驚異の量子コンピュータ

藤井啓祐　「驚異の量子コンピュータ」ﾒﾓ  

驚異の量子コンピュータ: 宇宙最強マシンへの挑戦 (岩波科学ライブラリー)

藤井啓祐　「驚異の量子コンピュータ」ﾒﾓ

第Ⅰ部　物理学とコンピュータの歴史

2章　コンピュータと物理法則

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【まとめ】
・初期のコンピュータは連続的な量で物理現象を用いて計算を行うアナログコンピュータ。
・現在のコンピュータは離散的で物理系と分離された量を用いるデジタルコンピュータ。
・チューリングマシン：最も一般的な（物理的に実現可能かつ最もパワフルな）計算マシン。
・情報科学の双璧
　①チューリングに始まる計算理論
　②シャノンに始まる情報理論
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・チャールズ・バベッジ：階差機関を発明
・複雑な計算を足し算、引き算に変換し、それを歯車の動きで計算。

・初期のコンピュータは物理現象を用いて計算を行った。
・連立方程式求解機：ベルトの張力を利用して連立方程式を解くマシン
・微分解析機：ローラーの回転速度を利用して微分方程式を解くマシン
→ベルトの長さやローラーの回転速度といった物理量を解きたい問題の変数に見立て、問題を実際の物理系に埋め込んで解く。
・連続的な値をとる物理量を用いるため、アナログコンピュータ
・バベッジのコンピュータはデジタルコンピュータ（歯車の一つの歯という離散的な量に整数を対応させる）

・初期のコンピュータは、物理法則とそれにより可能になる計算が切り離せない。
→利用する物理現象に関わる制約から逃れられない。
・現在のコンピュータは、コンピュータ上で行われる計算が抽象化され、計算することと計算を行う物理系が分離されている。

＜チューリングマシン＞
・最も一般的な（物理的に実現可能かつ最もパワフルな）計算するマシン。
・データを記憶する無限に長いテープ、データを読み取り演算を実行するヘッド、ヘッドによる読み書きとテープの左右への移動を制御する仕組みから構成されるマシン。
・現在のコンピュータのほとんどはチューリングマシン互換がある。

・チューリングマシンの定義により、チューリングマシンを基準として計算の難しさの比較ができるようになった（演算速度、容量等）。

・アナログコンピュータは、計算対象との物理的相似性を利用する。
・チューリングマシンは数値を離散的な整数値で書き直すことにより表現する、デジタル方式。
・離散化された情報は、有限の精度の数字しか表現しない。
・計算を実行するマシンに誤差があっても、離散化した数の範囲内であれば同じ数値を表現でき、情報の正確さを確保可能。
・デジタル情報を表現する具体的な物理系と、その上で実行される計算を切り離して議論することが可能。

・クロード・シャノンによるスイッチング回路（リレー）の数学的定式化。
・０と１の二つの状態を用いて計算を行う。
・二つの情報の最小単位：bit(binary digit)
・０と１だけの演算は論理演算と呼ばれる。

・シャノンエントロピー：情報量を測るための尺度

・情報科学の双璧
　チューリングに始まる計算理論
　シャノンに始まる情報理論

＜チューリング完全なコンピュータ＞
・チューリングマシンをシミュレーションでき、チューリングマシンと同等な計算能力をもつコンピュータ

＜コンピュータの動作速度の指標＞
・クロック数：１秒間に基本的な演算を何回実行できるか

＜マイクロプロセッサ＞
・コンピュータが行う処理の中心部分(CPU:central processing unit、中央処理装置）をまとめて一つのチップで行うもの

・ムーアの法則：一つのチップに搭載されるトランジスタの数が18ヶ月ごとに倍になる。
・ムーアの法則は限界を迎えつつある。
→微細化が限界まで進み、配線を流れる電流が量子的にふるまい、うまく演算できなくなってきている。
・電子が量子的にふるまう領域に入り、配線を飛び越えて発熱と電力消費の原因になり、これ以上クロック数を上げるのが困難。

