WO2022059735A1 - 量子もつれ装置 - Google Patents

量子もつれ装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2022059735A1
WO2022059735A1 PCT/JP2021/034130 JP2021034130W WO2022059735A1 WO 2022059735 A1 WO2022059735 A1 WO 2022059735A1 JP 2021034130 W JP2021034130 W JP 2021034130W WO 2022059735 A1 WO2022059735 A1 WO 2022059735A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sqe
quantum
quantum entanglement
level
singlet
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/034130
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
貴裕 松本
昭夫 徳光
Original Assignee
公立大学法人名古屋市立大学
貴裕 松本
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 公立大学法人名古屋市立大学, 貴裕 松本 filed Critical 公立大学法人名古屋市立大学
Priority to KR1020237012728A priority Critical patent/KR20230069979A/ko
Priority to US18/027,004 priority patent/US20240070501A1/en
Priority to CN202180076883.2A priority patent/CN116636163A/zh
Priority to JP2022550602A priority patent/JPWO2022059735A1/ja
Priority to EP21960083.0A priority patent/EP4224251A1/en
Publication of WO2022059735A1 publication Critical patent/WO2022059735A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/20—Models of quantum computing, e.g. quantum circuits or universal quantum computers
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/40—Physical realisations or architectures of quantum processors or components for manipulating qubits, e.g. qubit coupling or qubit control
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F3/00—Optical logic elements; Optical bistable devices
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/70—Photonic quantum communication
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic

Definitions

  • the present invention relates to a quantum entanglement device, a quantum entangled photon pair generator using the quantum entanglement device, a quantum entangled photon pair laser device, a quantum computer, a quantum communication device, and a quantum cryptography device.
  • quantum communication technology such as quantum computer, quantum information technology, quantum cryptography, and quantum teleportation
  • a quantum entanglement device is used to construct a quantum entangled photon pair generator and a qubit device.
  • the entangled state is a state that appears when multiple particles or states have a quantum mechanical correlation.
  • a system in which a quantum entangled state appears a system using the circularly polarized state of a photon having spin 1, a system using the spin state of an electron and an atom having spin 1/2, and an ortho state and a para state of hydrogen molecules are used. (Reference: Non-Patent Document 1), etc. are known.
  • Reference: Non-Patent Document 1 Non-Patent Document 1
  • stable spin control operation of the particle or quantum state is required.
  • the conventional quantum entanglement device uses a laser cooling method to electrically trap 40 Ca atoms by applying a high-frequency voltage to a certain point in space, that is, Paul trap and cool the 40 Ca atoms to the limit.
  • the level structure is used to generate entangled photon pairs with a wavelength of 551 nm and a wavelength of 423 nm (see: Non-Patent Documents 2, 3, 4, 5).
  • FIG. 17A and 17B are diagrams for explaining the principle of generating the above-mentioned conventional quantum entangled photon pair consisting of 40 Ca atoms, where FIG. 17A is an energy level diagram and FIG. 17B is a diagram showing a cascade transition.
  • 40 Ca has a three-level structure consisting of a singlet base level E 0 , a triplet intermediate level E 1 and a singlet excitation level E 2 .
  • the wavelength of the generated light is a wavelength in the visible light region shorter than the near infrared (wavelength 1 ⁇ m), and the light source for quantum information control and communication in which confidentiality is important are emphasized. There is also the problem that it is not suitable for a light source.
  • the quantum entanglement apparatus comprises a group IV semiconductor, at least one atom on the surface of the group IV semiconductor, and two hydrogen atoms or two hydrogen atoms bonded to the end of the atom. It is equipped with a shear-type quantum entanglement element composed of hydrogen atoms.
  • the reference oscillation is described by the harmonic oscillator, and the evenness of the harmonic oscillator shows.
  • the spin state becomes a symmetric spin state or an antisymmetric spin state.
  • the quantum entangled photon pair generator includes the above-mentioned quantum entanglement device and a pump light source for exciting a scissors-type quantum entanglement element, and quantum photon pairs generated from the scissors-type quantum entanglement element. It is designed to be entangled.
  • the quantum entangled photon pair generation laser apparatus comprises a group IV semiconductor, a plurality of atoms on the surface of the group IV semiconductor, and two hydrogen atoms or two deuterium atoms bonded to the end of each atom. It is equipped with a plurality of shear-type quantum bit elements and a pump light source for exciting a plurality of shear-type quantum entanglement elements as a whole, and a plurality of shear-type quantum entanglement elements are arranged in close proximity to each other. The photon pair generated from is stimulated and emitted.
  • the quantum computer according to the present invention is a group IV semiconductor, a plurality of atoms on the surface of the group IV semiconductor, and a plurality of shear-type quanta composed of two hydrogen atoms or two heavy hydrogen atoms bonded to the end of each atom. It is equipped with an entangled element so that unity operations can be performed between a plurality of shear-type quantum entangled elements.
  • the quantum communication device and the quantum cryptographic device according to the present invention are composed of a group IV semiconductor, a plurality of atoms on the surface of the group IV semiconductor, and two hydrogen atoms or two heavy hydrogen atoms bonded to the end of each atom. It is equipped with a plurality of shear-type quantum entanglement elements, and is designed to cause quantum teleportation or quantum entanglement swapping by performing bell measurement among a plurality of shear-type quantum entanglement elements.
  • the quantum entanglement formed in the scissors-type quantum entanglement element is used. Since the hydrogen termination treatment of the group IV semiconductor and its surface can be performed by using a normal semiconductor manufacturing processing process, the manufacturing cost can be reduced. It can also be applied to a light source for quantum information control and a light source for communication.
  • FIG. 2A is a transmission electron micrograph of an aggregate of spherical nano-single crystal silicon
  • FIG. 2B is a spherical shape analyzed by a small-angle X-ray scattering measuring device.
  • the small-angle X-ray scattering spectrum of nano-single crystal silicon, (C) is a graph showing the radius size distribution of spherical nano-single crystal silicon.
  • FIG. 1 It is a figure for demonstrating the 2nd manufacturing method of the quantum entanglement apparatus of FIG. 1, (A) is a sectional view, (B) is an atomic arrangement diagram. In the table showing the coefficient b ⁇ of Eq. 2, (A) shows the scattering cross section at the transition from the singlet level to the triplet level with respect to the primary excited state energy level 1SC, and (B) shows the secondary excited state energy. The scattering cross section at the time of singlet level ⁇ singlet level transition with respect to level 2SC is shown. The analysis result by the inelastic neutron scattering spectroscope of the shear type quantum entanglement element of FIG. 1 is shown, and FIG.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the principle of the quantum entanglement laser generation using two or more scissors type quantum entanglement elements of FIG. It is a figure which shows the quantum entangled photon pair generator using the scissors type quantum entanglement element of FIG. To explain the physical analysis to be performed to generate the spread of the non-uniform energy level required to identify each of the scissors-type quantum entangled elements when a plurality of scissors-type quantum entangled elements are arranged.
  • (A) is a perspective view of a quantum entanglement device
  • (B) is an energy level diagram
  • (C) is a frequency spectrum diagram of light absorption / emission. It is a figure for demonstrating the operation of the control NOT gate of the scissors type quantum entanglement element of FIG.
  • FIG. 1 It is a figure for demonstrating the quantum teleportation protocol using the scissors type quantum entanglement element of FIG. 1, (A) is a qubit arrangement diagram, (B) is a wiring diagram. It is a figure which shows the quantum computer which used the scissors type quantum entanglement element of FIG. It is a figure which shows the principle of the bell measurement using the scissors type quantum entanglement element of FIG. It is a figure for demonstrating the conventional quantum entanglement apparatus, (A) is an energy level figure, (B) is a figure which shows a cascade transition.
  • FIG. 1 is an atomic arrangement diagram showing an embodiment of the quantum entanglement apparatus according to the present invention.
  • the entanglement device is a shear-type quantum entanglement consisting of a silicon semiconductor S and hydrogen atoms (protons) (H) 2 and 3 bonded to one silicon atom 1 on the surface of the silicon semiconductor S. It is composed of an element SQE. That is, in the silicon semiconductor S, the silicon atoms 1 are covalently bonded with a spring constant k 1 . Further, in the shear-type quantum entanglement element SQE, the hydrogen atoms 2 and 3 are covalently bonded to the silicon atom 1 with a spring constant k2, and the hydrogen atoms 2 and 3 do not have a chemical bond with each other and are via the silicon atom 1. They interact with each other with a spring constant k3.
  • the vibration of the shear-type quantum entanglement element SQE is represented by a harmonic oscillator, and considering its natural vibration state, both hydrogen atoms 2 and 3 are fermions, and they have antisymmetry with respect to particle exchange. Requested. As a result, a correlation appears between the spin degree of freedom and the natural vibration state, and a quantum entangled state that is quantum mechanically indistinguishable is formed. Since the zero-point vibration energy in this entangled state is 100 meV or more, it is possible to construct a scissors-type quantum entangled element SQE that operates stably up to a temperature range of 600 K.
  • FIG. 2 is an atomic arrangement diagram for explaining the first manufacturing method of the quantum entanglement device of FIG.
  • a single crystal silicon substrate (not shown) is etched by an electrochemical anodization method to form an aggregate of spherical nano-single crystal silicon S1 as shown in the transmission electron micrograph of FIG. 3 (A). do.
  • a p-type (100) substrate having a specific resistance of 3-5 ⁇ cm is used.
  • the spherical nano-single crystal silicon S1 is analyzed by a small-angle X-ray scattering measuring device, and a small-angle X-ray scattering spectrum I (q) with respect to a wave number q as shown in FIG. 3 (B) can be obtained.
  • a small-angle X-ray scattering spectrum I (q) with respect to a wave number q as shown in FIG. 3 (B) can be obtained.
  • FIG. 2 shows a schematic crystal diagram of spherical nano-single crystal silicon S1 having a diameter of 2.4 nm.
  • Spherical nano-single crystal silicon S1 with a diameter of 2.4 nm consists of 377 silicon atoms, and its surface structure is analyzed by infrared absorption spectroscopy, electron spin resonance method, and secondary ion mass analysis evaluation method.
  • a structure in which hydrogen H is terminated is formed over the entire surface of the single crystal silicon S1, and there are almost no unbonded chemical bonds (dangling bonds) that are not hydrogen-terminated.
  • the density of the dangling bond is 10 15 / cm 3 .
  • hydrogenation termination treatment is performed in order to reduce the dangling bond density on the surface of the spherical nano-single crystal silicon S1 and promote hydrogenation.
  • spherical nano-single crystal silicon S1 is impregnated into a hydrofluoric acid (HF) solution of less than 10% or a buffered hydrofluoric acid (NH 4 F) solution of 40%.
  • HF hydrofluoric acid
  • NH 4 F buffered hydrofluoric acid
  • the SiH 2 termination is formed on the (100) plane, and the SiH termination is formed on the (111) plane.
  • the occupied area of the (100) plane and the occupied area of the (111) plane are almost the same, and in fact, SiH is measured by the infrared absorption spectrum measurement method.
  • Number of 2 terminations The number of SiH terminations was found to be 1: 1. As shown in FIG.
  • the 196 hydrogen atoms (H) terminated on the surface of the spherical nano-single crystal silicon S1 consisting of 377 silicon atoms have almost the same number of SiH (quantum double oscillator, QDO) and SiH 2 (quantum). It was confirmed that it had a surface structure consisting of triple oscillator, QTO).
  • the SiH2 termination as a large number of quantum triple oscillators can be firmly formed on the surface of the spherical nano-single crystal silicon S1 as the shear-type quantum entanglement element SQE of FIG.
  • the quantum triple oscillator (QTO) at the end of SiH 2 is in a state where Si and two Hs oscillate in harmony, and the spin state becomes a symmetric spin state or an antisymmetric spin state corresponding to the even-oddness exhibited by the harmonic oscillator.
  • the SiH-terminated quantum double oscillator (QDO) is in a state where Si and one H are harmonically oscillated.
  • an electric field generation circuit 201 (or a magnetic field generation that generates a magnetic field) that generates electric fields E 1X , E 1Y , and E 1Z in the IV group semiconductor S1 in order to make the reference vibration of the shear-type quantum entanglement element SQE an excited state or a ground state.
  • An electric field generation circuit 202 that generates electric fields E 2X , E 2Y , and E 2Z in order to separate the reduced energy level of the shear-type quantum entanglement element SQE. (Or a magnetic field generation circuit that generates a magnetic field) is provided.
  • the electric field generation circuits 201 and 202 may be one electric field generation circuit.
  • FIG. 4A and 4B are views for explaining a second manufacturing method of the quantum entanglement apparatus of FIG. 1, where FIG. 4A shows a cross-sectional view and FIG. 4B shows an atomic structure on the surface.
  • the (100) plane single crystal silicon S2 shown in FIG. 4 (A) is prepared.
  • a thin naturally oxidized (SiO 2 ) layer S2 O is usually formed on the surface of the (100) plane single crystal silicon S2.
  • hydrogenation termination treatment is performed on the surface of the (100) plane single crystal silicon S2.
  • the surface of (100) surface single crystal silicon S2 is etched with less than 10% hydrofluoric acid (HF) solution or 40% buffered hydrofluoric acid (NH 4 F) solution to form a thin naturally oxidized (SiO 2 ) layer S2 O.
  • HF hydrofluoric acid
  • NH 4 F buffered hydrofluoric acid
  • SiH2 termination is formed on the (100) plane of the (100) plane single crystal silicon S2.
  • the SiH2 termination as a large number of quantum triple oscillators (QTOs) can be firmly formed on the surface of the (100) plane single crystal silicon S2 as the shear-type quantum entanglement element SQE of FIG.
  • the SiH termination is not formed on the (100) plane single crystal silicon S2.
  • an electric field generation circuit 401 (or a magnetic field generation that generates a magnetic field) that generates electric fields E 1X , E 1Y , and E 1Z in the IV group semiconductor S2 in order to make the reference vibration of the shear-type quantum entanglement element SQE an excited state or a ground state.
  • An electric field generation circuit 402 that generates electric fields E 2X , E 2Y , and E 2Z in order to separate the reduced energy level of the shear-type quantum entanglement element SQE. (Or a magnetic field generation circuit that generates a magnetic field) is provided.
  • the electric field generation circuits 401 and 402 can also be one electric field generation circuit.
  • the above-mentioned entangled state is confirmed by measuring the infrared vibration state using an inelastic neutron scattering (INS) spectroscope.
  • INS inelastic neutron scattering
  • neutron inelastic scattering is measured by the time of flight (TOF) from the generation of neutrons to the detection.
  • TOF time of flight
  • the infrared vibration state is given by the graph of the two-dimensional plot standardized scattering intensity S (Q, E) of Q and E described later, and is theoretically given by the number 2 indicating the following scattering intensity.
  • the subscript i is the start state
  • the subscript f is the end state
  • pi is the statistical weight
  • E is the start state.
  • the energy level E ⁇ is represented by the number 3.
  • the wave function ⁇ of the harmonic oscillator represented by the quantum number n ⁇ is represented by the reference coordinates ⁇ 1 ⁇ , ⁇ 2 ⁇ , ⁇ 3 ⁇ like ⁇ ( ⁇ 1 ⁇ ), and is represented by these reference coordinates and FIG.
  • the full wave function ⁇ n ⁇ ( ⁇ ⁇ ) showing the shear-type quantum entanglement element SQE composed of the silicon atom 1 and the hydrogen atoms 2 and 3 shown in FIG. 1 is the wave function ⁇ n ⁇ ( ⁇ ) in the vibration state with the reference coordinates as variables. It is expressed by the product of ⁇ ) and the wave function ⁇ n ⁇ ( ⁇ ⁇ ) in the spin state, that is, the equation 5.
  • a hydrogen atom (proton) is a Fermi particle with a spin of 1/2, so that the two hydrogen atoms 2 and 3 have an antisymmetric full wave function ⁇ n ⁇ ( ⁇ ⁇ ) with respect to the exchange of hydrogen atom coordinates with each other. Is required to be.
  • the spin state of the odd-order energy level has a symmetric spin state like the triplet nuclear spin state, and the spin state of the even-order energy level is opposite. It becomes a singlet nuclear spin state with nobility.
  • the vibration state expressed by the coordinates ⁇ 3 ⁇ is the scissors vibration state (SC mode).
  • the shear-type quantum entanglement element SQE consisting of silicon atom 1 and hydrogen atoms 2 and 3 shown in FIG. 1 requires a singlet nuclear spin because the total wave function is antisymmetric with respect to the exchange of two hydrogen atom coordinates. It is a quantum entanglement device described by a state or a triplet nuclear spin state. The feature of this entanglement device is that all the physical vibration states of the system consisting of silicon atom 1 and hydrogen atoms 2 and 3 shown in FIG. 1 are in the entangled state, and the singlet nuclear spin state and triplet nuclear spin state are. , It becomes the most quantum entangled state.
  • the shear-type quantum entanglement element SQE of the present invention consisting of two hydrogen atoms, compared with the energy difference of 10 meV observed in the hydrogen molecule in the conventional quantum entanglement element composed of hydrogen molecules (see: Non-Patent Document 1).
  • the antisymmetric wave function generated by the product of the vibration wave function and the spin wave function induces a large energy difference of 113 meV in the shear vibration state (SC mode) between the singlet ground state and the triplet primary excited state, so that the room temperature
  • SC mode shear vibration state
  • Non-Patent Document 1 in which hydrogen molecules are in a gaseous state requires a gas cell or the like, but the shear-type quantum entanglement element SQE of the present invention is firmly configured on the silicon surface. Therefore, it is suitable for practical use.
