CN116964595A - 量子纠缠生成装置、量子纠缠生成方法以及量子计算机 - Google Patents
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Abstract
量子纠缠生成装置(10)具备：在设n为2以上的整数时分别具有三个电极的两个超导量子比特元件(20a)和(20b)；配置在相邻的超导量子比特元件(20a)与(20b)之间的耦合谐振器(30)；以及与超导量子比特元件(20a)和(20b)分别相互电容耦合的波导(50a)和(50b)。耦合谐振器(30)通过使双量子比特门作用于相邻的超导量子比特元件(20a)与(20b)之间，在该相邻的超导量子比特元件(20a)与(20b)之间生成量子纠缠。超导量子比特元件(20a)和(20b)通过将量子纠缠作为传播微波光子释放到波导(50a)和(50b)，从而生成二维簇态。
Description
技术领域
本发明涉及量子纠缠生成装置、量子纠缠生成方法以及量子计算机。
背景技术
作为实现量子计算机的有效方法之一，提出了测定型量子计算(例如，非专利文献1、2)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：R.Raussendorf and H.J.Briegel"A One-Way QuantumComputer"，Phys.Rev.Lett.86，5188，(2001)
非专利文献2：R.Raussendorf，D.E.Browne，H.J.Briegel"Measurement-basedquantum computation with cluster states"，Phys.Rev.A 68，022312(2003)
非专利文献3：S.E.Economou，N.Lindner，and T.Rudolph"Optically Generated2-Dimensional Photonic Cluster State from Coupled Quantum Dots"，Phys.Rev.Lett.105，093601(2010)
非专利文献4：J.Ilves，S.Kono，Y.Sunada，S.Yamazaki，M.Kim，K.Koshino，Y.Nakamura"On-demand generation and characterization of amicrowave time-binqubit"，npj Quantum Information volume 6，Article number：34(2020)
非专利文献5：J.M.Gambetta，A.A.Houck，Alexandre Blais，"SuperconductingQubit with Purcell Protection and Tunable Coupling"，Phys.Rev.Lett.106，030502(2011)
非专利文献6：M.Pechal，L.Huthmacher，C.Eichler，S.Zeytinoglu，A.A.Abdumalikov，Jr.，S.Berger，A.Wallraff，and S.Filipp"Microwave-controlledgeneration of shaped single photons in circuit quantum electrodynamics"，Physical Review X 4，041010(2014)
非专利文献7：P.Kurpiers，P.Magnard，T.Walter，B.Royer，M.Pechal，J.Heinsoo，Y.Salathe，A.Akin，S.Storz，J.-C.Besse，S.Gasparinetti，A.Blais，A.Wallraff，"Deterministic Quantum State Transfer and Generation of Remote Entanglementusing Microwave Photons"，Nature 558，264-267(2018)
