JP2019219667A - Resonator and quantum computer - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

To increase the success probability of quantum gate operation.SOLUTION: A resonator according to one embodiment comprises a spherical mirror attached to a birefringent crystal that includes a physical system within and a plane mirror attached to a birefringent crystal facing the spherical mirror, and has a resonator mode that combines with the physical system. The birefringent crystal has a first refractive index to a light polarized to a first direction parallel to the direction of polarization in the resonator mode on the optical axis of the resonator and a second refractive index to a light polarized to a second direction parallel to the optical axis and different from the first refractive index, and the equation lA/L=ωπn/λ is satisfied, where l represents the resonator length of the resonator, ω represents the mode west radius of the resonator mode, L represents the total loss per reciprocation of the resonator, A represents the loss per reciprocation of the resonator independent of the resonator length, nrepresents a second refractive index, and λ represents the wavelength of light of the resonator mode.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の実施形態は、物理系と結合する共振器と、その共振器を利用した量子計算機に関する。   An embodiment of the present invention relates to a resonator coupled to a physical system and a quantum computer using the resonator.

近年、共振器と共振器内に配置された物理系との結合を利用した量子計算機が盛んに研究されている。このような量子計算機では、共振器の共通の共振器モードと結合する物理系が量子ビットとして使用される。量子計算機は、量子ビットを共通の共振器モードに共鳴させることによって量子ビット間の相互作用を導入し、その状態で量子ビットを光で操作することによって、計算を行なう。量子計算機においては、量子ゲート操作と呼ばれる量子ビットの光による操作が成功する確率を高めることが求められている。   In recent years, quantum computers using coupling between a resonator and a physical system arranged in the resonator have been actively studied. In such a quantum computer, a physical system coupled to a common resonator mode of the resonator is used as a qubit. Quantum computers perform calculations by introducing interactions between qubits by resonating the qubits into a common resonator mode, and manipulating the qubits with light in that state. In quantum computers, it is required to increase the probability of successful operation of a qubit by light called quantum gate operation.

特開平8−148739号公報JP-A-8-148739

T. Pellizzari et al., Phys.Rev.Lett. 75, 3788 (1995)T. Pellizzari et al., Phys. Rev. Lett. 75, 3788 (1995) H. Goto et al, Opt. Exp. 21 20 24332(2013)H. Goto et al, Opt. Exp. 21 20 24 332 (2013)

本発明が解決しようとする課題は、量子ゲート操作が成功する確率を高めることができる共振器および量子計算機を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a resonator and a quantum computer that can increase the probability of successful quantum gate operation.

一実施形態に係る共振器は、内部に物理系を含む複屈折結晶に取り付けられた球面ミラーと、前記球面ミラーに対向する、前記複屈折結晶に取り付けられた平面ミラーと、を備える。前記共振器は、前記物理系と結合する共振器モードを有する。前記複屈折結晶は、前記共振器の光軸上での前記共振器モードの偏光方向に平行な第1の方向に偏光した光に対する第1の屈折率と、前記第1の屈折率とは異なる、前記光軸に平行な第2の方向に偏光した光に対する第2の屈折率と、を有する。前記共振器の共振器長をl、前記共振器モードのモードウエスト半径をω、前記共振器の1往復あたりの全損失をL、前記共振器長に依存しない前記共振器の1往復あたりの損失をA、前記第2の屈折率をnz、前記共振器モードの光の波長をλと表すと、次の式が満たされる。 A resonator according to one embodiment includes a spherical mirror mounted on a birefringent crystal including a physical system therein, and a plane mirror mounted on the birefringent crystal facing the spherical mirror. The resonator has a resonator mode coupled to the physical system. The birefringent crystal has a first refractive index for light polarized in a first direction parallel to a polarization direction of the resonator mode on the optical axis of the resonator, and is different from the first refractive index. And a second refractive index for light polarized in a second direction parallel to the optical axis. The resonator length of the resonator is l, the mode waist radius of the resonator mode is ω, the total loss per round trip of the resonator is L, the loss per round trip of the resonator independent of the resonator length Is represented by A, the second refractive index is represented by n z , and the wavelength of light in the resonator mode is represented by λ, the following expression is satisfied.

第1の実施形態に係る共振器を示す断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the resonator according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る共振器を示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing the resonator according to the first embodiment. 屈折率楕円体を示す図。The figure which shows a refractive index ellipsoid. 第1の実施形態に係る共振器の設計パラメータの範囲を示す図。FIG. 3 is a diagram illustrating a range of design parameters of the resonator according to the first embodiment. 第1の実施形態に係る共振器の設計パラメータの範囲を示す図。FIG. 3 is a diagram illustrating a range of design parameters of the resonator according to the first embodiment. 実施例2に係る量子計算機を示すブロック図。FIG. 9 is a block diagram illustrating a quantum computer according to a second embodiment. (a)および(b)は、第2の実施形態に係る共振器の一例を示す上面図および正面図。(A) and (b) are a top view and a front view showing an example of the resonator concerning a 2nd embodiment. (a)および(b)は、第2の実施形態に係る共振器の他の例を示す上面図および正面図。(A) and (b) are the top view and the front view which show other examples of the resonator concerning a 2nd embodiment. (a)および(b)は、第2の実施形態に係る共振器の他の例を示す上面図および正面図。(A) and (b) are the top view and the front view which show other examples of the resonator concerning a 2nd embodiment. 第2の実施形態に係る共振器の他の例を示す上面図。FIG. 11 is a top view showing another example of the resonator according to the second embodiment. (a)および(b)は、第2の実施形態に係る共振器の他の例を示す上面図および正面図。(A) and (b) are the top view and the front view which show other examples of the resonator concerning a 2nd embodiment. 第2の実施形態に係る操作光の変更方向と共振器モードの波面との関係を示す模式図。FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a relationship between a change direction of operation light and a wavefront in a resonator mode according to the second embodiment. 第2の実施形態に係る操作光の変更方向と共振器モードの波面との関係を示す模式図。FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a relationship between a change direction of operation light and a wavefront in a resonator mode according to the second embodiment. 散乱光強度の方向依存性を説明するための図。FIG. 4 is a diagram for explaining direction dependency of scattered light intensity. (a)および(b)は、実施例3に係る共振器中の固体媒質の結晶軸の向きを説明するための図。(A) And (b) is a figure for explaining the direction of the crystal axis of the solid medium in the resonator concerning Example 3. (a)および(b)は、図15に示した固体媒質中に生じるモードのサイズを説明するための図。(A) And (b) is a figure for demonstrating the size of the mode which arises in the solid medium shown in FIG. 実施例3に関連する比較例に係る量子計算機を示す図。FIG. 13 is a diagram illustrating a quantum computer according to a comparative example related to the third embodiment. 実施例3に係る共振器を示す斜視図。FIG. 13 is a perspective view showing a resonator according to a third embodiment. 実施例3に係る量子計算機を示す図。FIG. 9 is a diagram illustrating a quantum computer according to a third embodiment.

以下、図面を参照しながら種々の実施形態を説明する。以下の実施形態では、同一の構成要素に同一の参照符号を付して、重複する説明を適宜省略する。   Hereinafter, various embodiments will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted as appropriate.

[第1の実施形態]
複屈折結晶にミラーを向かい合わせに取り付けたモノリシックな共振器を備え、複屈折結晶内部に含まれる物理系と共振器との結合を利用する量子計算機が知られている。このような共振器では、共振器モードと物理系とが効率的に結合することが望まれている。これは、共振器損失を低減し、共振器緩和率(共振器モードのエネルギーが単位時間あたりに失われる割合)を小さくすることにより達成することができる。共振器損失は、モード間の結合によって生じる損失(以下、モード結合損失と呼ぶ)を含む。本実施形態では、モード結合損失を低減する手法を説明する。共振器モードと物理系とが効率的に結合する共振器を量子計算機に用いることにより、アディアバティックパッセージに基づく量子ゲートなどの量子ゲート操作が成功する確率を向上させることが可能である。
[First Embodiment]
2. Description of the Related Art A quantum computer is known which includes a monolithic resonator in which mirrors are attached to a birefringent crystal face to face, and uses the coupling between a resonator and a physical system included in the birefringent crystal. In such a resonator, it is desired that the resonator mode and the physical system are efficiently coupled. This can be achieved by reducing the resonator loss and reducing the resonator relaxation rate (the rate at which energy in the resonator mode is lost per unit time). The resonator loss includes a loss caused by coupling between modes (hereinafter, referred to as a mode coupling loss). In the present embodiment, a method for reducing the mode coupling loss will be described. By using a resonator in which a resonator mode and a physical system are efficiently coupled to a quantum computer, it is possible to improve the probability of successful operation of a quantum gate such as a quantum gate based on an adiabatic passage.

図1および図2は、第1の実施形態に係る共振器10を概略的に示す断面図および斜視図である。共振器10は、図1および図2に示されるように、複屈折結晶11の表面14に取り付けられた球面ミラー12と、球面ミラー12に対向する、複屈折結晶11の表面15に取り付けられた平面ミラー13と、を備えるモノリシックなファブリペロー型共振器である。図2に示されるRは球面ミラー12の曲率半径を表す。   1 and 2 are a sectional view and a perspective view schematically showing a resonator 10 according to the first embodiment. The resonator 10 is mounted on a surface 15 of the birefringent crystal 11 facing the spherical mirror 12 and a spherical mirror 12 mounted on the surface 14 of the birefringent crystal 11 as shown in FIGS. And a plane mirror 13. R shown in FIG. 2 represents the radius of curvature of the spherical mirror 12.

複屈折結晶11は、共振器10の共通の共振器モードと結合する物理系(例えば、原子またはイオン)を内部に含む。本実施形態では、共振器10の光軸と平行な方向をz軸方向とし、共振器10の光軸上での上記共通の共振器モードの偏光方向をx軸方向とする。ここで、偏光方向は、光の電場ベクトルの方向を指す。複屈折結晶11では、x軸方向に偏光した光(電場ベクトルがx軸方向に向く光)に対する屈折率nxは、z軸方向に偏光した光に対する屈折率nzと異なる。この共振器10では、平面ミラー13上にモードウエストが形成される。モードウエストは、共振器モードのスポットサイズが最も小さくなる場所を指す。 The birefringent crystal 11 includes a physical system (for example, an atom or an ion) that is coupled to a common resonator mode of the resonator 10. In the present embodiment, the direction parallel to the optical axis of the resonator 10 is defined as the z-axis direction, and the polarization direction of the common resonator mode on the optical axis of the resonator 10 is defined as the x-axis direction. Here, the polarization direction indicates the direction of the electric field vector of light. In birefringent crystal 11, the refractive indices n x to light (light electric field vector is oriented in the x-axis direction) polarized in the x axis direction is different from the refractive index n z for light polarized in the z-axis direction. In this resonator 10, a mode waist is formed on the plane mirror 13. The mode waist refers to a place where the spot size of the resonator mode becomes the smallest.

本実施形態では、共振器10の中で発生するモード結合損失を抑制することができる共振器の条件(共振器長およびモードウエスト半径)を提供する。まず、複屈折結晶中のモード結合損失を定式化する。そのために、(1)波数ベクトルに対する複屈折結晶の屈折率を求め、(2)共振器モードの電場分布を求め、(3)その共振器モードのスポットサイズおよび波面の曲率半径を求め、(4)複屈折結晶の屈折率の空間分布を求め、共振器長およびモードウエスト半径に対するモード結合定数および演算素子の性能指数を求める。続いて、このような手順で定式化したモード結合損失から(5)モード結合損失を抑制し高い演算素子性能を得ることができる条件を求める。   In the present embodiment, conditions (resonator length and mode waist radius) of a resonator that can suppress mode coupling loss generated in the resonator 10 are provided. First, the mode coupling loss in the birefringent crystal is formulated. For that purpose, (1) the refractive index of the birefringent crystal with respect to the wave number vector is obtained, (2) the electric field distribution of the resonator mode is obtained, (3) the spot size of the resonator mode and the radius of curvature of the wavefront are obtained, and (4) 2.) Find the spatial distribution of the refractive index of the birefringent crystal, and find the mode coupling constant for the resonator length and mode waist radius, and the figure of merit of the arithmetic element. Subsequently, from the mode coupling loss formulated by such a procedure, (5) conditions for suppressing the mode coupling loss and obtaining high operation element performance are obtained.

