JP3656152B2 - 量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造 - Google Patents
量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3656152B2 JP3656152B2 JP23259098A JP23259098A JP3656152B2 JP 3656152 B2 JP3656152 B2 JP 3656152B2 JP 23259098 A JP23259098 A JP 23259098A JP 23259098 A JP23259098 A JP 23259098A JP 3656152 B2 JP3656152 B2 JP 3656152B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- quantum
- quantum dot
- level
- dot
- device structure
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
- G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造に関し、さらに詳細には、量子力学の原理に基づいた量子計算を行うチューリング型の量子コンピュータを構成する際に必要とされる、量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造に関する。
【０００２】
【発明の背景】
近年、古典力学に基づいた既存のデジタル・コンピュータに対して、量子力学の原理に基づいた量子計算を行う量子コンピュータの概念が提唱されてきている。
【０００３】
こうした量子コンピュータを実現するためには、現在のデジタル・コンピュータのビットの概念に相当する量子ビットを実現するための量子ビット素子と、２個の量子ビットの演算を行う量子相関ゲート素子とが必要であることが現在までに判明している。
【０００４】
ここで、以降の説明の理解を容易にするために、量子ビットならびに量子相関ゲートについて説明しておくこととする。
【０００５】
古典力学の原理に基づく既存のデジタル・コンピュータにおいては、“０”と“１”による「ビット」に対して、アンド（ＡＮＤ）やオア（ＯＲ）などの論理ゲートを作用させることによって、加算やフーリエ変換などの演算を行うことのできる回路を構築するようになされている。こうした「ビット」に対応する概念として、量子コンピュータにおいては「量子ビット」という概念が導入されている。
【０００６】
物質のミクロな性質を支配する量子力学によれば、電子などの粒子（この明細書においては、電子について説明する。）の状態は、いろいろな状態の重ね合わせで表される。即ち、量子力学においては、とりうることのできる状態が２つしかない場合には、そのエネルギーが大きい方の状態を「｜１＞」と表すとともに、そのエネルギーが低い方の状態を「｜０＞」と表すことにすると、電子の状態は｜１＞と｜０＞との重ね合わせ状態にあるものと言うことができる。こうした概念を、従来のビットに利用するのが、量子ビットの考え方である。
【０００７】
即ち、“０”か“１”かが確定的な従来のビットに対して、量子ビットでは、量子ビットの状態は“０”か“１”かのどちらとは言えず、ある確率で“０”の状態があり、また、ある確率で“１”の状態があると言えるだけである。即ち、このような状態が、重ね合わせ状態と称されているものである。
【０００８】
従って、量子ビットの物理的実態は、｜１＞と｜０＞との２つの量子準位を備えた２準位系であると言える。
【０００９】
また、量子相関ゲートとは、上記したような２個の量子ビットの演算を行って量子ビットを操作するゲートであるが、その演算とは図１に示すようなものである。
【００１０】
即ち、量子相関ゲートは可換であり、ある状態の２個の量子ビットに作用して、他の状態の２個の量子ビットを得ることができるようにしたものである。
【００１１】
具体的には、図１（ａ）に概念的に示すように、量子相関ゲートは、量子相関ゲートによる作用を受ける前の２個の量子ビットのうちの一方（２個の量子ビットのうちの基準となる量子ビットであり、以下、「コントロールビット」と称する。）の状態を「Ａ」とするとともに、量子相関ゲートによる作用を受ける前の２個の量子ビットのうちの他方（２個の量子ビットのうちの「コントロールビット」による影響を受ける量子ビットであり、以下、「ターゲットビット」と称する。）の状態を「Ｂ」とすると、量子相関ゲートの作用を受けた後の２個の量子ビットとして、図１（ｂ）の真理値表に概念的に示すように、量子相関ゲートによる作用を受ける前のコントロールビットの状態と同じ状態たる「Ａ」と、量子相関ゲートによる作用を受ける前のコントロールビットの状態たる「Ａ」とターゲットビットの状態たる「Ｂ」との排他的論理和「Ｘ」を得ることができるものである。
【００１２】
そして、現在までのところ、こうした量子ビットならびに量子相関ゲートを実現することのできる実際的な構成は知られておらず、その案出が強く望まれていた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、量子ビットならびに量子相関ゲートを実現することのできる、量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造を提供しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の量子コンピュータにおける量子ビット素子構造は、第１の量子準位をもつ第１の量子ドットと、上記第１の量子準位とは異なる第２の量子準位をもつ第２の量子ドットとを有し、トンネル効果により上記第１の量子ドットと上記第２の量子ドットとの間を電子が自由に移動可能なように、上記第１の量子ドットと上記第２の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電子が１個だけ存在するようにして、上記第１の量子準位と上記第２の量子準位とのエネルギー差に共鳴した電磁波を照射して量子ビットの操作を行うようにしたものである。
【００１５】
また、本発明のうち請求項２に記載の量子コンピュータにおける量子ビット素子構造は、本発明のうち請求項１に記載の量子コンピュータにおける量子ビット素子構造において、上記第１の量子ドットおよび上記第２の量子ドットを半導体材料により構成したものである。
【００１６】
また、本発明のうち請求項３に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造は、第１の量子準位をもつ第１の量子ドットと、上記第１の量子準位より下の第２の量子準位をもつ第２の量子ドットとを有し、トンネル効果により上記第１の量子ドットと上記第２の量子ドットとの間を電子が自由に移動可能なように、上記第１の量子ドットと上記第２の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電子が１個だけ存在するようにした第１の量子ビット素子構造と、第３の量子準位をもつ第３の量子ドットと、上記第３の量子準位より下の第４の量子準位をもつ第４の量子ドットとを有し、トンネル効果により上記第３の量子ドットと上記第４の量子ドットとの間を電子が自由に移動可能なように、上記第３の量子ドットと上記第４の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電子が１個だけ存在するようにした第２の量子ビット素子構造とを有し、上記第１のビット素子構造と上記第２のビット素子構造とを、上記第１の量子ドットと上記第３の量子ドットとが対向するとともに、上記第２の量子ドットと上記第４の量子ドットとが対向するように配置し、上記第１の量子ドットと上記第３の量子ドットとが電気的に接続され、上記第２の量子ドットと上記第４の量子ドットとが電気的に接続され、さらに、上記第１の量子準位と上記第２の量子準位との準位差と、上記第３の量子準位と上記第４の量子準位との準位差とが異なるように設定されたものである。
【００１７】
また、本発明のうち請求項４に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造は、本発明のうち請求項３に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造において、上記第１の量子ドットと上記第３の量子ドットとを第１の可変コンデンサを介して容量的に接続し、上記第２の量子ドットと上記第４の量子ドットとを第２の可変コンデンサを介して容量的に接続したものである。
【００１８】
