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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023114645
(43)【公開日】2023-08-18
(54)【発明の名称】量子ゲート装置、量子計算システム、及び製造方法
(51)【国際特許分類】
G02F 3/00 20060101AFI20230810BHJP
G06E 3/00 20060101ALI20230810BHJP
【ＦＩ】
G02F3/00
G06E3/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022017074
(22)【出願日】2022-02-07
(71)【出願人】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】899000068
【氏名又は名称】学校法人早稲田大学
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(74)【代理人】
【識別番号】100124844
【弁理士】
【氏名又は名称】石原 隆治
(72)【発明者】
【氏名】浅岡 類
(72)【発明者】
【氏名】徳永 裕己
(72)【発明者】
【氏名】青木 隆朗
【テーマコード（参考）】
2K102
【Ｆターム（参考）】
2K102BA11
2K102BA31
2K102BB10
2K102BC02
2K102CA00
2K102DB01
2K102DC07
2K102EB02
2K102EB12
(57)【要約】
【課題】３次元クラスター状態を利用した測定型量子計算方式のエラーを低減する。
【解決手段】第１偏光ビームスプリッタと、前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第１共振器と、前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第１ミラーと、第２偏光ビームスプリッタと、前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第２共振器と、前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第２ミラーと、を備え、前記第１偏光ビームスプリッタと前記第２偏光ビームスプリッタとが接続されている量子ゲート装置において、前記第１ミラーの反射率と前記第２ミラーの反射率、及び、前記第１ミラーの位置と前記第２ミラーの位置を、３次元クラスター状態を利用した測定型量子計算におけるエラーを低減するように設定する。
【選択図】図４
【解決手段】第１偏光ビームスプリッタと、前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第１共振器と、前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第１ミラーと、第２偏光ビームスプリッタと、前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第２共振器と、前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第２ミラーと、を備え、前記第１偏光ビームスプリッタと前記第２偏光ビームスプリッタとが接続されている量子ゲート装置において、前記第１ミラーの反射率と前記第２ミラーの反射率、及び、前記第１ミラーの位置と前記第２ミラーの位置を、３次元クラスター状態を利用した測定型量子計算におけるエラーを低減するように設定する。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１偏光ビームスプリッタと、
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第１共振器と、
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第１ミラーと、
第２偏光ビームスプリッタと、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第２共振器と、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第２ミラーと、
を備え、前記第１偏光ビームスプリッタと前記第２偏光ビームスプリッタとが導波路を用いて接続されている量子ゲート装置であって、
前記第１ミラーの反射率と前記第２ミラーの反射率、及び、前記第１ミラーの位置と前記第２ミラーの位置が、３次元クラスター状態を利用した測定型量子計算におけるエラーを低減するように設定されている
量子ゲート装置。
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第１共振器と、
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第１ミラーと、
第２偏光ビームスプリッタと、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第２共振器と、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第２ミラーと、
を備え、前記第１偏光ビームスプリッタと前記第２偏光ビームスプリッタとが導波路を用いて接続されている量子ゲート装置であって、
前記第１ミラーの反射率と前記第２ミラーの反射率、及び、前記第１ミラーの位置と前記第２ミラーの位置が、３次元クラスター状態を利用した測定型量子計算におけるエラーを低減するように設定されている
量子ゲート装置。
【請求項2】
前記第１ミラーの反射率は、前記第１共振器における光子損失と、前記第１ミラーでの光子損失とが等しくなるように決定された反射率であり、
前記第２ミラーの反射率は、前記第２共振器における光子損失と、前記第２ミラーでの光子損失とが等しくなるように決定された反射率である
請求項１に記載の量子ゲート装置。
前記第２ミラーの反射率は、前記第２共振器における光子損失と、前記第２ミラーでの光子損失とが等しくなるように決定された反射率である
請求項１に記載の量子ゲート装置。
【請求項3】
前記第１ミラーの位置は、前記第１共振器内の原子が第１の状態にあるときに、前記第１共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離と、前記第１共振器内の原子が第２の状態にあるときに、前記第１共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離との平均に基づき決定した位置であり、