(1)屈折率分布(波数分布)
複屈折結晶中では偏光方向によって屈折率が異なるため、波数ベクトルによっても屈折率が異なる。そこで、任意の波数ベクトルが与えられた場合の屈折率を定式化する。図3に示される座標系の屈折率楕円体30は次式のように表される。
(1) Refractive index distribution (wave number distribution)
Since the refractive index in a birefringent crystal varies depending on the polarization direction, the refractive index also varies depending on the wave vector. Therefore, the refractive index when an arbitrary wave number vector is given is formulated. The index ellipsoid 30 of the coordinate system shown in FIG. 3 is represented by the following equation.

このθを用いて切り口楕円の原点からの距離rは次式のように表される。   Using this θ, the distance r from the origin of the cut ellipse is expressed by the following equation.

(2)共振器モードの電場分布の定式化
このようにして定式化された屈折率と波数の関係を用いて、共振器モードの電場分布は次のような積分(フレネル−キルヒホッフの回折積分)で表される。
(2) Formulation of the electric field distribution in the resonator mode Using the relationship between the refractive index and the wave number formulated in this way, the electric field distribution in the resonator mode is integrated as follows (Fresnel-Kirchhoff diffraction integral). Is represented by

この積分を実行するために、指数部のzの係数をkxおよびkyの2次までに展開する。共振器モードの光軸付近の波数ベクトルの方向はz軸方向に近く、kxおよびkyは波数に比べて小さいため、このような近似は妥当である。kxおよびkyの2次まで展開した共振器モードの電場分布は次式のようになる。 To perform this integration, to expand the coefficients of z exponent until secondary k x and k y. Direction of the wave vector in the vicinity of the optical axis of the resonator modes for near the z-axis direction, k x and k y is smaller than the wave number, such approximation is reasonable. electric field distribution of the resonator mode and developed up to the second order of k x and k y are as follows.

(3)スポットサイズおよび波面の曲率半径の定式化
共振器モードの電場分布からz軸(光軸)上の各点におけるモードのスポットサイズおよび波面の曲率半径を求める。モードjのx2およびy2の各項とスポットサイズωjx、ωjyおよび波面の曲率半径Rjx、Rjyとの関係は次式のように表される。
(3) Formulation of spot size and radius of curvature of wavefront The spot size of the mode and the radius of curvature of the wavefront at each point on the z-axis (optical axis) are obtained from the electric field distribution of the resonator mode. Mode j of x 2 and y 2 sections and the spot size ω jx, ω jy and wavefront radii of curvature R jx, the relationship between the R jy is expressed by the following equation.

従って、スポットサイズおよび波面の曲率半径は次式のように表される。 Therefore, the spot size and the radius of curvature of the wavefront are expressed by the following equations.

(4)屈折率分布(空間分布)とモード結合定数および演算素子の性能指数
複屈折性を持つ媒質で作られた共振器は、その共振器モードに対応して媒質中に屈折率分布が生じる。そのような屈折率分布が存在すると、各偏光の空間モード(横モード)は互いに結合する。そこで、基本モードが無限個の高次モードと結合する場合における結合定数およびモード結合損失を求める。また、そのような共振器を利用した量子演算素子の性能指標を定式化する。ここで、モード結合の結合定数は、屈折率分布n(x,y,z)に電場強度E(x,y,z)を乗じたものを全空間に対して積分した値に比例する。このとき、基本モードと結合する高次モードは無限個存在すると仮定するので、全ての高次モードの結合の総和を表す有効結合定数は、結合する高次モードの種類や数に依存しない。また、xおよびy軸方向の屈折率分布は、ガウシアンビームの性質上、各zに対して幅の異なる同じ関数で表される。従って、各zのスポットサイズ上での屈折率分布nsi(z)を求めることで、次式のように結合定数を求めることができる。
(4) Refractive index distribution (spatial distribution), mode coupling constant, and figure of merit of arithmetic element A resonator made of a medium having birefringence has a refractive index distribution in the medium corresponding to the resonator mode. . When such a refractive index distribution exists, the spatial mode (transverse mode) of each polarized light is coupled to each other. Therefore, a coupling constant and a mode coupling loss when the fundamental mode is coupled with an infinite number of higher-order modes are obtained. Further, a performance index of a quantum operation device using such a resonator is formulated. Here, the coupling constant of the mode coupling is proportional to a value obtained by integrating a value obtained by multiplying the refractive index distribution ni (x, y, z) by the electric field intensity E (x, y, z) over the entire space. At this time, since it is assumed that there are an infinite number of higher-order modes coupled to the fundamental mode, the effective coupling constant representing the sum of couplings of all higher-order modes does not depend on the type or number of coupled higher-order modes. Further, the refractive index distributions in the x and y axis directions are represented by the same function having a different width for each z due to the nature of the Gaussian beam. Therefore, by determining the refractive index distribution n si (z) on the spot size of each z, the coupling constant can be determined as in the following equation.

各位置における屈折率の空間分布は、波数ベクトルのky/kzおよびkx/kzから求めることができる。各zのスポットサイズ上でのky/kzをx=0の平面で各zのスポットサイズを結ぶ曲線の接線の傾きとし、kx/kzをy=0の平面で各zのスポットサイズを結ぶ曲線の接線の傾きとする。これはω1x(z)などをzで微分することで得られる。そのようにして得られたky/kzおよびkx/kzから、次式のようにスポット上での屈折率の空間分布を求めることができる。 Spatial distribution of the refractive index at each position can be determined from k y / k z and k x / k z wave vectors. The k y / k z on the spot size of each z and tangent slope of the curve connecting the spot size of each z in the plane of x = 0, the spot of each z in the plane of k x / k z a y = 0 The slope of the tangent to the curve connecting the sizes. This is obtained by differentiating ω 1x (z) with z. From such a k obtained by y / k z and k x / k z, the following equation can be obtained a spatial distribution of the refractive index on the spot.

このような屈折率分布によってモード間の結合は生じる。その結合定数は次式のように求められる。 Coupling between modes occurs due to such a refractive index distribution. The coupling constant is obtained as in the following equation.

ここで、モード結合損失以外の共振器長あたりの損失とミラーの透過率を加えたものをf(l)とすると、共振器の共振器長あたりの損失は次式のように表される。 Here, assuming that f (l) is the sum of the loss per resonator length other than the mode coupling loss and the transmittance of the mirror, the loss per resonator length of the resonator is expressed by the following equation.

ここで、L0は、モード間結合に関する全ての比例係数を繰り込んだ係数である。これを用いて、それぞれの偏光モードに対する共振器緩和率κ1、κ2は次式のように表される。 Here, L 0 is a coefficient obtained by recalculating all proportional coefficients relating to inter-mode coupling. Using this, the cavity relaxation rates κ 1 and κ 2 for each polarization mode are represented by the following equations.

共振器の演算素子としての性能を決める性能指数naiは次式のように表すことができる。 The performance index n ai that determines the performance of the resonator as an arithmetic element can be expressed by the following equation.

性能指数は、その値が小さいほど演算素子が高性能であることを示す。性能指数naiは、上記κ、κを用いて次式のように表される。 The figure of merit indicates that the smaller the value is, the higher the performance of the arithmetic element is. The figure of merit n ai is expressed by the following equation using the above κ 1 and κ 2 .

ここで、cは、γおよびgのωに対する係数ならびにκの係数などを全て繰り込んだ定数である。 Here, c i is a constant obtained by recalculating the coefficients of γ and g for ω 2 and the coefficient of κ i .

(5)損失を抑制し高い演算素子性能を得ることができる条件
このように求めた共振器の性能指数naiの式から損失を抑制し演算素子としての性能を向上させる条件を調べる。まず、モード結合損失以外の損失が共振器長に依存しない(f(l)=AL0)場合に、最適な演算素子性能が得られる条件を調べる。この場合のnaiは次式のように表される。
(5) Conditions under Which Loss can be Suppressed and High Arithmetic Element Performance Can be Obtained From the equation of the performance index n ai of the resonator thus determined, conditions for suppressing loss and improving the performance as an arithmetic element are examined. First, a condition for obtaining the optimum operation element performance when the loss other than the mode coupling loss does not depend on the resonator length (f (l) = AL 0 ) is examined. In this case, n ai is represented by the following equation.

これらの式を微分して最適な共振器長lは次式のように表される。 By differentiating these equations, the optimum resonator length l is expressed by the following equation.

また、図4から明らかなように、共振器長lが最適な共振器長l0の半分から2倍までの範囲(0.5l0≦l≦2l0)では、性能指数naの変化は小さい、すなわち、モード間結合による損失が効果的に抑制される。従って、0.5l0≦l≦2l0が満たされるように共振器が設計されてもよい。 Further, as apparent from FIG. 4, the range of up to 2 times the half of the cavity length l optimum cavity length l 0 (0.5l 0 ≦ l ≦ 2l 0), the change in performance index n a small That is, the loss due to inter-mode coupling is effectively suppressed. Therefore, the resonator may be designed so that 0.5l 0 ≦ l ≦ 2l 0 is satisfied.

また、モード結合損失以外の損失が共振器長に比例する(f(l)=BlL0)場合に、最適な演算素子性能が得られる条件を調べる。この場合のnaiは次式のように表される。 In addition, when the loss other than the mode coupling loss is proportional to the resonator length (f (l) = BlL 0 ), conditions for obtaining the optimum operation element performance are examined. In this case, n ai is represented by the following equation.

この式を微分して最適な共振器長は次式のように表される。 By differentiating this equation, the optimum resonator length is expressed by the following equation.

また、共振器長lが最適な共振器長l0の半分から2倍までの範囲(0.5l0≦l≦2l0)でも、モード間結合による損失が効果的に抑制される。従って、0.5l0≦l≦2l0が満たされるように共振器が設計されてもよい。 Furthermore, even ranges of up to two times half the cavity length l optimum cavity length l 0 (0.5l 0 ≦ l ≦ 2l 0), losses due to inter-modal coupling is effectively suppressed. Therefore, the resonator may be designed so that 0.5l 0 ≦ l ≦ 2l 0 is satisfied.

このような条件はモード結合損失以外の損失がより一般の関数で表されるような場合にも、上記の方法と同様の方法で求めることができる。また、ここで示した例は一例であり、種々の共振器に対して上記の解析手法を用いてモード結合損失を定式化することで、複屈折結晶に取り付けた共振器の共振器モードの損失を抑制する条件を得ることができる。   Such a condition can be obtained by a method similar to the above method even when the loss other than the mode coupling loss is represented by a more general function. The example shown here is merely an example. By formulating the mode coupling loss for the various resonators using the analysis method described above, the loss of the resonator mode of the resonator attached to the birefringent crystal can be obtained. Can be obtained.

(実施例1)
実施例1では、モード結合損失以外の損失が共振器長に依存しない場合における共振器の一例について説明する。
(Example 1)
In the first embodiment, an example of the resonator in the case where the loss other than the mode coupling loss does not depend on the resonator length will be described.

