JP2011197875A - 多量子ビット量子演算装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の複雑化およびデコヒーレンスの増大が抑制できるようにする。
【解決手段】量子状態（量子情報）を保存する複数のメモリ量子ビット１０１と、メモリ量子ビット１０１と相互作用することでメモリ量子ビット１０１と量子状態の交換を行う量子バス１０２と、量子バス１０２に結合する量子ビットから構成されて少なくとも１組の量子演算を行う演算量子ビット１０３と、量子バス１０２に結合する読み出し量子ビット１０４と、読み出し量子ビット１０４の量子状態を読み出す測定器（量子状態測定手段）１０５と、メモリ量子ビット１０１の量子状態を制御する制御部１０６とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、量子メモリを用いた多量子ビット量子演算装置に関するものである。

実用的な量子計算を実現するためには、複数の量子ビットを用いた演算が必要である。このような演算では、図６に示すように、ｎ個の量子ビットＱ１〜Ｑｎを用い、各量子ビットＱ１〜Ｑｎの間の相互作用を利用して演算を行い、この演算結果を、各々の量子ビットＱ１〜Ｑｎに接続された測定器６０１を用いて直接読み出すようにしている（非特許文献１参照）。

T.P. Orlando, et al. ,"Superconducting persistent-current qubit", Phys. Rev. B, vol.60, no.22, pp.15398-15413, 1999.

ところで、上述した量子ビットによる量子演算装置（多量子ビット量子演算装置）を超伝導量子回路で実現しようとすると、量子ビット間の相互作用のための配線や、量子ビットの読み出しのための配線が量子ビット毎に必要になる。このため、量子ビットの数が増加すれば配線および読み出し装置も増加することになり、装置の複雑化を招いている。また、配線からのノイズは、量子ビットのコヒーレンス時間を抑制する方向に働く。デコヒーレンスを抑えつつ複雑な配線を実現することは難しく、多量子ビット演算の壁となっている。これらのように、上述した多量子ビット量子演算装置では、装置が複雑化し、デコヒーレンスが増大するという問題がある。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、装置の複雑化およびデコヒーレンスの増大が抑制できるようにすることを目的とする。

本発明に係る多量子ビット量子演算装置は、量子状態を保存する複数のメモリ量子ビットと、メモリ量子ビットと相互作用することでメモリ量子ビットと量子状態の交換を行う量子バスと、量子バスに結合して複数の量子ビットから構成されて少なくとも１組の量子演算を行う演算量子ビットと、量子バスに結合する読み出し量子ビットと、この読み出し量子ビットの量子情報を読み出す量子状態測定手段と、メモリ量子ビットの量子状態を制御する制御手段とを少なくとも備える。

上記多量子ビット量子演算装置において、演算量子ビットおよび読み出し量子ビットは、量子バスと相互作用して量子状態の交換を行うことで、量子バスと結合していればよい。

上記多量子ビット量子演算装置において、メモリ量子ビット，量子バス，演算量子ビット，読み出し量子ビット，量子状態測定手段，および制御手段を備える複数の多量子ビット量子演算部と、複数の多量子ビット量子演算部に結合する共有量子バスとを備えるようにしてもよい。また、複数の多量子ビット量子演算部は、共有メモリ量子ビットを介して結合していてもよい。

上記多量子ビット量子演算装置において、複数のメモリ量子ビットは、各々共鳴周波数が異なり、制御手段は、複数のメモリ量子ビットに共通に設けられ、制御手段は、メモリ量子ビットの共鳴周波数の電磁波を照射することでメモリ量子ビットの量子状態を制御すればよい。また、制御手段は、複数のメモリ量子ビットの各々に対応して配置された制御線を備えるようにしてもよい。なお、メモリ量子ビット，量子バス，演算量子ビット，および読み出し量子ビットの少なくとも１つは、超伝導回路より構成されていればよい。

