量子計算機および量子計算方法
【課題】理想的な量子計算機の実現。
【解決手段】物理系Ａ、Ｂ、Ｃごとが３つの異なるエネルギー状態｜０＞ｘ、｜１＞ｘ、｜ｅ＞ｘを有し、｜０＞ｘあるいは｜１＞ｘあるいは｜０＞ｘと｜１＞ｘとの量子力学的な重ね合わせの状態で量子ビットを表す場合に、複数の物理系Ａ、Ｂ、Ｃを含む薄膜Ａ、Ｂ、Ｃが、下から順に薄膜Ａから始まって、薄膜Ｂ、薄膜Ｃ、薄膜Ａと順に繰り返し重ねられた積層部１０３と、隣接する薄膜の状態に依存した遷移角周波数に対応した光であり、かつ、スペクトル幅が互いの角周波数差よりも狭い光を発生して、積層部の薄膜に照射する光源部１０１と、光の周波数と強度とを制御する制御装置部と、薄膜Ａ（Ｅ）中の物理系集団Ａ（Ｅ）からの発光や物理系集団Ａ（Ｅ）を通りぬけてくる光の透過光強度を測定することにより物理系集団のＡ（Ｅ）の量子状態を測定する量子ビット読み出し部１０５と、を具備する。
【解決手段】物理系Ａ、Ｂ、Ｃごとが３つの異なるエネルギー状態｜０＞ｘ、｜１＞ｘ、｜ｅ＞ｘを有し、｜０＞ｘあるいは｜１＞ｘあるいは｜０＞ｘと｜１＞ｘとの量子力学的な重ね合わせの状態で量子ビットを表す場合に、複数の物理系Ａ、Ｂ、Ｃを含む薄膜Ａ、Ｂ、Ｃが、下から順に薄膜Ａから始まって、薄膜Ｂ、薄膜Ｃ、薄膜Ａと順に繰り返し重ねられた積層部１０３と、隣接する薄膜の状態に依存した遷移角周波数に対応した光であり、かつ、スペクトル幅が互いの角周波数差よりも狭い光を発生して、積層部の薄膜に照射する光源部１０１と、光の周波数と強度とを制御する制御装置部と、薄膜Ａ（Ｅ）中の物理系集団Ａ（Ｅ）からの発光や物理系集団Ａ（Ｅ）を通りぬけてくる光の透過光強度を測定することにより物理系集団のＡ（Ｅ）の量子状態を測定する量子ビット読み出し部１０５と、を具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜中の物理系集団を使用する量子計算機および方法に関する。
【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（量子力学的な重ね合わせの状態の保持時間）を持つ。この性質は、重ね合わせの状態で情報を表し、情報処理を行う、量子コンピュータを始めとする量子情報処理デバイスを固体で実現する物理系に要求される最も重要な性質である。さらにこの結晶中の核スピンの状態は、ノイズが少なく制御性のよい光で制御および読出しができる。これらの特長を持つため、結晶中の希土類イオンの核スピンの状態は、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、個々のイオンの核スピンの状態をそれぞれ１つの量子ビットとし、不均一幅で分布し、固定され時間的に変化することのない、固体特有の遷移角周波数の、イオンごとの相違（気体の不均一幅は個々の原子、分子の運動に起因するため、個々の原子、イオンの遷移角周波数は、衝突による運動量変化で時々刻々変化する）を利用して、操作する光の周波数を調整することで、量子ビットの個別操作をする方法がある。この方法では、光共振器を利用し、個々の量子ビットを共通の共振器モードに共鳴させることで、量子ビットがほぼ完全に周波数空間で扱えるようになる。つまり個別の量子ビットへのアクセス、量子ビット間の結合において、実空間における量子ビット間相互の位置が重要な意味を持たなくなり、厳しい微細加工や電極の作りこみを必要としない量子コンピュータが可能になる（例えば非特許文献１参照）。
【０００３】
この個々の量子ビットへのアクセスに関して、上記の方法と同様に結晶中のイオンの遷移角周波数の違いを利用し、結晶の加工や電極の作り込みを必要としない利点を有する別の方法も提案されている（例えば非特許文献２参照）。この方法では、量子ビットごとに定められたある範囲内に遷移角周波数を持つ複数のイオンを１つの量子ビットとする。複数のイオンで量子ビットを構成することにより、単一イオンの場合に比べ、大きな読み出し信号を得ようという狙いである。この方法では、量子ビット間の結合に、イオン間の双極子−双極子相互作用を利用する。ある量子ビットを構成するそれぞれのイオンに関して、そのイオンのたまたま近くにあるもう片方の量子ビットを構成するイオンとの間に生じるイオン−イオン間相互作用（双極子−双極子相互作用）を利用するのである。
ところがこの方法では、量子ビット数を増やしていくと、１つの量子ビットを表すイオンの数が減り、読み出しの信号強度が弱くなると考えられる。また、量子ビット数を増やすと２つの量子ビットを表す物理系間の平均の距離が大きくなり、結合のための相互作用も弱まってしまう。相互作用の大きいイオンだけを選択すると、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。
【０００４】
量子ビットとして用いる物理系の遷移角周波数の違いで量子ビットを区別する、さらに別の方法も提案されている。
この方法では、互いに隣接する物理系同士に相互作用がある、３種類の物理系を周期的に配列する（例えば非特許文献３参照）。種類の異なる物理系同士では、遷移角周波数が異なるが、同種の物理系では一致している。この配列された物理系全体に、３種類のうちのいずれかの物理系の遷移角周波数に共鳴する光を照射することで、同種の物理系は同時に並行して操作される。このような同時並行操作を、順次照射光の周波数を変え操作する物理系の種類を変えながら、繰り返す。このような操作の際、端の物理系だけは単独に操作し、またある物理系の遷移角周波数が隣接する物理系の量子状態に応じて変化することを利用することで、情報の読み込みと処理および読み出しを行う。
【非特許文献１】Opt. Commun. 196, 119 (2001).
【非特許文献２】Phys. Rev. A 71, 062328 (2005).
【非特許文献３】Science 261, 1569 (1993).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この方法では、物理系として高分子鎖を構成する原子団（単量体）を想定しており、その単量体の励起状態と基底状態の２状態のみを利用し、その状態を量子ビットとする。したがってコヒーレンス時間の十分に長い物理系が具体的には示されてなく、またそのような系（例えば核スピンの状態）を量子ビットとして利用する場合に必要となる具体的な方法についても示されていない。
【０００６】
多数の量子ビットによる実用的な量子コンピュータを実現する方法としては、以下の条件を満たすようなものが望ましい。すなわち、（１）量子ビットが十分に長いコヒーレンス時間を持ち、（２）厳しい微細加工による結晶加工や電極の作り込みを必要としないという、照射光の周波数で量子ビットを区別する方法が有するような、利点があり、かつ（３）大きな読み出し信号を得るのに十分に多数の物理系からなる物理系集団を１つの量子ビットとすることができ、さらに（４）量子ビット数に十分な拡張性のある方法、が望ましい。しかしこれらを実現する具体的な方法は知られていない。
【０００７】
本発明の目的は、量子ビットの十分に長いコヒーレンス時間と、厳しい微細加工を不必要にすることと、大きな読み出し信号と、量子ビット数の十分な拡張性とを可能にする、量子計算機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】
【０００８】
上述の課題を解決するため、本発明の量子計算機は、３種類の物理系、物理系Ａ、物理系Ｂ、物理系Ｃに関して、それぞれが３つの異なるエネルギー状態｜０＞ｘ、｜１＞ｘ、｜ｅ＞ｘを有し、｜０＞ｘあるいは｜１＞ｘあるいは｜０＞ｘと｜１＞ｘとの量子力学的な重ね合わせの状態で量子ビットを表す場合に（ｘ＝Ａ，Ｂ，Ｃ、添え字のｘは物理系ｘの状態であることを表す）、複数の物理系Ａからなる物理系集団Ａを含む薄膜Ａと、複数の物理系Ｂからなる物理系集団Ｂを含む薄膜Ｂと、複数の物理系Ｃからなる物理系集団Ｃを含む薄膜Ｃが、下から順に薄膜Ａから始まって、薄膜Ｂ、薄膜Ｃ、薄膜Ａ、薄膜Ｂ、薄膜Ｃ、薄膜Ａ、．．．と順に繰り返し重ねられた積層部と、一番下の薄膜Ａ（薄膜Ａ（Ｅ）とする）中の前記物理系集団Ａ（物理系集団Ａ（Ｅ）とする）の｜ｙ＞Ａ（Ｅ）−｜ｅ＞Ａ（Ｅ）間遷移角周波数に関して（ｙ＝０，１）、上に隣接する薄膜Ｂ中の物理系集団Ｂが｜ｙ’＞Ｂ（ｙ’＝０，１）にある場合の遷移角周波数をωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇとし、該物理系集団Ｂが｜ｅ＞Ｂにある場合の遷移角周波数をωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅとし、下から２番目以降の薄膜ｘ中の物理系集団ｘの｜ｙ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移角周波数に関して、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ’＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｇｇとし、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団は｜ｅ＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｇｅとし、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｅ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団は｜ｙ’＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｅｇとし、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｅ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団も｜ｅ＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｅｅとした場合に、角周波数がそれぞれωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇ、ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅ、ωｘ，ｙｅ，ｇｇ、ωｘ，ｙｅ，ｇｅ、ωｘ，ｙｅ，ｅｇ、ωｘ，ｙｅ，ｅｅである光であり、かつ、スペクトル幅が互いの角周波数差よりも狭い光を発生して、前記積層部の薄膜に照射する光源部と、前記光の周波数と強度とを制御する制御装置部と、薄膜Ａ（Ｅ）中の物理系集団Ａ（Ｅ）からの発光や物理系集団Ａ（Ｅ）を通りぬけてくる光の透過光強度を測定することにより物理系集団のＡ（Ｅ）の量子状態を測定する量子ビット読み出し部と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の量子計算機および方法によれば、量子ビットの十分に長いコヒーレンス時間と、厳しい微細加工を不必要にすることと、大きな読み出し信号と、量子ビット数の十分な拡張性とを可能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る量子計算機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。
本発明は、それぞれ３つのエネルギー状態を持ち、そのうちの長いコヒーレンス時間を持つ２つの状態を量子ビットとする３種類の物理系Ａ、Ｂ、Ｃの集団をそれぞれ含む３種類の薄膜Ａ、Ｂ、ＣをＡＢＣＡＢＣＡ．．．と周期的に重ね、互いに隣接する薄膜の片方の薄膜中の物理系集団が量子ビットを表す状態にあるか否かでもう片方の薄膜中の物理系集団の量子ビットを表す状態と量子ビットを表さない３つ目の状態との間の遷移角周波数が変化することを利用し、重ねた膜全体に周波数と強度を調整した光パルスを順次照射することで、量子ビットの十分に長いコヒーレンス時間と、厳しい微細加工を不必要にすることと、大きな読み出し信号と、量子ビット数の十分な拡張性とを可能にすることができる。
【００１１】
次に、実施形態の量子計算機について図１を参照して説明する。
量子計算機は、光源部１０１、光学効果制御部１０２、積層部１０３、クライオスタット１０４、光強度測定部１０５、光導入部１０６、光取り出し部１０７を含む。
【００１２】
光源部１０１は、レーザーを生成しこのレーザーのスペクトル幅を搾取化する。光源部１０１は例えば３種類のレーザーを生成する。
光学効果制御部１０２は、光学効果素子を使用してレーザーの周波数および強度を設定する。
【００１３】
積層部１０３は、３種類の薄膜Ａ、Ｂ、Ｃを基板上にＡ、Ｂ、Ｃの順序で周期的に積層したものである。１つの薄膜は１種類の物理系集団のみを含む。１つの物理系は３つ以上のエネルギー状態を有していてこれらのエネルギー状態のうち、コヒーレンス時間の長い２つの状態を｜０＞と｜１＞とし、｜０＞と｜１＞とで量子ビットを表す。なお、残りの状態は｜ｅ＞とする。３種類の物理系は、互いに、｜０＞−｜ｅ＞間および｜１＞−｜ｅ＞間の遷移角周波数が異なる。
【００１４】
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内部には積層部１０３が設置されている。
光導入部１０６は、光学効果制御部１０２によって制御された光を積層部１０３の最下層の薄膜に導入する。最下層の薄膜は例えば導波路構造になっている。
光取り出し部１０７は、積層部１０３の最下層の薄膜から光を取り出し、光強度測定部１０５に出力する。
光強度測定部１０５は、光取り出し部１０７から取り出された光の強度を測定する。
【００１５】
次に、本発明の実施形態に係る量子計算機および方法について、その動作の機構について説明する。
本発明では、薄膜の中に含まれる多数の物理系からなる物理系集団を１つの量子ビットとし、１つの薄膜が１つの量子ビットに対応する。物理系の３つのエネルギー状態のうち、コヒーレンス時間の長い２つの状態を｜０＞と｜１＞とし、｜０＞と｜１＞とで量子ビットを表す。残りの状態は｜ｅ＞とする。
【００１６】
本発明では、このように量子ビットを構成する物理系として、積層部１０３は、お互い｜０＞−｜ｅ＞間および｜１＞−｜ｅ＞間の遷移角周波数の異なる３種類の物理系、物理系Ａ、Ｂ、Ｃを用い、１つの薄膜は１種類の物理系集団（それぞれ構成する物理系に対応して物理系集団Ａ、Ｂ、Ｃとする）のみを含む（あるいは主となる１種類以外の物理系の影響は無視できるぐらい少ない）とする。３種類の薄膜を、含まれる物理系集団に対応して薄膜Ａ、Ｂ、Ｃとすると、この３種類の薄膜は、次のような間隔で積層されている。すなわち、隣接する薄膜間では、片方の薄膜中の物理系集団が｜０＞か｜１＞にある場合と、｜ｅ＞にある場合で、もう片方の薄膜中の物理系集団との間の相互作用（例えば双極子−双極子相互作用）の大きさが異なり、もう片方の薄膜中の物理系集団の｜０＞−｜ｅ＞間と｜１＞−｜ｅ＞間の遷移角周波数がそれぞれの遷移の均一幅程度以上、低エネルギー側か高エネルギー側のどちらかに集団で変化するが、隣接しない膜同士では相互の影響を無視できるぐらいとなる膜厚で、あるいは膜間に後述する分離層を設ける場合は、膜厚と分離層の厚さで、積層されている。
【００１７】
３種類の薄膜が並ぶ順番は、薄膜Ａを端の薄膜（例えば基板上に薄膜を積層する場合には、基板上の第１層目の薄膜）とすると、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ａ、．．．のように周期的に積層する。
【００１８】
端の薄膜Ａ（Ａ（Ｅ）とする）の中の物理系集団Ａ（Ｅ）は、薄膜Ａ（Ｅ）だけ下に隣接するのが基板である（あるいは基板が上にありＡ（Ｅ）が下の端である場合、Ａ（Ｅ）だけ片側が何にも接していない）ことなどによる、他の薄膜Ａとは異なる｜０＞−｜ｅ＞間、｜１＞−｜ｅ＞間の遷移角周波数を利用して、照射光の角周波数を調整することで、個別に状態を操作でき、また状態を読み出すことができる。あるいは、薄膜Ａ（Ｅ）だけ光導波路構造にし、光導波路を伝播する光で操作することで個別操作を行い、光導波路を透過してくる光強度や物理系集団Ａ（Ｅ）からの発光の測定で、物理系集団Ａ（Ｅ）で構成された量子ビットを読み出すことが可能である。
【００１９】
図２に薄膜Ａ（Ｅ）２０１を導波路構造にした場合に関して、それぞれが１つの量子ビットに対応する薄膜が基板２０６上に積層されている様子を模式的に示す。図２で示した例では、積層された薄膜Ａ ２０４、薄膜Ｂ ２０２、薄膜Ｃ ２０３の間に、分離層２０５が挟まれている。分離層２０５は、薄膜の膜厚を薄くした場合に、隣接していない薄膜中の物理系間での相互作用を抑えるのに有効である。
【００２０】
図２に示すような、ただ３種類の薄膜が積層されただけの構造で量子計算を行うには、例えば、Ｓ．Ｌｌｏｙｄが提案した方法（例えば非特許文献３参照）を変形して適用する。まず、Ｓ．Ｌｌｏｙｄの提案した１次元的に結合した物理系からなる量子計算機の操作方法をＳ．Ｌｌｏｙｄの説明に大体そって説明する。
【００２１】
そこで提案されている量子計算機は、それぞれ基底状態｜０＞と励起状態｜１＞の２状態を持つ３種類の物理系Ｄ、Ｅ、ＦがＤ、Ｅ、Ｆ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｄ、．．．のように１次元的に結合したものである。各物理系は、それぞれ隣接する物理系とのみ相互作用し、隣接する物理系の状態に応じて基底状態と励起状態間の遷移角周波数が変化する。物理系ｐ（ｐ＝Ｄ，Ｅ，Ｆ）の｜０＞、｜１＞をそれぞれ｜０＞ｐ、｜１＞ｐとすると、物理系ｐの左隣の物理系の状態が｜ｚ＞（ｚ＝０，１）、右隣の状態が｜ｚ’＞（ｚ’＝０，１）の場合の｜０＞ｐ−｜１＞ｐ間の遷移角周波数ωｐｚｚ’は、ｚとｚ’の４つの組み合わせに対して全て異なる。また、左端の物理系Ｄ（Ｄ（Ｅ）と呼ぶことにする）だけは、他の物理系Ｄと（物理系Ｅ、Ｆとも）大きく異なる、それぞれ右隣が｜０＞Ｅの場合と｜１＞Ｅの場合の｜０＞Ｄ−｜１＞Ｄ間遷移角周波数であるωＤ０とωＤ１を持ち、個別操作ができると考えられる。
