JP5079173B1 - ハイブリッド超伝導体−光量子中継器、これを用いる方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッド超伝導体−光量子中継器を提供する。
【解決手段】ハイブリッド超伝導体−光量子中継器は、光チャネルを介して光信号を受信するように構成された光サブシステムと、光サブシステムに結合された超伝導体サブシステムと、を含む。光サブシステムおよび超伝導体サブシステムは、マイクロ波送信媒体を介して相互に結合されている。光サブシステムは、光チャネルを介して光信号を受信し、光信号の光子をマイクロ波出力信号のマイクロ波光子にダウンコンバートするように構成されており、マイクロ波出力信号がマイクロ波送信媒体を介して超伝導体サブシステムに出力される。超伝導体サブシステムは、マイクロ波光子の量子状態を記憶し、マイクロ波光子を超伝導体サブシステムから出力チャネルに沿って送信する。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に改良されたデータ処理装置及び方法に関し、更に具体的には、ハイブリッド超伝導体−光量子中継器機構、かかるハイブリッド超伝導体−光量子中継器機構を用いた装置／システム、及び、かかるハイブリッド超伝導体−光量子中継器機構を実施し用いるための方法に関する。

量子コンピュータは、原子より小さいレベルでの粒子の挙動に基づいて計算を実行するコンピューティング・デバイスである。量子コンピュータを用いる場合、データ単位すなわち量子ビットまたは「キュービット（qubit）」は、一度に２つ以上の状態で存在することができるので、量子コンピュータは、全てが同一の粒子セットに関連付けられているとしても相互に無関係に存在する多数の「思考経路」を有することができる。このように量子コンピュータは、既知の非量子コンピューティング・システムに比べ、潜在的に百万命令／秒（ＭＩＰＳ）を達成する可能性がある。

キュービットは、従来のコンピュータのものと同様の２進数またはビットであるが、これは同時にいくつかの値を有することができる。本質的に、キュービットは多数の次元を有する粒子として考えることができ、その各々が、例えば論理１状態または論理０状態のようなハイ状態またはロー状態を有することができる。従って、２つのキュービットは４つの同時かつ独立した状態（００、０１、１０、および１１）を有することができる。

分散型量子コンピューティング環境においては、遠隔位置間でキュービット・データを転送する能力は重要な要素である。かかる分散型システムを用いる場合、光伝達ファイバ又は他の媒体によって光子を送信することで、１つの量子コンピュータから別の量子コンピュータへと量子情報を伝達することができる。しかしながら、かかる送信では一般に信号損失およびコヒーレンス消失が生じる。例えば、Munro等の「Quantum Repeater」、国際特許出願公開ＷＯ２００７／０２１９４５Ａ２号（２００６年８月１１日出願）に記載されているように、光信号は、典型的な光ファイバにより１０ｋｍ送信された場合に１．９ｄＢの損失を受けるので、単一の光子は５０％の損失確率を有し得る。繰り返しまたは冗長量子状態に対する損失およびデコヒーレンスの影響によって、ノイズの多いエンタングル（entangled）状態が生じる恐れがあり、これは限られた距離では量子情報を信頼性高く伝達し得るが、長距離にわたる送信では概して量子中継器が必要となる。

量子中継器は、充分に理解されているデバイスであり（Duan等の「Long-Distance QuantumCommunication with Atomic Ensembles and Linear Optics」、Nature 414、413〜418（２００１年）を参照）、ノイズの多いチャネルで送信されているキュービット（光子の形態であると理解される）を、エラー訂正によって元の送信量子状態に概ね復元することができる。中継器は通常、光子を別の物質ベースの形態に変換することでそれらを停止させることによってこれを可能とすることが想定されており（Pellizzari等の「Decoherence Continuous Observation, andQuantum Computing: A Cavity QED Model」、Phys. Rev.Lett. 75、3788（１９９５年）を参照）、量子メモリ（この実験的な提案ではトラップされたイオンを伴う（Moehring等「Entanglementof Single-Atom Quantum Bits at a Distance」、Nature 449、68〜71（２００７年９月６日）を参照））、または半導体量子ドットを構成する（van Loock等、「Hybrid Quantum Repeater Using Bright CoherentLight」、Phys. Rev. Lett. 96、240501（２００６年））。

これらのキュービットは、メモリ内にある間に、様々な既知の種類の量子パリティ・チェックを行うように機能するいくつかの量子論理動作が行われて、エラーの発生を検出し訂正することができる。これらの訂正ステップの後、復元された量子状態は再び実施形態の変換を受け、量子情報は別のチャネル上を進む。入射チャネルまたは出射チャネルのいずれかはテレポーテーションチャネルとすることができる。つまり、光子は、ベルタイプの量子測定の適用によって伝達される量子情報のものとは逆の方向に進み、この後で従来の情報を順方向に送信される。

量子中継器は、量子情報処理システムにおける重要な要素である。その想定される用途は、（１）これを用いて、セキュアな量子暗号が動作することができる距離を延ばし、鍵発生率を上昇させることができる。（２）これは、秘密共有、量子データ秘匿、量子アンロック、および量子デジタル署名を含む他の暗号タスクのために信頼性の高い長距離量子通信を提供することができる。（３）これは、遠隔メモリ割り当て（サンプリング複雑）および遠隔アポイントメント・スケジューリングを含む、量子送信によって効率的に実行可能な他の長距離通信タスクを可能とする。（４）量子中継器を用いてあらゆる形態の量子演算を分散させることができるので、例えば、１０^９のエンタングルしたキュービットを必要とする素因数分解問題は、各々が約１０５^５キュービットを含む小さいプロセッサのネットワークを相互接続することによって達成可能である。