実施例1に係る共振器は、図1に示されるように、複屈折結晶11としてのPr3+イオンをドープしたY2SiO5結晶(Pr:YSO)と、Y2SiO5結晶の表面14に配置された球面ミラー12と、Y2SiO5結晶の表面15に配置された平面ミラー13と、を備えるモノリシックなファブリペロー型共振器である。球面ミラー12および平面ミラー13は、Y2SiO5結晶の結晶軸(b軸、D1軸、D2軸)のうちのb軸が共振器の光軸(z軸)方向になるように配置され、光軸上での共振器モードの偏光方向(x軸方向)がD2軸方向になるように使用される。光の波長を606nmとすると、D2軸方向の偏光の屈折率は約1.81であり、b軸方向の偏光の屈折率は約1.79である。球面ミラー12は、曲率半径がR=2.000mmとなるようにY2SiO5結晶の表面14を研磨し、研磨した表面14に誘電体多層膜を成膜することにより作製される。Y2SiO5結晶は、共振器長が0.173mmとなるように加工される。平面ミラー13は、平面研磨した表面15に誘電体多層膜を成膜することにより作製される。これにより、モードウエスト半径は5μmとなる。 As shown in FIG. 1, the resonator according to the first embodiment includes a Y 2 SiO 5 crystal (Pr: YSO) doped with Pr 3+ ions as a birefringent crystal 11 and a surface 14 of the Y 2 SiO 5 crystal. Is a monolithic Fabry-Perot resonator including a spherical mirror 12 disposed on a surface mirror 13 disposed on a surface 15 of a Y 2 SiO 5 crystal. The spherical mirror 12 and the plane mirror 13 are arranged such that the b axis of the crystal axes (b axis, D 1 axis, D 2 axis) of the Y 2 SiO 5 crystal is in the optical axis (z axis) direction of the resonator. is, the polarization direction of the resonator mode at the optical axis (x-axis direction) is used such that D 2 axially. When the wavelength of the light with 606 nm, the refractive index of the polarization of the D 2 axis direction is about 1.81, the refractive index of the b-axis direction of the polarized light is about 1.79. The spherical mirror 12 is manufactured by polishing the surface 14 of the Y 2 SiO 5 crystal so that the radius of curvature is R = 2.000 mm, and forming a dielectric multilayer film on the polished surface 14. The Y 2 SiO 5 crystal is processed so that the resonator length becomes 0.173 mm. The plane mirror 13 is manufactured by forming a dielectric multilayer film on the surface 15 that has been planarly polished. Thereby, the mode waist radius becomes 5 μm.

このように加工された共振器は、例えば、球面ミラー12上でAL0=0.01%程度の損失があり、且つ、複屈折結晶中の損失BlL0が無視できる程度しかない場合において、上述したモード結合損失を抑制する条件を満たす。また、このように加工された共振器は、例えば、複屈折結晶中の損失がBlL0=0.01%程度であり、且つ、球面ミラー12上での損失AL0が無視できる程度しかない場合においても、上述したモード結合損失を抑制する条件を満たす。したがって、実施例1に係る共振器によれば、モード結合損失を抑制することができる。 The resonator processed in this manner has the above-described mode when, for example, there is a loss of about AL 0 = 0.01% on the spherical mirror 12 and the loss BlL 0 in the birefringent crystal is negligible. The condition for suppressing the coupling loss is satisfied. Also, such machined resonators has, for example, a BLL 0 = about 0.01% loss in the birefringent crystal, and, even when the loss AL 0 in on the spherical mirror 12 is only negligibly Satisfy the condition for suppressing the mode coupling loss described above. Therefore, according to the resonator according to the first embodiment, mode coupling loss can be suppressed.

(実施例2)
実施例2では、第1の実施形態に係る共振器を用いた量子計算機について説明する。
図6は、実施例2に係る量子計算機を概略的に示している。図6に示される量子計算機は、図1に示される共振器10を備える。共振器10は、Pr3+:Y2SiO5結晶を複屈折結晶11として備える。共振器10は、クライオスタット68内に設置され、低温に(例えば4Kに)保たれる。
(Example 2)
Example 2 In Example 2, a quantum computer using the resonator according to the first embodiment will be described.
FIG. 6 schematically illustrates a quantum computer according to the second embodiment. The quantum computer shown in FIG. 6 includes the resonator 10 shown in FIG. The resonator 10 includes a Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal as a birefringent crystal 11. The resonator 10 is installed in the cryostat 68 and kept at a low temperature (for example, at 4K).

量子計算機は、量子ビットを担う物理系を操作するための操作光を生成し、操作光を物理系に照射する光源装置を備える。光源装置は、半導体レーザー60、ビームスプリッタ61、ミラー62、音響光学素子63、64、ミラー65、66、レンズ67、および制御装置69を含む。半導体レーザー60から出力されたレーザー光は、ビームスプリッタ61によって2つに分割される。分割されたレーザー光の一方は、音響光学素子63に入射し、他方は、ミラー62によって反射されて音響光学素子64に入射する。音響光学素子63、64は、制御装置69によって生成された制御信号に従ってレーザー光の周波数および強度を変調する。音響光学素子63によって変調されたレーザー光は、共振器10に照射されるように、ミラー65、66、レンズ67によって導かれる。音響光学素子63によって変調されたレーザー光は、共振器10に照射されるように、レンズ67によって導かれる。量子計算機は、これらの2つのレーザー光の照射によって2つの量子ビットを選択的に操作することによって量子ゲートを実行することができる。   The quantum computer includes a light source device that generates operation light for operating a physical system that carries a qubit, and irradiates the operation light with the physical system. The light source device includes a semiconductor laser 60, a beam splitter 61, a mirror 62, acousto-optic devices 63 and 64, mirrors 65 and 66, a lens 67, and a control device 69. The laser light output from the semiconductor laser 60 is split into two by a beam splitter 61. One of the split laser beams enters the acousto-optic device 63, and the other is reflected by the mirror 62 and enters the acousto-optic device 64. The acousto-optic devices 63 and 64 modulate the frequency and intensity of the laser light according to the control signal generated by the control device 69. The laser light modulated by the acousto-optic element 63 is guided by mirrors 65 and 66 and a lens 67 so as to irradiate the resonator 10. The laser light modulated by the acousto-optic element 63 is guided by the lens 67 so as to irradiate the resonator 10. A quantum computer can execute a quantum gate by selectively operating two qubits by irradiation of these two laser beams.

実施例2に係る量子計算機は、共振器の共振器モードと共振器内に配置された複屈折結晶に含まれる物理系とが効率的に結合する共振器を用いて量子ゲート操作を行なう。これにより、量子ゲート操作の成功確率を向上することができる。   The quantum computer according to the second embodiment performs a quantum gate operation using a resonator in which the resonator mode of the resonator and the physical system included in the birefringent crystal arranged in the resonator are efficiently coupled. Thereby, the probability of success of the quantum gate operation can be improved.

[第2の実施形態]
量子ビットを担う物理系を光で操作し、物理系が共通の共振器モードに共鳴することで物理系間の相互作用を導入する量子計算機において、量子ゲート操作の誤りが特定の原因から生じる場合に、その誤りの情報処理への影響を抑える方法が知られている。ここで、量子ゲート操作の誤りは、量子ゲート操作後における量子ビットの実際の量子状態が量子ゲート操作後に期待される量子ビットの量子状態と異なることに対応する。例えば、ある量子ビットの量子状態に応じてもう一つの量子ビットの量子状態を変化させる条件付き量子ゲート、または、2量子ビットゲートと呼ばれる量子ゲートが操作光によるアディアバティックパッセージという手法で実行され、その際に、量子ビットを担う物理系から自然放出により光子が失われるか、量子ビットを担う物理系間に相互作用を導入するために必要な共振器モードの光子が失われるかのいずれかによって誤りが生じることがある。このようにして失われる光子を損失光子と呼ぶ。これらの場合では、誤り訂正用の量子ゲート操作を加えながら、損失光子を検出するように量子計算機を構成しておき、量子計算機は、損失光子が検出されない場合の情報処理結果を採用する。それにより、誤りの情報処理への影響を効率的に抑えることができる。
[Second embodiment]
When a quantum gate operation error occurs from a specific cause in a quantum computer that operates the physical system that carries the qubit with light and introduces interaction between the physical systems by resonating the physical system with a common resonator mode In addition, a method for suppressing the influence of the error on information processing is known. Here, the error of the quantum gate operation corresponds to the fact that the actual quantum state of the qubit after the quantum gate operation is different from the quantum state of the qubit expected after the quantum gate operation. For example, a conditional quantum gate that changes the quantum state of another qubit according to the quantum state of another qubit, or a quantum gate called a two-qubit gate is executed by a method called an adiabatic passage by operating light, In doing so, either the photon is lost by spontaneous emission from the physical system that carries the qubit, or the photon in the cavity mode necessary to introduce an interaction between the physical systems that carry the qubit is lost. Errors may occur. The photons lost in this way are called lost photons. In these cases, a quantum computer is configured to detect a lost photon while performing a quantum gate operation for error correction, and the quantum computer employs an information processing result when no lost photon is detected. Thereby, the influence of the error on the information processing can be suppressed efficiently.

ところが、量子ビットが固体媒質中にある場合、固体媒質中または外部と固体媒質との界面で操作光が散乱され、損失光子よりも強い散乱光が光検出器に届き、操作光による散乱光と損失光子との区別が困難になる。従って、損失光子を正しく検出することができない。このため、損失光子が実際には失われていない場合であっても、散乱光に起因して情報処理結果が破棄される場合がある、すなわち、量子ゲート操作が失敗したと見なされる場合がある。   However, if the qubit is in a solid medium, the operation light is scattered in the solid medium or at the interface between the outside and the solid medium, and scattered light stronger than the lost photons reaches the photodetector, and the scattered light due to the operation light Differentiation from lost photons becomes difficult. Therefore, a lost photon cannot be correctly detected. Therefore, even if the lost photons are not actually lost, the information processing result may be discarded due to the scattered light, that is, the quantum gate operation may be considered to have failed .

第2の実施形態では、固体媒質中の物理系を量子ビットとして利用する場合において、量子ビットを操作するための操作光の散乱の影響を受けずに、損失光子を正しく検出できるようにする手法を提供する。   In the second embodiment, when a physical system in a solid medium is used as a qubit, a method for correctly detecting a lost photon without being affected by scattering of operation light for operating the qubit. I will provide a.

図7(a)および(b)は、第2の実施形態に係る量子計算機に用いられる一例の共振器70を概略的に示す上面図および正面図である。共振器70は、図7(a)および(b)に示されるように、固体媒質71と、固体媒質71に取り付けられた球面ミラー72と、球面ミラー72に対向する、固体媒質71に取り付けられた球面ミラー73と、を備える。固体媒質71は、共振器70の共通の共振器モードに共鳴する物理系を内部に含む。固体媒質71は、量子ビットを担う物理系を操作するための操作光の進行方向における厚さが異なる領域を有する。以下では、厚さは、特に指定しない限り、操作光の進行方向における厚さを指すものとする。図7(a)において、操作光は、入射面77から出射面78へ進む。具体的には、固体媒質71は、厚さの薄い領域74と、球面ミラー72、73にそれぞれ隣接する厚さの厚い領域76と、領域74と領域76との間のテーパー状に広がる領域75と、を有する。領域74に位置する物理系が量子ビットとして利用され、領域74の一部に操作光が照射される。以下では、領域74を照射領域と呼ぶ。操作光は、例えば、図6に示されるような光源装置から発せられる。   FIGS. 7A and 7B are a top view and a front view schematically showing an example of a resonator 70 used in the quantum computer according to the second embodiment. As shown in FIGS. 7A and 7B, the resonator 70 is attached to the solid medium 71, the spherical mirror 72 attached to the solid medium 71, and the solid medium 71 facing the spherical mirror 72. Spherical mirror 73. The solid medium 71 includes a physical system that resonates in a common resonator mode of the resonator 70 therein. The solid medium 71 has regions having different thicknesses in the traveling direction of the operation light for operating the physical system that carries the qubit. Hereinafter, unless otherwise specified, the thickness refers to the thickness in the traveling direction of the operation light. In FIG. 7A, the operation light travels from the entrance surface 77 to the exit surface 78. Specifically, the solid medium 71 includes a thin region 74, a thick region 76 adjacent to the spherical mirrors 72 and 73, and a tapered region 75 between the region 74 and the region 76. And The physical system located in the region 74 is used as a qubit, and a part of the region 74 is irradiated with operation light. Hereinafter, the region 74 is referred to as an irradiation region. The operation light is emitted, for example, from a light source device as shown in FIG.

