量子もつれ(entanglement)を体感できそうなゲーム

【要旨】量子コンピューティングで最も重要な原理の一つは、量子もつれ entanglementである。図１に示す通り、科学雑誌Newtonの最新号にも30頁の解説がある。その量子もつれを体感できそうな簡単なゲームアプリを作成し、自作のモバイル量子回路シミュレータと、IBM Quantum実機で実行した。その結果を検討した。

🔴 Tiny Mermin-Peres Magic Game

　量子もつれを利用するゲームとして有名なMermin-Peres Magic Squareというのがある。ここでは、そのエッセンスを抜き出して、独自の簡単なゲームとした。そのため、先頭にTinyを付した。そのTinyゲームを図２に示す。

　登場人物は、Alice、Bob、Refereeの三人である。AliceとBobはそれぞれ図２に示した四つの3ビットのstringを持つ。(1)Aliceは所有する3ビットstringの一つをランダムに選んでRefereeへ送る。ただし、その情報をBobへ伝えることは禁止。(2)Bobは、Refereeから「成功」と言われるようにするため、自分の3ビットstringのどれかをRefereeへ送る。(3)Refereeは、両者から送られてきたstringの右端のビットを比較し、それらが同一ならば「成功」、異なれば「失敗」を宣言する。

　例えば、Aliceが#1を、Bobが#2を送信した場合は、両者の右端ビットが同一なので「成功」だが、Aliceが#1を、Bobが#4を送信した場合は「失敗」となる。

　AliceとBobにとって、「必ず成功」となる戦略はあるのか？古典的方法では、それは無いと言えるだろう。なぜなら、Aliceがどの3ビットstringを送信したかを、Bobは知らないからである。

　ところが、量子コンピュータを使う（量子もつれを使う）と、「必ず成功」する仕組みを作ることができるのである！

🔴 量子もつれに基づく「必ず成功する」戦略

　「量子もつれ」とは何か、また、その回路図の意味は何かの説明は略す。それをご存知ない方にも、「こんなやり方もあるのか」ということを感じていただければ十分である。

　図３にその戦略を示した。まず、AliceとBobはそれぞれ3ビットstringを持つとしたが、ここでは2量子ビットづつしか持たない。それは、図２の「ビット列の特性」に示した通り、Aliceの3ビットの和は偶数であり、Bobのそれは奇数であることによる。すなわち、最初の２ビットが決まれば、右端のビットは自動的に決まってしまうからである。

　図３の量子回路では、ゲーム開始前の準備として、AliceとBobの量子ビットに「量子もつれ」を生じさせている。しかし、ゲーム開始後には、何らの"通信"も行っていないように見える。ところがRefereeは、AlcieとBobから送られてきた結果から、必ず、「成功」の判断を下すのである！

🔴 自作モバイル量子回路シミュレータによる確認

　上記の戦略の妥当性を、自作シミュレータで確認した結果を図４に示す。右側に、赤い小さな円が８個ある。これは、AliceとBobの量子ビット４つの測定結果から、８つの「成功」のパタンが、それぞれ1/8の確率で発生することを意味している。「失敗」が起こる確率はゼロである。

　一例として、最初の赤丸に対応する0001は、Aliceが000を、Bobが010をRefereeに送ったことを意味する。両者の右端ビットは共に0なので、確かに「成功」である。他の七つのケースも、同様に、全て「成功」であることが分かる。

　以上のことから、BobはAliceが何を送ったのかを知らないのに、常に「成功」となるstringをRefereeへ送ることができている。すなわち、Bobが測定を行うと、その結果として、必ず「成功」となるstringをRefereeへ送ることができる。不思議さは消えないかもしれないが、これが量子もつれの効果である。

🔴 IBM Quantum実機による確認

　上記は、量子回路シミュレータの結果である。次に、本物の量子もつれを起こす、量子コンピュータ実機ではどうなるのかを確かめた。図5は、そのための量子回路の準備である。記述法は異なるが、実質的には、図４に示したものと等価である。

　この量子回路を、IBM Quantum実機で実行した結果が図６である。10,000ショットにおける、AliceとBobの測定結果のパタンの出現頻度を示している。赤枠で囲んだパタンは、図4の赤丸と対応している。すなわち、「成功」となるパタン８つが高い頻度で出現している。つまり、86%は「成功」となるパタンである。一方では、実機のノイズ等ため、一部の量子もつれの消失などにより、14%は「失敗」となった。現在、一般公開されている量子コンピュータではこの程度の誤差が生ずる場合がある。

🔴 まとめと感想

　ここに述べた、Tiny Mermin-Peresというゲームは、古典的方法では、「100%成功」する戦略は存在しない。しかし、量子もつれを利用すると、不思議なことに、「100%成功」する戦略を作ることができる。量子回路シミュレータではそれを確認することができた。一方、本物の「量子もつれ」が使われる量子コンピュータ実機（現在一般公開されているもの）では、ノイズによるエラーのため、「86%程度の確率で成功」するという結果となった。それでも、古典コンピュータでは不可能なことが、高い確率で実現できるという好例を与えている。素晴らしいことである。今後、量子コンピュータは急速に進展する気配なので、この86%は次第に100%に近づくであろう。

Mobile quantum circuit simulator V2 is complete!🎉

So far, I have created many quantum apps and several quantum circuit simulators. Recently, I have completed the mobile quantum circuit simulator V2 for n-Qubit! I would like to provide an overview of it again. Please refer to here and here for details.