たまにはスピード練（遅いけど．．．）

　数日前は冷えて雪も降ったのに、気持ち悪いくらい暖かい一日だった。

　帰宅後にジョグに出かけ、久々にスピード練のつもりで5km走ろうと思ったけれど、最初の1kmで突っ込み過ぎて疲れたので、4km走っておしまいにした。

＜Relive＞

www.relive.cc

＜Ride with GPS＞

ridewithgps.com

＜今日の記録＞

走行距離(km)	4.1
獲得標高(m)	10
平均ﾍﾟｰｽ(/km)	4:41
移動時間	0:19

＜今月のジョグ履歴＞

No	月日	平地	坂道	ﾛｰﾄﾞ	ﾄﾚｲﾙ	距離 km	ﾍﾟｰｽ /km	獲得 m	移動	心拍 bpm	消費 cal	月間距離 km	累積 距離 km	月間 獲得 m	累積 獲得 m
9	2/1	△	●	●	-	27.0	6:25	496	2:53	138	1077	27	180	496	2543
10	2/8	△	△	●	-	31.2	5:59	425	3:07	152	1431	58	211	921	2968
11	2/9	●	-	●	-	11.1	6:09	68	1:08	145	579	69	222	989	3036
12	2/13	●	-	●	-	4.1	4:41	10	0:19	167	205	73	226	999	3046

＜2020年1月からのジョグ記録＞

帰宅ライド

　朝は冷えたけれど、良い天気の一日だった。

　会社帰りにちょとだけライドした。

＜Ride with GPS＞

ridewithgps.com

＜今月のライド履歴＞

No	月日	時間	距離 km	平均 km/h	最高 km/h	獲得 m	ｹｲﾃﾞﾝｽ rpm	心拍 bpm	消費 cal	月間 距離 km	累積 km	月間 獲得 m	累積 獲得 m
6	2/2	1:50	38.2	20.8	36.0	143	-	105	400	38	254	143	1198
7	2/7	1:00	14.1	14.1	39.6	135	-	121	284	52	268	278	1333
8	2/12	1:00	20.3	20.2	34.9	98	-	118	277	73	288	376	1431

＜2020年1月からのライド記録＞

ぽんこつｴﾝｼﾞﾆ屋のDIYぷち発電プロジェクト

独立型小電力ソーラー発電システムを作ろう

＜第三回＞　－ 太陽電池、ソーラーパネルについて調べてみる －

概要

　思い付きで小電力のソーラー発電システムを作ることにして、これまでにシステム構成と自宅にある家電製品の消費電力を調べた。仕様検討に入る前に太陽電池・ソーラパネル／バッテリーの特性等を調査していく。

１．第三回の目的 

　太陽電池、ソーラーパネルの特徴と、実際の製品について調べてみる。

２．おもな太陽電池の分類とその特徴

 　CQ出版の「太陽光インバータとLiイオン電池の電源技術」に太陽電池の分類と特性が載っていたので、以下に引用する。

グリーン・エレクトロニクスNo.15: 太陽光インバータとLiイオン電池の電源技術

CQ出版　太陽光インバータとLiイオン電池の電源技術 

p.5 表1 おもな太陽電池の分類とその特徴

材　　料			特　徴	評価	備　　考
シ リ コ ン 系	結晶系	単結晶	変換効率	○	15～19%
			信頼性	○
			使用実績	○
			価格	×
		多結晶	変換効率	△	13～18%
			使用実績	◎	最も広く使用されている
			大量生産	○
			価格	○
	アモルファス		変換効率	×	6～9%
			大量生産	○	加工性高い
			その他	-	軽量・ﾌﾚｷｼﾌﾞﾙなﾓｼﾞｭｰﾙ製作が可能
					結晶ｼﾘｺﾝの1/100程度の負枠ｼﾘｺﾝ膜を使う
化 合 物 系	GaAs系		変換効率	◎	30～40%
			価格	×	高価（おもに宇宙用に使用）
	CIS系		変換効率	〇	10～12%
			価格	(〇)	安価の可能性
			その他		省資源での生産が可能
	CdTe, Cdsほか		変換効率	(◎)	高効率化の期待
			価格	(◎)	低コスト、大面積化の可能性
			その他		公害物質を含むものあり
有 機 系	色素増感		変換効率	×	5～6%
			価格	(◎)	低コスト製造の可能性
	有機半導体		変換効率	×	4～6%
			その他	-	有機物を含んだ半導体膜を使用
					寿命と高効率化が課題