量子ビットを担う物理系は、共通の共振器モードに共鳴し、その共振器モードに存在する光子を介して2量子ビットゲートに必要な相互作用を及ぼし合う。固体媒質71は、この共振器モードの光子寿命への影響が2量子ビットゲートの実行に支障がない範囲において部分的に薄くされている。   The physical system that carries the qubit resonates in a common resonator mode and interacts with the two-qubit gate via the photons present in that resonator mode. The solid medium 71 is partially thinned in such a range that the influence of the resonator mode on the photon lifetime does not hinder the implementation of the two-qubit gate.

固体媒質71内部で操作光によって生じる散乱光の総量は、固体媒質71が一般的な一様な透明媒質であって散乱光の総量が入射光のごく一部(例えば10%以下)である場合には、固体媒質71内部での操作光の光路長にほぼ比例する。固体媒質71は、そのような透明媒質であり得る。固体媒質71は、固体媒質71内部での操作光の光路長が短くなるように、照射領域74がその近傍の領域75、76よりも薄くなるように形成されている。これにより、散乱光の発生を軽減することができる。   The total amount of the scattered light generated by the operation light inside the solid medium 71 is determined when the solid medium 71 is a general uniform transparent medium and the total amount of the scattered light is a small portion (for example, 10% or less) of the incident light. Is substantially proportional to the optical path length of the operation light inside the solid medium 71. The solid medium 71 can be such a transparent medium. The solid medium 71 is formed such that the irradiation region 74 is thinner than the neighboring regions 75 and 76 so that the optical path length of the operation light inside the solid medium 71 is short. Thereby, generation of scattered light can be reduced.

図8(a)および(b)は、第2の実施形態に係る量子計算機に用いられる他の例の共振器80を概略的に示す上面図および正面図である。共振器80は、図8(a)および(b)に示されるように、固体媒質81と、固体媒質81に取り付けられた球面ミラー82と、球面ミラー82に対向する、固体媒質81に取り付けられた平面ミラー83と、を備える。固体媒質81は、共振器80の共通の共振器モードに共鳴する物理系を内部に含む。固体媒質81は、平面ミラー83に隣接する厚さの薄い照射領域84と、球面ミラー82に隣接する厚さの厚い領域86と、照射領域84と領域86との間のテーパー状に広がる領域85と、を有する。   FIGS. 8A and 8B are a top view and a front view schematically showing another example of a resonator 80 used in the quantum computer according to the second embodiment. As shown in FIGS. 8A and 8B, the resonator 80 is attached to a solid medium 81, a spherical mirror 82 attached to the solid medium 81, and a solid medium 81 opposed to the spherical mirror 82. A flat mirror 83. The solid medium 81 includes therein a physical system that resonates in a common resonator mode of the resonator 80. The solid medium 81 includes an irradiation region 84 having a small thickness adjacent to the plane mirror 83, a region 86 having a large thickness adjacent to the spherical mirror 82, and a region 85 expanding in a taper shape between the irradiation region 84 and the region 86. And

図9(a)および(b)は、第2の実施形態に係る量子計算機に用いられる他の例の共振器90を概略的に示す上面図および正面図である。図9(a)および(b)に示される共振器90は、ウィスパリングギャラリーモードと呼ばれる共振器モードを有するトロイダル型または円盤型共振器である。共振器90は、円盤状の固体媒質91を備える。固体媒質91には、光の入出力用のテーパー光ファイバー(図示せず)が接続される。固体媒質91は、共振器90の共通の共振器モードに共鳴する物理系を内部に含む。この共振器モードは、固体媒質91内部において固体媒質91の外周に沿って存在する。固体媒質91は、外周に沿う厚さの薄い照射領域94と、照射領域94の内側に位置する厚さの厚い領域95と、を含む。   FIGS. 9A and 9B are a top view and a front view schematically showing another example of a resonator 90 used in the quantum computer according to the second embodiment. The resonator 90 shown in FIGS. 9A and 9B is a toroidal or disk resonator having a resonator mode called a whispering gallery mode. The resonator 90 includes a disk-shaped solid medium 91. The solid medium 91 is connected to a tapered optical fiber (not shown) for inputting and outputting light. The solid medium 91 includes therein a physical system that resonates in a common resonator mode of the resonator 90. This resonator mode exists inside the solid medium 91 along the outer periphery of the solid medium 91. The solid medium 91 includes an irradiation region 94 having a small thickness along the outer circumference, and a region 95 having a large thickness located inside the irradiation region 94.

図10は、第2の実施形態に係る量子計算機に用いられる他の例の共振器100を概略的に示す上面図である。共振器100は、図10に示されるように、固体媒質101と、固体媒質101に取り付けられた球面ミラー102、103、104を備える。固体媒質101は、共振器100の共通の共振器モードに共鳴する物理系を内部に含む。この共振器モードは、球面ミラー102と球面ミラー103との間、球面ミラー103と球面ミラー104との間、および球面ミラー102と球面ミラー104との間に存在する。固体媒質101の照射領域105は、近傍の他の領域より薄く形成されている。   FIG. 10 is a top view schematically showing another example of the resonator 100 used in the quantum computer according to the second embodiment. As shown in FIG. 10, the resonator 100 includes a solid medium 101 and spherical mirrors 102, 103, and 104 attached to the solid medium 101. The solid medium 101 includes therein a physical system that resonates in a common resonator mode of the resonator 100. This resonator mode exists between the spherical mirror 102 and the spherical mirror 103, between the spherical mirror 103 and the spherical mirror 104, and between the spherical mirror 102 and the spherical mirror 104. The irradiation area 105 of the solid medium 101 is formed thinner than other nearby areas.

図8(a)および(b)に示される共振器80、図9(a)および(b)に示される共振器90、並びに、図10に示される共振器100はいずれも、図7(a)および(b)に示される共振器70に関して説明したものと同様に、固体媒質内部での操作光の光路長が短くなる形状を有しており、それにより、散乱光の発生を軽減することができる。   The resonator 80 shown in FIGS. 8A and 8B, the resonator 90 shown in FIGS. 9A and 9B, and the resonator 100 shown in FIG. ) And (b) have a shape in which the optical path length of the operation light inside the solid medium is shortened, thereby reducing the generation of scattered light. Can be.

次に説明するようにさらなる散乱光が発生することがある。例えば図7に示される共振器70において、操作光は、入射面77を通じて固体媒質71に入射し、固体媒質71中を通過し、出射面78を通じて固体媒質71の外へ出射される。このとき、操作光の一部は、出射面78で反射され、固体媒質71中を再び通過する。この場合、出射面78からの反射光によって固体媒質71内部でさらなる散乱光が発生する。反射光が入射面77に到達した場合、反射光の大部分は入射面77を通じて固体媒質71の外へ出射されるが、反射光の一部は、入射面77で反射され、固体媒質71中を再び通過する。入射面77からの反射光によって固体媒質71内部でさらなる散乱光が発生する。また、出射面78から出射された操作光は、例えば何らかの物体によって反射されるなどして、固体媒質71に再び入射することがある。固体媒質71に再び入射した操作光に起因して、固体媒質71内部でさらなる散乱光が発生する。上述したようなさらなる散乱光の発生を防止する機構について説明する。   Additional scattered light may be generated as described below. For example, in the resonator 70 shown in FIG. 7, the operation light enters the solid medium 71 through the incident surface 77, passes through the solid medium 71, and is emitted out of the solid medium 71 through the emission surface 78. At this time, part of the operation light is reflected by the emission surface 78 and passes through the solid medium 71 again. In this case, further scattered light is generated inside the solid medium 71 by the reflected light from the emission surface 78. When the reflected light reaches the incident surface 77, most of the reflected light is emitted to the outside of the solid medium 71 through the incident surface 77, but a part of the reflected light is reflected by the incident surface 77 and Pass again. Further scattered light is generated inside the solid medium 71 by the reflected light from the incident surface 77. Further, the operation light emitted from the emission surface 78 may re-enter the solid medium 71, for example, being reflected by some object. Further scattered light is generated inside the solid medium 71 due to the operation light reentering the solid medium 71. A mechanism for preventing the generation of further scattered light as described above will be described.

図11(a)および(b)は、第2の実施形態に係る量子計算機に用いられる他の例の共振器110を概略的に示す上面図および正面図である。共振器110は、図11(a)および(b)に示されるように、固体媒質71と、互いに対向して固体媒質71に取り付けられた球面ミラー72、73と、照射領域74の入射面77に施された反射防止コーティング111と、照射領域74の出射面78に施された反射防止コーティング112と、反射防止コーティング112に対向して設けられた光トラップ113と、を備える。光トラップ113は、操作光の進行方向において反射防止コーティング112の先に設置されている。なお、固体媒質71は、図11(a)に示されるような照射領域74が近傍の領域75、76よりも薄い形状を有する例に限らず、例えば図2に示される共振器10のように、照射領域74が他の領域75、76と同じ厚さを有していてもよい。   FIGS. 11A and 11B are a top view and a front view schematically showing another example of the resonator 110 used in the quantum computer according to the second embodiment. As shown in FIGS. 11A and 11B, the resonator 110 includes a solid medium 71, spherical mirrors 72 and 73 attached to the solid medium 71 so as to face each other, and an incident surface 77 of an irradiation area 74. , An anti-reflection coating 112 applied to the emission surface 78 of the irradiation area 74, and an optical trap 113 provided to face the anti-reflection coating 112. The optical trap 113 is provided before the antireflection coating 112 in the traveling direction of the operation light. Note that the solid medium 71 is not limited to the example in which the irradiation area 74 as shown in FIG. 11A has a thinner shape than the neighboring areas 75 and 76. For example, as in the resonator 10 shown in FIG. The irradiation region 74 may have the same thickness as the other regions 75 and 76.

反射防止コーティング111、112は、内部反射を防止する。具体的には、反射防止コーティング112は、固体媒質71中を移動する操作光が出射面78で反射されることを防止する。反射防止コーティング112を設けることにより、出射面78で反射される操作光が低減される。反射防止コーティング111は、出射面78で反射されて固体媒質71中を移動する操作光が入射面77で反射されることを防止する。反射防止コーティング111を設けることにより、入射面77で反射される操作光が低減される。   The anti-reflection coatings 111 and 112 prevent internal reflection. Specifically, the anti-reflection coating 112 prevents the operation light traveling in the solid medium 71 from being reflected on the emission surface 78. By providing the anti-reflection coating 112, the operation light reflected on the emission surface 78 is reduced. The anti-reflection coating 111 prevents the operation light, which is reflected on the emission surface 78 and travels in the solid medium 71, from being reflected on the incident surface 77. By providing the anti-reflection coating 111, the operation light reflected on the incident surface 77 is reduced.

なお、図11(a)および(b)に示される例では、反射防止コーティングは、入射面77および出射面78の両方に施されているが、反射防止コーティングが施される部分は、この例に限定されない。例えば、反射防止コーティングは入射面77および出射面78の一方のみに施されていてもよい。好ましくは、出射面78に反射防止コーティングが施される。また、反射防止コーティングは、入射面77および出射面78以外の部分にも施されていてもよい。   In the example shown in FIGS. 11A and 11B, the anti-reflection coating is applied to both the entrance surface 77 and the exit surface 78. It is not limited to. For example, the anti-reflection coating may be applied to only one of the entrance surface 77 and the exit surface 78. Preferably, the exit surface 78 is provided with an anti-reflective coating. Further, the anti-reflection coating may be applied to portions other than the entrance surface 77 and the exit surface 78.

光トラップ113は、固体媒質71を透過した操作光をトラップ(捕捉)する。光トラップ113を設けることにより、固体媒質71を透過した操作光が固体媒質71に再び入射することが防止される。なお、光トラップ113の代わりに、光吸収体が用いられてもよい。   The optical trap 113 traps (traps) operation light transmitted through the solid medium 71. The provision of the optical trap 113 prevents the operation light transmitted through the solid medium 71 from being incident on the solid medium 71 again. Note that a light absorber may be used instead of the light trap 113.

