JP3970781B2 - Quantum information processing method and quantum information processing apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光共振器内で共通の共振器モードに共鳴する物理系の量子状態により量子ビットを表す量子情報処理装置に係り、特に、光共振器内での量子状態操作とその結果を読み出す光子検出との両立を容易にした量子情報処理方法および量子情報処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
物理系の量子状態で情報を表し、その量子状態の操作により情報処理を行なう量子情報処理装置(量子コンピュータ)では、演算の始めに、情報(量子ビット)を表す物理系を初期状態に設定しなければならない。尚、”量子ビット“という言葉は、量子情報そのものをさす場合と、量子情報を担う物理系をさす場合がある。以降では、文脈から判断できて紛らわしくない場合はどちらの意味にもこの”量子ビット“の表現を使うことにする。
【0003】
また、量子コンピュータの演算操作においては、量子ビットの間によく制御された形で相互作用を導入し、量子ビット間に情報のやり取りができるようにしなければならない。更に演算操作が終了した後は、演算結果を知るために、量子ビットを読み出さなければ(観測しなければ)ならない。
【0004】
これらの操作を、精密な制御が可能なレーザーを利用して行い、また量子ビット間の相互作用を、共通の共振器モードへの各量子ビットの共鳴によって導入する方法が提案されている。特に、量子ビット間の区別を各量子ビットが固有に持つ共鳴周波数の相違を利用して行なう周波数領域量子コンピュータ(非特許文献1参照)は、困難な微細加工や、微妙な位置制御を必要とせず、また光情報処理技術との整合性が良いという特長を持つ。
【0005】
このような光共振器のモードで量子ビットを担う物理系を結合する量子コンピュータでは、共振器寿命、すなわち共振器内に光子が留まる時間が長い高性能の共振器を組み、その中に量子ビットを担う物理系を保持して量子演算を行なう。高性能の共振器では、非常に反射率の高い反射鏡などにより、共振器内で発生した共振器モードの光子が、長時間共振器内に保たれることになる。
【0006】
量子演算の操作が終了した後、結果を読み出す際には、光を利用する方法は感度が高く、雑音を少なくできるため望ましい。その場合、それぞれの量子ビットを、その共鳴周波数で区別し個別に量子状態を読み出す周波数領域量子コンピュータの手法を利用できれば、更に望ましい。
【0007】
周波数領域量子コンピュータでは、量子ビットとしてそれぞれ2つのエネルギー状態が縮退することにより得られる3つのエネルギー状態を持つ物理系を利用する。この3つの状態のうち、エネルギーの低い方から順に|1>、|2>、|3>と呼ぶことにする。演算の結果を読み出す際は、読み出す対象の量子ビット(情報)について、その量子ビット(物理系)が|1>にあるか|2>にあるかで表すようにする。ここで|1>-|3>間遷移および|2>-|3>間遷移の遷移確率は大きく、|1>-|2>間遷移の遷移確率は小さいとする。また、|2>-|3>間遷移エネルギーは複数の量子ビットで同じ値を持ち、共通の共振器モードに共鳴するのに対し、|1>-|3>間遷移は各量子ビットで異なる値を持つとする。
【0008】
ここに量子状態を知りたい所望の量子ビットの|1>-|3>間遷移に共鳴する光を照射する。すると、その量子ビットが|1>の状態にあれば選択的に光を吸収し、|3>の状態を経由して|2>-|3>間遷移の遷移エネルギーを持つ光子を共通の共振器モードに放出する。またもし|2>の状態にあれば、何も起こらない。従って、この光子放出が起こった場合にその光子を検出できるならば、その量子ビットの量子状態を知ることができる。
【0009】
ところが、光共振器の共振器寿命が長いため、放出された光子はなかなか共振器の外に出てこない。その間に、反射鏡表面のわずかな凸凹による散乱や、共振器内部の媒質による散乱などにより、光子が共振器から予期しない方向へ出て行くことになる。このように光子が共振器から出てくるタイミングや方向が定まらず、高効率で光子を検出することが難しいという問題があり、量子演算の結果を効率よく読み出す方法は知られていなかった。
【0010】
【非特許文献1】
K. Ichimura, Opt. Commun. 196, 119(2001).
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、光共振器の共振器モードで量子ビットを結合する量子情報処理に適した、光共振器を利用した量子計算の光による結果読み出しを、高い効率で行なうことが可能な、量子情報処理方法と量子情報処理装置を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第1は、固体結晶中に分散させた原子、イオンあるいは分子を含む物理系を第1の反射鏡と第1の光ファイバーの第1端との間に位置させ、第1の反射鏡と前記第1の光ファイバーの第2端に位置する第2の反射鏡との間に、共振器モードのうち1つが前記物理系の遷移エネルギーと共鳴する光共振器を形成する工程と、光共振器の外部より、物理系に光を照射して物理系の量子状態を操作する工程と、操作工程を終えた後に、第1の光ファイバーの第1端と第2の光ファイバーの第1端を替えて、第1の反射鏡との間に前記物理系を挟む位置に第2の光ファイバーの第1端を移動する工程と、移動工程の後に、物理系に光を照射して、物理系から放出される光子を第2の光ファイバーの第1端から第2の光ファイバーに取り込んで、第2の光ファイバーに結合した光検出器により検出する工程と、検出工程において検出される光子の有無により物理系の量子状態を判断する工程とを備えることを特徴とする量子情報処理方法を提供する。
【0013】
本発明の第1において、第1の反射鏡との間に物理系を挟む位置に第3の光ファイバーの第1端を保持し、その後に、第3の光ファイバーの第2端から第3の光ファイバーおよび第3の光ファイバーの第1端を通して物理系に光を照射することもできる。
【0014】
また、本発明の第1において、物理系と第1の光ファイバーの第1端との距離を変えて、光共振器の共振器長を変えることもできる。
【0015】
上記課題を解決するために、本発明の第2は、固体結晶中に分散させた原子、イオンあるいは分子を含む第1の物理系を第1の反射鏡と第1の光ファイバーの第1端との間に位置させ、固体結晶中に分散させた原子、イオンあるいは分子を含む第2の物理系を第2の反射鏡と第1の光ファイバーの第2端との間に位置させ、第1の反射鏡と第2の反射鏡との間に、共振器モードのうちの1つが物理系の遷移エネルギーと共鳴する光共振器を形成する工程と、光共振器の外部より、第1または第2の物理系に光を照射して量子状態を操作する工程と、操作工程を終えた後に、第1の光ファイバーの第1端または第2端に第2の光ファイバーの第1端を替えて、第2の光ファイバーの第1端と第1または第2の反射鏡との間に第1または第2の物理系を挟む位置に移動する工程と、記移動工程の後に、第1の物理系に光を照射して、物理系から放出される光子を第2の光ファイバーの第1端から第2の光ファイバーに取り込んで、第2の光ファイバーに結合した光検出器により検出する工程と、検出工程において検出される光子の有無により第1または第2の物理系の量子状態を判断する工程とを備えることを特徴とする量子情報処理方法を提供する。
【0016】
尚、本発明の第2において、第1および第2の物理系が分散された固体結晶は一枚の薄膜や板等の一体の固体結晶でもよく、別体の固体結晶でもよい。また、第1および第2の反射鏡は、一体の反射鏡の異なる部位でも用いてもよいし、別体の反射鏡でもよい。
【0017】
上記課題を解決するために、本発明の第3は、固体結晶中に分散させた原子、イオンあるいは分子を含む物理系を第1の反射鏡と第1の光ファイバーの第1端との間に位置させ、音響光学素子を介して第1の光ファイバーの第2端に対向する第2の反射鏡を用いて、第1の反射鏡と第2の反射鏡との間に共振器モードのうちの1つが物理系の遷移エネルギーと共鳴する光共振器を形成する工程と、音響光学素子にラジオ波を印加しない状態で、光共振器の外部より物理系に光を照射して物理系の量子状態を操作する工程と、物理系に光を照射して物理系から光子を放出させ、ラジオ波を印加した音響光学素子により放出した光子の進行方向を偏向させる工程と、偏向工程により偏向した光子の有無を検出する工程とを備えることを特徴とする量子情報処理方法を提供する。
【0018】
上記課題を解決するために、本発明の第4は、原子、イオンあるいは分子を含む物理系を内部に含み、片面に第1の反射鏡が形成された板状あるいは薄膜状の固体結晶と、固体結晶側の第1端と、第2端を備える第1の光ファイバーと、第1の光ファイバーの第2端に設けられ、第1の光ファイバーを介して第1の反射鏡との間に物理系の遷移エネルギーと共鳴する光共振器モードを持つ光共振器を形成可能な第2の反射鏡と、固体結晶側の第1端と、光検出器に接続された第2端とを備える第2の光ファイバーと、光共振器の外部から光を照射して、物理系の量子状態を操作可能な光照射手段と、量子状態の変化した物理系に光を照射して、物理系から光子を放出させることが可能な測定手段と、第1の光ファイバーの第1端と第2の光ファイバーの第1端を固体結晶の第1の反射鏡が設けられた面と反対側の面に対向させて、反対側の面と平行に移動させることができる支持体と、光照射手段の動作時には、第1の光ファイバーの第1端が第1の反射鏡との間に物理系を挟むように支持体を第1の位置に保持し、測定手段の動作時には、第2の光ファイバーの第1端が第1の反射鏡との間に物理系を挟むように支持体を第2の位置に保持し、支持体を第1及び第2の位置間で移動させることができる支持体移動部とを備えることを特徴とする量子情報処理装置を提供する。
【0019】
尚、本発明の第4において、固体結晶側の第1端と第2端を備える第3の光ファイバーと、第3の光ファイバーの第2端に接続された光源とをさらに備え、支持体は、第1の光ファイバーの第1端と第2の光ファイバーの第1端と第3の光ファイバーの第1端を固体結晶の第1の反射鏡が設けられた面と反対側の面に対向させて、反対側の面と平行に移動することができ、支持体移動部は、光源より第3の光ファイバーを介して物理系に光を照射する照射時には、第3の光ファイバーの第1端が第1の反射鏡との間に物理系を挟むように支持体を位置させるものとすることができる。
【0020】
また、本発明の第4において、支持体移動部は、支持体を介して物理系と第1の光ファイバーの第1端との距離を変えるものとすることができる。
【0021】