发明内容
发明要解决的问题
在测定型量子计算中，需要预先准备被称为簇态的大规模的量子纠缠状态。在非专利文献3中，公开了一种从两个耦合的量子点对生成二维光子列的簇态的构思。在非专利文献4中，公开了一种基于超导电路量子电动力学(circuit-QED)架构的微波时间仓(timebin)量子比特的按需生成方法。在非专利文献5中，公开了一种具有三个电极的超导量子比特元件。这些技术成为使用了超导量子比特元件的微波光子列的二维簇态生成用的要素技术。但是，尚未提出用于生成微波光子列的二维簇态的具体装置。
本发明是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于，提供一种生成微波光子列的二维簇态的装置。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本发明的某个方案的量子纠缠生成装置具备：n个量子比特元件，n为2以上的整数；耦合谐振器，其配置在相邻的量子比特元件之间；以及波导(例如同轴线、共面波导等)，其与量子比特元件分别相互电容耦合。使用耦合谐振器，使双量子比特门作用于相邻的量子比特元件之间，由此，在该相邻的量子比特元件之间生成量子纠缠。此外，根据各量子比特，生成与该量子比特之间具有量子纠缠的传播微波光子列，依次释放到波导，由此生成二维簇态。
或者也可以不使用耦合谐振器，使相邻的量子比特元件直接耦合。即，即便在量子比特彼此直接耦合的情况下，也能够作用本方式所需的双量子比特门。
n个量子比特元件分别也可以具有三个电极。
实施方式的量子纠缠生成装置也可以与量子比特元件独立地具备光子释放用谐振器或光子释放用量子比特，该光子释放用谐振器或光子释放用量子比特取决于量子比特元件的状态而有条件地生成激发，并将该激发作为传播微波光子而释放到波导。
实施方式的量子纠缠生成装置也可以具备读出量子比特元件的状态的读出谐振器。
三个电极中的两个电极在从波导的方向观察时，也可以具有：将具有同心圆型的轮廓的圆环切割成一半而得到的形状。
实施方式的量子纠缠生成装置也可以具备在内部具有空洞的导体腔。量子比特元件和耦合谐振器也可以固定在导体腔的空洞内。
量子比特元件也可以将量子比特初始化为基态，将基态半激发为第一激发状态，将第一激发状态激发为第二激发状态，将基态激发为第一激发状态，将第二激发状态转换成光子释放用谐振器或光子释放用量子比特的激发，之后，使传播微波光子从光子释放用谐振器或光子释放用量子比特释放到波导。
量子比特元件也可以是超导量子比特元件。
本发明的另一方案是使用上述的量子纠缠生成装置生成量子纠缠的方法。该方法具备以下步骤：将量子比特初始化为基态；将基态半激发为第一激发状态；将第一激发状态激发为第二激发状态；将基态激发为第一激发状态；以及将第二激发状态转换成光子释放用谐振器或光子释放用量子比特的激发，之后，使传播微波光子从光子释放用谐振器或光子释放用量子比特释放到波导。
本发明的又一方案是具备上述的量子纠缠生成装置的量子计算机。
实施方式的量子计算机也可以执行测定型量子计算，在该测定型量子计算中，针对量子纠缠生成装置生成的量子纠缠状态重复进行测定。
实施方式的量子计算机也可以执行测定型量子计算，在该测定型量子计算中，在将量子纠缠生成装置生成的簇态从所述波导作为传播光子暂时存放到超导延迟线之后，通过其他的量子比特元件吸收传播光子，使双量子比特门作用于纠缠生成用量子比特元件之间，进行基底转换之后进行测定，基于紧前面的测定结果来选择下一个测定基底，并且重复进行测定。
需要说明的是，以上的构成要素的任意组合、在装置、方法、系统、记录介质、计算机程序等之间将本发明的表现进行转换而得到的方案也作为本发明的方案是有效的。
发明效果
根据本发明，能够提供生成量子比特的二维簇态的装置。
附图说明
图1是示出一维簇态的示意图。
图2是示出二维簇态的示意图。
图3是示出由将量子比特与谐振器耦合的设备进行的传播微波光子的生成/释放的示意图。
图4是使用图3的设备生成/释放传播微波光子时的状态转变图。
