量子情報処理装置および量子情報処理方法
【課題】大きな読み出し信号を得、量子ビット数が拡張性に富む。
【解決手段】３つの異なる状態｜０＞、｜１＞、｜ｅ＞を有し、かつ｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の均一幅がそれぞれ第１幅、第２幅である物理系を複数含む光導波路１０３を複数個有し、互いに隣接する光導波路で、第１光導波路中の第１物理系が｜０＞または｜１＞にある場合には第２光導波路中の第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅおよびω１ｅであり、第１物理系が｜ｅ＞にある場合には第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅ＋Δ１、ω１ｅ＋Δ２であり、第１光導波路と第２光導波路との距離はΔ１およびΔ２がいずれも第１幅および第２幅よりも大きくなる距離であり、かつ第１光導波路を通過する光が第２物理系の状態を変化させない距離である。
【解決手段】３つの異なる状態｜０＞、｜１＞、｜ｅ＞を有し、かつ｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の均一幅がそれぞれ第１幅、第２幅である物理系を複数含む光導波路１０３を複数個有し、互いに隣接する光導波路で、第１光導波路中の第１物理系が｜０＞または｜１＞にある場合には第２光導波路中の第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅおよびω１ｅであり、第１物理系が｜ｅ＞にある場合には第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅ＋Δ１、ω１ｅ＋Δ２であり、第１光導波路と第２光導波路との距離はΔ１およびΔ２がいずれも第１幅および第２幅よりも大きくなる距離であり、かつ第１光導波路を通過する光が第２物理系の状態を変化させない距離である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子情報処理装置および量子情報処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶中の希土類イオンの核スピンの状態は、固体としては特異的に長いコヒーレンス時間を持ち、かつ光で制御や読出しができるため、量子情報処理デバイスの固体での実現に極めて適している。この結晶中の核スピンを量子ビットとして利用する場合、相互の結合を実現する手法として、共振器モードを利用する手法がある（例えば、非特許文献１参照）。一方、量子ビットである結晶中の希土類イオンを、近接していることにより働く相互作用、例えば双極子相互作用で結合する手法も提案され研究されている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００３】
前者では、共振器モードを利用した単一イオンの読み出しが可能でありまた、量子ビット数に拡張性を持たせることが比較的容易である。一方後者では、イオンの集団を１つの量子ビットとして扱うことが可能であり、量子ビットの読み出しが比較的容易である。しかし後者では、以下の２点により、量子ビット数の拡張性に問題がある。
（１）周波数空間でイオンをグループ分けし、それぞれのグループで１つの量子ビットを表すため、量子ビット数を増やすと、１つの量子ビットを表すイオンの数が減り、信号強度が弱くなる。
（２）同様の理由により、量子ビット数を増やすと量子ビット間の平均の距離が大きくなり、結合のための相互作用が弱まってしまう。相互作用の大きいイオンだけを選択し量子ビットを構成する手法を採用すると、１つの量子ビットを構成するイオンの数がさらに減ってしまう。
【非特許文献１】Opt. Commun. 196, 119 (2001).
【非特許文献２】Phys. Rev. A 71, 062328 (2005).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
十分に多数の（イオン等の）物理系からなる物理系集団を１つの量子ビットとして扱うことができ、かつ量子ビット数に十分な拡張性のある手法があれば、量子ビット読み出しの点ではより望ましい。しかしそれを実現する簡便な手法は知られていない。
【０００５】
本発明の目的は、大きな読み出し信号が得られ、かつ量子ビット数に拡張性のある、量子情報処理装置および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するため、本発明の量子情報処理装置は、３つの異なるエネルギー状態｜０＞、｜１＞、｜ｅ＞を有し、かつ｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の均一幅がそれぞれΔ０ｅ，ｈｏｍｏ、Δ１ｅ，ｈｏｍｏである物理系を複数含む光導波路であって、｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移に共鳴する光を通過させる光導波路を複数個有する光導波路部と、角周波数ω０ｅ、ω１ｅの光を発生する光源部と、前記角周波数ω０ｅ、ω１ｅの光の周波数と強度とを制御して制御光を生成する光制御部と、前記制御光をそれぞれの前記光導波路に導入する光導入部と、それぞれの前記光導波路を通過してきた通過光を取り出す光出力部と、前記通過光の強度を測定する光強度測定部と、を具備し、前記光導波路部に含まれる第１光導波路および第２光導波路で該第１光導波路と該第２光導波路は互いに隣接していて、該第１光導波路中の第１物理系が状態｜０＞または状態｜１＞にある場合には該第２光導波路中の第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅおよびω１ｅであり、該第１物理系が状態｜ｅ＞にある場合には該第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅ＋Δωｏｅ、ω１ｅ＋Δω１ｅであり、該第１光導波路と該第２光導波路との距離は、ΔωｏｅおよびΔω１ｅがいずれもΔ０ｅ，ｈｏｍｏおよびΔ１ｅ，ｈｏｍｏよりも大きくなる距離であり、かつ、該第１光導波路を通過する光が該第２物理系の状態を変化させない距離であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の量子情報処理装置および方法によれば、大きな読み出し信号が得られ、かつ量子ビット数に拡張性を持たせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る量子情報処理装置および方法について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。
本実施形態の量子情報処理装置および量子情報処理方法は、光導波路構造中の物理系集団を１つの量子ビットとし、複数の光導波路を、互いに隣接する光導波路に含まれる物理系集団同士は物理系の量子状態に応じて、相互作用により、互いの光遷移の遷移角周波数を変化させるが、それぞれの光導波路を通る光は隣接する光導波路に含まれる物理系には影響を及ぼさない程度の距離だけ、お互いに離して設置し、光導波路を通して物理系集団に光を照射してその量子状態を操作する。その結果、固体中にランダムに散らばる物理系集団を量子ビットとして利用でき、大きな読み出し信号が得られ、かつ量子ビット数に拡張性を持たせることができる。なお、物理系集団は多数の物理系を含む。
【０００９】
実施形態の量子情報処理装置について図１を参照して説明する。
実施形態の量子情報処理装置は、光源部１０１、光制御部１０２、積層した光導波路部１０３、クライオスタット１０４、光強度測定部１０５を含む。積層した光導波路部１０３は、複数の光導入部１０６と複数の光出力部１０７を含む。
【００１０】
光源部１０１は、積層した光導波路部１０３に照射する光を生成する。光制御部１０２は、光源部１０１が生成した光の周波数および強度を制御して積層した光導波路部１０３へ出力する。
【００１１】
積層した光導波路部１０３は、複数の光導波路を積層したものである。１つの光導波路は１つの物理系集団を含んでいて、この１つの物理系集団が１つの量子ビットを表現する。物理系集団は複数の物理系を含んでいて、各物理系は３つの異なるエネルギー状態｜０＞、｜１＞、｜ｅ＞を有している。光導波路は、｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移に共鳴する光を通過させる。光導波路部は例えば酸化物結晶であり、物理系は例えば希土類イオンである。また、状態｜０＞および状態｜１＞が例えば電子基底状態にある希土類イオンの核スピンの状態であり、状態｜ｅ＞が例えば電子励起状態である。積層した光導波路部１０３の詳細は後に図２、図３を参照して説明する。
【００１２】
クライオスタット１０４は、内部の温度を低温（例えば１．５Ｋ）に保つ。クライオスタット１０４内部には光導波路部１０３が設置されている。
【００１３】
光強度測定部１０５は、それぞれの光出力部１０７から出力された光の強度を測定する。光導入部１０６は、光制御部１０２によって制御された光を積層した光導波路部１０３に導入する。光出力部１０７は、積層した光導波路部１０３から光を光強度測定部１０５に出力する。１つの光導波路について図４に示すように光導入部１０６と光出力部１０７が１つずつ設置されている。
【００１４】
次に、実施形態の量子情報処理装置により、固体中の多数の物理系を単一の量子ビットとして扱う手法と、そのように構成した量子ビットの数に拡張性を持たせる手法、およびそのように量子ビット数を拡張した構成で、量子ビットに対して、万能ゲートを構成する１量子ビットゲート（回転ゲート）操作と２量子ビットゲート（制御ＮＯＴゲート）操作を行う手法とその機構を説明する。
本実施形態では、図２に示すように、光導波路２０１の中に含まれる多数の物理系からなる物理系集団２０２を１つの量子ビットとし、１つの光導波路が１つの量子ビットに対応する。本実施形態では、このように量子ビットを構成する物理系集団を含む複数の光導波路を、隣接する光導波路中の物理系集団間では互いに相互作用（例えば双極子相互作用）を及ぼし合い、片方の物理系集団の状態に応じてもう片方の物理系集団の光遷移の遷移角周波数が光遷移の均一幅程度以上変化する程度に、近づけて配置する。また、それぞれの光導波路を伝搬する光は、隣接する光導波路中の量子ビットには影響を与えない程度には離して配置する。換言すると以下のようになる。積層した光導波路部１０３に含まれる、互いに隣接している第１光導波路および第２光導波路で説明する。第１光導波路中の第１物理系が状態｜０＞または状態｜１＞にある場合には第２光導波路中の第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅおよびω１ｅであり、第１物理系が状態｜ｅ＞にある場合には第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅ＋Δωｏｅ、ω１ｅ＋Δω１ｅであり、第１光導波路と第２光導波路との距離が、ΔωｏｅおよびΔω１ｅがいずれもΔ０ｅ，ｈｏｍｏ（｜０＞−｜ｅ＞間遷移の均一幅）およびΔ１ｅ，ｈｏｍｏ（｜１＞−｜ｅ＞間遷移の均一幅）よりも大きくなる距離であり、かつ、第１光導波路を通過する光が第２物理系の状態を変化させない距離になるように第１光導波路と第２光導波路を配置する。