国際特許出願公開ＷＯ２００７／０２１９４５Ａ２号

Duan等の「Long-Distance Quantum Communication withAtomic Ensembles and Linear Optics」、Nature 414、413~418（２００１年） Pellizzari等の「DecoherenceContinuous Observation, and Quantum Computing: A Cavity QED Model」、Phys. Rev. Lett. 75、3788（１９９５年） Moehring等「Entanglement of Single-Atom Quantum Bits at aDistance」、Nature 449、68〜71（２００７年９月６日） vanLoock等、「Hybrid Quantum Repeater UsingBright Coherent Light」、Phys. Rev. Lett. 96、240501（２００６年） Sangouard等の「Robust and Efficient Quantum Repeaters withAtomic Ensembles and Linear Optics、http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0802/1475v1.pdf Majer等、「Coupling Superconducting Qubits via a CavityBus」、Nature 449、443〜447（２００７年９月２７日） D.P. DiVincenzo、「The Physical Implementation ofQuantum Computation」、Fortschritte der Physik 48、771〜784（２０００年）、arxiv/org: quant-ph/0002077 C.K. Hong、Z. Y. Ou、およびL. Mandelの「Measurementof Sub-Picosecond Time Intervals Between Two Photons by Interference」、Phys. Rev. Lett. 59、2044〜2046（１９８７年）

量子中継器の製作を意図したほとんどの以前の研究は、光学的にも操作される静止キュービットを用いたシステムに焦点を当てている。初期の理論的な研究（Pellizzari等に記載されている）は、送信された光子を光共振器内に入れて、トラップされたイオンまたは原子と相互作用させることを想定した。以降の研究では、これを拡大して、トラップされた原子クラウド（Sangouard等の「Robust and Efficient Quantum Repeaters withAtomic Ensembles and Linear Optics」を参照、http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0802/1475v1.pdfで利用可能）、ならびに光学的にアドレス指定した量子ドット（van Loock等を参照）を含む。この研究では、超伝導キュービットの使用は考えられていない。超伝導キュービットの分野では、ＧＨｚ周波数範囲における光量子への相互変換が考えられている（Majer等、「Coupling Superconducting Qubits via a CavityBus」、Nature 449、443〜447（２００７年９月２７日を参照）。しかしながら、これらの研究はどれも、赤外または可視光周波数への相互変換を用いた超伝導キュービットは考えられていない。

１つの例示的な実施形態において、ハイブリッド超伝導体−光量子中継器が提供される。このハイブリッド超伝導体−光量子中継器は、光チャネルを介して光信号を受信するように構成された光サブシステムと、光サブシステムに結合された超伝導体サブシステムと、を含む。光サブシステムおよび超伝導体サブシステムは、マイクロ波送信媒体を介して相互に結合されている。光サブシステムは、光チャネルを介して光信号を受信し、光信号の光子をマイクロ波出力信号のマイクロ波光子にダウンコンバートするように構成されており、マイクロ波出力信号がマイクロ波送信媒体を介して超伝導体サブシステムに出力される。超伝導体サブシステムは、マイクロ波光子の量子状態を記憶し、マイクロ波光子を超伝導体サブシステムから出力チャネルに沿って送信する。

別の例示的な実施形態においては、ハイブリッド超伝導体−光量子中継器において、量子コンピュータ・サブシステム間でキュービットを送信するための方法を提供する。この方法は、第１の量子コンピュータ・サブシステムから、ハイブリッド超伝導体−光量子中継器の光サブシステムにおいて光入力信号を受信することを含む。この方法は更に、光入力信号をマイクロ波信号にダウンコンバートし、これによって光入力信号の光波長光子をマイクロ波信号のマイクロ波波長光子にマッピングすることを含む。更に、この方法は、マイクロ波信号をハイブリッド超伝導体−光量子中継器の超伝導体サブシステムに入力することを含む。更に、この方法は、超伝導体サブシステムにマイクロ波波長光子の量子状態を記憶することを含む。加えて、この方法は、マイクロ波波長光子を超伝導体サブシステムから出力チャネルに沿って送信することを含む。

更に別の例示的な実施形態においては、量子コンピュータ・サブシステムと、この量子コンピュータ・サブシステムに結合されたハイブリッド超伝導体−光量子中継器と、このハイブリッド超伝導体−光量子中継器に結合された干渉計サブシステムと、を含むシステムを提供する。ハイブリッド超伝導体−光量子中継器は、光チャネルを介して光信号を受信するように構成された光サブシステムと、光サブシステムに結合された超伝導体サブシステムと、を含む。光サブシステムおよび超伝導体サブシステムは、マイクロ波送信媒体を介して相互に結合されている。光サブシステムは、光チャネルを介して光信号を受信し、光信号の光子をマイクロ波出力信号のマイクロ波光子にダウンコンバートするように構成されており、マイクロ波出力信号がマイクロ波送信媒体を介して超伝導体サブシステムに出力される。超伝導体サブシステムは、マイクロ波光子の量子状態を記憶し、マイクロ波光子を超伝導体サブシステムから出力チャネルに沿って送信する。

本発明のこれらおよび他の特徴および利点については、本発明の例示的な実施形態の以下の詳細な説明において記載され、これを考慮すれば当業者には明らかであろう。

本発明は、その好適な使用モードならびに更に別の目的および利点と共に、添付図面と関連付けて例示的な実施形態の以下の詳細な説明を参照することによって、最良に理解されよう。

例示的な実施形態のハイブリッド超伝導体−光量子中継器機構を用いた量子コンピューティング・システムの一例の図である。 １つの例示的な実施形態に従った、ハイブリッド超伝導体−光量子中継器機構の一例のブロック図である。 １つの例示的な実施形態に従った、追加の詳細を示すハイブリッド超伝導体−光量子中継器の別のブロック図である。 １つの例示的な実施形態に従った、時間反転動作モードで動作する場合のハイブリッド超伝導体−光量子中継器の一例の動作の概要を示すフローチャートである。 １つの例示的な実施形態に従った、直接動作モードで動作する場合のハイブリッド超伝導体−光量子中継器の一例の動作の概要を示すフローチャートである。

