エンタングルメントを成功裏に生成する速度を高めるための方法及び装置、並びに、該方法及び装置を使用する量子リピータ
隔置されたノード(71,72)に配置されて、光チャンネル(75)によって結合された２つの量子ビット間にエンタングルメントを生成するための方法及び装置(70)が提供される。一方のノード(71)は、複数の量子ビット(73)を支持し、並びに、それぞれの光場を各量子ビットを通過させて光チャンネル(75)に送り、これによって、光チャンネル(75)に狭い間隔で並んだ光場の列(78)を生成するように構成されている。他方のノード(72)は、ターゲット量子ビット(74)を支持し、並びに、該光場の列(78)を受け取って、一連の光場の各々が、ターゲット量子ビット(74)がエンタングルされていない間、該ターゲット量子ビット(74)を通過して該ターゲット量子ビットと潜在的に相互作用できるようにし、その後、各光場を測定して該ターゲット量子ビットが成功裏にエンタングルしたか否かを判定するように構成されている。他方のノード(72)が、ターゲット量子ビット(74)がエンタングルしたことを判定すると、該他方のノードは、後続の光場が該ターゲット量子ビットと相互作用できないようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンタングルメントを生成するための方法及び装置、並びに、該方法及び装置を利用する量子リピータに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子情報システムでは、情報は、量子系の「状態」に保持される。量子系は、典型的には、量子ビットまたは「キュービット」と呼ばれる１単位の量子情報を提供する２レベル量子系である。離散的である古典的なデジタル状態とは異なり、量子ビットは、離散状態に限定されず、任意の所与の時点において２つの状態が重なった状態をとることができる。
【０００３】
量子ビットに対して任意の２レベル量子系を用いることができ、単一の光子（フォトン）の偏波状態、電子スピンの状態、核スピンの状態、及び、光のコヒーレント状態に基づく物理的実装を含むいくつかの物理的実装が実現されている。
【０００４】
量子ネットワーク接続は、離れたところにある端部ノード間の量子情報の通信を提供する。そのような接続を、量子コンピュータのネットワークキング、並びに、量子チャンネル（チャンネルはチャネルともいう。以下同じ）、及び認証された（しかし必ずしも秘密にはされない）保全性の古典的チャンネルが、秘密でランダムな共有された古典的ビットを生成するために使用される「量子鍵配送」（QKD）などに使用することが可能である。一般に、量子ネットワーク接続を介して量子情報を伝送するために使用されるプロセスの性能は、伝送距離が長くなるにつれて劣化するため、端部ノード間（の距離）に上限が課される。通常、量子状態を複製することはできないので、古典的な意味におけるリピータ（中継器）を使用することによっては、端部ノード間の距離を長くすることはできない。
【０００５】
２つの隔置された場所間で量子情報を伝送する１つの方法は、「量子テレポーテーション」として知られている技術を使用する。これは、隔置された場所のそれぞれにあるベル対（Bell pair）として知られている２つのエンタングルした（すなわち、量子もつれを生じた）量子ビットを使用する。本明細書では、「エンタングルメント」という用語を、２つのエンタングルした量子ビットを意味するものとしても使用している。かかる分散したベル対の生成は、一般に、光チャンネル（たとえば、光ファイバなどの光導波路）を介して送られる光子によって媒介される。このプロセスには距離の制限があるが、２つの別個のベル対からのそれぞれの量子ビットが同じ場所に配置されている場合には、それらの同じ場所に配置されている量子ビット間で実行される局所的な量子操作（または量子演算）によってベル対を結合する（すなわち「マージ」する）ことが可能である。このプロセスは、「エンタングルメントスワッピング」として知られており、ベル対の同じ場所に配置されていない２つの量子ビット間のエンタングルメントを生じる一方で、同じ場所に配置されている量子ビットは全くエンタングルしない。
【０００６】
同じ場所に配置されている量子ビットを収容（または支持）して、ベル対を結合する（ベル対をマージするともいう。以下同じ）ための局所的な量子操作（または量子演算）を実行する装置は「量子リピータ」と呼ばれる。量子リピータの基本的な役割は、２つの近接する隔置されたノードの各々でそれぞれのベル対を生成して、それらのベル対を結合することである。多数の量子リピータを鎖状に連結することによって、任意の距離だけ離れた端部ノード間にエンドツーエンド（すなわち、両端間）のエンタングルメントを生成することができ、これによって、任意の間隔で隔置された端部ノード間で量子情報を伝送することが可能になる。
【０００７】
QKDはエンタングルした状態（エンタングルメント状態）を直接必要とはしないが、量子リピータを使用することによる長距離間のベル対の生成によって長距離のQKDが容易になることを指摘しておく。さらに、分散型量子計算のほとんどの他の用途は、分散したベル対を使用する。
【０００８】
本発明は、隔置された量子ビット間のエンタングルメントの生成に関する。
【０００９】
本発明によれば、請求項１、７にそれぞれ記載されているような隔置された量子ビットをエンタングルするための装置及び方法、並びに、請求項１１、１２に記載されているような対応する量子リピータが提供される。
【００１０】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を説明するが、それらの実施形態は本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】２つの量子ビットをエンタングルするための既知の操作を示す図である。
【図１Ｂ】既存のエンタングルメントを拡張して、元々はエンタングルしていた量子ビットの１つと新しい量子ビットとを含む新しいエンタングルメントを生成するための延長操作を示す図である。
【図１Ｃ】既存のエンタングルメントを別のエンタングルメントと結合して元のエンタングルメントの各々からの１つの量子ビットを含む新しいエンタングルメントを生成することによって、該既存のエンタングルメントを拡張するためのマージ操作（結合操作）を示す図である。
【図２】隔置されたそれぞれのノードに配置された２つの量子ビット間でエンタングルメント操作を実行するためのエンタングルメント生成サブシステムを示す図である。
【図３Ａ】図１Ａのエンタングルメント操作を単独で用いた場合に可能な距離よりも長い距離離れた２つの量子ビット間でエンタングルメントを生成するために、量子リピータをどのように使用できるかを示す図である。
【図３Ｂ】任意の間隔で隔置されたノード対間で拡張されたエンタングルメントを生成するために、一連の量子リピータをどのように使用できるかを示す図である。
【図４】種々の量子相互作用を実行するための（本明細書では「Ｑブロック」と呼ぶ）基本的な量子物理的ハードウェアブロックの３種類の形態を示す図である。
【図５】Ｑブロックを用いた図２のエンタングルメント生成サブシステムの１実施例を示す図である。
【図６】量子リピータの量子物理的ハードウェアの一般的な図である。
【図７】本発明を具現化するローカルリンクエンタングルメント生成サブシステム（LLE）の図である。
【図８】図７のLLE生成サブシステムの変形形態を示す図である。
【図９】図７の形態のLLE生成サブシステムの周辺に構築された第１の形態の量子リピータを示す図である。
【図１０】２つのLLE生成サブシステムを構成するために、第１の形態の量子リピータが近傍のノードとどのように連携するかを示す図である。
【図１１】近傍のリピータ間にLLE生成サブシステムを提供するために、第１の形態の量子リピータをどのように光学的に直列に結合できるかを示す図である。
【図１２Ａ】図９の量子リピータの量子物理的ハードウェアの第１の実施例を示す図である。
【図１２Ｂ】図９の量子リピータの量子物理的ハードウェアの第２の実施例を示す図である。
【図１３Ａ】LLE生成サブシステムを構成するために、本発明を具現化するそれぞれの形態の量子リピータがどのように近傍のノードと連携するかを示す。
【図１３Ｂ】LLE生成サブシステムを構成するために、本発明を具現化するそれぞれの形態の量子リピータがどのように近傍のノードと連携するかを示す。
【図１３Ｃ】近傍のリピータ間にLLE生成サブシステムを提供するために、図１３Ａ及び図１３Ｂの種々の形態の量子リピータをどのように交互に光学的に直列に結合できるかを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
基本的なエンタングルメント生成及び拡張操作
エンタングルメント操作（図１Ａ）
図１Ａは、大まかに言えば、２つの量子ビットqb1、qb2（参照番号１で示されている）をエンタングルしてベル対を生成するための既知のプロセス（本明細書では「エンタングルメント操作」という）を示している。図１Ａは、エンタングルメント操作中に取得されたスナップショット（ａ）〜（ｇ）を時系列で示している。この例では、量子ビットqb1、qb2は、数ミリメートルよりも長い距離だけ分離されており、ベル対の生成は、自由空間または光ファイバー４などの導波路を介して送ることができる光子によって媒介される。非常に大まかに言えば、ベル対生成プロセスを、非常に少ない量の光（単一の光子、光子の対、または、光子が極めて少ないレーザーパルス）を用いるプロセスと、レーザーなどのコヒーレント源からの多くの光子からなるパルスを用いるプロセスに分割することができる。当業者には理解されるように、光子を生成し、エンタングルメント操作を実行し、及び、測定を行う方法は、非常に少ない量の光と多くの光子からなるレーザーパルスとのどちらを使用するかに依存して異なる。しかしながら、そのような任意のアプローチを用いて本発明を実施することができるので、以下の説明は、ベル対を生成する（及び、その後、拡張する）ために使用される「光場（light field）」という用語で（それらの光子乃至パルスを）簡単に表現している。
【００１３】
図１Ａをより詳細に検討すると、放射源２から放射された光場５（スナップショット（ａ））は、予め準備されている非古典的状態（たとえば、０、＋１）にある物理ビット（physical qubit。または物理的量子ビット）qb1を通過する（スナップショット（ｂ））。典型的には、この物理ビットは電子スピンとして実現され、この場合、電子は、光場が通過する直前に所定の状態になる。光場５と量子ビットqb1が相互作用して、光場５は、量子ビットqb1の量子状態を効果的に「捕捉」する。光場５は次に、光ファイバー４を伝送して（スナップショット（ｃ）及び（ｄ））、量子ビットqb2と相互作用し（スナップショット（ｅ））、その後、検出器３で測定される（スナップショット（ｆ））。これらが成功すると、量子ビットqb1から量子ビットqb2に量子状態が「移行」して、これらの量子ビットがエンタングルされる（図１Ａでは、このエンタングルメントは、両矢印８によって表されており、この表現形式は、エンタングルメントを示すために図面全般を通じて使用されている）。検出器３によって測定された光場５の特性によって、エンタングルメント操作が成功したか否かを判定することができる。エンタングルメント操作の成功または失敗が、古典的（非量子）メッセージ９によってファイバー４のqb1端へと戻される（スナップショット（ｇ））。このメッセージは非常に簡単な形態もの（たとえば、単一パルスの有無）とすることができる。本明細書で使用される「メッセージ」という用語には、そのような簡単な形態のものも、任意の複雑さを持つ（処理時間の制約を受ける）構造化メッセージも含まれる。メッセージ９が、いくつかの量子ビットの中から特定の量子ビットを特定し、かつ、エンタングルメント操作の成功または失敗を特定する必要がある実施形態でも、該メッセージは、単一パルスの有無という形態を依然としてとることができ、その場合、単一パルス無しのタイミングを用いて対象としている量子ビットを特定することができる。エンタングルメント操作の成功／失敗に関する情報をファイバー４のqb1端に戻す必要がある場合（または、含まれている量子ビットを特定する必要がある場合）には、エンタングルメント操作の全経過時間は、エンタングルメント操作が成功した場合でも、少なくともファイバー４をたどる往復伝搬時間である。
【００１４】
量子ビットqb2が既に別の量子ビットとエンタングルされているか否かに関係なく、量子ビットqb1とqb2をエンタングルするために、エンタングルメント操作を実行することができる（エンタングルメント操作がqb1とqb2との間で実行されるときに、qb2が既に別の量子ビットqbjとエンタングルしていた場合には、３つの量子ビットqb1、qb2、qbjの全ての状態がエンタングルされることになる）。
【００１５】
エンタングルメント操作が成功した場合には、検出器３によって測定された光場５の特性によって、qb1とqb2のエンタングルされた状態が相互に関連しているか否かの判定を行うこともできる。相互に関連しているか否かは、一般的には、エンタングルメントの「パリティ」として表される（偶数パリティと奇数パリティは、それぞれ、相互に関連している量子ビット状態、相互に関連していない量子ビット状態に対応する）。エンタングルメントのパリティは後で使用され場合があるので、該パリティを知っておくことは通常は重要である。そのため、いずれのパリティ情報も保存する必要があり、または、パリティが最終的には常に同じになることを確保するための手順を取る必要がある（たとえば、奇数パリティであると判定されると、qb2の状態を反転して偶数パリティを生成することによって、qb1とqb2の間のエンタングルメントのパリティを、最終的には常に偶数パリティにすることができる）。
【００１６】
実際には、２つのエンタングルされた量子ビットの相対的なパリティは、しばしば「一般化されたパリティ（generalized parity）」と呼ばれる2次元量であり、量子ビットパリティ値と共役量子ビットパリティ値の両方を含んでいる。図１Ａに示す単純なエンタングルメント操作の場合には、共役量子ビットパリティ値情報は、実際には偶数パリティであり、測定する必要はない。「一般化されたパリティ」は、該情報を表すのに２つの古典ビットを必要とする。（QKDなどの）いくつかの用途では、共役量子ビットパリティ値情報についての知識を不要とすることができる。以下では、「一般化されたパリティ」の要素の一方（すなわち、量子ビットパリティ値または共役量子ビットパリティ値）を明示的に参照している場合を除いて、「パリティ」という語の使用は、「一般化されたパリティ」を意味するが、適切な場合には、共役量子ビットパリティ値情報を省くことができることが前提とされている。
【００１７】
既に述べたように、量子ビットqb1及びqb2は、典型的には、電子スピンとして物理的に実施される。しかしながら、このようにして保存された量子情報の実際の寿命は非常に短く（累計して１０−６秒のオーダー）、したがって、一般的には、光場５とqb1及びqb2との相互作用の直後に、対象としている量子ビットの量子ビット状態が、はるかに長い実効寿命（典型的には累計して１秒のオーダー）を有する核スピンに移行する。後続の光場との相互作用のために（たとえば、後述する２つのエンタングルメントの結合を行うために）、量子状態を、後で電子スピンに戻すことができる。
【００１８】
注目すべき他の実用上の特徴は、物理ビット（物理的量子ビット）qb1及びqb2は、一般に、光場５が通過する場合以外は（シャッターで光を遮るなどによって）光が当たらないようにされるということである。ファイバー４のqb2の端部においてこれを容易にするために（及び、量子ビットと光場５との相互作用の直前に、予め準備されている状態への該量子ビットの設定を起動するために）、光場５に先だって「先駆」光パルス６を送ることができる。この光パルスは、ファイバー１４のqb2端部で検出されて、量子ビットqb2のプライミングを起動（トリガ）するため、及び、その後の光場５との相互作用のための（たとえば、シャッターを開くことによる）光場の照射（または伝送）を起動（トリガ）するために使用される。この代わりとして、これらのタスクを起動する他の手段を用いることも可能である。
【００１９】
ベル対を成功裏に生成する確率、それに含まれる量子ビット間の距離、及び生成された対の忠実度の間の関係は複雑である。１例を挙げると、多くの光子からなるレーザーパルスの形態をなす光場を用いる１つの特定の構成では、量子ビット間の距離が１０ｋｍと２０ｋｍの場合に、それぞれ、忠実度が０．７７、０．６３８のベル対が生成され、この生成の成功の割合は、試行したうちの３８％〜４０％である。重要な点は、図１Ａに示されているエンタングルメント操作の距離は制限されているということである。簡単にするために、以下では、１０ｋｍの距離での成功確率が０．２５であると想定している。
【００２０】
LLE生成サブシステム（図２）
エンタングルメント操作を実行するためのコンポーネントのアセンブリ（組立体または集合）を、本明細書では、「エンタングルメント生成サブシステム」という。該アセンブリを、装置のある部分（または部品）内に局所的に実装すること、または、離れて配置された装置の部分（または部品）間に実装することができる（これらの装置を一般的にノードという）。図２は、２つのノード２１と２２が、光ファイバー２３によって光学的に結合される後者の場合の１例を示している。ファイバー２３などの光ファイバーは、本明細書で「ローカルリンク」ファイバー（または局所リンクファイバー）と呼ばれるノード間リンクを提供する。図２のノード２１、２２は、それぞれの量子ビットqb1、qb2を実現するためのコンポーネントを含んでいる（理解を簡単にするために、図２では、図１Ａと同じ量子ビットの名称乃至参照を使用している）。量子ビットqb1及びqb2は、qb1に関連付けられている放射源２、qb3に関連付けられている検出器３、ローカルリンクファイバー２３、及び、各ノードにあるエンタングルメント−操作制御ロジック（不図示）と共に、量子ビットqb1とqb2の間にエンタングルメント８を生成するためのエンタングルメント生成サブシステム２５を形成する。ノード間のローカルリンクファイバーを通過する光場によって生成されるこのタイプのエンタングルメントを、本明細書では「ローカルリンクエンタングルメント」または「LLE」と呼ぶ。これに対応して、ノード間のエンタングルメント生成サブシステム２５を「LLE生成サブシステム」と呼ぶ。
【００２１】
延長操作（図１Ｂ）
図１Ａのエンタングルメント操作によって生成されるようなエンタングルメントを「拡張（または延長）」して、元々エンタングルしていた量子ビットのうちの１つと新しい量子ビットを含む新たなエンタングルメントを生成することができる。この場合、後者の新しい量子ビットと元々エンタングルしていた量子ビットの間の距離に関しては、典型的には、元々エンタングルしていた量子ビットのうちの該１つとの間の距離の方が、その元々エンタングルしていた量子ビットのうちの他方との間の距離よりも長い。図１Ｂ及び図１Ｃは、量子ビットqb1とqb2（参照番号１で指示されている）との間の最初のエンタングルメント８を拡張して量子ビットqb1と別の量子ビットとの間にエンタングルメントを形成する２つのやり方を示している。いずれのやり方も、光場を種々の量子ビットを通過させた後、その光場を測定することを含む。しかしながら、簡単にするために、光場自体、及び、該光場を伝送するために典型的に使用される光ファイバーは、図１Ｂ及び図１Ｃからは省かれている。
【００２２】
図１Ｂは、本明細書において「延長操作」と呼ぶエンタングルメント拡張プロセスを、時系列に並べたスナップショット（ａ）〜（ｄ）で示している。一般的には、延長操作は、既存の第１のエンタングルメントのうちのある量子ビットを、該第１のエンタングルメントには含まれていない量子ビット（しかし、この量子ビットは、既に別のエンタングルメントに含まれている場合がある）とエンタングルメントして結合された一連のエンタングルメントを形成し、その後、測定によって該一連のエンタングルメントから中間の量子ビット（すなわち、拡張された該第１のエンタングルメントの端部にある量子ビット）を除去して、該第１のエンタングルメントのうちの残りの量子ビットと新たにエンタングルした量子ビットとの間に「拡張された」エンタングルメントを残すことをさらに含む。図１Ｂは、該第１のエンタングルメントには含まれていない量子ビットがそれ自体まだエンタングルしていない最も単純な場合の延長操作を示している。より具体的には、図１Ｂのスナップショット（ａ）に示すように、量子ビットqb1及びqb2（いずれも参照番号１で指示されている）を含む既存のエンタングルメント８の量子ビットqb2は、エンタングルメント操作によって量子ビットqb3（参照番号１０で示されている）とさらにエンタングルされる。このエンタングルメント操作は、光場を放射源２によって放射して、量子ビットqb2及びqb3を通過させた後、該光場を検出器３で測定することを含む。スナップショット（ｂ）は、こうして生じたqb2とqb3の間のエンタングルメント１１を示している。エンタングルメント８と１１は、結合された一連のエンタングルメントを形成し、これは、すなわち、qb1、qb2及びqb3の状態が今や互いにエンタングルしていることを意味する。次に、光場を放射源２からqb2まで送り、検出器３で該光場を検出することによって、中間にある量子ビットqb2に対して、本明細書では「Ｘ測定」（図１Ｂでは参照番号１２で指示されている）と呼ぶ特定のタイプの測定を実施し、これによって、qb1とqb3とのエンタングルメントを維持したまま、qb1とqb3とのエンタングルメントからqb2を削除する（スナップショット（ｃ）参照）。Ｘ測定１２の１つの特徴は、該測定が、エンタングルしている量子ビットqb1とqb3の量子状態以外の量子状態に関する情報を提供しないようなやり方でなされることにある。たとえば、「a|000＞＋b|111＞」（ａ、bは確率振幅）のような量子ビットqb1、qb2、及びqb3間の結合状態の場合、量子ビットqb2に対するＸ測定は、qb1とqb3の間のエンタングルメントについて、「a|00＞＋b|11＞」（Ｘ測定の結果が＋１の場合）、または、「a|00＞−b|11＞」（Ｘ測定の結果が−１の場合）のいずれかの状態を与えるであろう。この測定は、aまたはbに関する情報を何も与えない。
【００２３】
Ｘ測定１２を実施してエンタングルメントからqb2を削除した後、拡張されたエンタングルメントがqb1とqb3の間に残される。この拡張されたエンタングルメントは、図１Ｂのスナップショット（ｄ）に中程度の厚さの線で描かれた弧１３として示されている。
【００２４】
拡張されたエンタングルメント１３のパリティは、エンタングルメント８及び１１のパリティと、Ｘ測定から決定された共役量子ビットパリティ値の組み合わせである（上記の例では、Ｘ測定は＋１または−１という結果を与えるが、＋、−の符号が共役量子ビットパリティ値である）。偶数パリティ及び奇数パリティのそれぞれについて、量子ビットパリティ値情報及び共役量子ビットパリティ値情報の各々が２進値「０」及び「１」によって表される場合には、拡張されたエンタングルメントの量子ビットパリティ値情報及び共役量子ビットパリティ値情報は、対応するコンポーネントパリティ（それぞれのパリティ値情報を構成するパリティ）のそれぞれのXOR（排他的OR）結合である。
【００２５】
図１Ｂの延長操作と機能的に等価な結果を、最初にqb3をqb2とエンタングルさせることによって得ることができるが、これを、媒介する光場を最初にqb3を通過させ、次に、qb2に対するＸ測定を実行することによってエンタングルメントからqb2を除去するようにするエンタングルメント操作を用いて行うことができる。本明細書では、言語上の明瞭化のために、（Ｘ測定を不可欠のものとして伴う）「延長操作」は、延長操作の一部として実行される最初のエンタングルメントが、拡張されるエンタングルメントの量子ビットを最初に通過する光場によって実施される場合のみを含む。上記の延長操作に機能的に等価なものは、別個のエンタングルメント操作及びＸ測定操作として扱われる。
【００２６】
かなりの距離だけ隔置された２つの量子ビット間にエンタングルメントを生成することを目的とする場合には、図１Ｂに関して説明した延長操作はそれだけでは有効ではない。なぜなら、それぞれのエンタングルメント操作（図１Ｂの（ａ）参照）が失敗すれば、拡張される既存のエンタングルメント（図１Ｂのエンタングルメント８）が破壊されてしまうからである。実際には、拡張されたエンタングルメント１３が成功裏に生成される確率は、エンタングルメント８及び１１のそれぞれを生成するために使用されるそれぞれのエンタングルメント操作の成功確率の積である。既に述べたように、エンタングルメント操作が成功する確率は距離に関係しているため、延長操作だけを用いて長距離にわたってエンタングルメントを成功裏に生成して、最初のエンタングルメントを成功裏に拡張できる可能性は低い。同じ問題は、上記の延長操作の機能的等価物についても存する。
【００２７】
マージ操作（図１Ｃ）
より良いアプローチは、図１Ｃに示すマージ操作を用いて、それぞれがかなり長い距離にわたる（複数の）別個に生成されたエンタングルメントを結合することである。このアプローチによれば、そのようなエンタングルメントを生成する試みの１つが失敗しても他のエンタングルメントは破壊されないので、個々のエンタングルメントに関連する成功確率が効果的に分離される。もちろん、個々のエンタングルメントを結合するために使用されるマージ操作は、有効であるためには、それ自体信頼性が高いものでなければならないが、これは、非常に短い距離にわたって該結合操作を実行することによって達成される。
【００２８】
図１Ｃは、スナップショット（ａ）〜（ｅ）の時系列を用いて、量子ビットqb1とqb2の間に存在するエンタングルメント８を、量子ビットqb4（参照番号１４で指示されている）とqb5（参照番号１５で指示されている）の間に存在する別のエンタングルメント１６と結合（マージ）することによって「拡張（または延長）」して、qb1とqb5の間に「拡張されたエンタングルメント」（図１Ｃの中程度の厚さの線で描かれている弧１９）を生成するためのマージ操作の実施形態の1例を示す。量子ビットqb2とqb4は互いに近接して（典型的には、互いに数十ミリメートル以内の位置に）配置されている。エンタングルメント８及び１６が生成される順番は問題ではない（実際に、それらを同時に生成することができる）。必要なのは、両方のエンタングルメントが同じ時点において使用できる条件で存在するということだけである。そのような時点において、エンタングルメント８と１６は、量子ビットqb2とqb4に対して局所的に実行される量子操作（または量子演算）によって「結合」される。（LLE８、１６がそれぞれ生成された直後に量子ビットqb2、qb4の量子状態が電子スピンから核スピンに移行した場合には、マージ操作が実行される前にそれらの状態を電子スピンに戻す必要がある）。この局所的マージ操作は、放射源２によって光場を放出し、続いて、該光場を２つの量子ビットqb2とqb4を通過させ（またはこの逆の順で通過させ）、その後、該光場を測定する（図１Ｃのスナップショット（ｂ）参照）ことによって実行される図１Ａのエンタングルメント操作のプロセスと同種の第１のプロセスを含む。この第１のプロセスは、成功すれば、（図１Ｃのスナップショット（ｃ）のエンタングルメント１７で示されているように）量子ビットqb2とqb4をエンタングルさせ、これによって、qb1とqb5を互いにエンタングルするところの結合された一連のエンタングルメントが生成される。次に、１以上のＸ測定１８（図１Ｃのスナップショット（ｄ）参照）からなる第２の測定プロセスを用いて、エンタングルしている全体構成から中間にある量子ビットqb2及びqb4を除去して、量子ビットqb1とqb5の間の「拡張された」エンタングルメント１９を残す。量子ビットqb2及びqb4は最終的には、互いにエンタングルせず、量子ビットqb1、qb5ともエンタングルしない。マージ操作は、２つの同じ（またはほぼ同じ）場所にある量子ビット間の局所的な操作であるため、成功する確率は非常に高い。