　変換効率は、衛星用の高額なもので30～40%程度、一般に入手できるものでは20%程度が最高のようだ。

　入手しやすいのはシリコン系の単結晶か多結晶のもので、単結晶のほうが効率が良いが、値段が高いということになるようだ。

３．ソーラーパネル(solar panel)、太陽電池パネルの構成

　ソーラーパネルの構成について、Wikipediaより一部を引用する。

ja.wikipedia.org

ソーラーパネル(solar panel)、太陽電池パネル

・太陽光で発電を行うためのパネルのこと。
・太陽電池板、太陽電池モジュールともいう。

＜構造＞
・ひとつひとつは小さな太陽電池を複数集め、何らかの枠・構造体に入れてパネル状にしたもの。

＜構成＞
・ひとつひとつの太陽電池の起電力は小さいが、それを複数直列に組むことで電圧を上げている。
・鉛蓄電池(12V）と組み合わせることも想定されたソーラーパネルは、蓄電池を充電するために、ソーラーパネル側の起電力は（蓄電池の12Vよりも高く）17～20V程度になるように設計されている。
・電流量を増やすために、上述の直列のユニットが複数、並列に組んであることもある。

＜発電電力＞
・一辺が数十センチメートル程度ならば、10ワット～100ワット程度。
・一辺が数センチ程度の小さなソーラーパネルの場合は、1W以下～数ワット程度。 

４．実際の製品仕様例

　密林で見つけた出力50Wクラスのソーラーパネルの仕様を表３－１に示す。 

【GWSOLAR 50W太陽光パネル・延長5M・接続1.5Mケーブル ３点セット】（多結晶）１２ｖシステム蓄電 / キャンピングカー充電に最適：50W ソーラーパネル、MC4対応コネクター付延長ケーブル、10Aヒューズ付のバッテリ接続ケーブル、GWソーラーの 3点セット（GW-050C)

表３－１　GWSOLAR 50W太陽光パネルの仕様

材料	多結晶
最大出力	50W
動作電圧	18.5V
動作電流	2.72A
解放電圧	22.3V
短絡電流	2.84A
寸法	507×690×35(mm)

