量子計算機とは？ わかりやすく解説

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りょうし‐けいさんき〔リヤウシ‐〕【量子計算機】

読み方：りょうしけいさんき

⇒量子コンピューター


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量子コンピュータ

読み方：りょうしコンピュータ
別名：量子コンピューター，量子計算機
【英】quantum computer

量子コンピュータとは、量子力学の原理を応用した超並列処理により、超高速処理を可能とするコンピュータのことである。2008年現在は実現しておらず、研究が進められている。

量子とは、物理量に関する最小の単位であり、古典力学では把えられない性質を多数持っている。例えば、精確な観測ができない不確定性原理や、異なる二つの状態を保持できる「量子力学的重ね合わせ」の現象などがある。

現在のコンピュータでは、電子回路のスイッチのオン・オフによって0または1を表し、2進数のデジタルデータとして情報を処理している。データの単位はビットであるが、量子コンピュータとの対比においては「古典ビット」と呼ばれる。なお、量子コンピュータにおいては、情報の最小単位として「量子ビット」（qubit）が用いられる。

古典ビットは、常に0と1のいずれかの値のみ持つことができる。これに対して、量子ビットでは、「量子力学的重ね合わせ」により、1ビットにつき複数の0と1の値を保持することができる。これを利用することで、1ビット当りでの並列処理が実現される。また、処理の際に扱えるビット数を増やせば増やすほど、大量の情報を並列処理することが可能になる。

量子コンピュータは、現在のコンピュータとは比較にならないほど高速な処理を実現するとされる。現状では解読に数千年を費やす必要があるとされる暗号化アルゴリズムも、数分から数時間程度で解読可能になると言われている。

しかしながら、量子コンピュータの実現には多数の課題を抱えており、依然として実現はされていない。例えば、不確定性原理による量子の状態変化を起こさないように量子ビットを集積する技術や環境が必要である。また、実際に演算処理を行わせるためには、現在のコンピュータとは異なる独自のアルゴリズムを適用する必要もある。これらの困難の解決と、量子コンピュータの実現に向けて、世界各国の研究機関によって研究が進められている。

参照リンク
量子工学の世紀へ～超伝導量子コンピュータを目指して～ - （Japan Nanonet Bulletin インタビュー記事）
電子スピン量子コンピュータのメモリー特性 - （NTT先端技術総合研究所 研究成果ライブラリー）
「光半導体素子を用いた量子シミュレータを開発　― 新タイプの量子コンピュータへ道 ―」 - （国立情報学研究所）
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量子コンピュータ

(量子計算機 から転送)

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2025/04/23 21:38 UTC 版)

量子コンピュータ （りょうしコンピュータ、英: quantum computer）は量子力学の原理を計算に応用したコンピュータ[1]。古典的なコンピュータで解くには複雑すぎる問題を、量子力学の法則を利用して解くコンピュータのこと[2]。量子計算機とも。極微細な素粒子の世界で見られる状態である重ね合わせや量子もつれなどを利用して、従来の電子回路などでは不可能な超並列的な処理を行うことができる[1]と考えられている。マヨラナ粒子を量子ビットとして用いる形式に優位性がある。

概説

2022年時点でおよそ数十社が量子コンピュータ関連の開発競争に加わっており、主な企業としては、IBM (IBM Quantum)、Google Quantum AI、マイクロソフト、インテル、AWS Braket、Atos Quantumなどが挙げられる[3]。

研究成果の年表については、英語版のen:Timeline_of_quantum_computing_and_communicationを参照のこと。

実際に制作された量子プロセッサの一例（チャルマース工科大学のthe Nanofabrication Laboratoryが2017年5月に制作したもの）

1959年、アメリカの物理学者リチャード・P・ファインマンが量子力学の仕組みを計算に持ち込み、1980年、アルゴンヌ国立研究所のポール・ベニオフ（英語版）により、理論上量子コンピュータ（チューリングマシン）を開発することは可能であるとした。2011年、カナダのD-Wave Systemsより、量子アニーリングを用いた世界初の商用量子コンピュータ 「D-Wave One」を発表。2019年、IBM Quantum社からは、量子ハードウェア「IBM Q System One」を発表[2][4]。数千人の開発者がそれを利用できる状態になっている[2]。IBM Quantumは量子プロセッサを定期的に配布している[2]。