また、本発明のうち請求項５に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造は、第１の量子準位をもつ第１の量子ドットと、上記第１の量子準位より下の第２の量子準位をもつ第２の量子ドットとを有し、トンネル効果により上記第１の量子ドットと上記第２の量子ドットとの間を電子が自由に移動可能なように、上記第１の量子ドットと上記第２の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電子が１個だけ存在するようにした第１の量子ビット素子構造と、第３の量子準位をもつ第３の量子ドットと、上記第３の量子準位より下の第４の量子準位をもつ第４の量子ドットとを有し、トンネル効果により上記第３の量子ドットと上記第４の量子ドットとの間を電子が自由に移動可能なように、上記第３の量子ドットと上記第４の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電子が１個だけ存在するようにした第２の量子ビット素子構造とを有し、上記第１のビット素子構造と上記第２のビット素子構造とを、上記第１の量子ドットと上記第４の量子ドットとが対向するとともに、上記第２の量子ドットと上記第３の量子ドットとが対向するように配置し、上記第１の量子ドットと上記第４の量子ドットとが電気的に接続され、上記第２の量子ドットと上記第３の量子ドットとが電気的に接続され、さらに、上記第１の量子準位と上記第２の量子準位との準位差と、上記第３の量子準位と上記第４の量子準位との準位差とが異なるように設定されたものである。
【００１９】
また、本発明のうち請求項６に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造は、本発明のうち請求項５に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造において、上記第１の量子ドットと上記第４の量子ドットとを第１の可変コンデンサを介して容量的に接続し、上記第２の量子ドットと上記第３の量子ドットとを第２の可変コンデンサを介して容量的に接続したものである。
【００２０】
また、本発明のうち請求項７に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造は、本発明のうち請求項３、請求項４、請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造において、上記第１の量子ビット素子構造を第３の可変コンデンサを介して第１の単電子トランジスタに接続し、上記第２の量子ビット素子構造を第４の可変コンデンサを介して第２の単電子トランジスタに接続したものである。
【００２１】
また、本発明のうち請求項８に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造は、本発明のうち請求項３、請求項４、請求項５、請求項６または請求項７のいずれか１項に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造において、上記第１の量子ドット、上記第２の量子ドット、上記第３の量子ドットおよび上記第４の量子ドットを半導体材料により構成したものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面に基づいて、本発明による量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００２３】
図２には、本発明による量子コンピュータにおける量子ビット素子構造の実施の形態の一例を示す概念構成説明図が示されている。
【００２４】
即ち、本発明による量子コンピュータにおける量子ビット素子構造１０は、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体材料により形成された２個の量子ドット１２、１４より構成されている。つまり、量子ビットの物理的実態は２準位系であるが、本発明による量子コンピュータにおける量子ビット素子構造１０においては、２個の量子ドット１２、１４より２つの量子準位１６、１８を形成するようになされている。
【００２５】
より詳しく説明すると、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体材料により、直径が数十ナノメートル（ｎｍ）程度の球体形状や、一辺が数十ナノメートル（ｎｍ）程度の方体形状を備えた微小な量子ドットを構成すると、こうした量子ドットには離散化した量子準位が形成されることになる。
【００２６】
なお、こうした微小な量子ドットは、例えば、表面ゲート法と称される製造方法や、自己形成法と称される製造方法などにより製造することができる。
【００２７】
従って、量子ビットの２準位系として、注目する量子準位をその中に１つだけ有する微小な量子ドットを２つ用意し、これら２つの量子ドットを、量子ビット素子構造１０を構成するための量子ドット１２、１４として用いるものである。
【００２８】
なお、これら量子ドット１２の量子準位１６と量子ドット１４の量子準位１８とは、互いに異なるように設定されるものであり、この実施の形態においては、図２上右側に位置する量子ドット１２の量子準位１６の方が、図２上左側に位置する量子ドット１４の量子準位１８より低いように設定されている。
【００２９】
具体的には、量子ドット１２の量子準位１６と量子ドット１４の量子準位１８との準位間のエネルギー差Ｅは、外部の電圧により自由に変えることができるものであり、この実施の形態においては、図２上右側に位置する量子ドット１２の量子準位１６の方が、図２上左側に位置する量子ドット１４の量子準位１８よりも低くなるように、外部の電圧により設定されているものである。
【００３０】
また、量子ドット１２と量子ドット１４とは、その間隔Ｇが、例えば、１０オングストローム程度に近接して配置されるものであり、電子がトンネル効果により量子ドット１２と量子ドット１４との間を自由に移動することができるようになされている。
【００３１】
以上の構成において、量子ビット素子構造１０内には、例えば、クーロンブロッケード効果を利用して、電子が１個存在するようになされており、その１個の電子は、ある確率で量子ドット１２の量子準位１６に存在（｜０＞の状態）したり、ある確率で量子ドット１４の量子準位１８に存在（｜１＞の状態）したりするものである。
【００３２】
なお、クーロンブロッケード効果とは、電子間のクーロン反発力を利用して、電子を１個だけ量子ドットに蓄えるためのメカニズムである。
【００３３】
ここで、ラビ振動の原理を利用することにより、量子ビット素子構造１０の量子ビットの操作を行うことができるものである。
【００３４】
ここで、ラビ振動とは、２準位系において準位間のエネルギー差に共鳴した電磁波を照射すると、電子の２準位の上か下かに存在する確率が周期的に振動する現象である。
【００３５】
従って、量子ビット素子構造１０において、例えば、初期状態として、上の量子準位１８に電子が存在する確率（Ｐ１）が０（Ｐ１＝０）であり、下の量子準位１６に電子が存在する確率（Ｐ０）が１（Ｐ０＝１）であるとすると、量子準位１８と量子準位１６とのエネルギー差Ｅに共鳴した電磁波をラビ振動の半周期だけ照射した後には、上の量子準位１８に電子が存在する確率（Ｐ１）が１（Ｐ１＝１）となり、下の量子準位１６に電子が存在する確率（Ｐ０）が１（Ｐ０＝０）となるものである。
【００３６】
即ち、ラビ振動を利用することにより、量子ビットの状態を反転することができることになる。そして、上記した電磁波の照射時間を適当に選択することにより、量子ビットの状態を任意の制御することができるものである。
【００３７】
次に、図３ならびに図４を参照しながら、本発明による量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造の実施の形態の一例について説明する。
【００３８】
即ち、図３には、本発明による量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造の実施の形態の一例の概念構成説明図が示されている。
【００３９】
この量子相関ゲート１００は、上記した本発明の実施の形態による量子ビット素子構造を２個用いて構成されるものである。
【００４０】
具体的には、量子相関ゲート１００は、２準位間のエネルギー差が異なる２個の量子ビット素子構造として、２準位間のエネルギー差が大きい第１量子ビット素子構造１０２と、２準位間のエネルギー差が小さい第２量子ビット素子構造１０４とを備えて構成されている。ここで、２準位間のエネルギー差が大きい方の第１量子ビット素子構造１０２の量子ビットをコントロールビットとし、２準位間のエネルギー差が小さい方の第２量子ビット素子構造１０４の量子ビットをターゲットビットとする。
【００４１】
なお、第１量子ビット素子構造１０２は、上の量子準位１０６をもつ量子ドット１０８と、下の量子準位１１０をもつ量子ドット１１２とより構成されている。
【００４２】
また、第２量子ビット素子構造１０４は、上の量子準位１１４をもつ量子ドット１１６と、下の量子準位１１８をもつ量子ドット１２０とより構成されている。
【００４３】
また、第１量子ビット素子構造１０２と第２量子ビット素子構造１０４とは、例えば、図３に示すように、量子ドット１０８と量子ドット１１６とが対向し、かつ、量子ドット１１２と量子ドット１２０とが対向するように上下２段に配置されているものである。なお、図３においては、第１量子ビット素子構造１０２が上段に配置され、第２量子ビット素子構造１０４が下段に配置されている。
【００４４】
そして、量子ドット１０８と量子ドット１１６とは、可変コンデンサ１２２を介して接続されており、量子ドット１１２と量子ドット１２０とは、可変コンデンサ１２４を介して接続されている。
