4.「全部を同時に計算する」って本当？――量子計算の「重ね合わせ」とは
前回の記事では、
重ね合わせ → 量子状態の操作 → 干渉 → 測定
という、量子コンピューターの計算の流れを、一気に俯瞰しました。
今回は、その俯瞰図の中で最初に生まれやすい疑問を、もう少しだけ掘ってみます。
重ね合わせで、たくさんの可能性を同時に扱える。
じゃあ、量子コンピューターは全部の答えを並列に計算しているの？
という疑問です。
量子コンピューターの説明を読んでいると、よくこんな表現に出会います。
「量子コンピューターは、すべての可能性を同時に計算できる」
たとえば100万通りの候補があるなら、
古典コンピューターは一つずつ調べる。
量子コンピューターは100万通りを一度に計算する。
だから速い。
……なるほど。
と思いたくなります。
でも、本当にそうなのでしょうか。
今回は、
「全部を同時に計算する」とは、結局どういうことなのか
ここだけに少し寄ってみます。
たくさんの状態を同時に「扱える」
量子ビットでは、複数の状態を含んだ重ね合わせを作ることができます。
量子ビットが増えると、その組み合わせは急激に増えていきます。
20量子ビットなら、約100万通りです。
量子コンピューターでは、その多数の状態を含んだ量子状態全体に対して操作を行えます。
だから、
「たくさんの可能性を同時に扱える」
という説明自体は間違いではありません。
ここまでは、かなり景気のいい話です。
100万通りを一気に扱える。
なんだか、ものすごく仕事のできる人が突然入社してきた感じがします。
問題は、その次です（笑）。
でも、「100万個の答え」が手に入るわけではない
仮に、約100万通りを含む量子状態を作ったとします。
計算が終わって、
「では、その100万通りの結果を全部ください」
と言えるでしょうか。
言えません。
量子状態を最後に測定すると、得られる情報は限られます。
つまり、
100万通りを含んだ状態を扱えても、100万個の答えを一覧表として取り出せるわけではありません。
前回の記事でも触れた、とても重要なところです。
では、
全部読めないなら、100万通りを同時に持つ意味はあるの？
当然、そう思います。
「量子並列性」という考え方
ここで少し面白い話があります。
「量子コンピューターでは、たくさんの計算が並列に進んでいる」
という見方は、最近の初心者向け説明から始まったものではありません。
量子計算の理論を切り開いた研究者の一人、David Deutschも、1980年代から量子計算の「並列性」に注目していました。
Deutschはさらに、量子力学の多世界解釈と結びつけ、
複数の世界で計算が並行して進んでいる
と捉える見方も示しています。
もちろん、これは量子力学をどう解釈するかという話です。
「量子コンピューターの中に、100万台のコンピューターが隠れている」
という意味ではありません。
ただ、興味深いのは、
研究者自身も、この不思議な計算をどう捉えるのか考えてきた
ということです。
だから、
「0と1を同時に持つ？
で、それが何で速くなるの？」
と混乱するのは、それほど不思議なことではありません。
量子の世界は、そもそも日常感覚からかなり遠い。
ここは少し安心していいところです（笑）。
「全部を同時計算する」だけでは説明にならない
ここで、最初の表現に戻ります。
量子コンピューターは、すべての可能性を同時に計算できる。
これは、量子状態の特徴を直感的に伝える言い方としては分かりやすい。
でも、これだけだと、
全部の候補について答えを計算して、それを全部読める
ようにも聞こえます。
そこが誤解のもとです。
量子コンピューターで重要なのは、
多数の可能性を含んだ量子状態を、まとめて操作できる
ことです。
そして、その状態を測定する前に、
干渉などを利用して、
欲しい情報が測定結果に現れやすい状態へ変えていく。
ここに、量子アルゴリズムの工夫があります。
ただし今回は、干渉の仕組みそのものまでは掘りません。
前回、一度だけ全体像として通った場所なので、ここでは、
「全部を並列に計算している」と考えるだけでは足りない
というところまで分かれば十分です。
ここまでを整理すると
量子コンピューターは、
膨大な数の状態を重ね合わせとして扱えます。
しかし、
そのすべての計算結果を、一度に読み出せるわけではありません。
だから、
「全部を同時に計算できるから速い」
だけでは、量子コンピューターの説明としては足りません。
もう少し正確に言えば、
多数の可能性を含む量子状態を作り、その状態全体を操作できる。
そして大事なのは、
その状態を、測定する前にどう変えるのか。
です。
この先、
重ね合わせとは何なのか。
干渉で何が起きているのか。
測定すると何が起きるのか。
を一つずつ見ていくと、このあたりが少しずつつながってきます。
あとがき
今回を含めて、あと数回は、いつもより少し真面目に量子コンピューターの話を進めます。
最近、おちゃらけ成分が足りないぞ、と思った方。
大丈夫です。
故障ではありません（笑）。
前回は、
重ね合わせ → 量子状態の操作 → 干渉 → 測定
という量子計算の流れを、あえて一気に通りました。
今回は、その中から、
「全部を同時に計算する」という説明を、どこまで信じていいのか
という最初の引っかかりを取り出してみました。
ここからは、少し速度を落とします。
重ね合わせとは、実際には何なのか。
干渉すると、なぜ欲しい結果が出やすくなるのか。
測定すると、何が起きているのか。
一つずつ掘っていきます。
とはいえ、非ITの方に数式や専門用語を覚えてほしいわけではありません。
今回の記事で持ち帰っていただきたいのは、最低限この二つです。
量子コンピューターは、たくさんの可能性を同時に扱える。
でも、
その答えを全部まとめて読み出せるわけではない。
ここまで分かれば十分です。
あとは僕と一緒に、もう少しだけ量子の沼を歩いてみましょう。
……安心してください。
今のところ、まだ岸は見えています（笑）。
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