上記課題を解決するために、本発明の第5は、原子、イオンあるいは分子を含む第1の物理系を内部に含み、片面に第1の反射鏡が形成された板状あるいは薄膜状の第1の固体結晶と、原子、イオンあるいは分子を含む第2の物理系を内部に含み、片面に第2の反射鏡が形成された板状あるいは薄膜状の第2の固体結晶と、第1の物理系側の第1端と、第2の物理系側の第2端とを備え、第1および第2の反射鏡との間に、第1および第2の物理系の遷移エネルギーと共鳴する光共振器モードを持つ光共振器を形成可能な第1の光ファイバーと、第1の固体結晶側の第1端と、第1の光検出器に接続された第2端を備える第2の光ファイバーと、第2の固体結晶側の第1端と、第2の光検出器に接続された第2端を備える第3の光ファイバーと、光共振器の外部から光を照射して、第1または第2の物理系の量子状態を操作可能な光照射手段と、量子状態の変化した第1または第2の物理系に光を照射して、第1または第2の物理系から光子を放出させることが可能な測定手段と、第1の光ファイバーの第1端と第2の光ファイバーの第1端からなる第1組を、第1の固体結晶の第1の反射鏡が設けられた面と反対側の面に対向させて、反対側の面と平行に移動することができ、あるいは、第1の光ファイバーの第2端と前記第3の光ファイバーの第1端からなる第2組を、第2の固体結晶の第2の反射鏡が設けられた面と反対側の面に対向させて、第2の固体結晶の反対側の面と平行に移動することができる支持体と、光照射手段の動作時には、第1の光ファイバーの第1端が前記第1の反射鏡との間に第1の物理系を挟むように、かつ第1の光ファイバーの第2端が第2の反射鏡との間に前記第2の物理系を挟むように支持体を第1の位置に保持し、測定手段の動作時には、第2の光ファイバーの第1端が第1の反射鏡との間に第1の物理系を挟むように、あるいは第3の光ファイバーの第1端が第2の反射鏡との間に第2の物理系を挟むように支持体を第2の位置に保持し、支持体を第1および第2の位置間で移動させることができる支持体移動部とを備えることを特徴とする量子情報処理装置を提供する。
【0022】
尚、本発明の第5において、第1と第2の固体結晶を同一体で構成してもよいし、異なる固体結晶とすることもできる。また、第1の反射鏡と第2の反射鏡とを同一体の反射鏡で構成することもできるし、別体の反射鏡とすることもできる。
【0023】
上記課題を解決するために、本発明の第6は、原子、イオンあるいは分子を含む物理系を内部に含み、片面に第1の反射鏡が形成された板状あるいは薄膜状の固体結晶と、固体結晶側の第1端と、第2端を備える第1の光ファイバーと、第1の光ファイバーの第2端に対向して設けられた第1のレンズと、第1の収束レンズの近傍に設けられ、ラジオ波の非印加時には光子を透過させ、ラジオ波の印加時には前記光子の進行方向を変化させることができる音響光学素子と、音響光学素子の近傍に設けられ、音響光学素子を透過した前記光子を収束することができる第2のレンズと、第2のレンズにより収束された光子を反射して、第1の反射鏡との間に物理系の遷移エネルギーと共鳴する光共振器モードを持つ光共振器を形成可能な第2の反射鏡と、音響光学素子により進行方向の変化された前記光子を収束する第3のレンズと、第3のレンズにより収束された前記光子を検出する光検出器とを備えることを特徴とする量子情報処理装置を提供する。
【0024】
尚、レンズにより収束する光子は単一の光子でもよく、光子の集合の光子ビームでもよい。
【0025】
上記本発明の第1乃至第6によれば、共振器寿命が長く、共振器体積(モード体積)が小さい、光ファイバーを使用した光共振器を利用している。そして、2量子ビット演算のような、共振器モードによる量子ビット間の結合を必要とする場合には、量子ビットが光共振器の共振器モードと結合し、共振器モードによる結合を必要としない量子ビット読み出しの際には、共振器ではなく、一方の端面に光検出器を有する光導波路としての光ファイバーの伝播モードと結合するように切り替えることで、周波数領域量子計算のような光共振器を利用した量子計算の光による結果読み出しを高い効率で行うことが可能となる。
【0026】
尚、本発明に関わる量子ビットを担う物理系には、固体結晶、ガラス、高分子からなるプラスチック等の非晶質に分散させた原子、イオン、分子、あるいはその集合体であるか、または基板上の微粒子を用いることができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の量子情報処理装置および量子情報処理方法に関する実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。尚、実施の形態や実施例を通じて共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して判断することができる。
【0028】
まず、光共振器を利用した量子情報処理装置、特に光共振器の共振器モードを利用して量子ビット間の相互作用を導入し、各量子ビットに固有の遷移エネルギー(周波数)を利用して量子ビットの個別操作を行なう、周波数領域量子コンピュータについて説明する。
【0029】
周波数領域量子コンピュータでは、縮退した3つのエネルギー状態をもつ物理系(原子、イオン、分子など)を量子ビットとして利用する。3つの状態は、エネルギーの低い順に|a ± >、|b ± >、|e ± >とすると、|a ± >、|b ± >は緩和時間の長い準位を利用し、|a ± >−|e ± >間、|b ± >−|e ± >間遷移は光許容であるものを利用する。1量子ビットの情報は、その物理系がゲート操作の対象となっていないときは、一番下の準位に|0>≡|a + >、|1>≡|a − >のように保持されている。一般には量子ビットは|0>と|1>という2つの状態の量子力学的な重ね合わせの状態、
α|0>+β|1> (α、βは複素数) …(1)
となっている。
【0030】
これらの物理系は光共振器の中にあり、それぞれの許容遷移の片方、例えば|b ± >−|e ± >間遷移が共通の共振器モードと共鳴している。
【0031】
1量子ビットゲートと呼ばれる、1量子ビットの量子状態操作、すなわち式(1)のαとβの値の操作は、量子ビットが|a ± >にある状態で共鳴ラマン遷移を利用して実行することができる。
【0032】
2量子ビットゲートと呼ばれる2つの量子ビット間の条件付ゲートの1つである、制御NOTゲートは、第1の量子ビットが状態|0>ならば第2の量子ビットの状態は変わらないが、第1の量子ビットが|1>ならば第2の量子ビットは|0>から|1>あるいは|1>から|0>へと変化する量子ゲートである。これをk番目とl番目の量子ビット間で実行するには、以下のようにする。
【0033】
まず、|a ± > k と|a ± > l に保持されている量子ビットを|0> k =|b − > k 、|1> k =|a − > k 、|0> l =|b − > l 、|1> l =|b + > l に移す。ここで各状態を表す記号に付けた添え字は、k番目およびl番目の量子ビットに関するものであることを表す。そのためには磁場を印加し、h・ν a, ± ,i 、h・ν b, ± ,i のエネルギー(準位エネルギー)を持っていた|a ± > i と|b ± > i の縮退を解き、磁気量子数に応じたエネルギーシフトを誘起して、h・ ( ν a, ± ,i ±△ν a )、h・ ( ν b, ± ,i ±△ν b )とする。ここでhはプランク定数である。この状態で、周波数差が、ν b, ± ,k −ν a, ± ,k −△ν b −△ν a 、ν b, ± , l −ν a, ± ,l - △ν b ―△ν a 、ν b, ± ,l ―ν a, ± ,l +△ν b +△ν a の3組のレーザーパルスを適当なタイミングで照射することにより、|0> k =|b − > k 、|1> k =|a − > k 、|0> l =|b − > l 、|1> l =|b + > l のように状態を移すことができる。
【0034】
次に、k番目の物理系の量子ビットをl番目の物理系に移す。|a ± > l −|e ± > l 遷移に共鳴する第1のレーザーパルスを照射し、それと時間的に重なり|a ± > k −|e ± > k 遷移に共鳴する第2のレーザーパルスも照射することで、k番目とl番目の原子の間で、アディアバティック・パッセ-ジという手法による量子情報の移動が可能となる。この方法では物理系はそれぞれの下の2準位からなる固有状態を保ったまま変化し、一番上の準位に励起されることなく状態が移り変わり、量子情報が移動する。従って、一番上の状態への遷移に共鳴する光を使っているにもかかわらずその状態への遷移は起こらず、一番上の状態からの自然放出というランダムな過程により量子情報が破壊されるのを防ぐことができる。この下準位の重ね合わせの状態を時々刻々固有状態を保ちつつ変化させていくアディアバティック・パッセ−ジの方法は、1量子ビットゲートの場合も利用することができる。
【0035】
上記のように、k番目とl番目の物理系の間でのアディアバティック・パッセ-ジの結果、k番目とl番目の物理系で表されていた2つの量子ビット(量子情報)が、l番目の物理系のみで表されるようになる。
【0036】
制御NOTゲートの最終段階では、|a − > l と|a + > l を|a ± > l −|e ± > l 遷移に共鳴する2つのレーザーによるラマン遷移で入れ替える。この入れ替えは、|1> k |0> l と|1> k |1> l の入れ替えに相当するので、条件付きのゲート動作がここで実行されることになる。あとはアディアバティック・パッセ-ジにより量子ビット(量子情報)の1つが再びk番目の物理系に戻され、さらにk番目とl番目のそれぞれの物理系の中で|a ± > k と|a ± > l に格納される。
【0037】
このような制御NOTゲートと、1量子ビットゲートの組み合わせで任意の量子演算ができることが知られている。
【0038】
周波数領域量子コンピュータでは外場を印加しながらレーザーによって上記のゲート操作を繰り返し、所望の量子演算を行なう。
【0039】
そして演算結果を読み出す際には、|a ± >すなわち|a + >と|a − >に格納されている量子ビットを|a − >、|b − >に移して、各量子ビットを保持している物理系の|a ± >−|e ± >遷移に共鳴するレーザーを照射する。i番目の物理系から光子が放出されればその物理系は|a − > i の状態、すなわちその量子ビットは|0>であることがわかり、光子が放出されなければ、その物理系は|b − >の状態、すなわち量子ビットは|1>であることがわかる。
【0040】
ところで、放出された光子は、物理系の|e ± >から|b ± >への遷移に伴って放出され、光共振器モードの光子として光共振器中に生成されることになる。この光子を検出しなければならないが、共振器モードにより量子ビット間の相互作用を導入する量子コンピュータでは、共振器寿命の長い共振器を必要とする。そのため共振器モードに存在する光子はなかなか共振器の外に出てこない。従って、|a ± >−|e ± >遷移に共鳴するレーザーを照射後、光子が検出できる時刻に大きな不確定さが生じる。しかも長時間共振器内に留まっている間に、光子は共振器の不完全さにより共振器の外に漏れ出て行く。その要因は、反射鏡表面のわずかな凹凸による散乱や、量子ビットとして利用する物理系を含む共振器内部の物質による散乱、反射鏡で完全に覆われた空間からなる共振器ではないことによる漏れ(回折)など様々であるため、光子が光共振器から出てくる方向も予想できない。
このような光子検出可能な時刻の不確定さ、検出可能な光子が出てくる方向の不確定さにより、検出器を高感度に保ったまま長時間光子検出を待たなければならず、また様々な方向に出てくる光子がとらえられるように検出器を用意しておく必要があり、ノイズに対する検出信号の比を高くすることが非常に困難となり、高効率で発生光子を検出することが極めて難しくなる。
【0041】
