JP2014215985A - 量子計算装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より少ない素子で量子計算装置が構成できるようにする。
【解決手段】スピンアンサンブル１０１と、スピンアンサンブル１０１に近設された超伝導磁束量子ビット１０２とを備える。スピンアンサンブル１０１は、ゼロ磁場分裂を起こした複数の電子スピン１１１の集団から構成されている。また、スピンアンサンブル１０１と超伝導磁束量子ビット１０２との間の距離は、超伝導磁束量子ビット１０２における量子状態が維持される時間内で一方の量子状態が他方に転送可能な範囲とされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビットとを用いた量子計算装置に関する。

量子計算装置は、量子力学的な重ね合わせを用いることで、従来の計算装置では実現できない規模の並列性を実現できるものとして期待され、多くの研究・開発がなされている。この量子計算装置としては、実用的な構成のためには少なくとも数千から数万の素子のコヒーレントな量子的結合が必要であると考えられてきた。

しかしながら、量子計算装置において、構成する系の数が多いほど相互作用の制御が困難になる。制御しきれない相互作用は、デコヒーレンスと呼ばれるノイズを誘発してしまうことが知られており、ノイズを誘発する相互作用が多い状態では、実用的ではない。実用的な量子計算装置を目指すためには、少ない数の素子での構成が望まれる。これを実現するために、近年になって、１つの超伝導量子ビット、１つのスピンアンサンブル、１つのマイクロ波共振器、の３つのみを用いて量子計算装置を構成する方法が提案された（非特許文献１参照）。

J.H.Wesenberg, A.Ardavan, G.A.D.Briggs, J.J.L.Morton, R.J.Schoelkopf, D.I.Schuster, and K.Molmer, "Quantum Computing with an Electron Spin Ensemble", Phys.Rev.Lett. , vol.103, 070502, 2009. D.Marcos, M.Wubs, J.MTaylor, R.Aguad, M.D.Lukin, A.S.Sorensen, "Coupling Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond to Superconducting Flux Qubits", Phys.Rev.Lett. , vol.103, 070502, 2009. M.J.Holland et al. , "Quantum Nondemolition Measurements of Photon Number by Atomic-Beam Deflection", Phys.Rev.Lett. ,vol.67, no.13, pp.1716-1719, 1991. X.Zhu et al. , "Coherent coupling of a superconducting flux qubit to an electron spin ensemble in diamond", Nature, vol.478, pp.221-224, 2011.

しかしながら、デコヒーレンスを抑制するために、より少ない素子で量子計算装置が構成できることが望まれている。

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、より少ない素子で量子計算装置が構成できるようにすることを目的とする。

本発明に係る量子計算装置は、ゼロ磁場分裂を起こした複数の電子スピンの集団から構成されたスピンアンサンブルと、スピンアンサンブルに近設された超伝導磁束量子ビットとを備え、スピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビットとの間の距離は、超伝導磁束量子ビットにおける量子状態が維持される時間内で一方の量子状態が他方に転送可能な範囲とされている。

上記量子計算装置において、超伝導磁束量子ビットの量子状態を制御する量子状態制御手段と、超伝導磁束量子ビットの量子状態を測定する量子状態測定手段とを備える。なお、スピンアンサンブルは、ダイヤモンドの中に形成された複数のＮＶ（ＮＶ^-）中心から構成することができる。

以上説明したことにより、本発明によれば、より少ない素子で量子計算装置が構成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における量子計算装置の構成を示す構成図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態における実施例１の量子計算装置の構成を示す構成図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態における実施例１の量子計算装置の構成を示す構成図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態における実施例２の量子計算装置の構成を示す構成図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態における実施例２の量子計算装置の構成を示す構成図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態における実施例３の量子計算装置の構成を示す構成図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態における実施例３の量子計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。図１は、本発明の実施の形態における量子計算装置の構成を示す構成図である。この量子計算装置は、スピンアンサンブル１０１と、スピンアンサンブル１０１に近設された超伝導磁束量子ビット１０２とを備える。実施の形態における量子計算装置では、スピンアンサンブル１０１と超伝導磁束量子ビット１０２との間には、何も配置されていないところが特徴である。

