JP2017053989A - Quantum computer and quantum calculation method - Google Patents

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悟史 中村
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隼人 後藤
Hayato Goto
隼人 後藤
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真美子 鯨岡
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the number of available quantum bits.SOLUTION: A quantum computer comprises a plurality of physical systems and a light source unit. The plurality of physical systems disposed in a resonator, have three or more levels including two levels to be used for quantum bits, and have a transition that is combined with a common resonator mode of the resonator. The resonator mode has intensity distribution having a plurality of maximum values on a plane perpendicular to a progress direction of the resonator mode. The plurality of physical systems are arranged at a plurality of positions where the intensity of the resonator mode is half the maximum intensity of the resonator mode on the plane or greater. The light source unit generates a plurality of beams to irradiate the plurality of physical systems.SELECTED DRAWING: Figure 9

Description

本発明の実施形態は、共振器と物理系の結合を利用した量子計算機に関する。   Embodiments described herein relate generally to a quantum computer that utilizes coupling between a resonator and a physical system.

量子力学的な重ね合わせの状態を用いて演算を行う量子計算機が盛んに研究されている。量子計算の方法の1つとして、共振器に結合した量子ビットに用いる物理系に操作光を照射し、アディアバティックパッセージに基づく量子ゲートを実行する方法が知られている。実用的な計算を行うためには、多数の量子ビットが必要となる。   Quantum computers that perform operations using quantum mechanical superposition are actively studied. As one of quantum calculation methods, a method is known in which a physical system used for a qubit coupled to a resonator is irradiated with operation light and a quantum gate based on an adiabatic passage is executed. In order to perform practical calculations, a large number of qubits are required.

特開2001−209083号公報JP 2001-209083 A

T. Pellizzari et al., Phys. Rev. Lett. 75, 3788 (1995)T. Pellizzari et al., Phys. Rev. Lett. 75, 3788 (1995)

本発明が解決しようとする課題は、利用可能な量子ビット数を増やすことである。   The problem to be solved by the present invention is to increase the number of available qubits.

一実施形態に係る量子計算機は、複数の物理系及び光源部を備える。複数の物理系は、共振器の中に配置され、量子ビットに用いる2つの準位を含む3つ以上の準位を有し、前記共振器の共通の共振器モードに結合する遷移を有する。前記共振器モードは、前記共振器モードの進行方向に垂直な平面において複数の極大値を有する強度分布を有し、前記複数の物理系は、前記共振器モードの強度が前記平面における前記共振器モードの最大強度の半値以上である複数の位置に配置されている、複数の物理系光源部は、前記複数の物理系に照射する複数の光線を発生する。   A quantum computer according to an embodiment includes a plurality of physical systems and a light source unit. The plurality of physical systems are arranged in the resonator, have three or more levels including two levels used for qubits, and have transitions coupled to a common resonator mode of the resonator. The resonator mode has an intensity distribution having a plurality of local maximum values in a plane perpendicular to the traveling direction of the resonator mode, and the plurality of physical systems have the resonator mode intensity in the plane. The plurality of physical light source units disposed at a plurality of positions that are equal to or greater than half the maximum intensity of the mode generate a plurality of light beams that irradiate the plurality of physical systems.

実施形態に係る光共振器を示す概略図。Schematic which shows the optical resonator which concerns on embodiment. エルミートガウスビームの基本モードを示す図。The figure which shows the basic mode of a Hermitian Gaussian beam. 実施形態に係るエルミートガウスビームの高次モード(l=m=10)を示す図。The figure which shows the higher-order mode (l = m = 10) of the Hermitian Gaussian beam which concerns on embodiment. 実施形態に係る量子ビットが配置される領域を説明する図。The figure explaining the area | region where the qubit which concerns on embodiment is arrange | positioned. 実施形態に係る量子ビットに用いる3つの物理系を示す概略図。Schematic which shows three physical systems used for the qubit which concerns on embodiment. 実施形態に係る、共振器を介したアディアバティックパッセージに用いるパルス波形を示す図。The figure which shows the pulse waveform used for the adiabatic passage through the resonator based on embodiment. 第1実施例に係る量子計算機を示すブロック図。The block diagram which shows the quantum computer which concerns on 1st Example. 第1実施例に係るYSiO結晶中のPr3+イオンのエネルギー準位を示す図。It shows the energy levels of Pr 3+ ions in Y 2 SiO 5 crystal according to the first embodiment. 第2実施例に係る量子ビットの配置を示す図。The figure which shows arrangement | positioning of the qubit which concerns on 2nd Example. 第3実施例に係る量子ビットの配置を示す図。The figure which shows arrangement | positioning of the qubit which concerns on 3rd Example.

以下、図面を参照しながら種々の実施形態を説明する。実施形態は、共振器に結合する量子ビットをそれらの位置で区別して利用する量子計算機に関する。   Hereinafter, various embodiments will be described with reference to the drawings. Embodiments relate to a quantum computer that uses qubits coupled to a resonator by distinguishing them at their positions.