例示的な実施形態は、ハイブリッド超伝導体−光量子中継器を提供するための機構を提供する。例示的な実施形態のハイブリッド超伝導体−光量子中継器は、長距離離れたステーションすなわち超伝導コンピューティング・システムにおいて量子状態のエンタングルメントを生成するように動作する。更に、例示的な実施形態のハイブリッド超伝導体−光量子中継器は、超伝導キュービット（または光子）に赤外または可視光周波数への変換およびその逆を行うように動作することができる。従って、Munro等の国際特許出願公開ＷＯ２００７／０２１９４５Ａ２号に記載されたもの等の量子中継器は一般的に当技術分野において既知であるが、本明細書に記載するような、光キュービットおよび超伝導キュービット（または光子）の相互変換を実行するハイブリッド超伝導体−光量子中継器は現在、既知でない。

図１は、例示的な実施形態のハイブリッド超伝導体−光量子中継器機構を用いた分散型量子コンピューティング・システムまたは量子通信システムの例示的な図である。図１に示すように、分散型量子コンピューティング・システムは、複数の量子コンピュータ・サブシステム１１０および１５０を含む。量子コンピュータ・サブシステム１１０および１５０は超伝導デバイスの回路を含む超伝導構造である。超伝導デバイスのこれらの回路はジョセフソン接合を含み、これは受信した光子キュービットを回路内に移動させ、これを他のジョセフソン接合キュービットとエンタングルさせ、量子アルゴリズムを実行し、これらのキュービットに対する量子測定を実行し、これらの測定の結果を用いてこのサブシステムまたは他の遠隔サブシステムにおける以降の量子動作に影響を生じることができる。量子コンピュータ・サブシステム１１０および１５０の１つ以上として使用可能な、かかる量子コンピュータ・サブシステムの一例が、D. P. DiVincenzo、「The Physical Implementation of QuantumComputation」、Fortschritte der Physik 48、771〜784（２０００年）に記載されている。これはarxiv/org: quant-ph/0002077において利用可能であり、引用により本願にも含まれるものとする。

量子コンピュータ・サブシステム１１０および１５０の間に、干渉計サブシステム１３０によって分離された１対のハイブリッド超伝導体−光量子中継器１２０および１４０が設けられている。量子コンピューティング・サブシステム１１０および１５０の間には、ハイブリッド超伝導体−光量子中継器１２０および１４０ならびに干渉計サブシステム１３０を介して双方向通信チャネルが生成されている。各ハイブリッド超伝導体−光量子中継器１２０は、直接に、または干渉計サブシステム１３０および別のハイブリッド超伝導体−光量子中継器１４０を介して間接的に、上流および下流の量子コンピュータ・サブシステムの双方に結合されている。ハイブリッド超伝導体−光量子中継器１２０および１４０の詳細については後に述べる。干渉計サブシステム１３０は光信号で動作し、２つの異なるハイブリッド超伝導体−光量子中継器によって発生した２つの光子のエンタングルメントの生成を可能とする。干渉計サブシステム１３０は更に、光子測定を行う。これは量子コンピュータ・サブシステム１１０および１５０に送信され、それらによって用いられて、正しいエンタングルメントが生成されたか否か、またはキュービット符号化光子の再送信が必要であるか否かが判定される。

ハイブリッド超伝導体−光量子中継器１２０および１４０は各々、２つのサブシステム、すなわち光サブシステム１２２、１４２および超伝導サブシステム１２４、１４４を有する。１つのフロー方向において、光サブシステム１２２、１４２は、キュービット符号化光子を有する光入力信号を受信し、これらの光入力信号光子（光学光子）をマイクロ波波長信号光子（マイクロ波光子）にダウンコンバートして、これらが超伝導サブシステム１２２、１４４に入力される。超伝導サブシステム１２４、１４４では、光子上で符号化されたキュービットをキュービット記憶デバイスに記憶する。超伝導サブシステム１２４、１４４は、キュービット記憶デバイスと送信媒体との容量性結合によって、記憶したキュービットでマイクロ波光子を符号化し、このマイクロ波光子を量子コンピュータ・サブシステムに伝播させるために出力する。

第２のフロー方向では、超伝導サブシステム１２４、１４４は、キュービットで符号化したマイクロ波光子を受信する。キュービットをキュービット記憶デバイスに記憶し、これを用いて出力マイクロ波光子を発生し、これがマイクロ波信号を介して光サブシステム１２２、１４２に送信される。次いで、光サブシステム１２２、１４２は、マイクロ波光子を光学光子にアップコンバートし、この光学光子を、例えば光学干渉計１３０のような、量子通信チャネル上の次のステーションに出力する。光学干渉計１３０は、上流および下流の双方のステーションから、すなわちハイブリッド超伝導体−光量子中継器１２０および１４０から光子を受信しており、これらの光子が結合されてエンタングルした光子対を発生することは認められよう。ビーム・スプリッタの対向側で同一周波数の２つの光子が同時に到着すれば、それらをエンタングルさせるのに充分である。これはHong-Ou-Mandel（ホン−オウ−マンデル）干渉測定と呼ばれ、C. K. Hong、Z. Y. Ou、およびL.Mandelの「Measurement of Sub-Picosecond TimeIntervals Between Two Photons by Interference」、Phys. Rev.Lett. 59、2044〜2046（１９８７年）に記載されている。量子コンピュータ１１０によって発生させた各エンタングル光子対の半分を第１のフロー方向で（ハイブリッド超伝導体−光量子中継器１４０へ向けて）送信し、エンタングル光子対の他の半分を第２のフロー方向（ハイブリッド超伝導体−光量子中継器１２０へ向けて）で送信する。

