CN1991558A - 量子信息处理装置及处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明能实际使用于量子信息处理。本发明的量子信息处理装置具备包含于谐振器(405)的内部，内部含多个物理系统，各物理系统未施加磁场的情况下多个能态不互相简并，多个能态中的两个能态间的跃迁与谐振器振荡模谐振，谐振器振荡模在所有的物理系统中是共同的，能态中至少两个能态之间的跃迁能量由于施加磁场而发生能量移动的结晶(404)；以及在结晶上施加对跃迁能量具有固有的方向和固有的大小的磁场，以使得与表示量子位的能态中某两个能态之间的所述跃迁能量有线性关系的跃迁能量移动消失的单元(401、406)，结晶中跃迁能量移动消失的两个能态不包含和谐振器振荡模共振的两个能态中任何一个。

Description

量子信息处理装置及处理方法
                                  技术领域
本发明涉及量子信息处理方法以及量子信息处理装置，该方法涉及把通过施加磁场将相干时间延长的物理系统用于采用谐振器振荡模(モ—ド)的量子信息处理装置之际，有效地利用靠该磁场延长的相干时间用的施加磁场的方法，所述装置是涉及能有效地利用相干时间的量子信息处理装置。
                                  背景技术
在以量子计算机为先驱的量子信息处理装置中，以与原子或离子、光子等物理系统中的某个物理量相关的叠合的状态表示信息(量子位(ビツト))。而且分别操作各个量子位或者在物理系统之间导入相互作用，根据某物理系统的量子位进行另一方的量子位发生变化的带条件的门(ゲ—ト)操作等，反复上述动作等进行信息处理。
在这一信息处理期间，物理系统要保持该物理量的相干性，所以需要相干时间(或者按照直至相干性被破坏为止的时间的意义，也称为解相干时间，解相干意即相干性被破坏)长的物理系统。分散于氧化物结晶中的稀土离子的超微结构能级的相干时间作为固体特别长，而且能用可见光频率附近的光的频带的电磁场进行操作，因此这种稀土离子作为一种能用固体材料构成量子信息处理装置的物理系统是非常有发展前景的(参照例如非专利文献1、2)。
而且近年来提出一种对于延长结晶中稀土离子的超微结构能级的相干时间非常有效的方法(参照例如非专利文献3)，并且通过实验确认了相干时间显著增大。但解相干一度显著受到抑制通常只是在一组能态之间的解相干而已。
非专利文献1：K.Ichimura.K.Yamamoto，and.N.Gemma，Phys.Rev.A58(5)，4116(1998)、
非专利文献2：K.Ichimura.Opt.Commun.196.119(2001)、
非专利文献3：E.Fraval，M.J.Sellars，and J.Longdell，Phys.Rev.Lett.92(7)，077601(2004)
                                  发明内容
在将结晶中的稀土离子用于量子信息处理装置时，现在几乎都必需利用谐振器振荡模。在利用谐振器振荡模的情况下，为了使利用施加磁场抑制解相干的方法对于量子信息处理实际上能有效地发挥作用，抑制哪些能态间的解相干、施加磁场的施加时间如何掌握为好等具体的施加磁场的施加方法尚未得知。
本发明是为解决上述问题而提出，其目的在于，提供将利用谐振器振荡模的量子信息处理装置中的量子位大幅度地延长的相干时间实际应用于量子信息处理的量子信息处理装置及量子信息处理方法。
为了解决上述问题，本发明的量子信息处理装置，其特点是，包括：具有谐振器振荡模的谐振器；一种物质，该物质被包含于所述谐振器内，内部包含多个物理系统，各物理系统至少有4个能态，在磁场未加于该物理系统的情况下，多个所述能态互不简并，多个所述能态中的两个能态间的跃迁与所述谐振器振荡模谐振，该谐振器振荡模在所有所述物理系统中是共通的，以所述能态表现量子位，通过施加磁场，所述能态中至少两个能态之间的跃迁能量发生能量转移动；以及，磁场施加单元，该单元对于表示量子位的能态的某两个能态间的跃迁能量，将在该跃迁能量具有固有的方向及固有的大小的磁场施加于所述物质，使线性的跃迁能量转移动消失，而且在所述物质中，所述跃迁能量转移动消失的两个能态不包含与所述谐振器振荡模谐振的两个能态中的任何一个。