前記第２ミラーの位置は、前記第２共振器内の原子が第１の状態にあるときに、前記第２共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離と、前記第２共振器内の原子が第２の状態にあるときに、前記第２共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離との平均に基づき決定した位置である
請求項１又は２に記載の量子ゲート装置。
前記第２ミラーの位置は、前記第２共振器内の原子が第１の状態にあるときに、前記第２共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離と、前記第２共振器内の原子が第２の状態にあるときに、前記第２共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離との平均に基づき決定した位置である
請求項１又は２に記載の量子ゲート装置。
【請求項4】
請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の量子ゲート装置を複数台備える量子プロセッサと、前記量子プロセッサにおける３次元クラスター状態を構成する各原子に対する測定を行う制御装置と
を備える量子計算システム。
を備える量子計算システム。
【請求項5】
第１偏光ビームスプリッタと、
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第１共振器と、
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第１ミラーと、
第２偏光ビームスプリッタと、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第２共振器と、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第２ミラーと、
を備え、前記第１偏光ビームスプリッタと前記第２偏光ビームスプリッタとが導波路を用いて接続されている量子ゲート装置の製造方法であって、
前記第１ミラーの反射率を、前記第１共振器における光子損失と、前記第１ミラーでの光子損失とが等しくなるように決定し、
前記第２ミラーの反射率を、前記第２共振器における光子損失と、前記第２ミラーでの光子損失とが等しくなるように決定し、
前記第１ミラーを、前記第１共振器内の原子が第１の状態にあるときに、前記第１共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離と、前記第１共振器内の原子が第２の状態にあるときに、前記第１共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離との平均に基づき決定した位置に配置し、
前記第２ミラーを、前記第２共振器内の原子が第１の状態にあるときに、前記第２共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離と、前記第２共振器内の原子が第２の状態にあるときに、前記第２共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離との平均に基づき決定した位置に配置する
製造方法。
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第１共振器と、
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第１ミラーと、
第２偏光ビームスプリッタと、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第２共振器と、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第２ミラーと、
を備え、前記第１偏光ビームスプリッタと前記第２偏光ビームスプリッタとが導波路を用いて接続されている量子ゲート装置の製造方法であって、
前記第１ミラーの反射率を、前記第１共振器における光子損失と、前記第１ミラーでの光子損失とが等しくなるように決定し、
前記第２ミラーの反射率を、前記第２共振器における光子損失と、前記第２ミラーでの光子損失とが等しくなるように決定し、
前記第１ミラーを、前記第１共振器内の原子が第１の状態にあるときに、前記第１共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離と、前記第１共振器内の原子が第２の状態にあるときに、前記第１共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離との平均に基づき決定した位置に配置し、
前記第２ミラーを、前記第２共振器内の原子が第１の状態にあるときに、前記第２共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離と、前記第２共振器内の原子が第２の状態にあるときに、前記第２共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離との平均に基づき決定した位置に配置する
製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、共振器ＱＥＤに基づく量子ゲート装置に関連するものである。
【背景技術】
【0002】
近年活発に研究が進められている、量子力学を用いた新しい情報処理では、現在の計算機の限界を超えた超高速計算が期待される。その量子情報処理の実現に向けた喫緊の課題の１つとして、量子ビットの相互作用を利用した量子ゲートの実装が挙げられる。
【0003】
その課題に対し、共振器中に閉じ込めた光と原子を１光子レベルで電磁気的に相互作用させることができる共振器量子電磁力学（ＱＥＤ）は、光ビットと原子ビットの間の相互作用を決定論的に操作するための手法として注目されている。
【0004】
非特許文献１には、光ビットと原子ビットの間の相互作用を利用した、光ビットと原子ビットの間の制御Ｚゲートが開示されている。また、非特許文献２には、この制御Ｚゲートを２回実行することで実現した、光子を媒介とした２つの原子ビット間の制御Ｚゲートが開示されている
また、非特許文献４には、上記原子ビット間の制御Ｚゲートにより、連接符号と呼ばれる誤り耐性量子計算方式（非特許文献３参照）を構築することを想定し、その計算エラーを最小に抑える共振器ＱＥＤシステムの設計が開示されている。
また、非特許文献４には、上記原子ビット間の制御Ｚゲートにより、連接符号と呼ばれる誤り耐性量子計算方式（非特許文献３参照）を構築することを想定し、その計算エラーを最小に抑える共振器ＱＥＤシステムの設計が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】L.-M. Duan and J. Kimble, "Scalable photonic quantum computation through cavity-assisted interactions", Phys. Rev. Lett. 92, 127902 (2004).