【００２９】
マージ操作の一部として実施される測定は、結合（マージ）の成功または失敗の指標と、マージ操作の「一般化されたパリティ」の指標の両方を提供する。たとえば、マージ操作の第１のプロセスは量子ビットパリティ値を測定することができ、マージ操作の第２のプロセスは共役量子ビットパリティ値を測定することができる。この場合、該第２のプロセスを、量子ビットqb2とqb4の両方を通過する光場を用いる１つのＸ測定（この場合は、光場は、該第１のプロセスで使用される値（たとえば０、−１）とは異なる値（たとえば０、＋１）を有する）として、または、qb2及びqb4に対して個別に実施され、その後結合される個々のＸ測定として実施することができる。後者のアプローチが図１Ｃに示されている。拡張されたエンタングルメント１９のパリティは、エンタングルメント８及び１５のパリティとマージ操作のパリティの組み合わせである。上記と同様に、偶数パリティ及び奇数パリティのそれぞれについて、量子ビットパリティ値情報と共役量子ビットパリティ値情報の各々が２進値「０」及び「１」によって表される場合には、拡張されたエンタングルメントの量子ビットパリティ値情報及び共役量子ビットパリティ値情報は、対応するコンポーネントパリティ（それぞれのパリティ情報を構成するパリティ）のそれぞれのXOR（排他的OR）結合である。
【００３０】
マージ操作の成功もしくは失敗に関する情報は、端部の量子ビット位置へと古典的メッセージで伝送される。そうでなければ、これらの位置は、量子ビットqb1とqb5がエンタングルしているか否かを知らないからである。この代わりとして、マージ操作の失敗確率は通常は非常に低いので、成功したことを想定して、成功／失敗メッセージを送らないようにすることができるが、この場合は、エンタングルメントの不存在の原因となったマージの失敗を検出して補償することは、拡張されたエンタングルメント１９を使い果たすアプリケーションに委ねられる。通常は、エンタングルしている量子ビットを利用するために、拡張されたエンタングルメントのパリティを知っておく必要があるので、拡張されたエンタングルメント１９のパリティを決定するために必要とされるパリティ情報も、端部の量子ビット位置の一方または他方に伝送される。
【００３１】
図１Ｃに関して上述したマージ操作の形態は、事実上は、エンタングルメントからqb4を除去するためにqb4に対して実施されるＸ測定と共に、エンタングルメント８を拡張するためにqb2とqb4の間の非常に短い距離にわたって実行される延長操作であることが理解されよう（qb2は、該延長操作の一部として実行されるＸ測定によってエンタングルメントから除去されている）。もちろん、量子ビットqb3が、該量子ビットqb3へとエンタングルメント８が拡張されるまでは、それ自体エンタングルされない図１Ｂに例示する延長操作とは異なり、図１Ｃにおけるこれと等価な量子ビットqb4は第２のエンタングルメント１６に既に含まれている。しかしながら、既に述べたように、延長操作にはこの可能性が含まれる。
【００３２】
既に述べたように、マージ操作は、非常に短い距離にわたって実行され、それゆえ、高い成功確率を有する（図１Ｃの量子ビットqb2とqb3の間の）局所的な操作である。マージ操作には、１０−９秒のオーダー（程度）の時間がかかる。
【００３３】
量子リピータ（図３Ａ及び図３Ｂ）
実際には、基本的な（すなわちベースとなる）エンタングルメント操作を妥当な成功確率でもって利用できる距離よりも長い距離だけ分離されたそれぞれの端部ノードに配置された２つの量子ビット間に、拡張されたエンタングルメントを生成しようとするときには、それらの端部ノード間の距離に及んでいる基本的なエンタングルメントをマージ（結合）するために、量子リピータと呼ばれる１以上の中間ノードが使用される。量子リピータノードの各々は、図１Ｃの量子ビットqb2及びqb4に対応し、かつ、他のノードの量子ビットとのそれぞれのエンタングルメントに含まれている（すなわち関わっている）局所的な量子ビットの対に対してマージ操作を効果的に実施する。図３Ａは、左側の端部ノード３１と右側の端部ノード３２によって終端された鎖状に結合された（すなわち一連の）ノード中の１つのノードを形成するそのような量子リピータノード３０を示しており、ノード３１、３２は、それぞれ、エンタングルさせたい（が、それらがあまりに遠く離れているために、１つのエンタングルメント操作を用いて直接エンタングルすることができない）量子ビットqb1、qb5を収容している。この例では、該一連のノードは、左側と右側の端部ノード３１、３２を含む３つのノードから構成されており、ノード３１、３２は、また、量子リピータ３０の左側と右側の近傍ノードを形成している。量子リピータ３０は、左側と右側のローカルリンク光ファイバー３３Ｌ、３３Ｒによって、それぞれ左側と右側の近傍ノード３１、３２に接続されている。本明細書を通じて使用されている「左側」及び「右側」という用語は、量子リピータを含む一連のノードの反対側（該一連のノードに沿った方向、該一連のノードのそれぞれの端部など）を識別するための便利なラベルとして単に使用されていることに留意されたい。
【００３４】
量子リピータ３０は、実際には、各々がそれぞれの量子ビットqb2、qb4（理解を容易にするために、図３Ａでは図１Ｃと同じ量子ビット表記が使用されている）を含む左側部分もしくは左側部、並びに右側部分もしくは右側部（図３Ａでは「Ｌ」、「Ｒ」とそれぞれラベル付けされている）を備える。左側の近傍ノード３１の量子ビットqb1及び量子リピータノード３０の量子ビットqb2は、それらのノード間に形成されて（図３Ａの弧状の破線の矢印８として示されている）、qb1とqb2の間に左側LLE８を生成するよう動作するLLE生成サブシステムの一部である。同様に、右側の近傍ノード３２の量子ビットqb5と量子リピータノード３０のqb4は、それらのノード間に形成されて、qb5とqb4の間に右側LLE１６を形成するように動作するLLE生成サブシステムの一部である。
【００３５】
各LLEを生成するために使用される光場の伝送方向（左から右または右から左）は重要ではなく、このため、関連する放射源及び検出器を所望に応じて配置することができる。たとえば、LLE８及び１６を生成するのに必要な光場をいずれも量子リピータ３０から送り出すようにすることができるが、これは、放射源が量子リピータ３０内に配置され、検出器が左側の近傍ノード３１と右側の近傍ノード３２に配置されることを意味している。しかしながら、同じ形態の量子リピータの鎖状結合を容易にするために、全ての光場が鎖状結合された（すなわち一連の）ノードに沿って同じ方向に進むようにするのが便利である。たとえば、全ての光場が左から右へと進むように光場を配置することができ、この場合、量子リピータ３０の左側部Ｌは、左側LLE８を生成するための検出器を含み、右側部Ｒは、右側LLE１６を生成するための放射源を含むことになる。簡単にするために、特に明示しない限り、以下では、光場はノード間を左から右へと伝送することが想定されている。しなしながら、特許請求の範囲においては、光場の伝送方向は、任意の特定の方向には限定されず、また、異なるリンク間の光場の伝送方向と同じ方向にも限定されない（但し、そのような限定が、記載されているかまたは暗黙的に要求されている場合を除く）。
【００３６】
量子リピータ３０が動作して、左側LLE８と右側LLE１６が任意の順番で生成された後に、量子ビットqb2及びqb4を伴う局所的なマージ操作３４が実行され、これによって、左側LLE８と右側LLE１６が結合されて、端部ノード３１及び３２のそれぞれの量子ビットqb1とqb5の間に拡張されたエンタングルメント１９が形成される。
【００３７】
必要であれば、マージ操作の成功または失敗に関する情報及びパリティに関する情報が、古典的メッセージ３５によって量子リピータ３０からノード３１、３２に送られる。
【００３８】
パリティ情報に関しては、ローカルリンクエンタングルメントのパリティが（必要に応じて量子リピータ状態を反転することによって）統一されている場合には、マージパリティ情報だけを量子リピータによって送るだけでよく、ノード３１または３２はこの情報を利用することができる。しかしながら、LLEパリティ情報が単に格納されている場合には、量子リピータは、自身が持っているパリティ情報を全て送る必要がある。たとえば、左側LLE８と右側LLE１６のパリティが、量子リピータ３０とノード３２によってそれぞれ知られている場合には、量子リピータ３０は、LLE８に関するパリティ情報とマージパリティ情報の両方を、典型的にはそれら２つを結合した後に、ノード３２に送る必要がある。これがされると、ノード３２は、量子リピータ３０から受け取ったパリティ情報とLLE１６に関して既に知っているパリティ情報とを結合することによって、拡張されたエンタングルメントのパリティを決定することができる。
【００３９】
上記から、マージ操作自体は非常に速く（１０−９秒のオーダーで）行われるが、拡張されたエンタングルメント１９がノード３１、３２に有効に利用できるようになるまでには、一般的に、ノード３１、３２のうちの一番遠くにあるノードへのメッセージの伝搬時間に相当する遅延が存在することがわかる。
【００４０】
複数の量子リピータを鎖状に結合することによって、任意の距離で隔置されたノード対間に拡張されたエンタングルメントを生成することができる。図３Ｂは、このことを、左側及び右側の端部ノード３１、３２を含む鎖状に結合された（すなわち一連の）Ｎ個のノード、及び、（Ｎ−２）個の一連の量子リピータ３０（量子リピータの各々は、「QR」で表示されており、かつ、簡単にするために、Ｌ及びＲの量子ビットを表す２つの円を含む矩形で示されている）について示している。ノード３０〜３２は、（不図示の）光ファイバーによって鎖状に相互接続されており、かつ、左から右へと番号が付けられている。すなわち、各ノードの番号ｎは、各ノードの下に付されており、ノード番号「ｊ」は、該鎖状接続に沿った任意のQRノード３０を表している。QRノードのノード番号を、ノードを識別するための添え字として使用することができる。したがって、「QRｊ」は、番号ｊの量子リピータノードを指す。このノード表記、番号付け、及び識別法は、本明細書全般を通じて使用される。
【００４１】
図３Ｂには、３つの既存のエンタングルメント３６、３７、３８が、それぞれのノード対の量子ビット間に示されている。便宜上、一連のノードに沿ったエンタングルメントを高レベルで参照するときには、本明細書では、特定のエンタングルメントは、量子ビット（これらの量子ビットの間にエンタングルメントが存在する）を保持しているノード対を参照することによって識別され、この参照は、２つの構成要素のノード番号からなる組の形態をとる。したがって、（Ｎ−１）とＮという番号が付された近傍ノードにある量子ビット間のローカルリンクエンタングルメントLLEであるエンタングルメント３８を、ノード番号の組｛（N-１），Ｎ｝によって識別できる。（図３Ｂで中程度の厚さの線で描かれた弧によって示されている）エンタングルメント３６と３７は、それぞれ、ノード対｛１，ｊ｝と｛ｊ，（N-1）｝の量子ビット間に存在する拡張されたエンタングルメントであり、これらのエンタングルメントは、LLEを結合することによって生成されたものである。左側と右側の端部ノード３１、３２の量子ビット間のエンドツーエンド（本明細書では「E2E」と略記される）のエンタングルメント（図３Ｂの厚い線で描かれた弧３９を参照）を生成するために、先ず、エンタングルメント３６と３７をQRｊによって結合（マージ）し、次に、その結果生じた拡張されたエンタングルメントをQR（N-1）によってLLE３８と結合（マージ）することができる。代替的には、先ず、エンタングルメント３７と３８をQR（N-1）によって結合（マージ）し、次に、その結果生じた拡張されたエンタングルメントをQRｊによってエンタングルメント３６と結合（マージ）することができる。
【００４２】
エンタングルメント構築経路
エンタングルメントの「エンタングルメント構築経路」（EBP）は、拡張されていないエンタングルメントまたは拡張されたエンタングルメントの生成において使用される１つまたは複数の媒介する光場が通る全量子ビット間経路である。複数の経路セグメントがある場合（すなわち、経路が３つ以上の量子ビットを含んでいる場合）には、図３ＢのE2Eエンタングルメントを構築する方法の検討から明らかなように、光場は、必ずしも、それらのそれぞれのセグメントを順にたどる必要はない（図３Ｂの例では、エンタングルメント構築経路は、一連の量子リピータの左側と右側の量子ビットを介する、一方の端部ノードから他方の端部ノードまでの経路である）。
【００４３】
低レベル量子物理的ハードウェアの表現
量子ビットの物理的実施の特定の形態、並びに、エンタングルメント、延長、及びマージ操作を実行する方法の細部（たとえば、非常に少ない量の光を使用するか、多くの光子からなるレーザーパルスを使用するか）は、本発明には直接関係しないので、これらについては本明細書ではこれ以上説明しないが、それらの適切な実施例は当業者には既知である。その代わり、量子操作を実施するための物理的ハードウェア（「量子物理的ハードウェア」）を、本明細書において「Ｑ−ブロック」と呼ぶ基本的なブロックに関して説明する。この量子物理的ハードウェアは、１つの量子ビット及び関連する光学的構成体の実施、並びにそれらとの相互作用を提供する。
【００４４】
図４は、それぞれ、４０、４２、４４で参照される３つのタイプのＱ−ブロックを示している。
【００４５】
Ｑ−ブロック４０は、量子ビットを具現化（または明らかに）し、及び、該量子ビットとの図１Ａの「捕捉」相互作用を実行する、すなわち、予め準備された（もしくは決められた）状態にある該量子ビットを通過するように光場の伝送を制御するために必要な物理的ハードウェアを表している。このタイプのＱ−ブロック（本明細書では、「捕捉Ｑ−ブロック」と呼び、図面では「Ｑ−ブロック（Ｃ）」と略記されている）は、量子ビット１０及び光場放射源１２、並びに適切な光学的配管（光導波路など）からなる物理的構成、量子ビットを予め決められた状態にし、及び、光場が入ることを許可されているとき以外は（たとえば、電気光学シャッターを用いて）該量子ビットに光場が当たらないようにする機能、（対象としている量子ビットの実施に適切な場合に）必要に応じて電子スピンから核スピンに（及びこの逆へと）量子ビット状態を移行させる機能、及び、「Fire（始動）」信号４１を受信したときに、捕捉Ｑ−ブロックの動作を、それの量子ビットを光場が通過するように（及び、該Ｑ−ブロックの外へ送るように）調整する制御機能を備える。
【００４６】
Ｑ−ブロック４２は、量子ビットを具現化（または明らかに）し、及び、該量子ビットとの図１Ａの「移行」相互作用を実行する、すなわち、予め準備された（もしくは決められた）状態にある該量子ビットを通過するように受け取った光場を伝送させた後該光場を測定するために必要な物理的ハードウェアを表している。このタイプのＱ−ブロック（本明細書では、「移行Ｑ−ブロック」と呼び、図面では「Ｑ−ブロック（Ｔ）」と略記されている）は、量子ビット１０及び光場検出器１３、並びに適切な光学的配管（光導波路など）からなる物理的構成、（たとえば、先駆光パルス６に応答して）量子ビットを予め準備された状態にし、及び、光場が入ることを許可されているとき以外は（シャッターなどを用いて）該量子ビットに光場が当たらないようにする機能、（対象としている量子ビットの実施に適切な場合に）必要に応じて電子スピンから核スピンに（及びこの逆へと）量子ビット状態を移行させる機能、及び、移行Ｑ−ブロックの動作を調整し、及び、測定結果４３を出力する制御機能を備える。
【００４７】
Ｑ−ブロック４４は、捕捉Ｑ−ブロック４０及び移行Ｑ−ブロック４２の両方のタイプの機能を組み込んでいる包括形態のＱ−ブロックであり、そのため、捕捉と移行の両方の相互作用を実行するのに使用することができる。便宜上、このタイプのＱ−ブロックを、本明細書では、修飾文字が何も付かない「Ｑ−ブロック」として参照し、捕捉Ｑ−ブロック４０または移行Ｑ−ブロック４２を使用することについて何らかの特定の指摘がされない限り、（実際には、対象としている文脈において該Ｑ−ブロックが捕捉と移行の両方の相互作用機能を含んでいる必要はない場合であっても）通常参照されるのはこのタイプのＱ−ブロックである。当業者には、このような場合を認識すること、及び、現在の文脈中のＱ−ブロックによって要求されているのが捕捉のための相互作用（以下、捕捉相互作用という）機能か移行のための相互作用（以下、移行相互作用という）機能かを識別することに何の困難もないであろう。Ｑ−ブロックが捕捉タイプであるか移行タイプであるかに関してより具体的に指定されない１つの理由は、協働するＱ−ブロックが（他方のＱ−ブロックのタイプとは異なる）他方のタイプのものである場合には、いずれのタイプも使用できることが多いということである（それらのタイプの間の光場の伝送方向は重要ではない）。
【００４８】
タイプに関係なく、全てのＱ−ブロックは、Ｘmeas（Ｘ測定）信号４５の受信に応答してＸ測定を実行し、これによって、該Ｑ−ブロックを延長及びマージ操作において使用できるようにする機能を含む。この場合、Ｘ測定の結果はResult（結果）信号４３で提供される。Ｑ−ブロックが移行相互作用機能を有する場合には、Ｘ測定機能は、典型的には、移行相互作用機能に関連付けられている検出器２を使用する。もちろん、Ｘ測定機能はエンタングルメント操作には必要ではなく、したがって、Ｘ測定機能をそのような操作のためにのみ使用されるＱ−ブロックから省くことができる。
【００４９】
１つのノードに複数のＱ−ブロックがある場合には、Ｑ−ブロック間でいくつかのコンポーネントを共有する機会があることに留意されたい（たとえば、捕捉相互作用機能を有する複数のＱ−ブロックがある場合には、共通の光場放射源を、そのような全てのＱ−ブロックに使用することができる）。当業者には、そのようなコンポーネントの共有が可能である場合が理解されよう。
【００５０】
エンタングルメント操作は、移行相互作用機能を有するＱ−ブロック（移行Ｑ−ブロック４２または包括的Ｑ−ブロック４４）に光学的に結合された、捕捉相互作用機能を有するＱ−ブロック（捕捉Ｑ−ブロック４０または包括的Ｑ−ブロック４４）を含み、エンタングルメント操作は、捕捉相互作用機能を有するＱ−ブロックにFire信号４１を送ることによって開始され、該操作の成功／失敗は、移行相互作用機能を有するＱ−ブロックによって出力される結果信号４３で示される。
【００５１】
延長操作が実行される場合には、該延長操作の最初のエンタングルメント操作用コンポーネントもまた、捕捉相互作用機能を有するＱ−ブロック及び移行相互作用機能を有するＱ−ブロックを含む。全てのタイプのＱ−ブロックがＸ測定機能を備えているので、エンタングルメントからの中間にある量子ビットのその後の除去を、この量子ビットを実装（または実施）しているＱ−ブロックにXmeas信号を送信することによって実行することが可能である。この場合、測定結果は、このＱ−ブロックによって出力される結果信号４３で提供される。
【００５２】
マージ操作が実行される場合にも、捕捉相互作用機能を有するＱ−ブロック及び移行相互作用機能を有するＱ−ブロックが必要である。この場合も、全てのタイプのＱ−ブロックがＸ測定機能を備えているので、マージ操作に伴うエンタングルメントからの１または複数の量子ビットの除去が可能である。測定結果は、適切なＱ−ブロックによって出力される結果信号４３で提供される。
【００５３】
図５は、それぞれのＱ−ブロック４４を用いて実施された図２のLLE生成サブシステム２５を示す。それぞれのＱ−ブロック４４は、各ノード２１及び２２に設けられており、それらのＱ−ブロック４４は、ローカルリンクファイバー２３を介して光学的に結合される。各Ｑ−ブロック４４は、ノード２１のLLE制御ユニット５３及びノード２２のLLE制御ユニット５４によって形成された関連する制御ロジックを有している。図５に示されているＱ−ブロック４４は包括タイプであるので、エンタングルメントの生成に伴う光場のローカルリンクファイバー２３に沿った伝送方向は固定されていない。したがって、ノード２１のＱ−ブロック４４は捕捉Ｑ−ブロックとして、ノード２２のＱ−ブロック４４は移行Ｑ−ブロックとして、それぞれ機能することができ、あるいは、ノード２１のＱ−ブロック４４は移行Ｑ−ブロックとして、ノード２２のＱ−ブロック４４は捕捉Ｑ−ブロックとして、それぞれ機能することができる。
【００５４】
図５のLLE生成サブシステム２５において、それぞれのＱ−ブロック４４は、ローカルリンクファイバー２３に単に直接結合されている。しかしながら、多くの場合、ノードの現在の操作上の要件に依存して、光場を該ノードの１つまたは複数のＱ−ブロックへと／該Ｑ−ブロックから適切に導くために、該ノードに制御可能な光学的構成体（optical fabric:光ファブリックともいう）を設ける必要がある。たとえば、同じ外部ファイバーを共有するノードに複数のＱ−ブロックがある場合には、光学的構成体は、出ていく光場をその共通のファイバーに結合するか、または、入ってくる光場を該ファイバーから選択されたＱ−ブロックに導くことが必要になる場合がある。別の例では、光学的構成体は、（図３Ａのノード３０などの）量子リピータノードにおいて、Ｌ側のＱ−ブロック及びＲ側のＱ−ブロックを、LLEを生成するためのそれぞれの左側及び右側のローカルリンクファイバーとの光学的な接続状態から、局所的なマージ操作のための互いに光学的に接続された状態へと切り替えることが必要になる場合がある。
【００５５】
したがって、一般的には、ノードの量子物理的ハードウェア、すなわち、量子ビット、並びに、光場を介した量子ビットの相互作用を実施してサポートする物理的構成要素は、１以上のＱ−ブロックだけでなく、１または複数のＱ−ブロックが効果的に埋め込まれた光学的構成体を備える。１例として、図６に、量子リピータノードのそのような表現の１つを示す。図６では、量子物理的ハードウェア６０は、光場をＱ−ブロック４４へと／該Ｑ−ブロック４４から導くための光学的構成体６１を備えるものとして示されており、該Ｑ−ブロック４４は、光学的構成体６１内に存在するものとして示されており、ローカルリンクファイバー６２、６３は、該光学的構成体に直接結合されている。１つのＬ側Ｑ−ブロックと１つのＲ側Ｑ−ブロックが実線の外形で図示されており、設けることが可能な他のＬ側Ｑ−ブロック及びＲ側Ｑ−ブロックが波線の外形で図示されている。
【００５６】
本明細書で使用されている、（量子リピータに関して図６に示されている具体例などの）上記の一般化された量子物理的ハードウェア表現の任意の具体例は、含まれるＱ−ブロックの数及びタイプ並びにそれらの意図された役割に適した実施例であって、対象とする量子物理的ハードウェアの可能性のある全ての実施例を含むことが意図されている。（図６は、Ｑ−ブロックをＱ−ブロック４４、すなわち包括タイプのものとして示しているが、これは、単に、全ての可能性のある実施例を含むようにするためであり、量子リピータ中のＱ−ブロックが果たす役割の要件ではないことに留意されたい。特定の実施例は、Ｑ−ブロックの役割に応じた適切なＱ−ブロックの他のタイプを使用することができる。上記の一般化された量子物理的ハードウェア表現におけるＱ−ブロック４４をそのように使用することは、量子リピータ用の量子物理的ハードウェアの図６の表現には限定されない）。
【００５７】
量子物理的ハードウェアによって実行されることになる量子操作に依存して、該ハードウェアは、種々の制御信号を受信して結果信号を出力するように構成乃至配置される。量子リピータに適した図６の量子物理的ハードウェアブロック６０の場合には、該量子物理的ハードウェアは、エンタングルメント生成操作を制御するための「始動制御（firing control）」信号６４及び「ターゲット制御」信号６５を受信し、マージ操作を制御するための「マージ」信号６７を受信し、及び、それらの操作の結果を示す「結果」信号６６を出力するように構成乃至配置される。この信号６４〜６７を、特定のＱ−ブロックを示すようにパラメータ化することができる。後述の説明から明らかになるように、いくつかの量子リピータの実施形態では、ターゲット制御信号は必要ではない。図６の量子物理的ハードウェア６０の１実施例では、始動制御信号６４は、
・捕捉相互作用機能を有する１つ以上のＱ−ブロックをローカルリンクファイバーの１つに光学的に結合するように、光学的構成体６１を（まだそのように構成されていない場合には）適切に構成するためのセットアップ信号と、
・捕捉相互作用機能を有する１つ以上のＱ−ブロックによって光場の生成を起動するための上述した１つまたは複数の「Fire（始動）」信号
の両方を含み、ターゲット制御信号６５は、
・移行相互作用機能を有するＱ−ブロックをローカルリンクファイバーの１つに光学的に結合するように、光学的構成体６１を（まだそのように構成されていない場合には）適切に構成するためのセットアップ信号
を含む。さらに、この実施例では、マージ信号６６は、
・量子リピータのＬ側及びＲ側のＱ−ブロックを要するマージ操作を実行するように、光学的構成体６１を（まだそのように構成されていない場合には）適切に構成するためのセットアップ信号、
・最初のマージ操作プロセスを起動するための「Fire（始動）」信号、及び、
・図１Ｃのマージ操作の形態が実行される場合には、第２のマージ操作プロセスを形成するＸ測定を始動させるための１以上のXmeas信号
を含む。
【００５８】
延長操作を実行することが意図されている量子物理的ハードウェアの場合は、（延長操作のエンタングルメント生成コンポーネントを動作させるための）始動制御信号を受信するだけでなく、結果信号を出力するようにも構成乃至配列されている該量子物理的ハードウェアは、Ｘ測定を始動させるためのXmeas信号を受信するようにさらに構成乃至配列され、これによって、延長操作を遂行することができる。
【００５９】