【００４５】
さらに、こうした量子相関ゲート素子構造１００においては、第１量子ビット素子構造１０２の量子ドット１１２には、可変コンデンサ１２６を介して、第１量子ビット素子構造１０２による第１ビットの状態を検出するための単電子トランジスタが接続されており、また、第２量子ビット素子構造１０４の量子ドット１２０には、可変コンデンサ１２８を介して、第２量子ビット素子構造１０４による第２ビットの状態を検出するための単電子トランジスタが接続されている。
【００４６】
なお、図３に示す実施の形態においては、単電子トランジスタは、第１量子ビット素子構造１０２の量子ドット１１２に可変コンデンサ１２６を介して接続されるとともに、第２量子ビット素子構造１０４の量子ドット１２０に可変コンデンサ１２８を介して接続されているが、これに限られることなしに、第１量子ビット素子構造１０２の量子ドット１０８に可変コンデンサ１２６を介して接続するようにしてもよいし、第２量子ビット素子構造１０４の量子ドット１１６に可変コンデンサ１２８を介して接続するようにしてもよい。
【００４７】
以上の構成において、可変コンデンサ１２２の容量Ｃ１を０（Ｃ１＝０）に設定するとともに、可変コンデンサ１２４の容量Ｃ２を０（Ｃ２＝０）に設定すると、第１量子ビット素子構造１０２と第２量子ビット素子構造１０４とは互いに電気的に独立した状態となる。
【００４８】
従って、上記したラビ振動を利用すれば、第１量子ビット素子構造１０２のコントロールビットの状態と、第２量子ビット素子構造１０４のターゲットビットの状態とを、図１（ｂ）の真理値表に示す量子相関ゲートの作用前の状態に設定することができる。
【００４９】
図４には、こうした量子相関ゲートの作用前の状態における、第１量子ビット素子構造１０２の電子のエネルギーと第２量子ビット素子構造１０４の電子のエネルギーとの合計値を示すエネルギーレベル状態図が示されている。なお、量子準位１１０と量子準位１１８とにおける電子のエネルギーのレベルを、基準のレベルＡとする。
【００５０】
従って、コントロールビットおよびターゲットビットの状態が｜０＞であるならば、エネルギーレベルは基準のレベルＡとなる。
【００５１】
また、コントロールビットの状態が｜０＞であり、ターゲットビットの状態が｜１＞であるならば、エネルギーレベルはレベルＢとなる。
【００５２】
さらに、コントロールビットの状態が｜１＞であり、ターゲットビットの状態が｜０＞であるならば、エネルギーレベルはレベルＣとなる。
【００５３】
さらにまた、コントロールビットの状態が｜１＞であり、ターゲットビットの状態が｜１＞であるならば、エネルギーレベルはレベルＤとなる。
【００５４】
ところが、可変コンデンサ１２２の容量Ｃ１を「Ｃ１≠０」に設定するとともに、可変コンデンサ１２４の容量Ｃ２を「Ｃ２≠０」に設定すると、第１量子ビット素子構造１０２と第２量子ビット素子構造１０４とは互いに容量的に結合した状態となる。
【００５５】
従って、「Ｃ１≠０」および「Ｃ２≠０」の場合には、図３に示す状態における第１量子ビット素子構造１０２の量子準位１０６、１１０および第２量子ビット素子構造１０４の量子準位１１４、１１８に関して、互いの電子が対角線上に存在するとき（コントロールビットの状態が｜１＞であり、かつ、ターゲットビットの状態が｜０＞である場合およびコントロールビットの状態が｜０＞であり、かつ、ターゲットビットの状態が｜１＞である場合）には「Ｃ１＝０」および「Ｃ２＝０」の場合と比べてエネルギーはほとんど変化しないが、互いの電子が対角線上に存在しないとき（コントロールビットの状態が｜１＞であり、かつ、ターゲットビットの状態が｜１＞である場合およびコントロールビットの状態が｜０＞であり、かつ、ターゲットビットの状態が｜０＞である場合）には「Ｃ１＝０」および「Ｃ２＝０」の場合よりもエネルギーが上がりことになる。その差分を△Ｅとすると、「Ｃ１≠０」および「Ｃ２≠０」の場合には、レベルＡはレベルＡ’に上がり、レベルＢはほとんどそのままレベルＢ’になり、レベルＣはほとんどそのままレベルＣ’になり、レベルＤはレベルＤ’に上がることになる。
【００５６】
従って、量子相関ゲート素子構造１００に対して、「Ｅ２＋△Ｅ」のエネルギーをもつ電磁波をラビ振動の半周期間照射することによって、コントロールビットが｜１＞のときだけ、ターゲットビットを反転することができ、図３（ｂ）に示す真理値表の動作を実現することができる。
【００５７】
なお、コントロールビットとターゲットビットとを単独で操作する必要がある場合には、上記したように「Ｃ１＝０」および「Ｃ２＝０」に設定して、コントロールビットとターゲットビットとの間の相互作用を小さくすればよい。
【００５８】
そして、量子相関ゲート素子構造１００による演算後の量子ビットの状態を観測するには、可変コンデンサ１２６の容量Ｃ３を「Ｃ３≠０」に設定するとともに、可変コンデンサ１２８の容量Ｃ４を「Ｃ４≠０」に設定して、単電子トランジスタを用いることになる。なお、演算中は単電子トランジスタを用いず、「Ｃ３＝０」ならびに「Ｃ４＝０」に設定されているものとする。
【００５９】
上記したように、第１量子ビット素子構造１０２ならびに第２量子ビット素子構造１０４には、それぞれ１個の電子しか存在しないので、１個の電子の電荷を測定することが必要であり、これは既存のエレクトロメータでは不可能であるので、この実施の形態においては、単電子トランジスタを用いるようにしている。
【００６０】
なお、本発明における量子相関ゲート素子を構成する各量子ビット素子における各量子ドットの準位の上下関係、換言すれば、各量子ドットの配置関係は、上記した実施の形態に限定されるものではないことは勿論である。
【００６１】
即ち、図３に示すような配置関係に代えて、図５に示すように、第１量子ビット素子構造１０２と第２量子ビット素子構造１０４とを、量子ドット１０８と量子ドット１２０とが対向し、かつ、量子ドット１１２と量子ドット１１６とが対向するように上下２段に配置するようにしてもよい。なお、図５においては、第１量子ビット素子構造１０２が上段に配置され、第２量子ビット素子構造１０４が下段に配置されている。
【００６２】
そして、量子ドット１０８と量子ドット１２０とを、可変コンデンサ１２４を介して接続し、量子ドット１１２と量子ドット１１６とを、可変コンデンサ１２２を介して接続する。
【００６３】
なお、図５示す量子相関ゲート素子構造１００においては、第１量子ビット素子構造１０２の量子ドット１０８に、可変コンデンサ１２６を介して、第１量子ビット素子構造１０２による第１ビットの状態を検出するための単電子トランジスタが接続され、また、第２量子ビット素子構造１０４の量子ドット１２０に、可変コンデンサ１２８を介して、第２量子ビット素子構造１０４による第２ビットの状態を検出するための単電子トランジスタが接続されている。
【００６４】
従って、この図５に示す実施の形態おいては、エネルギーレベル状態図は図６に示すようになる。
【００６５】
即ち、「Ｃ１≠０」および「Ｃ２≠０」の場合には、図５に示す状態における第１量子ビット素子構造１０２の量子準位１０６、１１０および第２量子ビット素子構造１０４の量子準位１１４、１１８に関して、互いの電子が対角線上に存在しないとき（コントロールビットの状態が｜０＞であり、かつ、ターゲットビットの状態が｜０＞である場合およびコントロールビットの状態が｜１＞であり、かつ、ターゲットビットの状態が｜１＞である場合）には「Ｃ１＝０」および「Ｃ２＝０」の場合と比べてエネルギーはほとんど変化しないが、互いの電子が対角線上に存在するとき（コントロールビットの状態が｜０＞であり、かつ、ターゲットビットの状態が｜１＞である場合およびコントロールビットの状態が｜１＞であり、かつ、ターゲットビットの状態が｜０＞である場合）には「Ｃ１＝０」および「Ｃ２＝０」の場合よりもエネルギーが上がりことになる。その差分を△Ｅとすると、「Ｃ１≠０」および「Ｃ２≠０」の場合には、レベルＡはほとんどそのままレベルＡ’になり、レベルＢはレベルＢ’に上がり、レベルＣはレベルＣ’に上がり、レベルＤはほとんどそのままレベルＤ’になる。
【００６６】
従って、量子相関ゲート素子構造１００に対して、「Ｅ２−△Ｅ」のエネルギーをもつ電磁波をラビ振動の半周期間照射することによって、コントロールビットが｜１＞のときだけ、ターゲットビットを反転することができ、図３（ｂ）に示す真理値表の動作を実現することができる。
【００６７】
つまり、本発明における量子相関ゲート素子を構成する各量子ビット素子における各量子ドットの準位の上下関係、換言すれば、各量子ドットの配置関係は、どのようでもかまわないが、ラビ振動の半周期間照射する電磁波のエネルギーは、本発明における量子相関ゲート素子を構成する各量子ビット素子における各量子ドットの準位の上下関係、換言すれば、各量子ドットの配置関係に応じて変化させる必要がある。
【００６８】
なお、微小な量子ドットの材料としては、上記したガリウム砒素に限らず、例えば、シリコンなどを用いることができる。
【００６９】
また、微小な量子ドットの形成方法としては、上記した表面ゲート法に限らず、例えば、近年急速に研究が進んでいる自己組織化法や、さらには走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を用いた原子レベルでの超微細加工技術を利用するようにしてもよい。
