JP2023168069A - Quantum arithmetic unit and quantum computing unit - Google Patents

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Abstract

To realize a quantum arithmetic unit having both functions of quantum operation, and an imparting function of entanglement with a quantum system to a photon having a wavelength different from that of a photon used for the quantum operation.SOLUTION: A quantum arithmetic unit includes: a nano optical fiber (20); and a quantum system (22) disposed on the nano optical fiber. The quantum system includes a ground level, a first excitation level, a second excitation level, and a third excitation level having energy differing from that of the second excitation level, and a first resonance wavelength (λ1) equivalent to a level difference between the ground level and the first excitation level and a second resonance level (λ2) equivalent to a level difference between the second excitation level and the third excitation level differ mutually. The quantum system also mutually operates with a first photon having a first resonance wavelength, and further generates a second photon that has an entanglement with the quantum system and has a second resonance wavelength in the nano optical fiber.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は量子演算ユニット、および当該量子演算ユニットを備えた量子演算器に関する。 The present disclosure relates to a quantum operation unit and a quantum operation unit including the quantum operation unit.

近年、原子、イオン、ダイヤモンドNV中心、半導体量子ドット等を量子系として含む量子演算ユニットを備えた量子演算器が考案されている。例えば、当該量子演算器の複数の量子演算ユニットを量子チャネルにて接続することにより、当該量子演算ユニットは、長距離量子通信のための量子中継器、または、分散型量子演算器の量子演算ユニットとして利用することができる。 In recent years, quantum computing devices have been devised that include quantum computing units that include atoms, ions, diamond NV centers, semiconductor quantum dots, etc. as quantum systems. For example, by connecting multiple quantum computing units of the quantum computing device through a quantum channel, the quantum computing unit can be used as a quantum repeater for long-distance quantum communication, or as a quantum computing unit of a distributed quantum computing device. It can be used as

ここで、量子演算ユニットを用いた量子演算は、例えば、量子系における量子情報の保持と、量子系に対する量子状態操作とを利用して実行される。ここで、上記量子演算を行うためには、量子系の準位のうち、ある程度長いコヒーレンス時間を有する準位を利用する必要がある。したがって、量子演算ユニットを用いた量子演算は、通常、量子系の基底準位と励起準位との間の遷移が利用され、当該遷移と共鳴する光の波長は、多くは1.0μm未満である。 Here, the quantum operation using the quantum operation unit is executed by using, for example, retention of quantum information in the quantum system and quantum state manipulation for the quantum system. Here, in order to perform the above-mentioned quantum operation, it is necessary to use a level having a relatively long coherence time among the levels of the quantum system. Therefore, quantum operations using a quantum operation unit usually utilize the transition between the ground level and the excited level of a quantum system, and the wavelength of light that resonates with the transition is often less than 1.0 μm. be.

一方、量子演算ユニット同士を接続する量子チャネルには光ファイバが用いられることが多い。この場合、光ファイバにおける量子情報の損失を十分に低減するために、光ファイバ中を伝搬する光子の波長は、一般に通信波長帯とも呼称される、1.3μm~1.6μmの波長帯に含まれることが求められる。 On the other hand, optical fibers are often used for quantum channels that connect quantum processing units. In this case, in order to sufficiently reduce the loss of quantum information in the optical fiber, the wavelength of the photon propagating in the optical fiber falls within the wavelength band of 1.3 μm to 1.6 μm, which is also generally called the communication wavelength band. You are required to be able to

したがって、量子演算ユニットを用いた量子演算と、量子演算ユニット同士の間における低損失の量子通信とを両立するためには、量子演算ユニットから出力される光子の波長を通信波長帯に変換する、量子波長変換が必要であった。非特許文献1~3は、光子の波長を変換する量子波長変換器を開示する。 Therefore, in order to achieve both quantum computation using quantum computation units and low-loss quantum communication between quantum computation units, it is necessary to convert the wavelength of photons output from the quantum computation units into a communication wavelength band. Quantum wavelength conversion was required. Non-Patent Documents 1 to 3 disclose quantum wavelength converters that convert the wavelength of photons.

R. Ikuta et al., "Wide-band quantum interface for visible-to-telecommunication wavelength conversion", Nature Communications 2, 537 (2011)R. Ikuta et al., "Wide-band quantum interface for visible-to-telecommunication wavelength conversion", Nature Communications 2, 537 (2011) S. Zaske et al., “Visible-to-Telecom Quantum Frequency Conversion of Light from a Single Quantum Emitter”, Phys. Rev. Lett. 109, 147404 (2012)S. Zaske et al., “Visible-to-Telecom Quantum Frequency Conversion of Light from a Single Quantum Emitter”, Phys. Rev. Lett. 109, 147404 (2012) K. De Greve et al., “Quantum-dot spin-photon entanglement via frequency downconversion to telecom wavelength”, Nature 491, 421 (2012)K. De Greve et al., “Quantum-dot spin-photon entanglement via frequency downconversion to telecom wavelength”, Nature 491, 421 (2012)

非特許文献1~3に記載された量子波長変換器を量子演算器に導入すると、量子演算器の構造が複雑となる。また、非特許文献1~3に記載された量子波長変換器による量子波長変換を行う際には、ノイズの混入、または光子の損失等が生じる場合がある。 When the quantum wavelength converters described in Non-Patent Documents 1 to 3 are introduced into a quantum computing unit, the structure of the quantum computing unit becomes complicated. Further, when performing quantum wavelength conversion using the quantum wavelength converters described in Non-Patent Documents 1 to 3, noise may be mixed in, photon loss, etc. may occur.

上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係る量子演算ユニットは、光子を伝搬する光ファイバとテーパー部を介して接続するナノ光ファイバと、前記ナノ光ファイバ上に配置された量子系とを備え、前記量子系は、基底準位と、第1励起準位と、第2励起準位と、前記第2励起準位と異なるエネルギーを有する第3励起準位とを有し、前記基底準位と前記第1励起準位との準位差に相当する第1共鳴波長と前記第2励起準位と前記第3励起準位との準位差に相当する第2共鳴波長とが互いに異なり、前記量子系は前記第1共鳴波長を有する第1光子と相互作用し、前記量子系とエンタングルメントを有し、かつ、前記第2共鳴波長を有する第2光子を前記ナノ光ファイバに生成する。 In order to solve the above problems, a quantum operation unit according to one aspect of the present disclosure includes a nano-optical fiber that connects to an optical fiber that propagates photons via a tapered part, and a quantum computing unit that is arranged on the nano-optical fiber. The quantum system has a ground level, a first excited level, a second excited level, and a third excited level having a different energy from the second excited level, a first resonance wavelength corresponding to a level difference between the ground level and the first excited level; and a second resonance wavelength corresponding to the level difference between the second excited level and the third excited level. are different from each other, the quantum system interacts with a first photon having the first resonant wavelength, is entangled with the quantum system, and transmits a second photon having the second resonant wavelength to the nano-optical fiber. to be generated.

量子演算と当該量子演算に用いた第1光子と異なる波長を有する第2光子への量子系とのエンタングルメントの付与機能との双方の機能を備えた量子演算ユニットを、量子波長変換器を用いずに実現できる。当該量子演算ユニットにより、量子波長変換器を不要としつつ、異なる波長を有する光子間にエンタングルメントを付与できる量子演算器を実現できる。 A quantum calculation unit that has both the functions of quantum calculation and the function of imparting entanglement with the quantum system to a second photon having a wavelength different from the first photon used for the quantum calculation is created using a quantum wavelength converter. It can be achieved without With this quantum operation unit, it is possible to realize a quantum operation unit that can impart entanglement between photons having different wavelengths while eliminating the need for a quantum wavelength converter.

本開示の実施形態に係る量子演算ユニットの共振器QED系の近傍を拡大した概略図、および、当該量子系の各準位を示すエネルギーダイヤグラムである。FIG. 2 is an enlarged schematic diagram of the vicinity of a resonator QED system of a quantum operation unit according to an embodiment of the present disclosure, and an energy diagram showing each level of the quantum system. 本開示の実施形態に係る量子演算器の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a quantum computing unit according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態に係る単一光子源の拡大概略図である。1 is an enlarged schematic diagram of a single photon source according to an embodiment of the present disclosure; FIG. 本開示の実施形態に係る量子演算器の第1の運用形態を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a first operational mode of a quantum computing unit according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態に係る量子演算器の第1の運用形態における、量子演算ユニットの量子系における遷移過程を示すエネルギーダイヤグラムである。It is an energy diagram showing a transition process in a quantum system of a quantum operation unit in a first operation mode of a quantum operation unit according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態に係る量子演算器の第2の運用形態を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a second operational form of a quantum computing unit according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態に係る量子演算器の第2の運用形態における、量子演算ユニットの量子系における遷移過程を示すエネルギーダイヤグラムである。It is an energy diagram showing the transition process in the quantum system of the quantum operation unit in the second operation mode of the quantum operation unit according to the embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態に係る量子演算器の第2の運用形態における、量子演算ユニットの量子系における遷移過程の他の例を示すエネルギーダイヤグラムである。It is an energy diagram showing another example of the transition process in the quantum system of the quantum operation unit in the second operation mode of the quantum operation unit according to the embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態に係る量子演算器の第2の運用形態における、量子演算ユニットの量子系における遷移過程の他の例を示すエネルギーダイヤグラムである。It is an energy diagram showing another example of the transition process in the quantum system of the quantum operation unit in the second operation mode of the quantum operation unit according to the embodiment of the present disclosure.

〔実施形態〕
<量子演算器>
本実施形態に係る量子演算器2について、図2を参照し説明する。図2は本実施形態に係る量子演算器2を示す概略図である。図2に示すように、量子演算器2は、複数の量子演算ユニット4、単一光子源6、偏光ビームスプリッタ8、および第1単一光子検出器10と、少なくとも一つのハーフビームスプリッタ12、および第2単一光子検出器14とを備える。また、量子演算器2は、上述の各部材間において単一光子を伝搬させる単一モードの光ファイバFを備える。
[Embodiment]
<Quantum computing unit>
The quantum computing unit 2 according to this embodiment will be explained with reference to FIG. 2. FIG. 2 is a schematic diagram showing the quantum computing unit 2 according to this embodiment. As shown in FIG. 2, the quantum computing unit 2 includes a plurality of quantum computing units 4, a single photon source 6, a polarizing beam splitter 8, a first single photon detector 10, at least one half beam splitter 12, and a second single photon detector 14. Further, the quantum computing unit 2 includes a single mode optical fiber F that propagates a single photon between each of the above-mentioned members.

本実施形態に係る量子演算ユニット4は、共振器QED(量子電気力学:quantum electrodynamics)系16と、レーザ光源18とを含む。共振器QED系16は、量子系を含み、当該量子系を用いた量子演算を実現するためのユニットである。レーザ光源18は、共振器QED系16を用いた量子演算のために、共振器QED系16の量子系にレーザ光を照射するための光源である。レーザ光源18の詳細については後述する。 The quantum operation unit 4 according to this embodiment includes a resonator QED (quantum electrodynamics) system 16 and a laser light source 18. The resonator QED system 16 is a unit that includes a quantum system and implements quantum operations using the quantum system. The laser light source 18 is a light source for irradiating the quantum system of the resonator QED system 16 with laser light for quantum computation using the resonator QED system 16. Details of the laser light source 18 will be described later.

<共振器QED系>
共振器QED系16について、図1を参照しより詳細に説明する。図1は、共振器QED系16の近傍を拡大して示す概略図、および、当該共振器QED系16が含む量子系の各準位を示すエネルギーダイヤグラムD1である。
<Resonator QED system>
The resonator QED system 16 will be explained in more detail with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing an enlarged view of the vicinity of the resonator QED system 16, and an energy diagram D1 showing each level of the quantum system included in the resonator QED system 16.

図1に示すように、共振器QED系16は、ナノ光ファイバ20と少なくとも一つの量子系22とを含む。ナノ光ファイバ20は、両端に位置するテーパー部24を介して単一モードの光ファイバFと接続する。このため、単一モードの光ファイバFを伝搬する光子はテーパー部24を介してナノ光ファイバ20中を伝搬する。 As shown in FIG. 1, resonator QED system 16 includes a nano-optical fiber 20 and at least one quantum system 22. As shown in FIG. The nano-optical fiber 20 is connected to a single-mode optical fiber F via tapered portions 24 located at both ends. Therefore, photons propagating through the single mode optical fiber F propagate through the nano-optical fiber 20 via the tapered portion 24.

なお、光ファイバFは、図1に示すように、コア部FAと、該コア部FAの周囲のクラッド部FBとを含み、コア部FAにおいて光子を伝搬させてもよい。また、ナノ光ファイバ20は、光ファイバFの一部分をセラミックヒータ、または酸素水炎等を含む種々の加熱方法により加熱しつつ、加熱部分を両端から引張することにより、当該加熱部分に形成されてもよい。この場合、ナノ光ファイバ20についても、光子を伝搬させるコア部と、コア部周囲のクラッド部とを含んでいてもよい。 Note that, as shown in FIG. 1, the optical fiber F may include a core portion FA and a cladding portion FB around the core portion FA, and photons may be propagated in the core portion FA. Further, the nano-optical fiber 20 is formed in the heated portion by heating a portion of the optical fiber F using a ceramic heater or various heating methods including oxygen-water flame, etc., and pulling the heated portion from both ends. Good too. In this case, the nano-optical fiber 20 may also include a core portion for propagating photons and a cladding portion around the core portion.

量子系22は、ナノ光ファイバ20上に配置されている。量子系22は、例えば、複数の準位を有する。例えば、量子系22は、図1のエネルギーダイヤグラムD1に示すように、基底準位としての第1基底準位gおよび第2基底準位uと、励起準位としての第1励起準位e、第2励起準位e、および第3励起準位eを有する。第1励起準位e、第2励起準位e、および第3励起準位eは、第1基底準位gおよび第2基底準位uよりも高いエネルギーを有する。 Quantum system 22 is placed on nano-optical fiber 20 . The quantum system 22 has, for example, a plurality of levels. For example, as shown in the energy diagram D1 of FIG. 1, the quantum system 22 has a first ground level g and a second ground level u as ground levels, and a first excited level e 1 as an excited level. , a second excited level e 2 , and a third excited level e 3 . The first excited level e 1 , the second excited level e 2 , and the third excited level e 3 have higher energy than the first ground level g and the second ground level u.

