量子コンピュータの動作原理がわかりません。同じビットが、１でも０でも有って良いだろうか？

量子コンピュータが矛盾なく動作する原理が知りたいです。
n進数（p進数）の最も小さなものは、２進数であることは、よく知られています。１桁には"n-1"の数まで許されるから、nが２の場合、n-1=2-1=1なので、０，１の２状態が表現できますが、nが１だと、1-1=0になるから、8bitでも16bitでも、全て00000000・・・しか存在しえなくなるからです。なので、究極の小さいn進数は２進数です。この２進数を
電位のH=5V, L=0V(理想的には）と約束して、しかも、そのような約束からなる８桁の２進数同士の加算などができるフル・アダー（全加算器）回路のようなキャリー（繰り上がり分）を考慮した１ビットの２進加算器が考案されたことや、スタティックな１ビットの"0,1"の２状態を記憶できるフリップ・フロップ回路（F.F)が考案されたこと、
F.Fにも色々有って、２入力のNAND2個（または、NOR2個）の出力を互いに「襷掛け」に入力の一つに帰還させる単純なF.F以外に、マスター・スレーブJK-F.Fや、セット・リセット端子を持つRS-F.F 「カウンタ回路」を作っていける"T-フリップフロップ"などが出来たことから、キッチン・タイマーのような「ダウン・カウンタ」とは逆の「アップ・カウンタ」が、0,1,2,3......と上昇して行くとき、そのアップ・カウンタ（インストラクション・フェッチ・カウンタ　or プログラム・カウンタ）が今、示している番地に書かれているバイナリー・コードをオーダ・レジスタに読み込み、オーダ・デコーダの出力側が、仮に8bit-CPUと仮定して0～255の計256個の出力端子の唯一の箇所が"0"になり、それ以外の箇所は、全て"1"であるように命令翻訳出来る回路（TI社のSN7442みたいな入力D,C,B,Aの２進数を、出力側　not"0"~not"9"端子の唯一の入力２進数に対応した10進数の唯一のnot"X"の箇所だけ”Ｌレベル"になる機能）を利用して、アキュームレータ------メモリー間のアクセス、書き込みパルス、読み出しパルス、アドレス・バスへのアクセスしたい番地を指す16bitのアドレス信号の出力などの制御が出来る（データの方向の切り替えなど）「命令ゲート制御回路」を各機械語の種類ごとに、構成して行くことで、各機械語に託された機能を実行させる（エグゼキューション・サイクル時に）ことで、命令読み込み、命令実行・・・のサイクルを甲乙甲乙・・・繰り替えさせることで、デジタルコンピュータは、実現された。飛びっぱなしの「条件ジャンプ」「無条件ジャンプ」などは、「飛べ」と指示された番地の数にプログラム・カウンタの数を置き換えるだけで、分岐命令を実行できるが、サブルーチン・コールの命令だけは、スタック・ポインタが示す番地に分岐命令が有った番地をスタックへの保存、そしてリターン命令に遭遇した時、スタックの復帰によるプッシュダウン・スタック・オートマトン的方法によって、デジタル・コンピュータは実現された。これも、全て各ビットが、"1"ならずば、"0"。0"ならずば"1"。このように、厳密に、どちらかの状態であるからこそ、２進数を原理にしたコンピュータは実現できた。それなのに、量子コンピュータの原理の説明と来たら、同じビット（＝桁）が、0でも1でも有り得る量子効果で高速に走れる・・・などと言われる。1か0かの、どとらかでなければ、デジタルコンピュータは矛盾に陥るように思われます。どう理解すれば良いですか？

質問者からの補足コメント

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  量子コンピュータには、色々異なるタイプが有るようです。サイクロトロンのように素粒子を回転させるタイプや、ジョセフソン素子のような、液体ヘリウム（マイナス269度、摂氏）で超電導を起こす素子を利用するタイプなど、さまざま。現在の並列コンピュータなどを使って暗号解読する技術は「素因数分解問題」に帰着する数学的アルゴリズムを利用して、公開鍵、暗号鍵などを利用するようですが、このアルゴリズムは、量子コンピュータでは、比較的短時間で、暗号解読が出来てしまうため、量子コンピュータ時代でも解読できない「格子点問題」なる暗号アルゴリズムが提案されていると聞きます。ともかく、最初に、私に回答した人物のような、下劣な回答を求めていないので、次回以降の回答は、真摯な態度での回答を希求しています。敬具。2023/02/04 6:05Am