量子ビット結合に利用している共通の共振器モードへの光子放出が起こらないように、磁場、電場、または圧力などの外場印加により各量子状態エネルギーをシフトさせる方法も考えられる。例えば、量子ビットを|a + >、|a − >に保持した状態のままで磁場を印加して|a + >、|a − >の状態のエネルギーを分裂させ、|a + >−|e>間遷移に共鳴するレーザーを照射して放出した光子を観測する、あるいは単純に上記の読み出し過程において最後に磁場をかけ、光子エネルギーを変化させた光子を観測するなどである。
【0042】
しかしその場合でも、共振器が完全に近いものであれば光子が発生するからにはその共振器モードが存在し、その共振器内での寿命が長い可能性があり、またたとえ共振器が不完全で発生光子が速やかに共振器外に出て行く場合でも、その方向を定めることはできず、やはり高効率の発生光子検出は困難である。
【0043】
そこで、本発明の一実施形態では、光共振器の共振器モードで量子ビットを結合する量子コンピュータに適した、共振器寿命が長く、共振器体積が小さい光ファイバーを利用した光共振器を用い、共振器モードが必要な量子演算の際は、量子ビットが共通の共振器モードと結合し、共振器モードを必要としない結果読み出しの際は、共振器モードではなく、光検出器へとつながる光ファイバーの伝播モードと結合するように切り替えを行なって、高効率の発生光子の検出を可能にする。またこの切り替えを励起光源につながった光ファイバーとの間で行なったり、このような構造をもつ2つの共振器の光ファイバー部を結合したり、あるいは共振器が小さく反射鏡間の位置制御が容易であることを利用して共振器モードを変化させたりすることで、さらに量子コンピュータの能力を向上させることが可能である。
【0044】
以下に、その具体例について実施例を通して説明する。
(実施例1)
図1は、本発明の実施例1に関する量子情報処理装置を示す側面模式図である。
【0045】
まず、5mm×5mm×2mmの0.05at.%のPr3+イオンを分散させた板状のY2SiO5結晶1(母体のY3+イオンのうち0.05%がPr3+イオンに置換されたもの)の片面に606nmにおける反射率が99.99%以上の誘電体多層膜3を作製したものを用意した。この誘電体多層膜付結晶の多層膜の付いた面にアルミニウム層5を蒸着し、さらに多層膜結晶のアルミニウム層5を蒸着した面を5mm×5mm×5mmのガラス基板7の1面に静電接着した。
【0046】
次に、Y2SiO5結晶1を厚さ100nmまで研磨し、ガラス基板7上に、背面に高反射率ミラーを有する薄膜状のイオン分散結晶を作製した。このガラス基板7のY2SiO5結晶1が接着されている面の反対の面をインバール製筐体9に取り付けた。
【0047】
また、コア径5μm、長さ1mmのシングルモード光ファイバー11の両端面を研磨し、片方の端面に606nmにおける反射率が99.99%以上の誘電体多層膜13を作製した。また、コア径50μの多モードファイバー15の片方に光子検出器17(液体窒素温度に冷却したガイガーモードのアバランシェフォトダイオード)を接続し、もう片方の端面を研磨したものを、2本の光ファイバーの研磨した開口面がそろうように束ね、上記のインバール製筐体に取り付けたピエゾ素子に接続されている光ファイバーホルダー19に取り付けた。2本のファイバー開口面の中心間距離は100μmであった。
【0048】
また、2つの光ファイバーの開口面が、Y2SiO5結晶の表面から約10nm離れた位置で、Y2SiO5結晶表面と平行に移動できるように、ピエゾ素子21を設置した。ピエゾ素子21としては、移動距離を100μm以上とれるものを用いた。また、Y2SiO5結晶に磁場を印加できるように、Y2SiO5結晶近傍にコイル23を設けた。尚、図面では、各部位の相対的な大きさは、図示しやすいように適宜に変更して示す。
【0049】
光源部には、図2のブロック図に示すように、アルゴンイオンレーザー25励起のリング色素レーザー27からの光を、参照用光共振器の共鳴周波数からのずれを検出しレーザー周波数(波長)にフィードバックをかける周波数幅狭窄化システムを用いて、周波数幅5kHzにまで狭窄化した16502.3cm-1(約606nm)の光31を用意した。それをさらに2つのビームに分け、それぞれを周波数変調用の音響光学素子33に通し、周波数を微調整できるようにした光源とし、薄膜結晶中のPr3+イオンの3H4(1)-1D2(1)間遷移に共鳴するレーザーを、5kHz以内の周波数精度で調整してY2SiO5結晶1に照射できるようにした。ここで3H4(1)、1D2(1)の(1)は、それぞれの量子状態が複数個に分裂している状態(シュタルク準位)のうちの1つであることを示す。
【0050】
以上のように用意したY2Sio5結晶を含む系をインバール製筐体9ごとクライオスタットの中に設置し、3.8Kに冷却して、中のPr3+イオンの量子状態3H4(1)を量子ビットとして利用した。3H4(1)が核スピンの状態により3つに分裂したうちの1つ、例えば核スピン±5/2の状態が、周波数領域量子コンピュータの説明における|a ± >に相当し、1D2(1)が|e ± >に相当する。
【0051】
このY2SiO5結晶1の、端面に誘電体多層膜13の付いた光ファイバーの開口部に面した部分に図2の光源部からの光を周波数調整しながら照射し、量子演算に利用しないイオンが量子演算にかかわる量子状態以外の量子状態になるように光ポンプによる前処理を施し、次いで照射光周波数および印加磁場を適宜調整しながら量子演算を行なった。その際、図3の一部断面模式図に示すように、共振器体積が小さく共振器寿命が長い光共振器を、光共振器用シングルモード光ファイバー11のコア37を介して、Y2SiO5結晶1の背面に設けられた誘電体多層膜3と光ファイバー11のその端面に設けられた誘電体多層膜13とで構成した。そして、誘電体多層膜13付きの光ファイバー11の開口部に面した領域35のPr3+イオンのうち、共振器モードにより結合されたイオンを、量子ビットとして利用した。
【0052】
共振器内で一連の量子演算を終えた後、ピエゾ素子21により光ファイバー11、15の開口部をY2SiO5結晶1表面に対して50μsをかけて平行移動し、量子ビットとして利用したイオンの分布する領域35が、今度は光子検出器17に接続された多モードファイバー15の開口部に面するようにした。
【0053】
次いで、照射光周波数や印加磁場を適宜調整しながら光源部より量子ビットとして利用したPr3+イオンにY2Sio5結晶1の表面に対して斜め方向から光を照射し、各イオンの|a + >と|a − >に格納されている量子ビットを|a − >、|b − >に移した。次いで、図4の一部断面模式図にあるように、光源部よりそれらイオンの|a ± >−|e ± >遷移に共鳴するレーザー41をY2Sio5結晶1の表面に対して斜め方向から照射したところ、イオンが|a − >の状態であった場合に発生した光子43を、多モードファイバー15に接続された光子検出器17により高効率で検出することができ、従って、演算結果を高い確度で読み取ることができた。
【0054】
(実施例2)
次に、本発明の実施例2に関わる量子情報処理装置について図5の側面模式図を用いて説明する。
【0055】
まず、実施例1の光共振器用の光ファイバー11および読み出し用の光ファイバー15の束に、開口面をそろえるように、端面を研磨した第3のシングルモード光ファイバー45を加え、開口面と反対側の端面に、光源部47からの光を入射できるようにした。この光源部47は、実施例1において図2を用いて説明したものと同じである。
【0056】
実施例1における読み出しの際、この第3の光ファイバーに光源部47からの光を入射し、量子ビットとして利用したそれぞれのイオンに対して順番に、|a±>-|e±>遷移に共鳴する光を照射して速やかに光ファイバーの束を光子検出器に接続された光ファイバー15の開口部が量子ビットとして利用したイオンに面するように移動して、放出光子があるならそれを読み出す、という操作を繰り返すことにより演算結果を読み出した。尚、光源部47の光は、読み出し時以外はY2SiO5結晶1に直接照射することもできる。
【0057】
その結果、実施例1のように励起光を、自由空間を介して薄膜結晶の表面に対し斜めに伝播させて照射した場合に比べて光が照射されるイオンを絞ることができ、量子ビットとして利用していないイオンのうち、前処理において照射光と相互作用しない状態に移しきれなかったイオンが励起され光子を放出することによる読み取りエラーを軽減することができた。
【0058】
(実施例3)
本発明に関わる実施例3について、図6の一部側面模式図を用いて説明する。
【0059】
まず、実施例1の誘電体多層膜付きのY2SiO5結晶1およびピエゾ素子21等を備えた筐体9に第2の光ファイバーホルダー付きピエゾ素子を取り付けたものを用意した。
【0060】
つまり、図6に示すように、実施例1で用いた光共振器用光ファイバー11の誘電体多層膜13のついた端面から誘電体多層膜13をとりはずし、この取り外した端面を研磨して、この端面と第2の読み出し用多モード光ファイバー48を結合して、両者の開口部を揃えて第2の光ファイバーホルダーに設置した。そして、実施例1で説明したピエゾ素子21と同等の構造を持ち、第2の光ファイバーホルダーを駆動するピエゾ素子を設置した。
【0061】
さらに、実施例1における光源部からの光を、2つある光共振器用光ファイバー11の両開口部に面したY2SiO5結晶1中のイオンに照射できるようにした。
【0062】
その結果、Y2SiO5結晶1中の異なる2箇所にあるイオンの集団をそれぞれ量子ビットの集団として、その2つの集団中にある量子ビットを利用した一連の量子演算を実行することが可能となった。すなわち、光共振器として利用する光ファイバー11の届く範囲の2箇所であれば、その2箇所の薄膜結晶中のイオンを量子力学的な絡まった状態にすることが可能で、1つの量子計算のなかで利用することが可能となった。
【0063】
(実施例4)
次に、本発明に関わる実施例4を図7の側面模式図を用いて説明する。
【0064】
実施例4では、光ファイバーの開口部をY2SiO5結晶1の表面に沿った方向(図7のy方向)に移動させるのみでなく、Y2SiO5結晶1との距離(図7のx方向)も変化させられるピエゾ素子を組んだ光ファイバー駆動部49に置換した。
【0065】
その結果、量子演算の際に量子ビットを結合する、共通の共振器モードが変化させられるようになり、共通の共振器モードが固定していた場合には、その共振器モードと共鳴せず、量子ビットとして利用できなかったイオンも、量子ビットとして利用できるようになった。
【0066】
(実施例5)
図8および図9は、実施例5の量子情報処理装置を説明するための図面である。図8は、この装置の側面模式図である。実施例1において、ピエゾ素子による駆動部を、駆動の機能を持たない光ファイバーホルダーの一部に替え、光ファイバーの束に替えて光ファイバー1本を用いて、共振器用光ファイバーの誘電体多層膜がついていた端面から誘電体多層膜を取り外し、研磨した端面に反射防止膜を作製した。
【0067】
またこの端面には、微小光学系を配置したインバール製基板51を接続し、インバール製基板51には読み出し用光ファイバー15を介して光子検出器17を接続した。
【0068】