量子計算を「量子ゲート」を用いて行う方式のものについての研究がいまは最も盛んであるが、他の方式についても研究・開発は行われている。

いわゆる電気回路による従来の通常の2値方式のデジタルコンピュータ（以下「古典コンピュータ」）[注 1]の素子は、情報について、なんらかの手段により「0か1」のような排他的な2値のいずれかの状態だけを持つ「ビット」（古典ビット）により扱う。それに対して量子コンピュータは、「量子ビット」 (英: qubit; quantum bit、キュービット) により、量子状態の重ね合わせ（量子波動関数）によって情報を扱う。ここで言う重ね合わせとは「0,1,重なった値」という第三の値と言う意味ではなく、両方の値を一定の確率で持っており、観測時にどちらかに確定すると言うものである。

n量子ビットがあれば

BQPと他の計算複雑性クラスとの間に予想される関係[83]

量子コンピュータは容易に古典コンピュータをエミュレートすることが可能であるため、古典コンピュータで速く解ける問題（汎用問題）は、量子コンピュータでも同程度以上に速く解くことができる。よって汎用問題について、量子コンピュータは古典コンピュータ「以上」に強力な計算速度を持つ。ただし、同程度は可能だとしても、「より大きい」かどうかはよくわかっていない。

量子コンピュータに関係する複雑性クラスにBQPがありBQPはPを包含する。BQPとNPの関係は明確ではないが、BQPとNPは包含関係にないだろうと考えられている。

実際

Googleは量子ゲートマシンの高速性が2017年末までに実証されると予想した[84]。古典コンピューターよりも実際の量子ゲートマシンの方が高速に解ける問題が存在することを、量子超越性と呼び、このような問題の探索が続けられている。2019年10月23日、Googleは、ランダムに作った量子回路の出力結果を推定すると言う問題で、量子超越性を実証したと発表した[85]。

量子ゲートマシン上で素因数分解を行うショアのアルゴリズムは、2001年にIBMが世界で初めて15(=3×5)の分解に成功した[20]。2012年にブリストル大学が21(=3×7)の素因数分解を行い記録を更新したが[86]、21を超える数の素因数分解に成功したという報告はない(2019年9月時点)。

量子コンピュータとしては、量子ゲート型以外に、D-Waveなどの量子アニーリングやその他いくつかのタイプが提案されている、量子イジングマシンはQUBO(制約のない二値二次式の最適化)(英語版)に特化した専用計算機と言える。

脚注

[脚注の使い方]

注釈

  1. ^ 一般的でない例としては、数は少ないが3状態の素子で動作するコンピュータや、多値論理の応用などとして研究されている。MLC NANDフラッシュのように実用例も一部にはある。
  2. ^ ニューヨーク州ヨークタウンハイツの研究所に存在する。

