量子の世界-1


2020.4.1-産経新聞 THE SANKEI NEWS-https://www.sankei.com/main/topics/main-36641-t.html
新型コロナウイルスの大きさは?

基本的な単位  (1マイクロメートル=0.001ミリメートル)

新型コロナウイルス=0.1マイクロメートル

細菌=1マイクロメートル
ウイルスが含まれた唾液などの飛沫=5マイクロメートル
花粉=30マイクロメートル

一般的なマスクの間隙=5マイクロメートル


Gakken-キッズネット-https://kids.gakken.co.jp/kagaku/nandemo/anything0908_2/

空気について調べちゃおう etc.・・・

2019.8.7-TOSHIBA-https://www.toshiba-clip.com/detail/7685
量子コンピューター研究から生まれた 組合せ最適化の新解法

物流網構築や渋滞緩和、新薬開発など、様々なジャンルにおよぶ社会問題を解決するには、膨大な組合せパターンの中から目的に合ったものを見つけ出す「組合せ最適化問題」と呼ばれる難問を解く必要がある。そこで期待されているのが量子コンピューターの活用だ。このほど東芝は、量子コンピューターの研究を通して、従来のコンピューター(古典コンピューター)で高速に組合せ最適化問題を解く新たな解法(アルゴリズム)を発見した。
量子コンピューターを使わずとも各分野の社会課題を解決できるとなれば、世の中に与える影響は計り知れない。著名な米国オンライン科学雑誌「Science Advances」に論文が掲載され、国内外から注目を集める新解法「シミュレーテッド分岐アルゴリズム」の全容、そして今後の展望をひもといていこう。
「組合せ最適化問題」とは何か
物事を効率化するためには、数多くの選択肢から、最良の組合せを選択する必要がある。これが「組合せ最適化問題」だ。例えば昨今、慢性的な人手不足が問題視される物流業界では、できるだけ短い走行距離で配送できる輸送経路が求められるし、渋滞緩和のためには各自動車がスムーズに走行できるルートを採る必要がある。
しかし、問題の規模が大きくなるほど、組合せの総数も爆発的に大きくなり、最大限の効果が得られる解をはじき出すことは困難になる。この「組合せ爆発」のために、組合せ最適化問題は難問として知られる。
例えば、セールスマンが複数の都市の全てを1回ずつ訪問して出発点に戻る際に、移動距離が最小になる経路を求める「巡回セースルマン問題」と言われるものがある。10都市を回るルートでも181,440通りあり、30都市、50都市にもなると途方もない数字になり、通常の計算機では追いつかないレベルになる。その中から最適なルートを導き出すにはとてつもない時間がかかり、現実的には不可能に近いとされている。
「問題が大規模になるほど、しらみつぶしに最良の組合せを見つけることは難しくなります。物流網構築や渋滞緩和はもちろん、効能が最も高くなる分子の組合せを求める新薬開発や、低リスクで高い収益性のある株の組合せを求める金融ポートフォリオ作成などはその典型例です。
こうした膨大な組合せを持つ課題が、社会やビジネスにおいて無数に存在しています」

こうした組合せ最適化問題は以前から存在するが、その解法が課題とされていた。最適解を求めるための計算は、「イジング問題」という標準問題に置き換えて行うことが研究者の中では通例だ。現在、様々な方式が研究され、イジング問題専用の計算機の開発が進んでいる。ただ、従来の古典コンピューターを使った方式は、膨大な変数を持つ大規模計算に対応できるものの、並列計算による高速化が原理的に困難であるとされる一方で、量子コンピューターは並列計算が可能ながら、大規模計算が不得手という問題があった。(注1:「イジングモデル」と呼ばれる磁石の最も単純なモデルにおいて、そのエネルギー最小の状態を求める、一種の組合せ最適化問題。)
そのため、解法を得ることができれば社会的にも産業的にも絶大なメリットが得られるのは間違いないが、現状では計算処理が極めて困難とされるのが組合せ最適化問題なのだ。
「これまで、超電導回路やレーザーを用いた専用計算機(量子コンピューター)による研究が進められてきましたが、量子コンピューターの本格的な実用化はまだ先で、おまけに多くのコストが必要です。そこで様々な手法が研究される中、並列計算によって高速処理を行なう現行の計算機を駆使して高速な組合せ最適化を可能とするのが、今回開発した『シミュレーテッド分岐アルゴリズム』です」(後藤氏)
東芝社内で長年にわたり量子コンピューターの研究に取り組んできた後藤氏によれば、このアルゴリズムは量子力学のロジックにインスパイアされて生まれたものであるという。