ここで、少なくとも第2励起準位eと第3励起準位eとは互いに異なるエネルギーを有する。特に、図1のエネルギーダイヤグラムD1に示すように、第2励起準位eは第1励起準位eおよび第3励起準位eよりも高いエネルギーを有していてもよい。ただし、第1励起準位eは、第2励起準位eおよび第3励起準位eの何れかと縮退していてもよく、あるいは、第2励起準位eおよび第3励起準位eの何れかと同一の準位であってもよい。また、量子系22が含む各準位は磁気副準位を有していてもよい。 Here, at least the second excited level e 2 and the third excited level e 3 have different energies. In particular, as shown in the energy diagram D1 of FIG. 1, the second excited level e2 may have a higher energy than the first excited level e1 and the third excited level e3 . However, the first excited level e1 may be degenerate with either the second excited level e2 or the third excited level e3 , or the second excited level e2 and the third excited level e3 may be degenerate with each other. It may be at the same level as any of the levels e and 3 . Further, each level included in the quantum system 22 may have a magnetic sublevel.

本明細書において、第1基底準位gおよび第2基底準位uのそれぞれに対応する量子系22の状態を、それぞれ、状態|g>および状態|u>とする。また、第1励起準位e、第2励起準位e、および第3励起準位eのそれぞれに対応する量子系22の状態を、それぞれ、状態|e>、状態|e>、および状態|e>とする。 In this specification, the states of the quantum system 22 corresponding to the first ground level g and the second ground level u are defined as a state |g> and a state |u>, respectively. Further, the states of the quantum system 22 corresponding to the first excited level e 1 , the second excited level e 2 , and the third excited level e 3 are respectively expressed as state |e 1 > and state |e 2 >, and the state |e 3 >.

ここで、一般に、状態|g>および状態|u>は、状態|e>、状態|e>、および状態|e>と比較して安定であり、コヒーレンス時間が長い。このため、第1基底準位gおよび第2基底準位uは、量子状態を比較的長時間保持する量子メモリとして機能させることができる。 Here, in general, the state |g> and the state |u> are stable and have a long coherence time compared to the state |e 1 >, the state |e 2 >, and the state |e 3 >. Therefore, the first ground level g and the second ground level u can function as a quantum memory that retains a quantum state for a relatively long time.

図1のエネルギーダイヤグラムD1に示すように、状態|g>から状態|e>への遷移に共鳴する波長を第1共鳴波長λとし、状態|e>と状態|e>との遷移に共鳴する波長を第2共鳴波長λとする。なお、本明細書において、ある準位間の遷移に共鳴する波長とは、当該準位間のエネルギー差に対応するエネルギーを有する光子の波長を指し、換言すれば、当該準位間の準位差に相当する波長である。換言すれば、第1基底準位gと第1励起準位eとのエネルギー差に相当する波長を第1共鳴波長λとし、第2励起準位eと第3励起準位eとのエネルギー差に相当する波長を第2共鳴波長λとする。 As shown in the energy diagram D1 of FIG. 1, the wavelength that resonates with the transition from state |g> to state |e 1 > is the first resonance wavelength λ 1 , and the transition between state |e 2 > and state |e 3 > Let the wavelength that resonates with the transition be the second resonant wavelength λ 2 . Note that in this specification, the wavelength that resonates with the transition between certain levels refers to the wavelength of a photon that has energy corresponding to the energy difference between the levels, in other words, the wavelength that resonates with the transition between the levels. This is the wavelength corresponding to the difference. In other words, the wavelength corresponding to the energy difference between the first ground level g and the first excited level e1 is the first resonance wavelength λ1 , and the second excited level e2 and the third excited level e3 Let the wavelength corresponding to the energy difference between the two resonant wavelengths λ 2 be the second resonant wavelength λ 2 .

ここで、第1基底準位gと第1励起準位eとのエネルギー差と、第2励起準位eと第3励起準位eとのエネルギー差とは、互いに異なっている。このため、第1共鳴波長λと第2共鳴波長λとは互いに異なる。特に、第1基底準位gと第1励起準位eとのエネルギー差は、第2励起準位eと第3励起準位eとのエネルギー差よりも大きくともよい。この場合、第2共鳴波長λは第1共鳴波長λよりも長くなる。例えば、第1共鳴波長λは、1.0μm未満であり、第2共鳴波長λは、1.3μm以上1.6μm以下である。 Here, the energy difference between the first ground level g and the first excited level e 1 and the energy difference between the second excited level e 2 and the third excited level e 3 are different from each other. Therefore, the first resonant wavelength λ 1 and the second resonant wavelength λ 2 are different from each other. In particular, the energy difference between the first ground level g and the first excited level e1 may be larger than the energy difference between the second excited level e2 and the third excited level e3 . In this case, the second resonant wavelength λ 2 is longer than the first resonant wavelength λ 1 . For example, the first resonant wavelength λ 1 is less than 1.0 μm, and the second resonant wavelength λ 2 is 1.3 μm or more and 1.6 μm or less.

なお、本実施形態において、状態|e>から状態|e>への遷移に共鳴する波長を第3共鳴波長λとし、状態|g>から状態|e>への遷移に共鳴する波長を第4共鳴波長λとする。さらに、状態|g>から状態|e>への遷移に共鳴する波長を第5共鳴波長λとする。 In this embodiment, the wavelength that resonates with the transition from the state |e 1 > to the state |e 2 > is defined as the third resonance wavelength λ 3 , and the wavelength that resonates with the transition from the state |g> to the state |e 3 > Let the wavelength be the fourth resonance wavelength λ 4 . Furthermore, the wavelength that resonates with the transition from the state |g> to the state |e 2 > is defined as a fifth resonant wavelength λ 5 .

本実施形態において、量子系22は、例えば、セシウム原子であってもよい。この場合、本実施形態において、状態|g>には61/2,F=4状態、状態|u>には61/2,F=3状態を充てることができる。また、本実施形態において、状態|e>には63/2,F=3状態、状態|e>には71/2,F=4状態、状態|e>には61/2,F=3状態を充てることができる。 In this embodiment, the quantum system 22 may be, for example, a cesium atom. In this case, in this embodiment, the state |g> can be filled with 6 2 S 1/2 , F=4 states, and the state |u> can be filled with 6 2 S 1/2 , F=3 states. Further, in this embodiment, the state |e 1 > has 6 2 P 3/2 , F=3 states, and the state |e 2 > has 7 2 S 1/2 , F=4 states, the state |e 3 > can be filled with 6 2 P 1/2 , F=3 states.

量子系22の各準位が、図1のエネルギーダイヤグラムD1に示す状態をとる場合、第1基底準位gと第1励起準位eとのエネルギー差に対応する第1共鳴波長λは、852nmである。また、第2励起準位eと第3励起準位eとのエネルギー差に対応する第2共鳴波長λは、1470nmであり、第1基底準位gと第3励起準位eとのエネルギー差に対応する第4共鳴波長λは、894nmである。 When each level of the quantum system 22 takes the state shown in the energy diagram D1 of FIG. 1, the first resonance wavelength λ 1 corresponding to the energy difference between the first ground level g and the first excited level e 1 is , 852 nm. Further, the second resonance wavelength λ 2 corresponding to the energy difference between the second excitation level e 2 and the third excitation level e 3 is 1470 nm, and the second resonance wavelength λ 2 corresponding to the energy difference between the first base level g and the third excitation level e 3 is 1470 nm. The fourth resonant wavelength λ 4 corresponding to the energy difference between the two is 894 nm.

量子系22は、ナノ光ファイバ20を伝搬する、第1共鳴波長λを有する第1光子と相互作用する。より具体的には、量子系22は、ナノ光ファイバ20を伝搬する第1光子との相互作用により状態遷移が生じる。量子系22とナノ光ファイバ20を伝搬する第1光子との相互作用は、ナノ光ファイバ20を第1光子が伝搬することによりナノ光ファイバ20から染み出すエバネッセント波が量子系22と相互作用することにより生じてもよい。 The quantum system 22 interacts with a first photon having a first resonant wavelength λ 1 that propagates through the nano-optical fiber 20 . More specifically, state transition occurs in the quantum system 22 due to interaction with the first photon propagating through the nano-optical fiber 20. The interaction between the quantum system 22 and the first photon propagating through the nano-optical fiber 20 is such that when the first photon propagates through the nano-optical fiber 20, an evanescent wave seeping out from the nano-optical fiber 20 interacts with the quantum system 22. It may also occur due to

ここで、本明細書において、『量子系22がナノ光ファイバ20に配置される』とは、量子系22がナノ光ファイバ20と接触していることのみを指さない。例えば、本実施形態において、量子系22とナノ光ファイバ20を伝搬する第1光子との相互作用が可能な程度に、量子系22はナノ光ファイバ20と間隔を空けて配置されていてもよい。 Here, in this specification, "the quantum system 22 is arranged on the nano-optical fiber 20" does not mean only that the quantum system 22 is in contact with the nano-optical fiber 20. For example, in this embodiment, the quantum system 22 may be spaced apart from the nano-optical fiber 20 to the extent that interaction between the quantum system 22 and the first photon propagating through the nano-optical fiber 20 is possible. .

また、量子系22は、第2共鳴波長λを有する第2光子をナノ光ファイバ20中に生成する。特に、量子系22から生成された第2光子は、量子系22の状態と相関を有し、換言すれば、量子系22とエンタングルメントを有する。量子系22からの第2光子の詳細な生成方法については後述する。 The quantum system 22 also generates a second photon having a second resonant wavelength λ 2 in the nano-optical fiber 20 . In particular, the second photon generated from the quantum system 22 has a correlation with the state of the quantum system 22, in other words, it has entanglement with the quantum system 22. A detailed method of generating the second photon from the quantum system 22 will be described later.

なお、本実施形態においては、量子系22が上述した準位を有するセシウム原子である例を記載するが、これに限られない。例えば、量子系22は、基底準位、第1励起準位、第2励起準位、および第2励起準位と異なるエネルギーを有する第3励起準位を有する限り、量子演算に用いられる種々の量子系を含んでいてもよい。例えば、量子系22は、原子の他、イオン、窒素欠陥を有するダイヤモンド粒子、または量子ドット等を含んでいてもよい。 In this embodiment, an example will be described in which the quantum system 22 is a cesium atom having the above-mentioned levels, but the present invention is not limited to this. For example, as long as the quantum system 22 has a ground level, a first excited level, a second excited level, and a third excited level that has a different energy from the second excited level, it can be used for various types of quantum operations. May include quantum systems. For example, the quantum system 22 may include ions, diamond particles having nitrogen defects, quantum dots, etc. in addition to atoms.

<共振器>
図1の共振器QED系16の参照に戻ると、共振器QED系16は、さらに、ナノ光ファイバ20の内部または光ファイバFの内部に位置する第1共振器26と第2共振器28とを含む。第1共振器26と第2共振器28とは、それぞれの共振光路の少なくとも一部がナノ光ファイバ20を含むように構成される。第1共振器26は第1共鳴波長λを共振波長に有し、第2共振器28は第2共鳴波長λを共振波長に有する。したがって、量子系22は、第1共振器26中を伝搬する第1光子と相互作用し、また、量子系22は、第2共振器28中に第2光子を生成する。
<Resonator>
Returning to the resonator QED system 16 of FIG. 1, the resonator QED system 16 further includes a first resonator 26 and a second resonator 28 located inside the nano-optical fiber 20 or inside the optical fiber F. including. The first resonator 26 and the second resonator 28 are configured such that at least a portion of each resonant optical path includes the nano-optical fiber 20. The first resonator 26 has a first resonant wavelength λ 1 as a resonant wavelength, and the second resonator 28 has a second resonant wavelength λ 2 as a resonant wavelength. Quantum system 22 thus interacts with a first photon propagating in first resonator 26 and quantum system 22 also generates a second photon in second resonator 28 .

第1共振器26および第2共振器28のそれぞれは、例えば、ナノ光ファイバ20と接続する2つの光ファイバFのそれぞれに形成された、一対の第1ファイバブラッグ格子30、および第2ファイバブラッグ格子32を含む。第1ファイバブラッグ格子30および第2ファイバブラッグ格子32は、それぞれ、反射帯域に第1共鳴波長λおよび第2共鳴波長λを含む。一対の第1ファイバブラッグ格子30および第2ファイバブラッグ格子32は、それぞれ、伝搬する第1光子および第2光子が一往復する光路長が、各光子の波長の整数倍となるように配置される。 Each of the first resonator 26 and the second resonator 28 includes, for example, a pair of first fiber Bragg gratings 30 and a second fiber Bragg grating formed on each of two optical fibers F connected to the nano-optical fiber 20. It includes a grid 32. The first fiber Bragg grating 30 and the second fiber Bragg grating 32 each include a first resonant wavelength λ 1 and a second resonant wavelength λ 2 in their reflection bands. The pair of first fiber Bragg gratings 30 and second fiber Bragg gratings 32 are arranged such that the optical path length of the propagating first photon and second photon in one round trip is an integral multiple of the wavelength of each photon. .

なお、第1ファイバブラッグ格子30と第2ファイバブラッグ格子32との少なくとも一方は、光ファイバFではなくナノ光ファイバ20中に形成されていてもよい。ナノ光ファイバ20中に形成された第1ファイバブラッグ格子30または第2ファイバブラッグ格子32は、ナノ光ファイバ20の一部に周期的な欠陥を形成する等の方法により形成されたフォトニック結晶を有していてもよい。 Note that at least one of the first fiber Bragg grating 30 and the second fiber Bragg grating 32 may be formed in the nano-optical fiber 20 instead of the optical fiber F. The first fiber Bragg grating 30 or the second fiber Bragg grating 32 formed in the nano optical fiber 20 is a photonic crystal formed by a method such as forming periodic defects in a part of the nano optical fiber 20. may have.

<量子ビット>
本実施形態において、状態|g>から状態|e>への遷移に共鳴する第1共鳴波長λを共鳴波長として有するために、第1共振器26は、状態|g>から状態|e>への遷移と結合する。一方、第1共振器26は、状態|u>から状態|e>への遷移とは結合していない。また、本実施形態において、状態|e>から状態|e>への遷移に共鳴する第2共鳴波長λを共鳴波長として有するために、第2共振器28は、状態|e>から状態|e>への遷移と結合する。
<Quantum bit>
In this embodiment, in order to have the first resonant wavelength λ 1 that resonates with the transition from the state |g> to the state |e 1 > as the resonant wavelength, the first resonator 26 is configured to move from the state |g> to the state |e 1 Combines with the transition to >. On the other hand, the first resonator 26 is not coupled to the transition from state |u> to state |e 1 >. Furthermore, in this embodiment, since the second resonant wavelength λ 2 that resonates with the transition from the state |e 2 > to the state |e 3 > is the resonant wavelength, the second resonator 28 has the second resonant wavelength λ 2 that resonates with the transition from the state |e 2 > to the state |e 3 >. is coupled with the transition from to state |e 3 >.

