課題研究のまとめ①
静岡県立磐田南高校
理数
科1年木村宇恭
2021年3月
目次
①Xゲート ④CZゲート
②Hゲート ⑤CCXゲート
③CXゲート ⑥量子ゲートを用いて作成した古典の
論理ゲート
①半加算器
②全加算器⑴
③全加算器⑵
①オラクル
②振幅増幅
③量子ビットを用いたオラクルの作成
④繰り返しの回数
量子ゲート
量子ゲートを
用いた計算
振幅増幅
Ⅹゲート
Ⅹゲートを通過した量子ビットを反転させる
❘0>→ →❘1>
❘1>→ →❘0>
|0>にXゲートを適用すると|1>、
|1>にXゲートを適用すると|0>
になるので、古典のNOTゲートの
ような操作が実現でき、ビット反
転とも呼ばれます。
Xゲートは、X軸周りの反転を表す
Hゲート
Hゲートを通過した量子ビットを重ね合わせの
状態にさせる
❘0>→ →❘0>+|1>
例えば|0⟩にHゲートを適用す
ると、(|0⟩+|1⟩)/2のような
重ね合わせ状態(測定すると0
または1になる確率が等しい状
態)を作ることができます。こ
の状態は|+⟩とも表記されます。
X軸とZ軸の間の軸を中心に反転する
Zゲート
Zゲートはブロッホ球のz軸周りの𝜋回転をさせる。
位相反転とも呼ばれます。
Zゲートは、Z軸周りの反転を表す
CXゲート(CNOTゲート)
CXゲートの通過時に、・が❘1>の時に⊕の部分を反転させる
CXゲートは制御NOTゲート、CNOTとも呼ばれます。CXゲートは、
2つの量子ビット(制御量子ビット(・)とターゲット量子ビット(⊕)と
呼びます)を入出力に持ち、制御量子ビットが|1⟩のときに、ターゲッ
ト量子ビットに対してビット反転(Xゲート)を行います。
CZゲート
CZゲートの通過時に、・が共に❘1>の時に係数の正負を
反転させる
CZゲートは、2つの量子ビット(制御量子ビットとターゲット量子
ビットと呼びます)を入出力に持ち、制御量子ビットが|1⟩のとき
に、ターゲット量子ビットに対して位相反転(Zゲート)を行います。
CCXゲート(CCNOTゲート)
CCXゲートの通過時、・の部分が全て❘1>になっていれば、
⊕の部分を反転させる
CCXゲートはToffoliゲートとも呼ばれます。
CCXゲートは、3つの量子ビット(2つの制御量子ビットと1つのター
ゲット量子ビット)を入出力に持ち、制御量子ビットが2つとも
|1⟩ のときに、ターゲット量子ビットに対してビット反転(Xゲート)
を行います。
量子ゲートを用いて作成した
古典の論理ゲート①
NOTゲート
ORゲート
ANDゲート
A
B
出力
A
B
出力
入力 出力
量子ゲートを用いて作成した
古典の論理ゲート②
XORゲート
NORゲート
NANDゲート
NANDゲートはAND
ゲートにNOTゲート
を適用したものと捉
えることができます。
A
B
出力
A
B
出力
A
B
出力
半加算器は、2進数を2つ与えられたとき、一番
下 下の位の値どうしの加算を行います。 1ビットの情
報2つ(入力A,B)が入力として与えられ、桁上げ出力(Carry out)、出力(Sum、
和)の2つを出力に持ちます。 この桁上げ出力の情報は、後述の全加算器の入
力の1つとして1つ上の位の値を求めるために用いられます。
半加算器
XORゲート
|00>または|11>→S=0
|01>または|10>→S=1
ANDゲート
|11>→C=1
|00>,|10>,|01>→C=0
二進法のため|11>の
時に繰り上がり、それ
以外は繰り上がること
はない
A
B
S
C
半加算器を回路の一部として利用し、三つ以上の数の
足し算を行うことができます。
全加算器⑴
入力Aと入力Bから出力S
を計算するのには半加算
器を用いて表す
入力Aと入力Bの和を一桁目と二桁目に分
けてから、桁上げ入力Xとの和を半加算器
の時と同じ考えを用いて表す
先ほどの考えを回路にして表すと...
全加算器⑵
半加算器
A+B+Xの一桁目
を求める
A+B+Xのニ桁目
を求める
N個の大きなアイテムリストの中から、一つの求める値Wを
探すことができます。
オラクル
Wを見つけるためには、古典計算では平均で N/2個の箱を探す必要がありま
す。 最悪の場合は、N個探す必要があります。ところが、量子コンピューターで
は Groverの振幅増幅のテクニックを使って、 おおよそ√Nステップでマークされた
アイテムを探し出すことができます。 二次の高速化は、大きなリスト内のマークさ
れたアイテムを探すためには実際の所、大きな時間の節約になります。 さらに、こ
のアルゴリズムはリスト自体の内部構造を利用しないので、一般化することができ、
多くの古典の問題でも二次の速度向上をもたらしてくれます。
ほしい値Wの係数を負にし、全ての値
を平均値回りに反転させ続けることで
求める値Wの値を増幅させ判別する。
振幅増幅
回転をさせる回数は、N個の
アイテムリストからWを探す
時には、√N回で充分である。
|w⟩ の振幅が適用回数と共に
線型的に増えていくことが見
てとれます。確率ではなく振
幅を扱っているので、ベクト
ル空間の値には平方根として
入ります。そのため、この処
理で増幅されるのは、ただの
確率ではなく振幅です。確率
は振幅の絶対値の二乗です
求める値Wの係数を反転させる
平均値周りに反転させる
求めたい解の符号を反転する際に補助量子ビットを用いた回路を実装します。
補助量子ビットを用いることで、量子ビットの数が増えた際や問題が難しい際
の複雑なオラクルを実装しやすくなります。
量子ビットを用いたオラクルの作成
|00⟩の符号を反転するオ
ラクルを作成します。但
し、今回は補助量子ビッ
トを用いて|00⟩の場合に
符号が反転するようにし
ます。
|00⟩の符号を反
転するオラクル
増幅させるオラクル
補助ビットなしで作成した回路と同
じように、回路の最初で均一な重ね
合わせ状態を作成し(この際、補助
ビットにHゲートをかけないように注
意する)変換を適用し、最後に測定
をします。
Question
N=2⁷のデータベースにおいてグローバーのアルゴリズムを実行するときに最大振
幅を得る繰り返しの回数を答えよ。繰り返し回数を変えて、振幅を調べよ。解答
は整数である必要があります。
Q:繰り返しの回数
グラフ化
よって 8回
ここの繰り返し数を変化させる
31(0011111)を増幅させる
繰り返しの回数
1000回中31の出現回数

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