【非特許文献2】L.-M. Duan, B. Wang, and H. J. Kimble, "Robust quantum gates on neutral atoms with cavity-assisted photon scattering", Phys. Rev. A 72, 032333 (2005).
【非特許文献3】Hayato Goto and Kouichi Ichimura, "Fault-tolerant quantum computation with probabilistic two-qubit gates", Phys. Rev. A 80, 040303(R) (2009).
【非特許文献4】Hayato Goto and Kouichi Ichimura, "Condition for fault-tolerant quantum computation with a cavity-QED scheme", Phys. Rev. A 82, 032311 (2010).
【非特許文献5】K. Fujii and Y. Tokunaga, "Fault-tolerant topological one-way quantum computation with probabilistic two-qubit gates" Phys. Rev. Lett. 105, 250503 (2010).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
近年、量子ビットの３次元クラスター状態を利用した測定型量子計算方式（非特許文献５参照）が、光と原子を利用した量子計算と実装の観点で相性が良い可能性が指摘されている。しかし、３次元クラスター状態を利用した測定型量子計算方式に対する最適な共振器システムの設計が明らかになっていない。
【0007】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、３次元クラスター状態を利用した測定型量子計算方式のエラーを低減するための量子ゲート装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
開示の技術によれば、第１偏光ビームスプリッタと、
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第１共振器と、
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第１ミラーと、
第２偏光ビームスプリッタと、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第２共振器と、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第２ミラーと、
を備え、前記第１偏光ビームスプリッタと前記第２偏光ビームスプリッタとが導波路を用いて接続されている量子ゲート装置であって、
前記第１ミラーの反射率と前記第２ミラーの反射率、及び、前記第１ミラーの位置と前記第２ミラーの位置が、３次元クラスター状態を利用した測定型量子計算におけるエラーを低減するように設定されている
量子ゲート装置が提供される。
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第１共振器と、
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第１ミラーと、
第２偏光ビームスプリッタと、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第２共振器と、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第２ミラーと、
を備え、前記第１偏光ビームスプリッタと前記第２偏光ビームスプリッタとが導波路を用いて接続されている量子ゲート装置であって、
前記第１ミラーの反射率と前記第２ミラーの反射率、及び、前記第１ミラーの位置と前記第２ミラーの位置が、３次元クラスター状態を利用した測定型量子計算におけるエラーを低減するように設定されている
量子ゲート装置が提供される。
【発明の効果】
【0009】
開示の技術によれば、３次元クラスター状態を利用した測定型量子計算方式のエラーを低減するための量子ゲート装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の実施の形態における量子計算システムの構成例を示す図である。