また、この量子計算装置は、超伝導磁束量子ビット１０２の量子状態を制御する量子状態制御部１０３、および超伝導磁束量子ビット１０２の量子状態を測定する量子状態測定部１０４を備える。

スピンアンサンブル１０１は、ゼロ磁場分裂を起こした複数の電子スピン１１１の集団から構成されている。また、スピンアンサンブル１０１と超伝導磁束量子ビット１０２との間の距離は、超伝導磁束量子ビット１０２における量子状態が維持される時間内で一方の量子状態が他方に転送可能な範囲とされている。例えば、スピンアンサンブル１０１のエネルギーと超伝導磁束量子ビット１０２のエネルギーとを一致させて共鳴可能な状態で、両者に真空ラビ振動が生じる範囲とすればよい。

電子スピン１１１は、例えば、ゼロ磁場分裂が数ＧＨｚ程度である。この状態であれば、超伝導磁束量子ビット１０２が動作可能な低温度の状態において、スピンアンサンブル１０１を構成する各電子スピン１１１は、スピンの向きが共通した状態となる。また、隣り合う電子スピン１１１間の距離は、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であればよい。

スピンアンサンブル１０１は、例えば、ダイヤモンド結晶中に含まれる窒素空孔中心（ＮＶ中心）から構成することができる。ＮＶ中心は、ダイヤモンド格子中の炭素の置換位置に入った窒素（Nitrogen）と、この置換窒素に隣接する炭素原子が抜けた空孔（Vacancy）との対からなる複合不純物欠陥である。ＮＶ中心に電子スピン１１１が形成される。ダイヤモンドに所定の濃度で窒素を注入すれば、ダイヤモンド中に複数のＮＶ中心が形成できる。また、スピンアンサンブル１０１は、リンあるいはビスマスをドープしたシリコン、Ｅｒなどの希土類元素をドープしたＹＳＯ（Ｙ₂ＳｉＯ₅）結晶、窒素を内部に閉じ込めたフラーレンなどから構成してもよい。

超伝導磁束量子ビット１０２は、よく知られているように、例えば、超伝導材料からなる閉回路を構成する超伝導配線部と、トンネル絶縁部を備えた３つのジョセフソン接合とから構成されている。超伝導配線部は、例えば外径が５μｍ角程度の平面視矩形に形成されている。この超伝導配線部のいずれかの位置に、ジョセフソン接合が設けられている。

量子状態制御部１０３は、例えば、超伝導磁束量子ビット１０２にマイクロ波を照射する制御線から構成すればよい。マイクロ波の照射により、超伝導磁束量子ビット１０２の量子状態は、任意の方向に回転させることが可能である。また、量子状態測定部１０４は、超伝導量子干渉計もしくはジョセフソン分岐増幅測定から構成すればよい。超伝導量子干渉計もしくはジョセフソン分岐増幅測定を用いることで、超伝導磁束量子ビット１０２の量子状態の読み出しが可能である。これらは、よく知られているように、超伝導磁束量子ビット１０２と組み合わせた回路が、容易に構成でき、量子状態の制御および読み出しが、超伝導磁束量子ビット１０２上で行える。

更に、本実施の形態の構成によれば、スピンアンサンブル１０１と超伝導磁束量子ビット１０２との間の相互作用を用いることにより、量子計算に必要である二量子状態間のゲート「controlled phase gate」を構成することができる。

以下、より詳細に説明する。１つのスピンアンサンブル１０１と１つの超伝導磁束量子ビット１０２とで、複数量子ビットとしての機能を持たせることが、本発明の大きな特徴である。これをいかにして実現するかを以下に説明する。

系を共鳴させる（超伝導磁束量子ビット１０２のエネルギーをスピンアンサンブル１０１のエネルギーと一致させる）ことで生じる真空ラビ振動を利用することで、超伝導磁束量子ビット１０２の励起状態をスピンアンサンブル１０１に転送した後、超伝導磁束量子ビット１０２のエネルギーをデチューニング（スピンアンサンブル１０１のエネルギーと大きく異なる値へ変化）させてスピンアンサンブル１０１からデカップル（分離）させる。