光学干渉計１３０は、国際特許出願公開ＷＯ２００７／０２１９４５Ａ２号の図５Ｂの測定ステーション５７０のものと同様に動作して、適切な光学光子のエンタングルメントが生じたか否かを判定することができる。適切な光学光子のエンタングルメントが生じていない場合は、この情報がハイブリッド超伝導体に戻され、次いでこれが光学光子上で符号化されたキュービットを再送信することができる。他の場合は、エンタングルメントの成功を伝達することができ、再送信は行われない。

従って、再び図１を見ると、動作のいわゆる「時間反転」モードの間に、量子通信チャネルに沿った各量子コンピュータ・サブシステム１１０および１５０は、量子ゲート又は制御ＮＯＴ（ＣＮＯＴ：controlled NOT）（これは量子コンピューティングにおける従来のブール論理ゲートである）の使用等によって、１対のエンタングルしたキュービットを発生する。これらの量子コンピューティング・サブシステム１１０および１５０は、これらのキュービットをマイクロ波光子として超伝導共振器内に配置し、この共振器がキュービット状態をキュービット記憶デバイスに記憶する。この時点で、単純なエラー・チェックを行って共振器内の光子の存在を確認する際の短い遅延が生じる場合がある。あるいは、これらの光子は次のステップに直接供給することも可能である。量子コンピュータ・サブシステム１１０、１５０は各々、上流および下流の双方のハイブリッド超伝導体−光量子中継器にリンクされている。例えば、量子コンピュータ・サブシステム１１０は上流のハイブリッド超伝導体−光量子中継器１６０および下流のハイブリッド超伝導体−光量子中継器１２０に接続されており、量子コンピュータ・サブシステム１５０は上流のハイブリッド超伝導体−光量子中継器１４０および下流のハイブリッド超伝導体−光量子中継器１７０に接続されている。この量子中継器および量子コンピュータ・サブシステムのチェーンにおいて、単一の上流または下流のハイブリッド超伝導体−光量子中継器にのみ接続されたソース量子コンピュータ・サブシステムおよび終端量子コンピュータ・サブシステムがあり得ることに留意すべきである。

量子コンピュータ・サブシステム１１０、１５０は、エンタングル対を発生させ、これらの半分をマイクロ波光子として双方のハイブリッド超伝導体−光量子中継器に同時に送信する。例えば、量子コンピューティング・システム１１０はエンタングル対の各半分をハイブリッド超伝導体−光量子中継器１６０および１２０に送信する。マイクロ波光子は、例えばハイブリッド超伝導体−光量子中継器１２０の超伝導体サブシステム１２４のような、ハイブリッド超伝導体−光量子中継器の超伝導体サブシステムにおいて受信される。光子のキュービット状態は、ハイブリッド超伝導体−光量子中継器の超伝導共振器のキュービット記憶デバイスに記憶され、その後でハイブリッド超伝導体−光量子中継器の光サブシステムに送信される。

次の動作においては、エンタングル対の各半分の１つのみに焦点を当てると（この動作は量子通信チャネルを含むコンポーネントのチェーンに沿って同時に行われる）、超伝導体サブシステムの超伝導共振器は、同軸ケーブル等のマイクロ波送信媒体に沿って、例えばハイブリッド超伝導体−光量子中継器１２０の光サブシステム１２２のような光サブシステムにマイクロ波信号を出力する。光サブシステム１２２は、マイクロ波信号を、「局部発振器」赤外信号（これは１つの例示的な実施形態において量子通信チャネル上の全てのポイントで利用可能な比較的強い基準レーザ・ビームである）と混合し、これによってマイクロ波光子を赤外波長光子にアップコンバートする。次いで、赤外波長光子を、干渉計サブシステム１３０等の干渉計サブシステムに送信する。

干渉計サブシステム１３０では、２つの赤外光子（１つは上流のハイブリッド超伝導体−光量子中継器からであり、１つは下流のハイブリッド超伝導体−光量子中継器からである）が、干渉計サブシステム１３０のミラーにおいて同時に出会う。２つの光子の測定によって、これすなわちミラーで同時に出会うことが行われたと確認された場合は、上流および下流の量子コンピューティング・デバイスのキュービット記憶デバイスに残ったキュービット間でのエンタングルメントの発生は成功している。失敗が検出された場合には動作全体を繰り返す。これらの基本動作を更に繰り返すと、量子コンピュータ・メモリにエンタングル・キュービットが供給され、これは、エンタングル量子ビットがチェーン内の第１および最後の量子コンピューティング・デバイスまたはサブシステム間に存在するまで、エンタングルメント純化およびエンタングルメント・スワッピングを用いて更に処理される。このリソースによって、量子暗号、量子秘密共有、およびセキュアな遠隔量子計算等の適用が可能となる。

第２の動作モード、いわゆる「直接」動作モードにおいては、上述した一連の動作を逆の順序で実行する。この場合、ハイブリッド超伝導体−光量子中継器に対する入力は、符号化光子を有する光信号を受信し、入射光信号の波長をマイクロ波波長にダウンコンバートする。すなわち、ハイブリッド超伝導体−光量子中継器の光サブシステム１２２は、赤外光子を有する赤外信号等の光信号を受信し、これを分離させて（demix）、光信号を例えば赤外波長のような可視光波長からマイクロ波波長信号およびマイクロ波光子にダウンコンバートする。このマイクロ波光子を、同軸ケーブル等のマイクロ波送信媒体を介して、ハイブリッド超伝導体−光量子中継器の超伝導体サブシステム１２４に送信し、次いで超伝導体サブシステム１２４のキュービット記憶デバイスにマイクロ波光子のキュービット状態を記憶する。次いで、例えば量子コンピュータ・サブシステム１１０等、量子通信チャネルに沿った次のステーションに、マイクロ波信号およびマイクロ波光子を出力する。

