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特許7606238量子計算ユニット、単一光子源、量子計算装置、及び量子計算方法
(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】2024-12-17
(45)【発行日】2024-12-25
(54)【発明の名称】量子計算ユニット、単一光子源、量子計算装置、及び量子計算方法
(51)【国際特許分類】
G06N 10/40 20220101AFI20241218BHJP
B82Y 10/00 20110101ALI20241218BHJP
G02F 3/00 20060101ALN20241218BHJP
【ＦＩ】
G06N10/40
B82Y10/00
G02F3/00 501
【請求項の数】
18
(21)【出願番号】P 2022535385
(86)(22)【出願日】2021-07-08
(86)【国際出願番号】 JP2021025783
(87)【国際公開番号】W WO2022009950
(87)【国際公開日】2022-01-13
【審査請求日】2024-02-06
(31)【優先権主張番号】P 2020118590
(32)【優先日】2020-07-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【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「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
(73)【特許権者】
【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
【審査官】新井 則和
(56)【参考文献】
【文献】S. Kato and T. Aoki，Strong coupling between a trapped single atom and an all-fiber cavity，arxiv.org, [online]，2015年08月26日，[検索日 2024.09.06], Retrieved from the Internet : <url: https://arxiv.org/pdf/1505.06774>
【文献】青木隆朗，量子ネットワークに向けた全ファイバー結合共振器量子電気力学系，２０１９年第８０回応用物理学会秋季学術講演会［講演予稿集］，2019年09月04日
【文献】越野和樹 ほか，単一光子による決定論的な量子状態スイッチング，日本物理学会誌[online], Vol.69, No.12，2014年，[検索日 2024.09.06], Retrieved from the Internet : <URL：http://www.jps.or.jp/books/gakkaishi/2014/12/05/69-12researches1.pdf>
【文献】青木隆朗，スケーラブルな光学的量子計算のためのナノファイバー共振器量子電気力学系，２０１８年第７９回応用物理学会秋季学術講演会［講演予稿集］，2018年09月05日
【文献】早坂和弘，共振器量子電磁力学による決定論的単一光子生成，レーザー研究 [online],第３１巻，第９号，2003年09月，[検索日 2024.09.06], Retrieved from the Internet : <URL：https://www.jstage.jst.go.jp/article/lsj/31/9/31_9_586/_pdf/-char/ja>
【文献】C. Monroe et al.，Large-scale modular quantum-computer architecture with atomic memory and photonic interconnects，arxiv.org, [online]，2013年07月02日，[検索日 2024.09.06], Retrieved from the Internet : <url: http://arxiv.org/pdf/1208.0391>
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０６Ｎ １０／４０
Ｂ８２Ｙ １０／００
Ｇ０２Ｆ ３／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
量子計算のための量子計算ユニットであって、入射された光子を伝搬する光ファイバーにテーパー部を介して光学的に接続されたナノ光ファイバーと、
前記ナノ光ファイバーの外側に配置され、前記ナノ光ファイバーの長手方向に沿って間隔を置いて配置された複数の量子系と、
を有し、
複数の前記量子系のうち、光シフト光によって選択された量子系が、前記光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能し、
協同係数が第１閾値よりも大きい、量子計算ユニット。
【請求項2】
量子計算のための量子計算ユニットであって、入射された光子を伝搬する光ファイバーにテーパー部を介して光学的に接続されたナノ光ファイバーと、
前記ナノ光ファイバーの外側に配置され、前記ナノ光ファイバーの長手方向に沿って間隔を置いて配置された複数の量子系と、
を有し、
複数の前記量子系のうち、光シフト光によって選択された量子系が、前記光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能し、
前記ナノ光ファイバー内を伝搬する前記光子に対する前記複数の量子系の位置でのエバネッセント場の強さは所定の閾値以上である、量子計算ユニット。
【請求項3】
請求項１または２の量子計算ユニットであって、前記光子の波長を反射帯域に含んだファイバーブラッグ格子が前記光ファイバーまたは前記ナノ光ファイバーに設けられており、
前記ファイバーブラッグ格子が前記光子を反射するミラーとして機能する、量子計算ユニット。
【請求項4】
量子計算のための量子計算ユニットであって、入射された光子を伝搬する光ファイバーにテーパー部を介して光学的に接続されたナノ光ファイバーと、
前記ナノ光ファイバーの外側に配置され、前記ナノ光ファイバーの長手方向に沿って間隔を置いて配置された複数の量子系と、
を有し、
複数の前記量子系のうち、光シフト光によって選択された量子系が、前記光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能し、
前記光子の波長を反射帯域に含んだファイバーブラッグ格子が前記ナノ光ファイバーに設けられている、量子計算ユニット。
【請求項5】
請求項１から４の何れかの量子計算ユニットであって、複数の前記量子系が前記光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能する、量子計算ユニット。
【請求項6】
量子計算のための量子計算ユニットであって、入射された光子を伝搬する光ファイバーにテーパー部を介して光学的に接続されたナノ光ファイバーと、
前記ナノ光ファイバーの外側に配置され、前記ナノ光ファイバーの長手方向に沿って間隔を置いて配置された複数の量子系と、
を有し、
少なくとも何れかの前記量子系は、前記光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能し、
複数の前記量子系が前記光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能し、
複数の前記量子系のうち、光シフト光によって選択された量子系が、前記光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能する、量子計算ユニット。
【請求項7】
請求項１から６の何れかの量子計算ユニットであって、前記複数の量子系は、前記ナノ光ファイバーの長手方向に沿って一列に並べられている、量子計算ユニット。
【請求項8】
請求項１から７の何れかの量子計算ユニットであって、前記量子系は、原子、人工原子、量子ドット、ＮＶセンターの少なくとも何れかを含む、量子計算ユニット。
【請求項9】
光学的に接続され、分散型量子計算を行う１又は複数の量子計算ユニットを有し、それぞれの前記量子計算ユニットは、
入射された光子を伝搬する光ファイバーにテーパー部を介して光学的に接続されたナノ光ファイバーと、
前記ナノ光ファイバーの外側に配置され、前記ナノ光ファイバーの長手方向に沿って間隔を置いて配置された複数の量子系と、
を有し、
複数の前記量子系のうち、光シフト光によって選択された量子系が、前記光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能し、
協同係数が第１閾値よりも大きい、量子計算装置。
【請求項10】
光学的に接続され、分散型量子計算を行う１又は複数の量子計算ユニットを有し、それぞれの前記量子計算ユニットは、
入射された光子を伝搬する光ファイバーにテーパー部を介して光学的に接続されたナノ光ファイバーと、
前記ナノ光ファイバーの外側に配置され、前記ナノ光ファイバーの長手方向に沿って間隔を置いて配置された複数の量子系と、
を有し、
複数の前記量子系のうち、光シフト光によって選択された量子系が、前記光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能し、
前記ナノ光ファイバー内を伝搬する前記光子に対する前記複数の量子系の位置でのエバネッセント場の強さは所定の閾値以上である、量子計算装置。
【請求項11】
請求項９または１０の量子計算装置であって、前記複数の量子計算ユニットから選択した第１量子計算ユニットおよび第２量子計算ユニットを光学的に接続し、前記第１量子計算ユニットおよび前記第２量子計算ユニットを含む光回路に光子を入射することで分散型量子計算を行う、量子計算装置。