このときのスピンアンサンブル１０１の状態は、以下の式（１）により表される。

式（１）において、σ₊ ⁽ⁿ⁾はｎ番目のスピンを｜↓＞から｜↑＞に変える演算子である。ここで｜↓＞は、スピンが下向き（基底状態）であることを表し、｜↑＞はスピンが上向きであることを示す。またＮはスピンの数を表す。この状態は、生成演算子を用いて以下の式（２）により表され、Ｗ状態と呼ばれ、この生成演算子は以下の式（３）により定義される。

これらの式により状態を示すことができるスピンアンサンブル１０１に一定時間Ｔだけ磁場勾配を印加することで、スピンアンサンブル１０１を、Ｗ状態とは異なった（Ｗ状態とは直行した）状態に変化させることができる。後述するが、このような磁場勾配は、超伝導磁束量子ビット１０２を構成する電流回路を用いて印加することができる。

磁場勾配の存在によってスピンアンサンブル１０１中の電子スピン１１１毎に、異なった位相を付加することが可能となるので、以下の式（４）で示される状態が得られる。

この式（４）で示される状態をＷ_θ状態と呼ぶ。式（４）において、θ_nはｎ番目のスピンに（磁場勾配によって）付加される位相である。この状態を、生成演算子を用いて表すと、以下の式（５）で示され、この生成演算子は、以下の式（６）により定義される。

この演算子は、Ｎが十分に大きいときには演算子ａ₀と可換となる。このため、再びスピンアンサンブル１０１と超伝導磁束量子ビット１０２を共鳴させて真空ラビを起こすことで、励起した超伝導磁束量子ビット１０２の状態を、再びスピンアンサンブル１０１に転送することが可能となる。この結果、スピンアンサンブル１０１の状態は、以下の式（７）と表され、更に、磁場勾配を一定時間Ｔだけ印加することで状態は以下の式（８）で示されるように変化し、ａ^† ₀、ａ^† ₁、ａ^† ₂は十分大きなＮでは可換であるため、更に超伝導磁束量子ビット１０２との真空ラビによりａ^† ₀のモードを蓄えることが可能になる。

このように、スピンアンサンブル１０１に対する磁場勾配の印加と、スピンアンサンブル１０１と超伝導磁束量子ビット１０２との間で真空ラビによる状態転送を繰り返すことで、以下の式（９）で示される状態を作り出すことができる。

このように、１つのスピンアンサンブル１０１を多数の量子ビットとして機能させることが可能となる。

ここで、ａ^† _mは、以下の式（１０）により定義され、この演算子によって生成される状態をスピン波と呼ぶ。

このスピン波として蓄えられた状態のうち、ａ^† _jによって生成された状態を取り出す必要がある際には、以下のような操作を行う。まず、逆向きの傾斜磁場を時間ｊＴだけかけることで、スピンアンサンブル１０１の状態を、以下の式（１１）に示される状態に変化させる。

この後に真空ラビを用いることで、もともとａ^† _jに蓄えられていた状態を超伝導磁束量子ビット１０２に転送させることができる。

以上のようにして、多数量子ビットの状態準備、単一量子ビットの回転操作、単一量子ビットの読み出し、２量子ビット間のゲート操作、という量子計算に必要な機能をすべて１つのスピンアンサンブル１０１と１つの超伝導磁束量子ビット１０２に持たせることができる。

ここで、１つの超伝導量子ビット、１つのスピンアンサンブル、１つのマイクロ波共振器、の３つを用いて量子計算装置を構成する方法はすでに提案されている（非特許文献１参照）。この方法では、スピンアンサンブルと超伝導量子ビットとの間に、マイクロ波共振器を配置している。

また、スピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビットのコヒーレントな結合を用いて、超伝導磁束量子ビットの１つの量子状態をスピンアンサンブルに保存する「量子メモリー」の手法も提案されている（非特許文献２参照）。