図9は、インバール製基板51の内部を示す拡大模式図である。図9中の点線は、光路を示す。インバール製基板51は、その表面に次のような光学系を備える。この光学系は、光ファイバー11から出た光を収束させるような第1の微小な収束レンズ53と、レンズ53で収束した光を、ラジオ波を印加した場合は偏向させる606nmにおける光の損失が少ない微小な音響光学素子55と、音響光学素子55から偏向しないで出射した光を平行光にする第2の微小なレンズ57と、平行光にした光を反射する606nmでの反射率が99.99%以上の微小な誘電体多層膜ミラー59と、偏向して出射した光を収束する第3の微小なレンズ61を備える光学系を持つ。
【0069】
さらにインバール製基板51に、第3のレンズで収束された光を入射させる読み出し用光ファイバー15を接続して、そのもう一方の端面を図8に示すように光子検出器17に接続した。
【0070】
このような構成で、結果読み出し以外は実施例1と同様に操作し、結果読み出しの際は、微小な音響光学素子55にラジオ波を印加した。その結果、読み出し以外の場合は、Y2SiO5結晶1の背面の誘電体多層膜3と、インバール製基板51上の微小な誘電体多層膜ミラー59で光共振器が構成され、量子演算が実行でき、読み出しの際は発生光子が光子検出器へと導かれ、効率よく結果を読み出すことができた。
【0071】
尚、本実施例では、光共振器のモード体積をなるべく小さくするため、光を偏向させる素子として電気光学効果素子や通常のサイズの音響効果効果素子ではなく、微小な音響光学効果素子を用いている。
【0072】
(実施例6)
実施例1におけるPr3+イオンを分散させたY2SiO5単結晶1の替わりに、Pr3+イオンを100倍の濃度で分散させたガラスを用いて実施例1と同様の装置を組み同様の操作を行なった。その結果、周波数空間内でPr3+イオンが分布する範囲が広く、より広い周波数幅のレーザーでより多くの量子ビットを周波数空間で区別することが可能となり、より多くの量子ビットでの量子演算が可能となった。その演算結果の読み出しは、実施例1と同様、効率よく行なうことができた。
【0073】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限られず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。
【0074】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高い効率で光子検出、すなわち結果の読み出しが可能になる。また、量子情報処理能力を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1に関わる量子情報処理装置および処理方法を説明するための側面模式図。
【図2】本発明の実施例1における光源部を模式的に示すブロック図。
【図3】本発明の実施例1における量子情報処理装方法および量子情報処理装置の光ファイバー開口部の位置と量子ビットとして利用するイオンが分布する領域との関係を模式的に示す断面図。
【図4】本発明の実施例1における量子情報処理装方法および量子情報処理装置の光ファイバー開口部の位置と量子ビットとして利用するイオンが分布する領域との関係を、演算結果読み出しの場合に関して模式的に示す断面図。
【図5】本発明の実施例2に関わる量子情報処理装置および処理方法を説明するための側面模式図。
【図6】本発明の実施例3に関わる量子情報処理装置および処理方法を説明するための側面模式図。
【図7】本発明の実施例4に関わる量子情報処理装置および処理方法を説明するための側面模式図。
【図8】本発明の実施例5に関わる量子情報処理装置および処理方法を説明するための側面模式図。
【図9】実施例5の量子情報処理装置および処理方法におけるインバール製基板表面の拡大模式図。
【符号の説明】
1・・・Y2SiO5結晶
3・・・誘電体多層膜
5・・・アルミニウム層
7・・・ガラス基板
9・・・インバール製筐体
11・・・シングルモード光ファイバー
13・・・誘電体多層膜
15・・・読み出し用多モード光ファイバー
17・・・光子検出器
19・・・光ファイバーホルダー
21・・・ピエゾ素子
23・・・コイル
25・・・アルゴンイオンレーザー
27・・・リング色素レーザー
29・・・周波数幅狭窄化システム
31・・・16502.3cm-1のレーザー
33・・・音響光学素子
35・・・量子ビットとして利用するイオンが分布する領域
37、39・・・光ファイバーのコア
41・・・|a±>−|e±>遷移に共鳴するレーザー
43・・・読み取りの際に発生した光子
45・・・第3のシングルモード光ファイバー
47・・・光源部
48・・・第2の読み出し用多モード光ファイバー
49・・・光ファイバー駆動部
51・・・インバール製基板
53・・・第1のレンズ
55・・・音響光学素子
57・・・第2のレンズ
59・・・誘電体多層膜ミラー
61・・・第3のレンズ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a quantum information processing device that represents a quantum bit by a quantum state of a physical system that resonates with a common resonator mode in an optical resonator, and in particular, reads a quantum state operation and its result in an optical resonator. The present invention relates to a quantum information processing method and a quantum information processing apparatus that facilitate the coexistence with photon detection.
[0002]
[Prior art]
In a quantum information processing device (quantum computer) that represents information in the quantum state of the physical system and performs information processing by manipulating the quantum state, the physical system representing the information (quantum bit) is set to the initial state at the beginning of the operation. There must be. Note that the term “quantum bit” may refer to quantum information itself or a physical system that carries quantum information. In the following, we will use this "qubit" representation for both meanings if it can be judged from the context and is not confusing.
[0003]
In addition, in the operation of a quantum computer, it is necessary to introduce interaction between qubits in a well-controlled manner so that information can be exchanged between qubits. Further, after the operation is completed, in order to know the operation result, the qubit must be read (observed).
[0004]
A method has been proposed in which these operations are performed using a laser capable of precise control, and an interaction between qubits is introduced by resonance of each qubit into a common resonator mode. In particular, a frequency domain quantum computer (see Non-Patent Document 1) that makes use of the difference in resonance frequency that each qubit inherently distinguishes between qubits requires difficult fine processing and delicate position control. In addition, it has the feature of good consistency with optical information processing technology.
[0005]
In such a quantum computer that couples physical systems that carry qubits in the mode of an optical resonator, a high-performance resonator with a long resonator lifetime, that is, a long photon stays in the resonator, is assembled, and a qubit is included in the resonator. Holds the physical system responsible for the quantum operation. In a high performance resonator, a resonator mode photon generated in the resonator is kept in the resonator for a long time by a reflecting mirror having a very high reflectance.
[0006]
When the result is read after the operation of the quantum operation is completed, a method using light is desirable because it has high sensitivity and can reduce noise. In that case, it would be more desirable if a technique of a frequency domain quantum computer that reads out each quantum state by distinguishing each qubit by its resonance frequency can be used.