【００２２】
物理系全体へ、角周波数ωＤ０１、ωＤ１１、ωＥ１０、ωＥ１１、ωＤ０１、ωＤ１１のπパルスの列をこの順序で照射すると、Ｄ（Ｅ）以外の物理系Ｄの状態を隣接する物理系Ｅの状態と入れ替えることができる。図３に一例を示す。πパルスは、その光パルスの電場振幅の時間依存を下記（１）とした場合、下記（２）を満たすパルス面積を持つ。
【数１】
【００２３】
【数２】
【００２４】
ここで下記（３）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を示し、下記（４）はディラック定数を示す。
【数３】
【００２５】
【数４】
【００２６】
πパルスは、共鳴した２準位系のラビ振動の半周期分系を時間発展させ、その光パルスと共鳴する遷移で結ばれた２つの状態を入れ替える働きがある。
【００２７】
物理系全体へ、角周波数ωＤ０１、ωＤ１１、ωＥ１１、ωＤ０１、ωＤ１１のπパルス列をこの順序で照射すると、１つながりの物理系Ｄ、Ｅ、Ｆを１つのグループと考えた場合、Ｆが１であるグループのＤとＥのビットが入れ替わる。Ｆが０であるグループのＤとＥは元のままである。図４に一例を示す。このπパルス列照射により、各グループにＦを制御ビットとしたＦｒｅｄｋｉｎゲートを施すことになる。
【００２８】
Ｄ（Ｅ）への個別操作、あるいは、同種の物理系への同時操作の際に照射する光パルスが、下記（５）に示すＭとなるパルス面積を持つ光パルス（Ｍパルスと呼ぶことにする）を用いると、共鳴した２状態｜０＞と｜１＞をラビ振動のＭ／（２π）周期分時間発展させ、一般に下記（６）に示す状態を、下記（７）に示す状態へ変化させる。
【数５】
【００２９】
【数６】
【００３０】
【数７】
【００３１】
始め重ね合わせではない状態（α＝１あるいはβ＝１）を重ね合わせの状態にすることもできる。これは、１量子ビットゲートの１つである回転ゲートになっている。
【００３２】
上記の、Ｄ（Ｅ）への個別操作、指定した種類の物理系間での交換操作、グループ内の物理系Ｆの値を制御ビットとしたＦｒｅｄｋｉｎゲート、回転ゲートの組み合わせにより、Ｓ．Ｌｌｏｙｄの提案した１次元的に結合した物理系への情報の読み込み、情報の処理、情報の読み出しが可能になる。情報は、最初Ｄ（Ｅ）に書き込まれ、交換操作により、他の物理系に運ばれる。これを繰り返し、複数の物理系に記憶される。情報処理は、交換操作による物理系間での情報の移動と例えばＦｒｅｄｋｉｎゲートを行うことにより行われる。また情報の読み出しは、交換操作による情報のＤ（Ｅ）への移動と、Ｄ（Ｅ）の個別操作による応答を調べて行われる。このようにして量子計算ができる。以上がＳ．Ｌｌｏｙｄが提案した量子計算機の操作方法である。
【００３３】
次に、物理系の３つの状態を使い、そのような物理系を含む薄膜を積層させた本発明の量子計算機で量子計算を行うために、どのように上記の方法を変形するかを説明する。
【００３４】
本発明の方法では、隣接する物理系集団が｜０＞にあるか｜１＞にあるかでは、物理系集団の遷移角周波数は変わらない。隣接する物理系集団の状態が｜０＞や｜１＞から｜ｅ＞に変化して初めて遷移角周波数が変わる。また、その変わる遷移角周波数は｜０＞−｜１＞間の遷移角周波数でもない。
【００３５】
本発明では、下から２番目以降の薄膜ｘ（ｘ＝Ａ，Ｂ，Ｃ）中の物理系集団ｘの｜ｙ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移角周波数に関して（ｙ＝０，１）、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ’＞（ｙ’＝０，１）にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｇｇとする。また下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団は｜ｅ＞にある場合は遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｇｅ、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｅ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団は｜ｙ’＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｅｇ、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｅ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団も｜ｅ＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｅｅ、とする。また、一番下の薄膜Ａ（薄膜Ａ（Ｅ）とする）中の物理系集団Ａ（物理系Ａ（Ｅ）とする）の｜ｙ＞Ａ（Ｅ）−｜ｅ＞Ａ（Ｅ）間遷移角周波数に関して（ｙ＝０，１）、上に隣接する薄膜Ｂ中の物理系集団Ｂが｜ｙ’＞Ｂ（ｙ’＝０，１）にある場合の遷移角周波数をωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇ、｜ｅ＞Ｂにある場合の遷移角周波数をωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅとする。
ここで、ある物理系集団ｘの下に隣接する物理系を物理系ｘ−１、上に隣接する物理系を物理系ｘ＋１の記号で表すことにする。
【００３６】
端にある物理系集団Ａ（Ｅ）以外の物理系集団を操作する場合には、Ｓ．Ｌｌｏｙｄの方法におけるωｐｚｚ’（ｚ＝０，１、ｚ’＝０，１）の光パルス照射の替わりに、まず角周波数ωｘ−１，１ｅ，ｇｇ、ωｘ−１，１ｅ，ｇｅ、ωｘ−１，１ｅ，ｅｇ、ωｘ−１，１ｅ，ｅｅ、ωｘ＋１，１ｅ，ｇｇ、ωｘ＋１，１ｅ，ｇｅ、ωｘ＋１，１ｅ，ｅｇ、ωｘ＋１，１ｅ，ｅｅの８個のπパルスを照射し、次いでωｘ，０ｅ，ｑｑ’、ωｘ，１ｅ，ｑｑ’、ωｘ，０ｅ，ｑｑ’（ｑ＝ｇ，ｅ、ｑ’＝ｇ，ｅ）の３個のπパルスを照射し、再びωｘ−１，１ｅ，ｇｇ、ωｘ−１，１ｅ，ｇｅ、ωｘ−１，１ｅ，ｅｇ、ωｘ−１，１ｅ，ｅｅ、ωｘ＋１，１ｅ，ｇｇ、ωｘ＋１，１ｅ，ｇｅ、ωｘ＋１，１ｅ，ｅｇ、ωｘ＋１，１ｅ，ｅｅの８個のπパルスを照射する。だだし、ｐ＝Ｄ，Ｅ，Ｆからｘ＝Ａ，Ｂ，Ｃへの対応関係は、ＤをＡ、ＥをＢ、ＦをＣに対応させることとし、ｚ、ｚ’からｑ、ｑ’への対応は、０をｇに、１をｅに対応させる。ここで、ωＤ０１に対応する上記１９個のπパルスの照射による物理系集団の操作の一例を図５に示す。図５により、１９個の光パルス列の照射後、ｘ−１が０、ｘ＋１が１であるｘ＝Ａの物理系集団がビット反転し、他の物理系集団は影響を受けないことがわかる。
【００３７】
始めの８個のπパルスは、実質的な操作の対象となる物理系集団ｘの下と上に隣接する物理系集団ｘ−１とｘ＋１に関して、それらが状態｜１＞にあれば｜ｅ＞に変化させる。次の３個のπパルスは、物理系集団ｘの状態を物理系集団ｘ−１とｘ＋１がそれぞれもともと（８個のπパルスの照射前）状態｜ｚ＞、｜ｚ’＞であった場合のみ反転する（ＮＯＴゲート操作を施す）。そして最後の８個のπパルスは、｜ｅ＞に変化させられた物理系集団ｘ−１とｘ＋１の状態を｜１＞に戻す。
【００３８】
この一連のπパルス照射では、最初と最後の８個のπパルスに関しては、８個のパルス間での照射順は問わない。８個のパルス中、物理系集団ｘ−１に作用する４個（ωｘ−１，１ｅ，ｇｇ、ωｘ−１，１ｅ，ｇｅ、ωｘ−１，１ｅ，ｅｇ、ωｘ−１，１ｅ，ｅ）のπパルスとｘ＋１に作用する４個（ωｘ＋１，１ｅ，ｇｇ、ωｘ＋１，１ｅ，ｇｅ、ωｘ＋１，１ｅ，ｅｇ、ωｘ＋１，１ｅ，ｅｅ）のπパルスとは、同時に照射してもよい。
【００３９】
本発明では、このような光パルス照射により、Ｓ．Ｌｌｏｙｄの方法における角周波数ωｐｚｚ’の光パルス照射と同じ効果を、量子ビットの｜０＞、｜１＞の違いでは相互作用変化による遷移周波数変化が起こらない物理系を利用しているにもかかわらず、得ることができる。これにより、本発明の３状態系を含む薄膜の積層構造でも、上述の交換操作、Ｆｒｅｄｋｉｎゲートが可能になる。
【００４０】
端にある物理系集団Ａ（Ｅ）の個別操作は、角周波数ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇ、あるいはωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅの光照射で行うことができる。例えば、３つの光パルス、すなわちωＡ（Ｅ），０ｅ，ｑのπパルス、ωＡ（Ｅ），１ｅ，ｑのＭパルス、ωＡ（Ｅ），０ｅ，ｑのπパルスの照射で、上に隣接する物理系集団が｜ｑ＞（ｑ＝ｇ，ｅ）の場合に、物理系集団Ａ（Ｅ）に回転ゲート操作を施すことができる。
【００４１】
また、上記の８個、３個、８個の光パルス照射における真ん中の３個の光を照射する際、光パルスをＭパルスとすることにより、物理系集団ｘの状態を物理系集団ｘ−１とｘ＋１がそれぞれもともと（８個のπパルスの照射前）状態｜ｚ＞、｜ｚ’＞であった場合のみ回転することが可能である。
【００４２】
以上のように、Ａ（Ｅ）への個別操作、指定した種類の物理系集団間での交換操作、Ｆｒｅｄｋｉｎゲート、回転ゲートが可能になり、それらの組み合わせで、積層した薄膜への情報の読み込み、情報の処理、情報の読み出しが可能になり、量子計算ができるようになる。
【００４３】
以上に示した実施形態によれば、積層した膜全体に、周波数と強度を調整した光パルスを順次照射することで、量子ビットの十分に長いコヒーレンス時間と、厳しい微細加工を不必要にすることと、大きな読み出し信号と、量子ビット数の十分な拡張性とを可能にすることができる。
【実施例】
【００４４】
本実施例の量子計算機と量子計算方法では、３つのエネルギー状態を持つ物理系として、Ｙ２ＳｉＯ５結晶の０．００５％のＹ３＋イオンをＰｒ３＋イオンに置換したＰｒ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶と、Ｙ２ＳｉＯ５結晶の０．００５％のＹ３＋イオンＥｕ３＋イオンに置換したＥｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶と、Ｙ２ＳｉＯ５結晶の０．００５％のＹ３＋イオンＥｒ３＋イオンに置換したＥｒ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶とを用いる。それぞれの結晶内の希土類イオンの電子基底状態にあるイオンの核スピンの状態の２つを、｜０＞、｜１＞として量子ビットを表す。
【００４５】
図６を用いて、本実施例の量子計算機について説明する。
実施例の量子計算機は、アルゴンイオンレーザー６０１、リング色素レーザー（レーザーＥＲ）６０２、リング色素レーザー（レーザーＥＵ）６０３、リング色素レーザー（レーザーＰＲ）６０４、３つのレーザー周波数狭窄化システム６０５、５つのビームスプリッター６０６、５つのミラー６０７、周波数設定用電気光学効果素子６０８、３つの周波数設定用音響光学効果素子６０９、４つの強度設定用音響光学効果素子６１０、制御装置部６１１、２つのレンズ６１２、光ファイバー６１３、６１４、フォトダイオード６１５、積層部１０３、クライオスタット１０４、光導入部１０６、光取り出し部１０７を含む。
【００４６】
アルゴンイオンレーザー６０１はレーザーを生成し、このレーザーはビームスプリッター６０６で２本に分けられ、一方はリング色素レーザー（レーザーＥＲ）６０２に入力され、他方は他のビームスプリッター６０６で２本に分けられる。このビームスプリッター６０６によって分けられたレーザーは、リング色素レーザー（レーザーＥＵ）６０３の入力と、ミラー６０７で反射してリング色素レーザー（レーザーＰＲ）６０４の入力となる。
【００４７】
それぞれのレーザー周波数狭窄化システム６０５は、それぞれのリング色素レーザーからの出力レーザー（レーザーＥＲ、レーザーＥＵ、レーザーＰＲ）のスペクトル幅を１ｋＨｚに狭窄化する。レーザーＰＲを狭窄化したレーザーは、ビームスプリッター６０６で２本に分けられミラー６０７を使用して、それぞれのレーザーとも周波数設定用音響光学効果素子６０９と強度設定用音響光学効果素子６１０に入力される。周波数設定用音響光学効果素子６０９はレーザーの周波数の時間変化を設定し、強度設定用音響光学効果素子６１０はレーザーの強度の時間変化を設定する。レーザーＥＵを狭窄化したレーザーは、そのまま周波数設定用音響光学効果素子６０９を介し強度設定用音響光学効果素子６１０に入力される。周波数設定用と強度設定用の音響光学効果素子に導かれ、周波数と強度の時間変化を与えられる。
レーザーＥＲを狭窄化したレーザーは、周波数設定用電気光学効果素子６０８を介して強度設定用音響光学効果素子６１０に入力される。周波数設定用電気光学効果素子６０８は、周波数設定用音響光学効果素子６０９よりも高周波での動作が可能である。レーザーＥＲを狭窄化したレーザーは、他の２本のレーザーよりも大きな周波数シフトを必要とするので、周波数設定用電気光学効果素子６０８を使用する。
【００４８】
周波数と強度が設定されたレーザーＰＲ、レーザーＥＵ、レーザーＥＲの各１本ずつは、ミラー６０７と２つのビームスプリッター６０６で光路が合わせられ、ちょうどクライオスタット１０４内に設置した積層した積層部１０３の薄膜部（１ｍｍ×１ｍｍの部分）に一様に照射される程度にレンズ６１２で集光され、クライオスタット１０４の窓を通して積層した薄膜に照射される。レーザーＰＲの残りの１本は、レンズ６１２を通して光導入部１０６へと続く光ファイバー６１３に入射される。
【００４９】
制御装置部６１１は、周波数設定用電気光学効果素子６０８、周波数設定用音響光学効果素子６０９、強度設定用音響光学効果素子６１０を制御し、これらの素子によって、量子ビットの操作または読み出しに必要な光パルスを生成する。
【００５０】
フォトダイオード６１５は、光取り出し部１０７が取り出した光を、光ファイバー６１４を経由して受け取り光の強度を測定する。
【００５１】
積層部１０３では、３種類の結晶で薄膜が形成され、それらが積層されている。本実施例では、Ｐｒ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶の薄膜、Ｅｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶の薄膜、Ｅｒ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶の薄膜をそれぞれ薄膜ＰＲ、ＥＵ、ＥＲとする。薄膜は５ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍのＳｉＯ２基板上に、基盤に近い方から薄膜ＰＲ、ＥＵ、ＥＲ、ＰＲ、ＥＵ、ＥＲ、ＰＲ、．．．と周期的に積層され、それぞれの薄膜の間にはＳｉＯ２の分離層があり、薄膜および分離層の厚さは５０ｎｍである。また基板に接している端の薄膜ＰＲを薄膜ＰＲ（Ｅ）とする。薄膜ＰＲ（Ｅ）以外の薄膜のサイズ（基板面方向）は１ｍｍ×１ｍｍである。薄膜ＰＲ（Ｅ）のサイズは１ｍｍ×７ｍｍで光導波路構造になっており、他の薄膜が積層している１ｍｍ×１ｍｍの領域のみＰｒ３＋イオンを含み、他の部分はＹ２ＳｉＯ５である。
【００５２】
一番下の薄膜は導波路構造になっており、外部からの光の導入および光導波路からの透過光取出しに利用する、カップリン用のプリズムとレンズ、光ファイバーからなる、光導入部および光取り出し部が取り付けられている。薄膜ＰＲ ７０１、薄膜ＥＵ ７０２、薄膜ＥＲ ７０３を５周期分積層した場合の一例を図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示す。なお、図７（Ａ）、図７（Ｂ）ではそれぞれの位置関係を表し、相対的な大きさは必ずしも正しく表現されていない。特に薄膜を積層した部分は厚さ方向を拡大して描かれている。
【００５３】
このような構造は、スパッタリングで積層し、エッチングで加工して作製してもよいし、基板２０６に単結晶をオプティカルコンタクトで接着して、化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）により膜にし、分離層２０５を接着し、また研磨して分離層２０５を膜にする。という工程を繰り返して積層膜を作製し、エッチングで加工してもよい。
【００５４】
積層した薄膜は、クライオスタット１０４中で１．５Ｋに保たれ、光導入部１０６および光取り出し部１０７につながる光ファイバー６１３、６１４がクライオスタット１０４の外にのびている。光導入部１０６への光ファイバー６１３は光源部（アルゴンイオンレーザー６０１、リング色素レーザー（レーザーＥＲ）６０２、リング色素レーザー（レーザーＥＵ）６０３、リング色素レーザー（レーザーＰＲ）６０４）に接続されており、光取り出し部１０７からの光ファイバー６１４は量子ビット読み出し部（フォトダイオード６１５）へ出力光を導く。光源部からの光は２種類に分けられている。片方はクライオスタット１０４の窓から、積層した薄膜に照射され、もう片方は、光ファイバー６１３を通して薄膜ＰＲ（Ｅ）中のＰｒ３＋イオンに照射される。
【００５５】
次に、図６の量子計算機を用い、本実施例で必要な量子ビットとして利用する希土類イオンを選択する前処理、および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方法を説明する。
【００５６】