【００７０】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、チューリング型の量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造を固体デバイスで提供することができるようになるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は量子相関ゲートを概念的に示す説明図であり、（ｂ）は量子相関ゲートの概念的な真理値表である。
【図２】本発明による量子コンピュータにおける量子ビット素子構造の実施の形態の一例を示す概念構成説明図である。
【図３】本発明による量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造の実施の形態の一例の概念構成説明図である。
【図４】図３に示す量子相関ゲート素子構造に関して、量子相関ゲートの作用前の状態における、第１量子ビット素子構造の電子のエネルギーと第２量子ビット素子構造の電子のエネルギーとの合計値を示すエネルギーレベル状態図である。
【図５】本発明による量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造の他の実施の形態の一例の概念構成説明図である。
【図６】図５に示す量子相関ゲート素子構造に関して、量子相関ゲートの作用前の状態における、第１量子ビット素子構造の電子のエネルギーと第２量子ビット素子構造の電子のエネルギーとの合計値を示すエネルギーレベル状態図である。
【符号の説明】
１０ 量子ビット素子構造
１２、１４、１０８、１１２、１１６、１２０ 量子ドット
１６、１８、１０６、１１０、１１４、１１８ 量子準位
１００ 量子相関ゲート素子構造
１０２ 第１量子ビット素子構造
１０４ 第２量子ビット素子構造
１２２、１２４、１２６、１２８ 可変コンデンサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造に関し、さらに詳細には、量子力学の原理に基づいた量子計算を行うチューリング型の量子コンピュータを構成する際に必要とされる、量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造に関する。
【０００２】
【発明の背景】
近年、古典力学に基づいた既存のデジタル・コンピュータに対して、量子力学の原理に基づいた量子計算を行う量子コンピュータの概念が提唱されてきている。
【０００３】
こうした量子コンピュータを実現するためには、現在のデジタル・コンピュータのビットの概念に相当する量子ビットを実現するための量子ビット素子と、２個の量子ビットの演算を行う量子相関ゲート素子とが必要であることが現在までに判明している。
【０００４】
ここで、以降の説明の理解を容易にするために、量子ビットならびに量子相関ゲートについて説明しておくこととする。
【０００５】
古典力学の原理に基づく既存のデジタル・コンピュータにおいては、“０”と“１”による「ビット」に対して、アンド（ＡＮＤ）やオア（ＯＲ）などの論理ゲートを作用させることによって、加算やフーリエ変換などの演算を行うことのできる回路を構築するようになされている。こうした「ビット」に対応する概念として、量子コンピュータにおいては「量子ビット」という概念が導入されている。
【０００６】
物質のミクロな性質を支配する量子力学によれば、電子などの粒子（この明細書においては、電子について説明する。）の状態は、いろいろな状態の重ね合わせで表される。即ち、量子力学においては、とりうることのできる状態が２つしかない場合には、そのエネルギーが大きい方の状態を「｜１＞」と表すとともに、そのエネルギーが低い方の状態を「｜０＞」と表すことにすると、電子の状態は｜１＞と｜０＞との重ね合わせ状態にあるものと言うことができる。こうした概念を、従来のビットに利用するのが、量子ビットの考え方である。
【０００７】
即ち、“０”か“１”かが確定的な従来のビットに対して、量子ビットでは、量子ビットの状態は“０”か“１”かのどちらとは言えず、ある確率で“０”の状態があり、また、ある確率で“１”の状態があると言えるだけである。即ち、このような状態が、重ね合わせ状態と称されているものである。
【０００８】
従って、量子ビットの物理的実態は、｜１＞と｜０＞との２つの量子準位を備えた２準位系であると言える。
【０００９】
また、量子相関ゲートとは、上記したような２個の量子ビットの演算を行って量子ビットを操作するゲートであるが、その演算とは図１に示すようなものである。
【００１０】
即ち、量子相関ゲートは可換であり、ある状態の２個の量子ビットに作用して、他の状態の２個の量子ビットを得ることができるようにしたものである。
【００１１】
具体的には、図１（ａ）に概念的に示すように、量子相関ゲートは、量子相関ゲートによる作用を受ける前の２個の量子ビットのうちの一方（２個の量子ビットのうちの基準となる量子ビットであり、以下、「コントロールビット」と称する。）の状態を「Ａ」とするとともに、量子相関ゲートによる作用を受ける前の２個の量子ビットのうちの他方（２個の量子ビットのうちの「コントロールビット」による影響を受ける量子ビットであり、以下、「ターゲットビット」と称する。）の状態を「Ｂ」とすると、量子相関ゲートの作用を受けた後の２個の量子ビットとして、図１（ｂ）の真理値表に概念的に示すように、量子相関ゲートによる作用を受ける前のコントロールビットの状態と同じ状態たる「Ａ」と、量子相関ゲートによる作用を受ける前のコントロールビットの状態たる「Ａ」とターゲットビットの状態たる「Ｂ」との排他的論理和「Ｘ」を得ることができるものである。
【００１２】
そして、現在までのところ、こうした量子ビットならびに量子相関ゲートを実現することのできる実際的な構成は知られておらず、その案出が強く望まれていた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、量子ビットならびに量子相関ゲートを実現することのできる、量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造を提供しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の量子コンピュータにおける量子ビット素子構造は、第１の量子準位をもつ第１の量子ドットと、上記第１の量子準位とは異なる第２の量子準位をもつ第２の量子ドットとを有し、トンネル効果により上記第１の量子ドットと上記第２の量子ドットとの間を電子が自由に移動可能なように、上記第１の量子ドットと上記第２の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電子が１個だけ存在するようにして、上記第１の量子準位と上記第２の量子準位とのエネルギー差に共鳴した電磁波を照射して量子ビットの操作を行うようにしたものである。
【００１５】
また、本発明のうち請求項２に記載の量子コンピュータにおける量子ビット素子構造は、本発明のうち請求項１に記載の量子コンピュータにおける量子ビット素子構造において、上記第１の量子ドットおよび上記第２の量子ドットを半導体材料により構成したものである。
【００１６】
また、本発明のうち請求項３に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造は、第１の量子準位をもつ第１の量子ドットと、上記第１の量子準位より下の第２の量子準位をもつ第２の量子ドットとを有し、トンネル効果により上記第１の量子ドットと上記第２の量子ドットとの間を電子が自由に移動可能なように、上記第１の量子ドットと上記第２の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電子が１個だけ存在するようにした第１の量子ビット素子構造と、第３の量子準位をもつ第３の量子ドットと、上記第３の量子準位より下の第４の量子準位をもつ第４の量子ドットとを有し、トンネル効果により上記第３の量子ドットと上記第４の量子ドットとの間を電子が自由に移動可能なように、上記第３の量子ドットと上記第４の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電子が１個だけ存在するようにした第２の量子ビット素子構造とを有し、上記第１のビット素子構造と上記第２のビット素子構造とを、上記第１の量子ドットと上記第３の量子ドットとが対向するとともに、上記第２の量子ドットと上記第４の量子ドットとが対向するように配置し、上記第１の量子ドットと上記第３の量子ドットとが電気的に接続され、上記第２の量子ドットと上記第４の量子ドットとが電気的に接続され、さらに、上記第１の量子準位と上記第２の量子準位との準位差と、上記第３の量子準位と上記第４の量子準位との準位差とが異なるように設定されたものである。
【００１７】
また、本発明のうち請求項４に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造は、本発明のうち請求項３に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造において、上記第１の量子ドットと上記第３の量子ドットとを第１の可変コンデンサを介して容量的に接続し、上記第２の量子ドットと上記第４の量子ドットとを第２の可変コンデンサを介して容量的に接続したものである。
