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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】P2023168069
(43)【公開日】2023-11-24
(54)【発明の名称】量子演算ユニット、量子演算器
(51)【国際特許分類】
G02F 3/00 20060101AFI20231116BHJP
G06E 3/00 20060101ALI20231116BHJP
【ＦＩ】
G02F3/00 501
G06E3/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022079702
(22)【出願日】2022-05-13
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業（ＣＲＥＳＴ）「超低損失ナノファイバー共振器の開発と光学的量子計算の要素技術実証」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(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】110000338
【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(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）】
2K102AA09
2K102AA37
2K102BA18
2K102BA31
2K102BA33
2K102BB02
2K102BB10
2K102BC01
2K102BD03
2K102DA06
2K102DA11
2K102DB01
2K102EB12
2K102EB16
2K102EB20
2K102EB22
(57)【要約】
【課題】量子演算と、当該量子演算に用いた光子と異なる波長を有する光子への量子系とのエンタングルメントの付与機能と、の双方の機能を備えた量子演算ユニットを実現する。
【解決手段】量子演算ユニットは、ナノ光ファイバ（２０）と、該ナノ光ファイバ上に配置された量子系（２２）と、を備える。量子系は、基底準位と、第１励起準位と、第２励起準位と、第２励起準位と異なるエネルギーを有する第３励起準位とを有し、基底準位と第１励起準位との準位差に相当する第１共鳴波長（λ１）と、第２励起準位と第３励起準位との準位差に相当する第２共鳴波長（λ２）と、が互いに異なる。また、量子系は、第１共鳴波長を有する第１光子と相互作用し、さらに、量子系とエンタングルメントを有し、かつ、第２共鳴波長を有する第２光子をナノ光ファイバに生成する。
【選択図】図１
【解決手段】量子演算ユニットは、ナノ光ファイバ（２０）と、該ナノ光ファイバ上に配置された量子系（２２）と、を備える。量子系は、基底準位と、第１励起準位と、第２励起準位と、第２励起準位と異なるエネルギーを有する第３励起準位とを有し、基底準位と第１励起準位との準位差に相当する第１共鳴波長（λ１）と、第２励起準位と第３励起準位との準位差に相当する第２共鳴波長（λ２）と、が互いに異なる。また、量子系は、第１共鳴波長を有する第１光子と相互作用し、さらに、量子系とエンタングルメントを有し、かつ、第２共鳴波長を有する第２光子をナノ光ファイバに生成する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光子を伝搬する光ファイバとテーパー部を介して接続するナノ光ファイバと、
前記ナノ光ファイバ上に配置された量子系と、を備え、
前記量子系は、基底準位と、第１励起準位と、第２励起準位と、前記第２励起準位と異なるエネルギーを有する第３励起準位とを有し、
前記基底準位と前記第１励起準位との準位差に相当する第１共鳴波長と前記第２励起準位と前記第３励起準位との準位差に相当する第２共鳴波長とが互いに異なり、
前記量子系は前記第１共鳴波長を有する第１光子と相互作用し、前記量子系とエンタングルメントを有し、かつ、前記第２共鳴波長を有する第２光子を前記ナノ光ファイバに生成する量子演算ユニット。
前記ナノ光ファイバ上に配置された量子系と、を備え、
前記量子系は、基底準位と、第１励起準位と、第２励起準位と、前記第２励起準位と異なるエネルギーを有する第３励起準位とを有し、
前記基底準位と前記第１励起準位との準位差に相当する第１共鳴波長と前記第２励起準位と前記第３励起準位との準位差に相当する第２共鳴波長とが互いに異なり、
前記量子系は前記第１共鳴波長を有する第１光子と相互作用し、前記量子系とエンタングルメントを有し、かつ、前記第２共鳴波長を有する第２光子を前記ナノ光ファイバに生成する量子演算ユニット。
【請求項2】
前記第１共鳴波長よりも前記第２共鳴波長が長い請求項１に記載の量子演算ユニット。
【請求項3】
前記第１共鳴波長が１．０μｍ未満であり、前記第２共鳴波長が１．０μｍ以上１．８μｍ以下である請求項２に記載の量子演算ユニット。
【請求項4】
前記第２共鳴波長が１．３μｍ以上１．６μｍ以下である請求項３に記載の量子演算ユニット。
【請求項5】
前記ナノ光ファイバの内部または前記光ファイバの内部の少なくとも一方に形成された、前記第１共鳴波長を共振波長に有する第１共振器および前記第２共鳴波長を共振波長に有する第２共振器をさらに備え、
前記量子系は前記第１共振器中の前記第１光子と相互作用し、前記第２共振器に前記第２光子を生成する請求項１から４の何れか１項に記載の量子演算ユニット。
前記量子系は前記第１共振器中の前記第１光子と相互作用し、前記第２共振器に前記第２光子を生成する請求項１から４の何れか１項に記載の量子演算ユニット。
【請求項6】
前記第１共振器は前記第１共鳴波長を反射帯域に含む一対の第１ファイバブラッグ格子を有し、前記第２共振器は前記第２共鳴波長を反射帯域に含む一対の第２ファイバブラッグ格子を有する請求項５に記載の量子演算ユニット。
【請求項7】
前記第１共鳴波長を有する第１レーザ光を前記量子系に照射するレーザ光源をさらに備えた請求項１から４の何れか１項に記載の量子演算ユニット。
【請求項8】
前記量子系は、前記第２励起準位とは異なるエネルギーを有する第４励起準位をさらに有し、
前記レーザ光源は、さらに、前記基底準位と前記第４励起準位との間の遷移に共鳴する第２レーザ光と、前記第４励起準位と前記第２励起準位との間の遷移に共鳴する第３レーザ光と、前記第３励起準位と前記基底準位との間の遷移に共鳴する第４レーザ光とを、前記量子系に照射する請求項７に記載の量子演算ユニット。
前記レーザ光源は、さらに、前記基底準位と前記第４励起準位との間の遷移に共鳴する第２レーザ光と、前記第４励起準位と前記第２励起準位との間の遷移に共鳴する第３レーザ光と、前記第３励起準位と前記基底準位との間の遷移に共鳴する第４レーザ光とを、前記量子系に照射する請求項７に記載の量子演算ユニット。
【請求項9】
前記レーザ光源は、さらに、前記第３励起準位と前記基底準位との間の遷移に共鳴する第４レーザ光と、２倍波が前記基底準位と前記第２励起準位との間の遷移に共鳴する第５レーザ光とを、前記量子系に照射する請求項７に記載の量子演算ユニット。
【請求項10】
複数の請求項１から４の何れか１項に記載の量子演算ユニットと、
前記第１共鳴波長を有する単一光子を生成し、各前記量子演算ユニットに入力する複数の単一光子源と、
各前記量子演算ユニットから出力された前記第１共鳴波長を有する単一光子が入射する複数の偏光ビームスプリッタと、
各前記偏光ビームスプリッタから出射する単一光子を検出する複数の第１単一光子検出器と、
２つの前記量子演算ユニットのそれぞれから出力された前記第２共鳴波長を有する単一光子を互いに干渉させる少なくとも一つのハーフビームスプリッタと、
前記ハーフビームスプリッタから出射する単一光子を検出する少なくとも一つの第２単一光子検出器と、
を備えた量子演算器。
前記第１共鳴波長を有する単一光子を生成し、各前記量子演算ユニットに入力する複数の単一光子源と、
各前記量子演算ユニットから出力された前記第１共鳴波長を有する単一光子が入射する複数の偏光ビームスプリッタと、
各前記偏光ビームスプリッタから出射する単一光子を検出する複数の第１単一光子検出器と、
２つの前記量子演算ユニットのそれぞれから出力された前記第２共鳴波長を有する単一光子を互いに干渉させる少なくとも一つのハーフビームスプリッタと、
前記ハーフビームスプリッタから出射する単一光子を検出する少なくとも一つの第２単一光子検出器と、
を備えた量子演算器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は量子演算ユニット、および当該量子演算ユニットを備えた量子演算器に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、原子、イオン、ダイヤモンドＮＶ中心、半導体量子ドット等を量子系として含む量子演算ユニットを備えた量子演算器が考案されている。例えば、当該量子演算器の複数の量子演算ユニットを量子チャネルにて接続することにより、当該量子演算ユニットは、長距離量子通信のための量子中継器、または、分散型量子演算器の量子演算ユニットとして利用することができる。
【0003】