薄膜ＲＥＩ（ＲＥＩ＝ＰＲ，ＰＲ（Ｅ），ＥＵ，ＥＲ）に関して、電子基底状態にある希土類イオン（ＲＥＩ＝ＰＲの場合Ｐｒ３＋イオン、ＥＵの場合Ｅｕ３＋イオン、ＥＲの場合Ｅｒ３＋イオン）の核スピンの状態のうち、量子ビットとして利用する２つの状態を｜０＞ＲＥＩ、｜１＞ＲＥＩ、量子ビットとして利用しない状態を｜ａ＞ＲＥＩとし、｜０＞ＲＥＩ−｜１＞ＲＥＩ間の遷移角周波数をωＲＥＩ，０１、｜ａ＞ＲＥＩ−｜０＞ＲＥＩ間の遷移角周波数をωＲＥＩ，ａ０とする。ただし本実施例ではωＰＲ，０１とωＰＲ（Ｅ），０１との差、およびωＰＲ，ａ０とωＰＲ（Ｅ），ａ０との差は無視できる。また、状態｜０＞ＲＥＩ、｜１＞ＲＥＩ、｜ａ＞ＲＥＩのうち、｜１＞ＲＥＩが最もエネルギーが高く、次に｜０＞ＲＥＩのエネルギーが高く、｜ａ＞ＲＥＩが最もエネルギーが低いとする。
【００５７】
ここで、ある薄膜ＲＥＩの１つ下と１つ上の薄膜をそれぞれ薄膜ＲＥＩ−１、薄膜ＲＥＩ＋１とする。薄膜ＰＲ−１と薄膜ＰＲ＋１が｜０＞か｜１＞の状態にある場合の薄膜ＰＲのＰｒ３＋イオンの３Ｈ４−１Ｄ２遷移と不均一幅の範囲内で共鳴する角周波数をωＰＲ，０ｅ，ｇｇ、薄膜ＥＵ−１と薄膜ＥＵ＋１が｜０＞か｜１＞の状態にある場合の薄膜ＥＵのＥｕ３＋イオンの７Ｆ０−５Ｄ０間遷移と不均一幅の範囲内で共鳴する角周波数をωＥＵ，０ｅ，ｇｇ、薄膜ＥＲ−１と薄膜ＥＲ＋１が｜０＞か｜１＞の状態にある場合の薄膜ＥＲのＥｒ３＋イオンの４Ｉ１５／２−４Ｆ９／２間遷移と不均一幅の範囲内で共鳴する角周波数をωＥＲ，０ｅ，ｇｇとする。さらに薄膜ＥＵ（ＰＲ（Ｅ）＋１）が｜０＞ＥＵか｜１＞ＥＵの場合の薄膜ＰＲ（Ｅ）のＰｒ３＋イオンの３Ｈ４−１Ｄ２遷移と不均一幅の範囲内で共鳴する角周波数をωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇ、薄膜ＥＵ（ＰＲ（Ｅ）＋１）が｜ｅ＞ＥＵの場合の薄膜ＰＲ（Ｅ）のＰｒ３＋イオンの３Ｈ４−１Ｄ２遷移と不均一幅の範囲内で共鳴する角周波数をωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｅとする。ただし、本実施例では、｜ωＰＲ，０ｅ，ｇｇ−ωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇ｜＞１ＧＨｚとする。
【００５８】
次の操作（１）、（２）を、ＲＥＩ＝ＰＲ、ＰＲ（Ｅ）、ＥＵ、ＥＲに対して順次行う。（１）角周波数ωＲＥＩ，０ｅ，ｇｇ−５００×２πｋＨｚ〜ωＲＥＩ，０ｅ，ｇｇ＋５００×２πｋＨｚの範囲で角周波数を掃引しながらレーザーを照射する。（２）次に、ωＲＥＩ，０ｅ，ｇｇ−ωＲＥＩ，０１（ＲＥＩ＝ＰＲ（Ｅ）の場合はωＲＥＩ，０ｅ，ｇ−ωＲＥＩ，０１）の光を１００ｍｓ照射する。これらの操作により、角周波数ωＲＥＩ，０ｅ，ｇｇの光を照射した場合、その光と共鳴する主な希土類イオンが、｜０＞ＲＥＩ−｜ｅ＞ＲＥＩ間遷移（もし、｜１＞ＲＥＩのエネルギーが｜０＞ＲＥＩよりも小さければ｜１＞ＲＥＩ−｜ｅ＞ＲＥＩ間遷移となる）が共鳴する希土類イオンとなる。
【００５９】
次に、角周波数ωＥＵ，０ｅ，ｇｇのπパルスを照射して、Ｅｕ３＋イオンを状態｜ｅ＞ＥＵにする。次いで、ωＰＲ，０ｅ，ｇｇからΔωＰＲ，０ｅ，ｇｅだけずらした角周波数ωＰＲ，０ｅ，ｇｇ＋ΔωＰＲ，０ｅ，ｇｅを中心に角周波数ΔωＰＲ，ｂｉｔ＝１０×２πｋＨｚの幅の角周波数領域を除いた約１×２πＭＨｚの領域に対し、その領域内の角周波数ωＰＲ，ｒｅのπパルスと、ωＰＲ，ｒｅ＋ωＰＲ，ａ０のπパルス（もし、状態｜０＞ＰＲのエネルギーが状態｜ａ＞ＰＲのエネルギーよりも低ければωＰＲ，ｒｅ−ωＰＲ，ａ０のπパルス）との組を、ωＰＲ，ｒｅの値やパルスの長さを適宜変えながら１０組程度照射する。再び角周波数ωＥＵ，０ｅ，ｇｇのπパルスを照射してＥｕ３＋イオンを状態｜０＞ＥＵに戻す。この操作により、｜０＞ＰＲにあるＰｒ３＋イオンとして、Ｅｕ３＋が状態｜０＞ＥＵにある場合に比べて｜ｅ＞ＥＵにある場合には、集団としてエネルギー的に片側にΔωＰＲ，０ｅ，ｇｅだけずれるイオン、すなわちωＰＲ，０ｅ，ｇｅ＝ωＰＲ，０ｅ，ｇｇ＋ΔωＰＲ，０ｅ，ｇｅのイオンを選択することができる。
【００６０】
このイオン選択作業において、πパルス照射によりＥｕ３＋イオンを状態｜ｅ＞ＥＵにした後、再びπパルスを照射してＥｕ３＋イオンを状態｜０＞ＥＵに戻すまでの間、薄膜ＰＲだけでなく、同時に薄膜ＰＲ（Ｅ）のＰｒ３＋イオンにも、同様の操作をする。すなわち、角周波数ωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇ＋ΔωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｅを中心に角周波数ΔωＰＲ（Ｅ），ｂｉｔ＝１０×２πｋＨｚの幅の角周波数領域を除いた約１×２πＭＨｚの領域に対し、その領域内の角周波数ωＰＲ（Ｅ），ｒｅのπパルスと、ωＰＲ（Ｅ），ｒｅ＋ωＰＲ（Ｅ），ａ０のπパルスの組を、ωＰＲ（Ｅ），ｒｅの値やパルスの長さを適宜変えながら１０組程度照射する。これにより薄膜ＰＲ（Ｅ）のＰｒ３＋イオンに関しても、ωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｅ＝ωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇ＋ΔωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｅのイオンを選択する。
【００６１】
さらに、角周波数ωＥＲ，０ｅ，ｇｇのπパルスを照射して、Ｅｒ３＋イオンを状態｜ｅ＞ＥＲにする。次いで、角周波数ωＥＵ，０ｅ，ｇｇ＋ΔωＥＵ，０ｅ，ｇｅを中心に角周波数ΔωＥＵ，ｂｉｔ＝１０×２πｋＨｚの幅の角周波数領域を除いた約１×２πＭＨｚの領域に対し、その領域内の角周波数ωＥＵ，ｒｅのπパルスと、ωＥＵ，ｒｅ＋ωＥＵ，ａ０のπパルス（もし、状態｜０＞ＥＵのエネルギーが状態｜ａ＞ＥＵのエネルギーよりも低ければωＥＵ，ｒｅ−ωＥＵ，ａ０のπパルス）の組を、ωＥＵ，ｒｅの値やパルスの長さを適宜変えながら１０組程度照射し、再び角周波数ωＥＲ，０ｅ，ｇｇのπパルスを照射してＥｒ３＋イオンを状態｜０＞ＥＲに戻す。これにより、薄膜ＥＵのＥｕ３＋イオンに関しても、ωＥＵ，０ｅ，ｇｅ＝ωＥＵ，０ｅ，ｇｇ＋ΔωＥＵ，０ｅ，ｇｅのイオンを選択する。
【００６２】
さらに、角周波数ωＰＲ，０ｅ，ｇｇのπパルスを照射して、Ｐｒ３＋イオンを状態｜ｅ＞ＰＲにする。次いで、角周波数ωＥＲ，０ｅ，ｇｇ＋ΔωＥＲ，０ｅ，ｇｅを中心に角周波数ΔωＥＲ，ｂｉｔ＝１０×２πｋＨｚの幅の角周波数領域を除いた約１×２πＭＨｚの領域に対し、その領域内の角周波数ωＥＲ，ｒｅのπパルスと、ωＥＲ，ｒｅ＋ωＥＲ，ａ０のπパルス（もし、状態｜０＞ＥＲのエネルギーが状態｜ａ＞ＥＲのエネルギーよりも低ければωＥＲ，ｒｅ−ωＥＲ，ａ０のπパルス）の組を、ωＥＲ，ｒｅの値やパルスの長さを適宜変えながら１０組程度照射し、再び角周波数ωＰＲ，ｇｅのπパルスを照射してＰｒ３＋イオンを状態｜０＞ＰＲに戻す。これにより、薄膜ＥＲのＥｒ３＋イオンに関しても、ωＥＲ，０ｅ，ｇｅ＝ωＥＲ，０ｅ，ｇｇ＋ΔωＥＲ，０ｅ，ｇｅのイオンを選択する。
【００６３】
この時点で、薄膜ＲＥＩ中にあり、隣接する薄膜の希土類イオンが電子基底状態（｜０＞か｜１＞）にある場合の｜０＞ＲＥＩ−｜ｅ＞ＲＥＩ間遷移が角周波数ωＲＥＩ，０ｅ，ｇｇの光に共鳴する希土類イオンの中から、隣接する薄膜中の希土類イオンが電子基底状態にあるか電子励起状態（｜ｅ＞）にあるかで、｜０＞ＲＥＩ−｜ｅ＞ＲＥＩ間遷移（および｜１＞ＲＥＩ−｜ｅ＞ＲＥＩ間遷移）がエネルギー的に片側に変化するイオンの選択と、そのイオンの状態を｜０＞にすることができていると考えられる。また、予め上述の操作により選択したイオンを、適宜選択的に｜ｅ＞の状態にして、他の種類のイオンの吸収スペクトルを測定することで、ωＲＥＩ，０ｅ，ｅｇ（薄膜ＲＥＩ−１が｜ｅ＞、薄膜ＲＥＩ＋１が｜０＞か｜１＞の場合）とωＲＥＩ，０ｅ，ｅｅ（薄膜ＲＥＩ−１と薄膜ＲＥＩ＋１がともに｜ｅ＞の場合）の値を得ることができる。
本実施例では、以上の前処理により｜０＞ＲＥＩにした希土類イオンの集団を薄膜単位で量子ビットとする。
【００６４】
これらの量子ビットに、角周波数ωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇとωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇ−ωＰＲ（Ｅ），０１あるいはωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｅとωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｅ−ωＰＲ（Ｅ），０１の光を照射することで、端の量子ビット（薄膜ＰＲ（Ｅ））の個別操作ができる。例えば、上述した前処理の後、まず角周波数ωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇのπパルス、次にωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇ−ωＰＲ（Ｅ），０１のＭパルス、最後に再びωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇのπパルスという具合に３つの光パルスを照射することで、端の量子ビットにＭだけ回転させる回転ゲート操作を施すことができる。真ん中のＭパルスの替わりにπパルスを用いれば、反転ゲートとなる。
【００６５】
また、角周波数ωＲＥＩ−１，１ｅ，ｇｇ＝ωＲＥＩ−１，０ｅ，ｇｇ−ωＲＥＩ，０１、ωＲＥＩ−１，１ｅ，ｇｅ＝ωＲＥＩ−１，０ｅ，ｇｅ−ωＲＥＩ，０１、ωＲＥＩ−１，１ｅ，ｅｇ＝ωＲＥＩ−１，０ｅ，ｅｇ−ωＲＥＩ，０１、ωＲＥＩ−１，１ｅ，ｅｅ＝ωＲＥＩ−１，０ｅ，ｅｅ−ωＲＥＩ，０１、ωＲＥＩ＋１，１ｅ，ｇｇ＝ωＲＥＩ＋１，０ｅ，ｇｇ−ωＲＥＩ，０１、ωＲＥＩ＋１，１ｅ，ｇｅ＝ωＲＥＩ＋１，０ｅ，ｇｅ−ωＲＥＩ，０１、ωＲＥＩ＋１，１ｅ，ｅｇ＝ωＲＥＩ＋１，０ｅ，ｅｇ−ωＲＥＩ，０１、ωＲＥＩ＋１，１ｅ，ｅｅ＝ωＲＥＩ＋１，０ｅ，ｅｅ−ωＲＥＩ，０１の８個のπパルスを照射し、次いでωＲＥＩ，０ｅ，ｑｑ’のπパルス、ωＲＥＩ，１ｅ，ｑｑ’のＭパルス、ωＲＥＩ，０ｅ，ｑｑ’のπパルス（ｑ＝ｇ，ｅ、ｑ’＝ｇ，ｅ）の３個の光パルスを照射し、再び、始めの８個のπパルスと同じ光パルスを照射することで、薄膜ＥＲＩの量子ビットを、その上下に隣接する量子ビットの値がそれぞれｑ、ｑ’にそれぞれ対応させたｚ、ｚ’の値に応じて（ｑ＝ｇならばｚ＝０、ｑ＝ｅならばｚ＝１、ｑ’＝ｇならばｚ’＝０、ｑ’＝ｅならばｚ’＝１）、薄膜ＲＥＩ−１はｚ、薄膜ＲＥＩ＋１はｚ’の場合のみ、Ｍだけ回転させることができる。真ん中のＭパルスの替わりにπパルスを用いれば、薄膜ＲＥＩに同様に条件付の反転ゲート操作を施すことができる。
【００６６】
したがって、これらの組み合わせで、指定した種類の希土類イオン集団からなる量子ビット間での交換操作、Ｆｒｅｄｋｉｎゲートが可能になり、さらに積層した薄膜の量子ビットへの情報の読み込み、情報の処理が可能になる。
【００６７】
処理後の情報（量子ビットの値）は、交換操作により、順番に端の量子ビット（薄膜ＰＲ（Ｅ））に送って、順次読み出せばよい。読み出す際は、角周波数ωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇの光と、ωＰＲ，０ｅ，ｅの光を光導波路を通して照射し、どちらの場合も透過光強度の減少がなければ、量子ビットは｜１＞であり、どちらかに吸収による透過光強度減少が見られれば、量子ビットは｜０＞である。その際、吸収による発光の増大を観測することで、量子ビットの読み出しを行ってもよい。
【００６８】
以上の実施例において、薄膜ＰＲ（Ｅ）への光照射は、積層した薄膜全体に光を照射する方法でも、光導波路を利用する方法のいずれの方法でもよい。
【００６９】
また、上記（２）の操作の際、角周波数ωＲＥＩ，０ｅ，ｇｇ−ωＲＥＩ，０１（ＲＥＩ＝ＰＲ（Ｅ）の場合はωＲＥＩ，０ｅ，ｇ−ωＲＥＩ，０１）の光の代わりにωＲＥＩ，０ｅ，ｇｇ＋ωＲＥＩ，０１（ＲＥＩ＝ＰＲ（Ｅ）の場合はωＲＥＩ，０ｅ，ｇ＋ωＲＥＩ，０１）の光を照射して、角周波数ωＲＥＩ，０ｅ，ｇｇの光を照射した場合、その光と共鳴する主な希土類イオンが、｜１＞ＲＥＩ−｜ｅ＞ＲＥＩ間遷移が共鳴する希土類イオンとなるようにしてもよい。
【００７０】
以上のように、本実施例の量子計算機および方法によって、積層した、希土類イオンを含む膜全体に、周波数と強度を調整した光パルスを順次照射することで、量子ビットの十分に長いコヒーレンス時間と、厳しい微細加工を不必要にすることと、大きな読み出し信号と、量子ビット数の十分な拡張性とを可能にすることができる。
【００７１】
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】
【００７２】
【図１】実施形態の量子計算機のブロック図。
【図２】図１の積層部の一例を示す図。
【図３】指定した種類の物理系間での交換操作の一例を示す図。
【図４】指定した種類の物理系間でのＦｒｅｄｋｉｎゲート操作の一例を示す図。
【図５】指定した種類の物理系での反転操作の一例を示す図。
【図６】実施例の量子計算機のブロック図。
【図７】図６の光取り出し部、積層部、光導入部を示す図。
【符号の説明】
【００７３】
１０１・・・光源部、１０２・・・光学効果制御部、１０３・・・積層部、１０４・・・クライオスタット、１０５・・・光強度測定部、１０６・・・光導入部、１０７・・・光取り出し部、２０５・・・分離層、２０６・・・基板、６０１・・・アルゴンイオンレーザー、６０５・・・レーザー周波数狭窄化システム、６０６・・・ビームスプリッター、６０７・・・ミラー、６０８・・・周波数設定用電気光学効果素子、６０９・・・周波数設定用音響光学効果素子、６１０・・・強度設定用音響光学効果素子、６１１・・・制御装置部、６１２・・・レンズ、６１３、６１４・・・光ファイバー、６１５・・・フォトダイオード。
【技術分野】
【０００１】
本発明は薄膜中の物理系集団を使用する量子計算機および方法に関する。
【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（量子力学的な重ね合わせの状態の保持時間）を持つ。この性質は、重ね合わせの状態で情報を表し、情報処理を行う、量子コンピュータを始めとする量子情報処理デバイスを固体で実現する物理系に要求される最も重要な性質である。さらにこの結晶中の核スピンの状態は、ノイズが少なく制御性のよい光で制御および読出しができる。これらの特長を持つため、結晶中の希土類イオンの核スピンの状態は、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、個々のイオンの核スピンの状態をそれぞれ１つの量子ビットとし、不均一幅で分布し、固定され時間的に変化することのない、固体特有の遷移角周波数の、イオンごとの相違（気体の不均一幅は個々の原子、分子の運動に起因するため、個々の原子、イオンの遷移角周波数は、衝突による運動量変化で時々刻々変化する）を利用して、操作する光の周波数を調整することで、量子ビットの個別操作をする方法がある。この方法では、光共振器を利用し、個々の量子ビットを共通の共振器モードに共鳴させることで、量子ビットがほぼ完全に周波数空間で扱えるようになる。つまり個別の量子ビットへのアクセス、量子ビット間の結合において、実空間における量子ビット間相互の位置が重要な意味を持たなくなり、厳しい微細加工や電極の作りこみを必要としない量子コンピュータが可能になる（例えば非特許文献１参照）。
【０００３】
この個々の量子ビットへのアクセスに関して、上記の方法と同様に結晶中のイオンの遷移角周波数の違いを利用し、結晶の加工や電極の作り込みを必要としない利点を有する別の方法も提案されている（例えば非特許文献２参照）。この方法では、量子ビットごとに定められたある範囲内に遷移角周波数を持つ複数のイオンを１つの量子ビットとする。複数のイオンで量子ビットを構成することにより、単一イオンの場合に比べ、大きな読み出し信号を得ようという狙いである。この方法では、量子ビット間の結合に、イオン間の双極子−双極子相互作用を利用する。ある量子ビットを構成するそれぞれのイオンに関して、そのイオンのたまたま近くにあるもう片方の量子ビットを構成するイオンとの間に生じるイオン−イオン間相互作用（双極子−双極子相互作用）を利用するのである。
ところがこの方法では、量子ビット数を増やしていくと、１つの量子ビットを表すイオンの数が減り、読み出しの信号強度が弱くなると考えられる。また、量子ビット数を増やすと２つの量子ビットを表す物理系間の平均の距離が大きくなり、結合のための相互作用も弱まってしまう。相互作用の大きいイオンだけを選択すると、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。
【０００４】
量子ビットとして用いる物理系の遷移角周波数の違いで量子ビットを区別する、さらに別の方法も提案されている。
この方法では、互いに隣接する物理系同士に相互作用がある、３種類の物理系を周期的に配列する（例えば非特許文献３参照）。種類の異なる物理系同士では、遷移角周波数が異なるが、同種の物理系では一致している。この配列された物理系全体に、３種類のうちのいずれかの物理系の遷移角周波数に共鳴する光を照射することで、同種の物理系は同時に並行して操作される。このような同時並行操作を、順次照射光の周波数を変え操作する物理系の種類を変えながら、繰り返す。このような操作の際、端の物理系だけは単独に操作し、またある物理系の遷移角周波数が隣接する物理系の量子状態に応じて変化することを利用することで、情報の読み込みと処理および読み出しを行う。
【非特許文献１】Opt. Commun. 196, 119 (2001).