出典

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関連項目

関連書籍

以下のリストは量子計算機やその数理について書かれた書籍を発行年代順に並べた。もちろん完全なものではない。

  • 西野哲朗：「量子コンピュータ入門」、東京電機大学出版局、ISBN 978-4-50152650-4（1997年3月10日）。
  • 大矢雅則：「量子コンピュータの数理」、丸善、ISBN 978-4-62104607-4 (1999年5月31日)。
  • 上坂吉則：「量子コンピュータの基礎数理」、コロナ社、ISBN 978-4-33902376-3（2000年5月26日）。
  • C.P.ウィリアムズ、S.H.クリアウォータ（共著）、西野哲朗、荒井隆、渡邊昇（共訳）：「量子コンピューティング：量子コンピュータの実現へ向けて」、シュプリンガー・フェアラーク東京、ISBN 978-4-43170869-8（2000年6月14日）。
  • 西野哲朗：「量子コンピュータと量子暗号」、岩波講座 物理の世界 物理と情報（第4巻）、岩波書店、ISBN 978-4-00-011159-1（2002年3月15日）。※2022年11月10日にオンデマンド版が発行（ISBN 978-4007312595）。
  • 広田修：「量子情報科学の基礎：量子コンピュータへのアプローチ」、森北出版、ISBN 978-4-62782741-7 (2002年4月15日)。
  • A.Yu.Kitaev、A.H.Shen、M.N.Vyalyi： "Classical and Quantum Computation"、American Mathematical Society、ISBN 978-0-82183229-5（2002年7月1日）。
  • ゲナディ P.ベルマン、ロンニエ マイニエリ：「入門量子コンピュータ」、パーソナルメディア、ISBN 978-4-89362192-4 (2002年9月)。
  • 西野哲朗：「量子コンピュータの理論：量子コンピューティング入門」、培風館、ISBN 978-4-56301551-0 (2002年12月12日)。
  • G.ミルバーン、林一 (訳)：「ファインマン・プロセッサ：夢の量子コンピュータ」、岩波書店、ISBN 978-4-00-005949-7（2003年1月29日）。
  • Jozef Gruska（著）、伊藤正美、今井克暢、岩本宙造、外山政文、森田憲一（共訳）:「量子コンピューティング」、森北出版、ISBN 978-4-62782791-2（2003年11月19日）。
  • Michael A.Nielsen、Issac L.Chuang(共著)、木村達也（訳）：「量子コンピュータと量子通信（I）」、オーム社、ISBN 4-274-20007-8（2004年12月20日）。※全3巻
  • 石井 茂：「量子コンピュータへの誘(いざな)い：きまぐれな量子でなぜ計算できるのか」、日経BP社、ISBN 978-4-82228211-0（2004年12月23日）。
  • Michael A.Nielsen、Issac L.Chuang(共著)、木村達也（訳）：「量子コンピュータと量子通信（II）」、オーム社、ISBN 4-274-20008-6（2005年1月10日）。※全3巻
  • Michael A.Nielsen、Issac L.Chuang(共著)、木村達也（訳）：「量子コンピュータと量子通信（III）」、オーム社、ISBN 4-274-20009-4（2005年1月10日）。※全3巻
  • 竹内繁樹：「量子コンピュータ：超並列計算のからくり」講談社 (ブルーバックス)、ISBN 978-4-06257469-3（2005年2月20日）。
  • 古澤明：「量子光学と量子情報科学」、数理工学社、ISBN 4-901683-23-3（2005年4月10日）。
  • D.Bouwmeester、A.Ekert、A.Zeilinger(編)：「量子情報の物理：量子暗号、量子テレポーテーション、量子計算」、共立出版、ISBN 978-4-320-03431-0 (2007年5月25日)。
  • 西野哲朗：「（図解雑学）量子コンピュータ」、ナツメ社、ISBN 978-4-81634131-1 (2007年7月18日)。
  • N. David Mermin："Quantum Computer Science: An Introduction"、Cambridge University Press、ISBN 978-0-52187658-2 (2007年8月30日）。
  • 宮野健次郎、古澤明：「量子コンピュータ入門」、日本評論社、ISBN 978-4-53578479-6 (2008年3月25日)。
  • Noson S. Yanofsky、Mirco A. Mannucci： "Quantum Computing for Computer Scientists"、Cambridge University Press、ISBN 978-0-52187996-5 (2008年8月11日）。