图5是示出使用第一实施方式的量子纠缠生成装置而生成簇态的情形的示意图。
图6是第一实施方式的量子纠缠生成装置的透视图。
图7是图6的量子纠缠生成装置中的超导量子比特元件的俯视图。
图8是示出使用图6的量子纠缠生成装置生成簇态的次序的步骤1的图。
图9是示出使用图6的量子纠缠生成装置生成簇态的次序的步骤2-1的图。
图10是示出使用图6的量子纠缠生成装置生成簇态的次序的步骤2-3的图。
图11是示出使用图6的量子纠缠生成装置生成簇态的次序的步骤2-4的图。
图12是示出使用图6的量子纠缠生成装置生成簇态的次序的步骤2-5的图。
图13是示出在使用图6的量子纠缠生成装置生成簇态的次序中将步骤(2-1)～(2-5)重复进行“所希望的光子链长度-1次”的图。
图14是示出使用图6的量子纠缠生成装置生成簇态的次序的流程图。
图15是第二实施方式的量子纠缠生成装置的透视图。
图16是第四实施方式的量子计算机的透视图。
具体实施方式
以下，参照附图，基于优选的实施方式对本发明进行说明。实施方式不限定发明，是例示。实施方式所记述的所有的特征及其组合并不一定是发明的本质特征。对于各图所示的相同或等同的构成要素、构件、处理，标注相同的标号，适当省略重复的说明。另外，各图所示的各部分的比例尺、形状是为了容易说明而方便地设定的，只要没有特别提及，就不是限定地解释的部分。另外，在本说明书或权利要求中使用“第一”、“第二”等术语的情况下，只要没有特别提及，该术语就不表示任何顺序和重要度，只是用于区分某一结构和其他结构。另外，在各图中，省略在说明实施方式的方面不重要的构件的一部分而显示。
在说明具体的实施方式之前，首先说明基础知识。量子计算机是通过利用量子力学的现象来实现高速计算的计算机，能够高效地解答在经典的计算机中难以在现实的计算时间内求解的一部分问题。作为量子计算机的主流的实现方式的门方式在逐个制作出大量量子比特的基础上，将它们组合而形成用于计算的量子比特间布线，一边依次进行量子操作一边执行计算。门方式作为标准的量子计算方式已被广泛地研究，另一方面，随着量子比特的数量增加，布线、控制变得复杂，因此，存在难以实现大规模化这样的问题。
与此相对，作为另一实现方式的“测定型量子计算”(也称为“一方向量子计算”)首先准备处于特定的量子纠缠状态(簇态)的大量的量子比特，通过分别测定这些量子比特来进行计算。关于这一点。测定型量子计算与需要根据计算内容来控制量子比特间的相互作用(量子门)的门方式不同。簇态成为将任意的量子计算的模式重叠的状态，通过适应地重复对该簇态的测定，能够执行任意的计算，这是测定型量子计算的原理。测定型量子计算的优点在于，只要首先以充分的量子比特数量准备具有适当的量子纠缠构造的簇态，则之后能够通过比较简单的各量子比特的测定来实现任意的量子计算。这里，“具有适当的量子纠缠构造的簇态”是指，能够实现使用了多个输入的任意量子计算的通用的量子纠缠，作为最简单的例子，已知被称为“二维簇态”的情况。根据测定型量子计算，能够以比较小规模的硬件执行大规模的量子计算。
“量子比特”(也被称为“Qubit”或“量子位元”)是量子计算机中的量子信息的最小单位。经典的计算机中的比特仅取0或1中的任意值。即，该情况下的状态(经典的状态)为两个状态。与此相对，量子比特能够取将这两个状态在量子力学上重叠的状态。
“量子纠缠”是指，在量子多体系统中只能用量子力学来说明的两个以上的量子比特之间的相关。量子纠缠在应用了量子力学的各种信息处理技术(量子计测、量子通信、量子计算等)中被利用。以下所述的簇态也是量子纠缠的一种。
“簇态”是在测定型量子计算中使用的量子纠缠。在图示簇态的情况下，大多以圆圈表示量子比特，以线表示量子比特间的量子纠缠。能够使用簇态进行哪种量子计算，是由该簇态的构造决定的。例如，一条链状的簇态(一维簇态)仅能够执行单输入/单输出的计算。与此相对，为了能够执行多输入/多输出的任意的量子计算，需要采用具有以网眼状相连的构造的二维簇态。图1中示意性示出一维簇态。图2中示意性示出二维簇态。