ノードの光学的構成体はデフォルトの構成を有することができる。たとえば、図６の量子物理的ハードウェア６０が、Ｌ側Ｑ−ブロック及びＲ側Ｑ−ブロックをそれぞれ１つだけ備えている場合には、光学的構成体６１を、デフォルト時には、それらのＱ−ブロックをローカルリンクファイバーの各々に光学的に結合するLLE生成構成をなすように構成乃至配列することができる。この場合、マージ信号６６は、マージ操作を実行するのに要する時間の間、２つのＱ−ブロックをほんの一時的に互いに光学的に結合するように構成される。このような場合には、ターゲット制御信号６５を完全に省くことができ、始動制御信号６４は、適切なＱ−ブロックに送られるFire（始動）信号だけを含む。
【００６０】
「始動構成部」LLE生成サブシステム
これから、本発明を具現化するローカルリンクエンタングルメント（LLE）生成サブシステムについて説明する。
【００６１】
より具体的には、図７は、ローカルリンクファイバー７５によって光学的に結合された２つのノード７１と７２の間に形成されたLLE生成サブシステム７０の「始動構成部」構成を示す。
【００６２】
ノード７１は、LLE制御ユニット１７１、捕捉相互作用機能を有する（識別番号１〜ｆがそれぞれ付されている）ｆ個のＱ−ブロック７３によって形成された量子物理的ハードウェア、及び、光マージユニット７６を備える。（本明細書では「フュージリア（fusilier）」Ｑ−ブロックと呼ぶ）Ｑ−ブロック７３は全体で、「始動構成部」７７を形成する。ノード７２は、LLE制御ユニット１７２、及び、移行相互作用機能を有する１つのＱ−ブロック７４によって形成された量子物理的ハードウェアを備える。ノード７１の始動構成部７７のフュージリアＱ−ブロック７３は、光マージユニット７６及びローカルリンク光ファイバー７５を介して、ノード７２の１つのターゲットＱ−ブロック７４に光学的に結合されている。したがって、始動構成部７７の全てのＱ−ブロック７３は、同じターゲットＱ−ブロック７４を始動するためのものであることが理解されよう。
【００６３】
ノード７１のLLE制御ユニット１７１が、LLE生成操作を起動するためにその量子物理的ハードウェアにFire（始動）信号を出力すると、始動構成部７７のフュージリアＱ−ブロック７３が順次（連続的に）始動し、放出された光場が、マージユニット７６を通って光場列７８としてファイバー７５を進む。フュージリアＱ−ブロックの識別番号と、光場が該光場列に現れる順番との間には既知の規則的な関係があることに留意されたい。各光場の前をそれ自体の先駆光（パルス）が進むのではなく、１つの先駆光（パルス）７９が光場列７８の前を進んで、ターゲットＱ−ブロック７４にすぐ後に列７８が到着することを知らせるようにするのが好ましい。その場合、先駆光（パルス）７９は、Fire信号に応答して、フュージリアＱ−ブロック７３が始動する前に、放射源１７９によって生成される。
【００６４】
光場の各々がノード７２のターゲットＱ−ブロック７４に順次（及び連続的に）到達すると、ターゲットＱ−ブロックのシャッターが短時間だけ開いて、光場がターゲットＱ−ブロックの量子ビットを通過して、該量子ビットと潜在的に相互作用できるようにする。その後、光場を測定して、エンタングルメントが生成されたか否かを判定する。エンタングルメントが生成されていない場合には、ターゲットＱ−ブロック７４の量子ビットはリセット（再設定）されて、列７８の次の光場を通過させるのに適したタイミングでシャッターを再度開く。一方、列７８の光場の通過によってエンタングルメントが生成された場合には、ターゲットＱ−ブロックの（光場を遮るために）シャッターは閉じたままであり、列７８からの光場はもはやターゲットＱ−ブロック７４の量子ビットと相互作用できない。Ｑ−ブロックシャッターの測定結果に依存するかかる制御は、論理的には、ターゲットＱ−ブロック７４に関連付けられているLLE制御ユニット１７２の一部であるが、実際には、量子物理的ハードウェアに組み込まれた低レベル制御要素によって、該制御を最良に実行することができる。
【００６５】
列７８内の光場の間隔は、次の光場が到着する前に、光場によってターゲットＱ−ブロックが成功裏にエンタングルされたか否かを判定し、該ターゲット量子ビットをリセットし、及び、Ｑ−ブロックのシャッターを開くのに十分な時間を確保できるものとすべきであることが理解されよう。
【００６６】
実際には、ターゲット量子ビットをエンタングルさせる役目を担った光場に後続する光場のターゲット量子ビットとの破壊的（たとえば弱め合う）相互作用を防止するために明示的なシャッターを用いる代わりに、エンタングルメントの直後に量子ビットの状態を電子スピンから核スピンに移行させて、後続の光場の通過が捕捉されたエンタングルした状態を妨害しないようにする（ターゲット量子ビットを光場相互作用に対して安定化する）ことによって、同じ効果を達成することが可能である。エンタングルメントの前に入ってくる外部光を排除するためにシャッターを設けることが依然として適切でありうるが、先駆光（パルス）が検出されるまでは量子ビットが予め準備された状態には設定されないので、通常はそのようなシャッターを省くことができる。
【００６７】
LLE制御ユニット１７２はまた、列中のどの光場がＱ−ブロック７４のターゲット量子ビットと成功裏にエンタングルしたかを識別し、これによって、ターゲットＱ−ブロックの量子ビットとエンタングルしたフュージリアＱ−ブロック７３（したがってその量子ビット）を識別できるようにするための機能を有する（上述したように、フュージリアＱ−ブロックの識別番号と列中に光場が現れる順番との間には既知の関係がある）。たとえば、ターゲットＱ−ブロックに入った光場を単に数えて、この数を、「成功」形式のメッセージ１７３で、LLE制御ユニット１７２によってノード７１に送り返すことができる。この場合、ノード７１のLLE制御ユニット７１は、この数を成功したフュージリアＱ−ブロック７３の識別番号に変換するのに必要な任意の変換処理を実行し、その後、後で参照するために、該識別番号をたとえばレジスタに記憶する（この代わりに、フュージリアＱ−ブロックの識別番号をすぐに送るようにしてもよい）。もちろん、列７８の光場の全てがエンタングルメントの生成に成功しなかった場合には、「失敗」形式のメッセージ１７３が返される。
【００６８】
ターゲット量子ビットの成功したエンタングルメントについての測定結果に含まれているパリティ情報に関しては、このパリティ情報は制御ユニット１７２に送られ、該制御ユニット１７２は該パリティ情報を後で使用するために（たとえばレジスタに）記憶するか、または、該パリティ情報を、たとえばノード７１にメッセージ１７３で伝えることができる。
【００６９】
ノード７１のフュージリアＱ−ブロック７３を順次始動させて光場の列７８を生成する代わりに、全ての光場を一斉に始動させ、異なる長さのファイバーを用いて各フュージリアＱ−ブロックを光マージユニット７６に接続し、これによって、異なる遅延を導入して光場列７８を生成することにより、同等の結果を達成することができる。
【００７０】
始動構成部７７中のフュージリアＱ−ブロック７３の数は、始動構成部のそれぞれの始動において、ターゲットＱ−ブロック７４を成功裏にエンタングルする確率が非常に高くなるように（たとえば９９％以上になるように）選択されるのが好ましい。より具体的には、１つのフュージリアＱ−ブロックの１つの始動でエンタングルメントを成功裏に生成する確率をｓとすると、ｆ個のフュージリアＱ−ブロックからなる始動構成部についての成功確率は、
始動構成部成功確率＝１−（１−ｓ）f
であり、したがって、ｓ＝０．２５で、フュージリアＱ−ブロックが１６個の場合の成功率は９９％であり、フュージリアＱ−ブロックが３２個の場合の成功率は９９．９９％になる。典型的には、１つの始動（すなわち１つの光場列）でターゲット量子ビットを成功裏にエンタングルする望ましい確率Psuccessから始めて、次に、次の不等式にしたがってフュージリア量子ビットの必要な数ｆを決定する。
Psuccess≦１−（１−ｓ）f
【００７１】
列７８内の隣接する光場間の時間間隔は、後の光場が到着する前に、それより（時間的に）前の光場を測定し、ターゲット量子ビットをリセットし、そのシャッターを開くのに十分な時間を確保しつつできるだけ短くするのが有利である。１例としては、光場の時間間隔は１〜１０ナノ秒である。
【００７２】
図７のLLE生成サブシステム７０の形態の場合には、ターゲットＱ−ブロック７４は１つしかないので、実際には、最後に生成されたエンタングルメントが使い果たされるかまたはタイムアウトする（または使用を停止）ことによってサブシステム全体が解放されるまで、始動構成部７７を再起動することはできないことが理解されよう。したがって、始動構成部７７の起動間の最短時間は、ノード間のラウンドトリップタイム（すなわち、（光場列７８がノード７２に到達するのに要する時間）＋（メッセージ１７３をノード７１に返すのに要する時間）の最短時間）に、（たとえばマージ操作において）エンタングルメントを使い果たすのに要する時間を加えたものである。
【００７３】
図８は、２以上のターゲットＱ−ブロックが提供される、図７のLLE生成サブシステム７０の変更形態を示している。
【００７４】
より具体的には、図８のLLE生成サブシステム８０におけるノード７１の量子物理的ハードウェア（始動構成部７７及び光マージユニット７６）の基本的な構成乃至配列は、図７のサブシステムと同じである。しかしながら、後述するように、図８のサブシステムのLLE制御ユニット１８１は、図７の制御ユニット１７１とはいくつかの点で異なる。図７のサブシステムと図８のサブシステムの主な違いはノード７２に見られる。図８のノード７２において、量子物理的ハードウェアは、各々に識別番号１〜ｐのそれぞれが付された複数（全部でｐ個）のターゲットＱ−ブロック７４と、ローカルリンク７５を介して受け取った光場を、ターゲットＱ−ブロック７４のうちの選択された１つに向けて送るための光スイッチ１８３を備えている。光スイッチ１８３は、ノード７２のLLE制御ユニット１８２によって制御されて、光スイッチ１８３は、エンタングルメントが成功裏に生成されるまで、入ってくる全ての光場を同じターゲットＱ−ブロック７４に向けて送り、エンタングルメントが成功裏に生成されると、光スイッチ１８３は、入ってくる光場を利用可能な（エンタングルしていない）新たなターゲットＱ−ブロック７４に送るようにスイッチ動作をする。したがって、光スイッチは、（たとえば、シャッターを閉じることによって）エンタングルされたターゲット量子ビットを後続の光場が通過しないように該光場を阻止する機能を効果的に実行し、これによって、これらの光場と該量子ビットとの相互作用を阻止する。成功裏に生成されたエンタングルメントの各々は「成功」メッセージ１７３によってノード７１に報告され、この場合、該メッセージは、（使用されたフュージリアＱ−ブロック７３及びパリティ情報を識別できるようにする情報に加えて）対象としているターゲットＱ−ブロック７４のID（識別番号）を含むこともできる。
【００７５】
もちろん、制御ユニット１８２は、ターゲットＱ−ブロック７４の各々の可用性状態（利用可能か否か、または、利用可能性に関する状態）を常に把握しておかなければならない。なぜなら、制御ユニット１８２には、光スイッチ１８３が、入ってくる光場をエンタングルしていない量子ビットを有するターゲットＱ−ブロックだけに送るということを確実にする役目があるからである。制御ユニット１８２は、各ターゲットＱ−ブロック７４のそれぞれのエントリ（登録事項など）を格納するように構成されたステータスレジスタ１８６を用いて、この可用性状態を容易に追跡することができる。レジスタエントリの各々は、対応するターゲットＱ−ブロックの利用可能性を記録するだけでなく、Ｑ−ブロックが（該Ｑ−ブロックの量子ビットがフュージリアＱ−ブロックの量子ビットとエンタングルしているために）が利用できない場合には、使用されたフュージリアＱ−ブロックの識別情報、及び／または、パリティ情報も記録することができる。
【００７６】
このようして、動作するノード７２は、始動構成部７７によって始動された全ての光場がエンタングルメント生成を試みるために使用されるように、それらの光場の効率的な使用を確保する。
【００７７】
ノード７１の制御ユニット１８１はさらにステータスレジスタ１８５を備えており、このレジスタは、フュージリアＱ−ブロック７３の各々のエントリを格納するように構成されている。各レジスタエントリは、対応するフュージリアＱ−ブロック７３の利用可能性を記録している。（メッセージ１７３によって示されるように）フュージリアＱ−ブロックの量子ビットがターゲットＱ−ブロック７４の量子ビットとエンタングルしているときと、対象としているエンタングルメントが使い果たされたかもしくはタイムアウトしたかもしくは有効ではなくなったときとの間は、該フュージリアＱ−ブロックは「利用できない」。もちろん、全てのフュージリアＱ−ブロック７４は、始動構成部が起動されたときと、メッセージがノード７２から受信されたときとの間のラウンドトリップタイムの間は事実上「利用できない」。なぜなら、任意の特定のフュージリアＱ−ブロックが、エンタングルメントに関わっているか否か、または、エンタングルメントに関わろうとしているところであるか否かはわからないからである。そのような「利用できない状態」を、各フュージリアＱ−ブロック用のステータスレジスタ１８５に明確に記録することができ、または、制御ユニット１８１によってより一般的に処理することができる。レジスタ１８５の各エントリは、対応するＱ−ブロックの量子ビットがエンタングルしているために該Ｑ−ブロックが利用できない場合には、使用されたターゲットＱ−ブロックの識別情報、及び／または、パリティ情報も記録することができ、この場合、そのような情報は、関連するメッセージ１７３によって提供されたものである。
【００７８】
上述したように、以前のエンタングルメントが使い果たされるか、またはタイムアウトした（あるいは使用が中止された）場合のみ、図７のLLE生成サブシステム７０の始動構成部７７を再度始動することができる。同様にして、図８のLLE生成サブシステム８０を動作させることも可能であり、すなわち、始動構成部７７の最後の始動によって生成された１以上のエンタングルメントが、使い果たされ、タイムアウトし、あるいは、その使用が中止されるのを待った後で、始動構成部７７を再始動することができる。
【００７９】
しかしながら、複数のターゲットＱ−ブロックのうちの少なくともいくつかがエンタングルしていない可能性があるので、１または複数のメッセージ１７３によって始動構成部７７の以前の起動による光場の連続放出の結果がわかるとすぐに、始動構成部７７を再始動するようにすることもできる。始動構成部７７のそのような再始動は、ステータスレジスタ１８５中の対応するエントリによって示されるフュージリアＱ−ブロックの各々の可用性状態を考慮しなければならない。すなわち、利用できないフュージリアＱ−ブロック７３は始動されずスキップされる（スキップする場合は、光場列７８に（スキップされた部分が）すき間（空白部）として残されるか、（スキップされた部分だけ）光場列７８が短くなるが、すき間を残すのが一般的には好ましい）。言うまでもなく、始動構成部７７のかかる始動によってエンタングルメントが生成される確率は、始動するフュージリアＱ−ブロックの数が少なくなることによって低くなる。それにもかかわらず、始動構成部７７の全てのフュージリアＱ−ブロック７３が利用可能になるのを待たずに、該始動構成部７７を再始動することによって、LLEの生成率が全体として高くなる。さらに、生成されたLLEを用いて、始動構成部の始動がLLE消費プロセス（量子リピータの場合における局所的なマージプロセスなど）から切り離されるので、始動構成部７７を、LLE消費プロセス要件とは無関係の一定の（または不規則な）間隔で始動させることができる。
【００８０】
量子リピータ中の「始動構成部」LLEサブシステムの使用
図９は、図７の形態のLLE生成サブシステムに基づく量子リピータの１実施例の一般的な形態を示す。
【００８１】
より具体的には、量子リピータ９０は、左側のローカルリンクファイバー６２と右側のローカルリンクファイバー６３によって、それぞれ、左側の近傍ノード（不図示）と右側の近傍ノード（不図示）に光学的に結合される。量子リピータ９０は、図６に関して説明し、一般的に図示した量子物理的ハードウェア６０を有し、かつ、
左側のLLE生成サブシステム７０Ｌの一部を構成するＬ側（すなわち左側）ターゲットＱ−ブロック７４、
右側のLLE生成サブシステム７０Ｒの始動構成部７７を構成する複数のＲ側（すなわち右側）フュージリアＱ−ブロック７３、及び、
左側のローカルリンクファイバー６２と右側のローカルリンクファイバー６３に、それぞれ、光インターフェース９１Ｌ、９１Ｒを介して結合された光学的構成体６１
を備える。
【００８２】
左側及び右側のLLE生成サブシステム７０Ｌ、７０Ｒは、図７に示す形態と実質的に同様である。図１０に図示しているように、左側のLLE生成サブシステム７０Ｌは、
(a)リピータ９０における、量子物理的ハードウェア６０の上記Ｌ側要素（具体的には、図１０において文字「Ｔ」を囲んでいるボックスによって示されているターゲットＱ−ブロック７４）、及び、左側のLLE（L-LLE）制御ユニット９２
(b)左側のローカルリンクファイバー６２、及び、
(c)左側の近傍ノード１００Ｌにおける、フュージリアＱ−ブロック７３の始動構成部（図１０において、文字「ＦＳ」を囲んでいるボックスによって示されている）、並びに、関連する光学的構成体及びLLE制御ユニット
を備える。右側のLLE生成サブシステム７０Ｒは、
(a)リピータ９０における、量子物理的ハードウェア６０の上記Ｒ側要素（具体的には、ボックス「ＦＳ」で示されている始動構成部７７）、及び、右側のLLE（R-LLE）制御ユニット９３、
(b)右側のローカルリンクファイバー６３、及び、
(c)右側の近傍ノード１００Ｒにおける、ターゲットＱ−ブロック（ボックス「Ｔ」）、並びに、関連する光学的構成体及びLLE制御ユニット
を備える。
【００８３】
したがって、量子リピータ９０それ自体は、図７の形態の作動する完全なLLE生成サブシステム７０を含んでいないが、それのＲ側とＬ側は、図７のLLE生成サブシステム７０のものと相補関係にある始動構成部とターゲット部をそれぞれ備えている。但し、それらは、互いに反対側にあるLLE生成サブシステムに関連付けられている。
【００８４】
LLE生成サブシステム７０のものと相補関係にある始動構成部及びターゲット部のかかる配列により、図１１に示すように、複数の量子リピータ９０（図１１では、量子リピータj-1、j、j+1）を、近傍の量子リピータ間にLLE生成サブシステムが形成されるように光学的に直列に結合することができる（図１１の量子リピータjは、左側近傍のリピータj-1と共にLLE生成サブシステム１１１を形成し、及び、右側近傍のリピータj+1と共にLLE生成サブシステム１１２を形成する）。
【００８５】
量子リピータ９０の光学的構成体６１は、LLE生成のために左側のローカルリンクファイバー６２と右側のローカルリンクファイバー６３にそれぞれ、L側Ｑ−ブロックとR側Ｑ−ブロックを結合するだけでなく、Ｌ側ターゲットＱ−ブロック７４をＲ側フュージリアＱ−ブロック７３のうちの選択された１つに選択的に光学的に結合し、これによって、それらのＱ−ブロックの量子ビットに対して局所的なマージ操作を実施できるようにしている。
【００８６】
LLE生成の間、量子物理的ハードウェア６０は、Ｒ側要素を制御するため（具体的には、始動構成部７７を始動させるため）に、R-LLE制御ユニット９３から始動制御信号を受信し、及び、Ｌ側ターゲットＱ−ブロック７４からL-LLE制御ユニット９２へと結果信号（成功／失敗、パリティ、フュージリア識別情報）を出力する。局所的なマージ操作の場合は、量子物理的ハードウェア６０は、マージ制御ユニット９７からマージ制御信号（これらの信号は、マージに関与するフュージリアＱ−ブロック７３を選択し、及び、マージ自体を起動するためのものである）を受信し、マージ操作の結果に関する結果信号（成功／失敗、パリティ）をユニット９７へと出力して戻す。
【００８７】
図１２Ａ及び図１２Ｂは、Ｑ−ブロック７３及び７４の特性に依存する光学的構成体６１の２つの可能性のある実施例を示している。
【００８８】
図１２Ａの光学的構成体の実施例は、フュージリアＱ−ブロック７３及びターゲットＱ−ブロック７４が包括的Ｑ−ブロック４４（図４参照）である場合に適用できる。その場合には、左側のローカルリンクファイバー６２は、包括的ターゲットＱ−ブロック７４の光入力部に直接接続され、この包括的Ｑ−ブロックの光出力部は、中間の光ファイバー１２１に光学的に結合される。能動性の光スイッチ１２２は、該中間の光ファイバー１２１を包括的フュージリアＱ−ブロック７３の入力に接続し、受動性の光マージユニット１２３は、フュージリアＱ−ブロック７３の出力を右側のローカルリンクファイバー６３に渡す。LLE生成操作中は、ターゲットＱ−ブロック７４は移行相互作用用にセットアップされ（すなわち、設定乃至構成され）、左側のリンクファイバー６２を介して入ってくる光場は、該ターゲットＱ−ブロックへと送られ、フュージリアＱ−ブロック７３は捕捉相互作用用にセットアップされ、光マージユニット１２３はフュージリアＱ−ブロック７３を右側のローカルリンクファイバー６３に結合する。マージ操作の場合は、ターゲットＱ−ブロック７４は捕捉相互作用用にセットアップされ、マージに関与するフュージリアＱ−ブロックは移行相互作用用にセットアップされ（マージに関与するフュージリアＱ−ブロックは、量子物理的ハードウェア６０に送られるマージセットアップ信号において示されている）、光スイッチ１２２もまた、マージセットアップ信号によって設定されて、ターゲットＱ−ブロック７４をマージに関与するフュージリアＱ−ブロック７３に光学的に結合する。
【００８９】
図１２Ｂの光学的構成体の実施例は、ターゲットＱ−ブロック７４が移行Ｑ−ブロック４２（図４参照）であり、フュージリアＱ−ブロック７３が捕捉Ｑ−ブロック４０である場合に適用できる。その場合には、受動性の光マージユニット１２５は、フュージリア捕捉Ｑ−ブロック７４の出力を１つのファイバーに送る。この場合、該１つのファイバーは、能動性の光スイッチ１２６によって、右側のローカルリンクファイバー６３またはループバック光ファイバー１２７へと切り替えられる。受動性の光マージユニット１２４は、移行用ターゲットＱ−ブロック７３に対面する位置にあって、それの入力側において左側のローカルリンクファイバー６２及びループバックファイバー１２７に結合されている。LLE生成操作の場合には、光スイッチ１２５は、捕捉用フュージリアＱ−ブロック７３によって出力された光場を右側のローカルリンクファイバー６３へと送るように設定される。マージ操作の場合には、光スイッチ１２５は、捕捉用フュージリアＱ−ブロック７３のうちの選択された１つによって出力された光場をループバックファイバー１２７に送るように設定される（関与するＱ−ブロックは、量子物理的ハードウェア６０に送られるマージセットアップ信号において示されている）。
【００９０】
図９及び量子リピータ９０の一般的構成を再度参照すると、該リピータは、それの左側と右側の近傍ノードに論理制御チャンネルによって結合されるように構成乃至配列されている。かかる構成乃至配列について以下でより詳細に説明する。
【００９１】
古典的なLLE制御（「LLEC」）通信チャンネル９４は、L-LLE制御ユニット９２と左側の近傍ノードのR-LLE制御ユニットとを相互に通信させる（すなわち、R-LLE制御ユニットは、L-LLE制御ユニット９２と同じLLE生成サブシステム７０Lに関連付けられる）。L-LLE制御ユニット９２は、LLECチャンネル９４を用いて、LLE生成の成功／失敗メッセージ（図７のメッセージ１７３）を、左側の近傍ノードのR-LLE制御ユニットに送る。
【００９２】
古典的なLLE制御（「LLEC」）通信チャンネル９５は、R-LLE制御ユニット９３と右側の近傍ノードのL-LLE制御ユニットとを相互に通信させる（すなわち、L-LLE制御ユニットは、R-LLE制御ユニット９３と同じLLE生成サブシステム７０Ｒに関連付けられる）。R-LLE制御ユニット９３は、右側の近傍ノードのL-LLE制御ユニットから、LLECチャンネル９５を介して、LLE生成の成功／失敗メッセージ（図７のメッセージ１７３）を受信する。
【００９３】
古典的なマージ制御（「MC」）通信チャンネル９８、９９は、MCユニット９７を、該ユニットの左側及び右側の近傍ノードの対応するユニットと相互に通信させて、マージ操作に関する成功／失敗及びパリティ情報を送ることを可能にしている。上記したように、適切な場合には、成功／失敗情報の伝送を省くことができる。
【００９４】
LLEC通信チャンネル９４、９５、及び、MC通信チャンネル９８、９９は、任意の適切な高速通信接続（無線通信など）によって提供することができるが、光ファイバーを介して光信号として伝送されるのが好ましい。より具体的には、LLEC通信チャンネル９４、９５及びMC通信チャンネル９８、９９を、それぞれの専用の光ファイバーで伝送することができ、または、同じファイバーで多重伝送することができる（多重伝送するファイバーは、近傍ノード中のＱ−ブロックに光学的に結合するローカルリンクに使用されるファイバーとすることができ、たとえば、パリティ情報だけがMC通信チャンネルで送られる場合には特に、MC通信チャンネルを、先駆信号７９の強度（もしくは輝度）変調として実施することができる）。より一般的には、LLEC及びMC通信チャンネルを結合して１つの古典的な全二重通信チャンネルにすることができる。
【００９５】
上記の説明から、（R-LLE制御ユニット９３は、始動構成部７７を始動させる役目があるので）右側のLLE生成の開始は、事実上、該制御ユニット９３の制御下にあり、左側のLLE生成の開始は、事実上、左側の近傍ノードにあるR-LLE制御ユニットの制御下にあり、局所的なマージ操作の開始は、マージ制御ユニット９７の制御下にあることが理解されよう。もちろん、ターゲットＱ−ブロック７４が左側とエンタングルし、及び、フュージリアＱ−ブロックのうちの１つが右側とエンタングルしたときのみ、マージ操作を達成することができる。
【００９６】
一連の量子リピータ９０によって結合された２つの端部ノード間にエンドツーエンド（E2E）のエンタングルメントを構築するために採用することができる多数の異なる方策がある。用いられる方策は、一般的には、各リピータの１以上の制御ユニットの演算ロジックによって具現化されることになろう。
【００９７】