【請求項12】
光学的に接続され、分散型量子計算を行う１又は複数の量子計算ユニットを有し、それぞれの前記量子計算ユニットは、
入射された光子を伝搬する光ファイバーにテーパー部を介して光学的に接続されたナノ光ファイバーと、
前記ナノ光ファイバーの外側に配置され、前記ナノ光ファイバーの長手方向に沿って間隔を置いて配置された複数の量子系と、
を有し、
少なくとも何れかの前記量子系は、前記光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能し、
前記複数の量子計算ユニットは、第１量子計算ユニット、第２量子計算ユニット、および第３量子計算ユニットを含み、
光子を第１半波長板に入射させ、前記第１半波長板から出射された光子を前記第１量子計算ユニットに入射させ、前記第１量子計算ユニットから出射された光子を第２半波長板に入射させ、前記第２半波長板から出射された光子を前記第２量子計算ユニットに入射させ、前記第２量子計算ユニットから出射された光子を第３半波長板に入射させ、前記第３半波長板から出射された光子を前記第１量子計算ユニットに入射させ、前記第１量子計算ユニットから出射された光子を第４半波長板に入射させ、前記第４半波長板から出射された光子を前記第３量子計算ユニットに入射させ、前記第３量子計算ユニットから出射された光子を第５半波長板に入射させ、前記第５半波長板から出射された光子を前記第１量子計算ユニットに入射させ、前記第１量子計算ユニットから出射された光子を第６半波長板に入射させ、前記第６半波長板から出射された光子を前記第２量子計算ユニットに入射させ、前記第２量子計算ユニットから出射された光子を第７半波長板に入射させ、前記第７半波長板から出射された光子を前記第１量子計算ユニットに入射させることで分散型量子計算を行う、量子計算装置。
【請求項13】
光学的に接続され、分散型量子計算を行う１又は複数の量子計算ユニットを有し、それぞれの前記量子計算ユニットは、
入射された光子を伝搬する光ファイバーにテーパー部を介して光学的に接続されたナノ光ファイバーと、
前記ナノ光ファイバーの外側に配置され、前記ナノ光ファイバーの長手方向に沿って間隔を置いて配置された複数の量子系と、
を有し、
少なくとも何れかの前記量子系は、前記光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能し、
前記複数の量子計算ユニットは、第１量子計算ユニット、第２量子計算ユニット、および第３量子計算ユニットを含み、
光子を第１半波長板に入射させ、前記第１半波長板から出射された光子を前記第１量子計算ユニットに入射させ、前記第１量子計算ユニットから出射された光子を第２半波長板に入射させ、前記第２半波長板から出射された光子を前記第２量子計算ユニットに入射させ、前記第２量子計算ユニットから出射された光子を第３半波長板に入射させ、前記第３半波長板から出射された光子を前記第１量子計算ユニットに入射させ、前記第１量子計算ユニットから出射された光子を第４半波長板に入射させ、前記第４半波長板から出射された光子を前記第３量子計算ユニットに入射させ、前記第３量子計算ユニットから出射された光子を第５半波長板に入射させ、前記第５半波長板から出射された光子を前記第１量子計算ユニットに入射させ、前記第１量子計算ユニットから出射された光子を第６半波長板に入射させ、前記第６半波長板から出射された光子を前記第２量子計算ユニットに入射させ、前記第２量子計算ユニットから出射された光子を第７半波長板に入射させ、前記第７半波長板から出射された光子の量子状態を測定し、測定結果に応じて前記第１量子計算ユニットの前記量子系に回転操作を行うことで分散型量子計算を行う、量子計算装置。
【請求項14】
請求項１２または１３の量子計算装置であって、前記第１～７半波長板は、入射された光子の状態をπ／４回転させて出射する、量子計算装置。
【請求項15】
光学的に接続され、分散型量子計算を行う１又は複数の量子計算ユニットを有し、それぞれの前記量子計算ユニットは、
入射された光子を伝搬する光ファイバーにテーパー部を介して光学的に接続されたナノ光ファイバーと、
前記ナノ光ファイバーの外側に配置され、前記ナノ光ファイバーの長手方向に沿って間隔を置いて配置された複数の量子系と、
を有し、
少なくとも何れかの前記量子系は、前記光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能し、
Ｎ個の単一光子源Ｓ（１），…，Ｓ（Ｎ）と、
Ｍ個の前記量子計算ユニットＵ（１），…，Ｕ（Ｍ）と、
単一光子源Ｓ（ｊ）並びに２個の量子計算ユニットＵ（α１（ｊ））およびＵ（α２（ｊ））の組を光学的に接続する光スイッチと、を有し、
ｊ＝１，…，Ｎであり、Ｎが２以上の整数であり、Ｍが２Ｎ以上の整数であり、α１（ｊ），α２（ｊ）∈｛１，…，Ｍ｝であり、α１（ｊ）≠α２（ｊ）であり、ｊ＝１，…，Ｎについて、前記単一光子源Ｓ（ｊ）から出射された光子を、前記２個の量子計算ユニットＵ（α１（ｊ）），Ｕ（α２（ｊ））の組を含む光回路Ｃ（ｊ）にそれぞれ入射することで、光回路Ｃ（１），…，Ｃ（Ｎ）による分散型量子計算を並列に行う、量子計算装置。
【請求項16】
量子計算のための単一光子源であって、光子を伝搬する光ファイバーにテーパー部を介して光学的に接続されたナノ光ファイバーと、
前記ナノ光ファイバーの外側に配置された、複数の準位を持つ量子系と、
を有し、
前記複数の準位を持つ量子系が、コントロール光によって励起されたことを契機として、単一光子を放出する
単一光子源。
【請求項17】
量子計算ユニットを用いた量子計算方法であって、前記量子計算ユニットは、
光ファイバーにテーパー部を介して光学的に接続されたナノ光ファイバーと、
前記ナノ光ファイバーの外側に配置され、前記ナノ光ファイバーの長手方向に沿って間隔を置いて配置された複数の量子系と、を有し、
当該量子計算方法は、
前記複数の量子系のうち少なくとも何れかの量子系に対して光シフト光を照射するステップと、
前記光ファイバーに光子を入射させるステップと
を含み、
複数の前記量子系のうち、前記光シフト光によって選択された量子系が、前記光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能し、
協同係数が第１閾値よりも大きい、量子計算方法。
【請求項18】
量子計算ユニットを用いた量子計算方法であって、前記量子計算ユニットは、
光ファイバーにテーパー部を介して光学的に接続されたナノ光ファイバーと、
前記ナノ光ファイバーの外側に配置され、前記ナノ光ファイバーの長手方向に沿って間隔を置いて配置された複数の量子系と、
を有し、
当該量子計算方法は、
前記複数の量子系のうち少なくとも何れかの量子系に対して光シフト光を照射するステップと、
前記光ファイバーに光子を入射させるステップと
を含み、
複数の前記量子系のうち、前記光シフト光によって選択された量子系が、前記光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能し、
前記ナノ光ファイバー内を伝搬する前記光子に対する前記複数の量子系の位置でのエバネッセント場の強さは所定の閾値以上である、量子計算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、量子計算技術に関し、一例として分散型量子計算技術に関する。
【背景技術】
【0002】
量子力学に基づいた新しい情報処理技術である量子計算は、従来はできなかった高速な計算を可能にする。大規模な量子計算のためには多数の量子ビットを実装する必要があるが、１つのユニットに実装できる量子ビット数には限界がある。この限界を打ち破り、大規模な量子計算を実現する方法として、多数の小規模な量子計算ユニットを接続してネットワーク化する「分散型量子計算」の手法がある。分散型量子計算の具体的な実装方法として、Monroeらによって、イオントラップを量子計算ユニットとし、これを光子でつなぐ方法が示されている（例えば、非特許文献１等参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【文献】C. Monroe et al., "Large-scale modular quantum-computer architecture with atomic memory and photonic interconnects", Phys. Rev. A 89, 022317 (2014).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、従来の実装方法では、複数個の原子をトラップした量子計算ユニットを決定論的に動作させることが困難であった。
【0005】
まず、非特許文献１の方法では複数個の量子計算ユニットを接続して決定論的に動作させることはできない。これに対し、光領域の共振器量子電気力学（cavity quantum electrodynamics：CQED）系を用いれば決定論的に動作させることは可能である。しかし、これを実現する量子計算ユニットに従来の自由空間共振器を用いた場合、自由空間共振器内で小さなモード断面積となるように絞り込まれた光子ビームの内部に原子を配置しなければならない。しかし、自由空間で光子ビームを絞り込んだ場合、原子の配置に適したモード断面積となる領域は極めて狭くなり、共振器との必要な結合を保ったまま複数の原子を配置することが困難である。また、自由空間共振器は光ファイバーとの整合性が悪く、極度に複雑で精密な調整・制御が必要なため、損失を低く抑えつつ多数の量子計算ユニットを連結してそれらを同時に使用することが極めて困難である。このような問題は、光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能する量子系として原子を用いる場合のみならず、原子と同様な光学応答を示す量子系を用いた場合にも生じる問題である。
