JP6853531B2 - 量子計算装置及び量子計算方法 - Google Patents

Description

本発明は、量子計算装置及び量子計算方法に関する。

従来の半導体型フォンノイマンアーキテクチャ計算機の発展が終焉を迎えるにあたり、これに代わる新しいアーキテクチャでの計算能力の持続可能な発展が求められている。ディジタル量子計算機はその最有力候補の一つとして世界中で開発競争が繰り広げられている。ディジタル量子計算機とは、フォンノイマン型計算で用いられるビット素子の部分を、量子力学的重ね合わせを許す量子ビット素子に置き換えたものである。ディジタル量子計算機は、例えば素因数分解が従来計算機よりも桁数に対して指数関数的に早く解けることが示されている（例えば、非特許文献１を参照）。

M.A. Nielsen & I.L. Chuang, "Quantum Computation and Quantum Information", Cambridge Univ. Press (2012)

特許第５３４７６８２号公報

素因数分解で既存の計算機を超えるには外部ノイズのない理想的な状況でも１０００量子ビット以上を扱う必要がある（例えば、特許文献１を参照）。外部ノイズから守りながら正確に制御するためには、１００万量子ビット以上用意して冗長度を持たせる量子誤り訂正技術が必要不可欠となる。

従来のアンサンブルスピン型量子計算では、全てのスピンを個別に自在操作するために、共鳴周波数を全てのスピンで異ならせる必要があり、上述したような多数の量子ビットからなる量子系を実現することは困難であった。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、数種類のスピン間相互作用を利用して量子系を構築できる量子計算装置及び量子計算方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る量子計算装置は、物質中の核スピン又は電子スピンの状態を表すキューディットを複数含んだ量子系により構成された量子レザバーを備え、前記量子系は、第１共鳴周波数を有する第１電磁場によって他のスピンとの間のスピン間相互作用が制御される入力スピンと、互いにスピン間相互作用が働く複数のノードスピンと、前記第１共鳴周波数とは異なる第２共鳴周波数を有する第２電磁場によって他のスピンとの間のスピン間相互作用が制御される測定スピンとを含み、前記第２電磁場を照射することにより前記測定スピンと前記ノードスピンとの間のスピン間相互作用を制御し、該スピン間相互作用を制御した状態にて、前記入力スピンを通じて信号を入力する信号入力部と、前記第１及び第２電磁場を照射することにより前記入力スピンと前記ノードスピンとの間のスピン間相互作用、及び前記測定スピンと前記ノードスピンとの間のスピン間相互作用を制御し、前記ノードスピン間のスピン間相互作用により前記量子系を時間発展させる時間発展制御部と、前記第１電磁場の照射を維持して前記第２電磁場の照射を停止することにより、前記入力スピンと他のスピンとの間のスピン間相互作用を制御した状態にて、前記測定スピンと前記ノードスピンとの間のスピン間相互作用を復活させ、前記測定スピンを通じて信号を読み出す信号読出部とを更に備える。

本発明の一態様に係る量子計算方法は、物質中の核スピン又は電子スピンの状態を表すキューディットを複数含んだ量子系を用いて量子計算を行う量子計算方法であって、前記量子系に含まれる測定スピンと複数のノードスピンとの間のスピン間相互作用を制御すべく、第２共鳴周波数を有する第２電磁場を照射し、前記スピン間相互作用を制御した状態にて、前記量子系に含まれる入力スピンを通じて信号を入力し、前記スピン間相互作用を制御した状態にて、更に前記入力スピンと前記複数のノードスピンとの間のスピン間相互作用を制御すべく、前記第２共鳴周波数とは異なる第１共鳴周波数を有する第１電磁場を照射し、前記入力スピンと前記複数のノードスピンとの間のスピン間相互作用、及び前記測定スピンと前記複数のノードスピンとの間のスピン間相互作用を制御した状態にて、前記ノードスピン間のスピン間相互作用により前記量子系を時間発展させ、前記第１電磁場の照射を維持して前記第２電磁場の照射を停止し、前記入力スピンと前記複数のノードスピンとの間のスピン間相互作用を制御し、前記測定スピンと前記ノードスピンとの間のスピン間相互作用を復活させた状態にて、前記測定スピンを通じて前記量子系から信号を読み出す。

本発明の一側面によれば、数種類のスピン間相互作用を利用して量子系を構築することができる。

実施の形態１に係る量子計算装置の構成を説明するブロック図である。 時系列処理に係る変数を説明する説明図である。 ｐ−ターフェニル誘導体分子の化学構造を示す図である。 ｐ−ターフェニル−² Ｈ₁₃のホスト分子の化学構造を示す図である。 量子部への制御手法を説明する説明図である。 制御部が実行する処理の手順を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る量子計算装置の構成を説明するブロック図である。 レザバー分子及び偏極源分子がホスト分子にドープされた単結晶試料の化学構造を示す図である。 量子部への制御手法を説明する説明図である。 量子部の第２の実装例を示す図である。 量子部の第３の実装例を示す図である。 量子部の第４の実装例を示す図である。 量子部の第５の実装例を示す図である。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
（実施の形態１）
図１は実施の形態１に係る量子計算装置の構成を説明するブロック図である。実施の形態１に係る量子計算装置は、制御部１１、記憶部１２、信号入力部１３、信号読出部１４、及び量子部１５を備える。