【図2】本発明の実施の形態における量子ゲート装置の構成例を示す図である。
【図3】共振器内の原子の状態を説明するための図である。
【図4】ミラーの位置及び反射率を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態（本実施の形態）を説明する。以下で説明する実施の形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施の形態は、以下の実施の形態に限られるわけではない。
【0012】
（実施の形態の概要）
非特許文献５に開示されている３次元クラスター状態を利用した測定型量子計算方式は、非特許文献４の連接符号方式に比べ、光子損失によるエラーに強い一方、光子損失以外の計算エラーに弱い。
非特許文献５に開示されている３次元クラスター状態を利用した測定型量子計算方式は、非特許文献４の連接符号方式に比べ、光子損失によるエラーに強い一方、光子損失以外の計算エラーに弱い。
【0013】
本実施の形態では、この特性に着目し、光子の生存確率を犠牲にする代わりに、光子損失以外のエラーを抑制する光学系の設計に基づく、２つの共振器を用いた量子ゲート装置について説明する。具体的には、量子ゲート装置により、制御Ｚゲートを構築するのに必要な共振器周辺のミラーの反射率を意図的に落とすことで、光子損失以外のエラーを抑制することとしている。また、光子損失以外の計算エラーをより小さくするために、ミラーの位置の最適化も同時に実行している。
【0014】
（システムの全体構成例）
図１に、本実施の形態における量子計算システム３００の構成例を示す。「量子計算システム」を「量子コンピュータ」と呼んでもよい。
図１に、本実施の形態における量子計算システム３００の構成例を示す。「量子計算システム」を「量子コンピュータ」と呼んでもよい。
【0015】
図１に示すとおり、量子計算システム３００は、制御装置１００と量子プロセッサ２００を備える。制御装置１００は、量子プロセッサ２００に制御信号等を送信し、量子プロセッサ２００から計算結果（測定結果）を取得することで、量子計算を行う。制御装置１００は、例えば古典コンピュータにより実現できる。
【0016】
本実施の形態における量子プロセッサ２００は、多数の原子ビット（原子量子ビットと呼んでもよい）を頂点として有する３次元クラスター状態を構成する。３次元クラスター状態は、辺と頂点からなる３次元のグラフの各頂点に原子ビットをある状態で置き、２つの頂点が辺で結ばれていたら、その２つの頂点に制御Ｚゲートを作用させることにより作られる。なお、制御Ｚゲートを制御位相ゲートと呼んでもよい。
【0017】
制御装置１００が、上記の３次元クラスター状態の各原子ビットに対する測定を行うことにより測定型量子計算が行われる。
【0018】
本実施の形態では、量子プロセッサ２００には、後述する量子ゲート装置が複数（多数）備えられる。１つの量子ゲート装置は、辺で接続される２つの頂点に相当する２つの原子ビットを有し、これら２つの原子ビット間に制御Ｚゲートを作用させる機能を持つ。
【0019】
（量子ゲート装置の構成例）
図２に、量子ゲート装置の構成例を示す。この量子ゲート装置の構成自体は、非特許文献２に開示されている既存技術である。
図２に、量子ゲート装置の構成例を示す。この量子ゲート装置の構成自体は、非特許文献２に開示されている既存技術である。
【0020】
図２に示すように、本実施の形態に係る量子ゲート装置は、共振器１０、２０、偏光ビームスプリッタ３３、３７、４０、ミラーＡ３４、ミラーＢ３８、光サーキュレータ３２、３６、半波長板３１、３５、３９、光子検出器４１、４２を備え、図示のように、これらの素子が導波路（例：光ファイバ）を用いて接続されている。
【0021】
共振器とは、ミラー等の損失の少ない光学媒質を用いて、光（電磁場）を狭い空間に閉じ込める装置である。光を波長程度の大きさの共振器に閉じ込めると、波長が連続的なモードから離散的になり、そのうち１つのモードと原子を相互作用させることができる。このような系の量子力学は、共振器量子電磁力学（共振器ＱＥＤ）と呼ばれる。
【0022】
共振器１０と共振器２０は同じ構成であり、二枚の高反射率ミラーを向かい合わせた構成である。各共振器内部には、原子ビットとしての単一原子がトラップされている。図２に示すとおり、共振器１０内部には原子ビット１があり、共振器２０内部には原子ビット２がある。
【0023】
共振器１０を構成するミラー１１とミラー１２のうち、ミラー１２には僅かな透過性を持たせてあり、ミラー１２を介して光子を共振器１０に入射し、光子を共振器１０から反射（出力）させることができる。共振器２０についても同様である。