以上説明したように、本発明によれば、メモリ量子ビットと量子状態の交換を行う量子バスと、量子バスに結合する演算量子ビットと、量子バスに結合する読み出し量子ビットを備えるようにしたので、装置の複雑化およびデコヒーレンスの増大が抑制できるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における多量子ビット量子演算装置の構成を示す構成図である。 図２は、本発明の実施の形態１における多量子ビット量子演算装置の動作例を説明するための説明図である。 図３は、本発明の実施の形態１における他の多量子ビット量子演算装置の構成を示す構成図である。 図４は、本発明の実施の形態２における多量子ビット量子演算装置の構成を示す構成図である。 図５は、本発明の実施の形態３における多量子ビット量子演算装置の構成を示す構成図である。 図６は、多量子ビット量子演算装置の構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における多量子ビット量子演算装置の構成を示す構成図である。この多量子ビット量子演算装置は、量子状態（量子情報）を保存する複数のメモリ量子ビット１０１と、メモリ量子ビット１０１と相互作用することでメモリ量子ビット１０１と量子状態の交換を行う量子バス１０２と、量子バス１０２に結合する量子ビットから構成されて少なくとも１組の量子演算を行う演算量子ビット１０３と、量子バス１０２に結合する読み出し量子ビット１０４と、読み出し量子ビット１０４の量子状態を読み出す測定器（量子状態測定手段）１０５と、メモリ量子ビット１０１の量子状態を制御する制御部１０６とを備える。

メモリ量子ビット１０１，量子バス１０２，演算量子ビット１０３，および読み出し量子ビット１０４の少なくとも１つは、超伝導磁束量子ビット，超伝導電荷量子ビット，超伝導共振器などの超伝導体で構成される回路（超伝導回路）より構成することができる。

メモリ量子ビット１０１は、量子バス１０２とのみ結合可能とされており、メモリ量子ビット１０１どうしの相互作用は小さく、比較的長いコヒーレンス時間を持つ。また、例えば、メモリ量子ビット１０１の共鳴周波数は各々異なり、制御部１０６からの共鳴マイクロ波（共鳴周波数の電磁波）の照射により励起させることができる。断熱的にメモリ量子ビット１０１または量子バス１０２のエネルギーを変化させ両者を一致させる（相互作用させる）ことにより、量子バス１０２とメモリ量子ビット１０１の間に量子振動が生じ、互いの量子状態の交換が可能である。

演算量子ビット１０３は、互いに結合した複数の量子ビットから構成される。これらは、強い結合のために、相互作用を用いる演算を短時間で行うことが可能である。読み出し量子ビット１０４は、測定器１０５と結合しており量子状態の読み出しが可能である。

各量子ビットの量子状態は、量子バス１０２を介して交換することができる。従って、各メモリ量子ビット１０１の量子状態を、量子バス１０２を介して演算量子ビット１０３に転送することで、任意のメモリ量子ビット１０１間の演算が可能となる。

例えば、図２の（ａ）に示すように、量子バス１０２を介し、ｍ１２のメモリ量子ビット１０１の量子状態をｃ１の演算量子ビット１０３に転送し、ｍ１３のメモリ量子ビット１０１の量子状態をｃ２の演算量子ビット１０３に転送し、ｃ１およびｃ２の演算量子ビット１０３で制御反転（Ｃ−ＮＯＴ）演算を行った後、各々の量子状態をｍ１３およびｍ１２のメモリ量子ビット１０１に戻すことができる。

また、図２の（ｂ）に示すように、上述した演算の結果により変更されたｍ１３のメモリ量子ビット１０１の量子状態は、量子バス１０２を介して読み出し量子ビット１０４に転送して測定器１０５で測定を行うことができる。測定を行った後、測定された読み出し量子ビット１０４の量子状態は、量子バス１０２を介してｍ１３のメモリ量子ビット１０１に戻される。

また、図２の（ｃ）に示すように、ｍ１１のメモリ量子ビット１０１の量子状態と、ｍ１４のメモリ量子ビット１０１の量子状態とを、量子バス１０２を介して交換することができる。

上述したように、本実施の形態によれば、直接読み出しを行わないコヒーレンス時間の長いメモリ量子ビット１０１の量子状態を、量子バス１０２を介し、演算量子ビット１０３よりなる演算部分、および読み出し量子ビット１０４よりなる読み出し部分に転送しているので、より短時間で量子情報操作（量子状態の操作）が行え、また、複雑な配線を用いることなく多量子ビット演算ができるようになる。

ところで、メモリ量子ビット１０１の選択を共鳴周波数で制御することで行う場合、個別に分離可能な状態で１つの量子バス１０２に結合させることができるメモリ量子ビット１０１の数には限界がある。このため、図３に示すように、共有メモリ量子ビット２０１および共有量子バス２０２の少なくとも一方を用い、複数の量子演算部２００ａ、２００ｂの間での量子状態を転送可能とすればよい。共有メモリ量子ビット２０１は、メモリ量子ビット１０１と同様の構成である。