另外，本发明的量子信息处理装置包括：具有谐振器振荡模的谐振器；一种物质，该物质在所述谐振器内，其内部包含多个物理系统，各物理系统其多个所述能态中的两个能态间的跃迁与所述谐振器振荡模谐振，该谐振器振荡模在所有所述物理系统中是共同的，在所述能态中的正在简并的能态下表现量子位；将磁场施加于所述多个物理系统的磁场施加单元；输出激光的光源；将所述激光分离成多束激光的分离单元；对所述被分离的每束激光控制其相位、强度、频率的激光控制单元；对所述多个物理系统照射各受控的激光的照射单元；以及控制所述磁场的施加的磁场控制单元，仅在两个量子位门(ビツトゲ—ト)时利用谐振器振荡模的两个物理系统间的绝热通过(adiabatic passage)间，所述磁场控制单元使所述磁场施加单元中断磁场的施加，所述激光控制单元进行控制以使所述激光呈脉冲状。
本发明的量子信息处理方法，其特征在于，准备具有谐振器振荡模的谐振器；并准备一种物质，该物质包含于所述谐振器内部，在内部包含多个物理系统，各物理系统至少有4个能态，在磁场未施加于该物理系统的情况下，多个所述能态互不简并，多个所述能态中的两个能态间的跃迁与所述谐振器振荡模谐振，该谐振器振荡模在所有所述物理系统中是共同的，在所述能态表现量子位，通过施加磁场，所述能态中至少两个能态之间的跃迁能量产生能量移动；对于表示量子位的能态的某两个能态间的跃迁能量，将在该跃迁能量具有固有的方向及固有的大小的磁场施加于所述物质，使线性的跃迁能量转移动(shift)消失，而且其特征在于在所述物质中，所述跃迁能量转移动消失的两个能态不包含与所述谐振器振荡模谐振的两个能态中的任何一个。
另外，本发明的量子信息处理方法，其特征在于，准备具有谐振器振荡模的谐振器；并准备一种物质，该物质包含于所述谐振器内部，内部包含多个物理系统，各物理系统其多个所述能态中的两个能态间的跃迁与所述谐振器振荡模谐振，该谐振器振荡模在所有所述物理系统中是共同的，在所述能态中的正在简并的能态下表现量子位；将磁场施加于所述多个物理系统，输出激光，将所述激光分离成多束激光，对所述被分离的每束激光控制其相位、强度、频率，对所述多个物理系统照射各受控的激光，控制所述磁场的施加，而且其特征是，仅在两个量子位门(ビツトゲ—ト)时利用谐振器振荡模的两个物理系统间的绝热通过间，中断磁场的施加，所述激光控制单元控制所述激光使其呈脉冲状。
如果采用本发明的量子信息处理装置及量子信息处理方法，能将利用谐振器振荡模的量子信息处理装置中的量子位的大幅度延长的相干时间实际用于量子信息处理。
                            附图说明
图1表示多个量子位的多个离子的能态与共同的谐振器振荡模之间的关系。
图2表示在本实施方式的量子信息处理装置及处理方法中，以在零磁场未简并的能态表示量子位的情况下，在临界点一直保持下去的能态与谐振器振荡模间的关系。
图3表示在本实施方式的量子信息处理装置及处理方法中，以在零磁场简并的能态表示量子位的情况下，施加磁场的时刻与能态及谐振器振荡模间的关系。
图4为本发明实施方式1的量子信息处理装置的，以在零磁场未简并的能态表示量子位的情况下，在临界点一直保持下去的情况下的方框图。
图5表示本发明的实施方式1的3个Pr3+离子的能态。
图6为本发明的实施方式1中进行门(グ—ト)操作时使用的量子信息处理装置、实施方式2中的量子信息处理装置的方框图。
图7表示本发明的实施方式2的两个Pr3+离子的能态。
                            具体实施方式
以下参照附图对本发明的实施方式的量子信息处理装置及量子信息处理方法作详细说明。
首先对本实施方式的量子信息处理装置及量子信息处理方法的实质性的事项进行说明，本实施方式中，通过施加磁场使其转移到(下述)临界点(critical point)，将使相干时间大幅度增大的能态作为不包括与谐振器振荡模谐振的能态的，量子信息长时间固定的能态。本实施方式的量子信息处理装置及处理方法有效利用通过该磁场的施加所得到的较长的相干时间，增加能执行的最大的步数(一系列量子运算的执行次数)，或增加该步数和量子位数。即如果采用本实施方式，能增强量子计算的处理能力。
另外，本实施方式的量子信息处理装置及处理方法在不施加磁场时以简并的能态表示量子信息的情况下，除了正在执行利用简并的两个量子位门中的绝热通过(adiabatic passage)外，继续施加稳定的磁场，从而使能执行的最大的步数、或该步数和量子位数两者都增大的量子信息处理成为可能。
以下在详细说明本发明的实施方式涉及的量子信息处理装置及量子信息处理方法之前，利用本发明的实施方式说明能以对量子信息处理有效的方法增大相干时间，并能大幅度增大步数或步数与量子位数的机理。