【００１８】
また、本発明のうち請求項５に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造は、第１の量子準位をもつ第１の量子ドットと、上記第１の量子準位より下の第２の量子準位をもつ第２の量子ドットとを有し、トンネル効果により上記第１の量子ドットと上記第２の量子ドットとの間を電子が自由に移動可能なように、上記第１の量子ドットと上記第２の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電子が１個だけ存在するようにした第１の量子ビット素子構造と、第３の量子準位をもつ第３の量子ドットと、上記第３の量子準位より下の第４の量子準位をもつ第４の量子ドットとを有し、トンネル効果により上記第３の量子ドットと上記第４の量子ドットとの間を電子が自由に移動可能なように、上記第３の量子ドットと上記第４の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電子が１個だけ存在するようにした第２の量子ビット素子構造とを有し、上記第１のビット素子構造と上記第２のビット素子構造とを、上記第１の量子ドットと上記第４の量子ドットとが対向するとともに、上記第２の量子ドットと上記第３の量子ドットとが対向するように配置し、上記第１の量子ドットと上記第４の量子ドットとが電気的に接続され、上記第２の量子ドットと上記第３の量子ドットとが電気的に接続され、さらに、上記第１の量子準位と上記第２の量子準位との準位差と、上記第３の量子準位と上記第４の量子準位との準位差とが異なるように設定されたものである。
【００１９】
また、本発明のうち請求項６に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造は、本発明のうち請求項５に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造において、上記第１の量子ドットと上記第４の量子ドットとを第１の可変コンデンサを介して容量的に接続し、上記第２の量子ドットと上記第３の量子ドットとを第２の可変コンデンサを介して容量的に接続したものである。
【００２０】
また、本発明のうち請求項７に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造は、本発明のうち請求項３、請求項４、請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造において、上記第１の量子ビット素子構造を第３の可変コンデンサを介して第１の単電子トランジスタに接続し、上記第２の量子ビット素子構造を第４の可変コンデンサを介して第２の単電子トランジスタに接続したものである。
【００２１】
また、本発明のうち請求項８に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造は、本発明のうち請求項３、請求項４、請求項５、請求項６または請求項７のいずれか１項に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造において、上記第１の量子ドット、上記第２の量子ドット、上記第３の量子ドットおよび上記第４の量子ドットを半導体材料により構成したものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面に基づいて、本発明による量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００２３】
図２には、本発明による量子コンピュータにおける量子ビット素子構造の実施の形態の一例を示す概念構成説明図が示されている。
【００２４】
即ち、本発明による量子コンピュータにおける量子ビット素子構造１０は、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体材料により形成された２個の量子ドット１２、１４より構成されている。つまり、量子ビットの物理的実態は２準位系であるが、本発明による量子コンピュータにおける量子ビット素子構造１０においては、２個の量子ドット１２、１４より２つの量子準位１６、１８を形成するようになされている。
【００２５】
より詳しく説明すると、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体材料により、直径が数十ナノメートル（ｎｍ）程度の球体形状や、一辺が数十ナノメートル（ｎｍ）程度の方体形状を備えた微小な量子ドットを構成すると、こうした量子ドットには離散化した量子準位が形成されることになる。
【００２６】
なお、こうした微小な量子ドットは、例えば、表面ゲート法と称される製造方法や、自己形成法と称される製造方法などにより製造することができる。
【００２７】
従って、量子ビットの２準位系として、注目する量子準位をその中に１つだけ有する微小な量子ドットを２つ用意し、これら２つの量子ドットを、量子ビット素子構造１０を構成するための量子ドット１２、１４として用いるものである。
【００２８】
なお、これら量子ドット１２の量子準位１６と量子ドット１４の量子準位１８とは、互いに異なるように設定されるものであり、この実施の形態においては、図２上右側に位置する量子ドット１２の量子準位１６の方が、図２上左側に位置する量子ドット１４の量子準位１８より低いように設定されている。
【００２９】
具体的には、量子ドット１２の量子準位１６と量子ドット１４の量子準位１８との準位間のエネルギー差Ｅは、外部の電圧により自由に変えることができるものであり、この実施の形態においては、図２上右側に位置する量子ドット１２の量子準位１６の方が、図２上左側に位置する量子ドット１４の量子準位１８よりも低くなるように、外部の電圧により設定されているものである。
【００３０】
また、量子ドット１２と量子ドット１４とは、その間隔Ｇが、例えば、１０オングストローム程度に近接して配置されるものであり、電子がトンネル効果により量子ドット１２と量子ドット１４との間を自由に移動することができるようになされている。
【００３１】
以上の構成において、量子ビット素子構造１０内には、例えば、クーロンブロッケード効果を利用して、電子が１個存在するようになされており、その１個の電子は、ある確率で量子ドット１２の量子準位１６に存在（｜０＞の状態）したり、ある確率で量子ドット１４の量子準位１８に存在（｜１＞の状態）したりするものである。
【００３２】
なお、クーロンブロッケード効果とは、電子間のクーロン反発力を利用して、電子を１個だけ量子ドットに蓄えるためのメカニズムである。
【００３３】
ここで、ラビ振動の原理を利用することにより、量子ビット素子構造１０の量子ビットの操作を行うことができるものである。
【００３４】
ここで、ラビ振動とは、２準位系において準位間のエネルギー差に共鳴した電磁波を照射すると、電子の２準位の上か下かに存在する確率が周期的に振動する現象である。
【００３５】
従って、量子ビット素子構造１０において、例えば、初期状態として、上の量子準位１８に電子が存在する確率（Ｐ１）が０（Ｐ１＝０）であり、下の量子準位１６に電子が存在する確率（Ｐ０）が１（Ｐ０＝１）であるとすると、量子準位１８と量子準位１６とのエネルギー差Ｅに共鳴した電磁波をラビ振動の半周期だけ照射した後には、上の量子準位１８に電子が存在する確率（Ｐ１）が１（Ｐ１＝１）となり、下の量子準位１６に電子が存在する確率（Ｐ０）が１（Ｐ０＝０）となるものである。
【００３６】
即ち、ラビ振動を利用することにより、量子ビットの状態を反転することができることになる。そして、上記した電磁波の照射時間を適当に選択することにより、量子ビットの状態を任意の制御することができるものである。
【００３７】
次に、図３ならびに図４を参照しながら、本発明による量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造の実施の形態の一例について説明する。
【００３８】
即ち、図３には、本発明による量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造の実施の形態の一例の概念構成説明図が示されている。
【００３９】
この量子相関ゲート１００は、上記した本発明の実施の形態による量子ビット素子構造を２個用いて構成されるものである。
【００４０】
具体的には、量子相関ゲート１００は、２準位間のエネルギー差が異なる２個の量子ビット素子構造として、２準位間のエネルギー差が大きい第１量子ビット素子構造１０２と、２準位間のエネルギー差が小さい第２量子ビット素子構造１０４とを備えて構成されている。ここで、２準位間のエネルギー差が大きい方の第１量子ビット素子構造１０２の量子ビットをコントロールビットとし、２準位間のエネルギー差が小さい方の第２量子ビット素子構造１０４の量子ビットをターゲットビットとする。
【００４１】
なお、第１量子ビット素子構造１０２は、上の量子準位１０６をもつ量子ドット１０８と、下の量子準位１１０をもつ量子ドット１１２とより構成されている。
【００４２】