2019.10.25-NHK NEWS WEB-https://www3.nhk.or.jp/news/html/20191024/k10012146191000.html
スパコンで1万年かかる計算を3分20秒で? 量子コンピューター

大手IT企業「グーグル」の研究者などのチームは、次世代のコンピューターとして注目される量子コンピューターが、従来のコンピューターをはるかに上回る性能を持つことを実証したとする論文を発表し、複雑な計算が必要とされる医薬品の合成や、経済・金融分野への応用など、実用化に向けた期待が高まっています。
  アメリカの大手IT企業「グーグル」などの研究チームは、23日付けのイギリスの科学雑誌、「ネイチャー」に、量子コンピューターについての論文を掲載しました。
  それによりますと、実験用に開発したプロセッサーを使って、乱数を生成する問題を計算させたところ、従来のコンピューターではおよそ1万年かかるという結果が出ましたが、量子コンピューターは3分20秒で計算を終わらせたということです。
  量子コンピューターは、理論的には従来のコンピューターでは不可能な計算ができるとされていましたが、実証されたのは今回の研究が初めてだとみられ、グーグルは、実用化に向けた「大きな飛躍だ」としています。
  将来的には、より複雑な計算が必要な医薬品の合成や、経済や金融分野の予測などへの応用が期待されていて、開発競争が今後、さらに激しくなりそうです。
「コンピューターの世界の新たな可能性開いた」
  子コンピューターは、従来のコンピューターとは異なる仕組みに基づいて計算を行います。
  従来のコンピューターは、「0」または「1」のいずれかの状態の組み合わせで計算します。
  これに対し、量子コンピューターは量子力学の原理に基づき、「0でも1でもある」という「重ね合わせ」の状態も利用。
より多くの情報を扱うことができて、理論上は従来のコンピューターをはるかに超える性能を実現できるとされてきました。
  しかし、実際に計算を行える量子コンピューターを開発するには、技術的に解決しなくてはならない問題が数多くあり、従来のコンピューターにはできない計算が本当にできるのかは証明されていませんでした。
  今回の研究は、量子コンピューターでなくてはとけない問題があることを実際に示し、その可能性を実証しました。
  マサチューセッツ工科大学のコンピューターの専門家は「ネイチャー」に寄せた記事で、初めて飛行機を飛行させたライト兄弟の業績になぞらえて「初めて量子コンピューターの超越性が示された」と評価しています。
  グーグルのサンダー・ピチャイCEOは「今回の成果はコンピューターの世界の新たな可能性を開いた」とコメントしています。一方で、今回の発表に関してはIBMなど一部の研究者から、検証の方法に疑義があがっているほか、計算で起きるエラーの訂正の手法や、新たな記録媒体の開発など、解決しなくてはならない課題が多くあり、従来のコンピューターのように一般に普及するまでには、まだ時間がかかる見通しです。
“暗号”めぐる不安も
不安もあります。
それが、インターネットなどあらゆる通信の分野で不可欠となっている暗号の技術をめぐってです。
暗号の技術は、どんどん複雑化していますが、桁違いの計算能力がある量子コンピューターが完成するといまの暗号は解かれてしまうと指摘されているのです。
暗号資産の価格急落 その背景は…
  論文が発表された23日、ビットコインなどのいわゆる仮想通貨=暗号資産の価格が一時、10%以上、急落しました。
  背景には、▽フェイスブックが計画していた暗号資産「リブラ」の発行を先送りする方針を示したことに加え、
▽量子コンピューターの開発によって、暗号資産を支える暗号技術が揺るがされるのではないかという懸念が広がったためとの見方が出ています。
  現在、インターネットなどの通信で使われている暗号技術は、巨大な数の素因数分解など、従来のコンピューターでは計算するのに現実的ではないほどの長い時間がかかる問題を応用して作られています。
  しかし、量子コンピューターがこうした計算を短い時間でとけるようになれば、暗号が解読される危険性が高まると指摘されています。
計算速度を飛躍的に向上させる量子コンピューターの出現は、私たちの生活をより便利にしてくれる可能性がある一方で、情報や通信の安全に対する脅威ともなり得ます。このため、量子コンピューターでも解読できない「耐量子コンピューター暗号」の技術開発も進められています。


