量子コンピューター実習

量子コンピュータは、計算の手順を書いた量子アルゴリズムをハードウェアで 実行できる形式に変換し、それを量子計算の基本ユニット（量子ビット）に 適用することで目的の計算を行う。この実習では、量子計算の基礎、量子回路、 基底状態と量子状態のダイナミクス、エラー抑制、エラー訂正、誤り耐性量子 コンピュータでの量子アルゴリズムなどを通して、基礎から応用まで実例を交 えて幅広く学習する。特に最新の量子コンピュータを使い、量子力学の特徴を 使った計算手法や量子アルゴリズムの実践的な実習を行う。 量子コンピュータに触れる - 量子計算の基礎、量子回路、ゲート - CHSH不等式の破れを確認する - 実習：回路を実機で実行する 量子回路の実装 - Qiskitの基本構造を学ぶ - 量子計算のプログラミング - 実習：シミュレータ・実機での実行 超並列計算機としての量子コンピュータ - 量子フーリエ変換による足し算 - 量子系のダイナミクスシミュレーション - 実習：ハイゼンベルグモデルの時間発展 エラー抑制の基礎 - 量子計算におけるエラー - 外挿法によるエラー抑制 - 実習：ハイゼンベルグモデルの時間発展におけるエラー抑制 エラー抑制の応用 - 量子多体計算に特有のエラーとそのエラー抑制 - 実習：ハイゼンベルグモデルの基底状態におけるエラー抑制 エラー訂正 - エラー訂正とは - 小規模な量子誤り訂正符号 - 大規模な量子誤り訂正符号 - 誤り耐性量子計算 ショアのアルゴリズム - 量子位相推定とは - アルゴリズム本体を学ぶ - 実習：シミュレータでの実行 量子位相推定とエネルギー固有値問題 - 物理モデル - 時間発展シミュレーションと位相推定 - 実習：シミュレータでの固有値推定 グローバーのアルゴリズム - アルゴリズムを幾何学的に学ぶ - 量子振幅推定 - 実習：シミュレータと実機での実行 量子固有値変換、量子特異値変換 - アルゴリズムの基礎を学ぶ - ブロックエンコーディング - 問題への応用 ----------------------------------------------------------------------------------- 量子ハードウェアの講義と実習は、セメスター終了後に希望者のみで 行う予定。 【講義】 超伝導量子コンピュータの仕組みと操作 - 回路量子電磁力学の基礎を学ぶ - 超伝導量子ビットとは - 量子ビットの操作と読み出し 超伝導量子コンピュータの実機環境 - 超伝導量子ビットの製作 - 希釈冷凍機、マイクロ波制御・読み出し系 - 量子コンピュータ以外への応用 【実習】 本実習では、超伝導量子コンピュータの実際のハードウェアを使って、 量子ビット-共振回路系の操作や測定を行う。マイクロ波パルスを照射して 量子ゲートを実装する仕組みを理解し、実物の量子コンピュータを使って その実装を試みる。実機で計算を行うことの難しさや量子力学特有の現象 が発現する様子に触れ、その実験的面白さを体験することを目指す。

講義を行ったあとに、各自のコンピュータを使って実習用ワークブックに ある量子プログラムを実行する。ワークブックは、ウェブブラウザ上で インタラクティブに動く形式で提供する。プログラムの実習はIBM量子 コンピュータにアクセスして実機上で走らせるが、問題に応じて シミュレータも活用する。 IBM量子コンピュータを使用するため、受講にはIBMidのアカウント作成 と登録が必要になる。詳細は、実習用ワークブックの中の「実習の準備」 を参照すること。 実習を進める上でPythonの予備知識を持っていることが望ましい。実習用 ワークブックの中の「予備知識：Python」を参照すること。

レポート

ノートパソコンを持っていること。 予備知識として、プログラミング言語のPythonを理解していることが 望ましいが、並列に学ぶことも可とする。実習用ワークブックの中の 「予備知識：Python」を参照すること。 実習では、IBMが提供するQiskitというソフトウェアライブラリを使用 する。詳細は、実習用ワークブックの中の「実習の準備」を参照する こと。