これらに対し、上述した本発明の実施の形態における量子計算装置では、磁場勾配の印加により、「１つのスピンアンサンブル１０１」と「１つの超伝導磁束量子ビット１０２」の２つの素子で、量子メモリーのみならず量子計算装置そのものが構成できる。従来の提案に比べ、必要な要素（素子）の数が２つと少ないために構成が容易になり、デコヒーレンスなどのノイズを抑えられることが期待できる。

磁場勾配は、例えば外部に制御線を配置することで印加が可能になる。また、超伝導磁束量子ビット１０２を構成している電流回路を用いて磁場勾配を印加することも可能である。この場合、超伝導磁束量子ビット１０２の電流回路へ高速パルスを印加すれば、磁場勾配のオンとオフも、ナノ秒程度で行うことができ、高速の操作が可能となる。この構成によれば、傾斜磁場をかけるために新たに配線を加える必要がないため、配線からのノイズを抑制できるという利点がある。

以下、実施例を用いて説明する。

［実施例１］
はじめに、実施例１について図２Ａ，図２Ｂを用いて説明する。図２Ａ，図２Ｂは、本発明の実施の形態における実施例１の量子計算装置の構成を示す構成図である。この量子計算装置は、複数のＮＶ中心を有するダイヤモンドからなるスピンアンサンブル構成部２０１と、超伝導磁束量子ビット２０２とを備える。スピンアンサンブル構成部２０１は、超伝導磁束量子ビット２０２を構成する一部の超伝導配線２１１に沿って、この上に配置されている。また、超伝導磁束量子ビット２０２の周囲を囲うように配置され、超伝導磁束量子ビット２０２と結合した超伝導量子干渉計２０３を備える。図では、区別のために超伝導量子干渉計２０３を破線で示している。なお、超伝導量子干渉計の代わりに、ジョセフソン分岐増幅測定器を用いてもよい。

ここで、実施例１では、超伝導磁束量子ビット２０２と超伝導量子干渉計２０３とは、スピンアンサンブル構成部２０１が配置される部分の超伝導配線２１１を共有している。また、超伝導配線２１１には、超伝導量子干渉計２０３に電流を供給する超伝導配線２１２が接続されている。スピンアンサンブル構成部２０１は、超伝導配線２１２が接続されている箇所を中心に、超伝導配線２１２の両側の超伝導配線２１１にわたって配置されている。また、実施例１では、超伝導磁束量子ビット２０２の量子状態を制御するための制御線２２１，制御線２２２を備えている。制御線２２１，制御線２２２から照射する共鳴マイクロ波によって、超伝導磁束量子ビット２０２の量子状態を任意の回転の状態に制御できる。なお、スピンアンサンブル構成部２０１以外の上述した構成は、非特許文献４のFig1,d,eに示された構成と同様である。

スピンアンサンブル構成部２０１は、濃度が１ｃｍ³あたり１０¹⁶から１０¹⁸個程度のＮＶ中心を含有したダイヤモンド単結晶から構成し、例えば、直方体の形状とされている。スピンアンサンブル構成部２０１は、極めて高純度なダイヤモンド単結晶にイオン注入もしくは電子線照射で窒素原子を導入することで作製できる。イオン注入や電子線照射を行う際には、ダイヤモンド単結晶（スピンアンサンブル構成部２０１）の表面が、超伝導磁束量子ビット２０２（超伝導配線２１１）に接触した状態で、ダイヤモンド結晶内部に形成されるスピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット２０２との距離が、数ナノメートルから離れても数百ナノメートル以下になるように調整を行う。例えば、注入深さを制御することで、上述した調整を行う。

実施例１によれば、スピンアンサンブル構成部２０１に形成されているＮＶ中心によるスピンアンサンブルと、超伝導磁束量子ビット２０２とのコヒーレントな結合ができ、これらの系の間に「controlled phase gate」を形成することや、超伝導磁束量子ビット２０２の量子状態を、ＮＶ中心によるスピンアンサンブルへ転送することが可能となる。