  • G.ベネンティ、G.ガザーティ、G.ストゥリーニ、廣岡一 (訳)：「量子計算と量子情報の原理」、シュプリンガージャパン、ISBN 978-4-43110009-6 (2009年5月)。
  • N.D.マーミン、木村元(訳)：「マーミン 量子コンピュータ科学の基礎」、丸善、ISBN 978-4-62108146-4（2009年7月30日）。
  • ジョージ・ジョンソン：「量子コンピュータとは何か」、早川書房（ハヤカワ文庫NF―数理を愉しむシリーズ）、ISBN 978-4-15050361-1 (2009年12月9日)。
  • 赤間世紀：「量子コンピュータがわかる本」、工学社、ISBN 978-4-77751514-1 (2010年4月1日)。
  • Michael A. Nielsen、Isaac L. Chuang： "Quantum Computation and Quantum Information: 10th Anniversary Edition"、Cambridge University Press、ISBN 978-1-10700217-3（2010年12月9日）。
  • Colin P. Williams: "Explorations in Quantum Computing"（2nd Ed.）, Springer、ISBN 978-1-84628886-9 (2010年12月27日)。
  • Willi-Hans Steeb、Yorick Hardy: "Problems and Solutions in Quantum Computing and Quantum Information"(3rd Ed.), World Scientific Pub、ISBN 978-9-81436632-8 (2011年9月16日)。
  • Jiannis K. Pachos: "Introduction to Topological Quantum Computation"、Cambridge Univ. Press,ISBN 978-1-10700504-4（2012年4月12日）。
  • G.ベネンティ、G.ガザーティ、G.ストゥリーニ、廣岡一 (訳)：「量子計算と量子情報の原理」、丸善出版、ISBN 978-4-62106227-2（2012年6月5日）。※2009年5月にシュプリンガージャパンから出た本の再刊行。
  • 石坂智、小川朋宏、河内亮周、木村元、林正人：「量子情報科学入門」、共立出版、ISBN 978-4-320-12299-4 (2012年6月10日)。
  • ジョン・グリビン、松浦俊輔 (訳)：「シュレーディンガーの猫、量子コンピュータになる。」、青土社、ISBN 978-4-79176771-7 (2014年3月20日)。
  • 情報処理学会(編)：情報処理2014年7月号別刷「《特集》量子コンピュータ」、情報処理学会、ISBN 978-4-90762601-3（2014年6月15日）。
  • Eleanor G. Rieffel、Wolfgang H. Polak: "Quantum Computing: A Gentle Introduction"、MIT Press、ISBN 978-0-26252667-8（2014年8月29日）。
  • 中山茂：「量子アルゴリズム」、技報堂出版、ISBN 978-4-76553343-0 (2014年10月1日)。
  • Richard J. Lipton、Kenneth W. Regan: "Quantum Algorithms via Linear Algebra: A Primer"、MIT Press、ISBN 978-0-26202839-4（2014年12月5日）。
  • 竹内薫：「量子コンピューターが本当にすごい」、PHP研究所、ISBN 978-4-56982498-7（2015年5月16日）。
  • 西野哲朗、岡本 龍明、三原孝志：「量子計算」（ナチュラルコンピューティング・シリーズ第6巻）、近代科学社、ISBN 978-4-76490486-6 (2015年10月31日)。
  • 西野友年:「今度こそわかる量子コンピューター」、講談社、ISBN 978-4-06156605-7（2015年10月23日）。
  • Keisuke Fujii: "Quantum Computation with Topological Codes: From Qubit to Topological Fault-Tolerance", Springer、ISBN 978-9-81287995-0（2016年1月13日）。
  • 宮野健次郎、古澤明:「量子コンピュータ入門」(第2版)、日本評論社、ISBN 978-4-53578805-3（2016年3月3日）。