なお、反射防止コーティングおよび光トラップまたは光吸収体は、図8(a)および(b)に示される共振器80、図9(a)および(b)に示される共振器90、並びに、図10に示される共振器100などの他の共振器に適用することもできる。   Note that the antireflection coating and the optical trap or light absorber include the resonator 80 shown in FIGS. 8A and 8B, the resonator 90 shown in FIGS. 9A and 9B, and the resonator 80 shown in FIGS. Can be applied to other resonators such as the resonator 100 shown in FIG.

以上のように、反射防止コーティング111、112および光トラップ113により、操作光が固体媒質71内で多重反射して散乱光が発生することが防止されるとともに、固体媒質71の外に一旦出た操作光が再び固体媒質71中に戻って散乱光が発生すること、および固体媒質71の外に出た操作光が何らかの散乱体に到達してそれにより散乱光が発生することが防止される。その結果、散乱光が、損失光子を検出する光検出器に到達することを防ぐことができる。さらに、固体媒質71内で発生した散乱光が、入射面77または出射面78に到達した場合に、入射面77または出射面78で反射されて固体媒質71内に再び戻ることを防ぐことができる。   As described above, the anti-reflection coatings 111 and 112 and the optical trap 113 prevent the operation light from being multiple-reflected in the solid medium 71 to generate scattered light, and once out of the solid medium 71. This prevents the operation light from returning to the solid medium 71 again to generate scattered light, and prevents the operation light that has exited the solid medium 71 from reaching any scatterer and generating scattered light. As a result, it is possible to prevent the scattered light from reaching the photodetector that detects the lost photons. Furthermore, when the scattered light generated in the solid medium 71 reaches the entrance surface 77 or the exit surface 78, it can be prevented from being reflected by the entrance surface 77 or the exit surface 78 and returning to the solid medium 71 again. .

本実施形態では、操作光の偏光方向は共振器モードの波面と交わる(例えば直交する)方向に設定されることができる。偏光方向は、光の電場ベクトルの方向を指す。図12(a)および(b)は、図7(a)および(b)に示されるファブリペロー型共振器70において、操作光の偏光方向が共振器モードの波面と直交する方向に設定される様子を示している。図13(a)および(b)は、図9(a)および(b)に示される共振器90のような共振器130において、操作光の偏光方向が共振器モードの波面と直交する方向に設定される様子を示している。共振器130の固体媒質131では、照射領域がその近傍の領域と同じ厚さを有している。操作光の偏光方向が共振器モードの波面と直交する方向に設定される場合、共振器モードの波面と直交する方向には、散乱光が発生しにくくなる。その理由は後述する。   In the present embodiment, the polarization direction of the operation light can be set to a direction that intersects (for example, is orthogonal to) the wavefront of the resonator mode. The polarization direction refers to the direction of the electric field vector of light. FIGS. 12A and 12B show the polarization direction of the operation light in the Fabry-Perot resonator 70 shown in FIGS. 7A and 7B set to a direction orthogonal to the wavefront of the resonator mode. It shows the situation. FIGS. 13 (a) and 13 (b) show that, in a resonator 130 such as the resonator 90 shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b), the polarization direction of the operation light is in a direction orthogonal to the wavefront of the resonator mode. This shows how it is set. In the solid medium 131 of the resonator 130, the irradiation region has the same thickness as the region in the vicinity. When the polarization direction of the operation light is set to a direction orthogonal to the wavefront in the resonator mode, scattered light is less likely to be generated in a direction orthogonal to the wavefront in the resonator mode. The reason will be described later.

損失光子が、共振器モードの光と共振器外部の光との間の入出力部から主に失われるとする。例えば、ファブリペロー型共振器の場合、共振器を構成するミラー(例えば、球面ミラー72または球面ミラー73)から損失光子が失われる。また、トロイダル型または円盤型共振器の場合、入出力用のテーパー光ファイバーを通して損失光子が失われる。これらのような場合、共振器モードから固体媒質外に出る損失光子の、共振器モード外での空間モード(存在する場所および進む方向)が明らかであるため、その空間モードに合わせて光検出器または光子検出器を設置することになる、すなわち、共振器を構成するミラーの近くまたは入出力用テーパー光ファイバーの端面に設置することになると考えられる。その際、操作光の偏光方向を共振器モードの波面と直交する方向に設定することで、光検出器に損失光子でない光子、すなわち、操作光により発生した散乱光が到達する可能性を大幅に減少させることができる。   It is assumed that lost photons are mainly lost from an input / output unit between light in the resonator mode and light outside the resonator. For example, in the case of a Fabry-Perot resonator, lost photons are lost from mirrors (for example, the spherical mirror 72 or the spherical mirror 73) constituting the resonator. In the case of a toroidal or disk resonator, lost photons are lost through the tapered optical fibers for input and output. In these cases, since the spatial mode (location and traveling direction) outside the resonator mode of the lost photons exiting the solid medium from the resonator mode is clear, the photodetector is adjusted to the spatial mode. Alternatively, it is considered that a photon detector is installed, that is, it is installed near a mirror constituting the resonator or at an end face of the tapered optical fiber for input / output. At that time, by setting the polarization direction of the operation light to a direction orthogonal to the wavefront of the resonator mode, the possibility that photons that are not lost photons, that is, scattered light generated by the operation light, reach the photodetector is greatly increased. Can be reduced.

次に、操作光の偏光方向を共振器モードの波面と直交する方向に設定することで、共振器モードの波面と直交する方向に散乱光が発生しにくくなる理由を説明する。
散乱体に光が照射され、それにより散乱光が発生する場合、散乱光の強度分布は、照射光の進行方向およびその偏光方向に大きく依存する。その依存性について図14を参照して説明する。図14に示すように、z軸方向に進む照射光がy軸方向に振動する電場ベクトルを持つとする。照射光が散乱体により散乱されることで散乱光が発生する場合、散乱体で誘起される双極子モーメントの方向もy軸方向である。この双極子モーメントから放射される電磁波が散乱光であるが、その遠方(far field)での強度は、z軸方向およびx軸方向に進む散乱光では強く、y軸方向に進む散乱光では弱くなる。y軸方向と散乱体から散乱光の強度を観測する観測点への方向とのなす角をθとすると、単位立体角あたりの強度(パワー)は、sin2θに比例する。従って、操作光の偏光方向を共振器モードの波面と直交する方向に設定することで、共振器モードの波面と直交する方向には、散乱光が発生しにくくなる。
Next, the reason why the polarization direction of the operation light is set to a direction orthogonal to the wavefront of the resonator mode, so that scattered light is less likely to be generated in the direction orthogonal to the wavefront of the resonator mode will be described.
When the scatterer is irradiated with light and generates scattered light, the intensity distribution of the scattered light largely depends on the traveling direction of the irradiated light and its polarization direction. The dependency will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 14, it is assumed that irradiation light traveling in the z-axis direction has an electric field vector oscillating in the y-axis direction. When scattered light is generated by scattered irradiation light by the scatterer, the direction of the dipole moment induced by the scatterer is also in the y-axis direction. Electromagnetic waves emitted from this dipole moment are scattered light, and the intensity in the far field is strong in scattered light traveling in the z-axis and x-axis directions, and weak in scattered light traveling in the y-axis direction. Become. Assuming that the angle between the y-axis direction and the direction from the scatterer to the observation point where the intensity of the scattered light is observed is θ, the intensity (power) per unit solid angle is proportional to sin 2 θ. Therefore, by setting the polarization direction of the operation light to a direction orthogonal to the wavefront of the resonator mode, scattered light is less likely to be generated in the direction orthogonal to the wavefront of the resonator mode.

前述したように照射領域に反射防止コーティングを設けると、固体媒質内で発生する散乱光は、固体媒質と外部との界面で反射することなく、固体媒質外に出るようになる。また、操作光の偏光方向が共振器モードの波面と直交する方向に設定される場合、固体媒質外に出る散乱光が強くなる方向は、固体媒質の操作光照射スポットを含む共振器モードの波面の面内方向を中心に限られる。このため、照射領域に反射防止コーティングを設け、且つ、操作光の偏光方向を共振器モードの波面と直交する方向に設定することにより、損失光子が、共振器モードの光と共振器外部の光との間の入出力部以外から失われる場合、例えば、共振器モード中での散乱光または量子ビットを担う物理系から自然放出により失われる場合でも、操作光が固体媒質で散乱されることにより生じる散乱光の影響を避け、損失光子をより正確に検出するための光検出器の配置を選択することが可能になる。   As described above, when the antireflection coating is provided on the irradiation area, the scattered light generated in the solid medium comes out of the solid medium without being reflected at the interface between the solid medium and the outside. In addition, when the polarization direction of the operation light is set to a direction orthogonal to the wavefront of the resonator mode, the direction in which the scattered light exiting the solid medium becomes stronger depends on the wavefront of the resonator mode including the operation light irradiation spot of the solid medium. Is limited to the in-plane direction. For this reason, by providing an anti-reflection coating on the irradiation area and setting the polarization direction of the operation light to a direction orthogonal to the wavefront of the resonator mode, the loss photons are reduced to the light in the resonator mode and the light outside the resonator. If the operating light is lost from other than the input / output unit between the two, for example, if it is lost due to spontaneous emission from the physical system that carries the scattered light or the qubit in the resonator mode, the operating light is scattered by the solid medium. The effect of the scattered light generated can be avoided, and the arrangement of the photodetector for detecting the lost photons more accurately can be selected.

以上のように、本実施形態によれば、(1)固体媒質の照射領域を近傍の他の領域より薄く形成すること、(2)反射防止コーティングおよび光トラップまたは光吸収体を設けること、および(3)操作光の偏光方向を共振器モードの波面と交差する方向に設定すること、のうちの少なくとも1つを採用することにより、量子ビットを操作するための操作光の散乱の影響を受けずに正しく損失光子を検出することができるようになる。   As described above, according to the present embodiment, (1) the irradiation region of the solid medium is formed thinner than other nearby regions, (2) the antireflection coating and the light trap or light absorber are provided, and (3) setting the polarization direction of the operation light in a direction that intersects the wavefront of the resonator mode, by employing at least one of the above, the influence of the scattering of the operation light for operating the qubit. Can correctly detect a lost photon without using the same.

(実施例3)
実施例3に係る量子計算機では、量子ビットとして、Y2SiO5結晶中のPr3+イオンの核スピンの量子状態を用いる。
図15(a)および(b)に示される量子ビットを含む固体媒質151は、次のようにして用意される。Y2SiO5結晶中のY3+イオンのうちの10-6%をPr3+イオンで置換したPr3+:Y2SiO5結晶からなる1辺3mmの立方体を作製し、立方体の1つの面を、その面の中心に接する曲率半径3.3mmの球面に加工する。その際、Pr3+:Y2SiO5結晶の結晶軸の方向は次のようにする。球面の中心(O点とする)と球面に対向する平面の中心(B点とする)とを結ぶ直線と直交する方向で、かつ球面に接する4つの平面のいずれかに直交する方向に結晶のB軸を設定する。D2軸は、O点とB点とを結ぶ直線と平行にならずかつ直交しないようにする。
(Example 3)
In the quantum computer according to the third embodiment, the quantum state of the nuclear spin of Pr 3+ ions in the Y 2 SiO 5 crystal is used as the qubit.
The solid medium 151 including the qubit shown in FIGS. 15A and 15B is prepared as follows. A 3 mm cube of Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal in which 10 -6 % of the Y 3+ ions in the Y 2 SiO 5 crystal were replaced with Pr 3+ ions was prepared, and one of the cubes was formed. The surface is machined into a spherical surface with a radius of curvature of 3.3 mm that is in contact with the center of the surface. At this time, the direction of the crystal axis of the Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal is set as follows. The crystal is oriented in a direction perpendicular to a straight line connecting the center of the spherical surface (referred to as point O) and the center of the plane facing the spherical surface (referred to as point B), and perpendicular to any of the four planes contacting the spherical surface. Set the B axis. The D2 axis is not parallel or orthogonal to the straight line connecting the points O and B.