【非特許文献２】Phys. Rev. A 71, 062328 (2005).
【非特許文献３】Science 261, 1569 (1993).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この方法では、物理系として高分子鎖を構成する原子団（単量体）を想定しており、その単量体の励起状態と基底状態の２状態のみを利用し、その状態を量子ビットとする。したがってコヒーレンス時間の十分に長い物理系が具体的には示されてなく、またそのような系（例えば核スピンの状態）を量子ビットとして利用する場合に必要となる具体的な方法についても示されていない。
【０００６】
多数の量子ビットによる実用的な量子コンピュータを実現する方法としては、以下の条件を満たすようなものが望ましい。すなわち、（１）量子ビットが十分に長いコヒーレンス時間を持ち、（２）厳しい微細加工による結晶加工や電極の作り込みを必要としないという、照射光の周波数で量子ビットを区別する方法が有するような、利点があり、かつ（３）大きな読み出し信号を得るのに十分に多数の物理系からなる物理系集団を１つの量子ビットとすることができ、さらに（４）量子ビット数に十分な拡張性のある方法、が望ましい。しかしこれらを実現する具体的な方法は知られていない。
【０００７】
本発明の目的は、量子ビットの十分に長いコヒーレンス時間と、厳しい微細加工を不必要にすることと、大きな読み出し信号と、量子ビット数の十分な拡張性とを可能にする、量子計算機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】
【０００８】
上述の課題を解決するため、本発明の量子計算機は、３種類の物理系、物理系Ａ、物理系Ｂ、物理系Ｃに関して、それぞれが３つの異なるエネルギー状態｜０＞ｘ、｜１＞ｘ、｜ｅ＞ｘを有し、｜０＞ｘあるいは｜１＞ｘあるいは｜０＞ｘと｜１＞ｘとの量子力学的な重ね合わせの状態で量子ビットを表す場合に（ｘ＝Ａ，Ｂ，Ｃ、添え字のｘは物理系ｘの状態であることを表す）、複数の物理系Ａからなる物理系集団Ａを含む薄膜Ａと、複数の物理系Ｂからなる物理系集団Ｂを含む薄膜Ｂと、複数の物理系Ｃからなる物理系集団Ｃを含む薄膜Ｃが、下から順に薄膜Ａから始まって、薄膜Ｂ、薄膜Ｃ、薄膜Ａ、薄膜Ｂ、薄膜Ｃ、薄膜Ａ、．．．と順に繰り返し重ねられた積層部と、一番下の薄膜Ａ（薄膜Ａ（Ｅ）とする）中の前記物理系集団Ａ（物理系集団Ａ（Ｅ）とする）の｜ｙ＞Ａ（Ｅ）−｜ｅ＞Ａ（Ｅ）間遷移角周波数に関して（ｙ＝０，１）、上に隣接する薄膜Ｂ中の物理系集団Ｂが｜ｙ’＞Ｂ（ｙ’＝０，１）にある場合の遷移角周波数をωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇとし、該物理系集団Ｂが｜ｅ＞Ｂにある場合の遷移角周波数をωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅとし、下から２番目以降の薄膜ｘ中の物理系集団ｘの｜ｙ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移角周波数に関して、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ’＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｇｇとし、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団は｜ｅ＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｇｅとし、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｅ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団は｜ｙ’＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｅｇとし、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｅ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団も｜ｅ＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｅｅとした場合に、角周波数がそれぞれωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇ、ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅ、ωｘ，ｙｅ，ｇｇ、ωｘ，ｙｅ，ｇｅ、ωｘ，ｙｅ，ｅｇ、ωｘ，ｙｅ，ｅｅである光であり、かつ、スペクトル幅が互いの角周波数差よりも狭い光を発生して、前記積層部の薄膜に照射する光源部と、前記光の周波数と強度とを制御する制御装置部と、薄膜Ａ（Ｅ）中の物理系集団Ａ（Ｅ）からの発光や物理系集団Ａ（Ｅ）を通りぬけてくる光の透過光強度を測定することにより物理系集団のＡ（Ｅ）の量子状態を測定する量子ビット読み出し部と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の量子計算機および方法によれば、量子ビットの十分に長いコヒーレンス時間と、厳しい微細加工を不必要にすることと、大きな読み出し信号と、量子ビット数の十分な拡張性とを可能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る量子計算機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。
本発明は、それぞれ３つのエネルギー状態を持ち、そのうちの長いコヒーレンス時間を持つ２つの状態を量子ビットとする３種類の物理系Ａ、Ｂ、Ｃの集団をそれぞれ含む３種類の薄膜Ａ、Ｂ、ＣをＡＢＣＡＢＣＡ．．．と周期的に重ね、互いに隣接する薄膜の片方の薄膜中の物理系集団が量子ビットを表す状態にあるか否かでもう片方の薄膜中の物理系集団の量子ビットを表す状態と量子ビットを表さない３つ目の状態との間の遷移角周波数が変化することを利用し、重ねた膜全体に周波数と強度を調整した光パルスを順次照射することで、量子ビットの十分に長いコヒーレンス時間と、厳しい微細加工を不必要にすることと、大きな読み出し信号と、量子ビット数の十分な拡張性とを可能にすることができる。
【００１１】
次に、実施形態の量子計算機について図１を参照して説明する。
量子計算機は、光源部１０１、光学効果制御部１０２、積層部１０３、クライオスタット１０４、光強度測定部１０５、光導入部１０６、光取り出し部１０７を含む。
【００１２】
光源部１０１は、レーザーを生成しこのレーザーのスペクトル幅を搾取化する。光源部１０１は例えば３種類のレーザーを生成する。
光学効果制御部１０２は、光学効果素子を使用してレーザーの周波数および強度を設定する。
【００１３】
積層部１０３は、３種類の薄膜Ａ、Ｂ、Ｃを基板上にＡ、Ｂ、Ｃの順序で周期的に積層したものである。１つの薄膜は１種類の物理系集団のみを含む。１つの物理系は３つ以上のエネルギー状態を有していてこれらのエネルギー状態のうち、コヒーレンス時間の長い２つの状態を｜０＞と｜１＞とし、｜０＞と｜１＞とで量子ビットを表す。なお、残りの状態は｜ｅ＞とする。３種類の物理系は、互いに、｜０＞−｜ｅ＞間および｜１＞−｜ｅ＞間の遷移角周波数が異なる。
【００１４】
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内部には積層部１０３が設置されている。
光導入部１０６は、光学効果制御部１０２によって制御された光を積層部１０３の最下層の薄膜に導入する。最下層の薄膜は例えば導波路構造になっている。
光取り出し部１０７は、積層部１０３の最下層の薄膜から光を取り出し、光強度測定部１０５に出力する。
光強度測定部１０５は、光取り出し部１０７から取り出された光の強度を測定する。
【００１５】
次に、本発明の実施形態に係る量子計算機および方法について、その動作の機構について説明する。
本発明では、薄膜の中に含まれる多数の物理系からなる物理系集団を１つの量子ビットとし、１つの薄膜が１つの量子ビットに対応する。物理系の３つのエネルギー状態のうち、コヒーレンス時間の長い２つの状態を｜０＞と｜１＞とし、｜０＞と｜１＞とで量子ビットを表す。残りの状態は｜ｅ＞とする。
【００１６】
本発明では、このように量子ビットを構成する物理系として、積層部１０３は、お互い｜０＞−｜ｅ＞間および｜１＞−｜ｅ＞間の遷移角周波数の異なる３種類の物理系、物理系Ａ、Ｂ、Ｃを用い、１つの薄膜は１種類の物理系集団（それぞれ構成する物理系に対応して物理系集団Ａ、Ｂ、Ｃとする）のみを含む（あるいは主となる１種類以外の物理系の影響は無視できるぐらい少ない）とする。３種類の薄膜を、含まれる物理系集団に対応して薄膜Ａ、Ｂ、Ｃとすると、この３種類の薄膜は、次のような間隔で積層されている。すなわち、隣接する薄膜間では、片方の薄膜中の物理系集団が｜０＞か｜１＞にある場合と、｜ｅ＞にある場合で、もう片方の薄膜中の物理系集団との間の相互作用（例えば双極子−双極子相互作用）の大きさが異なり、もう片方の薄膜中の物理系集団の｜０＞−｜ｅ＞間と｜１＞−｜ｅ＞間の遷移角周波数がそれぞれの遷移の均一幅程度以上、低エネルギー側か高エネルギー側のどちらかに集団で変化するが、隣接しない膜同士では相互の影響を無視できるぐらいとなる膜厚で、あるいは膜間に後述する分離層を設ける場合は、膜厚と分離層の厚さで、積層されている。
【００１７】
３種類の薄膜が並ぶ順番は、薄膜Ａを端の薄膜（例えば基板上に薄膜を積層する場合には、基板上の第１層目の薄膜）とすると、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ａ、．．．のように周期的に積層する。
【００１８】
端の薄膜Ａ（Ａ（Ｅ）とする）の中の物理系集団Ａ（Ｅ）は、薄膜Ａ（Ｅ）だけ下に隣接するのが基板である（あるいは基板が上にありＡ（Ｅ）が下の端である場合、Ａ（Ｅ）だけ片側が何にも接していない）ことなどによる、他の薄膜Ａとは異なる｜０＞−｜ｅ＞間、｜１＞−｜ｅ＞間の遷移角周波数を利用して、照射光の角周波数を調整することで、個別に状態を操作でき、また状態を読み出すことができる。あるいは、薄膜Ａ（Ｅ）だけ光導波路構造にし、光導波路を伝播する光で操作することで個別操作を行い、光導波路を透過してくる光強度や物理系集団Ａ（Ｅ）からの発光の測定で、物理系集団Ａ（Ｅ）で構成された量子ビットを読み出すことが可能である。
【００１９】
図２に薄膜Ａ（Ｅ）２０１を導波路構造にした場合に関して、それぞれが１つの量子ビットに対応する薄膜が基板２０６上に積層されている様子を模式的に示す。図２で示した例では、積層された薄膜Ａ ２０４、薄膜Ｂ ２０２、薄膜Ｃ ２０３の間に、分離層２０５が挟まれている。分離層２０５は、薄膜の膜厚を薄くした場合に、隣接していない薄膜中の物理系間での相互作用を抑えるのに有効である。
【００２０】
図２に示すような、ただ３種類の薄膜が積層されただけの構造で量子計算を行うには、例えば、Ｓ．Ｌｌｏｙｄが提案した方法（例えば非特許文献３参照）を変形して適用する。まず、Ｓ．Ｌｌｏｙｄの提案した１次元的に結合した物理系からなる量子計算機の操作方法をＳ．Ｌｌｏｙｄの説明に大体そって説明する。
【００２１】
そこで提案されている量子計算機は、それぞれ基底状態｜０＞と励起状態｜１＞の２状態を持つ３種類の物理系Ｄ、Ｅ、ＦがＤ、Ｅ、Ｆ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｄ、．．．のように１次元的に結合したものである。各物理系は、それぞれ隣接する物理系とのみ相互作用し、隣接する物理系の状態に応じて基底状態と励起状態間の遷移角周波数が変化する。物理系ｐ（ｐ＝Ｄ，Ｅ，Ｆ）の｜０＞、｜１＞をそれぞれ｜０＞ｐ、｜１＞ｐとすると、物理系ｐの左隣の物理系の状態が｜ｚ＞（ｚ＝０，１）、右隣の状態が｜ｚ’＞（ｚ’＝０，１）の場合の｜０＞ｐ−｜１＞ｐ間の遷移角周波数ωｐｚｚ’は、ｚとｚ’の４つの組み合わせに対して全て異なる。また、左端の物理系Ｄ（Ｄ（Ｅ）と呼ぶことにする）だけは、他の物理系Ｄと（物理系Ｅ、Ｆとも）大きく異なる、それぞれ右隣が｜０＞Ｅの場合と｜１＞Ｅの場合の｜０＞Ｄ−｜１＞Ｄ間遷移角周波数であるωＤ０とωＤ１を持ち、個別操作ができると考えられる。
【００２２】
物理系全体へ、角周波数ωＤ０１、ωＤ１１、ωＥ１０、ωＥ１１、ωＤ０１、ωＤ１１のπパルスの列をこの順序で照射すると、Ｄ（Ｅ）以外の物理系Ｄの状態を隣接する物理系Ｅの状態と入れ替えることができる。図３に一例を示す。πパルスは、その光パルスの電場振幅の時間依存を下記（１）とした場合、下記（２）を満たすパルス面積を持つ。
【数１】
【００２３】
【数２】
【００２４】
ここで下記（３）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を示し、下記（４）はディラック定数を示す。
【数３】
【００２５】
【数４】
【００２６】
πパルスは、共鳴した２準位系のラビ振動の半周期分系を時間発展させ、その光パルスと共鳴する遷移で結ばれた２つの状態を入れ替える働きがある。
【００２７】
物理系全体へ、角周波数ωＤ０１、ωＤ１１、ωＥ１１、ωＤ０１、ωＤ１１のπパルス列をこの順序で照射すると、１つながりの物理系Ｄ、Ｅ、Ｆを１つのグループと考えた場合、Ｆが１であるグループのＤとＥのビットが入れ替わる。Ｆが０であるグループのＤとＥは元のままである。図４に一例を示す。このπパルス列照射により、各グループにＦを制御ビットとしたＦｒｅｄｋｉｎゲートを施すことになる。
【００２８】
Ｄ（Ｅ）への個別操作、あるいは、同種の物理系への同時操作の際に照射する光パルスが、下記（５）に示すＭとなるパルス面積を持つ光パルス（Ｍパルスと呼ぶことにする）を用いると、共鳴した２状態｜０＞と｜１＞をラビ振動のＭ／（２π）周期分時間発展させ、一般に下記（６）に示す状態を、下記（７）に示す状態へ変化させる。
【数５】
【００２９】
【数６】
【００３０】
【数７】
【００３１】
始め重ね合わせではない状態（α＝１あるいはβ＝１）を重ね合わせの状態にすることもできる。これは、１量子ビットゲートの１つである回転ゲートになっている。
【００３２】
上記の、Ｄ（Ｅ）への個別操作、指定した種類の物理系間での交換操作、グループ内の物理系Ｆの値を制御ビットとしたＦｒｅｄｋｉｎゲート、回転ゲートの組み合わせにより、Ｓ．Ｌｌｏｙｄの提案した１次元的に結合した物理系への情報の読み込み、情報の処理、情報の読み出しが可能になる。情報は、最初Ｄ（Ｅ）に書き込まれ、交換操作により、他の物理系に運ばれる。これを繰り返し、複数の物理系に記憶される。情報処理は、交換操作による物理系間での情報の移動と例えばＦｒｅｄｋｉｎゲートを行うことにより行われる。また情報の読み出しは、交換操作による情報のＤ（Ｅ）への移動と、Ｄ（Ｅ）の個別操作による応答を調べて行われる。このようにして量子計算ができる。以上がＳ．Ｌｌｏｙｄが提案した量子計算機の操作方法である。
【００３３】
次に、物理系の３つの状態を使い、そのような物理系を含む薄膜を積層させた本発明の量子計算機で量子計算を行うために、どのように上記の方法を変形するかを説明する。
【００３４】
本発明の方法では、隣接する物理系集団が｜０＞にあるか｜１＞にあるかでは、物理系集団の遷移角周波数は変わらない。隣接する物理系集団の状態が｜０＞や｜１＞から｜ｅ＞に変化して初めて遷移角周波数が変わる。また、その変わる遷移角周波数は｜０＞−｜１＞間の遷移角周波数でもない。
【００３５】
本発明では、下から２番目以降の薄膜ｘ（ｘ＝Ａ，Ｂ，Ｃ）中の物理系集団ｘの｜ｙ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移角周波数に関して（ｙ＝０，１）、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ’＞（ｙ’＝０，１）にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｇｇとする。また下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団は｜ｅ＞にある場合は遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｇｅ、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｅ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団は｜ｙ’＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｅｇ、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｅ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団も｜ｅ＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｅｅ、とする。また、一番下の薄膜Ａ（薄膜Ａ（Ｅ）とする）中の物理系集団Ａ（物理系Ａ（Ｅ）とする）の｜ｙ＞Ａ（Ｅ）−｜ｅ＞Ａ（Ｅ）間遷移角周波数に関して（ｙ＝０，１）、上に隣接する薄膜Ｂ中の物理系集団Ｂが｜ｙ’＞Ｂ（ｙ’＝０，１）にある場合の遷移角周波数をωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇ、｜ｅ＞Ｂにある場合の遷移角周波数をωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅとする。
ここで、ある物理系集団ｘの下に隣接する物理系を物理系ｘ−１、上に隣接する物理系を物理系ｘ＋１の記号で表すことにする。
【００３６】