量子コンピュータ
出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』

量子コンピュータ (りょうしコンピュータ、英語:quantum computer) は、量子力学的な重ね合わせを用いて並列性を実現するとされるコンピュータ。従来のコンピュータの論理ゲートに代えて、「量子ゲート」を用いて量子計算を行う原理のものについて研究がさかんであるが、他の方式についても研究・開発は行われている。
  いわゆる電子式など従来の一般的なコンピュータ(以下「古典コンピュータ」)の素子は、情報について、「0か1」などなんらかの2値をあらわすいずれかの状態しか持ち得ない「ビット」で扱う。量子コンピュータは「量子ビット」 (qubit; quantum bit、キュービット) により、重ね合わせ状態によって情報を扱う。
  数個の量子ビットがあれば状態が同時に計算され、重ね合わされた結果が得られる。しかし、重ね合わされた結果を観測してもランダムに選ばれた結果が1つ得られるだけで、古典コンピュータに対する高速性は得られない。高速性を得るには欲しい答えを高確率で求める工夫を施した量子コンピュータ専用のアルゴリズムが必須である。もし、数千qubitのハードウェアが実現した場合、この量子ビットを複数利用して、量子コンピュータは古典コンピュータでは実現し得ない規模の並列コンピューティングが実現すると言われる。
  量子コンピュータの能力については、計算理論上の議論と、実際に実現されつつある現実の機械についての議論がある。計算能力の節を参照。現実の機械の能力については実際の項を参照。

