JP4870549B2 - 電磁誘導透過を用いる量子情報処理 - Google Patents
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Description
量子システムの開発に最近成功していること、およびその技術の期待される能力に起因して、ここ数年の間に量子情報処理への関心が劇的に高まっている。詳細には、実用的な量子暗号法が開発されており、もし大型(多数キュービット)の量子コンピュータを構築することができるなら、量子コンピュータは、古典的なコンピュータよりも、はるかに効率的に数多くのタスクを実行することができるであろう。たとえば数十または数百キュービット(量子ビット)を有する量子プロセッサがあれば、いかなる古典的なマシンでも達成することができない量子シミュレーションを実行することができるであろう。また、そのような量子プロセッサは、量子通信の実用的な距離および適用性を広げる可能性もある。
だけエネルギーが異なる。ただし、
は換算プランク定数である(以下では、表記の都合上、この定数を式中を除きhと記載する)。進行波内の各光子のエネルギー(h・ωa)は、式1に示されるように、原子110の2つのエネルギー準位間のエネルギー差から離調することができる。ただし、離調パラメータvaは角周波数ωaに比べて小さい。
Gray他著「Nonequilibrium Phase Behavior During the Random Sequential Adsorption of Tethered Hard Disks」(Phys. Rev. Lett., 85, 4430-4433) Gray他著「Microstructure Formation and Kinetics in the Random Sequential Adsorption of Polydisperse Tethered Nanoparticles Modeled as Hard Disks」(2001 Langmuir, 17, 2317-2328) D. J. Cram著「Molecular Container Compounds」(Nature 356(6364), 29-36 March 5, 1992) A. Yariv著「Optical Electronics in Modern Communications」5th ed.(Oxford, 1997) E. Knill、R. LaflammeおよびG. J. Milburn著、Nature 409, 46(2001)
本発明の一態様によれば、光子と、4つの利用可能な量子状態を有する原子または物質系との相互作用が、フォトニックキュービットにおいて無視し得る吸収係数および調整可能な位相シフトを与えることができる。原子の利用可能なエネルギー準位のうちの2つが、フォトニックキュービットとの相互作用機構を提供し、フォトニックキュービットに関連付けられた光子のエネルギーからわずかに離調したエネルギー差を有する。第3の利用可能なエネルギー準位は第2のエネルギー準位の下にあり、第4のエネルギー準位は第3のエネルギー準位の上にある。物質に印加された制御場が物質とフォトニックキュービット状態との間に量子干渉を引き起こし、物質系と相互作用する選択されたフォトニックキュービット状態の位相シフトを制御する。これまでは理解されていなかったことであるが、第4のエネルギー準位からの原子の遷移によって生じる自然放出は抑圧されるべきであり、それにより、比較的小さな離調定数が保持され、かつフォトニックキュービットの成分に大きな位相シフトを与える概ね透過性の4準位物質系が達成される。
フォトニックプローブパルスの位相および強度の正確な確定的制御は、プローブパルスおよび一対の制御場と相互作用する4準位物質系を用いて達成することができる。図3Aは、角周波数ωa、ωbおよびωcを有する光子のエネルギーに対する、4準位系のエネルギー状態|1>、|2>、|3>および|4>のエネルギー準位を示す。角周波数ωaの光子は原子のエネルギー準位|1>をエネルギー準位|2>に結合する。角周波数ωbおよびωcの光子は、準安定エネルギー準位|3>をそれぞれエネルギー準位|2>およびエネルギー準位|4>に結合する。離調パラメータva、vbおよびvcはそれぞれ、式3に示されるような物質系のエネルギー準位遷移の共鳴からの角周波数ωa、ωbおよびωcの離調の量を示す。式3では、状態|1>と|2>との間のエネルギー差、状態|3>と|2>との間のエネルギー差および状態|3>と|4>との間のエネルギー差はそれぞれhω12、hω32およびhω34である。
およびaは周波数ωaの光子のための生成および消滅演算子である。式5の単位位相シフト演算子Φ(φ)は、状態|Ψ>を式6に示されるような状態|Ψ’>に変換する。各フォック状態光子は、状態|1,0>と|1,na>との間の全ての累積された相対位相シフトnaφに等しく寄与することに留意されたい。
は式18を満たす。位相シフトθは状態|QC1>|QT1>においてのみ生じる。なぜなら、状態|QC1>|QT1>だけが、4準位物質系810が位相シフトを引き起こすことができるようにする両方の角周波数ωaおよびωcの光子を与えるためである。位相シフトθがπに等しい特別な場合には、この2キュービットゲートは位相ゲートと呼ばれ、制御式NOT(CNOT)ゲートと(ローカルユニタリ変換まで)同等であり、そのゲートは量子情報処理において用いられる基本ゲートのうちの1つである。
Claims (9)
- 量子ゲートであって、
第1、第2、第3、及び第4のエネルギー準位を有する物質系と、