端にある物理系集団Ａ（Ｅ）以外の物理系集団を操作する場合には、Ｓ．Ｌｌｏｙｄの方法におけるωｐｚｚ’（ｚ＝０，１、ｚ’＝０，１）の光パルス照射の替わりに、まず角周波数ωｘ−１，１ｅ，ｇｇ、ωｘ−１，１ｅ，ｇｅ、ωｘ−１，１ｅ，ｅｇ、ωｘ−１，１ｅ，ｅｅ、ωｘ＋１，１ｅ，ｇｇ、ωｘ＋１，１ｅ，ｇｅ、ωｘ＋１，１ｅ，ｅｇ、ωｘ＋１，１ｅ，ｅｅの８個のπパルスを照射し、次いでωｘ，０ｅ，ｑｑ’、ωｘ，１ｅ，ｑｑ’、ωｘ，０ｅ，ｑｑ’（ｑ＝ｇ，ｅ、ｑ’＝ｇ，ｅ）の３個のπパルスを照射し、再びωｘ−１，１ｅ，ｇｇ、ωｘ−１，１ｅ，ｇｅ、ωｘ−１，１ｅ，ｅｇ、ωｘ−１，１ｅ，ｅｅ、ωｘ＋１，１ｅ，ｇｇ、ωｘ＋１，１ｅ，ｇｅ、ωｘ＋１，１ｅ，ｅｇ、ωｘ＋１，１ｅ，ｅｅの８個のπパルスを照射する。だだし、ｐ＝Ｄ，Ｅ，Ｆからｘ＝Ａ，Ｂ，Ｃへの対応関係は、ＤをＡ、ＥをＢ、ＦをＣに対応させることとし、ｚ、ｚ’からｑ、ｑ’への対応は、０をｇに、１をｅに対応させる。ここで、ωＤ０１に対応する上記１９個のπパルスの照射による物理系集団の操作の一例を図５に示す。図５により、１９個の光パルス列の照射後、ｘ−１が０、ｘ＋１が１であるｘ＝Ａの物理系集団がビット反転し、他の物理系集団は影響を受けないことがわかる。
【００３７】
始めの８個のπパルスは、実質的な操作の対象となる物理系集団ｘの下と上に隣接する物理系集団ｘ−１とｘ＋１に関して、それらが状態｜１＞にあれば｜ｅ＞に変化させる。次の３個のπパルスは、物理系集団ｘの状態を物理系集団ｘ−１とｘ＋１がそれぞれもともと（８個のπパルスの照射前）状態｜ｚ＞、｜ｚ’＞であった場合のみ反転する（ＮＯＴゲート操作を施す）。そして最後の８個のπパルスは、｜ｅ＞に変化させられた物理系集団ｘ−１とｘ＋１の状態を｜１＞に戻す。
【００３８】
この一連のπパルス照射では、最初と最後の８個のπパルスに関しては、８個のパルス間での照射順は問わない。８個のパルス中、物理系集団ｘ−１に作用する４個（ωｘ−１，１ｅ，ｇｇ、ωｘ−１，１ｅ，ｇｅ、ωｘ−１，１ｅ，ｅｇ、ωｘ−１，１ｅ，ｅ）のπパルスとｘ＋１に作用する４個（ωｘ＋１，１ｅ，ｇｇ、ωｘ＋１，１ｅ，ｇｅ、ωｘ＋１，１ｅ，ｅｇ、ωｘ＋１，１ｅ，ｅｅ）のπパルスとは、同時に照射してもよい。
【００３９】
本発明では、このような光パルス照射により、Ｓ．Ｌｌｏｙｄの方法における角周波数ωｐｚｚ’の光パルス照射と同じ効果を、量子ビットの｜０＞、｜１＞の違いでは相互作用変化による遷移周波数変化が起こらない物理系を利用しているにもかかわらず、得ることができる。これにより、本発明の３状態系を含む薄膜の積層構造でも、上述の交換操作、Ｆｒｅｄｋｉｎゲートが可能になる。
【００４０】
端にある物理系集団Ａ（Ｅ）の個別操作は、角周波数ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇ、あるいはωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅの光照射で行うことができる。例えば、３つの光パルス、すなわちωＡ（Ｅ），０ｅ，ｑのπパルス、ωＡ（Ｅ），１ｅ，ｑのＭパルス、ωＡ（Ｅ），０ｅ，ｑのπパルスの照射で、上に隣接する物理系集団が｜ｑ＞（ｑ＝ｇ，ｅ）の場合に、物理系集団Ａ（Ｅ）に回転ゲート操作を施すことができる。
【００４１】
また、上記の８個、３個、８個の光パルス照射における真ん中の３個の光を照射する際、光パルスをＭパルスとすることにより、物理系集団ｘの状態を物理系集団ｘ−１とｘ＋１がそれぞれもともと（８個のπパルスの照射前）状態｜ｚ＞、｜ｚ’＞であった場合のみ回転することが可能である。
【００４２】
以上のように、Ａ（Ｅ）への個別操作、指定した種類の物理系集団間での交換操作、Ｆｒｅｄｋｉｎゲート、回転ゲートが可能になり、それらの組み合わせで、積層した薄膜への情報の読み込み、情報の処理、情報の読み出しが可能になり、量子計算ができるようになる。
【００４３】
以上に示した実施形態によれば、積層した膜全体に、周波数と強度を調整した光パルスを順次照射することで、量子ビットの十分に長いコヒーレンス時間と、厳しい微細加工を不必要にすることと、大きな読み出し信号と、量子ビット数の十分な拡張性とを可能にすることができる。
【実施例】
【００４４】
本実施例の量子計算機と量子計算方法では、３つのエネルギー状態を持つ物理系として、Ｙ２ＳｉＯ５結晶の０．００５％のＹ３＋イオンをＰｒ３＋イオンに置換したＰｒ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶と、Ｙ２ＳｉＯ５結晶の０．００５％のＹ３＋イオンＥｕ３＋イオンに置換したＥｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶と、Ｙ２ＳｉＯ５結晶の０．００５％のＹ３＋イオンＥｒ３＋イオンに置換したＥｒ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶とを用いる。それぞれの結晶内の希土類イオンの電子基底状態にあるイオンの核スピンの状態の２つを、｜０＞、｜１＞として量子ビットを表す。
【００４５】
図６を用いて、本実施例の量子計算機について説明する。
実施例の量子計算機は、アルゴンイオンレーザー６０１、リング色素レーザー（レーザーＥＲ）６０２、リング色素レーザー（レーザーＥＵ）６０３、リング色素レーザー（レーザーＰＲ）６０４、３つのレーザー周波数狭窄化システム６０５、５つのビームスプリッター６０６、５つのミラー６０７、周波数設定用電気光学効果素子６０８、３つの周波数設定用音響光学効果素子６０９、４つの強度設定用音響光学効果素子６１０、制御装置部６１１、２つのレンズ６１２、光ファイバー６１３、６１４、フォトダイオード６１５、積層部１０３、クライオスタット１０４、光導入部１０６、光取り出し部１０７を含む。
【００４６】
アルゴンイオンレーザー６０１はレーザーを生成し、このレーザーはビームスプリッター６０６で２本に分けられ、一方はリング色素レーザー（レーザーＥＲ）６０２に入力され、他方は他のビームスプリッター６０６で２本に分けられる。このビームスプリッター６０６によって分けられたレーザーは、リング色素レーザー（レーザーＥＵ）６０３の入力と、ミラー６０７で反射してリング色素レーザー（レーザーＰＲ）６０４の入力となる。
【００４７】
それぞれのレーザー周波数狭窄化システム６０５は、それぞれのリング色素レーザーからの出力レーザー（レーザーＥＲ、レーザーＥＵ、レーザーＰＲ）のスペクトル幅を１ｋＨｚに狭窄化する。レーザーＰＲを狭窄化したレーザーは、ビームスプリッター６０６で２本に分けられミラー６０７を使用して、それぞれのレーザーとも周波数設定用音響光学効果素子６０９と強度設定用音響光学効果素子６１０に入力される。周波数設定用音響光学効果素子６０９はレーザーの周波数の時間変化を設定し、強度設定用音響光学効果素子６１０はレーザーの強度の時間変化を設定する。レーザーＥＵを狭窄化したレーザーは、そのまま周波数設定用音響光学効果素子６０９を介し強度設定用音響光学効果素子６１０に入力される。周波数設定用と強度設定用の音響光学効果素子に導かれ、周波数と強度の時間変化を与えられる。
レーザーＥＲを狭窄化したレーザーは、周波数設定用電気光学効果素子６０８を介して強度設定用音響光学効果素子６１０に入力される。周波数設定用電気光学効果素子６０８は、周波数設定用音響光学効果素子６０９よりも高周波での動作が可能である。レーザーＥＲを狭窄化したレーザーは、他の２本のレーザーよりも大きな周波数シフトを必要とするので、周波数設定用電気光学効果素子６０８を使用する。
【００４８】
周波数と強度が設定されたレーザーＰＲ、レーザーＥＵ、レーザーＥＲの各１本ずつは、ミラー６０７と２つのビームスプリッター６０６で光路が合わせられ、ちょうどクライオスタット１０４内に設置した積層した積層部１０３の薄膜部（１ｍｍ×１ｍｍの部分）に一様に照射される程度にレンズ６１２で集光され、クライオスタット１０４の窓を通して積層した薄膜に照射される。レーザーＰＲの残りの１本は、レンズ６１２を通して光導入部１０６へと続く光ファイバー６１３に入射される。
【００４９】
制御装置部６１１は、周波数設定用電気光学効果素子６０８、周波数設定用音響光学効果素子６０９、強度設定用音響光学効果素子６１０を制御し、これらの素子によって、量子ビットの操作または読み出しに必要な光パルスを生成する。
【００５０】
フォトダイオード６１５は、光取り出し部１０７が取り出した光を、光ファイバー６１４を経由して受け取り光の強度を測定する。
【００５１】
積層部１０３では、３種類の結晶で薄膜が形成され、それらが積層されている。本実施例では、Ｐｒ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶の薄膜、Ｅｕ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶の薄膜、Ｅｒ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶の薄膜をそれぞれ薄膜ＰＲ、ＥＵ、ＥＲとする。薄膜は５ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍのＳｉＯ２基板上に、基盤に近い方から薄膜ＰＲ、ＥＵ、ＥＲ、ＰＲ、ＥＵ、ＥＲ、ＰＲ、．．．と周期的に積層され、それぞれの薄膜の間にはＳｉＯ２の分離層があり、薄膜および分離層の厚さは５０ｎｍである。また基板に接している端の薄膜ＰＲを薄膜ＰＲ（Ｅ）とする。薄膜ＰＲ（Ｅ）以外の薄膜のサイズ（基板面方向）は１ｍｍ×１ｍｍである。薄膜ＰＲ（Ｅ）のサイズは１ｍｍ×７ｍｍで光導波路構造になっており、他の薄膜が積層している１ｍｍ×１ｍｍの領域のみＰｒ３＋イオンを含み、他の部分はＹ２ＳｉＯ５である。
【００５２】
一番下の薄膜は導波路構造になっており、外部からの光の導入および光導波路からの透過光取出しに利用する、カップリン用のプリズムとレンズ、光ファイバーからなる、光導入部および光取り出し部が取り付けられている。薄膜ＰＲ ７０１、薄膜ＥＵ ７０２、薄膜ＥＲ ７０３を５周期分積層した場合の一例を図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示す。なお、図７（Ａ）、図７（Ｂ）ではそれぞれの位置関係を表し、相対的な大きさは必ずしも正しく表現されていない。特に薄膜を積層した部分は厚さ方向を拡大して描かれている。
【００５３】
このような構造は、スパッタリングで積層し、エッチングで加工して作製してもよいし、基板２０６に単結晶をオプティカルコンタクトで接着して、化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）により膜にし、分離層２０５を接着し、また研磨して分離層２０５を膜にする。という工程を繰り返して積層膜を作製し、エッチングで加工してもよい。
【００５４】
積層した薄膜は、クライオスタット１０４中で１．５Ｋに保たれ、光導入部１０６および光取り出し部１０７につながる光ファイバー６１３、６１４がクライオスタット１０４の外にのびている。光導入部１０６への光ファイバー６１３は光源部（アルゴンイオンレーザー６０１、リング色素レーザー（レーザーＥＲ）６０２、リング色素レーザー（レーザーＥＵ）６０３、リング色素レーザー（レーザーＰＲ）６０４）に接続されており、光取り出し部１０７からの光ファイバー６１４は量子ビット読み出し部（フォトダイオード６１５）へ出力光を導く。光源部からの光は２種類に分けられている。片方はクライオスタット１０４の窓から、積層した薄膜に照射され、もう片方は、光ファイバー６１３を通して薄膜ＰＲ（Ｅ）中のＰｒ３＋イオンに照射される。
【００５５】
次に、図６の量子計算機を用い、本実施例で必要な量子ビットとして利用する希土類イオンを選択する前処理、および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方法を説明する。
【００５６】
薄膜ＲＥＩ（ＲＥＩ＝ＰＲ，ＰＲ（Ｅ），ＥＵ，ＥＲ）に関して、電子基底状態にある希土類イオン（ＲＥＩ＝ＰＲの場合Ｐｒ３＋イオン、ＥＵの場合Ｅｕ３＋イオン、ＥＲの場合Ｅｒ３＋イオン）の核スピンの状態のうち、量子ビットとして利用する２つの状態を｜０＞ＲＥＩ、｜１＞ＲＥＩ、量子ビットとして利用しない状態を｜ａ＞ＲＥＩとし、｜０＞ＲＥＩ−｜１＞ＲＥＩ間の遷移角周波数をωＲＥＩ，０１、｜ａ＞ＲＥＩ−｜０＞ＲＥＩ間の遷移角周波数をωＲＥＩ，ａ０とする。ただし本実施例ではωＰＲ，０１とωＰＲ（Ｅ），０１との差、およびωＰＲ，ａ０とωＰＲ（Ｅ），ａ０との差は無視できる。また、状態｜０＞ＲＥＩ、｜１＞ＲＥＩ、｜ａ＞ＲＥＩのうち、｜１＞ＲＥＩが最もエネルギーが高く、次に｜０＞ＲＥＩのエネルギーが高く、｜ａ＞ＲＥＩが最もエネルギーが低いとする。
【００５７】
ここで、ある薄膜ＲＥＩの１つ下と１つ上の薄膜をそれぞれ薄膜ＲＥＩ−１、薄膜ＲＥＩ＋１とする。薄膜ＰＲ−１と薄膜ＰＲ＋１が｜０＞か｜１＞の状態にある場合の薄膜ＰＲのＰｒ３＋イオンの３Ｈ４−１Ｄ２遷移と不均一幅の範囲内で共鳴する角周波数をωＰＲ，０ｅ，ｇｇ、薄膜ＥＵ−１と薄膜ＥＵ＋１が｜０＞か｜１＞の状態にある場合の薄膜ＥＵのＥｕ３＋イオンの７Ｆ０−５Ｄ０間遷移と不均一幅の範囲内で共鳴する角周波数をωＥＵ，０ｅ，ｇｇ、薄膜ＥＲ−１と薄膜ＥＲ＋１が｜０＞か｜１＞の状態にある場合の薄膜ＥＲのＥｒ３＋イオンの４Ｉ１５／２−４Ｆ９／２間遷移と不均一幅の範囲内で共鳴する角周波数をωＥＲ，０ｅ，ｇｇとする。さらに薄膜ＥＵ（ＰＲ（Ｅ）＋１）が｜０＞ＥＵか｜１＞ＥＵの場合の薄膜ＰＲ（Ｅ）のＰｒ３＋イオンの３Ｈ４−１Ｄ２遷移と不均一幅の範囲内で共鳴する角周波数をωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇ、薄膜ＥＵ（ＰＲ（Ｅ）＋１）が｜ｅ＞ＥＵの場合の薄膜ＰＲ（Ｅ）のＰｒ３＋イオンの３Ｈ４−１Ｄ２遷移と不均一幅の範囲内で共鳴する角周波数をωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｅとする。ただし、本実施例では、｜ωＰＲ，０ｅ，ｇｇ−ωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇ｜＞１ＧＨｚとする。
【００５８】
次の操作（１）、（２）を、ＲＥＩ＝ＰＲ、ＰＲ（Ｅ）、ＥＵ、ＥＲに対して順次行う。（１）角周波数ωＲＥＩ，０ｅ，ｇｇ−５００×２πｋＨｚ〜ωＲＥＩ，０ｅ，ｇｇ＋５００×２πｋＨｚの範囲で角周波数を掃引しながらレーザーを照射する。（２）次に、ωＲＥＩ，０ｅ，ｇｇ−ωＲＥＩ，０１（ＲＥＩ＝ＰＲ（Ｅ）の場合はωＲＥＩ，０ｅ，ｇ−ωＲＥＩ，０１）の光を１００ｍｓ照射する。これらの操作により、角周波数ωＲＥＩ，０ｅ，ｇｇの光を照射した場合、その光と共鳴する主な希土類イオンが、｜０＞ＲＥＩ−｜ｅ＞ＲＥＩ間遷移（もし、｜１＞ＲＥＩのエネルギーが｜０＞ＲＥＩよりも小さければ｜１＞ＲＥＩ−｜ｅ＞ＲＥＩ間遷移となる）が共鳴する希土類イオンとなる。
【００５９】
次に、角周波数ωＥＵ，０ｅ，ｇｇのπパルスを照射して、Ｅｕ３＋イオンを状態｜ｅ＞ＥＵにする。次いで、ωＰＲ，０ｅ，ｇｇからΔωＰＲ，０ｅ，ｇｅだけずらした角周波数ωＰＲ，０ｅ，ｇｇ＋ΔωＰＲ，０ｅ，ｇｅを中心に角周波数ΔωＰＲ，ｂｉｔ＝１０×２πｋＨｚの幅の角周波数領域を除いた約１×２πＭＨｚの領域に対し、その領域内の角周波数ωＰＲ，ｒｅのπパルスと、ωＰＲ，ｒｅ＋ωＰＲ，ａ０のπパルス（もし、状態｜０＞ＰＲのエネルギーが状態｜ａ＞ＰＲのエネルギーよりも低ければωＰＲ，ｒｅ−ωＰＲ，ａ０のπパルス）との組を、ωＰＲ，ｒｅの値やパルスの長さを適宜変えながら１０組程度照射する。再び角周波数ωＥＵ，０ｅ，ｇｇのπパルスを照射してＥｕ３＋イオンを状態｜０＞ＥＵに戻す。この操作により、｜０＞ＰＲにあるＰｒ３＋イオンとして、Ｅｕ３＋が状態｜０＞ＥＵにある場合に比べて｜ｅ＞ＥＵにある場合には、集団としてエネルギー的に片側にΔωＰＲ，０ｅ，ｇｅだけずれるイオン、すなわちωＰＲ，０ｅ，ｇｅ＝ωＰＲ，０ｅ，ｇｇ＋ΔωＰＲ，０ｅ，ｇｅのイオンを選択することができる。
【００６０】
このイオン選択作業において、πパルス照射によりＥｕ３＋イオンを状態｜ｅ＞ＥＵにした後、再びπパルスを照射してＥｕ３＋イオンを状態｜０＞ＥＵに戻すまでの間、薄膜ＰＲだけでなく、同時に薄膜ＰＲ（Ｅ）のＰｒ３＋イオンにも、同様の操作をする。すなわち、角周波数ωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇ＋ΔωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｅを中心に角周波数ΔωＰＲ（Ｅ），ｂｉｔ＝１０×２πｋＨｚの幅の角周波数領域を除いた約１×２πＭＨｚの領域に対し、その領域内の角周波数ωＰＲ（Ｅ），ｒｅのπパルスと、ωＰＲ（Ｅ），ｒｅ＋ωＰＲ（Ｅ），ａ０のπパルスの組を、ωＰＲ（Ｅ），ｒｅの値やパルスの長さを適宜変えながら１０組程度照射する。これにより薄膜ＰＲ（Ｅ）のＰｒ３＋イオンに関しても、ωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｅ＝ωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇ＋ΔωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｅのイオンを選択する。
【００６１】
さらに、角周波数ωＥＲ，０ｅ，ｇｇのπパルスを照射して、Ｅｒ３＋イオンを状態｜ｅ＞ＥＲにする。次いで、角周波数ωＥＵ，０ｅ，ｇｇ＋ΔωＥＵ，０ｅ，ｇｅを中心に角周波数ΔωＥＵ，ｂｉｔ＝１０×２πｋＨｚの幅の角周波数領域を除いた約１×２πＭＨｚの領域に対し、その領域内の角周波数ωＥＵ，ｒｅのπパルスと、ωＥＵ，ｒｅ＋ωＥＵ，ａ０のπパルス（もし、状態｜０＞ＥＵのエネルギーが状態｜ａ＞ＥＵのエネルギーよりも低ければωＥＵ，ｒｅ−ωＥＵ，ａ０のπパルス）の組を、ωＥＵ，ｒｅの値やパルスの長さを適宜変えながら１０組程度照射し、再び角周波数ωＥＲ，０ｅ，ｇｇのπパルスを照射してＥｒ３＋イオンを状態｜０＞ＥＲに戻す。これにより、薄膜ＥＵのＥｕ３＋イオンに関しても、ωＥＵ，０ｅ，ｇｅ＝ωＥＵ，０ｅ，ｇｇ＋ΔωＥＵ，０ｅ，ｇｅのイオンを選択する。
【００６２】