ここで、量子演算ユニットを用いた量子演算は、例えば、量子系における量子情報の保持と、量子系に対する量子状態操作とを利用して実行される。ここで、上記量子演算を行うためには、量子系の準位のうち、ある程度長いコヒーレンス時間を有する準位を利用する必要がある。したがって、量子演算ユニットを用いた量子演算は、通常、量子系の基底準位と励起準位との間の遷移が利用され、当該遷移と共鳴する光の波長は、多くは１．０μｍ未満である。
【0004】
一方、量子演算ユニット同士を接続する量子チャネルには光ファイバが用いられることが多い。この場合、光ファイバにおける量子情報の損失を十分に低減するために、光ファイバ中を伝搬する光子の波長は、一般に通信波長帯とも呼称される、１．３μｍ～１．６μｍの波長帯に含まれることが求められる。
【0005】
したがって、量子演算ユニットを用いた量子演算と、量子演算ユニット同士の間における低損失の量子通信とを両立するためには、量子演算ユニットから出力される光子の波長を通信波長帯に変換する、量子波長変換が必要であった。非特許文献１～３は、光子の波長を変換する量子波長変換器を開示する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】R. Ikuta et al., "Wide-band quantum interface for visible-to-telecommunication wavelength conversion", Nature Communications 2, 537 (2011)
【非特許文献2】S. Zaske et al., “Visible-to-Telecom Quantum Frequency Conversion of Light from a Single Quantum Emitter”, Phys. Rev. Lett. 109, 147404 (2012)
【非特許文献3】K. De Greve et al., “Quantum-dot spin-photon entanglement via frequency downconversion to telecom wavelength”, Nature 491, 421 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
非特許文献１～３に記載された量子波長変換器を量子演算器に導入すると、量子演算器の構造が複雑となる。また、非特許文献１～３に記載された量子波長変換器による量子波長変換を行う際には、ノイズの混入、または光子の損失等が生じる場合がある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係る量子演算ユニットは、光子を伝搬する光ファイバとテーパー部を介して接続するナノ光ファイバと、前記ナノ光ファイバ上に配置された量子系とを備え、前記量子系は、基底準位と、第１励起準位と、第２励起準位と、前記第２励起準位と異なるエネルギーを有する第３励起準位とを有し、前記基底準位と前記第１励起準位との準位差に相当する第１共鳴波長と前記第２励起準位と前記第３励起準位との準位差に相当する第２共鳴波長とが互いに異なり、前記量子系は前記第１共鳴波長を有する第１光子と相互作用し、前記量子系とエンタングルメントを有し、かつ、前記第２共鳴波長を有する第２光子を前記ナノ光ファイバに生成する。
【発明の効果】
【0009】
量子演算と当該量子演算に用いた第１光子と異なる波長を有する第２光子への量子系とのエンタングルメントの付与機能との双方の機能を備えた量子演算ユニットを、量子波長変換器を用いずに実現できる。当該量子演算ユニットにより、量子波長変換器を不要としつつ、異なる波長を有する光子間にエンタングルメントを付与できる量子演算器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本開示の実施形態に係る量子演算ユニットの共振器ＱＥＤ系の近傍を拡大した概略図、および、当該量子系の各準位を示すエネルギーダイヤグラムである。
【図2】本開示の実施形態に係る量子演算器の概略図である。
【図3】本開示の実施形態に係る単一光子源の拡大概略図である。
【図4】本開示の実施形態に係る量子演算器の第１の運用形態を示す概略図である。
【図5】本開示の実施形態に係る量子演算器の第１の運用形態における、量子演算ユニットの量子系における遷移過程を示すエネルギーダイヤグラムである。
【図6】本開示の実施形態に係る量子演算器の第２の運用形態を示す概略図である。
【図7】本開示の実施形態に係る量子演算器の第２の運用形態における、量子演算ユニットの量子系における遷移過程を示すエネルギーダイヤグラムである。
【図8】本開示の実施形態に係る量子演算器の第２の運用形態における、量子演算ユニットの量子系における遷移過程の他の例を示すエネルギーダイヤグラムである。
【図9】本開示の実施形態に係る量子演算器の第２の運用形態における、量子演算ユニットの量子系における遷移過程の他の例を示すエネルギーダイヤグラムである。
【発明を実施するための形態】
【0011】
〔実施形態〕
＜量子演算器＞
本実施形態に係る量子演算器２について、図２を参照し説明する。図２は本実施形態に係る量子演算器２を示す概略図である。図２に示すように、量子演算器２は、複数の量子演算ユニット４、単一光子源６、偏光ビームスプリッタ８、および第１単一光子検出器１０と、少なくとも一つのハーフビームスプリッタ１２、および第２単一光子検出器１４とを備える。また、量子演算器２は、上述の各部材間において単一光子を伝搬させる単一モードの光ファイバＦを備える。
＜量子演算器＞
本実施形態に係る量子演算器２について、図２を参照し説明する。図２は本実施形態に係る量子演算器２を示す概略図である。図２に示すように、量子演算器２は、複数の量子演算ユニット４、単一光子源６、偏光ビームスプリッタ８、および第１単一光子検出器１０と、少なくとも一つのハーフビームスプリッタ１２、および第２単一光子検出器１４とを備える。また、量子演算器２は、上述の各部材間において単一光子を伝搬させる単一モードの光ファイバＦを備える。
【0012】
本実施形態に係る量子演算ユニット４は、共振器ＱＥＤ（量子電気力学：quantum electrodynamics）系１６と、レーザ光源１８とを含む。共振器ＱＥＤ系１６は、量子系を含み、当該量子系を用いた量子演算を実現するためのユニットである。レーザ光源１８は、共振器ＱＥＤ系１６を用いた量子演算のために、共振器ＱＥＤ系１６の量子系にレーザ光を照射するための光源である。レーザ光源１８の詳細については後述する。
【0013】
＜共振器ＱＥＤ系＞
共振器ＱＥＤ系１６について、図１を参照しより詳細に説明する。図１は、共振器ＱＥＤ系１６の近傍を拡大して示す概略図、および、当該共振器ＱＥＤ系１６が含む量子系の各準位を示すエネルギーダイヤグラムＤ１である。
共振器ＱＥＤ系１６について、図１を参照しより詳細に説明する。図１は、共振器ＱＥＤ系１６の近傍を拡大して示す概略図、および、当該共振器ＱＥＤ系１６が含む量子系の各準位を示すエネルギーダイヤグラムＤ１である。
【0014】
図１に示すように、共振器ＱＥＤ系１６は、ナノ光ファイバ２０と少なくとも一つの量子系２２とを含む。ナノ光ファイバ２０は、両端に位置するテーパー部２４を介して単一モードの光ファイバＦと接続する。このため、単一モードの光ファイバＦを伝搬する光子はテーパー部２４を介してナノ光ファイバ２０中を伝搬する。
【0015】
なお、光ファイバＦは、図１に示すように、コア部ＦＡと、該コア部ＦＡの周囲のクラッド部ＦＢとを含み、コア部ＦＡにおいて光子を伝搬させてもよい。また、ナノ光ファイバ２０は、光ファイバＦの一部分をセラミックヒータ、または酸素水炎等を含む種々の加熱方法により加熱しつつ、加熱部分を両端から引張することにより、当該加熱部分に形成されてもよい。この場合、ナノ光ファイバ２０についても、光子を伝搬させるコア部と、コア部周囲のクラッド部とを含んでいてもよい。
【0016】
量子系２２は、ナノ光ファイバ２０上に配置されている。量子系２２は、例えば、複数の準位を有する。例えば、量子系２２は、図１のエネルギーダイヤグラムＤ１に示すように、基底準位としての第１基底準位ｇおよび第２基底準位ｕと、励起準位としての第１励起準位ｅ１、第２励起準位ｅ２、および第３励起準位ｅ３を有する。第１励起準位ｅ１、第２励起準位ｅ２、および第３励起準位ｅ３は、第１基底準位ｇおよび第２基底準位ｕよりも高いエネルギーを有する。
【0017】
ここで、少なくとも第２励起準位ｅ２と第３励起準位ｅ３とは互いに異なるエネルギーを有する。特に、図１のエネルギーダイヤグラムＤ１に示すように、第２励起準位ｅ２は第１励起準位ｅ１および第３励起準位ｅ３よりも高いエネルギーを有していてもよい。ただし、第１励起準位ｅ１は、第２励起準位ｅ２および第３励起準位ｅ３の何れかと縮退していてもよく、あるいは、第２励起準位ｅ２および第３励起準位ｅ３の何れかと同一の準位であってもよい。また、量子系２２が含む各準位は磁気副準位を有していてもよい。
【0018】
本明細書において、第１基底準位ｇおよび第２基底準位ｕのそれぞれに対応する量子系２２の状態を、それぞれ、状態｜ｇ＞および状態｜ｕ＞とする。また、第１励起準位ｅ１、第２励起準位ｅ２、および第３励起準位ｅ３のそれぞれに対応する量子系２２の状態を、それぞれ、状態｜ｅ１＞、状態｜ｅ２＞、および状態｜ｅ３＞とする。
【0019】
