1. 2014/01/19
@ganpon714

2. Agenda
• 1.5 量子情報処理の実験
• 1.5.1 Stern-Gerlachの実験
• 1.5.2 現実的な量子情報処理の展望
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3. 1.5 量子情報処理の実験
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4. 1.5 量子情報処理の実験
• 量子計算と量子情報は素晴らしい理論の発見
• 量子の「重ね合わせ」や「もつれ」は日常世界の直感とは相反する
ｑビットの振る舞いについてはこれまで学習してきた
• 疑問
１、大規模量子コンピュータの実現は実験的に可能か？
２、大規模化を阻む物理学的原理があるのではないか？
現実的な量子情報処理システムを構築するかを1.5章で扱う
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5. 1.5.1 Stern-Gerlachの実験
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6. 1.5.1 Stern-Gerlachの実験
• Stern-Gerlach（シュテルン-ゲルラッハ）の実験
1921年Sternによって考案され、
1922年Gerlachによって実験された。
高温炉から銀原子を
ビームとして飛ばす
1927年に炉は銀から水素へ変更
（効果を明瞭にするため）
原子の到達位置
が観測される
磁界で偏向
Wikipediaのシュテルン-ゲルラッハの実験より画像を引用
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7. 1.5.1 Stern-Gerlachの実験
この実験には２つの驚きがある
１、高温炉で作られる熱い原子はランダムにあらゆる方向を向いた双
極子
を持っているので炉から出た原子は全ての角度に連続分布するは
ず
⇒実際の観察では原子の出射角度は離散的な集合
２、水素原子の磁気双極子モーメントはゼロのはず
（古典的には電子の軌道運動がない）
原子ビームは１本だけであってビームが磁界で偏向されるはずが
ない
⇒水素原子中の電子にはスピンと呼ぶ量を伴う
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8. 1.5.1 Stern-Gerlachの実験
高温炉
Z
Stern-Gerlachの実験の模式図 （図
1.22）
高温炉
Z
■
X
？
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9. 1.5.1 Stern-Gerlachの実験
高温炉
Z
■
X
縦続型のStern-Gerlach測定 （図
1.23）
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10. 1.5.1 Stern-Gerlachの実験
高温炉
Z
■
X
■
Z
３段縦続型のStern-Gerlach測定 （図
1.24）
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11. 1.5.1 Stern-Gerlachの実験
縦続型のStern-Gerlachの実験の結果はqビットモデルで予測可能。
この例はｑビットが自然界のシステムをモデル化する際の信頼すべき
方法。
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12. 1.5.2 現実的な量子情報処理の展望
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13. 1.5.2 現実的な量子情報処理の展望
• 量子情報処理デバイスの構築
現在の科学技術者にとって大きな挑戦である。
• 最も基本的な疑問
大規模量子情報デバイス開発を永遠に阻む障害はないのか？
１、量子雑音
⇒量子誤まり訂正符合理論によれば、
量子雑音は対処すべき具体的な問題だが原理上の障害ではない。
２、量子力学は正しくないかも知れない
⇒量子力学が完全であると仮定して話しを進める。
新たな科学的発見が量子情報処理に与えるインパクトについて、
現時点で予測することは困難である。
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14. 1.5.2 現実的な量子情報処理の展望
• 量子情報処理デバイスを構築する基本的障害は「ない」
ならば、なぜ膨大な時間と資金とリソースを投入して構築するの
か？
⇒これまで議論してきた
（量子暗号や大きな合成数の素因数分解のような実用的応用）
• 量子情報処理と古典情報処理の相対的利点
「量子コンピュータは古典コンピュータより強力か？」
⇒この答えは当面得られない
マイクロプロセッサが最初はエレベータなどの制御装置に使わ
れた。
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量子情報処理デバイスがどうのように応用されるか誰にもわか

15. 1.5.2 現実的な量子情報処理の展望
• 小規模な量子計算と量子情報の応用
多数の量子計算と量子情報の応用が知られている。
１、量子状態トモグラフィー
システムの量子状態を決定する方法
２、量子プロセストモグラフィー
量子ゲートや量子通信チャンネルの性能を解明したり
システムの異なる雑音過程のタイプや大きさを決定する方法。
詳しくは８章（第Ⅲ巻）、１２章（第Ⅲ巻）に記述されているので
省略
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16. 1.5.2 現実的な量子情報処理の展望
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17. 1.5.2 現実的な量子情報処理の展望
• 大規模な量子計算と量子情報の応用
大規模な応用はあまり知られていない。
１、大きな整数の素因数分解
２、離散対数の計算
３、量子探索
１と２は現行の公開鍵暗号システムを無力にする否定的な効果に期
待
しかし、これらが長期にわたって重要な応用を占めるとは思えない。
量子探索については６章（第Ⅱ巻）に先送りする。
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18. 1.5.2 現実的な量子情報処理の展望
• 大規模な量子計算と量子情報の応用
実際にすばらしいのは、もっと多くの量子情報の応用があること
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