さらに、角周波数ωＰＲ，０ｅ，ｇｇのπパルスを照射して、Ｐｒ３＋イオンを状態｜ｅ＞ＰＲにする。次いで、角周波数ωＥＲ，０ｅ，ｇｇ＋ΔωＥＲ，０ｅ，ｇｅを中心に角周波数ΔωＥＲ，ｂｉｔ＝１０×２πｋＨｚの幅の角周波数領域を除いた約１×２πＭＨｚの領域に対し、その領域内の角周波数ωＥＲ，ｒｅのπパルスと、ωＥＲ，ｒｅ＋ωＥＲ，ａ０のπパルス（もし、状態｜０＞ＥＲのエネルギーが状態｜ａ＞ＥＲのエネルギーよりも低ければωＥＲ，ｒｅ−ωＥＲ，ａ０のπパルス）の組を、ωＥＲ，ｒｅの値やパルスの長さを適宜変えながら１０組程度照射し、再び角周波数ωＰＲ，ｇｅのπパルスを照射してＰｒ３＋イオンを状態｜０＞ＰＲに戻す。これにより、薄膜ＥＲのＥｒ３＋イオンに関しても、ωＥＲ，０ｅ，ｇｅ＝ωＥＲ，０ｅ，ｇｇ＋ΔωＥＲ，０ｅ，ｇｅのイオンを選択する。
【００６３】
この時点で、薄膜ＲＥＩ中にあり、隣接する薄膜の希土類イオンが電子基底状態（｜０＞か｜１＞）にある場合の｜０＞ＲＥＩ−｜ｅ＞ＲＥＩ間遷移が角周波数ωＲＥＩ，０ｅ，ｇｇの光に共鳴する希土類イオンの中から、隣接する薄膜中の希土類イオンが電子基底状態にあるか電子励起状態（｜ｅ＞）にあるかで、｜０＞ＲＥＩ−｜ｅ＞ＲＥＩ間遷移（および｜１＞ＲＥＩ−｜ｅ＞ＲＥＩ間遷移）がエネルギー的に片側に変化するイオンの選択と、そのイオンの状態を｜０＞にすることができていると考えられる。また、予め上述の操作により選択したイオンを、適宜選択的に｜ｅ＞の状態にして、他の種類のイオンの吸収スペクトルを測定することで、ωＲＥＩ，０ｅ，ｅｇ（薄膜ＲＥＩ−１が｜ｅ＞、薄膜ＲＥＩ＋１が｜０＞か｜１＞の場合）とωＲＥＩ，０ｅ，ｅｅ（薄膜ＲＥＩ−１と薄膜ＲＥＩ＋１がともに｜ｅ＞の場合）の値を得ることができる。
本実施例では、以上の前処理により｜０＞ＲＥＩにした希土類イオンの集団を薄膜単位で量子ビットとする。
【００６４】
これらの量子ビットに、角周波数ωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇとωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇ−ωＰＲ（Ｅ），０１あるいはωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｅとωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｅ−ωＰＲ（Ｅ），０１の光を照射することで、端の量子ビット（薄膜ＰＲ（Ｅ））の個別操作ができる。例えば、上述した前処理の後、まず角周波数ωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇのπパルス、次にωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇ−ωＰＲ（Ｅ），０１のＭパルス、最後に再びωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇのπパルスという具合に３つの光パルスを照射することで、端の量子ビットにＭだけ回転させる回転ゲート操作を施すことができる。真ん中のＭパルスの替わりにπパルスを用いれば、反転ゲートとなる。
【００６５】
また、角周波数ωＲＥＩ−１，１ｅ，ｇｇ＝ωＲＥＩ−１，０ｅ，ｇｇ−ωＲＥＩ，０１、ωＲＥＩ−１，１ｅ，ｇｅ＝ωＲＥＩ−１，０ｅ，ｇｅ−ωＲＥＩ，０１、ωＲＥＩ−１，１ｅ，ｅｇ＝ωＲＥＩ−１，０ｅ，ｅｇ−ωＲＥＩ，０１、ωＲＥＩ−１，１ｅ，ｅｅ＝ωＲＥＩ−１，０ｅ，ｅｅ−ωＲＥＩ，０１、ωＲＥＩ＋１，１ｅ，ｇｇ＝ωＲＥＩ＋１，０ｅ，ｇｇ−ωＲＥＩ，０１、ωＲＥＩ＋１，１ｅ，ｇｅ＝ωＲＥＩ＋１，０ｅ，ｇｅ−ωＲＥＩ，０１、ωＲＥＩ＋１，１ｅ，ｅｇ＝ωＲＥＩ＋１，０ｅ，ｅｇ−ωＲＥＩ，０１、ωＲＥＩ＋１，１ｅ，ｅｅ＝ωＲＥＩ＋１，０ｅ，ｅｅ−ωＲＥＩ，０１の８個のπパルスを照射し、次いでωＲＥＩ，０ｅ，ｑｑ’のπパルス、ωＲＥＩ，１ｅ，ｑｑ’のＭパルス、ωＲＥＩ，０ｅ，ｑｑ’のπパルス（ｑ＝ｇ，ｅ、ｑ’＝ｇ，ｅ）の３個の光パルスを照射し、再び、始めの８個のπパルスと同じ光パルスを照射することで、薄膜ＥＲＩの量子ビットを、その上下に隣接する量子ビットの値がそれぞれｑ、ｑ’にそれぞれ対応させたｚ、ｚ’の値に応じて（ｑ＝ｇならばｚ＝０、ｑ＝ｅならばｚ＝１、ｑ’＝ｇならばｚ’＝０、ｑ’＝ｅならばｚ’＝１）、薄膜ＲＥＩ−１はｚ、薄膜ＲＥＩ＋１はｚ’の場合のみ、Ｍだけ回転させることができる。真ん中のＭパルスの替わりにπパルスを用いれば、薄膜ＲＥＩに同様に条件付の反転ゲート操作を施すことができる。
【００６６】
したがって、これらの組み合わせで、指定した種類の希土類イオン集団からなる量子ビット間での交換操作、Ｆｒｅｄｋｉｎゲートが可能になり、さらに積層した薄膜の量子ビットへの情報の読み込み、情報の処理が可能になる。
【００６７】
処理後の情報（量子ビットの値）は、交換操作により、順番に端の量子ビット（薄膜ＰＲ（Ｅ））に送って、順次読み出せばよい。読み出す際は、角周波数ωＰＲ（Ｅ），０ｅ，ｇの光と、ωＰＲ，０ｅ，ｅの光を光導波路を通して照射し、どちらの場合も透過光強度の減少がなければ、量子ビットは｜１＞であり、どちらかに吸収による透過光強度減少が見られれば、量子ビットは｜０＞である。その際、吸収による発光の増大を観測することで、量子ビットの読み出しを行ってもよい。
【００６８】
以上の実施例において、薄膜ＰＲ（Ｅ）への光照射は、積層した薄膜全体に光を照射する方法でも、光導波路を利用する方法のいずれの方法でもよい。
【００６９】
また、上記（２）の操作の際、角周波数ωＲＥＩ，０ｅ，ｇｇ−ωＲＥＩ，０１（ＲＥＩ＝ＰＲ（Ｅ）の場合はωＲＥＩ，０ｅ，ｇ−ωＲＥＩ，０１）の光の代わりにωＲＥＩ，０ｅ，ｇｇ＋ωＲＥＩ，０１（ＲＥＩ＝ＰＲ（Ｅ）の場合はωＲＥＩ，０ｅ，ｇ＋ωＲＥＩ，０１）の光を照射して、角周波数ωＲＥＩ，０ｅ，ｇｇの光を照射した場合、その光と共鳴する主な希土類イオンが、｜１＞ＲＥＩ−｜ｅ＞ＲＥＩ間遷移が共鳴する希土類イオンとなるようにしてもよい。
【００７０】
以上のように、本実施例の量子計算機および方法によって、積層した、希土類イオンを含む膜全体に、周波数と強度を調整した光パルスを順次照射することで、量子ビットの十分に長いコヒーレンス時間と、厳しい微細加工を不必要にすることと、大きな読み出し信号と、量子ビット数の十分な拡張性とを可能にすることができる。
【００７１】
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】
【００７２】
【図１】実施形態の量子計算機のブロック図。
【図２】図１の積層部の一例を示す図。
【図３】指定した種類の物理系間での交換操作の一例を示す図。
【図４】指定した種類の物理系間でのＦｒｅｄｋｉｎゲート操作の一例を示す図。
【図５】指定した種類の物理系での反転操作の一例を示す図。
【図６】実施例の量子計算機のブロック図。
【図７】図６の光取り出し部、積層部、光導入部を示す図。
【符号の説明】
【００７３】
１０１・・・光源部、１０２・・・光学効果制御部、１０３・・・積層部、１０４・・・クライオスタット、１０５・・・光強度測定部、１０６・・・光導入部、１０７・・・光取り出し部、２０５・・・分離層、２０６・・・基板、６０１・・・アルゴンイオンレーザー、６０５・・・レーザー周波数狭窄化システム、６０６・・・ビームスプリッター、６０７・・・ミラー、６０８・・・周波数設定用電気光学効果素子、６０９・・・周波数設定用音響光学効果素子、６１０・・・強度設定用音響光学効果素子、６１１・・・制御装置部、６１２・・・レンズ、６１３、６１４・・・光ファイバー、６１５・・・フォトダイオード。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３種類の物理系、物理系Ａ、物理系Ｂ、物理系Ｃに関して、それぞれが３つの異なるエネルギー状態｜０＞ｘ、｜１＞ｘ、｜ｅ＞ｘを有し、｜０＞ｘあるいは｜１＞ｘあるいは｜０＞ｘと｜１＞ｘとの量子力学的な重ね合わせの状態で量子ビットを表す場合に（ｘ＝Ａ，Ｂ，Ｃ、添え字のｘは物理系ｘの状態であることを表す）、複数の物理系Ａからなる物理系集団Ａを含む薄膜Ａと、複数の物理系Ｂからなる物理系集団Ｂを含む薄膜Ｂと、複数の物理系Ｃからなる物理系集団Ｃを含む薄膜Ｃが、下から順に薄膜Ａから始まって、薄膜Ｂ、薄膜Ｃ、薄膜Ａ、薄膜Ｂ、薄膜Ｃ、薄膜Ａ、．．．と順に繰り返し重ねられた積層部と、
一番下の薄膜Ａ（薄膜Ａ（Ｅ）とする）中の前記物理系集団Ａ（物理系集団Ａ（Ｅ）とする）の｜ｙ＞Ａ（Ｅ）−｜ｅ＞Ａ（Ｅ）間遷移角周波数に関して（ｙ＝０，１）、上に隣接する薄膜Ｂ中の物理系集団Ｂが｜ｙ’＞Ｂ（ｙ’＝０，１）にある場合の遷移角周波数をωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇとし、該物理系集団Ｂが｜ｅ＞Ｂにある場合の遷移角周波数をωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅとし、下から２番目以降の薄膜ｘ中の物理系集団ｘの｜ｙ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移角周波数に関して、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ’＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｇｇとし、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団は｜ｅ＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｇｅとし、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｅ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団は｜ｙ’＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｅｇとし、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｅ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団も｜ｅ＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｅｅとした場合に、角周波数がそれぞれωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇ、ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅ、ωｘ，ｙｅ，ｇｇ、ωｘ，ｙｅ，ｇｅ、ωｘ，ｙｅ，ｅｇ、ωｘ，ｙｅ，ｅｅである光であり、かつ、スペクトル幅が互いの角周波数差よりも狭い光を発生して、前記積層部の薄膜に照射する光源部と、
前記光の周波数と強度とを制御する制御装置部と、
薄膜Ａ（Ｅ）中の物理系集団Ａ（Ｅ）からの発光や物理系集団Ａ（Ｅ）を通りぬけてくる光の透過光強度を測定することにより物理系集団のＡ（Ｅ）の量子状態を測定する量子ビット読み出し部と、を具備することを特徴とする量子計算機。
【請求項２】
前記積層部は、前記薄膜Ａ（Ｅ）のみに光導波路を形成していて、
前記光源部は、発生した角周波数がωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇ、ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅ、ωｘ，ｙｅ，ｇｇ、ωｘ，ｙｅ，ｇｅ、ωｘ，ｙｅ，ｅｇ、ωｘ，ｙｅ，ｅｅである光のうち、角周波数がωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇ、ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅである光で、スペクトル幅がこの２つの光の互いの角周波数差よりも狭い光と、角周波数がωｘ，ｙｅ，ｇｇ、ωｘ，ｙｅ，ｇｅ、ωｘ，ｙｅ，ｅｇ、ωｘ，ｙｅ，ｅｅである光で、スペクトル幅がこの４つの光の互いの角周波数差よりも狭い光を発生して、物理系集団Ａ（Ｅ）を操作するために、前記光導波路に角周波数ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇとωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅの光を入射し、
前記量子ビット読み出し部は、前記光導波路を透過する光の強度あるいは該光導波路中の物理系集団の発光強度を測定することを特徴とする請求項１に記載の量子計算機。
【請求項３】
前記物理系Ａ、Ｂ、Ｃがそれぞれ希土類イオンＡ、希土類イオンＢ、希土類イオンＣの３種類の希土類イオンであり、薄膜ｘが希土類イオンｘの集団を含む酸化物単結晶の薄膜あるいは酸化物微結晶の薄膜であり、エネルギー状態｜０＞ｘ、｜１＞ｘ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、｜ｅ＞ｘが希土類イオンｘの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に記載の量子計算機。
【請求項４】
薄膜ｘに含まれる多数の物理系の中から、量子ビットとして利用するものを選別するために、
前記光源部および前記制御装置部は、電子基底状態にある希土類イオンｘの核スピンの状態のうち、量子ビットを表すために利用していない状態を｜ａ＞ｘとし、ωｘ，ａ０を｜ａ＞ｘ−｜０＞ｘ間の遷移角周波数、ωｘ，０１を｜０＞ｘ−｜１＞ｘ間の遷移角周波数とした場合に、物理系ｘ−１と物理系ｘ＋１がそれぞれ｜ｙ＞ｘ−１，｜ｙ’＞ｘ＋１の場合（物理系ｘ−１と物理系ｘ＋１とはそれぞれ、前記積層部で物理系ｘを含む薄膜の、一つ下の薄膜に含まれる物理系と一つ上の薄膜に含まれる物理系とを示す）、物理系ｘの｜ｙ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移に不均一幅の範囲内で共鳴する角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇの光を前記積層部の薄膜に照射し、次いで角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇ−ωｘ，０１の光を前記積層部の薄膜に照射し、角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇの光を照射した場合にその光と共鳴する物理系ｘとして｜ｚ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移（｜１＞ｘのエネルギーが｜０＞ｘよりも大きければｚ＝０、小さければｚ＝１）が共鳴する物理系を主に含むようにした後、
ωＢ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ｂを｜ｅ＞Ｂにし、ωＡ，ｙｅ，ｇｇからΔωＡ，ｙｅ，ｇｅだけずらした角周波数ωＡ，ｙｅ，ｇｇ＋ΔωＡ，ｙｅ，ｇｅを中心に角周波数ΔωＡ，ｂｉｔの幅の角周波数領域を除いた領域に対して、該領域内の角周波数ωＡ，ｒｅのπパルスと、状態｜ｙ＞Ａのエネルギーが状態｜ａ＞Ａのエネルギーよりも高ければ角周波数ωＡ，ｒｅ＋ωＡ，ａｙのπパルス、低ければωＡ，ｒｅ−ωＡ，ａｙのπパルスの２つのπパルスからなる光パルスの組を、ωＡ，ｒｅの値を変えながら前記積層部の薄膜に照射し、再びωＢ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ｂを｜ｙ＞Ｂに戻し、
次いで、ωＣ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ｃを｜ｅ＞Ｃにし、ωＢ，ｙｅ，ｇｇからΔωＢ，ｙｅ，ｇｅだけずらした角周波数ωＢ，ｙｅ，ｇｇ＋ΔωＢ，ｙｅ，ｇｅを中心に角周波数ΔωＢ，ｂｉｔの幅の角周波数領域を除いた領域に対して、該領域内の角周波数ωＢ，ｒｅのπパルスと、状態｜ｙ＞Ｂのエネルギーが状態｜ａ＞Ｂのエネルギーよりも高ければ角周波数ωＢ，ｒｅ＋ωＢ，ａｙのπパルス、低ければωＢ，ｒｅ−ωＢ，ａｙのπパルスの２つのπパルスからなる光パルスの組を、ωＢ，ｒｅの値を変えながら前記積層部の薄膜に照射し、再びωＣ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ｃを｜ｙ＞Ｃに戻し、
次いで、ωＡ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ａを｜ｅ＞Ａにし、ωＣ，ｙｅ，ｇｇからΔωＣ，ｙｅ，ｇｅだけずらした角周波数ωＣ，ｙｅ，ｇｇ＋ΔωＣ，ｙｅ，ｇｅを中心に角周波数ΔωＣ，ｂｉｔの幅の角周波数領域を除いた領域に対して、該領域内の角周波数ωＣ，ｒｅのπパルスと、状態｜ｙ＞Ｃのエネルギーが状態｜ａ＞Ｃのエネルギーよりも高ければ角周波数ωＣ，ｒｅ＋ωＣ，ａｙのπパルス、低ければωＣ，ｒｅ−ωＣ，ａｙのπパルスの２つのπパルスからなるパルスの組を、ωＣ，ｒｅの値を変えながら前記積層部の薄膜に照射し、再びωＡ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ａを｜ｙ＞Ａに戻し、
この時点で｜ｙ＞ｘにある物理系集団ｘを量子ビットとして利用することで、互いに隣接する薄膜中の物理系に関して、片方の薄膜中の量子ビットとして利用する物理系集団が電子基底状態にある場合に比べ電子励起状態にある場合では、もう片方の薄膜中の量子ビットとして利用する物理系集団の遷移角周波数が集団としてエネルギー的に片側（低エネルギー側あるいは高エネルギー側）に変化するようにすることを特徴とする請求項３に記載の量子計算機。
【請求項５】