一実施形態に係る量子計算機では、量子ビットは、共振器モードの進行方向に垂直な平面内に複数配置され、共振器モードの進行方向に垂直な平面内の位置で区別される。さらに、量子ビットは、共振器モードの進行方向に平行な方向にも分布していてもよい。この場合、共振器モードの進行方向に平行な方向の位置でも区別される。本実施形態に係る量子計算機では、共振器モードとして、例えば、エルミートガウスビームの高次モードを使用する。   In the quantum computer according to one embodiment, a plurality of qubits are arranged in a plane perpendicular to the traveling direction of the resonator mode, and are distinguished by a position in the plane perpendicular to the traveling direction of the resonator mode. Further, the qubits may be distributed in a direction parallel to the traveling direction of the resonator mode. In this case, a distinction is also made in the position in the direction parallel to the traveling direction of the resonator mode. In the quantum computer according to the present embodiment, for example, a higher-order mode of a Hermitian Gaussian beam is used as the resonator mode.

関連技術であるT. Pellizzari et al., Phys. Rev. Lett. 75, 3788 (1995)に開示されている量子計算機では、量子ビットは、共振器モードの進行方向に平行な方向に配置され、共振器モードの進行方向に平行な方向における位置で区別される。関連技術に係る量子計算機では、共振器モードとして基本モードと呼ばれるエルミートガウスビームの最低次のモードが使用されている。   In the quantum computer disclosed in the related technology T. Pellizzari et al., Phys. Rev. Lett. 75, 3788 (1995), the qubits are arranged in a direction parallel to the traveling direction of the resonator mode, It is distinguished by a position in a direction parallel to the traveling direction of the resonator mode. In the quantum computer according to the related art, the lowest order mode of the Hermitian Gaussian beam called the fundamental mode is used as the resonator mode.

まず、エルミートガウスビームについて説明し、関連技術に係る量子計算機の問題点を説明する。その後に、エルミートガウスビームの高次モードを共振器モードとして利用する本実施形態に係る量子計算機について説明する。   First, the Hermitian Gaussian beam will be described, and problems of the quantum computer according to the related art will be described. Subsequently, the quantum computer according to the present embodiment that uses the higher-order mode of the Hermitian Gaussian beam as the resonator mode will be described.

図1は、平面ミラー11と球面ミラー12を向い合せに設置したファブリペロー型の光共振器10を概略的に示している。周波数及びビームパターンを調整することにより共振器10の特定の共振器モードに結合するレーザー光を発生させて平面ミラー11又は球面ミラー12を通して共振器10に入射すると、この共振器モードに対応して特定の周波数及び空間モードを持つ光が共振器10内部に励起される。共振器モードの空間モードはレーザー光の電場が下記(1)式で表されるエルミートガウスビームで分類されることが知られている。   FIG. 1 schematically shows a Fabry-Perot type optical resonator 10 in which a plane mirror 11 and a spherical mirror 12 are installed facing each other. When a laser beam coupled to a specific resonator mode of the resonator 10 is generated by adjusting the frequency and the beam pattern and is incident on the resonator 10 through the plane mirror 11 or the spherical mirror 12, the resonator mode corresponds to the resonator mode. Light having a specific frequency and spatial mode is excited inside the resonator 10. It is known that the spatial mode of the resonator mode is classified by the Hermitian Gaussian beam expressed by the following equation (1).

ここでは、共振器モードの進行方向にz座標をとり、zに垂直な平面上に互いに垂直になるようにx、y座標をとり、平面ミラー11上の共振器モードの強度が最大になる点に原点をとっている。ω(z)はz位置での共振器モードのビームスポットサイズ、kはビームの波数、Eは定数、H、Hはエルミート多項式、l、mは0以上の整数である。任意の位置zにおけるx−y平面上の空間パターンはl、mに対応して定められる。l=m=0の場合には、空間パターンは図2に示すような円形のパターンになる。図2に示される円は、強度が所定値以上である領域を表す。l=m=0である共振器モードを基本モードと呼ぶ。関連技術に係る量子計算機で用いられる共振器モードはl=m=0の場合に相当する。l、mが大きくなるとモードが分裂しながら広がり、例えばl=m=10の場合には、空間パターンは図3に示すようなパターンになる。l及びmの少なくとも一方が1以上である共振器モードを高次モードと呼ぶ。図3に示される各円は、強度が所定値以上である領域を表す。強度は、円の中心で極大値をとり、中心から離れるにつれて小さくなる。本実施形態では、量子ビットは、共振器モードの強度がx−y平面における共振器モードの最大強度の半値以上である領域に配置される。図4は、l=4、m=0の場合の共振器モードにおいてy=0での強度分布を示している。図4において、強度が最大強度の半値以上である領域が両方向矢印で示されている。x−y平面での強度をI(x,y,z)と表すと、I(x,y,z)=|Elm(x,y,z)|である。 Here, the z coordinate is taken in the traveling direction of the resonator mode, the x and y coordinates are taken to be perpendicular to each other on a plane perpendicular to z, and the intensity of the resonator mode on the plane mirror 11 is maximized. The origin is taken. ω (z) is the beam spot size of the resonator mode at the z position, k is the wave number of the beam, E 0 is a constant, H 1 and H m are Hermitian polynomials, and l and m are integers of 0 or more. A spatial pattern on the xy plane at an arbitrary position z is determined corresponding to l and m. When l = m = 0, the spatial pattern is a circular pattern as shown in FIG. The circle shown in FIG. 2 represents a region whose intensity is a predetermined value or more. A resonator mode in which l = m = 0 is called a fundamental mode. The resonator mode used in the quantum computer according to the related art corresponds to the case of l = m = 0. As l and m increase, the modes spread while being split. For example, when l = m = 10, the spatial pattern is as shown in FIG. A resonator mode in which at least one of l and m is 1 or more is called a high-order mode. Each circle shown in FIG. 3 represents a region whose intensity is a predetermined value or more. The intensity takes a maximum value at the center of the circle, and decreases as the distance from the center increases. In the present embodiment, the qubit is arranged in a region where the intensity of the resonator mode is equal to or more than half the maximum intensity of the resonator mode in the xy plane. FIG. 4 shows the intensity distribution at y = 0 in the resonator mode when l = 4 and m = 0. In FIG. 4, a region where the intensity is equal to or greater than half the maximum intensity is indicated by a double arrow. When representing the intensity at the x-y plane I (x, y, z) and, I (x, y, z ) = | E lm (x, y, z) | 2.

