IBM Quantumの上級認定資格を取得（３個目）

　量子コンピューティングを探求するにあたって、理論的バックグラウンドが不足していると感じる場面が時々出てくるので、基礎を見直すことにした。その一つのテーマが「量子状態の密度行列」である。これに関する詳細なチュートリアルがIBM Quantumのwebサイトにある。"General Formulation of Quantum Information" （量子情報の一般的定式化）である。今回、そのチュートリアルを学んだ後に、認定資格（Advanced）試験を受けて合格し、認定バッチと認定証を得た。

密度行列を使う動機は以下のようなことである。

（１）従来の量子状態ベクトルよりも幅広い種類の量子状態を表現できる。これには、ノイズの影響を受ける量子系の状態や、量子状態の古典的な確率によるランダムな選択の状態も含まれる。

(2)無視したい別の系と量子もつれにある系の状態など、孤立した系の状態の記述は、従来の量子状態ベクトルでは簡単にできないが、密度行列によればそれは明快になる。

(3)古典情報と量子情報を単一の数学的枠組みで記述できる。このことから、古典情報は本質的に量子情報の特別なケースであることが見えてくる。

　このチュートリアルは、このような動機を支える理論を詳しく展開しており、若干難しい内容になっている。Qiskitコードでプログラミングしたり、量子ゲートを使って量子コンピュータ実機で動かす、などの「息抜き」もできないので、尚更である。しかし、これまで知らなかった知識を得たり、曖昧だった考え方が明確になるなど、得られたものはとても大きいと感じた。

　でも、ビジュアルにして楽しめる事項もあった。その一つを以下の図に示す。量子コンピューティングでは、量子状態はブロッホ球の表面に示される「純粋状態」の他に、ブロッホ球の内部の点に対応する「混合状態」がある。そこに密度行列が登場する。

　もう一例ある。これまでの基本的な測定は、正規直交系から決まる射影測定が使われたが、より一般的な測定もある。それは、SIC-POVM(Symmetric Informationally Complete Positive Operator-Valued Measure)と呼ばるれる。下図は1-qubitにおけるSIC-POVMに対応するものである。詳細は別として、正４面体（regular tetrahedron）が、Bloch球に内接しているのが美しい。４つの頂点は、ブロッホ球面の純粋状態を表している。化学でのメタンの分子結合状況（角度）と同じであるとのことである。

この図をより簡潔に表示したものは、本ブログのロゴ（最上部）に含めてあります。

【補足】上に述べた通り、このチュートリアルは少し（or かなり）難しい。そこで、下記の西村治道教授の書籍[1]の3.4(混合状態)、3.5(POVM)、3.6(発展的な概念)を一通り学んだ後に取り組めば、ぐんと理解が進むのではないかと思われる。

{1] 西村治道、"基礎から学ぶ量子計算"、オーム社、2022年11月.

フィボナッチ数列に基づく植物の葉の模型

A Model of Plant Leaves Based on the Fibonacci Sequence
One of the most beautiful and widely appreciated concepts in mathematics is the Fibonacci sequence. It appears in the forms and growth patterns of plants, seashells, and many other natural objects. More recently, it has even found applications in Topological Quantum Computation through the concept of the Fibonacci anyon.
    Recently, I happened to discover an item called the “Fibonacci Tree” being sold online as a desk ornament or educational toy. Although the product itself does not seem to come with a mathematical explanation, it appears to be an object whose beauty can be appreciated simply by displaying it on a desk.
    With that in mind, I would like to give a brief introduction to it below.

　古くからある、誰にも親しまれる美しい数学の一つにフィボナッチ数列がある。植物や貝類などの形態に現れる他、最近では、トポロジカル量子計算（Topological Quantum Computation）における「フィボナッチ・アニオン（Fibonacci Anyon）」にも利用されるようである。
　最近、偶然だが、ネット上で「フィボナッチツリー」なるものが、文具かおもちゃとして発売されているのを知った。数学的な説明などはないが、机上において美しさを味わうことができるように思う。そこで、以下の通り、簡単にご紹介します。

　ところで、この黄金角の元になっている黄金比が、調味料の配合にも！
下図の通り、２種類の唐辛子の割合が黄金比だと謳っている！ラベルの色も黄金！