制御部１１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備える。制御部１１のＣＰＵは、ＲＯＭ又は記憶部１２に予め記憶された各種プログラムを実行することにより、信号入力部１３、信号読出部１４等のハードウェアの動作を制御する。制御部１１のＲＡＭは、各種プログラムの実行中に生成されるデータ等を一時的に記憶する。また、制御部１１は、計測開始指示を与えてから計測終了指示を与えるまでの経過時間を計時する計時部、及び数をカウントする計数部等の機能を備えていてもよい。

なお、本実施の形態では、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えた制御部１１により各ハードウェアの動作を制御する構成としたが、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、アナログ回路等を用いて各ハードウェアの動作を制御してもよい。

記憶部１２は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの記憶装置を備え、各種プログラム及びデータを記憶する。記憶部１２が記憶するプログラムには、信号入力部１３、信号読出部１４等のハードウェアの動作を制御するためのプログラム等が含まれる。また、記憶部１２が記憶するデータには、信号入力部１３、信号読出部１４等のハードウェアの動作を制御するために必要なデータ、量子部１５へ入力するデータ、制御部１１により演算されたデータ等が含まれる。

信号入力部１３は、制御部１１から入力される信号に応じて、量子部１５への入力を行う。より具体的には、信号入力部１３は、量子部１５内の量子系を構成する核スピンに対して電磁場（パルス電磁場）を照射する手段を備えており、制御部１１から指示されるタイミングにて、量子系を構成する核スピンの共鳴周波数等に対応した電磁場を照射することにより、量子部１５への入力を行う。なお、電磁場の照射は、試料の近傍に設けられたコイル（不図示）に対して交流電流信号を印加することにより行われる。

信号読出部１４は、例えば磁気共鳴分光計であり、量子部１５が備える測定スピンＢ１，Ｂ２の状態の観測することにより、測定値を取得する。信号読出部１４は、取得した測定値を制御部１１へ出力する。

量子部１５は、例えば固体又は液体中の核スピンクラスターのアンサンブルを量子系とした量子レザバーにより構成されている。本実施の形態に係る量子レザバーには、第１共鳴周波数を有する電磁場により他のスピンとのスピン間相互作用が制御される入力スピンＡ１，Ａ２、互いにスピン間相互作用を行う複数のノードスピンＮ，Ｎ，…，Ｎ、及び第１共鳴周波数とは異なる第２共鳴周波数を有する電磁場により他のスピンとのスピン間相互作用が制御される測定スピンＢ１，Ｂ２が含まれている。ここで、スピン間相互作用には、例えば双極子相互作用、フェルミ接触相互作用、Ｊ結合などが含まれる。本実施の形態に係る量子計算装置は、入力や測定、時間発展を高精度化する目的でスピン間に働くスピン間相互作用を制御する。具体的には、スピン間相互作用を抑制、変形、若しくは消去する制御を実行し、量子系への信号の入力、量子系における時間発展、及び量子系からの信号の読み出しを行う。

なお、図１の例では、量子部１５が２つの入力スピンＡ１，Ａ２を備える構成を示したが、入力スピンの数は２つに限定されるものではなく、１つであってもよい。また、共鳴周波数が異なる複数の入力スピンを含む構成であってもよい。

また、図１の例では、量子部１５が２つの測定スピンＢ１，Ｂ２を備える構成を示したが、測定スピンの数は２つに限定されるものではなく、１つであってもよい。また、共鳴周波数が異なる複数の測定スピンを含む構成であってもよい。

量子部１５が備えるノードスピンＮ，Ｎ，…，Ｎについては、全て同一の共鳴周波数であってもよい。よって、本実施の形態では、ノードスピンＮ，Ｎ，…，Ｎのそれぞれが異なる共鳴周波数を有している必要はなく、スピン系を大規模化することが容易となる。

本実施の形態では、信号入力部１３は、入力スピンＡ１，Ａ２、又は入力スピンＡ１，Ａ２と隣接してスピン間相互作用により周波数がシフトしたノードスピンＮに対して、電磁場を照射することにより量子部１５への信号入力を行う。このとき、信号入力部１３は、適宜デカップリングパルスを照射することにより、不要なスピン間相互作用である測定スピンＢ１，Ｂ２とノードスピンＮとの間のスピン間相互作用を制御（例えば抑制又は消去）し、当該スピン間相互作用を制御した状態にて信号入力を行う。

また、本実施の形態では、量子部１５への信号入力の後、量子部１５の量子系を時間発展させる。このとき、信号入力部１３は、適宜デカップリングパルスを照射することにより、不要なスピン間相互作用である入力スピンＡ１，Ａ２とノードスピンＮとの間のスピン間相互作用、及び測定スピンＢ１，Ｂ２とノードスピンＮとの間のスピン間相互作用を制御し、これらのスピン間相互作用を制御した状態にて量子系を時間発展させる。

信号読出部１４は、測定スピンＢ１，Ｂ２、または測定スピンと隣接してスピン間相互作用により周波数がシフトしたノードスピンＮから信号を読み出すことにより、各キューディットの状態の重ね合わせとして測定スピンＢ１，Ｂ２に現れるスピンの状態を観測する。このとき、適宜デカップリングパルスを照射することにより、不要なスピン間相互作用である入力スピンＡ１，Ａ２とノードスピンＮとの間のスピン間相互作用を制御した状態にて、信号の読み出しを行う。
ここで、キューディットとは、任意の整数個の準位を持つ量子情報素子であり、量子ビット（キュービット）、キュートリットなどがこれに含まれる。具体例としては、スピン１／２を含む任意のスピン量子数のスピンが挙げられる。