    補足日時：2023/02/04 06:08

No.5 ベストアンサー 回答者： usa3usa 回答日時： 2023/02/04 22:06

No４です

お礼拝見しました。
>日本料理から「すき焼き」or「お寿司」なる計算結果が出ると言う比喩は、意味不明。
そうですか、残念。

アナログコンピュータ：
　入力端子群に電圧を与えると、計算結果の電圧が出力端子に現れる
量子コンピュータ：
　入力端子群に量子状態をセットすると、出力端子群が計算結果の量子状態になる
人間コンピュータ：
　入力として「空腹」「日本料理」を与えると、計算結果の「すき焼き」or「お寿司」が出力される

で、量子コンピュータの「量子状態」がわかりにくいかと思ったので、人間コンピュータの「状態」として、「空腹」「日本料理」「すき焼き」という状態を例に挙げて説明してみました。

まあ、前半だけでもお役に立てれば幸いですので、後半、理解できないなら無視してください。

この回答へのお礼

アナ・コンは入力端子群を与えると、出力端子群に結果の電圧が得られるのですか？結果として割り算の「商の電流」が得られて、その電流量を電流計で測る形で「商」を得ると勝手な推測をしていたのは、誤り？デジタルな論理回路には、2入力以上の入力端子を持つNAND回路、排他的論理和、一致回路、デコーダ回路など「入力端子側」は、「群を成す＝複数」は多く存在しますが、排他的論理和や、一致回路も出力側は１個であり、デコーダ回路：SN7442などは、出力側も「バー０～バー９」まで、10個あるけど,"L レベル"の箇所はただ１か所です。「空腹」「日本料理」「すき焼き」なる比喩は、人体だろうが、社会システムだろうが、広い意味の「オートマトン」であると言う意味ならば、誰でも理解できるでしょう。極めて狭義のオートマトンだと「自動人形」を意味して居たらしいですが、フォン・ノイマンは、この語彙の意味を広い意味に使用したため、「オートマトン」「オートメタ」は、抽象的に有機体や計算機科学のモデルを考える場合の用語になったようです。彼の時代には、「状態遷移図」など無く、「多数決原理」などが問題にされたかも知れない。
飛行機のコックピットに、同じ計器が３個有るのは、１個狂っても、２個正常だとすると、その２個の方を信用するフェイル・セーフの考え方だと思います。空腹ーーー＞すき焼き・・・の比喩は、この広義のオートマトンの意味では無かったのですか？

お礼日時：2023/02/05 15:01

No.4 回答者： usa3usa 回答日時： 2023/02/04 07:57

量子コンピュータはコンピュータと言っていますが、従来の1か0かを扱うコンピュータとは全くの別物です。

私の理解は以下の通りです。参考まで。

質問者さんは、オペアンプを組み合わせて作るアナログコンピュータをご存じでしょうか？
　入力端子群に電圧を与えると、計算結果の電圧が出力端子に現れる
というものです。

量子コンピュータも同じようなもので、
　計算したい入力値群に応じた量子状態を作り出し、
　安定状態になった時点で量子状態を観察する
ことで、計算結果を取得するものです。

量子状態を作り出す手法、量子状態を観察する手法によりいろんなタイプがあることは、質問者さんが補足に書かれている通りです。

比喩で説明すれば、質問者さんはお腹が空くと、何か食べたくなりすよね。何か食べたくなると、中華料理とか日本料理とかいくつかの、料理を思い出しますよね。こんな時、日本料理という言葉を聞くと、より具体的なメニュー、例えば「すき焼き」とか「お寿司」が想起されると思います。つまりこの時の質問者さんは、
　「日本料理」という入力に対し、
　具体的なメニュー「すき焼き」とか「お寿司」が計算結果として出てくる
人間コンピュータということです。

この回答へのお礼

有難うございます。オペアンプ555などは、発振回路に利用する人もいたり、増幅回路として非常に入出力関係が線形的な理想の増幅器だと言う人もいました。デジタルとアナログを組み合わせたハイブリッドも研究された時期がありました。アナログは類似、相似と解釈するよりは、比例的です。時間の経過の量や体重計に乗った人の重さと針の回転角が比例しています。私の中学の友人も電気工事士になりましたが、アナログな計算尺なる本を読んでいました。電卓も無い時代でしたから。アナログ計算機は、抵抗器の値を変えて電圧を加えて、電流量を割り算したり、二乗の計算法に至っては真空管のEg-Ip特性曲線がカットオフ点近辺では、線形でなく、Xの2乗のグラフが放物線みたいに急カーブするのに似ているのを利用するだの野蛮ではあるが、抵抗器に電圧加えりゃ一瞬で結果か出る・・・的な速さはあり、不正確だが高速とは言われました。このような、アナコンと量子コンピュータが似た原理だっととは、驚きました。大変、目からウロコな話でした。日本料理から「すき焼き」or「お寿司」なる計算結果が出ると言う比喩は、意味不明。然し、"usa3usa"先生のご回答は、大変、量子コンピュータの具体的原理のイメージ獲得に得るものが有った感じであり、もう、お一方の"satoumasaru"先生は参考文献的なサイトのリンクまで貼って呉れました。回答は何一つしないで、人物評的な侮辱だけをする人に、悔しい思いをした後、だけに、親切な二人の先生の回答に、大変感謝しております。Wikipediaも、難解で長文なだけで、院生向け、大学の教官向けの記事なのか・・・と思う項目もあり、死ぬまで理解出来ないのが、量子コンピュータと思っていたので、Wikipediaに無い具体性がある回答でした。
両先生、有難うございました。敬具。2023/02/04 9:39

