特許 7419492 量子波の崩壊及び干渉を利用する無磁場、非相反、固体量子デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-12

(45)【発行日】2024-01-22

(54)【発明の名称】量子波の崩壊及び干渉を利用する無磁場、非相反、固体量子デバイス

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/66 20060101AFI20240115BHJP

   G06E 3/00 20060101ALI20240115BHJP

   G02F 3/00 20060101ALN20240115BHJP

【ＦＩ】

H01L29/66 Z

G06E3/00

G02F3/00

【請求項の数】 24

(21)【出願番号】P 2022501349

(86)(22)【出願日】2020-07-03

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-09-28

(86)【国際出願番号】 EP2020068812

(87)【国際公開番号】W WO2021018515

(87)【国際公開日】2021-02-04

【審査請求日】2022-03-09

(31)【優先権主張番号】19188523.5

(32)【優先日】2019-07-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】301033396

【氏名又は名称】マックス－プランク－ゲゼルシャフト ツール フォーデルング デル ヴィッセンシャフテン エー．ヴェー．

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】マンハルト ヨッヒェン

(72)【発明者】

【氏名】ブラーク ダニエル

(72)【発明者】

【氏名】ボシュケル ヨハネス アルノルドゥス

(72)【発明者】

【氏名】ブレドール フィリップ ミハエル

【審査官】恩田 和彦

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１１／００１７２８４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／０６０５８９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０１３６４５４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】J. Mannhart，Non-reciprocal Interferometers for Matter Waves，Journal of Superconductivity and Novel Magnetism，米国，Springer，2018年03月26日，31，1649-1657

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２９／６６

Ｇ０６Ｅ ３／００

Ｇ０２Ｆ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも第１のポートと第２のポートとの間に接続された伝送構造と、
前記伝送構造を、前記第１のポートと前記第２のポートの間に外部電圧が印加されない環境にする筐体と、
を備え、
第１の量子波は、前記第１のポート及び前記第２のポートから放射され、前記第１のポートから前記第２のポートへの順方向及び前記第２のポートから前記第１のポートへの逆方向に前記伝送構造を通過し、
前記第１のポート及び前記第２のポートと共に前記伝送構造のユニットは、前記第１のポート及び前記第２のポートを結ぶ方向に非対称であり、
前記伝送構造又は前記第１のポート及び前記第２のポートは、前記第１の量子波の波動関数が、前記伝送構造又は前記第１のポート及び前記第２のポートにおいて少なくとも部分的な崩壊又はデコヒーレンスを経験するように更に構成されるか、又は、前記第１の量子波の波動関数が、前記第１のポート及び前記第２のポートにおいて少なくとも部分的な崩壊又はデコヒーレンスによって生成されるように更に構成され、
前記第１の量子波の少なくとも部分的な崩壊又はデコヒーレンスによって生成された第２の量子波は、前記第１のポート及び前記第２のポートのいずれかに伝搬するか、又は、更なる第２の量子波を生成する、
量子デバイス。

【請求項2】

前記伝送構造は、前記伝送構造を順方向に移動する第１の量子波に対する、前記伝送構造を通過する横断時間が、前記伝送構造を逆方向に移動する第１の量子波よりも短くなるように設計され、
伝送時間差は、前記量子デバイスに実装された前記伝送構造に沿うデバイスの非対称性によって引き起こされる、
請求項１に記載の量子デバイス。

【請求項3】

前記第１のポート及び前記第２のポートは、異なる材料及び／又は異なる特性を有する材料を備える、又は、異なる材料及び／又は異なる特性を有する材料から構成される、
請求項１又は２に記載の量子デバイス。

【請求項4】

デバイスの非対称性は、前記量子デバイスに組み込まれた欠陥の非対称分布によって提供される、
請求項１から３のいずれか一項に記載の量子デバイス。

【請求項5】

前記第１の量子波及び前記第２の量子波は、電子のド・ブロイ波で与えられる、
請求項１から４のいずれか一項に記載の量子デバイス。

【請求項6】

前記伝送構造は、半導体、金属、２次元材料、１つ以上の２次元材料を含む多層膜、分子性導体、又は、導電性有機材料の電子導体から作製された構造からなる、
請求項１から５のいずれか一項に記載の量子デバイス。

【請求項7】

前記伝送構造は、磁場内又は温度勾配内で動作される、
請求項１から６のいずれか一項に記載の量子デバイス。

【請求項8】

前記少なくとも部分的な崩壊は、非弾性散乱又はデコヒーレンスによって引き起こされる、
請求項１から７のいずれか一項に記載の量子デバイス。

【請求項9】

前記崩壊は、前記量子デバイスに存在する又は組み込まれた構造、欠陥、準粒子又は物体によって生成される、
請求項１から８のいずれか一項に記載の量子デバイス。

【請求項10】

前記第１の量子波の平均位相破壊時間は、順方向又は逆方向に移動する前記第１の量子波の間の横断時間差の１０^－３から１０^３の範囲内である、
請求項１から９のいずれか一項に記載の量子デバイス。

【請求項11】

前記伝送構造の幾何学的非対称性は、前記伝送構造に組み込まれた第２の伝送構造の幾何学的形状によって達成される、
請求項１から１０のいずれか一項に記載の量子デバイス。

【請求項12】

前記第２の伝送構造は単一連結されている、
請求項１１に記載の量子デバイス。

【請求項13】

前記第２の伝送構造は多重連結されている。
請求項１１又は１２に記載の量子デバイス。

【請求項14】

前方又は後方に移動する前記第１の量子波の間の横断時間差は、２つの前記第１のポート及び前記第２のポートの違いによって達成され、２つの前記第１のポート及び前記第２のポートの違いは、２つの前記第１のポート及び前記第２のポートから放射される波束によって達成され、当該波束は、当該波束の包絡関数の形状の違いによって達成される、
請求項１から１３のいずれか一項に記載の量子デバイス。

【請求項15】

前記伝送構造の作用は、部品を移動もしくは回転させることによって、伝送路の伝送特性を変更することによって、又は、機械的、電気的、磁気的もしくは光学的手段により特性を変更することによって、変更される、
請求項１から１４のいずれか一項に記載の量子デバイス。

【請求項16】

請求項１から１５のいずれか一項に記載の量子デバイスについて、複数の前記量子デバイスの１次元、２次元、又は、３次元の配列からなり、アレイ型構造を形成する配列を含む、デバイス。

【請求項17】

前記配列は、結晶格子による固体の格子構造によって与えられる、
請求項１６に記載のデバイス。

【請求項18】

前記配列は、有機分子又は２次元材料からなる、
請求項１６に記載のデバイス。

【請求項19】

請求項１から１５のいずれか一項に記載の量子デバイスについて、１つ以上の前記量子デバイスの使用法であって、
熱力学の第０法則又は第２法則からの逸脱を実現する１つ以上のデバイスであり、
システムを熱平衡状態から移行させ、
１つの物体内又は複数の物体間に温度差又は電圧差を発生させ、
粒子、情報、運動量、角運動量、電荷、磁気モーメント、又は、エネルギーを輸送し、
電流又は電力を発生させる、
使用法。

【請求項20】

前記デバイスは、１ｍＫ～４０００Ｋの範囲の温度で作動する、
請求項１９に記載の使用法。

【請求項21】

前記第１の量子波又は前記第２の量子波のエネルギー分布は、少なくとも部分的に熱エネルギーによって生成される、
請求項１９又は２０に記載の使用法。

【請求項22】

前記デバイスは、エネルギー、波動、又は、物質の貯蔵システムを満たし、前記貯蔵システムとしては、コンデンサ又はバッテリーを含む、
請求項１９から２１のいずれか一項に記載の使用法。