【００１５】
一次元的に連なった量子ビットでは、指定した量子ビットに対する１量子ビットゲートと、隣り合った量子ビット間での２量子ビットゲートができれば、量子計算ができる。したがって、本発明では、量子ビットを含む光導波路を一次元的に積層した構造で、量子コンピュータを構成する。１次元的に積層した様子を図３に模式的に示す。図３では、隣接する光導波路３０１が互いに直交するように配置されている。隣接する２つの光導波路３０１の向きが平行に近くなると、片方の導波路中の光がもう片方の導波路中のモードと結合しやすくなり、光導波路中の物理系集団が隣接する光導波路を通る光の影響を受けやすくなる。隣接する導波路同士は、互いの中の物理系集団同士が量子ゲートに十分なだけの相互作用を及ぼし合う必要があるため、互いの距離を離して、隣接する光導波路中を進む光の影響を受けなくするには限界がある。そのため、隣接する光導波路はなるべく平行にならないようにした方がよい。
【００１６】
それぞれの光導波路中で量子ビットを構成する物理系集団の位置は、他の量子ビットと相互作用できる範囲に集中していた方が、量子ビット読み出しの際に、量子ビットとして動作していない物理系の状態の影響が少なくなるので望ましい。図３には、光導波路が互いに重なり合う部分に物理系を集中させた場合を示した。
【００１７】
光導波路への光導入部１０６および光出力部１０７は、量子ビット数が増えた場合は、その数が増えるため、限られたサイズの中に収めるためには、例えば、図４に示すように、直線状の光導波路を少しずつずらして配置する、あるいは光導波路を曲げるなどすればよい。
【００１８】
このように用意した量子ビットへのゲート操作は、例えばL. Rippe等が用いようとしている手法（上記の非特許文献２のPhys. Rev. A 71, 062328 (2005).に記載）を適用して、実行することができる。
【００１９】
次に、ある量子ビットに対しＮＯＴゲート操作を行う手法について図５を参照して説明する。図５のエネルギー状態の図は、量子ビットを構成する個々の物理系の状態と光導波路を利用して照射する光との関係を表したものである。
まず、ＮＯＴゲート操作を施す量子ビットを含む光導波路の光導入部１０６から、角周波数ω０ｅのπパルスを入れる（図５ａ）。次に同じ光導入部１０６から角周波数ω１ｅのπパルスを入れる（図５ｂ）。最後にまた同じ光導入部１０６から角周波数ω０ｅのπパルスを入れる（図５ｃ）。πパルスの光パルス電場の包絡線の時間依存を下記の式（１）のように設定する。
【数１】
【００２０】
この場合、πパルスは、式（２）の値となるパルス面積（光強度をパルス時間で積分したもの）を持つ。
【数２】
【００２１】
ここで、式（３）の値はその光パルスが共鳴する遷移の遷移双極子モーメントである。
【数３】
【００２２】
また、以下の値はディラック定数である。
【数４】
【００２３】
πパルスは、共鳴した２状態系のラビ振動の半周期分系を時間発展させ、例えば、そのパルスと共鳴する遷移の始状態と終状態である２つの状態を片方の状態からもう片方の状態へ完全に変化させる働きがある。したがって、量子ビットがもし最初、状態｜０＞にあれば、最初のπパルスと２番目のπパルスで状態｜ｅ＞を経由して状態｜１＞になる（３番目のπパルスは、物理系が共鳴する準位にないため作用しない）。また、量子ビットがもし最初、状態｜１＞にあれば、２番目のπパルスと３番目のπパルスで状態｜ｅ＞を経由して状態｜０＞になる（１番目のπパルスは、物理系が共鳴する準位にないため作用しない）。もし最初、状態｜０＞と状態｜１＞の重ね合わせの状態α｜０＞＋β｜１＞（α、βは、｜α｜２＋｜β｜２＝１を満たす複素数。）であれば、状態α｜１＞＋β｜０＞となる。このようにＮＯＴゲートが実行できる。
【００２４】
また、式（４）のパルス面積を持つ光パルス（Ｍパルス呼ぶことにする）を考える。
【数５】
【００２５】
Ｍパルスは、共鳴した２状態系のラビ振動のＭ／（２π）周期分を時間発展させ、重ね合わせの状態α｜０＞＋β｜１＞を、以下の式（５）で示す状態に変化させる。
【数６】
【００２６】
上記ＮＯＴゲートの２番目のπパルスの替わりにＭの値を調整したＭパルスを照射することにより、任意の回転角を持つ回転ゲートが実行できる。
【００２７】
以上のようにしてＮＯＴゲート（回転角πの回転ゲート）や任意の回転角を持つ回転ゲートのような１量子ビットゲートが実行できる。
【００２８】
次に、制御ＮＯＴゲート操作を施す手法について図６、図７を参照して説明する。隣接する２つの量子ビットのうち片方を第１の量子ビット、もう片方を第２の量子ビットとする。
【００２９】
まず、第１の量子ビットが状態｜０＞だった場合（図６ａ）を考える。第１の量子ビットを含む光導波路の光導入部１０６から、角周波数ω０ｅのπパルスを入れる。これにより、第１の量子ビットが状態｜ｅ＞になる。第１の量子ビットが状態｜ｅ＞になったため、量子ビット間に働く相互作用が変化し、第２の量子ビットの光遷移の遷移角周波数がシフトする。図６ｂには、２つの光遷移の遷移角周波数シフトΔω０ｅ、Δω１ｅが等しい場合が示されている。しかし、Δω０ｅ、Δω１ｅが等しくない場合でも図６に示した制御ＮＯＴゲートに関する本質的な内容は変わらない。
【００３０】
次に、第２の量子ビットに上記のＮＯＴゲート操作を行った際と同じ操作を施す。図６ｃには、第２の量子ビットを含む光導波路の光導入部１０６を通して順次照射する、３つのπパルスを重ねて描き入れてある。しかし、第２の量子ビットの光遷移は遷移角周波数がシフトしているため、３つのπパルスが作用せず、第２の量子ビットは元の状態に留まる。最後に、量子ビット１を含む光導波路の光導入部１０６を通して角周波数ω０ｅのπパルスを入れる。これにより、量子ビット１は元の状態｜０＞に戻る（図６ｄ）。
【００３１】
次に、第１の量子ビットが状態｜１＞だった場合（図７ａ）を考える。図６で示したのと同じ操作を第１と第２の量子ビットに施すと、この場合は、第１の量子ビットが｜１＞の状態に留まるため、第２の量子ビットの光遷移の遷移角周波数シフトが起こらず、第２の量子ビットに対してＮＯＴゲートが実行される（図７ｃ）。結局ゲート操作の最後の状態（図７ｄ）では、第１の量子ビットは元の状態のままで、第２の量子ビットにはＮＯＴゲートが施される。
【００３２】
第１と第２の量子ビットが状態｜０＞と状態｜１＞の重ね合わせの状態（それぞれα１｜０＞１＋β１｜１＞１とα２｜０＞２＋β２｜１＞２）の場合は、２つの量子ビットを合わせた系の状態（式（６））は操作後、式（７）に示す状態に変化する。
【数７】
【００３３】
【数８】
【００３４】
ただし、添え字ｊ（ｊ＝１，２）は、第ｊの量子ビットであることを表す（α１、β１、α２、β２は、｜α１｜２＋｜β１｜２＝｜α２｜２＋｜β２｜２＝１を満たす複素数）。
【００３５】
このように、上記の操作により第１の量子ビットを制御ビット、第２の量子ビットを標的ビットとした制御ＮＯＴゲートが実行できる。
【００３６】
なお、量子計算に必要な量子ビットの初期化、量子ビット読み出しを行う手法については、具体例を示して下記の実施例で説明する。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態によれば、光導波路単位で量子ビットを操作し、任意の量子ビットに対して１量子ビットゲート（回転ゲート）を実行でき、また任意の隣接する量子ビット間で２量子ビットゲート（制御ＮＯＴゲート）が実行できるため、量子ビット数に拡張性のある量子計算が可能になる。
【実施例】
【００３８】
本実施例の量子情報処理装置と量子情報処理方法では、３つのエネルギー状態を持つ物理系として、Ｙ２ＳｉＯ５結晶の０．０５％のＹ３＋イオンをＥｕ３＋イオンに置換したＥｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶中のＥｕ３＋イオンを利用する。Ｅｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶中のＥｕ３＋イオンはサイトの違いにより、お互い遷移角周波数が異なる２種類イオン（サイト１、サイト２のイオン）に分けられる。本実施例では、サイト１のイオンの利用を考える。図８にＹ２ＳｉＯ５結晶中のサイト１のＥｕ３＋イオンの電子基底状態７Ｆ０と電子励起状態５Ｄ０、およびそれぞれが核スピンの状態で分裂している様子を示す。
【００３９】
Ｅｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶はＹ２ＳｉＯ５で形成された光導波路の一部となっており、そのような光導波路が図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃに示すように積層されている。図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃは、実施例に関する、光導波路の積層の様子を模式的に表した図である。これらの図では、相互の位置関係を表すが、相対的な大きさは必ずしも正しく表現されていない。図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃに示したのは、量子ビットが６個の場合である（図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃに示した構造は、後述する作製法も参照するとわかりやすい）。本実施例では、隣接する光導波路が互いに直交する構造になっているが、互いに平行、あるいは平行に近くてもよい。ただしその場合には、隣接する光導波路同士で、中を通る光の影響をもう片方の光導波路中のＥｕ３＋イオンが受けやすくなるので、導波路間の距離をより離さなくてはならなくなる。その結果、それぞれ隣接する光導波路中に含まれるＥｕ３＋イオンの間での相互作用が弱くなるので、２量子ビットゲート操作に関して不利となる。
【００４０】
光導波路の積層構造の作製法の一例について図１０ａから図１０ｅを参照して説明する。これらの図は位置関係を表すが、相対的な大きさは必ずしも正しく表現されていない。
（１）まず２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍのガラス基板９０１上に、膜厚２００ｎｍのＥｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶（微結晶と考えられる）の薄膜をスパッタリングで作製する（図１０ａ）。