１つの例示的な実施形態において、光信号は、光子またはキュービットを含む約２００テラヘルツの電気通信周波数を有し、第２のものは約６ギガヘルツのマイクロ波帯域の波長を有する。光信号は、例示的な実施形態のハイブリッド超伝導体−光量子中継器の光サブシステム１２２に入力され、これは、元の２００テラヘルツ信号の光子／キュービットの状態／属性をマイクロ波帯域波長信号の光子にマッピングする混合領域を有する。光子／キュービットの状態／属性がマッピングされたマイクロ波帯域波長信号は、超伝導体サブシステム１２４に送信され、これは入力されたマイクロ波帯域波長信号の周波数の電気的振動に対応して、光子／キュービットの状態／属性をキュービット記憶デバイスに記憶するようになっている。すなわち、超伝導体サブシステムが、マイクロ波波長信号光子にマッピングされたキュービットのための量子状態情報を維持する。例えば、キュービット記憶デバイスは、高品質ファクタ送信ライン共振器における電気エネルギとして、マイクロ波帯域波長信号のマイクロ波光子を保持する。

従って、例示的な実施形態のハイブリッド超伝導体−光量子中継器は、単一量子光パルスにおいて、入射した放射量子を光周波数範囲すなわち赤外周波数からマイクロ波周波数範囲へ、またはその逆に変換するように動作する。更に、ハイブリッド超伝導体−光量子中継器は、赤外周波数範囲からマイクロ波周波数範囲へダウンシフトされた光サブシステムから取得した量子情報を記憶する超伝導サブシステム内に光システムが供給を行うという点で超伝導である。逆の動作では、ハイブリッド超伝導体は、超伝導サブシステムから取得した量子情報をマイクロ波周波数から赤外周波数範囲へアップシフトする。ハイブリッド超伝導体−光量子中継器は、ソース量子コンピュータ・サブシステムから宛先量子コンピュータ・サブシステムまでの量子通信チャネルで、次のステーションへの出力に沿って量子情報を途切れさせないように動作することができる。

図２は、１つの例示的な実施形態に従ったハイブリッド超伝導体−光量子中継器の一例のブロック図である。例示的な実施形態のハイブリッド超伝導体−光量子中継器２００では、２つのサブシステム２１０および２５０が設けられている。第１に、光サブシステム２００が設けられており、これは光波長の入力信号に対して動作して、これらの光波長入力信号をマイクロ波波長信号にダウンコンバートすると共に、入力マイクロ波波長信号に対して動作して、これらの信号を光波長出力信号にアップコンバートする。１つの例示的な実施形態では、光サブシステム２１０は赤外周波数で動作する。

光サブシステム２１０は一体型ナノワイヤ導波路２１２を含み、これは、外部世界すなわち上流の量子コンピュータ・サブシステムから、別のハイブリッド超伝導体−光量子中継器、干渉計サブシステム等を介して、光ファイバ等の送信媒体２１４を介して送信された２００テラヘルツ波長範囲における赤外信号等の電気通信波長赤外光を結合するためのものである。この導波路２１２上にアンテナ・アーム構造２１６が配置され、これは赤外周波数電界をナノスケール・トンネル接合２１８に供給する。このトンネル接合２１８は非線形の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を有する。現在の実施では、この非線形により、以下の法則に従って、１つの例示的な実施形態における約１．６μｍ波長（約２００ＴＨｚ周波数）の光パワーをＤＣ電流源に変換することができる。

ここでＩは電流であり、ηは効率係数であり、ω＝０は電流源としての出力がＤＣであることを示し、ω_ｏｐｔは入射光信号についての周波数であり、Ｅはトンネル接合における電界である。有効電流源は１００オームのソース・インピーダンスによって達成されることが観察されている。効率係数ηは、量子限界すなわち原理上かかる光学システムにおいて発生可能な最大電流量の約６％であることが観察されている。すなわち、ηの値は、単位時間当たりの光エネルギの１つの光子が単位時間当たり０．０６電子の電流を生成するようになっている。モデル化により、この効率が量子限界の約５０％まで大きくなり得ることが示される。

図２に戻ると、第２に、光サブシステム２１０に超伝導サブシステム２５０が結合されている。１つの例示的な実施形態では、超伝導サブシステム２５０は、例えば１０ＧＨｚ未満のような約２〜３ＧＨｚの動作周波数の信号に対して動作する。例示的な実施形態により、従来技術から光動作モードを変更して、１つの光フィールドの代わりに２つを導入する。これらのフィールドの１つは、上流の赤外線システム（例えば干渉計）からの信号光子である。第２のフィールドは、共通の位置から同一の光ファイバ上で送信される「局部発振器」の強力レーザ・ビームである。信号光子および局部発振器の周波数は異なるので、これらの光フィールドの非線形相互作用により生成された電流源は有限周波数である。

１つの例示的な実施形態において、Δωは約６ＧＨｚであり、超伝導サブシステム２５０の特性周波数と一致する。ω_ｏｐｔにおける光フィールドは強力な基準発振器（局部発振器）として作用し、ω_ｏｐｔ＋Δωにおける光フィールドは弱いかまたは光子がほとんどないフィールドであり、通信チャネル２１４上で量子情報または暗号情報を伝達する。すなわち、非線形トンネル接合２１８においてダウンコンバージョンが行われた場合、赤外光子で伝達された量子情報は、マイクロ波光子により伝達される量子情報に変換される。このマイクロ波光子が、ボンディング・ワイヤ上でそこから超伝導体サブシステム２５０まで伝達する。