【請求項23】

前記筐体は、前記伝送構造を、磁場が印加されない環境にする、
請求項１に記載の量子デバイス。

【請求項24】

少なくとも第１のポートと第２のポートとの間に接続され、少なくとも前記第１のポート及び前記第２のポートが、欠陥の非対称分布によって提供される異なる特性を有する材料を含む、又は、当該材料からなる、伝送構造を備え、
第１の量子波は、前記第１のポート及び前記第２のポートから放射され、前記第１のポートから前記第２のポートへの順方向及び前記第２のポートから前記第１のポートへの逆方向に前記伝送構造を通過し、
前記第１のポート及び前記第２のポートと共に前記伝送構造のユニットは、前記第１のポート及び前記第２のポートを結ぶ方向に非対称であり、
少なくとも前記第１のポート及び前記第２のポートは、前記第１の量子波の波動関数が、前記伝送構造又は前記第１のポート及び前記第２のポートにおいて少なくとも部分的な崩壊又はデコヒーレンスを経験するように更に構成されるか、又は、前記第１の量子波の波動関数が、前記第１のポート及び前記第２のポートにおいて少なくとも部分的な崩壊又はデコヒーレンスによって生成されるように更に構成され、
前記第１の量子波の少なくとも部分的な崩壊又はデコヒーレンスによって生成された第２の量子波は、前記第１のポート及び前記第２のポートのいずれかに伝搬するか、又は、更なる第２の量子波を生成する、
量子デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、２つ以上の物体を新しい平衡状態に移行させるため、量子波の少なくとも部分的な崩壊又はデコヒーレンス及び量子波の干渉を利用する、第１及び第２のポート間の伝送構造を有する非相反固体量子デバイスに関する。伝送構造又はポートの非対称性により、印加された磁場がなくても、デバイスは機能することができる。本開示は、また、このような量子デバイスを動作させる方法、及び、多数の異なるデバイスにおける１つ以上のこのような量子デバイスの使用法に関する。

【背景技術】

【0002】

以下の説明においては、以下の文献を参照する。
１．非特許文献１
２．非特許文献２
３．非特許文献３
４．非特許文献４
５．特許文献１
６．特許文献２
７．特許文献３
８．非特許文献５
９．非特許文献６
１０．非特許文献７
１１．非特許文献８
１２．非特許文献９
１３．非特許文献１０
１４．非特許文献１１
１５．非特許文献１２
１６．非特許文献１３
１７．非特許文献１４
１８．非特許文献１５
１９．非特許文献１６
２０．非特許文献１７
２１．非特許文献１８
２２．非特許文献１９
２３．非特許文献２０
２４．非特許文献２１

【0003】

文献（Mannhart, Braak, EP Application “Nonreciprocal filters for matter waves”（特許文献２）; No. 18 180 759.5（特許文献３）; Mannhart 2018A（非特許文献１）; Mannhart 2018B（非特許文献２）; Mannhart 2019（非特許文献３））において、磁場を用いて量子波を変化させることにより、熱力学の第２法則を破る非相反固体量子デバイスが開示されている。文献（Braak, 2018（非特許文献４）; Braak EP Patent Application No. 18194460（特許文献１））において、更に、キラル構造に基づく光システムを用いて関連機能を実現するデバイスが開示されている。本発明は、磁場やキラル構造を適用する必要がなく、量子波の崩壊と干渉及び適切なデバイス非対称性のみを利用する、より単純な固体デバイスによって、熱力学の第０法則と第２法則の破れと同等のものを提供し、よって、その応用性を強化する方法を示す。ここに開示されたデバイスは、磁場の必要性がなくなったにもかかわらず、その使用法の多くの特徴や機能の一部において、文献（D. Braak and J. Mannhart, European Patent Application No. 18 180 759.5 “A Nonreciprocal Device Comprising Asymmetric Phase Transport of Waves”（特許文献３））に開示されたデバイスと似ている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】欧州特許出願第１８１９４４６０．４号（D. Braak、J. Mannhart）

【文献】欧州特許出願第１８１５９７６７．５号「Nonreciprocal Filters for Matter Waves」（J. Mannhart）

【文献】欧州特許出願第１８１８０７５９．５号「A Nonreciprocal Device Comprising Asymmetric Phase Transport of Waves」（D. Braak、J. Mannhart）

【非特許文献】

【0005】

【文献】J. Mannhart, J. Supercond. Novel. Magn. 31, 1649 (2018)

【文献】J. Mannhart and D. Braak, J. Supercond. Novel. Magn. 10.1007/s10948-018-4844-(2018)

【文献】J. Mannhart, P. Bredol, and D. Braak, Physica E 109, 198-200 (2019)

【文献】“Inconsistency between Thermodynamics and Probabilistic Quantum Processes” D. Braak and J. Mannhart arXiv: 1811.02983 (2018)

【文献】C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Laloe, Quantum Mechanics, Wiley, 2005

【文献】Y. Imry, “Introduction to Mesoscopic Physics”, Oxford University Press (2002)

【文献】S. Datta, “Electronic Transport in Mesoscopic Systems”, Cambridge University Press (1995).

【文献】J. Johnson, Phys. Rev. 32, 97 (1928).

【文献】H. Nyquist, Phys. Rev. 32, 110 (1928).

【文献】J.M.R. Parrondo and B.J. de Cisneros, Appl. Phys. A 75, 179-191 (2002)

【文献】P. Hanggi, Rev. Mod. Phys. 81, 387-442 (2009)

【文献】C.A. Marlow et al., Phys. Rev. Lett. 96, 116801 (2006)

【文献】D.M. Zumbuhl et al., Phys. Rev. Lett. 96, 206802 (2006)

【文献】R. Leturcq et al., Phys. Rev. Lett. 96, 126801 (2006)

【文献】V. Krstic et al., J. Chem. Phys. 117, 11315-11319 (2002)

【文献】Th. M. Nieuwenhuizen, A.E. Allahverdyan, Phys. Rev. E, 036102 (2002).

【文献】S. Vinjanampathy and J. Anders, Contemporary Physics 57, 545 (2016).

【文献】Z. Merali, Nature 551, 20 (2017)

【文献】D.K. Ferry, S.M. Goodnick, and J. Bird, “Transport in Nanostructures”, Cambridge University Press (2009)

【文献】L.E. Reichl, “A Modern Course in Statistical Physics”, E. Arnold, 1980

【文献】V. Capek and D.P. Sheehan, “Challenges to the Second Law of Thermodynamics”, Springer 2005

【発明の概要】

【0006】

本開示の第１の態様によれば、量子デバイスは、少なくとも第１のポートと第２のポートとの間に接続された伝送構造を備え、第１の量子波は、第１及び第２のポートから放射され、第１のポートから第２のポートへの順方向及び第２のポートから第１のポートへの逆方向に伝送構造を通過し、第１及び第２のポートと共に伝送構造のユニットは、ポートを結ぶ方向に非対称であり、伝送構造又は第１及び第２のポートは、第１の量子波の波動関数が、伝送構造又は第１及び第２のポートにおいて少なくとも部分的な崩壊又はデコヒーレンスを経験するように更に構成されるか、又は、第１の量子波の波動関数が、第１及び第２のポートにおいて少なくとも部分的な崩壊又はデコヒーレンスによって生成されるように更に構成され、第１の量子波の少なくとも部分的な崩壊又はデコヒーレンスによって生成された第２の量子波は、第１及び第２のポートのいずれかに伝搬するか、又は、更なる第２の量子波を生成する。

【0007】

第１の実施の形態によれば、ポートＡからポートＢへ移動する波が、ポートＢからポートＡへ移動する量子波よりもデバイス内で短い時間となるように、第１の量子波の伝送時間の非対称性を引き起こすことができる。この伝送時間差は、磁場やキラル構造を必要とせずに引き起こされる。これにより、ポートＢからポートＡに移動する量子波の崩壊数は、逆方向に移動する量子波の崩壊数よりも多くなる。