【００４１】
（２）フォトレジスト１００１の塗布とマスクを用いた露光、現像で、フォトレジスト１００１を基板の中心部の１０μｍ×１０μｍの正方形の領域（各辺は基板の辺に平行）に塗布する。（３）エッチングでフォトレジスト１００１が塗布された領域以外のＥｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５膜を除く。その際、エッチング条件を調整し、フォトレジスト１００１の下に残るＥｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５のガラス基板９０１側が、フォトレジスト１００１側に比べ少し広がるようにする（図１０ｂ）。
【００４２】
（４）スパッタリングで厚さ２００ｎｍのＹ２ＳｉＯ５層を上から積む。（５）フォトレジスト１００１の塗布とマスクを用いた露光、現像で、フォトレジスト１００１を、Ｅｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶を中心部に有する幅１０μｍ、長さ２１ｍｍのストライプ状（基板の１辺に平行）の領域に塗布する。（６）エッチングで中心部に１０μｍ×１０μｍのＥｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５部９０２を有する幅１０μｍ、長さ２１ｍｍのＹ２ＳｉＯ５結晶９０３を残し、その他のＹ２ＳｉＯ５結晶を除く。その際、エッチング条件を調整し、フォトレジスト１００１の下に残るＹ２ＳｉＯ５９０３のガラス基板９０１側が、フォトレジスト１００１側に比べ少し広がるようにする。（７）フォトレジスト１００１を除き、Ｅｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５部９０２の上のＹ２ＳｉＯ５結晶９０３をリフトオフする（図１０ｃ）。ここまでで、中にＥｕ３＋のイオン集団を含む光導波路の第１層目ができる。
【００４３】
（８）フォトレジスト１００１の塗布とマスクを用いた露光、現像で、フォトレジスト１００１を、幅１０μｍ、長さ２１ｍｍの光導波路の上に塗布する。（９）スパッタリングで厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２膜９０４を積層する。（１０）光導波路の上のＳｉＯ２をリフトオフする。ここまでで、光導波路の第１層目の低屈折率層への埋め込みができる。（１１）フォトレジスト１００１の塗布とマスクを用いた露光、現像で、フォトレジスト１００１を第１層目の光導波路の両端を３ｍｍずつ覆う領域に塗布する（図１０ｄ）。
【００４４】
（１２）スパッタリングで厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２を積層する。（１３）第１層目の導波路の両端のＳｉＯ２膜９０４をリフトオフする（図１０ｅ）。
【００４５】
（１４）ＳｉＯ２膜９０４上で、上記（１）から（１３）までに相当する過程を繰り返し、第１層目と直行する方向に第２層目の光導波路を作製する。（１５）さらに上記（１）から（１３）までを４回繰り返すことで、本実施例では、６個の光導波路（量子ビット）が作製できる。その際、お互い隣接する導波路が直交するようにする。また、第１から第６の光導波路は中心の位置が縦方向に一致し、長さは順に２１ｍｍ、２１ｍｍ、１５ｍｍ、１５ｍｍ、９ｍｍ、９ｍｍとする。また、ＳｉＯ２膜９０４を作製する際は、それまでに作製した導波路の両端（光導入部１０６および光出力部１０７として利用する）がＳｉＯ２で覆われないようにフォトレジスト１００１で保護する。また、最後の光導波路作製における（８）から（１４）までに相当する過程は省略できる。
【００４６】
以上のようにして光導波路の積層構造ができる。この作製過程において、スパッタリングで作製されたＥｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５膜およびＹ２ＳｉＯ５膜９０３（微結晶と考えられる）の結晶性を良くするために製膜後アニールングを施してもよい。また、（１０）の後、平坦性を良くするために化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）により、表面を研磨してもよい。さらに、（４）から（７）の替わりに、まずＥｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５上のフォトレジスト１００１を除去した後、全体にＹ２ＳｉＯ５膜９０３を積層し、ＣＭＰによる研磨で中心にＥｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５部９０２を持つＹ２ＳｉＯ５膜９０３を作製し、フォトレジスト１００１によるパターニングとエッチングで光導波路を作製してもよい。また、（８）から（１０）の過程の替わりに、単にＳｉＯ２膜９０４を積層し、ＣＭＰで表面を研磨し、光導波路の第１層目の低屈折率層への埋め込みを行ってもよい。さらに、Ｅｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５膜あるいはＹ２ＳｉＯ５膜９０３をスパッタリングで製膜する替わりに、お互いオプティカルコンタクトで接着した基板、Ｅｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５単結晶、Ｙ２ＳｉＯ５単結晶９０３をＣＭＰで研磨して、一部にＥｕ３＋含むＹ２ＳｉＯ５単結晶９０３の膜構造を作り、あとはフォトレジスト１００１によるパターニングとエッチングで光導波路を作製してもよい。この手法では、結晶の軸方向を完全にそろえることが可能なので、Ｅｕ３＋などの希土類イオンの双極子モーメントの効果を大きくすることができると考えられる。また、磁場印加により、Ｅｕ３＋などの希土類イオンの核スピンの状態を利用した量子ビットのコヒーレンス時間をのばす際にも有利である。
【００４７】
次に、本実施例の量子情報処理装置について図１１を参照して説明する。
本実施例の量子情報処理装置は、リング色素レーザー１１０１、レーザー周波数狭窄化システム１１０２、複数のビームスプリッター１１０３、ミラー１１０４、周波数設定用音響光学効果素子１１０５、強度設定用音響光学効果素子１１０６、複数のレンズ１１０７、制御装置部１１０８、複数の光ファイバー１１０９、積層した光導波路部１０３、フォトダイオード１１１０、クライオスタット１０４、複数の光導入部１０６、複数の光出力部１０７を含む。ここで図１の量子情報処理装置の各部との対応を示す。光源部１０１は、リング色素レーザー１１０１とレーザー周波数狭窄化システム１１０２に対応する。光制御部１０２は、周波数設定用音響光学効果素子１１０５と強度設定用音響光学効果素子１１０６に対応する。光強度測定部１０５はフォトダイオード１１１０に対応する。
【００４８】
リング色素レーザー１１０１は、アルゴンイオンレーザー励起のレーザーである。レーザー周波数狭窄化システム１１０２は、リング色素レーザー１１０１からのレーザーを１００Ｈｚのスペクトル幅に狭窄化する。
【００４９】
ビームスプリッター１１０３と１つのミラー１１０４は、光導入部１０６の数だけ設置される。なお、この数は量子ビット数に対応する。ビームスプリッター１１０３はレーザー周波数狭窄化システム１１０２の出力であるレーザー１１５１を２つに分離し、１つのミラー１１０４はレーザー１１５１を分離せず反射する。図１１の例では、５つのビームスプリッター１１０３と１つのミラー１１０４が、レーザー１１５１を６本のレーザーに分離する。この図１１の例の量子情報処理装置では６個の量子ビットを扱う。
【００５０】
周波数設定用音響光学効果素子１１０５は、入力した光の周波数の時間変化を与え、この周波数を設定し設定した周波数の光を出力する。強度設定用音響光学効果素子１１０６は、入力した光の強度の時間変化を与え、この強度を設定し設定した強度の光を出力する。
【００５１】
レンズ１１０７は、光導波路部１０３に設けられている光導入部１０６の数だけ設置される。レンズ１１０７はそれぞれ、強度設定用音響光学効果素子１１０６の出力するレーザーを受け入れ、レンズ１１０７の出力するレーザーを対応する光ファイバー１１０９に入射する。
【００５２】
制御装置部１１０８は、周波数設定用音響光学効果素子１１０５と強度設定用音響光学効果素子１１０６を制御し、量子ビットの初期化、量子ゲート操作、読み出しに必要な光パルスを生成するための制御を行う。
【００５３】
光ファイバー１１０９は、複数のレンズ１１０７と複数の光導入部１０６とが１対１で接続される接続に使用され、さらに、複数の光出力部１０７と複数のフォトダイオード１１１０とが１対１で接続される接続に使用されている。光導入部１０６および光出力部１０７につながるそれぞれ６本の光ファイバーがクライオスタット外にのびている。
【００５４】
フォトダイオード１１１０はそれぞれ、光出力部１０７に結合している各光ファイバー１１０９からの光の強度を測定する。
【００５５】
また、光導入部１０６および光出力部１０７は、図１２に示すように、カップリング用のプリズム１２０１とレンズ１２０２を含む。プリズム１２０１とレンズ１２０２は図１２に示すようにインバー製マウント１２０３で適切な位置に配置されている。インバー製マウント１２０３は光ファイバー１１０９をインバー製マウント１２０３に導入していて、光ファイバー１１０９からレンズ１２０２へ光を入力したり、レンズ１２０２を通った光が光ファイバー１１０９に入射したりすることができるようになっている。
【００５６】
次に、図１１の量子情報処理装置を用い、量子情報処理として、量子計算に必要な量子ビットの初期化、量子ビットゲート操作、量子ビット読み出しを行う手法を説明する。
第１層目〜第６層目に含まれるＥｕ３＋イオンの一部からなるイオン集団（後述するように、本実施例では、光導波路に含まれるＥｕ３＋イオンをすべて量子ビットとして利用するわけではない）で形成される量子ビットをそれぞれ、第１〜第６の量子ビットと呼ぶことにする。また、図８に示したＥｕ３＋イオンの｜±１／２＞の状態を｜０＞、｜±３／２＞の状態を｜１＞とする。また、５Ｄ０の状態を｜ｅ＞とする。
【００５７】
まず第１の量子ビットを考える。量子ビットにつながる光ファイバーを通し、制御装置部１１０８が周波数設定用音響光学効果素子１１０５を制御することによって、ωＣ−５００×２πｋＨｚ〜ωＣ＋５００×２πｋＨｚの範囲で１ｋＨｚ／１ｍｓの掃引速度で掃引しながらレーザーを量子ビットに照射する。ωＣはＹ２ＳｉＯ５結晶９０３中のサイト１のＥｕ３＋イオンに関する７Ｆ０−５Ｄ０間遷移の遷移角周波数である５１６．８４×２πＴＨｚである。これにより、Ｅｕ３＋イオンの吸収スペクトルにホールが生じる。これは、７Ｆ０の３つの状態｜±５／２＞、｜±３／２＞、｜±１／２＞と５Ｄ０の３つの状態｜±５／２＞、｜±３／２＞、｜±１／２＞の間の９つの遷移のいずれかの遷移角周波数がωＣと共鳴するイオンが、光ポンピングにより、光と作用しない７Ｆ０の状態になり、結晶が透明になることで生じる透明化の穴である。