本发明的实施方式中，利用Fraval等人提出的方法(E.Fraval，M.J.Sellars，andJ.J.Iongdell，Phys.Rev.Lett.92(7)，077601(2004))，即通过施加磁场抑制分散于物质中(例如结晶中)的稀土离子的核自旋的解相干。在将稀土离子分散结晶一直冷却到液体氦的温度时，成为稀土离子的核自旋丧失相干性的原因的是由于构成母体结晶的原子、离子的核自旋摇动为在分散的稀土离子的处所产生的磁场的摇动。Fraval等人的方法中，对某关注的分散的稀土离子的核自旋的两个能态间的跃迁能量相对于磁场的线性变化(1次的塞曼移动动)消失或变得极小的该两个能态，施加固有方向和固有大小的磁场。在施加这样的磁场的状态下，所关注的两个状态表现为处于三维的临界点。当施加这样的磁场时，能抑制该两个能态间的解相干。
Fraval等人观测到下述现象，就是当将使Pr3+:Y2SiO5的电子基态的核自旋状态ml＝+1/2＜＝＞+3/2的跃迁一直保持于临界点的(x、y、z)＝(732、173、-219)G的磁场施加于Pr3+:Y2SiO5时，相干时间从作为迄今为止相干时间的最大测量值即约500微秒增大至82毫秒。但是结晶的C2轴为y轴方向，而3H4-1D2的光学跃迁的偏振方向为z轴方向。
在临界点，表示解除干扰的拉曼·外差·自旋·回波信号的衰减不是简单的指数函数，但可以用I＝Io exp(-(2t/TM)2}表示，表示相干时间的82毫秒为该式中的TM(相位存储时间)。式中，I表示拉曼·外差·自旋·回波信号的强度，Io表示初始的拉曼·外差·自旋·回波信号的强度，t表示时间。这种状况的解相干的原因得到解析，通过施加脉冲串能进一步增大相干时间(E.Fraval，M.J.Sellars，and J.J.Longdell，Phys.Rev.Lett.95，030506(2005))。另外，又观测到通过施加30G左右的磁场，原本简并的能态间的相干时间也增大的情况(在ml＝+3/2＜＝＞-3/2为86毫秒)。
由施加该磁场造成的在相干时间的增大有以下两个特征。
(1)通过一直保持于临界点能显著地抑制的通常只是在零磁场下未简并的一组能态。
(2)在零磁场下简并的能态间的相干时间由于施加磁场而延长。
然而，在欲将稀土离子分散结晶实际应用于量子信息处理装置时，如图1象征性地表示的那样，利用谐振器振荡模导入量子位间的相互作用这种做法是现实的。换句话说，谐振器振荡模是看不见的配线’。对离子逐个进行位置控制并使其靠近排列以导入相互作用是困难的，所以利用谐振器振荡模相比之下比较简便而可靠。
这种谐振器振荡模在承担量子位的两个物理系统间进行带条件门操作时使用。承担量子位的各物理系统根据量子位的单独操作(1个量子位门)、两个量子位之间的带条件的门操作、或什么也不操作地加以保持等操作或状态，接连不断地一直操作下去，以使物理系统内的不同的能态表示量子位。为了对各个离子各别地进行这些操作，以如下所述方式进行，即作为作量子位利用的离子，利用各能态的能量(即能态间的跃迁能量)在离子间不同的离子(在图1中未示出跃迁能量在离子间的不同)，使照射的光的频率与想要操作的离子一致。
在图1示出的例子中，未作门操作而正处于待机状态的离子(第1～k-1、第k+1～l-1、第l+1～n的离子)中，量子位例如可用|A＞和|B＞表示。只有执行两个量子位门的离子(第k、l个离子)为了表达量子位也可以暂时使用|C＞。但是，未必在第k、l离子两者，或者在两者同时将量子信息移至|C＞。
在利用这样的量子位进行信息处理时，即使想要根据在各个物理系统中表示量子位的能态施加磁场使该能态变成临界点，但基于以下所述理由，这样做是困难的。
第一，在正在处理多个量子位的量子信息处理装置中，在某个时刻各物理系统中表示量子位的能态不同，所以要相应各个物理系统施加不同方向、不同大小的磁场，这是不现实的。第二，有时在相同的物理系统内(例如单一的离子)表现两个以上的量子位，此时无法使表示各量子位的能态的组同时保持于临界点。
因而，对所有的物理系统同时施加相同方向、相同大小的磁场是一种现实的方法。另外，作为靠该磁场一直保持于临界点，显著地延长相干时间的两个能态，选择有必要最长时间保持量子位的能态、即信息处理中必须最长时间地表示量子位的能态是有效的。
在各个物理系统的能态下显示量子位的时间更长的，如下述实施方式1所述，是不与谐振器振荡模谐振的能态(例如图1中的|A＞和|B＞)。和谐振器振荡模谐振的能态，在有必要在某两个量子位间进行两个量子位门操作时，只在表示作为对象的量子位的两个物理系统中用于表示量子位，执行借助于谐振器振荡模的两个量子位门操作。其它量子位仍然以不与谐振器振荡模谐振的能态表示，不受在作为对象的量子位间正在进行的两个量子位门操作的影响。在执行两个量子位门操作后，成为两个量子位门的对象的量子位也返回不与谐振器振荡模谐振的能态。