[0007]
In the frequency domain quantum computer, a physical system having three energy states obtained by degenerating two energy states as qubits is used. Among these three states, they are called | 1>, | 2>, and | 3> in order from the lowest energy. When the result of the operation is read, the qubit (information) to be read is represented by whether the qubit (physical system) is in | 1> or | 2>. Here, the transition probability of the transition between | 1>-| 3> and the transition between | 2>-| 3> is large, and the transition probability of the transition between | 1>-| 2> is small. The transition energy between | 2>-| 3> has the same value in multiple qubits and resonates with a common resonator mode, whereas the transition between | 1>-| 3> is different in each qubit Suppose that it has a value.
[0008]
Here, light that resonates with the | 1>-| 3> transition of a desired qubit whose quantum state is desired is irradiated. Then, if the qubit is in the state of | 1>, it selectively absorbs light and passes through the state of | 3> to resonate photons having transition energy of transition between | 2>-| 3>. Discharge to vessel mode. If it is in the state | 2>, nothing happens. Therefore, if the photon can be detected when this photon emission occurs, the quantum state of the qubit can be known.
[0009]
However, since the optical resonator has a long resonator life, the emitted photons hardly come out of the resonator. In the meantime, the photon exits from the resonator in an unexpected direction due to scattering due to slight unevenness on the surface of the reflecting mirror, scattering due to the medium inside the resonator, and the like. As described above, the timing and direction in which the photons emerge from the resonator are not fixed, and there is a problem that it is difficult to detect the photons with high efficiency, and a method for efficiently reading the result of the quantum operation has not been known.
[0010]
[Non-Patent Document 1]
K. Ichimura, Opt. Commun. 196, 119 (2001).
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and its purpose is to perform quantum computation using an optical resonator suitable for quantum information processing in which quantum bits are coupled in a resonator mode of an optical resonator. It is an object to provide a quantum information processing method and a quantum information processing apparatus that can perform result reading by using light of high efficiency.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention is to provide a physical system including atoms, ions, or molecules dispersed in a solid crystal between a first reflecting mirror and a first end of a first optical fiber. An optical resonator in which one of the resonator modes resonates with the transition energy of the physical system between the first reflector and the second reflector located at the second end of the first optical fiber. , Irradiating the physical system with light from outside the optical resonator, manipulating the quantum state of the physical system, and after finishing the manipulation process, the first end and the second end of the first optical fiber The first end of the optical fiber is changed, the first end of the second optical fiber is moved to a position where the physical system is sandwiched between the first reflecting mirror, and light is transmitted to the physical system after the moving step. Irradiate and release photons emitted from the physical system from the first end of the second optical fiber to the second Quantum information comprising: a step of detecting by a photodetector incorporated in an optical fiber and coupled to a second optical fiber; and a step of determining a quantum state of a physical system based on the presence or absence of a photon detected in the detection step A processing method is provided.
[0013]
In the first aspect of the present invention, the first end of the third optical fiber is held at a position where the physical system is sandwiched between the first reflecting mirror and the third optical fiber from the second end of the third optical fiber. The physical system can also be illuminated through the first end of the third optical fiber.
[0014]
In the first aspect of the present invention, the resonator length of the optical resonator can be changed by changing the distance between the physical system and the first end of the first optical fiber.
[0015]
In order to solve the above-described problem, the second aspect of the present invention provides a first physical system including atoms, ions, or molecules dispersed in a solid crystal as a first reflecting mirror and a first end of a first optical fiber. A second physical system containing atoms, ions or molecules dispersed in the solid crystal is positioned between the second reflector and the second end of the first optical fiber, Forming an optical resonator in which one of the resonator modes resonates with the transition energy of the physical system between the reflecting mirror and the second reflecting mirror; and from the outside of the optical resonator, the first or second Irradiating the physical system with light to manipulate the quantum state, and after finishing the manipulation process, the first end of the second optical fiber is changed to the first end or the second end of the first optical fiber, A first or second object between the first end of the two optical fibers and the first or second reflector After the step of moving to a position sandwiching the system and the step of moving, the first physical system is irradiated with light, and photons emitted from the physical system are transferred from the first end of the second optical fiber to the second optical fiber. And a step of detecting by a photodetector coupled to the second optical fiber and a step of determining the quantum state of the first or second physical system based on the presence or absence of a photon detected in the detection step. A quantum information processing method is provided.
[0016]
In the second aspect of the present invention, the solid crystal in which the first and second physical systems are dispersed may be an integral solid crystal such as a single thin film or plate, or may be a separate solid crystal. Further, the first and second reflecting mirrors may be used in different parts of the integrated reflecting mirror, or may be separate reflecting mirrors.
[0017]
In order to solve the above-described problem, a third aspect of the present invention provides a physical system including atoms, ions, or molecules dispersed in a solid crystal between a first reflecting mirror and a first end of a first optical fiber. Of the resonator mode between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror using a second reflecting mirror positioned and facing the second end of the first optical fiber via the acousto-optic element. One is the process of forming an optical resonator that resonates with the transition energy of the physical system, and the quantum state of the physical system by irradiating the physical system with light from outside the optical resonator without applying radio waves to the acoustooptic device , Irradiating light to the physical system to emit photons from the physical system, deflecting the traveling direction of the photons emitted by the acoustooptic device to which the radio wave is applied, and the photons deflected by the deflection process And a step of detecting presence or absence To provide a child information processing method.
[0018]
In order to solve the above problems, a fourth aspect of the present invention includes a plate-like or thin-film solid crystal including a physical system containing atoms, ions, or molecules, and having a first reflecting mirror formed on one side thereof, A physical system between a first optical fiber having a first end on the solid crystal side and a second end and a second end of the first optical fiber, and the first reflecting mirror via the first optical fiber. A second reflecting mirror capable of forming an optical resonator having an optical resonator mode that resonates with the transition energy of the first, a first end on the solid crystal side, and a second end connected to the photodetector. Irradiates light from outside the optical resonator, light irradiation means that can manipulate the quantum state of the physical system, and irradiates light to the physical system whose quantum state has changed, and emits photons from the physical system Measuring means that can be adapted, a first end of the first optical fiber and a second optical fiber. The support that can be moved in parallel with the surface opposite to the surface opposite to the surface on which the first reflecting mirror of the solid crystal is provided, and the operation of the light irradiation means Sometimes the support is held in the first position so that the first end of the first optical fiber is sandwiched between the first reflector and the first reflector, and the first of the second optical fiber is in operation when the measuring means is in operation. A support moving unit capable of holding the support in the second position so that the end sandwiches the physical system between the first reflecting mirror and the support and moving the support between the first and second positions; A quantum information processing apparatus is provided.
[0019]
In the fourth aspect of the present invention, the support further comprises a third optical fiber having a first end and a second end on the solid crystal side, and a light source connected to the second end of the third optical fiber. The first end of the first optical fiber, the first end of the second optical fiber, and the first end of the third optical fiber are opposed to the surface opposite to the surface provided with the first reflecting mirror made of solid crystal, The support moving unit can move in parallel with the opposite surface, and the first moving end of the third optical fiber is not connected to the first end when irradiating the physical system with light from the light source via the third optical fiber. The support can be positioned so that the physical system is sandwiched between the reflector and the reflector.
[0020]
In the fourth aspect of the present invention, the support moving unit may change the distance between the physical system and the first end of the first optical fiber via the support.
[0021]
In order to solve the above-described problems, a fifth aspect of the present invention includes a plate-like or thin-film-like first containing a first physical system containing atoms, ions, or molecules, and having a first reflecting mirror formed on one side. A plate-like or thin-film-like second solid crystal including a first solid crystal and a second physical system containing atoms, ions, or molecules, and having a second reflecting mirror formed on one side thereof; A first end on the physical system side and a second end on the second physical system side, and resonates with transition energy of the first and second physical systems between the first and second reflectors A second optical fiber having a first optical fiber capable of forming an optical resonator having an optical resonator mode, a first end on the first solid crystal side, and a second end connected to the first photodetector. A third optical fiber comprising: a first end on the second solid crystal side; and a second end connected to the second photodetector Irradiating light from the outside of the optical resonator to irradiate light to the first or second physical system in which the quantum state has changed, and light irradiation means capable of operating the quantum state of the first or second physical system Then, a first set of measuring means capable of emitting photons from the first or second physical system, and a first end of the first optical fiber and a first end of the second optical fiber, The solid crystal can be moved parallel to the surface opposite to the surface opposite to the surface on which the first reflecting mirror is provided, or the second end of the first optical fiber and the first The second set of the first ends of the three optical fibers is opposed to the surface opposite to the surface on which the second reflecting mirror of the second solid crystal is provided, and the surface on the opposite side of the second solid crystal And the first end of the first optical fiber is in front when the light irradiating means is in operation. A support so that the first physical system is sandwiched between the first reflecting mirror and the second physical system is sandwiched between the second end of the first optical fiber and the second reflecting mirror. Is held in the first position, and when the measuring means is operated, the first physical system is sandwiched between the first end of the second optical fiber and the first reflecting mirror, or the third optical fiber is A support capable of holding the support in the second position so that one end sandwiches the second physical system between the second reflector and the support, and the support can be moved between the first and second positions. Provided is a quantum information processing device comprising a body moving unit.
[0022]
In the fifth aspect of the present invention, the first and second solid crystals may be composed of the same body or different solid crystals. In addition, the first reflecting mirror and the second reflecting mirror can be formed of the same reflecting mirror, or can be separate reflecting mirrors.
[0023]
In order to solve the above problems, a sixth aspect of the present invention includes a plate-like or thin-film solid crystal that includes a physical system including atoms, ions, or molecules, and has a first reflecting mirror formed on one side thereof. Provided in the vicinity of a first optical fiber having a first end on the solid crystal side, a second end, a first lens provided facing the second end of the first optical fiber, and a first converging lens An acoustooptic device capable of transmitting a photon when no radio wave is applied and changing a traveling direction of the photon when a radio wave is applied, and the acoustooptic device provided near the acoustooptic device, and transmitting the acoustooptic device. A second lens capable of converging photons and an optical resonator mode that reflects the photon converged by the second lens and resonates with the transition energy of the physical system between the first reflecting mirror and the first lens. Second anti-cavity that can form an optical resonator Quantum information, comprising: a mirror; a third lens that converges the photon whose traveling direction is changed by an acousto-optic element; and a photodetector that detects the photon converged by the third lens. A processing device is provided.