ただし、例えば、状態|g>および状態|u>から状態|e>へのそれぞれの遷移に共鳴するコントロール光を量子系22に照射することにより、量子系22において2光子誘導ラマン過程を発生させることができる。あるいは、状態|g>から状態|u>への遷移に共鳴する電磁波を量子系22に照射してもよい。このように、量子系22にある特定振幅のレーザ光源18からのコントロール光を照射することにより、状態|u>から状態|e>への遷移も制御することができる。ここで、レーザ光源18から量子系22に照射されるコントロール光は、状態|g>から状態|e>への遷移に対応する波長を有するレーザ光と、状態|u>から状態|e>への遷移に対応する波長を有するレーザ光とを含んでいてもよい。 However, for example, by irradiating the quantum system 22 with control light that resonates with each transition from state |g> and state |u> to state |e 1 >, a two-photon stimulated Raman process is generated in the quantum system 22. can be done. Alternatively, the quantum system 22 may be irradiated with electromagnetic waves that resonate with the transition from the state |g> to the state |u>. In this way, by irradiating the quantum system 22 with control light from the laser light source 18 having a certain amplitude, the transition from the state |u> to the state |e 1 > can also be controlled. Here, the control light irradiated from the laser light source 18 to the quantum system 22 includes a laser beam having a wavelength corresponding to the transition from the state |g> to the state |e 1 > and a laser light having a wavelength corresponding to the transition from the state |u> to the state |e 1 > may also include a laser beam having a wavelength corresponding to the transition to >.

このため、量子系22と第1光子との相互作用と、量子系22に対するレーザ光源18からのコントロール光の照射とを制御することにより、量子系22の系全体の状態を制御することができる。したがって、量子系22は、例えば、比較的安定な状態|g>および状態|u>を基底とする、任意の重ね合わせ状態ρ|g>+ρ|u>をとる。なお、ρおよびρは、|ρ |+|ρ |=1を満たす複素数の係数である。 Therefore, by controlling the interaction between the quantum system 22 and the first photon and the irradiation of the control light from the laser light source 18 to the quantum system 22, the state of the entire quantum system 22 can be controlled. . Therefore, the quantum system 22 takes, for example, an arbitrary superposition state ρ g |g>+ρ u |u> based on the relatively stable state | g > and state |u>. Note that ρ g and ρ u are complex coefficients satisfying |ρ g 2 |+|ρ u 2 |=1.

これにより、共振器QED系16において、量子系22は、量子ビット|Ψ>=ρ|g>+ρ|u>を構成する。この場合、量子系22を用いた1量子ビットゲートは、例えば、状態|g>および状態|u>から状態|e>へのそれぞれの遷移に共鳴するコントロール光を量子系22に照射することにより実現する。 As a result, in the resonator QED system 16, the quantum system 22 constitutes a quantum bit |Ψ>=ρ g |g>+ρ u |u>. In this case, the one-qubit gate using the quantum system 22 may be configured such that, for example, the quantum system 22 is irradiated with control light that resonates with each transition from the state |g> and the state |u> to the state |e 1 >. This is realized by

<単一光子源>
次に、単一光子源6について、図3を参照しより詳細に説明する。図3は、単一光子源6の近傍を拡大して示す概略図である。本実施形態に係る単一光子源6のそれぞれは、第1共鳴波長λを有する単一の第1光子を生成し、各量子演算ユニット4に入力する単一光子源である。単一光子源6は、例えば、図3に示すように、共振器QED系16と比較して、量子系22が単一である点、第2共振器28を有していない点を除き、同一の構成を備えていてもよい。換言すれば、単一光子源6は、両端がテーパー部24を介して光ファイバFと接続するナノ光ファイバ20と、ナノ光ファイバ20上に配置された量子系22と、第1光子と共鳴する第1共振器26とを含んでいる。
<Single photon source>
Next, the single photon source 6 will be explained in more detail with reference to FIG. FIG. 3 is an enlarged schematic diagram showing the vicinity of the single photon source 6. As shown in FIG. Each of the single photon sources 6 according to this embodiment is a single photon source that generates a single first photon having a first resonant wavelength λ 1 and inputs it to each quantum operation unit 4 . For example, as shown in FIG. 3, the single photon source 6 is different from the resonator QED system 16 except that it has a single quantum system 22 and does not have the second resonator 28. They may have the same configuration. In other words, the single photon source 6 resonates with the nano-optical fiber 20 whose both ends are connected to the optical fiber F via the tapered portion 24, the quantum system 22 disposed on the nano-optical fiber 20, and the first photon. A first resonator 26 is included.

単一光子源6は、例えば、量子系22と第1共振器26との結合により、状態|g>から状態|e>への遷移に伴う単一の第1光子の自然放出が強調されるパーセル効果に基づき、単一の第1光子を第1共振器26中に生成してもよい。換言すれば、図示しないレーザ光源からのコントロール光により量子系22の状態を励起させ、再び基底状態に戻る際に単一の光子が生じることを利用し、単一光子源6は単一の第1光子を生成してもよい。 In the single photon source 6, for example, the spontaneous emission of a single first photon accompanying the transition from the state |g> to the state |e 1 > is emphasized due to the coupling between the quantum system 22 and the first resonator 26. A single first photon may be generated in the first resonator 26 based on the Purcell effect. In other words, the single photon source 6 uses the fact that a single photon is generated when the state of the quantum system 22 is excited by control light from a laser light source (not shown) and returns to the ground state. One photon may be generated.

あるいは、単一光子源6は、振幅が0から次第に上昇するコントロール光を量子系22が照射させることにより単一の第1光子を第1共振器26に生成してもよい。この場合、コントロール光の振幅の時間変化を制御することにより、第1光子の波形を制御できる。このほか、単一光子源6は単一の第1光子を生成する従来公知の単一光子源を採用してもよく、例えば、伝令付きの単一光子源であってもよい。 Alternatively, the single photon source 6 may generate a single first photon in the first resonator 26 by causing the quantum system 22 to irradiate control light whose amplitude gradually increases from 0. In this case, the waveform of the first photon can be controlled by controlling the temporal change in the amplitude of the control light. In addition, the single photon source 6 may be a conventionally known single photon source that generates a single first photon; for example, it may be a single photon source equipped with a messenger.

本実施形態において、単一光子源6が単一の量子系22を有する例について説明したが、これに限られない。例えば、単一光子源6が有する量子系22は、共振器QED系16が含む量子系22と同じく複数であってもよい。この場合、例えば、単一光子源6が有する複数の量子系22は、何れも第1共振器26と結合しておらず、何れか一つの量子系22に光シフトビーム等を照射することにより、当該量子系22と第1共振器26とが結合するように構成されていてもよい。上記構成により、単一光子源6は、第1共振器26と結合する量子系22のみによって第1光子を生成することができる。 In this embodiment, an example in which the single photon source 6 has a single quantum system 22 has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the single photon source 6 may have a plurality of quantum systems 22, similar to the quantum systems 22 included in the resonator QED system 16. In this case, for example, none of the plurality of quantum systems 22 included in the single photon source 6 are coupled to the first resonator 26, and by irradiating any one quantum system 22 with a light shifted beam or the like, , the quantum system 22 and the first resonator 26 may be coupled to each other. With the above configuration, the single photon source 6 can generate the first photon only by the quantum system 22 coupled to the first resonator 26.

<単一光子検出器>
図2の参照に戻ると、偏光ビームスプリッタ8は、入射した光子の有する偏光によって当該光子を反射させるか透過させるかが切り替わるビームスプリッタである。本実施形態において、偏光ビームスプリッタ8は、V偏光を有する光子を反射し、H偏光を有する光子を透過する。各偏光ビームスプリッタ8には、例えば、各共振器QED系16において後述する手法により生成された光子が各共振器QED系16から伝搬される。なお、図2に示すように量子演算器2は半波長板34を備えていてもよく、各偏光ビームスプリッタ8に入射する光子は半波長板34を透過してもよい。
<Single photon detector>
Referring back to FIG. 2, the polarizing beam splitter 8 is a beam splitter that changes whether to reflect or transmit an incident photon depending on the polarization of the incident photon. In this embodiment, the polarizing beam splitter 8 reflects photons with V polarization and transmits photons with H polarization. For example, photons generated in each resonator QED system 16 by a method described later are propagated from each resonator QED system 16 to each polarizing beam splitter 8 . Note that, as shown in FIG. 2, the quantum computing unit 2 may include a half-wave plate 34, and the photons incident on each polarizing beam splitter 8 may be transmitted through the half-wave plate 34.

第1単一光子検出器10は、偏光ビームスプリッタ8によって反射されたV偏光を有する光子を検出する第1光子検出素子36と、および偏光ビームスプリッタ8を透過したH偏光を有する光子を検出する第2光子検出素子38とを含む。このため、第1単一光子検出器10は、偏光ビームスプリッタ8を反射または透過して単一光子を検出する。 The first single photon detector 10 includes a first photon detection element 36 that detects photons with V polarization reflected by the polarizing beam splitter 8 and detects photons with H polarization that have passed through the polarizing beam splitter 8. and a second photon detection element 38. Therefore, the first single photon detector 10 detects a single photon by reflecting or transmitting it through the polarizing beam splitter 8.

ハーフビームスプリッタ12は、入射した光子の略50%の確率にて反射し、略50%の確率にて透過させる。ハーフビームスプリッタ12には、後述する方法により2つの共振器QED系16から出力された単一光子がそれぞれ入射する。ここで、ハーフビームスプリッタ12は、同時に入射した2つの単一光子が同一の波長を有している場合に当該2つの単一光子が干渉するように配置される。 The half beam splitter 12 reflects incident photons with a probability of approximately 50% and transmits them with a probability of approximately 50%. Single photons output from two resonator QED systems 16 are respectively incident on the half beam splitter 12 by a method described later. Here, the half beam splitter 12 is arranged so that when two single photons incident at the same time have the same wavelength, the two single photons interfere.

第2単一光子検出器14は、第3光子検出素子40と第4光子検出素子42とを含む。第3光子検出素子40は、一方の共振器QED系16において生成されハーフビームスプリッタ12を透過する単一光子と、他方の共振器QED系16において生成されハーフビームスプリッタ12を反射する単一光子とを検出する。一方、第4光子検出素子42は、一方の共振器QED系16において生成されハーフビームスプリッタ12を反射する単一光子と、他方の共振器QED系16において生成されハーフビームスプリッタ12を透過する単一光子とを検出する。したがって、ハーフビームスプリッタ12は、一方の共振器QED系16において生成された第2光子のモード(波束)と、他方の共振器QED系16において生成された第2光子のモード(波束)と、を干渉させる。 The second single photon detector 14 includes a third photon detection element 40 and a fourth photon detection element 42. The third photon detection element 40 detects a single photon generated in one resonator QED system 16 and transmitted through the half beam splitter 12, and a single photon generated in the other resonator QED system 16 and reflected from the half beam splitter 12. and detect. On the other hand, the fourth photon detection element 42 detects a single photon generated in one resonator QED system 16 and reflected by the half beam splitter 12, and a single photon generated in the other resonator QED system 16 and transmitted through the half beam splitter 12. Detect one photon. Therefore, the half beam splitter 12 separates the mode (wave packet) of the second photon generated in one resonator QED system 16, the mode (wave packet) of the second photon generated in the other resonator QED system 16, to interfere.

光ファイバFは、量子演算器2が備える上述した各部の間において光子を伝搬させる。ここで、量子演算器2は、光サーキュレータ44をさらに備える。光サーキュレータ44は、各単一光子源6から入射した光子を各共振器QED系16に伝搬させ、各共振器QED系16から入射した光子を各偏光ビームスプリッタ8側の光ファイバFに伝搬させる。光サーキュレータ44は、例えば、各単一光子源6から各共振器QED系16への光路に、半波長板46を含んでいてもよく、各単一光子源6から各共振器QED系16のナノ光ファイバ20に入射する光子は半波長板46を透過してもよい。また、量子演算器2は、光スイッチ48をさらに備える。光スイッチ48は、各共振器QED系16から生成された光子を、各偏光ビームスプリッタ8とハーフビームスプリッタ12との何れに伝搬させるのかを切り替える。 The optical fiber F propagates photons between the above-mentioned parts of the quantum computing unit 2. Here, the quantum computing unit 2 further includes an optical circulator 44. The optical circulator 44 propagates photons incident from each single photon source 6 to each resonator QED system 16, and propagates photons incident from each resonator QED system 16 to an optical fiber F on each polarizing beam splitter 8 side. . The optical circulator 44 may include, for example, a half-wave plate 46 in the optical path from each single photon source 6 to each resonator QED system 16, and may include a half-wave plate 46 in the optical path from each single photon source 6 to each resonator QED system 16. Photons incident on nano-optical fiber 20 may be transmitted through half-wave plate 46 . Further, the quantum computing unit 2 further includes an optical switch 48. The optical switch 48 switches to which of the polarization beam splitter 8 and the half beam splitter 12 the photons generated from each resonator QED system 16 are propagated.

なお、量子演算器2は、光スイッチ48に代えて、入射した光子の波長に応じて、当該光子を各偏光ビームスプリッタ8とハーフビームスプリッタ12との何れに伝搬するかを振り分ける素子を有していてもよい。例えば、量子演算器2は、WDMフィルタまたはダイクロイックミラーを光スイッチ48に代えて備えていてもよい。 Note that, instead of the optical switch 48, the quantum computing unit 2 has an element that distributes the incident photon to either the polarization beam splitter 8 or the half beam splitter 12, depending on the wavelength of the incident photon. You can leave it there. For example, the quantum computing unit 2 may include a WDM filter or a dichroic mirror instead of the optical switch 48.

なお、量子演算器2は、図2に示す他にも、さらに多くの量子演算ユニット4、単一光子源6、偏光ビームスプリッタ8、第1単一光子検出器10、ハーフビームスプリッタ12、および第2単一光子検出器14を備えていてもよい。この場合、量子演算器2は、各共振器QED系16から生成された光子を、何れのハーフビームスプリッタ12に伝搬させるのかを切り替える光スイッチ50を備えていてもよい。また、量子演算器2は、各単一光子源6に対し、複数の量子演算ユニット4を備えていてもよい。 Note that the quantum computing unit 2 includes, in addition to those shown in FIG. A second single photon detector 14 may also be provided. In this case, the quantum computing unit 2 may include an optical switch 50 that switches to which half beam splitter 12 the photons generated from each resonator QED system 16 are propagated. Further, the quantum computing unit 2 may include a plurality of quantum computing units 4 for each single photon source 6.

量子演算器2は、備える各部を動作させるための不図示の制御部を備えていてもよい。制御部は、不図示のメモリ等に記録されたプログラムに基づいて、量子演算器2の各部を制御してもよい。 The quantum computing unit 2 may include a control section (not shown) for operating each section provided therein. The control unit may control each unit of the quantum computing unit 2 based on a program recorded in a memory (not shown) or the like.

<第1の運用形態>
本実施形態に係る量子演算器2の第1の運用形態について、図4および図5を参照し説明する。図4は、本実施形態に係る量子演算器2の第1の運用形態における、量子演算器2の各部の動作を説明するための、量子演算器2の概略図である。図5は、本実施形態に係る量子演算器2の第1の運用形態における、量子系22の状態遷移を表すエネルギーダイヤグラムD2を示す図である。
<First operational form>
A first mode of operation of the quantum computing unit 2 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG. 4 is a schematic diagram of the quantum computing unit 2 for explaining the operation of each part of the quantum computing unit 2 in the first operation mode of the quantum computing unit 2 according to the present embodiment. FIG. 5 is a diagram showing an energy diagram D2 representing the state transition of the quantum system 22 in the first operation mode of the quantum computing unit 2 according to the present embodiment.

本実施形態に係る量子演算器2の第1の運用形態においては、はじめに、単一の量子演算ユニット4内の量子系22間の量子ゲート操作について説明する。本実施形態に係る量子演算器2の第1の運用形態において、はじめに、量子演算器2は、各単一光子源6から、上述した手法等により、第1共鳴波長λを有する単一の第1光子SF1を生成させる。ここで、当該第1光子SF1は、例えば、横偏光|h>等の特定の状態を有する。 In the first operation mode of the quantum computing unit 2 according to the present embodiment, first, quantum gate operations between the quantum systems 22 within a single quantum computing unit 4 will be described. In the first operation mode of the quantum computing unit 2 according to the present embodiment, the quantum computing unit 2 first generates a single photon having the first resonant wavelength λ 1 from each single photon source 6 by the above-mentioned method or the like. A first photon SF1 is generated. Here, the first photon SF1 has a specific state such as horizontal polarization |h>, for example.

次いで量子演算器2は、第1光子SF1を、光サーキュレータ44を透過させ、量子演算ユニット4の共振器QED系16に入射させる。これにより、単一光子源6から光サーキュレータ44に入射した第1光子SF1は、共振器QED系16まで伝搬する。なお、単一の量子演算ユニット4内の量子系22間の量子ゲート操作においては、半波長板46の光学軸の角度を横偏光|h>と平行にすることにより、第1光子SF1の偏光が変化しないようにしてもよい。共振器QED系16に入射した第1光子SF1は、第1共鳴波長λを共鳴波長に有する第1共振器26にて共振する。ここで、量子演算ユニット4は、レーザ光源18から特定の量子系22へのコントロール光L1の照射を制御する。 Next, the quantum computing unit 2 causes the first photon SF1 to pass through the optical circulator 44 and enter the resonator QED system 16 of the quantum computing unit 4. Thereby, the first photon SF1 incident on the optical circulator 44 from the single photon source 6 propagates to the resonator QED system 16. In addition, in the quantum gate operation between the quantum systems 22 in a single quantum operation unit 4, the polarization of the first photon SF1 is changed by making the angle of the optical axis of the half-wave plate 46 parallel to the horizontal polarization |h>. may not change. The first photon SF1 incident on the resonator QED system 16 resonates in the first resonator 26 having the first resonant wavelength λ 1 as the resonant wavelength. Here, the quantum operation unit 4 controls the irradiation of the control light L1 from the laser light source 18 to the specific quantum system 22.

レーザ光源18から特定の量子系22へのコントロール光L1の照射がない場合、当該量子系22の、状態|g>から状態|e>への遷移は、第1共振器26と結合している。一方、上記場合において、当該量子系22の、状態|u>から状態|e>への遷移は第1共振器26と結合していない。このため、量子系22が状態|g>にある場合と状態|u>にある場合とにおいて、第1光子SF1が共振器QED系16において反射する際に共振器QED系16が第1光子SF1に与える位相シフトは異なる。 When the control light L1 is not irradiated from the laser light source 18 to a specific quantum system 22, the transition of the quantum system 22 from the state |g> to the state |e 1 > is caused by coupling with the first resonator 26. There is. On the other hand, in the above case, the transition of the quantum system 22 from the state |u> to the state |e 1 > is not coupled to the first resonator 26 . Therefore, when the quantum system 22 is in the state |g> and in the state |u>, when the first photon SF1 is reflected in the resonator QED system 16, the resonator QED system 16 The phase shift given to is different.

量子演算ユニット4は、レーザ光源18から特定の量子系22へコントロール光L1を照射させることにより、当該量子系22の、状態|g>から状態|e>への遷移に共鳴する波長を変化させる。これにより、量子演算ユニット4は、当該遷移と第1共振器26との結合を実効的に解除することができる。この場合、量子系22が状態|g>にある場合と状態|u>にある場合とにおいて、共振器QED系16が第1光子SF1に与える位相シフトは略同一となる。以上により、量子演算ユニット4は、特定の量子系22へのコントロール光L1の照射を通じて、量子系22が状態|g>と状態|u>とのそれぞれにある場合における、共振器QED系16が第1光子SF1に与える位相シフトの差の有無を制御できる。 The quantum operation unit 4 changes the wavelength that resonates with the transition of the quantum system 22 from the state |g> to the state |e 1 > by irradiating the control light L1 from the laser light source 18 to the specific quantum system 22. let Thereby, the quantum operation unit 4 can effectively release the coupling between the transition and the first resonator 26. In this case, the phase shift that the resonator QED system 16 gives to the first photon SF1 is approximately the same when the quantum system 22 is in the state |g> and when it is in the state |u>. As described above, through irradiation of the control light L1 to the specific quantum system 22, the quantum operation unit 4 can determine the resonator QED system 16 when the quantum system 22 is in the state |g> and the state |u>. It is possible to control whether there is a difference in the phase shift given to the first photon SF1.

なお、本実施形態において、量子系22へのコントロール光L1の照射によって、量子系22の状態|g>から状態|e>への遷移と第1共振器26との結合を実効的に解除する例について説明したが、これに限られない。例えば、本実施形態においては、量子系22へのコントロール光L1の照射がない状態において、量子系22の状態|g>から状態|e>への遷移と第1共振器26とが結合していなくともよい。この場合、量子系22へのコントロール光L1を照射することにより、量子系22の状態|g>から状態|e>への遷移と第1共振器26とを結合させてもよい。 In this embodiment, by irradiating the quantum system 22 with the control light L1, the transition of the quantum system 22 from the state |g> to the state |e 1 > and the coupling with the first resonator 26 are effectively released. Although the example described above is not limited to this example. For example, in the present embodiment, when the quantum system 22 is not irradiated with the control light L1, the transition from the state |g> to the state |e 1 > of the quantum system 22 is coupled to the first resonator 26. It doesn't have to be. In this case, the transition of the quantum system 22 from the state |g> to the state |e 1 > may be coupled to the first resonator 26 by irradiating the quantum system 22 with the control light L1.

共振器QED系16への第1光子SF1の入射に次いで、共振器QED系16からは、当該共振器QED系16において反射した第1光子SF1である第1光子SF1’が出射する。ここで、上述の通り、特定の量子系22の状態に応じて、第1光子SF1が共振器QED系16において反射する際に共振器QED系16が第1光子SF1に与える位相シフトに差異があるかないかは、コントロール光L1の照射の有無によって変化する。このため、量子演算ユニット4は、特定の量子系22へのコントロール光L1の照射を通じて、量子系22が状態|g>と状態|u>とのそれぞれにある場合における、第1光子SF1と第1光子SF1’との位相シフトの差の有無を制御できる。 After the first photon SF1 is incident on the resonator QED system 16, a first photon SF1', which is the first photon SF1 reflected in the resonator QED system 16, is emitted from the resonator QED system 16. Here, as described above, depending on the state of the specific quantum system 22, there is a difference in the phase shift that the resonator QED system 16 gives to the first photon SF1 when the first photon SF1 is reflected in the resonator QED system 16. Whether or not it is present changes depending on whether or not the control light L1 is irradiated. For this reason, the quantum operation unit 4 irradiates the specific quantum system 22 with the control light L1 to detect the first photon SF1 and the first photon SF1 when the quantum system 22 is in the state |g> and the state |u>, respectively. The presence or absence of a difference in phase shift from the one-photon SF1' can be controlled.

なお、量子演算ユニット4は、特定の量子系22へのコントロール光L1の照射を制御することにより、例えば、当該特定の量子系22における状態|e>から状態|g>への状態遷移である遷移T’を生じさせてもよい。当該状態遷移により、当該量子系22の重ね合わせ状態ρ|g>+ρ|u>とエンタングルメントを有する第1光子SF1’が第1共振器26に生成されてもよい。なお、状態|e>から状態|g>への遷移と第1共振器26とが結合しているため、上記遷移T’よる第1光子SF1の生成は第1共振器26により促進される。 Note that, by controlling the irradiation of the control light L1 to the specific quantum system 22, the quantum operation unit 4 controls, for example, a state transition from the state |e 1 > to the state |g> in the specific quantum system 22. A certain transition T 1 ' may occur. Due to the state transition, a first photon SF1′ that is entangled with the superposition state ρ g |g>+ρ u |u> of the quantum system 22 may be generated in the first resonator 26 . Note that since the transition from the state |e 1 > to the state |g Ru.

図4の参照に戻ると、本実施形態に係る量子演算器2の第1の運用形態において、共振器QED系16からの第1光子SF1’の出射に次いで、量子演算器2は、第1光子SF1’を偏光ビームスプリッタ8へ伝搬させる。例えば、量子演算器2は、光サーキュレータ44および光スイッチ48を透過した第1光子SF1’が偏光ビームスプリッタ8まで伝搬するように光スイッチ48を制御する。ここで、単一の量子演算ユニット4内の量子系22間の量子ゲート操作においては、半波長板34においても第1光子SF1’の偏光が変化しないようにしてもよい。 Returning to FIG. 4, in the first operation mode of the quantum computing unit 2 according to the present embodiment, following the emission of the first photon SF1' from the resonator QED system 16, the quantum computing unit 2 The photon SF1' is propagated to the polarization beam splitter 8. For example, the quantum computing unit 2 controls the optical switch 48 so that the first photon SF1' transmitted through the optical circulator 44 and the optical switch 48 propagates to the polarization beam splitter 8. Here, in the quantum gate operation between the quantum systems 22 in the single quantum operation unit 4, the polarization of the first photon SF1' may not change in the half-wave plate 34 either.

これにより、量子演算器2は、量子演算ユニット4からの第1光子SF1’を偏光ビームスプリッタ8に入射させる。ただし、第1光子SF1’の偏光は横偏光|h>から変化していない。このため、第1単一光子検出器10の2つの光子検出素子の検出結果の和を取ることにより、実効的には、単一の光子検出器にて第1光子SF1’を測定したとみなせる。 Thereby, the quantum computing unit 2 causes the first photon SF1' from the quantum computing unit 4 to enter the polarizing beam splitter 8. However, the polarization of the first photon SF1' remains unchanged from the horizontal polarization |h>. Therefore, by summing the detection results of the two photon detection elements of the first single photon detector 10, it can be effectively considered that the first photon SF1' has been measured with a single photon detector. .

ここで、例えば、共振器QED系16が含む2つの量子系22の状態が双方|u>であれば、当該量子系22における光学応答は、量子系22が存在しない場合と等しいため、第1光子SF1はほとんど損失することなく反射し、その位相がπシフトする。一方、共振器QED系16が含む2つの量子系22の状態の何れか一方でも|u>ではない場合、当該量子系22における光学応答は、|g>と|e>との間の遷移に相当するため、入射した第1光子SF1は位相がシフトすることなく反射する。 Here, for example, if the states of the two quantum systems 22 included in the resonator QED system 16 are both |u>, the optical response in the quantum systems 22 is equal to the case where the quantum systems 22 do not exist, so the first Photon SF1 is reflected with almost no loss, and its phase is shifted by π. On the other hand, if either of the states of the two quantum systems 22 included in the resonator QED system 16 is not |u>, the optical response in the quantum system 22 is a transition between |g> and |e>. Therefore, the incident first photon SF1 is reflected without a phase shift.

したがって、第1光子SF1と相互作用した2つの量子系22の状態は、第1光子SF1と相互作用する前の状態に対し、CPFゲートを作用させたものに相当する。また、第1光子SF1と相互作用する量子系の個数を3以上の整数であるN個とすると、第1光子SF1と相互作用したN個の量子系22の状態は、第1光子SF1と相互作用する前の状態に対し、Nビット制御位相ゲートを作用させたものに相当する。以上により、第1の運用方法においては、複数の量子系22間におけるゲートが実現する。 Therefore, the state of the two quantum systems 22 that interacted with the first photon SF1 corresponds to the state obtained by applying the CPF gate to the state before interacting with the first photon SF1. Furthermore, if the number of quantum systems that interact with the first photon SF1 is N, which is an integer of 3 or more, the states of the N quantum systems 22 that interacted with the first photon SF1 are mutually exclusive with the first photon SF1. This corresponds to applying an N-bit controlled phase gate to the state before acting. As described above, in the first operating method, a gate between a plurality of quantum systems 22 is realized.

以上により、量子演算ユニット4は、第1光子SF1と任意の量子系22との相互作用を用いた量子ゲート操作を実行できる。したがって、量子演算器2の第1の運用形態において、量子演算器2は、各量子演算ユニット4における、第1光子SF1と任意の量子系22との相互作用を用いた量子演算を実行できる。 As described above, the quantum operation unit 4 can perform a quantum gate operation using the interaction between the first photon SF1 and an arbitrary quantum system 22. Therefore, in the first operation mode of the quantum computing device 2, the quantum computing device 2 can perform quantum computing using the interaction between the first photon SF1 and any quantum system 22 in each quantum computing unit 4.

なお、上述したように、単一の量子演算ユニット4における量子系22間の量子ゲート操作を量子演算器2にて実行する場合、量子演算器2は上述した構成に限定されない。例えば、量子演算器2は、上記量子ゲート操作を実行する場合、偏光ビームスプリッタ8、半波長板34、および半波長板46を備えていなくともよく、また、第1単一光子検出器10が、単一の光子検出素子のみを有していてもよい。 In addition, as mentioned above, when quantum gate operation between the quantum systems 22 in the single quantum operation unit 4 is performed by the quantum operation unit 2, the quantum operation unit 2 is not limited to the above-mentioned configuration. For example, when performing the quantum gate operation described above, the quantum operator 2 does not need to include the polarizing beam splitter 8, the half-wave plate 34, and the half-wave plate 46, and the first single photon detector 10 , may have only a single photon detection element.

次いで、本実施形態に係る量子演算器2の第1の運用形態における、複数の量子演算ユニット4間における量子系22間の量子ゲート操作について説明する。この場合、量子演算器2は、各単一光子源6に対し、複数の量子演算ユニット4を備えている。 Next, the quantum gate operation between the quantum systems 22 between the plurality of quantum operation units 4 in the first operation mode of the quantum operation unit 2 according to the present embodiment will be explained. In this case, the quantum computing unit 2 includes a plurality of quantum computing units 4 for each single photon source 6.

複数の量子演算ユニット4間における量子系22間の量子ゲート操作においては、はじめに、各単一光子源6から、上述した手法と同一の手法により、第1共鳴波長λを有し、横偏光|h>等の特定の状態を有する第1光子SF1を生成する。次いで量子演算器2は、第1光子SF1を、何れかの量子演算ユニット4の共振器QED系16に入射させる。 In the quantum gate operation between the quantum systems 22 between the plurality of quantum operation units 4, first, from each single photon source 6, transversely polarized light having the first resonant wavelength λ 1 is generated using the same method as described above. A first photon SF1 having a specific state such as |h> is generated. Next, the quantum computing unit 2 causes the first photon SF1 to enter the resonator QED system 16 of any quantum computing unit 4.

ここで、量子演算器2は、光サーキュレータ44に代えて、何れの量子演算ユニット4の共振器QED系16に第1光子SF1を入射させるかを決定する光スイッチを、量子演算ユニット4ごとに備えていてもよい。また、量子演算器2は、各単一光子源6からの第1光子SF1の偏光状態を半波長板46によって変化させてもよい。 Here, instead of the optical circulator 44, the quantum computing unit 2 installs an optical switch for each quantum computing unit 4 to determine which quantum computing unit 4's resonator QED system 16 the first photon SF1 is made to enter. You may be prepared. Further, the quantum computing unit 2 may change the polarization state of the first photon SF1 from each single photon source 6 using the half-wave plate 46.

これにより、単一光子源6から光サーキュレータ44に入射した第1光子SF1は、共振器QED系16まで伝搬する。これにより、上述した第1光子SF1は共振器QED系16において反射され、共振器QED系16からは第1光子SF1’が出射する。ここで、量子演算器2は、当該共振器QED系16から出射した第1光子SF1’を、他の異なる共振器QED系16に入射するように第1光子SF1’を伝搬させる。これにより、量子演算器2は、第1光子SF1を複数の共振器QED系16に入射させ、また、第1光子SF1’をそれぞれの共振器QED系16において反射させる。なお、各共振器QED系16における第1光子SF1’の位相シフトは、上述した通り、各共振器QED系16の量子系22の状態の制御を通じて制御される。 Thereby, the first photon SF1 incident on the optical circulator 44 from the single photon source 6 propagates to the resonator QED system 16. As a result, the first photon SF1 described above is reflected by the resonator QED system 16, and the first photon SF1' is emitted from the resonator QED system 16. Here, the quantum computing unit 2 propagates the first photon SF1' emitted from the resonator QED system 16 so that the first photon SF1' is incident on another different resonator QED system 16. Thereby, the quantum computing unit 2 causes the first photon SF1 to enter the plurality of resonator QED systems 16, and also causes the first photon SF1' to be reflected in each resonator QED system 16. Note that the phase shift of the first photon SF1' in each resonator QED system 16 is controlled through control of the state of the quantum system 22 in each resonator QED system 16, as described above.

次いで、量子演算器2は、第1光子SF1’を偏光ビームスプリッタ8へ伝搬させる。量子演算器2は、各共振器QED系16からの第1光子SF1’の偏光状態を半波長板34によって変化させてもよい。 Next, the quantum operator 2 propagates the first photon SF1' to the polarization beam splitter 8. The quantum computing unit 2 may change the polarization state of the first photon SF1' from each resonator QED system 16 using a half-wave plate 34.

偏光ビームスプリッタ8は、入射した第1光子SF1’の偏光状態に応じて、第1光子SF1’を反射または透過させる。その後、偏光ビームスプリッタ8から出射した第1光子SF1’を第1単一光子検出器10が検出することにより、量子演算器2は第1光子SF1’の偏光状態を測定する。 The polarizing beam splitter 8 reflects or transmits the first photon SF1' depending on the polarization state of the incident first photon SF1'. Thereafter, the first single photon detector 10 detects the first photon SF1' emitted from the polarizing beam splitter 8, and thereby the quantum operator 2 measures the polarization state of the first photon SF1'.

ここで、第1光子SF1’は反射した複数の共振器QED系16のそれぞれの量子系22とエンタングルメントを有する。このため、当該複数の共振器QED系16のそれぞれの量子系22の状態と第1光子SF1’の偏光状態とは相関を有する。 Here, the first photon SF1' is entangled with each quantum system 22 of the plurality of reflected resonator QED systems 16. Therefore, the state of each quantum system 22 of the plurality of resonator QED systems 16 and the polarization state of the first photon SF1' have a correlation.

次いで、量子演算ユニット4は、測定された第1光子SF1’の偏光状態に応じて、他の量子演算ユニット4が有する量子系22に対する操作を行う。量子演算器2が2つの共振器QED系16を有する場合、例えば、第1光子SF1’の偏光状態が、第1光子SF1が生成された際における当該第1光子SF1状態である横偏光|h>であるとき、他の量子演算ユニット4が有する量子系22に対しZゲート操作を行う。特定の量子系22に対するZゲート操作は、例えば、量子演算ユニット4が、当該量子系22へのコントロール光L1の照射を制御することにより実現する。一方、第1光子SF1’の偏光状態が、横偏光|V>等、横偏光|h>でないとき、当該特定の量子系22に対し操作を行わない。換言すれば、半波長板46および半波長板34による光子の偏光回転と、第1単一光子検出器10における第1光子SF1’の偏光の測定結果と、に応じて、上記特定の量子系22に回転操作を行う。 Next, the quantum operation unit 4 performs an operation on the quantum system 22 of the other quantum operation unit 4 according to the polarization state of the measured first photon SF1'. When the quantum computing unit 2 has the two resonator QED system 16, for example, the polarization state of the first photon SF1' is the horizontally polarized light |h that is the state of the first photon SF1 when the first photon SF1 is generated. >, Z gate operation is performed on the quantum system 22 of another quantum operation unit 4. The Z gate operation for a specific quantum system 22 is realized, for example, by the quantum operation unit 4 controlling the irradiation of the control light L1 to the quantum system 22. On the other hand, when the polarization state of the first photon SF1' is not horizontal polarization |V> or horizontal polarization |h>, no operation is performed on the particular quantum system 22. In other words, the specific quantum system is 22, perform the rotation operation.

上記操作により、量子演算器2は、第1光子SF1’および各共振器QED系16の量子系22の間のエンタングルメントから、第1光子SF1’を切り離すことができる。換言すれば、量子演算器2は、上記操作により、複数の共振器QED系16の量子系22間のエンタングルのみを残すことができる。以上により、量子演算器2は、複数の共振器QED系16の量子系22の状態を、特定のエンタングル状態に射影することができる。ここでは、量子演算器2が2つの共振器QED系16を有する場合を例に説明したが、量子演算器2が3つ以上の共振器QED系16を有する場合においても、第1光子SF1’を切り離す操作は可能である。 Through the above operation, the quantum operator 2 can separate the first photon SF1' from the entanglement between the first photon SF1' and the quantum system 22 of each resonator QED system 16. In other words, the quantum computing unit 2 can leave only the entanglement between the quantum systems 22 of the plurality of resonator QED systems 16 by the above operation. As described above, the quantum computing unit 2 can project the state of the quantum system 22 of the plurality of resonator QED systems 16 onto a specific entangled state. Here, the case where the quantum operator 2 has two resonator QED systems 16 has been explained as an example, but even when the quantum operator 2 has three or more resonator QED systems 16, the first photon SF1' It is possible to separate the

以上により、量子演算器2は、第1光子SF1と複数の量子演算ユニット4のそれぞれにおける任意の量子系22との相互作用を用いた量子ゲート操作を実行できる。したがって、量子演算器2の第1の運用形態において、量子演算器2は、複数の量子演算ユニット4の間における、第1光子SF1と任意の量子系22との相互作用を用いた量子演算を実行できる。 As described above, the quantum computing unit 2 can perform a quantum gate operation using the interaction between the first photon SF1 and an arbitrary quantum system 22 in each of the plurality of quantum computing units 4. Therefore, in the first operation mode of the quantum computing unit 2, the quantum computing unit 2 performs quantum computing using the interaction between the first photon SF1 and an arbitrary quantum system 22 between the plurality of quantum computing units 4. Can be executed.

なお、上述した量子演算ユニット4における量子ゲート操作は一例であり、本実施形態において、量子演算器2は、量子演算ユニット4に、量子系22を用いた従来公知の種々のゲート操作を用いた量子演算を実行させてもよい。例えば、量子演算器2の第1の運用形態においては、各量子演算ユニット4において、コントロール光L1を複数の量子系22に照射し、複数の量子系22を用いた量子演算を行ってもよい。また、量子演算器2は、第1光子SF1を複数の共振器QED系16に入射させ、反射した第1光子SF1’を検出した後、特定の共振器QED系16のみに第1光子SF1’を入射させ、反射した第1光子SF1’を検出してもよい。 Note that the quantum gate operation in the quantum operation unit 4 described above is an example, and in this embodiment, the quantum operation unit 2 uses various conventionally known gate operations using the quantum system 22 in the quantum operation unit 4. Quantum operations may also be performed. For example, in the first operation mode of the quantum computing unit 2, each quantum computing unit 4 may irradiate the plurality of quantum systems 22 with the control light L1 to perform quantum computation using the plurality of quantum systems 22. . Further, the quantum computing unit 2 causes the first photon SF1 to enter a plurality of resonator QED systems 16, detects the reflected first photon SF1', and then transmits the first photon SF1' only to a specific resonator QED system 16. may be incident, and the reflected first photon SF1' may be detected.

<第2の運用形態>
本実施形態に係る量子演算器2の第2の運用形態について、図6および図7を参照し説明する。図6は、本実施形態に係る量子演算器2の第2の運用形態における、量子演算器2の各部の動作を説明するための、量子演算器2の概略図である。図7は、本実施形態に係る量子演算器2の第2の運用形態における、量子系22の状態遷移を表すエネルギーダイヤグラムD3を示す図である。
<Second operation form>
A second mode of operation of the quantum computing unit 2 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 6 and 7. FIG. 6 is a schematic diagram of the quantum computing unit 2 for explaining the operation of each part of the quantum computing unit 2 in the second operation mode of the quantum computing unit 2 according to the present embodiment. FIG. 7 is a diagram showing an energy diagram D3 representing the state transition of the quantum system 22 in the second operation mode of the quantum computing unit 2 according to the present embodiment.

本実施形態に係る量子演算器2の第2の運用形態において、はじめに、各量子演算ユニット4において、レーザ光源18からポンプ光L2を任意の量子系22に照射する。ここで、ポンプ光L2は、例えば、第1共鳴波長λを有する第1レーザ光と、第3共鳴波長λを有する第3レーザ光と、第4共鳴波長λを有する第4レーザ光とを含む。 In the second operation mode of the quantum computing unit 2 according to the present embodiment, first, in each quantum computing unit 4, an arbitrary quantum system 22 is irradiated with pump light L2 from the laser light source 18. Here, the pump light L2 includes, for example, a first laser beam having a first resonant wavelength λ 1 , a third laser beam having a third resonant wavelength λ 3 , and a fourth laser beam having a fourth resonant wavelength λ 4 . including.

ここで、第1レーザ光、第3レーザ光、および第4レーザ光のそれぞれの周波数を、第1共鳴周波数ω、第3共鳴周波数ω、および第4共鳴周波数ωとする。また、第2共鳴波長λを有する光子の周波数を第2共鳴周波数ωとする。ここで、第1共鳴波長λを有する第1レーザ光により、図7のエネルギーダイヤグラムD3に示す通り、状態|g>から状態|e>への遷移Tが生じる。また、第3共鳴波長λを有する第3レーザ光により、状態|e>から状態|e>への遷移Tが生じ、さらに、第4共鳴波長λを有する第4レーザ光により、状態|e>から状態|g>への遷移Tが生じる。 Here, the respective frequencies of the first laser beam, the third laser beam, and the fourth laser beam are defined as a first resonant frequency ω 1 , a third resonant frequency ω 3 , and a fourth resonant frequency ω 4 . Further, the frequency of a photon having a second resonant wavelength λ 2 is defined as a second resonant frequency ω 2 . Here, the first laser beam having the first resonance wavelength λ 1 causes a transition T 1 from the state |g> to the state |e 1 >, as shown in the energy diagram D3 of FIG. Further, the third laser beam having the third resonance wavelength λ 3 causes a transition T 2 from the state |e 1 > to the state |e 2 >, and furthermore, the fourth laser beam having the fourth resonance wavelength λ 4 causes a transition T 2 from the state |e 1 > to the state |e 2 >. , a transition T 3 from state |e 3 > to state |g > occurs.

これにより、量子系22にポンプ光L2を照射することにより、量子系22において非縮退四光波混合過程が生じる。例えば、本実施形態においては、遷移T、遷移T、および遷移Tを介し、状態|e>から状態|e>への遷移に共鳴する第2共鳴波長λを有する、単一の第2光子SF2が、量子系22から生成される。なお、量子系22は第2光子SF2を第2共振器28に生成する。状態|e>から状態|e>への遷移と第2共振器28とが結合しているため、上記非縮退四光波混合過程による第2光子SF2の生成は第2共振器28により促進される。 Thereby, by irradiating the quantum system 22 with the pump light L2, a non-degenerate four-wave mixing process occurs in the quantum system 22. For example, in the present embodiment, a single element having a second resonant wavelength λ 2 that resonates with the transition from state | e 2 > to state |e 3 > via transition T 1 , transition T 2 , and transition T 3 is used. One second photon SF2 is generated from the quantum system 22. Note that the quantum system 22 generates a second photon SF2 in the second resonator 28. Since the transition from the state |e 2 > to the state |e 3 > is coupled to the second resonator 28, the generation of the second photon SF2 by the non-degenerate four-wave mixing process is promoted by the second resonator 28. be done.

本実施形態においては、第2光子SF2の生成に、量子系22における非縮退四光波混合過程が用いられる場合、換言すれば、第1励起準位eと第3励起準位eとのエネルギーが異なる場合について説明したが、これに限られない。例えば、第1励起準位eと第3励起準位eとのエネルギーは同一であってもよい。 In this embodiment, when a non-degenerate four-wave mixing process in the quantum system 22 is used to generate the second photon SF2, in other words, the first excitation level e 1 and the third excitation level e 3 are Although the case where the energies are different has been described, the case is not limited to this. For example, the energy of the first excited level e 1 and the third excited level e 3 may be the same.

ここで、はじめに量子系22から第2光子SF2が生成された時点において、量子系22が初期状態である任意の重ね合わせ状態ρ|g>+ρ|u>であるとする。この場合、本実施形態に係る量子演算器2の第2の運用形態において、量子演算ユニット4は、例えば、上記第2光子SF2の生成に次いで、前述した2光子誘導ラマン過程等の方法により、量子系22に対する反転操作を実施する。これにより、量子系22の状態は、ρ|g>+ρ|u>からρ|g>+ρ|u>に反転する。量子系22に対する反転操作に次いで、量子演算ユニット4は、再度量子系22へのポンプ光L2の照射を制御することにより、量子系22において、非縮退四光波混合過程を再度生じさせる。 Here, it is assumed that at the time when the second photon SF2 is first generated from the quantum system 22, the quantum system 22 is in an arbitrary superposition state ρ g |g>+ρ u |u> which is an initial state. In this case, in the second operation mode of the quantum computing unit 2 according to the present embodiment, the quantum computing unit 4 generates the second photon SF2, and then performs the following operations using a method such as the two-photon stimulated Raman process described above. An inversion operation is performed on the quantum system 22. As a result, the state of the quantum system 22 is reversed from ρ g |g>+ρ u |u> to ρ u |g>+ρ g |u>. Following the inversion operation on the quantum system 22, the quantum operation unit 4 again causes the non-degenerate four-wave mixing process in the quantum system 22 by controlling the irradiation of the pump light L2 to the quantum system 22.

非縮退四光波混合過程により量子系22から生成された第2光子SF2は、量子系22とエンタングルメントを有する。このため、上記反転操作の前後に生成された第2光子SF2は、任意の重ね合わせ状態ρ|u>|pE>+ρ|g>|pL>をとる。ここで、状態|pE>および状態|pL>は、それぞれ、反転操作前および反転操作後において生成された第2光子SF2の状態である。したがって、第2光子SF2は、量子系22とエンタングルメントを有し、状態|pE>および状態|pL>を基底とするタイムビン量子ビットを構成する。 The second photon SF2 generated from the quantum system 22 by the non-degenerate four-wave mixing process has entanglement with the quantum system 22. Therefore, the second photon SF2 generated before and after the above-mentioned inversion operation assumes an arbitrary superposition state ρ g |u>|pE>+ρ u |g>|pL>. Here, the state |pE> and the state |pL> are the states of the second photon SF2 generated before and after the reversal operation, respectively. Therefore, the second photon SF2 is entangled with the quantum system 22 and constitutes a time bin qubit based on the state |pE> and the state |pL>.

図6の参照に戻ると、本実施形態に係る量子演算器2の第2の運用形態において、第2共振器28への第2光子SF2の生成に次いで、量子演算器2は、第2光子SF2をハーフビームスプリッタ12へ伝搬させる。例えば、量子演算器2は、量子演算ユニット4の共振器QED系16から、第2共振器28中の第2光子SF2を共振器QED系16の外部に出射させる。ここで、量子演算器2は、光サーキュレータ44および光スイッチ48を透過した第2光子SF2がハーフビームスプリッタ12まで伝搬するように光スイッチ48を制御する。 Returning to FIG. 6, in the second operation mode of the quantum computing unit 2 according to the present embodiment, after generating the second photon SF2 to the second resonator 28, the quantum computing unit 2 generates the second photon SF2. SF2 is propagated to the half beam splitter 12. For example, the quantum computing unit 2 causes the second photon SF2 in the second cavity 28 to be emitted from the cavity QED system 16 of the quantum computing unit 4 to the outside of the cavity QED system 16. Here, the quantum computing unit 2 controls the optical switch 48 so that the second photon SF2 transmitted through the optical circulator 44 and the optical switch 48 propagates to the half beam splitter 12.

これにより、量子演算器2は、量子演算ユニット4からの第2光子SF2をハーフビームスプリッタ12に入射させる。ここで、量子演算器2は、2つの量子演算ユニット4それぞれからの第2光子SF2を同一のハーフビームスプリッタ12に入射させる。特に量子演算器2は、複数の第2光子SF2が同一のハーフビームスプリッタ12に略同時に入射するように、2つの量子演算ユニット4に第2光子SF2を出射させる。 Thereby, the quantum computing unit 2 causes the second photon SF2 from the quantum computing unit 4 to enter the half beam splitter 12. Here, the quantum computing unit 2 causes the second photons SF2 from each of the two quantum computing units 4 to enter the same half beam splitter 12. In particular, the quantum computing unit 2 causes the two quantum computing units 4 to emit the second photons SF2 so that the plurality of second photons SF2 enter the same half beam splitter 12 substantially simultaneously.

このため、本実施形態において、同一のハーフビームスプリッタ12に略同時に入射した2つの第2光子SF2に応じて、当該ハーフビームスプリッタ12においては、2つの第2光子SF2のモード(波束)の干渉が発生する。 Therefore, in this embodiment, in response to the two second photons SF2 that are incident on the same half beam splitter 12 at approximately the same time, the half beam splitter 12 causes interference between the modes (wave packets) of the two second photons SF2. occurs.

したがって、上記操作により、量子演算器2は、互いに異なる2つの量子演算ユニット4の共振器QED系16のそれぞれが有する特定の量子系22にエンタングルメントを付与する。換言すれば、上記操作により、量子演算器2は、特定の量子演算ユニット4が含む量子系22の状態を、他の量子演算ユニット4が含む量子系22の状態に移すことができる。ゆえに、量子演算器2は、第1の運用形態と第2の運用形態とを組み合わせることにより、特定の量子演算ユニット4における量子演算の結果を、他の量子演算ユニット4の量子演算に利用することができる。なお、量子演算器2は、上記に限られず、特定の量子演算ユニット4が含む量子系22の状態を、他の量子演算ユニット4が含む量子系22の状態に移すことなく、量子演算ユニット4において生成されたエンタングルメントをそのままその後の量子計算に利用してもよい。 Therefore, through the above operation, the quantum computing unit 2 imparts entanglement to the specific quantum system 22 of each of the resonator QED systems 16 of two mutually different quantum computing units 4. In other words, by the above operation, the quantum computing unit 2 can transfer the state of the quantum system 22 included in a specific quantum computing unit 4 to the state of the quantum system 22 included in another quantum computing unit 4. Therefore, by combining the first operation mode and the second operation mode, the quantum operation unit 2 uses the results of quantum operations in a specific quantum operation unit 4 for quantum operations in other quantum operation units 4. be able to. Note that the quantum computing unit 2 is not limited to the above, and the quantum computing unit 4 can be operated without transferring the state of the quantum system 22 included in a specific quantum computing unit 4 to the state of the quantum system 22 included in another quantum computing unit 4. The entanglement generated in step may be used as is for subsequent quantum calculations.

<まとめ>
本実施形態に係る量子演算ユニット4は、共振器QED系16に入射した第1光子SF1と共振器QED系16が含む量子系22との相互作用により、量子系22を用いた量子演算を実行する。また、本実施形態に係る量子演算ユニット4は、当該量子系22へのポンプ光L2の照射を通じて、量子系22とエンタングルメントを有する第2光子SF2を生成する。
<Summary>
The quantum operation unit 4 according to the present embodiment executes a quantum operation using the quantum system 22 through the interaction between the first photon SF1 incident on the resonator QED system 16 and the quantum system 22 included in the resonator QED system 16. do. Further, the quantum operation unit 4 according to the present embodiment generates a second photon SF2 that is entangled with the quantum system 22 through irradiation of the pump light L2 to the quantum system 22.

ここで、第1光子SF1は第1共鳴波長λを有し、第2光子SF2は第1共鳴波長λとは異なる第2共鳴波長λを有する。このため、量子演算ユニット4は、量子系22を用いた量子演算と、当該量子演算に用いた第1光子SF1と異なる波長を有する第2光子SF2への量子系22とのエンタングルメントの付与機能と、の双方の機能を、量子波長変換器を用いずに達成する。 Here, the first photon SF1 has a first resonant wavelength λ 1 and the second photon SF2 has a second resonant wavelength λ 2 different from the first resonant wavelength λ 1 . For this reason, the quantum operation unit 4 has a function of performing a quantum operation using the quantum system 22 and imparting entanglement with the quantum system 22 to a second photon SF2 having a wavelength different from the first photon SF1 used for the quantum operation. Both functions are achieved without using a quantum wavelength converter.

ここで、一般に、量子系を用いた量子演算には、当該量子系に量子情報をある程度長時間保持する必要があるため、比較的コヒーレンス時間が長い基底準位とその直上の励起準位との間の遷移が使用される。例えば、セシウム原子を用いた量子演算は、上述した通り、基底状態である61/2,F=3状態と、その直上の励起状態である63/2,F=3状態との間の状態遷移が用いられる。この場合、一般に、量子系の基底準位とその直上の励起準位との間のエネルギー差に相当する波長は1.0μm未満であることが多い。したがって、光子の波長を1.0μm未満とすることにより、量子系と光子との相互作用を用いた量子演算を効率的に実行できる。 Here, in general, quantum operations using a quantum system require that quantum information be retained in the quantum system for a certain amount of time. The transition between is used. For example, as mentioned above, quantum operations using cesium atoms involve the ground state 6 2 S 1/2 , F=3 state and the excited state directly above it 6 2 P 3/2 , F=3 state. The state transition between is used. In this case, generally, the wavelength corresponding to the energy difference between the ground level of the quantum system and the excited level immediately above it is often less than 1.0 μm. Therefore, by setting the wavelength of photons to less than 1.0 μm, quantum operations using interaction between a quantum system and photons can be efficiently performed.

また、一般に、単一モードの光ファイバを伝搬する光子の損失は、伝搬距離が長い程大きくなる。ここで、当該光子の損失は、光子の波長が1.0μm未満である場合には大きいものの、光子の波長が、一般に通信波長帯と称される波長帯を含む、1.0μm以上1.8μm以下である場合には比較的小さくなる。より好ましくは、光子の波長帯が、1.3μm以上1.6μm以下である場合には、光ファイバを伝搬する当該光子の損失はより小さくなる。換言すれば、光子の波長が1.0μm以上1.8μm以下、より好ましくは1.3μm以上1.6μm以下である場合、当該光子の損失を低減しつつ、光子を長距離伝搬させることが可能である。 Additionally, in general, the loss of photons propagating through a single mode optical fiber increases as the propagation distance increases. Here, the loss of the photon is large when the wavelength of the photon is less than 1.0 μm; If it is below, it will be relatively small. More preferably, when the wavelength band of the photon is 1.3 μm or more and 1.6 μm or less, the loss of the photon propagating through the optical fiber becomes smaller. In other words, when the wavelength of a photon is 1.0 μm or more and 1.8 μm or less, more preferably 1.3 μm or more and 1.6 μm or less, it is possible to propagate the photon over a long distance while reducing the loss of the photon. It is.

本実施形態において、第1光子SF1の波長である第1共鳴波長λは、第2光子SF2の波長である第2共鳴波長λよりも短い。特に、第1共鳴波長λは1.0μm未満であり、第2共鳴波長λは1.3μm以上1.6μm以下である。したがって、本実施形態に係る量子演算ユニット4は、第1光子SF1と量子系22との相互作用を用いた量子演算を効率的に実行できる。また、量子演算ユニット4は、当該量子系22とエンタングルメントを有し、かつ、比較的長距離伝搬しても損失の小さい第2光子SF2を生成できる。 In this embodiment, the first resonant wavelength λ 1 , which is the wavelength of the first photon SF1, is shorter than the second resonant wavelength λ 2 , which is the wavelength of the second photon SF2. In particular, the first resonant wavelength λ 1 is less than 1.0 μm, and the second resonant wavelength λ 2 is 1.3 μm or more and 1.6 μm or less. Therefore, the quantum operation unit 4 according to this embodiment can efficiently perform quantum operations using the interaction between the first photon SF1 and the quantum system 22. Further, the quantum operation unit 4 can generate a second photon SF2 that is entangled with the quantum system 22 and has a small loss even if it propagates over a relatively long distance.

各単一光子源6と各量子演算ユニット4との間、および、各量子演算ユニット4と各偏光ビームスプリッタ8との間における光ファイバFの長さは、第1光子SF1の損失が十分に小さくなる程度に短くともよい。これにより、量子演算器2は、第1光子SF1の損失を低減しつつ、各量子演算ユニット4における第1光子SF1を用いた量子演算を効率的に実行できる。 The length of the optical fiber F between each single photon source 6 and each quantum operation unit 4 and between each quantum operation unit 4 and each polarization beam splitter 8 is such that the loss of the first photon SF1 is sufficiently reduced. It may be as short as possible. Thereby, the quantum computing unit 2 can efficiently perform the quantum computing using the first photon SF1 in each quantum computing unit 4 while reducing the loss of the first photon SF1.

また、各量子演算ユニット4と各ハーフビームスプリッタ12との間における光ファイバFの長さは、各量子演算ユニット4と各偏光ビームスプリッタ8との間における光ファイバFの長さ等と比較して長くともよい。これにより、量子演算器2は、光ファイバFを長距離伝搬しても損失の比較的小さい第2光子SF2を用いて、特定の量子演算ユニット4の演算結果を比較的長距離伝搬させることができる。したがって、量子演算器2は、2つの量子演算ユニット4の間の距離をより長くすることができる。 Also, the length of the optical fiber F between each quantum processing unit 4 and each half beam splitter 12 is compared with the length of the optical fiber F between each quantum processing unit 4 and each polarizing beam splitter 8. It doesn't have to be long. As a result, the quantum computing unit 2 can propagate the calculation results of the specific quantum computing unit 4 over a relatively long distance using the second photon SF2, which has a relatively small loss even when propagated over a long distance through the optical fiber F. can. Therefore, the quantum computing device 2 can make the distance between the two quantum computing units 4 longer.

ゆえに、量子演算器2は、各量子演算ユニット4における第1光子SF1を用いた量子演算を効率的に行いつつ、特定の量子演算ユニット4における量子演算の結果を、離れた他の量子演算ユニット4に効率的に伝搬させることができる。 Therefore, the quantum computing unit 2 efficiently performs the quantum computing using the first photon SF1 in each quantum computing unit 4, and transmits the results of the quantum computing in a specific quantum computing unit 4 to other quantum computing units located far away. 4 can be efficiently propagated.

<量子演算器の具体的な運用方法>
量子演算器2のより具体的な運用方法として、例えば、量子演算器2は、上述の第1の運用形態により、第1の量子演算ユニット4において第1光子SF1および量子系22を用いた量子演算を行う。次いで、量子演算器2は、上述の第2の運用形態により、当該量子系22とエンタングルメントを有する第2光子SF2を用いて、第1の量子演算ユニット4と異なる第2の量子演算ユニット4の量子系22に上記量子演算の結果を伝搬させる。
<Specific operating method of quantum computing unit>
As a more specific operating method of the quantum computing unit 2, for example, the quantum computing unit 2 uses the first photon SF1 and the quantum system 22 in the first quantum computing unit 4 according to the above-mentioned first operating mode. Perform calculations. Next, the quantum computing unit 2 uses the second photon SF2 entangled with the quantum system 22 to generate a second quantum computing unit 4 different from the first quantum computing unit 4 according to the second operation mode described above. The result of the quantum operation is propagated to the quantum system 22 of.

ここで、量子演算器2の第2の運用形態による、第2光子SF2を用いた量子演算の結果の伝搬においては、第2光子SF2の光ファイバF中における損失は低減しているものの、一部の第2光子SF2が損失する場合がある。 Here, in the propagation of the result of the quantum operation using the second photon SF2 according to the second operation mode of the quantum operator 2, although the loss of the second photon SF2 in the optical fiber F is reduced, The second photon SF2 may be lost.

この場合、量子演算器2は、上述の第1の運用形態により、量子演算の結果を伝搬させた量子系22を有する第2の量子演算ユニット4を用いた量子演算を実行できる。これにより、量子演算器2は、第2の量子演算ユニット4を用いて、第2光子SF2の損失に伴い生じる量子誤りの訂正を行ってもよい。また、量子演算器2は、上述の第2の運用形態により、第2光子SF2を用いて、訂正した量子情報をさらなる他の量子演算ユニット4の量子系22に伝搬させてもよい。 In this case, the quantum computing unit 2 can perform quantum computing using the second quantum computing unit 4 having the quantum system 22 to which the results of the quantum computing are propagated, according to the first operation mode described above. Thereby, the quantum computing unit 2 may use the second quantum computing unit 4 to correct a quantum error that occurs due to the loss of the second photon SF2. Further, the quantum computing unit 2 may propagate the corrected quantum information to the quantum system 22 of yet another quantum computing unit 4 using the second photon SF2 according to the second operation mode described above.

なお、エンタングルメントの生成が成功するまで、繰り返し第2光子SF2の生成および伝搬を試行することにより、先に遠方の量子演算ユニット4間のエンタングルメントを生成し、その後量子演算を実行してもよい。これにより、初回の試行において第2光子SF2が損失した場合においても、複数回の試行を行うことにより、より確実に量子演算ユニット4間のエンタングルメントを生成することができる。 Note that even if entanglement is first generated between distant quantum operation units 4 and quantum operations are then executed, by repeatedly trying to generate and propagate the second photon SF2 until entanglement generation is successful. good. Thereby, even if the second photon SF2 is lost in the first trial, entanglement between the quantum operation units 4 can be generated more reliably by performing a plurality of trials.

これにより、量子演算器2は、ある特定の量子演算ユニット4における量子演算により得られた結果を、その量子情報を復元しつつ、遠方の量子演算ユニット4に効率的に伝搬させることができる。したがって、量子演算器2は、特定の量子演算ユニット4における量子演算により得られた結果を、より低い損失にて長距離伝搬させる量子通信器を達成する。この場合、各量子演算ユニット4は、上記量子通信器の量子中継器として機能する。 Thereby, the quantum computing unit 2 can efficiently propagate the result obtained by the quantum computing in a certain quantum computing unit 4 to the distant quantum computing unit 4 while restoring the quantum information. Therefore, the quantum computing device 2 achieves a quantum communication device that propagates the results obtained by the quantum computing in the specific quantum computing unit 4 over long distances with lower loss. In this case, each quantum operation unit 4 functions as a quantum repeater of the quantum communication device.

他の具体的な運用方法として、例えば、量子演算器2は、上述の第1および第2の運用形態により、第1の量子演算ユニット4における量子演算の結果を、第1の量子演算ユニット4と異なる第2の量子演算ユニット4の量子系22に伝搬させる。次いで、量子演算器2は、上述の第1の運用形態により、量子演算の結果を伝搬させた量子系22を有する第2の量子演算ユニット4を用いて、当該量子系22を用いた量子演算を実行する。 As another specific operating method, for example, the quantum computing unit 2 transfers the result of the quantum computing in the first quantum computing unit 4 to the first quantum computing unit 4 by the above-mentioned first and second operating modes. It is propagated to the quantum system 22 of the second quantum operation unit 4 different from . Next, the quantum computing unit 2 uses the second quantum computing unit 4 having the quantum system 22 to which the result of the quantum computing has been propagated, and performs the quantum computing using the quantum system 22 according to the first operation mode described above. Execute.

この場合、量子演算器2は、特定の量子演算ユニット4における量子演算により得られた結果を用いて、さらなる他の量子演算ユニット4における量子演算を行うことができる。したがって、量子演算器2は、互いに離れた複数の量子演算ユニット4のそれぞれにおいて量子演算を行うことにより、全体として量子演算に利用可能な量子系22の個数を増大させることが可能な、分散型の量子演算器を達成する。この場合、各量子演算ユニット4は、分散型の量子演算器の量子演算ユニットとして機能する。 In this case, the quantum computing unit 2 can perform quantum computing in yet another quantum computing unit 4 using the result obtained by the quantum computing in a specific quantum computing unit 4. Therefore, the quantum computing unit 2 is a distributed type that can increase the number of quantum systems 22 that can be used for quantum computing as a whole by performing quantum computing in each of a plurality of mutually separated quantum computing units 4. Achieve a quantum computing device. In this case, each quantum operation unit 4 functions as a quantum operation unit of a distributed quantum operation unit.

当該運用方法において、第1の運用形態による複数の量子演算ユニット4における量子演算は並行して実行してもよい。また、当該運用方法において、第2の運用形態による複数の量子演算ユニット4間における量子状態の伝搬またはエンタングルメントの共有は、上述した第1の運用形態による量子演算の間に複数回実行されてもよい。 In the operation method, the quantum operations in the plurality of quantum operation units 4 according to the first operation mode may be executed in parallel. In addition, in the operation method, the propagation of the quantum state or the sharing of entanglement between the plurality of quantum operation units 4 according to the second operation mode is performed multiple times during the quantum operation according to the first operation mode described above. Good too.

<補記>
本実施形態において、各共振器QED系16は、第1共鳴波長λを共鳴波長に有する第1共振器26と、第2共鳴波長λを共鳴波長に有する第2共振器28とを含む。また、各量子演算ユニット4においては、第1共振器26中の第1光子SF1が量子系22と相互作用し、第2共振器28中に当該量子系22とエンタングルメントを有する第2光子SF2が生成される。
<Addendum>
In this embodiment, each resonator QED system 16 includes a first resonator 26 having a first resonant wavelength λ 1 as a resonant wavelength, and a second resonator 28 having a second resonant wavelength λ 2 as a resonant wavelength. . In each quantum operation unit 4, the first photon SF1 in the first resonator 26 interacts with the quantum system 22, and the second photon SF2 entangled with the quantum system 22 in the second resonator 28. is generated.

量子演算ユニット4は、量子系22の、量子演算に用いられる遷移と結合した第1共振器26中の第1光子SF1を、量子系22と相互作用させる。このため、量子演算ユニット4は、量子系22と第1光子との相互作用がより効率的に生じ、量子系22を用いた量子演算をより効率的に実行する。 The quantum operation unit 4 causes the first photon SF1 in the first resonator 26 coupled with the transition of the quantum system 22 used for the quantum operation to interact with the quantum system 22. Therefore, in the quantum operation unit 4, the interaction between the quantum system 22 and the first photon occurs more efficiently, and the quantum operation using the quantum system 22 is executed more efficiently.

また、量子演算ユニット4は、量子系22における非縮退四光波混合過程を用いて生成された第2光子SF2の波長である第2共鳴波長λに対応する遷移と結合した第2共振器28中に、当該第2光子SF2を生成する。このため、量子演算ユニット4においては、量子系22における非縮退四光波混合過程を用いた第2光子SF2の生成がより効率的に発生する。 In addition, the quantum operation unit 4 is connected to a second resonator 28 coupled to a transition corresponding to a second resonant wavelength λ 2 which is the wavelength of a second photon SF2 generated using a non-degenerate four-wave mixing process in the quantum system 22. During the photon generation, the second photon SF2 is generated. Therefore, in the quantum operation unit 4, the second photon SF2 is generated more efficiently using the non-degenerate four-wave mixing process in the quantum system 22.

第1共振器26および第2共振器28は、それぞれ、光ファイバFまたはナノ光ファイバ20中に形成された第1ファイバブラッグ格子30および第2ファイバブラッグ格子32を含む。このため、第1共振器26および第2共振器28は、光ファイバFまたはナノ光ファイバ20に対するレーザ光の照射による第1ファイバブラッグ格子30および第2ファイバブラッグ格子32の形成等、比較的簡素な手法により形成できる。また、量子演算ユニット4は、リング共振器等を含む場合と比較して、簡素な構造により第1共振器26および第2共振器28を構成できる。 The first resonator 26 and the second resonator 28 include a first fiber Bragg grating 30 and a second fiber Bragg grating 32 formed in the optical fiber F or nano-optical fiber 20, respectively. For this reason, the first resonator 26 and the second resonator 28 are formed by relatively simple methods such as forming the first fiber Bragg grating 30 and the second fiber Bragg grating 32 by irradiating the optical fiber F or the nano-optical fiber 20 with laser light. It can be formed using various methods. Furthermore, the quantum operation unit 4 can configure the first resonator 26 and the second resonator 28 with a simpler structure than in the case where a ring resonator or the like is included.

なお、本実施形態においては、量子系22を用いた量子計算と、当該量子系22とエンタングルメントを有する第2光子SF2の生成とにおいて、共に状態|g>から状態|e>への遷移Tを用いたが、これに限られない。例えば、量子系22は、さらに、第2励起準位eとは異なるエネルギーを有する第4励起準位eを有していてもよく、第4励起準位eに対応する状態|e>が規定されていてもよい。第4励起準位eは、例えば、第1励起準位eの磁気副準位であってもよい。 In addition, in this embodiment, in both the quantum calculation using the quantum system 22 and the generation of the second photon SF2 that is entangled with the quantum system 22, there is a transition from the state |g> to the state |e 1 >. Although T1 was used, the present invention is not limited to this. For example, the quantum system 22 may further have a fourth excited level e4 having a different energy from the second excited level e2 , and a state |e corresponding to the fourth excited level e4 . 4 > may be specified. The fourth excited level e4 may be, for example, a magnetic sublevel of the first excited level e1 .

この場合、量子系22を用いた量子計算には上記遷移Tが用いられ、第2光子SF2の生成には、遷移Tに代えて状態|g>から状態|e>への遷移Tが用いられてもよい。この場合、上述した遷移Tは、状態|e>から状態|e>への遷移に読み替えられる。換言すれば、量子演算ユニット4は、量子系22における、状態|g>から状態|e>への遷移T、状態|e>から状態|e>への遷移T、および状態|e>から状態|g>への遷移Tを用いた四光波混合過程により、第2光子SF2を生成してもよい。 In this case, the above transition T 1 is used for quantum computation using the quantum system 22, and the transition T 1 from the state |g> to the state |e 4 > is used to generate the second photon SF2 instead of the transition T 1. 4 may be used. In this case, the above-described transition T 2 can be read as a transition from state |e 4 > to state |e 2 >. In other words, the quantum operation unit 4 performs the transition T 4 from the state |g> to the state |e 4 >, the transition T 2 from the state |e 4 > to the state |e 2 >, and the state The second photon SF2 may be generated by a four-wave mixing process using the transition T 3 from |e 3 > to the state |g>.

上記四光波混合過程において、量子系22に照射されるレーザ光源18からのポンプ光L2には、第1レーザ光に代えて、第1基底準位gと第4励起準位eとの間の遷移に共鳴する第2レーザ光が含まれていてもよい。また、ポンプ光L2に含まれる第3レーザ光は、第4励起準位eと第2励起準位eとの間の遷移に共鳴するレーザ光であってもよい。 In the four-wave mixing process, the pump light L2 from the laser light source 18 that irradiates the quantum system 22 is used instead of the first laser light between the first base level g and the fourth excitation level e4 . A second laser beam that resonates with the transition may be included. Further, the third laser beam included in the pump light L2 may be a laser beam that resonates with the transition between the fourth excitation level e4 and the second excitation level e2 .

〔変形例1〕
<第2光子の生成方法の他の例1>
本実施形態に係る第2の運用形態における、量子系22とエンタングルメントを有する第2光子SF2の生成方法の他の例について、図8を参照し、変形例1として説明する。図8は、本変形例に係る量子演算器2の第2の運用形態における、量子系22の状態遷移の他の例を表すエネルギーダイヤグラムD4を示す図である。
[Modification 1]
<Other example 1 of second photon generation method>
Another example of the method for generating the second photon SF2 that is entangled with the quantum system 22 in the second operation mode according to the present embodiment will be described as a first modification with reference to FIG. 8 . FIG. 8 is a diagram showing an energy diagram D4 representing another example of the state transition of the quantum system 22 in the second operation mode of the quantum computing unit 2 according to the present modification.

本変形例に係る量子演算器2は、本実施形態に係る量子演算器2と同一であり、第2の運用形態における第2光子SF2の生成の際に、量子系22に照射するポンプ光L2、および当該ポンプ光L2を照射された量子系22における状態遷移のみが異なる。本変形例に係る第2の運用形態において、例えば、第2光子SF2の生成の際に量子系22に照射するポンプ光L2は、上述した第4レーザ光と、2倍波が第1基底準位gと第2励起準位eとの間の遷移に共鳴する第5レーザ光とを含んでいてもよい。 The quantum computing unit 2 according to this modification is the same as the quantum computing unit 2 according to the present embodiment, and pump light L2 irradiated to the quantum system 22 when generating the second photon SF2 in the second operation mode. , and only the state transition in the quantum system 22 irradiated with the pump light L2 is different. In the second operation mode according to this modification, for example, the pump light L2 irradiated to the quantum system 22 when generating the second photon SF2 is a combination of the above-mentioned fourth laser light and the second harmonic that is based on the first reference standard. and a fifth laser beam that resonates with the transition between the excited level g and the second excited level e2 .

例えば、第5レーザ光は周波数ω’を有するレーザ光であり、ここで、周波数ω’は、ω’=(ω+ω)/2を満たす。このため、第5レーザ光は、第1基底準位gと第2励起準位eとのエネルギー差の略半分のエネルギーを有する。したがって、第5レーザ光の2倍波は、状態|g>から状態|e>への遷移に共鳴する。 For example, the fifth laser beam is a laser beam having a frequency ω', where the frequency ω' satisfies ω'=(ω 13 )/2. Therefore, the fifth laser beam has an energy that is approximately half the energy difference between the first ground level g and the second excited level e2 . Therefore, the second harmonic of the fifth laser beam resonates with the transition from the state |g> to the state |e 2 >.

上述した第4レーザ光および第5レーザ光を量子系22に照射した場合、図8のエネルギーダイヤグラムD4に示すように、状態|e>から状態|g>への遷移T、および、遷移Tおよび遷移Tを介した状態|g>から状態|e>への遷移が生じる。ここで、遷移Tおよび遷移Tは第5レーザ光により連続して発生する。具体的には、第5レーザ光により、状態|g>から、第1基底準位gと第2励起準位eとの略中間のエネルギーまで励起された状態への遷移Tが生じる。さらに、第5レーザ光により、第1基底準位gと第2励起準位eとの略中間のエネルギーまで励起された状態から、状態|e>への遷移Tが遷移Tと連続して発生する。これにより、本変形例においては、ポンプ光L2を照射された量子系22における、3準位型の四光波混合過程が発生し、上述した第2光子SF2が生成される。 When the quantum system 22 is irradiated with the fourth laser beam and the fifth laser beam described above, as shown in the energy diagram D4 of FIG. 8, there is a transition T 3 from the state |e 3 > to the state |g>, and a transition A transition occurs from state |g> to state |e 2 > via T 4 and transition T 5 . Here, transition T 4 and transition T 5 are successively generated by the fifth laser beam. Specifically, the fifth laser beam causes a transition T4 from the state |g> to a state excited to a substantially intermediate energy between the first ground level g and the second excited level e2 . Furthermore, the transition T 5 from the state excited by the fifth laser beam to approximately the intermediate energy between the first ground level g and the second excited level e 2 to the state |e 2 > is the transition T 4 . Occurs continuously. As a result, in this modification, a three-level four-wave mixing process occurs in the quantum system 22 irradiated with the pump light L2, and the second photon SF2 described above is generated.

本変形例においても、第2光子SF2は第2共鳴波長λを有し、量子系22とエンタングルメントを有する。このため、本変形例においても、量子演算ユニット4は、第1光子と量子系22との相互作用を用いた量子演算と、第2光子SF2への量子系22とのエンタングルメントの付与機能と、の双方の機能を、量子波長変換器を用いずに達成する。 Also in this modification, the second photon SF2 has the second resonance wavelength λ 2 and is entangled with the quantum system 22. Therefore, also in this modification, the quantum operation unit 4 has the functions of performing quantum operation using the interaction between the first photon and the quantum system 22, and providing entanglement with the quantum system 22 to the second photon SF2. , without using a quantum wavelength converter.

〔変形例2〕
<第2光子の生成方法の他の例2>
本実施形態に係る第2の運用形態における、量子系22とエンタングルメントを有する第2光子SF2の生成方法の他の例について、図9を参照し、変形例2として説明する。図9は、本変形例に係る量子演算器2の第2の運用形態における、量子系22の状態遷移の他の例を表すエネルギーダイヤグラムD5を示す図である。
[Modification 2]
<Other example 2 of second photon generation method>
Another example of the method for generating the second photon SF2 that is entangled with the quantum system 22 in the second operation mode according to the present embodiment will be described as a second modification with reference to FIG. FIG. 9 is a diagram showing an energy diagram D5 representing another example of the state transition of the quantum system 22 in the second operation mode of the quantum computing unit 2 according to the present modification.

本変形例に係る量子演算器2は、本実施形態に係る量子演算器2と同一であり、第2の運用形態における第2光子SF2の生成の際に、量子系22に照射するポンプ光L2、および当該ポンプ光L2を照射された量子系22における状態遷移のみが異なる。本変形例に係る第2の運用形態において、例えば、第2光子SF2の生成の際に量子系22に照射するポンプ光L2は、上述した第4レーザ光と、第1基底準位gと第2励起準位eとの間の遷移に共鳴する第6レーザ光とを含んでいてもよい。 The quantum computing unit 2 according to this modification is the same as the quantum computing unit 2 according to the present embodiment, and pump light L2 irradiated to the quantum system 22 when generating the second photon SF2 in the second operation mode. , and only the state transition in the quantum system 22 irradiated with the pump light L2 is different. In the second operation mode according to this modification, for example, the pump light L2 that irradiates the quantum system 22 when generating the second photon SF2 includes the above-mentioned fourth laser light, the first base level g, and the second photon SF2. 2 excitation level e and a sixth laser beam that resonates with the transition between e and 2 .

例えば、第6レーザ光は周波数ωを有するレーザ光であり、ここで、周波数ωは、ω=ω+ωを満たす。このため、第6レーザ光は、第1基底準位gと第2励起準位eとのエネルギー差に相当するエネルギーを有する。したがって、第6レーザ光は、状態|g>から状態|e>への遷移に共鳴する。 For example, the sixth laser beam is a laser beam having a frequency ω 5 , where the frequency ω 5 satisfies ω 513 . Therefore, the sixth laser beam has energy corresponding to the energy difference between the first ground level g and the second excited level e2 . Therefore, the sixth laser beam resonates with the transition from the state |g> to the state |e 2 >.

上述した第4レーザ光および第6レーザ光を量子系22に照射した場合、図9のエネルギーダイヤグラムD5に示すように、状態|e>から状態|g>への遷移T、および、遷移Tを介した状態|g>から状態|e>への遷移が生じる。ここで、遷移Tは第6レーザ光により発生する。具体的には、第6レーザ光により、状態|g>から状態|e>への遷移Tが、他の励起準位を介することなく発生する。
これにより、本変形例においては、ポンプ光L2を照射された量子系22における、3準位型のパラメトリック下方変換が発生し、上述した第2光子SF2が生成される。本変形例においても、第2光子SF2は第2共鳴波長λを有し、量子系22とエンタングルメントを有する。このため、本変形例においても、量子演算ユニット4は、第1光子と量子系22との相互作用を用いた量子演算と、第2光子SF2への量子系22とのエンタングルメントの付与機能と、の双方の機能を、量子波長変換器を用いずに達成する。
When the quantum system 22 is irradiated with the fourth laser beam and the sixth laser beam described above, as shown in the energy diagram D5 of FIG. 9, there is a transition T 3 from the state |e 3 > to the state |g>, and a transition A transition occurs from state |g> to state |e 2 > via T 6 . Here, transition T6 is generated by the sixth laser beam. Specifically, the sixth laser beam causes a transition T 6 from the state |g> to the state |e 2 > without passing through another excited level.
As a result, in this modification, a three-level parametric downward conversion occurs in the quantum system 22 irradiated with the pump light L2, and the above-mentioned second photon SF2 is generated. Also in this modification, the second photon SF2 has the second resonance wavelength λ 2 and is entangled with the quantum system 22. Therefore, also in this modification, the quantum operation unit 4 has the functions of performing quantum operation using the interaction between the first photon and the quantum system 22, and providing entanglement with the quantum system 22 to the second photon SF2. , without using a quantum wavelength converter.

本開示は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。 The present disclosure is not limited to the embodiments described above, and various changes can be made within the scope of the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. are also included within the technical scope of the present disclosure.

2 量子演算器
4 量子演算ユニット
6 単一光子源
8 偏光ビームスプリッタ
10 第1単一光子検出器
12 ハーフビームスプリッタ
14 第2単一光子検出器
16 共振器QED系
18 レーザ光源
20 ナノ光ファイバ
22 量子系
24 テーパー部
26 第1共振器
28 第2共振器
30 第1ファイバブラッグ格子
32 第2ファイバブラッグ格子
SF1 第1光子
SF2 第2光子
2 Quantum operator 4 Quantum operation unit 6 Single photon source 8 Polarizing beam splitter 10 First single photon detector 12 Half beam splitter 14 Second single photon detector 16 Cavity QED system 18 Laser light source 20 Nano optical fiber 22 Quantum system 24 Tapered part 26 First resonator 28 Second resonator 30 First fiber Bragg grating 32 Second fiber Bragg grating SF1 First photon SF2 Second photon

Claims (10)

光子を伝搬する光ファイバとテーパー部を介して接続するナノ光ファイバと、
前記ナノ光ファイバ上に配置された量子系と、を備え、
前記量子系は、基底準位と、第1励起準位と、第2励起準位と、前記第2励起準位と異なるエネルギーを有する第3励起準位とを有し、
前記基底準位と前記第1励起準位との準位差に相当する第1共鳴波長と前記第2励起準位と前記第3励起準位との準位差に相当する第2共鳴波長とが互いに異なり、
前記量子系は前記第1共鳴波長を有する第1光子と相互作用し、前記量子系とエンタングルメントを有し、かつ、前記第2共鳴波長を有する第2光子を前記ナノ光ファイバに生成する量子演算ユニット。
A nano-optical fiber that connects an optical fiber that propagates photons through a tapered part,
a quantum system disposed on the nano-optical fiber,
The quantum system has a ground level, a first excited level, a second excited level, and a third excited level having a different energy from the second excited level,
a first resonance wavelength corresponding to a level difference between the ground level and the first excited level; and a second resonance wavelength corresponding to the level difference between the second excited level and the third excited level. are different from each other,
The quantum system interacts with the first photon having the first resonant wavelength, is entangled with the quantum system, and generates a second photon having the second resonant wavelength in the nano-optical fiber. calculation unit.
前記第1共鳴波長よりも前記第2共鳴波長が長い請求項1に記載の量子演算ユニット。 The quantum operation unit according to claim 1, wherein the second resonance wavelength is longer than the first resonance wavelength. 前記第1共鳴波長が1.0μm未満であり、前記第2共鳴波長が1.0μm以上1.8μm以下である請求項2に記載の量子演算ユニット。 The quantum operation unit according to claim 2, wherein the first resonance wavelength is less than 1.0 μm, and the second resonance wavelength is 1.0 μm or more and 1.8 μm or less. 前記第2共鳴波長が1.3μm以上1.6μm以下である請求項3に記載の量子演算ユニット。 The quantum operation unit according to claim 3, wherein the second resonance wavelength is 1.3 μm or more and 1.6 μm or less. 前記ナノ光ファイバの内部または前記光ファイバの内部の少なくとも一方に形成された、前記第1共鳴波長を共振波長に有する第1共振器および前記第2共鳴波長を共振波長に有する第2共振器をさらに備え、
前記量子系は前記第1共振器中の前記第1光子と相互作用し、前記第2共振器に前記第2光子を生成する請求項1から4の何れか1項に記載の量子演算ユニット。
A first resonator having a resonant wavelength equal to the first resonant wavelength and a second resonator having a resonant wavelength having the second resonant wavelength formed in at least one of the inside of the nano-optical fiber or the inside of the optical fiber. More prepared,
5. The quantum computing unit according to claim 1, wherein the quantum system interacts with the first photon in the first resonator and generates the second photon in the second resonator.
前記第1共振器は前記第1共鳴波長を反射帯域に含む一対の第1ファイバブラッグ格子を有し、前記第2共振器は前記第2共鳴波長を反射帯域に含む一対の第2ファイバブラッグ格子を有する請求項5に記載の量子演算ユニット。 The first resonator includes a pair of first fiber Bragg gratings whose reflection band includes the first resonant wavelength, and the second resonator includes a pair of second fiber Bragg gratings whose reflection band includes the second resonant wavelength. The quantum operation unit according to claim 5, comprising: 前記第1共鳴波長を有する第1レーザ光を前記量子系に照射するレーザ光源をさらに備えた請求項1から4の何れか1項に記載の量子演算ユニット。 The quantum operation unit according to any one of claims 1 to 4, further comprising a laser light source that irradiates the quantum system with a first laser light having the first resonance wavelength. 前記量子系は、前記第2励起準位とは異なるエネルギーを有する第4励起準位をさらに有し、
前記レーザ光源は、さらに、前記基底準位と前記第4励起準位との間の遷移に共鳴する第2レーザ光と、前記第4励起準位と前記第2励起準位との間の遷移に共鳴する第3レーザ光と、前記第3励起準位と前記基底準位との間の遷移に共鳴する第4レーザ光とを、前記量子系に照射する請求項7に記載の量子演算ユニット。
The quantum system further includes a fourth excited level having a different energy from the second excited level,
The laser light source further includes a second laser beam that resonates with the transition between the ground level and the fourth excited level, and a second laser beam that resonates with the transition between the fourth excited level and the second excited level. 8. The quantum operation unit according to claim 7, wherein the quantum system is irradiated with a third laser beam that resonates with the transition between the third excited level and the ground level, and a fourth laser beam that resonates with the transition between the third excited level and the ground level. .
前記レーザ光源は、さらに、前記第3励起準位と前記基底準位との間の遷移に共鳴する第4レーザ光と、2倍波が前記基底準位と前記第2励起準位との間の遷移に共鳴する第5レーザ光とを、前記量子系に照射する請求項7に記載の量子演算ユニット。 The laser light source further includes a fourth laser beam that resonates with the transition between the third excited level and the ground level, and a second harmonic that resonates between the ground level and the second excited level. 8. The quantum operation unit according to claim 7, wherein the quantum system is irradiated with a fifth laser beam that resonates with the transition of . 複数の請求項1から4の何れか1項に記載の量子演算ユニットと、
前記第1共鳴波長を有する単一光子を生成し、各前記量子演算ユニットに入力する複数の単一光子源と、
各前記量子演算ユニットから出力された前記第1共鳴波長を有する単一光子が入射する複数の偏光ビームスプリッタと、
各前記偏光ビームスプリッタから出射する単一光子を検出する複数の第1単一光子検出器と、
2つの前記量子演算ユニットのそれぞれから出力された前記第2共鳴波長を有する単一光子を互いに干渉させる少なくとも一つのハーフビームスプリッタと、
前記ハーフビームスプリッタから出射する単一光子を検出する少なくとも一つの第2単一光子検出器と、
を備えた量子演算器。
A plurality of quantum operation units according to any one of claims 1 to 4,
a plurality of single photon sources that generate single photons having the first resonant wavelength and input them to each of the quantum processing units;
a plurality of polarization beam splitters into which single photons having the first resonance wavelength output from each of the quantum operation units are incident;
a plurality of first single photon detectors that detect single photons emitted from each of the polarizing beam splitters;
at least one half beam splitter that causes single photons having the second resonant wavelength output from each of the two quantum operation units to interfere with each other;
at least one second single photon detector for detecting single photons emitted from the half beam splitter;
A quantum computing unit equipped with
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