光サブシステム２１０は、超伝導ジョセフソン・キュービット記憶デバイスが取り付けられた超伝導送信ライン共振器２５２を含む近接電気接続により連結されている。超伝導送信ライン共振器２５２の周波数はΔωである。このため、連結されたサブシステム２１０および２５０の対の動作は、基準発振器ω_ｏｐｔのヘテロダイン動作により、周波数ω_ｏｐｔ＋Δωの光学光子を周波数Δωのマイクロ波共振器光子にマッピングする。マッピングの効率が量子の効率限界よりもはるかに低いことは許容できる。この例では、１の量子効率は、全ての信号赤外光子が正確に１つのマイクロ波光子を発生させることに相当する。光子マッピングが正確に行われない場合、別の量子コンピュータ・サブシステムによって直ちに光子の不在が検出される。光子の不在が他の量子コンピュータ・サブシステムによって示された場合、光子の送信を再試行することができる。

一例として、ハイブリッド超伝導体−光量子中継器の「直接」動作モードにおいて、すなわちハイブリッド超伝導体−光量子中継器に対する入力が光信号であり、これが上述の数式（２）で決定されるようにマイクロ波波長にダウンコンバートされる動作モードにおいて、従来の物理学の法則が機能する場合について最初に論じる。安定した信号Ｅ（ω_ｏｐｔ）が存在すると仮定する。次いで、ある時間間隔ΔＴの間、側波帯周波数ω_ｏｐｔ＋Δωにパワーが存在する。この時間間隔中、光サブシステム２１０は数式（２）におけるように電流源Ｉのように作用して、周波数Δωで超伝導サブシステム２５０を駆動する。Δωは超伝導送信ライン共振器２５２の共振周波数であると想定されるので、この超伝導送信ライン共振器２５２は、この励起によって「リング・アップ（rung up）」される。パルスが終了した後、共振器２５２は周波数Δωにおいてこのモードで一定のエネルギを有する状態のままである。光エネルギの有無によってビット状態０または１を示す従来の信号送信では、このビット状態は共振器のエネルギ状態に記憶され、更にエラー訂正プロトコルを行って従来の信号のための中継器機能が実行される。

ここで量子力学用語において述べると、電界Ｅ（ω_ｏｐｔ＋Δω）は量子演算子として扱わなければならない。この演算子の統計特性は、この周波数での赤外光の量子状態を示す。すなわち、これはある方法でスクイーズされている場合があり、またはこれは離散エネルギ・パケット（「光子」）から成る場合がある。従って電流源の動作は、量子力学的であり、超伝導サブシステム２５０の超伝導送信ライン共振器２５２を、赤外光の量子統計データを反映する方法で駆動する。従って、理想的な動作では、赤外ビームにおける単一の光子は超伝導送信ライン共振器２５２において単一の光子として堆積される。

第２の動作モード、すなわち「時間反転」動作モードにおいては、マイクロ波光子を出射赤外光子にマッピングする。量子コンピュータ・サブシステムの全体クロックにより決定される時刻で、マイクロ波光子はその量子コンピュータによってハイブリッド中継器の超伝導共振器上に配置され、これによって一時的に記憶される。この共振器の「リング・ダウン（ring down）」によって、この放射量子のマイクロ波周波数電界は非線形トンネル接合デバイス上で衝突する。非線形トンネル接合デバイスは、数式（２）と類似した以下の数式に従って、マイクロ波フィールドを局部発振器フィールドと混合する。

従って、アップコンバートされた赤外周波数ω_ｏｐｔ＋Δωで電流が生成される。この電流は量子力学演算子であり、元のマイクロ波放射量子の全ての量子統計データを反映している。電流は放射フィールドのソースである。このように生成された放射は、ハイブリッド中継器からチェーンの次のコンポーネント（すなわち干渉計システム）まで伝達する。２つのこれらの赤外線光子は、干渉計で同時に出会って、上流および下流の量子コンピュータ間でエンタングルメントの生成が起こる。

図３は、１つの例示的な実施形態による追加の詳細を示すハイブリッド超伝導体−光量子中継器の別のブロック図である。前述のように、更に図３に再び示すように、ハイブリッド超伝導体−光量子中継器３００は、光サブシステム３１０および超伝導体サブシステム３２０を含む。光サブシステム３１０は光通信チャネル３１２を有し、これは例えば光ファイバを含むことができ、混合領域３１４とも称されるアクティブ領域に結合されている。前述のように、混合領域３１４は、図２におけるナノワイヤ導波路２１２、アンテナ・アーム構造２１６、およびナノスケール・トンネル接合２１８を含むことができる。

混合領域３１４は、赤外波長信号等の光波長信号をマイクロ波波長信号にダウンコンバートするか、またはマイクロ波波長信号を光波長信号にアップコンバートするように動作する。例えば混合領域３１４は、光通信チャネル３１２を介して、２つの異なる波長を有する２つの重畳信号を有する光入力信号を受信することができる。第１の波長信号は、例えば２００テラヘルツに相当する赤外波長のような可視スペクトル範囲の波長を有する光信号とすることができる。第２の波長信号は、第１のものから６ギガヘルツだけシフトした別の赤外信号とすることができる。混合領域３１４は、第１の波長信号の光子を異なる波長信号の光子にマッピングし、第２の波長信号の光子を超伝導体サブシステム３２０に出力する。あるいは、混合領域３１４は、超伝導体サブシステム３２０からの入力マイクロ波光子を、例えばレーザ等の局部発振器ＩＲソース３１６によって供給可能であるもの等の赤外信号の光子上にマッピングし、この赤外信号を、光通信チャネル３１２を介して出力することができる。混合領域は低温に保持されるので、このシステムに入るのは少数の熱発生マイクロ波光子のみである。しかしながら、この領域の温度は、「混合チャンバ」温度、例えば約３０°ミリケルビン（ｍＫ）よりも高くすることができ、約４°ケルビン（Ｋ）の高さとすることも可能である。