【0024】
偏光ビームスプリッタ３３、３７、４０は、入力側のポートから入力された光子パルスをＨ偏光とＶ偏光という２種類の直交する偏光状態に分割して出力する。図２に示すように、偏光ビームスプリッタ３３のＶ偏光の出力側にミラーＡ３４が備えられ、偏光ビームスプリッタ３３のＨ偏光の出力側に共振器１０が備えられる。共振器２０についても同様である。
【0025】
光路上に備えられている各半波長板は、光子パルスの偏光状態に対して、アダマール変換を行う。
【0026】
（量子ゲート装置の動作例）
光子パルスが、半波長板３１を経由して、偏光ビームスプリッタ３３に届く。光子パルスの偏光状態がＨ偏光である場合、光子パルスは偏光ビームスプリッタ３３から共振器１０に入射し、共振器１０から反射（出力）され、共振器２０に向けて進む。共振器１０から反射される光子パルスの状態は、共振器１０における原子ビット１の状態に応じて異なる。
光子パルスが、半波長板３１を経由して、偏光ビームスプリッタ３３に届く。光子パルスの偏光状態がＨ偏光である場合、光子パルスは偏光ビームスプリッタ３３から共振器１０に入射し、共振器１０から反射（出力）され、共振器２０に向けて進む。共振器１０から反射される光子パルスの状態は、共振器１０における原子ビット１の状態に応じて異なる。
【0027】
偏光ビームスプリッタ３３に入力される光子パルスの偏光状態がＶ偏光である場合、光子パルスは、偏光ビームスプリッタ３３により反射してミラーＡ３４へ向けて進み、ミラーＡ３４で反射して、偏光ビームスプリッタ３３に届き、偏光ビームスプリッタ３３で反射して、共振器２０に向かって進む。
【0028】
同様にして、光子パルスが、半波長板３５を経由して、偏光ビームスプリッタ３７に届く。光子パルスの偏光状態がＨ偏光である場合、光子パルスは共振器２０に入射し、共振器２０から反射（出力）され、偏光ビームスプリッタ４０に向けて進む。共振器２０から反射される光子パルスの状態は、共振器２０における原子ビット２の状態に応じて異なる。
【0029】
偏光ビームスプリッタ３７に入力される光子パルスの偏光状態がＶ偏光である場合、光子パルスは、偏光ビームスプリッタ３７により反射してミラーＢ３８へ向けて進み、ミラーＢ３８で反射して、偏光ビームスプリッタ３７に届き、偏光ビームスプリッタ３７で反射して、偏光ビームスプリッタ４０に向けて進む。
【0030】
上記のようにして光子パルスを共振器１０と共振器２０に連続的に入射し、それぞれで原子と光子とを相互作用させる。
【0031】
図３は、共振器１０の中の原子ビット１の状態を説明するための図である。共振器２０の中の原子ビット２も同様である。図３に示すように、原子ビットとして使用する原子は３準位系となっており、｜０〉ａと｜１〉ａの準位を量子ビットの２準位として利用する。ここで使用する原子として、｜１〉ａ－｜ｅ〉ａ準位間だけ、入射する光子と共鳴するような原子を用いる。
【0032】
光子については、前述したＨ偏光とＶ偏光の２種類の直交する偏光状態をそれぞれ、量子ビットの｜０〉ｐと｜１〉ｐとして用いる。
【0033】
各共振器における光子と原子の状態について説明する。以下の説明は、共振器１０と共振器２０のいずれにも該当する説明である。
【0034】
共振器に入射する光子ビット（光子量子ビットと呼んでもよい）と、共振器内の原子ビット（原子量子ビットと呼んでもよい）の初期状態がそれぞれ｜ψ〉ｐ＝ｐ０｜０〉ｐ＋ｐ１｜１〉ｐ、｜ψ〉ａ＝ａ０｜０〉ａ＋ａ１｜１〉ａであった場合、上記の選択的な相互作用により、光子と原子を含む全体の最終的な状態は、｜ψ〉＝ｐ０ａ０｜０〉ｐ｜０〉ａ＋ｐ０ａ１｜０〉ｐ｜１〉ａ＋ｐ１ａ０｜１〉ｐ｜０〉ａ－ｐ１ａ１｜１〉ｐ｜１〉ａとなり、光子と原子がともに｜１〉のときだけ符号が反転する。なお、添え字のｐは光子を表し、添え字のａは原子を表す。
【0035】
図２に示す量子ゲート装置において、光子１つと原子２つの間でこの操作を連続で２回行い、最後に光子の検出結果に応じてレーザーで原子ビット１の状態を適切に操作すると、原子ビット１も原子ビット２も｜１〉ａの状態にあるときだけ符号が反転する制御Ｚゲートを実現することが可能である。
【0036】
（エラーを抑制する光学系について）
上記の制御Ｚゲートの動作は、エラーのない理想的な場合の動作である。しかし、実際には共振器系の不完全性によりエラーが存在する。その中で主要なエラーは、下記の３種類のエラーである：
（ｉ）光子損失；
（ｉｉ）光子と原子の状態が｜０〉ｐ｜０〉ａ、｜０〉ｐ｜１〉ａ、｜１〉ｐ｜０〉ａ、｜１〉ｐ｜１〉ａのうちのどれであるかで光子の損失確率が異なることに起因するエラー；