ここで、一般に、状態｜ｇ＞および状態｜ｕ＞は、状態｜ｅ１＞、状態｜ｅ２＞、および状態｜ｅ３＞と比較して安定であり、コヒーレンス時間が長い。このため、第１基底準位ｇおよび第２基底準位ｕは、量子状態を比較的長時間保持する量子メモリとして機能させることができる。
【0020】
図１のエネルギーダイヤグラムＤ１に示すように、状態｜ｇ＞から状態｜ｅ１＞への遷移に共鳴する波長を第１共鳴波長λ１とし、状態｜ｅ２＞と状態｜ｅ３＞との遷移に共鳴する波長を第２共鳴波長λ２とする。なお、本明細書において、ある準位間の遷移に共鳴する波長とは、当該準位間のエネルギー差に対応するエネルギーを有する光子の波長を指し、換言すれば、当該準位間の準位差に相当する波長である。換言すれば、第１基底準位ｇと第１励起準位ｅ１とのエネルギー差に相当する波長を第１共鳴波長λ１とし、第２励起準位ｅ２と第３励起準位ｅ３とのエネルギー差に相当する波長を第２共鳴波長λ２とする。
【0021】
ここで、第１基底準位ｇと第１励起準位ｅ１とのエネルギー差と、第２励起準位ｅ２と第３励起準位ｅ３とのエネルギー差とは、互いに異なっている。このため、第１共鳴波長λ１と第２共鳴波長λ２とは互いに異なる。特に、第１基底準位ｇと第１励起準位ｅ１とのエネルギー差は、第２励起準位ｅ２と第３励起準位ｅ３とのエネルギー差よりも大きくともよい。この場合、第２共鳴波長λ２は第１共鳴波長λ１よりも長くなる。例えば、第１共鳴波長λ１は、１．０μｍ未満であり、第２共鳴波長λ２は、１．３μｍ以上１．６μｍ以下である。
【0022】
なお、本実施形態において、状態｜ｅ１＞から状態｜ｅ２＞への遷移に共鳴する波長を第３共鳴波長λ３とし、状態｜ｇ＞から状態｜ｅ３＞への遷移に共鳴する波長を第４共鳴波長λ４とする。さらに、状態｜ｇ＞から状態｜ｅ２＞への遷移に共鳴する波長を第５共鳴波長λ５とする。
【0023】
本実施形態において、量子系２２は、例えば、セシウム原子であってもよい。この場合、本実施形態において、状態｜ｇ＞には６２Ｓ１／２，Ｆ＝４状態、状態｜ｕ＞には６２Ｓ１／２，Ｆ＝３状態を充てることができる。また、本実施形態において、状態｜ｅ１＞には６２Ｐ３／２，Ｆ＝３状態、状態｜ｅ２＞には７２Ｓ１／２，Ｆ＝４状態、状態｜ｅ３＞には６２Ｐ１／２，Ｆ＝３状態を充てることができる。
【0024】
量子系２２の各準位が、図１のエネルギーダイヤグラムＤ１に示す状態をとる場合、第１基底準位ｇと第１励起準位ｅ１とのエネルギー差に対応する第１共鳴波長λ１は、８５２ｎｍである。また、第２励起準位ｅ２と第３励起準位ｅ３とのエネルギー差に対応する第２共鳴波長λ２は、１４７０ｎｍであり、第１基底準位ｇと第３励起準位ｅ３とのエネルギー差に対応する第４共鳴波長λ４は、８９４ｎｍである。
【0025】
量子系２２は、ナノ光ファイバ２０を伝搬する、第１共鳴波長λ１を有する第１光子と相互作用する。より具体的には、量子系２２は、ナノ光ファイバ２０を伝搬する第１光子との相互作用により状態遷移が生じる。量子系２２とナノ光ファイバ２０を伝搬する第１光子との相互作用は、ナノ光ファイバ２０を第１光子が伝搬することによりナノ光ファイバ２０から染み出すエバネッセント波が量子系２２と相互作用することにより生じてもよい。
【0026】
ここで、本明細書において、『量子系２２がナノ光ファイバ２０に配置される』とは、量子系２２がナノ光ファイバ２０と接触していることのみを指さない。例えば、本実施形態において、量子系２２とナノ光ファイバ２０を伝搬する第１光子との相互作用が可能な程度に、量子系２２はナノ光ファイバ２０と間隔を空けて配置されていてもよい。
【0027】
また、量子系２２は、第２共鳴波長λ２を有する第２光子をナノ光ファイバ２０中に生成する。特に、量子系２２から生成された第２光子は、量子系２２の状態と相関を有し、換言すれば、量子系２２とエンタングルメントを有する。量子系２２からの第２光子の詳細な生成方法については後述する。
【0028】
なお、本実施形態においては、量子系２２が上述した準位を有するセシウム原子である例を記載するが、これに限られない。例えば、量子系２２は、基底準位、第１励起準位、第２励起準位、および第２励起準位と異なるエネルギーを有する第３励起準位を有する限り、量子演算に用いられる種々の量子系を含んでいてもよい。例えば、量子系２２は、原子の他、イオン、窒素欠陥を有するダイヤモンド粒子、または量子ドット等を含んでいてもよい。
【0029】
＜共振器＞
図１の共振器ＱＥＤ系１６の参照に戻ると、共振器ＱＥＤ系１６は、さらに、ナノ光ファイバ２０の内部または光ファイバＦの内部に位置する第１共振器２６と第２共振器２８とを含む。第１共振器２６と第２共振器２８とは、それぞれの共振光路の少なくとも一部がナノ光ファイバ２０を含むように構成される。第１共振器２６は第１共鳴波長λ１を共振波長に有し、第２共振器２８は第２共鳴波長λ２を共振波長に有する。したがって、量子系２２は、第１共振器２６中を伝搬する第１光子と相互作用し、また、量子系２２は、第２共振器２８中に第２光子を生成する。
図１の共振器ＱＥＤ系１６の参照に戻ると、共振器ＱＥＤ系１６は、さらに、ナノ光ファイバ２０の内部または光ファイバＦの内部に位置する第１共振器２６と第２共振器２８とを含む。第１共振器２６と第２共振器２８とは、それぞれの共振光路の少なくとも一部がナノ光ファイバ２０を含むように構成される。第１共振器２６は第１共鳴波長λ１を共振波長に有し、第２共振器２８は第２共鳴波長λ２を共振波長に有する。したがって、量子系２２は、第１共振器２６中を伝搬する第１光子と相互作用し、また、量子系２２は、第２共振器２８中に第２光子を生成する。
【0030】
第１共振器２６および第２共振器２８のそれぞれは、例えば、ナノ光ファイバ２０と接続する２つの光ファイバＦのそれぞれに形成された、一対の第１ファイバブラッグ格子３０、および第２ファイバブラッグ格子３２を含む。第１ファイバブラッグ格子３０および第２ファイバブラッグ格子３２は、それぞれ、反射帯域に第１共鳴波長λ１および第２共鳴波長λ２を含む。一対の第１ファイバブラッグ格子３０および第２ファイバブラッグ格子３２は、それぞれ、伝搬する第１光子および第２光子が一往復する光路長が、各光子の波長の整数倍となるように配置される。
【0031】
なお、第１ファイバブラッグ格子３０と第２ファイバブラッグ格子３２との少なくとも一方は、光ファイバＦではなくナノ光ファイバ２０中に形成されていてもよい。ナノ光ファイバ２０中に形成された第１ファイバブラッグ格子３０または第２ファイバブラッグ格子３２は、ナノ光ファイバ２０の一部に周期的な欠陥を形成する等の方法により形成されたフォトニック結晶を有していてもよい。
【0032】
＜量子ビット＞
本実施形態において、状態｜ｇ＞から状態｜ｅ１＞への遷移に共鳴する第１共鳴波長λ１を共鳴波長として有するために、第１共振器２６は、状態｜ｇ＞から状態｜ｅ１＞への遷移と結合する。一方、第１共振器２６は、状態｜ｕ＞から状態｜ｅ１＞への遷移とは結合していない。また、本実施形態において、状態｜ｅ２＞から状態｜ｅ３＞への遷移に共鳴する第２共鳴波長λ２を共鳴波長として有するために、第２共振器２８は、状態｜ｅ２＞から状態｜ｅ３＞への遷移と結合する。
本実施形態において、状態｜ｇ＞から状態｜ｅ１＞への遷移に共鳴する第１共鳴波長λ１を共鳴波長として有するために、第１共振器２６は、状態｜ｇ＞から状態｜ｅ１＞への遷移と結合する。一方、第１共振器２６は、状態｜ｕ＞から状態｜ｅ１＞への遷移とは結合していない。また、本実施形態において、状態｜ｅ２＞から状態｜ｅ３＞への遷移に共鳴する第２共鳴波長λ２を共鳴波長として有するために、第２共振器２８は、状態｜ｅ２＞から状態｜ｅ３＞への遷移と結合する。
【0033】
ただし、例えば、状態｜ｇ＞および状態｜ｕ＞から状態｜ｅ１＞へのそれぞれの遷移に共鳴するコントロール光を量子系２２に照射することにより、量子系２２において２光子誘導ラマン過程を発生させることができる。あるいは、状態｜ｇ＞から状態｜ｕ＞への遷移に共鳴する電磁波を量子系２２に照射してもよい。このように、量子系２２にある特定振幅のレーザ光源１８からのコントロール光を照射することにより、状態｜ｕ＞から状態｜ｅ１＞への遷移も制御することができる。ここで、レーザ光源１８から量子系２２に照射されるコントロール光は、状態｜ｇ＞から状態｜ｅ１＞への遷移に対応する波長を有するレーザ光と、状態｜ｕ＞から状態｜ｅ１＞への遷移に対応する波長を有するレーザ光とを含んでいてもよい。
【0034】
このため、量子系２２と第１光子との相互作用と、量子系２２に対するレーザ光源１８からのコントロール光の照射とを制御することにより、量子系２２の系全体の状態を制御することができる。したがって、量子系２２は、例えば、比較的安定な状態｜ｇ＞および状態｜ｕ＞を基底とする、任意の重ね合わせ状態ρｇ｜ｇ＞＋ρｕ｜ｕ＞をとる。なお、ρｇおよびρｕは、｜ρｇ
２｜＋｜ρｕ
２｜＝１を満たす複素数の係数である。
【0035】
これにより、共振器ＱＥＤ系１６において、量子系２２は、量子ビット｜Ψ＞=ρｇ｜ｇ＞＋ρｕ｜ｕ＞を構成する。この場合、量子系２２を用いた１量子ビットゲートは、例えば、状態｜ｇ＞および状態｜ｕ＞から状態｜ｅ１＞へのそれぞれの遷移に共鳴するコントロール光を量子系２２に照射することにより実現する。
【0036】
＜単一光子源＞
