In Memory of Dr. Fumitaka Sato
仁科記念賞の受賞や、アインシュタイン方程式のトミマツ-サトウ解などで著名な物理学者 佐藤文隆博士が逝去されたニュース(2025年9月14日)に接した。私は単に、博士の一つの新書(下図)の読者にすぎないが、その叙述に感銘を受けていた。私は、物理学の素人であるが、ここ数年、量子コンピューティングの基礎的な技術に取り組んできた。その過程で、この書籍から量子論の哲学と言えるものを学ぶことができたように思う。ご冥福をお祈りします。
I am a professor emeritus of CS at Kanagawa Institute of Technology, Japan. Originally my specialty was parallel and distributed systems. My current interests include machine learning, natural language processing, creating mobile apps with MIT App Inventor, and quantum computing. In the web version of this blog, clicking the icon on the right (a plastic sphere) will take you to the "List of Quantum Computing Articles". - Fujio Yamamoto (for e-mail, add "@ieee.org" after "yamamotof")
In Memory of Dr. Fumitaka Sato
仁科記念賞の受賞や、アインシュタイン方程式のトミマツ-サトウ解などで著名な物理学者 佐藤文隆博士が逝去されたニュース(2025年9月14日)に接した。私は単に、博士の一つの新書(下図)の読者にすぎないが、その叙述に感銘を受けていた。私は、物理学の素人であるが、ここ数年、量子コンピューティングの基礎的な技術に取り組んできた。その過程で、この書籍から量子論の哲学と言えるものを学ぶことができたように思う。ご冥福をお祈りします。
前回、「量子機械学習」で、IBMの認定資格(Intermediate)を取得しました。(→こちらの記事です)今回は、「変分アルゴリズム設計」という認定資格(Advanced)です。下記のとおり、今回のチュートリアルは、量子力学の色彩が少し濃くなっています。分量も多く、難易度も高く感じられましたが、1週間ほど籠って学び受験しました。何とか合格しました!
🟢IBMチュートリアル:変分アルゴリズム設計
量子力学を基盤とした理論が中心ですが、シミュレータやIBM Quantum 実機で例題も動かしながら進めます。最後の方の例題(VQE、VQDなど)のいくつかは実機でsessionを使うため、Open Plan(無料)では動かせません。しかし、その部分は説明を理解するだけで十分かと思います。
🟢資格認定バッチと認定証
🔴変分量子アルゴリズム(VQA:Variational Quantum Algorithm)の意義
先日、理研のスパコン(富岳)とIBMの最新QuantumマシンHeronの連携のニュースがありました。そこでの有力なアルゴリズムの枠組みが、今回のVQAです。化学計算や組み合わせ最適化などを、既存のスパコンと量子コンの連携で解くための実用的な方法とされています。下図は、このニュース記事と今回のチュートリアルをもとに作成した私のオリジナル作品です!なので、©も宣言しています!