（ｉｉｉ）光子と原子の上記４状態によって光子が共振器から反射される速度が異なるために生じるエラー。
上記の制御Ｚゲートの動作は、エラーのない理想的な場合の動作である。しかし、実際には共振器系の不完全性によりエラーが存在する。その中で主要なエラーは、下記の３種類のエラーである：
（ｉ）光子損失；
（ｉｉ）光子と原子の状態が｜０〉ｐ｜０〉ａ、｜０〉ｐ｜１〉ａ、｜１〉ｐ｜０〉ａ、｜１〉ｐ｜１〉ａのうちのどれであるかで光子の損失確率が異なることに起因するエラー；
（ｉｉｉ）光子と原子の上記４状態によって光子が共振器から反射される速度が異なるために生じるエラー。
【0037】
先述したように、３次元クラスター状態を利用した測定型量子計算は、（ｉ）の光子損失に強い耐性がある一方、（ｉｉ）と（ｉｉｉ）のエラーには脆弱である。この課題に対して本実施の形態では、エラー（ｉｉ）を最小化する外部ミラーＡ、Ｂの反射率Ｒと、エラー（ｉｉｉ）を最小化するミラーの位置Δｘｍｉｒとを、下記の式により算出した値とする。なお、ミラーＡとミラーＢとで反射率Ｒ及び位置Δｘｍｉｒは同じである。ただし、共振器１０と共振器２０のパラメータの相違等に応じて、ミラーＡとミラーＢとで、計算結果である反射率Ｒ及び位置Δｘｍｉｒが異なっていてもよい。ミラーＡとミラーＢをそれぞれ「外部ミラー」と呼んでもよい。
【0038】
【数1】
【0039】
【数2】
【0040】
【数3】
【0041】
反射率Ｒ及び位置Δｘｍｉｒを算出するための上記の式において、ｇは光子－原子間相互作用強度であり、γは原子の自然放出レートであり、κｉｎｔは共振器を構成するミラーの吸収・散乱による光子の損失レートであり、κｅｘｔは共振器と外部導波路との間の結合レートであり、Ｃｉｎｔ≡ｇ２／２γκｉｎｔである。
【0042】
反射率Ｒに関しては、共振器中の原子が状態｜０〉ａと｜１〉ａのどちらの状態でも、共振器における光子の損失が同じになるようなκｅｘｔをまず決定し、さらに共振器中での光子損失と外部ミラーでの光子損失が等しくなるように反射率Ｒを決定している。これにより、エラー（ｉｉ）を最小化することができる。
【0043】
一方、外部ミラーの位置Δｘｍｉｒは、共振器内の原子が状態｜０〉ａにあるときに共振器から反射される光子パルスの遅延に相当する距離τ０と、共振器内の原子が状態｜１〉ａにあるときに共振器から反射される光子パルスの遅延に相当する距離τ１との平均としている。上記の「共振器から反射される光子パルスの遅延」とは、光子パルスが共振器に入射してから、光子パルスが共振器から出力されるまでの時間である。
【0044】
上記の位置Δｘｍｉｒに外部ミラーを配置することで、エラー（ｉｉｉ）を最小化することができる。
【0045】
すなわち、上記のように光学系を設定することにより、３次元クラスター状態を利用した測定型量子計算において特に抑制すべきエラーであるエラー（ｉｉ）、（ｉｉｉ）がともに最小化される。なお、本明細書において、「最小化」を、「抑制」あるいは「低減」と言い換えてもよい。
【0046】
このような光学系を持つ量子ゲート装置は、上述した式により計算した反射率Ｒを持つミラーＡ、Ｂが、位置Δｘｍｉｒに配置されるように、図２に示す各素子を導波路で接続することにより製造することができる。
【0047】
（実施の形態の効果）
以上説明したように、本実施の形態における量子ゲート装置により、共振器ＱＥＤに基づく３次元クラスター状態を利用した測定型量子計算の苦手とするタイプのエラーを最小化することができる。
以上説明したように、本実施の形態における量子ゲート装置により、共振器ＱＥＤに基づく３次元クラスター状態を利用した測定型量子計算の苦手とするタイプのエラーを最小化することができる。
【0048】
（付記）
本明細書には、少なくとも下記各項の量子ゲート装置、量子計算システム、及び製造方法が開示されている。
（第１項）
第１偏光ビームスプリッタと、
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第１共振器と、
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第１ミラーと、
第２偏光ビームスプリッタと、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第２共振器と、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第２ミラーと、
を備え、前記第１偏光ビームスプリッタと前記第２偏光ビームスプリッタとが導波路を用いて接続されている量子ゲート装置であって、