関連技術に係る量子計算機では、z軸上の空間的に離れた位置に量子ビットを配置し、共振器の基本モードと結合させることで量子計算に利用している。各量子ビットに操作光を作用させることによって、共振器を介したアディアバティックパッセージの方法によって量子ビットを操作し量子ゲートを実行することができる。   In a quantum computer according to related technology, quantum bits are arranged at spatially separated positions on the z-axis and used for quantum computation by being coupled with a fundamental mode of a resonator. By manipulating the operation light to each qubit, the qubit can be executed by manipulating the qubit by the method of the adiabatic passage through the resonator.

具体例として、図5に示すように、共振器の中に配置された3つの四準位系X、X、Xを量子ビットとして利用する場合を想定する。各四準位系X(i=1,2,3)は4つの状態を有する。これらの4つの状態をエネルギーの低い順に|0>、|1>、|2>、|e>と表示する。状態|0>と|1>を量子ビットに用いる。すなわち、量子ビットは状態|0>と|1>の重ね合わせの状態によって表現される。また、状態|2>をゲート操作の補助に用いる。|2>−|e>遷移(状態|2>と状態|e>との間の遷移)は共通の共振器モードに結合定数gで結合する。 As a specific example, as shown in FIG. 5, a case is assumed in which three four-level systems X 1 , X 2 , and X 3 arranged in a resonator are used as qubits. Each four-level system X i (i = 1, 2, 3) has four states. These four states are displayed as | 0> i , | 1> i , | 2> i , | e> i in ascending order of energy. The states | 0> i and | 1> i are used for qubits. That is, a qubit is expressed by a superposition state of states | 0> i and | 1> i . In addition, the state | 2> i is used to assist the gate operation. | 2> i- | e> i transition (transition between state | 2> i and state | e> i ) is coupled to a common resonator mode with a coupling constant g.

図5に示される系において、|1>−|e>に共鳴する操作光Lを四準位系Xに照射し、|1>−|e>に共鳴する操作光Lを四準位系Xに照射し、照射光L、Lのラビ周波数Ω、Ωが図6に示すような時間変化を示すように照射光L、Lを制御することによって、状態|1>|2>|1>から状態|2>|1>|1>へと四準位系X、X、Xを操作することができる。このような操作は、共振器結合定数gが共振器緩和率κや各四準位系のエネルギー緩和率γに比べて大きい場合に効率良く実行することができる。 In system shown in FIG. 5, | 1> 1 - | e> operation light L 1 that resonates with 1 irradiates the four-level system X 1, | 1> 2 - | e> 2 resonance in manipulating light L 2 was irradiated to the four-level system X 2, Rabi frequency Omega 1 of the irradiation light L 1, L 2, Ω 2 controls the irradiation light L 1, L 2 to indicate that time change as shown in FIG. 6 Accordingly, the four-level systems X 1 , X 2 , and X 3 can be operated from the state | 1> 1 | 2> 2 | 1> 3 to the state | 2> 1 | 1> 2 | 1> 3 . . Such an operation can be efficiently executed when the resonator coupling constant g is larger than the resonator relaxation rate κ and the energy relaxation rate γ of each four-level system.

なお、四準位系は量子ビットとして利用可能な物理系の一例である。3つ以上の準位を有し、共通の共振器モードに結合する遷移を有する物理系が量子ビットとして利用可能である。   The four-level system is an example of a physical system that can be used as a qubit. A physical system having three or more levels and having a transition coupled to a common resonator mode can be used as a qubit.