【0008】

この崩壊数が多いほど、デバイス内においてランダムな移動方向で生成される第２の量子波の数が多くなる。従って、ポートＡ及びＢが同数の量子波を放射しても、ポートＡからポートＢへの量子波の正味の輸送が実現する。

【0009】

第２の実施の形態によれば、第１及び第２ポートは異なる材料で製造され、これは、伝送構造を介して異なる遷移時間に直面する異なる波束の放射をもたらす。

【0010】

本開示の第２の態様によれば、第１の態様による１つ以上の量子デバイスは、量子波が電子のド・ブロイ波又は光子の電磁波によって与えられる１つ以上のデバイスに使用される。
あるデバイスにおいては、第１の波は、熱源から得られたエネルギーを有する量子、又は、Ｔを環境温度とすると、０＜Ｅ＜１００ｋＴとなるようなｋＴオーダーの励起エネルギーＥを有する量子からなる。
あるデバイスにおいては、量子力学的な状態の重ね合わせと波動関数の少なくとも部分的な崩壊とを利用して、熱力学の第０法則又は第２法則の１つ以上からの逸脱を実現する。
あるデバイスにおいては、波動関数の少なくとも部分的な量子物理的崩壊又は量子力学的な状態の重ね合わせと波動関数の少なくとも部分的な崩壊とを利用して、構成要素の温度が等しいことを特徴とする熱平衡状態の範囲外へシステムを移行する。
あるデバイスにおいては、波動関数の少なくとも部分的な量子物理的崩壊又は量子力学的な状態の重ね合わせと波動関数の少なくとも部分的な崩壊とを利用して、１つの物体内又は複数の物体間に温度差又はエネルギー密度差を発生させる。
あるデバイスにおいては、加熱、冷却、物質輸送、エネルギー輸送、又は、発電を行う。

【0011】

本開示の第３の態様によれば、第１の態様の量子デバイスを動作させる方法は、第１の波の１つ以上のソースを提供することを含み、第１の波の少なくとも１つのソースは、環境と熱的に接触して保持される。環境は、室温である部屋のような自然環境でもよいし、又は、自由な自然の中の場所でもよい。また、デバイスを収納した空洞等の人工的な環境、又は、例えば、水浴もしくは加熱炉を備える温度浴等の人工的な環境でもよい。

【0012】

一実施の形態によれば、外部電圧がなく、後述する量子デバイスは、第１ポートＡと第２ポートＢとの間に外部電圧を印加する必要がない。

【0013】

一実施の形態によれば、量子デバイスは、量子力学的な状態の重ね合わせと波動関数の少なくとも部分的な崩壊又はデコヒーレンスを利用して、線形応答領域で動作するように構成される。信号理論や輸送理論では、線形応答領域は非線形応答領域と区別される。ここでは、輸送理論の例を用いて、その違いを明らかにする。本発明者等は、入力信号として電流Ｉでバイアスされた電線等のシステムを取り上げる。そのとき、電線は電圧Ｖ（出力信号）を発生させる。小さい電流バイアスの場合、オーミック輸送の領域では、ＶはＩに比例して直線的に変化する。Ｖ＝Ｒ_０Ｉ；比例定数としての抵抗値Ｒ_０。これが線形領域での輸送である。大きい電流バイアスの場合、電流による電線の加熱が関係してくる。また、電流によって誘導される磁場が電線の抵抗に影響を与え、そのため、それはＲ_０とは異なる値になる。この場合、Ｖは、Ｉの関数として、例えば、Ｖ＝Ｒ_０Ｉ＋ａＩ^２＋．．．のように、非線形的に変化する（＝非線形領域）。

【0014】

当業者であれば、以下の詳細な説明を読み、添付の図面を考慮した上で、更なる特徴や利点を認識する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

添付の図面は、実施例の理解を深めるために含まれており、本明細書に組み込まれ、その一部を構成している。図面は、実施例を示すものであり、実施例の原理を説明するための説明と共に役立つ。他の実施例及び実施例で意図された利点の多くは、以下の詳細な説明を参照することによって、よりよく理解されるようになると、容易に理解される。

【図1】図１は、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ及び図１Ｄからなり、異なる幾何学的形状の２つのＹ字型接合部において、接合部に左から及び右から波が到達した場合の量子波の透過と反射とを示している。

【図2】図２は、２つのポートＡ及びＢを結ぶ長手方向の対称性を有する伝送構造を示している。その伝送構造は、図１に導入された２つの異なるＹ字型接合部で構成されている。これらのＹ字型接合部は直列に接続されている。

【図3】図３は、図３Ａ及び図３Ｂからなる。図３Ａは、図３Ｂに示す構造体を左から右へ及び逆方向に移動する電子とみなす波束の遷移時間差を示している。遷移時間は、シュレーディンガー方程式を厳密対角化法で解くことで算出する。

【図4】図４は、横方向の非対称性を用いて、２つのポートＡ及びＢを結ぶ伝送構造を示している。このデバイスは、面外でデバイスに印加される磁界Ｈも利用している。

【図5】図５は、長手方向の非対称性を有する単一連結体を用いて、２つのポートＡ及びＢを結ぶ伝送構造を示している。

【図6】図６は、完全な対称性と単一連結領域とを用いて、２つのポートＡ及びＢを結ぶ伝送構造を示している。このデバイスの機能は、ポートＡが放射する電子波束が、それらの包絡線の形によって、ポートＢから放射される波束とは異なるように、２つの接点Ａ及びＢがそれらの電子的挙動において異なることに基づいている。

【図7】図７は、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ及び図７Ｄからなる。この図は、左から（図７Ａ）と右から（図７Ｃ）到着した電子波束が、どのように、時間ｔ１で欠陥にトラップされるかを示している。後の時刻ｔ２で電子は解放され（図７Ｂ、図７Ｄ）、入射波としての元の移動方向とは無関係に、電子は左又は右に確率的に移動する。

【図8】図８は、長手方向の非対称性を有する単一連結領域を用いて、２つのポートＡ及びＢを結ぶ伝送構造を示している。描かれた伝送構造は、製造時にデバイス構造に組み込まれた５つの非弾性散乱中心を有している。

【図9】図９は、図９Ａ及び図９Ｂからなる。図９Ｂは、図９Ａに示した構造体を左から右へ及び逆方向に移動する電子とみなす波束の並び替え機能を示している。並べ替えは、シュレーディンガー方程式を厳密対角化法で解き、量子崩壊を引き起こす非弾性散乱の事象をモンテカルロ法により導入して計算されている。図９Ｂは、その構造において、左から右に移動する電子の伝送が逆方向に移動する電子の伝送よりも高いことを示している。

【図10】図１０は、抵抗Ｒでループ状に電気的に接続された長手方向の非対称性を有する伝送構造を示している。配置全部は筐体によって環境から隔離されている。デバイスが熱平衡状態で開始されると、各デバイスの構成要素は、同じ温度Ｔで特徴付けられる。

【図11】図１１は、抵抗Ｒと負荷抵抗Ｒ_Ｌがループ状に電気的に接続された長手方向の非対称性を有する伝送構造を示している。２つの電線を除いて、配置全部は筐体によって環境から隔離されている。デバイスが熱平衡状態で開始されると、各デバイスの構成要素は、同じ温度Ｔで特徴付けられる。負荷抵抗Ｒ_Ｌは、荷物を上げるモーターのインダクタンスで与えられてもよい。

【図12】図１２は、図１２Ａ及び図１２Ｂからなる。図１２Ａは、伝送構造の１次元アレイを示している。伝送構造の内部は完全に対称であるが、これらはデバイス機能の鍵となる長手方向の非対称性を有する接点に接続されている。図１２Ｂは、図１２Ａに示したアレイを２次元的に拡張したものを示している。

【図13】図１３は、量子波として光子を用いる伝送構造を示しており、それは、第１ポート及び第２ポートと、２つのポートを結ぶ光投影システムと、光投影システムの左右において異なる開口幅を有する２つの開口部とを有している。