[0024]
The photons converged by the lens may be a single photon or a photon beam of a set of photons.
[0025]
According to the first to sixth aspects of the present invention, an optical resonator using an optical fiber having a long resonator lifetime and a small resonator volume (mode volume) is used. And, when coupling between qubits in the resonator mode is required, such as 2-qubit operation, the qubit is coupled with the resonator mode of the optical resonator and does not require coupling in the resonator mode. When reading qubits, an optical resonator such as a frequency domain quantum calculation is not switched by coupling to a propagation mode of an optical fiber as an optical waveguide having a photodetector on one end face instead of a resonator. It is possible to read out the result by using the light of the quantum calculation used with high efficiency.
[0026]
The physical system that bears the qubits related to the present invention includes atoms, ions, molecules, or an aggregate thereof dispersed in an amorphous state such as a solid crystal, glass, or a polymer plastic, or a substrate. The fine particles above can be used.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments relating to a quantum information processing apparatus and a quantum information processing method of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol shall be attached | subjected to a common structure through embodiment and an Example, and the overlapping description is abbreviate | omitted. Each figure is a schematic diagram, and its shape, dimensions, ratio, and the like are different from those of an actual apparatus. However, these can be determined in consideration of the following description and known techniques.
[0028]
First, quantum information processing devices that use optical resonators, and in particular, introduce the interaction between qubits using the resonator mode of the optical resonator, and use the transition energy (frequency) specific to each qubit. A frequency domain quantum computer that performs individual operations of qubits will be described.
[0029]
In the frequency domain quantum computer, a physical system (atom, ion, molecule, etc.) having three degenerated energy states is used as a qubit. The three states are in ascending order of energy.| A ± >,| B ± >,| e ± >Then,| A ± >,| B ± >Uses a level with a long relaxation time,| A ± >−| e ± >while,| B ± >−| e ± >Inter-transitions that allow light are used. When the physical system is not subject to gate operation, the information of 1 qubit is | 0> ≡ at the lowest level.| A + >, | 1> ≡| A − >Is held like. In general, a qubit is a quantum mechanical superposition of two states, | 0> and | 1>.
α | 0> + β | 1> (α and β are complex numbers) (1)
It has become.
[0030]
These physical systems are in optical resonators, one of their allowed transitions, for example| B ± >−| e ± >The transition between is resonating with a common resonator mode.
[0031]
Quantum state manipulation of one qubit, called one qubit gate, that is, manipulation of the values of α and β in equation (1)| A ± >It can be performed using resonance Raman transition in the state of
[0032]
The control NOT gate, which is one of the conditional gates between two qubits, called a two qubit gate, does not change the state of the second qubit if the first qubit is in the state | 0> If the first qubit is | 1>, the second qubit is a quantum gate that changes from | 0> to | 1> or from | 1> to | 0>. To execute this between the kth and lth qubits:
[0033]
First,| A ± > k When| A ± > l Qubits held in| 0> k =| B − > k ,| 1> k =| A − > k ,| 0> l =| B − > l ,| 1> l =| B + > l Move to. Here, the subscripts attached to the symbols representing the respective states indicate that they relate to the kth and lth qubits. To do so, apply a magnetic field,h ・ ν a, ± , i ,h ・ ν b, ± , i Had energy (level energy)| A ± > i When| B ± > i , And induce an energy shift according to the magnetic quantum number,h ( ν a, ± , i ± △ ν a ),h ( ν b, ± , i ± △ ν b )And Here, h is a Planck constant. In this state, the frequency difference isν b, ± , k −ν a, ± , k -△ ν b -△ ν a ,ν b, ± , l −ν a, ± , l - △ ν b -△ ν a ,ν b, ± , l ―Ν a, ± , l + △ ν b + △ ν a By irradiating three sets of laser pulses at an appropriate timing,| 0> k =| B − > k ,| 1> k =| A − > k ,| 0> l =| B − > l ,| 1> l =| B + > l The state can be changed as follows.
[0034]
Next, the qubit of the kth physical system is transferred to the lth physical system.| A ± > l −| e ± > l Irradiate the first laser pulse that resonates with the transition and overlap with it in time| A ± > k −| e ± > k By irradiating the second laser pulse that resonates with the transition, quantum information can be transferred between the k-th and l-th atoms by a technique called adiabatic passage. In this method, the physical system changes while maintaining the eigenstate consisting of the lower two levels, the state changes without being excited by the uppermost level, and the quantum information moves. Therefore, even though light that resonates with the transition to the top state is used, the transition to that state does not occur, and the quantum information is destroyed by a random process of spontaneous emission from the top state. Can be prevented. The adiabatic passage method of changing the lower level superposition state from time to time while maintaining the eigen state can be used even in the case of a one-qubit gate.
[0035]
As described above, as a result of the adiabatic passage between the kth and lth physical systems, the two qubits (quantum information) represented by the kth and lth physical systems are l It is represented only by the second physical system.
[0036]
In the final stage of the control NOT gate,| A − > l When| A + > l The| A ± > l −| e ± > l Swap with a Raman transition with two lasers that resonate with the transition. This replacement| 1> k | 0> l When| 1> k | 1> l Therefore, a conditional gate operation is executed here. After that, one of the qubits (quantum information) is returned to the kth physical system again by the adiabatic passage, and in each of the kth and lth physical systems| A ± > k When| A ± > l Stored in
[0037]
It is known that an arbitrary quantum operation can be performed by a combination of such a control NOT gate and one qubit gate.
[0038]
The frequency domain quantum computer repeats the above gate operation with a laser while applying an external field to perform a desired quantum operation.
[0039]
And when reading the calculation result,| A ± >Ie| A + >When| A − >The qubits stored in| A − >,| B − >To the physical system that holds each qubit.| A ± >-| E ± >Irradiate a laser that resonates with the transition. If a photon is emitted from the i-th physical system, the physical system is| A − > i It can be seen that the qubit is | 0>, and if no photons are emitted, the physical system is| B − >It can be seen that the state, that is, the qubit is | 1>.
[0040]
By the way, the emitted photons| e ± >From| B ± >And is generated in the optical resonator as photons in the optical resonator mode. Although this photon must be detected, a quantum computer that introduces an interaction between qubits by a resonator mode requires a resonator having a long resonator lifetime. For this reason, photons existing in the resonator mode hardly come out of the resonator. Therefore,| A ± >−| e ± >After irradiating a laser that resonates with the transition, a large uncertainty occurs at the time when photons can be detected. Moreover, while staying in the resonator for a long time, photons leak out of the resonator due to imperfections in the resonator. The cause is scattering due to slight unevenness on the reflector surface, scattering due to the substance inside the resonator including the physical system used as a qubit, and leakage due to the fact that the resonator is not a space completely covered by the reflector. Due to various factors such as (diffraction), the direction in which photons emerge from the optical resonator cannot be predicted.
Due to the uncertainty of the photon-detectable time and the uncertainty of the direction in which the photons can be detected, it is necessary to wait for a long time to detect photons while keeping the detector highly sensitive. It is necessary to prepare a detector so that photons coming out in any direction can be captured. It is very difficult to increase the ratio of the detection signal to noise, and it is extremely difficult to detect generated photons with high efficiency. It becomes difficult.
[0041]
A method of shifting each quantum state energy by applying an external field such as a magnetic field, an electric field, or a pressure is also conceivable so that photon emission to a common resonator mode used for qubit coupling does not occur. For example, qubits| A + >,| A − >Applying a magnetic field while maintaining| A + >,| A − >Split the energy of the state of| A + >The photons emitted by irradiating a laser that resonates with a transition between || e> are observed, or the photons whose photon energy is changed are simply observed by applying a magnetic field last in the reading process.
[0042]
However, even in that case, if the resonator is completely close, there is a possibility that the resonator mode exists because photons are generated, the lifetime in the resonator may be long, and even if the resonator is incomplete Even if the generated photons quickly go out of the resonator, the direction cannot be determined, and it is still difficult to detect the generated photons with high efficiency.
[0043]
Therefore, in one embodiment of the present invention, an optical resonator using an optical fiber having a long resonator lifetime and a small resonator volume, which is suitable for a quantum computer that couples qubits in the resonator mode of the optical resonator, For quantum operations that require a resonator mode, the qubit is coupled to a common resonator mode, and when reading results that do not require the resonator mode, an optical fiber that connects to the photodetector instead of the resonator mode. Is switched so as to be coupled with the propagation mode of, so that detection of generated photons with high efficiency becomes possible. Moreover, this switching is performed between the optical fiber connected to the excitation light source, the optical fiber part of two resonators having such a structure is coupled, or the position of the resonator is small and the position control between the reflecting mirrors is easy. It is possible to further improve the ability of the quantum computer by changing the resonator mode by utilizing the above.
[0044]
Specific examples thereof will be described below through examples.
Example 1
FIG. 1 is a schematic side view illustrating a quantum information processing apparatus according to
[0045]
First, 0.05at.% Pr of 5mm x 5mm x 2mm3+Plate-like Y with ions dispersed2SiOFiveCrystal 1 (Mother Y3+0.05% of ions are Pr3+A material in which a
[0046]
Then Y2SiOFiveCrystal 1 was polished to a thickness of 100 nm, and a thin film ion-dispersed crystal having a high reflectance mirror on the back surface was produced on
[0047]
Further, both end faces of a single mode
[0048]
Also, the opening surface of the two optical fibers is Y2SiOFiveY at a position about 10 nm away from the surface of the crystal2SiOFiveA
[0049]
As shown in the block diagram of FIG. 2, the light source unit detects light from the
[0050]
Y prepared as above2Sio5The system containing the crystal is placed in the cryostat together with the
[0051]
This Y2SiOFiveA portion of the
[0052]
After completing a series of quantum operations in the resonator, the
[0053]
Next, Pr used as a qubit from the light source while appropriately adjusting the irradiation light frequency and applied magnetic field3+Y for ion2Sio5Irradiate light on the surface of
[0054]
(Example 2)
Next, a quantum information processing apparatus according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to a schematic side view of FIG.