以下、計算手順の概略について説明する。
図２は時系列処理に関連する変数を説明する説明図である。実施の形態１では、ある関数Ｙ_l ＝Ｆ（Ｓ_l ）について、Ｌ個の既知の入出力関係を用いて学習を行うエクストリーム量子学習を実現する。ここで、Ｓ_l は、ｋ個（ｋ＞Ｌ）の値Ｓ_m を成分にもつベクトルである。制御部１１は、入力スピンＡ１，Ａ２の初期化を行わずに、時間間隔ｔごとに入力Ｓ_m に従って電磁場の照射に係る制御を信号入力部１３にて行い、入力スピンＡ１，Ａ２の状態を制御する。量子部１５が備える量子系は、ノードスピンＮ，Ｎ，…，Ｎ間のスピン間相互作用によって時間発展する。信号読出部１４は、時間間隔ｔ／ＶごとにＮ個（本実施の形態ではＮ＝２）の測定スピンＢ１，Ｂ２の状態を測定する。制御部１１は、既知のＬ個の入力Ｓ_l から得られた測定値Ｘ_l （ＶＮＬ個の成分からなるベクトル）に線形重みを乗算したときに最もＹ_l に近くなる線形重みＷ（ＶＮＬ個の成分からなるベクトル）を学習により求める。具体的には、Ｙ_l と測定値Ｘ_l の線形和との間の残差二乗和を最小にするように、最小二乗法（線形回帰）に基づいて、線形重みＷを学習する。これは、例えば、疑似逆行列などを用いることできわめて簡易にかつ素早く実装することができる。また、線形重みの決定法には、実験状況に応じて、様々な選択肢が存在することを付言しておく。例えば、レザバーにおける計算素子数が多すぎる場合、過学習による問題を防ぐために、Ridge回帰、Lasso回帰、ならびにElastic netの手法などによる線形重みの正則化を適宜導入することができる。あるいは、再帰的最小二乗法やいわゆるFORCE学習法などを用いて、学習過程をバッジ処理でなく、リアルタイム処理で行うことも可能である。制御部１１は、求めた線形重みＷを用いて未知のＳ_l に対する出力Ｙ_l を予測する。

本実施の形態では、計算手続きの途中で初期化を行う必要がないため、より容易に実装することが可能となる。また、レーザスピン系がわずかに偏極されているだけでも、その量子ダイナミクスは、古典計算機ではシミュレートできない程に複雑になることが証明されている。

次に、量子部１５の実装例について説明する。
本実施の形態では、物質中の核スピンクラスターを量子部１５における量子系として用いる。このような核スピンクラスターを有する物質として、例えば、ｐ−ターフェニル−² Ｈ₁₃のホスト分子に対して、ｐ−ターフェニル誘導体分子を１％程度ドープした単結晶試料を用いることができる。

図３Ａはｐ−ターフェニル誘導体分子の化学構造を示す図であり、図３Ｂはｐ−ターフェニル−² Ｈ₁₃のホスト分子の化学構造を示す図である。試料中では、¹ Ｈ、² Ｈ、¹³Ｃ、¹⁹Ｆが核スピンを有しており、ホスト分子に含まれる¹²Ｃは核スピンを有していない。核スピン間には、異種核間のみならず同種核間にも距離の三乗に反比例するスピン間相互作用が働いており、このスピン間相互作用によって複雑な量子ダイナミクスが引き起こされる。ｐ−ターフェニル誘導体分子が１％程度ドープされた単結晶試料には、レザバー量子系が複数個存在する。ある１つのｐ−ターフェニル誘導体分子のキューディットと、別のｐ−ターフェニル誘導体分子のキューディットとは十分に距離が離れているため、これらの間の相互作用は無視することができる。よって、試料は、レザバー量子系のアンサンブルとみなすことができ、全てのレザバー量子系はそれぞれ独立して時間発展する。

図４は量子部１５の制御手法を説明する説明図である。制御部１１は、量子部１５の入力スピンＡ１，Ａ２に対して信号入力を行う場合、信号入力部１３を制御して、不要なスピン間相互作用を制御する。図３Ａに示すｐ−ターフェニル誘導体分子において、信号入力時には¹³Ｃ−¹⁹Ｆ間のスピン間相互作用が不要であるから、制御部１１は、¹⁹Ｆの共鳴周波数ω₁₉ に相当する電磁場を信号入力部１３より照射させる制御を行い、¹³Ｃ−¹⁹Ｆ間をデカップリングする。また、信号入力時から信号測定時に至るまで² Ｈスピンと他のスピンとの間のスピン間相互作用は不要であるから、制御部１１は、² Ｈの共鳴周波数ω₂に相当する電磁場を信号入力部１３より常時照射させる制御を行い、² Ｈ−¹³Ｃ間をデカップリングする。