【００５８】
次に、制御装置部１１０８が周波数設定用音響光学効果素子１１０５と強度設定用音響光学効果素子１１０６を制御することによって、ωＣ＋３４．５×２πＭＨｚのレーザーを１秒間照射する。すると、ホールの中に、幅１００Ｈｚ程度の吸収が現れる。これは、７Ｆ０と５Ｄ０とを結ぶ９つの遷移のいずれかの遷移角周波数がωＣと共鳴するイオンのうち、７Ｆ０の状態｜±３／２＞と５Ｄ０の３つの状態のいずれかとを結ぶ遷移がωＣ＋３４．５×２πＭＨｚのレーザーと共鳴し、光ポンピングで７Ｆ０の｜±１／２＞の状態になり、吸収に寄与するためである。すなわち、ホール中の吸収は、７Ｆ０の状態｜±１／２＞と５Ｄ０の３つの状態のいずれかとを結ぶ遷移が、レーザー線幅とイオンの均一幅の大きいほう（この場合はいずれも１００Ｈｚ程度）の範囲内でωＣと一致するＥｕ３＋イオンに起因する。このホール中の吸収を示すイオンの７Ｆ０の状態｜±１／２＞と状態｜±３／２＞をそれぞれ状態｜０＞と状態｜１＞とする。また、このホール中の吸収を示すイオンの５Ｄ０の３つの状態をいずれも状態｜ｅ＞とする。
上記のような光照射によりホール中に吸収を示すＥｕ３＋イオンの集団を、１つの量子ビットとする。
【００５９】
この量子ビットは、状態｜０＞に初期化されていることになる。制御装置部１１０８が周波数設定用音響光学効果素子１１０５と強度設定用音響光学効果素子１１０６とを制御して、この量子ビットに、光ファイバー１１０９を通して角周波数がそれぞれωＣ、ωＣ＋３４．５×２πＭＨｚ、ωＣで、長さがいずれも１００μｓの３つのπパルスを、この順番で照射する。これにより、量子ビットは状態｜１＞になる。この場合、制御装置部１１０８が周波数設定用音響光学効果素子１１０５と強度設定用音響光学効果素子１１０６とを制御して、光ファイバーを通し、角周波数ωＣの弱いレーザーを量子ビットに照射し、対応するフォトダイオード１１１０が出力光強度を測定すると、量子ビットが状態｜０＞の場合に比べ状態｜１＞にある場合には透過率が増加するため、量子ビットが状態｜１＞であることがわかる。
【００６０】
上記の手法で量子ビットを状態｜０＞に初期化したあと角周波数ωＣ、ωＣ＋３４．５×２πＭＨｚで長さ１００μｓの２つのπパルスを、この順番で照射すると、状態｜１＞に初期化することができる。そこに角周波数ωＣ、ωＣ＋３４．５×２πＭＨｚ、ωＣで長さ１００μｓの３つのπパルスを、この順番で照射すると、量子ビットを状態｜０＞にすることができる。また角周波数ωＣの弱いレーザーの量子ビットへの照射により、量子ビットの読み出しも同様にできる。
【００６１】
次に、重ね合わせの状態の量子ビットの用意と、その量子ビットへの回転ゲートについて説明する。
上記の手法によって量子ビットを状態｜０＞に初期化したあと、それぞれ長さ１００μｓの３つの光パルス、すなわち角周波数ωＣのπパルス、ωＣ＋３４．５×２πＭＨｚのＭパルス、ωＣのπパルスを照射することにより、量子ビットを重ね合わせの状態α｜０＞＋β｜１＞にできる。
【００６２】
ただし、
【数９】
【００６３】
このようにして用意した重ね合わせの状態の量子ビットに対して、ＮＯＴゲートの場合と同様の３つの光パルスを真ん中の光パルスだけＭ’パルスにして照射すると、量子ビットは、以下の式（８）の状態になる。
【数１０】
【００６４】
このようにして、Ｍ’パルスを真ん中に挟む３つの光パルスにより、回転ゲートが実行できる。
【００６５】
このようにして、量子ビットの初期化、ＮＯＴゲート（回転角πの回転ゲート）や任意の回転角を持つ回転ゲートのような１量子ビットゲート、量子ビットの読み出しが可能になる。他の量子ビットでも同様にこれらの操作が可能である。
【００６６】
次に、２つ隣接する第１の量子ビットと第２の量子ビットを考え、これらの量子ビットに関して制御ＮＯＴゲート操作が可能になることを示す。それぞれの量子ビットにつながる光ファイバーを通して、上記の手法により、第１と第２の量子ビットをいずれも状態｜０＞にする。次いで、制御装置部１１０８が周波数設定用音響光学効果素子１１０５と強度設定用音響光学効果素子１１０６とを制御して、第１の量子ビットに、角周波数ωＣで長さ１００μｓのπパルスを照射する。その後、第２の量子ビットに対して３つπパルスを照射する上記のＮＯＴゲートと同様の光照射を行う。ただし、３つのパルスの長さはいずれも５００μｓとする。そして最後に、制御装置部１１０８が周波数設定用音響光学効果素子１１０５と強度設定用音響光学効果素子１１０６とを制御して、第１の量子ビットに再び、角周波数ωＣで長さ１００μｓのπパルスを照射する。このように第１の量子ビットに１つのπパルスを照射し、第２の量子ビットに３つのπパルスを照射し、最後にまた第１の量子ビットに１つのπパルスを照射する一連のレーザー照射を操作Ａとする。この場合、操作Ａの結果を上記の手法で読み出すと、第１の量子ビット、第２の量子ビットともにほとんど変化していないことがわかる。
【００６７】
第１と第２の量子ビットをそれぞれ状態｜０＞、状態｜１＞に初期化して、操作Ａを施しても、同様に２つの量子ビットは操作前後で変化しない。
【００６８】
第１の量子ビットが状態｜０＞にある場合、操作Ａの最初の第１の量子ビットへのπパルス照射により、量子ビットが状態｜ｅ＞になるため、第２の量子ビットの遷移角周波数が変化する。その変化量は、量子ビットを校正するイオンのスペクトル幅および、操作に利用するπパルスのスペクトル幅より大きいと考えられる。その結果、３つのπパルスによる第２の量子ビットへのＮＯＴゲートが有効に働かず、量子ビットは変化しない。
【００６９】
第１と第２の量子ビットをそれぞれ状態｜１＞と状態｜０＞に初期化した場合は、操作Ａの最初の第１の量子ビットへのπパルス照射により、第１の量子ビットが状態｜ｅ＞になることはないので、第２の量子ビットへのＮＯＴゲートが有効に働き、第２の量子ビットが状態｜１＞になる。したがって、操作Ａの結果を読み出すと、第１の量子ビットは変化していないが、第２の量子ビットは状態｜１＞に反転しているのがわかる。
【００７０】
第１と第２の量子ビットを状態｜１＞、状態｜１＞に初期化して、操作Ａを施しても、同様に第１の量子ビットは操作前後で変化しないが、第２の量子ビットは状態｜０＞に反転する。
【００７１】
すなわち、第１と第２の量子ビットが状態｜０＞と状態｜１＞の重ね合わせの状態（それぞれα１｜０＞１＋β１｜１＞１とα２｜０＞２＋β２｜１＞２）の場合は、２つの量子ビットと合わせた系の状態は以下の式（９）ように示される。
【数１１】
【００７２】
この状態は、操作Ａの後、下記の式（１０）の状態に変化させることができる。
【数１２】
【００７３】
このようにして、第１と第２の２つ隣接する量子ビットに関して、制御ＮＯＴゲート操作が可能になる。他の２つの隣接する量子ビットの間でも同様に制御ＮＯＴゲートが可能である。
【００７４】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】実施形態の量子情報処理装置のブロック図。
【図２】図１の光導波路部のうちの１つの光導波路とこの光導波路に含まれる物理系集団を示す図。
【図３】図２の光導波路を複数個積層した一例を示す図。
【図４】図２の光導波路を複数個積層した一例を示す図。
【図５】ＮＯＴゲート操作について説明するための図。
【図６】制御ＮＯＴゲートについて説明するための図。
【図７】制御ＮＯＴゲートについて説明するための図。
【図８】Ｅｕ３＋:Ｙ２ＳｉＯ５結晶中のサイト１にあるＥｕ３＋イオンのエネルギー状態を示す図。
【図９Ａ】積層した光導波路部を上方から見た場合を示す図。
【図９Ｂ】図９Ａの点線Ａでの積層した光導波路部の断面図。
【図９Ｃ】図９Ａの点線Ｂでの積層した光導波路部の断面図。
【図１０】図９Ａから図９Ｃに示した積層した光導波路部の作成手法を説明するための図。
【図１１】実施例の量子情報処理装置のブロック図。
【図１２】図１１の光導入部および光出力部の詳細図。
【符号の説明】
【００７６】
１０１・・・光源部、１０２・・・光制御部、１０３・・・光導波路部、１０４・・・クライオスタット、１０５・・・光強度測定部、１０６・・・光導入部、１０７・・・光出力部、２０１、３０１・・・光導波路、２０２・・・物理系集団、９０１・・・ガラス基板、９０２・・・Ｅｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５部、９０３・・・Ｙ２ＳｉＯ５結晶、９０４・・・ＳｉＯ２膜、１００１・・・フォトレジスト、１１０１・・・リング色素レーザー、１１０２・・・レーザー周波数狭窄化システム、１１０３・・・ビームスプリッター、１１０４・・・ミラー、１１０５・・・周波数設定用音響光学効果素子、１１０６・・・強度設定用音響光学効果素子、１１０７、１２０２・・・レンズ、１１０８・・・制御装置部、１１０９・・・光ファイバー、１１１０・・・フォトダイオード、１１５１・・・レーザー、１２０１・・・プリズム、１２０３・・・インバー製マウント。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子情報処理装置および量子情報処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶中の希土類イオンの核スピンの状態は、固体としては特異的に長いコヒーレンス時間を持ち、かつ光で制御や読出しができるため、量子情報処理デバイスの固体での実現に極めて適している。この結晶中の核スピンを量子ビットとして利用する場合、相互の結合を実現する手法として、共振器モードを利用する手法がある（例えば、非特許文献１参照）。一方、量子ビットである結晶中の希土類イオンを、近接していることにより働く相互作用、例えば双極子相互作用で結合する手法も提案され研究されている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００３】
前者では、共振器モードを利用した単一イオンの読み出しが可能でありまた、量子ビット数に拡張性を持たせることが比較的容易である。一方後者では、イオンの集団を１つの量子ビットとして扱うことが可能であり、量子ビットの読み出しが比較的容易である。しかし後者では、以下の２点により、量子ビット数の拡張性に問題がある。
（１）周波数空間でイオンをグループ分けし、それぞれのグループで１つの量子ビットを表すため、量子ビット数を増やすと、１つの量子ビットを表すイオンの数が減り、信号強度が弱くなる。
（２）同様の理由により、量子ビット数を増やすと量子ビット間の平均の距離が大きくなり、結合のための相互作用が弱まってしまう。相互作用の大きいイオンだけを選択し量子ビットを構成する手法を採用すると、１つの量子ビットを構成するイオンの数がさらに減ってしまう。
【非特許文献１】Opt. Commun. 196, 119 (2001).
