レッスン2：重ね合わせ

アダマールゲートで「重ね合わせ」を作り、測定ヒストグラムで確率を実感する

重ね合わせ（スーパーポジション）

前のレッスンでは、Qubit が |0⟩ と |1⟩ が混ざった重ね合わせ になれることを学びました。 では、実際にどうやって「回っているコイン」の状態を作るのでしょうか？

アダマールゲート（H）

量子コンピュータは、Qubit に ゲート（＝状態を変える操作）をかけて計算します。 重ね合わせを作る代表的なゲートが アダマールゲート（H） です。

  • |0⟩ に H をかける → 50%:50% の重ね合わせ（表でも裏でもあるコイン）
  • もう一度 H をかけると…なんと |0⟩ に戻ります！

「もう一度かけると戻る」のは量子計算の大きな特徴。古典コンピュータではありえない現象です。

アダマールでコインを回してみよう

下の回路図の通り、|0⟩ にアダマールゲートを 1 回または 2 回かけてから測定します。

Tip

見てみよう - 1回 H をかけると、測定結果は 0 と 1 がほぼ同じ数（50%:50%）になります。 - 2回 H をかけると、必ず 0 になります。2 回の H が打ち消し合って元の |0⟩ に戻るからです。 - スライダーを動かすと、確率の計算とヒストグラムがリアルタイムで再計算されます。これが marimo の「リアクティブ」な計算です。

なぜ重ね合わせが強いのか？

たとえば n 個 の Qubit を全部重ね合わせにすると、\(2^n\) 通りの状態が「同時に」存在できます。

  • 1 個 → 2 通り
  • 2 個 → 4 通り
  • 3 個 → 8 通り
  • 20 個 → 100万通り以上

古典コンピュータは 1 つずつしか調べられませんが、量子コンピュータは重ね合わせで「一度にたくさんの可能性を試す」準備ができるのです。

まとめ

  • アダマールゲート（H） は「重ね合わせ」を作る代表的なゲート。
  • 測定すると重ね合わせが確率に化け、0 と 1 がほぼ半々に現れる。
  • H を 2 回 かけると元に戻る（量子の干渉）。これが量子計算の不思議な力の源。

次は、Qubit 同士が「手をつなぐ」エンタングルメント を学びましょう。