量子力学通常应用于原子、电子这样的微观的物理系统。但是，例如包含约瑟夫森元件在内的超导电路等电子设备虽然为宏观的物理系统但表现出量子力学的行为。“超导量子比特元件”利用这样的超导电路作为起到量子比特作用的元件。即，超导量子比特元件是以人造的方式制作的超导电子电路上的量子力学的物理系统。超导量子比特元件在集成化、元件特性的控制方面比较容易，因此，期待作为用于实现量子计算机的有效的关键设备。需要说明的是，不限于超导量子比特元件，以下也有时将起到量子比特作用的人造元件称为“量子比特元件”。
具有微波区域的能量的光子被称为“微波光子”。微波的频率是10GHz的级别，因此，能够进行电控制。另外，微波的波长是1cm的级别，因此，能够使用导体腔、薄膜图案来设计各种装置。另一方面，微波光子的能量极其小，具体而言，相当于500毫开尔文(mK)的温度。因此，需要在极低温度下进行微波光子的生成和检测。
通过将超导量子比特元件集成化而安装到芯片上，能够形成宏观的量子电路。但是，能够安装在一个芯片上的超导量子比特元件的数量具有界限。于是，提出以下方法：利用微波光子的传播，将芯片彼此量子地连接，由此，形成量子网络，增加超导量子比特元件的总数(例如，非专利文献6、7)。也有时将在量子比特之间输送量子信息的微波光子称为“传播微波光子”。
参照图3，对传播微波光子的生成/释放过程进行说明。图3示出将设备1与波导4耦合的系统。设备1通过将量子比特2与谐振器3电容耦合而构成。以下，说明使用设备1生成传播微波光子5并将生成的传播微波光子5释放到与谐振器3电容耦合的波导4(同轴线等)的过程。
首先将量子比特2设定为目标量子状态。接着，通过向量子比特2照射微波，将量子比特2具有的量子状态转移到谐振器3。其结果是，谐振器3具有与量子比特2的量子状态对应的光子状态。最后，通过将谐振器3的光子状态自然释放到波导4，生成传播微波光子5的脉冲。
图4是使用图3的设备生成/释放传播微波光子时的状态转变图。以下，参照图4，对生成一个传播微波光子的脉冲的次序进行说明。在该例中，量子比特是基态|g＞、第一激发状态|e＞、第二激发状态|f＞的三能级系统。另外，在谐振器内，具有光子为0个的真空状态|0＞和光子为1个的单光子状态|1＞的这两个量子状态。以下，符号|＞内的左侧的字符表示量子比特的状态，右侧的字符表示谐振器内的光子的个数。例如|e0＞表示量子比特处于第一激发状态，谐振器内的光子数为0。
在该例中，与以|g0＞为基准时的系统的各状态的能量相当的频率如下。
|g0＞：0GHz
|e0＞：8.5GHz
|g1＞：10.6GHz
|f0＞：16.6GHz
传播微波光子通过以下的五个步骤而生成。
(步骤i)将量子比特初始化为基态|g＞。
(步骤ii)将量子比特设定为目标状态α|g＞+β|e＞。
(步骤iii)通过向量子比特照射相当于第二激发状态|f＞与第一激发状态|e＞的能量差的频率(16.6GHz-8.5GHz＝8.1GHz)的微波，将第一激发状态|e＞激发为第二激发状态|f＞。
(步骤iv)通过照射相当于状态|f0＞与状态|g1＞的能量差的频率(16.6GHz-10.6GHz＝6.0GHz)的驱动微波，驱动从状态|f0＞向|g1＞的转变。由此，在量子比特处于第二激发状态|f＞的情况下，有条件地激发谐振器，使量子比特的状态α|g＞+β|e＞转移到谐振器的量子状态α|0＞+β|1＞。
(步骤v)通过从谐振器向波导的自然释放，生成传播微波光子的脉冲α|0＞+β|1＞。系统的状态返回到|g0＞。
需要说明的是，在本说明书中，如上所述，在表现设备整体的量子状态时，使用|f0＞、|g1＞等表述，在仅关注于量子比特的情况下，使用|f＞、|g＞等表述(以下同样)。
关于以上的次序，也能够代替谐振器而由具有光子释放用量子比特的设备执行。在该情况下，光子释放用量子比特的基态和第一激发状态分别对应于谐振器的真空状态和单光子状态。
如后所述，通过执行同样的次序，也能够生成传播微波光子列呈链状相纠缠的状态。在以下说明的实施方式中，传播微波光子在簇态的生成中起到重要的作用。
[第一实施方式]