関連技術に係る量子計算機では、利用可能な量子ビットの数は共振器モードの進行方向への量子ビットの配置間隔及び操作光の空間分解能で制限される。より多くの量子ビットを利用した量子計算機を実現するためには、z軸上だけでなくx−y平面上の異なる位置にも量子ビットを配置し量子ゲートを実行できることが望ましい。基本モードはz軸上に共振器モードが強く局在し、x−y平面内ではz軸から離れるほど共振器モードの強度が弱くなり結合定数も小さくなる。従って、x−y平面上の異なる位置に量子ビットを配置し基本モードに結合させた場合には、高効率に量子ゲートを実行することができない。   In the quantum computer according to the related art, the number of usable qubits is limited by the arrangement interval of the qubits in the traveling direction of the resonator mode and the spatial resolution of the operation light. In order to realize a quantum computer using more qubits, it is desirable that qubits can be executed by arranging qubits not only on the z axis but also at different positions on the xy plane. In the fundamental mode, the resonator mode is strongly localized on the z-axis, and in the xy plane, as the distance from the z-axis is increased, the intensity of the resonator mode becomes weaker and the coupling constant becomes smaller. Therefore, when quantum bits are arranged at different positions on the xy plane and coupled to the fundamental mode, the quantum gate cannot be executed with high efficiency.

そこで、本実施形態は、共振器モードとしてエルミートガウスビームの高次モードを利用する。高次モードではx−y平面内の複数の箇所に強度の極大値が現れ、基本モードに比べて空間的に広がったモードとなる。例えば、図3のようなl=m=10の高次モードを利用する場合には、x−y平面内に121個の強度の極大値が存在する。強度が極大値となる点のうち四隅に位置する点を結んで得られる四角形の各辺の長さは同じ共振器の基本モードのモードウエストに比べて4倍以上長い。強度が極大値となる位置近傍に量子ビットを配置し、操作光を照射することによって、基本モードを利用した場合に比べて、x−y平面内で量子ビットを区別して量子計算機に利用することが容易になる。一実施形態では、l及びmはω(z)/d−1<l+m<ω(z)/dを満たす。ここで、dは照射光のビーム半径である。   Therefore, this embodiment uses a higher-order mode of the Hermitian Gaussian beam as the resonator mode. In the higher-order mode, maximum values of intensity appear at a plurality of locations in the xy plane, resulting in a mode that is spatially broader than the basic mode. For example, when a higher-order mode of l = m = 10 as shown in FIG. 3 is used, there are 121 maximum values of intensity in the xy plane. The length of each side of the quadrilateral obtained by connecting the points located at the four corners among the points where the intensity becomes the maximum value is more than four times longer than the mode waist of the fundamental mode of the same resonator. Compared to the case where the fundamental mode is used by arranging the qubit near the position where the intensity becomes the maximum value and irradiating the operation light, the qubit is distinguished in the xy plane and used in the quantum computer. Becomes easier. In one embodiment, l and m satisfy ω (z) / d−1 <l + m <ω (z) / d. Here, d is the beam radius of the irradiation light.

量子ビットは共振器モードの強度が大きい位置に配置されるのが望ましい。例えば、量子ビット(物理系)の数をN(Nは2以上の整数)とし、共振器モードの強度が極大値となるx−y平面上のM個(MはN以上の整数)の位置を強度が大きい順にP、P、…、Pとした場合に、N個の量子ビットは位置P、P、…、P又は位置P、P、…、Pの近傍にそれぞれ配置される。 The qubit is preferably arranged at a position where the intensity of the resonator mode is large. For example, the number of qubits (physical systems) is N (N is an integer of 2 or more), and M positions (M is an integer of N or more) on the xy plane where the intensity of the resonator mode is a maximum value. Are P 1 , P 2 ,..., P M in descending order of intensity, and the N qubits have positions P 1 , P 2 ,..., P N or positions P 1 , P 2 ,. Arranged in the vicinity.

ここで説明した実施形態は単なる例に過ぎない。共振器モードとしては、x−y平面内に複数の強度の極大値を持つ任意の共振器における高次の共振器モードを利用することができる。より大きな結合定数で共振器モードに結合する量子ビットに対し、操作するつもりのない量子ビットへの影響がより小さくなるように操作光を照射することによって、同様の効果が得られる。さらに、本実施形態と上記の関連技術のような量子ビットをz方向で区別する方法及び/又は特開2001−209083号公報に開示されるような周波数領域で量子ビットを区別する方法とを組み合わせることにより、より多くの量子ビットを利用することができる。   The embodiments described here are merely examples. As the resonator mode, a higher-order resonator mode in an arbitrary resonator having a plurality of intensity maximum values in the xy plane can be used. The same effect can be obtained by irradiating the operation light to the qubit coupled to the resonator mode with a larger coupling constant so that the influence on the qubit that is not intended to be manipulated becomes smaller. Further, the present embodiment is combined with a method for distinguishing qubits in the z direction and / or a method for distinguishing qubits in the frequency domain as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-209083 as in the related art. As a result, more qubits can be used.

以下、実施例について説明する。
(第1実施例)
図7は、第1実施例に係る量子計算機700を概略的に示している。図7に示される量子計算機700では、Pr3+イオンをドープしたYSiO結晶(Pr:YSO)703の側面に誘電体多層膜で構成される平面ミラー704及び球面ミラー705が配置されている。平面ミラー704及び球面ミラー705は共振器を形成する。Pr:YSO703は、クライオスタット707内に設置され、低温に(例えば4Kに)保たれる。
Examples will be described below.
(First embodiment)
FIG. 7 schematically shows a quantum computer 700 according to the first embodiment. In the quantum computer 700 shown in FIG. 7, a plane mirror 704 and a spherical mirror 705 made of a dielectric multilayer film are arranged on the side surface of a Y 2 SiO 5 crystal (Pr: YSO) 703 doped with Pr 3+ ions. . The plane mirror 704 and the spherical mirror 705 form a resonator. Pr: YSO 703 is installed in the cryostat 707 and kept at a low temperature (for example, at 4K).

