量子情報科学

量子情報科学は、量子力学、情報理論、コンピュータサイエンスの原理を融合させ、量子現象を情報の処理、分析、伝送にどのように活用できるかを探求する学際的な分野です。[ 1 ]量子情報科学は、量子情報で達成できる限界を含む、量子物理学の理論的側面と実験的側面の両面をカバーしています。 「量子情報理論」という用語が使われることもありますが、これは情報処理の理論的側面を指し、実験的研究は含まれていません。[ 2 ]

量子情報科学の核心は、量子システムを用いて情報が保存・操作された際にどのように振る舞うかを探求することです。0か1かしか取れないビットで符号化された古典情報とは異なり、量子情報は重ね合わせによって複数の状態が同時に存在できる量子ビット（キュービット）を用います。[ 3 ]さらに、量子もつれ（粒子間の量子特有の結合）は、古典情報には見られない相関関係を可能にします。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

科学技術研究

量子情報科学は本質的に学際的であり、物理学、コンピュータサイエンス、数学、工学を融合しています。理論的枠組みの開発、量子アルゴリズムの設計、量子ハードウェアの構築、量子通信プロトコルの実装などが含まれます。[ 7 ]

量子テレポーテーション、量子もつれ、そして量子コンピュータの製造は、量子物理学と量子工学の包括的な理解に依存しています。GoogleやIBMをはじめとする企業は、量子コンピュータのハードウェア研究に多額の投資を行っており、2010年代以降、量子​​コンピュータの製造において大きな進歩を遂げてきました。現在、100量子ビットを超える量子コンピュータの構築は可能ですが、デコヒーレンス[ 8 ] 、量子コンピュータ製造に適したハードウェアや材料の不足など、いくつかの要因によりエラー率が高く、スケーラブルな量子コンピュータの作成が困難になっています。[ 9 ]

量子暗号デバイスは現在、商用利用が可能です。冷戦時代にスパイが使用した暗号であるワンタイムパッドは、暗号化にランダム鍵の列を使用します。これらの鍵は、量子もつれ粒子対を用いて安全に交換できます。これは、複製不可能定理と波動関数の崩壊の原理により、ランダム鍵の安全な交換が保証されるためです。量子もつれ粒子を伝送できるデバイスの開発は、科学と工学の両面で重要な目標です。

Qiskit、Cirq、Q Sharpは人気の量子プログラミング言語です。量子コンピュータ向けの追加のプログラミング言語と、有能な量子プログラマーのより大きなコミュニティが必要です。このためには、追加の学習リソースが必要です。量子プログラミングには多くの基本的な違いがあり、従来のプログラミングから引き継ぐことができるスキルの数が制限されるためです。[ 10 ] OpenQASM（Open Quantum Assembly Language）は、量子回路を記述するために設計された、マシンに依存しない命令型プログラミング言語です。量子回路モデルに基づいており、ゲート、測定、リセット、リアルタイムの古典的計算などのパラメーター化された操作の順序付けられたシーケンスとして量子プログラムを表します。量子アルゴリズムの実装に加えて、OpenQASMは量子プロセッサの特性評価、検証、デバッグなどのタスク用の回路の仕様指定も可能にします。[ 11 ]

量子アルゴリズムと量子複雑性理論は、アルゴリズムと計算複雑性理論における2つの主要な研究分野です。1994年、数学者ピーター・ショアは素因数分解のための量子アルゴリズムを発表しました[ 12 ]。このアルゴリズムは、4,000個の論理量子ビットを持つ量子コンピュータを用いれば、 RSAやECCといった広く使用されている暗号を解読できる可能性があり、セキュリティ上の大きな脅威となりました。このことが、量子コンピューティング研究への投資増加と、フォールトトレラント量子コンピューティング（FTQC）時代への備えとしての耐量子暗号の開発につながりました[ 13 ] 。 [ 14 ] [ 15 ]