次に、単一光子源６について、図３を参照しより詳細に説明する。図３は、単一光子源６の近傍を拡大して示す概略図である。本実施形態に係る単一光子源６のそれぞれは、第１共鳴波長λ１を有する単一の第１光子を生成し、各量子演算ユニット４に入力する単一光子源である。単一光子源６は、例えば、図３に示すように、共振器ＱＥＤ系１６と比較して、量子系２２が単一である点、第２共振器２８を有していない点を除き、同一の構成を備えていてもよい。換言すれば、単一光子源６は、両端がテーパー部２４を介して光ファイバＦと接続するナノ光ファイバ２０と、ナノ光ファイバ２０上に配置された量子系２２と、第１光子と共鳴する第１共振器２６とを含んでいる。
次に、単一光子源６について、図３を参照しより詳細に説明する。図３は、単一光子源６の近傍を拡大して示す概略図である。本実施形態に係る単一光子源６のそれぞれは、第１共鳴波長λ１を有する単一の第１光子を生成し、各量子演算ユニット４に入力する単一光子源である。単一光子源６は、例えば、図３に示すように、共振器ＱＥＤ系１６と比較して、量子系２２が単一である点、第２共振器２８を有していない点を除き、同一の構成を備えていてもよい。換言すれば、単一光子源６は、両端がテーパー部２４を介して光ファイバＦと接続するナノ光ファイバ２０と、ナノ光ファイバ２０上に配置された量子系２２と、第１光子と共鳴する第１共振器２６とを含んでいる。
【0037】
単一光子源６は、例えば、量子系２２と第１共振器２６との結合により、状態｜ｇ＞から状態｜ｅ１＞への遷移に伴う単一の第１光子の自然放出が強調されるパーセル効果に基づき、単一の第１光子を第１共振器２６中に生成してもよい。換言すれば、図示しないレーザ光源からのコントロール光により量子系２２の状態を励起させ、再び基底状態に戻る際に単一の光子が生じることを利用し、単一光子源６は単一の第１光子を生成してもよい。
【0038】
あるいは、単一光子源６は、振幅が０から次第に上昇するコントロール光を量子系２２が照射させることにより単一の第１光子を第１共振器２６に生成してもよい。この場合、コントロール光の振幅の時間変化を制御することにより、第１光子の波形を制御できる。このほか、単一光子源６は単一の第１光子を生成する従来公知の単一光子源を採用してもよく、例えば、伝令付きの単一光子源であってもよい。
【0039】
本実施形態において、単一光子源６が単一の量子系２２を有する例について説明したが、これに限られない。例えば、単一光子源６が有する量子系２２は、共振器ＱＥＤ系１６が含む量子系２２と同じく複数であってもよい。この場合、例えば、単一光子源６が有する複数の量子系２２は、何れも第１共振器２６と結合しておらず、何れか一つの量子系２２に光シフトビーム等を照射することにより、当該量子系２２と第１共振器２６とが結合するように構成されていてもよい。上記構成により、単一光子源６は、第１共振器２６と結合する量子系２２のみによって第１光子を生成することができる。
【0040】
＜単一光子検出器＞
図２の参照に戻ると、偏光ビームスプリッタ８は、入射した光子の有する偏光によって当該光子を反射させるか透過させるかが切り替わるビームスプリッタである。本実施形態において、偏光ビームスプリッタ８は、Ｖ偏光を有する光子を反射し、Ｈ偏光を有する光子を透過する。各偏光ビームスプリッタ８には、例えば、各共振器ＱＥＤ系１６において後述する手法により生成された光子が各共振器ＱＥＤ系１６から伝搬される。なお、図２に示すように量子演算器２は半波長板３４を備えていてもよく、各偏光ビームスプリッタ８に入射する光子は半波長板３４を透過してもよい。
図２の参照に戻ると、偏光ビームスプリッタ８は、入射した光子の有する偏光によって当該光子を反射させるか透過させるかが切り替わるビームスプリッタである。本実施形態において、偏光ビームスプリッタ８は、Ｖ偏光を有する光子を反射し、Ｈ偏光を有する光子を透過する。各偏光ビームスプリッタ８には、例えば、各共振器ＱＥＤ系１６において後述する手法により生成された光子が各共振器ＱＥＤ系１６から伝搬される。なお、図２に示すように量子演算器２は半波長板３４を備えていてもよく、各偏光ビームスプリッタ８に入射する光子は半波長板３４を透過してもよい。
【0041】
第１単一光子検出器１０は、偏光ビームスプリッタ８によって反射されたＶ偏光を有する光子を検出する第１光子検出素子３６と、および偏光ビームスプリッタ８を透過したＨ偏光を有する光子を検出する第２光子検出素子３８とを含む。このため、第１単一光子検出器１０は、偏光ビームスプリッタ８を反射または透過して単一光子を検出する。
【0042】
ハーフビームスプリッタ１２は、入射した光子の略５０％の確率にて反射し、略５０％の確率にて透過させる。ハーフビームスプリッタ１２には、後述する方法により２つの共振器ＱＥＤ系１６から出力された単一光子がそれぞれ入射する。ここで、ハーフビームスプリッタ１２は、同時に入射した２つの単一光子が同一の波長を有している場合に当該２つの単一光子が干渉するように配置される。
【0043】
第２単一光子検出器１４は、第３光子検出素子４０と第４光子検出素子４２とを含む。第３光子検出素子４０は、一方の共振器ＱＥＤ系１６において生成されハーフビームスプリッタ１２を透過する単一光子と、他方の共振器ＱＥＤ系１６において生成されハーフビームスプリッタ１２を反射する単一光子とを検出する。一方、第４光子検出素子４２は、一方の共振器ＱＥＤ系１６において生成されハーフビームスプリッタ１２を反射する単一光子と、他方の共振器ＱＥＤ系１６において生成されハーフビームスプリッタ１２を透過する単一光子とを検出する。したがって、ハーフビームスプリッタ１２は、一方の共振器ＱＥＤ系１６において生成された第２光子のモード（波束）と、他方の共振器ＱＥＤ系１６において生成された第２光子のモード（波束）と、を干渉させる。
【0044】
光ファイバＦは、量子演算器２が備える上述した各部の間において光子を伝搬させる。ここで、量子演算器２は、光サーキュレータ４４をさらに備える。光サーキュレータ４４は、各単一光子源６から入射した光子を各共振器ＱＥＤ系１６に伝搬させ、各共振器ＱＥＤ系１６から入射した光子を各偏光ビームスプリッタ８側の光ファイバＦに伝搬させる。光サーキュレータ４４は、例えば、各単一光子源６から各共振器ＱＥＤ系１６への光路に、半波長板４６を含んでいてもよく、各単一光子源６から各共振器ＱＥＤ系１６のナノ光ファイバ２０に入射する光子は半波長板４６を透過してもよい。また、量子演算器２は、光スイッチ４８をさらに備える。光スイッチ４８は、各共振器ＱＥＤ系１６から生成された光子を、各偏光ビームスプリッタ８とハーフビームスプリッタ１２との何れに伝搬させるのかを切り替える。
【0045】
なお、量子演算器２は、光スイッチ４８に代えて、入射した光子の波長に応じて、当該光子を各偏光ビームスプリッタ８とハーフビームスプリッタ１２との何れに伝搬するかを振り分ける素子を有していてもよい。例えば、量子演算器２は、ＷＤＭフィルタまたはダイクロイックミラーを光スイッチ４８に代えて備えていてもよい。
【0046】
なお、量子演算器２は、図２に示す他にも、さらに多くの量子演算ユニット４、単一光子源６、偏光ビームスプリッタ８、第１単一光子検出器１０、ハーフビームスプリッタ１２、および第２単一光子検出器１４を備えていてもよい。この場合、量子演算器２は、各共振器ＱＥＤ系１６から生成された光子を、何れのハーフビームスプリッタ１２に伝搬させるのかを切り替える光スイッチ５０を備えていてもよい。また、量子演算器２は、各単一光子源６に対し、複数の量子演算ユニット４を備えていてもよい。
【0047】
量子演算器２は、備える各部を動作させるための不図示の制御部を備えていてもよい。制御部は、不図示のメモリ等に記録されたプログラムに基づいて、量子演算器２の各部を制御してもよい。
【0048】
＜第１の運用形態＞
本実施形態に係る量子演算器２の第１の運用形態について、図４および図５を参照し説明する。図４は、本実施形態に係る量子演算器２の第１の運用形態における、量子演算器２の各部の動作を説明するための、量子演算器２の概略図である。図５は、本実施形態に係る量子演算器２の第１の運用形態における、量子系２２の状態遷移を表すエネルギーダイヤグラムＤ２を示す図である。
本実施形態に係る量子演算器２の第１の運用形態について、図４および図５を参照し説明する。図４は、本実施形態に係る量子演算器２の第１の運用形態における、量子演算器２の各部の動作を説明するための、量子演算器２の概略図である。図５は、本実施形態に係る量子演算器２の第１の運用形態における、量子系２２の状態遷移を表すエネルギーダイヤグラムＤ２を示す図である。
【0049】
本実施形態に係る量子演算器２の第１の運用形態においては、はじめに、単一の量子演算ユニット４内の量子系２２間の量子ゲート操作について説明する。本実施形態に係る量子演算器２の第１の運用形態において、はじめに、量子演算器２は、各単一光子源６から、上述した手法等により、第１共鳴波長λ１を有する単一の第１光子ＳＦ１を生成させる。ここで、当該第１光子ＳＦ１は、例えば、横偏光｜ｈ＞等の特定の状態を有する。
【0050】