【発明を実施するための形態】

【0016】

「波」という用語は、量子物体に関連するあらゆる波を表すために用いられ、例えば、光子の波、又は、粒子もしくは準粒子のド・ブロイ波等である。考慮される波は、量子力学的に記載され、例えば、［Cohen（非特許文献５）］に詳述されているような条件下で量子力学的な崩壊を起こす基本的な相互作用プロセスで生成／変更される。それに加えて、「波」という用語は、波束、例えば、ガウス包絡関数を有する波束等も含んでいる。

【0017】

「崩壊」という用語は、量子力学的な状態の少なくとも部分的な位相破壊デコヒーレンスを引き起こすあらゆるプロセスを表すために用いられる。

【0018】

以下において、量子デバイスを説明及び請求するとき、「量子デバイス」という用語は、広くかつ広範な方法で理解されることに留意すべきである。ここで明らかにされるデバイスの機能に関して、このようなデバイスは、基本的に、物質又は電磁波、例えば、光子、粒子波、準粒子波のためのデバイスとして機能する。その構造に関して、例えば、光伝送路、電磁導波路、又は、電線等が、集積回路技術を含む異なる技術的方法によって製造される人工的又は人為的な構造と理解することができる。しかしながら、それは、例えば、分子、分子化合物、側基を有するベンゼン環のような分子環等の化学成分からなる、又は、含むものと理解することもできる。更に、それは、例えば、デバイス機能を発揮する結晶構造を有する固体化合物、又は、このような結晶構造中に、もしくは、このような結晶構造から製造された固体化合物を指すこともある。

【0019】

更に、「伝送路」という用語は、物体として理解することができるが、必ずしもそう理解する必要はない。いくつかのデバイスでは、物体、例えば、１つの電線又は導波路は、１つの伝送路を有していてもよい。いくつかの他のデバイスでは、このような物体は、２つの伝送路、即ち、物体を通って伝搬する粒子の２つの対向する方向を有していてもよい。いくつかの他のデバイスでは、この用語は、特定の材料から製造された有形体又は物体として理解されるべきではない。それは、むしろ、空間における粒子又は波の仮想的な経路として理解されるべきであり、例えば、ガス状の大気中に配置されていてもよい。

【0020】

また、ここでは、「ランダム」という用語は、完全にランダムな性質のプロセスを説明するためだけに使用されない。この用語は、例えば、位相を有する波同士の干渉事象を著しく圧迫するように不規則な位相の分布を表すためにも用いられる。

【0021】

「位相コヒーレント」という用語は、デバイス内で起こる非弾性の位相破壊散乱がないことを、必ずしも意味するものではない。実際、［Imry（非特許文献６）］に示されるように、いくつかの非弾性散乱、例えば、フォノンによるものは、散乱によって影響されない波の部分の位相コヒーレンスと両立でき、デバイスの動作に有益であるか、又は、場合によっては必要とさえされる。従って、「位相コヒーレント」という用語は、デバイス内の粒子の伝送の非弾性の位相破壊散乱がないことを含むか、又は、位相破壊散乱の事象によって影響を受けない位相を有する波の一部が残るという条件で、このような事象の存在も含むものとして理解されるべきである。

【0022】

更に、１つ以上の量子デバイス又は１つ以上の量子デバイスの使用法に関連して言及されたどのような機能、注釈又はコメントも、量子デバイスを機能させるための、又は、量子デバイスを任意の種類のより大きなデバイスもしくはシステムに実装し、このようなより大きなデバイスもしくはシステムが所望の機能を満たすように量子デバイスを駆動するための、それぞれの方法の特徴又は方法のステップも開示していると理解されるべきである。

【0023】

図１Ａ及び図１Ｂは、ポートＡから発信し、異なる幾何学的形状の２つのＹ字型接合部（１０．１及び１０．６）上の伝送構造において衝突する２つの波束１０．２を示している。これらのＹ字型接合部は、ポートＢ及びＣにつながる。外部電圧は、ポートＡとポートＢ及びＣとの間には印加されていない。Ｙ字型接合部１０．１及び１０．６とポートＡ、Ｂ及びＣとの間の線は、電子を輸送するための電線を表してもよい。波束が電子のド・ブロイ波で構成されている場合、波束の時間発展は量子力学のシュレーディンガー方程式で記述される。従って、波束は３つの部分に分かれる。波束の１つの部分（１０．３）はポートＡに反射して戻る。波束の残りは２つの部分（１０．４、１０．５）に分かれる。これらの透過波束は、ポートＢ及びＣにそれぞれ移動する。最初に衝突する波束の振幅に対する反射波束及び透過波束の振幅の相対比は、それぞれの反射係数（Ｒ）及び透過係数（Ｔ）によって記述され、Ｒ^２＋Ｔ^２＝１［Imry（非特許文献６）］となる。

【0024】

シュレーディンガー方程式が必要とするように、反射係数と透過係数は、波束の形状と接合構造の両方に依存する。具体的には、多くの波束において、図１Ｂ（１０．６）の接合構造の反射係数は、図１Ａ（１０．１）の接合構造の反射係数より大きい。

【0025】

同様に、図１Ｃ及び図１Ｄに示すように、波束がＹ字型接合部の他方側から到達した場合、反射係数及び透過係数は波束の形状及び接合構造の関数となる。

【0026】

図２は、２つの異なる接合部を直列に接続してループを形成する伝送構造を示している。このような２端子デバイスの場合、量子状態のユニタリ発展の法則は、完全なデバイスを通る量子波の反射及び透過を特徴付ける反射係数及び透過係数が、波束の移動方向に関して対称であることを必要とする［Datta（非特許文献７）］。しかしながら、Ｙ字型接合部の異なる係数のため、波束の時間発展は、それらがポートＡから発信されるか、又は、ポートＢから発信されるかに依存して異なる。１つの違いを例として挙げると、ポートＡから移動する波が左のＹ字型接合部（２０．１）によって反射されるよりも、Ｂからデバイスに移動する波は高い確率で右のＹ字型接合部（２０．２）によって反射される。このように異なる波束の有効経路により、波の平均移動時間が２つの移動方向（即ち、ポートＡからポートＢ又はその逆）で異なることになる。特に、量子波がループ内で過ごす平均時間は、移動方向の関数となる。図２は、また、「長手方向」及び「横方向」という用語を示している。

【0027】

図３Ａは、図３Ｂに示す伝送構造を通る電子波束の通過に対する厳密対角化法によるシュレーディンガー方程式の厳密な数値解の結果を示すことによって、この驚くべき挙動を例示している。

【0028】

より具体的には、図３Ａは、シュレーディンガー方程式の解の結果として、図３Ｂに示されるデバイスを通過する、又は、デバイスによって反射される電子波束の透過確率及び反射確率を与える。Ｌ→Ｌは、左から来て左に反射される電子を指し、Ｒ→Ｒは、右から来て右に反射される電子を指し、Ｌ→Ｒは、左から来て右に透過される電子を指し、Ｒ→Ｌは、右から来て左に透過される電子を指す。計算は、構造を横切る電子の透過及び反射を示し、デバイスが熱平衡であるように組み立てられる時間ｔ＝０ｐｓから開始する。ｔ＝０では、デバイスの各部分は同じ温度になっている。説明されたデバイスの機能により、約８０ｐｓを過ぎた時点で、電子の波動関数が透過又は反射されたポートにほぼ完全に到達するように、デバイスは、図示される時間依存性で電子の波動関数の透過及び反射を開始する。図示される構造は、同一の透過確率を有する（Ｌ→Ｒ＝Ｒ→Ｌ）。しかしながら、反射確率の時間依存性は異なる。これらの計算は、散乱がない場合を示している。時間単位はｐｓｅｃである。この特定の例の時間目盛りは、１０ｎｍの格子点間隔と、自由電子質量、６０ｎｍの中波長及び５０ｎｍの波束幅を有する電子の運動と共に、図３Ｂに示されるような構造に関連する。