図16に示すように、固体媒質151の球面とそれに対向する平面に誘電体多層膜ミラー162、163を形成すると、固体媒質151中に共振器モードが生じる。O点とB点とを結ぶ直線と結晶に形成した球面との交点をA点とする。A点とB点とを結ぶ直線ABに沿って生じるTEM00モードのうち、Pr3+イオンの3H4-1D2遷移と共鳴する494.7THz近傍の共振器モードを、量子ビットを担う物理系間(Pr3+イオン間)に相互作用を導入するために利用する。この共振器モードは、B点にモードの太さが最小となるモードウエストを持ち、そこのモードウエスト半径(モード半径)は約10μmとなる。また、モードウエスト近傍では、モードの波面は、ほぼ平面となる。A点では、モード半径が最大の33μmとなる。 As shown in FIG. 16, when the dielectric multilayer mirrors 162 and 163 are formed on the spherical surface of the solid medium 151 and a plane facing the spherical surface, a resonator mode occurs in the solid medium 151. The point of intersection of the straight line connecting points O and B and the spherical surface formed on the crystal is referred to as point A. Of TEM 00 mode occurring along a straight line AB connecting the point A and point B, 3 H 4 of Pr 3+ ions - the 1 D 2 transition resonator mode 494.7THz vicinity of the resonance, physical responsible for qubit It is used to introduce an interaction between systems (between Pr 3+ ions). This resonator mode has a mode waist at point B where the thickness of the mode is minimum, and the mode waist radius (mode radius) is about 10 μm. In the vicinity of the mode waist, the wavefront of the mode is substantially flat. At the point A, the mode radius becomes the maximum of 33 μm.

この共振器モードとPr3+イオンとの相互作用の大きさ(結合定数)は、直線ABに近いほど、またモード半径が小さいところほど強くなる。従って、B点近傍のイオンを量子ビットとして用いる。本実施例の場合、モードウエストの位置に固体媒質151の端面と誘電体多層膜ミラー163がある。操作光が固体媒質151の端面または誘電体多層膜ミラー163によって散乱されることを避けるために、B点よりも約500μmだけA点方向に移動したC点のイオンを量子ビットとして用いる。本実施例の場合、モードウエスト半径10μmが共振器モードの波長(494.7THzに相当する約606nm)より十分大きいため、A点方向に向かってのモードの広がり角が小さく、C点でもB点とほぼ同様の結合定数が得られる。従って、量子ビットの操作に利用する操作光をC点に約10μmに集光して照射し、そこに存在するイオンを量子ビットとして利用する。 The magnitude of the interaction (coupling constant) between the resonator mode and the Pr 3+ ion becomes stronger as it approaches the straight line AB and as the mode radius becomes smaller. Therefore, ions near point B are used as qubits. In the case of the present embodiment, the end face of the solid medium 151 and the dielectric multilayer mirror 163 are located at the position of the mode waist. In order to prevent the operation light from being scattered by the end face of the solid medium 151 or the dielectric multilayer mirror 163, the ion at the point C moved in the direction of the point A by about 500 μm from the point B is used as the qubit. In the case of the present embodiment, the mode waist radius 10 μm is sufficiently larger than the wavelength of the resonator mode (approximately 606 nm corresponding to 494.7 THz), so that the mode spread angle in the direction of the point A is small. Almost the same coupling constant is obtained. Therefore, the operation light used for the operation of the qubit is condensed to about 10 μm at the point C and irradiated, and the ions existing there are used as the qubit.

固体媒質151の球面と対向する面も球面に加工し、固体媒質151内部にモードウエストを生じさせることもできる。例えば、固体媒質として、本実施例の上記の固体媒質151のA点とB点の間の長さ(共振器長)を6mmとし、B点側の平面もその平面の中心点でその平面に接する球面に加工し、さらに両方の球面の曲率半径を3.3mmとすると、A点とB点を結ぶ線分の中点にモードウエストが生じる。その場合には、その中点に操作光を照射し、そこに存在するイオンを量子ビットとして利用する。   The surface of the solid medium 151 facing the spherical surface may also be processed into a spherical surface to generate a mode waist inside the solid medium 151. For example, as a solid medium, the length (resonator length) between the point A and the point B of the solid medium 151 of the present embodiment is 6 mm, and the plane on the point B side is also located at the center of the plane. If the spheres are processed so as to be in contact with each other, and the radii of curvature of both spheres are set to 3.3 mm, a mode waist is generated at the midpoint of the line connecting the points A and B. In that case, the midpoint is irradiated with operating light, and the ions present there are used as qubits.

固体媒質151が操作光に対してほぼ透明な単結晶であり、ミラーを作製する面の研磨精度が十分高い場合、本実施例の固体媒質151から量子ビットを担うPr3+イオン間の相互作用に必要な光子が失われる主な過程は、ミラー162または163を通して固体媒質151外部に光子が抜け出る過程であると考えられる。このような過程で失われる損失光子を検出するために、図17に示すように、A点の近傍に半径100μmのピンホール171と光検出器173とを設置し、B点の近傍に30μmのピンホール172と光検出器174とを設置する。 When the solid medium 151 is a single crystal that is substantially transparent to the operation light and the polishing accuracy of the surface on which the mirror is manufactured is sufficiently high, the interaction between the solid medium 151 and Pr 3+ ions carrying qubits from the solid medium 151 of this embodiment. It is considered that the main process of losing the photons required in the process is a process in which the photons exit the solid medium 151 through the mirror 162 or 163. In order to detect the lost photons lost in such a process, a pinhole 171 having a radius of 100 μm and a photodetector 173 are provided near point A and a 30 μm radius near point B is detected as shown in FIG. A pinhole 172 and a photodetector 174 are provided.

この状態で、まず電場ベクトルが直線ABと直交し、またその電場ベクトルが入射面と平行である約100μWの操作光を照射し、2つの光検出器173、174で検出された光強度の合計を記録し、それをI1とする。 In this state, first, about 100 μW of operating light whose electric field vector is orthogonal to the straight line AB and whose electric field vector is parallel to the plane of incidence is irradiated, and the sum of the light intensities detected by the two photodetectors 173 and 174 is obtained. record the to it as I 1.

次に、上記の固体媒質151の球面と対向する正方形の面の中心と中心を共有する100μm×3mmの長方形(長辺が上記入射面と平行)の部分のミラーを残して、その長方形の両脇をえぐるように四角柱を切り取った構造(図18に示される)の共振器を用意し、図19に示すように、A点の近傍に半径100μmのピンホール171と光検出器173とを設置し、B点の近傍に30μmのピンホール172と光検出器174とを設置する。前述したものと同様にして、操作光をC点に照射し、光検出器173、174で検出された光強度の合計を記録し、それをI2とする。 Next, a mirror of a 100 μm × 3 mm rectangle (the long side is parallel to the incident surface) sharing the center with the center of the square surface facing the spherical surface of the solid medium 151 is left, and both sides of the rectangle are left. A resonator having a structure (shown in FIG. 18) in which a square pillar is cut out so as to go to the side is prepared. As shown in FIG. 19, a pinhole 171 having a radius of 100 μm and a photodetector 173 are provided near point A as shown in FIG. Then, a 30 μm pinhole 172 and a photodetector 174 are set near point B. In the same manner as described above, by irradiating the operating light point C, record the total detected light intensity by the photodetector 173 and 174, to do it and I 2.

I1とI2の比は、主に操作光が散乱光を発生しながら固体媒質151中を進む光路長の差異に起因して、次のようになる。 The ratio of I 1 to I 2 is as follows, mainly due to the difference in the optical path length that the operation light travels through the solid medium 151 while generating scattered light.

ここで、SはA点近傍のピンホール171の開口部面積である。図18に示される共振器を用いる場合、光検出器173、174に到達する散乱光の光子は30分の1程度に低減する。すなわち、本実施例に係る量子計算機(図19)では、照射領域における固体媒質の厚さが照射領域近傍の他の部分の厚さより薄い固体媒質151を用いることにより、操作光が固体媒質で散乱され生じる散乱光が損失光子の正確な検出を妨げる影響を軽減することができる。 Here, S is the opening area of the pinhole 171 near the point A. In the case where the resonator shown in FIG. 18 is used, the photons of the scattered light reaching the photodetectors 173 and 174 are reduced to about 1/30. That is, in the quantum computer (FIG. 19) according to the present embodiment, the operation light is scattered by the solid medium by using the solid medium 151 in which the thickness of the solid medium in the irradiation area is smaller than the thickness of other parts near the irradiation area. The effect of the resulting scattered light on accurate detection of lost photons can be reduced.

(実施例4)
実施例4に係る量子計算機は、実施例3と同様の量子計算機において、固体媒質151の操作光入射面と操作光出射面に反射防止コーティングを施したものである。このコーティングにより、操作光が出射面で反射して再び固体媒質151内に入り、散乱光を発生させたり、出射面と入射面との間で反射を繰り返し、固体媒質内で散乱光を発生させたり、固体媒質151内で発生した散乱光が出射面や入射面に到達した場合に反射して再び固体媒質151内に戻ったりする確率が減る。そのため、本実施例によれば、実施例3の場合に比べて、光検出器に到達する散乱光の光子をさらに減少させることができる。
(Example 4)
The quantum computer according to the fourth embodiment differs from the quantum computer according to the third embodiment in that an anti-reflection coating is applied to the operation light incidence surface and the operation light emission surface of the solid medium 151. Due to this coating, the operation light is reflected on the emission surface and reenters the solid medium 151 to generate scattered light, or is repeatedly reflected between the emission surface and the incidence surface to generate scattered light in the solid medium. Also, the probability that the scattered light generated in the solid medium 151 reaches the exit surface or the entrance surface, is reflected, and returns to the solid medium 151 again is reduced. Therefore, according to the present embodiment, the number of photons of the scattered light reaching the photodetector can be further reduced as compared with the case of the third embodiment.

また、本実施例では、出射面から出た操作光を受ける光トラップが設けられる。これにより、出射面から出た操作光が、物体にあたったり空気や空気中の微粒子で散乱されたりして、光検出器に到達し、損失光子の正確な検出を妨げる影響を軽減する。この光トラップ設置による効果は、実施例3と後述する実施例5においても有効である。   Further, in the present embodiment, an optical trap for receiving the operation light emitted from the emission surface is provided. This reduces the effect that the operation light emitted from the emission surface hits an object or is scattered by air or fine particles in the air, reaches the photodetector, and hinders accurate detection of lost photons. The effect of the installation of the optical trap is also effective in the third embodiment and a fifth embodiment to be described later.

以上のように、本実施例に係る量子計算機では、固体材料の操作光入射面と操作光出射面に反射防止コーティングを設け、出射面の先に光トラップまたは光吸収体を設けることにより、操作光が固体媒質や固体媒質外の物質で散乱され生じる散乱光が損失光子の正確な検出を妨げる影響を軽減することができる。   As described above, in the quantum computer according to the present embodiment, the anti-reflection coating is provided on the operation light incidence surface and the operation light emission surface of the solid material, and the light trap or the light absorber is provided at the end of the emission surface, so that the operation can be performed. It is possible to reduce the influence of scattered light generated by light being scattered by a solid medium or a substance outside the solid medium preventing accurate detection of lost photons.

(実施例5)
実施例5では、実施例4と同様の量子計算機において、操作光の偏光方向が、直線ABの方向に一致するように、すなわち、C点における共振器モードの波面に直交するように設定される。この場合、光検出器に到達する散乱光の進行方向と操作光の偏光方向がなす角を、A点側の検出器173の場合をθ1、B点側の検出器174の場合をθ2とすると、
(Example 5)
In the fifth embodiment, in the quantum computer similar to the fourth embodiment, the polarization direction of the operation light is set so as to match the direction of the straight line AB, that is, orthogonal to the wavefront of the resonator mode at the point C. . In this case, the angle between the traveling direction of the scattered light reaching the photodetector and the polarization direction of the operation light is represented by θ 1 for the detector 173 on the point A side, and θ 2 for the detector 174 on the point B side. Then

となる。実施例3および実施例4における操作光の偏光では、 Becomes In the polarization of the operation light in Examples 3 and 4,

である。 It is.