  • the normalized scattering intensity S (Q, E) at each energy level can be obtained by performing algebraic calculations of the nuclear spin wavefunction and the neutron spin wavefunction.
  • the coefficient b ⁇ of the number 2 of the singlet level ⁇ triplet level transition for the energy level 1SC is calculated using the table shown in FIG. 5 (A).
  • the coefficient b ⁇ of the number 2 of singlet level ⁇ singlet level transitions with respect to the energy level 2SC is calculated using the table shown in FIG. 5 (B).
  • ⁇ inc indicates the incoherent scattering cross section of neutrons possessed by each atom
  • ⁇ coh indicates the coherent scattering cross section of neutrons.
  • FIG. 7 shows the result of Fourier transforming the experimental value 601 of FIG. 6 (B) of inelastic neutron scattering to evaluate what kind of interatomic distance the interference pattern originates from.
  • the theoretical value 602 in FIG. 6B is the case without quantum entanglement, and the theoretical value 603 is the case with quantum entanglement.
  • the theoretical value 602 in the case of no entanglement shows a smooth curve in which no interference pattern exists. It was found that no clear spectral peak appears in the spectrum obtained by Fourier transforming the theoretical value 602 in the case of no entanglement.
  • FIG. 9 is an energy level diagram of the scissors-type quantum entanglement element SQE of FIG.
  • the scissors-type quantum entanglement element SQE of FIG. 1 operates as a quantum triple oscillator (QTO).
  • QTO quantum triple oscillator
  • singlet nuclear spin states or triplet nuclear spin states are alternately overlapped. Therefore, by using the shear-type quantum entanglement element SQE, they are entangled as shown by the solid line arrow in FIG. Cascade emission of photons is possible.
  • the SC mode of the scissors-type quantum entanglement element SQE has energy levels E 0 , E 1 , E 2 , ..., E 2n-2 , E 2n-1 , E 2n having a 2n level structure at equal intervals. Have.
  • Each energy level E 0 , E 1 , E 2 , ..., E 2n-2 , E 2n-1 , E 2n has a wave function consisting of the product of the wave function ⁇ of the harmonic oscillator and the proton spin wave function ⁇ .
  • the state (J 1).
  • This energy state is similar to the conventionally used level structure that generates entangled photon pairs shown in FIG.
  • the SC mode under the harmonic potential state that is, in the potential to create a 2n level structure at equal intervals, is a completely entangled photon. Emit only pairs.
  • the physical state of the entangled photon pairs between the scissors-type quantum entanglement elements SQE. Can cause quantum teleportation or entangled swapping. Since the photon pair emitted here becomes entangled light with a frequency of 27 THz and becomes light in the THz region, quantum optical information communication, quantum communication device, quantum cryptographic device, stealth type radar, quantum radio light source, non-invasive / non-destructive It is the most suitable light source for inspection equipment.
  • each entangled photon pair has the same frequency of 27 THz.
  • a strain layer is provided on the base of the (100) plane single crystal silicon S2 in FIG.
  • impurities are added or defects are formed so as to give a concentration gradient to the underlying layer in an inclined manner.
  • germanium impurities are added in an inclined manner to the underlying silicon layer of (100) planar single crystal silicon S2.
  • a base SiO 2 layer S2 1 having a slanted thickness is provided.
  • the underlying silicon layer or the underlying SiO 2 layer S2 1 acts as a strain layer and introduces strain into the (100) planar single crystal silicon S2, which makes it possible to separate all the degenerate energy levels at the same level.
  • the strained silicon thin film fabrication technology used in high-speed CMOS circuits may be used. That is, a silicon germanium buffer layer having a gradient-like concentration gradient is formed on a normal silicon wafer as a base, and a silicon thin film is epitaxially grown on the silicon germanium buffer layer having a large lattice constant.
  • the tensile strain ⁇ ( 100) Surface direction ⁇ , compression strain ⁇ (001) surface direction ⁇ occurs in the direction perpendicular to the surface, and the spring constant of k1 shown in FIG. 1 can be locally changed.
  • quantum entanglement can also be achieved by applying an electric or magnetic field to the (100) plane single crystal silicon S2 using the electric field generation circuit 402 (or magnetic field generation circuit) shown in FIG. It is possible to separate the degeneracy of the energy level of the element.
  • the electric field is the interaction between the dipole and the electric field that the natural vibration state has, while the magnetic field is the interaction between the spin and the magnetic field, so it coincides with the directions of the dipoles and spins that occur (the inner product is the maximum).
  • the direction of the electric field and the magnetic field is applied so as to be).
  • the spin state of the entangled element may change significantly and the entangled state may be destroyed.
  • the quantum entanglement element SQE has a Frerich interaction effect in which resonating or close energies interact with each other even if they are separated by a long distance, the quantum entanglement element SQE does not have a concentration gradient or a thickness gradient as described above.
  • the S2 1 layer having fluctuations in concentration or thickness may be formed at random.
  • P 10 > can also be obtained at the same time.
  • the probability of cascade radiation of phonon pairs largely depends on the geometry of adjacent element SQEs. Just place it.
  • FIG. 10 is a diagram showing the principle of quantum entanglement laser generation using two or more scissors-type quantum entanglement elements of FIG.
  • the shear-type quantum entanglement elements SQE 0 , SQE 1 , and SQE 2 are brought into an excited state as a whole. It enables stimulated emission and laser oscillation of entangled photon pairs 1011, 1012, which was not possible.
  • the advantage of this is that conventional entangled photon pairs are emitted in all directions (4 ⁇ ) of space, but in the present invention, a plurality of scissor-type quantum entanglement elements SQE 0 , SQE 1 , and SQE 2 are arranged in close proximity to each other. This makes it possible to give direction to the entangled photon pairs.
  • FIG. 11 is a diagram showing a quantum entangled photon pair generation detection device using the scissors-type quantum entanglement element SQE of FIG.
  • the scissors-type quantum entanglement element SQE when the pump light source 1101 emits pump light to the scissors-type quantum entanglement element SQE, the scissors-type quantum entanglement element SQE generates a photon pair having an energy level of 113 meV in a quantum entangled state.
  • this photon pair is detected by two detectors 1102 and 1103, one becomes “0” and the other becomes “1".
  • an entangled photon pair generation detection device is configured so that the clockwise polarization state is “1” and the counterclockwise polarization state is “0”.
  • FIG. 12 illustrates the physical analysis to be performed to generate the spread of non-uniform energy levels required to identify individual scissors-type quantum entangled elements when a plurality of scissors-type quantum entangled elements of FIG. 1 are arranged.
  • A is a perspective view of a quantum entanglement device
  • B is an energy level diagram
  • C is a frequency spectrum diagram of light absorption / emission.
  • the vibration in the X direction will be taken as an example for explanation.
  • the energy level in the Y direction is the same as the energy level in the X direction, and is degenerate.
  • the Z direction is not used for this quantum computing operation.
  • ⁇ is an amount proportional to the strain
  • ⁇ is a value that increases in proportion to the thickness of the SiO 2 layer ( ⁇ ⁇ d).
  • a qubit rotation operation function In order to perform quantum computing operation, it is sufficient to have two functions called universal gates, that is, a qubit rotation operation function and a control NOT gate function, and the well-known resonance of the qubit rotation operation
  • a coherent interaction between a substance and an electromagnetic wave using a laser pulse is used.
  • the unitary transformation of the rotation operation is given by the number 13.
  • i and j indicate the positions of the qubits.
  • ⁇ is the initial phase of the laser pulse, which is fixed at ⁇ / 2 here. Further, I satisfies the imaginary number and ⁇ satisfies the number 14.
  • ⁇ is a proportionality constant depending on the interaction between the substance and the electric field
  • ⁇ is a variable determined by the magnitude of the dipole interaction between the substance and the electric field and the laser pulse intensity
  • ⁇ is the pulse width.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining the operation of the control NOT gate of the scissors-type quantum entanglement element of FIG.
  • the k4 interaction of the spring constant k4 between the elements SQE 11 and SQE 12 that occurs only when both the scissors - type quantum entanglement elements SQE 11 and SQE 12 are excited is used.
  • Weak k4 interactions form coupled vibrational states, well known in classical mechanics.
  • the quantum elements SQE 11 and SQE 12 are excited with their phases aligned by using a ⁇ pulse or the like (
  • the operating rules for the k4 interaction gate are summarized below in Equation 15.
  • a controlled NOT gate can be realized by combining the rotation operation of the qubit and the above - mentioned k4 interaction gate.
  • the output results of these control NOT gate and rotary gate operations are evaluated by measuring the emission spectrum for each frequency that occurs after about 1 ms.
  • the line width of each level is about MHz, but since it is possible to create a non-uniform line width of about 1 THz by introducing distortion to silicon due to an inclined substrate, for example, an operable quantum element (bit).
  • the number is about 106 .
  • the frequency line width of the laser beam should be smaller than this.
  • low temperature operation of about 10 K is advantageous when operating a large number of qubits individually.
  • quantum computing operation is performed at room temperature, the line width of each level spreads from MHz to GHz , so the number of qubits that can be operated is reduced to about 103.
  • the explanation was given by taking the vibration in the X direction as an example, but by combining the vibration in the X direction and the vibration in the Y direction, it is possible to perform a quantum operation having a memory function.
  • the control qubit since the vibration in the X direction and the vibration in the Y direction do not interact with each other, for example, at the time of writing, the control qubit is excited by the electric field in the Y direction, and the target qubit is the electric field in the X direction. Excited with.
  • the control qubit vibrating in the Y direction may be converted into vibration in the X direction.
  • the ground state is used as an auxiliary field for this conversion.
  • the existing control qubit can be converted into vibration in the X direction.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining a quantum teleportation protocol using the scissors-type quantum entanglement element of FIG. 1, where FIG. 14A is a qubit layout diagram and FIG. 14B is a wiring diagram.
  • one of the quantum elements SQE 0 , SQE 1 , and SQE 2 is superposed by the Hadamard gate H and converted into a basis, which is used as a control bit, and the control NOT gate C is applied to the other quantum element.
  • the qubits SQE 0 , SQE 1 , and SQE 2 are arranged as shown in (A) of FIG. 14, and the qubits are wired as shown in (B) of FIG. 14 to perform quantum teleportation. It is possible to realize a qubit.
  • M indicates a measurement gate.
  • by performing the X rotation operation and the Z rotation operation shown in Equation 17 on the SQE 2 it becomes possible to realize the quantum teleportation operation.
  • crz and crx are classical bits, and information is transmitted by a method using physical mediation such as light.
  • FIG. 15 is a diagram showing a quantum computer using the scissors-type quantum entanglement element of FIG.
  • unitary gate for example, control NOT gate C, etc.
  • U for performing unitary operations between type quantum entanglement elements, or by resonance-exciting between quantum entanglement elements using a laser, between scissors type quantum entanglement elements. It is possible to perform unitary arithmetic processing with, and it is possible to realize a quantum computer in which a large amount of shear-type quantum entanglement elements SQE are formed on a silicon substrate.
  • the strain formation described above is performed on the (100) plane single crystal silicon S2 in FIG. That is, it is possible to introduce strain into the (100) plane single crystal silicon S2 and separate the degenerate natural vibration state by adding inclined impurities, forming defects, or providing the underlying SiO 2 having an inclined thickness. It becomes.
  • FIG. 16 is a diagram showing the principle of bell measurement using the scissors-type quantum entanglement element of FIG.
  • the aggregate of the scissors-type quantum entanglement element SQE (here, consider SQE 0 and SQE 1 ) is a scissors-type quantum entanglement element when there is no correlation between the scissors-type quantum entanglement elements SQE 0 and SQE 1 . It can be considered as a quantum direct product state of the elements SQE 0 and SQE 1 . In this case, similar to the above-mentioned entangled photon pair generation, quantum teleportation or quantum entanglement swapping can occur in the physical state (vibration state) of hydrogen between the scissors-type quantum entanglement elements SQE 0 and SQE 1 .
  • the scissors-type quantum entanglement elements SQE 0 and SQE 1 are entangled to form a direct product state that is not correlated with each other. If (however, these pairs SQE 0 and SQE 1 do not have to be adjacent to each other), the bell state measurement is performed for hydrogen H (2) and H (3). For example, if an electron is passed between hydrogen H (2) and H (3) and the bell state measurement is realized by measuring the deflection state of the electron, the remaining hydrogen H (1) is as shown in FIG. , H (4) pairs can be intertwined.
  • the wave function becomes like the number 18. ..
  • +1/2 represents upspin and -1 / 2 represents downspin.
  • the bell measurement shown in the number 19 or the number 20 is performed for such a physical state. or, The collapse of the physical state by the bell measurement causes the same entangled state between H (1) and H (4) as described by the wave function of Equation 21.
  • the physical state of hydrogen can be quantum teleported or entangled and swapped to a distant place. Therefore, a quantum communication device and a quantum cryptography device using this principle are constructed. It becomes possible.
  • the carbon element contains 1.11% C13
  • the silicon element contains 4.7% Si29
  • Ge73 contains 7.7% natural isotopes, and all of these elements have spin.
  • C13 has a spin of 1/2
  • Si29 has a spin of 1/2
  • Ge73 has a spin of 9/2. Since these spins act to hinder the entangled operation in the scissors-type quantum entanglement element SQE, the elements other than hydrogen in the scissors-type quantum entanglement element SQE do not contain spins by using a method such as isotope separation. It is possible to make a quantum entanglement device with better performance by constructing with.
  • hydrogen H1 contains 0.015% of natural isotope hydrogen H2, and since this element has a spin of 1, one of the hydrogens is heavy in the shear-type quantum entanglement element SQE of FIG.
  • the requirement for antisymmetry disappears for the exchange of wave functions between hydrogens, and quantum entanglement is no longer constructed. If the hydrogen part of the scissors-type quantum entanglement element SQE is composed of elements containing only hydrogen H1 using the method of isotope separation, a quantum entanglement device with better performance can be formed.
  • the scissors-type quantum entanglement element SQE can be constructed even when both the elements of the hydrogen atoms 2 and 3 shown in FIG. 1 are composed of deuterium H2.
  • the quantum described in the symmetric nuclear spin state or the antisymmetric nuclear spin state becomes an entanglement device. Since the energy of the scissors vibration state (SC mode) of this quantum entanglement device is 81 meV from the ground state to the primary excited state, an entangled photon pair of 19 THz can be generated.
  • the etching solution used to manufacture the quantum entanglement device using deuterium H2 is one containing deuterium instead of hydrogen.
  • the first advantage of the quantum entanglement device consisting of two deuterium H2 is that the symmetric nuclear spin state has 6 states and the antisymmetric nuclear spin state has 3 states, so that one quantum entanglement element realizes many superposition states. There is a point that can be done.
  • the second advantage of the quantum entanglement device consisting of two heavy hydrogens H2 is that the atomic bond between heavy hydrogen and silicon element is stronger than the bond between hydrogen and silicon element due to the giant isotope effect. Therefore, it is suitable for practical use in which the heavy hydrogen atom does not desorb from the silicon atom even in a high temperature state.
  • the present invention can be applied to any modification within the self-evident range of the above-described embodiment.
  • the present invention includes a terahertz laser, quantum optical information communication, stealth radar, quantum radio light source, non-invasive / non-invasive. It can be used for destructive inspection equipment, etc.
  • S Silicon semiconductor SQE, SQE 11 , ...: Scissors-type qubit element 1: Silicon atom 2, 3: Hydrogen atom (proton) S1: Spherical nano-single crystal silicon S2: (100) plane single crystal silicon