【0006】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、複数個の量子系を配置した量子計算ユニットを決定論的に動作させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上述の課題を解決するために、入射された光子を伝搬する光ファイバーにテーパー部を介して光学的に接続されたナノ光ファイバーと、ナノ光ファイバーの外側に配置され、ナノ光ファイバーの長手方向に沿って間隔を置いて配置された複数の量子系と、を有する量子計算のための量子計算ユニットが提供される。ただし、少なくとも何れかの量子系は、光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能する。
【発明の効果】
【0008】
これにより、複数個の量子系を配置した量子計算ユニットを決定論的に動作させることできる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【0011】
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態を説明する。
まず、本発明の第１実施形態を説明する。
【0012】
図１に例示するように、本実施形態の量子計算装置１は、量子計算のための単一光子源１１、Ｍ個の量子計算ユニット１３－１～１３－Ｍ、Ｍ個の光スイッチ１４－１～１４－Ｍ、半波長板１５－１～１５－（Ｍ＋１）、偏光状態測定器１６、および、光ファイバー１２を有する。ただし、Ｍは２以上の整数である。なお、量子計算装置１は、一例として分散型量子計算のために用いることができるが、これは本実施形態を限定するものではない。量子計算装置１は、非分散型の量子計算のために用いることもできる。
【0013】
＜光ファイバー１２＞
光ファイバー１２は、単一光子源１１、量子計算ユニット１３－１～１３－Ｍ、光スイッチ１４－１～１４－Ｍ、および偏光状態測定器１６を光学的に接続し、入射された光子を伝搬する。本実施形態では、単一光子源１１の一端は光ファイバー１２を介して光スイッチ１４－１の一端に光学的に接続され、光スイッチ１４－ｉ（ただし、ｉ＝１，…，（Ｍ－１））は光ファイバー１２を介して光スイッチ１４－（ｉ＋１）および量子計算ユニット１３－ｉの一端にそれぞれ光学的に接続され、光スイッチ１４－Ｍは光ファイバー１２を介して偏光状態測定器１６および量子計算ユニット１３－Ｍの一端にそれぞれ光学的に接続されている。光ファイバー１２は、シングルモード光ファイバーであってもよいし、マルチモード光ファイバーであってもよい。ただし、光ファイバー１２がマルチモード光ファイバーである場合、光子を１つのモードに留まらせる必要がある。そのため、光ファイバー１２はシングルモード光ファイバーであることが望ましい。
光ファイバー１２は、単一光子源１１、量子計算ユニット１３－１～１３－Ｍ、光スイッチ１４－１～１４－Ｍ、および偏光状態測定器１６を光学的に接続し、入射された光子を伝搬する。本実施形態では、単一光子源１１の一端は光ファイバー１２を介して光スイッチ１４－１の一端に光学的に接続され、光スイッチ１４－ｉ（ただし、ｉ＝１，…，（Ｍ－１））は光ファイバー１２を介して光スイッチ１４－（ｉ＋１）および量子計算ユニット１３－ｉの一端にそれぞれ光学的に接続され、光スイッチ１４－Ｍは光ファイバー１２を介して偏光状態測定器１６および量子計算ユニット１３－Ｍの一端にそれぞれ光学的に接続されている。光ファイバー１２は、シングルモード光ファイバーであってもよいし、マルチモード光ファイバーであってもよい。ただし、光ファイバー１２がマルチモード光ファイバーである場合、光子を１つのモードに留まらせる必要がある。そのため、光ファイバー１２はシングルモード光ファイバーであることが望ましい。
【0014】
＜量子計算ユニット１３－ｍ＞
図２に例示するように、本実施形態の量子計算ユニット１３－ｍは、ナノ光ファイバー１３１－ｍ、光ファイバー１２の端部１２１ａ－ｍ、光ファイバーの端部１２１ｂ－ｍ、テーパー部１２２ａ－ｍ，１２２ｂ－ｍ、Ｋ（ｍ）個の原子１３２－ｍ（光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能する量子系）、およびそれらを真空状態の内部に収納する真空層１３３－ｍを有する。ただし、ｍ＝１，…，Ｍであり、Ｍは２以上の整数である。Ｋ（ｍ）は２以上の整数であり、Ｋ（ｍ）個の原子１３２－ｍをａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍと表現する。原子１３２－ｍの一例はレーザー冷却原子であるが、これは本発明を限定しない。
図２に例示するように、本実施形態の量子計算ユニット１３－ｍは、ナノ光ファイバー１３１－ｍ、光ファイバー１２の端部１２１ａ－ｍ、光ファイバーの端部１２１ｂ－ｍ、テーパー部１２２ａ－ｍ，１２２ｂ－ｍ、Ｋ（ｍ）個の原子１３２－ｍ（光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能する量子系）、およびそれらを真空状態の内部に収納する真空層１３３－ｍを有する。ただし、ｍ＝１，…，Ｍであり、Ｍは２以上の整数である。Ｋ（ｍ）は２以上の整数であり、Ｋ（ｍ）個の原子１３２－ｍをａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍと表現する。原子１３２－ｍの一例はレーザー冷却原子であるが、これは本発明を限定しない。
【0015】
ナノ光ファイバー１３１－ｍは、光の波長以下の直径を持つ極細の光ファイバーであり、ファイバー全体がコア、それを取り囲む真空がクラッドとして機能する。ナノ光ファイバー１３１－ｍの一端は、テーパー部１２２ａ－ｍを介して光ファイバー１２の端部１２１ａ－ｍに光学的に接続されている。同様に、ナノ光ファイバー１３１－ｍの他端は、テーパー部１２２ｂ－ｍを介して光ファイバーの端部１２１ｂ－ｍに光学的に接続されている。すなわち、構造としては、光ファイバー１２の端部１２１ａ－ｍからナノ光ファイバー１３１－ｍに至り、さらに光ファイバー１２の端部１２１ｂ－ｍに至るまで、テーパー部１２２ａ－ｍおよびテーパー部１２２ｂ－ｍを含むファイバー全体にわたって、コア径とクラッド径の比が一定またはほぼ一定である。端部１２１ａ－ｍ，１２１ｂ－ｍのコアは、それぞれ、テーパー部１２２ａ－ｍ，１２２ｂ－ｍのコアを介してナノ光ファイバー１３１－ｍのコアにつながっている。端部１２１ａ－ｍ，１２１ｂ－ｍのクラッドは、それぞれ、テーパー部１２２ａ－ｍ，１２２ｂ－ｍのクラッドを介してナノ光ファイバー１３１－ｍのクラッドにつながっている。例えば、ナノ光ファイバー１３１－ｍのコアは、テーパー部１２２ａ－ｍ，１２２ｂ－ｍおよび端部１２１ａ－ｍ，１２１ｂ－ｍのコアと一体である。ナノ光ファイバー１３１－ｍのクラッドは、テーパー部１２２ａ－ｍ，１２２ｂ－ｍおよび端部１２１ａ－ｍ，１２１ｂ－ｍのクラッドと一体である。ここで、端部１２１ａ－ｍのコアおよびクラッドの直径は、それぞれ、ナノ光ファイバー１３１－ｍのコアおよびクラッドの直径よりも大きく、テーパー部１２２ａ－ｍでのコアおよびクラッドの直径は、ナノ光ファイバー１３１－ｍ側から端部１２１ａ－ｍ側に向かうにつれて徐々に大きくなっている。同様に、端部１２１ｂ－ｍのコアおよびクラッドの直径は、それぞれ、ナノ光ファイバー１３１－ｍのコアおよびクラッドの直径よりも大きく、テーパー部１２２ｂ－ｍでのコアおよびクラッドの直径も、ナノ光ファイバー１３１－ｍ側から端部１２１ｂ－ｍ側に向かうにつれて徐々に大きくなっている。このような構造により、光ファイバー１２ではコアとクラッドの屈折率差によって光が閉じ込められ、ナノ光ファイバー１３１－ｍではクラッドと真空の屈折率差によって光が閉じ込められ、それらをつなぐテーパー部１２２ａ－ｍおよびテーパー部１２２ｂ－ｍではコア・クラッド・真空の三層すべてが光の閉じ込めに寄与する。
【0016】
なお、ナノ光ファイバーについては、参考文献１、２にも記載されている。これらの参考文献は参照によって本願明細書に取り込まれる。
【0017】
参考文献１： S. Kato et al., "Observation of dressed states of distant atoms with delocalized photons in coupled-cavities quantum electrodynamics", Nature Communications volume 10, Article number: 1160 (2019).
参考文献２： S. Kato and T. Aoki, "Strong coupling between a trapped single atom and an all-fiber cavity", Physical Review Letters 115, 9 (2015).
端部１２１ａ－ｍおよび端部１２１ｂ－ｍのコアには、光ファイバー１２を伝搬する光子の波長を反射帯域に含むファイバーブラッグ格子（fiber Bragg gratings: FBG）１２３ａ－ｍおよび１２３ｂ－ｍがそれぞれ設けられている。ファイバーブラッグ格子１２３ａ－ｍおよび１２３ｂ－ｍは光子を反射するミラーとして機能する。
参考文献２： S. Kato and T. Aoki, "Strong coupling between a trapped single atom and an all-fiber cavity", Physical Review Letters 115, 9 (2015).