また、超伝導量子干渉計２０３を構成するジョセフソン接合の臨界電流値を設計することによって、超伝導量子干渉計２０３に、数μＡ程度までの電流を流すことができる。なお、図中、ジョセフソン接合は、「×」で示している。この超伝導量子干渉計２０３に対する電流印加を利用することで、図２Ａ，図２Ｂに示すように、１μｍあたり数十μテスラから数百μテスラ程度の傾斜磁場２３１，傾斜磁場２３２を生成することができ、スピンアンサンブル構成部２０１に形成されるスピンアンサンブルに対して作用させることができる。

これらの傾斜磁場２３１，傾斜磁場２３２により、数μ秒程度で、スピンアンサンブル構成部２０１に形成されるスピンアンサンブルのＷ状態を、Ｗ_θ状態へと変化させることができる。スピンアンサンブルを構成するＮＶ中心のコヒーレント時間は、室温（２０℃程度）でも数ミリ秒あるため、上述した傾斜磁場の印加によりスピンアンサンブルに少なくとも数十量子ビットの情報をコヒーレント時間内に蓄えることができる。

また、用いるジョセフソン接合の臨界電流値を設計することによって、超伝導量子干渉計２０３に印加する電流を数μアンペア程度まで流すことができる。

次に、動作について説明する。

Ａ．まず、量子状態の準備について説明する。

（Ａ１）
はじめに、超伝導磁束量子ビット２０２にマイクロ波を照射することで、｜０＞より、以下の式に示すように、基底状態と励起状態の等しい重ね合わせ状態である｜＋＞を生成する。

（Ａ２）
次に、スピンアンサンブル構成部２０１により形成されるスピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット２０２とによる２つの系を共鳴させ誘起された真空ラビ振動を使い、超伝導磁束量子ビット２０２の｜＋＞状態をスピンアンサンブルに転送して以下の式で示す状態とし、この後で、超伝導磁束量子ビット２０２のエネルギーを共鳴条件から外し、スピンアンサンブルから切り離す。

（Ａ３）
次に、磁場勾配を生成し、スピンアンサンブルの状態に以下の式に示すように位相を付加する。磁場勾配を印加する時間Ｔは、Ｔ＝２π／（μＬ）と表される。Ｌはスピンアンサンブルの（磁場勾配をかけている方向の）長さを表し、ｄＢ／ｄｘは磁場勾配の強さを表し、μは磁気モーメント（magnetic moment）を表す。

（Ａ４）
上述した（Ａ１）〜（Ａ３）をＭ回繰り返すことで、スピンアンサンブルにおいて以下の式に示す状態が得られる。

これは、Ｍ個の量子ビットを用いて｜＋＋・・・＋＞なる状態を準備したことと等価である。

Ｂ．次に、スピンアンサンブル構成部２０１により形成されるスピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット２０２とによる系で、「単一量子ビットの読み出し」を行う手順について説明する。

（Ｂ１）
まず、スピンアンサンブルに対し、量子状態準備のときと逆向きの磁場勾配をｊＴの時間だけ印加し、スピンアンサンブルにおいて以下の式に示す状態を得る。

（Ｂ２）
次に、超伝導磁束量子ビット２０２とスピンアンサンブルのエネルギーを一致させて共鳴させ、真空ラビを起こすことで、以下の式に示すスピンアンサンブルの量子状態を超伝導磁束量子ビット２０２の状態に転送し、この後、超伝導磁束量子ビット２０２のエネルギーを共鳴条件から外してスピンアンサンブルから切り離す。

（Ｂ３）
次に、超伝導磁束量子ビット２０２の状態をジョセフソン分岐増幅測定などの方法を用いて読み出す

Ｃ．次に、スピンアンサンブル構成部２０１により形成されるスピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット２０２とによる系で、スピンアンサンブル上のｊ番目の量子ビットに「単一量子ビットの回転操作」を行うための手順について説明する。