化学の電子構造問題や組み合わせ最適化問題では、それぞれ特有のハミルトニアン(エネルギー演算子)の期待値が最小となる量子状態を探す(=基底状態エネルギーを得る)ことが求められます。これを、スパコンと量子コンの連携で解きます。ワークフローは図の通りですが、要点は、スパコン側は、量子コンが推定したハミルトニアンの期待値を受け取り、目的の基底状態エネルギーへ向けた最適化を図ります。一方、量子コンは、スパコン側が用意したAnsatz(パラメータ化された量子回路)を測定し、ハミルトニアンの期待値を推定することに徹します。
この構成は、古典ニューラルネットワークを想起させます。スパコン側で設定するAnsatzは、ハミルトニアンに適合したネットワーク層の構成とニューロン数を決めることに相当し、そこに含まれるパラメータは、辺の重みとバイアスに相当すると考えられます。このパラメータは、通常、Ansatzを構成する量子ゲート(回転ゲート)の角度です。
基底状態エネルギーへ向けた最適化では、コスト関数(=期待値)のパラメータに関する微分が必要なはずですが、量子コン側での微分は負担も大きく、ノイズの影響を受けやすいので、現実的ではないようです。そこで、スパコン側の最適化は、通常、gradient-freeな方法で(つまり、量子コン側に勾配を要求しないで)行われます。なお、スパコン側は、このようなワークフローを、多数のパラメータ初期値を用意して並列に実行(マルチスタート)できます。ただし、量子コン側はどの程度マルチで走れるのかはまだよく分かりませんが。
🔴VQAが量子コンピューティングの全てではない
この枠組みは、"Quantum-Centric Supercomputing"と呼ばれています。しかし、上の図を眺めていると、「頭脳は従来のスーパンコンで、量子コンはこれまでにない驚異の物理実験装置」のように見えます。一方、量子コンピューティングの他の分野、例えば、量子暗号通信や量子機械学習などの発展も大いに期待されています。このような情報科学寄りの問題では、ハミルトニアンとは直接関係しない技法(確率振幅の増幅や位相推定など)が使われます。真に量子コンピュータに向いた問題は何なのかが、だんだん見えてくるのかも知れないです。
LaTeXにあまり慣れていない(私のような)人が、量子コンピューティングで資料を作る必要に迫られて作った忘備録です。これだけ頭に入れておけば、大体足りそうな、mini例題集です。なお、私は、LaTeXに関しては、WordよりもMac Pagesの方が、使いやすいように思います。
For other platforms, you may be able to write simpler LaTeX code, but here I have used a format that works reliably on Mac pages.
IT分野では、資格認定が色々あります。量子コンピューティングの世界もそうなってきました。今回、量子機械学習(QML : Quantum Machine Learning)の基礎に関するIBM認定資格を取得しました。下図はそのデジタルバッチと認定証です。勉強や探求を続けるには、このようなマイルストーンがあるといいですね。
Earned IBM Certification in Quantum Machine Learning
In the IT field, there are many different kinds of professional certifications. Now, the world of quantum computing is beginning to follow the same path. This time, I obtained an IBM certification on the fundamentals of Quantum Machine Learning (QML). The image below shows the digital badge and certificate. Having milestones like this is a great motivation to keep studying and exploring further.
(→こちらに、その後取得した「量子変分アルゴリズム」認定資格があります。)
🔴IBM認定資格の意味
IBMでは量子コンピューティング分野のいくつかの資格認定を、Foundational、Intermediate、Advancedに分けています。今回の資格(Intermediate)認定バッチは、例えて言うならば、「量子機械学習」という山岳への入山許可証みたいなものかと思います。道は険しく、まだまだこれからです。デジタルバッチの右下にある、登りかけの階段が象徴的です!
🔴IBMの量子コンピューティング関係チュートリアル
量子機械学習関係の書籍はまだあまり多くないです。そんななか、IBMが提供している様々な量子計算チュートリアルの一つ、「量子機械学習」は非常に充実した内容になっています。以下のURLをご覧ください。
⭐️量子コンピューティングチュートリアル全体
https://quantum.cloud.ibm.com/learning/en
⭐️量子機械学習チュートリアル
https://quantum.cloud.ibm.com/learning/en/courses/quantum-machine-learning
従来からの公開内容が、2025-07-01の開発環境の一新に伴い、大幅に改訂されています。(1)古典機械学習との関係、(2)古典データの量子化のためのEncoding、(3)Fidelityと量子カーネル、(4)QVC(量子変分回路分類器)とQNN(量子ニューラルネットワーク)などで構成されています。
このチュートリアル全体の学習には、(経験による個人差が大きいですが)標準的には10時間程度。何ヶ所かに、そのセクションを要約した短いビデオがあり、大いに助かりました。また、理論と計算法の説明に加えて、シミュレータおよび量子コンピュータ実機で動かす例題もあり、コードを実行させながら理解を深められます。
この講座全体を終えた後、1時間ほどのオンライン試験を受けます。守秘義務のため試験内容等は書けませんが、合格ラインは80点/100満点です。不合格になっても、一定期間後には、再挑戦できる教育的配慮もなされています。
ただし、前提条件として、量子ビットと量子ゲートの基礎(重ね合わせ、確率振幅、相対位相、テンソル積、ユニタリ変換、エルミート行列、量子もつれ、観測量、測定など)、および、量子計算プログラム開発環境にも、ある程度馴染んでいる必要があります。そうでない場合は、下記の講座からスタートするのが良いと思います。
⭐️量子情報の基礎
https://quantum.cloud.ibm.com/learning/en/courses/basics-of-quantum-information
🔴情報工学科ではどうする
世の中の関心も高いので、情報系学科では、量子コンピューティング基礎科目を設置するところが増えています。現時点では実用的でなくても、このような先進分野の魅力を教えてこそ大学、という見方もあるでしょう。一方、そんな時間があるのなら、急成長の生成AIやAIエージェント技術をうんと教えて、就職させた方いい、と言えるかもしれない。0か1かではないこの状況が、まさに量子力学的であリます!