第1実施例では、四準位系Xとみなせる具体的な物理系として、YSiO結晶中にドープされたPr3+イオンを使用する。図8は、YSiO結晶中のPr3+イオンのエネルギー準位を示している。図8には、基底状態の超微細構造準位のうちの3つの状態(核スピンが−1/2、−3/2、−5/2である状態)と励起状態の超微細構造準位のうちの3つの状態(核スピンが+1/2、+3/2、+5/2である状態)が示されている。励起状態と基底状態との間の遷移周波数に対応する波長は約606nmである。基底状態の核スピンが−1/2、−3/2、−5/2の状態が状態|0>、|1>、|2>にそれぞれ対応し、励起状態の超微細構造準位のうち核スピンが+5/2である状態が状態|e>に対応する。この場合、|0>−|e>遷移、|1>−|e>遷移、|2>−|e>遷移は、光学的に遷移可能であり、|0>−|1>遷移、|0>−|2>遷移、|1>−|2>遷移は、光学的に禁制な遷移である。 In the first embodiment, Pr 3+ ions doped in a Y 2 SiO 5 crystal are used as a specific physical system that can be regarded as a four-level system X i . FIG. 8 shows the energy levels of Pr 3+ ions in the Y 2 SiO 5 crystal. FIG. 8 shows three states (states in which the nuclear spins are −1/2, −3/2, and −5/2) of the hyperfine structure level of the ground state 3 H 4 and an excited state 1 D 2. 3 states (states in which nuclear spins are +1/2, +3/2, and +5/2) are shown. The wavelength corresponding to the transition frequency between the excited state 1 D 2 and the ground state 3 H 4 is about 606 nm. Nuclear spins -1 / 2 ground state 3 H 4, -3 / 2, -5 / 2 state state | 0>, | 1>, | correspond to 2>, the excited state 1 D 2 Ultra The state where the nuclear spin is +5/2 among the fine structure levels corresponds to the state | e>. In this case, the | 0>-| e> transition, | 1>-| e> transition, | 2>-| e> transition can be optically transitioned, and | 0>-| 1> transition, | 0 The>-| 2> transition and the | 1>-| 2> transition are optically forbidden transitions.

第1実施例では、図9に示すように、共振器の共振器モード706として、(1)式で表されるエルミートガウシアンビームの中でl=m=1に一致するモードを利用し、この共振器モード706に結合する4つのPr3+イオン901〜904を量子ビットに利用する。Pr3+イオン901〜904は、共振器モード706の強度が極大値をとる4つの点に配置されている。 In the first embodiment, as shown in FIG. 9, a mode corresponding to l = m = 1 in the Hermitian Gaussian beam expressed by the equation (1) is used as the resonator mode 706 of the resonator. Four Pr 3+ ions 901 to 904 coupled to the resonator mode 706 are used for the qubit. The Pr 3+ ions 901 to 904 are arranged at four points where the intensity of the resonator mode 706 has maximum values.

図7を再び参照すると、量子計算機700は、光源部701及び光源部701を制御する制御装置702を備える。光源部701は、アルゴンイオンレーザー711、リング色素レーザー712、ビームスプリッタ713〜715、音響光学素子716〜719、ミラー720〜724を含む。   Referring to FIG. 7 again, the quantum computer 700 includes a light source unit 701 and a control device 702 that controls the light source unit 701. The light source unit 701 includes an argon ion laser 711, a ring dye laser 712, beam splitters 713 to 715, acoustooptic devices 716 to 719, and mirrors 720 to 724.

光源部701は、アルゴンイオンレーザー711で励起したリング色素レーザー712を光源として使用する。リング色素レーザー712から発せられたレーザー光は、3つのビームスプリッタ713、714、715によって4つのレーザー光に分割され、これら4つのレーザー光は、4つの音響光学素子716、717、718、719にそれぞれ導かれる。具体的には、ビームスプリッタ713は、リング色素レーザー712から発せられたレーザー光を2つのレーザー光に分割し、これら2つのレーザー光の一方は音響光学素子716に入射し、他方はビームスプリッタ714に入射する。ビームスプリッタ714は、入射レーザー光を2つのレーザー光に分割し、これら2つのレーザー光の一方は音響光学素子717に入射し、他方はビームスプリッタ715に入射する。ビームスプリッタ715は、入射レーザー光を2つのレーザー光に分割し、これら2つのレーザー光の一方は音響光学素子718に入射し、他方はミラー724によって反射されて音響光学素子719に入射する。音響光学素子716〜719に入射するレーザー光をレーザー光751〜754と記載する。   The light source unit 701 uses a ring dye laser 712 excited by an argon ion laser 711 as a light source. The laser light emitted from the ring dye laser 712 is divided into four laser lights by three beam splitters 713, 714, 715, and these four laser lights are transmitted to four acoustooptic elements 716, 717, 718, 719. Each is guided. Specifically, the beam splitter 713 splits the laser beam emitted from the ring dye laser 712 into two laser beams, one of the two laser beams is incident on the acousto-optic element 716 and the other is the beam splitter 714. Is incident on. The beam splitter 714 divides the incident laser light into two laser lights, one of the two laser lights is incident on the acousto-optic element 717 and the other is incident on the beam splitter 715. The beam splitter 715 splits the incident laser light into two laser lights, one of the two laser lights is incident on the acoustooptic element 718 and the other is reflected by the mirror 724 and incident on the acoustooptic element 719. Laser light incident on the acousto-optic elements 716 to 719 is referred to as laser light 751 to 754.