また、第２量子ビット素子構造１０４は、上の量子準位１１４をもつ量子ドット１１６と、下の量子準位１１８をもつ量子ドット１２０とより構成されている。
【００４３】
また、第１量子ビット素子構造１０２と第２量子ビット素子構造１０４とは、例えば、図３に示すように、量子ドット１０８と量子ドット１１６とが対向し、かつ、量子ドット１１２と量子ドット１２０とが対向するように上下２段に配置されているものである。なお、図３においては、第１量子ビット素子構造１０２が上段に配置され、第２量子ビット素子構造１０４が下段に配置されている。
【００４４】
そして、量子ドット１０８と量子ドット１１６とは、可変コンデンサ１２２を介して接続されており、量子ドット１１２と量子ドット１２０とは、可変コンデンサ１２４を介して接続されている。
【００４５】
さらに、こうした量子相関ゲート素子構造１００においては、第１量子ビット素子構造１０２の量子ドット１１２には、可変コンデンサ１２６を介して、第１量子ビット素子構造１０２による第１ビットの状態を検出するための単電子トランジスタが接続されており、また、第２量子ビット素子構造１０４の量子ドット１２０には、可変コンデンサ１２８を介して、第２量子ビット素子構造１０４による第２ビットの状態を検出するための単電子トランジスタが接続されている。
【００４６】
なお、図３に示す実施の形態においては、単電子トランジスタは、第１量子ビット素子構造１０２の量子ドット１１２に可変コンデンサ１２６を介して接続されるとともに、第２量子ビット素子構造１０４の量子ドット１２０に可変コンデンサ１２８を介して接続されているが、これに限られることなしに、第１量子ビット素子構造１０２の量子ドット１０８に可変コンデンサ１２６を介して接続するようにしてもよいし、第２量子ビット素子構造１０４の量子ドット１１６に可変コンデンサ１２８を介して接続するようにしてもよい。
【００４７】
以上の構成において、可変コンデンサ１２２の容量Ｃ１を０（Ｃ１＝０）に設定するとともに、可変コンデンサ１２４の容量Ｃ２を０（Ｃ２＝０）に設定すると、第１量子ビット素子構造１０２と第２量子ビット素子構造１０４とは互いに電気的に独立した状態となる。
【００４８】
従って、上記したラビ振動を利用すれば、第１量子ビット素子構造１０２のコントロールビットの状態と、第２量子ビット素子構造１０４のターゲットビットの状態とを、図１（ｂ）の真理値表に示す量子相関ゲートの作用前の状態に設定することができる。
【００４９】
図４には、こうした量子相関ゲートの作用前の状態における、第１量子ビット素子構造１０２の電子のエネルギーと第２量子ビット素子構造１０４の電子のエネルギーとの合計値を示すエネルギーレベル状態図が示されている。なお、量子準位１１０と量子準位１１８とにおける電子のエネルギーのレベルを、基準のレベルＡとする。
【００５０】
従って、コントロールビットおよびターゲットビットの状態が｜０＞であるならば、エネルギーレベルは基準のレベルＡとなる。
【００５１】
また、コントロールビットの状態が｜０＞であり、ターゲットビットの状態が｜１＞であるならば、エネルギーレベルはレベルＢとなる。
【００５２】
さらに、コントロールビットの状態が｜１＞であり、ターゲットビットの状態が｜０＞であるならば、エネルギーレベルはレベルＣとなる。
【００５３】
さらにまた、コントロールビットの状態が｜１＞であり、ターゲットビットの状態が｜１＞であるならば、エネルギーレベルはレベルＤとなる。
【００５４】
ところが、可変コンデンサ１２２の容量Ｃ１を「Ｃ１≠０」に設定するとともに、可変コンデンサ１２４の容量Ｃ２を「Ｃ２≠０」に設定すると、第１量子ビット素子構造１０２と第２量子ビット素子構造１０４とは互いに容量的に結合した状態となる。
【００５５】
従って、「Ｃ１≠０」および「Ｃ２≠０」の場合には、図３に示す状態における第１量子ビット素子構造１０２の量子準位１０６、１１０および第２量子ビット素子構造１０４の量子準位１１４、１１８に関して、互いの電子が対角線上に存在するとき（コントロールビットの状態が｜１＞であり、かつ、ターゲットビットの状態が｜０＞である場合およびコントロールビットの状態が｜０＞であり、かつ、ターゲットビットの状態が｜１＞である場合）には「Ｃ１＝０」および「Ｃ２＝０」の場合と比べてエネルギーはほとんど変化しないが、互いの電子が対角線上に存在しないとき（コントロールビットの状態が｜１＞であり、かつ、ターゲットビットの状態が｜１＞である場合およびコントロールビットの状態が｜０＞であり、かつ、ターゲットビットの状態が｜０＞である場合）には「Ｃ１＝０」および「Ｃ２＝０」の場合よりもエネルギーが上がりことになる。その差分を△Ｅとすると、「Ｃ１≠０」および「Ｃ２≠０」の場合には、レベルＡはレベルＡ’に上がり、レベルＢはほとんどそのままレベルＢ’になり、レベルＣはほとんどそのままレベルＣ’になり、レベルＤはレベルＤ’に上がることになる。
【００５６】
従って、量子相関ゲート素子構造１００に対して、「Ｅ２＋△Ｅ」のエネルギーをもつ電磁波をラビ振動の半周期間照射することによって、コントロールビットが｜１＞のときだけ、ターゲットビットを反転することができ、図３（ｂ）に示す真理値表の動作を実現することができる。
【００５７】
なお、コントロールビットとターゲットビットとを単独で操作する必要がある場合には、上記したように「Ｃ１＝０」および「Ｃ２＝０」に設定して、コントロールビットとターゲットビットとの間の相互作用を小さくすればよい。
【００５８】
そして、量子相関ゲート素子構造１００による演算後の量子ビットの状態を観測するには、可変コンデンサ１２６の容量Ｃ３を「Ｃ３≠０」に設定するとともに、可変コンデンサ１２８の容量Ｃ４を「Ｃ４≠０」に設定して、単電子トランジスタを用いることになる。なお、演算中は単電子トランジスタを用いず、「Ｃ３＝０」ならびに「Ｃ４＝０」に設定されているものとする。
【００５９】
上記したように、第１量子ビット素子構造１０２ならびに第２量子ビット素子構造１０４には、それぞれ１個の電子しか存在しないので、１個の電子の電荷を測定することが必要であり、これは既存のエレクトロメータでは不可能であるので、この実施の形態においては、単電子トランジスタを用いるようにしている。
【００６０】
なお、本発明における量子相関ゲート素子を構成する各量子ビット素子における各量子ドットの準位の上下関係、換言すれば、各量子ドットの配置関係は、上記した実施の形態に限定されるものではないことは勿論である。
【００６１】
即ち、図３に示すような配置関係に代えて、図５に示すように、第１量子ビット素子構造１０２と第２量子ビット素子構造１０４とを、量子ドット１０８と量子ドット１２０とが対向し、かつ、量子ドット１１２と量子ドット１１６とが対向するように上下２段に配置するようにしてもよい。なお、図５においては、第１量子ビット素子構造１０２が上段に配置され、第２量子ビット素子構造１０４が下段に配置されている。
【００６２】
そして、量子ドット１０８と量子ドット１２０とを、可変コンデンサ１２４を介して接続し、量子ドット１１２と量子ドット１１６とを、可変コンデンサ１２２を介して接続する。
【００６３】
なお、図５示す量子相関ゲート素子構造１００においては、第１量子ビット素子構造１０２の量子ドット１０８に、可変コンデンサ１２６を介して、第１量子ビット素子構造１０２による第１ビットの状態を検出するための単電子トランジスタが接続され、また、第２量子ビット素子構造１０４の量子ドット１２０に、可変コンデンサ１２８を介して、第２量子ビット素子構造１０４による第２ビットの状態を検出するための単電子トランジスタが接続されている。
【００６４】
従って、この図５に示す実施の形態おいては、エネルギーレベル状態図は図６に示すようになる。
【００６５】
即ち、「Ｃ１≠０」および「Ｃ２≠０」の場合には、図５に示す状態における第１量子ビット素子構造１０２の量子準位１０６、１１０および第２量子ビット素子構造１０４の量子準位１１４、１１８に関して、互いの電子が対角線上に存在しないとき（コントロールビットの状態が｜０＞であり、かつ、ターゲットビットの状態が｜０＞である場合およびコントロールビットの状態が｜１＞であり、かつ、ターゲットビットの状態が｜１＞である場合）には「Ｃ１＝０」および「Ｃ２＝０」の場合と比べてエネルギーはほとんど変化しないが、互いの電子が対角線上に存在するとき（コントロールビットの状態が｜０＞であり、かつ、ターゲットビットの状態が｜１＞である場合およびコントロールビットの状態が｜１＞であり、かつ、ターゲットビットの状態が｜０＞である場合）には「Ｃ１＝０」および「Ｃ２＝０」の場合よりもエネルギーが上がりことになる。その差分を△Ｅとすると、「Ｃ１≠０」および「Ｃ２≠０」の場合には、レベルＡはほとんどそのままレベルＡ’になり、レベルＢはレベルＢ’に上がり、レベルＣはレベルＣ’に上がり、レベルＤはほとんどそのままレベルＤ’になる。
【００６６】
従って、量子相関ゲート素子構造１００に対して、「Ｅ２−△Ｅ」のエネルギーをもつ電磁波をラビ振動の半周期間照射することによって、コントロールビットが｜１＞のときだけ、ターゲットビットを反転することができ、図３（ｂ）に示す真理値表の動作を実現することができる。
【００６７】