（Ｃ１）
はじめに、量子状態準備のときと逆向きの磁場勾配を、ｊＴの時間だけ印加し、スピンアンサンブルにおいて以下の式に示す状態を得る。

（Ｃ２）
次に、超伝導磁束量子ビット２０２とスピンアンサンブルとのエネルギーを一致させて共鳴させ、真空ラビを起こすことで、以下の式に示すスピンアンサンブルの量子状態を超伝導磁束量子ビット２０２の状態に転送したのち、超伝導磁束量子ビット２０２のエネルギーを共鳴条件から外してスピンアンサンブルから切り離す。

（Ｃ３）
次に、位相制御された複合マイクロ波パルス列を照射することにより、超伝導磁束量子ビット２０２に「単一量子ビットの回転操作」を行い、以下の式に示す状態とする。

（Ｃ４）
次に、スピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット２０２とによる系を共鳴させて真空ラビを起こすことで、上述した超伝導磁束量子ビット２０２の状態をスピンアンサンブルに転送して以下に式に示す状態とし、この後、超伝導磁束量子ビット２０２のエネルギーを共鳴条件から外してスピンアンサンブルから切り離す。

（Ｃ５）
次に、量子状態準備のときと同じ向きの磁場勾配を、スピンアンサンブルに対してｊＴの時間だけ印加し、以下の式に示す状態とする。

Ｄ．次に、スピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット２０２とによる系で、スピンアンサンブル上のｊ番目の量子ビットとｋ番目の量子ビットの間に「２量子ビット間のゲート操作」を行う手順について説明する。

（Ｄ１）
最初に、量子状態準備のときと逆向きの磁場勾配を、スピンアンサンブルに対してｊＴの時間だけ印加して以下の式に示す状態とする。なお、超伝導磁束量子ビット２０２は、｜＋＞の状態である。

（Ｄ２）
次に、スピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット２０２とを共鳴させて真空ラビを起こすことで、以下の式に示すスピンアンサンブルの量子状態を超伝導磁束量子ビット２０２の状態に転送し、この後、超伝導磁束量子ビット２０２のエネルギーを共鳴条件から外してスピンアンサンブルから切り離す。

（Ｄ３）
次に、量子状態準備のときと逆向きの磁場勾配を、スピンアンサンブルに対して（ｋ−ｊ）Ｔの時間だけ印加し、以下の式に示す状態とする。

（Ｄ４）
次に、超伝導磁束量子ビット２０２のエネルギーを変化させてから、超伝導磁束量子ビット２０２とスピンアンサンブル間の相互作用を利用して「controlled phase gate」をかけたのち、超伝導磁束量子ビット２０２のエネルギーを共鳴条件から外してスピンアンサンブルから切り離す。

「controlled phase gate」の構成は以下のように行う。超伝導磁束量子ビット２０２の周波数とスピンのエネルギー差Δを、スピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット２０２との間の結合定数ｇの数倍程度に調整することで、相互作用を以下の式（１２）に示すような「Dispersive」型にすることが可能である（非特許文献３参照）。

この相互作用を用いて「controlled phase gate」が構成できる。このとき、スピンアンサンブルに蓄えている他の状態に影響を与えず、目標の状態間にのみ効果的に「controlled phase gate」を構成するためには、スピンアンサンブル中に存在するスピンの数Ｎの平方根（ｎ）^1/2を、スピンアンサンブルに蓄えている状態数Ｍよりも十分に大きくしておく必要がある。

（Ｄ５）
次に、量子状態準備のときと同じ向きの磁場勾配を、スピンアンサンブルに対して（ｋ−ｊ）Ｔの時間だけ印加し、以下の式に示す状態とする。

（Ｄ６）
次に、スピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット２０２とを共鳴させて真空ラビを起こすことで超伝導磁束量子ビット２０２の状態をスピンアンサンブルに転送し、この後、超伝導磁束量子ビット２０２のエネルギーを共鳴条件から外してスピンアンサンブルから切り離す。