【0029】

図３Ｂは、図３Ａを計算するために使用される長手方向の非対称性を有する例示的な構造を示し、これのため、シュレーディンガー方程式は、黒点として描かれた格子点を参照して、強束縛モデルを用いた厳密対角化法によって解かれている。場合によっては、これらの格子点は、例えば、原子として視覚化されてもよい。白丸は、潜在的な非弾性散乱中心の位置である格子点を示す。

【0030】

文献（Mannhart, EP Patent Application “Nonreciprocal filters for matter waves”（特許文献２）; Braak, 18 180 759.5（特許文献３）; Mannhart 2018A（非特許文献１）; Mannhart 2018B（非特許文献２）; Mannhart 2019（非特許文献３））に開示されている量子リングは、その時間遅延の挙動が同じであることが特徴である。文献（Mannhart, EP Patent Application “Nonreciprocal filters for matter waves”（特許文献２）; Braak, 18 180 759.5（特許文献３）; Mannhart 2018A（非特許文献１）; Mannhart 2018B（非特許文献２）; Mannhart 2019（非特許文献３））で明らかにされたリングでは、図４に例示されているように、リングの横方向の対称性（即ち、軌道経路に垂直な対称性、図２参照）を壊すことによって、この挙動が誘発される。横方向の対称性の破れは、ループを貫通する適切な強さの磁場Ｈが存在する場合にのみ、遷移時間の違いをもたらしており、これは、横方向の非対称性を長手方向の対称性の破れに結びつけるために、磁場が必要だからである。従って、文献（Mannhart, EP Patent Application “Nonreciprocal filters for matter waves”（特許文献２）; Braak, 18 180 759.5（特許文献３）; Mannhart 2018A（非特許文献１）; Mannhart 2018B（非特許文献２）; Mannhart 2019（非特許文献３））に開示されているデバイスは、磁場の適用を必要とする。長手方向の非対称性を持つデバイス（図２）は、磁場の印加を必要としない。パラメータ制御、複雑さ、サイズ、重量、コストに関して、磁場を必要としないことは、デバイスの多くの用途にとって明らかに決定的な利点となる。

【0031】

本質的に、デバイスの長手方向の幾何学的な非対称性に、崩壊事象に固有の時間反転の非対称性を併せた組み合わせは、デバイス全体を通る量子波の輸送のための時間反転の対称性の破れを誘発するのに十分である。

【0032】

長手方向の対称性から生じる時間差効果は、複数接続された経路に限定されないことに留意することが重要であり、図２が例を提供している。同じ非対称性は、図５に例示されるような、単一連結された伝送路においても実現される。これは、デバイスの中央部分の左側及び右側にそれぞれ接触する接点５０．１及び５０．２が異なる形状を有するので、明らかである。図２の例とは異なり、図５の例の伝送構造は、電線だけでなく、電線によってポートＡ及びＢと接続された１つの拡張領域も含む。拡張領域は、ポートＡによって放射された電子に対する接点５０．１よりも、ポートＢによって放射された電子に対する接点５０．２が高い反射確率を有するように、長手方向の非対称性を備える。その結果、図５のデバイスは、図２のデバイスと同じように機能することができる。

【0033】

明らかにされた時間差効果は、図６に示されるように、長手方向の非対称性が接点又はポートのみによって誘導される伝送構造においても誘導されることを理解することが更に重要である。２つのポートＡ及びＢが異なる形状の波束６０．１及び６０．２を放射する場合、同じ平均運動量及びエネルギーであっても、反対方向に移動する波束について、伝送時間は異なる。このような配置は、ポートＡ及びＢが、例えば、電子又はフォノン系の状態のスペクトル密度のような電子系の異なる特性を伴う、又は、異なる欠陥集団を伴う、２つの異なる電気伝導性の接点として、異なる材料から作製される場合に提供することができる。２つの接点は、例えば、Ｃｕ及びＡｌ、Ｃｕ及びＣｕ合金のような２つの異なる金属材料、又は、金属及び高ドープ半導体で作ることができる。伝送構造の中心に描かれた内側の菱形部分は、任意の種類及び形状であってもよく、特に、長手方向に対称に形成することができる。

【0034】

本発明の別の重要な態様を理解することが重要であり、伝送時間の対称性が破れたデバイスの機能は、デバイス内で量子波の少なくとも部分的な位相デコヒーレンス又は少なくとも部分的な量子力学的崩壊プロセスを引き起こす特徴を伝送路に追加することによって達成される。この崩壊は、波の位相の情報の損失を引き起こしており、これは、吸収された波のマクロな浴への散逸的結合がデコヒーレンスを誘導するからである（「量子力学的測定プロセス」と呼ばれるプロセス［Cohen（非特許文献５）］）。

【0035】

電子波の非弾性散乱を引き起こし、それによって、波動関数の崩壊を引き起こす、所謂、トラッピングサイトの原理的な作用を、デバイス関数に統合された崩壊事象の特徴的な挙動を説明する例として、図７Ａ～Ｄを示す。

【0036】

図７Ａは、左から来て、時間ｔ１で捕捉中心７０．２に衝突する電子波７０．１を示しており、捕捉中心７０．２は、非弾性散乱体として作用し、入射電子波７０．１のエネルギーレベルよりも低いエネルギーレベル７０．３で電子を捕捉する。入射電子の運動量は、例えば、基板の結晶格子により提供されるマクロな温度浴７０．４に、散乱サイトにより移動される。この移動は、電子波の位相記憶の有効的損失も引き起こす。

【0037】

図７Ｂに示すように、後の時刻ｔ２で、電子波は、例えば、温度浴７０．４から生じる熱励起によって、この捕捉サイトから解放される。入射電子の方向及び位相の記憶の損失のため、左右に同じ確率を有する確率過程で電子は放射される。

【0038】

対称性の理由から、元は右から到達する電子（図７Ｃ）も、同じように振る舞う（図７Ｄ）。

【0039】

この非弾性散乱は、例えば、電子－フォノン散乱によって、又は、欠陥のような、伝送路を形成する結晶格子の不規則性における電子の散乱によって、一般には誘発される。従って、電子の非弾性散乱の平均散乱時間又は平均位相損失時間によって特徴付けられる非弾性散乱事象の頻度は、温度浴７０．４の温度を変化させることによるフォノン密度を調整することによって、又は、例えば、欠陥の少ない結晶に意図的に欠陥を加えることにより伝送構造の格子に存在する欠陥密度を変化させることによって、制御することができる。このようにして、図８に示すような伝送構造を得ることができる。非対称な伝送時間を有する伝送構造８０．１では、電子波の崩壊や緩和を引き起こす５つの非弾性散乱中心８０．２が例示されている。

【0040】

図６に示されたデバイスも同様に動作する。伝送構造の内部が非弾性散乱を引き起こさない場合、デバイスは、左又は右から到達する電子に対して非相反の伝送時間を引き起こすのみである。しかしながら、伝送構造の内部が非弾性散乱中心又は捕捉中心を含む場合、デバイスは、電子に対する選別機能を発揮する。

【0041】

この時点で、本発明の要点を容易に理解し、認識することができる。デバイスの機能を説明するために、平均非弾性散乱時間が左から及び右から移動する電子の伝送時間差のオーダーになるように、非弾性散乱中心の密度が選択された場合を考慮することから始める。

【0042】

ポートＡから到着した電子は、速やかに伝送構造を通過し、そのため、崩壊事象を起こす確率が小さい。従って、ポートＡを離れる電子波は、ポートＢに伝送される確率がかなり高い。

【0043】

しかしながら、伝送構造の幾何学的形状によって決定されるように、ポートＢから到着する電子は、伝送構造内で長い時間を過ごさなければならない。従って、この電子波は、崩壊の可能性が高く、そして、図７を用いて上述したように、崩壊によって方向転換されてポートＢに戻る可能性もかなり高いことを特徴とする。