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

量子もつれ装置は，ＩＶ族半導体（Ｓ，Ｓ１，Ｓ２）と，ＩＶ族半導体（Ｓ，Ｓ１，Ｓ２）の表面の少なくとも１つの原子及び該原子の終端に結合された２つの水素原子又は２つの重水素原子よりなる鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ）とを有する。

Description

量子もつれ装置
　本発明は量子もつれ装置，これを用いた量子もつれ光子対発生装置，量子もつれ光子対レーザ装置，量子コンピュータ，量子通信装置及び量子暗号装置に関する。
　量子コンピュータ，量子情報技術，量子暗号，量子テレポーテーション等の量子通信技術においては，量子もつれ光子対発生装置及び量子ビット装置を構成するために量子もつれ装置が用いられる。
　量子もつれ状態とは，複数の粒子または状態が量子力学的な相関を有する場合に出現する状態である。量子もつれ状態が現れる系としては，スピン1を有する光子の円偏光状態を利用したもの，スピン1/2を有する電子および原子のスピン状態を利用したもの，水素分子のオルト状態及びパラ状態を利用したもの（参照：非特許文献１），等が知られている。このように，量子もつれ状態を実現するためには粒子または量子状態の安定的なスピン制御動作が必要である。
　従来の量子もつれ装置は，レーザ冷却法を利用して４０Ｃａ原子を空間のある一点に高周波電圧をかけて電気的にトラップし，つまり，パウルトラップし，極限まで冷却された４０Ｃａ原子の３準位構造を利用して，波長５５１ｎｍ及び波長４２３ｎｍのもつれた光子対を発生するものである（参照：非特許文献２，３，４，５）。
　図１７は上述の従来の４０Ｃａ原子よりなる量子もつれ光子対を発生する原理を説明するための図であって，（Ａ）はエネルギーレベル図，（Ｂ）はカスケード遷移を示す図である。
　図１７の（Ａ）に示すごとく，４０Ｃａは，一重項基底レベルＥ０，三重項中間レベルＥ１及び一重項励起レベルＥ２よりなる３準位構造を有する。この結果，一重項基底レベルＥ０と一重項励起レベルＥ２とは同一の全角運動量Ｊ＝０及びスピン角運動量ｍ＝０を有するので，一重項励起レベルＥ２に励起された４０Ｃａは三重項中間レベルＥ１状態において，全角運動量Ｊ＝１及びスピン角運動量ｍ＝+１，０，－１の中のｍ＝+１または－１の状態を介して図１７の（Ｂ）に示す右回転分極によるカスケード遷移｜Ｒ２１＞，｜Ｒ１０＞と，左回転分極によるカスケード遷移｜Ｌ２１＞，｜Ｌ１０＞が発生し，量子力学的にはいずれの遷移が発生するかが区別できない数１の量子状態｜Ψ＞で記述される量子もつれ光子対が発生する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
D. M. Dennison, A note on the specific heat of the hydrogen molecule, Proc. R. Soc. London, Ser. A 115, 483 (1927). R. Horodecki, P. Horodecki, M. Horodecki, and K. Horodecki, Rev. Mod. Phys. 81, 865 (2009). J. Audretsch, Entangled Systems: New Directions in Quantum Physics (Whiley-VCH, Weinheim, 2007). D. F. Walls and G. J. Milburn, Quantum Optics (Springer, Berlin, 1994). 枝松圭一，"単一光子と量子もつれ光子"，共立出版，pp.127-128,2018.
　しかしながら，上述の図１７の従来の量子もつれ装置においては，４０Ｃａ原子をレーザ冷却法を利用して空間のある一点に高周波電圧をかけて電気的にトラップし，つまり，パウルトラップし，極限まで冷却させて安定的なスピン制御動作を行うために，精密に周波数が制御された冷却用レーザ光源及び超高真空装置が必要であり，製造コストが非常に高く，また，多くの４０Ｃａ原子を所望の位置に配置するのは困難であるという課題がある。
　また，上述の図１７の従来の量子もつれ装置においては，発生する光の波長が近赤外（波長１μｍ）より短い可視光領域の波長となり，秘匿性を重要視する量子情報制御用光源及び通信用光源には不適であるという課題もある。
　上述の課題を解決するために，本発明に係る量子もつれ装置は，ＩＶ族半導体と，ＩＶ族半導体の表面の少なくとも１つの原子及び該原子の終端に結合された２つの水素原子又は２つの重水素原子よりなる鋏型量子もつれ素子とを具備するものである。ＩＶ族半導体の表面の少なくとも１つの原子及び該原子の終端に結合された２つの水素原子又は２つの重水素原子は，その基準振動が調和振動子で記述され，調和振動子が示す偶奇性に対応してスピン状態が対称スピン状態または反対称スピン状態となる。
　また，本発明に係る量子もつれ光子対発生装置は，上述の量子もつれ装置と，鋏型量子もつれ素子を励起させるためのポンプ光源とを具備し，鋏型量子もつれ素子から発生する光子対を量子もつれ状態となるようにしたものである。
　また，本発明に係る量子もつれ光子対発生レーザ装置は，ＩＶ族半導体と，ＩＶ族半導体の表面の複数の原子及び各原子の終端に結合された２つの水素原子又は２つの重水素原子よりなる複数の鋏型量子ビット素子と，複数の鋏型量子もつれ素子を全体的に励起させるためのポンプ光源とを具備し，複数の鋏型量子もつれ素子を近接して配置し，鋏型量子もつれ素子から発生する光子対を誘導放出させるようにしたものである。
　さらに，本発明に係る量子コンピュータは，ＩＶ族半導体と，ＩＶ族半導体の表面の複数の原子及び各原子の終端に結合された２つの水素原子又は２つの重水素原子よりなる複数の鋏型量子もつれ素子とを具備し，複数の鋏型量子もつれ素子間でユニタリ演算を行うようにしたものである。
　さらに，本発明に係る量子通信装置および量子暗号装置は，ＩＶ族半導体と，ＩＶ族半導体の表面の複数の原子及び各原子の終端に結合された２つの水素原子又は２つの重水素原子よりなる複数の鋏型量子もつれ素子とを具備し，複数の鋏型量子もつれ素子間でベル測定を行って量子テレポーテーションまたは量子もつれスワッピングを起こすようにしたものである。
　本発明によれば，鋏型量子もつれ素子に形成された量子もつれが利用される。ＩＶ族半導体及びその表面への水素終端処理は通常の半導体製造処理工程を用いて行うことができるので，製造コストを低減できる。また，量子情報制御用光源及び通信用光源にも適用できる。
本発明に係る量子もつれ装置の実施例を示す原子配置図である。 図１の量子もつれ装置の第１の製造方法を説明するための原子配置図である。 図２の球状ナノ単結晶シリコンを説明する図であって，（Ａ）は球状ナノ単結晶シリコンの集合体の透過型電子顕微鏡写真，（Ｂ）は小角Ｘ線散乱測定装置によって分析された球状ナノ単結晶シリコンの小角Ｘ線散乱スペクトル，（Ｃ）は球状ナノ単結晶シリコンの半径サイズ分布を示すグラフである。 図１の量子もつれ装置の第２の製造方法を説明するための図であって，（Ａ）は断面図，（Ｂ）は原子配置図である。 数２の係数ｂαβを示すテーブルであって，（Ａ）は１次励起状態エネルギーレベル１ＳＣに対する一重項レベル→三重項レベル遷移時の散乱断面積を示し，（Ｂ）は２次励起状態エネルギーレベル２ＳＣに対する一重項レベル→一重項レベル遷移時の散乱断面積を示す。 図１の鋏型量子もつれ素子の非弾性中性子散乱分光器による分析結果を示し，（Ａ）はエネルギー９０～１４０ｍｅＶの規格化散乱強度Ｓ（Ｑ，Ｅ）を示す２次元プロット図，（Ｂ）は（Ａ）のエネルギーレベル１ＳＣ＝１１３ｍｅＶでスライスした規格化散乱強度Ｓ（Ｑ，１１３ｍｅＶ）を示すグラフである。 図６（Ｂ）のエネルギーレベル１ＳＣにおける規格化散乱強度Ｓ（Ｑ，１１３ｍｅＶ）のフーリエ変換スペクトルを示すグラフである。 図１の鋏型量子もつれ素子の非弾性中性子散乱分光器による分析結果を示し，（Ａ）はエネルギー２００～２５０ｍｅＶの規格化散乱強度Ｓ（Ｑ，Ｅ）を示す２次元プロット図，（Ｂ）は（Ａ）の２次励起エネルギーレベル２ＳＣ＝２２６ｍｅＶでスライスした規格化散乱強度Ｓ（Ｑ，２２６ｍｅＶ）を示すグラフである。 図１の鋏振動モード（ＳＣモード）を利用した量子もつれ素子のエネルギーレベル図である。 図１の鋏型量子もつれ素子を２個以上用いた量子もつれレーザ発生の原理を示す図である。 図１の鋏型量子もつれ素子を用いた量子もつれ光子対発生装置を示す図である。 図１の鋏型量子もつれ素子を複数配列した際に個々の鋏型量子もつれ素子の識別を行うために必要な不均一エネルギーレベルの拡がりを生成するために行うべき物理的解析を説明するための図で，（Ａ）は量子もつれ装置の斜視図，（Ｂ）はエネルギーレベル図，（Ｃ）は光吸収／発光の周波数スペクトル図である。 図１の鋏型量子もつれ素子の制御ＮＯＴゲートの動作を説明するための図である。 図１の鋏型量子もつれ素子を用いた量子テレポーテーション・プロトコルを説明するための図であって，（Ａ）は量子ビット配置図，（Ｂ）は配線図である。 図１の鋏型量子もつれ素子を用いた量子コンピュータを示す図である。 図１の鋏型量子もつれ素子を用いたベル測定の原理を示す図である。 従来の量子もつれ装置を説明するための図であって，（Ａ）はエネルギーレベル図，（Ｂ）はカスケード遷移を示す図である。
　図１は本発明に係る量子もつれ装置の実施例を示す原子配置図である。
　図１に示すように，量子もつれ装置は，シリコン半導体Ｓと，シリコン半導体Ｓの表面の１個のシリコン原子１に結合された水素原子（陽子）（Ｈ）２，３よりなる鋏型量子もつれ素子ＳＱＥとによって構成される。すなわち，シリコン半導体Ｓにおいては，シリコン原子１間はばね定数ｋ１で共有結合する。また，鋏型量子もつれ素子ＳＱＥにおいては，水素原子２，３はシリコン原子１とばね定数ｋ２で共有結合しており，水素原子２，３相互には化学結合がなく，シリコン原子１を介してばね定数ｋ３で相互作用を及ぼしあっている。ここで，鋏型量子もつれ素子ＳＱＥの振動は調和振動子で表され，その固有振動状態を考えると，水素原子２，３はいずれもフェルミ粒子であり，粒子の交換に対して反対称性が要請される。この結果，スピン自由度と固有振動状態との間に相関が現れ，量子力学的に区別できない量子もつれ状態が形成される。この量子もつれ状態の零点振動エネルギーは１００ｍｅＶ以上になるので，６００Ｋの温度領域まで安定に動作する鋏型量子もつれ素子ＳＱＥを構成することができる。
　図２は図１の量子もつれ装置の第１の製造方法を説明するための原子配置図である。
　始めに，電気化学的陽極化成法によって単結晶シリコン基板（図示せず）をエッチングし，図３の（Ａ）の透過型電子顕微鏡写真に示すような球状ナノ単結晶シリコンＳ１の集合体を形成する。ここで，エッチング条件は，電流密度が１０ｍＡ／ｃｍ２，エッチング溶液が濃度比ＨＦ：Ｈ２Ｏ：Ｃ２Ｈ５ＯＨ＝３：３：４の混合溶液である。また，単結晶シリコン基板は比抵抗３－５Ωｃｍのｐ型（１００）基板を用いる。球状ナノ単結晶シリコンＳ１は小角Ｘ線散乱測定装置によって分析され，図３の（Ｂ）に示すような波数ｑに対する小角Ｘ線散乱スペクトルＩ(ｑ)を得ることができる。このスペクトルを多分散ハード球モデルにて解析することによって，図３の（Ｃ）に示すように，種々の半径サイズを有する球状ナノ単結晶シリコンＳ１の半径Ｒ（ｎｍ）分布を評価することができる。図３の（Ｃ）の半径サイズ分布Ｎによれば，球状ナノ単結晶シリコンＳ１の半径Ｒは０．４～２．５ｎｍで分布し，平均半径Ｒは１．２ｎｍであり，平均直径は２．４ｎｍである。直径２．４ｎｍを有する球状ナノ単結晶シリコンＳ１の結晶模式図を図２に示す。直径２．４ｎｍの球状ナノ単結晶シリコンＳ１は３７７個のシリコン原子よりなり，赤外吸収スペクトル評価法，電子スピン共鳴法，及び二次イオン質量分析評価法によりその表面構造を解析すると，球状ナノ単結晶シリコンＳ１の表面全面にわたって水素Ｈが終端された構造が形成され，水素終端されない未結合の化学結合（ダングリングボンド）は殆ど存在しない。この場合、ダングリングボンドの密度は１０１５／ｃｍ３となっている。
　更に，球状ナノ単結晶シリコンＳ１の表面のダングリングボンド密度を低減し水素化を促進するために，水素化終端処理を行う。たとえば１０％未満の沸化水素酸（ＨＦ）液又は４０％バッファード沸酸（ＮＨ４Ｆ）液に球状ナノ単結晶シリコンＳ１を浸透させる。この水素化終端処理によりダングリングボンド密度は１０１４／ｃｍ３以下となる。このようにして得られた球状ナノ単結晶シリコンＳ１の表面は球面をなしているので，微小的には種々の結晶面たとえば（１００）面，（１１１）面が混在する。この結果，（１００）面にはＳｉＨ２終端が形成され，（１１１）面にはＳｉＨ終端が形成される。電気化学的陽極化成法によって作成した球状ナノ単結晶シリコンＳ１は，（１００）面の占有面積と（１１１）面の占有面積とはほぼ同一であり，実際に，赤外吸収スペクトル測定法によってＳｉＨ２終端の数：ＳｉＨ終端の数は１：１であることが判明した。３７７個のシリコン原子よりなる球状ナノ単結晶シリコンＳ１表面に終端した１９６個の水素原子（Ｈ）は，図２に示すように，ほぼ同数のＳｉＨ（quantum double oscillator, ＱＤＯ）とＳｉＨ２（quantum triple oscillator, ＱＴＯ）よりなる表面構造を有することが確認された。
　このように，球状ナノ単結晶シリコンＳ１の表面に非常に多数の量子三重振動子（ＱＴＯ）としてのＳｉＨ２終端が図１の鋏型量子もつれ素子ＳＱＥとして堅固に形成できる。
尚，ＳｉＨ２終端の量子三重振動子（ＱＴＯ）はＳｉと２個のＨが調和振動する状態となり，調和振動子が示す偶奇性に対応してスピン状態が対称スピン状態又は反対称スピン状態となる。他方、ＳｉＨ終端の量子二重振動子（ＱＤＯ）はＳｉと１個のＨが調和振動する状態となる。また、鋏型量子もつれ素子ＳＱＥの基準振動を励起状態又は基底状態とするためにＩＶ族半導体Ｓ１に電場Ｅ１Ｘ，Ｅ１Ｙ，Ｅ１Ｚを発生する電場発生回路２０１（又は磁場を発生する磁場発生回路又は電子線を発生する電子線発生回路）が設けられ、さらに鋏型量子もつれ素子ＳＱＥの縮退したエネルギーレベルを分離させるために、電場Ｅ２Ｘ，Ｅ２Ｙ，Ｅ２Ｚを発生する電場発生回路２０２（又は磁場を発生する磁場発生回路）が設けられている。尚、電場発生回路２０１、２０２は１つの電場発生回路とすることもできる。
　図４は図１の量子もつれ装置の第２の製造方法を説明するための図であって，（Ａ）は断面図，（Ｂ）は表面の原子構造を示す。
　始めに，図４の（Ａ）に示す（１００）面単結晶シリコンＳ２を準備する。尚，（１００）面単結晶シリコンＳ２の表面には，通常，薄い自然酸化（ＳｉＯ２）層Ｓ２Ｏが形成されている。
　次に，（１００）面単結晶シリコンＳ２の表面の水素化終端処理を行う。たとえば１０％未満の沸化水素酸（ＨＦ）液又は４０％バッファード沸酸（ＮＨ４Ｆ）液によって（１００）面単結晶シリコンＳ２の表面をエッチングし薄い自然酸化（ＳｉＯ２）層Ｓ２Ｏを除去する。除去後には，図４の（Ｂ）に示すように，（１００）面単結晶シリコンＳ２の（１００）面にはＳｉＨ２終端が形成される。
　このように，（１００）面単結晶シリコンＳ２の表面に非常に多数の量子三重振動子（ＱＴＯ）としてのＳｉＨ２終端が図１の鋏型量子もつれ素子ＳＱＥとして堅固に形成できる。尚，（１００）面単結晶シリコンＳ２にはＳｉＨ終端は形成されない。また、鋏型量子もつれ素子ＳＱＥの基準振動を励起状態又は基底状態とするためにＩＶ族半導体Ｓ２に電場Ｅ１Ｘ，Ｅ１Ｙ，Ｅ１Ｚを発生する電場発生回路４０１（又は磁場を発生する磁場発生回路又は電子線を発生する電子線発生回路）が設けられ、さらに鋏型量子もつれ素子ＳＱＥの縮退したエネルギーレベルを分離させるために、電場Ｅ２Ｘ，Ｅ２Ｙ，Ｅ２Ｚを発生する電場発生回路４０２（又は磁場を発生する磁場発生回路）が設けられている。尚、電場発生回路４０１、４０２は１つの電場発生回路とすることもできる。
　上述の量子もつれ状態は非弾性中性子散乱（ＩＮＳ）分光器を用いた赤外振動状態の測定によって確認される。非弾性中性子散乱分光器においては，中性子非弾性散乱は中性子が発生してから検出されるまでの飛行時間（ＴＯＦ）によって測定される。赤外振動状態は後述のＱ，Ｅの２次元プロット規格化散乱強度Ｓ（Ｑ，Ｅ）のグラフで与えられ，理論的には以下の散乱強度を示す数２で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　但し，添字ｉは始状態，添字ｆは終状態，ｐｉは統計的重み，Ｑは始状態ｉから終状態ｆへの運動量遷移ベクトル（波数ベクトル差＝ｋｉ－ｋｆ），Ｅは始状態ｉから終状態ｆへの中性子のエネルギー遷移（但し，本明細書では，単にエネルギーとし，中性子始状態エネルギーはＥｉ＝０．５ｅＶとし，中性子終状態エネルギーをＥｆとする），ｂαβは各核（α，β＝１はＳｉ原子１，α，β＝２，３は水素原子２，３）における散乱長さの積（散乱断面積），ｒαは核αにおける位置ベクトル，ｒβは核βにおける位置ベクトル
，Φは量子数ｎνρと基準座標ξνρとで表現される調和振動子の波動関数であって、エルミート多項式とガウス関数との積で表される。この場合，Ｅ＝Ｅｆ－Ｅｉのときに，（２）式はＳ（Ｑ，Ｅ）で表せる。ここで，添え字ρはＸ，Ｙ，Ｚ座標を表し，νは基準座標の番号を表す。従って，エネルギーレベルＥνρは数３で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　但し，角周波数ωνρは，ばね定数ｋ１ρ，ｋ２ρ，ｋ３ρ及び質量ｍ１，ｍ２，ｍ３（＝ｍ２）の関数である。