音響光学素子716〜719は、制御装置702によって生成された制御信号に従ってレーザー光751〜754の周波数を変調する。具体的には、音響光学素子716は、レーザー光751がイオン901の|1>−|e>遷移に共鳴するようにレーザー光751の周波数を変調し、音響光学素子717は、レーザー光752がイオン902の|1>−|e>遷移に共鳴するようにレーザー光752の周波数を変調し、音響光学素子718は、レーザー光753がイオン903の|1>−|e>遷移に共鳴するようにレーザー光753の周波数を変調し、音響光学素子719は、レーザー光754がイオン904の|1>−|e>遷移に共鳴するようにレーザー光754の周波数を変調する。変調レーザー光751は、ミラー720によってイオン901に導かれる。変調レーザー光752は、ミラー721によってイオン902に導かれる。変調レーザー光753は、ミラー722によってイオン903に導かれる。変調レーザー光754は、ミラー723によってイオン904に導かれる。   The acoustooptic elements 716 to 719 modulate the frequencies of the laser beams 751 to 754 in accordance with the control signal generated by the control device 702. Specifically, the acoustooptic device 716 modulates the frequency of the laser beam 751 so that the laser beam 751 resonates with the | 1>-| e> transition of the ion 901, and the acoustooptic device 717 receives the laser beam 752. The frequency of the laser light 752 is modulated so as to resonate with the | 1> − | e> transition of the ion 902, and the acoustooptic device 718 causes the laser light 753 to resonate with the | 1> − | e> transition of the ion 903. Then, the acoustooptic device 719 modulates the frequency of the laser beam 754 so that the laser beam 754 resonates with the | 1> − | e> transition of the ion 904. The modulated laser beam 751 is guided to the ions 901 by the mirror 720. The modulated laser light 752 is guided to the ions 902 by the mirror 721. The modulated laser beam 753 is guided to the ions 903 by the mirror 722. The modulated laser beam 754 is guided to the ions 904 by the mirror 723.

このような系の中でレーザー光751〜754のうち操作したい量子ビット(Pr3+イオン)に対応した2つのレーザー光を図5に示すような波形になるように、残りの2つのレーザー光を強度がゼロになるように音響光学素子716〜719で変調することによって、所望の量子ビットの間で共振器を介したアディアバティックパッセージを実行することができる。同様の装置を共振器の進行方向(z方向)に分布するイオンに対しても配置することができ、共振器モード706が基本モードである場合に比べて多くの量子ビットを利用した量子計算機が実現できる。 In such a system, the remaining two laser beams are converted so that the two laser beams corresponding to the qubit (Pr 3+ ion) to be operated out of the laser beams 751 to 754 have a waveform as shown in FIG. By modulating with the acousto-optic elements 716 to 719 so that the intensity becomes zero, an adiabatic passage through a resonator can be executed between desired qubits. A similar device can be arranged for ions distributed in the traveling direction (z direction) of the resonator, and a quantum computer using a larger number of qubits than the case where the resonator mode 706 is the fundamental mode can be provided. realizable.

(第2実施例)
第2実施例に係る量子計算機は、第1実施例に係る量子計算機700と同様の構造を有する。第2実施例では、z=10μmでの共振器モード706のビームスポットサイズをω=5μmとし、レーザー光751〜754のビーム半径をd=2μmとし、共振器モード706としてl=m=1に一致するモードを利用する。この設計はω(z)/d−1<l+m<ω(z)/dを満たしている。z=10μmに分布するPr3+イオンの中で図9のような配置で共振器モードと結合する4つのPr3+イオン901〜904を利用することで、z=10μmに分布するPr3+イオンを利用した4量子ビットの量子計算機の中で最も高い結合定数で共振器モードと量子ビットを結合させた量子計算機が実現できる。
(Second embodiment)
The quantum computer according to the second embodiment has the same structure as the quantum computer 700 according to the first embodiment. In the second embodiment, the beam spot size of the resonator mode 706 at z = 10 μm is set to ω = 5 μm, the beam radii of the laser beams 751 to 754 are set to d = 2 μm, and the resonator mode 706 is set to l = m = 1. Use the matching mode. This design satisfies ω (z) / d−1 <l + m <ω (z) / d. Among Pr 3+ ions distributed at z = 10 μm, four Pr 3+ ions 901 to 904 coupled with the resonator mode in the arrangement as shown in FIG. 9 are used, and Pr 3+ ions distributed at z = 10 μm are used. It is possible to realize a quantum computer in which the resonator mode and the qubit are coupled with the highest coupling constant among the four qubit quantum computers.