上述した電磁場により不要なスピン間相互作用を制御した状態下で、信号入力部１３は、入力スピンＡ１，Ａ２への信号入力を行う。例えば、入力Ｓ₁ が１の場合、信号入力部１３は、ω₁₃±ｄ_CHとなる周波数でπパルスとなる強度にて電磁場を照射する。ここで、ω₁₃は、¹³Ｃの共鳴周波数であり、ｄ_CHは、¹³Ｃ−¹ Ｈ間の相互作用強度である。入力Ｓ₁ が０の場合、信号入力部１３は、上記電磁場の照射を行わない。この電磁場の照射により、¹ Ｈに隣接する¹³Ｃのみを入力に応じて反転させることができる。

次いで、制御部１１は、量子部１５が備える量子系を時間発展（自由時間発展）させるための制御を行う。このとき、制御部１１は、信号入力部１３を制御して、量子部１５における不要なスピン間相互作用を制御することにより、量子系を時間発展させる。図３Ａに示すｐ−ターフェニル誘導体分子において、時間発展時には¹ Ｈ−¹³Ｃ間のスピン間相互作用が不要であるから、制御部１１は、¹ Ｈの共鳴周波数ω₁に相当する電磁場を信号入力部１３より照射させる制御を行い、¹ Ｈ−¹³ Ｃ間をデカップリングする。また、時間発展時には¹³Ｃ−¹⁹Ｆ間のスピン間相互作用が不要であるから、制御部１１は、¹⁹Ｆの共鳴周波数ω₁₉ に相当する電磁場の照射を継続させる制御を行い、¹³Ｃ−¹⁹Ｆ間のデカップリングを継続する。更に、信号入力時から信号測定時に至るまで² Ｈスピンと他のスピンとの間のスピン間相互作用は不要であるから、制御部１１は、² Ｈの共鳴周波数ω₂に相当する電磁場の照射を継続させる制御を行い、² Ｈ−¹³Ｃ間をデカップリングを継続する。以上により、量子部１５における量子レザバーでは、¹³Ｃ−¹³Ｃ間のスピン間相互作用だけで量子系を時間発展させることができる。

次いで、制御部１１は、信号入力部１３及び信号読出部１４を制御して、量子部１５が備える測定スピンＢ１，Ｂ２から信号の読み出しを行う。図３Ａに示すｐ−ターフェニル誘導体分子において、信号読出時には、¹³Ｃ−¹⁹Ｆ間のスピン間相互作用を利用するので、制御部１１は、信号入力部１３を制御して¹⁹Ｆの共鳴周波数ω₁₉ に相当する電磁場の照射を停止させ、¹³Ｃ−¹⁹Ｆ間のスピン間相互作用を復活させる。また、制御部１１は、信号読出部１４を制御して、¹³Ｃの核スピンからω₁₃±ｄ_CFの信号を読み出す。ここで、ｄ_CFは、¹³Ｃ−¹⁹Ｆ間の相互作用強度である。¹⁹Ｆに隣接する¹³Ｃの状態が信号の位相に反映されるため、制御部１１は、位相を解析して状態に対応する測定値Ｘ₁ を決定することができる。

制御部１１は、信号入力部１３及び信号読出部１４の動作を制御することにより、量子系の時間発展に係る手続きと、信号測定に係る手続きとをＶ回繰り返す。そして、制御部１１は、次の入力である入力Ｓ₂ に応じて、信号入力に係る手続きを上述と同様の手順により実行し、再び量子系の時間発展に係る手続きと、信号測定に係る手続きとをＶ回繰り返す。制御部１１は、これらの手続きをｋ回繰り返し、測定値Ｘ₁ ，Ｘ₂ ，…，Ｘ_kVを得る。

制御部１１は、出力が既知のＬ個のＳ_l に対して、上記一連の手続きを行い、得られた測定値に対してＹ_l に最も近くなる線形重みＷを学習する。線形重みＷは、例えば疑似逆行列法により求めることができる。

また、制御部１１は、未知の入力に対し、上記一連の手続きを行うことによりｋＶ個の測定値Ｘを取得し、学習した線形重みＷを用いて出力を求めることができるようになる。上述したエクストリーム量子学習は、時系列解析が不要な文字認識などの機械学習に適用することができる。

図５は制御部１１が実行する処理の手順を示すフローチャートである。制御部１１は、カウンタの値を初期値（ｉ＝１，ｊ＝１）に設定すると共に（ステップＳ１０１）、タイマをリセットして（ステップＳ１０２）、以下の処理を実行する。

まず、制御部１１は、信号入力部１３を制御することにより、出力が既知である入力Ｓｌに対応した信号を量子部１５に入力する（ステップＳ１０３）。このとき、制御部１１は、出力スピンＢ１，Ｂ２等の不要なスピン間相互作用をデカップリングするために、対応するスピンの共鳴周波数を有する電磁場を信号入力部１３から量子部１５の試料に照射させる。また、制御部１１は、入力Ｓ_j が１の場合、入力スピンＡ１，Ａ２、または入力スピンＡ１，Ａ２と隣接して相互作用により周波数がシフトしたノードスピンＮに対し、信号入力部１３を通じて電磁場を照射することで入力Ｓ_j に応じた信号を入力する。なお、制御部１１は、入力Ｓ_j が０の場合、電磁場の照射を行わない。

次いで、制御部１１は、量子部１５における量子系を時間発展させる（ステップＳ１０４）。このとき、制御部１１は、入力スピンＡ１，Ａ２及び出力スピンＢ１，Ｂ２等の不要なスピン間相互作用をデカップリングするために、対応するスピンの共鳴周波数を有する電磁場を信号入力部１３から量子部１５の試料に照射させる。量子部１５における量子系は、不要なスピン間相互作用がデカップリングした状態にて時間発展する。