次いで量子演算器２は、第１光子ＳＦ１を、光サーキュレータ４４を透過させ、量子演算ユニット４の共振器ＱＥＤ系１６に入射させる。これにより、単一光子源６から光サーキュレータ４４に入射した第１光子ＳＦ１は、共振器ＱＥＤ系１６まで伝搬する。なお、単一の量子演算ユニット４内の量子系２２間の量子ゲート操作においては、半波長板４６の光学軸の角度を横偏光｜ｈ＞と平行にすることにより、第１光子ＳＦ１の偏光が変化しないようにしてもよい。共振器ＱＥＤ系１６に入射した第１光子ＳＦ１は、第１共鳴波長λ１を共鳴波長に有する第１共振器２６にて共振する。ここで、量子演算ユニット４は、レーザ光源１８から特定の量子系２２へのコントロール光Ｌ１の照射を制御する。
【0051】
レーザ光源１８から特定の量子系２２へのコントロール光Ｌ１の照射がない場合、当該量子系２２の、状態｜ｇ＞から状態｜ｅ１＞への遷移は、第１共振器２６と結合している。一方、上記場合において、当該量子系２２の、状態｜ｕ＞から状態｜ｅ１＞への遷移は第１共振器２６と結合していない。このため、量子系２２が状態｜ｇ＞にある場合と状態｜ｕ＞にある場合とにおいて、第１光子ＳＦ１が共振器ＱＥＤ系１６において反射する際に共振器ＱＥＤ系１６が第１光子ＳＦ１に与える位相シフトは異なる。
【0052】
量子演算ユニット４は、レーザ光源１８から特定の量子系２２へコントロール光Ｌ１を照射させることにより、当該量子系２２の、状態｜ｇ＞から状態｜ｅ１＞への遷移に共鳴する波長を変化させる。これにより、量子演算ユニット４は、当該遷移と第１共振器２６との結合を実効的に解除することができる。この場合、量子系２２が状態｜ｇ＞にある場合と状態｜ｕ＞にある場合とにおいて、共振器ＱＥＤ系１６が第１光子ＳＦ１に与える位相シフトは略同一となる。以上により、量子演算ユニット４は、特定の量子系２２へのコントロール光Ｌ１の照射を通じて、量子系２２が状態｜ｇ＞と状態｜ｕ＞とのそれぞれにある場合における、共振器ＱＥＤ系１６が第１光子ＳＦ１に与える位相シフトの差の有無を制御できる。
【0053】
なお、本実施形態において、量子系２２へのコントロール光Ｌ１の照射によって、量子系２２の状態｜ｇ＞から状態｜ｅ１＞への遷移と第１共振器２６との結合を実効的に解除する例について説明したが、これに限られない。例えば、本実施形態においては、量子系２２へのコントロール光Ｌ１の照射がない状態において、量子系２２の状態｜ｇ＞から状態｜ｅ１＞への遷移と第１共振器２６とが結合していなくともよい。この場合、量子系２２へのコントロール光Ｌ１を照射することにより、量子系２２の状態｜ｇ＞から状態｜ｅ１＞への遷移と第１共振器２６とを結合させてもよい。
【0054】
共振器ＱＥＤ系１６への第１光子ＳＦ１の入射に次いで、共振器ＱＥＤ系１６からは、当該共振器ＱＥＤ系１６において反射した第１光子ＳＦ１である第１光子ＳＦ１’が出射する。ここで、上述の通り、特定の量子系２２の状態に応じて、第１光子ＳＦ１が共振器ＱＥＤ系１６において反射する際に共振器ＱＥＤ系１６が第１光子ＳＦ１に与える位相シフトに差異があるかないかは、コントロール光Ｌ１の照射の有無によって変化する。このため、量子演算ユニット４は、特定の量子系２２へのコントロール光Ｌ１の照射を通じて、量子系２２が状態｜ｇ＞と状態｜ｕ＞とのそれぞれにある場合における、第１光子ＳＦ１と第１光子ＳＦ１’との位相シフトの差の有無を制御できる。
【0055】
なお、量子演算ユニット４は、特定の量子系２２へのコントロール光Ｌ１の照射を制御することにより、例えば、当該特定の量子系２２における状態｜ｅ１＞から状態｜ｇ＞への状態遷移である遷移Ｔ１’を生じさせてもよい。当該状態遷移により、当該量子系２２の重ね合わせ状態ρｇ｜ｇ＞＋ρｕ｜ｕ＞とエンタングルメントを有する第１光子ＳＦ１’が第１共振器２６に生成されてもよい。なお、状態｜ｅ１＞から状態｜ｇ＞への遷移と第１共振器２６とが結合しているため、上記遷移Ｔ１’よる第１光子ＳＦ１の生成は第１共振器２６により促進される。
【0056】
図４の参照に戻ると、本実施形態に係る量子演算器２の第１の運用形態において、共振器ＱＥＤ系１６からの第１光子ＳＦ１’の出射に次いで、量子演算器２は、第１光子ＳＦ１’を偏光ビームスプリッタ８へ伝搬させる。例えば、量子演算器２は、光サーキュレータ４４および光スイッチ４８を透過した第１光子ＳＦ１’が偏光ビームスプリッタ８まで伝搬するように光スイッチ４８を制御する。ここで、単一の量子演算ユニット４内の量子系２２間の量子ゲート操作においては、半波長板３４においても第１光子ＳＦ１’の偏光が変化しないようにしてもよい。
【0057】
これにより、量子演算器２は、量子演算ユニット４からの第１光子ＳＦ１’を偏光ビームスプリッタ８に入射させる。ただし、第１光子ＳＦ１’の偏光は横偏光｜ｈ＞から変化していない。このため、第１単一光子検出器１０の２つの光子検出素子の検出結果の和を取ることにより、実効的には、単一の光子検出器にて第１光子ＳＦ１’を測定したとみなせる。
【0058】
ここで、例えば、共振器ＱＥＤ系１６が含む２つの量子系２２の状態が双方｜ｕ＞であれば、当該量子系２２における光学応答は、量子系２２が存在しない場合と等しいため、第１光子ＳＦ１はほとんど損失することなく反射し、その位相がπシフトする。一方、共振器ＱＥＤ系１６が含む２つの量子系２２の状態の何れか一方でも｜ｕ＞ではない場合、当該量子系２２における光学応答は、｜ｇ＞と｜ｅ＞との間の遷移に相当するため、入射した第１光子ＳＦ１は位相がシフトすることなく反射する。
【0059】
したがって、第１光子ＳＦ１と相互作用した２つの量子系２２の状態は、第１光子ＳＦ１と相互作用する前の状態に対し、ＣＰＦゲートを作用させたものに相当する。また、第１光子ＳＦ１と相互作用する量子系の個数を３以上の整数であるＮ個とすると、第１光子ＳＦ１と相互作用したＮ個の量子系２２の状態は、第１光子ＳＦ１と相互作用する前の状態に対し、Ｎビット制御位相ゲートを作用させたものに相当する。以上により、第１の運用方法においては、複数の量子系２２間におけるゲートが実現する。
【0060】
以上により、量子演算ユニット４は、第１光子ＳＦ１と任意の量子系２２との相互作用を用いた量子ゲート操作を実行できる。したがって、量子演算器２の第１の運用形態において、量子演算器２は、各量子演算ユニット４における、第１光子ＳＦ１と任意の量子系２２との相互作用を用いた量子演算を実行できる。
【0061】
なお、上述したように、単一の量子演算ユニット４における量子系２２間の量子ゲート操作を量子演算器２にて実行する場合、量子演算器２は上述した構成に限定されない。例えば、量子演算器２は、上記量子ゲート操作を実行する場合、偏光ビームスプリッタ８、半波長板３４、および半波長板４６を備えていなくともよく、また、第１単一光子検出器１０が、単一の光子検出素子のみを有していてもよい。
【0062】
次いで、本実施形態に係る量子演算器２の第１の運用形態における、複数の量子演算ユニット４間における量子系２２間の量子ゲート操作について説明する。この場合、量子演算器２は、各単一光子源６に対し、複数の量子演算ユニット４を備えている。
【0063】
複数の量子演算ユニット４間における量子系２２間の量子ゲート操作においては、はじめに、各単一光子源６から、上述した手法と同一の手法により、第１共鳴波長λ１を有し、横偏光｜ｈ＞等の特定の状態を有する第１光子ＳＦ１を生成する。次いで量子演算器２は、第１光子ＳＦ１を、何れかの量子演算ユニット４の共振器ＱＥＤ系１６に入射させる。
【0064】
ここで、量子演算器２は、光サーキュレータ４４に代えて、何れの量子演算ユニット４の共振器ＱＥＤ系１６に第１光子ＳＦ１を入射させるかを決定する光スイッチを、量子演算ユニット４ごとに備えていてもよい。また、量子演算器２は、各単一光子源６からの第１光子ＳＦ１の偏光状態を半波長板４６によって変化させてもよい。
【0065】
これにより、単一光子源６から光サーキュレータ４４に入射した第１光子ＳＦ１は、共振器ＱＥＤ系１６まで伝搬する。これにより、上述した第１光子ＳＦ１は共振器ＱＥＤ系１６において反射され、共振器ＱＥＤ系１６からは第１光子ＳＦ１’が出射する。ここで、量子演算器２は、当該共振器ＱＥＤ系１６から出射した第１光子ＳＦ１’を、他の異なる共振器ＱＥＤ系１６に入射するように第１光子ＳＦ１’を伝搬させる。これにより、量子演算器２は、第１光子ＳＦ１を複数の共振器ＱＥＤ系１６に入射させ、また、第１光子ＳＦ１’をそれぞれの共振器ＱＥＤ系１６において反射させる。なお、各共振器ＱＥＤ系１６における第１光子ＳＦ１’の位相シフトは、上述した通り、各共振器ＱＥＤ系１６の量子系２２の状態の制御を通じて制御される。
【0066】
次いで、量子演算器２は、第１光子ＳＦ１’を偏光ビームスプリッタ８へ伝搬させる。量子演算器２は、各共振器ＱＥＤ系１６からの第１光子ＳＦ１’の偏光状態を半波長板３４によって変化させてもよい。
【0067】
偏光ビームスプリッタ８は、入射した第１光子ＳＦ１’の偏光状態に応じて、第１光子ＳＦ１’を反射または透過させる。その後、偏光ビームスプリッタ８から出射した第１光子ＳＦ１’を第１単一光子検出器１０が検出することにより、量子演算器２は第１光子ＳＦ１’の偏光状態を測定する。
【0068】
ここで、第１光子ＳＦ１’は反射した複数の共振器ＱＥＤ系１６のそれぞれの量子系２２とエンタングルメントを有する。このため、当該複数の共振器ＱＥＤ系１６のそれぞれの量子系２２の状態と第１光子ＳＦ１’の偏光状態とは相関を有する。
【0069】
