グローバーのアルゴリズムとは？わかりやすく解説

グローバーのアルゴリズムとは、N個の要素をもつ未整序データベースの中から指定された値を検索する探索問題を解くための量子コンピュータのアルゴリズムであり、O(N^1/2)のオーダーの計算量と、O(logN)のオーダー（ランダウの記号も参照）の記憶領域を消費する。1996年にロブ・グローバー（英語版）によって開発された。

概要

典型的には、未整序データベースからの探索は、O(N)の計算時間を要する線型探索を用いなければならない。グローバーのアルゴリズムは、O(N^1/2)の計算時間しか消費せず、未整序データベース探索を行う量子アルゴリズムの中で最も速い^[1]。

このアルゴリズムは他の量子アルゴリズムがしばしば、古典アルゴリズムと比較して指数的な速度向上をもたらすのとは異なり、二次の速度向上しかもたらさない。しかし、Nが大きければ、二次の向上でもかなりの向上となる。たとえば、グローバーのアルゴリズムを共通鍵暗号の総当り攻撃に利用すると、128ビット鍵であれば2⁶⁴の繰り返しで、256ビット鍵であれば2¹²⁸の繰り返しで求めることができる。このため、将来の量子総当り攻撃に対して安全性を持たせるために、鍵長を2倍にすることが提案されている^[2]。

他の量子アルゴリズムと同じように、グローバーのアルゴリズムは正しい解を高い確率で与える確率的アルゴリズムである。この解が正しくない確率は、このアルゴリズムを繰り返すことによって減少させることができる（確率的アルゴリズムでない、正しい確率が1の解を与える、決定的アルゴリズムについてはドイッチュ・ジョサのアルゴリズムを参照）。

応用

グローバーのアルゴリズムの目的は普通「データベース探索」とされるが、「逆関数の導出」と言うとより正確かもしれない。おおざっぱにいうと、y=f(x)という量子コンピュータで処理できる関数があったとして、このアルゴリズムを使うとあるyを与えるxの値を計算することができる。データベース探索は、データベースをインデックスxに対してデータyを与える関数と考えれば、逆関数を求めることと同値である。

グローバーのアルゴリズムは、平均と中央値を推定すること、また衝突問題（w:Collision problem）を解くのにも使える。また、可能性のある解を総当たりで探すことによってNP完全問題を解くことにも使える。これは、膨大な可能性を試すのに、重ね合わせを用いることで限られた計算量しか消費しないので、古典アルゴリズムに比べてかなりのスピードアップを見込めるが、指数時間かかってしまうことは変らない。あらかじめ解が複数あることとその個数がわかっている場合、このアルゴリズムはさらに高速化することができる。