图5示意性示出使用第一实施方式的量子纠缠生成装置生成簇态的情形。在本装置中，代替光子释放用谐振器而使用光子释放用量子比特。该量子纠缠生成装置具备两个纠缠生成用量子比特6a和6b、与纠缠生成用量子比特6a和6b分别耦合的两个光子释放用量子比特7a和7b、以及与光子释放用量子比特7a和7b耦合的微波波导8a和8b。将由纠缠生成用量子比特6a、光子释放用量子比特7a以及微波波导8a构成的系统称为第一列，将由纠缠生成用量子比特6b、光子释放用量子比特7b以及微波波导8b构成的系统称为第二列。能够使双量子比特门作用于相邻的两个纠缠生成用量子比特6a与6b之间。
两个纠缠生成用量子比特6a与6b之间的双量子比特门在第一列与第二列之间生成量子纠缠。如上所述，能够取决于纠缠生成用量子比特的状态而有条件地激发光子释放用量子比特7a和7b。之后，通过将光子释放用量子比特的激发自然释放到微波波导8a和8b，能够在纠缠生成用量子比特之间连续生成具有量子纠缠的传播微波光子。在每次生成传播微波光子时，每次使双量子比特门作用于纠缠生成用量子比特之间，由此生成二维簇态。
在图6中示意性示出第一实施方式的量子纠缠生成装置10。量子纠缠生成装置10具备超导量子比特元件20a和20b、耦合谐振器30、读出谐振器40a和40b、波导50a和50b、读出线60a和60b、以及导体腔80。超导量子比特元件20a和20b分别具备纠缠生成用量子比特和光子释放用量子比特。即，该量子纠缠生成装置10以将图5的纠缠生成用量子比特6a和光子释放用量子比特7a综合成超导量子比特元件20a的形式安装。同样，以将纠缠生成用量子比特6b和光子释放用量子比特7b综合成超导量子比特元件20b的形式安装。
读出谐振器40a、超导量子比特元件20a、耦合谐振器30、超导量子比特元件20b、读出谐振器40b在图6中从左依次呈链状配置在硅基板70上。读出谐振器40a、超导量子比特元件20a、耦合谐振器30、超导量子比特元件20b、读出谐振器40b例如通过铌薄膜的干蚀刻来制作。
超导量子比特元件20a与耦合谐振器30相互电容耦合。同样，超导量子比特元件20b与耦合谐振器30相互电容耦合。
超导量子比特元件20a与读出谐振器40a相互电容耦合。同样，超导量子比特元件20b与读出谐振器40b相互电容耦合。
超导量子比特元件20a与波导50a相互电容耦合。同样，超导量子比特元件20b与波导50b相互电容耦合。
读出谐振器40a与读出线60a相互电容耦合。同样，读出谐振器40b与读出线60b相互电容耦合。
导体腔80是在内部具有圆柱状的空洞的铝制的块。在导体腔80的空洞内固定有硅基板70。导体腔80在相当于读出谐振器40a的正上方、超导量子比特元件20a的正上方、超导量子比特元件20b的正上方、读出谐振器40b的正上方的位置分别设置有贯通孔。通过这些贯通孔，分别插入成为读出线60a、波导50a、波导50b、读出线60b的波导。由此，导体腔80形成外导体，耦合谐振器30、读出谐振器40a和40b形成内导体。其结果是，量子纠缠生成装置10具有同轴线谐振器的构造。同轴线谐振器与使用共面线路等制作的二维谐振器相比，模式体积大，因此，具有内部损耗小这样的优点。此外，同轴线谐振器的构造简单，因此，能够低成本且容易地制作。
读出谐振器40a和40b例如由通过铌薄膜的干蚀刻制作的细长的超导薄膜线形成。读出谐振器40a和40b用于读出量子纠缠生成装置10的刻度(calibration)、纠缠生成用量子比特的状态，不参与实际的微波光子列的生成。因此，在本实施方式中，要注意不是必须的结构这一点。
在图7中例示出使用三个电极而构成的超导量子比特元件20a的俯视图，作为图6的量子纠缠生成装置1中的超导量子比特元件的一例。超导量子比特元件20a具备第一电极101、第二电极102以及第三电极103。第一电极101和第二电极102均具有：将具有同心圆型的轮廓的圆环切割成一半而得到的形状。第三电极103具有圆形的形状。第一电极101和第二电极102将第三电极103夹在中间以彼此面对的形式配置。第一电极101与第三电极103通过约瑟夫森结J1而接合。同样，第二电极102与第三电极103通过约瑟夫森结J2而接合。