次いで、制御部１１は、タイマをリセットしてから時間ｔ／Ｖ×ｉが経過したか否かを判断する（ステップＳ１０５）。時間ｔ／Ｖ×ｉが経過していない場合（Ｓ１０５：ＮＯ）、制御部１１は、処理をステップＳ１０４へ戻す。

タイマをリセットしてから時間ｔ／Ｖ×ｉが経過したと判断した場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、制御部１１は、量子部１５の測定スピンＢ１，Ｂ２から状態を読み出し、信号測定を行う（ステップＳ１０６）。このとき、制御部１１は、入力スピンＡ１，Ａ２等の不要なスピン間相互作用をデカップリングするために、対応するスピンの共鳴周波数を有する電磁場を信号入力部１３から量子部１５の試料に照射させる。また、制御部１１は、測定スピンＢ１，Ｂ２の状態を信号読出部１４を通じて読み出す。

次いで、制御部１１は、ｉ≧Ｖであるか否かを判断する（ステップＳ１０７）。ここで、Ｖは測定時間の分割数である。カウンタｉの値がＶ未満の場合（Ｓ１０７：ＮＯ）、制御部１１は、カウンタｉの値を１だけ増加させて（ステップＳ１０８）、処理をステップＳ１０４へ戻す。

カウンタｉの値がＶ以上であると判断した場合（Ｓ１０７：ＹＥＳ）、制御部１１は、ｔ／Ｖごとに測定した信号に基づき、入力Ｓ_j に対する測定値Ｘ_j を取得する（ステップＳ１０９）。

次いで、制御部１１は、ｊ≧ｋであるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。ここで、ｋは入力Ｓ_j の個数である。カウンタｊの値がｋ未満の場合（Ｓ１１０：ＮＯ）、制御部１１は、カウンタｉの値を１にリセットすると共に、カウンタｊの値を１だけ増加させて（ステップＳ１１１）、処理をステップＳ１０２へ戻す。

カウンタｊの値がｋ以上であると判断した場合（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、制御部１１は、得られた測定値Ｘ₁ ，Ｘ₂ ，…，Ｘ_L を用いて、重みＷを決定する（ステップＳ１１２）。ここで、Ｌは、入出力の関係が既知である測定値Ｘ_j の個数である。制御部１１は、得られた測定値Ｘ₁ ，Ｘ₂ ，…，Ｘ_j に対して既知のＹ_l に最も近くなるような線形重みＷを学習する。線形重みＷは、例えば疑似逆行列法により求めることができる。

次いで、制御部１１は、決定した線形重みＷを用いて、未知の入力Ｓ_j （Ｌ≦ｊ≦ｋ）に対する出力Ｙ_l を予測する（ステップＳ１１３）。

以上のように、実施の形態１では、入力スピンＡ１，Ａ２、ノードスピンＮ、出力スピンＢ１，Ｂ２といった数種類のスピンのスピン間相互作用を利用して量子系を構築することができる。文字認識等の時系列解析が不要な分野については、入力スピンＡ１，Ａ２に対する初期化が不要であり、エクストリーム量子学習により、出力を予測することが可能となる。

（実施の形態２）
実施の形態２では、入力スピンＡ１，Ａ２に信号を入力する都度、入力スピンＡ１，Ａ２を初期化する構成について説明する。

図６は実施の形態２に係る量子計算装置の構成を説明するブロック図である。実施の形態２に係る量子計算装置は、制御部１１、記憶部１２、信号入力部１３、信号読出部１４、及び量子部１５に加え、冷却部２０を備える。制御部１１、記憶部１２、信号入力部１３、信号読出部１４、及び量子部１５の構成は実施の形態１と同様であるから、その説明を省略する。

冷却部２０は、制御部１１からの制御により、偏極源Ｒ０、冷却スピンＲ１，Ｒ２、冷媒スピンＲ，Ｒ，…，Ｒからなる冷却系２１を冷却する。偏極源Ｒ０としては、後述するように、光励起三重項電子を有するペンタセンを用いることができる。また、高偏極電子（光励起三重項）を利用して初期化を行う構成に代えて、極低温下で電子スピン格子緩和を用いて、スピンの冷却を行ってもよい。

冷却スピンＲ１，Ｒ２は、冷却部２０を作動させることにより常に初期化が可能なスピンであり、具体的には、偏極源Ｒ０の近傍に位置する¹ Ｈスピンである。このような¹ Ｈスピンは、冷却源Ｒ０がドープされているホスト分子（例えば、後述するｐ−ターフェニル−² Ｈ₁₃分子）が備えている。また、冷媒スピンＲ，Ｒ，…，Ｒは、偏極源Ｒ０が入力スピンＡ１，Ａ２やノードスピンＮ，Ｎ，…，Ｎと直接結合し、デコヒーレンスをもたらさないような距離をとるために必要な存在である。冷媒スピンＲ，Ｒ，…，Ｒは、具体的には、冷却スピンＲ１，Ｒ２の周囲に位置する¹ Ｈスピンである。このような¹ Ｈスピンは、冷却スピンＲ１，Ｒ２と同様に、ホスト分子が備えている。

なお、偏極源Ｒ０と入力スピンＡ１，Ａ２との間の結合の影響が問題にならない場合には、冷媒スピンＲ，Ｒ，…，Ｒは不要であり、冷却スピンＲ１，Ｒ２とが入力スピンＡ１，Ａ２とが直接的に結合されていてもよい。

以下、実施の形態２に係る量子計算装置の実装例について説明する。
本実施の形態では、ホスト分子に対して、レザバー分子であるｐ−ターフェニル誘導体分子を１％程度、偏極源分子であるペンタセンを０．０５ｍｏｌ％程度ドープした単結晶試料を用いることができる。ホスト分子としては、実施の形態１と同様に、¹³Ｃの核スピンを持たないｐ−ターフェニル−² Ｈ₁₃分子を用いることができる。

図７はレザバー分子及び偏極源分子がホスト分子にドープされた単結晶試料の化学構造を示す図である。図７において、破線で囲んだ分子がレザバー分子である。このレザバー分子は、¹ Ｈ、² Ｈ、¹³Ｃ、¹⁹Ｆの核スピンを有するｐ−ターフェニル誘導体分子である。レザバー分子の周囲には、¹³Ｃの核スピンを持たないｐ−ターフェニル−² Ｈ₁₃分子が存在する。

量子レザバー計算では、スピン状態を繰り返し初期化する必要がある。ここで、初期化とは、何らかの方法で偏極率を通常数万分の一程度から、１．０近くまで高めることをいう。本実施の形態では、偏極源分子として光励起三重項電子を持つペンタセンを用いて¹ Ｈスピンの高偏極化を実現する。トリプレットＤＮＰ（Dynamic Nuclear Polarization）では、まずレーザパルスの照射により光励起電子スピンが初期化される。次に、マイクロ波照射による動的核偏極で近傍の¹ Ｈスピンが初期化される。そして、一定時間後、偏極状態は、試料中の¹ Ｈスピン、具体的にはペンタセンの¹ Ｈスピン、ホスト分子の¹ Ｈスピン、及びレザバー分子の¹ Ｈスピンへ拡散する。これを繰り返すことにより、試料全体の¹ Ｈスピンが少しずつ高偏極化されて、一定の高偏極率に安定化される。

図８は量子部１５の制御手法を説明する説明図である。実施の形態１と同様に、信号入力時から信号測定時に至るまで² Ｈスピンと他のスピンとの間のスピン間相互作用は不要であるから、制御部１１は、² Ｈの共鳴周波数ω₂に相当する電磁場を信号入力部１３より常時照射させる制御を行い、² Ｈ−¹³Ｃ間をデカップリングする。また、実施の形態２では、制御部１１は、冷却部２０を制御することにより常にトリプレットＤＮＰを行っており、トリプレットＤＮＰによって試料中の全ての¹ Ｈスピンは初期化されているものとする。

信号入力時において、制御部１１は、¹⁹Ｆの共鳴周波数ω₁₉ に相当する電磁場、及び² Ｈの共鳴周波数ω₂ に相当する電磁場を信号入力部１３より照射させる制御を行い、¹³Ｃ−¹⁹Ｆ間及び² Ｈ−¹³Ｃ間をデカップリングする。入力Ｓ₁ が１の場合、制御部１１は、ω₁₃±ｄ_CHとなる周波数でπパルスとなる強度にて電磁場を照射する。これにより、¹ Ｈスピンは｜１＞の状態となる。また、入力Ｓ₁ が０の場合、制御部１１は、πパルスを与えずに、¹ Ｈスピンを｜０＞のままにする。

次いで、制御部１１は、¹ Ｈスピンとそれに隣接する¹³Ｃスピンとの間にスワップゲートをかける。具体的には、制御部１１は、¹³Ｃから¹ ＨへＣＮＯＴをかけ、次に¹ Ｈから¹³ＣへＣＮＯＴをかける。そして、¹³Ｃから¹ ＨへＣＮＯＴをかける。より具体的は、まずω₁ ＋ｄ_CHにライン選択的反転パルスをかけ、次にω₁₃＋ｄ_CHにライン選択的反転パルスをかける。そして、ω₁ ＋ｄ_CHにライン選択的反転パルスをかける。これによって、¹ Ｈに隣接する¹³Ｃスピンの状態を入力Ｓ₁ の値に対応させることができる。この後、¹ Ｈスピンの状態は、トリプレットＤＮＰが連続的に行われているため、速やかに初期化される。

以降の処理は実施の形態１と同様である。すなわち、制御部１１は、量子部１５が備える量子系を時間発展（自由時間発展）させるための制御を行う。このとき、制御部１１は、信号入力部１３を制御して、量子部１５における不要なスピン間相互作用を制御することにより、量子系を時間発展させる。

また、制御部１１は、信号入力部１３及び信号読出部１４を制御して、量子部１５が備える測定スピンＢ１，Ｂ２から信号の読み出しを行う。このとき、制御部１１は、信号入力部１３を制御して¹⁹Ｆの共鳴周波数ω₁₉ に相当する電磁場の照射を停止させ、¹³Ｃ−¹⁹Ｆ間のスピン間相互作用を復活させる。また、制御部１１は、信号読出部１４を制御して、¹³Ｃの核スピンからω₁₃±ｄ_CFの信号を読み出す。¹⁹Ｆに隣接する¹³Ｃの状態が信号の位相に反映されるため、制御部１１は、位相を解析して状態に対応する測定値Ｘ₁ を決定することができる。

制御部１１は、信号入力部１３及び信号読出部１４の動作を制御することにより、量子系の時間発展に係る手続きと、信号測定に係る手続きとをＶ回繰り返す。そして、制御部１１は、入力Ｓ₂ に応じて、信号入力に係る手続きを上述と同様の手順により実行し、再び量子系の時間発展に係る手続きと、信号測定に係る手続きとをＶ回繰り返す。制御部１１は、これらの手続きをｋ回繰り返し、Ｘ₁ ，Ｘ₂ ，…，Ｘ_kVを得る。

制御部１１は、出力が既知のＬ個のＳ_l に対して、上記一連の手続きを行い、得られた測定値に対してＹ_l に最も近くなる線形重みＷを学習する。線形重みＷは、例えば疑似逆行列法により求めることができる。

また、制御部１１は、未知の入力に対し、上記一連の手続きを行うことによりｋＶ個の測定値Ｘを取得し、学習した線形重みＷを用いて出力を求めることができるようになる。

なお、実施の形態２では、初期化方法として、トリプレットＤＮＰを用いた方法を説明したが、極低温下での熱平衡電子を偏極源に用いたＤＮＰを用いてもよい。上述した偏極源分子に例えば後述するＢＤＰＡラジカル分子、レザバー分子に前述のｐ−ターフェニル誘導体がドープされたホスト分子単結晶により実装可能である。また、偏極源部位とレザバー部位が修飾された分子がドープされたホスト分子単結晶でも実装可能である。更に、レザバー分子（ｐ−ターフェニル誘導体）がドープされた偏極源分子（ペンタセン）をホストとする単結晶という構成でも実装可能である。

以下、量子部１５の他の実装例を開示する。

図９は量子部１５の第２の実装例を示す図である。図９に示すように、レザバー分子を１−アラニン−¹³Ｃ，¹⁵Ｎ 、ホスト分子を１−アラニン−² Ｈ₇ ，¹³Ｃ、偏極源分子をペンタセンとする試料でも可能である。この場合、量子ダイナミクスは、１−アラニン分子中の¹ Ｈスピンが担う。入力及び測定は、¹³Ｃスピンや¹⁵Ｎスピンが担う。化学シフトの違いを利用して、複数個の入力、測定も可能である。

図１０は量子部１５の第３の実装例を示す図である。図１０に示すように偏極源部位（ペンタセン基）とレザバー部位（ｐ−ターフェニル誘導体）が修飾された分子がドープされたホスト分子（ｐ−ターフェニル−² Ｈ₁₄）の単結晶でも、実施の形態１で説明したエクストリーム量子学習、及び実施の形態２で説明した量子レザバー計算を実装することができる。

図１１は量子部１５の第４の実装例を示す図である。図１１は電子スピン系による実装例を示したものである。図１１に示すようにレザバー分子（ＴＥＭＰＯラジカルオリゴマー）と偏極源分子（ＢＤＰＡラジカル：電子スピンはＥ_B で表示）がドープされたホスト分子（ベンゼン）の単結晶でも実施の形態１で説明したエクストリーム量子学習、及び実施の形態２で説明した量子レザバー計算を実装することができる。オリゴマーの端のＴＥＭＰＯ基の電子スピンが入力及び測定を担うスピンとなり、それ以外のＴＥＭＰＯ基の電子スピンがレザバーの量子ダイナミクスを担う。この系では、ＢＤＰＡの電子スピンが格子との結合で初期化されるものとする。

図１２は量子部１５の第５の実装例を示す図である。図１２に示すようにレザバー分子（ＴＥＭＰＯオリゴマー：電子スピンはＥ_T で表示）がドープされた偏極源分子（ＢＤＰＡ）をホストとする単結晶でも単結晶でも実施の形態１で説明したエクストリーム量子学習、及び実施の形態２で説明した量子レザバー計算を実装することができる。オリゴマーの端のＴＥＭＰＯ基の電子スピンが入力及び測定を担うスピンとなり、それ以外のＴＥＭＰＯ基の電子スピンがレザバーの量子ダイナミクスを担う。この系では、ＢＤＰＡの電子スピンが格子との結合で初期化されるものとする。

また、図１１及び図１２では、電子スピン系による実装例を示したが、電子スピンと核スピンのハイブリッド系でも実装可能である。例えば、図１１の系で、ＴＥＭＰＯのオリゴマー分子の電子スピンが入力及び測定を担い、ＴＥＭＰＯオリゴマー分子の¹⁹Ｆスピンがレザバーの量子ダイナミクスを担うように量子レザバーに対する制御を行ってもよい。

本発明によって現代社会に取り巻く様々な問題を解くことができるようになる。従来のレザバー計算がフォンノイマン型より優れた性能を持つとされている応用例ならほとんどすべて量子レザバー計算でさらに優れた性能を発揮できる。このような応用例としてカオス時系列予測が考えられ、最も市場価値の高いものとしては株価予測が考えられる。ほかにも例えば、地震変動の予測、生体シグナルの解析、ロボットの自律制御や無線通信システムの非線形補償等へも応用可能である。また機械学習にも用いることが可能で、画像認識、音声認識、人工知能などへの応用が期待される。

今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１１ 制御部（時間発展制御部、重み決定部）
１２ 記憶部
１３ 信号入力部
１４ 信号読出部
１５ 量子部（量子レザバー）
２０ 冷却部（初期化部）
２１ 冷却系
Ａ１，Ａ２ 入力スピン
Ｂ１，Ｂ２ 測定スピン
Ｎ ノードスピン
Ｒ０ 偏極源
Ｒ１，Ｒ２ 冷却スピン
Ｒ 冷媒スピン

Claims (10)

1. 物質中の核スピン又は電子スピンの状態を表すキューディットを複数含んだ量子系により構成された量子レザバーを備え、
   前記量子系は、第１共鳴周波数を有する第１電磁場によって他のスピンとの間のスピン間相互作用が制御される入力スピンと、互いにスピン間相互作用が働く複数のノードスピンと、前記第１共鳴周波数とは異なる第２共鳴周波数を有する第２電磁場によって他のスピンとの間のスピン間相互作用が制御される測定スピンとを含み、
   前記第２電磁場を照射することにより前記測定スピンと前記ノードスピンとの間のスピン間相互作用を制御し、該スピン間相互作用を制御した状態にて、前記入力スピンを通じて信号を入力する信号入力部と、
   前記第１及び第２電磁場を照射することにより前記入力スピンと前記ノードスピンとの間のスピン間相互作用、及び前記測定スピンと前記ノードスピンとの間のスピン間相互作用を制御し、前記ノードスピン間のスピン間相互作用により前記量子系を時間発展させる時間発展制御部と、
   前記第１電磁場の照射を維持して前記第２電磁場の照射を停止することにより、前記入力スピンと他のスピンとの間のスピン間相互作用を制御した状態にて、前記測定スピンと前記ノードスピンとの間のスピン間相互作用を復活させ、前記測定スピンを通じて信号を読み出す信号読出部と
   を更に備える量子計算装置。
2. 前記入力スピンを通じて入力する信号と前記測定スピンを通じて読み出す信号との関係が既知である入出力関係を再現するように、前記信号読出部が読み出す信号に対する線形重みを学習により決定する重み決定部
   を備える請求項１に記載の量子計算装置。
3. 前記入力スピンに信号を入力する都度、前記入力スピンの偏極状態を初期化する初期化部
   を備える請求項１又は請求項２に記載の量子計算装置。
4. 前記初期化部は、
   偏極源と、
   該偏極源により初期化可能な冷却スピンと、
   前記冷却スピンと前記入力スピンとの間に介在する冷媒スピンと
   を含み、
   前記偏極源により前記冷却スピンを初期化した後に、前記冷媒スピンを前記冷却スピン及び前記入力スピンの双方に結合させることにより、前記入力スピンの偏極状態を初期化する
   請求項３に記載の量子計算装置。
5. 前記偏極源は、格子又は高偏極電子を含み、
   スピン格子緩和又は動的核偏極を用いて前記冷却スピンの偏極状態を初期化する
   請求項４に記載の量子計算装置。
6. 前記物質は、原子核による核スピンクラスターのアンサンブル、又は電子による電子スピンクラスターのアンサンブルを含む
   請求項１から請求項５の何れか１つに記載の量子計算装置。
7. 前記物質は、ｐ−ターフェニル誘導体分子を含む
   請求項１から請求項６の何れか１つに記載の量子計算装置。
8. 前記物質は、レザバー分子であるｐ−ターフェニル誘導体分子と、偏極源分子であるペンタセンとがホスト分子にドープされた単結晶である
   請求項３から請求項６の何れか１つに記載の量子計算装置。
9. 物質中の核スピン又は電子スピンの状態を表すキューディットを複数含んだ量子系を用いて量子計算を行う量子計算方法であって、
   前記量子系に含まれる測定スピンと複数のノードスピンとの間のスピン間相互作用を制御すべく、第２共鳴周波数を有する第２電磁場を照射し、
   前記スピン間相互作用を制御した状態にて、前記量子系に含まれる入力スピンを通じて信号を入力し、
   前記スピン間相互作用を制御した状態にて、更に前記入力スピンと前記複数のノードスピンとの間のスピン間相互作用を制御すべく、前記第２共鳴周波数とは異なる第１共鳴周波数を有する第１電磁場を照射し、
   前記入力スピンと前記複数のノードスピンとの間のスピン間相互作用、及び前記測定スピンと前記複数のノードスピンとの間のスピン間相互作用を制御した状態にて、前記ノードスピン間のスピン間相互作用により前記量子系を時間発展させ、
   前記第１電磁場の照射を維持して前記第２電磁場の照射を停止し、
   前記入力スピンと前記複数のノードスピンとの間のスピン間相互作用を制御し、前記測定スピンと前記ノードスピンとの間のスピン間相互作用を復活させた状態にて、前記測定スピンを通じて前記量子系から信号を読み出す
   量子計算方法。
10. 偏極源と、該偏極源により初期化可能な冷却スピンと、前記冷却スピンと前記入力スピンとの間に介在する冷媒スピンとを備える初期化部を用いて、前記偏極源により前記冷却スピンを初期化した後、前記冷媒スピンを前記冷却スピン及び前記入力スピンの双方に結合させることにより、前記入力スピンに信号を入力する都度、前記入力スピンの偏極状態を初期化する
    請求項９に記載の量子計算方法。

Images