つまり、本発明における量子相関ゲート素子を構成する各量子ビット素子における各量子ドットの準位の上下関係、換言すれば、各量子ドットの配置関係は、どのようでもかまわないが、ラビ振動の半周期間照射する電磁波のエネルギーは、本発明における量子相関ゲート素子を構成する各量子ビット素子における各量子ドットの準位の上下関係、換言すれば、各量子ドットの配置関係に応じて変化させる必要がある。
【００６８】
なお、微小な量子ドットの材料としては、上記したガリウム砒素に限らず、例えば、シリコンなどを用いることができる。
【００６９】
また、微小な量子ドットの形成方法としては、上記した表面ゲート法に限らず、例えば、近年急速に研究が進んでいる自己組織化法や、さらには走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を用いた原子レベルでの超微細加工技術を利用するようにしてもよい。
【００７０】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、チューリング型の量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造を固体デバイスで提供することができるようになるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は量子相関ゲートを概念的に示す説明図であり、（ｂ）は量子相関ゲートの概念的な真理値表である。
【図２】本発明による量子コンピュータにおける量子ビット素子構造の実施の形態の一例を示す概念構成説明図である。
【図３】本発明による量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造の実施の形態の一例の概念構成説明図である。
【図４】図３に示す量子相関ゲート素子構造に関して、量子相関ゲートの作用前の状態における、第１量子ビット素子構造の電子のエネルギーと第２量子ビット素子構造の電子のエネルギーとの合計値を示すエネルギーレベル状態図である。
【図５】本発明による量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造の他の実施の形態の一例の概念構成説明図である。
【図６】図５に示す量子相関ゲート素子構造に関して、量子相関ゲートの作用前の状態における、第１量子ビット素子構造の電子のエネルギーと第２量子ビット素子構造の電子のエネルギーとの合計値を示すエネルギーレベル状態図である。
【符号の説明】
１０ 量子ビット素子構造
１２、１４、１０８、１１２、１１６、１２０ 量子ドット
１６、１８、１０６、１１０、１１４、１１８ 量子準位
１００ 量子相関ゲート素子構造
１０２ 第１量子ビット素子構造
１０４ 第２量子ビット素子構造
１２２、１２４、１２６、１２８ 可変コンデンサ
Claims (8)
- 第１の量子準位をもつ第１の量子ドットと、
前記第１の量子準位とは異なる第２の量子準位をもつ第２の量子ドットと
を有し、
トンネル効果により前記第１の量子ドットと前記第２の量子ドットとの間を電子が自由に移動可能なように、前記第１の量子ドットと前記第２の量子ドットとを近接して配置し、
さらに、電子が１個だけ存在するようにして、
前記第１の量子準位と前記第２の量子準位とのエネルギー差に共鳴した電磁波を照射して量子ビットの操作を行う
ものである量子コンピュータにおける量子ビット素子構造。 - 請求項１に記載の量子コンピュータにおける量子ビット素子構造において、
前記第１の量子ドットおよび前記第２の量子ドットは、半導体材料により構成された
ものである量子コンピュータにおける量子ビット素子構造。 - 第１の量子準位をもつ第１の量子ドットと、前記第１の量子準位より下の第２の量子準位をもつ第２の量子ドットとを有し、トンネル効果により前記第１の量子ドットと前記第２の量子ドットとの間を電子が自由に移動可能なように、前記第１の量子ドットと前記第２の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電子が１個だけ存在するようにした第１の量子ビット素子構造と、
第３の量子準位をもつ第３の量子ドットと、前記第３の量子準位より下の第４の量子準位をもつ第４の量子ドットとを有し、トンネル効果により前記第３の量子ドットと前記第４の量子ドットとの間を電子が自由に移動可能なように、前記第３の量子ドットと前記第４の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電子が１個だけ存在するようにした第２の量子ビット素子構造と
を有し、
前記第１のビット素子構造と前記第２のビット素子構造とを、前記第１の量子ドットと前記第３の量子ドットとが対向するとともに、前記第２の量子ドットと前記第４の量子ドットとが対向するように配置し、
前記第１の量子ドットと前記第３の量子ドットとが電気的に接続され、
前記第２の量子ドットと前記第４の量子ドットとが電気的に接続され、
さらに、前記第１の量子準位と前記第２の量子準位との準位差と、前記第３の量子準位と前記第４の量子準位との準位差とが異なるように設定された
ものである量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造。 - 請求項３に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造において、
前記第１の量子ドットと前記第３の量子ドットとは、第１の可変コンデンサを介して容量的に接続され、
前記第２の量子ドットと前記第４の量子ドットとは、第２の可変コンデンサを介して容量的に接続された
ものである量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造。 - 第１の量子準位をもつ第１の量子ドットと、前記第１の量子準位より下の第２の量子準位をもつ第２の量子ドットとを有し、トンネル効果により前記第１の量子ドットと前記第２の量子ドットとの間を電子が自由に移動可能なように、前記第１の量子ドットと前記第２の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電子が１個だけ存在するようにした第１の量子ビット素子構造と、
第３の量子準位をもつ第３の量子ドットと、前記第３の量子準位より下の第４の量子準位をもつ第４の量子ドットとを有し、トンネル効果により前記第３の量子ドットと前記第４の量子ドットとの間を電子が自由に移動可能なように、前記第３の量子ドットと前記第４の量子ドットとを近接して配置し、さらに、電子が１個だけ存在するようにした第２の量子ビット素子構造と
を有し、
前記第１のビット素子構造と前記第２のビット素子構造とを、前記第１の量子ドットと前記第４の量子ドットとが対向するとともに、前記第２の量子ドットと前記第３の量子ドットとが対向するように配置し、
前記第１の量子ドットと前記第４の量子ドットとが電気的に接続され、
前記第２の量子ドットと前記第３の量子ドットとが電気的に接続され、
さらに、前記第１の量子準位と前記第２の量子準位との準位差と、前記第３の量子準位と前記第４の量子準位との準位差とが異なるように設定された
ものである量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造。 - 請求項５に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造において、
前記第１の量子ドットと前記第４の量子ドットとは、第１の可変コンデンサを介して容量的に接続され、
前記第２の量子ドットと前記第３の量子ドットとは、第２の可変コンデンサを介して容量的に接続された
ものである量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造。 - 請求項３、請求項４、請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造において、
前記第１の量子ビット素子構造は、第３の可変コンデンサを介して第１の単電子トランジスタに接続され、
前記第２の量子ビット素子構造は、第４の可変コンデンサを介して第２の単電子トランジスタに接続された
ものである量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造。 - 請求項３、請求項４、請求項５、請求項６または請求項７のいずれか１項に記載の量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造において、
前記第１の量子ドット、前記第２の量子ドット、前記第３の量子ドットおよび前記第４の量子ドットは、半導体材料により構成された
ものである量子コンピュータにおける量子相関ゲート素子構造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23259098A JP3656152B2 (ja) | 1998-08-19 | 1998-08-19 | 量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23259098A JP3656152B2 (ja) | 1998-08-19 | 1998-08-19 | 量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000068495A JP2000068495A (ja) | 2000-03-03 |