次いで、量子演算ユニット４は、測定された第１光子ＳＦ１’の偏光状態に応じて、他の量子演算ユニット４が有する量子系２２に対する操作を行う。量子演算器２が２つの共振器ＱＥＤ系１６を有する場合、例えば、第１光子ＳＦ１’の偏光状態が、第１光子ＳＦ１が生成された際における当該第１光子ＳＦ１状態である横偏光｜ｈ＞であるとき、他の量子演算ユニット４が有する量子系２２に対しＺゲート操作を行う。特定の量子系２２に対するＺゲート操作は、例えば、量子演算ユニット４が、当該量子系２２へのコントロール光Ｌ１の照射を制御することにより実現する。一方、第１光子ＳＦ１’の偏光状態が、横偏光｜Ｖ＞等、横偏光｜ｈ＞でないとき、当該特定の量子系２２に対し操作を行わない。換言すれば、半波長板４６および半波長板３４による光子の偏光回転と、第１単一光子検出器１０における第１光子ＳＦ１’の偏光の測定結果と、に応じて、上記特定の量子系２２に回転操作を行う。
【0070】
上記操作により、量子演算器２は、第１光子ＳＦ１’および各共振器ＱＥＤ系１６の量子系２２の間のエンタングルメントから、第１光子ＳＦ１’を切り離すことができる。換言すれば、量子演算器２は、上記操作により、複数の共振器ＱＥＤ系１６の量子系２２間のエンタングルのみを残すことができる。以上により、量子演算器２は、複数の共振器ＱＥＤ系１６の量子系２２の状態を、特定のエンタングル状態に射影することができる。ここでは、量子演算器２が２つの共振器ＱＥＤ系１６を有する場合を例に説明したが、量子演算器２が３つ以上の共振器ＱＥＤ系１６を有する場合においても、第１光子ＳＦ１’を切り離す操作は可能である。
【0071】
以上により、量子演算器２は、第１光子ＳＦ１と複数の量子演算ユニット４のそれぞれにおける任意の量子系２２との相互作用を用いた量子ゲート操作を実行できる。したがって、量子演算器２の第１の運用形態において、量子演算器２は、複数の量子演算ユニット４の間における、第１光子ＳＦ１と任意の量子系２２との相互作用を用いた量子演算を実行できる。
【0072】
なお、上述した量子演算ユニット４における量子ゲート操作は一例であり、本実施形態において、量子演算器２は、量子演算ユニット４に、量子系２２を用いた従来公知の種々のゲート操作を用いた量子演算を実行させてもよい。例えば、量子演算器２の第１の運用形態においては、各量子演算ユニット４において、コントロール光Ｌ１を複数の量子系２２に照射し、複数の量子系２２を用いた量子演算を行ってもよい。また、量子演算器２は、第１光子ＳＦ１を複数の共振器ＱＥＤ系１６に入射させ、反射した第１光子ＳＦ１’を検出した後、特定の共振器ＱＥＤ系１６のみに第１光子ＳＦ１’を入射させ、反射した第１光子ＳＦ１’を検出してもよい。
【0073】
＜第２の運用形態＞
本実施形態に係る量子演算器２の第２の運用形態について、図６および図７を参照し説明する。図６は、本実施形態に係る量子演算器２の第２の運用形態における、量子演算器２の各部の動作を説明するための、量子演算器２の概略図である。図７は、本実施形態に係る量子演算器２の第２の運用形態における、量子系２２の状態遷移を表すエネルギーダイヤグラムＤ３を示す図である。
本実施形態に係る量子演算器２の第２の運用形態について、図６および図７を参照し説明する。図６は、本実施形態に係る量子演算器２の第２の運用形態における、量子演算器２の各部の動作を説明するための、量子演算器２の概略図である。図７は、本実施形態に係る量子演算器２の第２の運用形態における、量子系２２の状態遷移を表すエネルギーダイヤグラムＤ３を示す図である。
【0074】
本実施形態に係る量子演算器２の第２の運用形態において、はじめに、各量子演算ユニット４において、レーザ光源１８からポンプ光Ｌ２を任意の量子系２２に照射する。ここで、ポンプ光Ｌ２は、例えば、第１共鳴波長λ１を有する第１レーザ光と、第３共鳴波長λ３を有する第３レーザ光と、第４共鳴波長λ４を有する第４レーザ光とを含む。
【0075】
ここで、第１レーザ光、第３レーザ光、および第４レーザ光のそれぞれの周波数を、第１共鳴周波数ω１、第３共鳴周波数ω３、および第４共鳴周波数ω４とする。また、第２共鳴波長λ２を有する光子の周波数を第２共鳴周波数ω２とする。ここで、第１共鳴波長λ１を有する第１レーザ光により、図７のエネルギーダイヤグラムＤ３に示す通り、状態｜ｇ＞から状態｜ｅ１＞への遷移Ｔ１が生じる。また、第３共鳴波長λ３を有する第３レーザ光により、状態｜ｅ１＞から状態｜ｅ２＞への遷移Ｔ２が生じ、さらに、第４共鳴波長λ４を有する第４レーザ光により、状態｜ｅ３＞から状態｜ｇ＞への遷移Ｔ３が生じる。
【0076】
これにより、量子系２２にポンプ光Ｌ２を照射することにより、量子系２２において非縮退四光波混合過程が生じる。例えば、本実施形態においては、遷移Ｔ１、遷移Ｔ２、および遷移Ｔ３を介し、状態｜ｅ２＞から状態｜ｅ３＞への遷移に共鳴する第２共鳴波長λ２を有する、単一の第２光子ＳＦ２が、量子系２２から生成される。なお、量子系２２は第２光子ＳＦ２を第２共振器２８に生成する。状態｜ｅ２＞から状態｜ｅ３＞への遷移と第２共振器２８とが結合しているため、上記非縮退四光波混合過程による第２光子ＳＦ２の生成は第２共振器２８により促進される。
【0077】
本実施形態においては、第２光子ＳＦ２の生成に、量子系２２における非縮退四光波混合過程が用いられる場合、換言すれば、第１励起準位ｅ１と第３励起準位ｅ３とのエネルギーが異なる場合について説明したが、これに限られない。例えば、第１励起準位ｅ１と第３励起準位ｅ３とのエネルギーは同一であってもよい。
【0078】
ここで、はじめに量子系２２から第２光子ＳＦ２が生成された時点において、量子系２２が初期状態である任意の重ね合わせ状態ρｇ｜ｇ＞＋ρｕ｜ｕ＞であるとする。この場合、本実施形態に係る量子演算器２の第２の運用形態において、量子演算ユニット４は、例えば、上記第２光子ＳＦ２の生成に次いで、前述した２光子誘導ラマン過程等の方法により、量子系２２に対する反転操作を実施する。これにより、量子系２２の状態は、ρｇ｜ｇ＞＋ρｕ｜ｕ＞からρｕ｜ｇ＞＋ρｇ｜ｕ＞に反転する。量子系２２に対する反転操作に次いで、量子演算ユニット４は、再度量子系２２へのポンプ光Ｌ２の照射を制御することにより、量子系２２において、非縮退四光波混合過程を再度生じさせる。
【0079】
非縮退四光波混合過程により量子系２２から生成された第２光子ＳＦ２は、量子系２２とエンタングルメントを有する。このため、上記反転操作の前後に生成された第２光子ＳＦ２は、任意の重ね合わせ状態ρｇ｜ｕ＞｜ｐＥ＞＋ρｕ｜ｇ＞｜ｐＬ＞をとる。ここで、状態｜ｐＥ＞および状態｜ｐＬ＞は、それぞれ、反転操作前および反転操作後において生成された第２光子ＳＦ２の状態である。したがって、第２光子ＳＦ２は、量子系２２とエンタングルメントを有し、状態｜ｐＥ＞および状態｜ｐＬ＞を基底とするタイムビン量子ビットを構成する。
【0080】
図６の参照に戻ると、本実施形態に係る量子演算器２の第２の運用形態において、第２共振器２８への第２光子ＳＦ２の生成に次いで、量子演算器２は、第２光子ＳＦ２をハーフビームスプリッタ１２へ伝搬させる。例えば、量子演算器２は、量子演算ユニット４の共振器ＱＥＤ系１６から、第２共振器２８中の第２光子ＳＦ２を共振器ＱＥＤ系１６の外部に出射させる。ここで、量子演算器２は、光サーキュレータ４４および光スイッチ４８を透過した第２光子ＳＦ２がハーフビームスプリッタ１２まで伝搬するように光スイッチ４８を制御する。
【0081】
これにより、量子演算器２は、量子演算ユニット４からの第２光子ＳＦ２をハーフビームスプリッタ１２に入射させる。ここで、量子演算器２は、２つの量子演算ユニット４それぞれからの第２光子ＳＦ２を同一のハーフビームスプリッタ１２に入射させる。特に量子演算器２は、複数の第２光子ＳＦ２が同一のハーフビームスプリッタ１２に略同時に入射するように、２つの量子演算ユニット４に第２光子ＳＦ２を出射させる。
【0082】
このため、本実施形態において、同一のハーフビームスプリッタ１２に略同時に入射した２つの第２光子ＳＦ２に応じて、当該ハーフビームスプリッタ１２においては、２つの第２光子ＳＦ２のモード（波束）の干渉が発生する。
【0083】
したがって、上記操作により、量子演算器２は、互いに異なる２つの量子演算ユニット４の共振器ＱＥＤ系１６のそれぞれが有する特定の量子系２２にエンタングルメントを付与する。換言すれば、上記操作により、量子演算器２は、特定の量子演算ユニット４が含む量子系２２の状態を、他の量子演算ユニット４が含む量子系２２の状態に移すことができる。ゆえに、量子演算器２は、第１の運用形態と第２の運用形態とを組み合わせることにより、特定の量子演算ユニット４における量子演算の結果を、他の量子演算ユニット４の量子演算に利用することができる。なお、量子演算器２は、上記に限られず、特定の量子演算ユニット４が含む量子系２２の状態を、他の量子演算ユニット４が含む量子系２２の状態に移すことなく、量子演算ユニット４において生成されたエンタングルメントをそのままその後の量子計算に利用してもよい。
【0084】
＜まとめ＞
本実施形態に係る量子演算ユニット４は、共振器ＱＥＤ系１６に入射した第１光子ＳＦ１と共振器ＱＥＤ系１６が含む量子系２２との相互作用により、量子系２２を用いた量子演算を実行する。また、本実施形態に係る量子演算ユニット４は、当該量子系２２へのポンプ光Ｌ２の照射を通じて、量子系２２とエンタングルメントを有する第２光子ＳＦ２を生成する。