【0044】

従って、伝送構造を通る透過確率は非対称であり、ポートＡからＢへ移動する電子波は、ポートＢからＡへ移動する電子波よりも、デバイスを通る透過確率が高い。

【0045】

この理解は厳密な計算によって確認され、そこでは、シュレーディンガー方程式によって記述される量子力学的状態のユニタリ発展に、モンテカルロタイプの方法によって決定された非弾性散乱の個々の事象を加えることによって、電子軌道が決定される。図９Ｂは、図９Ａに示されるような伝送構造内を移動する電子について、このような計算の結果を示している。

【0046】

図９Ａは、長手方向の非対称性を有する図３Ｂの例示的な構造を再び示しており、そのため、黒点として描かれた格子点を参照し、強束縛モデルを用いた厳密対角化法によって、シュレーディンガー方程式が解かれている。これらの格子点は、例えば、原子として視覚化することができる。白丸は、潜在的な非弾性散乱中心の位置である格子点を示す。

【0047】

図９Ｂは、非弾性散乱を考慮した場合の図９Ａのデバイスの選別特性を示しており、平均散乱時間は両方向に対する反射時間差のオーダーである。図９Ｂは、２３０４個の電子の集合に対してモンテカルロ計算を行うことによって得られた。その図は、左又は右ポートを介してデバイスを離れる電子の分数電荷（即ち、確率Ｐ）を示す。具体的な例：Ｐ＝０を有する電子は、左及び右に等しい確率でデバイスを離れ、Ｐ＝－１の場合、電子は、デバイスを左に離れる。Ｐ＝０．５の場合、電子は、７５％の確率でデバイスを右に離れる。その図が示すように、全ての電子の算術平均はＰａｖ～－０．０５４６である。従って、右よりも左に著しく多くの電子がデバイスを離れる。即ち、デバイスは電子に対して選別機能を発揮する。

【0048】

デバイスの機能を説明するため、図８に示されたデバイスの例を用いることにより、抵抗Ｒ（１００．１）を有する閉ループでデバイスが接続される回路において、デバイスの挙動を分析する（図１０参照）。装置全体は、閉鎖環境（１００．２）内に配置され、均一な温度Ｔで開始される。

【0049】

抵抗Ｒ（１００．１）は温度Ｔで動作するので、それは、抵抗を流れる熱雑音電流の変動を引き起こし、ジョンソン－ナイキスト方程式［Johnson, 1928（非特許文献８）; Nyquist, 1928（非特許文献９）］によって、Ｉ_{ｎｏｉｓｅ}＝√（４ｋ_ＢＴΔｆ／Ｒ）として定量化される。ここで、周波数帯域Δｆは、電流が誘導される実効帯域幅を表し、ｋ_Ｂはボルツマン定数である。この変動電流は、ポートＡ及びＢを通過する電子波束からなる。デバイス（１００．３）本体は、より高い透過性を有し、これにより、ＡからＢへ移動する波束に対する抵抗が反対方向よりも小さいので、時間平均の循環電子電流Ｉ_ｃｉｒｃ（１００．４）は、図１０に示すように、ループ内に誘導される。Ｉ_ｃｉｒｃ（１００．４）はＲ（１００．１）を通過するので、ポートＡとＢとの間に生じる電圧Ｖ＝Ｉ_ｃｉｒｃ×Ｒを伴い、ポートＢはポートＡよりも負となる。

【0050】

電圧Ｖ及び循環電流Ｉ_ｃｉｒｃは、ランプやモーター（図１１）等の負荷抵抗Ｒ_Ｌによって特徴付けられるデバイス１１０．１に、電力を供給するために使用されてもよい。そのようにされる場合、これらのデバイスに電力を供給するためのエネルギーは、Ｔが時間と共に減少するように、Ｔに関連付けられた熱エネルギーによって提供される。

【0051】

技術水準との比較

【0052】

Ａ）提示されたデバイスは、所謂、量子ラチェット［Parrondo（非特許文献１０）, Hanggi（非特許文献１１）］を連想させる。量子ラチェットは、デバイス構造の長手方向の非対称性のために、粒子や波動の一方向への輸送を実現する。ここに開示されたデバイスとは異なり、ラチェットが機能するためには、それらは、デバイス自体と平衡ではない電源によって励起されるか、又は、「揺さぶられる」必要がある［Parrondo（非特許文献１０）, Hanggi（非特許文献１１）］。２つのデバイスカテゴリー間の差異の理由は、ラチェットが量子崩壊事象を適切に利用できていないという事実に基づく。

【0053】

Ｂ）非対称量子ビリヤード（例えば、［Marlow（非特許文献１２）］参照）、量子ドット（例えば、［Zumbuhl（非特許文献１３）, Marlow（非特許文献１２）］参照）、キラル構造（例えば、［Krstic（非特許文献１５）］参照）、非対称アハロノフ・ボームリング（例えば、［Leturcq（非特許文献１４）］参照）も整流動作を起こすことが報告されている。これらの全ての場合において、それらの機能は、デバイスの非線形作用として実現され、これは、一般社会では、「非線形応答」という用語でも知られている。例えば、キラル構造では、抵抗を変化させる電子散乱の変化を生じるキラリティーによって、デバイスに送られた電流が磁場を発生させ、それによって、電流に作用する。従って、デバイス電圧の非対称性は、電流の２乗に比例する。この非線形応答は、これらのデバイス全てを、本開示で提案されるものと区別する。本開示は、量子崩壊事象とデバイスの非対称性との独特な利用であり、それは、デバイスの機能を実現するため、現在のデバイスに非線形効果を不要とし、そのため、現在のデバイスが個々の量子波を選別することを可能とする（図１１参照）。実際、本発明者らが開示したデバイスが行うような崩壊過程及び非対称性を利用しないデバイスでは、線形応答において非相反輸送が不可能であることが［Buttiker, 1988］によって示されている。

【0054】

Ｃ）［Nieuwenhuizen（非特許文献１６）］では、量子物理学と熱力学の第２法則との間の不一致を示すと主張されている仮説のシステムが議論されている。しかしながら、本発明者等により指摘されるように、その不一致は、極低温にのみ存在する量子力学的なもつれ状態に限定されており、それは、これらの状態がデコヒーレンス過程によって破壊されるからである。更に、そのもつれは、多粒子型でなければならない。これらの要件により、提案されたシステムは実用的な実装例としては現実的でない。これに対して、本発明は、もつれではなく、単一粒子のコヒーレンス、崩壊過程及び干渉に依存している。

【0055】

Ｄ）量子熱力学の分野では、例えば、［Vinjanampathy（非特許文献１７）］を参照すると、閉ざされた系で一方向性の粒子輸送とエントロピーの減少とを可能にする、所謂、マクスウェルの悪魔が実現されていることを指摘する。しかしながら、これらのデバイスは、悪魔に格納されている情報量を増やすことにより、前述の効果を実現している。そのため、それらの「悪魔」と一緒に考える場合、これらのデバイスは、熱力学の第２法則に適合する［Merali（非特許文献１８）］。これが、情報の処理又は保存を行わず、それによって、熱力学の第２法則に違反する、本開示で提示されるデバイスとの重要な差異である。

【0056】

Ｅ）最後に、本開示で提示されるデバイスは、［Mannhart, EP Patent Application “Nonreciprocal filters for matter waves”（特許文献２）; Braak, 18 180 759.5（特許文献３）; Mannhart 2018A（非特許文献１）; Mannhart 2018B（非特許文献２）; Mannhart 2019（非特許文献３）］で提示されたデバイスを連想させることを再度指摘する。しかしながら、［Mannhart, EP Patent Application “Nonreciprocal filters for matter waves”（特許文献２）; Braak, 18 180 759.5（特許文献３）; Mannhart 2018A（非特許文献１）; Mannhart 2018B（非特許文献２）; Mannhart 2019（非特許文献３）］で提示されたデバイスは、それらの伝送路の横方向の非対称性の助けを借りてのみ、それらの機能を実現しており、それは印加された磁場の使用を必要とする。ここで提示するデバイスは、横方向の非対称性に依存していない。それらの伝送路の長手方向の非対称性は、新しいデバイスがより簡単に実装され、より容易に拡大縮小され、より安価であるように、磁場を印加する必要性をなくす。