超导量子比特元件20a能够通过由第一电极101、第二电极102及第三电极103生成的电磁场的振动模式，既作为纠缠生成用量子比特发挥作用，也作为光子释放用量子比特发挥作用。例如，在对第一电极101赋予正电位、对第二电极102赋予零电位、对第三电极103赋予负电位时，所生成的电磁场的模式与相邻的超导量子比特强力地耦合。因此，在该情况下，超导量子比特元件20a作为纠缠生成用量子比特发挥作用。另一方面，例如，在对第一电极101赋予正电位、对第二电极102赋予负电位、对第三电极103赋予正电位时，所生成的电磁场的模式与在本实施方式中用作波导的同轴线强力地耦合。因此，在该情况下，超导量子比特元件20a作为光子释放用量子比特发挥作用。
以往的超导量子比特例如传输子(transmon)量子比特由将一个约瑟夫森结与一个电容器并联地连接的电路构成。在该情况下，电极为两个(即一个电容器)。该超导量子比特与本实施方式不同，无法实现纠缠生成用量子比特和光子释放用量子比特双方的功能。关于这一点，本实施方式相对于以往的超导量子比特具有显著的差异。
超导量子比特元件20b的结构和动作与上述的超导量子比特元件20a相同，因此省略详细的说明。
以下，参照图8图13，对使用量子纠缠生成装置1生成二维簇态的次序进行说明。对于记号，应用图4的记号。二维簇态通过以下的步骤而生成。
(步骤1)将量子比特初始化为|g＞(图8)。
(步骤2)将以下的步骤(2-1)～(2-5)重复进行“所希望的光子链长度-1次”(图13)。
(步骤2-1)将|g＞半激发为|e＞(图9)。
(步骤2-2)使C-Z(controlled-Z)门作用于相邻的双量子比特之间。
(步骤2-3)将|e＞激发为|f＞(图10)。
(步骤2-4)将|g＞激发为|e＞(图11)。
(步骤2-5)驱动|f0＞→|g1＞转变，释放传播微波光子(图12)。
(步骤3)将|g＞半激发为|e＞。
(步骤4)使C-Z门作用于相邻的双量子比特之间。
(步骤5)将|e＞激发为|f＞。
(步骤6)驱动|f0＞→|g1＞转变，释放传播微波光子。
图14中以流程图示出上述的簇态的生成次序。
通过以上的次序，能够生成由任意长度的两列微波光子列构成的二维簇态。
在以上说明的实施方式中，量子纠缠生成装置具备导体腔。但是不限于此，只要能够从外界电磁地隔离超导量子比特和微波谐振器即可，可以是任意的合适的壳体。例如，如果代替同轴线谐振器而采用共面谐振器，代替同轴线而采用共面波导，则能够实现不使用导体腔的安装。
在以上说明的实施方式中，量子纠缠生成用量子比特和光子释放用量子比特被综合为一个超导量子比特元件。但是不限于此，也可以与量子纠缠生成用量子比特独立地设置光子释放用谐振器或者光子释放用量子比特。
根据本实施方式，能够实现生成量子比特的二维簇态的装置。
[第二实施方式]
在图15中示意性示出第二实施方式的量子纠缠生成装置11。量子纠缠生成装置11具备超导量子比特元件21a、21b和21c、耦合谐振器31a和31b、读出谐振器41a、41b和41c、波导51a、51b和51c、读出线61a、61b和61c、以及导体腔81(为了避免图的繁琐，省略了读出线61b和61c的图示)。即量子纠缠生成装置11对图6的量子纠缠生成装置10的结构进行追加，具备超导量子比特元件21c、耦合谐振器31b、读出谐振器41c、波导51c以及读出线61c。
超导量子比特元件21a与耦合谐振器31a相互电容耦合。超导量子比特元件21b与耦合谐振器31a及耦合谐振器31b电容耦合。超导量子比特元件21c与耦合谐振器31b相互电容耦合。
超导量子比特元件21a与读出谐振器41a相互电容耦合。同样，超导量子比特元件21b与读出谐振器41b相互电容耦合。同样，超导量子比特元件21c与读出谐振器41c相互电容耦合。
超导量子比特元件21a与波导51a相互电容耦合。同样，超导量子比特元件21b与波导51b相互电容耦合。同样，超导量子比特元件21c与波导51c相互电容耦合。