🔴Check out the introductory video for this simulator here!

🔴 Features of the n-Qubit mobile quantum circuit simulator

• It runs on a mobile phone alone. No external simulators are used, so no internet is required.
• There is no limit to the number of quantum bits n used. (However, in reality, it is naturally limited by the mobile phone's resources.)
• Quantum gate descriptions are given in text, but I have put a lot of effort into making the output format easy to understand.
• When describing quantum circuits, you can refer to eight built-in quantum circuit examples with hand-drawn circuit diagrams.
• It is believed that about 80 to 90 percent of the examples shown in related books at the beginner to intermediate level can be run with this simulator.

🔴 Ten built-in quantum circuit examples

The ten examples above show what kind of quantum circuits can be simulated, so please use them as a reference when configuring your own quantum circuits.

• [Bell] Bell circuit that gives 2-qubit quantum entanglement
• [GHZ] GHZ circuit that gives 3-qubit quantum entanglement
• [QFT] Phase waves are generated by 3-qubit QFT (quantum Fourier transform).
• [Modulo] Calculation of "7k mod 15" using 4-qubit. Uses a swap gate.
• [Crover] Grover's search algorithm using 2-qubit. Consists of phase inversion of the target basis and amplification of its probability amplitude.
• [Bit-flip1] Bit-flip errors using 5-qubit (3-qubit for input, 2-qubit for control) are determined by measuring the control 2-qubit, and a new error correction gate is added and executed depending on the measurement result.
• [Bit-flip2] Same settings as Bit-flip1, but Bit-flip errors are automatically corrected without measuring the quantum bits along the way.
• [Phase Est] Quantum phase estimation using 6-qubit (1-qubit for problem setting, 5-qubit for answer). Quantum phase kickback in the first stage, IQFT (inverse quantum Fourier transform) in the second stage. A unique notation is used to reduce the amount of circuit description required in the first stage.
• [Stern-Gerlach] Using 1-qubit, we mimic the famous Stern-Gerlach experiment in quantum computing.
• [Mermin-Peres Magic] Magic using entangled 4 qubits (pseudo-telepathy). Alice sets the value in the third row and Bob sets the value in the third column.

Below are some thumbnails of the screens of these circuits. Please run the app and check the detailed screens for yourself. If you contact me by email, I will provide you with this app (.apk file for Android).

モバイル量子回路シミュレータV2の完成！🎉

　これまでに多数の量子アプリと、幾つかの量子回路シミュレータを自作してきたが、このほど、n-Qubit用モバイル量子回路シミュレータV2が完成した！改めて、その概要を示したい。詳細はこちら（英文）とこちら（英文）を参照願いたい。

🔴Check out the introductory video for this simulator here!

🔴 n-Qubitモバイル量子回路シミュレータの特徴

• スマホ単体で動く。外部のシミュレータ等は使わないので、インターネットは不要。
• 利用する量子ビット数nに制限はない。（ただし、実際には、当然スマホのリソースの制約を受ける。）
• 量子ゲートの記述はテキストで与えるが、分かりやすい出力形式などに工夫を凝らした。
• 量子回路記述にあたっては、手書き回路図面付きの10件の組み込み量子回路例を参考にしていただける。
• 初級〜中級レベルの関連書籍等で示されている例題の恐らく８〜９割程度は、本シミュレータで動かせると思われる。
  

🔴 組み込まれている10件の量子回路例題
　具体的にどのような量子回路のシミュレーションが可能なのかを、上記に述べた10件の例題で示すので、ご自分の量子回路を構成する際の参考にしていただきたい。

• [Bell] 2-qubitの量子もつれを与えるBell回路
• [GHZ] 3-qubitの量子もつれを与えるGHZ回路
• [QFT] 3-qubitのQFT（量子フーリエ変換）によって、位相の波を起こす。
• [Modulo] 4-qubitを使った「7k mod 15」の計算。Swapゲートを利用。
• [Crover] 2-qubitを使ったGroverの探索アルゴリズム。対象の基底の位相反転とその確率振幅の増幅から成る。
• [Bit-flip1] 5-qubit（入力用3-qubit、制御用2-qubit）を使ったBit-flipエラーを、制御用2-qubitの測定で判定し、その測定結果に応じて、エラー訂正用ゲートを新たに加えて実行する。
• [Bit-flip2] Bit-flip1と同じ設定だが、途中で量子ビットを測定せずに、自動的にBit-flipエラーを訂正する。
• [Phase Est] 6-qubit（問題設定用1-qubit、回答用5-qubit）を使った量子位相推定。前段で量子位相キックバック、後段でIQFT（逆量子フーリエ変換）の構成。前段の回路記述量を抑止すために独自の記法を用いている。
• [Stern-Gerlach] 1-qubitを使って、著名なStern-Gerlachの実験を量子コンピューティングで模倣する。
• [Mermin-Peres Magic] 量子もつれになった４qubitを使ったマジック（pseudo-telepathyによる）。Aliceが３行目、Bobが３列目に値を設定する場合。

　以下に、これらの回路の画面のサムネールをいくつか示す。詳細画面は、ご自身でこのアプリを動かして確認していただきたい。メールでご連絡いただければ、このアプリ（.apkファイル for Android）を提供します。