前記第１ミラーの反射率と前記第２ミラーの反射率、及び、前記第１ミラーの位置と前記第２ミラーの位置が、３次元クラスター状態を利用した測定型量子計算におけるエラーを低減するように設定されている
量子ゲート装置。
（第２項）
前記第１ミラーの反射率は、前記第１共振器における光子損失と、前記第１ミラーでの光子損失とが等しくなるように決定された反射率であり、
前記第２ミラーの反射率は、前記第２共振器における光子損失と、前記第２ミラーでの光子損失とが等しくなるように決定された反射率である
第１項に記載の量子ゲート装置。
（第３項）
前記第１ミラーの位置は、前記第１共振器内の原子が第１の状態にあるときに、前記第１共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離と、前記第１共振器内の原子が第２の状態にあるときに、前記第１共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離との平均に基づき決定した位置であり、
前記第２ミラーの位置は、前記第２共振器内の原子が第１の状態にあるときに、前記第２共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離と、前記第２共振器内の原子が第２の状態にあるときに、前記第２共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離との平均に基づき決定した位置である
第１項又は第２項に記載の量子ゲート装置。
（第４項）
第１項ないし第３項のうちいずれか１項に記載の量子ゲート装置を複数台備える量子プロセッサと、前記量子プロセッサにおける３次元クラスター状態を構成する各原子に対する測定を行う制御装置と
を備える量子計算システム。
（第５項）
第１偏光ビームスプリッタと、
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第１共振器と、
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第１ミラーと、
第２偏光ビームスプリッタと、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第２共振器と、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第２ミラーと、
を備え、前記第１偏光ビームスプリッタと前記第２偏光ビームスプリッタとが導波路を用いて接続されている量子ゲート装置の製造方法であって、
前記第１ミラーの反射率を、前記第１共振器における光子損失と、前記第１ミラーでの光子損失とが等しくなるように決定し、
前記第２ミラーの反射率を、前記第２共振器における光子損失と、前記第２ミラーでの光子損失とが等しくなるように決定し、
前記第１ミラーを、前記第１共振器内の原子が第１の状態にあるときに、前記第１共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離と、前記第１共振器内の原子が第２の状態にあるときに、前記第１共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離との平均に基づき決定した位置に配置し、
前記第２ミラーを、前記第２共振器内の原子が第１の状態にあるときに、前記第２共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離と、前記第２共振器内の原子が第２の状態にあるときに、前記第２共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離との平均に基づき決定した位置に配置する
製造方法。
本明細書には、少なくとも下記各項の量子ゲート装置、量子計算システム、及び製造方法が開示されている。
（第１項）
第１偏光ビームスプリッタと、
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第１共振器と、
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第１ミラーと、
第２偏光ビームスプリッタと、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第２共振器と、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第２ミラーと、
を備え、前記第１偏光ビームスプリッタと前記第２偏光ビームスプリッタとが導波路を用いて接続されている量子ゲート装置であって、