【0057】

デバイスの実装例

【0058】

Ａ）図８に示すデバイスの基本構造は、例えば、ＳｉＯ_２やサファイヤ等の適切な基板上に、金、銀、銅等の金属の膜を蒸着してパターニングすることで実現できる。デバイスのサイズは、動作温度における電子の位相破壊長のオーダーになるように選択されなければならない。この要件により、４．２Ｋ以下で動作させる場合、典型的なデバイスのサイズは１００ｎｍ～１μｍのオーダーになる［[Imry（非特許文献６）, Datta（非特許文献７）］。この場合、非弾性散乱は、結晶粒界のような、電子－フォノン散乱と結晶欠陥の混合によって提供される。明らかに、伝送構造の本体８０．１は、散乱中心が導体内に存在する状態で、ループ（２０．３等）として形成されもよい。

【0059】

Ｂ）デバイスの第２の好ましい実装例は、伝送構造に対する半導体の使用である。実際、大きな位相コヒーレンス長のため（ＧａＡｓの場合、低温で１．６２μｍ［Ferry（非特許文献１９）］）、ＧａＡｓや関連材料等の半導体は、デバイスの実装に提供される。大きな非弾性散乱長は、デバイスがサブミクロンの長さにパターニングされる必要がない、又は、それらが高温で動作できることを意味する。ＧａＡｓのような半導体を使用することは、また、例えば、［Leturcq（非特許文献１４）］で実施されているように、ゲート電極の使用を可能とし、空乏層によって構造を定義する。

【0060】

Ｃ）デバイスの第３の好ましい実装例は、伝送構造としての有機分子の使用である。長手方向の非対称性を有する導電性分子は、２つの移動方向に対する電子伝導の時間差を提供する。電子－フォノン散乱や側鎖の働きは、例えば、位相破壊散乱を誘発する。分子は接点に接続する必要がある。金接点のような金属接点の場合、これは、チオフェン結合を利用することによって実現されることが好ましい。分子のサイズの本質的な小ささ及び分子における固有の電子コヒーレンシーの高さため、分子を有するデバイスの実装は、室温以上での動作に好ましいものの１つである。この実装は、本発明のもう１つの利点を明らかにしており、この場合、分子の伝送構造は、外部から印加される磁場に位置が調整される必要はない。これは、例えば、ポートへの適切な接触が維持されることによって、３次元空間における分子の名目上のランダムな配向の自由度を提供する。

【0061】

この実装例の第１の変形例では、分子は、基板（例えば、シリコン）上に蒸着された金属電極（例えば、金）からなるヘテロ構造に組み込まれてもよい。これらの分子の１層又は数層が、通常は好ましい配向で、この金属層上に成長される。これらの分子の上には、更に別の金属層（例えば、金又は銀）が接触している。２つの金属層の電子的性質が異なる場合、上述した理由から長手方向に対称な分子を使用することができる。

【0062】

この実装例の第２の変形例では、分子の機能は、ＭｏＳ_２やグラフェン等のナノパターン化又はマイクロパターン化された２次元材料によって実現される。いくつかの用途では、２次元材料の多層、例えば、グラフェンの２層を使用することが更に有益である。２次元材料又は多層膜は、例えば、導電線、ナノリボン、ストライプにパターン化されてもよいし、又は、穴もしくは穴の配列を構成するようにパターン化されてもよい。

【0063】

Ｄ）第４の可能なデバイスの実施の形態では、効果を高めるために、これらのデバイスをアレイに配置できる方法の例を提供する。図１２Ａは、伝送構造のより大きな１次元アレイの一部を示す。この例では、伝送構造の内側部分（１２０．１）は対称的であると見なされる。これらの構造は、２つの層１２０．２及び１２０．３で構成される非対称接点に接続される。これらの２つの層は、異なる形状の電子波束を生成し（図６を参照）、それによって、デバイスの動作を誘導する。接点の厚さよりもはるかに小さい位相破壊長を接点が持つ場合、ｎ個の個々のデバイスを備えるアレイの出力電圧は、単一デバイスの出力電圧のｎ倍になる。これは、位相コヒーレンスがアレイ全体に渡って確立される必要がないためである。

【0064】

図１２Ｂは、１次元アレイの原理をより高次のアレイに拡張することが自明であることを示す。図１２Ｂに示す２次元アレイは、アレイ内の個々のデバイス（１２０．１）の数に比例した出力電力と、長手方向の個々のデバイス（１２０．１）の数に比例した出力電圧とを有する。

【0065】

光子を量子波として利用する本発明の実装例を図１３に示す。この実装例では、筐体１３．１で囲まれた転送ユニットが、レンズ等の光投影システム１３．２を内蔵し、２つのポート１３．３及び１３．４と接続する。筐体１３．１は、例えば、１に近い反射係数、故に、零になる放射係数を有する金属から形成される。従って、それは鏡として機能する。光投影像は、開口部１３．６と反射リング１３．５で構成されるポート１３．３の入口に、１：１の比率で開口部１３．７を映すように設計される。対応する光路は、１３．８及び１３．９で示される。この投影は明らかに逆方向でも機能する。

【0066】

以下のケース（ａ）では、光投影システム１３．２は、完全に透明な材料から作られている。

【0067】

（ａ）左から転送ユニットに到着する波束１３．１０からなる量子波は、反射リング１３．５で反射して、ポート１３．３に戻るか、又は、開口部１３．６、レンズ１３．２及び開口部１３．７の内側を通過して、ポート１３．４に入り、システムを右に出る。右から転送ユニットに到着する波束１３．１１からなる量子波は、開口部１３．７及びレンズ１３．２を通過する。その後、それは、開口部１３．６及びポート１３．３を通過して、システムを左に出るか、又は、反射リング１３．５で反射し、レンズ１３．２及び開口部１３．７を通過して、システムを右に出る。つまり、システムの設計は、量子波束が左（１３．１０）と右（１３．１１）から同数で到着する場合、レンズ１３．２を左右に通過する光波が、波束１３．１０よりも波束１３．１１から多く発生することを保証する。この非対称性にもかかわらず、システムの全透過係数は対称的であり、量子波が左（１３．１０）と右（１３．１１）から同数で到着する場合、それらも左右に同数で出ていく。

【0068】

（ｂ）ここで、レンズ１３．２を通過する量子波の一部（例えば、１０％）の非弾性散乱によって吸収とランダムな再放射を導く材料で、レンズ１３．２が作られている場合を考える。この吸収と再放射は、波束１３．１１から発生した量子波が波束１３．１０から発生した波よりも大量にレンズを通過するため、波束１３．１１から発生した量子波のより多くに影響を与えることが明らかである。レンズ１３．２による量子波の再放射はランダムな性質であるため、再放射された波は、左右に同数で放射される。反射リング１３．５により開口部１３．６が開口部１３．７より小さいので、再放射された波のより多くは、ポート１３．３を通ってシステムを左に出るよりも、ポート１３．４を通ってシステムを右に出る。この効果により、右から到着する量子波束１３．１１は、転送システムにより、右へ大量に反射される。左から到着する量子波束１３．１０は、転送システムにより、左へ少量反射される。この非相反性により、転送システムは、ポート１３．３及び１３．４の量子波の集団の間に望ましい不均衡を引き起こす。