操作光により発生する散乱光の強度は、操作光の偏光方向と散乱体から散乱光の強度を観測する観測点への方向とのなす角をθとすると、sin2θに比例する。従って、操作光の偏光方向を本実施例のように設定することにより、実施例3に比べて、光検出器に到達する散乱光の光子をさらに1/100〜1/1000程度に低減することができる。 The intensity of the scattered light generated by the operation light is proportional to sin 2 θ, where θ is the angle between the polarization direction of the operation light and the direction from the scatterer to the observation point where the intensity of the scattered light is observed. Therefore, by setting the polarization direction of the operation light as in the present embodiment, the photons of the scattered light reaching the photodetector can be further reduced to about 1/100 to 1/1000 as compared with the third embodiment. Can be.

本実施例での固体媒質151内部で操作光により発生する散乱を、光ファイバーの石英による700nmの波長の光での散乱程度と考える。光ファイバーの石英では、3dB/km程度の散乱損失がある。従って、強度Iinの入射光がlkm固体媒質151中を進んだ場合の全散乱光強度(散乱損失)は、 The scattering generated by the operation light inside the solid medium 151 in this embodiment is considered to be the degree of scattering of light having a wavelength of 700 nm by the quartz of the optical fiber. Optical fiber quartz has a scattering loss of about 3 dB / km. Therefore, the total scattered light intensity when the incident light intensity I in has proceeded to lkm solid medium 151 medium (scattering loss)

となる。本実施例では、照射領域における操作光の進行方向における固体媒質151の厚さは100μmなので、100μWの操作光により発生する全散乱光は、 Becomes In this embodiment, since the thickness of the solid medium 151 in the traveling direction of the operation light in the irradiation region is 100 μm, the total scattered light generated by the operation light of 100 μW is:

となる。このうち、2つの光検出器173、174に届く散乱光の強度Iは、仮に操作光の偏光方向が直線ABに直交する場合には、 Becomes Among these, the intensity I of the scattered light reaching the two photodetectors 173 and 174 is, if the polarization direction of the operation light is orthogonal to the straight line AB,

となり、本実施例のように操作光の偏光方向が直線ABに平行である場合は、2つの光検出器173、174に届く散乱光の強度をその1/100〜1/1000である10-15Wより弱くすることが可能である。 , And when the polarization direction of the operation light as in this embodiment is parallel to the line AB is the intensity of scattered light reaching the two optical detectors 173, 174 thereof 1 / 100-1 / 1000 10 - It can be less than 15 W.

例えば、2量子ビットゲートを100μsで実行する場合、損失光子の光子1個のエネルギーは約4×10-19Jなので、このような量子ゲートの場合の損失光子の検出には、ゲート1回あたり1光子が損失する場合の損失光子強度である4×10-19J/100μs=4×10-15Wの光を正確に検出する必要がある。本実施例では、操作光により発生する散乱光の光子が光検出器に到達する強度を10-15W以下に抑えることができ、損失光子の正確な検出が可能になる。 For example, when a two-qubit gate is executed in 100 μs, the energy of one photon of a lost photon is about 4 × 10 −19 J. Therefore, the detection of the lost photon in such a quantum gate requires one time per gate. It is necessary to accurately detect light of 4 × 10 −19 J / 100 μs = 4 × 10 −15 W, which is the loss photon intensity when one photon is lost. In the present embodiment, the intensity of the photons of the scattered light generated by the operation light reaching the photodetector can be suppressed to 10 -15 W or less, and the loss photons can be accurately detected.

以上の実施例3、実施例4、実施例5では、強い操作光により散乱光が生じ、その生じた散乱光がさらに固体媒質中で散乱される多重散乱は無視できるほど小さい場合を考えたが、多重散乱を考慮しても、第2の実施形態において説明した技法は有効である。また、以上の実施例3、実施例4、実施例5において固体媒質と外部との界面での散乱を考慮した場合でも、第2の実施形態において説明した技法は有効である。   In the above-described third, fourth, and fifth embodiments, a case is considered in which scattered light is generated by strong operation light, and multiple scattering in which the generated scattered light is further scattered in a solid medium is negligibly small. Even if multiple scattering is considered, the technique described in the second embodiment is effective. The technique described in the second embodiment is effective even when the scattering at the interface between the solid medium and the outside is taken into consideration in the above Examples 3, 4 and 5.

(付記)
以下に、第2の実施形態の好ましい態様を付記する。
(Note)
Hereinafter, preferable aspects of the second embodiment will be additionally described.

[1]第1の態様に係る量子計算機は、
量子ビットを担う物理系を含む固体媒質を備え、前記物理系と共鳴する共振器モードを有する共振器と、
前記物理系が前記共振器モードによって互いに結合した状態で、前記共振器モードの波面と交わる偏光方向を有する操作光を前記物理系に照射する光源部と、
前記物理系から失われる光子または前記共振器モードから失われる光子を検出する検出器と、
を備える。
[1] The quantum computer according to the first aspect,
A resonator having a solid medium including a physical system that carries a qubit, and a resonator having a resonator mode that resonates with the physical system,
In a state where the physical systems are coupled to each other by the resonator mode, a light source unit that irradiates the physical system with operation light having a polarization direction crossing the wavefront of the resonator mode,
A detector for detecting photons lost from the physical system or photons lost from the resonator mode,
Is provided.

[2]:[1]に記載した量子計算機において、前記固体媒質は、前記物理系が配置された第1の領域および前記第1の領域と異なる第2の領域を含み、前記第1の領域は、前記操作光の進行方向における厚さが前記第2の領域よりも薄い。   [2]: In the quantum computer according to [1], the solid medium includes a first region in which the physical system is arranged and a second region different from the first region, and the first region Is thinner in the traveling direction of the operation light than the second region.

[3]:[1]または[2]に記載した量子計算機において、前記操作光が入射する前記固体媒質の第1の面に第1の反射防止コーティングが施されており、前記操作光が出射する前記固体媒質の第2の面に第2の反射防止コーティングが施されており、前記第2の反射防止コーティングに対向して配置される光トラップまたは光吸収体をさらに備える。   [3]: In the quantum computer according to [1] or [2], the first surface of the solid medium on which the operation light enters is provided with a first antireflection coating, and the operation light is emitted. A second surface of the solid medium to be coated with a second anti-reflection coating, and further comprising a light trap or light absorber disposed opposite the second anti-reflection coating.

[4]:第2の態様に係る量子計算機は、
量子ビットを担う物理系が配置された第1の領域および前記第1の領域と異なる第2の領域を含む固体媒質を備え、前記物理系と共鳴する共振器モードを有する共振器であって、前記第1の領域は、前記物理系を操作するための操作光の進行方向における厚さが前記第2の領域よりも薄い、共振器と、
前記物理系が前記共振器モードによって結合した状態で、前記物理系を操作するための操作光を前記物理系に照射する光源部と、
前記物理系から失われる光子または前記共振器モードから失われる光子を検出する検出器と、
を備える。
[4]: The quantum computer according to the second aspect,
A resonator including a first region in which a physical system that carries a qubit is arranged and a solid medium including a second region different from the first region, and having a resonator mode that resonates with the physical system, A resonator in which the first region has a thickness smaller than that of the second region in a traveling direction of operation light for operating the physical system;
In a state where the physical system is coupled by the resonator mode, a light source unit that irradiates the physical system with operation light for operating the physical system,
A detector for detecting photons lost from the physical system or photons lost from the resonator mode,
Is provided.

[5]:[4]に記載した量子計算機において、前記操作光が入射する前記固体媒質の第1の面に第1の反射防止コーティングが施されており、前記操作光が出射する前記固体媒質の第2の面に第2の反射防止コーティングが施されており、前記第2の反射防止コーティングに対向して配置される光トラップまたは光吸収体をさらに備える。   [5]: In the quantum computer according to [4], the first surface of the solid medium on which the operation light enters is provided with a first antireflection coating, and the solid medium from which the operation light exits Has a second anti-reflection coating on the second surface thereof, and further includes a light trap or light absorber disposed opposite to the second anti-reflection coating.

[6]:第3の態様に係る量子計算機は、
量子ビットを担う物理系を含む固体媒質を備え、前記物理系と共鳴する共振器モードを有する共振器であって、前記物理系を操作するための操作光が入射する前記共振器の第1の面に反射防止コーティングが施されており、前記操作光が射出する前記共振器の第2の面に第2の反射防止コーティングが施されている、共振器と、
前記第2の反射防止コーティングに対向して配置される光トラップまたは光吸収体と、
前記物理系が前記共振器モードによって結合した状態で、前記操作光を前記物理系に照射する光源部と、
前記物理系から失われる光子または前記共振器モードから失われる光子を検出する検出器と、
を備える。
[6]: The quantum computer according to the third aspect,
A resonator comprising a solid medium including a physical system that carries a qubit, and having a resonator mode that resonates with the physical system, wherein the operation light for operating the physical system is incident on the first of the resonators. A resonator having an anti-reflection coating applied to a surface thereof, and a second anti-reflection coating applied to a second surface of the resonator from which the operation light is emitted;
A light trap or light absorber disposed opposite the second anti-reflection coating;
In a state where the physical system is coupled by the resonator mode, a light source unit that irradiates the physical system with the operation light,
A detector for detecting photons lost from the physical system or photons lost from the resonator mode,
Is provided.

[7]第4の態様に係る量子計算方法は、
量子ビットを担う物理系を含む固体媒質を備え、前記物理系と共鳴する共振器モードを有する共振器を用意することと、
前記物理系が前記共振器モードによって互いに結合した状態で、前記共振器モードの波面と交わる偏光方向を有する操作光を前記物理系に照射することと、
前記物理系から失われる光子または前記共振器モードから失われる光子を検出することと、
を備える。
[7] The quantum calculation method according to the fourth aspect,
Providing a resonator having a resonator mode that resonates with the physical system, comprising a solid medium including a physical system that carries the qubit,
In a state where the physical systems are coupled to each other by the resonator mode, irradiating the physical system with operation light having a polarization direction crossing the wavefront of the resonator mode,
Detecting photons lost from the physical system or photons lost from the resonator mode;
Is provided.

[8]:[7]に記載した量子計算方法において、前記固体媒質は、前記物理系が配置された第1の領域および前記第1の領域と異なる第2の領域を含み、前記第1の領域は、前記操作光の進行方向における厚さが前記第2の領域よりも薄い。   [8]: In the quantum calculation method according to [7], the solid medium includes a first region in which the physical system is arranged, and a second region different from the first region, wherein the first region is different from the first region. The region has a smaller thickness in the traveling direction of the operation light than the second region.

[9]:[7]または[8]に記載した量子計算方法において、前記操作光が入射する前記固体媒質の第1の面に第1の反射防止コーティングが施されており、前記操作光が出射する前記固体媒質の第2の面に第2の反射防止コーティングが施されており、前記第2の反射防止コーティングに対向して配置される光トラップまたは光吸収体を用意することをさらに備える。   [9]: The quantum calculation method according to [7] or [8], wherein a first antireflection coating is applied to a first surface of the solid medium on which the operation light is incident, and the operation light is A second surface of the solid medium that emits is provided with a second anti-reflection coating, and the method further includes providing an optical trap or a light absorber disposed opposite to the second anti-reflection coating. .

[10]:第5の態様に係る量子計算方法は、
量子ビットを担う物理系が配置された第1の領域および前記第1の領域と異なる第2の領域を含む固体媒質を備え、前記物理系と共鳴する共振器モードを有する共振器であって、前記第1の領域は、前記物理系を操作するための操作光の進行方向における厚さが前記第2の領域よりも薄い、共振器を用意することと、
前記物理系が前記共振器モードによって結合した状態で、前記物理系を操作するための操作光を前記物理系に照射することと、
前記物理系から失われる光子または前記共振器モードから失われる光子を検出することと、
を備える。
[10]: The quantum calculation method according to the fifth aspect,
A resonator including a first region in which a physical system that carries a qubit is arranged and a solid medium including a second region different from the first region, and having a resonator mode that resonates with the physical system, Preparing a resonator, wherein the first region has a thickness smaller than that of the second region in a traveling direction of operation light for operating the physical system;
In a state where the physical system is coupled by the resonator mode, irradiating the physical system with operation light for operating the physical system,
Detecting photons lost from the physical system or photons lost from the resonator mode;
Is provided.