前記第１ミラーの反射率と前記第２ミラーの反射率、及び、前記第１ミラーの位置と前記第２ミラーの位置が、３次元クラスター状態を利用した測定型量子計算におけるエラーを低減するように設定されている
量子ゲート装置。
（第２項）
前記第１ミラーの反射率は、前記第１共振器における光子損失と、前記第１ミラーでの光子損失とが等しくなるように決定された反射率であり、
前記第２ミラーの反射率は、前記第２共振器における光子損失と、前記第２ミラーでの光子損失とが等しくなるように決定された反射率である
第１項に記載の量子ゲート装置。
（第３項）
前記第１ミラーの位置は、前記第１共振器内の原子が第１の状態にあるときに、前記第１共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離と、前記第１共振器内の原子が第２の状態にあるときに、前記第１共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離との平均に基づき決定した位置であり、
前記第２ミラーの位置は、前記第２共振器内の原子が第１の状態にあるときに、前記第２共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離と、前記第２共振器内の原子が第２の状態にあるときに、前記第２共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離との平均に基づき決定した位置である
第１項又は第２項に記載の量子ゲート装置。
（第４項）
第１項ないし第３項のうちいずれか１項に記載の量子ゲート装置を複数台備える量子プロセッサと、前記量子プロセッサにおける３次元クラスター状態を構成する各原子に対する測定を行う制御装置と
を備える量子計算システム。
（第５項）
第１偏光ビームスプリッタと、
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第１共振器と、
前記第１偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第１ミラーと、
第２偏光ビームスプリッタと、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第１の偏光を受信する側に備えられた第２共振器と、
前記第２偏光ビームスプリッタから出力される第２の偏光を受信する側に備えられた第２ミラーと、
を備え、前記第１偏光ビームスプリッタと前記第２偏光ビームスプリッタとが導波路を用いて接続されている量子ゲート装置の製造方法であって、
前記第１ミラーの反射率を、前記第１共振器における光子損失と、前記第１ミラーでの光子損失とが等しくなるように決定し、
前記第２ミラーの反射率を、前記第２共振器における光子損失と、前記第２ミラーでの光子損失とが等しくなるように決定し、
前記第１ミラーを、前記第１共振器内の原子が第１の状態にあるときに、前記第１共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離と、前記第１共振器内の原子が第２の状態にあるときに、前記第１共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離との平均に基づき決定した位置に配置し、
前記第２ミラーを、前記第２共振器内の原子が第１の状態にあるときに、前記第２共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離と、前記第２共振器内の原子が第２の状態にあるときに、前記第２共振器に入射した光子が、入射してから反射されるまでの遅延に相当する距離との平均に基づき決定した位置に配置する
製造方法。
【0049】
以上、本実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【0050】
１００ 制御装置
２００ 量子プロセッサ
３００ 量子計算システム
１０、２０ 共振器
３３、３７、４０ 偏光ビームスプリッタ
３４ ミラーＡ
３８ ミラーＢ
３２、３６ 光サーキュレータ
３１、３５、３９ 半波長板
４１、４２ 光子検出器
２００ 量子プロセッサ
３００ 量子計算システム
１０、２０ 共振器
３３、３７、４０ 偏光ビームスプリッタ
３４ ミラーＡ
３８ ミラーＢ
３２、３６ 光サーキュレータ
３１、３５、３９ 半波長板
４１、４２ 光子検出器
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】