１つの方策（本明細書では「端部からの延長」という）は、左側の端部ノードとその近傍にある量子リピータとの間のLLEから始めて、一連のノードのうちの左側の端部ノードと量子リピータとの間に現存するエンタングルメントと、該リピータと該リピータの右側の近傍ノードとの間に形成されたLLEとを結合（マージ）することによって、該エンタングルメントを延長するというプロセスを繰り返す反復プロセスを含む。各繰り返しにおいて、作動する量子リピータ（エンタングルメント延長のためのマージを実行する量子リピータ）は、一連のノードに沿って１つだけ右側に（すなわち、延長されるエンタングルメントを一方の端部で留めている端部ノードから離れる方向に）移動する。この方策では、現在の作動するリピータがエンタングルメント延長のためのマージを成功裏に達成すると、該リピータは、自身の「作動するリピータ」という役目をそれの右側近傍（のノード乃至リピータ）に渡す。今や作動するリピータとなったこの近傍（のノード乃至リピータ）は、自身が左側にエンタングルされていることを知っている（なぜなら、それの左側近傍のリピータは、該リピータと今や作動するリピータとなっているノード乃至リピータとの間のLLEを左側の端部ノードで留められているエンタングルメントと成功裏に結合（マージ）した後でのみ、「作動するリピータ」という役目を渡したはずだからである）ので、右側のLLEが存在するときはいつでも自身のマージ操作を実行することができる。始動構成部７７中のフュージリアＱ−ブロック７３の数を適切に選定することによって、始動構成部の単一の始動によって右側のLLEを高い確率で成功裏に生成することが可能である。したがって、リピータが「作動するリピータ」になっているときに右側のLLEがまだ存在しない場合には、そのようなLLEを迅速に生成することができ、この結果、E2Eエンタングルメントの構築が迅速に進行する。上記の説明から、「端部からの延長」方策は、各々のリピータが「作動するリピータ」になったときだけ、該「作動するリピータ」であるリピータのマージ制御ユニットがアクティブになる（すなわち作動する）ようにし、次に、エンタングルメント延長のためのマージが成功裏に達成された後に「作動するリピータ」という役目をそれの右側の近傍（のノード乃至リピータ）に渡すことによって有効に具現化されることが理解されよう。
【００９８】
実際に、リピータ９０の始動構成部の単一の始動によって右側LLEを高い確率で成功裏に生成できることによって、そのように高い確率で生成できない場合には実現できないであろうエンドツーエンド（「E2E」）エンタングルメントを構築するための多くの他の方策が可能である。たとえば、一連の量子リピータ９０中の全てのリピータを（たとえば、GPS衛星群から得られたタイミング情報によって、または、リピータ間で送信された信号を用いたリピータ内の位相ロックループ用クロックによって）時間同期させることができる場合には、「同期化」方策を使用することができる。この場合、リピータの一連の同期化された動作サイクルの各々の間、各リピータは、自身の始動構成部の始動によって右側LLEを生成し（これによって１以上のLLEが全てのリピータ間に存在するようになる）、その後、全てのリピータはほぼ同時にマージ操作を実行する。そして、全てのマージが成功した場合には、E2Eエンタングルメントが生成されることになる。このように、リピータは事実上同時に動作するので、E2Eエンタングルメントを生成する全プロセスは、「端部からの延長」方策の場合よりもいっそう高速である。「同期化」方策は、各リピータのマージ制御ユニット９７及びR-LLE制御ユニット９３を、同期化されたクロックの制御下で動作させることによって有効に具現化されることが理解されよう。
【００９９】
右側のLLEが高い確率で成功裏に生成されることを利用するが、鎖状に接続された一連の量子リピータの同期化動作を必要となしない別の方策は、量子リピータを「準非同期」方式で動作させてエンドツーエンド（E2E）エンタングルメントを構築する。「準非同期」方式でのE2Eエンタングルメントの構築には、MCチャンネルを介して一方の端部ノードから１連のノード（すなわちノードのチェーン）に沿って周期的なトリガ信号を伝達し、これによって、各リピータが、該一連のノード（すなわちチェーン）に沿って、１つの最上位のサイクルの動作を実行できるようにすることが含まれる。この場合、該最上位のサイクルにおいて、各リピータは、該リピータの左側及び右側の量子ビットが、それぞれ左側及び右側にエンタングルされることがわかっているか、または、そのようにエンタングルされることが予測されるときに、局所的なマージ操作を開始する。典型的には、各リピータは、該周期的なトリガ信号の受信に応答して、または、該トリガ信号の受信に関係なく、右側のLLEの生成を開始する役目を担っている。やがて、全てのリピータが１つのマージを実行し、その結果、E2Eエンタングルメントが生成されるが、かかるプロセス全体が１つのE2Eの動作サイクルを構成する。リピータが、それらのそれぞれのマージ操作を１つのE2E動作サイクルで実行する順番は、リピータが該周期的なトリガ信号を受信する順番と必ずしも同じである必要はないが、いくつかの要因に依存し、それらの要因うち最も注目すべきは、ノード間の間隔である。引き続くE2E動作サイクルを、引き続く周期的なトリガ信号を送信することによって開始することができる。任意の１つのリピータの最上位の動作サイクルが重ならない限り、E2E動作サイクルをそのように行うことができる。
【０１００】
このように、図７のLLE生成サブシステム７０を、エンドツーエンド（「E2E」）エンタングルメントを構築するために量子リピータによって実施される方策に関係なく該量子リピータにおいて有効に利用することができる。もちろん、図８のLLE生成サブシステム８０を、図７のサブシステムと同様のやり方で量子リピータにおいて利用することもできるが、複数の右側／左側のLLEが同時に存在する可能性を考慮して適切な変更が必要である（この点で主要な要件は、マージ制御ユニットが、マージしようとするＱ−ブロックが左側及び右側のＱ−ブロックのうちのどれであるかを確実に知っているようにすることであり、この場合、かかる情報は、LLE制御ユニット１８１、１８２のステータスレジスタ１８５、１８６に利用可能な状態で格納されている）。
【０１０１】
１連の量子リピータによって結合された端部ノードの各々は、近傍の量子リピータの両側のうちの該端部ノードに対面している側（すなわちＬ側またはＲ側）と相互作用するための機能を含んでいることに留意すべきである。したがって、左側の端部ノードは、量子リピータのＲ側（右側）の機能と類似の機能を含んでおり、これによって、左側の端部ノードが近傍のリピータのＬ側（左側）と相互作用できるようになっている。また、右側の端部ノードは、量子リピータのＬ側（左側）の機能と類似の機能を含んでおり、これによって、右側の端部ノードが近傍のリピータのＲ側（右側）と相互作用できるようになっている。
【０１０２】
量子ビット状態の反転によりエンタングルメントのパリティを標準化（または統一）することによって、または、LLEパリティ情報を格納して、その後、該パリティ情報を端部ノードに累積的に送るために該パリティ情報をマージパリティ情報と組み合わせることによって、エンタングルメントパリティを処理することができ、これによって、端部ノードがエンドツーエンドエンタングルメントのパリティを決定できるようにすることができる。
【０１０３】
上述したように、量子リピータによる左側と右側のエンタングルメントの結合（マージ）は、関連するリピータのL側とＲ側の量子ビットに対してマージ操作を直接実行することによってなされる（図１Ｃ及び関連する説明を参照）。しかしながら、いくつかの場合には、１以上の局所にある量子ビット（「仲介量子ビット」）を介してこの結合（マージ）を実行するようにしておくことが望ましい場合がある。１例として、１つの仲介量子ビットが提供される場合には、左側及び右側のエンタングルメントを、（必要に応じて）エンタングルされているＬ側／Ｒ側の量子ビット及び該仲介量子ビットを伴うそれぞれの延長操作によって、該仲介量子ビットまで別個に延長させることができる。その後、該仲介量子ビットに対してＸ測定操作を実行することによって、エンタングルメントから該仲介量子ビットが除去される。リピータの左側及び右側へのエンタングルメントの局所的な結合（マージ）がどのように実行されるかの細部は、量子リピータの全般的な操作には重要ではないことが理解されよう。
【０１０４】
本発明の上記実施形態に対して多くの変形が可能であることが理解されよう。
【０１０５】
上記では、近傍ノードは、ローカルリンク光ファイバーを介して光学的に結合されるものとして説明されているが、適切な状況では、それらのローカルリンクを、光ファイバー以外の光チャンネルを介して確立できることが理解されるべきである。たとえば、光チャンネルを単に自由空間とすることができ、これは、説明したLLE生成サブシステムの衛星用途に特に当てはまる。
【０１０６】
LLE制御ユニット（１７１、１７２；１８１、１８２；９２、９３）及びマージ制御ユニット９７の実施に関しては、典型的には、説明した機能が、プログラム制御式のプロセッサまたは対応する専用のハードウェアによって提供されることが理解されよう。
【０１０７】
図７または図８の構成の複数の並列LLE生成サブシステムを、近傍ノード間に並列に配置して使用することができる。たとえば、１連の図９の構成の量子リピータにおいて、各リピータに、図７のLLE生成サブシステム７０の始動構成部及びターゲット部と相補的な複数の始動構成部及びターゲット部を設けることができる。これによって、隣接するリピータ間に複数のLLE生成サブシステムを設けることができ、それらのサブシステムを、典型的には交互に動作させて、LLE生成の速度を何倍にもあげることができる。そのような構成乃至配置によれば、同じローカルリンクファイバーを、全てのLLE生成サブシステムに使用することができる。
【０１０８】
量子リピータ９０に図７のLLE生成サブシステムの始動構成部及びターゲット部と相補的な始動構成部及びターゲット部を提供する代わりに、２つの異なるタイプの量子リピータを提供して、そのうちの一方が、互いに逆方向を向いた２つの始動構成部を有し、他方が、違いに逆方向を向いた２つのターゲット部を有するようにすることも可能である。
【０１０９】
図１３Ａは、２つの互いに逆方向を向いた始動構成部を有するタイプの量子リピータ１３０について、左側と右側のLLE生成サブシステム１３２L及び１３２Rがどのように形成されるかを示している（始動構成部及びターゲット要素に対して図１３で用いられている表現は、図１０で用いられているものと同じである）。左側のLLE生成サブシステム１３２Lは、
(a)リピータ１３０における、始動構成部「FS」、並びに、それに関連する光学的構成体及び左側LLE（L-LLE）制御ユニット、
(b)左側のローカルリンクファイバー６２、
(c)左側の近傍ノード１３１Lにおける、ターゲットＱ−ブロック、並びに、それに関連する光学的構成体及びLLE制御ユニット
を備えている。
右側LLE生成サブシステム１３２Ｒは、
(a)リピータ１３０における、始動構成部「FS」、並びに、それに関連する光学的構成体及び右側LLE（R-LLE）制御ユニット、
(b)右側のローカルリンクファイバー６３、
(c)右側の近傍ノード１３１Ｒにおける、ターゲットＱ−ブロック「Ｔ」、並びに、それに関連する光学的構成体及びLLE制御ユニット
を備えている。
【０１１０】
図１３Ｂは、２つの互いに逆方向を向いたターゲット部を有するタイプの量子リピータ１３５について、左側と右側のLLE生成サブシステム１３７L及び１３７Rがどのように形成されるかを示している。左側のLLEサブシステム１３７Lは、
(a)リピータ１３５における、ターゲットＱ−ブロック「Ｔ」、並びに、それに関連する光学的構成体及び左側LLE（L-LLE）制御ユニット、
(b)左側のローカルリンクファイバー６２、
(c)左側の近傍ノード１３６Lにおける、フュージリアＱ−ブロックの始動構成部「FS」、並びに、それに関連する光学的構成体及びLLE制御ユニット
を備えている。
右側LLE生成サブシステム１３７Ｒは、
(a)リピータ１３５における、ターゲットＱ−ブロック「Ｔ」、並びに、それに関連する光学的構成体及び右側LLE（R-LLE）制御ユニット、
(b)右側のローカルリンクファイバー６３、
(c)右側の近傍ノード１３６Ｒにおける、始動構成部「FS」、並びに、それに関連する光学的構成体及びLLE制御ユニット
を備えている。
【０１１１】
２つのタイプの量子リピータ１３０、１３５を、量子リピータｊ-1、j、j+1について図１１に示すように交互に配置することによって近傍のリピータ間にLLE生成サブシステムが形成されるように、光学的に直列に結合することができる。その場合、量子リピータjは、タイプ１３０であって、タイプ１３５であるそれの左側の近傍リピータj-1と共にLLE生成サブシステム１３８を形成し、かつ、タイプ１３５であるそれの右側の近傍リピータj+1と共にLLE生成サブシステム１３９を形成する。
【０１１２】
上記では、光場は、光ファイバーを介して、ノード間とノードの量子物理的ハードウェアのコンポーネント間との両方で送られるものとして一般的に説明したが、光場を導くもの（光導波路など）であれ導かないもの（直線的に進む）であれ、及び、自由空間であれ物理的媒体であれ、任意の適切な光チャンネルを介して光場を送れることが理解されよう。したがって、たとえば、ノードの量子物理的ハードウェアの光学的構成体は、光共振器内に配置されたダイヤモンド格子中の窒素原子によって提供される量子ビットと接続するシリコンチャンネルを有することができる。
【０１１３】
既に述べたように、当業者には、Ｑ−ブロックを物理的に実装する方法が理解されよう。関連する実装例の細部を以下の論文（それらの論文は参照により本明細書に組み込まれるものとする）に見いだすことができる。
・「Fault-tolerant quantum repeaters with minimalphysical resources, and implementations based on single photon emitters」L, Childress, J.M.Taylor,A.S.Sorensen, and M.D.Lukin;Physics Review A 72,052330(2005).
・「Fault-Tolerant Quantum Communication Based onSolid-State Photon Emitters」L.Childress, J.M.Taylor,A.S.Sorensen, and M.D.Lukin;Physical Review Letters 96, 070504(2006).
・「Hybrid quantum repeater based on dispersive CQEDinteractions between matter qubits and brightcoherent light」T D Ladd, P van Loock,K Nemoto, WJMunro, and YYamamoto; New Journal of Physics 8(2006)184, Published 8 September 2006.
・「Hybrid quantum Repeater Using Bright CoherentLight」P. van Loock,T.D. Ladd, K.Sanaka, F.Yamaguchi,Kae Nemoto, W.J.Munro, and Y. Yamamoto; Physical Review Letters 96,240501(2006).
・「Distributed Quantum Computation Based-on SmallQuantum Registers」 Liang Jiang, Jacob M. Taylor, AndersS. Sorensen, Mikhail D.Lukin; Physics Review. A 76,062323(2007).
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンタングルメントを生成するための方法及び装置、並びに、該方法及び装置を利用する量子リピータに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子情報システムでは、情報は、量子系の「状態」に保持される。量子系は、典型的には、量子ビットまたは「キュービット」と呼ばれる１単位の量子情報を提供する２レベル量子系である。離散的である古典的なデジタル状態とは異なり、量子ビットは、離散状態に限定されず、任意の所与の時点において２つの状態が重なった状態をとることができる。
【０００３】
量子ビットに対して任意の２レベル量子系を用いることができ、単一の光子（フォトン）の偏波状態、電子スピンの状態、核スピンの状態、及び、光のコヒーレント状態に基づく物理的実装を含むいくつかの物理的実装が実現されている。
【０００４】
量子ネットワーク接続は、離れたところにある端部ノード間の量子情報の通信を提供する。そのような接続を、量子コンピュータのネットワークキング、並びに、量子チャンネル（チャンネルはチャネルともいう。以下同じ）、及び認証された（しかし必ずしも秘密にはされない）保全性の古典的チャンネルが、秘密でランダムな共有された古典的ビットを生成するために使用される「量子鍵配送」（QKD）などに使用することが可能である。一般に、量子ネットワーク接続を介して量子情報を伝送するために使用されるプロセスの性能は、伝送距離が長くなるにつれて劣化するため、端部ノード間（の距離）に上限が課される。通常、量子状態を複製することはできないので、古典的な意味におけるリピータ（中継器）を使用することによっては、端部ノード間の距離を長くすることはできない。
【０００５】
２つの隔置された場所間で量子情報を伝送する１つの方法は、「量子テレポーテーション」として知られている技術を使用する。これは、隔置された場所のそれぞれにあるベル対（Bell pair）として知られている２つのエンタングルした（すなわち、量子もつれを生じた）量子ビットを使用する。本明細書では、「エンタングルメント」という用語を、２つのエンタングルした量子ビットを意味するものとしても使用している。かかる分散したベル対の生成は、一般に、光チャンネル（たとえば、光ファイバなどの光導波路）を介して送られる光子によって媒介される。このプロセスには距離の制限があるが、２つの別個のベル対からのそれぞれの量子ビットが同じ場所に配置されている場合には、それらの同じ場所に配置されている量子ビット間で実行される局所的な量子操作（または量子演算）によってベル対を結合する（すなわち「マージ」する）ことが可能である。このプロセスは、「エンタングルメントスワッピング」として知られており、ベル対の同じ場所に配置されていない２つの量子ビット間のエンタングルメントを生じる一方で、同じ場所に配置されている量子ビットは全くエンタングルしない。
【０００６】
同じ場所に配置されている量子ビットを収容（または支持）して、ベル対を結合する（ベル対をマージするともいう。以下同じ）ための局所的な量子操作（または量子演算）を実行する装置は「量子リピータ」と呼ばれる。量子リピータの基本的な役割は、２つの近接する隔置されたノードの各々でそれぞれのベル対を生成して、それらのベル対を結合することである。多数の量子リピータを鎖状に連結することによって、任意の距離だけ離れた端部ノード間にエンドツーエンド（すなわち、両端間）のエンタングルメントを生成することができ、これによって、任意の間隔で隔置された端部ノード間で量子情報を伝送することが可能になる。
【０００７】
QKDはエンタングルした状態（エンタングルメント状態）を直接必要とはしないが、量子リピータを使用することによる長距離間のベル対の生成によって長距離のQKDが容易になることを指摘しておく。さらに、分散型量子計算のほとんどの他の用途は、分散したベル対を使用する。
【０００８】
本発明は、隔置された量子ビット間のエンタングルメントの生成に関する。
【０００９】
本発明によれば、請求項１、７にそれぞれ記載されているような隔置された量子ビットをエンタングルするための装置及び方法、並びに、請求項１１、１２に記載されているような対応する量子リピータが提供される。
【００１０】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を説明するが、それらの実施形態は本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】２つの量子ビットをエンタングルするための既知の操作を示す図である。
【図１Ｂ】既存のエンタングルメントを拡張して、元々はエンタングルしていた量子ビットの１つと新しい量子ビットとを含む新しいエンタングルメントを生成するための延長操作を示す図である。
【図１Ｃ】既存のエンタングルメントを別のエンタングルメントと結合して元のエンタングルメントの各々からの１つの量子ビットを含む新しいエンタングルメントを生成することによって、該既存のエンタングルメントを拡張するためのマージ操作（結合操作）を示す図である。
【図２】隔置されたそれぞれのノードに配置された２つの量子ビット間でエンタングルメント操作を実行するためのエンタングルメント生成サブシステムを示す図である。
【図３Ａ】図１Ａのエンタングルメント操作を単独で用いた場合に可能な距離よりも長い距離離れた２つの量子ビット間でエンタングルメントを生成するために、量子リピータをどのように使用できるかを示す図である。
【図３Ｂ】任意の間隔で隔置されたノード対間で拡張されたエンタングルメントを生成するために、一連の量子リピータをどのように使用できるかを示す図である。
【図４】種々の量子相互作用を実行するための（本明細書では「Ｑブロック」と呼ぶ）基本的な量子物理的ハードウェアブロックの３種類の形態を示す図である。
【図５】Ｑブロックを用いた図２のエンタングルメント生成サブシステムの１実施例を示す図である。
【図６】量子リピータの量子物理的ハードウェアの一般的な図である。
【図７】本発明を具現化するローカルリンクエンタングルメント生成サブシステム（LLE）の図である。
【図８】図７のLLE生成サブシステムの変形形態を示す図である。
【図９】図７の形態のLLE生成サブシステムの周辺に構築された第１の形態の量子リピータを示す図である。
【図１０】２つのLLE生成サブシステムを構成するために、第１の形態の量子リピータが近傍のノードとどのように連携するかを示す図である。
【図１１】近傍のリピータ間にLLE生成サブシステムを提供するために、第１の形態の量子リピータをどのように光学的に直列に結合できるかを示す図である。
【図１２Ａ】図９の量子リピータの量子物理的ハードウェアの第１の実施例を示す図である。
【図１２Ｂ】図９の量子リピータの量子物理的ハードウェアの第２の実施例を示す図である。
【図１３Ａ】LLE生成サブシステムを構成するために、本発明を具現化するそれぞれの形態の量子リピータがどのように近傍のノードと連携するかを示す。
【図１３Ｂ】LLE生成サブシステムを構成するために、本発明を具現化するそれぞれの形態の量子リピータがどのように近傍のノードと連携するかを示す。
【図１３Ｃ】近傍のリピータ間にLLE生成サブシステムを提供するために、図１３Ａ及び図１３Ｂの種々の形態の量子リピータをどのように交互に光学的に直列に結合できるかを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
基本的なエンタングルメント生成及び拡張操作
エンタングルメント操作（図１Ａ）
図１Ａは、大まかに言えば、２つの量子ビットqb1、qb2（参照番号１で示されている）をエンタングルしてベル対を生成するための既知のプロセス（本明細書では「エンタングルメント操作」という）を示している。図１Ａは、エンタングルメント操作中に取得されたスナップショット（ａ）〜（ｇ）を時系列で示している。この例では、量子ビットqb1、qb2は、数ミリメートルよりも長い距離だけ分離されており、ベル対の生成は、自由空間または光ファイバー４などの導波路を介して送ることができる光子によって媒介される。非常に大まかに言えば、ベル対生成プロセスを、非常に少ない量の光（単一の光子、光子の対、または、光子が極めて少ないレーザーパルス）を用いるプロセスと、レーザーなどのコヒーレント源からの多くの光子からなるパルスを用いるプロセスに分割することができる。当業者には理解されるように、光子を生成し、エンタングルメント操作を実行し、及び、測定を行う方法は、非常に少ない量の光と多くの光子からなるレーザーパルスとのどちらを使用するかに依存して異なる。しかしながら、そのような任意のアプローチを用いて本発明を実施することができるので、以下の説明は、ベル対を生成する（及び、その後、拡張する）ために使用される「光場（light field）」という用語で（それらの光子乃至パルスを）簡単に表現している。
【００１３】
図１Ａをより詳細に検討すると、放射源２から放射された光場５（スナップショット（ａ））は、予め準備されている非古典的状態（たとえば、０、＋１）にある物理ビット（physical qubit。または物理的量子ビット）qb1を通過する（スナップショット（ｂ））。典型的には、この物理ビットは電子スピンとして実現され、この場合、電子は、光場が通過する直前に所定の状態になる。光場５と量子ビットqb1が相互作用して、光場５は、量子ビットqb1の量子状態を効果的に「捕捉」する。光場５は次に、光ファイバー４を伝送して（スナップショット（ｃ）及び（ｄ））、量子ビットqb2と相互作用し（スナップショット（ｅ））、その後、検出器３で測定される（スナップショット（ｆ））。これらが成功すると、量子ビットqb1から量子ビットqb2に量子状態が「移行」して、これらの量子ビットがエンタングルされる（図１Ａでは、このエンタングルメントは、両矢印８によって表されており、この表現形式は、エンタングルメントを示すために図面全般を通じて使用されている）。検出器３によって測定された光場５の特性によって、エンタングルメント操作が成功したか否かを判定することができる。エンタングルメント操作の成功または失敗が、古典的（非量子）メッセージ９によってファイバー４のqb1端へと戻される（スナップショット（ｇ））。このメッセージは非常に簡単な形態もの（たとえば、単一パルスの有無）とすることができる。本明細書で使用される「メッセージ」という用語には、そのような簡単な形態のものも、任意の複雑さを持つ（処理時間の制約を受ける）構造化メッセージも含まれる。メッセージ９が、いくつかの量子ビットの中から特定の量子ビットを特定し、かつ、エンタングルメント操作の成功または失敗を特定する必要がある実施形態でも、該メッセージは、単一パルスの有無という形態を依然としてとることができ、その場合、単一パルス無しのタイミングを用いて対象としている量子ビットを特定することができる。エンタングルメント操作の成功／失敗に関する情報をファイバー４のqb1端に戻す必要がある場合（または、含まれている量子ビットを特定する必要がある場合）には、エンタングルメント操作の全経過時間は、エンタングルメント操作が成功した場合でも、少なくともファイバー４をたどる往復伝搬時間である。
【００１４】
量子ビットqb2が既に別の量子ビットとエンタングルされているか否かに関係なく、量子ビットqb1とqb2をエンタングルするために、エンタングルメント操作を実行することができる（エンタングルメント操作がqb1とqb2との間で実行されるときに、qb2が既に別の量子ビットqbjとエンタングルしていた場合には、３つの量子ビットqb1、qb2、qbjの全ての状態がエンタングルされることになる）。
【００１５】