各量子演算部２００ａ、２００ｂは、メモリ量子ビット１０１，量子バス１０２，演算量子ビット１０３，読み出し量子ビット１０４，測定器１０５，および制御部１０６を備えている。このように構成することで、共鳴周波数によるメモリ量子ビット１０１の選択可能な数を超えて、メモリ量子ビット１０１の数を増やすことができる。

また、１つの制御部により異なる共鳴周波数でメモリ量子ビットを選択するのではなく、量子メモリビット毎、および量子メモリビット群毎に、各々制御部を設けるようにしてもよい。また、これに前述した共鳴周波数による量子メモリビットの選択を組み合わせるようにしてもよい。

上述した本実施の形態によれば、メモリ量子ビットの状態を量子バスを介して演算および読み出しを行うようにしたので、メモリ量子ビット毎に必要であった量子状態の読み出し装置（測定器）の数を少なくすることができる。このことは、メモリ量子ビットの数的拡張性に優れるだけではなく、従来に比べ構成が簡単になりデコヒーレンスの原因となる量子状態読み出し装置を経由して混入する外来ノイズを抑制することが可能となる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態２における多量子ビット量子演算装置の構成を示す構成図である。この多量子ビット量子演算装置は、まず、「×」で示す３つのジョセフソン接合を備える超伝導ループよりなる超伝導磁束量子ビットより構成されたメモリ量子ビット４０１と、超伝導体の伝送線路で形成した空洞共振器（マイクロ波共振器）から構成された量子バス４０２とを備える。図４では、ｍ１〜ｍ５の５個のメモリ量子ビット４０１を示している。

また、この多量子ビット量子演算装置は、「×」で示す３つのジョセフソン接合を備えて１辺を共有する２つの超伝導ループからなる結合磁束量子ビット４０３と、結合磁束量子ビット４０３の周囲に配置された超伝導ループ４０４とを備える。超伝導ループ４０４は、ＳＱＵＩＤ(Superconducting Quantum Interference Device）から構成され、測定器として機能する。

また、この多量子ビット量子演算装置は、マイクロ波ラインより構成されて共鳴するマイクロ波の照射によりメモリ量子ビット４０１の状態を制御する制御部４０５と、マイクロ波ラインより構成されて共鳴するマイクロ波の照射により結合磁束量子ビット４０３の量子状態を制御する演算量子ビット制御部４０７とを備える。

この実施の形態では、メモリ量子ビット４０１を超伝導磁束量子ビットから構成し、また、結合磁束量子ビット４０３の部分により、演算量子ビットおよび読み出し量子ビットを構成し、量子バス４０２をマイクロ波共振器から構成している。メモリ量子ビット４０１の状態制御は、制御部４０５を構成している制御線から照射する共鳴マイクロ波によって行う。メモリ量子ビット４０１と量子バス４０２との間の量子状態の転送は、断熱的にメモリ量子ビット４０１のエネルギーを変化させることによって行う。また、２つの超伝導ループが直接結合している結合磁束量子ビット４０３は、結合が大きいため、短時間で相互作用の必要な演算や読み出しが可能である。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態３における多量子ビット量子演算装置の構成を示す構成図である。この多量子ビット量子演算装置は、まず、各々が「×」で示す３つのジョセフソン接合を備えて１辺を共有する２つの超伝導ループより構成された結合磁束量子ビット５０１と、結合磁束量子ビット５０１の周囲に配置された超伝導ループで構成される測定器５０２とを備える。

本実施の形態では、結合磁束量子ビット５０１のジョセフソン接合中に導入された不純物原子の双極子モーメントによる複数の量子二準位系（不図示）が、量子状態を保存するメモリ量子ビットとなる。量子二準位系は、各々が固有の共振周波数を有している。また、結合磁束量子ビット５０１により、演算量子ビット，読み出し量子ビット，および量子バスを構成している。

また、本実施の形態における多量子ビット量子演算装置は、マイクロ波ラインより構成されて共鳴するマイクロ波の照射により結合磁束量子ビット５０１の量子二準位系からなるメモリ量子ビットの量子状態を制御する制御部５０５を備える。

また、本実施の形態では、上述した結合磁束量子ビット５０１，測定器５０２，および制御部５０５により、１組の多量子ビット量子演算部５１０を構成し、複数の多量子ビット量子演算部５１０に共通する共有量子バス５１２を備える。共有量子バス５１２は、超伝導体の伝送線路で形成した空洞共振器（マイクロ波共振器）から構成されている。