　ところで，上記量子数ｎνρで表される調和振動子の波動関数ΦはΦ(ξ１ρ)のように基準座標ξ１ρ，ξ２ρ，ξ３ρで表され，この基準座標と図１において表現された変位ベクトルｕ１ρ，ｕ２ρ，ｕ３ρとの間には数４の関係がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　ここで，θρは，角周波数ωνρと同様に，ばね定数ｋ１ρ，ｋ２ρ，ｋ３ρ及び質量ｍ１，ｍ２，ｍ３（＝ｍ２）で表される関数である。
　図１に示すシリコン原子１及び水素原子２，３よりなる鋏型量子もつれ素子ＳＱＥを示す全波動関数Ψｎνρ(ξνρ)は，上記基準座標を変数とする振動状態の波動関数Φｎνρ(ξνρ)とスピン状態の波動関数σｎνρ(ξνρ)との積，つまり，数５で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　ところで，水素原子（陽子）はスピン１/２のフェルミ粒子であり，従って，２つの水素原子２，３は互いの水素原子座標の交換に対して全波動関数Ψｎνρ(ξνρ)が反対称となることが要請される。すなわち，水素原子座標ｕ２ρ，ｕ３ρの交換演算Ｐを行うと，数４は，Ｐξ１ρ＝ξ１ρ，Ｐξ２ρ＝ξ２ρ，Ｐξ３ρ＝－ξ３ρとなり，これに応じてエルミート多項式Ｈｎνρ(ξνρ)も，量子数ｎνρが偶数の場合は偶関数，奇数の場合は奇関数となるので，Ｈｎ3ρ(ξ3ρ)は交換演算Ｐにより奇数次のエネルギーレベルはＰΦｏｄｄ（ξ３ρ）＝－Φｏｄｄ（ξ３ρ）のように変換される。全波動関数Ψｎνρ(ξνρ)が反対称となることの要請から，奇数次のエネルギーレベルのスピン状態は三重項核スピン状態のような対称スピン状態を有し，偶数次のエネルギーレベルは反対称性を有する一重項核スピン状態となる。この座標ξ3ρで表現される振動状態が鋏振動状態（ＳＣモード）となる。
　ξ3ρ以外の他の座標の対称性は，ＰΦｎ１ρ（ξ1ρ）＝Φｎ1ρ（ξ1ρ），ＰΦｎ２ρ（ξ２ρ）＝Φｎ２ρ（ξ２ρ）と振動に関する波動関数の符号の変化がないので，全波動関数Ψｎνρ(ξνρ)の反対称性の要請は，スピン状態の波動関数の項が受け持つこ
とになり，ｎ１ρおよびｎ２ρの全てのエネルギー状態において一重項核スピン状態となる。
　図１に示すシリコン原子１及び水素原子２，３よりなる鋏型量子もつれ素子ＳＱＥは，２つの水素原子座標の交換に対して全波動関数が反対称であることの要請から，一重項核スピン状態または三重項核スピン状態で記述される量子もつれ装置となる。この量子もつれ装置の特徴は，図１に示すシリコン原子１及び水素原子２，３よりなる系の全ての物理的振動状態が量子もつれ状態にあり，一重項核スピン状態及び三重項核スピン状態は，最も量子的にもつれた状態となる。
　水素分子よりなる従来の量子もつれ素子（参照：非特許文献１）における水素分子で観測されるエネルギー差１０ｍｅＶと比較して，水素原子２個よりなる本発明の鋏型量子もつれ素子ＳＱＥにおいては，振動波動関数とスピン波動関数との積によって生ずる反対称波動関数は一重項基底状態と三重項１次励起状態との間における鋏振動状態（ＳＣモード）において大きなエネルギー差１１３ｍｅＶを誘発するため，室温でも安定に動作する量子もつれ素子ＳＱＥとなる。また，水素分子が気体状態である従来の量子もつれ素子（参照：非特許文献１）はガスセル等を必要とするが，本発明の鋏型量子もつれ素子ＳＱＥはシリコン表面に強固に構成されているので，実用に適したものとなる。
　各エネルギーレベルにおける規格化散乱強度Ｓ（Ｑ，Ｅ）は，核スピン波動関数及び中性子スピン波動関数の代数的計算を行うことによって得ることが出来る。上記ＳＣモードの１次励起状態エネルギーレベル１ＳＣは１１３ｍｅＶであり，これは量子数で記載するとｎ３Ｘ＝ｎ３Ｙ＝０からｎ３Ｘ＝ｎ３Ｙ＝１への遷移（偶関数から奇関数への遷移）に相当する。この場合，Ｘ，Ｙ方向間で縮退している。エネルギーレベル１ＳＣに対する一重項レベル→三重項レベル遷移の数２の係数ｂαβは図５の（Ａ）に示すテーブルを用いて計算する。上記ＳＣモードの２次励起状態エネルギーレベル２ＳＣは２２６ｍｅＶであり，これは量子数で記載すると，ｎ３Ｘ＝ｎ３Ｙ＝０からｎ３Ｘ＋ｎ３Ｙ＝２への遷移に相当し，つまり，偶関数から偶関数への遷移に相当する。この場合、Ｘ，Ｙ方向間で縮退している。エネルギーレベル２ＳＣに対する一重項レベル→一重項レベル遷移の数２の係数ｂαβは図５の（Ｂ）に示すテーブルを用いて計算する。尚，図５におけるσｉｎｃは各原子が有する中性子のインコヒーレント散乱断面積，σｃｏｈは中性子のコヒーレント散乱断面積を示す。
　図５の（Ａ）に示す一重項レベル→三重項レベル遷移におけるインコヒーレント散乱断面積ｂαβに注目すると，この項はエネルギーレベル１ＳＣ（＝１１３ｍｅＶ）の散乱強度Ｓを与え，対角成分（ｂ２２，ｂ３３）が水素のインコヒーレント散乱で記述できるので，エネルギーレベル１ＳＣ（＝１１３ｍｅＶ）の散乱強度Ｓは大きなものとなることが予想される。非弾性中性子散乱の実験値の図６の（Ａ）の２次元プロットＳ（Ｑ，Ｅ）を見てみると，エネルギーレベル１ＳＣ（＝１１３ｍｅＶ）に強い強度の散乱が生じていることが分る。図６の（Ａ）のエネルギーレベル１Ｎ（＝８０ｍｅＶ）及び２Ｍ（＝１４０ｍｅＶ）はＳｉＨによって生じた強度の強い散乱であり，これら２つのスペクトルによって挟まれているものの，エネルギーレベル１ＳＣは明確に存在する。すなわち，エネルギーレベル１ＳＣの中性子散乱は，Ｅ＝１１３ｍｅＶで図６の（Ａ）のＳ（Ｑ，Ｅ）をスライスしたスペクトルである図６の（Ｂ）の実験値６０１で示すごとく，運動量遷移Ｑ＝６．８Å－１でピークを有する強い散乱スペクトルを形成する。
　図５の（Ａ）に示す一重項レベル→三重項レベル遷移におけるインコヒーレント散乱断面積ｂαβに注目すると，この項はエネルギーレベル１ＳＣ（＝１１３ｍｅＶ）の散乱強度を与え，かつ，非対角成分（ｂ２３，ｂ３２）が水素のインコヒーレント散乱で表すことができるので，エネルギーレベル１ＳＣ（＝１１３ｍｅＶ）の散乱に大きな干渉が生じ
ることが予想される。Ｅ＝１１３ｍｅＶで図６の（Ａ）のＳ（Ｑ，Ｅ）をスライスしたスペクトルである図６の（Ｂ）に示す非弾性中性子散乱の実験値６０１を見てみると，散乱スペクトル中に明確に干渉パターンが観測されている。この干渉パターンは，２個の水素が量子もつれ状態にあることを示しており，理論的には，２個の水素の原子間距離２．５Åの周波数成分を持つ干渉パターンとなることが予測される。非弾性中性子散乱の図６の（Ｂ）の実験値６０１をフーリエ変換して，干渉パターンがどのような原子間距離を起源としているのかについて評価した結果が図７である。エネルギーレベル１ＳＣ（＝１１３ｍｅＶ）の散乱中に生じているに大きな干渉は，水素原子間距離２．５Åを起源としていることが実験値７０１に示すように実験的にかつ理論値７０２に示すように理論的に証拠付けられた。
　量子もつれ状態にない場合は，散乱スペクトル中に干渉パターンが観測されない。図６の（Ｂ）の理論値６０２は量子もつれなしの場合であり，理論値６０３は量子もつれありの場合である。量子もつれなしの場合の理論値６０２は，干渉パターンが存在しない滑らかな曲線を示す。量子もつれなしの場合の理論値６０２をフーリエ変換したスペクトルには，明確なスペクトルピークが出現しないことが判明した。
　他方，図５の（Ｂ）に示す一重項レベル→一重項レベル遷移におけるコヒーレント散乱断面積ｂαβに注目すると，この項はエネルギーレベル２ＳＣ（＝２２６ｍｅＶ）の散乱強度Ｓを与え，対角成分および非対角成分が全て水素およびシリコン原子のコヒーレント散乱項で表すことができるので，エネルギーレベル２ＳＣ（＝２２６ｍｅＶ）の散乱強度Ｓはエネルギーレベル１ＳＣ（＝１１３ｍｅＶ）の散乱強度Ｓと比較して１／１０以下となる非常に小さなものとなることが予想される。尚，σcoh (H)＝１．７６，σcoh (Si)＝２．１６，σinc (H)＝８０．２６である。非弾性中性子散乱の実験値の図８の（Ａ）を見てみると，エネルギーレベル２ＳＣ（＝２２６ｍｅＶ）には散乱が観測されていないことが分る。図８の（Ａ）のエネルギーレベル３Ｍ（＝２１７ｍｅＶ）及び３Ｎ（＝２３７ｍｅＶ）はＳｉＨによって生じた強度の強い散乱であり，これら２つのスペクトルによって挟まれており判別し難いものの，エネルギーレベル２ＳＣは消滅しているか，少なくともエネルギーレベル３Ｍ及び３Ｎの散乱に隠されてしまうほど弱い散乱であることが分かる。すなわち，Ｅ＝２２６ｍｅＶで図８の（Ａ）の散乱強度Ｓ（Ｑ，Ｅ）をスライスしたスペクトルを示す図８の（Ｂ）のエネルギーレベル２ＳＣの実験値８０１は，明確な散乱スペクトルを形成していない。
　図８の（Ｂ）の実験値８０１の散乱スペクトルを，量子もつれなしの場合の理論値８０２および量子もつれありの場合の理論値８０３でフィッティングしてみると，エネルギーレベル２ＳＣの実験値８０１が示す散乱スペクトルは量子もつれありの場合の理論値８０３に近く，量子もつれ状態にあることを示唆している。尚，２ＳＣエレルギーレベルの理論値８０３と実験値８０１との小さな差異はエネルギーレベル３Ｍ及び３Ｎから生じている散乱の裾成分がエネルギーレベル２ＳＣに存在しているものと考えられる。
　以上の実験値および解析により，図１に示すシリコン原子１及び水素原子２，３よりなる系の全ての物理的振動状態は一重項核スピン状態または三重項核スピン状態となり，最も量子的にもつれた状態を形成し，量子もつれ装置として最適なものであることが判明した。
　図９は図１の鋏型量子もつれ素子ＳＱＥのエネルギーレベル図である。
　図１の鋏型量子もつれ素子ＳＱＥは量子三重振動子（ＱＴＯ）として動作する。特に，ＳＣモードは一重項核スピン状態または三重項核スピン状態が交互に重なった状態となるため，鋏型量子もつれ素子ＳＱＥを利用することによって，図９の実線矢印に示すように
，もつれた光子のカスケード放射が可能となる。図９に示すように，鋏型量子もつれ素子ＳＱＥのＳＣモードは等間隔の２ｎ準位構造のエネルギーレベルＥ０，Ｅ１，Ｅ２，…，Ｅ２ｎ－２，Ｅ２ｎ－１，Ｅ２ｎを有する。各エネルギーレベルＥ０，Ｅ１，Ｅ２，…，Ｅ２ｎ－２，Ｅ２ｎ－１，Ｅ２ｎは調和振動子の波動関数Φと陽子スピン波動関数σとの積よりなる波動関数を有する。これにより，偶数番目エネルギーレベルＥ０＝０ｍｅＶ，Ｅ２＝２２６ｍｅＶ，…はスピン一重項状態（Ｊ＝０）であり，奇数番目エネルギーレベルＥ１＝１１３ｍｅＶ，Ｅ３＝３３９ｍｅＶ，…はスピン三重項状態（Ｊ＝１）である。このエネルギー状態は，図１７に示した従来利用されているもつれた光子対を発生する準位構造と同様なものとなる。従って，右回転分極によるカスケード遷移｜Ｒ２ｎ，２ｎ－１＞，｜Ｒ２ｎ－１，２ｎ－２＞；…；｜Ｒ２１＞，｜Ｒ１０＞及び左回転分極によるカスケード遷移｜Ｌ２ｎ，２ｎ－１＞，｜Ｌ２ｎ－１，２ｎ－２＞；…；｜Ｌ２１＞，｜Ｌ１０＞が発生する。この場合，｜Ｒ２ｎ，２ｎ－１＞，｜Ｒ２ｎ－１，２ｎ－２＞；…，｜Ｌ２ｎ，２ｎ－１＞，｜Ｌ２ｎ－１，２ｎ－２＞；…は同一エネルギーレベル１１３ｍｅＶである。このとき，光の遷移には角運動量Ｊが±１だけ変化する遷移のみが許容されるので，調和ポテンシャル状態下つまり等間隔の２ｎ準位構造を作り出すポテンシャルにあるＳＣモードは完全にもつれた光子対のみを放出する。
　これらのもつれた光子対同士の直積状態を形成し，後述の図１６に示すごとく，この状態に対してベル測定を行うことによって，鋏型量子もつれ素子ＳＱＥ間におけるもつれた光子対の物理的状態を量子テレポーテーションまたは量子もつれスワッピングを起こすことができる。ここで放出される光子対は周波数２７ＴＨｚの量子もつれ光となり，ＴＨｚ領域の光となるため，量子光情報通信，量子通信装置，量子暗号装置，ステルス型レーダ，量子無線光源，非侵襲・非破壊検査装置等に最適な光源となる。ここで，ｎ＝２からｎ＝０への量子もつれ光子対状態Θ２０は数６で表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　さらに，２ｎ以上の量子もつれ光子対状態Θ２ｎ０におけるカスケード遷移は数７で表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 尚，各もつれた光子対は全て同一の周波数２７ＴＨｚを有するのも，本発明の量子もつれ装置の特徴である。
　尚，量子情報処理の都合上，各もつれた光子対の上記エネルギーレベルを変化させたい場合も生じる。この場合には図４における（１００）面単結晶シリコンＳ２の下地に歪層を設ける工夫をする。これには，下地層へ傾斜状に濃度勾配を付けるように不純物添加又は欠陥形成等を行う。たとえば（１００）面単結晶シリコンＳ２の下地シリコン層に傾斜状にゲルマニウム不純物を添加する。または傾斜状厚みの下地ＳｉＯ２層Ｓ２１を設ける。下地シリコン層又は下地ＳｉＯ２層Ｓ２１は歪層として作用し，（１００）面単結晶シリコンＳ２に歪を導入し，これにより縮退した全て同一のエネルギーレベルの分離を図ることが可能となる。ゲルマニウム不純物の添加による歪の形成は，高速ＣＭＯＳ回路で利用されている歪シリコン薄膜作製技術を利用すれば良い。即ち，通常のシリコンウェハを土台として，その上に傾斜状に濃度勾配を付与したシリコンゲルマニウムバッファ層を作製し，この格子定数の大きいシリコンゲルマニウムバッファ層の上にシリコン薄膜をエピタキシャル成長する。これにより，面内方向に引っ張り歪｛（１００）面方向｝，面に垂直方向に圧縮歪｛（００１）面方向｝が生じ，ゲルマニウム濃度の相違に応じて局部的に
図１に示すｋ１のばね定数に変化をもたらすことが出来，もつれた光子対のエネルギーレベルを変化させることが出来る。他方，傾斜状の下地ＳｉＯ２層Ｓ２１の形成は，ＳＩＭＯＸ（Separation By Implanted Oxygen）ウエハ等で利用されている酸素イオン注入技術を利用すればよい。即ち，照射時間および注入量を制御してＳｉ層Ｓ２とＳｉＯ２層Ｓ２１との化学量論比を傾斜状に変化させることによって，シリコンゲルマニウムバッファ層と同様に面内方向に引っ張り歪｛（１００）面方向｝，面に垂直方向に圧縮歪｛（００１）面方向｝が生じ，局部的に図１に示すｋ１のばね定数に変化をもたらすことが出来る。歪を導入することが困難となる場合には，図４に示す電場発生回路４０２（又は磁場発生回路）を用いて（１００）面単結晶シリコンＳ２に電場または磁場を印加することによっても量子もつれ素子のエネルギーレベルの縮退の分離を図ることが可能となる。このとき，電場は固有振動状態が有する双極子と電場との相互作用となり，一方，磁場はスピンと磁場との相互作用となるので，これら生じる双極子およびスピンの方向と一致する（内積が最大となる）ように電場および磁場の方向を印加する。ただし，印加する電場または磁場の大きさによっては，量子もつれ素子のスピン状態が大きく変化して量子もつれ状態が壊れることがある。尚，量子もつれ素子ＳＱＥは，共鳴するまたは近いエネルギー同士が長距離離れていても相互作用するフレーリッヒ相互作用効果を有するので，上記のように傾斜状に濃度勾配または厚みの勾配を有していなくても，ランダムに濃度の揺らぎまたは厚みの揺らぎを有したＳ２１層を形成しても良い。
　このように，鋏型量子もつれ素子ＳＱＥを利用することによって，もつれた光子のカスケード放射が可能となるが，球状ナノ単結晶シリコンＳ１または（１００）面単結晶シリコンＳ２上に多数の鋏型量子もつれ素子ＳＱＥが構成された系においては，上述の光子対のカスケード放射に加えて，図９の破線矢印で示すように，２２６ｍｅＶのスピン一重項状態（Ｊ＝０）から１１３ｍｅＶのスピン三重項状態（Ｊ＝１）のｍ＝０のルートで，音響子（フォノン）を隣接する素子ＳＱＥに放出して緩和する互いに反対方向に伝播するフォノン対のカスケード放射｜Ｐ２ｎ，２ｎ－１＞，｜Ｐ２ｎ－１，２ｎ－２＞，…，｜Ｐ３２＞，｜Ｐ２１＞｜Ｐ１０＞も同時に得ることができる。フォノン対のカスケード放射の確率は，隣接する素子ＳＱＥの幾何学的配置に大きく依存するので，例えば，フォノン対のカスケード放射を抑制したい場合は，鋏型量子もつれ素子ＳＱＥの配置を非対称またはランダムに配置すれば良い。ｎ＝２からｎ＝０への量子もつれ光子対および音響子対の量子状態Ω２０は数８で表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 　さらに，２ｎ以上の量子もつれ光子対および音響子対の量子状態Ω２ｎ０におけるカスケード遷移は数９で表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　図１０は図１の鋏型量子もつれ素子を２個以上用いた量子もつれレーザ発生の原理を示す図である。
　図２または図４の（Ｂ）に示す構造を利用することによって，図１０に示すように，鋏型量子もつれ素子ＳＱＥ０，ＳＱＥ１，ＳＱＥ２を全体的に励起状態とすることによって，従来不可能であった，もつれた光子対１０１１，１０１２の誘導放出およびレーザ発振
が可能となる。この利点は，従来のもつれた光子対は空間の全方向（４π）に放出されるが，本発明では，複数の鋏型量子もつれ素子ＳＱＥ０，ＳＱＥ１，ＳＱＥ２が近接して配置されることによって，もつれた光子対に方向性を持たせることができる。
　図１１は図１の鋏型量子もつれ素子ＳＱＥを用いた量子もつれ光子対発生検出装置を示す図である。
