【Qiskit】3量子ビットをすべて重ね合わせにしてみよう！一斉測定の実験

1量子ビットでの重ね合わせ（Hゲート）の仕組みが分かったところで、次はスケールを大きくして「3つの量子ビット」を同時に重ね合わせ状態にする実験に挑戦してみましょう！

量子ビットを増やすと、一度に扱える状態の数が爆発的に増えるのが量子コンピュータのすごいところです。実際にコードを書いて、どのような結果になるか確かめてみます。

1. サンプルコード

3つの量子ビットと3つの古典ビットを準備し、すべての量子ビットにHゲートをかけてから一斉に測定するコードです。

from qiskit import QuantumCircuit
from qiskit.providers.basic_provider import BasicSimulator

# 3量子ビット、3古典ビットを準備
qc = QuantumCircuit(3, 3)

# すべての量子ビット（0, 1, 2番目）にHゲートを適用して「確率の波」にする
qc.h(0)
qc.h(1)
qc.h(2)

# それぞれの量子ビットを測定し、対応する古典ビットに保存
qc.measure([0, 1, 2], [0, 1, 2])

# 回路図をテキスト形式で出力
print("--- 回路図 ---")
print(qc.draw(output='text'))

# シミュレータで1000回実行
simulator = BasicSimulator()
result = simulator.run(qc, shots=1000).result()
counts = result.get_counts()

print("\n--- 実行結果 ---")
print(f"実行結果: {counts}")

2. 実行結果と回路図

上記のコードを実行すると、次のような回路図と結果が得られます。

--- 回路図 ---
     ┌───┐┌─┐       
q_0: ┤ H 　 ├┤ M├──────
     ├───┤└╥--┌-┐    


q_1: ┤ H    ├─╫--┤M├───


    ├───┤  ║  └╥┘┌-┐
q_2: ┤ H    ├─╫──╫─┤M├
     └───┘  ║    ║  └╥┘
c: 3/══════╩══╩══╩═
           0  1  2 

--- 実行結果 ---
実行結果: {'100': 123, '111': 125, '001': 132, '010': 131, '110': 133, '011': 125, '000': 96, '101': 135}

3. 解説：3ビットで「8通り」の重ね合わせが誕生！

実行結果を見ると、000 から 111 まで、3ビットで表現できる全8パターン（000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111）が、それぞれ約125回ずつ（均等に約12.5%の確率で）出現していることが分かります。

独立した確率の波：それぞれの量子ビットにHゲートをかけることで、個別に「0か1か分からない波」になり、全体として 2^3 = 8 通りの組み合わせの波が同時に存在している状態になります。
測定による一瞬の収縮：測定（Measure）を行った瞬間、広がっていた8通りの確率の波がガツンと収縮し、どれか1つのパターン（例：100 や 111 など）にピシッと決まります。これを1000回繰り返したため、8つの結果が綺麗に分散して現れました。

量子ビットを増やすと、扱える状態の数が「 2^n 」に爆発的に増加！
これが、量子コンピュータが膨大なパターンを同時に扱えると言われる秘密の片鱗です。

まとめ

今回は3つの量子ビットをすべて重ね合わせにする実験を行いました。たった3ビット増やすだけで、一気に8通りものパラレルな世界を作り出すことができました。量子ビットを増やしていくと、さらに面白い現象（量子もつれなど）が顔を出してきます。Qiskitを使った実験、本当にワクワクしますね！