理論(詳細は「w:Quantum complexity theory」、「計算複雑性理論」、および「複雑性クラス」を参照)
ヴァジラーニらは、量子チューリングマシンと古典チューリングマシンの計算可能性が等価であることを示した。したがって、計算可能性の点では既存のあらゆるコンピュータと量子チューリングマシンは変わらない。つまり、量子チューリングマシンで「計算可能」な問題は古典チューリングマシンでも「計算可能」であるし、古典チューリングマシンで「計算可能」でない問題は量子チューリングマシンでも「計算可能」でない。(なお、ここで「計算可能」というのは、計算理論の専門用語であって、「原理的に解くことができない」というような表現から一般の人がイメージするような素朴な印象はおそらくたいていは正確ではない)
計算可能性の理論に関しては以上のようであるのだが、では、計算複雑性の理論としてはどうだろうか、というのが関心のある所であろう。
量子コンピュータは容易に古典コンピュータをエミュレートすることが可能であるため、古典コンピュータで速く解ける問題(汎用問題)は、量子コンピュータでも同程度以上に速く解くことができる。よって汎用問題について、量子コンピュータは古典コンピュータ「以上」に強力な計算速度を持つ。ただし、同程度は可能だとしても、「大幅に上回る」かどうかはよくわかっていない。また、「大幅に上回る」問題の範囲についても、「より大きい」かどうかはよくわかっていない。量子コンピュータに関係する複雑性クラスBQPがある。BQPとNPの関係は明確ではないが、BQPのほうが大きいだろうと考えられ、2010年代ころより、NPを含むPHにBQPが含まれない、ということを示唆する結果がいくつか示されてきている。
実際
量子ゲートマシンは理論的には古典コンピューターをシミュレート出来るとされるが、現実には古典ゲートによる小規模演算器もシミュレート出来ない。 そのため、量子ゲートマシンの利用には専用アルゴリズム開発が必ず伴う。Googleは量子ゲートマシンの高速性が2017年末までに実証されると予想した。古典コンピューターよりも実際の量子ゲートマシンの方が高速に解ける問題が存在することを、量子超越性と呼び、このような問題の探索が続けられている。2019年10月23日、Googleは、ランダムに作った量子回路の出力結果を推定すると言う問題で、量子超越性を実証したと発表した。
量子ゲートマシン上で素因数分解を行うショアのアルゴリズムは、2001年にIBMが世界で初めて15(=3×5)の分解に成功した。2012年にブリストル大学が21(=3×7)の素因数分解を行い記録を更新したが、22以上の数の素因数分解の報告はない(2019年9月時点)。
2017年現在始まっているIBM Qなどではごく限られた数の量子ビットしか扱えない。重ね合わせ状態を保ちデータを記憶する量子メモリが実現されていない事、量子複製不可能定理により、計算結果を使いまわすことができない事、複数の量子コンピューターを接続し計算規模を大きくする技術が実現していない事、量子ゲートに起因する誤差が蓄積する事などから、計算大規模化が困難である。従って、現状では、与えられた問題を解くことに使われる状態ではなく、既に提案されている小規模な量子アルゴリズムの実証から始め、量子コンピュータで得ける有用な問題の模索が続いている。
量子コンピュータとしては、量子ゲート型以外に、D-Waveなどの量子アニーリングやその他いくつかのタイプが提案されている、量子イジングマシンはQUBO(制約のない二値二次式の最適化)に特化した専用計算機と言える。


空気
出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』


空気とは、地球大気圏の最下層を構成している気体で、人類が暮らしている中で身の回りにあるものをいう。
  一般に空気は、無色透明で、複数の気体の混合物からなり、その組成は約8割が窒素、約2割が酸素でほぼ一定である。また水蒸気が含まれるがその濃度は場所により大きく異なる。工学など空気を利用・研究する分野では、水蒸気を除いた乾燥空気と水蒸気を含めた湿潤空気を使い分ける。

用法
  地球を覆う気体の層を「大気圏」といい、その気体そのものを日常会話や工業分野などでは「空気」、気象学など地球科学の分野では「大気」とも呼ぶ。ふつう日常会話で「空気」という場合には、人間が暮らしている中で身の回りに存在する地上の空気を指し、場合によっては飛行機が航行する高度のような上空の空気を指す。一方、地球科学においては同じものを「大気」という。
その他の用法
  なお日本語における「空気」には、その場にいる人々の気分やその場の雰囲気という意味もある。(詳細は「場の空気」を参照)
空気は目に見えず、その他感覚にふれることもなく、普段はその存在を意識することもないが、常に身の回りにあり、無くてはならない存在であることから、ごく親しい仲のことを「空気のような」と表現することがある。最近の若者の俗語では「あいつは空気だから」といった使い方もする。こちらのほうは、存在感のなさを揶揄した否定的な用法である。
物性
  乾燥した空気1 L重さは、セ氏0度、1気圧(1 atm)のときに1.293 gである[1]。1 Lで1 gというと一見小さいようであるが、垂直に数十kmも積み重なることで、地表付近の空気には大きな重さ(圧力)がかかる。1気圧は1.033 kgf/cm2なので、地表では1 cm2あたりおよそ1 kgの圧力が加わっていることになる。
  なお、風速、つまり空気の移動速度が大きくなるにつれ、衝突する空気の総量が増え、大きな風圧が生じることになる。帆船ヨットウィンドサーフィンなどはこれを利用して大きな推力を得ているわけであるし、台風などでは巨大な破壊力となる。
  また、空気は流体であり、空気の中を進む物体には揚力抗力(空気抵抗)が生じる。飛行機は大きな揚力を得ることで空気中を飛揚する。