  • 中山茂:「クラウド量子計算入門：IBMの量子シミュレーションと量子コンピュータ」、カットシステム、ISBN 978-4-87783408-1 (2016年9月1日)。
  • Tudor D. Stanescu: "Introduction to Topological Quantum Matter & Quantum Computation"、CRC Press、ISBN 978-1-48224593-6 (2016年12月7日)。
  • 西森秀稔、大関真之:「量子コンピュータが人工知能を加速する」、日経BP社、ISBN 978-4-82225189-5（2016年12月9日）。
  • 小柴健史、藤井啓祐、森前智行:「観測に基づく量子計算」、コロナ社、ISBN 978-4-33902870-6 (2017年3月10日)。
  • 富田章久:「量子情報工学」、森北出版、ISBN 978-4-62785381-2（2017年3月3日）。
  • Mingsheng Ying、川辺治之（訳）：「量子プログラミングの基礎」、共立出版、ISBN 978-4-320-12405-9（2017年3月31日）。
  • 占部伸二：「個別量子系の物理：イオントラップと量子情報処理」、朝倉書店、ISBN 978-4-254-13123-9 (2017年10月15日)
  • 森前智行:「量子計算理論：量子コンピュータの原理」、森北出版、ISBN 978-4-62785401-7（2017年11月13日）。
  • 中山茂:「クラウド量子計算：量子アセンブラ入門」、NextPublishing Authors Press、オンデマンド印刷本 (2018年1月15日)。
  • 中山茂：「Python クラウド量子計算 QISKITバイブル」、オンデマンド自主出版（2018年5月3日）。
  • 西森秀稔、大関 真之：「量子アニーリングの基礎」、共立出版、ISBN 978-4-320-03538-6（2018年5月19日）。
  • 中山茂：「Python量子プログラミング入門」、オンデマンド自主出版（2018年6月25日）。
  • 長橋賢吾：「図解入門 よくわかる 最新 量子コンピュータの基本と仕組み」、秀和システム、ISBN 978-4-79805455-1（2018年9月26日）。
  • 中山茂：「Python量子プログラミング入門2」、オンデマンド自主出版（2018年10月28日）。
  • 「量子コンピュータ／イジング型コンピュータ研究開発最前線」、株式会社情報機構、ISBN 978-4-86502-165-3 (2019年2月）。
  • 古澤明：「光の量子コンピューター」、集英社インターナショナル (インターナショナル新書)、ISBN 978-4-79768035-5（2019年2月7日）。
  • 中山茂：「Qiskit 量子プログラミング入門」、オンデマンド自主出版（2019年2月8日）。
  • 湊雄一郎：「いちばんやさしい量子コンピューターの教本」、インプレス、ISBN 978-4-29500607-7（2019年5月20日）。
  • 宇津木健、徳永裕己 (監修)：「絵で見てわかる量子コンピュータの仕組み」、翔泳社、ISBN 978-4-79815746-7 （2019年7月10日）。
  • 高木剛：「暗号と量子コンピュータ：耐量子計算機暗号入門」、オーム社、ISBN 978-4-27422410-2（2019年8月25日）
  • Emily Grumbling and Mark Horowitz(Eds):"Quantum Computing: Progress and Prospects (2019)", The National Academies Press, Washington, DC, ISBN 978-0-309-47969-1 (Sep, 4th, 2019).
  • Jack D. Hidary:"Quantum Computing: An Applied Approach"、Springer、ISBN 978-3-03023921-3 (2019年9月20日)。
  • 佐川弘幸、吉田宣章：「量子情報理論 第3版」、丸善出版、ISBN 978-4-62130416-7（2019年10月30日）。
  • 藤井啓祐：「驚異の量子コンピュータ：宇宙最強マシンへの挑戦」、岩波書店 (岩波科学ライブラリー)、ISBN 978-4-00-029689-2（2019年11月20日）。
  • Emily Grumbling ・Mark Horowitz 編:「米国科学・工学・医学アカデミーによる量子コンピュータの進歩と展望」、共立出版、ISBN 978-4-320-12455-4 (2020年1月14日).
  • Chris Bernhardt、湊雄一郎 (監訳), 中田真秀 (監訳) ：「みんなの量子コンピュータ」、翔泳社、ISBN 978-4-79816357-4（2020年1月24日）。