本実施の形態において、結合磁束量子ビット５０１のジョセフソン接合中に導入されている複数の量子二準位系は、制御部５０５からのマイクロ波周波数を変更することで選択が可能である。また、制御部５０５よりシフトパルスを与えてこのシフトパルスの高さを変えることにより、結合磁束量子ビット５０１により構成している量子バスの共振周波数を対象とする量子二準位系に合わせることで、量子二準位系の量子状態を量子バスに転送することができる。また、本実施の形態によれば、共有量子バス５１２によって他の多量子ビット量子演算部５１０の量子バスへ量子状態を転送することが可能である。

上述した本発明によれば、少ない読み出し線で多量子ビット演算装置を構成することが可能となる。これにより、量子コヒーレンスを抑制する外界からのノイズを少なくすることが可能になり、加えて、構成が単純となることで製作が容易になるなどの利点がある。また、本発明によれば、作製したうちの動作するメモリ量子ビットを用いることで量子演算が可能となることも利点の１つである。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、量子二準位系を、微細加工された半導体量子ドット、超伝導電荷量子ビット、イオン注入によって基板中に作成された不純物原子の双極子モーメントなどにより構成することが可能である。

また、上述では、超伝導磁束量子ビットを用いる場合を例に説明したが、これに限るものではなく、例えば、超伝導電荷量子ビットを用いて構成することも可能である。

１０１…メモリ量子ビット、１０２…量子バス、１０３…演算量子ビット、１０４…読み出し量子ビット、１０５…測定器（量子状態測定手段）、１０６…制御部。

Claims (8)

1. 量子状態を保存する複数のメモリ量子ビットと、
   前記メモリ量子ビットと相互作用することで前記メモリ量子ビットと量子状態の交換を行う量子バスと、
   前記量子バスに結合して複数の量子ビットから構成されて少なくとも１組の量子演算を行う演算量子ビットと、
   前記量子バスに結合する読み出し量子ビットと、
   この読み出し量子ビットの量子情報を読み出す量子状態測定手段と、
   前記メモリ量子ビットの量子状態を制御する制御手段と
   を少なくとも備えることを特徴とする多量子ビット量子演算装置。
2. 請求項１記載の多量子ビット量子演算装置において、
   前記演算量子ビットおよび前記読み出し量子ビットは、前記量子バスと相互作用して量子状態の交換を行うことで、前記量子バスと結合している
   ことを特徴とする多量子ビット量子演算装置。
3. 請求項１または２記載の多量子ビット量子演算装置において、
   前記メモリ量子ビット，前記量子バス，演算量子ビット，読み出し量子ビット，量子状態測定手段，および制御手段を備える複数の多量子ビット量子演算部と、
   複数の前記多量子ビット量子演算部に結合する共有量子バスと
   を備えることを特徴とする多量子ビット量子演算装置。
4. 請求項３記載の多量子ビット量子演算装置において、
   複数の前記多量子ビット量子演算部は、共有メモリ量子ビットを介して結合していることを特徴とする多量子ビット量子演算装置。
5. 請求項１または２記載の多量子ビット量子演算装置において、
   前記メモリ量子ビット，前記量子バス，演算量子ビット，読み出し量子ビット，量子状態測定手段，および制御手段を備える複数の多量子ビット量子演算部と、
   複数の前記多量子ビット量子演算部の量子バスに結合する共有メモリ量子ビットと
   を備えることを特徴とする多量子ビット量子演算装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の多量子ビット量子演算装置において、
   複数の前記メモリ量子ビットは、各々共鳴周波数が異なり、
   前記制御手段は、複数の前記メモリ量子ビットに共通に設けられ、
   前記制御手段は、前記メモリ量子ビットの共鳴周波数の電磁波を照射することで前記メモリ量子ビットの量子状態を制御する
   ことを特徴とする多量子ビット量子演算装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の多量子ビット量子演算装置において、
   前記制御手段は、複数の前記メモリ量子ビットの各々に対応して配置された制御線を備える
   ことを特徴とする多量子ビット量子演算装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の多量子ビット量子演算装置において、
   前記メモリ量子ビット，前記量子バス，演算量子ビット，および読み出し量子ビットの少なくとも１つは、超伝導回路より構成されていることを特徴とする多量子ビット量子演算装置。

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