前記光源部および前記制御装置部は、ｘ＝Ａ、Ｂ、Ｃに関して、物理系ｘ−１と物理系ｘ＋１がそれぞれ｜ｙ＞ｘ−１，｜ｙ’＞ｘ＋１の場合、物理系ｘの｜ｙ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移に不均一幅の範囲内で共鳴する角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇの光を前記積層部の薄膜に照射した後、ｘ＝Ａ、Ｂ、Ｃのうちのいずれかあるいは全ての場合に関して、角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇ−ωｘ，０１の光を前記積層部の薄膜に照射する代わりに、角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇ＋ωｘ，０１の光を前記積層部の薄膜に照射することで、それらの場合に相当する物理系ｘに関して、角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇの光を照射した場合にその光と共鳴する物理系ｘとして前記｜ｚ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移が共鳴する物理系を主に含むようにすることを特徴とする請求項４に記載の量子計算機。
【請求項６】
３種類の物理系、物理系Ａ、物理系Ｂ、物理系Ｃに関して、それぞれが３つの異なるエネルギー状態｜０＞ｘ、｜１＞ｘ、｜ｅ＞ｘを有し、｜０＞ｘあるいは｜１＞ｘあるいは｜０＞ｘと｜１＞ｘとの量子力学的な重ね合わせの状態で量子ビットを表す場合に（ｘ＝Ａ，Ｂ，Ｃ、添え字のｘは物理系ｘの状態であることを表す）、複数の物理系Ａからなる物理系集団Ａを含む薄膜Ａと、複数の物理系Ｂからなる物理系集団Ｂを含む薄膜Ｂと、複数の物理系Ｃからなる物理系集団Ｃを含む薄膜Ｃが、下から順に薄膜Ａから始まって、薄膜Ｂ、薄膜Ｃ、薄膜Ａ、薄膜Ｂ、薄膜Ｃ、薄膜Ａ、．．．と順に繰り返し重ねられた積層部を用意し、
一番下の薄膜Ａ（薄膜Ａ（Ｅ）とする）中の前記物理系集団Ａ（物理系集団Ａ（Ｅ）とする）の｜ｙ＞Ａ（Ｅ）−｜ｅ＞Ａ（Ｅ）間遷移角周波数に関して（ｙ＝０，１）、上に隣接する薄膜Ｂ中の物理系集団Ｂが｜ｙ’＞Ｂ（ｙ’＝０，１）にある場合の遷移角周波数をωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇとし、該物理系集団Ｂが｜ｅ＞Ｂにある場合の遷移角周波数をωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅとし、下から２番目以降の薄膜ｘ中の物理系集団ｘの｜ｙ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移角周波数に関して、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ’＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｇｇとし、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団は｜ｅ＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｇｅとし、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｅ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団は｜ｙ’＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｅｇとし、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｅ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団も｜ｅ＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｅｅとした場合に、角周波数がそれぞれωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇ、ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅ、ωｘ，ｙｅ，ｇｇ、ωｘ，ｙｅ，ｇｅ、ωｘ，ｙｅ，ｅｇ、ωｘ，ｙｅ，ｅｅである光であり、かつ、スペクトル幅が互いの角周波数差よりも狭い光を発生し、
前記光の周波数と強度とを制御しながら前記積層部の薄膜に照射して量子ビットを操作し、
薄膜Ａ（Ｅ）中の物理系集団Ａ（Ｅ）に光を照射して、該物理系集団Ａ（Ｅ）からの発光や該物理系集団Ａ（Ｅ）を通りぬけてくる光の透過光強度を測定することにより物理系集団のＡ（Ｅ）の量子状態を測定して量子ビットを読み出すことを特徴とする量子計算方法。
【請求項７】
前記薄膜Ａ（Ｅ）のみに光導波路を形成し、
前記光を発生することは、角周波数がωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇ、ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅ、ωｘ，ｙｅ，ｇｇ、ωｘ，ｙｅ，ｇｅ、ωｘ，ｙｅ，ｅｇ、ωｘ，ｙｅ，ｅｅである光のうち、角周波数がωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇ、ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅである光で、スペクトル幅がこの２つの光の互いの角周波数差よりも狭い光と、角周波数がωｘ，ｙｅ，ｇｇ、ωｘ，ｙｅ，ｇｅ、ωｘ，ｙｅ，ｅｇ、ωｘ，ｙｅ，ｅｅである光で、スペクトル幅がこの４つの光の互いの角周波数差よりも狭い光を発生して、物理系集団Ａ（Ｅ）を操作するために、該光導波路に角周波数ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇとωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅの光を入射し、
前記量子ビットを読み出すことは、前記光導波路を透過する光の強度あるいは該光導波路中の物理系集団の発光強度を測定することを特徴とする請求項６に記載の量子計算方法。
【請求項８】
前記物理系Ａ、Ｂ、Ｃがそれぞれ希土類イオンＡ、希土類イオンＢ、希土類イオンＣの３種類の希土類イオンであり、薄膜ｘが希土類イオンｘの集団を含む酸化物単結晶の薄膜あるいは酸化物微結晶の薄膜であり、エネルギー状態｜０＞ｘ、｜１＞ｘ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、｜ｅ＞ｘが希土類イオンｘの電子励起状態であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の量子計算方法。
【請求項９】
薄膜ｘに含まれる多数の物理系の中から、量子ビットとして利用するものを選別するために、
前記光を発生することおよび前記前記光の周波数と強度とを制御することは、電子基底状態にある希土類イオンｘの核スピンの状態のうち、量子ビットを表すために利用していない状態を｜ａ＞ｘとし、ωｘ，ａ０を｜ａ＞ｘ−｜０＞ｘ間の遷移角周波数、ωｘ，０１を｜０＞ｘ−｜１＞ｘ間の遷移角周波数とした場合に、物理系ｘ−１と物理系ｘ＋１がそれぞれ｜ｙ＞ｘ−１，｜ｙ’＞ｘ＋１の場合（物理系ｘ−１と物理系ｘ＋１とはそれぞれ、前記積層部で物理系ｘを含む薄膜の、一つ下の薄膜に含まれる物理系と一つ上の薄膜に含まれる物理系とを示す）、物理系ｘの｜ｙ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移に不均一幅の範囲内で共鳴する角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇの光を前記積層部の薄膜に照射し、次いで角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇ−ωｘ，０１の光を前記積層部の薄膜に照射し、角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇの光を照射した場合にその光と共鳴する物理系ｘとして｜ｚ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移（｜１＞のエネルギーが｜０＞よりも大きければｚ＝０、小さければｚ＝１）が共鳴する物理系を主に含むようにした後、
ωＢ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ｂを｜ｅ＞Ｂにし、ωＡ，ｙｅ，ｇｇからΔωＡ，ｙｅ，ｇｅだけずらした角周波数ωＡ，ｙｅ，ｇｇ＋ΔωＡ，ｙｅ，ｇｅを中心に角周波数ΔωＡ，ｂｉｔの幅の角周波数領域を除いた領域に対して、該領域内の角周波数ωＡ，ｒｅのπパルスと、状態｜ｙ＞Ａのエネルギーが状態｜ａ＞Ａのエネルギーよりも高ければ角周波数ωＡ，ｒｅ＋ωＡ，ａｙのπパルス、低ければωＡ，ｒｅ−ωＡ，ａｙのπパルスの２つのπパルスからなる光パルスの組を、ωＡ，ｒｅの値を変えながら前記積層部の薄膜に照射し、再びωＢ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ｂを｜ｙ＞Ｂに戻し、
次いで、ωＣ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ｃを｜ｅ＞Ｃにし、ωＢ，ｙｅ，ｇｇからΔωＢ，ｙｅ，ｇｅだけずらした角周波数ωＢ，ｙｅ，ｇｇ＋ΔωＢ，ｙｅ，ｇｅを中心に角周波数ΔωＢ，ｂｉｔの幅の角周波数領域を除いた領域に対して、該領域内の角周波数ωＢ，ｒｅのπパルスと、状態｜ｙ＞Ｂのエネルギーが状態｜ａ＞Ｂのエネルギーよりも高ければ角周波数ωＢ，ｒｅ＋ωＢ，ａｙのπパルス、低ければωＢ，ｒｅ−ωＢ，ａｙのπパルスの２つのπパルスからなる光パルスの組を、ωＢ，ｒｅの値を変えながら前記積層部の薄膜に照射し、再びωＣ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ｃを｜ｙ＞Ｃに戻し、
次いで、ωＡ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ａを｜ｅ＞Ａにし、ωＣ，ｙｅ，ｇｇからΔωＣ，ｙｅ，ｇｅだけずらした角周波数ωＣ，ｙｅ，ｇｇ＋ΔωＣ，ｙｅ，ｇｅを中心に角周波数ΔωＣ，ｂｉｔの幅の角周波数領域を除いた領域に対して、該領域内の角周波数ωＣ，ｒｅのπパルスと、状態｜ｙ＞Ｃのエネルギーが状態｜ａ＞Ｃのエネルギーよりも高ければ角周波数ωＣ，ｒｅ＋ωＣ，ａｙのπパルス、低ければωＣ，ｒｅ−ωＣ，ａｙのπパルスの２つのπパルスからなるパルスの組を、ωＣ，ｒｅの値を変えながら前記積層部の薄膜に照射し、再びωＡ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ａを｜ｙ＞Ａに戻し、
この時点で｜ｙ＞ｘにある物理系集団ｘを量子ビットとして利用することで、互いに隣接する薄膜中の物理系に関して、片方の薄膜中の量子ビットとして利用する物理系集団が電子基底状態にある場合に比べ電子励起状態にある場合では、もう片方の薄膜中の量子ビットとして利用する物理系集団の遷移角周波数が集団としてエネルギー的に片側（低エネルギー側あるいは高エネルギー側）に変化するようにすることを特徴とする請求項８に記載の量子計算方法。
【請求項１０】
前記光を発生することおよび前記光の周波数と強度とを制御することは、ｘ＝Ａ、Ｂ、Ｃに関して、物理系ｘ−１と物理系ｘ＋１がそれぞれ｜ｙ＞ｘ−１，｜ｙ’＞ｘ＋１の場合、物理系ｘの｜ｙ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移に不均一幅の範囲内で共鳴する角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇの光を前記積層部の薄膜に照射した後、ｘ＝Ａ、Ｂ、Ｃのうちのいずれかあるいは全ての場合に関して、角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇ−ωｘ，０１の光を前記積層部の薄膜に照射する代わりに、角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇ＋ωｘ，０１の光を前記積層部の薄膜に照射することで、それらの場合に相当する物理系ｘに関して、角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇの光を照射した場合にその光と共鳴する物理系ｘとして前記｜ｚ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移が共鳴する物理系を主に含むようにすることを特徴とする請求項９に記載の量子計算方法。
【請求項１】
３種類の物理系、物理系Ａ、物理系Ｂ、物理系Ｃに関して、それぞれが３つの異なるエネルギー状態｜０＞ｘ、｜１＞ｘ、｜ｅ＞ｘを有し、｜０＞ｘあるいは｜１＞ｘあるいは｜０＞ｘと｜１＞ｘとの量子力学的な重ね合わせの状態で量子ビットを表す場合に（ｘ＝Ａ，Ｂ，Ｃ、添え字のｘは物理系ｘの状態であることを表す）、複数の物理系Ａからなる物理系集団Ａを含む薄膜Ａと、複数の物理系Ｂからなる物理系集団Ｂを含む薄膜Ｂと、複数の物理系Ｃからなる物理系集団Ｃを含む薄膜Ｃが、下から順に薄膜Ａから始まって、薄膜Ｂ、薄膜Ｃ、薄膜Ａ、薄膜Ｂ、薄膜Ｃ、薄膜Ａ、．．．と順に繰り返し重ねられた積層部と、
一番下の薄膜Ａ（薄膜Ａ（Ｅ）とする）中の前記物理系集団Ａ（物理系集団Ａ（Ｅ）とする）の｜ｙ＞Ａ（Ｅ）−｜ｅ＞Ａ（Ｅ）間遷移角周波数に関して（ｙ＝０，１）、上に隣接する薄膜Ｂ中の物理系集団Ｂが｜ｙ’＞Ｂ（ｙ’＝０，１）にある場合の遷移角周波数をωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇとし、該物理系集団Ｂが｜ｅ＞Ｂにある場合の遷移角周波数をωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅとし、下から２番目以降の薄膜ｘ中の物理系集団ｘの｜ｙ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移角周波数に関して、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ’＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｇｇとし、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団は｜ｅ＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｇｅとし、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｅ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団は｜ｙ’＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｅｇとし、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｅ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団も｜ｅ＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｅｅとした場合に、角周波数がそれぞれωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇ、ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅ、ωｘ，ｙｅ，ｇｇ、ωｘ，ｙｅ，ｇｅ、ωｘ，ｙｅ，ｅｇ、ωｘ，ｙｅ，ｅｅである光であり、かつ、スペクトル幅が互いの角周波数差よりも狭い光を発生して、前記積層部の薄膜に照射する光源部と、
前記光の周波数と強度とを制御する制御装置部と、
薄膜Ａ（Ｅ）中の物理系集団Ａ（Ｅ）からの発光や物理系集団Ａ（Ｅ）を通りぬけてくる光の透過光強度を測定することにより物理系集団のＡ（Ｅ）の量子状態を測定する量子ビット読み出し部と、を具備することを特徴とする量子計算機。
【請求項２】
前記積層部は、前記薄膜Ａ（Ｅ）のみに光導波路を形成していて、
前記光源部は、発生した角周波数がωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇ、ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅ、ωｘ，ｙｅ，ｇｇ、ωｘ，ｙｅ，ｇｅ、ωｘ，ｙｅ，ｅｇ、ωｘ，ｙｅ，ｅｅである光のうち、角周波数がωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇ、ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅである光で、スペクトル幅がこの２つの光の互いの角周波数差よりも狭い光と、角周波数がωｘ，ｙｅ，ｇｇ、ωｘ，ｙｅ，ｇｅ、ωｘ，ｙｅ，ｅｇ、ωｘ，ｙｅ，ｅｅである光で、スペクトル幅がこの４つの光の互いの角周波数差よりも狭い光を発生して、物理系集団Ａ（Ｅ）を操作するために、前記光導波路に角周波数ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇとωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅの光を入射し、
前記量子ビット読み出し部は、前記光導波路を透過する光の強度あるいは該光導波路中の物理系集団の発光強度を測定することを特徴とする請求項１に記載の量子計算機。
【請求項３】
前記物理系Ａ、Ｂ、Ｃがそれぞれ希土類イオンＡ、希土類イオンＢ、希土類イオンＣの３種類の希土類イオンであり、薄膜ｘが希土類イオンｘの集団を含む酸化物単結晶の薄膜あるいは酸化物微結晶の薄膜であり、エネルギー状態｜０＞ｘ、｜１＞ｘ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、｜ｅ＞ｘが希土類イオンｘの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に記載の量子計算機。
