”を入れ替えるゲートです。考え方としては、古典ゲートの”NOT”に似ている ―― と思われるかもしれませんが、その制御方法は恐ろしく複雑です（後述）。

　ところで、上記の図では、入力は”0猫”のみ、または”1猫”のみの入力、となっていますが、実際はもっと複雑な量子ビットの入力もあり、こんな単純な例だけではありません。

　例えば、”0猫”と”1猫”が重なった状態の量子ビットを否定するとどうなるか、と考えると、量子ゲートの”NOT”ほど単純な処理にはなりません（例えば、1/√2（“0猫”+”1猫”）を入力とすると、出力は、1/√2（“0猫”+”1猫”）となります。つまり変化しません）。

　「（4）アダマールゲートH」は、量子ゲートの中で最も有名なゲートです。なぜなら、このゲートは、”0猫”または”1猫”から、”0猫”または”1猫”を重ね合わせた状態、すなわち「もつれ状態」を作り出すゲートだからです。量子計算は、この「もつれ状態」を作らないことには何も始められません。

　量子ゲートの制御をブロッホ球で理解したい方は、こちらのアプリケーションでざっくりした理解ができます。

　しかし、”0猫”と”1猫”の重ね合わせ状態を入力とした量子ビットからの、量子ビットの状態をブロッホ球上で見たい（私は見たかった）のであれば、こちらからブロッホ球のアプリケーションをダウンロードして利用することをお勧めします。

　アダマールゲートとは、Z軸とX軸の間の45度の傾きの軸を用意し、その軸を回転中心として180度させるゲートです。

【注意】このアプリケーションのアダマールゲートの変換時のベクトルの”結果”は正しいのですが、その途中の”移動”の動きには違和感があります（最短移動しない）。ですので、その”移動軌跡”を私なりに図に書き加えてみたのですが、正直、これも自信ありません（これ、本当に180度になっているか？）^＊）

＊）この連載の第1回で「『分からん』ことは、『分からん』と書く」とお約束しましたので。

　さて、以上をまとめますと、量子ゲートとは、「（1）”0猫”状態だけの猫から出発して、（2）”0猫”と”1猫”のさまざまな重ね合わせ状態の猫に作り直す」、強制的な量子状態の変換装置であり、この強制変換そのものが、量子コンピュータの計算の本体です^＊）。

＊）この強制変換の大変さは、「25メートルプールの水面の波の形を、（魔法とかを使わずに）一瞬で『自分がイメージした波』に変換させる」ような方法をイメージすれば、ご理解いただけると思います（プールをクレーンで吊り上げて、揺らして、たたいて、プールのサイズを自由自在に変更させて……それでも、全然足りないくらいの「大変さ」）

　電子を使った量子ドットビットの量子ゲートであれば、この「”0猫”、”1猫”に虐待の限りを尽くす」……ではなく、2つの量子状態を強制的に変換する方法を使います。これが、前回ご紹介した、「ラビ振動」 ―― 正確に言うと、ラビ振動を起こさせる電流（と温度、磁場）の制御 ―― です。

（ちなみに私は、前回のコラムで、この制御のことを「量子ビットの初期化」と言っていましたが、これこそが「ゲート処理」そのものでした。一般に、量子ビットの初期化と言えば、猫を”0猫”だけの状態にすることです。お詫びして訂正いたします）

　つまり、”0猫”と”1猫”に与える超高周波の微弱電流の「時間」と「位相」を制御できれば、任意のラビ振動を作り出すことができて、その結果、ブロッホ球上のどこにでも”0猫”と”1猫”を作り出すことができる ―― つまり、万能な1ビット量子ゲート「全ユニタリーゲート」を実現できるのです。

　驚くべきことに、量子ビットは、超高周波の微弱電流の「位相」を調整した後、ある一定時間待っていれば、その状態になってしまうことがあります ―― というと、簡単のように聞こえるかもしれませんが、光が1cm単位進む時間単位で制御しなればならない、超絶高精度なタイミング制御が必要です。

　まあ、パソコンのI/Oで制御できるような代物ではない ―― ということは、私にも分かるのですが、その操作装置の仕組みがよく分からないのです。

　論文には実験結果は記載されていますが、実験装置（設計図）についてはあまり詳しく記載してもらえないようです^＊）。

＊）まあ、実験装置=量子コンピュータそのもので、ノウハウの塊ですから、当然かもしれません。または実験装置は、自作しないで「外注会社に丸投げ」ということかもしれません（私も身に覚えがあります）

　さて、1量子ビットのラビ振動を使った操作方法の概要を、以下に記載しておきます（位相制御については割愛しています）。

　「1量子ビットのゲートの制御」を調べている最中に、私は、突然気が付きました。

　―― これは、運転手を目隠ししたまま、自動車を運転させることと同じだ

と。

　本当にしつこくて申し訳ありませんが ―― 量子状態の量子を観測してしまったら（つまり量子を「見て」しまったら）、その時点で、量子計算はオジャンです。量子状態”0猫+1猫の重ね合わせ状態”から、が”0”または”1”の状態に確定してしまうからです。

　ということは ―― 量子計算（量子ゲート処理）を続ける為には、量子状態が分からないままの状態で、超高周波の微弱電流の位相と時間を制御し続けなければならない、ということです。

　制御対象（量子ビット）を全く見ないで、制御する ―― これは制御工学の常識外（というか、”非常識”）です。量子コンピュータは、これまでの制御のパラダイムを全く使用できない、恐ろしく面倒くさい制御対象であることを、再度、ご確認頂きたいと思います（一般には「制御」って、こんな感じのものです）。

　『古典コンピュータだって、計算中のビットを観測していないのではないか？』と思われるかもしれませんが、実は、私たちが使っているコンピュータでは、常時「誤りビット訂正」が行われ続けていて、観測され続けています。

　あるいは、『なるほど、無観測の制御は難しいだろう。しかし、所詮は、スイッチング（ON／OFF + 特定位相（90度、180度））制御をしているだけだろう？』とか言われるかもしれないと思うと、量子コンピュータの計算手法をバカにされているようで、悔しい気持ちになってきました（私が、悔しがる必要はないのですが）。

　そこで、「最も基本的な1ビット量子ゲートのタイミング制御（位相制御は省略）だけでも、こんなにも面倒くさいんだ」ということを、雰囲気だけでも味わって頂くためだけに、以下の表を作りました（参考：「14日で作る量子コンピュータ」（遠藤理平／2020年） ―― まあ、読まずに、スルーして頂いて結構です。