端部１２１ａ－ｍおよび端部１２１ｂ－ｍのコアには、光ファイバー１２を伝搬する光子の波長を反射帯域に含むファイバーブラッグ格子（fiber Bragg gratings: FBG）１２３ａ－ｍおよび１２３ｂ－ｍがそれぞれ設けられている。ファイバーブラッグ格子１２３ａ－ｍおよび１２３ｂ－ｍは光子を反射するミラーとして機能する。
【0018】
端部１２１ａ－ｍおよび端部１２１ｂ－ｍのコアに、ファイバーブラッグ格子１２３ａ－ｍおよび１２３ｂ－ｍをそれぞれ設け、それぞれのファイバーブラッグ格子による透過率及び反射率を調整することによって、端部１２１ａ－ｍ側からナノ光ファイバー１３１－ｍに入射させた光子を、端部１２１ａ－ｍ側から出射させることができる。
【0019】
Ｋ（ｍ）個の原子１３２－ｍ（複数個の原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍ）は、公知のトラップ方法で、ナノ光ファイバー１３１－ｍの外側に配置され、ナノ光ファイバー１３１－ｍの長手方向に沿って間隔を置いて配置される。例えば、Ｋ（ｍ）個の原子１３２－ｍ（複数個の原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍ）は、ナノ光ファイバー１３１－ｍの長手方向に沿って一列に並べられる。例えば、原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍは、それぞれナノ光ファイバー１３１－ｍ内にできる定常波の腹部分または腹部分の近傍に対応する位置に配置されることが望ましい。しかし、定常波の設定に応じ、定常波の節部分または節部分の近傍に対応する位置でも、原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍと量子計算ユニット１３－ｍで構成されるナノ光ファイバー共振器QED（quantum electrodynamics）系（以下、単に「共振器」）との結合が十分得られるのであれば、定常波の節部分または節部分の近傍に対応する位置に原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍが配置されてもよい。原子１３２－ｍは、中性原子であってもよいし、イオンであってもよい。原子１３２－ｍは、例えば、セシウム原子である。例えば、原子１３２－ｍが中性原子である場合には公知の双極子トラップ等で原子１３２－ｍがトラップされ、イオンである場合には公知のイオントラップ方法で原子１３２－ｍがトラップされる。
【0020】
図３に、ナノ光ファイバー１３１－ｍを伝搬する光子と相互作用する各原子ａｋ－ｍ（ただし、ｋ＝１，…，Ｋ（ｍ））のCQED系のΛ型３準位原子の模式図を例示する。現実の原子ａｋ－ｍは複雑なエネルギー準位構造を持つが、CQED系のダイナミクスに実際に関与するのは、少数の準位に限られる（例えば、共振器の共鳴周波数や外部から原子ａｋ－ｍに照射するコントロール光（レーザー光）の周波数に近く、遷移の選択則を満たす準位など）。ここで、原子のエネルギー準位構造を特定の３準位に限定してモデル化したものを３準位原子といい、図３のような３準位原子をΛ型３準位原子という。図３に例示するように、Λ型３準位原子は、基底状態である２つの下準位｜ｕ〉および｜ｇ〉と、励起状態である１つの上準位｜ｅ〉とを持つ。｜ｇ〉から｜ｅ〉への遷移｜ｇ〉→｜ｅ〉では、原子ａｋ－ｍが共振器と結合レートｇで結合しており、一方、｜ｕ〉から｜ｅ〉への遷移｜ｕ〉→｜ｅ〉では（遷移の偏光が共振器モードの偏光と直交する、或いは共振器に対して十分に非共鳴であり実効的に結合が無視できる等の理由で）、原子ａｋ－ｍが共振器と結合していない。ただし、遷移｜ｕ〉→｜ｅ〉は、図示していないレーザー照射装置によって共振器外から照射したコントロール光によって駆動できるものとし、そのコントロール光の振幅をラビ周波数で表してΩとする。なお、自由空間中の光子と相互作用するΛ型３準位原子と同様、ナノ光ファイバー１３１－ｍを伝搬する光子と相互作用するΛ型３準位原子も、遷移｜ｇ〉→｜ｅ〉と遷移｜ｕ〉→｜ｅ〉にそれぞれ共鳴するコントロール光Θｇ，Θｕが、図示していないレーザー照射装置によって共振器外から原子ａｋ－ｍに照射されることで、コヒーレントなラマン遷移による２つの基底状態の準位（基底準位）｜ｇ〉，｜ｕ〉間のラビ振動を起こしたり、これらの任意の重ね合わせ（ρｇ｜ｇ〉＋ρｕ｜ｕ〉）に制御したりできる。ここで、ρｇおよびρｕは｜ρｇ｜２＋｜ρｕ｜２＝１を満たす複素数の係数（｜ρｇ｜２および｜ρｕ｜２は確率を表す）である。
【0021】
ここでコントロール光なし（Ω＝０）の場合を考える。原子ａｋ－ｍが基底準位｜ｇ〉にあるとき、系の光学応答は下準位｜ｇ〉と上準位｜ｅ〉とを持つ２準位原子の場合と同じであり、協同係数Ｃが１よりも十分大きければ、入射した光子はほとんど損失することなく反射し、その位相はシフトしない（振幅反射率が１）。ここで共振器の協同係数ＣはＣ＝ｇ２／２κγで表される。κは共振器の外部損失および内部損失による振幅緩和レートであり、γ＝Γ／２であり、Γは共振器からの自然放出によるエネルギーの緩和レートである。一方、原子ａｋ－ｍがもう１つの基底準位｜ｕ〉にあるとき、原子ａｋ－ｍは共振器と結合していないので、系の光学応答は原子なし（空の共振器）の場合と同じであり、入射した光子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（振幅反射率が－１）。すなわち、原子ａｋ－ｍの状態（量子状態）を制御することで系の光学応答を切り替えることができる。さらに、原子が２つの基底状態｜ｇ〉および｜ｕ〉の重ね合わせ状態（ρｇ｜ｇ〉＋ρｕ｜ｕ〉）の場合、系は上記２つの応答の「重ね合わせの応答」を示す。すなわち、入射した光子がＣＱＥＤ系と相互作用した後の状態は「原子が基底準位｜ｇ〉にあり、入射した光子が振幅反射率１で反射した状態」と「原子が基底準位｜ｕ〉にあり、入射した光子が振幅反射率－１で反射した状態」重ね合わせとなる。つまり、光子をＣＱＥＤ系に反射させるだけで、原子ａｋ－ｍと光子のエンタングルメントを生成できる。この応答によって量子ゲートを実現できる。
【0022】
なお、コントロール光なし（Ω＝０）の場合について上述した事項は、系のハミルトニアンが、
によって与えられ、弱励起極限における定常状態での振幅反射係数が
よって与えられることから導かれる。
【数1】
【数2】
【0023】
ここで、式１におけるωＡは原子の遷移周波数（共鳴周波数）であり、ハット付きのσｅｇ及びハット付きのσｇｅは、原子の準位｜ｅ〉｜ｇ〉に関する昇降演算子である。また、式１におけるωＣは共振周波数であり、ハット及びダガー付きのａｃ、及びハット付きのａｃは、共振器光子の生成消滅演算子である。また、ｇは、上述したように原子と共振器との結合レートである。
【0024】
また、式２におけるκｅｘは、外部損失による振幅緩和レートであり、κは上述したように、共振器の外部損失および内部損失による振幅緩和レートであり、Δｐは、入射した光子の周波数ωｐと原子の共鳴周波数ωＡとの差である。
【0025】
ｇが０でない場合、式２より、原子の共鳴において、振幅反射係数は、
によって与えられることが分かる。ここで、ηｅｓｃは、全損失に対する外部損失の比を表しており、エスケープ効率とも呼ばれる。Ｃは上述した協同係数である。式３から分かるように、Ｃが十分大きければ、上述したように、振幅反射率が１となり、入射した光子はほとんど損失することなく反射し、その位相はシフトしない。
【数3】
【0026】
一方、ｇが０の場合（原子なし（空の共振器）の場合）、式２より、振幅反射係数が
によって与えられることが分かる。式４から、原子の共鳴（Δｐ＝０）の場合には、振幅反射係数は、
によって与えられることが分かる。式５から分かるように、エスケープ効率が１に近い場合、上述したように、振幅反射率が－１となり、入射した光子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。
【数4】
【数5】
【0027】
なお、上述した「コントロール光なし（Ω＝０）の場合」に関する説明は、
・｜ｕ〉→｜ｅ〉が光学遷移許容（コントロール光によって駆動できる）であって、コントロール光を照射しない（Ω＝０）場合
のみならず、
・「そもそも｜ｕ〉→｜ｅ〉が光学遷移許容でない（コントロール光によって駆動できない）場合
に対しても成立する説明である。
・｜ｕ〉→｜ｅ〉が光学遷移許容（コントロール光によって駆動できる）であって、コントロール光を照射しない（Ω＝０）場合
のみならず、
・「そもそも｜ｕ〉→｜ｅ〉が光学遷移許容でない（コントロール光によって駆動できない）場合
に対しても成立する説明である。
【0028】
更に付言すれば、単一光子源として用いる観点からは、｜ｕ〉→｜ｅ〉は光学遷移許容であることが好ましいが、量子計算ユニットとして用いる観点からは、｜ｕ〉→｜ｅ〉は光学遷移許容であってもよいし、そうでなくてもよい。