エンタングルメント操作が成功した場合には、検出器３によって測定された光場５の特性によって、qb1とqb2のエンタングルされた状態が相互に関連しているか否かの判定を行うこともできる。相互に関連しているか否かは、一般的には、エンタングルメントの「パリティ」として表される（偶数パリティと奇数パリティは、それぞれ、相互に関連している量子ビット状態、相互に関連していない量子ビット状態に対応する）。エンタングルメントのパリティは後で使用され場合があるので、該パリティを知っておくことは通常は重要である。そのため、いずれのパリティ情報も保存する必要があり、または、パリティが最終的には常に同じになることを確保するための手順を取る必要がある（たとえば、奇数パリティであると判定されると、qb2の状態を反転して偶数パリティを生成することによって、qb1とqb2の間のエンタングルメントのパリティを、最終的には常に偶数パリティにすることができる）。
【００１６】
実際には、２つのエンタングルされた量子ビットの相対的なパリティは、しばしば「一般化されたパリティ（generalized parity）」と呼ばれる2次元量であり、量子ビットパリティ値と共役量子ビットパリティ値の両方を含んでいる。図１Ａに示す単純なエンタングルメント操作の場合には、共役量子ビットパリティ値情報は、実際には偶数パリティであり、測定する必要はない。「一般化されたパリティ」は、該情報を表すのに２つの古典ビットを必要とする。（QKDなどの）いくつかの用途では、共役量子ビットパリティ値情報についての知識を不要とすることができる。以下では、「一般化されたパリティ」の要素の一方（すなわち、量子ビットパリティ値または共役量子ビットパリティ値）を明示的に参照している場合を除いて、「パリティ」という語の使用は、「一般化されたパリティ」を意味するが、適切な場合には、共役量子ビットパリティ値情報を省くことができることが前提とされている。
【００１７】
既に述べたように、量子ビットqb1及びqb2は、典型的には、電子スピンとして物理的に実施される。しかしながら、このようにして保存された量子情報の実際の寿命は非常に短く（累計して１０−６秒のオーダー）、したがって、一般的には、光場５とqb1及びqb2との相互作用の直後に、対象としている量子ビットの量子ビット状態が、はるかに長い実効寿命（典型的には累計して１秒のオーダー）を有する核スピンに移行する。後続の光場との相互作用のために（たとえば、後述する２つのエンタングルメントの結合を行うために）、量子状態を、後で電子スピンに戻すことができる。
【００１８】
注目すべき他の実用上の特徴は、物理ビット（物理的量子ビット）qb1及びqb2は、一般に、光場５が通過する場合以外は（シャッターで光を遮るなどによって）光が当たらないようにされるということである。ファイバー４のqb2の端部においてこれを容易にするために（及び、量子ビットと光場５との相互作用の直前に、予め準備されている状態への該量子ビットの設定を起動するために）、光場５に先だって「先駆」光パルス６を送ることができる。この光パルスは、ファイバー１４のqb2端部で検出されて、量子ビットqb2のプライミングを起動（トリガ）するため、及び、その後の光場５との相互作用のための（たとえば、シャッターを開くことによる）光場の照射（または伝送）を起動（トリガ）するために使用される。この代わりとして、これらのタスクを起動する他の手段を用いることも可能である。
【００１９】
ベル対を成功裏に生成する確率、それに含まれる量子ビット間の距離、及び生成された対の忠実度の間の関係は複雑である。１例を挙げると、多くの光子からなるレーザーパルスの形態をなす光場を用いる１つの特定の構成では、量子ビット間の距離が１０ｋｍと２０ｋｍの場合に、それぞれ、忠実度が０．７７、０．６３８のベル対が生成され、この生成の成功の割合は、試行したうちの３８％〜４０％である。重要な点は、図１Ａに示されているエンタングルメント操作の距離は制限されているということである。簡単にするために、以下では、１０ｋｍの距離での成功確率が０．２５であると想定している。
【００２０】
LLE生成サブシステム（図２）
エンタングルメント操作を実行するためのコンポーネントのアセンブリ（組立体または集合）を、本明細書では、「エンタングルメント生成サブシステム」という。該アセンブリを、装置のある部分（または部品）内に局所的に実装すること、または、離れて配置された装置の部分（または部品）間に実装することができる（これらの装置を一般的にノードという）。図２は、２つのノード２１と２２が、光ファイバー２３によって光学的に結合される後者の場合の１例を示している。ファイバー２３などの光ファイバーは、本明細書で「ローカルリンク」ファイバー（または局所リンクファイバー）と呼ばれるノード間リンクを提供する。図２のノード２１、２２は、それぞれの量子ビットqb1、qb2を実現するためのコンポーネントを含んでいる（理解を簡単にするために、図２では、図１Ａと同じ量子ビットの名称乃至参照を使用している）。量子ビットqb1及びqb2は、qb1に関連付けられている放射源２、qb3に関連付けられている検出器３、ローカルリンクファイバー２３、及び、各ノードにあるエンタングルメント−操作制御ロジック（不図示）と共に、量子ビットqb1とqb2の間にエンタングルメント８を生成するためのエンタングルメント生成サブシステム２５を形成する。ノード間のローカルリンクファイバーを通過する光場によって生成されるこのタイプのエンタングルメントを、本明細書では「ローカルリンクエンタングルメント」または「LLE」と呼ぶ。これに対応して、ノード間のエンタングルメント生成サブシステム２５を「LLE生成サブシステム」と呼ぶ。
【００２１】
延長操作（図１Ｂ）
図１Ａのエンタングルメント操作によって生成されるようなエンタングルメントを「拡張（または延長）」して、元々エンタングルしていた量子ビットのうちの１つと新しい量子ビットを含む新たなエンタングルメントを生成することができる。この場合、後者の新しい量子ビットと元々エンタングルしていた量子ビットの間の距離に関しては、典型的には、元々エンタングルしていた量子ビットのうちの該１つとの間の距離の方が、その元々エンタングルしていた量子ビットのうちの他方との間の距離よりも長い。図１Ｂ及び図１Ｃは、量子ビットqb1とqb2（参照番号１で指示されている）との間の最初のエンタングルメント８を拡張して量子ビットqb1と別の量子ビットとの間にエンタングルメントを形成する２つのやり方を示している。いずれのやり方も、光場を種々の量子ビットを通過させた後、その光場を測定することを含む。しかしながら、簡単にするために、光場自体、及び、該光場を伝送するために典型的に使用される光ファイバーは、図１Ｂ及び図１Ｃからは省かれている。
【００２２】
図１Ｂは、本明細書において「延長操作」と呼ぶエンタングルメント拡張プロセスを、時系列に並べたスナップショット（ａ）〜（ｄ）で示している。一般的には、延長操作は、既存の第１のエンタングルメントのうちのある量子ビットを、該第１のエンタングルメントには含まれていない量子ビット（しかし、この量子ビットは、既に別のエンタングルメントに含まれている場合がある）とエンタングルメントして結合された一連のエンタングルメントを形成し、その後、測定によって該一連のエンタングルメントから中間の量子ビット（すなわち、拡張された該第１のエンタングルメントの端部にある量子ビット）を除去して、該第１のエンタングルメントのうちの残りの量子ビットと新たにエンタングルした量子ビットとの間に「拡張された」エンタングルメントを残すことをさらに含む。図１Ｂは、該第１のエンタングルメントには含まれていない量子ビットがそれ自体まだエンタングルしていない最も単純な場合の延長操作を示している。より具体的には、図１Ｂのスナップショット（ａ）に示すように、量子ビットqb1及びqb2（いずれも参照番号１で指示されている）を含む既存のエンタングルメント８の量子ビットqb2は、エンタングルメント操作によって量子ビットqb3（参照番号１０で示されている）とさらにエンタングルされる。このエンタングルメント操作は、光場を放射源２によって放射して、量子ビットqb2及びqb3を通過させた後、該光場を検出器３で測定することを含む。スナップショット（ｂ）は、こうして生じたqb2とqb3の間のエンタングルメント１１を示している。エンタングルメント８と１１は、結合された一連のエンタングルメントを形成し、これは、すなわち、qb1、qb2及びqb3の状態が今や互いにエンタングルしていることを意味する。次に、光場を放射源２からqb2まで送り、検出器３で該光場を検出することによって、中間にある量子ビットqb2に対して、本明細書では「Ｘ測定」（図１Ｂでは参照番号１２で指示されている）と呼ぶ特定のタイプの測定を実施し、これによって、qb1とqb3とのエンタングルメントを維持したまま、qb1とqb3とのエンタングルメントからqb2を削除する（スナップショット（ｃ）参照）。Ｘ測定１２の１つの特徴は、該測定が、エンタングルしている量子ビットqb1とqb3の量子状態以外の量子状態に関する情報を提供しないようなやり方でなされることにある。たとえば、「a|000＞＋b|111＞」（ａ、bは確率振幅）のような量子ビットqb1、qb2、及びqb3間の結合状態の場合、量子ビットqb2に対するＸ測定は、qb1とqb3の間のエンタングルメントについて、「a|00＞＋b|11＞」（Ｘ測定の結果が＋１の場合）、または、「a|00＞−b|11＞」（Ｘ測定の結果が−１の場合）のいずれかの状態を与えるであろう。この測定は、aまたはbに関する情報を何も与えない。
【００２３】
Ｘ測定１２を実施してエンタングルメントからqb2を削除した後、拡張されたエンタングルメントがqb1とqb3の間に残される。この拡張されたエンタングルメントは、図１Ｂのスナップショット（ｄ）に中程度の厚さの線で描かれた弧１３として示されている。
【００２４】
拡張されたエンタングルメント１３のパリティは、エンタングルメント８及び１１のパリティと、Ｘ測定から決定された共役量子ビットパリティ値の組み合わせである（上記の例では、Ｘ測定は＋１または−１という結果を与えるが、＋、−の符号が共役量子ビットパリティ値である）。偶数パリティ及び奇数パリティのそれぞれについて、量子ビットパリティ値情報及び共役量子ビットパリティ値情報の各々が２進値「０」及び「１」によって表される場合には、拡張されたエンタングルメントの量子ビットパリティ値情報及び共役量子ビットパリティ値情報は、対応するコンポーネントパリティ（それぞれのパリティ値情報を構成するパリティ）のそれぞれのXOR（排他的OR）結合である。
【００２５】
図１Ｂの延長操作と機能的に等価な結果を、最初にqb3をqb2とエンタングルさせることによって得ることができるが、これを、媒介する光場を最初にqb3を通過させ、次に、qb2に対するＸ測定を実行することによってエンタングルメントからqb2を除去するようにするエンタングルメント操作を用いて行うことができる。本明細書では、言語上の明瞭化のために、（Ｘ測定を不可欠のものとして伴う）「延長操作」は、延長操作の一部として実行される最初のエンタングルメントが、拡張されるエンタングルメントの量子ビットを最初に通過する光場によって実施される場合のみを含む。上記の延長操作に機能的に等価なものは、別個のエンタングルメント操作及びＸ測定操作として扱われる。
【００２６】
かなりの距離だけ隔置された２つの量子ビット間にエンタングルメントを生成することを目的とする場合には、図１Ｂに関して説明した延長操作はそれだけでは有効ではない。なぜなら、それぞれのエンタングルメント操作（図１Ｂの（ａ）参照）が失敗すれば、拡張される既存のエンタングルメント（図１Ｂのエンタングルメント８）が破壊されてしまうからである。実際には、拡張されたエンタングルメント１３が成功裏に生成される確率は、エンタングルメント８及び１１のそれぞれを生成するために使用されるそれぞれのエンタングルメント操作の成功確率の積である。既に述べたように、エンタングルメント操作が成功する確率は距離に関係しているため、延長操作だけを用いて長距離にわたってエンタングルメントを成功裏に生成して、最初のエンタングルメントを成功裏に拡張できる可能性は低い。同じ問題は、上記の延長操作の機能的等価物についても存する。
【００２７】
マージ操作（図１Ｃ）
より良いアプローチは、図１Ｃに示すマージ操作を用いて、それぞれがかなり長い距離にわたる（複数の）別個に生成されたエンタングルメントを結合することである。このアプローチによれば、そのようなエンタングルメントを生成する試みの１つが失敗しても他のエンタングルメントは破壊されないので、個々のエンタングルメントに関連する成功確率が効果的に分離される。もちろん、個々のエンタングルメントを結合するために使用されるマージ操作は、有効であるためには、それ自体信頼性が高いものでなければならないが、これは、非常に短い距離にわたって該結合操作を実行することによって達成される。
【００２８】
図１Ｃは、スナップショット（ａ）〜（ｅ）の時系列を用いて、量子ビットqb1とqb2の間に存在するエンタングルメント８を、量子ビットqb4（参照番号１４で指示されている）とqb5（参照番号１５で指示されている）の間に存在する別のエンタングルメント１６と結合（マージ）することによって「拡張（または延長）」して、qb1とqb5の間に「拡張されたエンタングルメント」（図１Ｃの中程度の厚さの線で描かれている弧１９）を生成するためのマージ操作の実施形態の1例を示す。量子ビットqb2とqb4は互いに近接して（典型的には、互いに数十ミリメートル以内の位置に）配置されている。エンタングルメント８及び１６が生成される順番は問題ではない（実際に、それらを同時に生成することができる）。必要なのは、両方のエンタングルメントが同じ時点において使用できる条件で存在するということだけである。そのような時点において、エンタングルメント８と１６は、量子ビットqb2とqb4に対して局所的に実行される量子操作（または量子演算）によって「結合」される。（LLE８、１６がそれぞれ生成された直後に量子ビットqb2、qb4の量子状態が電子スピンから核スピンに移行した場合には、マージ操作が実行される前にそれらの状態を電子スピンに戻す必要がある）。この局所的マージ操作は、放射源２によって光場を放出し、続いて、該光場を２つの量子ビットqb2とqb4を通過させ（またはこの逆の順で通過させ）、その後、該光場を測定する（図１Ｃのスナップショット（ｂ）参照）ことによって実行される図１Ａのエンタングルメント操作のプロセスと同種の第１のプロセスを含む。この第１のプロセスは、成功すれば、（図１Ｃのスナップショット（ｃ）のエンタングルメント１７で示されているように）量子ビットqb2とqb4をエンタングルさせ、これによって、qb1とqb5を互いにエンタングルするところの結合された一連のエンタングルメントが生成される。次に、１以上のＸ測定１８（図１Ｃのスナップショット（ｄ）参照）からなる第２の測定プロセスを用いて、エンタングルしている全体構成から中間にある量子ビットqb2及びqb4を除去して、量子ビットqb1とqb5の間の「拡張された」エンタングルメント１９を残す。量子ビットqb2及びqb4は最終的には、互いにエンタングルせず、量子ビットqb1、qb5ともエンタングルしない。マージ操作は、２つの同じ（またはほぼ同じ）場所にある量子ビット間の局所的な操作であるため、成功する確率は非常に高い。
【００２９】
マージ操作の一部として実施される測定は、結合（マージ）の成功または失敗の指標と、マージ操作の「一般化されたパリティ」の指標の両方を提供する。たとえば、マージ操作の第１のプロセスは量子ビットパリティ値を測定することができ、マージ操作の第２のプロセスは共役量子ビットパリティ値を測定することができる。この場合、該第２のプロセスを、量子ビットqb2とqb4の両方を通過する光場を用いる１つのＸ測定（この場合は、光場は、該第１のプロセスで使用される値（たとえば０、−１）とは異なる値（たとえば０、＋１）を有する）として、または、qb2及びqb4に対して個別に実施され、その後結合される個々のＸ測定として実施することができる。後者のアプローチが図１Ｃに示されている。拡張されたエンタングルメント１９のパリティは、エンタングルメント８及び１５のパリティとマージ操作のパリティの組み合わせである。上記と同様に、偶数パリティ及び奇数パリティのそれぞれについて、量子ビットパリティ値情報と共役量子ビットパリティ値情報の各々が２進値「０」及び「１」によって表される場合には、拡張されたエンタングルメントの量子ビットパリティ値情報及び共役量子ビットパリティ値情報は、対応するコンポーネントパリティ（それぞれのパリティ情報を構成するパリティ）のそれぞれのXOR（排他的OR）結合である。
【００３０】
マージ操作の成功もしくは失敗に関する情報は、端部の量子ビット位置へと古典的メッセージで伝送される。そうでなければ、これらの位置は、量子ビットqb1とqb5がエンタングルしているか否かを知らないからである。この代わりとして、マージ操作の失敗確率は通常は非常に低いので、成功したことを想定して、成功／失敗メッセージを送らないようにすることができるが、この場合は、エンタングルメントの不存在の原因となったマージの失敗を検出して補償することは、拡張されたエンタングルメント１９を使い果たすアプリケーションに委ねられる。通常は、エンタングルしている量子ビットを利用するために、拡張されたエンタングルメントのパリティを知っておく必要があるので、拡張されたエンタングルメント１９のパリティを決定するために必要とされるパリティ情報も、端部の量子ビット位置の一方または他方に伝送される。
【００３１】
図１Ｃに関して上述したマージ操作の形態は、事実上は、エンタングルメントからqb4を除去するためにqb4に対して実施されるＸ測定と共に、エンタングルメント８を拡張するためにqb2とqb4の間の非常に短い距離にわたって実行される延長操作であることが理解されよう（qb2は、該延長操作の一部として実行されるＸ測定によってエンタングルメントから除去されている）。もちろん、量子ビットqb3が、該量子ビットqb3へとエンタングルメント８が拡張されるまでは、それ自体エンタングルされない図１Ｂに例示する延長操作とは異なり、図１Ｃにおけるこれと等価な量子ビットqb4は第２のエンタングルメント１６に既に含まれている。しかしながら、既に述べたように、延長操作にはこの可能性が含まれる。
【００３２】
既に述べたように、マージ操作は、非常に短い距離にわたって実行され、それゆえ、高い成功確率を有する（図１Ｃの量子ビットqb2とqb3の間の）局所的な操作である。マージ操作には、１０−９秒のオーダー（程度）の時間がかかる。
【００３３】
量子リピータ（図３Ａ及び図３Ｂ）
実際には、基本的な（すなわちベースとなる）エンタングルメント操作を妥当な成功確率でもって利用できる距離よりも長い距離だけ分離されたそれぞれの端部ノードに配置された２つの量子ビット間に、拡張されたエンタングルメントを生成しようとするときには、それらの端部ノード間の距離に及んでいる基本的なエンタングルメントをマージ（結合）するために、量子リピータと呼ばれる１以上の中間ノードが使用される。量子リピータノードの各々は、図１Ｃの量子ビットqb2及びqb4に対応し、かつ、他のノードの量子ビットとのそれぞれのエンタングルメントに含まれている（すなわち関わっている）局所的な量子ビットの対に対してマージ操作を効果的に実施する。図３Ａは、左側の端部ノード３１と右側の端部ノード３２によって終端された鎖状に結合された（すなわち一連の）ノード中の１つのノードを形成するそのような量子リピータノード３０を示しており、ノード３１、３２は、それぞれ、エンタングルさせたい（が、それらがあまりに遠く離れているために、１つのエンタングルメント操作を用いて直接エンタングルすることができない）量子ビットqb1、qb5を収容している。この例では、該一連のノードは、左側と右側の端部ノード３１、３２を含む３つのノードから構成されており、ノード３１、３２は、また、量子リピータ３０の左側と右側の近傍ノードを形成している。量子リピータ３０は、左側と右側のローカルリンク光ファイバー３３Ｌ、３３Ｒによって、それぞれ左側と右側の近傍ノード３１、３２に接続されている。本明細書を通じて使用されている「左側」及び「右側」という用語は、量子リピータを含む一連のノードの反対側（該一連のノードに沿った方向、該一連のノードのそれぞれの端部など）を識別するための便利なラベルとして単に使用されていることに留意されたい。
【００３４】
量子リピータ３０は、実際には、各々がそれぞれの量子ビットqb2、qb4（理解を容易にするために、図３Ａでは図１Ｃと同じ量子ビット表記が使用されている）を含む左側部分もしくは左側部、並びに右側部分もしくは右側部（図３Ａでは「Ｌ」、「Ｒ」とそれぞれラベル付けされている）を備える。左側の近傍ノード３１の量子ビットqb1及び量子リピータノード３０の量子ビットqb2は、それらのノード間に形成されて（図３Ａの弧状の破線の矢印８として示されている）、qb1とqb2の間に左側LLE８を生成するよう動作するLLE生成サブシステムの一部である。同様に、右側の近傍ノード３２の量子ビットqb5と量子リピータノード３０のqb4は、それらのノード間に形成されて、qb5とqb4の間に右側LLE１６を形成するように動作するLLE生成サブシステムの一部である。
【００３５】
各LLEを生成するために使用される光場の伝送方向（左から右または右から左）は重要ではなく、このため、関連する放射源及び検出器を所望に応じて配置することができる。たとえば、LLE８及び１６を生成するのに必要な光場をいずれも量子リピータ３０から送り出すようにすることができるが、これは、放射源が量子リピータ３０内に配置され、検出器が左側の近傍ノード３１と右側の近傍ノード３２に配置されることを意味している。しかしながら、同じ形態の量子リピータの鎖状結合を容易にするために、全ての光場が鎖状結合された（すなわち一連の）ノードに沿って同じ方向に進むようにするのが便利である。たとえば、全ての光場が左から右へと進むように光場を配置することができ、この場合、量子リピータ３０の左側部Ｌは、左側LLE８を生成するための検出器を含み、右側部Ｒは、右側LLE１６を生成するための放射源を含むことになる。簡単にするために、特に明示しない限り、以下では、光場はノード間を左から右へと伝送することが想定されている。しなしながら、特許請求の範囲においては、光場の伝送方向は、任意の特定の方向には限定されず、また、異なるリンク間の光場の伝送方向と同じ方向にも限定されない（但し、そのような限定が、記載されているかまたは暗黙的に要求されている場合を除く）。
【００３６】
量子リピータ３０が動作して、左側LLE８と右側LLE１６が任意の順番で生成された後に、量子ビットqb2及びqb4を伴う局所的なマージ操作３４が実行され、これによって、左側LLE８と右側LLE１６が結合されて、端部ノード３１及び３２のそれぞれの量子ビットqb1とqb5の間に拡張されたエンタングルメント１９が形成される。
【００３７】
必要であれば、マージ操作の成功または失敗に関する情報及びパリティに関する情報が、古典的メッセージ３５によって量子リピータ３０からノード３１、３２に送られる。
【００３８】
パリティ情報に関しては、ローカルリンクエンタングルメントのパリティが（必要に応じて量子リピータ状態を反転することによって）統一されている場合には、マージパリティ情報だけを量子リピータによって送るだけでよく、ノード３１または３２はこの情報を利用することができる。しかしながら、LLEパリティ情報が単に格納されている場合には、量子リピータは、自身が持っているパリティ情報を全て送る必要がある。たとえば、左側LLE８と右側LLE１６のパリティが、量子リピータ３０とノード３２によってそれぞれ知られている場合には、量子リピータ３０は、LLE８に関するパリティ情報とマージパリティ情報の両方を、典型的にはそれら２つを結合した後に、ノード３２に送る必要がある。これがされると、ノード３２は、量子リピータ３０から受け取ったパリティ情報とLLE１６に関して既に知っているパリティ情報とを結合することによって、拡張されたエンタングルメントのパリティを決定することができる。
【００３９】
上記から、マージ操作自体は非常に速く（１０−９秒のオーダーで）行われるが、拡張されたエンタングルメント１９がノード３１、３２に有効に利用できるようになるまでには、一般的に、ノード３１、３２のうちの一番遠くにあるノードへのメッセージの伝搬時間に相当する遅延が存在することがわかる。
【００４０】
複数の量子リピータを鎖状に結合することによって、任意の距離で隔置されたノード対間に拡張されたエンタングルメントを生成することができる。図３Ｂは、このことを、左側及び右側の端部ノード３１、３２を含む鎖状に結合された（すなわち一連の）Ｎ個のノード、及び、（Ｎ−２）個の一連の量子リピータ３０（量子リピータの各々は、「QR」で表示されており、かつ、簡単にするために、Ｌ及びＲの量子ビットを表す２つの円を含む矩形で示されている）について示している。ノード３０〜３２は、（不図示の）光ファイバーによって鎖状に相互接続されており、かつ、左から右へと番号が付けられている。すなわち、各ノードの番号ｎは、各ノードの下に付されており、ノード番号「ｊ」は、該鎖状接続に沿った任意のQRノード３０を表している。QRノードのノード番号を、ノードを識別するための添え字として使用することができる。したがって、「QRｊ」は、番号ｊの量子リピータノードを指す。このノード表記、番号付け、及び識別法は、本明細書全般を通じて使用される。
【００４１】
図３Ｂには、３つの既存のエンタングルメント３６、３７、３８が、それぞれのノード対の量子ビット間に示されている。便宜上、一連のノードに沿ったエンタングルメントを高レベルで参照するときには、本明細書では、特定のエンタングルメントは、量子ビット（これらの量子ビットの間にエンタングルメントが存在する）を保持しているノード対を参照することによって識別され、この参照は、２つの構成要素のノード番号からなる組の形態をとる。したがって、（Ｎ−１）とＮという番号が付された近傍ノードにある量子ビット間のローカルリンクエンタングルメントLLEであるエンタングルメント３８を、ノード番号の組｛（N-１），Ｎ｝によって識別できる。（図３Ｂで中程度の厚さの線で描かれた弧によって示されている）エンタングルメント３６と３７は、それぞれ、ノード対｛１，ｊ｝と｛ｊ，（N-1）｝の量子ビット間に存在する拡張されたエンタングルメントであり、これらのエンタングルメントは、LLEを結合することによって生成されたものである。左側と右側の端部ノード３１、３２の量子ビット間のエンドツーエンド（本明細書では「E2E」と略記される）のエンタングルメント（図３Ｂの厚い線で描かれた弧３９を参照）を生成するために、先ず、エンタングルメント３６と３７をQRｊによって結合（マージ）し、次に、その結果生じた拡張されたエンタングルメントをQR（N-1）によってLLE３８と結合（マージ）することができる。代替的には、先ず、エンタングルメント３７と３８をQR（N-1）によって結合（マージ）し、次に、その結果生じた拡張されたエンタングルメントをQRｊによってエンタングルメント３６と結合（マージ）することができる。
【００４２】
エンタングルメント構築経路
エンタングルメントの「エンタングルメント構築経路」（EBP）は、拡張されていないエンタングルメントまたは拡張されたエンタングルメントの生成において使用される１つまたは複数の媒介する光場が通る全量子ビット間経路である。複数の経路セグメントがある場合（すなわち、経路が３つ以上の量子ビットを含んでいる場合）には、図３ＢのE2Eエンタングルメントを構築する方法の検討から明らかなように、光場は、必ずしも、それらのそれぞれのセグメントを順にたどる必要はない（図３Ｂの例では、エンタングルメント構築経路は、一連の量子リピータの左側と右側の量子ビットを介する、一方の端部ノードから他方の端部ノードまでの経路である）。
