出典検証済みレベル 1
量子ビット
量子ビット（キュービット）は、古典的な状態0と1の重ね合わせ状態に存在できる量子情報の基本単位です。
動きで見る
インタラクティブ・シミュレーター · 無料 · ログイン不要
無料登録後、そのままこの概念に戻ります。
どういう意味か
古典ビットが必ず0か1のどちらかでなければならないのとは異なり、量子ビットの状態は両方の基底状態の線形結合（重ね合わせ）であり、状態ベクトル|ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩で記述されます。ここでαとβは|α|² + |β|² = 1を満たす複素確率振幅です。振幅は強め合ったり打ち消し合ったりする干渉を起こすことができ、量子アルゴリズムはこの干渉を設計して利用します。ただし、1回の測定で得られるのはやはり古典ビット1つだけです。物理的な実装には、超伝導回路、トラップイオン、光子の偏光、電子スピンなどがあります。測定時に量子ビットはそれぞれ|α|²と|β|²の確率で|0⟩または|1⟩に崩壊します。日常のたとえ
量子ビットは1個の光子の偏光のようなものです：45°に偏光した光は、実は水平か垂直のどちらかというわけではなく、その間の1つの方向をはっきり指しています。それでも0°/90°のフィルターに通すと、光子は1個ずつ50:50でどちらか一方にしか進みません — 量子ビットを測定すると0か1しか出ないのと同じです。
量子ビットを地球儀上の点として考えてみてください：北極は|0⟩、南極は|1⟩であり、表面上の他のすべての点は2つの状態の重ね合わせを表します — 古典ビットの単純な表裏よりはるかに豊かです。
よくある誤解
- 量子ビットは単に0と1が同時に存在するわけではありません — 測定確率を決定する複素振幅で記述される特定の量子状態に存在します。
- 量子ビットは無限の情報を格納しません — 測定すると、単一の古典ビットの情報（0または1）しか得られません。
- 量子ビットは、実はこっそり表か裏に決まっている回転するコインではありません。コインには常に隠れた1つの面があり、古典的な確率は足し合わさるだけですが、量子ビットの振幅は打ち消し合うことができ（干渉）、隠れたコインの描像ではこれを再現できません。
要点
- 量子ビットは正規化条件|α|² + |β|² = 1を満たす2つの複素振幅αとβで記述されます。
- 測定は量子ビットを確定的な古典状態に崩壊させ、|α|²の確率で0を、|β|²の確率で1を与えます。
- 量子ビットはすべての量子計算と量子情報プロトコルの基本的な構成要素です。
理解度チェック
量子ビットが|ψ⟩ = (1/√2)|0⟩ + (1/√2)|1⟩の状態にあります。|0⟩を測定する確率はいくらですか？
- A.0
- B.1/4
- C.1/2
- D.1
答えを見る
答え: C. 1/2
理由: |0⟩を測定する確率は|α|² = |1/√2|² = 1/2 = 50%です。
この概念を土台にする概念
一次資料: Schumacher, Quantum coding, Phys. Rev. A 51, 2738 (1995), doi:10.1103/PhysRevA.51.2738
Term and formalism per Schumacher 1995; state-vector treatment per Nielsen & Chuang (2010), doi:10.1017/CBO9780511976667.