本发明的实施方式中，以在零磁场未简并的能态表示量子位的量子信息处理的情况下(例如H.Goto and K.Ichimura.Phys.Rev.A70(1).012305(2004))，不包括与谐振器振荡模谐振的两个能态中任一个的，有必要长时间保持量子位的两个能态间的跃迁一直保持于临界点(与上述(1)对应)，因而能有效利用显著增大的相干时间(图2)。
以简并的能态表示量子位的量子信息处理的情况下，不能够将该简并的两个能态保持于临界点。但通过施加磁场解除简并的能态的相干时间延长(与上述(2)对应)，因而，若只是保持量子位，则最好继续施加磁场。该磁场的大小取决于结晶种类、解除何种程度的简并。但是在这种情况下所知的利用谐振器振荡模的两个量子位门(例如K.Ichimura.Opt.Commun.196.119(2001))的情况下，在表示作为对象的两个量子位的两个物理系统间，在利用绝热通过的方法时，为了利用表示量子位的能态简并的情况，所以此时有必要中断磁场的施加。因此，在这种情况下，稳定地施加磁场，并只在两个量子位门的绝热通过之际中断磁场的施加这样的施加磁场的方法是有效的(图3)。
如以上所述，本发明的实施方式中，在利用谐振器振荡模的量子信息处理装置中，通过施加磁场增大相干时间时，通过适当地选择一直保持于临界点的能态、时间，能有效地将增大的相干时间用于量子信息处理。
实施方式1
下面参照图4说明本实施方式的量子信息处理装置及方法。
本实施方式中对上述「(1)通过一直保持于临界点从而能显著地抑制解相干，这通常只是在零磁场下未简并的一组能态」的情况的一个例子进行说明。
本实施方式的量子信息处理装置如图4所示，包括控制单元401、稀土分散结晶404、谐振器405、线圈406、407、408、低温恒温器409、以及旋转装置410。控制单元401包括磁场指定单元402、旋转指定单元403。
控制单元401控制施加于稀土分散结晶404的磁场的方向、强度。磁场指定单元402使电流分别在线圈406、407、408上流过，施加磁场于稀土分散结晶404。另外，磁场指定单元402调整分别流过线圈406、407、408的电流的大小，控制磁场的方向、大小。旋转装置410使稀土分散结晶404三维旋转。即旋转装置410能够使稀土分散结晶404围绕互不平行的3根轴旋转。利用旋转装置401能自由地调整施加于稀土分散结晶404上的磁场的方向。
图4一并示出线圈406、407、408、旋转装置410，但只用线圈406、407、408也能控制施加于稀土分散结晶404上的磁场的方向、大小。另外，线圈406、407、408中任何一组线圈和旋转装置410组合也能控制施加于稀土分散结晶404上的磁场的方向、大小。线圈406、407、408例如为电磁铁、超导电磁铁。
稀土分散结晶404是将稀土离子分散的结晶，分散于结晶中的稀土离子的核自旋制造叠加的状态。稀土分散结晶404是在EIT(Electromagnetically Induced Transparency电磁感应透过性)发现上成功的固体材料。发现EIT的物质作为固体能异常长久地保持量子力学的叠加状态，另外，用光能进行量子状态的操作、观测。EIT一种是能使光学性质急剧变化的现象。EIT本质上的特性是形成不吸收光的叠加状态，不会把原子或离子激励到能量高的状态。作为发现固体EIT的物质，有含稀土离子的结晶(Pr3+:Y2SiO5)，能级利用包括离子的超微结构能级的能级体系。
稀土分散结晶404是含稀土离子的氧化物结晶，本实施方式中使用将0.01％Y3+离子置换为Pr3+离子的Pr3+:Y2SiO5结晶。表示量子位的物理系统是Pr3+:Y2SiO5结晶中的Pr3+离子。稀土分散结晶404为1mm×1mm×1mm左右的大小，表面形成超高反射率的反射镜面，成为谐振器结构。
谐振器405具有谐振器振荡模。谐振器振荡模制成能够与Pr3+离子的3H4-1D2间的跃迁谐振。
线圈406、407、408如图4所示设置在结晶的周围，沿特定的方向施加某一强度的磁场。图4中线圈406、407包含相同的面，配置于稀土分散结晶404的周围，沿与该平面垂直方向夹住稀土分散结晶404配置一组线圈408。
低温恒温器409将低温恒温器409的内部温度保持在1.5K。
以下参照图5说明在将磁场施加于稀土分散结晶404的情况下两个能态间的解相干受到抑制的情况。图5表示在施加磁场的情况下本实施方式用的3个Pr3+离子的能态。
图5中，线圈406、407、408将磁场施加于稀土分散结晶404，使某一个离子的电子基态3H4的状态|±1/2＞和|±3/2＞的两个能态变成临界点。线圈406、407、408在例如结晶的C2轴方向、在3H4-1D2间跃迁的偏振光方向、与这两个方向正交的方向分别施加173G、-219G、732G的磁场。该磁场的方向和大小，使与表示量子位的能态的某两个能态间的跃迁能量有线性关系的跃迁能量移动消失，是对跃迁能量固有的。