【0029】
次に、コントロール光あり（Ω≠０）の場合を考える。この場合には原子ａｋ－ｍは準位の組｛｜ｕ，ｎ〉，｜ｅ，ｎ〉，｜ｇ，ｎ＋１〉｝の間でのみに結合を起こし、固有状態はこれらの重ね合わせで表される。ここで｜ｉ，ｎ〉はCQED系全体の状態｜ｉ〉Ａ（×）｜ｎ〉Ｃを表す。ただし、（×）はテンソル積を表し、｜ｉ〉Ａは原子ａｋ－ｍの何れかの基底状態｜ｕ〉または｜ｇ〉もしくは励起状態｜ｅ〉を表し、ｎは共振器内の光子の数を表し、｜ｎ〉Ｃは共振器の状態を表す。Ωを十分ゆっくり０→∞と変化させることで、系の状態を暗状態に保ったまま（上準位｜ｅ〉に励起させることなく）断熱的に｜ｕ，ｎ〉から｜ｇ，ｎ＋１〉へと変化させることができる。また、Ωを十分ゆっくり∞→０と変化させることでその逆の時間発展も可能である。
【0030】
なお、コントロール光あり（Ω≠０）の場合について上述した事項は、系のハミルトニアンが、
によって与えられることから導かれる。ここで、式６において、ハット付きのσｅｕ及びハット付きのσｕｅは、原子の準位｜ｕ〉｜ｅ〉に関する昇降演算子である。また、式６において、ωＬは、コントロール光の周波数である。
【数6】
【0031】
簡単のためωＣ＝ωＬ=ωとすると、励起状態の固有エネルギーは、
によって与えられ、式７の第１式に対応する固有状態（暗状態）が、
によって与えられる。式９から分かるように、Ω＝０のとき、｜Ｄ〉＝｜ｕ，ｎ－１〉であり、Ω→∞のとき、｜Ｄ〉→｜ｇ，ｎ〉である。したがって、Ωを十分ゆっくり０→∞と変化させることで、上述したように、系の状態を暗状態に保ったまま（上準位｜ｅ〉に励起させることなく）断熱的に｜ｕ，ｎ〉から｜ｇ，ｎ＋１〉へと変化させることができる。
【数7】
【数8】
【0032】
CQED系では原子や光子の状態を量子ビットとすることができる。原子ａｋ－ｍの状態を量子ビットとする場合には、原子ａｋ－ｍの任意の重ね合わせ状態（ρｇ｜ｇ〉＋ρｕ｜ｕ〉）が量子ビットとなる。この場合の１量子ビットゲートは、例えば、前述のように遷移｜ｇ〉→｜ｅ〉と遷移｜ｕ〉→｜ｅ〉にそれぞれ共鳴するコントロール光Θｇ，Θｕを共振器外から原子ａｋ－ｍに照射することで容易に実現できる。複数量子ビットゲートについては後述する。光子を量子ビットとする場合、光子の直交した２つの偏光モードを基底にした「偏光量子ビット」（例えば、横（水平）偏光｜ｈ〉と縦（垂直）偏光｜ｖ〉とを基底にした重ね合わせ状態ρｈ｜ｈ〉＋ρｖ｜ｖ〉）等がある。ここで、ρｈおよびρｖは｜ρｈ｜２＋｜ρｖ｜２＝１を満たす複素数の係数（｜ρｈ｜２および｜ρｖ｜２は確率を表す）である。１量子ビットゲートは線形光学素子を用いて簡単に実現できる。例えば偏光量子ビットであれば、波長板を用いて任意のユニタリー変換ができる。
【0033】
ナノ光ファイバー１３１－ｍを伝播する光子のナノ光ファイバー１３１－ｍの外側における電場（エバネッセント場）は、以下のように近似的に表され、減衰長Ｌで指数関数的に減衰する。
Ｅ＝Ｅ０ｅ－（ｒ－ａ）／Ｌ
ただし、Ｅ０はナノ光ファイバー１３１－ｍの表面での電場、ｅは自然対数の底であり、ｒはナノ光ファイバー１３１－ｍの中心軸からの距離、ａはナノ光ファイバー１３１－ｍの半径である。減衰長Ｌはナノ光ファイバー１３１－ｍの屈折率、半径ａ、ナノ光ファイバー１３１－ｍを伝播する光子の波長λに依存するが、おおよそλの数分の１程度である。したがって、原子ａｋ－ｍと共振器の結合レートｇを高くするためには、ナノ光ファイバー１３１－ｍの表面から原子ａｋ－ｍのトラップ位置までの距離がエバネッセントの減衰長Ｌ程度以下である必要があり、近ければ近いほどよい。一方、原子ａｋ－ｍの安定なトラップのためには、ナノ光ファイバー１３１－ｍの表面からのファンデルワールス力の影響を避ける必要があり、原子ａｋ－ｍのトラップ位置をナノ光ファイバー１３１－ｍの表面から数十ナノメートル程度以上離す必要がある。すなわち、ナノ光ファイバー１３１－ｍ内を伝搬する光子に対する複数の原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍの位置でのエバネッセント場の強さは閾値ｔｈ２（第２閾値）以上であり、複数の原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍのそれぞれとナノ光ファイバー１３１－ｍとのファンデワールス力が閾値ｔｈ３（第３閾値）以下であることが望ましい。これらのトレードオフから、原子ａｋ－ｍはナノ光ファイバー１３１－ｍから数十～２００ナノメートル程度の位置（例えば、１００～２００ナノメートルの位置）にトラップされることが望ましい。
Ｅ＝Ｅ０ｅ－（ｒ－ａ）／Ｌ
ただし、Ｅ０はナノ光ファイバー１３１－ｍの表面での電場、ｅは自然対数の底であり、ｒはナノ光ファイバー１３１－ｍの中心軸からの距離、ａはナノ光ファイバー１３１－ｍの半径である。減衰長Ｌはナノ光ファイバー１３１－ｍの屈折率、半径ａ、ナノ光ファイバー１３１－ｍを伝播する光子の波長λに依存するが、おおよそλの数分の１程度である。したがって、原子ａｋ－ｍと共振器の結合レートｇを高くするためには、ナノ光ファイバー１３１－ｍの表面から原子ａｋ－ｍのトラップ位置までの距離がエバネッセントの減衰長Ｌ程度以下である必要があり、近ければ近いほどよい。一方、原子ａｋ－ｍの安定なトラップのためには、ナノ光ファイバー１３１－ｍの表面からのファンデルワールス力の影響を避ける必要があり、原子ａｋ－ｍのトラップ位置をナノ光ファイバー１３１－ｍの表面から数十ナノメートル程度以上離す必要がある。すなわち、ナノ光ファイバー１３１－ｍ内を伝搬する光子に対する複数の原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍの位置でのエバネッセント場の強さは閾値ｔｈ２（第２閾値）以上であり、複数の原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍのそれぞれとナノ光ファイバー１３１－ｍとのファンデワールス力が閾値ｔｈ３（第３閾値）以下であることが望ましい。これらのトレードオフから、原子ａｋ－ｍはナノ光ファイバー１３１－ｍから数十～２００ナノメートル程度の位置（例えば、１００～２００ナノメートルの位置）にトラップされることが望ましい。
【0034】
３準位原子を量子ビットとしたときに性能のよい量子ゲートを実現するためには、前述の協同係数Ｃが閾値ＴＨ１（第１閾値）よりも大きい必要がある（例えばＣ＞１）。ここで協同係数Ｃは共振器のモード断面積と全損失のみに依存し、モード断面積が小さいほど、共振器の全損失が小さいほど、協同係数Ｃは大きくなる。本実施形態では、ナノ光ファイバー１３１－ｍを用いて共振器を構成している。そのため、原理的には小さなモード断面積を保ったまま、原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍがトラップされる領域の長さをいくらでも長くできる。さらに、入射された光子を伝搬する光ファイバー１２の端部１２１ａ－ｍに、テーパー部１２２ａ－ｍを介してナノ光ファイバー１３１－ｍを光学的に接続しているため、共振器の全損失を小さくできる。従って、原理的には、ナノ光ファイバー１３１－ｍの長さを長くすれば、共振器と個々の原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍとの結合レートｇを振幅緩和レートκおよび緩和レートγに対して十分に大きく保ったまま、多くの原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍをトラップすることができる。さらに、このような複数の量子計算ユニット１３－ｍは、光ファイバー１２によって低損失で光学的に接続できるため、分散型量子計算のための決定論的な量子回路を構成できる。
【0035】
なお、協同係数Ｃに関して上述した事項は、協同係数Ｃの定義式Ｃ＝ｇ２／２κγにおいて、
であることを用いることにより導かれる。ここで、式９においてμｇｅは、原子の双極子モーメントであり、Ａは共振器のモード断面積であり、Ｌは共振器長であり、Ｔは、入出力結合ミラーの透過率であり、αは、共振器１往復あたりの内部損失率であり、Ｔ＋αは、共振器の全損失である。式９を用いると、協同係数Ｃは、
と表される。式１０から、上述したように、協同係数Ｃは共振器のモード断面積と全損失のみに依存し、モード断面積が小さいほど、共振器の全損失が小さいほど、協同係数Ｃは大きくなることが分かる。
【数9】
【数10】
【0036】
＜単一光子源１１＞