【非特許文献２】Phys. Rev. A 71, 062328 (2005).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
十分に多数の（イオン等の）物理系からなる物理系集団を１つの量子ビットとして扱うことができ、かつ量子ビット数に十分な拡張性のある手法があれば、量子ビット読み出しの点ではより望ましい。しかしそれを実現する簡便な手法は知られていない。
【０００５】
本発明の目的は、大きな読み出し信号が得られ、かつ量子ビット数に拡張性のある、量子情報処理装置および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するため、本発明の量子情報処理装置は、３つの異なるエネルギー状態｜０＞、｜１＞、｜ｅ＞を有し、かつ｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の均一幅がそれぞれΔ０ｅ，ｈｏｍｏ、Δ１ｅ，ｈｏｍｏである物理系を複数含む光導波路であって、｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移に共鳴する光を通過させる光導波路を複数個有する光導波路部と、角周波数ω０ｅ、ω１ｅの光を発生する光源部と、前記角周波数ω０ｅ、ω１ｅの光の周波数と強度とを制御して制御光を生成する光制御部と、前記制御光をそれぞれの前記光導波路に導入する光導入部と、それぞれの前記光導波路を通過してきた通過光を取り出す光出力部と、前記通過光の強度を測定する光強度測定部と、を具備し、前記光導波路部に含まれる第１光導波路および第２光導波路で該第１光導波路と該第２光導波路は互いに隣接していて、該第１光導波路中の第１物理系が状態｜０＞または状態｜１＞にある場合には該第２光導波路中の第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅおよびω１ｅであり、該第１物理系が状態｜ｅ＞にある場合には該第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅ＋Δωｏｅ、ω１ｅ＋Δω１ｅであり、該第１光導波路と該第２光導波路との距離は、ΔωｏｅおよびΔω１ｅがいずれもΔ０ｅ，ｈｏｍｏおよびΔ１ｅ，ｈｏｍｏよりも大きくなる距離であり、かつ、該第１光導波路を通過する光が該第２物理系の状態を変化させない距離であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の量子情報処理装置および方法によれば、大きな読み出し信号が得られ、かつ量子ビット数に拡張性を持たせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る量子情報処理装置および方法について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。
本実施形態の量子情報処理装置および量子情報処理方法は、光導波路構造中の物理系集団を１つの量子ビットとし、複数の光導波路を、互いに隣接する光導波路に含まれる物理系集団同士は物理系の量子状態に応じて、相互作用により、互いの光遷移の遷移角周波数を変化させるが、それぞれの光導波路を通る光は隣接する光導波路に含まれる物理系には影響を及ぼさない程度の距離だけ、お互いに離して設置し、光導波路を通して物理系集団に光を照射してその量子状態を操作する。その結果、固体中にランダムに散らばる物理系集団を量子ビットとして利用でき、大きな読み出し信号が得られ、かつ量子ビット数に拡張性を持たせることができる。なお、物理系集団は多数の物理系を含む。
【０００９】
実施形態の量子情報処理装置について図１を参照して説明する。
実施形態の量子情報処理装置は、光源部１０１、光制御部１０２、積層した光導波路部１０３、クライオスタット１０４、光強度測定部１０５を含む。積層した光導波路部１０３は、複数の光導入部１０６と複数の光出力部１０７を含む。
【００１０】
光源部１０１は、積層した光導波路部１０３に照射する光を生成する。光制御部１０２は、光源部１０１が生成した光の周波数および強度を制御して積層した光導波路部１０３へ出力する。
【００１１】
積層した光導波路部１０３は、複数の光導波路を積層したものである。１つの光導波路は１つの物理系集団を含んでいて、この１つの物理系集団が１つの量子ビットを表現する。物理系集団は複数の物理系を含んでいて、各物理系は３つの異なるエネルギー状態｜０＞、｜１＞、｜ｅ＞を有している。光導波路は、｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移に共鳴する光を通過させる。光導波路部は例えば酸化物結晶であり、物理系は例えば希土類イオンである。また、状態｜０＞および状態｜１＞が例えば電子基底状態にある希土類イオンの核スピンの状態であり、状態｜ｅ＞が例えば電子励起状態である。積層した光導波路部１０３の詳細は後に図２、図３を参照して説明する。
【００１２】
クライオスタット１０４は、内部の温度を低温（例えば１．５Ｋ）に保つ。クライオスタット１０４内部には光導波路部１０３が設置されている。
【００１３】
光強度測定部１０５は、それぞれの光出力部１０７から出力された光の強度を測定する。光導入部１０６は、光制御部１０２によって制御された光を積層した光導波路部１０３に導入する。光出力部１０７は、積層した光導波路部１０３から光を光強度測定部１０５に出力する。１つの光導波路について図４に示すように光導入部１０６と光出力部１０７が１つずつ設置されている。
【００１４】
次に、実施形態の量子情報処理装置により、固体中の多数の物理系を単一の量子ビットとして扱う手法と、そのように構成した量子ビットの数に拡張性を持たせる手法、およびそのように量子ビット数を拡張した構成で、量子ビットに対して、万能ゲートを構成する１量子ビットゲート（回転ゲート）操作と２量子ビットゲート（制御ＮＯＴゲート）操作を行う手法とその機構を説明する。
本実施形態では、図２に示すように、光導波路２０１の中に含まれる多数の物理系からなる物理系集団２０２を１つの量子ビットとし、１つの光導波路が１つの量子ビットに対応する。本実施形態では、このように量子ビットを構成する物理系集団を含む複数の光導波路を、隣接する光導波路中の物理系集団間では互いに相互作用（例えば双極子相互作用）を及ぼし合い、片方の物理系集団の状態に応じてもう片方の物理系集団の光遷移の遷移角周波数が光遷移の均一幅程度以上変化する程度に、近づけて配置する。また、それぞれの光導波路を伝搬する光は、隣接する光導波路中の量子ビットには影響を与えない程度には離して配置する。換言すると以下のようになる。積層した光導波路部１０３に含まれる、互いに隣接している第１光導波路および第２光導波路で説明する。第１光導波路中の第１物理系が状態｜０＞または状態｜１＞にある場合には第２光導波路中の第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅおよびω１ｅであり、第１物理系が状態｜ｅ＞にある場合には第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅ＋Δωｏｅ、ω１ｅ＋Δω１ｅであり、第１光導波路と第２光導波路との距離が、ΔωｏｅおよびΔω１ｅがいずれもΔ０ｅ，ｈｏｍｏ（｜０＞−｜ｅ＞間遷移の均一幅）およびΔ１ｅ，ｈｏｍｏ（｜１＞−｜ｅ＞間遷移の均一幅）よりも大きくなる距離であり、かつ、第１光導波路を通過する光が第２物理系の状態を変化させない距離になるように第１光導波路と第２光導波路を配置する。
【００１５】
一次元的に連なった量子ビットでは、指定した量子ビットに対する１量子ビットゲートと、隣り合った量子ビット間での２量子ビットゲートができれば、量子計算ができる。したがって、本発明では、量子ビットを含む光導波路を一次元的に積層した構造で、量子コンピュータを構成する。１次元的に積層した様子を図３に模式的に示す。図３では、隣接する光導波路３０１が互いに直交するように配置されている。隣接する２つの光導波路３０１の向きが平行に近くなると、片方の導波路中の光がもう片方の導波路中のモードと結合しやすくなり、光導波路中の物理系集団が隣接する光導波路を通る光の影響を受けやすくなる。隣接する導波路同士は、互いの中の物理系集団同士が量子ゲートに十分なだけの相互作用を及ぼし合う必要があるため、互いの距離を離して、隣接する光導波路中を進む光の影響を受けなくするには限界がある。そのため、隣接する光導波路はなるべく平行にならないようにした方がよい。
【００１６】
それぞれの光導波路中で量子ビットを構成する物理系集団の位置は、他の量子ビットと相互作用できる範囲に集中していた方が、量子ビット読み出しの際に、量子ビットとして動作していない物理系の状態の影響が少なくなるので望ましい。図３には、光導波路が互いに重なり合う部分に物理系を集中させた場合を示した。
【００１７】
光導波路への光導入部１０６および光出力部１０７は、量子ビット数が増えた場合は、その数が増えるため、限られたサイズの中に収めるためには、例えば、図４に示すように、直線状の光導波路を少しずつずらして配置する、あるいは光導波路を曲げるなどすればよい。
【００１８】
このように用意した量子ビットへのゲート操作は、例えばL. Rippe等が用いようとしている手法（上記の非特許文献２のPhys. Rev. A 71, 062328 (2005).に記載）を適用して、実行することができる。
【００１９】
次に、ある量子ビットに対しＮＯＴゲート操作を行う手法について図５を参照して説明する。図５のエネルギー状態の図は、量子ビットを構成する個々の物理系の状態と光導波路を利用して照射する光との関係を表したものである。
まず、ＮＯＴゲート操作を施す量子ビットを含む光導波路の光導入部１０６から、角周波数ω０ｅのπパルスを入れる（図５ａ）。次に同じ光導入部１０６から角周波数ω１ｅのπパルスを入れる（図５ｂ）。最後にまた同じ光導入部１０６から角周波数ω０ｅのπパルスを入れる（図５ｃ）。πパルスの光パルス電場の包絡線の時間依存を下記の式（１）のように設定する。
【数１】
【００２０】
この場合、πパルスは、式（２）の値となるパルス面積（光強度をパルス時間で積分したもの）を持つ。
【数２】
【００２１】
ここで、式（３）の値はその光パルスが共鳴する遷移の遷移双極子モーメントである。
【数３】
【００２２】
また、以下の値はディラック定数である。
【数４】
【００２３】
πパルスは、共鳴した２状態系のラビ振動の半周期分系を時間発展させ、例えば、そのパルスと共鳴する遷移の始状態と終状態である２つの状態を片方の状態からもう片方の状態へ完全に変化させる働きがある。したがって、量子ビットがもし最初、状態｜０＞にあれば、最初のπパルスと２番目のπパルスで状態｜ｅ＞を経由して状態｜１＞になる（３番目のπパルスは、物理系が共鳴する準位にないため作用しない）。また、量子ビットがもし最初、状態｜１＞にあれば、２番目のπパルスと３番目のπパルスで状態｜ｅ＞を経由して状態｜０＞になる（１番目のπパルスは、物理系が共鳴する準位にないため作用しない）。もし最初、状態｜０＞と状態｜１＞の重ね合わせの状態α｜０＞＋β｜１＞（α、βは、｜α｜２＋｜β｜２＝１を満たす複素数。）であれば、状態α｜１＞＋β｜０＞となる。このようにＮＯＴゲートが実行できる。
【００２４】
また、式（４）のパルス面積を持つ光パルス（Ｍパルス呼ぶことにする）を考える。
【数５】
【００２５】
Ｍパルスは、共鳴した２状態系のラビ振動のＭ／（２π）周期分を時間発展させ、重ね合わせの状態α｜０＞＋β｜１＞を、以下の式（５）で示す状態に変化させる。
【数６】
【００２６】
上記ＮＯＴゲートの２番目のπパルスの替わりにＭの値を調整したＭパルスを照射することにより、任意の回転角を持つ回転ゲートが実行できる。
【００２７】
以上のようにしてＮＯＴゲート（回転角πの回転ゲート）や任意の回転角を持つ回転ゲートのような１量子ビットゲートが実行できる。
【００２８】