　図１１において，ポンプ光源１１０１が鋏型量子もつれ素子ＳＱＥにポンプ光を発光すると，鋏型量子もつれ素子ＳＱＥは量子もつれ状態のエネルギーレベル１１３ｍｅＶの光子対を発生する。この光子対は２つの検出器１１０２，１１０３によって検出されると，一方は“０”となり，他方は“１”となる。ここで，右回り偏光状態を“１”，左回り偏光状態を“０”とするようにもつれた光子対発生検出装置を構成した。
　図１２は図１の鋏型量子もつれ素子を複数配列した際に個々の鋏型量子もつれ素子の識別を行うために必要な不均一エネルギーレベルの拡がりを生成するために行うべき物理的解析を説明するための図で，（Ａ）は量子もつれ装置の斜視図，（Ｂ）はエネルギーレベル図，（Ｃ）は光吸収／発光の周波数スペクトル図である。ここでは，簡単化のためにＸ方向の振動を例に取って説明を行う。尚，Ｙ方向エネルギーレベルはＸ方向エネルギーレベルと同一で，縮退している。Ｚ方向は今回の量子コンピューティング動作には使用しない。
　単一の鋏型量子もつれ素子ＳＱＥの振動エネルギーは，図１におけるばね定数をｋ１，ｋ２，ｋ３とし，シリコンの質量をｍ１，水素の質量をｍ２とすると，数１０に表すω１（＝６０ｍｅＶ），ω２（＝８０ｍｅＶ），ω３（＝１１３ｍｅＶ）の振動エネルギーを有する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 　ただし，式中のαμν及びばね定数ｋ１，ｋ２，ｋ３，質量ｍ１，ｍ２の関係は数１１の行列で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　図１２の（Ａ）に示すごとく，シリコンＳ２の下地Ｓ２１に傾斜状濃度の不純物添加又は傾斜状厚さ変化を与えてシリコンＳ２に歪を導入すると，ばね定数ｋ１を微小量（ｋ１の１／１０程度）変化させることが出来るので，ばね定数ｋ１の変化を通してω２（＝８０ｍｅＶ）のエネルギーに，数１２のようにω２’の幅を持たせることが出来る。尚，下地Ｓ２１の土台Ｓ２２はシリコンである。図１２の（Ａ）において，ＳＱＥ１１，ＳＱＥ
２１，…はターゲット量子ビット，ＳＱＥ１２，ＳＱＥ２２，…はコントロール量子ビットである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　因みに，ばね定数ｋ１を変化させてもω１’，ω３’の式の表現から分かるようにこのエネルギーレベルの値は変化しない。ここで，ηは歪に比例した量で，下地Ｓ２１がＳｉＯ２の場合，ηはＳｉＯ２層の厚みに比例（η∝ｄ）して増大する値である。
　鋏型量子もつれ素子ＳＱＥ１１，ＳＱＥ１２，…を多数並べた際に個々の鋏型量子もつれ素子ＳＱＥ１１，ＳＱＥ１２，…を識別するためには，たとえば図１２に示すように下地Ｓ２１の厚さを傾斜変化させてシリコンＳ２に歪を導入する。これにより，ω２（＝８０ｍｅＶ）のエネルギーレベルを変化させて不均一幅を形成することが出来るため，多数の鋏型量子もつれ素子を識別することが可能となる。
　量子コンピューティング動作をおこなうためには，万能ゲートと呼ばれる２つの機能つまり量子ビットの回転操作機能及び制御ＮＯＴゲート機能を有していればよく，量子ビットの回転操作については，良く知られた共鳴レーザパルスを用いた物質と電磁波のコヒーレント相互作用を用いる。回転操作のユニタリ変換は数１３で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 　ここで，ｉ，ｊは量子ビットの位置を示す。また，φはレーザパルスの初期位相で，ここではπ/2に固定する。また，Iは虚数，βは数１４を満足する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 　但し，γは物質と電場の相互作用に依存した比例定数，Ωは物質と電場の双極子相互作用の大きさおよびレーザパルス強度によって決定される変数，τはパルス幅である。このユニタリ変換によって量子ビットの回転操作（重ね合わせ）を行う。
　図１３は図１の鋏型量子もつれ素子の制御ＮＯＴゲートの動作を説明するための図である。例えば鋏型量子もつれ素子ＳＱＥ１１，ＳＱＥ１２が両者とも励起された際のみに生じる素子ＳＱＥ１１，ＳＱＥ１２間のばね定数ｋ４のｋ４相互作用を用いる。弱いｋ４相互作用は，古典力学では良く知られた連成振動状態を形成する。量子力学的振動状態では，量子素子ＳＱＥ１１，ＳＱＥ１２を，πパルス等を用いて位相を揃えて励起するが（|1>12|1>11），同一スピンを持った励起状態間では，弱いk4相互作用が生じ，互いの振動Ｖ１１，Ｖ１２が逆位相となるため，図１３の（Ａ）に示す|1>12|1>11 から図１３の（Ｂ
）に示す -|1>12|1>11の状態に変化する。特に，鋏型量子もつれ素子ＳＱＥ１１，ＳＱＥ１２において，ω２（＝８０ｍｅＶ）のエネルギー状態は，不均一幅を形成することが出来ると同時に，両者とも一重項スピン状態であるため，ｋ４相互作用が生じ，図１３の（Ａ）に示す|1>12|1>11 から図１３の（Ｂ）に示す －|1>12|1>11の位相状態に変化する量子ゲート動作を実現できる。これは，イオントラップ型量子コンピュータにおけるCirac-Zoller ゲート（アダマールゲート）と同一動作となる。以下に，ｋ４相互作用ゲートによる動作規則を数１５にまとめる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 　最終的に，量子ビットの回転操作と，上記ｋ４相互作用ゲートを組み合わせることによって制御ＮＯＴゲートを実現することが出来る。具体的には，各素子ＳＱＥｉ１の初期状態に対して初期位相π/2かつβ=-π/2パルス（3π/2パルスと同等）を照射して回転操作をおこない，ナノ秒時間後にはユニタリー変換Ｕ(ｋ４)操作が完了するので，その後再び初期位相π/2かつβ=π/2パルスを照射して回転操作をおこなうことによって数１６のような制御ＮＯＴゲートを構築することが出来る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 　これらの制御ＮＯＴゲートおよび回転ゲート操作による出力結果は，凡そ1 ms程度後におこる各周波数ごとの発光スペクトルを測定することで評価する。
　このように，各準位の線幅はＭＨｚ程度だが，たとえば傾斜下地等によるシリコンへの歪の導入によって1ＴＨｚ程度の不均一線幅を作成することができるので，動作可能な量子素子（ビット）数は１０６程度の個数となる。これらの大量の量子ビットを個別に動作させるためには，レーザ光の周波数線幅を，これより小さいものにする。ここで，各準位の線幅は基底状態との関係で決まるので，大量の量子ビットを個別に動作させる場合には１０Ｋ程度の低温動作が有利となる。室温で量子コンピューティング動作をおこなう場合は，各準位の線幅がＭＨｚからＧＨｚ程度に広がるため，動作可能な量子ビット数は１０３程度まで低減する。
　なお，簡単化のためにＸ方向の振動を例に取って説明をおこなったが，Ｘ方向の振動とＹ方向の振動とを組み合わせると，メモリー機能を有した量子操作をおこなうことができる。具体的には，Ｘ方向の振動とＹ方向の振動とは相互作用を行わないので，例えば，書き込みの際に，コントロール量子ビットをＹ方向の電場で励起し，ターゲット量子ビットをＸ方向の電場で励起しておく。量子操作をおこなう必要が生じた時に，Ｙ方向に振動し
ているコントロール量子ビットをＸ方向の振動に変換すればよい。この変換には基底状態を補助場として利用する。即ち，Ｙ方向に書き込んだ量子ビットに対して，Ｙ方向に偏光を有するπパルスを利用して基底状態に戻し，この状態に対してＸ方向に偏光を有するπパルスを利用してＸ方向に振動する量子ビットに変換すればよい。また，下準位のω１（＝６０ｍｅＶ）を補助場として用い，ω２－ω１のエネルギーレベルを有する円偏光電磁場を利用して回転操作を2回施すことによってもＹ方向に振動しているコントロール量子ビットをＸ方向の振動に変換することができる。
　図１４は図１の鋏型量子もつれ素子を用いた量子テレポーテーション・プロトコルを説明するための図であって，（Ａ）は量子ビット配置図，（Ｂ）は配線図である。
　まず，量子素子ＳＱＥ０，ＳＱＥ１，ＳＱＥ２のうち１つをアダマールゲートＨで重ね合せ基底に変換し，これをコントロール・ビットとして，もう１つの量子素子に 制御ＮＯＴゲートＣを適用することで作成できる。具体的には，量子ビットＳＱＥ０，ＳＱＥ１，ＳＱＥ２を図１４の（Ａ）に示すように配置し，その量子ビット間を図１４の（Ｂ）に示すように配線することで量子テレポーテーションを実現することが出来る。ここで，Ｍは測定ゲートを示す。最終的にＳＱＥ２に数１７に示すＸ回転操作とＺ回転操作を施すことによって，量子テレポーテーション操作を実現することが可能となる。なお，ｃｒｚおよびｃｒｘは古典ビットで，情報の伝達は光等の物理的媒介を用いた方法にて行われる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　図１５は図１の鋏型量子もつれ素子を用いた量子コンピュータを示す図である。
　図１５において，入力ゲート（たとえばアダマールゲートＨ）ＩＮ１，ＩＮ２，…，ＩＮｍと出力ゲート（たとえば射影ゲートＭ）ＯＵＴ１，ＯＵＴ２，…，ＯＵＴｍとの間にｍ×ｎ個の鋏型量子もつれ素子ＳＱＥ１１，ＳＱＥ１２，…，ＳＱＥ１ｍ；ＳＱＥ２１，ＳＱＥ２２，…，ＳＱＥ２ｎ；…；ＳＱＥｍ１，ＳＱＥｍ２，…，ＳＱＥｍｎをたとえば行列状に配列し，これらの鋏型量子もつれ素子間にユニタリ演算を行うためのユニタリゲート（たとえば制御ＮＯＴゲートＣ等）Ｕを設けることにより，またはレーザを用いて量子もつれ素子間を共鳴励起することにより，鋏型量子もつれ素子間でユニタリ演算処理を施すことが可能となり，シリコン基板上に大量に鋏型量子もつれ素子ＳＱＥが形成された量子コンピュータを実現できる。
　尚，ｍ×ｎ個の鋏型量子もつれ素子ＳＱＥ１１，ＳＱＥ１２，…，ＳＱＥ１ｍ；ＳＱＥ２１，ＳＱＥ２２，…，ＳＱＥ２ｎ；…；ＳＱＥｍ１，ＳＱＥｍ２，…，ＳＱＥｍｎは，それらの固有振動状態を別の方法で変化させることも可能である。この場合には図４における（１００）面単結晶シリコンＳ２に上述の歪形成を行う。つまり、傾斜状の不純物添加及び欠陥形成等または傾斜状厚さの下地ＳｉＯ２を設けることによって（１００）面単結晶シリコンＳ２に歪を導入し，縮退した固有振動状態の分離を図ることが可能となる。これにより，ｍ×ｎ個の鋏型量子もつれ素子ＳＱＥの任意の素子間で，レーザの周波数に対応したアドレスを割り振ることが可能となり，ミクロに配置された鋏型量子もつれ素子ＳＱＥの動作をマクロ的に制御できる量子コンピュータを実現できる。
　図１６は図１の鋏型量子もつれ素子を用いたベル測定の原理を示す図である。
　図１６に示すように，鋏型量子もつれ素子ＳＱＥの集合体（ここではＳＱＥ０，ＳＱＥ１を考察）は，鋏型量子もつれ素子ＳＱＥ０，ＳＱＥ１同士に相関がない場合，鋏型量子もつれ素子ＳＱＥ０，ＳＱＥ１の量子的直積状態と考えることができる。この場合，上記のもつれた光子対発生と同様に，鋏型量子もつれ素子ＳＱＥ０，ＳＱＥ１間における水素の物理的状態（振動状態）を量子テレポーテーションまたは量子もつれスワッピングを起こすことができる。すなわち，Ｈ（１）―Ｈ（２），Ｈ（３）―Ｈ（４）のように，各鋏型量子もつれ素子ＳＱＥ０，ＳＱＥ１が絡み合っており，互いに相関がない直積状態を形成している場合（但し，これらのペアＳＱＥ０，ＳＱＥ１は互いに隣接していなくてもよい），水素Ｈ（２）およびＨ（３）についてベル状態測定を行う。例えば，水素Ｈ（２）およびＨ（３）間に電子を通過させ，その電子の偏向状態を測定することによってベル状態測定を実現すると，図１６に示すように，残りの水素Ｈ（１），Ｈ（４）のペアが絡み合う状態を形成することができる。鋏型量子もつれ素子ＳＱＥ０，ＳＱＥ１の基底状態は一重項スピンを持ち，これらの鋏型量子もつれ素子ＳＱＥ０，ＳＱＥ１間には相関がないと仮定すると，波動関数は数１８のごとくなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
 ここで，+1/2はアップスピン，-1/2はダウンスピンを表す。このような物理的状態について数１９又は数２０に示すベル測定を行うとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
 または，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
 上記ベル測定による物理的状態の崩壊は，数２１の波動関数で記述されるように，Ｈ（１），Ｈ（４）の間に同じもつれた状態を発生させることになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
 このような物理的過程を連鎖的に引き起こすことにより，水素の物理的状態を遠方まで量子テレポーテーションまたは量子もつれスワッピングすることができるので，本原理を利用した量子通信装置および量子暗号装置を構築することが可能となる。
　尚，上述の実施の形態において，シリコン結晶以外に，ゲルマニウム結晶，ダイヤモンド結晶，アモルファスシリコン，アモルファスゲルマニウム，アモルファスカーボン，シリコン球状ナノ結晶，ゲルマニウム球状ナノ結晶，カーボン球状ナノ結晶，Ｃ６０，カーボンナノチューブ，グラフェン，グラファン，又はシリコン，ゲルマニウム及びカーボンの混晶結晶（ＣｘＳｉｙＧｅｚ：Ｈ２，ｘ，ｙ，ｚ＞０）にて量子もつれ装置をなし得る
。
　また，上述の実施の形態において，カーボン元素は１．１１％のＣ１３，シリコン元素は４．７％のＳｉ２９，Ｇｅ７３は７．７％の天然同位体を含み，これらの元素は全てスピンを有する（Ｃ１３はスピン１／２，Ｓｉ２９はスピン１／２，Ｇｅ７３はスピン９／２）。これらのスピンは鋏型量子もつれ素子ＳＱＥにおいて，もつれた動作を妨げる働きをするので，鋏型量子もつれ素子ＳＱＥの水素以外の部分については，同位体分離等の方法を用いてスピンを含まない元素で構成すると，より性能に秀でた量子もつれ装置をなし得る。
　さらに，上述の実施の形態において，水素Ｈ１は０．０１５％の天然同位体重水素Ｈ２を含み，この元素はスピンが１であるので，図１の鋏型量子もつれ素子ＳＱＥにおいて片方の水素が重水素終端されると，水素同士の波動関数の入れ替えに対して，反対称性の要請が消失してしまい，量子もつれを構築しなくなる。鋏型量子もつれ素子ＳＱＥの水素の部分については，同位体分離法の手法を用いて水素Ｈ１のみを含む元素で構成すると，より性能に秀でた量子もつれ装置をなし得る。
　尚，上述の実施例において，図１に示す水素原子２，３の両方の元素が重水素Ｈ２よりなる場合にも，鋏型量子もつれ素子ＳＱＥを構築することができる。
　この場合，重水素原子はスピン１のボーズ粒子であり，従って，２つの重水素原子はお互いの重水素原子座標の交換に対して全波動関数が対称となることが要請される。すなわち，重水素原子座標ｕ２ρとｕ３ρの交換演算Ｐを行うと，Ｐξ１ρ＝ξ１ρ，Ｐξ２ρ＝ξ２ρ，Ｐξ３ρ＝－ξ３ρとなり，これに応じてエルミート多項式Ｈｎνρ(ξνρ)も，量子数ｎνρが偶数の場合は偶関数，奇数の場合は奇関数となるため，Ｈｎ3ρ(ξ3ρ)は交換演算Ｐにより奇数次のエネルギーレベルはＰΦｏｄｄ（ξ３ρ）＝－Φｏｄｄ（ξ３ρ）のように変換する。全波動関数が対称となることの要請から，奇数次のエネルギーレベルのスピン状態は反対称核スピン状態を有し，偶数次のエネルギーレベルは対称性を有する核スピン状態となる。
　ξ3ρ以外の他の座標の対称性は，ＰΦｎ１ρ（ξ1ρ）＝Φｎ1ρ（ξ1ρ），ＰΦｎ２ρ（ξ２ρ）＝Φｎ２ρ（ξ２ρ）と振動に関する波動関数の符号の変化が無いため，全波動関数の対称性の要請は，スピン波動関数の項が受け持つことになり，ｎ１ρおよびｎ２ρの全てのエネルギー状態において対称核スピン状態となる。
　このように，図１に示す水素原子２，３の代りに両方の元素が核スピンが１である重水素Ｈ２よりなる場合にも，対称核スピン状態または反対称核スピン状態で記述される量子もつれ装置となる。この量子もつれ装置の鋏振動状態（ＳＣモード）のエネルギーは基底状態から１次励起状態のエネルギーが８１ｍｅＶとなるため，１９ＴＨｚのもつれた光子対を発生することができる。尚，重水素Ｈ２による量子もつれ装置を製造する際のエッチング液は水素の代りに重水素を含むものを用いる。
　２つの重水素Ｈ２よりなる量子もつれ装置の第１の利点は，対称核スピン状態が６状態ならびに反対称核スピン状態が３状態を取るため，１つの量子もつれ素子で多くの重ね合わせ状態を実現できる点にある。
　また，２つの重水素Ｈ２よりなる量子もつれ装置の第２の利点は，巨大同位体効果により，重水素とシリコン元素との原子的結合が，水素とシリコン元素との結合と比較して強固となるため，重水素原子が高温状態でもシリコン原子から脱離しない実用に適したものとなる。
　また，本発明は上述の実施の形態の自明の範囲でいかなる変更にも適用できる。
　本発明は量子もつれ光子対発生装置，量子もつれ光子対レーザ装置，量子コンピュータ，量子通信装置及び量子暗号装置以外に，テラヘルツレーザ，量子光情報通信，ステルス型レーダ，量子無線光源，非侵襲・非破壊検査装置等に利用できる。
　Ｓ：シリコン半導体
　ＳＱＥ，ＳＱＥ１１，…：鋏型量子ビット素子
　１：シリコン原子
　２，３：水素原子（陽子）
　Ｓ１：球状ナノ単結晶シリコン
　Ｓ２：（１００）面単結晶シリコン