如图5所示，自离子的电子基态3H4及电子激励状态1D2由超微结构分裂产生的状态由于施加磁场进一步分裂。将本实施方式中利用的状态按照图5示出的能量低的次序为|A’＞、|A＞、|B’＞、|B＞、|C’＞、|C＞、|D’＞、|D＞、|E’＞、|E＞、|F’＞、|F＞。本实施方式中各离子的|A＞-|D＞间的跃迁都利用与共同谐振器振荡模谐振的3个离子。
首先将|A’＞、|A＞、|B’＞、|B＞、|C’＞、|C＞、|D’＞、|D＞、|E’＞、|E＞、|F’＞、|F＞分别称为|2’＞、|2＞、|0’＞、|0＞、|1’＞、|1＞、|3’＞、|3＞、|4’＞、|4＞、|5’＞、|5＞。连接各离子的12个能态中的两个能态间的跃迁能量中，|2’＞、|2＞、|3’＞、|3＞4个能态中的两个状态间的跃迁能量以外的跃迁能量分散于互不均匀的宽度内，利用在离子间具有不同的跃迁频率的离子，调整照射光的频率，可选择谐振的离子。
由于能如上所述形成保持相干性的状态，因此下面对门操作进行说明。门操作中要将光射入稀土分散结晶404。首先参照图6对也包含门操作中使用的装置的量子信息处理装置进行说明。
图6的量子信息处理装置除了图4示出的量子信息处理装置外，还包括环型染料激光器601、4个光束分离器602、反射镜603、相位调制用EO调制器(EOM)604、强度调制用AO调制器(AOM)605、频率调制用AOM606、5个反射镜607、控制单元608、以及光检测器610。控制单元608具备磁场指定单元602、相位强度频率调整单元609。在下面，和已说明过的装置部分相同的部分标注同一符号，其说明省略。图6中，只备有两组线圈，不具备旋转指定单元403，但如参照图4说明过的那样，也可以配备1组线圈并配备旋转指定单元403，或只配备3组线圈。
环型染料激光器601作为光源生成光。环型染料激光器601具有抑制频率波动的反馈系统，生成将频率紧缩于数kHz内的激光。
光束分离器602接受来自环型染料激光器601的光，分光成透射光和反射光。图6的例子中，4个光束分离器602将来自环型染料激光器601的光分成5束。反射镜603接受位于末端的光束分离器602(记载于图4示出的4个光束分离器602中最上方处的)的透射光，然后进行反射。
相位调制用EOM604分别接受来自对应的光束分离器602或反射镜603的光，对光的相位进行调制。强度调制用AOM605分别接受来自对应的相位调制用EOM604的光，对光的强度进行调制。频率调制用AOM606分别接受来自对应的强度调制用AOM605的光，对光的频率进行调制。
反射镜607分别接受来自对应的频率调制用AOM606的光，然后进行反射。各反射镜607调整成使反射光照射稀土分散结晶404。
光检测器610具有高效的聚光系统，在对稀土分散结晶404照射光线之际，能高灵敏度、高效地检测出结晶中的离子产生的光子。
控制单元608控制生成施加于稀土分散结晶404的磁场的线圈406、407上流过的电流，或控制相位调制用EOM604、强度调制用AOM605、频率调制用AOM606。相位强度频率调整单元609决定每个相位调制用EOM604应进行调制的相位，并调整各相位调制用EOM604，决定每个强度调制用AOM605应进行调制的强度，并调整各强度调制用AOM605，决定每个频率调制用AOM606应进行调制的频率，并调整各频率调制用AOM606。
以下参照图5对门操作进行说明。
设从左开始图5示出的离子为离子1、离子2、离子3。利用图6的装置同时对离子1、2、3依次照射5束光，使各离子的状态初始化为|0＞或|1＞。为了将例如离子1初始化成|0＞，只要同时对稀土分散结晶404照射分别与离子1的|2’＞-|4’＞、|2＞-|4＞、|0’＞-|3’＞、|1’＞-|5’＞、|1＞-|5＞间的跃迁谐振的光即可。这样做，首先将离子1、2、3分别初始化成|0＞、|0＞、|0＞。
然后，在|2＞3-|4＞3间的跃迁、和由|0＞3-|4＞3间的跃迁及|1＞3-|4＞3间的跃迁这两个跃迁构成的组之间，通过照射与各个跃迁谐振的脉宽10微秒的高斯型的脉冲光(先照射|2＞3-|4＞3间的跃迁)，进行绝热通过。这里，在能态的下方添注的数字(|j＞k的k(j＝0、1、2、3、4、5，k＝1、2、3))为表示离子1、2、3中任一个的能态的编号。另外，脉宽10微秒的高斯型的脉冲光由强度调制用AOM605生成。