读出谐振器41a与读出线61a相互电容耦合。同样，读出谐振器41b与读出线61b相互电容耦合。同样，读出谐振器41c与读出线61c相互电容耦合。
能够使双量子比特门作用于相邻的超导量子比特元件21a与超导量子比特元件21b之间。同样，能够使双量子比特门作用于相邻的超导量子比特元件21b与超导量子比特元件21c之间。
簇态生成的详细的次序与第一实施方式的情况相同，因此省略说明。
图6的量子纠缠生成装置10生成由两列传播微波光子构成的二维簇态，与此相对，量子纠缠生成装置11生成由三列传播微波光子构成的二维簇态。即，根据本实施方式，能够生成更大规模的二维簇态。
[第三实施方式]
第三实施方式是量子纠缠生成方法。该方法使用上述的量子纠缠生成装置而生成量子纠缠状态。该方法具备将量子比特初始化为基态的第一步骤、将基态半激发为第一激发状态的第二步骤、将第一激发状态激发为第二激发状态的第三步骤、将基态激发为第一激发状态的第四步骤、以及驱动从第二激发状态转变之后使传播微波光子从谐振器释放到波导的第五步骤。根据本实施方式，能够使用量子纠缠生成装置来生成传播微波光子的二维簇态。
[第四实施方式]
第四实施方式是量子计算机。该量子计算机具备上述的量子纠缠生成装置。尤其是该量子计算机也可以执行针对上述的量子纠缠生成装置所生成的量子纠缠状态(簇态)重复进行测定的测定型量子计算。根据本实施方式，可实现能够以比较小规模的硬件执行大规模的量子计算的量子计算机。
在图16中示意性示出第四实施方式的量子计算机12。量子计算机12具备超导量子比特元件22a、超导量子比特元件22b、耦合谐振器32、读出谐振器42a、读出谐振器42b、以及超导延迟线52。超导量子比特元件22a作为光子吸收/基底转换用量子比特元件发挥作用。超导量子比特元件22b作为纠缠生成/光子送出用量子比特元件发挥作用。耦合谐振器32作为传播用于在分离的时刻释放出的传播光子之间生成量子纠缠的双量子比特门的耦合谐振器发挥作用。读出谐振器42a作为基底转换用量子比特的读出谐振器发挥作用。读出谐振器42b作为光子送出用量子比特的读出谐振器发挥作用。
量子计算机12例如也可以通过以下的过程来执行测定型量子计算。即，量子计算机12也可以将超导量子比特元件22b生成的量子纠缠状态(簇态)作为传播光子暂时存放到超导延迟线52之后，通过超导量子比特元件22a来吸收该传播光子，进行基底转换，之后进行测定，基于紧前面的测定结果选择下一个测定基底，并且重复进行测定。
作为量子计算机12的变形例，例如也可以实现以下的量子计算机。即，该变形例也可以通过使C-Z门作用于吸收了从超导延迟线52取出的传播光子的超导量子比特元件22a与超导量子比特元件22b之间，从而在不同的时刻释放出的传播光子之间生成量子纠缠，生成利用了时间方向的复用的三维簇态。
作为量子计算机12的变形例，也可以实现具备使用了三维簇态的纠错功能的量子计算机。
以上，基于实施方式对本发明进行了说明。这些实施方式是例示，本领域技术人员应理解在这些各构成要素、各处理过程的组合中能够有各种变形例，并且这样的变形例也在本发明的范围内。
上述的各实施方式与变形例的任意组合作为本发明的实施方式也是有用的。通过组合而产生的新的实施方式兼具组合的各实施方式和变形例各自的效果。
产业上的可利用性
本发明能够利用于量子纠缠生成装置、量子纠缠生成方法以及量子计算机。
附图标记说明
10 量子纠缠生成装置，
11 量子纠缠生成装置，
12 量子计算机，
20a 超导量子比特元件，
20b 超导量子比特元件，
21a 超导量子比特元件，
21b 超导量子比特元件，
21c 超导量子比特元件，
22a 超导量子比特元件，
22b 超导量子比特元件，
30 耦合谐振器，
31a 耦合谐振器，
31b 耦合谐振器，
32 耦合谐振器，
40a 读出谐振器，
40b 读出谐振器，
41a 读出谐振器，
41b 读出谐振器，
41c 读出谐振器，
42a 读出谐振器，
42b 读出谐振器，
50a 同轴线，
50b 同轴线，
51a 同轴线，