Claims (22)

  1. 　ＩＶ族半導体（Ｓ，Ｓ１，Ｓ２）と，
    　前記ＩＶ族半導体（Ｓ，Ｓ１，Ｓ２）の表面の少なくとも１つの原子及び該原子の終端に結合された２つの水素原子又は２つの重水素原子よりなる鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ）と
    を具備する量子もつれ装置。
  2. 　さらに、前記鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ）の基準振動を励起状態又は基底状態とするために，前記ＩＶ族半導体に電場，磁場又は電子線を発生するための発生回路（２０１、４０１）を具備する請求項１に記載の量子もつれ装置。
  3. 　さらに、前記鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ）の縮退したエネルギーレベルを分離させるために、前記ＩＶ族半導体に電場又は磁場を発生するための発生回路（２０２、４０２）を具備する請求項１に記載の量子もつれ装置。
  4. 　前記ＩＶ族半導体は球状ナノ単結晶（Ｓ１）を具備する請求項１に記載の量子もつれ装置。
  5. 　前記ＩＶ族半導体（Ｓ２）の表面は（１００）面である請求項１に記載の量子もつれ装置。
  6. 　前記鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ）の縮退したエネルギーレベルを分離させるために、前記ＩＶ族半導体（Ｓ２）に歪を導入した請求項５に記載の量子もつれ装置。
  7. 　前記歪の導入のために，前記ＩＶ族半導体（Ｓ２）の下地に設けられた傾斜状又はランダムに揺らいだ不純物濃度又は欠陥濃度の下地層を具備する請求項６に記載の量子もつれ装置。
  8. 　前記歪導入のために、前記ＩＶ族半導体（Ｓ２）の下地に設けられた傾斜状又はランダムに揺らいだ厚さの下地層を具備する請求項６に記載の量子もつれ装置。
  9. 　前記下地層は酸化シリコン層を具備する請求項８に記載の量子もつれ装置。
  10. 　前記ＩＶ族半導体（Ｓ，Ｓ１，Ｓ２）は，シリコン結晶，ゲルマニウム結晶，ダイヤモンド結晶，アモルファスシリコン，アモルファスゲルマニウム，アモルファスカーボン，シリコン球状ナノ結晶，ゲルマニウム球状ナノ結晶，カーボン球状ナノ結晶，Ｃ６０，カーボンナノチューブ，グラフェン，グラファン，又はシリコン，ゲルマニウム及びカーボンの混晶結晶（ＣｘＳｉｙＧｅｚ：Ｈ２，ｘ，ｙ，ｚ＞０）よりなる請求項１に記載の量子もつれ装置。
  11. 　前記ＩＶ族半導体（Ｓ，Ｓ１，Ｓ２）は，核スピンが０であるシリコン結晶，ゲルマニウム結晶，ダイヤモンド結晶，アモルファスシリコン，アモルファスゲルマニウム，アモルファスカーボン，シリコン球状ナノ結晶，ゲルマニウム球状ナノ結晶，カーボン球状ナノ結晶，Ｃ６０，カーボンナノチューブ，グラフェン，グラファン，又はシリコン，ゲルマニウム及びカーボンの混晶結晶（ＣｘＳｉｙＧｅｚ：Ｈ２，ｘ，ｙ，ｚ＞０）よりなる請求項１に記載の量子もつれ装置。
  12. 　前記鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ）の一重項基底レベルと一重項励起レベルとの間に三重項励起レベルが存在し，前記一重項基底レベルと前記三重項励起レベルとの差と該三重
    項励起レベルと一重項励起レベルとの差は同一とし，
    　前記一重項励起レベル→前記三重項励起レベルのスピン角運動量ｍ＝＋１状態→前記一重項基底レベルのカスケード遷移と，
    　前記一重項励起レベル→前記三重項励起レベルのスピン角運動量ｍ＝－１状態→前記一重項基底レベルのカスケード遷移と
    　によりもつれ光子対を発生させるようにした請求項１に記載の量子もつれ装置。
  13. 　さらに，
    　前記一重項励起レベル→前記三重項励起レベルのスピン角運動量ｍ＝０状態→前記一重項基底レベルのカスケード放射により互いに反対方向に伝播するフォノン対を発生させるようにした請求項８に記載の量子もつれ装置。
  14. 　前記鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ）の一重項基底レベルと一重項励起レベルとの間に三重項励起レベルが存在し，前記ＩＶ族半導体に歪を導入することにより，前記一重項基底レベルと前記三重項励起レベルとの差と該三重項励起レベルと一重項励起レベルとの差を異なるようにし，
    　前記一重項励起レベル→前記三重項励起レベルのスピン角運動量ｍ＝＋１状態→前記一重項基底レベルのカスケード遷移と，
    　前記一重項励起レベル→前記三重項励起レベルのスピン角運動量ｍ＝－１状態→前記一重項基底レベルのカスケード遷移と
    　によりもつれ光子対を発生させるようにした請求項１に記載の量子もつれ装置。
  15. 　さらに，
    　前記一重項励起レベル→前記三重項励起レベルのスピン角運動量ｍ＝０状態→前記一重項基底レベルのカスケード放射により互いに反対方向に伝播するフォノン対を発生させるようにした請求項１４に記載の量子もつれ装置。
  16. 　請求項１に記載の量子もつれ装置と，
    　前記鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ）を励起させるためのポンプ光源（１１０１）と
    　を具備し，
    　前記鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ）から発生する光子対を量子もつれ状態となるようにした量子もつれ光子対発生装置。
  17. 　ＩＶ族半導体（Ｓ，Ｓ１，Ｓ２）と，
    　前記ＩＶ族半導体の表面の複数の原子及び該各原子の終端に結合された２つの水素原子又は２つの重水素原子よりなる複数の鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ０，ＳＱＥ１）と，
    　前記複数の鋏型量子もつれ素子を全体的に励起させるためのポンプ光源（１１０１）と
    　を具備し，
    　前記複数の鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ０，ＳＱＥ１）を近接して配置し，前記複数の鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ）から発生する光子対を誘導放出させるようにした量子もつれ光子対レーザ装置。
  18. 　ＩＶ族半導体（Ｓ，Ｓ１，Ｓ２）と，
    　前記ＩＶ族半導体の表面の複数の原子及び該各原子の終端に結合された２つの水素原子又は２つの重水素原子よりなる複数の鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ）と，
    　を具備し，
    　前記複数の鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ１１，ＳＱＥ１２）間でユニタリ演算を行うようにした量子コンピュータ。
  19. 　前記ユニタリ演算は前記各鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ１１，ＳＱＥ１２）の回転操作
    と前記複数の鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ１１，ＳＱＥ１２）間のばね相互作用とによって行われる請求項１８に記載の量子コンピュータ。
  20. 　前記回転操作は，光レーザパルスを用いて行う請求項１９に記載の量子コンピュータ。
  21. 　ＩＶ族半導体（Ｓ，Ｓ１，Ｓ２）と，
    　前記ＩＶ族半導体の表面の複数の原子及び該各原子の終端に結合された２つの水素原子又は２つの重水素原子よりなる複数の鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ０，ＳＱＥ１）と
    　を具備し，
    　前記複数の鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ０，ＳＱＥ１）間でベル測定を行って量子テレポーテーションまたは量子もつれスワッピングを起こすようにした量子通信装置。
  22. 　ＩＶ族半導体（Ｓ，Ｓ１，Ｓ２）と，
    　前記ＩＶ族半導体の表面の複数の原子及び該各原子の終端に結合された２つの水素原子又は２つの重水素原子よりなる複数の鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ０，ＳＱＥ１）と
    　を具備し，
    　前記複数の鋏型量子もつれ素子（ＳＱＥ０，ＳＱＥ１）間でベル測定を行って量子テレポーテーションまたは量子もつれスワッピングを起こすようにした量子暗号装置。
PCT/JP2021/034130 2020-09-18 2021-09-16 量子もつれ装置 WO2022059735A1 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020237012728A KR20230069979A (ko) 2020-09-18 2021-09-16 양자 얽힘 장치
US18/027,004 US20240070501A1 (en) 2020-09-18 2021-09-16 Quantum entanglement device
CN202180076883.2A CN116636163A (zh) 2020-09-18 2021-09-16 量子纠缠装置
JP2022550602A JPWO2022059735A1 (ja) 2020-09-18 2021-09-16
EP21960083.0A EP4224251A1 (en) 2020-09-18 2021-09-16 Quantum entanglement device