図４に例示するように、本実施形態の単一光子源１１は、ナノ光ファイバー１１１、光ファイバー１２の端部１２１ａ－０、光ファイバーの端部１２１ｂ－０、テーパー部１２２ａ－０，１２２ｂ－０、原子１１２（複数の準位を持つ量子系）、およびそれらを真空状態の内部に収納する真空層１１３を有する。ナノ光ファイバー１１１の一端は、テーパー部１２２ａ－０を介して光ファイバー１２の端部１２１ａ－０に光学的に接続されている。同様に、ナノ光ファイバー１１１の他端は、テーパー部１２２ｂ－０を介して光ファイバーの端部１２１ｂ－０に光学的に接続されている。すなわち、構造としては、光ファイバー１２の端部１２１ａ－０からナノ光ファイバー１１１に至り、さらに光ファイバー１２の端部１２１ｂ－０に至るまで、テーパー部１２２ａ－０およびテーパー部１２２ｂ－０を含むファイバー全体にわたって、コア径とクラッド径の比が一定またはほぼ一定である。端部１２１ａ－０，１２１ｂ－０のコアは、それぞれ、テーパー部１２２ａ－０，１２２ｂ－０のコアを介してナノ光ファイバー１１１のコアにつながっている。端部１２１ａ－０および端部１２１ｂ－０のクラッドは、それぞれ、テーパー部１２２ａ－０，１２２ｂ－０のクラッドを介してナノ光ファイバー１１１のクラッドにつながっている。例えば、ナノ光ファイバー１１１のコアは、テーパー部１２２ａ－０，１２２ｂ－０および端部１２１ａ－０，１２１ｂ－０のコアと一体である。ナノ光ファイバー１１１のクラッドは、テーパー部１２２ａ－０，１２２ｂ－０および端部１２１ａ－０，１２１ｂ－０のクラッドと一体である。ここで、端部１２１ａ－０のコアおよびクラッドの直径は、それぞれ、ナノ光ファイバー１３１－０のコアおよびクラッドの直径よりも大きく、テーパー部１２２ａ－０でのコアおよびクラッドの直径は、ナノ光ファイバー１１１側から端部１２１ａ－０側に向かうにつれて徐々に大きくなっている。同様に、端部１２１ｂ－０のコアおよびクラッドの直径は、それぞれ、ナノ光ファイバー１３１－０のコアおよびクラッドの直径よりも大きく、テーパー部１２２ｂ－０でのコアおよびクラッドの直径も、ナノ光ファイバー１１１側から端部１２１ｂ－０側に向かうにつれて徐々に大きくなっている。このような構造により、光ファイバー１２ではコアとクラッドの屈折率差によって光が閉じ込められ、ナノ光ファイバー１１１ではクラッドと真空の屈折率差によって光が閉じ込められ、それらをつなぐテーパー部１２２ａ－０およびテーパー部１２２ｂ－０ではコア・クラッド・真空の三層すべてが光の閉じ込めに寄与する。端部１２１ａ－０および端部１２１ｂ－０のコアには、生成する光子（単一光子）の波長を反射帯域に含んだファイバーブラッグ格子１２３ａ－０および１２３ｂ－０がそれぞれ設けられている。ファイバーブラッグ格子１２３ａ－０および１２３ｂ－０はミラーとして機能する。原子１１２は、公知のトラップ方法で、ナノ光ファイバー１１１の外側に配置される。原子１１２は、中性原子であってもよいし、イオンであってもよい。原子１１２は、例えば、セシウム原子である。原子１１２のトラップ位置の条件は、原子１３２－ｍが原子１１２に置換され、ナノ光ファイバー１３１－ｍがナノ光ファイバー１１１に置換されること以外、例えば、量子計算ユニット１３－ｍでの原子１３２－ｍのトラップ位置の条件と同じである。
図４に例示するように、本実施形態の単一光子源１１は、ナノ光ファイバー１１１、光ファイバー１２の端部１２１ａ－０、光ファイバーの端部１２１ｂ－０、テーパー部１２２ａ－０，１２２ｂ－０、原子１１２（複数の準位を持つ量子系）、およびそれらを真空状態の内部に収納する真空層１１３を有する。ナノ光ファイバー１１１の一端は、テーパー部１２２ａ－０を介して光ファイバー１２の端部１２１ａ－０に光学的に接続されている。同様に、ナノ光ファイバー１１１の他端は、テーパー部１２２ｂ－０を介して光ファイバーの端部１２１ｂ－０に光学的に接続されている。すなわち、構造としては、光ファイバー１２の端部１２１ａ－０からナノ光ファイバー１１１に至り、さらに光ファイバー１２の端部１２１ｂ－０に至るまで、テーパー部１２２ａ－０およびテーパー部１２２ｂ－０を含むファイバー全体にわたって、コア径とクラッド径の比が一定またはほぼ一定である。端部１２１ａ－０，１２１ｂ－０のコアは、それぞれ、テーパー部１２２ａ－０，１２２ｂ－０のコアを介してナノ光ファイバー１１１のコアにつながっている。端部１２１ａ－０および端部１２１ｂ－０のクラッドは、それぞれ、テーパー部１２２ａ－０，１２２ｂ－０のクラッドを介してナノ光ファイバー１１１のクラッドにつながっている。例えば、ナノ光ファイバー１１１のコアは、テーパー部１２２ａ－０，１２２ｂ－０および端部１２１ａ－０，１２１ｂ－０のコアと一体である。ナノ光ファイバー１１１のクラッドは、テーパー部１２２ａ－０，１２２ｂ－０および端部１２１ａ－０，１２１ｂ－０のクラッドと一体である。ここで、端部１２１ａ－０のコアおよびクラッドの直径は、それぞれ、ナノ光ファイバー１３１－０のコアおよびクラッドの直径よりも大きく、テーパー部１２２ａ－０でのコアおよびクラッドの直径は、ナノ光ファイバー１１１側から端部１２１ａ－０側に向かうにつれて徐々に大きくなっている。同様に、端部１２１ｂ－０のコアおよびクラッドの直径は、それぞれ、ナノ光ファイバー１３１－０のコアおよびクラッドの直径よりも大きく、テーパー部１２２ｂ－０でのコアおよびクラッドの直径も、ナノ光ファイバー１１１側から端部１２１ｂ－０側に向かうにつれて徐々に大きくなっている。このような構造により、光ファイバー１２ではコアとクラッドの屈折率差によって光が閉じ込められ、ナノ光ファイバー１１１ではクラッドと真空の屈折率差によって光が閉じ込められ、それらをつなぐテーパー部１２２ａ－０およびテーパー部１２２ｂ－０ではコア・クラッド・真空の三層すべてが光の閉じ込めに寄与する。端部１２１ａ－０および端部１２１ｂ－０のコアには、生成する光子（単一光子）の波長を反射帯域に含んだファイバーブラッグ格子１２３ａ－０および１２３ｂ－０がそれぞれ設けられている。ファイバーブラッグ格子１２３ａ－０および１２３ｂ－０はミラーとして機能する。原子１１２は、公知のトラップ方法で、ナノ光ファイバー１１１の外側に配置される。原子１１２は、中性原子であってもよいし、イオンであってもよい。原子１１２は、例えば、セシウム原子である。原子１１２のトラップ位置の条件は、原子１３２－ｍが原子１１２に置換され、ナノ光ファイバー１３１－ｍがナノ光ファイバー１１１に置換されること以外、例えば、量子計算ユニット１３－ｍでの原子１３２－ｍのトラップ位置の条件と同じである。
【0037】
単一光子源１１による決定論的単一光子源の実現方法として最も簡単なのは、基底状態である１つの下準位｜ｇ〉と、励起状態である１つの上準位｜ｅ〉とを持つ２準位原子のパーセル効果に基づく方法である。すなわち、上述した光シフト光を照射するレーザー照射装置と同様に、図示していないレーザー照射装置によってコントロール光を原子１１２に照射する等の方法で原子１１２を上準位｜ｇ〉に励起させるだけで、端部１２１ａ－０から光ファイバー１２に光子１１１（単一光子）が自然放出される。しかし、２準位原子のパーセル効果に基づく方法では、光子１１１の波形を制御できない。Λ型３準位原子を用いると、光子１１１の波形を自在に制御可能となる。すなわち、初期状態としてコントロール光の振幅Ω＝０での暗状態｜ｕ，０〉としておき、Ωを十分ゆっくり０から∞に向けて変化させると、系の状態は暗状態のまま断熱的に｜ｇ，１〉となり、単一光子源１１内に光子１１１（単一光子）が生成され、端部１２１ａ－０から光ファイバー１２に光子１１１が放出される。ここで、コントロール光の振幅Ωの時間変化を介して光子の波形を制御できる。
【0038】
なお、本明細書における他の記載事項から分かるように、本明細書において「決定論的な構成」とは、理想的な条件下（実験的損失が無視できる状況）において１００％の確率を実現できる構成のことを指す。一例として、単一光子源１１は、理想的な条件下であれば１００％の確率で１光子状態を生成することができるため、単一光子源１１を「決定論的単一光子源」と呼ぶ。
【0039】
＜光スイッチ１４－ｍ＞
光スイッチ１４－ｍ（ｍ＝１，…，Ｍ）は、入射された光子を選択された光路に出射する装置である。入射される光子および出射した光子の伝搬は光ファイバー１２によって行われる。
光スイッチ１４－ｍ（ｍ＝１，…，Ｍ）は、入射された光子を選択された光路に出射する装置である。入射される光子および出射した光子の伝搬は光ファイバー１２によって行われる。
【0040】
＜半波長板１５－ｍ’＞
半波長板１５－ｍ’（ｍ’＝１，…，Ｍ＋１）は、入射された光子の状態をπ／２回転させて出射する装置である。入射される光子および出射した光子の伝搬は光ファイバー１２によって行われる。
半波長板１５－ｍ’（ｍ’＝１，…，Ｍ＋１）は、入射された光子の状態をπ／２回転させて出射する装置である。入射される光子および出射した光子の伝搬は光ファイバー１２によって行われる。
【0041】
＜偏光状態測定器１６＞
偏光状態測定器１６は、偏光ビームスプリッター１６ａ、および光検出器１６ｂ，１６ｃを有する。光ファイバー１２によって偏光状態測定器１６に入射された光子は偏光ビームスプリッター１６ａに入射され、偏光ビームスプリッター１６ａから出射された光子の横偏光｜ｈ〉成分は検出器１６ｂで検出され、縦偏光｜ｖ〉成分は検出器１６ｃで検出される。