マイクロ波信号は、光サブシステム３１０と超伝導体サブシステム３２０との間で、マイクロ波送信媒体３３０を介して送信される。１つの例示的な実施形態では、この媒体３３０は同軸ケーブル等の半剛性超小型バージョンＡ（ＳＭＡ）ケーブルである。マイクロ波送信媒体３３０は、混合領域３１４を、キュービット記憶デバイス３２４を有する超伝導共振器３２２に結合する。記憶デバイス３２４は、超伝導体サブシステム３２０内に延出するマイクロ波送信媒体３３２に容量性結合されている。マイクロ波送信媒体３３２は出力マイクロ波送信媒体３３４に結合し、媒体３３４はマイクロ波信号を量子コンピュータ・サブシステム等に出力することができる。超伝導体サブシステム３２０は、冷蔵プレートによってヘリウムの沸点未満すなわち４°ｋ未満の温度に保持される。または、希釈冷凍庫の混合チャンバにおいて達成される３０°ｍＫの温度が望ましい場合もある。これらの低動作温度は、物体が室温で放出するランダム放射の影響を低減させる。１つの例示的な実施形態では、超伝導体サブシステム３２０は約４°Ｋまたは３０°ｍＫに維持される。

図４は、１つの例示的な実施形態に従った、時間反転動作モードで動作する場合のハイブリッド超伝導体−光量子中継器の例示的な動作の概要を示すフローチャートである。図５は、１つの例示的な実施形態に従った、直接動作モードで動作する場合のハイブリッド超伝導体−光量子中継器の例示的な動作の概要を示すフローチャートである。図４および図５に示す動作は、量子通信チャネルの他の要素に属しておらず、上述の図１から図３のハイブリッド超伝導体−光量子中継器によって実行することができる。

図４に示すように、動作は最初に量子コンピュータ・サブシステムがエンタングル・キュービットを発生し（ステップ４１０）、このキュービットをマイクロ波光子として超伝導共振器内に配置して、この共振器がキュービット状態をキュービット記憶デバイスに記憶する（ステップ４１５）。単純なエラー・チェックを実行して共振器内の光子の存在を確認する（ステップ４２０）。あるいは、これらの光子は次のステップに直接供給することも可能である。量子コンピュータ・サブシステムは、これらのエンタングル・キュービットを、マイクロ波光子として、これに結合されたハイブリッド超伝導体−光量子中継器の双方に同時に送信する（ステップ４２５）。マイクロ波光子をハイブリッド超伝導体−光量子中継器の超伝導体サブシステムにおいて受信する（ステップ４３０）。ハイブリッド超伝導体−光量子中継器の光サブシステムに沿って送信する前に、ハイブリッド超伝導体−光量子中継器の超伝導共振器のキュービット記憶デバイスに、光子のキュービット状態を記憶する（ステップ４３５）。

超伝導体サブシステムの超伝導共振器は、マイクロ波送信媒体に沿ってハイブリッド超伝導体−光量子中継器の光サブシステムにマイクロ波信号を出力する（ステップ４４０）。光サブシステムは、マイクロ波信号を「局部発振器」赤外信号と混合することにより、マイクロ波光子を赤外波長光子にアップコンバートする（ステップ４４５）。次いで、赤外波長光子を干渉計サブシステムに送信する（ステップ４５０）。

干渉計サブシステムでは、２つの赤外光子（１つは上流のハイブリッド超伝導体−光量子中継器からであり、１つは下流のハイブリッド超伝導体−光量子中継器からである）が、干渉計サブシステムのミラーにおいて同時に出会う（ステップ４５５）。２つの光子の測定によって、これが行われたことが確認されると（ステップ４６０）、クビット間のエンタングルの発生は成功しており、干渉計サブシステムは、キュービットのエンタングルメントが成功していてキュービット再送信の必要がないことを示すメッセージを量子コンピューティング・サブシステムに戻す（ステップ４６５）。失敗が検出されると、干渉計サブシステムは、失敗を示すと共にキュービットの再送信のために動作の繰り返しを開始するメッセージを戻すことができる（ステップ４７０）。

ここで図５を参照すると、「直接」動作モードでは、ハイブリッド超伝導体−光量子中継器の光サブシステムは、光ファイバ等の光通信チャネルを介して、赤外光子を有する赤外信号等の光信号を受信する（ステップ５１０）。光サブシステムは、光信号を分離させて、光信号を可視光波長からマイクロ波波長信号にダウンコンバートし、これによって赤外光子をマイクロ波光子にマッピングする（ステップ５２０）。このマイクロ波光子を、マイクロ波送信媒体を介してハイブリッド超伝導体−光量子中継器の超伝導サブシステムに送信する（ステップ５３０）。超伝導体サブシステムは、その超伝導共振器のキュービット記憶デバイスにマイクロ波光子のキュービット状態を記憶する（ステップ５４０）。次いで、例えば量子コンピュータ・サブシステム等、量子通信チャネルに沿った次のステーションに、マイクロ波信号およびマイクロ波光子を出力する（ステップ５５０）。

本発明の記載は、図示および説明の目的で提示したものであり、網羅的であることも、開示した形態に本発明を限定することも意図していない。当業者には多くの変更および変形が明らかであろう。実施形態は、本発明の原理、実際的な適用を最良に説明するため、および、想定される実際的な用途に適した様々な変更と共に様々な実施形態について当業者が本発明を理解することを可能とするために、選択し記載したものである。

Claims (15)