本実施形態に係る量子演算ユニット４は、共振器ＱＥＤ系１６に入射した第１光子ＳＦ１と共振器ＱＥＤ系１６が含む量子系２２との相互作用により、量子系２２を用いた量子演算を実行する。また、本実施形態に係る量子演算ユニット４は、当該量子系２２へのポンプ光Ｌ２の照射を通じて、量子系２２とエンタングルメントを有する第２光子ＳＦ２を生成する。
【0085】
ここで、第１光子ＳＦ１は第１共鳴波長λ１を有し、第２光子ＳＦ２は第１共鳴波長λ１とは異なる第２共鳴波長λ２を有する。このため、量子演算ユニット４は、量子系２２を用いた量子演算と、当該量子演算に用いた第１光子ＳＦ１と異なる波長を有する第２光子ＳＦ２への量子系２２とのエンタングルメントの付与機能と、の双方の機能を、量子波長変換器を用いずに達成する。
【0086】
ここで、一般に、量子系を用いた量子演算には、当該量子系に量子情報をある程度長時間保持する必要があるため、比較的コヒーレンス時間が長い基底準位とその直上の励起準位との間の遷移が使用される。例えば、セシウム原子を用いた量子演算は、上述した通り、基底状態である６２Ｓ１／２，Ｆ＝３状態と、その直上の励起状態である６２Ｐ３／２，Ｆ＝３状態との間の状態遷移が用いられる。この場合、一般に、量子系の基底準位とその直上の励起準位との間のエネルギー差に相当する波長は１．０μｍ未満であることが多い。したがって、光子の波長を１．０μｍ未満とすることにより、量子系と光子との相互作用を用いた量子演算を効率的に実行できる。
【0087】
また、一般に、単一モードの光ファイバを伝搬する光子の損失は、伝搬距離が長い程大きくなる。ここで、当該光子の損失は、光子の波長が１．０μｍ未満である場合には大きいものの、光子の波長が、一般に通信波長帯と称される波長帯を含む、１．０μｍ以上１．８μｍ以下である場合には比較的小さくなる。より好ましくは、光子の波長帯が、１．３μｍ以上１．６μｍ以下である場合には、光ファイバを伝搬する当該光子の損失はより小さくなる。換言すれば、光子の波長が１．０μｍ以上１．８μｍ以下、より好ましくは１．３μｍ以上１．６μｍ以下である場合、当該光子の損失を低減しつつ、光子を長距離伝搬させることが可能である。
【0088】
本実施形態において、第１光子ＳＦ１の波長である第１共鳴波長λ１は、第２光子ＳＦ２の波長である第２共鳴波長λ２よりも短い。特に、第１共鳴波長λ１は１．０μｍ未満であり、第２共鳴波長λ２は１．３μｍ以上１．６μｍ以下である。したがって、本実施形態に係る量子演算ユニット４は、第１光子ＳＦ１と量子系２２との相互作用を用いた量子演算を効率的に実行できる。また、量子演算ユニット４は、当該量子系２２とエンタングルメントを有し、かつ、比較的長距離伝搬しても損失の小さい第２光子ＳＦ２を生成できる。
【0089】
各単一光子源６と各量子演算ユニット４との間、および、各量子演算ユニット４と各偏光ビームスプリッタ８との間における光ファイバＦの長さは、第１光子ＳＦ１の損失が十分に小さくなる程度に短くともよい。これにより、量子演算器２は、第１光子ＳＦ１の損失を低減しつつ、各量子演算ユニット４における第１光子ＳＦ１を用いた量子演算を効率的に実行できる。
【0090】
また、各量子演算ユニット４と各ハーフビームスプリッタ１２との間における光ファイバＦの長さは、各量子演算ユニット４と各偏光ビームスプリッタ８との間における光ファイバＦの長さ等と比較して長くともよい。これにより、量子演算器２は、光ファイバＦを長距離伝搬しても損失の比較的小さい第２光子ＳＦ２を用いて、特定の量子演算ユニット４の演算結果を比較的長距離伝搬させることができる。したがって、量子演算器２は、２つの量子演算ユニット４の間の距離をより長くすることができる。
【0091】
ゆえに、量子演算器２は、各量子演算ユニット４における第１光子ＳＦ１を用いた量子演算を効率的に行いつつ、特定の量子演算ユニット４における量子演算の結果を、離れた他の量子演算ユニット４に効率的に伝搬させることができる。
【0092】
＜量子演算器の具体的な運用方法＞
量子演算器２のより具体的な運用方法として、例えば、量子演算器２は、上述の第１の運用形態により、第１の量子演算ユニット４において第１光子ＳＦ１および量子系２２を用いた量子演算を行う。次いで、量子演算器２は、上述の第２の運用形態により、当該量子系２２とエンタングルメントを有する第２光子ＳＦ２を用いて、第１の量子演算ユニット４と異なる第２の量子演算ユニット４の量子系２２に上記量子演算の結果を伝搬させる。
量子演算器２のより具体的な運用方法として、例えば、量子演算器２は、上述の第１の運用形態により、第１の量子演算ユニット４において第１光子ＳＦ１および量子系２２を用いた量子演算を行う。次いで、量子演算器２は、上述の第２の運用形態により、当該量子系２２とエンタングルメントを有する第２光子ＳＦ２を用いて、第１の量子演算ユニット４と異なる第２の量子演算ユニット４の量子系２２に上記量子演算の結果を伝搬させる。
【0093】
ここで、量子演算器２の第２の運用形態による、第２光子ＳＦ２を用いた量子演算の結果の伝搬においては、第２光子ＳＦ２の光ファイバＦ中における損失は低減しているものの、一部の第２光子ＳＦ２が損失する場合がある。
【0094】
この場合、量子演算器２は、上述の第１の運用形態により、量子演算の結果を伝搬させた量子系２２を有する第２の量子演算ユニット４を用いた量子演算を実行できる。これにより、量子演算器２は、第２の量子演算ユニット４を用いて、第２光子ＳＦ２の損失に伴い生じる量子誤りの訂正を行ってもよい。また、量子演算器２は、上述の第２の運用形態により、第２光子ＳＦ２を用いて、訂正した量子情報をさらなる他の量子演算ユニット４の量子系２２に伝搬させてもよい。
【0095】
なお、エンタングルメントの生成が成功するまで、繰り返し第２光子ＳＦ２の生成および伝搬を試行することにより、先に遠方の量子演算ユニット４間のエンタングルメントを生成し、その後量子演算を実行してもよい。これにより、初回の試行において第２光子ＳＦ２が損失した場合においても、複数回の試行を行うことにより、より確実に量子演算ユニット４間のエンタングルメントを生成することができる。
【0096】
これにより、量子演算器２は、ある特定の量子演算ユニット４における量子演算により得られた結果を、その量子情報を復元しつつ、遠方の量子演算ユニット４に効率的に伝搬させることができる。したがって、量子演算器２は、特定の量子演算ユニット４における量子演算により得られた結果を、より低い損失にて長距離伝搬させる量子通信器を達成する。この場合、各量子演算ユニット４は、上記量子通信器の量子中継器として機能する。
【0097】
他の具体的な運用方法として、例えば、量子演算器２は、上述の第１および第２の運用形態により、第１の量子演算ユニット４における量子演算の結果を、第１の量子演算ユニット４と異なる第２の量子演算ユニット４の量子系２２に伝搬させる。次いで、量子演算器２は、上述の第１の運用形態により、量子演算の結果を伝搬させた量子系２２を有する第２の量子演算ユニット４を用いて、当該量子系２２を用いた量子演算を実行する。
【0098】
この場合、量子演算器２は、特定の量子演算ユニット４における量子演算により得られた結果を用いて、さらなる他の量子演算ユニット４における量子演算を行うことができる。したがって、量子演算器２は、互いに離れた複数の量子演算ユニット４のそれぞれにおいて量子演算を行うことにより、全体として量子演算に利用可能な量子系２２の個数を増大させることが可能な、分散型の量子演算器を達成する。この場合、各量子演算ユニット４は、分散型の量子演算器の量子演算ユニットとして機能する。
【0099】
当該運用方法において、第１の運用形態による複数の量子演算ユニット４における量子演算は並行して実行してもよい。また、当該運用方法において、第２の運用形態による複数の量子演算ユニット４間における量子状態の伝搬またはエンタングルメントの共有は、上述した第１の運用形態による量子演算の間に複数回実行されてもよい。
【0100】
＜補記＞
本実施形態において、各共振器ＱＥＤ系１６は、第１共鳴波長λ１を共鳴波長に有する第１共振器２６と、第２共鳴波長λ２を共鳴波長に有する第２共振器２８とを含む。また、各量子演算ユニット４においては、第１共振器２６中の第１光子ＳＦ１が量子系２２と相互作用し、第２共振器２８中に当該量子系２２とエンタングルメントを有する第２光子ＳＦ２が生成される。
本実施形態において、各共振器ＱＥＤ系１６は、第１共鳴波長λ１を共鳴波長に有する第１共振器２６と、第２共鳴波長λ２を共鳴波長に有する第２共振器２８とを含む。また、各量子演算ユニット４においては、第１共振器２６中の第１光子ＳＦ１が量子系２２と相互作用し、第２共振器２８中に当該量子系２２とエンタングルメントを有する第２光子ＳＦ２が生成される。
【0101】
量子演算ユニット４は、量子系２２の、量子演算に用いられる遷移と結合した第１共振器２６中の第１光子ＳＦ１を、量子系２２と相互作用させる。このため、量子演算ユニット４は、量子系２２と第１光子との相互作用がより効率的に生じ、量子系２２を用いた量子演算をより効率的に実行する。
【0102】
また、量子演算ユニット４は、量子系２２における非縮退四光波混合過程を用いて生成された第２光子ＳＦ２の波長である第２共鳴波長λ２に対応する遷移と結合した第２共振器２８中に、当該第２光子ＳＦ２を生成する。このため、量子演算ユニット４においては、量子系２２における非縮退四光波混合過程を用いた第２光子ＳＦ２の生成がより効率的に発生する。
【0103】