偏光状態測定器１６は、偏光ビームスプリッター１６ａ、および光検出器１６ｂ，１６ｃを有する。光ファイバー１２によって偏光状態測定器１６に入射された光子は偏光ビームスプリッター１６ａに入射され、偏光ビームスプリッター１６ａから出射された光子の横偏光｜ｈ〉成分は検出器１６ｂで検出され、縦偏光｜ｖ〉成分は検出器１６ｃで検出される。
【0042】
＜量子計算装置１の動作＞
本実施形態の量子ゲートの基本となるのは、原子－光子間の量子ゲートである。すなわち、図５Ａに例示するように、光子１１１を量子計算ユニット１３－ｍ（共振器QED系）に入射する操作が、原子－光子間の量子ゲートに対応する。ここで、光子１１１を所定の状態（例えば、横偏光｜ｈ〉）に定め、量子ビットとして利用しない（例えば、途中で測定される）のであれば、量子計算ユニット１３－ｍでトラップされた複数の原子に対する操作は原子－原子間の量子ゲートである。例えば、量子計算ユニット１３－ｍでトラップされたＫ（ｍ）個の原子１３２－ｍから量子計算に使用するｘ個（ｘは２以上の整数）の原子（以下、「選択原子」という）を選択し、光シフト光を照射することで選択原子のみを共振器に結合させ、光子１１１を量子計算ユニット１３－ｍに入射させる。光シフト光は、遷移｜ｅ＞→｜ｇ＞の共鳴周波数から十分に離れた周波数の光（例えば、レーザー光）である。この光シフト光を原子に当てることで、原子の各準位のエネルギーをずらすことができ、このエネルギーのずれを「光シフト」という。遷移｜ｅ＞→｜ｇ＞の共鳴周波数から十分に離れた周波数の光シフト光を原子に照射すると、｜ｇ＞と｜ｅ＞のエネルギーがずれるので、それに合わせて遷移｜ｅ＞→｜ｇ＞の共鳴周波数も変化する。光シフトなしで遷移｜ｅ＞→｜ｇ＞が共振器に共鳴（結合）している場合、光シフト光を当てた原子だけ遷移｜ｅ＞→｜ｇ＞が共振器に共鳴しなくなるので、それらの原子と共振器との結合を選択的に「切る」ことができる。逆に光シフト光を当てない状態での遷移｜ｅ＞→｜ｇ＞の共鳴周波数に対して共振器の共鳴周波数をずらしておき、光シフト光を当てたときに遷移｜ｅ＞→｜ｇ＞の共鳴周波数が共振器に共鳴（結合）するように光シフト光の強度等を調整してもよい。これによって量子計算ユニット１３－ｍから光子１１１が反射された後の選択原子の状態（演算結果を表す状態）は、光子１１１を量子計算ユニット１３－ｍに入射させる前の選択原子の状態（被演算子を表す状態）に対して制御位相フリップゲート（以下、CPFゲート」という）（ｘ＝２の場合）またはｘビットの複数制御位相フリップゲート（ｘ－１個の量子ビットを制御ビットとする位相フリップゲート、以下「ｘビットのToffoliゲート」という）（ｘ≧３の場合）を作用させたものとなる（例えば、参考文献３等参照）。
本実施形態の量子ゲートの基本となるのは、原子－光子間の量子ゲートである。すなわち、図５Ａに例示するように、光子１１１を量子計算ユニット１３－ｍ（共振器QED系）に入射する操作が、原子－光子間の量子ゲートに対応する。ここで、光子１１１を所定の状態（例えば、横偏光｜ｈ〉）に定め、量子ビットとして利用しない（例えば、途中で測定される）のであれば、量子計算ユニット１３－ｍでトラップされた複数の原子に対する操作は原子－原子間の量子ゲートである。例えば、量子計算ユニット１３－ｍでトラップされたＫ（ｍ）個の原子１３２－ｍから量子計算に使用するｘ個（ｘは２以上の整数）の原子（以下、「選択原子」という）を選択し、光シフト光を照射することで選択原子のみを共振器に結合させ、光子１１１を量子計算ユニット１３－ｍに入射させる。光シフト光は、遷移｜ｅ＞→｜ｇ＞の共鳴周波数から十分に離れた周波数の光（例えば、レーザー光）である。この光シフト光を原子に当てることで、原子の各準位のエネルギーをずらすことができ、このエネルギーのずれを「光シフト」という。遷移｜ｅ＞→｜ｇ＞の共鳴周波数から十分に離れた周波数の光シフト光を原子に照射すると、｜ｇ＞と｜ｅ＞のエネルギーがずれるので、それに合わせて遷移｜ｅ＞→｜ｇ＞の共鳴周波数も変化する。光シフトなしで遷移｜ｅ＞→｜ｇ＞が共振器に共鳴（結合）している場合、光シフト光を当てた原子だけ遷移｜ｅ＞→｜ｇ＞が共振器に共鳴しなくなるので、それらの原子と共振器との結合を選択的に「切る」ことができる。逆に光シフト光を当てない状態での遷移｜ｅ＞→｜ｇ＞の共鳴周波数に対して共振器の共鳴周波数をずらしておき、光シフト光を当てたときに遷移｜ｅ＞→｜ｇ＞の共鳴周波数が共振器に共鳴（結合）するように光シフト光の強度等を調整してもよい。これによって量子計算ユニット１３－ｍから光子１１１が反射された後の選択原子の状態（演算結果を表す状態）は、光子１１１を量子計算ユニット１３－ｍに入射させる前の選択原子の状態（被演算子を表す状態）に対して制御位相フリップゲート（以下、CPFゲート」という）（ｘ＝２の場合）またはｘビットの複数制御位相フリップゲート（ｘ－１個の量子ビットを制御ビットとする位相フリップゲート、以下「ｘビットのToffoliゲート」という）（ｘ≧３の場合）を作用させたものとなる（例えば、参考文献３等参照）。
【0043】
参考文献３：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 (2015).
なお、光子１１１を量子計算ユニット１３－ｍに入射させる前の選択原子の状態は、初期化状態（例えば、すべての選択原子の状態を０の状態に初期化された状態）であってもよいし、初期化状態に対して１量子ビットゲート操作や複数量子ビットゲート操作が施された状態であってもよい。また原子－原子間の量子ゲートにおいて、光子１１１の状態は複数の量子計算ユニット１３－ｍをつなぐ役割を果たす。
なお、光子１１１を量子計算ユニット１３－ｍに入射させる前の選択原子の状態は、初期化状態（例えば、すべての選択原子の状態を０の状態に初期化された状態）であってもよいし、初期化状態に対して１量子ビットゲート操作や複数量子ビットゲート操作が施された状態であってもよい。また原子－原子間の量子ゲートにおいて、光子１１１の状態は複数の量子計算ユニット１３－ｍをつなぐ役割を果たす。
【0044】
また、図５Ｂに例示するように、光子１１１を回転角θ／２の半波長板１５－ｍに通すことは、光子１１１の状態をθ回転させることに対応する（例えば、参考文献３等参照）。本実施形態ではθ＝π／２の半波長板１５－ｍを用いる。
【0045】
本実施形態では、図示していない制御部で光スイッチ１４－ｍ（ｍ＝１，…，Ｍ）を操作することで、Ｍ個の量子計算ユニット１３－１～１３－Ｍから選択された複数個の量子計算ユニット１３－ｍを光学的に接続し、選択された複数個の量子計算ユニット１３－ｍを含む光回路に単一光子源１１から出射された光子（単一光子）１１１を入射することで分散型量子計算を行う。例えば、光スイッチ１４－ｍ（ｍ＝１，…，Ｍ）を操作することで、２個の量子計算ユニット１３－ｍ１および１３－ｍ２（ｍ１，ｍ２∈｛１，…，Ｍ｝）（第１量子計算ユニットおよび第２量子計算ユニット）を光学的に接続し、これらの２個の量子計算ユニット１３－ｍ１および１３－ｍ２を含む光回路に光子１１１を入射することで分散型量子計算を行う。
【0046】
図６の例では、光スイッチ１４－ｍ（ｍ＝１，…，Ｍ）を操作することで、量子計算ユニット１３－１および１３－Ｍが選択されている。以下、図６を用いて本実施形態の操作を例示する。まず、図示していないレーザー照射装置が光シフト光を照射し、量子計算ユニット１３－１にトラップされた複数の原子１３２－１から選択されたｘ１個の選択原子ｓａ１、および量子計算ユニット１３－Ｍにトラップされた複数の原子１３２－Ｍから選択されたｘＭ個の選択原子ｓａＭを各共振器に結合させる。この分散型量子計算で使用される量子ビット数はｘ１＋ｘＭである。ｘ１≧１，ｘＭ≧１であるが、ｘ１≧１かつｘＭ≧２であってもよいし、ｘ１≧２かつｘＭ≧１であってもよいし、ｘ１≧２かつｘＭ≧２であってもよい。量子計算ユニット１３－１および１３－Ｍにそれぞれトラップされた複数個の原子を用いて分散型量子計算を行う場合にはｘ１≧２，ｘＭ≧２となる。ｘ１≧１かつｘＭ≧２であってもよいし、ｘ１≧２かつｘＭ≧１であってもよい（ステップＳ１０）。この状態で以下の一連の操作を行う。
【0047】
（１）単一光子源１１で所定の状態（例えば、横偏光｜ｈ〉）の光子１１１（単一光子）を生成して端部１２１ａ－０から出射させる（ステップＳ１１）。
【0048】
（２）ステップＳ１１で単一光子源１１から出射された光子１１１を半波長板１５－１に入射させ、光子１１１の状態をπ／２回転させて出射させる（ステップＳ１２）。
【0049】
（３）ステップＳ１２で半波長板１５－１から出射された光子を量子計算ユニット１３－１の端部１２１ａ－１に入射させる（ステップＳ１３）。
【0050】
（４）ステップＳ１３の操作に対して量子計算ユニット１３－１の端部１２１ａ－１から出射された光子を半波長板１５－Ｍに入射させ、当該光子の状態をπ／２回転させて出射させる（ステップＳ１４）。
【0051】