【００４３】
低レベル量子物理的ハードウェアの表現
量子ビットの物理的実施の特定の形態、並びに、エンタングルメント、延長、及びマージ操作を実行する方法の細部（たとえば、非常に少ない量の光を使用するか、多くの光子からなるレーザーパルスを使用するか）は、本発明には直接関係しないので、これらについては本明細書ではこれ以上説明しないが、それらの適切な実施例は当業者には既知である。その代わり、量子操作を実施するための物理的ハードウェア（「量子物理的ハードウェア」）を、本明細書において「Ｑ−ブロック」と呼ぶ基本的なブロックに関して説明する。この量子物理的ハードウェアは、１つの量子ビット及び関連する光学的構成体の実施、並びにそれらとの相互作用を提供する。
【００４４】
図４は、それぞれ、４０、４２、４４で参照される３つのタイプのＱ−ブロックを示している。
【００４５】
Ｑ−ブロック４０は、量子ビットを具現化（または明らかに）し、及び、該量子ビットとの図１Ａの「捕捉」相互作用を実行する、すなわち、予め準備された（もしくは決められた）状態にある該量子ビットを通過するように光場の伝送を制御するために必要な物理的ハードウェアを表している。このタイプのＱ−ブロック（本明細書では、「捕捉Ｑ−ブロック」と呼び、図面では「Ｑ−ブロック（Ｃ）」と略記されている）は、量子ビット１０及び光場放射源１２、並びに適切な光学的配管（光導波路など）からなる物理的構成、量子ビットを予め決められた状態にし、及び、光場が入ることを許可されているとき以外は（たとえば、電気光学シャッターを用いて）該量子ビットに光場が当たらないようにする機能、（対象としている量子ビットの実施に適切な場合に）必要に応じて電子スピンから核スピンに（及びこの逆へと）量子ビット状態を移行させる機能、及び、「Fire（始動）」信号４１を受信したときに、捕捉Ｑ−ブロックの動作を、それの量子ビットを光場が通過するように（及び、該Ｑ−ブロックの外へ送るように）調整する制御機能を備える。
【００４６】
Ｑ−ブロック４２は、量子ビットを具現化（または明らかに）し、及び、該量子ビットとの図１Ａの「移行」相互作用を実行する、すなわち、予め準備された（もしくは決められた）状態にある該量子ビットを通過するように受け取った光場を伝送させた後該光場を測定するために必要な物理的ハードウェアを表している。このタイプのＱ−ブロック（本明細書では、「移行Ｑ−ブロック」と呼び、図面では「Ｑ−ブロック（Ｔ）」と略記されている）は、量子ビット１０及び光場検出器１３、並びに適切な光学的配管（光導波路など）からなる物理的構成、（たとえば、先駆光パルス６に応答して）量子ビットを予め準備された状態にし、及び、光場が入ることを許可されているとき以外は（シャッターなどを用いて）該量子ビットに光場が当たらないようにする機能、（対象としている量子ビットの実施に適切な場合に）必要に応じて電子スピンから核スピンに（及びこの逆へと）量子ビット状態を移行させる機能、及び、移行Ｑ−ブロックの動作を調整し、及び、測定結果４３を出力する制御機能を備える。
【００４７】
Ｑ−ブロック４４は、捕捉Ｑ−ブロック４０及び移行Ｑ−ブロック４２の両方のタイプの機能を組み込んでいる包括形態のＱ−ブロックであり、そのため、捕捉と移行の両方の相互作用を実行するのに使用することができる。便宜上、このタイプのＱ−ブロックを、本明細書では、修飾文字が何も付かない「Ｑ−ブロック」として参照し、捕捉Ｑ−ブロック４０または移行Ｑ−ブロック４２を使用することについて何らかの特定の指摘がされない限り、（実際には、対象としている文脈において該Ｑ−ブロックが捕捉と移行の両方の相互作用機能を含んでいる必要はない場合であっても）通常参照されるのはこのタイプのＱ−ブロックである。当業者には、このような場合を認識すること、及び、現在の文脈中のＱ−ブロックによって要求されているのが捕捉のための相互作用（以下、捕捉相互作用という）機能か移行のための相互作用（以下、移行相互作用という）機能かを識別することに何の困難もないであろう。Ｑ−ブロックが捕捉タイプであるか移行タイプであるかに関してより具体的に指定されない１つの理由は、協働するＱ−ブロックが（他方のＱ−ブロックのタイプとは異なる）他方のタイプのものである場合には、いずれのタイプも使用できることが多いということである（それらのタイプの間の光場の伝送方向は重要ではない）。
【００４８】
タイプに関係なく、全てのＱ−ブロックは、Ｘmeas（Ｘ測定）信号４５の受信に応答してＸ測定を実行し、これによって、該Ｑ−ブロックを延長及びマージ操作において使用できるようにする機能を含む。この場合、Ｘ測定の結果はResult（結果）信号４３で提供される。Ｑ−ブロックが移行相互作用機能を有する場合には、Ｘ測定機能は、典型的には、移行相互作用機能に関連付けられている検出器２を使用する。もちろん、Ｘ測定機能はエンタングルメント操作には必要ではなく、したがって、Ｘ測定機能をそのような操作のためにのみ使用されるＱ−ブロックから省くことができる。
【００４９】
１つのノードに複数のＱ−ブロックがある場合には、Ｑ−ブロック間でいくつかのコンポーネントを共有する機会があることに留意されたい（たとえば、捕捉相互作用機能を有する複数のＱ−ブロックがある場合には、共通の光場放射源を、そのような全てのＱ−ブロックに使用することができる）。当業者には、そのようなコンポーネントの共有が可能である場合が理解されよう。
【００５０】
エンタングルメント操作は、移行相互作用機能を有するＱ−ブロック（移行Ｑ−ブロック４２または包括的Ｑ−ブロック４４）に光学的に結合された、捕捉相互作用機能を有するＱ−ブロック（捕捉Ｑ−ブロック４０または包括的Ｑ−ブロック４４）を含み、エンタングルメント操作は、捕捉相互作用機能を有するＱ−ブロックにFire信号４１を送ることによって開始され、該操作の成功／失敗は、移行相互作用機能を有するＱ−ブロックによって出力される結果信号４３で示される。
【００５１】
延長操作が実行される場合には、該延長操作の最初のエンタングルメント操作用コンポーネントもまた、捕捉相互作用機能を有するＱ−ブロック及び移行相互作用機能を有するＱ−ブロックを含む。全てのタイプのＱ−ブロックがＸ測定機能を備えているので、エンタングルメントからの中間にある量子ビットのその後の除去を、この量子ビットを実装（または実施）しているＱ−ブロックにXmeas信号を送信することによって実行することが可能である。この場合、測定結果は、このＱ−ブロックによって出力される結果信号４３で提供される。
【００５２】
マージ操作が実行される場合にも、捕捉相互作用機能を有するＱ−ブロック及び移行相互作用機能を有するＱ−ブロックが必要である。この場合も、全てのタイプのＱ−ブロックがＸ測定機能を備えているので、マージ操作に伴うエンタングルメントからの１または複数の量子ビットの除去が可能である。測定結果は、適切なＱ−ブロックによって出力される結果信号４３で提供される。
【００５３】
図５は、それぞれのＱ−ブロック４４を用いて実施された図２のLLE生成サブシステム２５を示す。それぞれのＱ−ブロック４４は、各ノード２１及び２２に設けられており、それらのＱ−ブロック４４は、ローカルリンクファイバー２３を介して光学的に結合される。各Ｑ−ブロック４４は、ノード２１のLLE制御ユニット５３及びノード２２のLLE制御ユニット５４によって形成された関連する制御ロジックを有している。図５に示されているＱ−ブロック４４は包括タイプであるので、エンタングルメントの生成に伴う光場のローカルリンクファイバー２３に沿った伝送方向は固定されていない。したがって、ノード２１のＱ−ブロック４４は捕捉Ｑ−ブロックとして、ノード２２のＱ−ブロック４４は移行Ｑ−ブロックとして、それぞれ機能することができ、あるいは、ノード２１のＱ−ブロック４４は移行Ｑ−ブロックとして、ノード２２のＱ−ブロック４４は捕捉Ｑ−ブロックとして、それぞれ機能することができる。
【００５４】
図５のLLE生成サブシステム２５において、それぞれのＱ−ブロック４４は、ローカルリンクファイバー２３に単に直接結合されている。しかしながら、多くの場合、ノードの現在の操作上の要件に依存して、光場を該ノードの１つまたは複数のＱ−ブロックへと／該Ｑ−ブロックから適切に導くために、該ノードに制御可能な光学的構成体（optical fabric:光ファブリックともいう）を設ける必要がある。たとえば、同じ外部ファイバーを共有するノードに複数のＱ−ブロックがある場合には、光学的構成体は、出ていく光場をその共通のファイバーに結合するか、または、入ってくる光場を該ファイバーから選択されたＱ−ブロックに導くことが必要になる場合がある。別の例では、光学的構成体は、（図３Ａのノード３０などの）量子リピータノードにおいて、Ｌ側のＱ−ブロック及びＲ側のＱ−ブロックを、LLEを生成するためのそれぞれの左側及び右側のローカルリンクファイバーとの光学的な接続状態から、局所的なマージ操作のための互いに光学的に接続された状態へと切り替えることが必要になる場合がある。
【００５５】
したがって、一般的には、ノードの量子物理的ハードウェア、すなわち、量子ビット、並びに、光場を介した量子ビットの相互作用を実施してサポートする物理的構成要素は、１以上のＱ−ブロックだけでなく、１または複数のＱ−ブロックが効果的に埋め込まれた光学的構成体を備える。１例として、図６に、量子リピータノードのそのような表現の１つを示す。図６では、量子物理的ハードウェア６０は、光場をＱ−ブロック４４へと／該Ｑ−ブロック４４から導くための光学的構成体６１を備えるものとして示されており、該Ｑ−ブロック４４は、光学的構成体６１内に存在するものとして示されており、ローカルリンクファイバー６２、６３は、該光学的構成体に直接結合されている。１つのＬ側Ｑ−ブロックと１つのＲ側Ｑ−ブロックが実線の外形で図示されており、設けることが可能な他のＬ側Ｑ−ブロック及びＲ側Ｑ−ブロックが波線の外形で図示されている。
【００５６】
本明細書で使用されている、（量子リピータに関して図６に示されている具体例などの）上記の一般化された量子物理的ハードウェア表現の任意の具体例は、含まれるＱ−ブロックの数及びタイプ並びにそれらの意図された役割に適した実施例であって、対象とする量子物理的ハードウェアの可能性のある全ての実施例を含むことが意図されている。（図６は、Ｑ−ブロックをＱ−ブロック４４、すなわち包括タイプのものとして示しているが、これは、単に、全ての可能性のある実施例を含むようにするためであり、量子リピータ中のＱ−ブロックが果たす役割の要件ではないことに留意されたい。特定の実施例は、Ｑ−ブロックの役割に応じた適切なＱ−ブロックの他のタイプを使用することができる。上記の一般化された量子物理的ハードウェア表現におけるＱ−ブロック４４をそのように使用することは、量子リピータ用の量子物理的ハードウェアの図６の表現には限定されない）。
【００５７】
量子物理的ハードウェアによって実行されることになる量子操作に依存して、該ハードウェアは、種々の制御信号を受信して結果信号を出力するように構成乃至配置される。量子リピータに適した図６の量子物理的ハードウェアブロック６０の場合には、該量子物理的ハードウェアは、エンタングルメント生成操作を制御するための「始動制御（firing control）」信号６４及び「ターゲット制御」信号６５を受信し、マージ操作を制御するための「マージ」信号６７を受信し、及び、それらの操作の結果を示す「結果」信号６６を出力するように構成乃至配置される。この信号６４〜６７を、特定のＱ−ブロックを示すようにパラメータ化することができる。後述の説明から明らかになるように、いくつかの量子リピータの実施形態では、ターゲット制御信号は必要ではない。図６の量子物理的ハードウェア６０の１実施例では、始動制御信号６４は、
・捕捉相互作用機能を有する１つ以上のＱ−ブロックをローカルリンクファイバーの１つに光学的に結合するように、光学的構成体６１を（まだそのように構成されていない場合には）適切に構成するためのセットアップ信号と、
・捕捉相互作用機能を有する１つ以上のＱ−ブロックによって光場の生成を起動するための上述した１つまたは複数の「Fire（始動）」信号
の両方を含み、ターゲット制御信号６５は、
・移行相互作用機能を有するＱ−ブロックをローカルリンクファイバーの１つに光学的に結合するように、光学的構成体６１を（まだそのように構成されていない場合には）適切に構成するためのセットアップ信号
を含む。さらに、この実施例では、マージ信号６６は、
・量子リピータのＬ側及びＲ側のＱ−ブロックを要するマージ操作を実行するように、光学的構成体６１を（まだそのように構成されていない場合には）適切に構成するためのセットアップ信号、
・最初のマージ操作プロセスを起動するための「Fire（始動）」信号、及び、
・図１Ｃのマージ操作の形態が実行される場合には、第２のマージ操作プロセスを形成するＸ測定を始動させるための１以上のXmeas信号
を含む。
【００５８】
延長操作を実行することが意図されている量子物理的ハードウェアの場合は、（延長操作のエンタングルメント生成コンポーネントを動作させるための）始動制御信号を受信するだけでなく、結果信号を出力するようにも構成乃至配列されている該量子物理的ハードウェアは、Ｘ測定を始動させるためのXmeas信号を受信するようにさらに構成乃至配列され、これによって、延長操作を遂行することができる。
【００５９】
ノードの光学的構成体はデフォルトの構成を有することができる。たとえば、図６の量子物理的ハードウェア６０が、Ｌ側Ｑ−ブロック及びＲ側Ｑ−ブロックをそれぞれ１つだけ備えている場合には、光学的構成体６１を、デフォルト時には、それらのＱ−ブロックをローカルリンクファイバーの各々に光学的に結合するLLE生成構成をなすように構成乃至配列することができる。この場合、マージ信号６６は、マージ操作を実行するのに要する時間の間、２つのＱ−ブロックをほんの一時的に互いに光学的に結合するように構成される。このような場合には、ターゲット制御信号６５を完全に省くことができ、始動制御信号６４は、適切なＱ−ブロックに送られるFire（始動）信号だけを含む。
【００６０】
「始動構成部」LLE生成サブシステム
これから、本発明を具現化するローカルリンクエンタングルメント（LLE）生成サブシステムについて説明する。
【００６１】
より具体的には、図７は、ローカルリンクファイバー７５によって光学的に結合された２つのノード７１と７２の間に形成されたLLE生成サブシステム７０の「始動構成部」構成を示す。
【００６２】
ノード７１は、LLE制御ユニット１７１、捕捉相互作用機能を有する（識別番号１〜ｆがそれぞれ付されている）ｆ個のＱ−ブロック７３によって形成された量子物理的ハードウェア、及び、光マージユニット７６を備える。（本明細書では「フュージリア（fusilier）」Ｑ−ブロックと呼ぶ）Ｑ−ブロック７３は全体で、「始動構成部」７７を形成する。ノード７２は、LLE制御ユニット１７２、及び、移行相互作用機能を有する１つのＱ−ブロック７４によって形成された量子物理的ハードウェアを備える。ノード７１の始動構成部７７のフュージリアＱ−ブロック７３は、光マージユニット７６及びローカルリンク光ファイバー７５を介して、ノード７２の１つのターゲットＱ−ブロック７４に光学的に結合されている。したがって、始動構成部７７の全てのＱ−ブロック７３は、同じターゲットＱ−ブロック７４を始動するためのものであることが理解されよう。
【００６３】
ノード７１のLLE制御ユニット１７１が、LLE生成操作を起動するためにその量子物理的ハードウェアにFire（始動）信号を出力すると、始動構成部７７のフュージリアＱ−ブロック７３が順次（連続的に）始動し、放出された光場が、マージユニット７６を通って光場列７８としてファイバー７５を進む。フュージリアＱ−ブロックの識別番号と、光場が該光場列に現れる順番との間には既知の規則的な関係があることに留意されたい。各光場の前をそれ自体の先駆光（パルス）が進むのではなく、１つの先駆光（パルス）７９が光場列７８の前を進んで、ターゲットＱ−ブロック７４にすぐ後に列７８が到着することを知らせるようにするのが好ましい。その場合、先駆光（パルス）７９は、Fire信号に応答して、フュージリアＱ−ブロック７３が始動する前に、放射源１７９によって生成される。
【００６４】
光場の各々がノード７２のターゲットＱ−ブロック７４に順次（及び連続的に）到達すると、ターゲットＱ−ブロックのシャッターが短時間だけ開いて、光場がターゲットＱ−ブロックの量子ビットを通過して、該量子ビットと潜在的に相互作用できるようにする。その後、光場を測定して、エンタングルメントが生成されたか否かを判定する。エンタングルメントが生成されていない場合には、ターゲットＱ−ブロック７４の量子ビットはリセット（再設定）されて、列７８の次の光場を通過させるのに適したタイミングでシャッターを再度開く。一方、列７８の光場の通過によってエンタングルメントが生成された場合には、ターゲットＱ−ブロックの（光場を遮るために）シャッターは閉じたままであり、列７８からの光場はもはやターゲットＱ−ブロック７４の量子ビットと相互作用できない。Ｑ−ブロックシャッターの測定結果に依存するかかる制御は、論理的には、ターゲットＱ−ブロック７４に関連付けられているLLE制御ユニット１７２の一部であるが、実際には、量子物理的ハードウェアに組み込まれた低レベル制御要素によって、該制御を最良に実行することができる。
【００６５】
列７８内の光場の間隔は、次の光場が到着する前に、光場によってターゲットＱ−ブロックが成功裏にエンタングルされたか否かを判定し、該ターゲット量子ビットをリセットし、及び、Ｑ−ブロックのシャッターを開くのに十分な時間を確保できるものとすべきであることが理解されよう。
【００６６】
実際には、ターゲット量子ビットをエンタングルさせる役目を担った光場に後続する光場のターゲット量子ビットとの破壊的（たとえば弱め合う）相互作用を防止するために明示的なシャッターを用いる代わりに、エンタングルメントの直後に量子ビットの状態を電子スピンから核スピンに移行させて、後続の光場の通過が捕捉されたエンタングルした状態を妨害しないようにする（ターゲット量子ビットを光場相互作用に対して安定化する）ことによって、同じ効果を達成することが可能である。エンタングルメントの前に入ってくる外部光を排除するためにシャッターを設けることが依然として適切でありうるが、先駆光（パルス）が検出されるまでは量子ビットが予め準備された状態には設定されないので、通常はそのようなシャッターを省くことができる。
【００６７】
LLE制御ユニット１７２はまた、列中のどの光場がＱ−ブロック７４のターゲット量子ビットと成功裏にエンタングルしたかを識別し、これによって、ターゲットＱ−ブロックの量子ビットとエンタングルしたフュージリアＱ−ブロック７３（したがってその量子ビット）を識別できるようにするための機能を有する（上述したように、フュージリアＱ−ブロックの識別番号と列中に光場が現れる順番との間には既知の関係がある）。たとえば、ターゲットＱ−ブロックに入った光場を単に数えて、この数を、「成功」形式のメッセージ１７３で、LLE制御ユニット１７２によってノード７１に送り返すことができる。この場合、ノード７１のLLE制御ユニット７１は、この数を成功したフュージリアＱ−ブロック７３の識別番号に変換するのに必要な任意の変換処理を実行し、その後、後で参照するために、該識別番号をたとえばレジスタに記憶する（この代わりに、フュージリアＱ−ブロックの識別番号をすぐに送るようにしてもよい）。もちろん、列７８の光場の全てがエンタングルメントの生成に成功しなかった場合には、「失敗」形式のメッセージ１７３が返される。
【００６８】
ターゲット量子ビットの成功したエンタングルメントについての測定結果に含まれているパリティ情報に関しては、このパリティ情報は制御ユニット１７２に送られ、該制御ユニット１７２は該パリティ情報を後で使用するために（たとえばレジスタに）記憶するか、または、該パリティ情報を、たとえばノード７１にメッセージ１７３で伝えることができる。
【００６９】
ノード７１のフュージリアＱ−ブロック７３を順次始動させて光場の列７８を生成する代わりに、全ての光場を一斉に始動させ、異なる長さのファイバーを用いて各フュージリアＱ−ブロックを光マージユニット７６に接続し、これによって、異なる遅延を導入して光場列７８を生成することにより、同等の結果を達成することができる。
【００７０】
始動構成部７７中のフュージリアＱ−ブロック７３の数は、始動構成部のそれぞれの始動において、ターゲットＱ−ブロック７４を成功裏にエンタングルする確率が非常に高くなるように（たとえば９９％以上になるように）選択されるのが好ましい。より具体的には、１つのフュージリアＱ−ブロックの１つの始動でエンタングルメントを成功裏に生成する確率をｓとすると、ｆ個のフュージリアＱ−ブロックからなる始動構成部についての成功確率は、
始動構成部成功確率＝１−（１−ｓ）f
であり、したがって、ｓ＝０．２５で、フュージリアＱ−ブロックが１６個の場合の成功率は９９％であり、フュージリアＱ−ブロックが３２個の場合の成功率は９９．９９％になる。典型的には、１つの始動（すなわち１つの光場列）でターゲット量子ビットを成功裏にエンタングルする望ましい確率Psuccessから始めて、次に、次の不等式にしたがってフュージリア量子ビットの必要な数ｆを決定する。
Psuccess≦１−（１−ｓ）f
【００７１】
列７８内の隣接する光場間の時間間隔は、後の光場が到着する前に、それより（時間的に）前の光場を測定し、ターゲット量子ビットをリセットし、そのシャッターを開くのに十分な時間を確保しつつできるだけ短くするのが有利である。１例としては、光場の時間間隔は１〜１０ナノ秒である。
【００７２】
図７のLLE生成サブシステム７０の形態の場合には、ターゲットＱ−ブロック７４は１つしかないので、実際には、最後に生成されたエンタングルメントが使い果たされるかまたはタイムアウトする（または使用を停止）ことによってサブシステム全体が解放されるまで、始動構成部７７を再起動することはできないことが理解されよう。したがって、始動構成部７７の起動間の最短時間は、ノード間のラウンドトリップタイム（すなわち、（光場列７８がノード７２に到達するのに要する時間）＋（メッセージ１７３をノード７１に返すのに要する時間）の最短時間）に、（たとえばマージ操作において）エンタングルメントを使い果たすのに要する時間を加えたものである。
【００７３】
図８は、２以上のターゲットＱ−ブロックが提供される、図７のLLE生成サブシステム７０の変更形態を示している。
【００７４】
より具体的には、図８のLLE生成サブシステム８０におけるノード７１の量子物理的ハードウェア（始動構成部７７及び光マージユニット７６）の基本的な構成乃至配列は、図７のサブシステムと同じである。しかしながら、後述するように、図８のサブシステムのLLE制御ユニット１８１は、図７の制御ユニット１７１とはいくつかの点で異なる。図７のサブシステムと図８のサブシステムの主な違いはノード７２に見られる。図８のノード７２において、量子物理的ハードウェアは、各々に識別番号１〜ｐのそれぞれが付された複数（全部でｐ個）のターゲットＱ−ブロック７４と、ローカルリンク７５を介して受け取った光場を、ターゲットＱ−ブロック７４のうちの選択された１つに向けて送るための光スイッチ１８３を備えている。光スイッチ１８３は、ノード７２のLLE制御ユニット１８２によって制御されて、光スイッチ１８３は、エンタングルメントが成功裏に生成されるまで、入ってくる全ての光場を同じターゲットＱ−ブロック７４に向けて送り、エンタングルメントが成功裏に生成されると、光スイッチ１８３は、入ってくる光場を利用可能な（エンタングルしていない）新たなターゲットＱ−ブロック７４に送るようにスイッチ動作をする。したがって、光スイッチは、（たとえば、シャッターを閉じることによって）エンタングルされたターゲット量子ビットを後続の光場が通過しないように該光場を阻止する機能を効果的に実行し、これによって、これらの光場と該量子ビットとの相互作用を阻止する。成功裏に生成されたエンタングルメントの各々は「成功」メッセージ１７３によってノード７１に報告され、この場合、該メッセージは、（使用されたフュージリアＱ−ブロック７３及びパリティ情報を識別できるようにする情報に加えて）対象としているターゲットＱ−ブロック７４のID（識別番号）を含むこともできる。
【００７５】
もちろん、制御ユニット１８２は、ターゲットＱ−ブロック７４の各々の可用性状態（利用可能か否か、または、利用可能性に関する状態）を常に把握しておかなければならない。なぜなら、制御ユニット１８２には、光スイッチ１８３が、入ってくる光場をエンタングルしていない量子ビットを有するターゲットＱ−ブロックだけに送るということを確実にする役目があるからである。制御ユニット１８２は、各ターゲットＱ−ブロック７４のそれぞれのエントリ（登録事項など）を格納するように構成されたステータスレジスタ１８６を用いて、この可用性状態を容易に追跡することができる。レジスタエントリの各々は、対応するターゲットＱ−ブロックの利用可能性を記録するだけでなく、Ｑ−ブロックが（該Ｑ−ブロックの量子ビットがフュージリアＱ−ブロックの量子ビットとエンタングルしているために）が利用できない場合には、使用されたフュージリアＱ−ブロックの識別情報、及び／または、パリティ情報も記録することができる。
【００７６】
このようして、動作するノード７２は、始動構成部７７によって始動された全ての光場がエンタングルメント生成を試みるために使用されるように、それらの光場の効率的な使用を確保する。
【００７７】
ノード７１の制御ユニット１８１はさらにステータスレジスタ１８５を備えており、このレジスタは、フュージリアＱ−ブロック７３の各々のエントリを格納するように構成されている。各レジスタエントリは、対応するフュージリアＱ−ブロック７３の利用可能性を記録している。（メッセージ１７３によって示されるように）フュージリアＱ−ブロックの量子ビットがターゲットＱ−ブロック７４の量子ビットとエンタングルしているときと、対象としているエンタングルメントが使い果たされたかもしくはタイムアウトしたかもしくは有効ではなくなったときとの間は、該フュージリアＱ−ブロックは「利用できない」。もちろん、全てのフュージリアＱ−ブロック７４は、始動構成部が起動されたときと、メッセージがノード７２から受信されたときとの間のラウンドトリップタイムの間は事実上「利用できない」。なぜなら、任意の特定のフュージリアＱ−ブロックが、エンタングルメントに関わっているか否か、または、エンタングルメントに関わろうとしているところであるか否かはわからないからである。そのような「利用できない状態」を、各フュージリアＱ−ブロック用のステータスレジスタ１８５に明確に記録することができ、または、制御ユニット１８１によってより一般的に処理することができる。レジスタ１８５の各エントリは、対応するＱ−ブロックの量子ビットがエンタングルしているために該Ｑ−ブロックが利用できない場合には、使用されたターゲットＱ−ブロックの識別情報、及び／または、パリティ情報も記録することができ、この場合、そのような情報は、関連するメッセージ１７３によって提供されたものである。