第１共振器２６および第２共振器２８は、それぞれ、光ファイバＦまたはナノ光ファイバ２０中に形成された第１ファイバブラッグ格子３０および第２ファイバブラッグ格子３２を含む。このため、第１共振器２６および第２共振器２８は、光ファイバＦまたはナノ光ファイバ２０に対するレーザ光の照射による第１ファイバブラッグ格子３０および第２ファイバブラッグ格子３２の形成等、比較的簡素な手法により形成できる。また、量子演算ユニット４は、リング共振器等を含む場合と比較して、簡素な構造により第１共振器２６および第２共振器２８を構成できる。
【0104】
なお、本実施形態においては、量子系２２を用いた量子計算と、当該量子系２２とエンタングルメントを有する第２光子ＳＦ２の生成とにおいて、共に状態｜ｇ＞から状態｜ｅ１＞への遷移Ｔ１を用いたが、これに限られない。例えば、量子系２２は、さらに、第２励起準位ｅ２とは異なるエネルギーを有する第４励起準位ｅ４を有していてもよく、第４励起準位ｅ４に対応する状態｜ｅ４＞が規定されていてもよい。第４励起準位ｅ４は、例えば、第１励起準位ｅ１の磁気副準位であってもよい。
【0105】
この場合、量子系２２を用いた量子計算には上記遷移Ｔ１が用いられ、第２光子ＳＦ２の生成には、遷移Ｔ１に代えて状態｜ｇ＞から状態｜ｅ４＞への遷移Ｔ４が用いられてもよい。この場合、上述した遷移Ｔ２は、状態｜ｅ４＞から状態｜ｅ２＞への遷移に読み替えられる。換言すれば、量子演算ユニット４は、量子系２２における、状態｜ｇ＞から状態｜ｅ４＞への遷移Ｔ４、状態｜ｅ４＞から状態｜ｅ２＞への遷移Ｔ２、および状態｜ｅ３＞から状態｜ｇ＞への遷移Ｔ３を用いた四光波混合過程により、第２光子ＳＦ２を生成してもよい。
【0106】
上記四光波混合過程において、量子系２２に照射されるレーザ光源１８からのポンプ光Ｌ２には、第１レーザ光に代えて、第１基底準位ｇと第４励起準位ｅ４との間の遷移に共鳴する第２レーザ光が含まれていてもよい。また、ポンプ光Ｌ２に含まれる第３レーザ光は、第４励起準位ｅ４と第２励起準位ｅ２との間の遷移に共鳴するレーザ光であってもよい。
【0107】
〔変形例１〕
＜第２光子の生成方法の他の例１＞
本実施形態に係る第２の運用形態における、量子系２２とエンタングルメントを有する第２光子ＳＦ２の生成方法の他の例について、図８を参照し、変形例１として説明する。図８は、本変形例に係る量子演算器２の第２の運用形態における、量子系２２の状態遷移の他の例を表すエネルギーダイヤグラムＤ４を示す図である。
＜第２光子の生成方法の他の例１＞
本実施形態に係る第２の運用形態における、量子系２２とエンタングルメントを有する第２光子ＳＦ２の生成方法の他の例について、図８を参照し、変形例１として説明する。図８は、本変形例に係る量子演算器２の第２の運用形態における、量子系２２の状態遷移の他の例を表すエネルギーダイヤグラムＤ４を示す図である。
【0108】
本変形例に係る量子演算器２は、本実施形態に係る量子演算器２と同一であり、第２の運用形態における第２光子ＳＦ２の生成の際に、量子系２２に照射するポンプ光Ｌ２、および当該ポンプ光Ｌ２を照射された量子系２２における状態遷移のみが異なる。本変形例に係る第２の運用形態において、例えば、第２光子ＳＦ２の生成の際に量子系２２に照射するポンプ光Ｌ２は、上述した第４レーザ光と、２倍波が第１基底準位ｇと第２励起準位ｅ２との間の遷移に共鳴する第５レーザ光とを含んでいてもよい。
【0109】
例えば、第５レーザ光は周波数ω’を有するレーザ光であり、ここで、周波数ω’は、ω’＝（ω１＋ω３）／２を満たす。このため、第５レーザ光は、第１基底準位ｇと第２励起準位ｅ２とのエネルギー差の略半分のエネルギーを有する。したがって、第５レーザ光の２倍波は、状態｜ｇ＞から状態｜ｅ２＞への遷移に共鳴する。
【0110】
上述した第４レーザ光および第５レーザ光を量子系２２に照射した場合、図８のエネルギーダイヤグラムＤ４に示すように、状態｜ｅ３＞から状態｜ｇ＞への遷移Ｔ３、および、遷移Ｔ４および遷移Ｔ５を介した状態｜ｇ＞から状態｜ｅ２＞への遷移が生じる。ここで、遷移Ｔ４および遷移Ｔ５は第５レーザ光により連続して発生する。具体的には、第５レーザ光により、状態｜ｇ＞から、第１基底準位ｇと第２励起準位ｅ２との略中間のエネルギーまで励起された状態への遷移Ｔ４が生じる。さらに、第５レーザ光により、第１基底準位ｇと第２励起準位ｅ２との略中間のエネルギーまで励起された状態から、状態｜ｅ２＞への遷移Ｔ５が遷移Ｔ４と連続して発生する。これにより、本変形例においては、ポンプ光Ｌ２を照射された量子系２２における、３準位型の四光波混合過程が発生し、上述した第２光子ＳＦ２が生成される。
【0111】
本変形例においても、第２光子ＳＦ２は第２共鳴波長λ２を有し、量子系２２とエンタングルメントを有する。このため、本変形例においても、量子演算ユニット４は、第１光子と量子系２２との相互作用を用いた量子演算と、第２光子ＳＦ２への量子系２２とのエンタングルメントの付与機能と、の双方の機能を、量子波長変換器を用いずに達成する。
【0112】
〔変形例２〕
＜第２光子の生成方法の他の例２＞
本実施形態に係る第２の運用形態における、量子系２２とエンタングルメントを有する第２光子ＳＦ２の生成方法の他の例について、図９を参照し、変形例２として説明する。図９は、本変形例に係る量子演算器２の第２の運用形態における、量子系２２の状態遷移の他の例を表すエネルギーダイヤグラムＤ５を示す図である。
＜第２光子の生成方法の他の例２＞
本実施形態に係る第２の運用形態における、量子系２２とエンタングルメントを有する第２光子ＳＦ２の生成方法の他の例について、図９を参照し、変形例２として説明する。図９は、本変形例に係る量子演算器２の第２の運用形態における、量子系２２の状態遷移の他の例を表すエネルギーダイヤグラムＤ５を示す図である。
【0113】
本変形例に係る量子演算器２は、本実施形態に係る量子演算器２と同一であり、第２の運用形態における第２光子ＳＦ２の生成の際に、量子系２２に照射するポンプ光Ｌ２、および当該ポンプ光Ｌ２を照射された量子系２２における状態遷移のみが異なる。本変形例に係る第２の運用形態において、例えば、第２光子ＳＦ２の生成の際に量子系２２に照射するポンプ光Ｌ２は、上述した第４レーザ光と、第１基底準位ｇと第２励起準位ｅ２との間の遷移に共鳴する第６レーザ光とを含んでいてもよい。
【0114】
例えば、第６レーザ光は周波数ω５を有するレーザ光であり、ここで、周波数ω５は、ω５＝ω１＋ω３を満たす。このため、第６レーザ光は、第１基底準位ｇと第２励起準位ｅ２とのエネルギー差に相当するエネルギーを有する。したがって、第６レーザ光は、状態｜ｇ＞から状態｜ｅ２＞への遷移に共鳴する。
【0115】
上述した第４レーザ光および第６レーザ光を量子系２２に照射した場合、図９のエネルギーダイヤグラムＤ５に示すように、状態｜ｅ３＞から状態｜ｇ＞への遷移Ｔ３、および、遷移Ｔ６を介した状態｜ｇ＞から状態｜ｅ２＞への遷移が生じる。ここで、遷移Ｔ６は第６レーザ光により発生する。具体的には、第６レーザ光により、状態｜ｇ＞から状態｜ｅ２＞への遷移Ｔ６が、他の励起準位を介することなく発生する。
これにより、本変形例においては、ポンプ光Ｌ２を照射された量子系２２における、３準位型のパラメトリック下方変換が発生し、上述した第２光子ＳＦ２が生成される。本変形例においても、第２光子ＳＦ２は第２共鳴波長λ２を有し、量子系２２とエンタングルメントを有する。このため、本変形例においても、量子演算ユニット４は、第１光子と量子系２２との相互作用を用いた量子演算と、第２光子ＳＦ２への量子系２２とのエンタングルメントの付与機能と、の双方の機能を、量子波長変換器を用いずに達成する。
これにより、本変形例においては、ポンプ光Ｌ２を照射された量子系２２における、３準位型のパラメトリック下方変換が発生し、上述した第２光子ＳＦ２が生成される。本変形例においても、第２光子ＳＦ２は第２共鳴波長λ２を有し、量子系２２とエンタングルメントを有する。このため、本変形例においても、量子演算ユニット４は、第１光子と量子系２２との相互作用を用いた量子演算と、第２光子ＳＦ２への量子系２２とのエンタングルメントの付与機能と、の双方の機能を、量子波長変換器を用いずに達成する。
【0116】
本開示は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0117】
２ 量子演算器
４ 量子演算ユニット
６ 単一光子源
８ 偏光ビームスプリッタ
１０ 第１単一光子検出器
１２ ハーフビームスプリッタ
１４ 第２単一光子検出器
１６ 共振器ＱＥＤ系
１８ レーザ光源
２０ ナノ光ファイバ
２２ 量子系
２４ テーパー部
２６ 第１共振器
２８ 第２共振器
３０ 第１ファイバブラッグ格子
３２ 第２ファイバブラッグ格子
ＳＦ１ 第１光子
ＳＦ２ 第２光子
４ 量子演算ユニット
６ 単一光子源
８ 偏光ビームスプリッタ
１０ 第１単一光子検出器
１２ ハーフビームスプリッタ
１４ 第２単一光子検出器
１６ 共振器ＱＥＤ系
１８ レーザ光源
２０ ナノ光ファイバ
２２ 量子系
２４ テーパー部
２６ 第１共振器
２８ 第２共振器
３０ 第１ファイバブラッグ格子
３２ 第２ファイバブラッグ格子
ＳＦ１ 第１光子
ＳＦ２ 第２光子
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】