[0055]
First, the third single-mode
[0056]
At the time of reading in the first embodiment, the light from the
[0057]
As a result, the ions irradiated with light can be narrowed as compared with the case of irradiating the excitation light obliquely with respect to the surface of the thin film crystal through free space as in Example 1, and as a qubit Among the unused ions, ions that could not be transferred to a state where they did not interact with irradiation light in the pretreatment were excited, and reading errors due to emission of photons could be reduced.
[0058]
(Example 3)
Example 3 according to the present invention will be described with reference to the schematic side view of FIG.
[0059]
First, Y with the dielectric multilayer film of Example 12SiOFiveA case in which a second piezoelectric element with an optical fiber holder was attached to a
[0060]
That is, as shown in FIG. 6, the
[0061]
Furthermore, the light from the light source unit in Example 1 faces both openings of the
[0062]
As a result, Y2SiOFiveIt has become possible to execute a series of quantum operations using qubits in the two groups, each of which has a group of ions in two different locations in the
[0063]
Example 4
Next, a fourth embodiment related to the present invention will be described with reference to a schematic side view of FIG.
[0064]
In Example 4, the opening of the optical fiber is set to Y2SiOFiveIn addition to moving in the direction along the surface of the crystal 1 (y direction in FIG. 7), Y2SiOFiveIt was replaced with an optical
[0065]
As a result, the common resonator mode that couples the qubits in the quantum operation can be changed, and when the common resonator mode is fixed, it does not resonate with the resonator mode, Ions that could not be used as qubits can now be used as qubits.
[0066]
(Example 5)
8 and 9 are diagrams for explaining the quantum information processing apparatus according to the fifth embodiment. FIG. 8 is a schematic side view of the apparatus. In Example 1, the drive unit by the piezo element was replaced with a part of an optical fiber holder having no drive function, and a single optical fiber was used instead of a bundle of optical fibers, and a dielectric multilayer film of the optical fiber for the resonator was attached. The dielectric multilayer film was removed from the end face, and an antireflection film was produced on the polished end face.
[0067]
In addition, an
[0068]
FIG. 9 is an enlarged schematic view showing the inside of the
[0069]
Further, the readout
[0070]
With such a configuration, the operation was performed in the same manner as in Example 1 except for the result reading, and a radio wave was applied to the microacoustic optical element 55 when the result was read. As a result, if it is not read, Y2SiOFiveAn optical resonator is constituted by the
[0071]
In this embodiment, in order to reduce the mode volume of the optical resonator as much as possible, a micro acousto-optic effect element is used as an element for deflecting light, not an electro-optic effect element or a normal size acoustic effect element. Yes.
[0072]
(Example 6)
Pr in Example 13+Y with dispersed ions2SiOFiveInstead of
[0073]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not restricted to these, In the category of the summary of the invention as described in a claim, it can change variously.
[0074]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, photon detection, that is, reading of a result can be performed with high efficiency. In addition, the quantum information processing ability can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic side view for explaining a quantum information processing apparatus and a processing method according to
FIG. 2 is a block diagram schematically showing a light source unit in
3 is a cross-sectional view schematically showing a relationship between a position of an optical fiber opening of the quantum information processing method and quantum information processing apparatus according to
4 schematically shows the relationship between the position of the optical fiber opening of the quantum information processing method and quantum information processing apparatus according to
FIG. 5 is a schematic side view for explaining a quantum information processing apparatus and processing method according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 6 is a schematic side view for explaining a quantum information processing apparatus and a processing method according to
FIG. 7 is a schematic side view for explaining a quantum information processing apparatus and a processing method according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 8 is a schematic side view for explaining a quantum information processing apparatus and a processing method according to
FIG. 9 is an enlarged schematic view of an Invar substrate surface in the quantum information processing apparatus and processing method according to the fifth embodiment.
[Explanation of symbols]
1 ... Y2SiOFivecrystal
3. Dielectric multilayer film
5 ... Aluminum layer
7 ... Glass substrate
9 ... Invar casing
11 ... Single mode optical fiber
13 ... Dielectric multilayer film
15 ... Multimode optical fiber for reading
17 ... Photon detector
19 ... Optical fiber holder
21 ... Piezo element
23 ... Coil
25 ... Argon ion laser
27. Ring dye laser
29 ... Frequency narrowing system
31 ... 16502.3cm-1Laser
33 ... Acousto-optic device
35: Region where ions used as qubits are distributed
37, 39 ... Optical fiber core
41... | A ±> − | e ±> laser resonant with transition
43 ... Photons generated during reading
45 ... Third single mode optical fiber
47 ... Light source
48 ... second readout multimode optical fiber
49: Optical fiber drive unit
51 ... Invar substrate
53 ... 1st lens
55. Acousto-optic element
57 ... second lens
59 ... Dielectric multilayer mirror
61 ... Third lens
Claims (10)
前記光共振器の外部より、前記物理系に光を照射して前記物理系の量子状態を操作する工程と、
前記操作工程を終えた後に、前記第1の光ファイバーの第1端に第2の光ファイバーの第1端を替えて、前記第1の反射鏡との間に前記物理系を挟む位置に前記第2の光ファイバーの第1端を移動する工程と、
前記移動工程の後に、前記物理系に光を照射して、前記物理系から放出される光子を前記第2の光ファイバーの第1端から前記第2の光ファイバーに取り込んで、前記第2の光ファイバーに結合した光検出器により検出する工程と、
前記検出工程において検出される前記光子の有無により前記物理系の量子状態を判断する工程とを備えることを特徴とする量子情報処理方法。A physical system containing atoms, ions or molecules dispersed in a solid material is positioned between a first reflecting mirror and a first end of a first optical fiber, and the first reflecting mirror and the first optical fiber Forming an optical resonator in which one of the resonator modes resonates with the transition energy of the physical system between the second reflecting mirror located at the second end of
Irradiating the physical system with light from outside the optical resonator to manipulate the quantum state of the physical system;
After finishing the operation step, the first end of the second optical fiber is changed to the first end of the first optical fiber, and the second optical system is placed at a position where the physical system is sandwiched between the first optical reflector and the second optical fiber. Moving the first end of the optical fiber;
After the moving step, the physical system is irradiated with light, photons emitted from the physical system are taken into the second optical fiber from the first end of the second optical fiber, and the second optical fiber is taken into the second optical fiber. Detecting with a combined photodetector;
A quantum information processing method comprising: determining a quantum state of the physical system based on the presence or absence of the photon detected in the detection step.
前記保持工程の後に、前記第3の光ファイバーの第2端から前記第3の光ファイバーおよび第3の光ファイバーの第1端を通して前記物理系に光を照射する工程を備えることを特徴とする請求項1記載の量子情報処理方法。A step of holding the first end of the third optical fiber at a position sandwiching the physical system with the first reflecting mirror, and the third end from the second end of the third optical fiber after the holding step. The quantum information processing method according to claim 1, further comprising: irradiating the physical system with light through the first end of the optical fiber and the third optical fiber.
前記光共振器の外部より、前記第1または第2の物理系に光を照射して量子状態を操作する工程と、
前記操作工程を終えた後に、前記第1の光ファイバーの第1端または第2端に第2の光ファイバーの第1端を替えて、前記第2の光ファイバーの第1端を前記第1または第2の反射鏡との間に前記第1または第2の物理系を挟む位置に移動する工程と、
前記移動工程の後に、前記第2の光ファイバーの第1端と対向する前記第1または第2の物理系に光を照射して、前記物理系から放出される光子を前記第2の光ファイバーの第1端から前記第2の光ファイバーに取り込んで、前記第2の光ファイバーに結合した光検出器により検出する工程と、
前記検出工程において検出される前記光子の有無により前記第1または第2の物理系の量子状態を判断する工程とを備えることを特徴とする量子情報処理方法。A first physical system comprising atoms, ions or molecules dispersed in a solid material, located between the first reflector and the first end of the first optical fiber, and atoms dispersed in the solid material; A second physical system containing ions or molecules is positioned between the second reflecting mirror and the second end of the first optical fiber, and between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror. Forming an optical resonator in which one of the resonator modes resonates with the transition energy of the first and second physical systems;
Manipulating the quantum state by irradiating the first or second physical system with light from outside the optical resonator;
After the operation step is finished, the first end of the second optical fiber is changed to the first end or the second end of the first optical fiber, and the first end of the second optical fiber is changed to the first or second end. A step of moving the first or second physical system between the reflecting mirror and
After the moving step, the first or second physical system facing the first end of the second optical fiber is irradiated with light, and photons emitted from the physical system are emitted from the second optical fiber. Taking into the second optical fiber from one end and detecting with a photodetector coupled to the second optical fiber;
And a step of determining a quantum state of the first or second physical system based on the presence or absence of the photon detected in the detection step.
前記音響光学素子にラジオ波を印加しない状態で、前記光共振器の外部より前記物理系に光を照射して前記物理系の量子状態を操作する工程と、
前記物理系に光を照射して前記物理系から光子を放出し、放出された前記光子の進行方向を、ラジオ波を印加した前記音響光学素子により偏向する工程と、
前記偏向工程により偏向された前記光子の有無を検出する工程とを備えることを特徴とする量子情報処理方法。A physical system containing atoms, ions, or molecules dispersed in a solid material is positioned between the first reflecting mirror and the first end of the first optical fiber, and the first optical fiber is connected via an acoustooptic device. Light in which one of the resonator modes resonates with the transition energy of the physical system between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror using the second reflecting mirror facing the second end. Forming a resonator; and
In a state where no radio wave is applied to the acoustooptic device, a step of irradiating the physical system with light from outside the optical resonator to manipulate the quantum state of the physical system;
Irradiating the physical system with light to emit photons from the physical system, and deflecting the traveling direction of the emitted photons by the acoustooptic device to which radio waves are applied;
And a step of detecting the presence or absence of the photons deflected by the deflection step.
