量子情報科学

量子情報科学は、量子力学、情報理論、コンピュータ科学の原理を組み合わせ、量子現象を情報の処理、分析、伝送にどのように活用できるかを探求する学際的な分野です。^{[ 1 ]}量子情報科学は、量子情報で達成できる限界を含め、量子物理学の理論的側面と実験的側面の両方を網羅しています。量子情報理論という用語が使われることもありますが、これは情報処理の理論的側面を指し、実験的研究は含まれません。^{[ 2 ]}

量子情報科学の本質は、量子システムを使用して情報を保存および操作したときに情報がどのように振る舞うかを探求することです。0 または 1 しか取り得ないビットで符号化される古典情報とは異なり、量子情報は重ね合わせによって複数の状態に同時に存在できる量子ビットまたはキュービットを使用します。^{[ 3 ]}さらに、粒子間の量子特有のリンクであるエンタングルメントは、古典には対応するものがない相関関係を可能にします。^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

量子情報科学は本質的に学際的であり、物理学、コンピュータ科学、数学、工学を統合する。理論的枠組みの開発、量子アルゴリズムの設計、量子ハードウェアの構築、量子通信プロトコルの実装が含まれる。^{[ 7 ]}

量子テレポーテーション、量子もつれ、量子コンピュータの製造は、量子物理学と量子工学の包括的な理解に依存しています。GoogleやIBMなどは、量子コンピュータのハードウェア研究に多額の投資を行っており、2010年代以降、量子​​コンピュータの製造において大きな進歩を遂げています。現在では、100量子ビットを超える量子コンピュータを構築することは可能ですが、デコヒーレンス^{[ 8 ]}や量子コンピュータ製造に適したハードウェアや材料の不足など、いくつかの要因によりエラー率が高く、スケーラブルな量子コンピュータの作成が困難になっています^{[ 9 ] 。}

量子暗号装置は現在、商用利用可能となっている。冷戦時代にスパイが用いたワンタイムパッド暗号は、ランダムな鍵のシーケンスを用いて暗号化を行う。これらの鍵は、量子もつれ状態にある粒子ペアを用いることで安全に交換できる。これは、クローン禁止定理と波動関数の崩壊という原理によって、ランダムな鍵の安全な交換が保証されるためである。量子もつれ状態にある粒子を伝送できる装置の開発は、科学技術における重要な目標となっている。

Qiskit、Cirq、Q Sharpは人気の量子プログラミング言語です。量子コンピュータには、さらに多くのプログラミング言語と、より有能な量子プログラマのコミュニティが必要です。そのためには、量子プログラミングには多くの根本的な違いがあり、従来のプログラミングから引き継げるスキルが限られているため、追加の学習リソースが必要です。^{[ 10 ]} OpenQASM（Open Quantum Assembly Language）は、量子回路を記述するために設計された、マシンに依存しない命令型プログラミング言語です。量子回路モデルに基づいており、ゲート、測定、リセット、リアルタイムの古典的計算など、パラメータ化された操作の順序付きシーケンスとして量子プログラムを表します。量子アルゴリズムの実装に加えて、OpenQASMは、量子プロセッサの特性評価、検証、デバッグなどのタスクの回路仕様も可能にします。^{[ 11 ]}

量子アルゴリズムと量子複雑性理論は、アルゴリズムと計算複雑性理論の2つの主題です。1994年、数学者のピーター・ショアは、4,000個の論理量子ビットを持つ量子コンピュータで、 RSAやECCなどの広く使用されている暗号を破る可能性のある量子素因数分解アルゴリズム^{[ 12 ]}を発表しました。これは、重大なセキュリティ上の脅威となります。これにより、量子コンピューティング研究への投資が増加し、耐障害性量子コンピューティング（FTQC）時代に備えるためにポスト量子暗号^{[ 13 ]}が開発されました。^{[ 14 ] [ 15 ]}

• ニールセン、マイケル A. ;チュアン、アイザック L. (2012 年 6 月).量子計算と量子情報(10 周年記念 版). ケンブリッジ:ケンブリッジ大学出版局. ISBN 978-0-511-99277-3. OCLC 700706156 . 

• Quantiki – 量子情報科学ポータルおよびWiki。
• ERA-Pilot QIST WP1量子情報処理および通信に関する欧州ロードマップ
• QIIC – 量子情報、インペリアル・カレッジ・ロンドン。
• QIP – 量子情報グループ、リーズ大学。リーズ大学の量子情報グループは、量子情報の幅広い側面について研究を行っています。研究対象は、アルゴリズム、量子計算から、情報処理の物理的実装、量子力学の基礎問題まで多岐にわたります。また、一般読者向けの基本的なチュートリアルもいくつか掲載しています。
• mathQI数学と量子情報研究グループ
• 南カリフォルニア大学量子情報科学技術センター（CQIST ）
• CQuIC（量子情報制御センター）は、ニューメキシコ大学、アリゾナ大学の理論および実験グループを含む組織です。
• シンガポール国立大学量子技術センター（CQT ）
• CQC2T量子計算・通信技術センター
• QST@LSUルイジアナ州立大学量子科学技術グループ
• QIST@TU Delft デルフト工科大学の量子情報科学技術修士課程。