  
密度(0 ℃ 1 atm) 1.293 kg/m3
平均モル質量 28.966 g/mol
熱膨張率(100 ℃ 1 atm) 0.003671 /K
  常温常圧の空気はほぼ理想気体として振る舞い、t [℃]における空気の密度ρ [kg/m3]は、大気圧をP [atm]、水蒸気圧をe [atm]とする。
  また、セ氏0度、1気圧の乾燥空気における音速は331.45 m/s、セ氏15度では約340 m/sである。
  1気圧における近似的な値だが、乾燥空気の熱伝導率はセ氏0度 - 25度の間で約0.024 W・m-1・K-1 とほとんど変わらない
  また、1気圧の乾燥空気の電気伝導率(導電率)はエアロゾルの量により大きく変わり、2.9×10−15(エアロゾル濃) - 7.88×10−15(エアロゾル薄) Ω-1・m-1(または S/m)程度であるという研究報告がある
成分
  地球の大気は窒素、酸素のほか多数の微量成分で構成される。1cm3あたり3×1019個の分子が含まれる。以下に国際標準大気(1975)[12]における、海面付近(1気圧)の、エアロゾル等の微粒子を除いた清浄な乾燥空気の組成を解説する。
  (*)を付けた成分は、呼吸光合成などの生物の活動、車や工場の排気ガスなどの産業活動、空気中で起こる光化学反応に伴う合成・分解により、場所により大きく変動する。
  実際の空気中で最も変動するのは水蒸気であり、最大で4%程度、低いときは0%近くまで低下する。全球地表平均では約0.4%となる(下表には含まない)。 
  (+)をつけた成分は、人為的に排出される成分であり、濃度が近年著しく変化しているものである。主に産業革命以降完全に人為的に排出されて大気中に残存した成分と、もともと自然界で排出されていたが産業革命以降人為的に大量に排出されて濃度が高まった成分とがある。
  数値の右の(>)は、その値が通常の空気における最大値であることを示す。「1ppm>」であれば、最大1ppm、通常はそれ以下であることを意味している。
  