前記第1のエネルギー準位と前記第2のエネルギー準位を結合する第1の周波数を有する第1の入力電磁信号を受けて、該第1の入力電磁信号を前記物質系と相互作用させるために該第1の入力電磁信号を誘導するように配置された導波管と、
前記物質系の前記第4のエネルギー準位から前記第1のエネルギー準位への自然放出と前記第4のエネルギー準位から前記第3のエネルギー準位への自然放出を抑圧するための抑圧手段と、
前記第3のエネルギー準位と前記第2のエネルギー準位を結合する第2の周波数と、前記第3のエネルギー準位と前記第4のエネルギー準位を結合する第3の周波数を有する電磁制御場を前記物質系に印加するための電磁制御場発生源
を備え、
前記物質系は、前記第1の入力電磁信号と相互作用して、前記第1の入力電磁信号の状態に対して量子コヒーレント動作を行うように配置され、
前記抑圧手段は前記物質系が埋め込まれたフォトニックバンドギャップ結晶から構成されて、該フォトニックバンドギャップ結晶は前記導波管の上に設けられ、
前記フォトニックバンドギャップ結晶は欠陥を有し、該欠陥は前記電磁制御場が該欠陥を介して前記物質系に入射するように配置され、
前記4つのエネルギー準位のうち、前記第1のエネルギー準位が最も低く、前記第3のエネルギー準位は、前記第2のエネルギー準位及び前記第4のエネルギー準位よりも低いことからなる、量子ゲート。 - 第2の入力電磁信号を受けて該第2の入力電磁信号と前記物質系とを相互作用させるようにさらに構成されて2キュービットゲートとして機能する請求項1の量子ゲートであって、
前記第1の入力電磁信号が第1のフォトニックキュービットを表し、
前記第2の入力電磁信号が第2のフォトニックキュービットを表し、
前記第2の入力電磁信号は、前記第3のエネルギー準位と前記第2のエネルギー準位を結合する前記第2の周波数または、前記第3のエネルギー準位と前記第4のエネルギー準位を結合する前記第3の周波数を有し、前記電磁制御場は、前記第2の入力電磁信号が前記第2の周波数を有するときは前記第3の周波数のみを有し、前記第2の入力電磁信号が前記第3の周波数を有するときは前記第2の周波数のみを有し、前記物質系は、前記第2の入力電磁信号と相互作用して、前記第2の入力電磁信号の状態に対して量子コヒーレント動作を行うように配置されることからなる、請求項1の量子ゲート。 - 前記第1の入力電磁信号が1つのキュービットであり、該キュービットに対して量子コヒーレント動作を行う請求項1の量子ゲート。
- 前記電磁制御場の前記第2の周波数及び前記第3の周波数を調整することによって、前記キュービットの成分状態の位相が調整される、請求項3の量子ゲート。
- 量子ゲートであって、
第1、第2、第3、及び第4のエネルギー準位を有する物質系と、
前記第1のエネルギー準位と前記第2のエネルギー準位を結合する第1の周波数を有する第1の入力電磁信号を受けて、該第1の入力電磁信号を前記物質系と相互作用させるために該第1の入力電磁信号を誘導するように配置された導波管と、
前記第3のエネルギー準位と前記第2のエネルギー準位を結合する第2の周波数と、前記第3のエネルギー準位と前記第4のエネルギー準位を結合する第3の周波数を有する電磁制御場を前記物質系に印加するための電磁制御場発生源
を備え、
前記物質系は、前記第1の入力電磁信号と相互作用して、前記第1の入力電磁信号の状態に対して量子コヒーレント動作を行うように配置され、
前記第4のエネルギー準位は、該第4のエネルギー準位から他のエネルギー準位への自然放出が生じないように準安定状態とされ、
前記4つのエネルギー準位のうち、前記第1のエネルギー準位が最も低く、前記第3のエネルギー準位は、前記第2のエネルギー準位及び前記第4のエネルギー準位よりも低いことからなる、量子ゲート。 - 量子情報処理方法であって、
第1、第2、第3、及び第4のエネルギー準位を有する物質系の前記第1のエネルギー準位と前記第2のエネルギー準位を結合する第1の周波数を有する第1の入力電磁信号を受けて、該第1の入力電磁信号を前記物質系と相互作用させるために該第1の入力電磁信号を誘導するステップと、
前記第4のエネルギー準位から前記第1のエネルギー準位への自然放出と前記第4のエネルギー準位から前記第3のエネルギー準位への自然放出を抑圧するステップと、
前記第3のエネルギー準位と前記第2のエネルギー準位を結合する第2の周波数と、前記第3のエネルギー準位と前記第4のエネルギー準位を結合する第3の周波数を有する電磁制御場を前記物質系に印加するステップ
を含み、
前記物質系は、前記第1の入力電磁信号と相互作用して、前記第1の入力電磁信号の状態に対して量子コヒーレント動作を行うように配置され、
前記4つのエネルギー準位のうち、前記第1のエネルギー準位が最も低く、前記第3のエネルギー準位は、前記第2のエネルギー準位及び前記第4のエネルギー準位よりも低いことからなる、方法。 - 前記第1の入力電磁信号が1つのキュービットであり、該キュービットに対して量子コヒーレント動作を行うことからなる、請求項6の方法。
- 前記電磁制御場の前記第2の周波数及び前記第3の周波数を調整することによって、前記キュービットの成分状態の位相が調整される、請求項7の方法。
- 前記抑圧するステップが、フォトニックバンドギャップ結晶で前記物質系を包囲するステップ、または、前記第4のエネルギー準位が、該エネルギー準位からの単一光子の自然放出を生じない準安定状態になるように前記物質系を選択するステップを含む、請求項6の方法。
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