(第3実施例)
第3実施例に係る量子計算機は、第1実施例に係る量子計算機700と同様の構造を有する。第3実施例では、l=0、m=5に一致する共振器モードを利用する。この共振器モードでは、図10に示すように、強度分布は6つの極大値を有する。4つのPr3+イオン1001〜1004は、強度がより強い4箇所に配置される。これにより、この共振器モードを用いて4つの量子ビットを利用する量子計算機の中で最も効率良く量子ゲートを実行可能な量子計算機を実現できる。
(Third embodiment)
The quantum computer according to the third embodiment has the same structure as that of the quantum computer 700 according to the first embodiment. In the third embodiment, a resonator mode corresponding to l = 0 and m = 5 is used. In this resonator mode, the intensity distribution has six local maximum values as shown in FIG. The four Pr 3+ ions 1001 to 1004 are arranged at four places where the strength is higher. As a result, a quantum computer that can execute the quantum gate most efficiently among the quantum computers using four qubits using this resonator mode can be realized.

(第4実施例)
第4実施例に係る量子計算機は、第1実施例に係る量子計算機700と同様の構造を有し、第2実施例と同様の量子ビット配置を有する。第4実施例では、図9に示されるように、イオン901とイオン903との間の距離、イオン901とイオン904との間の距離、イオン902とイオン903との間の距離、及びイオン902とイオン904との間の距離が等しくなっている。イオン901とイオン903を結ぶ直線とレーザー光751が成す角、並びに、イオン901とイオン904を結ぶ直線とレーザー光751が成す角がともに45度となるように、レーザー光751の光路を設計し、イオン902とイオン903を結ぶ直線とレーザー光752が成す角、並びに、イオン902とイオン904を結ぶ直線とレーザー光752が成す角がともに45度となるように、レーザー光752の光路を設計し、イオン903とイオン901を結ぶ直線とレーザー光753が成す角、並びに、イオン903とイオン902を結ぶ直線とレーザー光753が成す角がともに45度となるように、レーザー光753の光路を設計し、イオン904とイオン901を結ぶ直線とレーザー光754が成す角、並びに、イオン904とイオン902を結ぶ直線とレーザー光754が成す角がともに45度となるように、レーザー光754の光路を設計する。これにより、レーザー光751〜754の操作するつもりのない量子ビットへの影響を最小にすることができ、高効率な量子計算機を実現できる。
(Fourth embodiment)
The quantum computer according to the fourth embodiment has the same structure as that of the quantum computer 700 according to the first embodiment, and has the same qubit arrangement as that of the second embodiment. In the fourth embodiment, as shown in FIG. 9, the distance between the ions 901 and 903, the distance between the ions 901 and 904, the distance between the ions 902 and 903, and the ions 902 And the distance between the ions 904 are equal. The optical path of the laser beam 751 is designed so that the angle formed by the laser beam 751 and the straight line connecting the ions 901 and 903 and the angle formed by the laser beam 751 and the straight line connecting the ions 901 and 904 are both 45 degrees. The optical path of the laser beam 752 is designed so that the angle formed by the laser beam 752 and the straight line connecting the ions 902 and 903 and the angle formed by the laser beam 752 and the straight line connecting the ions 902 and 904 are both 45 degrees. The optical path of the laser beam 753 is set so that the angle formed by the laser beam 753 and the straight line connecting the ions 903 and 901 and the angle formed by the laser beam 753 and the straight line connecting the ions 903 and 902 are both 45 degrees. The angle formed between the straight line connecting the ion 904 and the ion 901 and the laser beam 754, and the ion 904 As angle formed linearly and the laser beam 754 connecting the ions 902 are both 45 degrees, to design the optical path of the laser beam 754. As a result, the influence of the laser beams 751 to 754 on the qubit that is not intended to be manipulated can be minimized, and a highly efficient quantum computer can be realized.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10…共振器、11…平面ミラー、12…球面ミラー、700…量子計算機、701…光源部、702…制御装置、703…Pr:YSO、704…平面ミラー、705…球面ミラー、706…共振器モード、707…クライオスタット、711…アルゴンイオンレーザー、712…リング色素レーザー、713〜715…ビームスプリッタ、716〜719…音響光学素子、720〜724…ミラー、901〜904…Pr3+イオン、1001〜1004…Pr3+イオン。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Resonator, 11 ... Plane mirror, 12 ... Spherical mirror, 700 ... Quantum computer, 701 ... Light source part, 702 ... Control device, 703 ... Pr: YSO, 704 ... Plane mirror, 705 ... Spherical mirror, 706 ... Resonator Mode, 707 ... Cryostat, 711 ... Argon ion laser, 712 ... Ring dye laser, 713-715 ... Beam splitter, 716-719 ... Acousto-optic element, 720-724 ... Mirror, 901-904 ... Pr3 + ion, 1001-1004 ... Pr 3+ ion.