次に、制御ＮＯＴゲート操作を施す手法について図６、図７を参照して説明する。隣接する２つの量子ビットのうち片方を第１の量子ビット、もう片方を第２の量子ビットとする。
【００２９】
まず、第１の量子ビットが状態｜０＞だった場合（図６ａ）を考える。第１の量子ビットを含む光導波路の光導入部１０６から、角周波数ω０ｅのπパルスを入れる。これにより、第１の量子ビットが状態｜ｅ＞になる。第１の量子ビットが状態｜ｅ＞になったため、量子ビット間に働く相互作用が変化し、第２の量子ビットの光遷移の遷移角周波数がシフトする。図６ｂには、２つの光遷移の遷移角周波数シフトΔω０ｅ、Δω１ｅが等しい場合が示されている。しかし、Δω０ｅ、Δω１ｅが等しくない場合でも図６に示した制御ＮＯＴゲートに関する本質的な内容は変わらない。
【００３０】
次に、第２の量子ビットに上記のＮＯＴゲート操作を行った際と同じ操作を施す。図６ｃには、第２の量子ビットを含む光導波路の光導入部１０６を通して順次照射する、３つのπパルスを重ねて描き入れてある。しかし、第２の量子ビットの光遷移は遷移角周波数がシフトしているため、３つのπパルスが作用せず、第２の量子ビットは元の状態に留まる。最後に、量子ビット１を含む光導波路の光導入部１０６を通して角周波数ω０ｅのπパルスを入れる。これにより、量子ビット１は元の状態｜０＞に戻る（図６ｄ）。
【００３１】
次に、第１の量子ビットが状態｜１＞だった場合（図７ａ）を考える。図６で示したのと同じ操作を第１と第２の量子ビットに施すと、この場合は、第１の量子ビットが｜１＞の状態に留まるため、第２の量子ビットの光遷移の遷移角周波数シフトが起こらず、第２の量子ビットに対してＮＯＴゲートが実行される（図７ｃ）。結局ゲート操作の最後の状態（図７ｄ）では、第１の量子ビットは元の状態のままで、第２の量子ビットにはＮＯＴゲートが施される。
【００３２】
第１と第２の量子ビットが状態｜０＞と状態｜１＞の重ね合わせの状態（それぞれα１｜０＞１＋β１｜１＞１とα２｜０＞２＋β２｜１＞２）の場合は、２つの量子ビットを合わせた系の状態（式（６））は操作後、式（７）に示す状態に変化する。
【数７】
【００３３】
【数８】
【００３４】
ただし、添え字ｊ（ｊ＝１，２）は、第ｊの量子ビットであることを表す（α１、β１、α２、β２は、｜α１｜２＋｜β１｜２＝｜α２｜２＋｜β２｜２＝１を満たす複素数）。
【００３５】
このように、上記の操作により第１の量子ビットを制御ビット、第２の量子ビットを標的ビットとした制御ＮＯＴゲートが実行できる。
【００３６】
なお、量子計算に必要な量子ビットの初期化、量子ビット読み出しを行う手法については、具体例を示して下記の実施例で説明する。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態によれば、光導波路単位で量子ビットを操作し、任意の量子ビットに対して１量子ビットゲート（回転ゲート）を実行でき、また任意の隣接する量子ビット間で２量子ビットゲート（制御ＮＯＴゲート）が実行できるため、量子ビット数に拡張性のある量子計算が可能になる。
【実施例】
【００３８】
本実施例の量子情報処理装置と量子情報処理方法では、３つのエネルギー状態を持つ物理系として、Ｙ２ＳｉＯ５結晶の０．０５％のＹ３＋イオンをＥｕ３＋イオンに置換したＥｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶中のＥｕ３＋イオンを利用する。Ｅｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶中のＥｕ３＋イオンはサイトの違いにより、お互い遷移角周波数が異なる２種類イオン（サイト１、サイト２のイオン）に分けられる。本実施例では、サイト１のイオンの利用を考える。図８にＹ２ＳｉＯ５結晶中のサイト１のＥｕ３＋イオンの電子基底状態７Ｆ０と電子励起状態５Ｄ０、およびそれぞれが核スピンの状態で分裂している様子を示す。
【００３９】
Ｅｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶はＹ２ＳｉＯ５で形成された光導波路の一部となっており、そのような光導波路が図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃに示すように積層されている。図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃは、実施例に関する、光導波路の積層の様子を模式的に表した図である。これらの図では、相互の位置関係を表すが、相対的な大きさは必ずしも正しく表現されていない。図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃに示したのは、量子ビットが６個の場合である（図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃに示した構造は、後述する作製法も参照するとわかりやすい）。本実施例では、隣接する光導波路が互いに直交する構造になっているが、互いに平行、あるいは平行に近くてもよい。ただしその場合には、隣接する光導波路同士で、中を通る光の影響をもう片方の光導波路中のＥｕ３＋イオンが受けやすくなるので、導波路間の距離をより離さなくてはならなくなる。その結果、それぞれ隣接する光導波路中に含まれるＥｕ３＋イオンの間での相互作用が弱くなるので、２量子ビットゲート操作に関して不利となる。
【００４０】
光導波路の積層構造の作製法の一例について図１０ａから図１０ｅを参照して説明する。これらの図は位置関係を表すが、相対的な大きさは必ずしも正しく表現されていない。
（１）まず２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍのガラス基板９０１上に、膜厚２００ｎｍのＥｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶（微結晶と考えられる）の薄膜をスパッタリングで作製する（図１０ａ）。
【００４１】
（２）フォトレジスト１００１の塗布とマスクを用いた露光、現像で、フォトレジスト１００１を基板の中心部の１０μｍ×１０μｍの正方形の領域（各辺は基板の辺に平行）に塗布する。（３）エッチングでフォトレジスト１００１が塗布された領域以外のＥｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５膜を除く。その際、エッチング条件を調整し、フォトレジスト１００１の下に残るＥｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５のガラス基板９０１側が、フォトレジスト１００１側に比べ少し広がるようにする（図１０ｂ）。
【００４２】
（４）スパッタリングで厚さ２００ｎｍのＹ２ＳｉＯ５層を上から積む。（５）フォトレジスト１００１の塗布とマスクを用いた露光、現像で、フォトレジスト１００１を、Ｅｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶を中心部に有する幅１０μｍ、長さ２１ｍｍのストライプ状（基板の１辺に平行）の領域に塗布する。（６）エッチングで中心部に１０μｍ×１０μｍのＥｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５部９０２を有する幅１０μｍ、長さ２１ｍｍのＹ２ＳｉＯ５結晶９０３を残し、その他のＹ２ＳｉＯ５結晶を除く。その際、エッチング条件を調整し、フォトレジスト１００１の下に残るＹ２ＳｉＯ５９０３のガラス基板９０１側が、フォトレジスト１００１側に比べ少し広がるようにする。（７）フォトレジスト１００１を除き、Ｅｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５部９０２の上のＹ２ＳｉＯ５結晶９０３をリフトオフする（図１０ｃ）。ここまでで、中にＥｕ３＋のイオン集団を含む光導波路の第１層目ができる。
【００４３】
（８）フォトレジスト１００１の塗布とマスクを用いた露光、現像で、フォトレジスト１００１を、幅１０μｍ、長さ２１ｍｍの光導波路の上に塗布する。（９）スパッタリングで厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２膜９０４を積層する。（１０）光導波路の上のＳｉＯ２をリフトオフする。ここまでで、光導波路の第１層目の低屈折率層への埋め込みができる。（１１）フォトレジスト１００１の塗布とマスクを用いた露光、現像で、フォトレジスト１００１を第１層目の光導波路の両端を３ｍｍずつ覆う領域に塗布する（図１０ｄ）。
【００４４】
（１２）スパッタリングで厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２を積層する。（１３）第１層目の導波路の両端のＳｉＯ２膜９０４をリフトオフする（図１０ｅ）。
【００４５】
（１４）ＳｉＯ２膜９０４上で、上記（１）から（１３）までに相当する過程を繰り返し、第１層目と直行する方向に第２層目の光導波路を作製する。（１５）さらに上記（１）から（１３）までを４回繰り返すことで、本実施例では、６個の光導波路（量子ビット）が作製できる。その際、お互い隣接する導波路が直交するようにする。また、第１から第６の光導波路は中心の位置が縦方向に一致し、長さは順に２１ｍｍ、２１ｍｍ、１５ｍｍ、１５ｍｍ、９ｍｍ、９ｍｍとする。また、ＳｉＯ２膜９０４を作製する際は、それまでに作製した導波路の両端（光導入部１０６および光出力部１０７として利用する）がＳｉＯ２で覆われないようにフォトレジスト１００１で保護する。また、最後の光導波路作製における（８）から（１４）までに相当する過程は省略できる。
【００４６】
以上のようにして光導波路の積層構造ができる。この作製過程において、スパッタリングで作製されたＥｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５膜およびＹ２ＳｉＯ５膜９０３（微結晶と考えられる）の結晶性を良くするために製膜後アニールングを施してもよい。また、（１０）の後、平坦性を良くするために化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）により、表面を研磨してもよい。さらに、（４）から（７）の替わりに、まずＥｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５上のフォトレジスト１００１を除去した後、全体にＹ２ＳｉＯ５膜９０３を積層し、ＣＭＰによる研磨で中心にＥｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５部９０２を持つＹ２ＳｉＯ５膜９０３を作製し、フォトレジスト１００１によるパターニングとエッチングで光導波路を作製してもよい。また、（８）から（１０）の過程の替わりに、単にＳｉＯ２膜９０４を積層し、ＣＭＰで表面を研磨し、光導波路の第１層目の低屈折率層への埋め込みを行ってもよい。さらに、Ｅｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５膜あるいはＹ２ＳｉＯ５膜９０３をスパッタリングで製膜する替わりに、お互いオプティカルコンタクトで接着した基板、Ｅｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５単結晶、Ｙ２ＳｉＯ５単結晶９０３をＣＭＰで研磨して、一部にＥｕ３＋含むＹ２ＳｉＯ５単結晶９０３の膜構造を作り、あとはフォトレジスト１００１によるパターニングとエッチングで光導波路を作製してもよい。この手法では、結晶の軸方向を完全にそろえることが可能なので、Ｅｕ３＋などの希土類イオンの双極子モーメントの効果を大きくすることができると考えられる。また、磁場印加により、Ｅｕ３＋などの希土類イオンの核スピンの状態を利用した量子ビットのコヒーレンス時間をのばす際にも有利である。
【００４７】
次に、本実施例の量子情報処理装置について図１１を参照して説明する。