  • 武田俊太郎：「量子コンピュータが本当にわかる!：第一線開発者がやさしく明かすしくみと可能性」、技術評論社、ISBN 978-4-29711135-9（2020年2月19日）。
  • 遠藤理平：「14日で作る量子コンピュータ：シュレディンガー方程式で量子ビット・量子ゲート・量子もつれを数値シミュレーション Python版」、カットシステム、ISBN 978-4-87783471-5（2020年5月1日）。
  • 小林雅一：「ゼロからわかる量子コンピュータ」、講談社現代新書、ISBN 978-4-06528299-1（2022年6月15日）。
  • 縫田光司：「耐量子計算機暗号」、森北出版、ISBN 978-4-62787211-0 (2020年8月6日）。
  • Eric R. Johnston, Nic Harrigan, Mercedes Gimeno-Segovia：「動かして学ぶ量子コンピュータプログラミング」、オライリージャパン、ISBN 978-4-87311919-9 （2020年8月27日）。
  • Maria Schuld、Francesco Petruccione、大関 真之 (監訳)：「量子コンピュータによる機械学習」、共立出版、ISBN 978-4-320-12462-2（2020年8月28日）。
  • 嶋田義皓：「量子コンピューティング：基本アルゴリズムから量子機械学習まで」、オーム社、ISBN 978-4-274-22621-2（2020年11月9日）。
  • 杉﨑研司：「量子コンピュータによる量子化学計算入門」、講談社、ISBN 978-4-06521827-3（2020年12月7日）。
  • 湊雄一郎, 加藤拓己, 比嘉恵一朗, 永井隆太郎：「IBM Quantumで学ぶ量子コンピュータ」、秀和システム、ISBN 978-4-79806280-8 （2021年3月6日）。
  • Sarah C. Kaiser, Christopher Granade：”Learn Quantum Computing with Python and Q#: A hands-on approach”、Manning、ISBN 978-1-61729613-0（2021年6月22日）。
  • Johnny Hooyberghs： "Introducing Microsoft Quantum Computing for Developers: Using the Quantum Development Kit and Q#"、Apress、ISBN 978-1-48427245-9 (2021年12月10日)。
  • Filip Wojcieszyn: "Introduction to Quantum Computing with Q# and QDK"、Springer、ISBN 978-3-03099378-8（2022年5月7日）。
  • Mariia Mykhailova: "Q# Guide: Instant Help for Q# Developers"、Oreilly、ISBN 978-1-09810886-1（2022年7月19日）。
  • S. C. Kaiser, C. Granade, 黒川 利明 (訳):「PythonとQ#で学ぶ量子コンピューティング」、朝倉書店、ISBN 978-4-25412268-8 (2022年9月6日)。
  • 西村治道:「基礎から学ぶ 量子計算：アルゴリズムと計算量理論」、オーム社、ISBN 978-4-274-22969-5（2022年11月18日）。
  • 束野仁政：「量子コンピュータの頭の中――計算しながら理解する量子アルゴリズムの世界」、技術評論社、ISBN 978-4-29713511-9（2023年6月19日）。
  • 工藤 和恵：「基礎から学ぶ 量子コンピューティング：イジングマシンのしくみを中心に」、オーム社、ISBN 978-4-27423050-9（2023年6月23日)。
  • Yongshan Ding、Frederic T. Chong： 「量子コンピュータシステム；ノイズあり量子デバイスの研究開発」、オーム社、ISBN 978-4-27423066-0（2023年7月3日）。
  • 間瀬英之、身野良寛：「量子コンピュータまるわかり」、日本経済新聞出版，ISBN 978-4-296-11878-6 (2023年12月6日)。
  • 曽我部東馬：「Pythonではじめる量子AI入門」、科学情報出版、ISBN 978-4-91055832-5（2024年8月22日)。
  • 中田芳史：「量子情報理論：情報から物理現象の理解まで」、朝倉書店、ISBN 978-4-254-13532-9 (2024年10月1日)。
  • 情報処理学会誌「情報処理」, Vol.66, No.5（May 2025）特集「社会を変える量子コンピュータ活用」｡

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