　まだソーラーパネルを決めていないけれど、小さく始めるには、このくらいのサイズのものが良さそうだ。 

５．ソーラーパネルの特性等

 　以下のリンクのサイトにソーラーパネルの発電条件や発電効率等について記載されていたので、必要な部分を抜粋する。

www.ideastyle.co.jp

www.girasol-solar.jp

＜１．太陽光パネルの発電条件＞

(a) 天候

・発電に最も好条件な天気は晴天で、太陽光パネルに影が落ちていない状況下。

・曇天では晴天時の半分以下、雲の状況次第では晴天時の5％〜10％まで落ちることもある。

(b) 時間帯

・時間帯別では、朝６時〜夕方18時が発電タイム。

・お昼時の11時〜13時が発電のピーク。

(b) 季節

 ・一年間の月別では、４月・５月の春季が最も好条件。

・続いて8月の夏季、発電量が乏しいのは１１月〜１月の冬季。

・太陽光パネルの素材であるシリコンの特性を踏まえると、最も発電量が安定するのは、ある程度涼しく、かつ日照時間が長い季節。

・一年の天候を見て、この条件に一番当てはまるのが春。

・梅雨の時期や冬に発電量が低下するのは、梅雨は雨で日光が差さない時間が多く、冬場は日照時間が短いため。

・夏季よりも春季の方が発電量が多いのは、高温すぎると太陽光パネルの発電効率が落ちるという特性があるため。

・条件によっては、夏よりも冬の方が発電量が上る可能性がある。

 ・太陽光発電に熱は必要なく、素材であるシリコンは熱に弱い反面低温で性能が上昇するため、冬場の方が効率よく電気を作り出すことができる。

・低い気温には、太陽光によって上昇したパネルの表面温度を下げる働きも期待することができる。

・日照時間についても、地域によっては冬場の方がむしろ太陽光発電に適している場合がある。

・雪があまり降らない地域では冬場乾いた晴天が多い傾向があるため。

・夏は雨や台風が多いため、季節ごとに考えると夏と冬で得られる電力量が逆転する可能性は十分ある。

＜２．太陽光パネルの発電効率低下の要因＞

(1) パネルへの影の影響

・現在主流となっている結晶シリコン型太陽電池モジュールは、太陽電池（セル）が直列に繋がっている。

・１つのセルに影がかかっただけで、モジュール全体の電流が流れにくくなり、結果発電効率が大きく落ちてしまう。

・CIS太陽電池はセルの一つ一つが独立しているため影に強い。

・ただし変換効率が結晶シリコン型よりも低いというデメリットがある。

(2) パネルの汚れ

・パネルの汚れも、発電効率の低下の原因になる。

・汚れていると当然その部分には太陽光がしっかり当たらなくなってしまうから。

(3) パネルの劣化

・太陽光パネルは一度導入すれば15～20年ほど使えると言われてるが、設置したときの発電量を維持できる訳ではない。

・単結晶パネルは少ない面積でも効率的に発電できるメリットがあるものの、多結晶パネルやCISに比べると劣化が早い。

(4) 高温

・太陽光パネルは高温になりすぎると、それだけ発電効率が低下する。

・太陽光パネルの性能を示す時は、測定時モジュールの温度が25度であることが国際的に定められた条件。

・この25度は太陽光パネルがもっとも効率よく電気を生み出すことができる温度で、それ以上温度が上ると発電量は落ちる。

・この25度という数字は外気温ではなく、パネルの表面温度。

・日の光が最大限当たるよう設置される太陽光パネルは、冬場であってもかなり熱い環境に置かれることになる。

・真夏の30度を超えるような気温の中、太陽光を直に浴びたパネルの表面は、最大で70～80度まで上昇する。

・太陽光パネルの発電効率は25度で最大になり、それより１度上昇する毎に0.5％発電量が低下していく。

・真夏は最大時に比べ、30％近く発電量が低下している可能性がある。

 ・太陽光パネルが高温に弱い理由は、シリコンでできているため。

・シリコンは高温によって性能が低下する特徴があるため、温度が上ることで発電効率が落ちる。

・特に最も普及している結晶シリコン系の太陽光パネルは気温に大きな影響を受ける。

＜３．太陽光パネルの高温対策＞

・太陽光パネルには大きく分けてシリコン系と化合物系の２つの種類がある。

・シリコン系は更に単結晶、多結晶、HIT、アモルファスの４つに分けることができる。

 ・太陽光パネルが高温に弱いのは、素材に使用されているシリコンに理由があり、単結晶と多結晶は熱に弱いとされている。

(a) アモルファス

・同じシリコン系でもアモルファスは熱に強い特徴がある。

・理由は使用しているシリコンの量を限界まで減らしているため。

(b) HIT

・単結晶シリコンとアモルファスを積層したHITも高温に強い特性がある。

・高温になると発電量が落ちる単結晶のデメリットを、アモルファスが補ってくれるため。

(c) CIS

・シリコンを使用していないCISも熱に強い太陽光パネル。

・CISはシリコン以外の物質を混ぜ合わせることで作られる化合物系太陽電池。

・単独では半導体として働くことができなくても、組み合わせることでシリコンと同じような特性を持たせることができる。

・CISは銅（Cu）、インジウム（In）、セレン（Se）の各元素を組み合わせたもので、その頭文字を取ってCISと名付けられた。 

　夏場は日差しが強いので、ガシガシ太陽光発電できると思っていたら、太陽電池は暑いと発電効率が低下するとのことで、とんだ勘違いしをしてたな。

　自然が相手なので、ソーラーパネルの正確な発電量を見積もるなんてことは不可能だけど、天候や季節、時間帯の発電条件をもとにざっくりした発電量を見積もって、仕様検討に生かすとしよう。

６．次回の課題

　次回はバッテリーの諸特性について調べてみたい。

驚異の量子コンピュータ

藤井啓祐　「驚異の量子コンピュータ」ﾒﾓ  

驚異の量子コンピュータ: 宇宙最強マシンへの挑戦 (岩波科学ライブラリー)

　量子コンピュータについて、ぼんやりと概念的なことしか知らないので、本を読んでみることにした。

藤井啓祐　「驚異の量子コンピュータ」ﾒﾓ

第Ⅰ部　物理学とコンピュータの歴史

１章　量子力学の誕生

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【まとめ】
・量子力学では、「粒子が必ずここに存在する」という考え方を諦める。
・粒子の測定を行わない限りその位置は不確定で、ぼんやり空間的な広がりをもつ曖昧なもの。
　⇒「可能性の波」として伝わる。
・量子に関する重要な三つの性質
　①重ね合わせの原理
　②波動性
　③波束の収縮
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＜古典力学＞
・「粒子の運動」と「波の運動」を説明する二つの重要なルール
　ニュートンの運動方程式
　万有引力の法則
　電磁気学