1. 光チャネルを介して光信号を受信するように構成された光サブシステムと、
   前記光サブシステムに結合された超伝導体サブシステムであって、前記光サブシステムおよび前記超伝導体サブシステムがマイクロ波送信媒体を介して相互に結合されている、サブシステムと、
   を含み、前記光サブシステムが、前記光チャネルを介して光信号を受信し、前記光信号の光子をマイクロ波出力信号のマイクロ波光子にダウンコンバートするように構成されており、前記マイクロ波出力信号が前記マイクロ波送信媒体を介して前記超伝導体サブシステムに出力され、
   前記超伝導体サブシステムが前記マイクロ波光子の量子状態を記憶し、前記マイクロ波光子を前記超伝導体サブシステムから出力チャネルに沿って送信する、ハイブリッド超伝導体−光量子中継器。
2. 前記光信号が、赤外波長を有する第１の信号と、マイクロ波波長に対応する量だけ前記第１の信号からシフトした赤外波長を有する第２の信号と、を含む、請求項１に記載のハイブリッド超伝導体−光量子中継器。
3. 前記光サブシステムが前記光チャネルに結合された電子デバイスを含み、前記電子デバイスが非線形の電流−電圧特性を有し、前記電子デバイスが光パワーをマイクロ波周波数で動作する電流源に変換する、請求項１または２に記載のハイブリッド超伝導体−光量子中継器。
4. 前記電子デバイスが、
   非ワイヤ導波路と、
   前記導波路上に配置されたアンテナ・アーム構造と、
   ナノスケール・トンネル接合と、を含み、前記アンテナが前記光信号の赤外周波数電界を前記ナノスケール・トンネル接合に供給し、前記ナノスケール・トンネル接合が前記光パワーをマイクロ波周波数で動作する前記電流源に変換する、請求項３に記載のハイブリッド超伝導体−光量子中継器。
5. 前記超伝導体サブシステムが、ジョセフソン・キュービット記憶デバイスを有する超伝導送信ライン共振器を含み、前記光サブシステムが、電気接続によって、前記超伝導体サブシステムの前記超伝導送信ライン共振器に連結されている、請求項１から４のいずれか１項に記載のハイブリッド超伝導体−光量子中継器。
6. 前記超伝導体サブシステムが、マイクロ波入力信号を受信し、前記マイクロ波入力信号のマイクロ波光子の量子状態を記憶し、前記マイクロ波光子を出力マイクロ波信号において出力チャネルに沿って前記光サブシステムに送信するように構成され、
   前記光サブシステムが、前記出力マイクロ波信号を受信し、前記出力マイクロ波信号の前記マイクロ波光子を赤外光子にアップコンバートし、前記赤外光子を出力赤外信号において出力するように構成され、前記出力赤外信号が光チャネルを介して出力される、請求項１から５のいずれか１項に記載のハイブリッド超伝導体−光量子中継器。
7. ハイブリッド超伝導体−光量子中継器において、量子コンピュータ・サブシステム間でキュービットを送信するための方法であって、
   第１の量子コンピュータ・サブシステムから、前記ハイブリッド超伝導体−光量子中継器の光サブシステムにおいて、光入力信号を受信することと、
   前記光入力信号をマイクロ波信号にダウンコンバートし、これによって前記光入力信号の光波長光子を前記マイクロ波信号のマイクロ波波長光子にマッピングすることと、
   前記マイクロ波信号を前記ハイブリッド超伝導体−光量子中継器の超伝導体サブシステムに入力することと、
   前記超伝導体サブシステムに前記マイクロ波波長光子の量子状態を記憶することと、
   前記マイクロ波波長光子を前記超伝導体サブシステムから出力チャネルに沿って送信することと、
   を含む、方法。
8. 前記光信号が、赤外波長を有する第１の信号と、マイクロ波波長に対応する量だけ前記第１の信号からシフトした赤外波長を有する第２の信号と、を含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記光サブシステムが光チャネルに結合された電子デバイスを含み、前記電子デバイスが非線形の電流−電圧特性を有し、前記光入力信号をダウンコンバートすることが、前記電子デバイスが光パワーをマイクロ波周波数で動作する電流源に変換することを含む、請求項７または８に記載の方法。
10. 前記電子デバイスが、
    非ワイヤ導波路と、
    前記導波路上に配置されたアンテナ・アーム構造と、
    ナノスケール・トンネル接合と、を含み、前記光入力信号をダウンコンバートすることが、前記アンテナが前記光信号の赤外周波数電界を前記ナノスケール・トンネル接合に供給し、前記ナノスケール・トンネル接合が前記光パワーをマイクロ波周波数で動作する前記電流源に変換することを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記超伝導体サブシステムが、ジョセフソン・キュービット記憶デバイスを有する超伝導送信ライン共振器を含み、前記光サブシステムが、電気接続によって、前記超伝導体サブシステムの前記超伝導送信ライン共振器に連結されている、請求項７から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記超伝導体サブシステムが、
    マイクロ波入力信号を受信し、
    前記マイクロ波入力信号のマイクロ波光子の量子状態を記憶し、
    前記マイクロ波光子を出力マイクロ波信号において出力チャネルに沿って前記光サブシステムに送信し、前記光サブシステムが、
    前記出力マイクロ波信号を受信し、
    前記出力マイクロ波信号の前記マイクロ波光子を赤外光子にアップコンバートし、
    前記赤外光子を出力赤外信号において出力し、前記出力赤外信号が光チャネルを介して出力される、請求項７から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 量子コンピュータ・サブシステムと、
    前記量子コンピュータ・サブシステムに結合された、請求項１から６のいずれか１項に記載のハイブリッド超伝導体−光量子中継器と、
    前記ハイブリッド超伝導体−光量子中継器に結合された干渉計サブシステムと、
    を含む、システム。
14. 前記超伝導体サブシステムが前記量子コンピュータ・サブシステムに結合され、前記光サブシステムが前記干渉計サブシステムに結合され、
    前記光信号が前記干渉計サブシステムから受信され、
    前記マイクロ波光子が前記出力チャネルに沿って前記超伝導体サブシステムから前記量子コンピュータ・サブシステムに送信される、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記量子コンピュータ・サブシステムが第２のハイブリッド超伝導体−光量子中継器の第２の超伝導サブシステムに結合され、前記第２のハイブリッド超伝導体−光量子中継器の第２の光サブシステムが第２の干渉計に結合されている、請求項１４に記載のシステム。

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