表1: 乾燥空気の主な組成(国際標準大気、1975年)
成分 化学式 体積比 割合(vol%) ppm ppb 備考
窒素 N2 78.084 780,840 -
酸素 O2 20.9476 209,476 -
アルゴン Ar 0.934 9,340 -
二酸化炭素 CO2 0.0390 390 - +*2011年の値
ネオン Ne 0.001818 18.18 -
ヘリウム He 0.000524 5.24 -
メタン CH4 0.000181 1.81 1813±2 +2011年の値
クリプトン Kr 0.000114 1.14 -
二酸化硫黄 SO2 0.0001> 1> -
水素 H2 0.00005 0.5 -
一酸化二窒素 N2O 0.000032 0.32 324.2±0.1 +*2011年の値
キセノン Xe 0.0000087 0.087 87
オゾン O3 0.000007> 0.07> 70>
二酸化窒素 NO2 0.000002> 0.02> 20>
ヨウ素 I2 0.000001> 0.01> 10>
表2: 乾燥空気の微量成分
成分 化学式 体積比割合(vol%) ppm ppb ppt 備考
クロロメタン CH3Cl 約0.000000055 - 0.55 約550 +* 2008年の値
ジクロロジフルオロメタン(CFC-12) CCl2F2 - - - 約540 + 2008年の値
トリクロロフルオロメタン(CFC-11) CCl3F - - - 約245 + 2008年の値
クロロジフルオロメタン(HCFC-22) CHClF2 - - - 約200 + 2008年の値
一酸化炭素 CO - - - 約91 +* 2008年の値
四塩化炭素 CCl4 - - - 約90 + 2008年の値
トリクロロトリフルオロエタン(CFC-113) C2Cl3F3 - - - 約75 + 2008年の値
1,1,1,2-テトラフルオロエタン(HFC-134a) C2H2F4 - - - 約50 + 2008年の値
1-クロロ-1,1-ジフルオロエタン(HCFC-142b) CClF2CH3 - - - 約20 + 2008年の値
1,1-ジクロロ-1-フルオロエタン(HCFC-141b) CCl2FCH3 - - - 約20 + 2008年の値
1,1,1-トリクロロエタン CH3CCl3 - - - 約10 + 2008年の値
1,1-ジフルオロエタン(HFC-152a) C2H4F2 - - - 約4-9 + 2008年の値
六フッ化硫黄 SF6 - - - 約6.5 + 2008年の値
ブロモクロロジフルオロメタン(ハロン1211) CClBrF2 - - - 約4 + 2008年の値
ブロモトリフルオロメタン(ハロン1301) CBrF3 - - - 約3 + 2008年の値
アンモニア NH3 痕跡量 - - -
(地球大気がこのような成分に至った経緯については「地球の大気」を参照)
空気の利用
  産業用として圧縮空気はさまざまな場面で利用される。圧縮空気を原動力として用いる機械を空圧機械というが、圧縮機を用いたり使用者が手動で行ったりといくつかの方式がある。
  また純粋な空気の利用では、ボンベ等に充填した圧縮空気、低温下で液化させた液体空気も製造される。常圧ではおよそ-190℃で液化し、液体酸素の影響から液体の空気は淡い青味を帯びた色をしている。ボンベに充填する空気は一般的に、水蒸気や微粒子成分を取り除いた乾燥空気である。
  スキューバ・ダイビングで使用するタンクには圧縮空気が充填されているが、50m程度まで潜水する場合は、窒素酔いを避けるため、窒素分をヘリウムと置換した空気を用いる。
  また、窒素、酸素、二酸化炭素のほか、アルゴン、クリプトン、キセノン、ネオンなどの大気中に含まれる成分は、空気を利用して冷却・圧縮、化学吸着、膜分離等の方法で産業用に製造されるものがある。
空気の理解史
  古代ギリシャではすでに、エペンドクスルにより空気は4つの元素四大元素:水、地、火、空気)の1つとされ、アリステレス世界観として長く定着した(四元素説)。この考え方は中世ヨーロッパにも継承された。近代的な元素の概念が生まれた後も、相当期間、空気は元素の1つと考えられていた。空気とは性質が異なるさまざまな気体が発見されたが、それらは空気の化合物混合物だと考えられた。
  18世紀になると、アントワーヌ・ラヴォアジエが、空気が酸素窒素の混合物であることを示し、空気を元素とは考えなくなった。
游気の概念
空気を中国伝来の理気論の「気」と区別する別の語として「游気(ゆうき)」も使われた。游気は中国の游子六の書いた『天経或問』で使われた言葉で、オランダ科学書を通して、日本ではじめて近代ヨーロッパの科学を学んだ志築忠雄(1760-1806)が著書の中でたくさん用いた。志築は游気を水蒸気の意味でも用いており、今日の空気と全く同じというわけではなかった。志築は中国の陰陽五行説の影響も残していた。


2019.4..9-https://www.google.com/search?sxsrf

水の気体蒸気は単体の水分子が自由に動ける状態となっており
水分子単体で空間を激しく動き回って(熱運動して)います。
つまり、大きさとしては水分子1個が浮遊しているため
水分子1個分の大きさ 約0.38nm(ナノメートル)の大きさとなります。
大きさは 3nm(3×10⁻⁹m)(3ナノメートル)です。 DNAは、炭素や、リン酸、窒素、水素、酸素などよくしっている原子から構成されています。








このTopに戻る














monomousu   もの申す
最近のニュース
TOPにもどる