然后，在由|0＞3-|3＞3间的跃迁和|1＞3-|3＞3间的跃迁这两个跃迁构成的组，与由|0＞1-|3＞1间的跃迁和|1＞1-|3＞1间的跃迁和|0＞2-|3＞2间的跃迁及|1＞3-|3＞3间的跃迁4个跃迁构成的组之间，照射两次与各个跃迁谐振的脉宽10微秒的高斯型的脉冲光(第1次先照射前面的组，第2次先照射后面的组，在第2次对前面的组的照射中将光的相位反转)，以此进行绝热通过。
最后，在|2＞3-|4＞3间的跃迁、和由|0＞3-|4＞3间的跃迁与|1＞4-|3＞4间的跃迁这两个跃迁构成的组之间，进行和最初相反的绝热通过(对后面的组先照射)。
该一系列的门操作若将|0＞、|1＞视作量子位，则
(|0＞1、|0＞2、|0＞3)→(|0＞1、|0＞2、|0＞3)
(|0＞1、|1＞2、|0＞3)→(|0＞1、|1＞2、|0＞3)
(|1＞1、|0＞2、|0＞3)→(|1＞1、|0＞2、|0＞3)
(|1＞1、|1＞2、|0＞3)→(|1＞1、|1＞2、|1＞3)
成为使量子状态变化的量子托夫力(トフォリ)门。
将离子1、2、3初始化成(|0＞1、|0＞2、|0＞3)，空出10毫秒的间隔执行3次上述的量子トフォリ门，通过光照射和光子检测读出最终结果，变成(|0＞1、|0＞2、|0＞3)。同样，对于将离子初始化成(|0＞1、|1＞2、|0＞3)、(|1＞1、|0＞2、|1＞3)、(|1＞1、|1＞2、|0＞3)的三种情况，若分别执行上述3次量子トフォリ门，并读出最终结果，则分别成为(|0＞1、|1＞2、|0＞3)、(|1＞1、|0＞2、|0＞3)、(|1＞1、|1＞2、|1＞3)。
若多次执行该3次连续的トフォリ门，并读出最终结果，则按照90％以上的几率，与4个初始状态(|0＞1、|0＞2、|0＞3)、(|0＞1、|1＞2、|0＞3)、(|1＞1、|0＞2、|0＞3)、(|1＞1、|1＞2、|0＞3)对应的最终状态分别为(|0＞1、|0＞2、|0＞3)、(|0＞1、|1＞2、|0＞3)、(|1＞1、|0＞2、|0＞3)、(|1＞1、|1＞2、|1＞3)。这意味着具备连续执行奇数次时两个控制位(表示离子1、2的量子位)只在(1、1)时标的位(离子3的量子位)反转这样的性质的量子トフォリ门在长达约30ms的较长的门时间的期间，能够以较高的几率准确地执行。各量子トフォリ门之间的10ms，设想利用多个量子位进行信息处理，设定为操作其它量子位的时间，或者设定为只用|0＞、|1＞表示量子位并进行量子门操作的时间。
然后，移至临界点的两个能态中的一个是与谐振器振荡模谐振的两个能态(|C＞、|D＞)中的一个的情况，表示不能准确执行量子トフォリ门。
在施加上述磁场的状态，选择各离子的|C＞-|D＞间的跃迁全部与谐振器振荡模谐振的3个离子，离子4、5、6。对于这3个离子，这次将|A’＞、|A＞、|B’＞、|B＞、|C’＞、|C＞、|D’＞、|D＞、|E’＞、|E＞、|F’＞、|F＞分别称为|0’＞、|0＞、|1’＞、|1＞、|2’＞、|2＞、|3’＞、|3＞、|4’＞、|4＞、|5’＞、|5＞。该离子4、5、6也是，在各个离子的12个能态中的连接两个能态间的跃迁能量中，|2＞、|3＞、|6＞、|7＞四个能态中的两个状态间的跃迁能量以外的跃迁能量分散在互不均匀的宽度内，利用在离子间具有不同跃迁频率的离子，通过调整照射光的频率能够选择谐振的离子。
用和离子1、2、3同样的方法将该离子4、5、6设定成初始状态(|1＞4、|1＞5、|0＞6、)，再用和对离子1、2、3实施过的同样的方法，空开10ms的间隔执行3次トフォリ门，通过光照射及光子检测读出最终结果，多次执行这样的操作。在这种情况下，最终状态成为(|1＞1、|1＞2、|1＞3、)的情形和成为(|1＞1、|1＞2、|0＞3、)的情形不规则地显现。这意味着对于离子4、5、6不能正确地执行量子トフォリ门。
通过施加磁场转移至临界点的两个能态(|B＞、|C＞)，是在离子1、2、3的情况下表示量子位的能态(|A＞、|B＞、|C＞)中的与谐振器振荡模谐振的两个能态(|A＞、|D＞)中任一个都不包含的状态。另一方面，在离子4、5、6中，转移至临界点的两个能态(|B＞、|C＞)中的一个(|C＞)成为与谐振器振荡模谐振的两个能态(|C＞、|D＞)中的一个。利用量子信息处理装置及量子信息处理方法的本实施方式，在表示量子位的能态中，通过施加磁场转移至临界点的两个能态不包括与谐振器振荡模谐振的能态的情况下，可以确认：能有效地利用通过施加磁场增大的相干时间，一系列的量子门能正常动作。
如果采用上述的本实施方式的量子信息处理装置及量子信息处理方法，可以确认：表示量子位的能态在零磁场未简并的一组能态，有效利用通过将沿特定的方向的、特定大小的磁场施加于稀土分散结晶从而增大的相干时间，能够使一系列的量子门正常动作。
实施方式2
下面参照图6说明本实施方式的量子信息处理装置及处理方法。