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020157501 2020-09-18
JP2020-157501 2020-09-18

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022059735A1 true WO2022059735A1 (ja) 2022-03-24

Family

ID=80776724

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2021/034130 WO2022059735A1 (ja) 2020-09-18 2021-09-16 量子もつれ装置

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20240070501A1 (ja)
EP (1) EP4224251A1 (ja)
JP (1) JPWO2022059735A1 (ja)
KR (1) KR20230069979A (ja)
CN (1) CN116636163A (ja)
WO (1) WO2022059735A1 (ja)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05275743A (ja) * 1992-03-27 1993-10-22 Nippon Steel Corp 多孔質シリコンの発光効率を増加させる方法
JPH06132564A (ja) * 1992-10-16 1994-05-13 Nippon Steel Corp 多孔質シリコン及び発光素子
JPH10256225A (ja) * 1997-03-07 1998-09-25 Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan 薄膜基板の陽極化成処理方法及びフォトルミネッセンス特性をもつ半導体薄膜
JP2007265924A (ja) * 2006-03-30 2007-10-11 Sumitomo Electric Ind Ltd ダイヤモンド電子源素子
CN210155496U (zh) * 2019-05-17 2020-03-17 中国科学技术大学 基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05275743A (ja) * 1992-03-27 1993-10-22 Nippon Steel Corp 多孔質シリコンの発光効率を増加させる方法
JPH06132564A (ja) * 1992-10-16 1994-05-13 Nippon Steel Corp 多孔質シリコン及び発光素子
JPH10256225A (ja) * 1997-03-07 1998-09-25 Kagaku Gijutsu Shinko Jigyodan 薄膜基板の陽極化成処理方法及びフォトルミネッセンス特性をもつ半導体薄膜
JP2007265924A (ja) * 2006-03-30 2007-10-11 Sumitomo Electric Ind Ltd ダイヤモンド電子源素子
CN210155496U (zh) * 2019-05-17 2020-03-17 中国科学技术大学 基于里德堡阻塞效应的光子纠缠量子开关系统

Non-Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
D. F. WALLSG. J. MILBURN: "Quantum Optics", 1994, SPRINGER
D. M. DENNISON: "A note on the specific heat of the hydrogen molecule", PROC. R. SOC. LONDON, SER. A 115, vol. 483, 1927
DING Y.; BACCO D.; LLEWELLYN D.; FARUQUE I.; PAESANI S.; GALILI M.; LAING A.; ROTTWITT K.; THOMPSON M.; WANG J.; OXENLNWE L. K.: "Silicon Photonics for Quantum Communication", 2019 21ST INTERNATIONAL CONFERENCE ON TRANSPARENT OPTICAL NETWORKS (ICTON), IEEE, 9 July 2019 (2019-07-09), pages 1 - 4, XP033617919, DOI: 10.1109/ICTON.2019.8840038 *
EDAMATSU, KEIICHI: "Entanglement generation: devices and applications", PROCEEDINGS OF THE IEICE GENERAL CONFERENCE 2010; SENDAI, JAPAN; MARCH 16-19, 2010, 2 March 2010 (2010-03-02) - 19 March 2010 (2010-03-19), pages SS - SS-5, XP009535300 *
HIROKI TAKESUE; YASUHIRO TOKURA; HIROSHI FUKUDA; TAI TSUCHIZAWA; TOSHIFUMI WATANABE; KOJI YAMADA; SEI-ICHI ITABASHI: "Entanglement generation using silicon wire waveguide", ARXIV.ORG, CORNELL UNIVERSITY LIBRARY, 201 OLIN LIBRARY CORNELL UNIVERSITY ITHACA, NY 14853, 15 November 2007 (2007-11-15), 201 Olin Library Cornell University Ithaca, NY 14853 , XP080339439, DOI: 10.1063/1.2814040 *
J. AUDRETSCH: "Entangled Systems: New Directions in Quantum Physics", 2007, WHILEY-VCH
KEIICHI EDAMATSU: "Single Photon and Quantum Entangled Photon", 2018, KYORITSU PUBLISHER, pages: 127 - 128
M. HAIDER, JASON PITTERS, GINO DILABIO, LUCIAN LIVADARU, JOSH MUTUS, ROBERT WOLKOW: "Controlled Coupling and Occupation of Silicon Atomic Quantum Dots at Room Temperature", PHYSICAL REVIEW LETTERS, AMERICAN PHYSICAL SOCIETY., vol. 102, no. 4, 1 January 2009 (2009-01-01), XP055035802, ISSN: 00319007, DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.046805 *
MUROTA JUNICHI; SAKURABA MASAO; TILLACK BERND: "Atomically controlled processing for nitrogen doping of group IV semiconductors", 2014 12TH IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON SOLID-STATE AND INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY (ICSICT), IEEE, 28 October 2014 (2014-10-28), pages 1 - 4, XP032727408, ISBN: 978-1-4799-3296-2, DOI: 10.1109/ICSICT.2014.7021213 *
R. HORODECKIP. HORODECKIM. HORODECKIK. HORODECK I, REV. MOD. PHYS., vol. 81, 2009, pages 865
SKIBINSKI ERIK S., HINES MELISSA A.: "Finding Needles in Haystacks: Scanning Tunneling Microscopy Reveals the Complex Reactivity of Si(100) Surfaces", ACCOUNTS OF CHEMICAL RESEARCH, ACS , WASHINGTON , DC, US, vol. 48, no. 7, 21 July 2015 (2015-07-21), US , pages 2159 - 2166, XP055911896, ISSN: 0001-4842, DOI: 10.1021/acs.accounts.5b00136 *
TAKEOKA MASAHIRO, MIKIO FUJIWARA, KENTARO WAKUI, RUIBO JIN, YOSHIAKI TSUJIMOTO, SHURO IZUMI, MASAHIDE SASAKI: "4 Quantum Node Technology 4-1 Optical Quantum Control Technologies", JOURNAL OF THE NATIONAL INSTITUTE OF INFORMATION AND COMMUNICATIONS TECHNOLOGY, 1 January 2017 (2017-01-01), pages 49 - 55, XP055911908 *

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230069979A (ko) 2023-05-19
JPWO2022059735A1 (ja) 2022-03-24
EP4224251A1 (en) 2023-08-09
US20240070501A1 (en) 2024-02-29
CN116636163A (zh) 2023-08-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Davoudi et al. Towards analog quantum simulations of lattice gauge theories with trapped ions
Chen et al. Entanglement of single-photons and chiral phonons in atomically thin WSe2
US9397293B2 (en) Phoniton systems, devices, and methods
Yeo et al. Strain-mediated coupling in a quantum dot–mechanical oscillator hybrid system
Shentcis et al. Tunable free-electron X-ray radiation from van der Waals materials
Lovett et al. Optical schemes for quantum computation in quantum dot molecules
Sattler Handbook of nanophysics: nanoelectronics and nanophotonics
Hurst et al. Non-Hermitian physics in magnetic systems
Liu et al. Universal momentum-to-real-space mapping of topological singularities
Jones et al. Special issue on Rydberg atom physics
Jen et al. Cooperative light scattering from helical-phase-imprinted atomic rings
Dresselhaus et al. Raman spectroscopy: characterization of edges, defects, and the fermi energy of graphene and sp 2 carbons
Ren et al. Orientation dependence of even-order harmonics generation in biased bilayer graphene
Pai et al. Magnetostriction of α-RuCl3 flakes in the zigzag phase
Marzoli et al. Experimental and theoretical challenges for the trapped electron quantum computer
WO2022059735A1 (ja) 量子もつれ装置
Kotibhaskar et al. Programmable XY-type couplings through parallel spin-dependent forces on the same trapped ion motional modes
Yerchuck et al. Quantum optics effects in quasi-one-dimensional and two-dimensional carbon materials
Wong et al. Free-electron crystals for enhanced X-ray radiation
de Carvalho Ribeiro Atom–surface interactions with Rydberg atoms: An application to hybrid systems
Dubček Synthetic magnetism in quantum gases and photonic lattices
Ekengoue QUANTUM INVESTIGATION OF LASER COOLING AND TRAPPING OF POLARITON AND POLARON IN NANOSTRUCTURES
Huebener et al. Nanostructures: Superlattices, Quantum Wires, and Quantum Dots
Puniani CHEMICAL PROCESS CONSIDERATIONS IN PHYSICAL REALIZATIONS OF QUANTUM COMPUTING ION TRAPS
Tchouobiap et al. Landau–Zener–Stückelberg–Majorana-like dynamics induced by tunneling of spin qubit states in a multiband two-state magnetic quantum wire

Legal Events

Date Code Title Description
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2022550602

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20237012728

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021960083

Country of ref document: EP

Effective date: 20230418

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202180076883.2

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21960083

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1