参照

参考文献

  1. ^ワトラス、ジョン (2018年4月26日). 『量子情報理論』 ケンブリッジ大学出版局. ISBN 978-1-316-85312-2。
  2. ^ 「量子情報科学」www.pnnl.gov . 2025年8月6日閲覧。
  3. ^ニールセン, マイケル・A.; チュアン, アイザック・L. (2010年12月9日). 『量子計算と量子情報：10周年記念版』 . ケンブリッジ大学出版局. ISBN 978-1-139-49548-6。
  4. ^ Bub, Jeffrey (2023)、「量子もつれと情報」、Zalta, Edward N.、Nodelman, Uri (編)、『スタンフォード哲学百科事典』（2023年夏版）、スタンフォード大学形而上学研究室、 2025年8月6日閲覧。
  5. ^ Brukner, Caslav; Zukowski, Marek (2009). 「ベルの不等式：基礎と量子通信」. arXiv : 0909.2611 [ quant-ph ].
  6. ^ Braunstein, SL (2005). 「量子情報処理におけるエンタングルメント」 . Akulin, VM; Sarfati, A.; Kurizki, G.; Pellegrin, S. (編). NATO科学シリーズII：数学、物理学、化学. 第189巻. ドルドレヒト：Springer Netherlands. pp.  17– 26. Bibcode : 2005deip.book...17B . doi : 10.1007/1-4020-3283-8_3 . ISBN 978-1-4020-3283-7。{{cite book}}:|journal=無視されました (ヘルプ) ;欠落または空です|title=(ヘルプ)
  7. ^ 「量子情報科学」 Energy.gov 2024年11月15日2025年8月6日閲覧。
  8. ^ Schlosshauer, Maximilian (2019-10-25). 「量子デコヒーレンス」 . Physics Reports . 831 : 1– 57. arXiv : 1911.06282 . Bibcode : 2019PhR...831....1S . doi : 10.1016/j.physrep.2019.10.001 . ISSN 0370-1573 . 
  9. ^ de Leon, Nathalie P.; Itoh, Kohei M.; Kim, Dohun; Mehta, Karan K.; Northup, Tracy E.; Paik, Hanhee; Palmer, BS; Samarth, N.; Sangtawesin, Sorawis; Steuerman, DW (2021-04-16). 「量子コンピューティングハードウェアにおける材料の課題と機会」 . Science . 372 ( 6539) eabb2823. Bibcode : 2021Sci...372.2823D . doi : 10.1126/science.abb2823 . OSTI 1777671. PMID 33859004 .  
  10. ^ Ömer, Bernhard (2005-07-01). 「量子プログラミングにおける古典的概念」. International Journal of Theoretical Physics . 44 (7): 943– 955. arXiv : quant-ph/0211100 . Bibcode : 2005IJTP...44..943O . doi : 10.1007/s10773-005-7071-x . ISSN 1572-9575 . 
  11. ^ 「OpenQASMの紹介」IBM Quantumドキュメント。2025年8月22日閲覧。
  12. ^ Shor, Peter W. (1999年1月). 「量子コンピュータにおける素因数分解と離散対数のための多項式時間アルゴリズム」 . SIAM Review . 41 (2): 303– 332. Bibcode : 1999SIAMR..41..303S . doi : 10.1137/S0036144598347011 . ISSN 0036-1445 . 
  13. ^バーンスタイン、ダニエル・J.（2025）、「ポスト量子暗号」、暗号、セキュリティ、プライバシー百科事典、シュプリンガー、チャム、pp.  1846– 1847、doi：10.1007 / 978-3-030-71522-9_386、ISBN 978-3-030-71522-9、 2025年8月6日閲覧
  14. ^ Häner, Thomas; Jaques, Samuel; Naehrig, Michael; Roetteler, Martin; Soeken, Mathias (2020). 「楕円曲線離散対数のための改良量子回路」 . Ding, Jintai; Tillich, Jean-Pierre (編).ポスト量子暗号. コンピュータサイエンス講義ノート . Cham: Springer International Publishing. pp.  425– 444. arXiv : 2001.09580 . doi : 10.1007/978-3-030-44223-1_23 . ISBN 978-3-030-44223-1。
  15. ^ゴッテスマン, ダニエル (1998-01-01). 「フォールトトレラント量子計算の理論」 . Physical Review A. 57 ( 1): 127– 137. arXiv : quant-ph/9702029 . Bibcode : 1998PhRvA..57..127G . doi : 10.1103/PhysRevA.57.1 ​​27.
  • Quantiki – 量子情報科学ポータルとウィキ。
  • ERAパイロットQIST WP1量子情報処理と通信に関する欧州ロードマップ
  • QIIC – 量子情報、インペリアル・カレッジ・ロンドン。
  • QIP – リーズ大学量子情報グループ。リーズ大学の量子情報グループは、量子情報の幅広い側面を研究しています。研究対象は、アルゴリズム、量子計算、情報処理の物理的実装、量子力学の基礎問題など多岐にわたります。また、一般の方向けの基本的なチュートリアルも含まれています。
  • 数学と量子情報に関するmathQI研究グループ。
  • 南カリフォルニア大学量子情報科学技術センター（CQIST ）
  • CQuIC量子情報制御センターには、ニューメキシコ大学、アリゾナ大学の理論および実験グループが含まれます。
  • シンガポール国立大学CQT量子技術センター
  • CQC2T量子計算・通信技術センター
  • QST@LSUルイジアナ州立大学量子科学技術グループ
  • QIST@TU Delft TU Delft の量子情報科学 & テクノロジー修士課程。
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