本書は主に月刊『Interface』2019年3月号の特集「算数&電子工作から始める量子コンピュータ」の内容を再編集・加筆してまとめたものです．

目次

第1部　基礎知識から光の実験まで

ニュータイプ計算機 量子コンピュータの現状
第1章　なぜ知っておく必要があるのか
■ 注目の理由
■ 現在…中規模量子デバイス時代
■ これからの期待

従来とは違う原理の計算機がもたらすもの
第2章　広がる世界
■ 量子コンピュータでできるもの
■ 得意技1：量子の世界そのものの計算
■ 得意技2：量子とは関係のない計算
■ アルゴリズムの進化という恩恵
■ 将来見えてくる世界

原点からさかのぼる
Appendix1　歴史
■ 物理学の歴史
■ コンピュータの歴史
■ 量子力学とコンピュータの出会い
■ 第1次ブームの到来
■ 第2次ブームの到来

従来のコンピュータのビットとは根本的に違う
第3章　数式なしから始める
■ 量子コンピュータを支える量子力学の世界
■ 0でも1でもない重ね合わせ状態を表現できる「量子ビット」
■ ちょっと詳しく…量子ビットの表現に複素数を使う理由
■ 重ね合わせや干渉以外の量子ビットのルール
■ 量子ビットを使った電子コンピュータの演算
コラム　量子ビットで複素数を用いる理由を数式から見てみる

量子ビットの理解に欠かせない「重ね合わせの原理」&「干渉」
第4章　イラストで量子力学

身近な道具ではじめる不思議量子の世界
第5章　数千円で量子力学の現象を体感できる実験
■ 実験に必要な道具
■ 実験1：偏光板を使って「量子ビット」を測ってみる
■ 実験1-1：偏光板の特性を確認する
■ 実験1-2：重ね合わせの量子ビットの測定
■ 実験1-3：測定により量子ビットの状態が変わる
■ 実験2：量子の干渉を確かめる
■ 実験2-1：2つの経路を通った光子の干渉
■ 実験2-2：経路の識別と干渉の消失
■ちなみに…全ての実験は量子力学を使わなくても説明は可能

どのような装置で実現できるのか？代表的な方式の整理
第6章　ハードウェア大研究
■量子コンピュータのハードウェアに求められること
■ 量子コンピュータの「誤りの訂正」
■ 量子コンピュータのハードウェア開発最前線
■ 方式1：超電導回路
■ 方式2：イオン
■ 方式3：シリコン
■ 方式4：光
コラム　パイオニア的存在の量子アニーリング・マシン

第2部　ラズパイ電子工作

研究者じゃなくても知っておきたい時代が来ている
第1章　エンジニア的量子コンピュータのすすめ
■ 今から知っておきたい電子コンピュータ
■ 量子コンピュータで広がる私の夢
コラム　電子コンピュータが得意だとよく話題にのぼる「巡回セールスマン問題」
■ 鍵となる分野…量子力学

1量子ビットを1PICマイコンで実現してみる
第2章　今回作るもの…擬似的な量子演算電卓
■ 電子工作で量子コンピュータ(もどき)を作る
■ できること…量子コンピュータ的ビット操作

まずは1ビットからはじめる
第3章　PICマイコンによる1量子ビット演算電卓の製作
■ ハードウェア　149
■ ソフトウェア　151
コラム　本物の量子コンピュータに近づけるための工夫
■ 量子ビットをラズパイから制御する
■ キーパッドから操作する

本格的な量子コンピュータへの第一歩
第4章　1量子ビットから5量子ビットに拡張する
■ 5量子ビットに改造する
■ 量子演算に挑戦する
■ 量子演算プログラム
■ 動作確認
■ 疑似量子電卓で足し算をする

第3部　PCでためす

Pythonで動作するQiskit
第1章　量子用ライブラリを試す
■ 量子コンピュータが期待される理由
■ 古典コンピュータとのちがい
■ 理解に必要な概念…「量子ビット」
コラム　量子コンピュータの歴史
■ 量子プログラミングをはじめる

アルゴリズムの解読と量子回路の実装
第2章　最初に見つかったアルゴリズムをシミュレーションしてみる
■ 量子コンピュータの可能性を最初に示した「ドイッチュのアルゴリズム」
■ 量子回路
■ 量子回路のシミュレーション

量子コンピュータに必須の
第3章　誤り訂正
■ 紹介すること…量子コンピュータの誤り訂正
■ 古典コンピュータの誤り訂正おさらい
■ 量子誤り訂正のアルゴリズム&プログラム
■ 量子アルゴリズムは進化中

量子コンピュータの応用例
第4章　コンテストの問題に挑戦
■ ここでとりあげる量子プログラミング・コンテストの問題
■ 問題1
■ 問題2
コラム　量子コンピュータの応用

なんとかこれくらい理解できれば…
Appendix2　高校数学でひもとく量子力学
■ 量子力学に必要な高校数学1：複素数
■ 量子力学に必要な高校数学2：ベクトル・行列
■ 大学レベルの量子力学の世界

ソースコードを眺めながら
Appendix3　C言語でひもとく量子力学
■ 量子計算の基本ルールその(1)…量子ビットの記述
■ 量子計算の基本ルールその(2)…1量子ビットの基本演習
■ 量子計算の基本ルールその(3)…複数量子ビットの演算
■ 2量子ビットの基本演算…CNOT
■ n量子ビット演算
■ 省メモリでシミュレーションする方法
■ まとめ

ソフトウェアから見る量子コンピュータの動向
Appendix 4　注目の量子コンピュータ用ライブラリあれこれ
■ クラウド経由で誰でも使える量子コンピュータが出てきている
■ 実機が実用レベルに達するまではお手軽なシミュレータを試すのがよい
■ 実機でもシミュレータでも使える量子コンピュータ・ライブラリ
■ 注目ライブラリ1：Qiskit
■ 注目ライブラリ2：Cirq
■ 注目ライブラリ3：pyQuil
■ 注目ライブラリ4：SymPy
■ Python以外の量子コンピュータ・ライブラリの動向