[11]:[10]に記載した量子計算方法において、前記操作光が入射する前記固体媒質の第1の面に第1の反射防止コーティングが施されており、前記操作光が出射する前記固体媒質の第2の面に第2の反射防止コーティングが施されており、前記第2の反射防止コーティングに対向して配置される光トラップまたは光吸収体を用意することをさらに備える。   [11]: In the quantum calculation method according to [10], a first surface of the solid medium on which the operation light enters is provided with a first antireflection coating, and the solid from which the operation light exits is provided. A second surface of the medium is provided with a second anti-reflective coating, and the method further comprises providing a light trap or light absorber disposed opposite the second anti-reflective coating.

[12]:第6の態様に係る量子計算方法は、
量子ビットを担う物理系を含む固体媒質を備え、前記物理系と共鳴する共振器モードを有する共振器であって、前記物理系を操作するための操作光が入射する前記共振器の第1の面に反射防止コーティングが施されており、前記操作光が射出する前記共振器の第2の面に第2の反射防止コーティングが施されている、共振器を用意することと、
前記第2の反射防止コーティングに対向して配置される光トラップまたは光吸収体を用意することと、
前記物理系が前記共振器モードによって結合した状態で、前記操作光を前記物理系に照射することと、
前記物理系から失われる光子または前記共振器モードから失われる光子を検出することと、
を備える。
[12]: The quantum calculation method according to the sixth aspect,
A resonator comprising a solid medium including a physical system that carries a qubit, and having a resonator mode that resonates with the physical system, wherein the operation light for operating the physical system is incident on the first of the resonators. Preparing a resonator, wherein an anti-reflection coating is applied to a surface, and a second anti-reflection coating is applied to a second surface of the resonator from which the operation light is emitted;
Providing a light trap or light absorber disposed opposite the second anti-reflective coating;
Irradiating the operation light to the physical system while the physical system is coupled by the resonator mode;
Detecting photons lost from the physical system or photons lost from the resonator mode;
Is provided.

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。   While some embodiments of the invention have been described, these embodiments have been presented by way of example only, and are not intended to limit the scope of the inventions. These new embodiments can be implemented in other various forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and their equivalents.

10…共振器、11…複屈折結晶、12…球面ミラー、13…平面ミラー、30…屈折率楕円体、60…半導体レーザー、61…ビームスプリッタ、62…ミラー、63…音響光学素子、64…音響光学素子、65,66…ミラー、67…レンズ、68…クライオスタット、69…制御装置、70…共振器、71…固体媒質、72,73…球面ミラー、74…照射領域、77…入射面、78…出射面、80…共振器、81…固体媒質、82…球面ミラー、83…平面ミラー、84…照射領域、90…共振器、91…固体媒質、94…照射領域、100…共振器、101…固体媒質、102,103,104…球面ミラー、105…照射領域、110…共振器、111,112…反射防止コーティング、113…光トラップ、130…共振器、131…固体媒質、151…固体媒質、162,163…誘電体多層膜ミラー171,172…ピンホール、173,174…光検出器。   Reference Signs List 10 resonator, 11 birefringent crystal, 12 spherical mirror, 13 plane mirror, 30 index ellipsoid, 60 semiconductor laser, 61 beam splitter, 62 mirror, 63 acousto-optic element, 64 Acousto-optical element, 65, 66 mirror, 67 lens, 68 cryostat, 69 control device, 70 resonator, 71 solid medium, 72, 73 spherical mirror, 74 irradiation area, 77 incident surface, 78: outgoing surface, 80: resonator, 81: solid medium, 82: spherical mirror, 83: plane mirror, 84: irradiation area, 90: resonator, 91: solid medium, 94: irradiation area, 100: resonator DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Solid medium, 102, 103, 104 ... Spherical mirror, 105 ... Irradiation area, 110 ... Resonator, 111, 112 ... Antireflection coating, 113 ... Optical trap, 130 ... Resonator, 31 ... solid medium, 151 ... solid medium, 162, 163 ... dielectric multilayer film mirror 171 and 172 ... pinhole, 173, 174 ... photodetector.

Claims (12)

物理系を含む固体媒質を含み、前記物理系と共鳴する共振器モードを有する共振器と、
前記物理系が前記共振器モードによって結合されているときに、前記共振器モードの波面と交わる偏光方向を有する操作光を前記物理系に照射する光源部と、
前記物理系または前記共振器モードからの光子を検出する検出器と、
を備える量子計算機。
A resonator including a solid medium including a physical system and having a resonator mode that resonates with the physical system,
When the physical system is coupled by the resonator mode, a light source unit that irradiates the physical system with operation light having a polarization direction crossing the wavefront of the resonator mode,
A detector for detecting photons from the physical system or the resonator mode,
Quantum computer with.
前記固体媒質は、前記物理系が配置された第1の領域および前記第1の領域と異なる第2の領域を含み、前記第1の領域は、前記操作光の進行方向における厚さが前記第2の領域よりも薄い、請求項1に記載の量子計算機。   The solid medium includes a first region in which the physical system is disposed and a second region different from the first region, and the first region has a thickness in the traveling direction of the operation light that is equal to the thickness of the second region. 2. The quantum computer according to claim 1, wherein the quantum computer is thinner than the second region. 物理系が配置された第1の領域および前記第1の領域と異なる第2の領域を含む固体媒質を含み、前記物理系と共鳴する共振器モードを有する共振器であって、前記第1の領域は、前記物理系を操作するための操作光の進行方向における厚さが前記第2の領域よりも薄い、共振器と、
前記物理系が前記共振器モードによって結合されているときに、前記操作光を前記物理系に照射する光源部と、
前記物理系または前記共振器モードからの光子を検出する検出器と、
を備える量子計算機。
A resonator comprising a solid medium including a first region in which a physical system is arranged and a second region different from the first region, and having a resonator mode that resonates with the physical system, A region having a thickness smaller in a traveling direction of operation light for operating the physical system than the second region, a resonator;
When the physical system is coupled by the resonator mode, a light source unit that irradiates the physical system with the operation light,
A detector for detecting photons from the physical system or the resonator mode,
Quantum computer with.
前記操作光が入射する前記固体媒質の第1の面に施された第1の反射防止コーティングと、
前記操作光が出射する前記固体媒質の第2の面に施された第2の反射防止コーティングと、
前記第2の反射防止コーティングに対向して配置される光トラップまたは光吸収体と、
をさらに備える請求項1乃至3のいずれか1項に記載の量子計算機。
A first anti-reflection coating applied to a first surface of the solid medium on which the operation light is incident;
A second antireflection coating applied to a second surface of the solid medium from which the operation light is emitted;
A light trap or light absorber disposed opposite the second anti-reflection coating;
The quantum computer according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
物理系を含む固体媒質を含み、前記物理系と共鳴する共振器モードを有する共振器であって、前記物理系を操作するための操作光が入射する前記共振器の第1の面に反射防止コーティングが施されており、前記操作光が射出する前記共振器の第2の面に第2の反射防止コーティングが施されている、共振器と、
前記第2の反射防止コーティングに対向して配置される光トラップまたは光吸収体と、
前記物理系が前記共振器モードによって結合されているときに、前記操作光を前記物理系に照射する光源部と、
前記物理系または前記共振器モードからの光子を検出する検出器と、
を備える量子計算機。
A resonator including a solid medium including a physical system and having a resonator mode that resonates with the physical system, wherein an anti-reflection is applied to a first surface of the resonator on which operation light for operating the physical system is incident. A resonator, wherein a second anti-reflection coating is applied to a second surface of the resonator from which the operation light is emitted, and
A light trap or light absorber disposed opposite the second anti-reflection coating;
When the physical system is coupled by the resonator mode, a light source unit that irradiates the physical system with the operation light,
A detector for detecting photons from the physical system or the resonator mode,
Quantum computer with.
前記物理系は量子ビットとして使用される、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の量子計算機。   The quantum computer according to claim 1, wherein the physical system is used as a qubit. 前記光子は前記物理系から失われる光子または前記共振器モードから失われる光子である、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の量子計算機。   The quantum computer according to claim 1, wherein the photon is a photon lost from the physical system or a photon lost from the resonator mode. 物理系を含む固体媒質を含み、前記物理系と共鳴する共振器モードを有する共振器を用意することと、
前記物理系が前記共振器モードによって結合されているときに、前記共振器モードの波面と交わる偏光方向を有する操作光を前記物理系に照射することと、
前記物理系または前記共振器モードからの光子を検出することと、
を備える量子計算方法。
Including a solid medium including a physical system, preparing a resonator having a resonator mode that resonates with the physical system,
When the physical system is coupled by the resonator mode, irradiating the physical system with operation light having a polarization direction crossing the wavefront of the resonator mode,
Detecting photons from the physical system or the resonator mode;
A quantum computation method comprising:
前記固体媒質は、前記物理系が配置された第1の領域および前記第1の領域と異なる第2の領域を含み、前記第1の領域は、前記操作光の進行方向における厚さが前記第2の領域よりも薄い、請求項8に記載の量子計算方法。   The solid medium includes a first region in which the physical system is disposed and a second region different from the first region, and the first region has a thickness in the traveling direction of the operation light that is equal to the thickness of the second region. The quantum calculation method according to claim 8, wherein the quantum calculation method is thinner than the second region. 物理系が配置された第1の領域および前記第1の領域と異なる第2の領域を含む固体媒質を含み、前記物理系と共鳴する共振器モードを有する共振器であって、前記第1の領域は、前記物理系を操作するための操作光の進行方向における厚さが前記第2の領域よりも薄い、共振器を用意することと、
前記物理系が前記共振器モードによって結合されているときに、前記操作光を前記物理系に照射することと、
前記物理系または前記共振器モードからの光子を検出することと、
を備える量子計算方法。
A resonator comprising a solid medium including a first region in which a physical system is arranged and a second region different from the first region, and having a resonator mode that resonates with the physical system, Preparing a resonator in which the region has a thickness smaller than that of the second region in a traveling direction of operation light for operating the physical system;
Irradiating the physical system with the operation light when the physical system is coupled by the resonator mode;
Detecting photons from the physical system or the resonator mode;
A quantum computation method comprising:
前記操作光が入射する前記固体媒質の第1の面に第1の反射防止コーティングが施されており、前記操作光が出射する前記固体媒質の第2の面に第2の反射防止コーティングが施されており、前記第2の反射防止コーティングに対向して配置される光トラップまたは光吸収体を用意することをさらに備える請求項8乃至10のいずれか1項に記載の量子計算方法。   A first antireflection coating is applied to a first surface of the solid medium on which the operation light is incident, and a second antireflection coating is applied to a second surface of the solid medium from which the operation light is emitted. The quantum calculation method according to any one of claims 8 to 10, further comprising preparing an optical trap or a light absorber disposed opposite to the second anti-reflection coating. 物理系を含む固体媒質を含み、前記物理系と共鳴する共振器モードを有する共振器であって、前記物理系を操作するための操作光が入射する前記共振器の第1の面に反射防止コーティングが施されており、前記操作光が射出する前記共振器の第2の面に第2の反射防止コーティングが施されている、共振器を用意することと、
前記第2の反射防止コーティングに対向して配置される光トラップまたは光吸収体を用意することと、
前記物理系が前記共振器モードによって結合されているときに、前記操作光を前記物理系に照射することと、
前記物理系または前記共振器モードからの光子を検出することと、
を備える量子計算方法。
A resonator including a solid medium including a physical system and having a resonator mode that resonates with the physical system, wherein an anti-reflection is applied to a first surface of the resonator on which operation light for operating the physical system is incident. Providing a resonator, wherein the resonator is coated, and a second antireflection coating is applied to a second surface of the resonator from which the operation light is emitted;
Providing a light trap or light absorber disposed opposite the second anti-reflective coating;
Irradiating the physical system with the operation light when the physical system is coupled by the resonator mode;
Detecting photons from the physical system or the resonator mode;
A quantum computation method comprising:
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