51b 同轴线，
51c 同轴线，
52 超导延迟线，
60a 读出线，
60b 读出线，
61a 读出线，
61b 读出线，
61c 读出线，
70 硅基板，
80 导体腔，
81 导体腔，
101 第一电极，
102 第二电极，
103 第三电极，
J1 约瑟夫森结，
J2约瑟夫森结。
Claims (13)
1.一种量子纠缠生成装置，其特征在于，
所述量子纠缠生成装置具备：
n个量子比特元件，n为2以上的整数；
耦合谐振器，其配置在相邻的所述量子比特元件之间；以及
波导，其与所述量子比特元件分别相互电容耦合，
使用所述耦合谐振器，使双量子比特门作用于相邻的所述量子比特元件之间，由此，在该相邻的所述量子比特元件之间生成量子纠缠，
所述量子比特元件通过将所述量子纠缠作为传播微波光子而释放到所述波导，由此生成二维簇态。
2.根据权利要求1所述的量子纠缠生成装置，其特征在于，
所述n个量子比特元件分别具有三个电极。
3.根据权利要求1或2所述的量子纠缠生成装置，其特征在于，
所述量子比特元件包括光子释放用量子比特，该光子释放用量子比特将所述量子纠缠转移到传播微波光子，将该传播微波光子释放到所述波导。
4.根据权利要求1或2所述的量子纠缠生成装置，其特征在于，
与所述量子比特元件独立地具备光子释放用谐振器或光子释放用量子比特，该光子释放用谐振器或光子释放用量子比特将所述量子纠缠转移到传播微波光子并将该传播微波光子释放到所述波导。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的量子纠缠生成装置，其特征在于，
所述量子纠缠生成装置具备读出所述量子比特元件的状态的读出谐振器。
6.根据权利要求2所述的量子纠缠生成装置，其特征在于，
所述三个电极中的两个电极在从所述波导的方向观察时，具有将具有同心圆型的轮廓的圆环切割成一半而得到的形状。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的量子纠缠生成装置，其特征在于，
所述量子纠缠生成装置具备空洞贯穿内部的导体腔，
所述量子比特元件和所述耦合谐振器固定在所述导体腔的空洞内。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的量子纠缠生成装置，其特征在于，
所述量子比特元件将量子比特初始化为基态，将基态半激发为第一激发状态，将第一激发状态激发为第二激发状态，将基态激发为第一激发状态，驱动从第二激发状态转变之后，使传播微波光子从谐振器释放到波导，将第一激发状态半激发为第二激发状态。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的量子纠缠生成装置，其特征在于，
所述量子比特元件是超导量子比特元件。
10.一种量子纠缠生成方法，是使用了权利要求1所述的量子纠缠生成装置的量子纠缠生成方法，其特征在于，
所述量子纠缠生成方法具备以下步骤：
将量子比特初始化为基态；
将基态半激发为第一激发状态；
将第一激发状态激发为第二激发状态；
将基态激发为第一激发状态；
驱动从第二激发状态转变之后，使传播微波光子从谐振器释放到波导；以及
将第一激发状态半激发为第二激发状态。
11.一种量子计算机，其特征在于，
所述量子计算机具备权利要求1至9中任一项所述的量子纠缠生成装置。
12.根据权利要求11所述的量子计算机，其特征在于，
所述量子计算机执行测定型量子计算，在该测定型量子计算中，针对所述量子纠缠生成装置生成的量子纠缠状态重复进行测定。
13.根据权利要求11所述的量子计算机，其特征在于，
所述量子计算机执行测定型量子计算，在该测定型量子计算中，在将所述量子纠缠生成装置生成的量子纠缠状态从所述波导作为传播光子暂时存放到超导延迟线之后，再次与光子生成设备进行相互作用，使用具备基底的测定器，基于紧前面的测定结果来选择下一个测定基底，并且重复进行测定。
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