【００７８】
上述したように、以前のエンタングルメントが使い果たされるか、またはタイムアウトした（あるいは使用が中止された）場合のみ、図７のLLE生成サブシステム７０の始動構成部７７を再度始動することができる。同様にして、図８のLLE生成サブシステム８０を動作させることも可能であり、すなわち、始動構成部７７の最後の始動によって生成された１以上のエンタングルメントが、使い果たされ、タイムアウトし、あるいは、その使用が中止されるのを待った後で、始動構成部７７を再始動することができる。
【００７９】
しかしながら、複数のターゲットＱ−ブロックのうちの少なくともいくつかがエンタングルしていない可能性があるので、１または複数のメッセージ１７３によって始動構成部７７の以前の起動による光場の連続放出の結果がわかるとすぐに、始動構成部７７を再始動するようにすることもできる。始動構成部７７のそのような再始動は、ステータスレジスタ１８５中の対応するエントリによって示されるフュージリアＱ−ブロックの各々の可用性状態を考慮しなければならない。すなわち、利用できないフュージリアＱ−ブロック７３は始動されずスキップされる（スキップする場合は、光場列７８に（スキップされた部分が）すき間（空白部）として残されるか、（スキップされた部分だけ）光場列７８が短くなるが、すき間を残すのが一般的には好ましい）。言うまでもなく、始動構成部７７のかかる始動によってエンタングルメントが生成される確率は、始動するフュージリアＱ−ブロックの数が少なくなることによって低くなる。それにもかかわらず、始動構成部７７の全てのフュージリアＱ−ブロック７３が利用可能になるのを待たずに、該始動構成部７７を再始動することによって、LLEの生成率が全体として高くなる。さらに、生成されたLLEを用いて、始動構成部の始動がLLE消費プロセス（量子リピータの場合における局所的なマージプロセスなど）から切り離されるので、始動構成部７７を、LLE消費プロセス要件とは無関係の一定の（または不規則な）間隔で始動させることができる。
【００８０】
量子リピータ中の「始動構成部」LLEサブシステムの使用
図９は、図７の形態のLLE生成サブシステムに基づく量子リピータの１実施例の一般的な形態を示す。
【００８１】
より具体的には、量子リピータ９０は、左側のローカルリンクファイバー６２と右側のローカルリンクファイバー６３によって、それぞれ、左側の近傍ノード（不図示）と右側の近傍ノード（不図示）に光学的に結合される。量子リピータ９０は、図６に関して説明し、一般的に図示した量子物理的ハードウェア６０を有し、かつ、
左側のLLE生成サブシステム７０Ｌの一部を構成するＬ側（すなわち左側）ターゲットＱ−ブロック７４、
右側のLLE生成サブシステム７０Ｒの始動構成部７７を構成する複数のＲ側（すなわち右側）フュージリアＱ−ブロック７３、及び、
左側のローカルリンクファイバー６２と右側のローカルリンクファイバー６３に、それぞれ、光インターフェース９１Ｌ、９１Ｒを介して結合された光学的構成体６１
を備える。
【００８２】
左側及び右側のLLE生成サブシステム７０Ｌ、７０Ｒは、図７に示す形態と実質的に同様である。図１０に図示しているように、左側のLLE生成サブシステム７０Ｌは、
(a)リピータ９０における、量子物理的ハードウェア６０の上記Ｌ側要素（具体的には、図１０において文字「Ｔ」を囲んでいるボックスによって示されているターゲットＱ−ブロック７４）、及び、左側のLLE（L-LLE）制御ユニット９２
(b)左側のローカルリンクファイバー６２、及び、
(c)左側の近傍ノード１００Ｌにおける、フュージリアＱ−ブロック７３の始動構成部（図１０において、文字「ＦＳ」を囲んでいるボックスによって示されている）、並びに、関連する光学的構成体及びLLE制御ユニット
を備える。右側のLLE生成サブシステム７０Ｒは、
(a)リピータ９０における、量子物理的ハードウェア６０の上記Ｒ側要素（具体的には、ボックス「ＦＳ」で示されている始動構成部７７）、及び、右側のLLE（R-LLE）制御ユニット９３、
(b)右側のローカルリンクファイバー６３、及び、
(c)右側の近傍ノード１００Ｒにおける、ターゲットＱ−ブロック（ボックス「Ｔ」）、並びに、関連する光学的構成体及びLLE制御ユニット
を備える。
【００８３】
したがって、量子リピータ９０それ自体は、図７の形態の作動する完全なLLE生成サブシステム７０を含んでいないが、それのＲ側とＬ側は、図７のLLE生成サブシステム７０のものと相補関係にある始動構成部とターゲット部をそれぞれ備えている。但し、それらは、互いに反対側にあるLLE生成サブシステムに関連付けられている。
【００８４】
LLE生成サブシステム７０のものと相補関係にある始動構成部及びターゲット部のかかる配列により、図１１に示すように、複数の量子リピータ９０（図１１では、量子リピータj-1、j、j+1）を、近傍の量子リピータ間にLLE生成サブシステムが形成されるように光学的に直列に結合することができる（図１１の量子リピータjは、左側近傍のリピータj-1と共にLLE生成サブシステム１１１を形成し、及び、右側近傍のリピータj+1と共にLLE生成サブシステム１１２を形成する）。
【００８５】
量子リピータ９０の光学的構成体６１は、LLE生成のために左側のローカルリンクファイバー６２と右側のローカルリンクファイバー６３にそれぞれ、L側Ｑ−ブロックとR側Ｑ−ブロックを結合するだけでなく、Ｌ側ターゲットＱ−ブロック７４をＲ側フュージリアＱ−ブロック７３のうちの選択された１つに選択的に光学的に結合し、これによって、それらのＱ−ブロックの量子ビットに対して局所的なマージ操作を実施できるようにしている。
【００８６】
LLE生成の間、量子物理的ハードウェア６０は、Ｒ側要素を制御するため（具体的には、始動構成部７７を始動させるため）に、R-LLE制御ユニット９３から始動制御信号を受信し、及び、Ｌ側ターゲットＱ−ブロック７４からL-LLE制御ユニット９２へと結果信号（成功／失敗、パリティ、フュージリア識別情報）を出力する。局所的なマージ操作の場合は、量子物理的ハードウェア６０は、マージ制御ユニット９７からマージ制御信号（これらの信号は、マージに関与するフュージリアＱ−ブロック７３を選択し、及び、マージ自体を起動するためのものである）を受信し、マージ操作の結果に関する結果信号（成功／失敗、パリティ）をユニット９７へと出力して戻す。
【００８７】
図１２Ａ及び図１２Ｂは、Ｑ−ブロック７３及び７４の特性に依存する光学的構成体６１の２つの可能性のある実施例を示している。
【００８８】
図１２Ａの光学的構成体の実施例は、フュージリアＱ−ブロック７３及びターゲットＱ−ブロック７４が包括的Ｑ−ブロック４４（図４参照）である場合に適用できる。その場合には、左側のローカルリンクファイバー６２は、包括的ターゲットＱ−ブロック７４の光入力部に直接接続され、この包括的Ｑ−ブロックの光出力部は、中間の光ファイバー１２１に光学的に結合される。能動性の光スイッチ１２２は、該中間の光ファイバー１２１を包括的フュージリアＱ−ブロック７３の入力に接続し、受動性の光マージユニット１２３は、フュージリアＱ−ブロック７３の出力を右側のローカルリンクファイバー６３に渡す。LLE生成操作中は、ターゲットＱ−ブロック７４は移行相互作用用にセットアップされ（すなわち、設定乃至構成され）、左側のリンクファイバー６２を介して入ってくる光場は、該ターゲットＱ−ブロックへと送られ、フュージリアＱ−ブロック７３は捕捉相互作用用にセットアップされ、光マージユニット１２３はフュージリアＱ−ブロック７３を右側のローカルリンクファイバー６３に結合する。マージ操作の場合は、ターゲットＱ−ブロック７４は捕捉相互作用用にセットアップされ、マージに関与するフュージリアＱ−ブロックは移行相互作用用にセットアップされ（マージに関与するフュージリアＱ−ブロックは、量子物理的ハードウェア６０に送られるマージセットアップ信号において示されている）、光スイッチ１２２もまた、マージセットアップ信号によって設定されて、ターゲットＱ−ブロック７４をマージに関与するフュージリアＱ−ブロック７３に光学的に結合する。
【００８９】
図１２Ｂの光学的構成体の実施例は、ターゲットＱ−ブロック７４が移行Ｑ−ブロック４２（図４参照）であり、フュージリアＱ−ブロック７３が捕捉Ｑ−ブロック４０である場合に適用できる。その場合には、受動性の光マージユニット１２５は、フュージリア捕捉Ｑ−ブロック７４の出力を１つのファイバーに送る。この場合、該１つのファイバーは、能動性の光スイッチ１２６によって、右側のローカルリンクファイバー６３またはループバック光ファイバー１２７へと切り替えられる。受動性の光マージユニット１２４は、移行用ターゲットＱ−ブロック７３に対面する位置にあって、それの入力側において左側のローカルリンクファイバー６２及びループバックファイバー１２７に結合されている。LLE生成操作の場合には、光スイッチ１２５は、捕捉用フュージリアＱ−ブロック７３によって出力された光場を右側のローカルリンクファイバー６３へと送るように設定される。マージ操作の場合には、光スイッチ１２５は、捕捉用フュージリアＱ−ブロック７３のうちの選択された１つによって出力された光場をループバックファイバー１２７に送るように設定される（関与するＱ−ブロックは、量子物理的ハードウェア６０に送られるマージセットアップ信号において示されている）。
【００９０】
図９及び量子リピータ９０の一般的構成を再度参照すると、該リピータは、それの左側と右側の近傍ノードに論理制御チャンネルによって結合されるように構成乃至配列されている。かかる構成乃至配列について以下でより詳細に説明する。
【００９１】
古典的なLLE制御（「LLEC」）通信チャンネル９４は、L-LLE制御ユニット９２と左側の近傍ノードのR-LLE制御ユニットとを相互に通信させる（すなわち、R-LLE制御ユニットは、L-LLE制御ユニット９２と同じLLE生成サブシステム７０Lに関連付けられる）。L-LLE制御ユニット９２は、LLECチャンネル９４を用いて、LLE生成の成功／失敗メッセージ（図７のメッセージ１７３）を、左側の近傍ノードのR-LLE制御ユニットに送る。
【００９２】
古典的なLLE制御（「LLEC」）通信チャンネル９５は、R-LLE制御ユニット９３と右側の近傍ノードのL-LLE制御ユニットとを相互に通信させる（すなわち、L-LLE制御ユニットは、R-LLE制御ユニット９３と同じLLE生成サブシステム７０Ｒに関連付けられる）。R-LLE制御ユニット９３は、右側の近傍ノードのL-LLE制御ユニットから、LLECチャンネル９５を介して、LLE生成の成功／失敗メッセージ（図７のメッセージ１７３）を受信する。
【００９３】
古典的なマージ制御（「MC」）通信チャンネル９８、９９は、MCユニット９７を、該ユニットの左側及び右側の近傍ノードの対応するユニットと相互に通信させて、マージ操作に関する成功／失敗及びパリティ情報を送ることを可能にしている。上記したように、適切な場合には、成功／失敗情報の伝送を省くことができる。
【００９４】
LLEC通信チャンネル９４、９５、及び、MC通信チャンネル９８、９９は、任意の適切な高速通信接続（無線通信など）によって提供することができるが、光ファイバーを介して光信号として伝送されるのが好ましい。より具体的には、LLEC通信チャンネル９４、９５及びMC通信チャンネル９８、９９を、それぞれの専用の光ファイバーで伝送することができ、または、同じファイバーで多重伝送することができる（多重伝送するファイバーは、近傍ノード中のＱ−ブロックに光学的に結合するローカルリンクに使用されるファイバーとすることができ、たとえば、パリティ情報だけがMC通信チャンネルで送られる場合には特に、MC通信チャンネルを、先駆信号７９の強度（もしくは輝度）変調として実施することができる）。より一般的には、LLEC及びMC通信チャンネルを結合して１つの古典的な全二重通信チャンネルにすることができる。
【００９５】
上記の説明から、（R-LLE制御ユニット９３は、始動構成部７７を始動させる役目があるので）右側のLLE生成の開始は、事実上、該制御ユニット９３の制御下にあり、左側のLLE生成の開始は、事実上、左側の近傍ノードにあるR-LLE制御ユニットの制御下にあり、局所的なマージ操作の開始は、マージ制御ユニット９７の制御下にあることが理解されよう。もちろん、ターゲットＱ−ブロック７４が左側とエンタングルし、及び、フュージリアＱ−ブロックのうちの１つが右側とエンタングルしたときのみ、マージ操作を達成することができる。
【００９６】
一連の量子リピータ９０によって結合された２つの端部ノード間にエンドツーエンド（E2E）のエンタングルメントを構築するために採用することができる多数の異なる方策がある。用いられる方策は、一般的には、各リピータの１以上の制御ユニットの演算ロジックによって具現化されることになろう。
【００９７】
１つの方策（本明細書では「端部からの延長」という）は、左側の端部ノードとその近傍にある量子リピータとの間のLLEから始めて、一連のノードのうちの左側の端部ノードと量子リピータとの間に現存するエンタングルメントと、該リピータと該リピータの右側の近傍ノードとの間に形成されたLLEとを結合（マージ）することによって、該エンタングルメントを延長するというプロセスを繰り返す反復プロセスを含む。各繰り返しにおいて、作動する量子リピータ（エンタングルメント延長のためのマージを実行する量子リピータ）は、一連のノードに沿って１つだけ右側に（すなわち、延長されるエンタングルメントを一方の端部で留めている端部ノードから離れる方向に）移動する。この方策では、現在の作動するリピータがエンタングルメント延長のためのマージを成功裏に達成すると、該リピータは、自身の「作動するリピータ」という役目をそれの右側近傍（のノード乃至リピータ）に渡す。今や作動するリピータとなったこの近傍（のノード乃至リピータ）は、自身が左側にエンタングルされていることを知っている（なぜなら、それの左側近傍のリピータは、該リピータと今や作動するリピータとなっているノード乃至リピータとの間のLLEを左側の端部ノードで留められているエンタングルメントと成功裏に結合（マージ）した後でのみ、「作動するリピータ」という役目を渡したはずだからである）ので、右側のLLEが存在するときはいつでも自身のマージ操作を実行することができる。始動構成部７７中のフュージリアＱ−ブロック７３の数を適切に選定することによって、始動構成部の単一の始動によって右側のLLEを高い確率で成功裏に生成することが可能である。したがって、リピータが「作動するリピータ」になっているときに右側のLLEがまだ存在しない場合には、そのようなLLEを迅速に生成することができ、この結果、E2Eエンタングルメントの構築が迅速に進行する。上記の説明から、「端部からの延長」方策は、各々のリピータが「作動するリピータ」になったときだけ、該「作動するリピータ」であるリピータのマージ制御ユニットがアクティブになる（すなわち作動する）ようにし、次に、エンタングルメント延長のためのマージが成功裏に達成された後に「作動するリピータ」という役目をそれの右側の近傍（のノード乃至リピータ）に渡すことによって有効に具現化されることが理解されよう。
【００９８】
実際に、リピータ９０の始動構成部の単一の始動によって右側LLEを高い確率で成功裏に生成できることによって、そのように高い確率で生成できない場合には実現できないであろうエンドツーエンド（「E2E」）エンタングルメントを構築するための多くの他の方策が可能である。たとえば、一連の量子リピータ９０中の全てのリピータを（たとえば、GPS衛星群から得られたタイミング情報によって、または、リピータ間で送信された信号を用いたリピータ内の位相ロックループ用クロックによって）時間同期させることができる場合には、「同期化」方策を使用することができる。この場合、リピータの一連の同期化された動作サイクルの各々の間、各リピータは、自身の始動構成部の始動によって右側LLEを生成し（これによって１以上のLLEが全てのリピータ間に存在するようになる）、その後、全てのリピータはほぼ同時にマージ操作を実行する。そして、全てのマージが成功した場合には、E2Eエンタングルメントが生成されることになる。このように、リピータは事実上同時に動作するので、E2Eエンタングルメントを生成する全プロセスは、「端部からの延長」方策の場合よりもいっそう高速である。「同期化」方策は、各リピータのマージ制御ユニット９７及びR-LLE制御ユニット９３を、同期化されたクロックの制御下で動作させることによって有効に具現化されることが理解されよう。
【００９９】
右側のLLEが高い確率で成功裏に生成されることを利用するが、鎖状に接続された一連の量子リピータの同期化動作を必要となしない別の方策は、量子リピータを「準非同期」方式で動作させてエンドツーエンド（E2E）エンタングルメントを構築する。「準非同期」方式でのE2Eエンタングルメントの構築には、MCチャンネルを介して一方の端部ノードから１連のノード（すなわちノードのチェーン）に沿って周期的なトリガ信号を伝達し、これによって、各リピータが、該一連のノード（すなわちチェーン）に沿って、１つの最上位のサイクルの動作を実行できるようにすることが含まれる。この場合、該最上位のサイクルにおいて、各リピータは、該リピータの左側及び右側の量子ビットが、それぞれ左側及び右側にエンタングルされることがわかっているか、または、そのようにエンタングルされることが予測されるときに、局所的なマージ操作を開始する。典型的には、各リピータは、該周期的なトリガ信号の受信に応答して、または、該トリガ信号の受信に関係なく、右側のLLEの生成を開始する役目を担っている。やがて、全てのリピータが１つのマージを実行し、その結果、E2Eエンタングルメントが生成されるが、かかるプロセス全体が１つのE2Eの動作サイクルを構成する。リピータが、それらのそれぞれのマージ操作を１つのE2E動作サイクルで実行する順番は、リピータが該周期的なトリガ信号を受信する順番と必ずしも同じである必要はないが、いくつかの要因に依存し、それらの要因うち最も注目すべきは、ノード間の間隔である。引き続くE2E動作サイクルを、引き続く周期的なトリガ信号を送信することによって開始することができる。任意の１つのリピータの最上位の動作サイクルが重ならない限り、E2E動作サイクルをそのように行うことができる。
【０１００】
このように、図７のLLE生成サブシステム７０を、エンドツーエンド（「E2E」）エンタングルメントを構築するために量子リピータによって実施される方策に関係なく該量子リピータにおいて有効に利用することができる。もちろん、図８のLLE生成サブシステム８０を、図７のサブシステムと同様のやり方で量子リピータにおいて利用することもできるが、複数の右側／左側のLLEが同時に存在する可能性を考慮して適切な変更が必要である（この点で主要な要件は、マージ制御ユニットが、マージしようとするＱ−ブロックが左側及び右側のＱ−ブロックのうちのどれであるかを確実に知っているようにすることであり、この場合、かかる情報は、LLE制御ユニット１８１、１８２のステータスレジスタ１８５、１８６に利用可能な状態で格納されている）。
【０１０１】
１連の量子リピータによって結合された端部ノードの各々は、近傍の量子リピータの両側のうちの該端部ノードに対面している側（すなわちＬ側またはＲ側）と相互作用するための機能を含んでいることに留意すべきである。したがって、左側の端部ノードは、量子リピータのＲ側（右側）の機能と類似の機能を含んでおり、これによって、左側の端部ノードが近傍のリピータのＬ側（左側）と相互作用できるようになっている。また、右側の端部ノードは、量子リピータのＬ側（左側）の機能と類似の機能を含んでおり、これによって、右側の端部ノードが近傍のリピータのＲ側（右側）と相互作用できるようになっている。
【０１０２】
量子ビット状態の反転によりエンタングルメントのパリティを標準化（または統一）することによって、または、LLEパリティ情報を格納して、その後、該パリティ情報を端部ノードに累積的に送るために該パリティ情報をマージパリティ情報と組み合わせることによって、エンタングルメントパリティを処理することができ、これによって、端部ノードがエンドツーエンドエンタングルメントのパリティを決定できるようにすることができる。
【０１０３】
上述したように、量子リピータによる左側と右側のエンタングルメントの結合（マージ）は、関連するリピータのL側とＲ側の量子ビットに対してマージ操作を直接実行することによってなされる（図１Ｃ及び関連する説明を参照）。しかしながら、いくつかの場合には、１以上の局所にある量子ビット（「仲介量子ビット」）を介してこの結合（マージ）を実行するようにしておくことが望ましい場合がある。１例として、１つの仲介量子ビットが提供される場合には、左側及び右側のエンタングルメントを、（必要に応じて）エンタングルされているＬ側／Ｒ側の量子ビット及び該仲介量子ビットを伴うそれぞれの延長操作によって、該仲介量子ビットまで別個に延長させることができる。その後、該仲介量子ビットに対してＸ測定操作を実行することによって、エンタングルメントから該仲介量子ビットが除去される。リピータの左側及び右側へのエンタングルメントの局所的な結合（マージ）がどのように実行されるかの細部は、量子リピータの全般的な操作には重要ではないことが理解されよう。
【０１０４】
本発明の上記実施形態に対して多くの変形が可能であることが理解されよう。
【０１０５】
上記では、近傍ノードは、ローカルリンク光ファイバーを介して光学的に結合されるものとして説明されているが、適切な状況では、それらのローカルリンクを、光ファイバー以外の光チャンネルを介して確立できることが理解されるべきである。たとえば、光チャンネルを単に自由空間とすることができ、これは、説明したLLE生成サブシステムの衛星用途に特に当てはまる。
【０１０６】
LLE制御ユニット（１７１、１７２；１８１、１８２；９２、９３）及びマージ制御ユニット９７の実施に関しては、典型的には、説明した機能が、プログラム制御式のプロセッサまたは対応する専用のハードウェアによって提供されることが理解されよう。
【０１０７】
図７または図８の構成の複数の並列LLE生成サブシステムを、近傍ノード間に並列に配置して使用することができる。たとえば、１連の図９の構成の量子リピータにおいて、各リピータに、図７のLLE生成サブシステム７０の始動構成部及びターゲット部と相補的な複数の始動構成部及びターゲット部を設けることができる。これによって、隣接するリピータ間に複数のLLE生成サブシステムを設けることができ、それらのサブシステムを、典型的には交互に動作させて、LLE生成の速度を何倍にもあげることができる。そのような構成乃至配置によれば、同じローカルリンクファイバーを、全てのLLE生成サブシステムに使用することができる。
【０１０８】
量子リピータ９０に図７のLLE生成サブシステムの始動構成部及びターゲット部と相補的な始動構成部及びターゲット部を提供する代わりに、２つの異なるタイプの量子リピータを提供して、そのうちの一方が、互いに逆方向を向いた２つの始動構成部を有し、他方が、違いに逆方向を向いた２つのターゲット部を有するようにすることも可能である。
【０１０９】
図１３Ａは、２つの互いに逆方向を向いた始動構成部を有するタイプの量子リピータ１３０について、左側と右側のLLE生成サブシステム１３２L及び１３２Rがどのように形成されるかを示している（始動構成部及びターゲット要素に対して図１３で用いられている表現は、図１０で用いられているものと同じである）。左側のLLE生成サブシステム１３２Lは、
(a)リピータ１３０における、始動構成部「FS」、並びに、それに関連する光学的構成体及び左側LLE（L-LLE）制御ユニット、
(b)左側のローカルリンクファイバー６２、
(c)左側の近傍ノード１３１Lにおける、ターゲットＱ−ブロック、並びに、それに関連する光学的構成体及びLLE制御ユニット
を備えている。
右側LLE生成サブシステム１３２Ｒは、
(a)リピータ１３０における、始動構成部「FS」、並びに、それに関連する光学的構成体及び右側LLE（R-LLE）制御ユニット、
(b)右側のローカルリンクファイバー６３、
(c)右側の近傍ノード１３１Ｒにおける、ターゲットＱ−ブロック「Ｔ」、並びに、それに関連する光学的構成体及びLLE制御ユニット
を備えている。
【０１１０】
図１３Ｂは、２つの互いに逆方向を向いたターゲット部を有するタイプの量子リピータ１３５について、左側と右側のLLE生成サブシステム１３７L及び１３７Rがどのように形成されるかを示している。左側のLLEサブシステム１３７Lは、
(a)リピータ１３５における、ターゲットＱ−ブロック「Ｔ」、並びに、それに関連する光学的構成体及び左側LLE（L-LLE）制御ユニット、
(b)左側のローカルリンクファイバー６２、
(c)左側の近傍ノード１３６Lにおける、フュージリアＱ−ブロックの始動構成部「FS」、並びに、それに関連する光学的構成体及びLLE制御ユニット
を備えている。
右側LLE生成サブシステム１３７Ｒは、
(a)リピータ１３５における、ターゲットＱ−ブロック「Ｔ」、並びに、それに関連する光学的構成体及び右側LLE（R-LLE）制御ユニット、
(b)右側のローカルリンクファイバー６３、
(c)右側の近傍ノード１３６Ｒにおける、始動構成部「FS」、並びに、それに関連する光学的構成体及びLLE制御ユニット
を備えている。
【０１１１】
２つのタイプの量子リピータ１３０、１３５を、量子リピータｊ-1、j、j+1について図１１に示すように交互に配置することによって近傍のリピータ間にLLE生成サブシステムが形成されるように、光学的に直列に結合することができる。その場合、量子リピータjは、タイプ１３０であって、タイプ１３５であるそれの左側の近傍リピータj-1と共にLLE生成サブシステム１３８を形成し、かつ、タイプ１３５であるそれの右側の近傍リピータj+1と共にLLE生成サブシステム１３９を形成する。
【０１１２】
上記では、光場は、光ファイバーを介して、ノード間とノードの量子物理的ハードウェアのコンポーネント間との両方で送られるものとして一般的に説明したが、光場を導くもの（光導波路など）であれ導かないもの（直線的に進む）であれ、及び、自由空間であれ物理的媒体であれ、任意の適切な光チャンネルを介して光場を送れることが理解されよう。したがって、たとえば、ノードの量子物理的ハードウェアの光学的構成体は、光共振器内に配置されたダイヤモンド格子中の窒素原子によって提供される量子ビットと接続するシリコンチャンネルを有することができる。
【０１１３】
既に述べたように、当業者には、Ｑ−ブロックを物理的に実装する方法が理解されよう。関連する実装例の細部を以下の論文（それらの論文は参照により本明細書に組み込まれるものとする）に見いだすことができる。
・「Fault-tolerant quantum repeaters with minimalphysical resources, and implementations based on single photon emitters」L, Childress, J.M.Taylor,A.S.Sorensen, and M.D.Lukin;Physics Review A 72,052330(2005).