＜二重スリットの実験＞
・「粒子」と「波」は古典力学では別物。
・量子力学では、それらはもっと超越した何かの別の側面だと考える。
・ある条件では粒子としての性質が顔を出し、またある条件では波としての性質が顔を出す。
・ネッカーの立方体との類似で、二つの性質を同時に見ることはできない。

・電子銃から出てきた電子の軌道を見たものはいない。
・電子が飛んでいる間、本当に粒子だったという証拠はない。
・電子が飛んでいて二重スリットを通過するときには波としてふるまい、光のように干渉し縞々がスクリーンに現れる。

＜物質（粒子）と波の統一＞
・電磁波のエネルギーには最小単位がり、飛び飛びの値をとる。
・エネルギーの最小単位は量子と呼ばれる。
・波にも粒々の粒子のような性質がある。
・物質も波である：物質波の概念

＜量子力学＞
・ハイゼンベルクの行列力学＝シュレーディンガーの波動力学。
　→粒子と波を統一した「量子力学」の誕生。
・古典力学では、「量子」のもつ粒子と波動の二つの性質のうち、片方の性質だけしか見えていなかった。

＜量子の性質＞
・電子が粒子であるならば、二重スリットのどちから一方を通過するはず。
・スリットを通過する瞬間に、電子がどのようなふるまいをしているかは、直接見ることはできない。
・一つの電子が最後までどのように進むかを追跡できない。
　→技術的問題ではなく、量子力学の根幹の関わっている。

・量子力学では、「粒子が必ずここに存在する」という考え方を諦める。
・どこに粒子がいるか確認しない限り、粒子の位置は確定せず、ぼんやり空間的な広がりをもつ曖昧なものと考える。
・「粒子がどの位置にどれくらい存在しそうか」という可能性の大きさが波に対応していると考える。
・重ね合わせの原理：いろいろな位置に粒子が存在する可能性が重なっている。
・発射時は一つの電子でも、発射後はぼんやりと広がりをもち、いろいろな場所に存在する、「可能性の波」として伝っていく。
・可能性の波は、右のスリットも左のスリットも通過することができる。
・右スリットを通過する粒子と左スリットを通過する粒子の可能性が波として重ね合わさり、干渉縞ができる。
・どこに電子がいるのかを覗き見した瞬間に可能性が収縮し、一つの粒子のように検出される。

＜量子に関する重要な三つの性質＞
①重ね合わせの原理
・覗き見る（観測する）までは、電子の居場所が確定せず、曖昧にいろいろな可能性が重ね合わさっていること
②波動性
・可能性は波としてふるまうため、干渉して強め合い、弱め合う。
③波束の収縮
・スクリーン上で電子の位置を観測すると可能性は収縮し一粒の粒子になる。

ホットショット製作日記（六日目）

タミヤ 1/10 電動RC 4輪駆動ﾚｰｼﾝｸﾞﾊﾞｷﾞｰ　ホットショット4WD 製作日記（六日目）

タミヤ 1/10 電動RCカーシリーズ No.391 ホットショット 2007 オフロード 58391

　ホットショット製作六日目は工程１８～工程２０を行い、リヤとフロントギヤケースの取り付けとダンパーシリンダーを組み立てた。

↓工程１８（リヤギヤケースの取り付け）

 ↓工程１９（フロンギヤケースの取り付け）

工程２０（ダンパーシリンダーの組み立て）

まったり新雪ジョグ

　やっと冬らしい天候になって、朝は少しだけ雪が積もった。

　軽く雪かきをやってから、いつもの河川敷コースで新雪ジョグをした。ふかふかで気持ちいいけど、無駄に疲れた。

＜Relive＞

www.relive.cc

＜Ride with GPS＞

ridewithgps.com

＜今日の記録＞

走行距離(km)	11.1
獲得標高(m)	68
平均ﾍﾟｰｽ(/km)	6:09
移動時間	1:08

＜今月のジョグ履歴＞

No	月日	平地	坂道	ﾛｰﾄﾞ	ﾄﾚｲﾙ	距離 km	ﾍﾟｰｽ /km	獲得 m	移動	心拍 bpm	消費 cal	月間距離 km	累積 距離 km	月間 獲得 m	累積 獲得 m
9	2/1	△	●	●	-	27.0	6:25	496	2:53	138	1077	27	180	496	2543
10	2/8	△	△	●	-	31.2	5:59	425	3:07	152	1431	58	211	921	2968
11	2/9	●	-	●	-	11.1	6:09	68	1:08	145	579	69	222	989	3036

＜2020年1月からのジョグ記録＞