（Ｄ７）
次に、量子状態準備のときと同じ向きの磁場勾配を、スピンアンサンブルに対してｊＴの時間だけ印加し、以下の式に示す状態とする。

以上のようにして、Ａ．多数量子ビットの状態準備、Ｂ．単一量子ビットの読み出し、Ｃ．単一量子ビットの回転操作、Ｄ．２量子ビット間のゲート操作、という量子計算に必要な機能を、１つのスピンアンサンブルと１つの超伝導磁束量子ビット２０２に持たせることができる。これらの機能の中で、ＢおよびＣに関してはすでに実験的実証が行われている（非特許文献４参照）。

［実施例２］
次に、実施例２について図３Ａ，図３Ｂを用いて説明する。図３Ａ，図３Ｂは、本発明の実施の形態における実施例２の量子計算装置の構成を示す構成図である。この量子計算装置は、複数のＮＶ中心を有するダイヤモンドからなるスピンアンサンブル構成部３０１と、超伝導磁束量子ビット３０２とを備える。図中、ジョセフソン接合は、「×」で示している。スピンアンサンブル構成部３０１は、超伝導磁束量子ビット３０２の上に配置されている。実施例２では、図３Ａ，図３Ｂに示すように、ジョセフソン接合が形成されている領域を含めた一部の超伝導磁束量子ビット３０２を覆う状態で、超伝導磁束量子ビット３０２の上にスピンアンサンブル構成部３０１を配置する。

スピンアンサンブル構成部３０１は、濃度が１ｃｍ³あたり１０¹⁶から１０¹⁸個程度のＮＶ中心を含有したダイヤモンド単結晶から構成し、例えば、直方体の形状とされている。スピンアンサンブル構成部３０１は、極めて高純度なダイヤモンド単結晶にイオン注入もしくは電子線照射で窒素原子を導入することで作製できる。イオン注入や電子線照射を行う際には、ダイヤモンド単結晶（スピンアンサンブル構成部３０１）の表面が、超伝導磁束量子ビット３０２を構成する超伝導配線に接触した状態で、ダイヤモンド結晶内部に形成されるスピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット３０２との距離が、数ナノメートルから離れても数百ナノメートル以下になるように調整を行う。例えば、注入深さを制御することで、上述した調整を行う。

実施例２によれば、スピンアンサンブル構成部３０１に形成されているＮＶ中心によるスピンアンサンブルと、超伝導磁束量子ビット３０２とのコヒーレントな結合ができ、これらの系の間に「controlled phase gate」を形成することや、超伝導磁束量子ビット３０２の量子状態を、ＮＶ中心によるスピンアンサンブルへ転送することが可能となる。

また、「×」で示しているジョセフソン接合の臨界電流値を設計することによって、図中、太い矢印で示す永久電流を、超伝導磁束量子ビット３０２に数μアンペア程度まで流すことができる。この電流を利用することで、スピンアンサンブル構成部３０１に形成されるスピンアンサンブルに対し、図３Ａ，図３Ｂに上下方向の細い線の矢印で示すように、１μｍあたり数十μテスラから数百μテスラ程度の傾斜磁場を生成することができる。

これらの傾斜磁場により、数μ秒程度で、スピンアンサンブル構成部３０１に形成されるスピンアンサンブルのＷ状態を、Ｗ_θ状態へと変化させることができる。スピンアンサンブルを構成するＮＶ中心のコヒーレント時間は、室温（２０℃程度）でも数ミリ秒あるため、実施例２においても、前述した実施例１と同様に、上述した傾斜磁場の印加によりスピンアンサンブルに少なくとも数十量子ビットの情報をコヒーレント時間内に蓄えることができる。

また、実施例２においても、前述した実施例１と同様に、Ａ．多数量子ビットの状態準備、Ｂ．単一量子ビットの読み出し、Ｃ．単一量子ビットの回転操作、Ｄ．２量子ビット間のゲート操作、という量子計算に必要な機能を、１つのスピンアンサンブルと１つの超伝導磁束量子ビット３０２に持たせることができる。