・「Fault-Tolerant Quantum Communication Based onSolid-State Photon Emitters」L.Childress, J.M.Taylor,A.S.Sorensen, and M.D.Lukin;Physical Review Letters 96, 070504(2006).
・「Hybrid quantum repeater based on dispersive CQEDinteractions between matter qubits and brightcoherent light」T D Ladd, P van Loock,K Nemoto, WJMunro, and YYamamoto; New Journal of Physics 8(2006)184, Published 8 September 2006.
・「Hybrid quantum Repeater Using Bright CoherentLight」P. van Loock,T.D. Ladd, K.Sanaka, F.Yamaguchi,Kae Nemoto, W.J.Munro, and Y. Yamamoto; Physical Review Letters 96,240501(2006).
・「Distributed Quantum Computation Based-on SmallQuantum Registers」 Liang Jiang, Jacob M. Taylor, AndersS. Sorensen, Mikhail D.Lukin; Physics Review. A 76,062323(2007).
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンタングルメント生成装置であって、
光チャンネル（７５）と、
複数のフュージリア量子ビット（７３）を提供するための第１のノード（７１）であって、それぞれの光場を、各フュージリア量子ビットを通過させて前記光チャンネル（７５）に送り、これによって、前記光チャンネル（７５）に狭い間隔で並んだ光場の列（７８）を生じるようにするための第１のノードと、
ターゲット量子ビット（７４）を提供するための第２のノード（７２）であって、前記光チャンネル（７５）を介して前記光場の列（７８）を受け取って、一連の光場の各々が、前記ターゲット量子ビット（７４）がエンタングルされていない間に該ターゲット量子ビット（７４）を通過して該ターゲット量子ビットと潜在的に相互作用できるようにし、該ターゲット量子ビットを通過した各光場を測定して該ターゲット量子ビットが成功裏にエンタングルしたか否かを判定するように構成され、さらに、前記ターゲット量子ビット（７４）がエンタングルしたことを判定すると、後続の光場が該ターゲット量子ビットと相互作用するのを阻止し、及び、どの光場が該ターゲット量子ビットとエンタングルしたかを識別するように構成された第２のノード
を備える装置。
【請求項２】
前記第２のノード（７２）は、さらに、前記ターゲット量子ビット（７４）がエンタングルしたことを判定すると、どの光場が該ターゲット量子ビットとエンタングルしたかを識別し、これによって、該ターゲット量子ビットとエンタングルしたフュージリア量子ビットを識別できるように構成されてなる、請求項１の装置。
【請求項３】
前記第１のノード（７１）が、
複数のフュージリアＱ−ブロック（７３）であって、その各々が、前記フュージリア量子ビットを物理的に具現化し、及び、光場を、該量子ビットを通過させるように構成されてなる、複数のフュージリアＱ−ブロックと、
フュージリア量子ビットを通過した光場を前記光チャンネル（７５）に順序立てて結合するための光学的構成体（７６）と、
それぞれの光場が前記フュージリア量子ビットを協調して通過するようにすることによって、狭い間隔で並んだ光場の前記列（７８）が生じるようにするための制御ユニット（１７１）
を備え、
前記第２のノード（７２）が、
前記ターゲット量子ビットを物理的に具現化するように構成されたターゲットＱ−ブロック（７４）であって、該ターゲット量子ビットを通過した光場を測定することによって、該ターゲット量子ビットがフュージリア量子ビットと成功裏にエンタングルしたか否かを判定するように構成されたターゲットＱ−ブロックと、
前記光チャンネル（７５）を前記ターゲットＱ−ブロックに結合して、前記列（７８）中の光場が前記ターゲット量子ビットを通過できるようにし、及び、該光場を測定できるようにするための光学的構成体と、
前記列（７８）中の第１の光場が前記ターゲット量子ビットを通過して該ターゲット量子ビットと潜在的に相互作用できるようにし、その後、前記ターゲットＱ−ブロック（７４）が先行する光場が前記ターゲット量子ビットのエンタングルに成功しなかったことを示したときのみ、該先行する光場の次の光場が前記ターゲット量子ビットを通過して該ターゲット量子ビットと潜在的に相互作用できるようにするように動作する制御ユニット（１７２）
を備え、
前記制御ユニットは、前記ターゲットＱ−ブロック（７４）が、前記ターゲット量子ビットが成功裏にエンタングルしたことを示したことに応答して、前記第１のノード（７１）に、前記ターゲット量子ビットとエンタングルした前記列中の光場を識別する情報を送り、これによって、該ターゲット量子ビットとエンタングルしたフュージリア量子ビットを識別できるようにすることからなる、請求項１の装置。
【請求項４】
前記第２のノード（７２）がさらに、第２のターゲット量子ビットを物理的に具現化するように構成された第２のターゲットＱ−ブロック（７４）を備え、前記第２のノードの前記光学的構成体（１８３）及び制御ユニット（１８２）は、第１の前記ターゲットＱ−ブロックのターゲット量子ビットのエンタングルメントが成功したことが判定されると、第２のエンタングルメントが判定されるまで、前記列（７８）中の後続の光場が前記第２のターゲット量子ビットを通過して該第２のターゲット量子ビットと潜在的に相互作用できるようにし、及び、該光場を測定して、該第２のターゲット量子ビットがフュージリア量子ビットと成功裏にエンタングルしたか否かを判定するように構成されており、前記第２のターゲット量子ビットが成功裏にエンタングルしたことを判定すると、前記列（７８）中の残りの任意の光場と前記第２のターゲット量子ビットとの相互作用を阻止し、かつ、該列中のどの光場が前記第２のターゲット量子ビットと成功裏にエンタングルしたかを識別し、これによって、前記第２のターゲット量子ビットとエンタングルしたフュージリア量子ビットを識別することを可能にする請求項３の装置。
【請求項５】
前記第１のノード（７１）の制御ユニット（１７１）は、前記フュージリア量子ビットを通過する光場を同時に生成するように構成され、前記光学的構成体は、それらの光場をそれぞれの異なる光遅延路を通過させてそれらの光場を光場の列（７８）に編成するように構成されてなる、請求項３の装置。
【請求項６】
前記第１のノード（７１）の制御ユニット（１７１）は、前記フュージリア量子ビットを通過する光場の各々を時間をずらして連続的に生成し、これによって、該光場を前記列（７８）中で分離するように構成されてなる、請求項３の装置。
【請求項７】
前記フュージリア量子ビットの数が少なくとも１６である、請求項１の装置。
【請求項８】
前記光場が１〜１０ナノ秒だけ時間的に離れている、請求項１の装置。
【請求項９】
隔置された量子ビットをエンタングルするための方法であって、
それぞれの光場を、複数のフュージリア量子ビット（７３）を通過させて光チャンネル（７５）に送るステップであって、前記光場の生成及び編成によって、前記光チャンネル（７５）を伝送する狭い間隔で並んだ光場の列（７８）が形成される、ステップと、
前記光チャンネル（７５）を介して前記列（７８）中の光場を受け取って、第１のターゲット量子ビットがエンタングルしていない間、各光場が順に前記ターゲット量子ビット（７４）を通過して該ターゲット量子ビットと潜在的に相互作用できるようにし、その後、前記第１のターゲット量子ビットがエンタングルしたか否かを判定するために各光場を測定するステップと、
前記第１のターゲット量子ビット（７４）が成功裏にエンタングルすると、列（７８）中の後続の光場と前記第１のターゲット量子ビットとの相互作用を阻止し、及び、どの光場が前記第１のターゲット量子ビットを成功裏にエンタングルさせたかを識別し、これによって、前記第１のターゲット量子ビット（７４）とエンタングルしたフュージリア量子ビット（７３）を識別できるようにするステップ
を含む方法。
【請求項１０】
前記第１のターゲット量子ビット（７４）が成功裏にエンタングルすると、第２のターゲット量子ビットがエンタングルしていない間、前記列中の後続の光場が、前記第２のターゲット量子ビットを通過して該第２のターゲット量子ビットと潜在的に相互作用できるようにし、その後、該光場を測定して前記第２のターゲット量子ビットがフュージリア量子ビットと成功裏にエンタングルしたか否かを判定し、該第２のターゲット量子ビットが成功裏にエンタングルすると、前記列中の任意の他の光場と前記第２のターゲット量子ビットとの相互作用を阻止し、かつ、前記列中のどの光場が前記第２のターゲット量子ビットを成功裏にエンタングルさせたかを識別し、これによって、前記第２のターゲット量子ビットとエンタングルしたフュージリア量子ビットを識別できるようにする請求項９の方法。
【請求項１１】
フュージリア量子ビットの数ｆが
Psuccess≦１−（１−ｓ）f
という不等式を満たし、
この場合、ｓは、単一の光場でエンタングルメントを成功裏に生成する確率であり、Psuccessは、ターゲット量子ビットが単一の光場列で成功裏にエンタングルする望ましい確率である、請求項９の方法。
【請求項１２】
所望の確率Psuccessは、少なくとも９９％であるように選択される、請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記光場が１〜１０ナノ秒だけ時間的に離れている、請求項９の方法。
【請求項１４】
ローカルリンク光チャンネル（６２、６３）を介して左側の近傍ノード及び右側の近傍ノードに光学的に結合可能な量子リピータ（９０、１３０）であって、
該量子リピータは、
量子物理的ハードウェア（６０）及び関連する制御手段（８２、８３）を備え、
前記ローカルリンクチャンネル（６２、６３）を介して伝送される光場によって前記左側の近傍ノード及び右側の近傍ノードのそれぞれの量子ビットとエンタングルするための左側量子ビット及び右側量子ビットをそれぞれ提供するように構成された左側のリピータ部分（Ｌ）及び右側のリピータ部分（Ｒ）を提供し、
前記量子物理的ハードウェア（６０）は、左側量子ビットと右側量子ビットをそれぞれ含む２つのエンタングルメントを、該左側量子ビットと該右側量子ビットに局所的に作用することによって結合するように動作可能であり、
前記左側のリピータ部分（Ｌ）と右側のリピータ部分（Ｒ）の少なくとも一方が、
複数のフュージリアＱ−ブロック（７３）であって、各フュージリアＱ−ブロックが、量子ビットを物理的に具現化し、及び、光場を、該量子ビットを通過させるように構成されてなる複数のフュージリアＱ−ブロックと、
フュージリア量子ビットを通過した光場を、対応するローカルリンクチャンネル（７５）に順序立てて結合するための光学的構成体（７６）と、
それぞれの光場が前記フュージリア量子ビットを協調して通過するようにし、これによって、前記ローカルリンクチャンネル（７５）に狭い間隔で並んだ光場の出力列（７８）を生成するための制御ユニット（９３）
を備えることからなる、量子リピータ。
【請求項１５】
ローカルリンク光チャンネル（６２、６３）を介して左側の近傍ノード及び右側の近傍ノードに光学的に結合可能な量子リピータ（９０、１３５）であって、
該量子リピータは、
量子物理的ハードウェア（６０）及び関連する制御手段（８２、８３）を備え、
前記ローカルリンクチャンネル（６２、６３）を介して伝送される光場によって前記左側の近傍ノード及び右側の近傍ノードのそれぞれの量子ビットとエンタングルするための左側量子ビット及び右側量子ビットをそれぞれ提供するように構成された左側のリピータ部分（Ｌ）及び右側のリピータ部分（Ｒ）を提供し、
前記量子物理的ハードウェア（６０）は、左側量子ビットと右側量子ビットをそれぞれ含む２つのエンタングルメントを、該左側量子ビットと該右側量子ビットに局所的に作用することによって結合するように動作可能であり、
前記左側のリピータ部分（Ｌ）と右側のリピータ部分（Ｒ）の少なくとも一方が、
量子ビットを物理的に具現化し、及び、該量子ビットを通過した光場を測定し、これによって、前記ターゲット量子ビットが成功裏にエンタングルしたか否かを判定するように構成されたターゲットＱ−ブロック（７４）と、
前記ターゲットＱ−ブロック（７４）に、対応するローカルリンクチャンネル（７５）を結合して、前記ローカルリンクチャンネル（７５）を介して受け取った光場の入力列（７８）中の光場が前記量子ビットを通過して該量子ビットと潜在的に相互作用できるようにし、その後、該光場を測定できるようにするための光学的構成体と、
前記ターゲットＱ−ブロック（７４）の量子ビットが前記入力列（７８）中の光場によって成功裏にエンタングルしたことを該ターゲットＱ−ブロック（７４）が示したことに応答して、該列中の後続の光場と前記ターゲット量子ビットとの相互作用を阻止する制御ユニット（９２）であって、前記列（７８）中のどの光場が前記量子ビットを成功裏にエンタングルさせたかを識別するように構成された制御ユニット
を備えることからなる、量子リピータ。
【請求項１】
エンタングルメント生成装置であって、
光チャンネル（７５）と、
複数のフュージリア量子ビット（７３）を提供するための第１のノード（７１）であって、それぞれの光場を、各フュージリア量子ビットを通過させて前記光チャンネル（７５）に送り、これによって、前記光チャンネル（７５）に狭い間隔で並んだ光場の列（７８）を生じるようにするための第１のノードと、
ターゲット量子ビット（７４）を提供するための第２のノード（７２）であって、前記光チャンネル（７５）を介して前記光場の列（７８）を受け取って、一連の光場の各々が、前記ターゲット量子ビット（７４）がエンタングルされていない間に該ターゲット量子ビット（７４）を通過して該ターゲット量子ビットと潜在的に相互作用できるようにし、該ターゲット量子ビットを通過した各光場を測定して該ターゲット量子ビットが成功裏にエンタングルしたか否かを判定するように構成され、さらに、前記ターゲット量子ビット（７４）がエンタングルしたことを判定すると、後続の光場が該ターゲット量子ビットと相互作用するのを阻止し、及び、どの光場が該ターゲット量子ビットとエンタングルしたかを識別するように構成された第２のノード
を備える装置。
【請求項２】
前記第２のノード（７２）は、さらに、前記ターゲット量子ビット（７４）がエンタングルしたことを判定すると、どの光場が該ターゲット量子ビットとエンタングルしたかを識別し、これによって、該ターゲット量子ビットとエンタングルしたフュージリア量子ビットを識別できるように構成されてなる、請求項１の装置。
【請求項３】
前記第１のノード（７１）が、
複数のフュージリアＱ−ブロック（７３）であって、その各々が、前記フュージリア量子ビットを物理的に具現化し、及び、光場を、該量子ビットを通過させるように構成されてなる、複数のフュージリアＱ−ブロックと、
フュージリア量子ビットを通過した光場を前記光チャンネル（７５）に順序立てて結合するための光学的構成体（７６）と、
それぞれの光場が前記フュージリア量子ビットを協調して通過するようにすることによって、狭い間隔で並んだ光場の前記列（７８）が生じるようにするための制御ユニット（１７１）
を備え、
前記第２のノード（７２）が、
前記ターゲット量子ビットを物理的に具現化するように構成されたターゲットＱ−ブロック（７４）であって、該ターゲット量子ビットを通過した光場を測定することによって、該ターゲット量子ビットがフュージリア量子ビットと成功裏にエンタングルしたか否かを判定するように構成されたターゲットＱ−ブロックと、
前記光チャンネル（７５）を前記ターゲットＱ−ブロックに結合して、前記列（７８）中の光場が前記ターゲット量子ビットを通過できるようにし、及び、該光場を測定できるようにするための光学的構成体と、
前記列（７８）中の第１の光場が前記ターゲット量子ビットを通過して該ターゲット量子ビットと潜在的に相互作用できるようにし、その後、前記ターゲットＱ−ブロック（７４）が先行する光場が前記ターゲット量子ビットのエンタングルに成功しなかったことを示したときのみ、該先行する光場の次の光場が前記ターゲット量子ビットを通過して該ターゲット量子ビットと潜在的に相互作用できるようにするように動作する制御ユニット（１７２）
を備え、
前記制御ユニットは、前記ターゲットＱ−ブロック（７４）が、前記ターゲット量子ビットが成功裏にエンタングルしたことを示したことに応答して、前記第１のノード（７１）に、前記ターゲット量子ビットとエンタングルした前記列中の光場を識別する情報を送り、これによって、該ターゲット量子ビットとエンタングルしたフュージリア量子ビットを識別できるようにすることからなる、請求項１の装置。
【請求項４】
前記第２のノード（７２）がさらに、第２のターゲット量子ビットを物理的に具現化するように構成された第２のターゲットＱ−ブロック（７４）を備え、前記第２のノードの前記光学的構成体（１８３）及び制御ユニット（１８２）は、第１の前記ターゲットＱ−ブロックのターゲット量子ビットのエンタングルメントが成功したことが判定されると、第２のエンタングルメントが判定されるまで、前記列（７８）中の後続の光場が前記第２のターゲット量子ビットを通過して該第２のターゲット量子ビットと潜在的に相互作用できるようにし、及び、該光場を測定して、該第２のターゲット量子ビットがフュージリア量子ビットと成功裏にエンタングルしたか否かを判定するように構成されており、前記第２のターゲット量子ビットが成功裏にエンタングルしたことを判定すると、前記列（７８）中の残りの任意の光場と前記第２のターゲット量子ビットとの相互作用を阻止し、かつ、該列中のどの光場が前記第２のターゲット量子ビットと成功裏にエンタングルしたかを識別し、これによって、前記第２のターゲット量子ビットとエンタングルしたフュージリア量子ビットを識別することを可能にする請求項３の装置。
【請求項５】
前記第１のノード（７１）の制御ユニット（１７１）は、前記フュージリア量子ビットを通過する光場を同時に生成するように構成され、前記光学的構成体は、それらの光場をそれぞれの異なる光遅延路を通過させてそれらの光場を光場の列（７８）に編成するように構成されてなる、請求項３の装置。
【請求項６】
前記第１のノード（７１）の制御ユニット（１７１）は、前記フュージリア量子ビットを通過する光場の各々を時間をずらして連続的に生成し、これによって、該光場を前記列（７８）中で分離するように構成されてなる、請求項３の装置。
【請求項７】
前記フュージリア量子ビットの数が少なくとも１６である、請求項１の装置。
【請求項８】
前記光場が１〜１０ナノ秒だけ時間的に離れている、請求項１の装置。
【請求項９】
隔置された量子ビットをエンタングルするための方法であって、
それぞれの光場を、複数のフュージリア量子ビット（７３）を通過させて光チャンネル（７５）に送るステップであって、前記光場の生成及び編成によって、前記光チャンネル（７５）を伝送する狭い間隔で並んだ光場の列（７８）が形成される、ステップと、
前記光チャンネル（７５）を介して前記列（７８）中の光場を受け取って、第１のターゲット量子ビットがエンタングルしていない間、各光場が順に前記ターゲット量子ビット（７４）を通過して該ターゲット量子ビットと潜在的に相互作用できるようにし、その後、前記第１のターゲット量子ビットがエンタングルしたか否かを判定するために各光場を測定するステップと、
前記第１のターゲット量子ビット（７４）が成功裏にエンタングルすると、列（７８）中の後続の光場と前記第１のターゲット量子ビットとの相互作用を阻止し、及び、どの光場が前記第１のターゲット量子ビットを成功裏にエンタングルさせたかを識別し、これによって、前記第１のターゲット量子ビット（７４）とエンタングルしたフュージリア量子ビット（７３）を識別できるようにするステップ
を含む方法。
【請求項１０】
前記第１のターゲット量子ビット（７４）が成功裏にエンタングルすると、第２のターゲット量子ビットがエンタングルしていない間、前記列中の後続の光場が、前記第２のターゲット量子ビットを通過して該第２のターゲット量子ビットと潜在的に相互作用できるようにし、その後、該光場を測定して前記第２のターゲット量子ビットがフュージリア量子ビットと成功裏にエンタングルしたか否かを判定し、該第２のターゲット量子ビットが成功裏にエンタングルすると、前記列中の任意の他の光場と前記第２のターゲット量子ビットとの相互作用を阻止し、かつ、前記列中のどの光場が前記第２のターゲット量子ビットを成功裏にエンタングルさせたかを識別し、これによって、前記第２のターゲット量子ビットとエンタングルしたフュージリア量子ビットを識別できるようにする請求項９の方法。
【請求項１１】
フュージリア量子ビットの数ｆが
Psuccess≦１−（１−ｓ）f
という不等式を満たし、
この場合、ｓは、単一の光場でエンタングルメントを成功裏に生成する確率であり、Psuccessは、ターゲット量子ビットが単一の光場列で成功裏にエンタングルする望ましい確率である、請求項９の方法。
【請求項１２】
所望の確率Psuccessは、少なくとも９９％であるように選択される、請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記光場が１〜１０ナノ秒だけ時間的に離れている、請求項９の方法。
【請求項１４】
ローカルリンク光チャンネル（６２、６３）を介して左側の近傍ノード及び右側の近傍ノードに光学的に結合可能な量子リピータ（９０、１３０）であって、
該量子リピータは、
量子物理的ハードウェア（６０）及び関連する制御手段（８２、８３）を備え、
前記ローカルリンクチャンネル（６２、６３）を介して伝送される光場によって前記左側の近傍ノード及び右側の近傍ノードのそれぞれの量子ビットとエンタングルするための左側量子ビット及び右側量子ビットをそれぞれ提供するように構成された左側のリピータ部分（Ｌ）及び右側のリピータ部分（Ｒ）を提供し、
前記量子物理的ハードウェア（６０）は、左側量子ビットと右側量子ビットをそれぞれ含む２つのエンタングルメントを、該左側量子ビットと該右側量子ビットに局所的に作用することによって結合するように動作可能であり、
前記左側のリピータ部分（Ｌ）と右側のリピータ部分（Ｒ）の少なくとも一方が、
複数のフュージリアＱ−ブロック（７３）であって、各フュージリアＱ−ブロックが、量子ビットを物理的に具現化し、及び、光場を、該量子ビットを通過させるように構成されてなる複数のフュージリアＱ−ブロックと、
フュージリア量子ビットを通過した光場を、対応するローカルリンクチャンネル（７５）に順序立てて結合するための光学的構成体（７６）と、
それぞれの光場が前記フュージリア量子ビットを協調して通過するようにし、これによって、前記ローカルリンクチャンネル（７５）に狭い間隔で並んだ光場の出力列（７８）を生成するための制御ユニット（９３）
を備えることからなる、量子リピータ。
【請求項１５】
ローカルリンク光チャンネル（６２、６３）を介して左側の近傍ノード及び右側の近傍ノードに光学的に結合可能な量子リピータ（９０、１３５）であって、
該量子リピータは、
量子物理的ハードウェア（６０）及び関連する制御手段（８２、８３）を備え、
前記ローカルリンクチャンネル（６２、６３）を介して伝送される光場によって前記左側の近傍ノード及び右側の近傍ノードのそれぞれの量子ビットとエンタングルするための左側量子ビット及び右側量子ビットをそれぞれ提供するように構成された左側のリピータ部分（Ｌ）及び右側のリピータ部分（Ｒ）を提供し、
前記量子物理的ハードウェア（６０）は、左側量子ビットと右側量子ビットをそれぞれ含む２つのエンタングルメントを、該左側量子ビットと該右側量子ビットに局所的に作用することによって結合するように動作可能であり、
前記左側のリピータ部分（Ｌ）と右側のリピータ部分（Ｒ）の少なくとも一方が、
量子ビットを物理的に具現化し、及び、該量子ビットを通過した光場を測定し、これによって、前記ターゲット量子ビットが成功裏にエンタングルしたか否かを判定するように構成されたターゲットＱ−ブロック（７４）と、
前記ターゲットＱ−ブロック（７４）に、対応するローカルリンクチャンネル（７５）を結合して、前記ローカルリンクチャンネル（７５）を介して受け取った光場の入力列（７８）中の光場が前記量子ビットを通過して該量子ビットと潜在的に相互作用できるようにし、その後、該光場を測定できるようにするための光学的構成体と、
前記ターゲットＱ−ブロック（７４）の量子ビットが前記入力列（７８）中の光場によって成功裏にエンタングルしたことを該ターゲットＱ−ブロック（７４）が示したことに応答して、該列中の後続の光場と前記ターゲット量子ビットとの相互作用を阻止する制御ユニット（９２）であって、前記列（７８）中のどの光場が前記量子ビットを成功裏にエンタングルさせたかを識別するように構成された制御ユニット
を備えることからなる、量子リピータ。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【公表番号】特表２０１２−５２６４３０（Ｐ２０１２−５２６４３０Ａ）
【公表日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５０８９１２（Ｐ２０１２−５０８９１２）
【出願日】平成２１年１０月２６日（２００９．１０．２６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００９／０６４０６５
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１４２３５５
【国際公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【出願人】（５１１０７６４２４）ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー． (155)
【氏名又は名称原語表記】Ｈｅｗｌｅｔｔ‐Ｐａｃｋａｒｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｌ．Ｐ．
【出願人】（５０４２０２４７２）大学共同利用機関法人情報・システム研究機構 (119)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月２６日（２００９．１０．２６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００９／０６４０６５
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１４２３５５
【国際公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【出願人】（５１１０７６４２４）ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー． (155)
【氏名又は名称原語表記】Ｈｅｗｌｅｔｔ‐Ｐａｃｋａｒｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｌ．Ｐ．
【出願人】（５０４２０２４７２）大学共同利用機関法人情報・システム研究機構 (119)
【Ｆターム（参考）】
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