前記固体物質側の第1端と、第2端を備える第1の光ファイバーと、
前記第1の光ファイバーの第2端に設けられ、前記第1の光ファイバーを介して第1の反射鏡との間に前記物理系の遷移エネルギーと共鳴する光共振器モードを持つ光共振器を形成可能な第2の反射鏡と、
前記固体物質側の第1端と、光検出器に接続された第2端とを備える第2の光ファイバーと、
前記光共振器の外部から光を照射して、前記物理系の量子状態を操作可能な光照射手段と、
量子状態の変化した前記物理系に光を照射して、前記物理系から光子を放出させることが可能な測定手段と、
前記第1の光ファイバーの第1端と前記第2の光ファイバーの第1端を前記固体物質の前記第1の反射鏡が設けられた面と反対側の面に対向させて、前記反対側の面と平行に移動させることができる支持体と、
前記光照射手段の動作時には、前記第1の光ファイバーの第1端が前記第1の反射鏡との間に前記物理系を挟むように前記支持体を第1の位置に保持し、前記測定手段の動作時には、前記第2の光ファイバーの第1端が前記第1の反射鏡との間に前記物理系を挟むように前記支持体を第2の位置に保持し、かつ前記支持体を前記第1及び第2の位置間で移動させることができる支持体移動部とを備えることを特徴とする量子情報処理装置。A plate-like or thin-film solid substance containing a physical system containing atoms, ions, or molecules, and having a first reflecting mirror formed on one side;
A first optical fiber comprising a first end on the solid material side and a second end;
An optical resonator provided at the second end of the first optical fiber and having an optical resonator mode that resonates with transition energy of the physical system is formed between the first optical fiber and the first reflecting mirror via the first optical fiber. A possible second reflector,
A second optical fiber comprising a first end on the solid material side and a second end connected to a photodetector;
Light irradiation means capable of irradiating light from the outside of the optical resonator and manipulating the quantum state of the physical system;
A measuring means capable of emitting light from the physical system by irradiating light to the physical system having a changed quantum state;
The first surface of the first optical fiber and the first end of the second optical fiber are opposed to the surface of the solid material opposite to the surface on which the first reflecting mirror is provided, and the opposite surface A support that can be moved in parallel with
During the operation of the light irradiating means, the supporting body is held at the first position so that the first end of the first optical fiber sandwiches the physical system with the first reflecting mirror, and the measuring means During the operation, the support is held in the second position so that the first end of the second optical fiber sandwiches the physical system with the first reflecting mirror, and the support is held in the first position. A quantum information processing apparatus comprising: a support moving unit that can be moved between the first and second positions.
前記支持体は、前記第1の光ファイバーの第1端と前記第2の光ファイバーの第1端と前記第3の光ファイバーの第1端を前記固体物質の前記第1の反射鏡が設けられた面と反対側の面に対向させて、前記反対側の面と平行に移動させることができ、
前記支持体移動部は、前記光源より前記第3の光ファイバーを介して前記物理系に光を照射する照射時には、前記第3の光ファイバーの第1端が前記第1の反射鏡との間に前記物理系を挟むように前記支持体を位置させることができることを特徴とする請求項6記載の量子情報処理装置。A third optical fiber having a first end and a second end on the solid material side, and a light source connected to a second end of the third optical fiber,
The support has a first end of the first optical fiber, a first end of the second optical fiber, and a first end of the third optical fiber provided with the first reflecting mirror of the solid material. And can be moved in parallel with the opposite surface,
The support moving unit is configured to irradiate the physical system with light from the light source via the third optical fiber, and the first end of the third optical fiber is between the first reflecting mirror and the first reflecting mirror. The quantum information processing apparatus according to claim 6, wherein the support can be positioned so as to sandwich a physical system.
原子、イオンあるいは分子を含む第2の物理系を内部に含み、片面に第2の反射鏡が形成された板状あるいは薄膜状の第2の固体物質と、
前記第1の物理系側の第1端と、前記第2の物理系側の前記第2端とを備え、前記第1および第2の反射鏡との間に、前記第1および第2の物理系の遷移エネルギーと共鳴する光共振器モードを持つ光共振器を形成可能な第1の光ファイバーと、
前記第1の固体物質側の第1端と、第1の光検出器に接続された第2端を備える第2の光ファイバーと、
前記第2の固体物質側の第1端と、第2の光検出器に接続された第2端を備える第3の光ファイバーと、
前記光共振器の外部から光を照射して、前記第1または第2の物理系の量子状態を操作可能な光照射手段と、
量子状態の変化した前記第1または第2の物理系に光を照射して、光を照射した前記第1または第2の物理系から光子を放出させることが可能な測定手段と、
前記第1の光ファイバーの第1端と前記第2の光ファイバーの第1端からなる第1組を、前記第1の固体物質の前記第1の反射鏡が設けられた面と反対側の面に対向させて、前記反対側の面と平行に移動させることができ、あるいは、前記第1の光ファイバーの第2端と前記第3の光ファイバーの第1端からなる第2組を、前記第2の固体物質の前記第2の反射鏡が設けられた面と反対側の面に対向させて、前記第2の固体物質の反対側の面と平行に移動させることができる支持体と、
前記光照射手段の動作時には、前記第1の光ファイバーの第1端が前記第1の反射鏡との間に前記第1の物理系を挟むように、かつ前記第1の光ファイバーの第2端が前記第2の反射鏡との間に前記第2の物理系を挟むように前記支持体を第1の位置に保持し、前記測定手段の動作時には、前記第2の光ファイバーの第1端が前記第1の反射鏡との間に前記第1の物理系を挟むように、あるいは前記第3の光ファイバーの第1端が前記第2の反射鏡との間に前記第2の物理系を挟むように前記支持体を第2の位置に保持し、前記支持体を前記第1および第2の位置間で移動させることができる支持体移動部とを備えることを特徴とする量子情報処理装置。A first solid material containing a first physical system containing atoms, ions, or molecules and having a first reflecting mirror formed on one side, and a second solid containing atoms, ions, or molecules. A plate-like or thin-film-like second solid substance containing a physical system inside and having a second reflecting mirror formed on one side;
A first end on the first physical system side and a second end on the second physical system side, the first and second reflectors between the first and second reflectors A first optical fiber capable of forming an optical resonator having an optical resonator mode that resonates with transition energy of a physical system;
A second optical fiber comprising a first end on the first solid material side and a second end connected to a first photodetector;
A third optical fiber comprising a first end on the second solid material side and a second end connected to a second photodetector;
A light irradiating means capable of operating the quantum state of the first or second physical system by irradiating light from outside the optical resonator;
A measurement means capable of irradiating the first or second physical system having a changed quantum state with light and emitting photons from the first or second physical system irradiated with the light;
A first set of the first end of the first optical fiber and the first end of the second optical fiber is placed on a surface opposite to the surface on which the first reflecting mirror of the first solid material is provided. The second set of the second end of the first optical fiber and the first end of the third optical fiber can be moved in parallel with the opposite surface. A support that can be moved parallel to the surface opposite to the surface of the second solid substance, opposite to the surface opposite to the surface on which the second reflecting mirror of the solid material is provided;
During the operation of the light irradiation means, the first end of the first optical fiber is sandwiched between the first physical system and the first end of the first optical fiber, and the second end of the first optical fiber is The support is held at the first position so that the second physical system is sandwiched between the second reflecting mirror and the first end of the second optical fiber is moved when the measuring means is operated. The first physical system is sandwiched between the first reflecting mirror or the second physical system is sandwiched between the first end of the third optical fiber and the second reflecting mirror. A quantum information processing apparatus, further comprising: a support moving unit that holds the support in a second position and moves the support between the first and second positions.
前記固体物質側の第1端と、第2端を備える第1の光ファイバーと、
前記第1の光ファイバーの第2端に対向して設けられた第1のレンズと、
前記第1のレンズの近傍に設けられ、ラジオ波の非印加時には光子を透過させ、ラジオ波の印加時には前記光子の進行方向を変化させることができる音響光学素子と、
前記音響光学素子の近傍に設けられ、前記音響光学素子を透過した前記光子を収束させることができる第2のレンズと、
前記第2のレンズにより収束した光子を反射して、前記第1の反射鏡との間に前記物理系の遷移エネルギーと共鳴する光共振器モードを持つ光共振器を形成可能な第2の反射鏡と、
前記音響光学素子により進行方向の変化した前記光子を収束する第3のレンズと、
前記第3のレンズにより収束された前記光子を検出する光検出器とを備えることを特徴とする量子情報処理装置。A plate-like or thin-film solid substance containing a physical system containing atoms, ions, or molecules, and having a first reflecting mirror formed on one side;
A first optical fiber comprising a first end on the solid material side and a second end;
A first lens provided facing the second end of the first optical fiber;
An acoustooptic device that is provided in the vicinity of the first lens and is capable of transmitting photons when no radio wave is applied and changing the traveling direction of the photons when a radio wave is applied;
A second lens provided in the vicinity of the acoustooptic element and capable of converging the photons transmitted through the acoustooptic element;
A second reflection capable of forming an optical resonator having an optical resonator mode that resonates with the transition energy of the physical system by reflecting photons converged by the second lens and resonating with the transition energy of the physical system. With a mirror,
A third lens for converging the photons whose traveling direction has been changed by the acoustooptic device;
A quantum information processing apparatus comprising: a photodetector that detects the photons converged by the third lens.
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