| JP3656152B2 true JP3656152B2 (ja) | 2005-06-08 |
Family
ID=16941751
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23259098A Expired - Fee Related JP3656152B2 (ja) | 1998-08-19 | 1998-08-19 | 量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3656152B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110020727A (zh) * | 2019-04-09 | 2019-07-16 | 合肥本源量子计算科技有限责任公司 | 一种基于mpi多进程的单量子逻辑门实现方法 |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3427179B2 (ja) * | 2000-02-16 | 2003-07-14 | 東北大学長 | 核スピン制御素子及びその制御方法 |
| JP3542342B2 (ja) * | 2001-09-14 | 2004-07-14 | 独立行政法人 科学技術振興機構 | 半導体演算装置 |
| AU2002950888A0 (en) | 2002-08-20 | 2002-09-12 | Unisearch Limited | Quantum device |
| AU2003250608B2 (en) * | 2002-08-20 | 2009-05-14 | Newsouth Innovations Pty Limited | Solid state charge qubit device |
| JP4010362B2 (ja) | 2003-09-09 | 2007-11-21 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 量子チューリング機械 |
| WO2006097976A1 (ja) | 2005-03-11 | 2006-09-21 | Fujitsu Limited | 量子デバイス、その制御方法及びその製造方法 |
| WO2008029815A1 (fr) * | 2006-09-05 | 2008-03-13 | Nec Corporation | Procédé de couplage variable de bits quantiques, circuit de calcul quantique utilisant le procédé et coupleur variable |
-
1998
- 1998-08-19 JP JP23259098A patent/JP3656152B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110020727A (zh) * | 2019-04-09 | 2019-07-16 | 合肥本源量子计算科技有限责任公司 | 一种基于mpi多进程的单量子逻辑门实现方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000068495A (ja) | 2000-03-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Vandersypen et al. | Quantum computing with semiconductor spins | |
| Arava et al. | Engineering relaxation pathways in building blocks of artificial spin ice for computation | |
| US8148715B2 (en) | Solid state charge qubit device | |
| US7639035B2 (en) | Qubit state copying | |
| Lent et al. | Quantum cellular automata | |
| Porod | Quantum-dot devices and quantum-dot cellular automata | |
| Porod et al. | Quantum-dot cellular automata: computing with coupled quantum dots | |
| Bandyopadhyay et al. | Supercomputing with spin-polarized single electrons in a quantum coupled architecture | |
| JP6839809B2 (ja) | 磁束キュービットのためのｘｘカプラ | |
| Zhou et al. | Quantum computing with superconducting devices: A three-level SQUID qubit | |
| US20100148853A1 (en) | Systems, devices, and methods for controllably coupling qubits | |
| Lent et al. | The development of quantum-dot cellular automata | |
| Li et al. | Controlled quantum operations of a semiconductor three-qubit system | |
| Blokhina et al. | CMOS position-based charge qubits: Theoretical analysis of control and entanglement | |
| JP3656152B2 (ja) | 量子コンピュータにおける量子ビット素子構造および量子相関ゲート素子構造 | |
| Khitun et al. | Magnetic cellular nonlinear network with spin wave bus for image processing | |
| Zhang et al. | Anisotropic g-factor and spin–orbit field in a germanium hut wire double quantum dot | |
| Cole et al. | Quantum-dot cellular automata | |
| Liu | Robustness and power dissipation in quantum-dot cellular automata | |
| van Roermund et al. | Design philosophy for nanoelectronic systems, from sets to neural nets | |
| Cong et al. | Clocked molecular quantum-dot cellular automata circuits tolerate unwanted external electric fields | |
| Bernstein | Quantum-dot cellular automata: computing by field polarization | |
| Niemier et al. | Using circuits and systems-level research to drive nanotechnology | |
| Zajac | Single electron spin qubits in silicon quantum dots | |
| Srivastava | Probabilistic modeling of quantum-dot cellular automata |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20031201 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20040316 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20041116 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050113 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20050215 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20050222 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090318 Year of fee payment: 4 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |