JP7401825B2 - 量子回路、量子コンピュータ及び量子回路の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、量子回路、量子コンピュータ及び量子回路の製造方法に関する。
近年、欧米のＩＣＴ（Information and Communication Technology）企業を中心に、様々な計算用途に利用可能な汎用型量子コンピュータの研究開発が精力的に進められている。２０１４年、当時ＵＣＳＢ（University of California, Santa Barbara）のＭａｒｔｉｎｉｓらの研究グループが超伝導方式の５量子ビット量子コンピュータにおいて高忠実度のゲート操作や測定が可能であることを示した（たとえば、非特許文献１参照）。これを契機に、超伝導型量子コンピュータを用いた商用サービスの利用開始や量子超越性実証の報告があり（たとえば、非特許文献２，３参照）、世界的にも汎用型量子コンピュータの実用化に対する期待が高まってきている。
ただ、汎用計算に向けた計算アルゴリズムの先行研究結果から、量子化学計算や量子シミュレーション、計算結果の信頼性を担保可能なエラー耐性量子コンピュータの実現には、１万から１億量子ビットを要すると考えられている（たとえば、非特許文献４参照）。これは現状が数十量子ビット程度であることを考えると、大幅な拡張となる。現在主流の超伝導方式は、高々５０量子ビットサイズのスケールでも素子の冷却に３Ｈｅ－４Ｈｅ希釈冷凍機を利用した巨大な冷却装置（クライオスタット）が用いられることもあり集積性に乏しい。さらに系の時間当たりの演算回数を決めるパラメータとなる系のコヒーレンス時間がμｓオーダーで短いといった物理的制約を受ける。また、超伝導方式の量子コンピュータは、１つの量子ビットは隣接する４つの量子ビットとしかエンタングルメント（量子計算に不可欠なビット間にまたがる結合状態）の形成ができない（たとえば、非特許文献３参照）。エンタングルメントを形成可能なノード数は、量子コンピュータの計算性能に直結するパラメータであることを鑑みると、当該方式ではスケールの拡張性に乏しい。
ところで、量子素子の１つとしてダイヤモンド色中心がある（以下単に色中心と呼ぶ）。色中心は、母材を構成する炭素（Ｃ）原子が窒素（Ｎ）やシリコン（Ｓｉ）などの不純物原子により置換されるときに空孔の生成を伴って形成される複合欠陥の一種であり、その電子系はスピンを有する（たとえば、非特許文献５，６参照）。色中心は、固体系でありながらダイヤモンドを構成する炭素原子間の強い結合を反映したｍｓオーダーの長いコヒーレンス時間を有する。さらに色中心は、その電子準位に対しては、マイクロ波によるコヒーレント制御（量子状態制御）と、その準位間の光学遷移過程を利用した室温で動作可能な単一光子源となり得る。そのため、色中心の準位間のエネルギーに等しい共鳴光を入射することで、光子を介した電子スピン状態の読み取りが可能であることが知られている（たとえば、非特許文献７参照）。
さらに、ダイヤモンド色中心の基底状態は結晶場相互作用、外部磁場との相互作用（ゼーマン効果と呼ばれる）、１４Ｎや１３Ｃなどの核スピンを有する原子との相互作用（超微細相互作用）により微細構造に分裂する（たとえば、特許文献２、非特許文献８参照）。したがって、色中心は、超微細相互作用を介して自身の電子スピン状態を核スピンに転写することが可能である。一般に、電子（スピン）は格子やスピンを有する原子・結晶欠陥といった環境との相互作用によって擾乱を受けるが、核スピンは環境との相互作用が弱く擾乱に強いため、ｍｉｎオーダーのコヒーレンス時間をもち、核スピンを含む色中心のスピン系は量子レジスタまたは量子ビットとして高いポテンシャルをもつ。
Nature, （米）, April 24, 2014, Vol.508, p.500-503
"ビジネスおよびサイエンスに向けた初の汎用量子コンピュータ構築の取り組みご報告"、[online]、２０１７年３月８日、ＩＢＭ、［令和２年９月３日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.ibm.com/blogs/solutions/jp-ja/qibm_announcement_2017mar/＞
Nature, （米）, October 24, 2019, Vol.574, p.505-510
"戦略プロポーザルみんなの量子コンピューター"、研究開発戦略センター、２０１８年１２月、CRDS-FY2018-SP-04、ｐ．２１－２２
Physical Review X, （米）, March 31, 2014, 4, 011057
Nature Electronics, （米）, July, 2019, Vol.2, p.284-289
John F. Barry et al, "Sensitivity Optimization for NV-Diamond Magnetometry", （米）, arXiv:1903.08176v2, May 29, 2020
Marcus W. Doherty et al, "The nitrogen-vacancy colour centre in diamond", （米）, arXiv:1905.02094v2, February 15, 2013
Nature Physics, （米）, November, 2005, Vol.1, p.94-98
しかしながら、色中心などを含む単一光子源から放出される単一光子は伝搬空間で損失を受けるため、自由空間光学系では高い検出効率を担保しつつ単一光子源の空間配置を大規模化することが困難であった。
１つの側面では、本発明は、量子コンピュータの大規模化を可能とする量子回路、量子コンピュータ及び量子回路の製造方法を提供することを目的とする。
１つの実施態様では、基板上に形成され、それぞれが単一光子源を含む複数の第１の光導波路及び複数の第２の光導波路と、前記基板上に形成され、前記複数の第１の光導波路を伝搬する第１の光子を集光する第１の合波器と、前記基板上に形成され、前記複数の第２の光導波路を伝搬する第２の光子を集光する第２の合波器と、前記第１の合波器が集光した前記第１の光子と、前記第２の合波器が集光した前記第２の光子とを導入し、第１の方向または第２の方向に分岐させる分岐素子と、前記第１の方向または前記第２の方向に分岐した前記第１の光子または前記第２の光子を検出する第１の検出器及び第２の検出器と、を含む量子回路が提供される。
また、１つの実施態様では、量子コンピュータが提供される。
また、１つの実施態様では、量子回路の製造方法が提供される。
また、１つの実施態様では、量子回路の製造方法が提供される。
１つの側面では、本発明は、大規模量子コンピュータの提供が可能となる。
本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。
本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。
以下、発明を実施するための形態を、図面を参照しつつ説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の量子回路の単位構造の一例を示す上面図である。
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の量子回路の単位構造の一例を示す上面図である。
量子回路１０の単位構造は、アレイ状に形成されそれぞれが単一光子源（図１の単一光子源１１ａ１，１１ａ２，１１ａ３，１１ａ４，１１ａ５のうちの１つ）を含む複数の光導波路１２ａ１，１２ａ２，１２ａ３，１２ａ４，１２ａ５と、合波器１３ａを有する。これらは同一基板上に形成されている。なお、光導波路の本数は、５本に限定されるものではなく、６本以上とすることも可能である。
以下、単一光子源が前述の色中心を含むものであるとして説明するが、単一光子源は色中心を含むものに限定されるものではなく、他の単一光子源を用いることもできる。他の単一光子源として、たとえば、半導体量子ドットを含むものがある。
色中心は、ダイヤモンド単結晶内の不純物原子と、不純物原子と隣接する空孔とによって形成される複合欠陥の一種である。不純物原子は、窒素（Ｎ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）または鉛（Ｐｂ）のうちの少なくとも１つである。図１には、窒素を用いた色中心（以下、ＮＶ中心という）の例が示されている。Ｖは、空孔であり、黒丸は炭素原子である。
光導波路１２ａ１～１２ａ５として、たとえば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などを用いた伝搬損失が低い細線導波路を用いることができる。
合波器１３ａは、光導波路１２ａ１～１２ａ５を伝搬する光子を集光する。合波器１３ａの具体例については後述するが、合波器１３ａについても伝搬損失を低減する構成とすることができる。
合波器１３ａは、光導波路１２ａ１～１２ａ５を伝搬する光子を集光する。合波器１３ａの具体例については後述するが、合波器１３ａについても伝搬損失を低減する構成とすることができる。
また、図１の例では、量子回路１０は、単一光子源１１ａ１～１１ａ５のそれぞれに対して個別にマイクロ波のパルス信号を与えるＭＷパルス信号発生器１４ａ１，１４ａ２，１４ａ３，１４ａ４，１４ａ５を有している。マイクロ波のパルス信号は、量子ビットとして機能する複合欠陥（色中心）の電子スピン状態の操作に用いられる。
さらに、図１の例では、量子回路１０は、単一光子源１１ａ１～１１ａ５のそれぞれに対して個別に静磁場を印加する磁場発生器１５ａ１，１５ａ２，１５ａ３，１５ａ４，１５ａ５を有している。静磁場は、後述のゼーマン分裂を発生させる。なお、磁場発生器は、基底準位及び励起準位のゼーマン分裂幅が均一な色中心を形成できれば、単一光子源１１ａ１～１１ａ５に対して個々に設けなくてもよく、全体に均一な静磁場を印加するものであってもよい。
ＭＷパルス信号発生器１４ａ１～１４ａ５と磁場発生器１５ａ１～１５ａ５は、単一光子源１１ａ１～１１ａ５の下方に配置される。
図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線における断面図である。
図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線における断面図である。
図２にはＭＷパルス信号発生器１４ａ１～１４ａ５のうちの１つであるＭＷパルス信号発生器１４ａ３と、磁場発生器１５ａ１～１５ａ５のうちの１つである磁場発生器１５ａ３の概略形状が示されている。ＭＷパルス信号発生器１４ａ３や磁場発生器１５ａ３はループ型の形状を有しており、層２５に形成されている。
層２５の上には、半導体基板２６（たとえば、シリコン基板）が設けられ、半導体基板２６の上に絶縁層２７（たとえば、シリコン酸化膜）を介して単一光子源１１ａ３を含む光導波路１２ａ３や合波器１３ａが形成されている。絶縁層２７は、光導波路１２ａ３や合波器１３ａの密着性を高めるために形成されている。
図３は、ＮＶ中心の量子準位の変化の例を示す図である。
ＮＶ中心は、ｓ（スピン量子数）＝１であり、静磁場が印加されていない場合でも結晶場分裂によって、図３のようにｍｓ（磁気量子数）＝０の準位と、ｍｓ＝±１の準位が縮退している準位である２つの基底準位を有する基底三重項状態３Ａ２をもつ。２準位間のエネルギーに対応した周波数は２．８８ＧＨｚ程度である。この状態において、ＮＶ中心の軸方向に静磁場が印加された場合、ゼーマン分裂によってｍｓ＝±１の準位の縮退が解け、基底準位は３準位となる。ｍｓ＝＋１の準位とｍｓ＝－１の準位間のエネルギーに対応した周波数は０．１ＧＨｚ程度である。また、ＮＶ中心は、１４Ｎや１３Ｃなどの核スピンを有する原子との相互作用によって、３準位のそれぞれはさらに微細な準位に分裂される。つまり、電子スピン状態と核スピン状態とが互いに結合されることで、さらに細かい準位が形成される。３つの準位のそれぞれが分裂される準位の幅のエネルギーに対応した周波数は０．００５ＧＨｚ以下程度である。
ＮＶ中心は、ｓ（スピン量子数）＝１であり、静磁場が印加されていない場合でも結晶場分裂によって、図３のようにｍｓ（磁気量子数）＝０の準位と、ｍｓ＝±１の準位が縮退している準位である２つの基底準位を有する基底三重項状態３Ａ２をもつ。２準位間のエネルギーに対応した周波数は２．８８ＧＨｚ程度である。この状態において、ＮＶ中心の軸方向に静磁場が印加された場合、ゼーマン分裂によってｍｓ＝±１の準位の縮退が解け、基底準位は３準位となる。ｍｓ＝＋１の準位とｍｓ＝－１の準位間のエネルギーに対応した周波数は０．１ＧＨｚ程度である。また、ＮＶ中心は、１４Ｎや１３Ｃなどの核スピンを有する原子との相互作用によって、３準位のそれぞれはさらに微細な準位に分裂される。つまり、電子スピン状態と核スピン状態とが互いに結合されることで、さらに細かい準位が形成される。３つの準位のそれぞれが分裂される準位の幅のエネルギーに対応した周波数は０．００５ＧＨｚ以下程度である。
なお、上記では基底準位についての変化を示したが、励起状態についても同様の変化を示す。
図４は、ＮＶ中心の電子スピン状態の操作と状態の読み出し方法の一例を示す図である。図４には、静磁場印加後のＮＶ中心の基底状態（３Ａ）と、励起状態（３Ｅ）が示されている。なお、図４では、３Ａ、３Ｅとも核スピンとの相互作用により生じる細かい準位についてもｍｓ＝０，±１の３つの準位のそれぞれにまとめて１本の線により示されている。
図４は、ＮＶ中心の電子スピン状態の操作と状態の読み出し方法の一例を示す図である。図４には、静磁場印加後のＮＶ中心の基底状態（３Ａ）と、励起状態（３Ｅ）が示されている。なお、図４では、３Ａ、３Ｅとも核スピンとの相互作用により生じる細かい準位についてもｍｓ＝０，±１の３つの準位のそれぞれにまとめて１本の線により示されている。
ＮＶ中心は、電子スピン状態と核スピン状態における複数の量子準位のうち、準位間のエネルギー差が、ＮＶ中心に照射されるレーザのエネルギー線幅より小さく、レーザにより同時に共鳴励起可能な程度に近い２系列の２つの準位を内包している。
本実施の形態では、上記２つの準位である、ｍｓ＝０の準位である基底最低準位（状態｜↑＞≡｜０＞の準位）と、ｍｓ＝－１の準位である基底第２準位（状態｜↓＞≡｜－１＞の準位）が、量子ビットの２つの状態の準位として用いられる。なお、ｍｓ＝０の準位である基底最低準位と、ｍｓ＝＋１の準位である基底第１準位を、量子ビットの２つの状態の準位として用いることも可能である。
また、図４には、ラビ振動を示すグラフが示されている。横軸はΩｔ（Ωはラビ振動の周波数、ｔは時間）、縦軸は電子が｜↑＞の状態にいる確率を示す。
たとえば、あるＮＶ中心に対して、パルス幅がｔ＝（π／２）／Ωを満たすようなマイクロ波のパルス信号を与え、｜↑＞と｜↓＞の２準位間で共鳴励起させることで、｜↑＞と｜↓＞の重ね合わせ状態：（１／√２）（｜↑＞＋｜↓＞））を得ることができる。この操作は、量子ゲート操作の１つであるアダマール変換に相当する。
たとえば、あるＮＶ中心に対して、パルス幅がｔ＝（π／２）／Ωを満たすようなマイクロ波のパルス信号を与え、｜↑＞と｜↓＞の２準位間で共鳴励起させることで、｜↑＞と｜↓＞の重ね合わせ状態：（１／√２）（｜↑＞＋｜↓＞））を得ることができる。この操作は、量子ゲート操作の１つであるアダマール変換に相当する。
図１に示したＭＷパルス信号発生器１４ａ１～１４ａ５は、単一光子源１１ａ１～１１ａ５のそれぞれに対して、たとえば、上記のような電子スピン状態の操作を行うために用いられる。
上記のような電子スピン状態の操作によって得られた状態は、基底－励起準位間（３Ｅ－３Ａ）のエネルギー差に等しいエネルギーをもつ光パルス（レーザ）を、ＮＶ中心に与えることで生じる発光の有無によって読み出すことができる。ＮＶ中心の場合、上記エネルギー差に対応する波長は６３７ｎｍである。
ＮＶ中心の電子が｜↑＞の状態である場合（ｍｓ＝０の準位にいる場合）、上記エネルギー差に等しいエネルギーをもつ光パルスをＮＶ中心に与えたとき、発光（緩和発光）が生じる。これに対して、ＮＶ中心の電子が｜↓＞の状態である場合（ｍｓ＝－１の準位にいる場合）、上記エネルギー差に等しいエネルギーをもつ光パルスをＮＶ中心に与えたとき、発光がない非輻射緩和が生じる。発光の有無（光子の有無）は、光導波路１２ａ１～１２ａ５、合波器１３ａなどを介して後述の検出器により検出される。
図５は、第１の実施の形態の量子回路の全体構造の一例を示す上面図である。
量子回路１０は、入力部１０ａ、導波路部１０ｂ、出力部１０ｃを有する。
導波路部１０ｂには、図１に示した単位構造が２つ設けられている。すなわち、導波路部１０ｂは、図１に示した単位構造の他にもう１つの単位構造を有する。もう１つの単位構造は、アレイ状に形成されそれぞれが単一光子源（図３の単一光子源１１ｂ１，１１ｂ２，１１ｂ３，１１ｂ４，１１ｂ５のうちの１つ）を含む複数の光導波路１２ｂ１，１２ｂ２，１２ｂ３，１２ｂ４，１２ｂ５と、合波器１３ｂを有する。なお、図５では図示が省略されているが、図１と同様に、単一光子源１１ａ１～１１ａ５，１１ｂ１～１１ｂ５のそれぞれの下方には、ＭＷパルス信号発生器と磁場発生器が配置されている。
量子回路１０は、入力部１０ａ、導波路部１０ｂ、出力部１０ｃを有する。
導波路部１０ｂには、図１に示した単位構造が２つ設けられている。すなわち、導波路部１０ｂは、図１に示した単位構造の他にもう１つの単位構造を有する。もう１つの単位構造は、アレイ状に形成されそれぞれが単一光子源（図３の単一光子源１１ｂ１，１１ｂ２，１１ｂ３，１１ｂ４，１１ｂ５のうちの１つ）を含む複数の光導波路１２ｂ１，１２ｂ２，１２ｂ３，１２ｂ４，１２ｂ５と、合波器１３ｂを有する。なお、図５では図示が省略されているが、図１と同様に、単一光子源１１ａ１～１１ａ５，１１ｂ１～１１ｂ５のそれぞれの下方には、ＭＷパルス信号発生器と磁場発生器が配置されている。
導波路部１０ｂの光導波路１２ｂ１～１２ｂ５、合波器１３ｂは、光導波路１２ａ１～１２ａ５、合波器１３ａと同様に、図２に示した半導体基板２６上に形成される。これにより、導波路部１０ｂは、１チップにより実現される。なお、入力部１０ａと出力部１０ｃについても、半導体基板２６上に形成するようにしてもよい。
入力部１０ａは、単一光子源１１ａ１～１１ａ５の何れかと、単一光子源１１ｂ１～１１ｂ５の何れかを選択して、光導波路を介して選択した単一光子源に共鳴励起用（または初期化用）の光パルスを照射する。入力部１０ａは、レーザ光源１６ａ，１６ｂ、光導波路１７ａ１，１７ａ２，１７ａ３，１７ａ４，１７ａ５，１７ｂ１，１７ｂ２，１７ｂ３，１７ｂ４，１７ｂ５を有する。さらに、入力部１０ａは、光スイッチ１８ａ１，１８ａ２，１８ａ３，１８ａ４，１８ａ５，１８ｂ１，１８ｂ２，１８ｂ３，１８ｂ４，１８ｂ５を有する。
レーザ光源１６ａ，１６ｂのそれぞれは、前述の状態を読み出すために、共鳴励起用の光パルスを発生する。さらに、レーザ光源１６ａ，１６ｂのそれぞれは、初期化用の光パルスを発生する。
共鳴励起用の光パルスはＮＶ中心の場合、中心波長が前述のエネルギー差に対応した６３７ｎｍに調整される。初期化用の光パルスはＮＶ中心の場合、中心波長が５３２ｎｍに調整される。初期化用の光パルスをＮＶ中心に与えた場合、電子の状態は、ｍｓ＝０の準位であった場合もｍｓ＝±１の準位であった場合も、励起後の緩和過程を経て、ｍｓ＝０の準位に落ち、状態｜↑＞に初期化される。
レーザ光源１６ａが発生した光パルスは、光導波路１７ａ１～１７ａ５と光スイッチ１８ａ１～１８ａ５を介して導波路部１０ｂの光導波路１２ａ１～１２ａ５に導入される。レーザ光源１６ｂが発生した光パルスは、光導波路１７ｂ１～１７ｂ５と光スイッチ１８ｂ１～１８ｂ５を介して導波路部１０ｂの光導波路１２ｂ１～１２ｂ５に導入される。
光スイッチ１８ａ１～１８ａ５，１８ｂ１～１８ｂ５は、たとえば、ＥＡ（Electro-Absorption）効果を利用したＥＡ変調器を用いることができる。ＥＡ変調器に逆バイアス電圧を印加すると、光の吸収量が増加し、光は透過しなくなる。このため、ＥＡ変調器に逆バイアス電圧を印加するか否かにより、レーザ光源１６ａ，１６ｂが発生した光パルスを、光導波路１２ａ１～１２ａ５，１２ｂ１～１２ｂ５に導入するか否かを切り替えることができる。
なお、入力部１０ａは、単一光子源１１ａ１～１１ａ５，１１ｂ１～１１ｂ５の上方から、図５のｚ軸方向に、光パルスを照射するような構成であってもよい。
出力部１０ｃは、フィルタ１９ａ，１９ｂ、分岐素子の一例であるビームスプリッタ２０、検出器２１ａ，２１ｂを有する。
出力部１０ｃは、フィルタ１９ａ，１９ｂ、分岐素子の一例であるビームスプリッタ２０、検出器２１ａ，２１ｂを有する。
合波器１３ａから出力される光はフィルタ１９ａを介して、合波器１３ｂから出力される光はフィルタ１９ｂを介して、それぞれビームスプリッタ２０に導入される。
フィルタ１９ａ，１９ｂは場合によってはなくてもよいが、合波器１３ａ，１３ｂから出力される光から共鳴光の波長域以外の光を除去するために設けた方が望ましい。
フィルタ１９ａ，１９ｂは場合によってはなくてもよいが、合波器１３ａ，１３ｂから出力される光から共鳴光の波長域以外の光を除去するために設けた方が望ましい。
なお、不純物として、シリコン、ゲルマニウム、スズまたは鉛を用いた色中心（スピン量子数がｓ＝１／２）を利用する場合、光学励起による励起準位－基底準位間の緩和発光は、電子が存在する基底状態の準位に応じた異なる波長成分を有する。これらの波長成分の波長差は、一般に検出器２１ａ，２１ｂのエネルギー分解能よりも小さく、判別が困難である。電子の状態をＮＶ中心と同様の方法で判別（発光の有無）するために、フィルタ１９ａ，１９ｂを設け、いずれかの波長成分を除去することが望ましい。
不純物として、シリコン、ゲルマニウム、スズまたは鉛を用いた色中心を利用する場合、室温でもフォノンを介した緩和発光を抑制できるため、不純物として窒素を用いた色中心を利用する場合よりも、室温での動作性能が高い。
フィルタ１９ａ，１９ｂとして、たとえば、ファブリペロー干渉計などを用いることができる。
ビームスプリッタ２０は、合波器１３ａが集光した光子と、合波器１３ｂが集光した光子とを導入し、第１の方向または第２の方向に分岐させる。ビームスプリッタ２０において、第１の方向と第２の方向は直交し、第１の方向と第２の方向に分岐される確率はそれぞれ５０％である（直交５０：５０の構成である）。ビームスプリッタ２０は、たとえば、透過光量と反射光量がほぼ１：１に分けられるハーフミラーである。合波器１３ａから導入される光子はハーフミラーの一方の面に当たり、反射または透過され、合波器１３ｂから導入される光子はハーフミラーの他方の面に当たり、反射または透過される。
ビームスプリッタ２０は、合波器１３ａが集光した光子と、合波器１３ｂが集光した光子とを導入し、第１の方向または第２の方向に分岐させる。ビームスプリッタ２０において、第１の方向と第２の方向は直交し、第１の方向と第２の方向に分岐される確率はそれぞれ５０％である（直交５０：５０の構成である）。ビームスプリッタ２０は、たとえば、透過光量と反射光量がほぼ１：１に分けられるハーフミラーである。合波器１３ａから導入される光子はハーフミラーの一方の面に当たり、反射または透過され、合波器１３ｂから導入される光子はハーフミラーの他方の面に当たり、反射または透過される。
検出器２１ａは、ハーフミラーの一方の面から入射され反射した光子、またはハーフミラーの他方の面から入射され透過した光子を検出する。検出器２１ｂは、ハーフミラーの他方の面から入射され反射した光子、またはハーフミラーの一方の面から入射され透過した光子を検出する。検出器２１ａ，２１ｂとして、たとえば、単一光子検出器であるＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche photo Detector）、またはＳＮＳＰＤ（Superconducting Nanowire Single Photon Detector）を用いることができる。
図５に示すような量子回路１０では、光導波路１２ａ１～１２ａ５の何れかを伝搬した光子と、光導波路１２ｂ１～１２ｂ５の何れかを伝搬した光子とが、ビームスプリッタ２０において合流することで２光子相関が形成される。これによって、光子を介して間接的に異なる色中心間のエンタングルメントを形成することができる。
図６は、色中心間のエンタングルメントの形成を説明する図である。
図６には、色中心としてＮＶ中心を用いた例が示されている。ＮＶ中心Ａは、図５の単一光子源１１ａ１～１１ａ５の何れかに含まれるＮＶ中心であり、ＮＶ中心Ｂは、図５の単一光子源１１ｂ１～１１ｂ５の何れかに含まれるＮＶ中心である。
図６には、色中心としてＮＶ中心を用いた例が示されている。ＮＶ中心Ａは、図５の単一光子源１１ａ１～１１ａ５の何れかに含まれるＮＶ中心であり、ＮＶ中心Ｂは、図５の単一光子源１１ｂ１～１１ｂ５の何れかに含まれるＮＶ中心である。
前述のようなマイクロ波のパルス信号が与えられ、ＮＶ中心Ａ，Ｂのそれぞれが｜↑＞と｜↓＞の重ね合わせ状態となる。この状態で、レーザ光源１６ａ，１６ｂが発生した中心波長が６３７ｎｍの光パルスがＮＶ中心Ａ，Ｂに与えられると、ビームスプリッタ２０により、２光子相関が形成される。これにより、間接的にＮＶ中心Ａ，Ｂによる２つの量子ビットがエンタングル状態となる。この操作は、量子ゲート操作の１つである制御ＮＯＴゲートの操作に相当する。
以上のような量子回路１０では、同一基板上に単一光子源１１ａ１～１１ａ５，１１ｂ１～１１ｂ５を含む光導波路１２ａ１～１２ａ５，１２ｂ１～１２ｂ５をアレイ状に配置するとともに各光導波路を伝搬する光子を集光する合波器１３ａ，１３ｂを設けている。これにより、量子ビットとして機能する単一光子源（上記の例では色中心）を多数、集積化できるため、大規模な量子コンピュータが実現可能となる。なお、光導波路１２ａ１～１２ａ５，１２ｂ１～１２ｂ５を用いて光子を伝搬することで、自由空間光学系により光子を伝搬させる場合よりも伝搬損失を低減できるため、高い検出効率が期待できる。
また、隣接する量子ビット間に制約されずに、図５の例では、単一光子源１１ａ１～１１ａ５の何れかによる量子ビットと、単一光子源１１ｂ１～１１ｂ５の何れかによる量子ビットとの間で、５×５の組合せでエンタングルメントを発生させることができる。この組み合わせは、後述する合波器１３ａ，１３ｂの構成によりさらに増やすことができる。隣接する量子ビット間でしかエンタングルができない構造のものは、非隣接量子ビット同士のエンタングルメントの形成にはエンタングルメントの転送工程が必要となるが、上記の量子回路１０ではこの工程を省略することができる。このため、計算コストを大幅に低減することができる。
（合波器の例）
図７は、合波器の１つ目の例を示す図である。図７では、図５に示した合波器１３ａの例を示しているが、合波器１３ｂについても同様の構成とすることができる。
図７は、合波器の１つ目の例を示す図である。図７では、図５に示した合波器１３ａの例を示しているが、合波器１３ｂについても同様の構成とすることができる。
合波器１３ａは、光導波路１２ａ１～１２ａ５に接続するアレイ上に形成された光導波路３１，３２，３３，３４，３５と、光導波路３１～３５を伝搬した光子を、合波器１３ａの出力端子に導く扇形の平面導波路３６を有する。
光導波路３１～３５は、平面導波路３６の円弧に対して直角に接続されるように、外側に配置されるものほど大きく曲げられる。光導波路１２ａ１～１２ａ５間（合波器１３ａの入力ポート間）の光路差を補償するとともに、光導波路３１～３５内での光子の反射による伝搬損失を低減するために、光導波路１２ａ１～１２ａ５から入射される光子も光導波路３１～３５の曲げの程度に応じて屈折させることが望ましい。
このため、光導波路３１～３５は、光導波路１２ａ１～１２ａ５よりも屈折率が低く、光導波路３１～３５のうち、中央側に配置されるものほど屈折率が高くなっている。たとえば、光導波路１２ａ１～１２ａ５が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）（屈折率：２．２）により形成されている場合、光導波路３１～３５は酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）（屈折率：１．８５）により形成される。ＳｉＯＮは、酸素と窒素の組成比を変えることで屈折率を変えることができる。酸素の濃度が高くなるほど屈折率が低くなり、ＳｉＯ２の屈折率＝１．４５に近づく。窒素の濃度が高くなるほど屈折率が高くなり、窒化シリコン（ＳｉＮ）の屈折率＝１．９５に近づく。曲げの程度が多く、より屈折率を低くすべき外側の光導波路（たとえば、光導波路３１，３５など）ほど酸素の濃度が高く形成されており、より屈折率を高くすべき中央側の光導波路（たとえば、光導波路３３など）ほど窒素の濃度が高く形成されている。
扇形の平面導波路３６は、円弧に接続された光導波路３１～３５から入射された光子を、扇形の中心角に位置する合波器１３ａの出力端子に伝搬させる。平面導波路３６は、たとえば、均一の組成のＳｉＯＮにより形成される。
たとえば、合波器１３ａの図７のｘ軸及びｙ軸方向の長さを３０μｍ、光導波路１２ａ１～１２ａ５の導波路径を０．５μｍ、導波路間隔を３μｍ、平面導波路３６の中心角部分での隣接光路間の角度を５°とした場合、ポート数を最低１０とすることができる。つまり、５本の光導波路１２ａ１～１２ａ５だけではなく、さらに５本の光導波路を追加することができる。この場合、図５に示した導波路部１０ｂの、ｘ軸方向の長さは、たとえば、４００μｍ程度、ｙ軸方向の長さは、たとえば、１００μｍ程度とすればよい。
これにより、合波器１３ａ，１３ｂのそれぞれに１０本の光導波路を接続することで、合波器１３ａ，１３ｂのそれぞれから出てくる光子による２光子相関によって、１０×１０＝１００通りの色中心間のエンタングルメントを発生させることができる。
なお、導波路部１０ｂのｚ軸方向の長さ（図２の構造の厚さ）は、たとえば、５００μｍ程度とすることが考えられる。
図８は、合波器の２つ目の例を示す図である。図８では、図５に示した合波器１３ａの代わりの合波器１３ｃの例を示しているが、合波器１３ｂについても同様の構成とすることができる。
図８は、合波器の２つ目の例を示す図である。図８では、図５に示した合波器１３ａの代わりの合波器１３ｃの例を示しているが、合波器１３ｂについても同様の構成とすることができる。
図８に示されている合波器１３ｃも、図７に示した合波器１３ａと同様に、光導波路１２ａ１～１２ａ５に接続するアレイ上に形成された光導波路４１，４２，４３，４４，４５と、扇形の平面導波路４６を有する。ただし、合波器１３ｃは、合波器１３ａと異なり、図８のｘ軸方向の長さがｙ軸方向の長さよりも長い、鋭角三角形状となっている。これにより、光導波路４１～４５の曲げの曲率を緩やかにでき、平面導波路４６に対する接続部分における損失を低減することができる。
（量子回路の製造方法の例）
以下、量子回路１０の製造方法の一例を説明する。
図９は、単一光子源を含む光導波路の製造工程の一例を示す断面図である。なお、図９では、ＭＷパルス信号発生器１４ａ１～１４ａ５や磁場発生器１５ａ１～１５ａ５が形成される図２に示した層２５は図示が省略されている。
以下、量子回路１０の製造方法の一例を説明する。
図９は、単一光子源を含む光導波路の製造工程の一例を示す断面図である。なお、図９では、ＭＷパルス信号発生器１４ａ１～１４ａ５や磁場発生器１５ａ１～１５ａ５が形成される図２に示した層２５は図示が省略されている。
半導体基板２６（たとえば、シリコン基板）上に、たとえば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により絶縁層２７（たとえば、ＳｉＯ２膜）が形成される。そして、絶縁層２７上に、単一光子源１１ａ３を含む光導波路１２ａ３（及び図５の導波路部１０ｂの他の光導波路）が形成される。
たとえば、ＮＶ中心を含むダイヤモンドを用いた単一光子源１１ａ３は、ＣＶＤ法によるダイヤモンドの気相成長中に、リン（Ｐ）原子などのｎ型不純物をドープすることで、形成することができる。光導波路１２ａ３において、単一光子源１１ａ３から発生した光子を合波器１３ａに伝搬する細線導波路部分は、たとえば、材料としてＡｌＮが用いられる。細線導波路部分は、合波器形成領域５０をマスク材５１によりマスクした状態で、フォトリソグラフィ技術またはＥＢ（Electron Beam）技術を用いてパターニングされる。パターニングでは、たとえば、耐熱性を有するＳｉＮがマスク材５１として用いられる。
その後、以下に示す合波器１３ａ，１３ｂの製造工程が行われる。
図１０～図１９は、合波器の製造工程の一例を示す斜視図である。以下では、図７に示した合波器１３ａの製造方法の例を説明するが、図８に示した合波器１３ｃについても同様の方法で製造可能である。なお、図１０～図１９では、図９に示した光導波路１２ａ３部分については図示が省略されている。合波器１３ａ，１３ｂを形成する際には、光導波路１２ａ３（及び図５の導波路部１０ｂの他の光導波路）の形成領域についてはマスクされている。
図１０～図１９は、合波器の製造工程の一例を示す斜視図である。以下では、図７に示した合波器１３ａの製造方法の例を説明するが、図８に示した合波器１３ｃについても同様の方法で製造可能である。なお、図１０～図１９では、図９に示した光導波路１２ａ３部分については図示が省略されている。合波器１３ａ，１３ｂを形成する際には、光導波路１２ａ３（及び図５の導波路部１０ｂの他の光導波路）の形成領域についてはマスクされている。
図１０のように、半導体基板２６上に、たとえば、ＣＶＤ法により絶縁層６０、マスク材６１が堆積される。以下に示す例では、図７の光導波路３１～３５の母材として、ＳｉＯ２を用いるものとし、絶縁層６０として、ＳｉＯ２膜が形成される。絶縁層６０は、たとえば、図９に示した絶縁層２７を一旦除去した後、形成済みの光導波路１２ａ１～１２ａ５，１２ｂ１～１２ｂ５との高さが合うような厚みで形成される。
光導波路３１～３５の製造は、たとえば、熱窒化により混入される酸素（または窒素）の濃度ごとに別々に行われる。たとえば、まず、窒素の濃度が最も高い光導波路３３の製造が行われる。その場合、フォトリソグラフィ技術またはＥＢ技術を用いたパターニングにより、マスク材６１に開口部６１ａが形成され、絶縁層６０において光導波路３３が形成される部分が露出される（図１１）。なお、パターニングの際には、形成される光導波路３３に対して、導波路部１０ｂの光導波路１２ａ３からの光が導入されるように適切に位置合わせが行われる。光導波路３１，３２，３４，３５の製造時のパターニングについても同様である。
そして、絶縁層６０の露出部分に対して熱窒化が行われることで光導波路３３が形成される（図１２）。混入される窒素の濃度の調整は、熱窒化時の処理温度や処理時間などにより調整可能である。
次に、２番目に窒素の濃度が高い光導波路３２，３４の製造のためにパターニングによってマスク材６１に開口部６１ｂ，６１ｃが形成され（図１３）、熱窒化により光導波路３２，３４が形成される（図１４）。
その後、最も窒素の濃度が低い（最も酸素の濃度が高い）光導波路３１，３５の製造のためにパターニングによってマスク材６１に開口部６１ｄ，６１ｅが形成され（図１５）、熱窒化により光導波路３１，３５が形成される（図１６）。
そして、平面導波路３６の製造のためにパターニングによってマスク材６１に開口部６１ｆが形成され（図１７）、熱窒化により平面導波路３６が形成される（図１８）。
その後、マスク材６１が、たとえば、熱リン酸（Ｈ３ＰＯ４）などを用いたウェット処理により剥離され、合波器１３ａが完成する（図１９）。
その後、マスク材６１が、たとえば、熱リン酸（Ｈ３ＰＯ４）などを用いたウェット処理により剥離され、合波器１３ａが完成する（図１９）。
（マイクロ波及び光学励起用のレーザの偏光について）
なお、前述した色中心の状態操作に用いるマイクロ波のパルス信号については、色中心の軸方向（方位）及び静磁場の印加方向に対する電場ベクトルの向き（偏光）を考慮することが望ましい。
なお、前述した色中心の状態操作に用いるマイクロ波のパルス信号については、色中心の軸方向（方位）及び静磁場の印加方向に対する電場ベクトルの向き（偏光）を考慮することが望ましい。
図２０は、色中心の軸方向と静磁場の向きと電場ベクトルの向きの例を示す図である。
図２０では、ダイヤモンドの［１１１］面と平行に色中心（ＮＶ中心）の軸方向が形成されており、さらに静磁場（Ｂ）の印加方向も色中心の軸方向と平行である例が示されている。
図２０では、ダイヤモンドの［１１１］面と平行に色中心（ＮＶ中心）の軸方向が形成されており、さらに静磁場（Ｂ）の印加方向も色中心の軸方向と平行である例が示されている。
操作対象となる色中心の基底準位（ｍｓ＝０とｍｓ＝－１）はスピン（の向き）が異なる。そのため、ｍｓ＝０とｍｓ＝－１との状態操作を行うためには、遷移選択則（角運動量保存則）から、マイクロ波のパルス信号の波数ベクトルｋをＮＶ中心の軸方向及び静磁場Ｂの印加方向と平行にして、その電場を直線偏光（σ±）にすることになる。このことは、他の色中心（スピン量子数がｓ＝１／２のもの）の場合についても同様である。
また、光学励起用のレーザについても同様に、偏光が考慮される。操作対象となる色中心の基底準位は光学遷移において高い直線偏光性を有する（たとえば、非特許文献９の図２など参照）。そのため、色中心に対し、より吸収強度とそれに伴う発光強度を高められる向きにレーザの偏光（直線偏光）を合わせることが重要である。偏光の調整には、半波長板などが用いられる。
（量子コンピュータの例）
図２１は、量子コンピュータの一例を示す図である。
量子コンピュータ７０は、図５に示した量子回路１０と、制御装置７１を有する。
図２１は、量子コンピュータの一例を示す図である。
量子コンピュータ７０は、図５に示した量子回路１０と、制御装置７１を有する。
制御装置７１は、レーザ光源１６ａ，１６ｂの光パルスの照射を制御するとともに、検出器２１ａ，２１ｂにより検出された光子の数に基づいた処理を行う。より具体的には、制御装置７１は、量子回路１０のレーザ光源１６ａ，１６ｂによるレーザの光パルスの発生タイミング、ＭＷパルス信号発生器（図１のＭＷパルス信号発生器１４ａ１～１４ａ５など）のマイクロ波のパルス信号の発生タイミングなどを制御する。さらに、制御装置７１は、磁場発生器（図１の磁場発生器１５ａ１～１５ａ５など）の印加タイミングや、図５の光スイッチ１８ａ１～１８ａ５，１８ｂ１～１８ｂ５を制御する。制御装置７１は、計算対象の量子計算の種類によって、これらの制御を検出された光子の数（光子の有無）に基づいて行う場合もある（たとえば、後述の量子テレポーテーションを行う場合など）。
制御装置７１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのハードウェアであるプロセッサを含んでいてもよい。また、制御装置７１は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの特定用途の電子回路を含んでもよい。また、制御装置７１は、複数のＲＡＭ（Random Access Memory）などの揮発性のメモリ、または、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やフラッシュメモリなどの不揮発性のメモリを含んでいてもよい。たとえば、不揮発性のメモリには、計算対象の量子計算の種類に応じて量子回路１０の各部を制御する制御プログラムが記憶されており、制御装置７１は、その制御プログラムを実行することで、量子回路１０の各部を制御して量子計算を実行する。
（量子計算例）
図２２は、量子計算の一例を示す図である。図２２では、量子計算の１つである量子テレポーテーションを行う量子テレポーテーション回路８０の一例が示されている。
図２２は、量子計算の一例を示す図である。図２２では、量子計算の１つである量子テレポーテーションを行う量子テレポーテーション回路８０の一例が示されている。
量子テレポーテーション回路８０は、前述のエンタングルメントの効果を利用して、離れた場所に（異なる量子ビットに）状態｜Ψ＞Ａを転送する量子計算を行う。量子テレポーテーション回路８０は、アダマールゲート８１，８２，８４，８６、制御ＮＯＴゲート８３，８５，８７、測定ゲート８８，８９、パウリＸゲート９０、パウリＺゲート９１を有する。
上記のような量子テレポーテーション回路８０は、図５に示した導波路部１０ｂにおいて、たとえば、単一光子源１１ａ１～１１ａ５のうちの２つと、単一光子源１１ｂ１～１１ｂ５のうちの１つの計３つを量子ビットとして用いることで実現できる。以下、単一光子源１１ａ１による量子ビットを量子ビットＡ１、単一光子源１１ａ２による量子ビットを量子ビットＡ２、単一光子源１１ｂ１による量子ビットを量子ビットＢとして、これらの３つの量子ビットを用いた場合の計算手順を説明する。
量子ビットＡ１の状態が｜Ψ＞Ａであるものとする。｜Ψ＞Ａは、状態｜０＞と状態｜－１＞との線形結合であり、ｃ０｜０＞＋ｃ１｜－１＞と表せる。ｃ０とｃ１は所定の係数である。
まず、制御装置７１は磁場発生器により、量子ビットＡ１，Ａ２，Ｂに対してそれぞれ静磁場を印加させる。これにより、ｍｓ＝±１の準位の縮退が解け、ｍｓ＝－１とｍｓ＝＋１の２つの準位に分裂する（図３参照）。
次に、制御装置７１は、光スイッチ１８ａ２，１８ｂ１をオン、その他の光スイッチ１８ａ１，１８ａ３～１８ａ５，１８ｂ２～１８ｂ５をオフし、レーザ光源１６ａ，１６ｂに、初期化用の光パルスを発生させる。初期化用の光パルスはＮＶ中心の場合、中心波長が５３２ｎｍに調整される。初期化用のパルス信号が照射されることによって、量子ビットＡ２，Ｂの状態は、ｍｓ＝０の準位であった場合もｍｓ＝±１の準位であった場合も、励起後の緩和過程を経て、ｍｓ＝０の準位に落ち、状態｜↑＞≡｜０＞に初期化される。図２２では、量子ビットＡ２の初期状態が｜０＞Ａ、量子ビットＢの初期状態が｜０＞Ｂと表記されている。
その後、制御装置７１は、量子ビットＡ２，Ｂに対して設けられているＭＷパルス信号発生器に、パルス信号（π／２パルス（ブロッホ空間上で規定される量子ビットの状態ベクトルをｘ軸の回りに９０°回転させるパルス））を発生させる。これにより、量子ビットＡ２，Ｂに対するアダマールゲート８１，８２の操作（アダマール変換）が行われ、量子ビットＡ２，Ｂは、状態｜０＞と状態｜－１＞の重ね合わせ状態となる。
さらに、制御装置７１は、レーザ光源１６ａ，１６ｂに、共鳴励起用の光パルスを発生させる。共鳴励起用の光パルスはＮＶ中心の場合、中心波長が６３７ｎｍに調整される。共鳴励起用の光パルスは、量子ビットＡ２，Ｂに照射され、ビームスプリッタ２０により、制御ＮＯＴゲート８３の操作が行われる。これによって、量子ビットＡ２，Ｂとの間で、前述のように光子を介したエンタングルメントが形成される。
次に、制御装置７１は、光スイッチ１８ａ１，１８ｂ１をオン、その他の光スイッチ１８ａ２～１８ａ５，１８ｂ２～１８ｂ５をオフする。そして、制御装置７１は、量子ビットＢに対して設けられているＭＷパルス信号発生器に、再度パルス信号（π／２パルス）を発生させる。これにより、量子ビットＢに対するアダマールゲート８４の操作（アダマール変換）が行われ、量子ビットＢは、再度、状態｜０＞と状態｜－１＞の重ね合わせ状態となる。
その後、制御装置７１は、レーザ光源１６ａ，１６ｂに、共鳴励起用の光パルスを発生させる。共鳴励起用の光パルスは、量子ビットＡ１，Ｂに照射され、ビームスプリッタ２０により、制御ＮＯＴゲート８５の操作が行われる。これによって、量子ビットＡ１，Ｂとの間で、光子を介したエンタングルメントが形成される。
そして、制御装置７１は、量子ビットＡ１に対して設けられているＭＷパルス信号発生器に、再度パルス信号（π／２パルス）を発生させる。これにより、量子ビットＡ１に対するアダマールゲート８６の操作（アダマール変換）が行われ、量子ビットＡ１は、状態｜０＞と状態｜－１＞の重ね合わせ状態となる。
その後、制御装置７１は、レーザ光源１６ａに、共鳴励起用の光パルスを発生させる。光パルスは、アダマール変換後の量子ビットＡ１に照射され、検出器２１ａ，２１ｂによって光子の有無として、量子ビットＡ１の状態｜０＞または｜－１＞が検出される。この操作が、測定ゲート８８の操作である。
次に、制御装置７１は、再度、光スイッチ１８ａ２，１８ｂ１をオン、その他の光スイッチ１８ａ１，１８ａ３～１８ａ５，１８ｂ２～１８ｂ５をオフする。そして、制御装置７１は、レーザ光源１６ａ，１６ｂに、共鳴励起用の光パルスを発生させる。共鳴励起用の光パルスは、量子ビットＡ２，Ｂに照射され、ビームスプリッタ２０により、制御ＮＯＴゲート８７の操作が行われる。これによって、量子ビットＡ２，Ｂとの間で、光子を介したエンタングルメントが形成される。
その後、制御装置７１は、レーザ光源１６ａ，１６ｂのうち、レーザ光源１６ａによる光パルスの発生を停止させ、検出器２１ａ，２１ｂによって光子の有無として、量子ビットＢの状態｜０＞または｜－１＞が検出される。この操作が、測定ゲート８９の操作である。
そして、制御装置７１は、レーザ光源１６ｂによる光パルスの発生を停止させ、測定ゲート８８，８９による検出結果に基づいて、量子ビットＡ２に対して設けられたＭＷパルス信号発生器に、パウリＸゲート９０またはパウリＺゲート９１の操作を行わせる。
制御装置７１は、検出結果が｜００＞の場合（測定ゲート８８，８９による検出結果が両方、状態｜０＞の場合）、パウリＸゲート９０及びパウリＺゲート９１の何れの操作も実行させない。制御装置７１は、検出結果が｜０－１＞の場合（測定ゲート８８による検出結果が状態｜０＞、測定ゲート８９による検出結果が状態｜－１＞の場合）、パウリＸゲート９０の操作を実行させる。パウリＸゲート９０の操作は、量子ビットＡ２に対して設けられたＭＷパルス信号発生器に、±πパルスを発生させる操作である。制御装置７１は、検出結果が｜－１０＞の場合（測定ゲート８８による検出結果が状態｜－１＞、測定ゲート８９による検出結果が状態｜０＞の場合）、パウリＸゲート９０の操作を実行させずに、パウリＺゲート９１の操作を実行させる。パウリＺゲート９１の操作は、量子ビットＡ２に対して設けられたＭＷパルス信号発生器に、±２πパルスを発生させる操作である。制御装置７１は、検出結果が｜－１－１＞の場合（測定ゲート８８，８９による検出結果が両方、状態｜－１＞の場合）、パウリＸゲート９０とパウリＺゲート９１の操作を両方実行させる。
これにより、量子ビットＡ１の状態｜Ψ＞Ａが、量子ビットＡ２に転送される。
以上のように、図５に示した量子回路１０を用いて、量子テレポーテーションが実現される。
以上のように、図５に示した量子回路１０を用いて、量子テレポーテーションが実現される。
（第２の実施の形態）
図２３は、第２の実施の形態の量子回路の一例を示す図である。図２３において図５に示した量子回路１０と同じ要素については同一符号が付されている。
図２３は、第２の実施の形態の量子回路の一例を示す図である。図２３において図５に示した量子回路１０と同じ要素については同一符号が付されている。
第２の実施の形態の量子回路１００は、入力部１００ａ、導波路部１００ｂ、出力部１００ｃを有する。なお、図２３では、ＭＷパルス信号発生器や磁場発生器の図示が省略されている。
入力部１００ａは、図５に示した量子回路１０の入力部１０ａと異なり、図５の単一光子源１１ｂ１～１１ｂ５に光パルスを供給する構成が設けられていない。
導波路部１００ｂは、単一光子源１１ａ１～１１ａ５のそれぞれから発生する光子が、異なる２層に形成される光導波路の何れかを介して合波器１３ａまたは合波器１３ｂに伝搬される。すなわち、合波器１３ａに接続される複数の光導波路のそれぞれが、合波器１３ｂに接続される複数の光導波路の何れかと、単一光子源を共有する構成となっている。
導波路部１００ｂは、単一光子源１１ａ１～１１ａ５のそれぞれから発生する光子が、異なる２層に形成される光導波路の何れかを介して合波器１３ａまたは合波器１３ｂに伝搬される。すなわち、合波器１３ａに接続される複数の光導波路のそれぞれが、合波器１３ｂに接続される複数の光導波路の何れかと、単一光子源を共有する構成となっている。
たとえば、図２３の光導波路１０１ａ１，１０１ａ２，…，１０１ａ５は、上層側の層に形成され、その層に形成される合波器１３ａに接続される。図２３の光導波路１０１ｂ１，１０１ｂ２，…，１０１ｂ５は、下層側の層に形成され、その層に形成される合波器１３ｂに接続される。
また、光導波路１０１ａ１～１０１ａ５，１０１ｂ１～１０１ｂ５には、ＥＯ（Electro-Optic）効果を利用した変調器であるＥＯ変調器１０２ａ１，１０２ａ２，…，１０２ａ５，１０２ｂ１，１０２ｂ２，…，１０２ｂ５が設けられている。
ＥＯ変調器１０２ａ１～１０２ａ５，１０２ｂ１～１０２ｂ５は、光スイッチの機能を有し、制御装置７１の制御のもと、上層または下層の何れの光導波路を用いるか否か（合波器１３ａ，１３ｂに光子を伝搬させるか否か）を切り替えることができる。さらに、ＥＯ変調器１０２ａ１～１０２ａ５，１０２ｂ１～１０２ｂ５は、屈折率変化の際にロスが少ないという利点をもつ。また、ＥＯ変調器１０２ａ１～１０２ａ５，１０２ｂ１～１０２ｂ５は、光導波路の上層と下層への分岐をなだらかにして、屈折率の実部だけを大きくアップダウンさせる機能を有する。
なお、ＥＯ変調器以外の光スイッチを用いてもよい。
出力部１００ｃの構成は、図５の出力部１０ｃの構成と同じである。
第２の実施の形態の量子回路１００によれば、第１の実施の形態の量子回路１０と同様の効果が得られるとともに、隣接する色中心による量子ビット間においてもエンタングルメントを形成することができる。
出力部１００ｃの構成は、図５の出力部１０ｃの構成と同じである。
第２の実施の形態の量子回路１００によれば、第１の実施の形態の量子回路１０と同様の効果が得られるとともに、隣接する色中心による量子ビット間においてもエンタングルメントを形成することができる。
たとえば、制御装置７１の制御のもと、単一光子源１１ａ１，１１ａ２に共鳴励起用の光パルスが照射され、ＥＯ変調器１０２ａ１，１０２ｂ２による光スイッチをオン、ＥＯ変調器１０２ｂ１，１０２ａ２による光スイッチをオフさせた場合を考える。この場合、単一光子源１１ａ１が発生する光子は、上層の光導波路１０１ａ１と合波器１３ａを伝搬してフィルタ１９ａを介してビームスプリッタ２０に導入される。一方、単一光子源１１ａ２が発生する光子は、下層の光導波路１０１ｂ２と合波器１３ｂを伝搬してフィルタ１９ｂを介してビームスプリッタ２０に導入される。これにより、光子を介して、単一光子源１１ａ１，１１ａ２に含まれる隣接する色中心による量子ビット間においてエンタングルメントが形成される。
（第３の実施の形態）
図２４は、第３の実施の形態の量子回路の一例を示す図である。図２４において図５に示した量子回路１０と同じ要素については同一符号が付されている。
図２４は、第３の実施の形態の量子回路の一例を示す図である。図２４において図５に示した量子回路１０と同じ要素については同一符号が付されている。
第３の実施の形態の量子回路１１０は、導波路部１００ｂ、出力部１００ｃを有する。なお、図２４では、ＭＷパルス信号発生器や磁場発生器の図示が省略されているが、これは、たとえば、単一光子源１１１ａ１，１１１ａ２，…，１１１ａ５のそれぞれの下方に配置されている。
単一光子源１１１ａ１～１１１ａ５の何れかを選択して、選択した単一光子源に共鳴励起用（または初期化用）の光パルスを照射する入力部についても図示が省略されているが、第３の実施の形態の量子回路１１０では、単一光子源１１１ａ１～１１１ａ５に対して上方から、図２４のｚ軸方向に光パルスが照射される。
導波路部１００ｂは、単一光子源１１１ａ１～１１１ａ５のそれぞれから発生する光子が、同一層（同一平面）に形成される異なる２つの光導波路の何れかを介して合波器１３ａまたは合波器１３ｂに伝搬される。すなわち、量子回路１１０は、合波器１３ａに接続される光導波路１１２ａ１，１１２ａ２，…，１１２ａ５のそれぞれが、合波器１３ｂに接続される光導波路１１２ｂ１，１１２ｂ２，…，１１２ｂ５の何れかと、単一光子源を共有する構成となっている。
また、光導波路１１２ａ１～１１２ａ５，１１２ｂ１～１１２ｂ５には、前述のように光スイッチとして機能するＥＯ変調器１１３ａ１，１１３ａ２，…，１１３ａ５，１１３ｂ１，１１３ｂ２，…，１１３ｂ５が設けられている。なお、ＥＯ変調器以外の光スイッチを用いてもよい。
出力部１００ｃの構成は、図５の出力部１０ｃの構成と同じである。
第３の実施の形態の量子回路１１０によれば、第１の実施の形態の量子回路１０と同様の効果が得られるとともに、隣接する色中心による量子ビット間においてもエンタングルメントを形成することができる。
第３の実施の形態の量子回路１１０によれば、第１の実施の形態の量子回路１０と同様の効果が得られるとともに、隣接する色中心による量子ビット間においてもエンタングルメントを形成することができる。
たとえば、制御装置７１の制御のもと、単一光子源１１１ａ１，１１１ａ２に共鳴励起用の光パルスが照射され、ＥＯ変調器１１３ａ１，１１３ｂ２による光スイッチをオン、ＥＯ変調器１１３ｂ１，１１３ａ２による光スイッチをオフさせた場合を考える。この場合、単一光子源１１１ａ１が発生する光子は、光導波路１１２ａ１と合波器１３ａを伝搬してフィルタ１９ａを介してビームスプリッタ２０に導入される。一方、単一光子源１１１ａ２が発生する光子は、光導波路１１２ｂ２と合波器１３ｂを伝搬してフィルタ１９ｂを介してビームスプリッタ２０に導入される。これにより、光子を介して、単一光子源１１１ａ１，１１１ａ２に含まれる隣接する色中心による量子ビット間においてエンタングルメントが形成される。
また、量子回路１１０は、第２の実施の形態の量子回路１００と異なり、同一層（同一平面）に光導波路を形成するものであるため、比較的容易な製造プロセスにより製造が可能となる。
上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。
１０ 量子回路
１０ａ 入力部
１０ｂ 導波路部
１０ｃ 出力部
１１ａ１～１１ａ５，１１ｂ１～１１ｂ５ 単一光子源
１２ａ１～１２ａ５，１２ｂ１～１２ｂ５，１７ａ１～１７ａ５，１７ｂ１～１７ｂ５ 光導波路
１３ａ，１３ｂ 合波器
１４ａ１～１４ａ５ ＭＷパルス信号発生器
１５ａ１～１５ａ５ 磁場発生器
１６ａ，１６ｂ レーザ光源
１８ａ１～１８ａ５，１８ｂ１～１８ｂ５ 光スイッチ
１９ａ，１９ｂ フィルタ
２０ ビームスプリッタ
２１ａ，２１ｂ 検出器
１０ａ 入力部
１０ｂ 導波路部
１０ｃ 出力部
１１ａ１～１１ａ５，１１ｂ１～１１ｂ５ 単一光子源
１２ａ１～１２ａ５，１２ｂ１～１２ｂ５，１７ａ１～１７ａ５，１７ｂ１～１７ｂ５ 光導波路
１３ａ，１３ｂ 合波器
１４ａ１～１４ａ５ ＭＷパルス信号発生器
１５ａ１～１５ａ５ 磁場発生器
１６ａ，１６ｂ レーザ光源
１８ａ１～１８ａ５，１８ｂ１～１８ｂ５ 光スイッチ
１９ａ，１９ｂ フィルタ
２０ ビームスプリッタ
２１ａ，２１ｂ 検出器
Claims (14)
- 基板上に形成され、それぞれが単一光子源を含む複数の第１の光導波路及び複数の第２の光導波路と、
前記基板上に形成され、前記複数の第１の光導波路を伝搬する第１の光子を集光する第１の合波器と、
前記基板上に形成され、前記複数の第２の光導波路を伝搬する第２の光子を集光する第２の合波器と、
前記第１の合波器が集光した前記第１の光子と、前記第２の合波器が集光した前記第２の光子とを導入し、第１の方向または第２の方向に分岐させる分岐素子と、
前記第１の方向または前記第２の方向に分岐した前記第１の光子または前記第２の光子を検出する第１の検出器及び第２の検出器と、
を含む量子回路。 - 前記単一光子源は、ダイヤモンド単結晶内の不純物原子と、前記不純物原子と隣接する空孔とによって形成される複合欠陥を含む、請求項１に記載の量子回路。
- 前記不純物原子は、窒素、シリコン、ゲルマニウム、スズまたは鉛のうちの少なくとも１つである、請求項２に記載の量子回路。
- 前記複合欠陥は、１つの量子ビットとして機能し、互いに結合した電子スピン状態と核スピン状態とを有し、前記電子スピン状態と前記核スピン状態における複数の量子準位のうち、準位間のエネルギー差が前記単一光子源に照射されるレーザのエネルギー線幅より小さく、前記レーザにより同時に共鳴励起可能な程度に近い２系列の２つの準位を内包している、請求項２または３に記載の量子回路。
- 前記複数の第１の光導波路と前記複数の第２の光導波路に含まれる前記単一光子源のそれぞれに対して個別に、マイクロ波のパルス信号を与えるマイクロ波パルス信号発生器と、
前記複数の第１の光導波路と前記複数の第２の光導波路に含まれる前記単一光子源に対して静磁場を印加する磁場発生器と、
をさらに有する請求項１乃至４の何れか一項に記載の量子回路。 - 前記第１の合波器と前記第２の合波器のそれぞれは、
前記複数の第１の光導波路または前記複数の第２の光導波路に接続する複数の第３の光導波路と、
前記複数の第３の光導波路を伝搬した前記第１の光子または前記第２の光子を、前記第１の合波器または前記第２の合波器の出力端子に導く平面導波路と、
を有する、請求項１乃至５の何れか一項に記載の量子回路。 - 前記複数の第３の光導波路は、前記複数の第１の光導波路及び前記複数の第２の光導波路よりも屈折率が低く、前記複数の第３の光導波路のうち、中央側に配置される第３の光導波路ほど屈折率が高い、請求項６に記載の量子回路。
- 前記複数の第１の光導波路及び前記複数の第２の光導波路は窒化アルミニウムにより形成され、前記複数の第３の光導波路と前記平面導波路は、酸窒化シリコンにより形成され、前記複数の第３の光導波路は、中央側に配置される前記第３の光導波路ほど窒素の濃度が高く、外側に配置される前記第３の光導波路ほど酸素の濃度が高い、請求項７に記載の量子回路。
- 前記複数の第１の光導波路のうちのそれぞれは、前記複数の第２の光導波路の何れかと、前記単一光子源を共有しており、
前記複数の第１の光導波路及び前記複数の第２の光導波路のそれぞれは、前記第１の合波器または前記第２の合波器に前記第１の光子または前記第２の光子を伝搬させるか否かを切り替える光スイッチを有する、
請求項１乃至８の何れか一項に記載の量子回路。 - 前記第１の検出器及び前記第２の検出器は、単一光子検出器である、請求項１乃至９の何れか一項に記載の量子回路。
- 前記複数の第１の光導波路のそれぞれに含まれる前記単一光子源の何れかと、前記複数の第２の光導波路のそれぞれに含まれる前記単一光子源の何れかを選択して、選択した前記単一光子源に光パルスを照射する入力部をさらに有する請求項１乃至１０の何れか一項に記載の量子回路。
- 前記分岐素子において、前記第１の方向と前記第２の方向は直交し、前記第１の方向と前記第２の方向に分岐される確率はそれぞれ５０％である、請求項１乃至１１の何れか一項に記載の量子回路。
- 基板上に形成され、それぞれが単一光子源を含む複数の第１の光導波路及び複数の第２の光導波路と、前記基板上に形成され、前記複数の第１の光導波路を伝搬する第１の光子を集光する第１の合波器と、前記基板上に形成され、前記複数の第２の光導波路を伝搬する第２の光子を集光する第２の合波器と、前記第１の合波器が集光した前記第１の光子と、前記第２の合波器が集光した前記第２の光子とを導入し、第１の方向または第２の方向に分岐させる分岐素子と、前記第１の方向または前記第２の方向に分岐した前記第１の光子または前記第２の光子を検出する第１の検出器及び第２の検出器と、前記複数の第１の光導波路のそれぞれに含まれる前記単一光子源の何れかと、前記複数の第２の光導波路のそれぞれに含まれる前記単一光子源の何れかを選択して、選択した前記単一光子源に光パルスを照射する入力部と、を含む量子回路と、
前記光パルスの照射を制御する制御装置と、
を有する量子コンピュータ。 - それぞれが単一光子源を含む複数の第１の光導波路及び複数の第２の光導波路を、基板上に形成し、
前記複数の第１の光導波路を伝搬する第１の光子を集光する第１の合波器と、前記複数の第２の光導波路を伝搬する第２の光子を集光する第２の合波器とを、前記基板上に形成する、
量子回路の製造方法。
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