【請求項４】
薄膜ｘに含まれる多数の物理系の中から、量子ビットとして利用するものを選別するために、
前記光源部および前記制御装置部は、電子基底状態にある希土類イオンｘの核スピンの状態のうち、量子ビットを表すために利用していない状態を｜ａ＞ｘとし、ωｘ，ａ０を｜ａ＞ｘ−｜０＞ｘ間の遷移角周波数、ωｘ，０１を｜０＞ｘ−｜１＞ｘ間の遷移角周波数とした場合に、物理系ｘ−１と物理系ｘ＋１がそれぞれ｜ｙ＞ｘ−１，｜ｙ’＞ｘ＋１の場合（物理系ｘ−１と物理系ｘ＋１とはそれぞれ、前記積層部で物理系ｘを含む薄膜の、一つ下の薄膜に含まれる物理系と一つ上の薄膜に含まれる物理系とを示す）、物理系ｘの｜ｙ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移に不均一幅の範囲内で共鳴する角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇの光を前記積層部の薄膜に照射し、次いで角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇ−ωｘ，０１の光を前記積層部の薄膜に照射し、角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇの光を照射した場合にその光と共鳴する物理系ｘとして｜ｚ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移（｜１＞ｘのエネルギーが｜０＞ｘよりも大きければｚ＝０、小さければｚ＝１）が共鳴する物理系を主に含むようにした後、
ωＢ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ｂを｜ｅ＞Ｂにし、ωＡ，ｙｅ，ｇｇからΔωＡ，ｙｅ，ｇｅだけずらした角周波数ωＡ，ｙｅ，ｇｇ＋ΔωＡ，ｙｅ，ｇｅを中心に角周波数ΔωＡ，ｂｉｔの幅の角周波数領域を除いた領域に対して、該領域内の角周波数ωＡ，ｒｅのπパルスと、状態｜ｙ＞Ａのエネルギーが状態｜ａ＞Ａのエネルギーよりも高ければ角周波数ωＡ，ｒｅ＋ωＡ，ａｙのπパルス、低ければωＡ，ｒｅ−ωＡ，ａｙのπパルスの２つのπパルスからなる光パルスの組を、ωＡ，ｒｅの値を変えながら前記積層部の薄膜に照射し、再びωＢ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ｂを｜ｙ＞Ｂに戻し、
次いで、ωＣ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ｃを｜ｅ＞Ｃにし、ωＢ，ｙｅ，ｇｇからΔωＢ，ｙｅ，ｇｅだけずらした角周波数ωＢ，ｙｅ，ｇｇ＋ΔωＢ，ｙｅ，ｇｅを中心に角周波数ΔωＢ，ｂｉｔの幅の角周波数領域を除いた領域に対して、該領域内の角周波数ωＢ，ｒｅのπパルスと、状態｜ｙ＞Ｂのエネルギーが状態｜ａ＞Ｂのエネルギーよりも高ければ角周波数ωＢ，ｒｅ＋ωＢ，ａｙのπパルス、低ければωＢ，ｒｅ−ωＢ，ａｙのπパルスの２つのπパルスからなる光パルスの組を、ωＢ，ｒｅの値を変えながら前記積層部の薄膜に照射し、再びωＣ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ｃを｜ｙ＞Ｃに戻し、
次いで、ωＡ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ａを｜ｅ＞Ａにし、ωＣ，ｙｅ，ｇｇからΔωＣ，ｙｅ，ｇｅだけずらした角周波数ωＣ，ｙｅ，ｇｇ＋ΔωＣ，ｙｅ，ｇｅを中心に角周波数ΔωＣ，ｂｉｔの幅の角周波数領域を除いた領域に対して、該領域内の角周波数ωＣ，ｒｅのπパルスと、状態｜ｙ＞Ｃのエネルギーが状態｜ａ＞Ｃのエネルギーよりも高ければ角周波数ωＣ，ｒｅ＋ωＣ，ａｙのπパルス、低ければωＣ，ｒｅ−ωＣ，ａｙのπパルスの２つのπパルスからなるパルスの組を、ωＣ，ｒｅの値を変えながら前記積層部の薄膜に照射し、再びωＡ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ａを｜ｙ＞Ａに戻し、
この時点で｜ｙ＞ｘにある物理系集団ｘを量子ビットとして利用することで、互いに隣接する薄膜中の物理系に関して、片方の薄膜中の量子ビットとして利用する物理系集団が電子基底状態にある場合に比べ電子励起状態にある場合では、もう片方の薄膜中の量子ビットとして利用する物理系集団の遷移角周波数が集団としてエネルギー的に片側（低エネルギー側あるいは高エネルギー側）に変化するようにすることを特徴とする請求項３に記載の量子計算機。
【請求項５】
前記光源部および前記制御装置部は、ｘ＝Ａ、Ｂ、Ｃに関して、物理系ｘ−１と物理系ｘ＋１がそれぞれ｜ｙ＞ｘ−１，｜ｙ’＞ｘ＋１の場合、物理系ｘの｜ｙ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移に不均一幅の範囲内で共鳴する角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇの光を前記積層部の薄膜に照射した後、ｘ＝Ａ、Ｂ、Ｃのうちのいずれかあるいは全ての場合に関して、角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇ−ωｘ，０１の光を前記積層部の薄膜に照射する代わりに、角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇ＋ωｘ，０１の光を前記積層部の薄膜に照射することで、それらの場合に相当する物理系ｘに関して、角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇの光を照射した場合にその光と共鳴する物理系ｘとして前記｜ｚ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移が共鳴する物理系を主に含むようにすることを特徴とする請求項４に記載の量子計算機。
【請求項６】
３種類の物理系、物理系Ａ、物理系Ｂ、物理系Ｃに関して、それぞれが３つの異なるエネルギー状態｜０＞ｘ、｜１＞ｘ、｜ｅ＞ｘを有し、｜０＞ｘあるいは｜１＞ｘあるいは｜０＞ｘと｜１＞ｘとの量子力学的な重ね合わせの状態で量子ビットを表す場合に（ｘ＝Ａ，Ｂ，Ｃ、添え字のｘは物理系ｘの状態であることを表す）、複数の物理系Ａからなる物理系集団Ａを含む薄膜Ａと、複数の物理系Ｂからなる物理系集団Ｂを含む薄膜Ｂと、複数の物理系Ｃからなる物理系集団Ｃを含む薄膜Ｃが、下から順に薄膜Ａから始まって、薄膜Ｂ、薄膜Ｃ、薄膜Ａ、薄膜Ｂ、薄膜Ｃ、薄膜Ａ、．．．と順に繰り返し重ねられた積層部を用意し、
一番下の薄膜Ａ（薄膜Ａ（Ｅ）とする）中の前記物理系集団Ａ（物理系集団Ａ（Ｅ）とする）の｜ｙ＞Ａ（Ｅ）−｜ｅ＞Ａ（Ｅ）間遷移角周波数に関して（ｙ＝０，１）、上に隣接する薄膜Ｂ中の物理系集団Ｂが｜ｙ’＞Ｂ（ｙ’＝０，１）にある場合の遷移角周波数をωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇとし、該物理系集団Ｂが｜ｅ＞Ｂにある場合の遷移角周波数をωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅとし、下から２番目以降の薄膜ｘ中の物理系集団ｘの｜ｙ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移角周波数に関して、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ’＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｇｇとし、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｙ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団は｜ｅ＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｇｅとし、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｅ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団は｜ｙ’＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｅｇとし、下に隣接する薄膜中の物理系集団が｜ｅ＞にあり、上に隣接する薄膜中の物理系集団も｜ｅ＞にある場合の遷移角周波数をωｘ，ｙｅ，ｅｅとした場合に、角周波数がそれぞれωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇ、ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅ、ωｘ，ｙｅ，ｇｇ、ωｘ，ｙｅ，ｇｅ、ωｘ，ｙｅ，ｅｇ、ωｘ，ｙｅ，ｅｅである光であり、かつ、スペクトル幅が互いの角周波数差よりも狭い光を発生し、
前記光の周波数と強度とを制御しながら前記積層部の薄膜に照射して量子ビットを操作し、
薄膜Ａ（Ｅ）中の物理系集団Ａ（Ｅ）に光を照射して、該物理系集団Ａ（Ｅ）からの発光や該物理系集団Ａ（Ｅ）を通りぬけてくる光の透過光強度を測定することにより物理系集団のＡ（Ｅ）の量子状態を測定して量子ビットを読み出すことを特徴とする量子計算方法。
【請求項７】
前記薄膜Ａ（Ｅ）のみに光導波路を形成し、
前記光を発生することは、角周波数がωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇ、ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅ、ωｘ，ｙｅ，ｇｇ、ωｘ，ｙｅ，ｇｅ、ωｘ，ｙｅ，ｅｇ、ωｘ，ｙｅ，ｅｅである光のうち、角周波数がωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇ、ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅである光で、スペクトル幅がこの２つの光の互いの角周波数差よりも狭い光と、角周波数がωｘ，ｙｅ，ｇｇ、ωｘ，ｙｅ，ｇｅ、ωｘ，ｙｅ，ｅｇ、ωｘ，ｙｅ，ｅｅである光で、スペクトル幅がこの４つの光の互いの角周波数差よりも狭い光を発生して、物理系集団Ａ（Ｅ）を操作するために、該光導波路に角周波数ωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｇとωＡ（Ｅ），ｙｅ，ｅの光を入射し、
前記量子ビットを読み出すことは、前記光導波路を透過する光の強度あるいは該光導波路中の物理系集団の発光強度を測定することを特徴とする請求項６に記載の量子計算方法。
【請求項８】
前記物理系Ａ、Ｂ、Ｃがそれぞれ希土類イオンＡ、希土類イオンＢ、希土類イオンＣの３種類の希土類イオンであり、薄膜ｘが希土類イオンｘの集団を含む酸化物単結晶の薄膜あるいは酸化物微結晶の薄膜であり、エネルギー状態｜０＞ｘ、｜１＞ｘ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、｜ｅ＞ｘが希土類イオンｘの電子励起状態であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の量子計算方法。
【請求項９】
薄膜ｘに含まれる多数の物理系の中から、量子ビットとして利用するものを選別するために、
前記光を発生することおよび前記前記光の周波数と強度とを制御することは、電子基底状態にある希土類イオンｘの核スピンの状態のうち、量子ビットを表すために利用していない状態を｜ａ＞ｘとし、ωｘ，ａ０を｜ａ＞ｘ−｜０＞ｘ間の遷移角周波数、ωｘ，０１を｜０＞ｘ−｜１＞ｘ間の遷移角周波数とした場合に、物理系ｘ−１と物理系ｘ＋１がそれぞれ｜ｙ＞ｘ−１，｜ｙ’＞ｘ＋１の場合（物理系ｘ−１と物理系ｘ＋１とはそれぞれ、前記積層部で物理系ｘを含む薄膜の、一つ下の薄膜に含まれる物理系と一つ上の薄膜に含まれる物理系とを示す）、物理系ｘの｜ｙ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移に不均一幅の範囲内で共鳴する角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇの光を前記積層部の薄膜に照射し、次いで角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇ−ωｘ，０１の光を前記積層部の薄膜に照射し、角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇの光を照射した場合にその光と共鳴する物理系ｘとして｜ｚ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移（｜１＞のエネルギーが｜０＞よりも大きければｚ＝０、小さければｚ＝１）が共鳴する物理系を主に含むようにした後、
ωＢ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ｂを｜ｅ＞Ｂにし、ωＡ，ｙｅ，ｇｇからΔωＡ，ｙｅ，ｇｅだけずらした角周波数ωＡ，ｙｅ，ｇｇ＋ΔωＡ，ｙｅ，ｇｅを中心に角周波数ΔωＡ，ｂｉｔの幅の角周波数領域を除いた領域に対して、該領域内の角周波数ωＡ，ｒｅのπパルスと、状態｜ｙ＞Ａのエネルギーが状態｜ａ＞Ａのエネルギーよりも高ければ角周波数ωＡ，ｒｅ＋ωＡ，ａｙのπパルス、低ければωＡ，ｒｅ−ωＡ，ａｙのπパルスの２つのπパルスからなる光パルスの組を、ωＡ，ｒｅの値を変えながら前記積層部の薄膜に照射し、再びωＢ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ｂを｜ｙ＞Ｂに戻し、
次いで、ωＣ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ｃを｜ｅ＞Ｃにし、ωＢ，ｙｅ，ｇｇからΔωＢ，ｙｅ，ｇｅだけずらした角周波数ωＢ，ｙｅ，ｇｇ＋ΔωＢ，ｙｅ，ｇｅを中心に角周波数ΔωＢ，ｂｉｔの幅の角周波数領域を除いた領域に対して、該領域内の角周波数ωＢ，ｒｅのπパルスと、状態｜ｙ＞Ｂのエネルギーが状態｜ａ＞Ｂのエネルギーよりも高ければ角周波数ωＢ，ｒｅ＋ωＢ，ａｙのπパルス、低ければωＢ，ｒｅ−ωＢ，ａｙのπパルスの２つのπパルスからなる光パルスの組を、ωＢ，ｒｅの値を変えながら前記積層部の薄膜に照射し、再びωＣ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ｃを｜ｙ＞Ｃに戻し、
次いで、ωＡ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ａを｜ｅ＞Ａにし、ωＣ，ｙｅ，ｇｇからΔωＣ，ｙｅ，ｇｅだけずらした角周波数ωＣ，ｙｅ，ｇｇ＋ΔωＣ，ｙｅ，ｇｅを中心に角周波数ΔωＣ，ｂｉｔの幅の角周波数領域を除いた領域に対して、該領域内の角周波数ωＣ，ｒｅのπパルスと、状態｜ｙ＞Ｃのエネルギーが状態｜ａ＞Ｃのエネルギーよりも高ければ角周波数ωＣ，ｒｅ＋ωＣ，ａｙのπパルス、低ければωＣ，ｒｅ−ωＣ，ａｙのπパルスの２つのπパルスからなるパルスの組を、ωＣ，ｒｅの値を変えながら前記積層部の薄膜に照射し、再びωＡ，ｙｅ，ｇｇのπパルスを前記積層部の薄膜に照射し、物理系集団Ａを｜ｙ＞Ａに戻し、
この時点で｜ｙ＞ｘにある物理系集団ｘを量子ビットとして利用することで、互いに隣接する薄膜中の物理系に関して、片方の薄膜中の量子ビットとして利用する物理系集団が電子基底状態にある場合に比べ電子励起状態にある場合では、もう片方の薄膜中の量子ビットとして利用する物理系集団の遷移角周波数が集団としてエネルギー的に片側（低エネルギー側あるいは高エネルギー側）に変化するようにすることを特徴とする請求項８に記載の量子計算方法。
【請求項１０】
前記光を発生することおよび前記光の周波数と強度とを制御することは、ｘ＝Ａ、Ｂ、Ｃに関して、物理系ｘ−１と物理系ｘ＋１がそれぞれ｜ｙ＞ｘ−１，｜ｙ’＞ｘ＋１の場合、物理系ｘの｜ｙ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移に不均一幅の範囲内で共鳴する角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇの光を前記積層部の薄膜に照射した後、ｘ＝Ａ、Ｂ、Ｃのうちのいずれかあるいは全ての場合に関して、角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇ−ωｘ，０１の光を前記積層部の薄膜に照射する代わりに、角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇ＋ωｘ，０１の光を前記積層部の薄膜に照射することで、それらの場合に相当する物理系ｘに関して、角周波数ωｘ，ｙｅ，ｇｇの光を照射した場合にその光と共鳴する物理系ｘとして前記｜ｚ＞ｘ−｜ｅ＞ｘ間遷移が共鳴する物理系を主に含むようにすることを特徴とする請求項９に記載の量子計算方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−４８９５２（Ｐ２０１０−４８９５２Ａ）
【公開日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１１９０５（Ｐ２００８−２１１９０５）
【出願日】平成２０年８月２０日（２００８．８．２０）
【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４日（２０１０．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２０日（２００８．８．２０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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