本実施例の量子情報処理装置は、リング色素レーザー１１０１、レーザー周波数狭窄化システム１１０２、複数のビームスプリッター１１０３、ミラー１１０４、周波数設定用音響光学効果素子１１０５、強度設定用音響光学効果素子１１０６、複数のレンズ１１０７、制御装置部１１０８、複数の光ファイバー１１０９、積層した光導波路部１０３、フォトダイオード１１１０、クライオスタット１０４、複数の光導入部１０６、複数の光出力部１０７を含む。ここで図１の量子情報処理装置の各部との対応を示す。光源部１０１は、リング色素レーザー１１０１とレーザー周波数狭窄化システム１１０２に対応する。光制御部１０２は、周波数設定用音響光学効果素子１１０５と強度設定用音響光学効果素子１１０６に対応する。光強度測定部１０５はフォトダイオード１１１０に対応する。
【００４８】
リング色素レーザー１１０１は、アルゴンイオンレーザー励起のレーザーである。レーザー周波数狭窄化システム１１０２は、リング色素レーザー１１０１からのレーザーを１００Ｈｚのスペクトル幅に狭窄化する。
【００４９】
ビームスプリッター１１０３と１つのミラー１１０４は、光導入部１０６の数だけ設置される。なお、この数は量子ビット数に対応する。ビームスプリッター１１０３はレーザー周波数狭窄化システム１１０２の出力であるレーザー１１５１を２つに分離し、１つのミラー１１０４はレーザー１１５１を分離せず反射する。図１１の例では、５つのビームスプリッター１１０３と１つのミラー１１０４が、レーザー１１５１を６本のレーザーに分離する。この図１１の例の量子情報処理装置では６個の量子ビットを扱う。
【００５０】
周波数設定用音響光学効果素子１１０５は、入力した光の周波数の時間変化を与え、この周波数を設定し設定した周波数の光を出力する。強度設定用音響光学効果素子１１０６は、入力した光の強度の時間変化を与え、この強度を設定し設定した強度の光を出力する。
【００５１】
レンズ１１０７は、光導波路部１０３に設けられている光導入部１０６の数だけ設置される。レンズ１１０７はそれぞれ、強度設定用音響光学効果素子１１０６の出力するレーザーを受け入れ、レンズ１１０７の出力するレーザーを対応する光ファイバー１１０９に入射する。
【００５２】
制御装置部１１０８は、周波数設定用音響光学効果素子１１０５と強度設定用音響光学効果素子１１０６を制御し、量子ビットの初期化、量子ゲート操作、読み出しに必要な光パルスを生成するための制御を行う。
【００５３】
光ファイバー１１０９は、複数のレンズ１１０７と複数の光導入部１０６とが１対１で接続される接続に使用され、さらに、複数の光出力部１０７と複数のフォトダイオード１１１０とが１対１で接続される接続に使用されている。光導入部１０６および光出力部１０７につながるそれぞれ６本の光ファイバーがクライオスタット外にのびている。
【００５４】
フォトダイオード１１１０はそれぞれ、光出力部１０７に結合している各光ファイバー１１０９からの光の強度を測定する。
【００５５】
また、光導入部１０６および光出力部１０７は、図１２に示すように、カップリング用のプリズム１２０１とレンズ１２０２を含む。プリズム１２０１とレンズ１２０２は図１２に示すようにインバー製マウント１２０３で適切な位置に配置されている。インバー製マウント１２０３は光ファイバー１１０９をインバー製マウント１２０３に導入していて、光ファイバー１１０９からレンズ１２０２へ光を入力したり、レンズ１２０２を通った光が光ファイバー１１０９に入射したりすることができるようになっている。
【００５６】
次に、図１１の量子情報処理装置を用い、量子情報処理として、量子計算に必要な量子ビットの初期化、量子ビットゲート操作、量子ビット読み出しを行う手法を説明する。
第１層目〜第６層目に含まれるＥｕ３＋イオンの一部からなるイオン集団（後述するように、本実施例では、光導波路に含まれるＥｕ３＋イオンをすべて量子ビットとして利用するわけではない）で形成される量子ビットをそれぞれ、第１〜第６の量子ビットと呼ぶことにする。また、図８に示したＥｕ３＋イオンの｜±１／２＞の状態を｜０＞、｜±３／２＞の状態を｜１＞とする。また、５Ｄ０の状態を｜ｅ＞とする。
【００５７】
まず第１の量子ビットを考える。量子ビットにつながる光ファイバーを通し、制御装置部１１０８が周波数設定用音響光学効果素子１１０５を制御することによって、ωＣ−５００×２πｋＨｚ〜ωＣ＋５００×２πｋＨｚの範囲で１ｋＨｚ／１ｍｓの掃引速度で掃引しながらレーザーを量子ビットに照射する。ωＣはＹ２ＳｉＯ５結晶９０３中のサイト１のＥｕ３＋イオンに関する７Ｆ０−５Ｄ０間遷移の遷移角周波数である５１６．８４×２πＴＨｚである。これにより、Ｅｕ３＋イオンの吸収スペクトルにホールが生じる。これは、７Ｆ０の３つの状態｜±５／２＞、｜±３／２＞、｜±１／２＞と５Ｄ０の３つの状態｜±５／２＞、｜±３／２＞、｜±１／２＞の間の９つの遷移のいずれかの遷移角周波数がωＣと共鳴するイオンが、光ポンピングにより、光と作用しない７Ｆ０の状態になり、結晶が透明になることで生じる透明化の穴である。
【００５８】
次に、制御装置部１１０８が周波数設定用音響光学効果素子１１０５と強度設定用音響光学効果素子１１０６を制御することによって、ωＣ＋３４．５×２πＭＨｚのレーザーを１秒間照射する。すると、ホールの中に、幅１００Ｈｚ程度の吸収が現れる。これは、７Ｆ０と５Ｄ０とを結ぶ９つの遷移のいずれかの遷移角周波数がωＣと共鳴するイオンのうち、７Ｆ０の状態｜±３／２＞と５Ｄ０の３つの状態のいずれかとを結ぶ遷移がωＣ＋３４．５×２πＭＨｚのレーザーと共鳴し、光ポンピングで７Ｆ０の｜±１／２＞の状態になり、吸収に寄与するためである。すなわち、ホール中の吸収は、７Ｆ０の状態｜±１／２＞と５Ｄ０の３つの状態のいずれかとを結ぶ遷移が、レーザー線幅とイオンの均一幅の大きいほう（この場合はいずれも１００Ｈｚ程度）の範囲内でωＣと一致するＥｕ３＋イオンに起因する。このホール中の吸収を示すイオンの７Ｆ０の状態｜±１／２＞と状態｜±３／２＞をそれぞれ状態｜０＞と状態｜１＞とする。また、このホール中の吸収を示すイオンの５Ｄ０の３つの状態をいずれも状態｜ｅ＞とする。
上記のような光照射によりホール中に吸収を示すＥｕ３＋イオンの集団を、１つの量子ビットとする。
【００５９】
この量子ビットは、状態｜０＞に初期化されていることになる。制御装置部１１０８が周波数設定用音響光学効果素子１１０５と強度設定用音響光学効果素子１１０６とを制御して、この量子ビットに、光ファイバー１１０９を通して角周波数がそれぞれωＣ、ωＣ＋３４．５×２πＭＨｚ、ωＣで、長さがいずれも１００μｓの３つのπパルスを、この順番で照射する。これにより、量子ビットは状態｜１＞になる。この場合、制御装置部１１０８が周波数設定用音響光学効果素子１１０５と強度設定用音響光学効果素子１１０６とを制御して、光ファイバーを通し、角周波数ωＣの弱いレーザーを量子ビットに照射し、対応するフォトダイオード１１１０が出力光強度を測定すると、量子ビットが状態｜０＞の場合に比べ状態｜１＞にある場合には透過率が増加するため、量子ビットが状態｜１＞であることがわかる。
【００６０】
上記の手法で量子ビットを状態｜０＞に初期化したあと角周波数ωＣ、ωＣ＋３４．５×２πＭＨｚで長さ１００μｓの２つのπパルスを、この順番で照射すると、状態｜１＞に初期化することができる。そこに角周波数ωＣ、ωＣ＋３４．５×２πＭＨｚ、ωＣで長さ１００μｓの３つのπパルスを、この順番で照射すると、量子ビットを状態｜０＞にすることができる。また角周波数ωＣの弱いレーザーの量子ビットへの照射により、量子ビットの読み出しも同様にできる。
【００６１】
次に、重ね合わせの状態の量子ビットの用意と、その量子ビットへの回転ゲートについて説明する。
上記の手法によって量子ビットを状態｜０＞に初期化したあと、それぞれ長さ１００μｓの３つの光パルス、すなわち角周波数ωＣのπパルス、ωＣ＋３４．５×２πＭＨｚのＭパルス、ωＣのπパルスを照射することにより、量子ビットを重ね合わせの状態α｜０＞＋β｜１＞にできる。
【００６２】
ただし、
【数９】
【００６３】
このようにして用意した重ね合わせの状態の量子ビットに対して、ＮＯＴゲートの場合と同様の３つの光パルスを真ん中の光パルスだけＭ’パルスにして照射すると、量子ビットは、以下の式（８）の状態になる。
【数１０】
【００６４】
このようにして、Ｍ’パルスを真ん中に挟む３つの光パルスにより、回転ゲートが実行できる。
【００６５】
このようにして、量子ビットの初期化、ＮＯＴゲート（回転角πの回転ゲート）や任意の回転角を持つ回転ゲートのような１量子ビットゲート、量子ビットの読み出しが可能になる。他の量子ビットでも同様にこれらの操作が可能である。
【００６６】
次に、２つ隣接する第１の量子ビットと第２の量子ビットを考え、これらの量子ビットに関して制御ＮＯＴゲート操作が可能になることを示す。それぞれの量子ビットにつながる光ファイバーを通して、上記の手法により、第１と第２の量子ビットをいずれも状態｜０＞にする。次いで、制御装置部１１０８が周波数設定用音響光学効果素子１１０５と強度設定用音響光学効果素子１１０６とを制御して、第１の量子ビットに、角周波数ωＣで長さ１００μｓのπパルスを照射する。その後、第２の量子ビットに対して３つπパルスを照射する上記のＮＯＴゲートと同様の光照射を行う。ただし、３つのパルスの長さはいずれも５００μｓとする。そして最後に、制御装置部１１０８が周波数設定用音響光学効果素子１１０５と強度設定用音響光学効果素子１１０６とを制御して、第１の量子ビットに再び、角周波数ωＣで長さ１００μｓのπパルスを照射する。このように第１の量子ビットに１つのπパルスを照射し、第２の量子ビットに３つのπパルスを照射し、最後にまた第１の量子ビットに１つのπパルスを照射する一連のレーザー照射を操作Ａとする。この場合、操作Ａの結果を上記の手法で読み出すと、第１の量子ビット、第２の量子ビットともにほとんど変化していないことがわかる。
【００６７】
第１と第２の量子ビットをそれぞれ状態｜０＞、状態｜１＞に初期化して、操作Ａを施しても、同様に２つの量子ビットは操作前後で変化しない。
【００６８】
第１の量子ビットが状態｜０＞にある場合、操作Ａの最初の第１の量子ビットへのπパルス照射により、量子ビットが状態｜ｅ＞になるため、第２の量子ビットの遷移角周波数が変化する。その変化量は、量子ビットを校正するイオンのスペクトル幅および、操作に利用するπパルスのスペクトル幅より大きいと考えられる。その結果、３つのπパルスによる第２の量子ビットへのＮＯＴゲートが有効に働かず、量子ビットは変化しない。
【００６９】
第１と第２の量子ビットをそれぞれ状態｜１＞と状態｜０＞に初期化した場合は、操作Ａの最初の第１の量子ビットへのπパルス照射により、第１の量子ビットが状態｜ｅ＞になることはないので、第２の量子ビットへのＮＯＴゲートが有効に働き、第２の量子ビットが状態｜１＞になる。したがって、操作Ａの結果を読み出すと、第１の量子ビットは変化していないが、第２の量子ビットは状態｜１＞に反転しているのがわかる。
【００７０】
第１と第２の量子ビットを状態｜１＞、状態｜１＞に初期化して、操作Ａを施しても、同様に第１の量子ビットは操作前後で変化しないが、第２の量子ビットは状態｜０＞に反転する。
【００７１】
すなわち、第１と第２の量子ビットが状態｜０＞と状態｜１＞の重ね合わせの状態（それぞれα１｜０＞１＋β１｜１＞１とα２｜０＞２＋β２｜１＞２）の場合は、２つの量子ビットと合わせた系の状態は以下の式（９）ように示される。
【数１１】
【００７２】
この状態は、操作Ａの後、下記の式（１０）の状態に変化させることができる。
【数１２】
【００７３】
このようにして、第１と第２の２つ隣接する量子ビットに関して、制御ＮＯＴゲート操作が可能になる。他の２つの隣接する量子ビットの間でも同様に制御ＮＯＴゲートが可能である。
【００７４】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】実施形態の量子情報処理装置のブロック図。
【図２】図１の光導波路部のうちの１つの光導波路とこの光導波路に含まれる物理系集団を示す図。
【図３】図２の光導波路を複数個積層した一例を示す図。
【図４】図２の光導波路を複数個積層した一例を示す図。
【図５】ＮＯＴゲート操作について説明するための図。
【図６】制御ＮＯＴゲートについて説明するための図。
【図７】制御ＮＯＴゲートについて説明するための図。
【図８】Ｅｕ３＋:Ｙ２ＳｉＯ５結晶中のサイト１にあるＥｕ３＋イオンのエネルギー状態を示す図。
【図９Ａ】積層した光導波路部を上方から見た場合を示す図。
【図９Ｂ】図９Ａの点線Ａでの積層した光導波路部の断面図。
【図９Ｃ】図９Ａの点線Ｂでの積層した光導波路部の断面図。
【図１０】図９Ａから図９Ｃに示した積層した光導波路部の作成手法を説明するための図。
【図１１】実施例の量子情報処理装置のブロック図。
【図１２】図１１の光導入部および光出力部の詳細図。
【符号の説明】
【００７６】
１０１・・・光源部、１０２・・・光制御部、１０３・・・光導波路部、１０４・・・クライオスタット、１０５・・・光強度測定部、１０６・・・光導入部、１０７・・・光出力部、２０１、３０１・・・光導波路、２０２・・・物理系集団、９０１・・・ガラス基板、９０２・・・Ｅｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５部、９０３・・・Ｙ２ＳｉＯ５結晶、９０４・・・ＳｉＯ２膜、１００１・・・フォトレジスト、１１０１・・・リング色素レーザー、１１０２・・・レーザー周波数狭窄化システム、１１０３・・・ビームスプリッター、１１０４・・・ミラー、１１０５・・・周波数設定用音響光学効果素子、１１０６・・・強度設定用音響光学効果素子、１１０７、１２０２・・・レンズ、１１０８・・・制御装置部、１１０９・・・光ファイバー、１１１０・・・フォトダイオード、１１５１・・・レーザー、１２０１・・・プリズム、１２０３・・・インバー製マウント。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３つの異なるエネルギー状態｜０＞、｜１＞、｜ｅ＞を有し、かつ｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の均一幅がそれぞれΔ０ｅ，ｈｏｍｏ、Δ１ｅ，ｈｏｍｏである物理系を複数含む光導波路であって、｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移に共鳴する光を通過させる光導波路を複数個有する光導波路部と、
角周波数ω０ｅ、ω１ｅの光を発生する光源部と、
前記角周波数ω０ｅ、ω１ｅの光の周波数と強度とを制御して制御光を生成する光制御部と、
前記制御光をそれぞれの前記光導波路に導入する光導入部と、
それぞれの前記光導波路を通過してきた通過光を取り出す光出力部と、
前記通過光の強度を測定する光強度測定部と、を具備し、
前記光導波路部に含まれる第１光導波路および第２光導波路で該第１光導波路と該第２光導波路は互いに隣接していて、該第１光導波路中の第１物理系が状態｜０＞または状態｜１＞にある場合には該第２光導波路中の第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅおよびω１ｅであり、該第１物理系が状態｜ｅ＞にある場合には該第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅ＋Δωｏｅ、ω１ｅ＋Δω１ｅであり、該第１光導波路と該第２光導波路との距離は、ΔωｏｅおよびΔω１ｅがいずれもΔ０ｅ，ｈｏｍｏおよびΔ１ｅ，ｈｏｍｏよりも大きくなる距離であり、かつ、該第１光導波路を通過する光が該第２物理系の状態を変化させない距離であることを特徴とする量子情報処理装置。
【請求項２】
前記光導波路部において、隣接する光導波路は、該光導波路を通過する光の進行方向が互いに平行にならないように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の量子情報処理装置。
【請求項３】
前記光導波路が酸化物結晶であり、前記物理系が希土類イオンであり、状態｜０＞および状態｜１＞が電子基底状態にある希土類イオンの核スピンの状態であり、状態｜ｅ＞が電子励起状態であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の量子情報処理装置。
【請求項４】
３つの異なるエネルギー状態｜０＞、｜１＞、｜ｅ＞を有し、かつ｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の均一幅がそれぞれΔ０ｅ，ｈｏｍｏ、Δ１ｅ，ｈｏｍｏである物理系を複数含む光導波路であって、｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移に共鳴する光を通過させる光導波路を複数個有する光導波路部を用意し、
角周波数ω０ｅ、ω１ｅの光を発生し、
前記角周波数ω０ｅ、ω１ｅの光の周波数と強度とを制御して制御光を生成し、
前記制御光をそれぞれの前記光導波路に導入し、
それぞれの前記光導波路を通過してきた通過光を取り出し、
前記通過光の強度を測定し、
前記光導波路部に含まれる第１光導波路および第２光導波路で該第１光導波路と該第２光導波路は互いに隣接していて、該第１光導波路中の第１物理系が状態｜０＞または状態｜１＞にある場合には該第２光導波路中の第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅおよびω１ｅであり、該第１物理系が状態｜ｅ＞にある場合には該第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅ＋Δωｏｅ、ω１ｅ＋Δω１ｅであり、該第１光導波路と該第２光導波路との距離は、ΔωｏｅおよびΔω１ｅがいずれもΔ０ｅ，ｈｏｍｏおよびΔ１ｅ，ｈｏｍｏよりも大きくなる距離であり、かつ、該第１光導波路を通過する光が該第２物理系の状態を変化させない距離であることを特徴とする量子情報処理方法。
【請求項５】
前記光導波路部において、隣接する光導波路は、該光導波路を通過する光の進行方向が互いに平行にならないように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の量子情報処理方法。
【請求項６】
前記光導波路が酸化物結晶であり、前記物理系が希土類イオンであり、状態｜０＞および状態｜１＞が電子基底状態にある希土類イオンの核スピンの状態であり、状態｜ｅ＞が電子励起状態であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の量子情報処理方法。
【請求項１】
３つの異なるエネルギー状態｜０＞、｜１＞、｜ｅ＞を有し、かつ｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の均一幅がそれぞれΔ０ｅ，ｈｏｍｏ、Δ１ｅ，ｈｏｍｏである物理系を複数含む光導波路であって、｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移に共鳴する光を通過させる光導波路を複数個有する光導波路部と、
角周波数ω０ｅ、ω１ｅの光を発生する光源部と、
前記角周波数ω０ｅ、ω１ｅの光の周波数と強度とを制御して制御光を生成する光制御部と、
前記制御光をそれぞれの前記光導波路に導入する光導入部と、
それぞれの前記光導波路を通過してきた通過光を取り出す光出力部と、
前記通過光の強度を測定する光強度測定部と、を具備し、
前記光導波路部に含まれる第１光導波路および第２光導波路で該第１光導波路と該第２光導波路は互いに隣接していて、該第１光導波路中の第１物理系が状態｜０＞または状態｜１＞にある場合には該第２光導波路中の第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅおよびω１ｅであり、該第１物理系が状態｜ｅ＞にある場合には該第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅ＋Δωｏｅ、ω１ｅ＋Δω１ｅであり、該第１光導波路と該第２光導波路との距離は、ΔωｏｅおよびΔω１ｅがいずれもΔ０ｅ，ｈｏｍｏおよびΔ１ｅ，ｈｏｍｏよりも大きくなる距離であり、かつ、該第１光導波路を通過する光が該第２物理系の状態を変化させない距離であることを特徴とする量子情報処理装置。
【請求項２】
前記光導波路部において、隣接する光導波路は、該光導波路を通過する光の進行方向が互いに平行にならないように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の量子情報処理装置。
【請求項３】
前記光導波路が酸化物結晶であり、前記物理系が希土類イオンであり、状態｜０＞および状態｜１＞が電子基底状態にある希土類イオンの核スピンの状態であり、状態｜ｅ＞が電子励起状態であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の量子情報処理装置。
【請求項４】
３つの異なるエネルギー状態｜０＞、｜１＞、｜ｅ＞を有し、かつ｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の均一幅がそれぞれΔ０ｅ，ｈｏｍｏ、Δ１ｅ，ｈｏｍｏである物理系を複数含む光導波路であって、｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移に共鳴する光を通過させる光導波路を複数個有する光導波路部を用意し、
角周波数ω０ｅ、ω１ｅの光を発生し、
前記角周波数ω０ｅ、ω１ｅの光の周波数と強度とを制御して制御光を生成し、
前記制御光をそれぞれの前記光導波路に導入し、
それぞれの前記光導波路を通過してきた通過光を取り出し、
前記通過光の強度を測定し、
前記光導波路部に含まれる第１光導波路および第２光導波路で該第１光導波路と該第２光導波路は互いに隣接していて、該第１光導波路中の第１物理系が状態｜０＞または状態｜１＞にある場合には該第２光導波路中の第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅおよびω１ｅであり、該第１物理系が状態｜ｅ＞にある場合には該第２物理系の｜０＞−｜ｅ＞間遷移および｜１＞−｜ｅ＞間遷移の遷移角周波数がそれぞれω０ｅ＋Δωｏｅ、ω１ｅ＋Δω１ｅであり、該第１光導波路と該第２光導波路との距離は、ΔωｏｅおよびΔω１ｅがいずれもΔ０ｅ，ｈｏｍｏおよびΔ１ｅ，ｈｏｍｏよりも大きくなる距離であり、かつ、該第１光導波路を通過する光が該第２物理系の状態を変化させない距離であることを特徴とする量子情報処理方法。
【請求項５】
前記光導波路部において、隣接する光導波路は、該光導波路を通過する光の進行方向が互いに平行にならないように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の量子情報処理方法。
【請求項６】
前記光導波路が酸化物結晶であり、前記物理系が希土類イオンであり、状態｜０＞および状態｜１＞が電子基底状態にある希土類イオンの核スピンの状態であり、状態｜ｅ＞が電子励起状態であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の量子情報処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−５４９３７（Ｐ２０１０−５４９３７Ａ）
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２１４６８（Ｐ２００８−２２１４６８）
【出願日】平成２０年８月２９日（２００８．８．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１１日（２０１０．３．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２９日（２００８．８．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]