本实施方式中，对上述「(2)在零磁场中简并的能态间的相干时间通过施加磁场延长」的情况的一个例子进行说明。
本实施方式的图6示出的量子信息处理装置与实施方式1说明的内容大致相同，但也有不同的内容。这里只对不同的内容加以说明。
本实施方式中，线圈406等如图4所示设置于结晶周围，这一点和实施方式1相同。但本实施方式中，线圈406等沿结晶的C2轴方向和3H4-1D2间跃迁的偏振光方向这两个方向的正交方向施加30G的磁场。这里虽然磁场的方向也指定，但本实施方式中，施加磁场相当重要，而磁场的方向不如实施方式1那样重要。
磁场指定单元402能使电流在线圈406等中流动或不流动。磁场指定单元402换言之能接通或断开线圈406等。
本实施方式也和图5所示的一样，利用借助于磁场解除简并的Pr3+离子的能态。本实施方式中利用各离子的不施加磁场时的|B＞-|D＞(|B’＞-|D’＞)间的跃迁全部与共同的谐振器振荡模谐振的两个离子。
将|A’＞、|A＞、|B’＞、|B＞、|C’＞、|C＞、|D’＞、|D＞、|E’＞、|E＞、|F’＞、|F＞分别称为|1＞、|0＞、|2＞、|3＞、|4＞、|5＞、|6＞、|7＞、|8＞、|9＞、|10＞、|11＞。连接各离子的|0＞～|11＞这12个能态中的连接两个状态间的跃迁能量中，|2＞、|3＞、|6＞、|7＞这4个能态中的两个能态间的跃迁能量以外的跃迁能量，分散在互不均匀的宽度内，利用离子间具有不同的跃迁频率的离子，通过调整照射光的频率能选择谐振的离子。
以下参照图7说明门操作。图7表示本实施方式中利用的两个离子的能态。从左起将图中的离子假设为离子7、离子8。
依次对离子7、离子8同时照射5束光，将各离子的状态初始化成|0＞7、|0＞8。作为照射离子7、8的5束光，可采用例如与|1＞-|6＞间的跃迁、|2＞-|8＞间的跃迁、|3＞-|9＞间的跃迁、|4＞-|10＞间的跃迁、|5＞-|11＞间的跃迁谐振的光。
然后，在两束脉宽10微秒的高斯型的脉冲光对离子7、8进行照射产生的3次绝热通过中，量子状态转移至|0＞7→|2＞7、|0＞8→|2＞8、|1＞8→|3＞8。
然后中断磁场的施加，在离子7和离子8之间，分别利用与|1＞-|6＞(|0＞-|7＞)间的跃迁谐振的脉宽10微秒的高斯型的脉冲光照射产生的绝热通过中，替换离子7、8的量子状态。
接着，又开始进行与中断前同样的磁场施加，然后利用光照射替换离子8的|1＞、|0＞的量子状态，再次在离子7和离子8之间分别实施与|1＞-|6＞(|0＞-|7＞)间的跃迁谐振的光照射产生的绝热通过，替换离子7、8的量子状态，再在用两束光对离子7和离子8进行照射产生3次绝热通过中，使量子位回到原来的|0＞、|1＞的能态。
这一系列的门操作，若将|0＞、|1＞看作量子位，则
(|0＞7、|0＞8)→(|0＞7、|0＞8)
(|0＞7、|1＞8)→(|0＞7、|1＞8)
(|1＞7、|0＞8)→(|1＞7、|1＞8)
(|1＞7、|1＞8)→(|1＞7、|0＞8)
成为使量子状态变化的控制非门(NOT门)。
将离子7、8初始化成(|0＞7、|0＞8)，空出300微秒的间隔执行7次上述控制非NOT门，通过光照射和光子检测读出最终结果时，成为(|0＞7、|0＞8)。同样，对于将离子初始化成(|0＞7、|1＞8)、(|1＞7、|0＞8)、(|1＞7、|1＞8)的3种情况，执行3次上述控制NOT门，读出其最终结果时，分别成为(|0＞7、|1＞8)、(|1＞7、|1＞8)、(|1＞7、|0＞8)。若多次执行该连续的控制NOT门，读出最终结果，则与4个初始状态(|0＞7、|0＞8)、(|0＞7、|1＞8)、(|1＞7、|0＞8)、(|1＞7、|1＞8)对应的最终状态分别为(|0＞7、|0＞8)、(|0＞7、|1＞8)、(|1＞7、|1＞8)、(|1＞7、|0＞8)。这意味着若连续执行奇数次，则只在控制位(离子7的量子位)为|1＞时具有标的位(离子8的量子位)反转的特性的控制NOT门以在约5ms的较长时间执行多达7次的较高几率准确地执行。
如果采用以上所述的本实施方式的量子信息处理装置及量子信息处理的方法，表示量子位的能态在零磁场中简并的情况下，稳定地施加磁场，只在两量子位门绝热通过之际中断磁场的施加，可以确认：利用这种施加磁场的方法，能有效地利用因施加磁场而增大的相干时间，使一系列的量子门正常动作。
另外，利用上述实施方式，也能延长各个门操作的动作时间。因此，以频带(以跃迁能量的不同)区别量子位的类型的量子信息处理中，频率(能量)分辨能力提高的结果，能够使量子位数增大。