お礼日時：2023/02/04 09:42

No.3 回答者： satoumasaru 回答日時： 2023/02/04 07:36

要はひとつの単位が0か1ではなく、量子の性質を利用してひとつの単位の中に多くの情報をつみこみ、それを利用して計算しようというものです。

それだけでは何のことかわからないというお考えかもしれませんが、今の1ビットの0か1かでなぜ複雑な計算ができるのか簡単に説明できる人なんていません。量子コンピュータだって同じですよ。

分かりやすいのは下記のページでしょう。

量子コンピュータ超入門！文系でも思わずうなずく！
https://ferret-plus.com/9474

数式が苦手でなければ下記のようなものがあります。プロ向きですが。

初心者でもわかる量子コンピュータの計算の仕組みシリーズ　

【第1話】数式なしで量子コンピュータの現状を理解しよう
https://www.r-staffing.co.jp/engineer/entry/2022 …

【第2話】量子コンピュータで使用する計算の土台を学ぼう
https://www.r-staffing.co.jp/engineer/entry/2022 …

【第3話】量子コンピュータの基本のルールを学ぼう
https://www.r-staffing.co.jp/engineer/entry/2022 …

【第4話】基本の量子ゲートと量子回路をおさえよう
https://www.r-staffing.co.jp/engineer/entry/2022 …

【第5話】量子プログラミングをやってみよう
https://www.r-staffing.co.jp/engineer/entry/2022 …

この回答へのお礼

「一つの単位の中に多くの情報を詰め込む？」ですか。デジコンで複雑な計算が出来るために「浮動小数点演算専用のコ・プロセッサ i-8087,80187,287,387用のソケットが、8086,286,386の隣にオプションでソケットが設けられて居ました、高速な浮動小数点演算の必要がない人は、ソフトウェアが計算するというか、FORTLANには、複素数が扱えるだの、S言語は行列演算が出来るだの。80486以降のインテルのCPUには8087（コ・プロセッサ）は内蔵されたそうで、CPUも少しずつ進化して、一次キャッシュ、二次キャッシュなるキャシュ・メモリーに機械語プログラムを「命令読み込みサイクル」ばかりを続けて、キャッシュが一杯になったら、「実行サイクル」ばっかりをやるだの、
互換CPUメーカーのキャッチフレーズの言葉か知らないが「3D Now」なる「Zバッファ法」のための、Zバッファ用メモリー領域をCPUが内臓したり、グラフィック・アクセラレータ、GPUにも、CPUとは別個なプログラムが走っていたり、そのGPU用プログラムの「成れの果て」が、Open GLやDirect Xだったりするだの。高級言語マシン・・・Lispマシン、PROLOGマシン。淵一博先生の第5世代コンピュータ・プロジェクト（電総研の推論機構）もプロログ・マシン的な（インタプリタのような高級言語の解釈プログラムを使わずハードウェアで高級言語が、そのまま走るのを目指していたらしい）ものであったらしい。1980年代に福岡国際センターで、ビジネス・ショーをちょっと寄った時、住友電設のブースに居た人が、プロログの利用は、自然言語による質問の言語理解システム構築に利用しており、「或る機械の故障などの知識のデータベースはC言語で構築、知識の蓄積」を行っている。リレーショナル・データベースの蓄積データを自然言語で問い合わせる・・・的な利用として、プロログ＋C言語のシステムになっている。と言った意味合いの話をしたと記憶しています。淵先生のも、法律の知識のデータベースを、法律の知識がない人が自然言語で質問して、法律上の回答を自然言語で回答していたとの説がある。クレイ・リサーチの"クレイ　1"だのも、現在の"Core i-7 "などが、４チップCPUを内蔵しているなどは、並列コンピュータに似て来てるのかな。？

お礼日時：2023/02/04 10:32