［実施例３］
次に、実施例３について図４Ａ，図４Ｂを用いて説明する。図４Ａ，図４Ｂは、本発明の実施の形態における実施例３の量子計算装置の構成を示す構成図である。この量子計算装置は、複数のＮＶ中心を有するダイヤモンドからなるスピンアンサンブル構成部４０１と、超伝導磁束量子ビット４０２と、外部制御線４０３，外部制御線４０４とを備える。図中、ジョセフソン接合は、「×」で示している。

スピンアンサンブル構成部４０１は、超伝導磁束量子ビット４０２の上に配置されている。実施例３では、図４Ａ，図４Ｂに示すように、超伝導磁束量子ビット４０２を覆う状態で、超伝導磁束量子ビット４０２の上にスピンアンサンブル構成部４０１を配置する。スピンアンサンブル構成部４０１は、前述した実施例２と同様である。

実施例３によれば、スピンアンサンブル構成部４０１に形成されているＮＶ中心によるスピンアンサンブルと、超伝導磁束量子ビット４０２とのコヒーレントな結合ができ、これの系の間に「controlled phase gate」を形成することや、超伝導磁束量子ビット４０２の量子状態を、ＮＶ中心による電子のスピンアンサンブルへ転送することが可能となる。

また、外部制御線４０３，外部制御線４０４に、図４Ａ，図４Ｂに太い矢印で示すように電流を流すことで、スピンアンサンブル構成部４０１に形成されるスピンアンサンブルに対し、図４Ａ，図４Ｂに細い線の矢印で示すように、１μｍあたり数十μテスラから数百μテスラ程度の傾斜磁場を生成することができる。

これらの傾斜磁場により、数μ秒程度で、スピンアンサンブル構成部４０１に形成されるスピンアンサンブルのＷ状態を、Ｗ_θ状態へと変化させることができる。スピンアンサンブルを構成するＮＶ中心のコヒーレント時間は、室温（２０℃程度）でも数ミリ秒あるため、実施例３においても、前述した実施例１，２と同様に、上述した傾斜磁場の印加によりスピンアンサンブルに少なくとも数十量子ビットの情報をコヒーレント時間内に蓄えることができる。

また、実施例３においても、前述した実施例１と同様に、Ａ．多数量子ビットの状態準備、Ｂ．単一量子ビットの読み出し、Ｃ．単一量子ビットの回転操作、Ｄ．２量子ビット間のゲート操作、という量子計算に必要な機能を、１つのスピンアンサンブルと１つの超伝導磁束量子ビット４０２に持たせることができる。

以上に説明したように、本発明によれば、スピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビットとの間の距離を、超伝導磁束量子ビットにおける量子状態が維持される時間内で一方の量子状態が他方に転送可能な範囲としたので、１つのスピンアンサンブルと１つの超伝導磁束量子ビットの２つだけの素子で量子計算の実行が可能になり、より少ない素子で量子計算装置が構成できるようになる。この結果、制作が容易になるのみならず、制御する必要のある系が少ないためにノイズを抑制することができる。

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、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…スピンアンサンブル、１０２…超伝導磁束量子ビット、１０３…量子状態制御部、１０４…量子状態測定部。

Claims (3)

1. ゼロ磁場分裂を起こした複数の電子スピンの集団から構成されたスピンアンサンブルと、
   前記スピンアンサンブルに近設された超伝導磁束量子ビットと
   を備え、
   前記スピンアンサンブルと前記超伝導磁束量子ビットとの間の距離は、前記超伝導磁束量子ビットにおける量子状態が維持される時間内で一方の量子状態が他方に転送可能な範囲とされていることを特徴とする量子計算装置。
2. 請求項１記載の量子計算装置において、
   前記超伝導磁束量子ビットの量子状態を制御する量子状態制御手段と、
   前記超伝導磁束量子ビットの量子状態を測定する量子状態測定手段と
   を備えることを特徴とする量子計算装置。
3. 請求項１または２記載の量子計算装置において、
   前記スピンアンサンブルは、ダイヤモンドの中に形成された複数のＮＶ中心から構成されたものであることを特徴とする量子計算装置。