ベクトルの内積は高校数学でも習います。機械学習などにおいても、2つのベクトルの類似度の計算としてよく出てきます。量子の世界、つまり量子状態ベクトル(以降、簡単のために単に量子状態と呼ぶ)についても内積は極めて重要です。ここでは、量子状態の内積に関する基本事項を復習します。具体的に手計算してみます。
⭕️量子状態の内積を回路の測定から推定(Swap Test)
二つの量子状態|ψ>と|φ>について、以下の式が成り立つことを示すことが狙いです。左辺は、内積の絶対値の2乗であり、右辺のP(0)は、下図に示す量子回路において、ancilla(補助)ビットを測定した場合の|0>の確率です。
$$|⟨ψ∣ϕ⟩|^2=2P(0)−1$$
| <ψ |φ> |2 = 2P(0) -1
ancillaは最上段の1量子ビットです。また、|ψ>と|φ>の量子ビット数は任意ですが(swapするため)両者で同一である必要があります。
(1)量子状態を計算する
---これ以降は、→こちらのpdfファイルでご覧ください。(Bloggerでは、LaTex数式の取り扱いが少し面倒なため)---
猛暑に風鈴はいいものだ。ただし、チリンチリンと、時に耳障りになることもある。そこで、音は出ないが、量子ビットの不思議な世界を想起させる「量子風鈴」なるものを私の研究部屋に吊るしてみた。
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熊本城天守閣から吊り下げられたかのような量子風鈴 |
「量子風鈴」のある研究室風景 |
扇風機の風に乗ってゆらつらするので、少しは涼しげな気分になる。だが実は、それ以上に、量子コンピューティングの世界を探求して行く意欲を持続させるための"おまじない"でもある!
お米の値段、流通が話題になっています。近所を散歩していて、すっかり少なくなった水田ですが、まだ7月中旬だというのに、写真の通り、水田に水が全く無い!ひび割れしているじゃないですか!これじゃ不作になって、米の値段がさらに高騰するのではないか?
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「中干し」でひび割れした水田(厚木市 2025-7-15) |
いつ頃からこのような手法が取られていたのか?生成AIからの回答によれば、江戸時代中期にはすでに行われていた。つまり、水の管理の基本として、灌漑と排水が行われていた。17世紀末に書かれた「農業全書」(宮崎安貞著)には、「中干し」を指すと思われる以下の叙述があるという:
「分げつ過多の稲は倒れやすし、時に水を抜きてこれを止むるべし」
🟢感想
私は、普段、量子コンピューティングやPythonプログラム開発に生成AIを使っている。だが、今回の様な調べ物にも、とても有用だと分かる。時代は変わってきた。今後はさらに、AIエージェントが、人に変わって勝手に?調べ物もしてくれるらしい。昨日、ソフトバンクからその事業化の発表もあった。小学生の夏の自由研究なども様変わりするだろう。ああ!
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IBM Quantum Classic Platformのサービス終了 |
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量子回路の編集と量子状態表示(Q-Sphere, Probability, StateVector) |
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OpenQASM(右側)との連携 |