Claims (7)

共振器の中に配置され、量子ビットに用いる2つの準位を含む3つ以上の準位を有し、前記共振器の共通の共振器モードに結合する遷移を有する複数の物理系であって、前記共振器モードは、前記共振器モードの進行方向に垂直な平面において複数の極大値を有する強度分布を有し、前記複数の物理系は、前記共振器モードの強度が前記平面における前記共振器モードの最大強度の半値以上である複数の位置に配置されている、複数の物理系と、
前記複数の物理系に照射する複数の光線を発生する光源部と、
を具備する量子計算機。
A plurality of physical systems having three or more levels, including two levels used for qubits, arranged in a resonator and having transitions coupled to a common resonator mode of the resonator; The resonator mode has an intensity distribution having a plurality of local maximum values in a plane perpendicular to the traveling direction of the resonator mode, and the plurality of physical systems have the resonance mode intensity in the plane A plurality of physical systems arranged at a plurality of positions that are at least half the maximum intensity of the vessel mode, and
A light source unit for generating a plurality of light beams for irradiating the plurality of physical systems;
A quantum computer comprising:
前記共振器モードは、前記平面において
に比例する強度分布を有し、x及びyは前記平面内で互いに垂直な二方向の座標を表し、zは前記進行方向の座標を表し、ω(z)は座標zにおける前記共振器モードのビームスポットサイズを表し、H及びHはエルミート多項式を表し、l及びmは0以上の整数であり、l及びmの少なくとも一方が1以上である、請求項1に記載の量子計算機。
The resonator mode is in the plane
X and y represent coordinates in two directions perpendicular to each other in the plane, z represents the coordinates in the traveling direction, and ω (z) represents the resonator mode at the coordinate z. 2. The quantum computer according to claim 1, wherein the quantum computer represents a beam spot size, H 1 and H m represent Hermitian polynomials, l and m are integers of 0 or more, and at least one of l and m is 1 or more.
前記光線のビーム半径をdとすると、l及びmはω(z)/d−1<l+m<ω(z)/dを満たす、請求項2に記載の量子計算機。   The quantum computer according to claim 2, wherein l and m satisfy ω (z) / d−1 <l + m <ω (z) / d, where d is a beam radius of the light beam. 前記複数の物理系の数をN(Nは2以上の整数)とし、前記共振器モードの強度が極大値となる前記平面上のM個(MはN以上の整数)の点を強度が大きい順にP、P、…、Pとした場合に、前記複数の物理系はそれぞれ点P、P、…、Pに対応する領域に位置する、請求項1に記載の量子計算機。 The number of the plurality of physical systems is N (N is an integer equal to or greater than 2), and the M points (M is an integer equal to or greater than N) on the plane where the intensity of the resonator mode has a maximum value is large. order P 1, P 2, ..., when the P M, the plurality of physical systems each point P 1, P 2, ..., located in the region corresponding to the P N, quantum computer according to claim 1 . 前記複数の物理系は4つの物理系を含み、前記光源部は、前記4つの物理系に照射する第1乃至第4の光線を発生し、
前記共振器モードの強度が極大値となる前記平面上のM個(Mは4以上の整数)の点を強度が大きい順にP、P、…、Pとした場合に、前記4つの物理系はそれぞれ点P、P、P、Pに位置し、前記第1乃至第4の光線の光路はx軸及びy軸と45度の角度を成す、請求項2に記載の量子計算機。
The plurality of physical systems include four physical systems, and the light source unit generates first to fourth light beams that irradiate the four physical systems,
M (M is an integer of 4 or more) P 1 points in order intensity is large, P 2 on the plane intensity of the resonator mode becomes a maximum value, ..., when the P M, the four The physical system is located at points P 1 , P 2 , P 3 , P 4 , respectively, and the optical paths of the first to fourth light beams form an angle of 45 degrees with the x-axis and the y-axis. Quantum computer.
前記複数の光線の各々は、前記平面における前記共振器モードの前記最大強度の半値以上である前記平面上の複数の領域のうち,対応する1つ領域のみを通る、請求項1に記載の量子計算機。   2. The quantum according to claim 1, wherein each of the plurality of light rays passes through only one corresponding region among a plurality of regions on the plane that are equal to or greater than a half value of the maximum intensity of the resonator mode in the plane. calculator. 共振器の中に配置され、量子ビットに用いる2つの準位を含む3つ以上の準位を有し、前記共振器の共通の共振器モードに結合する遷移を有する複数の物理系であって、前記共振器モードは、前記共振器モードの進行方向に垂直な平面において複数の極大値を有する強度分布を有し、前記複数の物理系は、前記共振器モードの強度が前記平面における前記共振器モードの最大強度の半値以上である複数の位置に配置されている、複数の物理系を用意することと、
前記複数の物理系に照射する複数の光線を発生することと、
を具備する量子計算方法。
A plurality of physical systems having three or more levels, including two levels used for qubits, arranged in a resonator and having transitions coupled to a common resonator mode of the resonator; The resonator mode has an intensity distribution having a plurality of local maximum values in a plane perpendicular to the traveling direction of the resonator mode, and the plurality of physical systems have the resonance mode intensity in the plane Preparing a plurality of physical systems arranged at a plurality of positions that are at least half the maximum intensity of the vessel mode;
Generating a plurality of light rays for irradiating the plurality of physical systems;
A quantum computation method comprising:
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