再有，利用上述实施方式，能提供下述施加磁场的方法，该方法为：在将受到磁性相互作用的物理系统作为量子位的，利用谐振器振荡模的量子信息处理装置的量子位的相干时间通过施加磁场大幅度延长的情况下，将大幅度延长的相干时间实际用于量子信息处理的施加磁场的方法。
还有，本发明并不限于上述实施方式而一成不变，在实施阶段中可以在不背离其要旨的范围内可以使构成要素变形并具体化。另外，通过将上述实施方式所揭示的多个构成要素适当组合，能形成各种形式的发明。例如也可以从实施方式所示的全部构成要素中删除某几个构成要素。还可以将不同实施方式中的构成要素作适当组合。

Claims (10)

1.一种量子信息处理装置，其特征在于，
包括：
具有谐振器振荡模的谐振器；
一种物质，该物质被包含于所述谐振器内部，在内部包含多个物理系统，各物理系统至少有4个能态，在磁场未加于该物理系统的情况下多个所述能态互不简并，多个所述能态中的两个能态间的跃迁与所述谐振器振荡模谐振，该谐振器振荡模在所有所述物理系统中是共同的，以所述能态表达量子位，通过施加磁场，所述能态中至少两个能态之间的跃迁能量发生能量移动；以及
磁场施加单元，将对跃迁能量具有固有方向及固有大小的磁场施加于所述物质，以使得与表示量子位的能态中的某两个能态间的所述跃迁能量有线性关系的跃迁能量移动消失
所述物质中所述跃迁能量移动消失的两个能态不包含与所述谐振器振荡模共振的两个能态中的任何一个。
2.一种量子信息处理装置，其特征在于，包括：
具有谐振器振荡模的谐振器；
一种物质，该物质被包含于所述谐振器内部，内部包含多个物理系统，各物理系统其多个能态中的两个能态间的跃迁与所述谐振器振荡模谐振，该谐振器振荡模在所有所述物理系统中是共同的，以所述能态中的简并的能态表达量子位；
将磁场施加于所述多个物理系统的磁场施加单元；
输出激光的光源；
将所述激光分离成多束激光的分离单元；
对所述被分离的每束激光控制其相位、强度、频率的激光控制单元；
对所述多个物理系统照射各受控的激光的照射单元；以及
控制所述磁场的施加的磁场控制单元，
仅在利用两个量子位门时的利用谐振器振荡模的两个物理系统间的绝热通路间，所述磁场控制单元控制所述磁场施加单元使其中断磁场的施加，所述激光控制单元控制所述激光使其呈脉冲状。
3.如权利要求1或2所述的量子信息处理装置，其特征在于，
所述各物理系统为氧化物结晶中的稀土类离子。
4.如权利要求1或2所述的量子信息处理装置，其特征在于，
还具备使内部保持一定温度的低温恒温器，
所述低温恒温器的内部包含所述谐振器、所述物质、及所述磁场施加单元。
5.如权利要求1或2所述的量子信息处理装置，其特征在于，
所述磁场施加单元包括至少两组电磁铁。
6.如权利要求1或2所述的量子信息处理装置，其特征在于，
所述磁场施加单元具备至少1组电磁铁、以及使所述物质以互相不平行的3根轴为轴旋转的旋转单元。
7.一种量子信息处理方法，其特征在于，
准备具有谐振器振荡模的谐振器；
并准备一种物质，使其包含于所述谐振器内部，该内部包含多个物理系统，各物理系统至少有4个能态，在磁场未加于该物理系统的情况下，多个所述能态不互简并，多个所述能态中的两个能态间的跃迁与所述谐振器振荡模谐振，该谐振器振荡模在所有所述物理系统中是共同的，以所述能态表达量子位，通过施加磁场，所述能态中至少两个能态之间的跃迁能量发生能量移动；
将对跃迁能量具有固有的方向及固有的大小的磁场施加于所述物质，以使得与表示量子位的能态中某两个能态间的所述跃迁能量有线性关系的跃迁能量移动消失，
在所述物质中所述跃迁能量移动消失的两个能态不包含与所述谐振器振荡模共振的两个能态中的任何一个。
8.一种量子信息处理方法，其特征在于，
准备具有谐振器振荡模的谐振器；
并准备一种物质，该物质包含于所述谐振器内部，该内部包含多个物理系统，各物理系统其多个能态中的两个能态间的跃迁与所述谐振器振荡模共振，该谐振器振荡模为所有所述物理系统共有，以所述能态中的简并的能态表达量子位，
将磁场施加于所述多个物理系统，
输出激光，
将所述激光分离成多束激光，
对所述被分离的每束激光控制其相位、强度、频率，
对所述多个物理系统照射各受控的激光，
控制所述磁场的施加，
仅在利用两个量子位门时的谐振器振荡模的两个物理系统间的绝热通路间，中断磁场的施加，所述激光控制单元控制所述激光使其呈脉冲状。
9.如权利要求7或8所述的量子信息处理方法，其特征在于，
所述各物理系统为氧化物结晶中的稀土类离子。
10.如权利要求7或8所述的量子信息处理方法，其特征在于，
还准备使内部保持一定温度的低温恒温器，
所述低温恒温器的内部包含所述谐振器、所述物质。
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