【0069】

図６の電子デバイスと同じ原理によって考えられる別の光デバイスを提供できることを付け加える。このような光デバイスも、反対方向に進む波束の伝送時間が異なるように、異なる形状の波束で光波を放射する異なる材料から製造された第１及び第２のポートを備える。図２又は図８に示した伝送路の幾何学的形状は、２つの単純な実施例のみを示していることにも言及する。伝送路は、３次元の空間も利用して、より複雑でもよく、そして、例えば、複数のループを備えていてもよい。また、追加の散乱体、非相反フィルター、又は、更なる黒体等の他の構成要素が含まれていてもよい。

【0070】

なお、デバイスの動作に磁場を適用する必要がないことは、多くの場合、デバイス適用を簡素化するため、提案されたデバイスの大きな利点である。しかしながら、このことは、デバイスが磁場なしで動作しなければならないことを意味するものではない。それらは、磁場内でも機能し、他に、例えば、デバイスがバックグラウンドの磁場から遮蔽されない場合、このような動作が望まれる。

【0071】

いくつかの用途では、横方向の非対称性に基づいて、［Mannhart, EP Application “Nonreciprocal filters for matter waves”（特許文献２）; Braak, No. 18 180 759.5（特許文献３）; Mannhart 2018A（非特許文献１）; Mannhart 2018B（非特許文献２）; Mannhart 2019（非特許文献３）］に提示されたデバイスのデバイス構成を、本開示に提示されたデバイスと組み合わせることが好ましいことに更に言及する。この組み合わせは、ほとんどの場合、磁場の望ましくない使用を必要とするが、全ての対称性を壊すことによって利用可能なより大きなパラメータ範囲を使用するデバイスは、いくつかの状況下で、向上された効率又は頑健性（robustness）で動作可能である。

【0072】

量子デバイスを動作させる方法は、第１の波のソースを提供することを含むと定義することができ、第１の波の少なくとも１つのソースは、環境と熱的に接触して保持される。環境は、室温である部屋のような自然環境でもよいし、又は、自由な自然の中の場所でもよい。また、デバイスを収納した空洞等の人工的な環境、又は、例えば、水浴もしくは加熱炉を備える温度浴等の人工的な環境でもよい。

【0073】

第１の態様による量子デバイスを動作させる方法は、第１の波のソースを提供することを含むと、代替的又は追加的に定義することができ、第１の波のソースは積極的に刺激されず、特に、ソースが積極的に加熱又は冷却されることが可能であるように、非熱エネルギーによって積極的に刺激されない。

【0074】

なお、デバイスの動作は、今日一般的に理解され、教科書［Reichl（非特許文献２０）］に提示されている方法による熱力学の第０法則又は第２法則と一致しない。伝送構造を介して熱的に接触する２つのポートＡ及びＢが同じ温度を維持せず、むしろ、デバイスが出力電力を生成する場合に温度差が生じるため、第０法則に反する。閉ざされた系では、均一な温度分布の状態、即ち、最大エントロピーの状態は不安定であり、系がより低エネルギーの状態に移行するため、第２法則に反する。例えば、有名な物理学者であるエンリコ・フェルミのような一部の専門家によって、第２法則との不一致は予想されていた［E. Fermi］。

【0075】

例えば、［Capek（非特許文献２１）］を参照すると、実際、何十年もの間、熱力学の第２の法則に反する、その時点ではまだ仮説のデバイスが伴う利点について、夢想されてきた。

【0076】

それでも、例えば、［Merali（非特許文献１８）, Reichl（非特許文献２０）］を参照すると、専門家や非専門家に知られているように、一般的に、第２種永久機関として知られる、熱力学の第２法則を破る実用的なデバイスは、推測されてきたに過ぎない。現在の議論は、［Nieuwenhuizen（非特許文献１６）］にまとめられているように、絶対零度に近い温度で発生する量子効果、特に、量子もつれを用いるデバイスに焦点を当てている。実用的なデバイスがどのように動作するかについてのアイデアが不足しているため、これらの研究は推測から機能するデバイスへと移行していなかった。実際、科学界のほとんどのメンバーは、このような装置は原理的に絶対に作れないと確信している。

【0077】

上記の量子デバイス及びその応用は、熱浴との何らかの結合を必要としてもよいことを更に述べる。このような熱浴の媒体は、固体、液体又は気体でよい。デバイスは、熱浴の１つ又はいくつかからエネルギーを抽出し、熱エネルギーを、例えば、１つ又はいくつかの他の熱浴に伝達してもよい。

【0078】

量子崩壊によって駆動されるプロセスに対して容易な制御を確立できることは、本発明の更なる価値ある態様である。例えば、抵抗、コンデンサ、バッテリー、インダクタ、センサ、コントローラ、スイッチ等の電気部品を回路に追加することで、デバイスの機能は、影響を受け、制御することができる。システムは、プロセス制御のための入力端子を備えていてもよい。内部又は外部で作成された信号は、プロセスを制御するために使用してもよい。

【0079】

本開示は、また、デバイスの長手方向の非対称性と波動関数の少なくとも部分的な量子物理的な崩壊とを利用して、システムを熱平衡状態からシフトさせるデバイスに関する。

【0080】

本開示は、また、デバイスの長手方向の非対称性と波動関数の少なくとも部分的な量子物理的な崩壊とを利用して、１つの物体内又は複数の物体間に温度差を発生させるデバイスに関する。

【0081】

上記態様のいずれか１つのデバイスでは、物体における波動関数の少なくとも部分的な量子物理的崩壊及び少なくとも部分的な吸収に続いて、前記物体による量子波の統計的な再放射が行われる。

【0082】

上記態様のいずれか１つのデバイスでは、少なくとも部分的に量子物理的に崩壊した波は、ランダムな位相を有する別の量子波によって統計的に置き換えられる。

【0083】

上記態様のいずれか１つのデバイスでは、発生した放射密度不均一性又は発生した温度差を、電気、放射線、光エネルギー、もしくは、他の形態のエネルギーに変換することによって、又は、達成されたエントロピー減少もしくはオーダー（order）を、他の方法で使用することによって、デバイスは有用な仕事を生み出す。

【0084】

上記態様のいずれか１つのデバイスでは、デバイスは、質量、粒子、エネルギー、熱、運動量、角運動量、電荷、又は、磁気モーメントを、１つの物体内又は複数の物体間で輸送してもよい。

【0085】

上記態様のいずれか１つのデバイスでは、デバイスは、エネルギー、波動又は物質のための貯蔵システムを、例えば、コンデンサ又はバッテリーを満たす。

【0086】

上記態様のいずれか１つのデバイスでは、デバイスは物体を加熱又は冷却する。

【0087】

上記態様のいずれか１つのデバイスでは、デバイスの本体の１つ又は複数は、例えば、追加的に提供される加熱又は冷却機能を使用することによって、室温とは別の基本温度で動作される。

【0088】

第２法則の明らかな違反に寄与する重要な要素は、伝送路の長手方向の非対称性、波束の形での粒子状態の生成、波束状態の量子力学的な崩壊、及び、干渉による単一及び複数の波束状態の選別である。これらの頑健（robust）な単一粒子プロセスは、拡張可能であり、高温を含む広い温度範囲で作動することが可能であり、標準的な室内型環境と互換性があり、電磁波、粒子波及び準粒子波を含む多くの種類の量子波に作用する多種多様なデバイスで実施することができる。

【0089】

本発明は、１つ以上の実装例について例示され、説明されたが、変更及び／又は修正は、添付の請求項の趣旨及び範囲から逸脱することなく、示された例に対して行うことができる。特に、上記の構成要素又は構造（アセンブリ、デバイス、回路、システムなど）によって実行される様々な機能に関して、このような構成要素を説明するために使用されている用語（「手段」の言及を含む）は、特に示されていない限り、ここに図示された本発明の代表的な実装例における機能を実行する開示された構造と構造的に等しくなくても、説明された構成要素の指定された機能を実行する（例えば、機能的に等価である）任意の構成要素又は構造に対応することを意図する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】