（５）ステップＳ１４で半波長板１５－Ｍから出射された光子を量子計算ユニット１３－Ｍの端部１２１ａ－Ｍに入射させる（ステップＳ１５）。
【0052】
（６）ステップＳ１５の操作に対して量子計算ユニット１３－Ｍの端部１２１ａ－Ｍから出射された光子を半波長板１５－（Ｍ＋１）に入射させ、当該光子の状態をπ／２回転させて出射させる（ステップＳ１６）。
【0053】
（７）ステップＳ１６で半波長板１５－（Ｍ＋１）から出射された光子を偏光状態測定器１６に入射させ、当該光子の偏光状態を測定する。これにより、光子の状態が或る偏光状態に収縮し、この光子の状態と絡み合いの状態にある選択原子ｓａ１およびｓａＭの状態も当該光子の偏光状態の測定結果に応じて収縮する。そして、量子計算ユニット１３－１にトラップされた選択原子ｓａ１に対し、当該光子の偏光状態の測定結果に応じた回転操作を施す。すなわち、測定された光子の偏光状態がステップＳ１１の所定の状態（例えば、横偏光｜ｈ〉）であれば選択原子ｓａ１にπ回転操作（Ｚゲート操作）を行う。この回転操作は選択原子ｓａ１にコントロール光を照射することで実現できる。測定された光子の偏光状態がステップＳ１１の所定の状態でなければ（例えば、縦偏光｜ｖ〉であれば）選択原子ｓａ１に何の操作も行わない（ステップＳ１７）。
【0054】
上述のステップＳ１１～Ｓ１７の操作を施した選択原子ｓａ１および選択原子ｓａＭの状態は、当該操作を施す前の選択原子ｓａ１および選択原子ｓａＭの状態に対してCPFゲート（ｘ１＋ｘＭ＝２の場合）またはｘ１＋ｘＭビットのToffoliゲート（ｘ１＋ｘＭ≧３の場合）を作用させたものとなる。
【0055】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。以下では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、既に説明した事項については同じ参照番号を用いて説明を簡略化する。
次に、本発明の第２実施形態を説明する。以下では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、既に説明した事項については同じ参照番号を用いて説明を簡略化する。
【0056】
図７に例示するように、本実施形態の量子計算装置２は、単一光子源１１、Ｍ個の量子計算ユニット１３－１～１３－Ｍ、光スイッチ２４、半波長板１５－１～１５－Ｍ、および、光ファイバー１２を有する。
【0057】
＜光ファイバー１２＞
光ファイバー１２は、単一光子源１１、量子計算ユニット１３－１～１３－Ｍ、および光スイッチ２４を光学的に接続し、入射された光子を伝搬する。
光ファイバー１２は、単一光子源１１、量子計算ユニット１３－１～１３－Ｍ、および光スイッチ２４を光学的に接続し、入射された光子を伝搬する。
【0058】
＜光スイッチ２４＞
光スイッチ２４は、入射された光子を選択された光路に出射する装置である。光スイッチ２４への光子の伝搬および光スイッチ２４から量子計算ユニット１３－ｍへの光子の伝搬は光ファイバー１２によって行われる。
光スイッチ２４は、入射された光子を選択された光路に出射する装置である。光スイッチ２４への光子の伝搬および光スイッチ２４から量子計算ユニット１３－ｍへの光子の伝搬は光ファイバー１２によって行われる。
【0059】
＜量子計算装置２の動作＞
本実施形態では、図示していない制御部で光スイッチ２４を操作することで、Ｍ個の量子計算ユニット１３－１～１３－Ｍから選択された複数個の量子計算ユニット１３－ｍを光学的に接続し、選択された複数個の量子計算ユニット１３－ｍを含む光回路に、単一光子源１１から出射された光子１１１を入射することで分散型量子計算を行う。以下に動作例を示す。
本実施形態では、図示していない制御部で光スイッチ２４を操作することで、Ｍ個の量子計算ユニット１３－１～１３－Ｍから選択された複数個の量子計算ユニット１３－ｍを光学的に接続し、選択された複数個の量子計算ユニット１３－ｍを含む光回路に、単一光子源１１から出射された光子１１１を入射することで分散型量子計算を行う。以下に動作例を示す。
【0060】
＜動作例１＞
本実施形態の動作例１では、光スイッチ２４を操作することで、２個の量子計算ユニット１３－ｍ１および１３－ｍ２（ｍ１，ｍ２∈｛１，…，Ｍ｝）（第１量子計算ユニットおよび第２量子計算ユニット）を光学的に接続し、これらの２個の量子計算ユニット１３－ｍ１および１３－ｍ２を含む光回路に光子１１１を入射することで分散型量子計算を行う。図８の例では、光スイッチ２４を操作することで、量子計算ユニット１３－１および１３－２が選択されている。以下、図８を用いて動作例１の操作を例示する。まず、第１実施形態で説明したように、光シフト光の照射によって、量子計算ユニット１３－１にトラップされた複数の原子１３２－１から選択されたｘ１個の選択原子ｓａ１、量子計算ユニット１３－２にトラップされた複数の原子１３２－２から選択されたｘ２個の選択原子ｓａ２を各共振器に結合させる。この分散型量子計算で使用される量子ビット数はｘ１＋ｘ２である。ｘ１≧１，ｘ２≧１であるが、ｘ１≧１かつｘ２≧２であってもよいし、ｘ１≧２かつｘ２≧１であってもよいし、ｘ１≧２かつｘ２≧２であってもよい。量子計算ユニット１３－１および１３－２にそれぞれトラップされた複数個の原子を用いて分散型量子計算を行う場合にはｘ１≧２，ｘ２≧２となる（ステップＳ２０）。この状態で以下の一連の操作を行う。
本実施形態の動作例１では、光スイッチ２４を操作することで、２個の量子計算ユニット１３－ｍ１および１３－ｍ２（ｍ１，ｍ２∈｛１，…，Ｍ｝）（第１量子計算ユニットおよび第２量子計算ユニット）を光学的に接続し、これらの２個の量子計算ユニット１３－ｍ１および１３－ｍ２を含む光回路に光子１１１を入射することで分散型量子計算を行う。図８の例では、光スイッチ２４を操作することで、量子計算ユニット１３－１および１３－２が選択されている。以下、図８を用いて動作例１の操作を例示する。まず、第１実施形態で説明したように、光シフト光の照射によって、量子計算ユニット１３－１にトラップされた複数の原子１３２－１から選択されたｘ１個の選択原子ｓａ１、量子計算ユニット１３－２にトラップされた複数の原子１３２－２から選択されたｘ２個の選択原子ｓａ２を各共振器に結合させる。この分散型量子計算で使用される量子ビット数はｘ１＋ｘ２である。ｘ１≧１，ｘ２≧１であるが、ｘ１≧１かつｘ２≧２であってもよいし、ｘ１≧２かつｘ２≧１であってもよいし、ｘ１≧２かつｘ２≧２であってもよい。量子計算ユニット１３－１および１３－２にそれぞれトラップされた複数個の原子を用いて分散型量子計算を行う場合にはｘ１≧２，ｘ２≧２となる（ステップＳ２０）。この状態で以下の一連の操作を行う。
【0061】
（１）単一光子源１１で所定の状態（例えば、横偏光｜ｈ〉）の光子１１１を生成して端部１２１ａ－０から出射させる（ステップＳ１１）。
【0062】
（２）ステップＳ１１で単一光子源１１から出射された光子１１１を半波長板１５－１に入射させ、光子１１１の状態をπ／２回転させて出射させる（ステップＳ１２）。
【0063】
（３）ステップＳ１２で半波長板１５－１から出射された光子を量子計算ユニット１３－１の端部１２１ａ－１に入射させる（ステップＳ１３）。
【0064】
（４）ステップＳ１３の操作に対して量子計算ユニット１３－１の端部１２１ａ－１から出射された光子を半波長板１５－２に入射させ、当該光子の状態をπ／２回転させて出射させる（ステップＳ２４）。
【0065】
（５）ステップＳ２４で半波長板１５－２から出射された光子を量子計算ユニット１３－２の端部１２１ａ－２に入射させる（ステップＳ２５）。
【0066】
（６）ステップＳ２５の操作に対して量子計算ユニット１３－２の端部１２１ａ－２から出射された光子を半波長板１５－１に入射させ、当該光子の状態をπ／２回転させて出射させる（ステップＳ２６）。
【0067】
（７）ステップＳ２６で半波長板１５－１から出射された光子を量子計算ユニット１３－１の端部１２１ａ－１に再び入射させる（ステップＳ２７）。ステップＳ２７の操作に対し、量子計算ユニット１３－１の端部１２１ａ－１から光子が出射される。
【0068】
上述のステップＳ１１～Ｓ１３，Ｓ２４～Ｓ２７の操作を施した選択原子ｓａ１および選択原子ｓａ２の状態は、当該操作を施す前の選択原子ｓａ１および選択原子ｓａ２の状態に対してCPFゲート（ｘ１＋ｘ２＝２の場合）またはｘ１＋ｘ２ビットのToffoliゲート（ｘ１＋ｘ２≧３の場合）を作用させたものとなる。単一光子源１１から出射された光子の状態は操作前と変わらない。
【0069】
＜動作例２＞
本実施形態の動作例２では、光スイッチ２４を操作することで、３個の量子計算ユニット１３－ｍ１，１３－ｍ２，１３－ｍ３（ｍ１，ｍ２，ｍ３∈｛１，…，Ｍ｝）（第１量子計算ユニット、第２量子計算ユニット、および第３量子計算ユニット）を光学的に接続し、これらの３個の量子計算ユニット１３－ｍ１，１３－ｍ２，１３－ｍ３を含む光回路に光子１１１を入射することで分散型量子計算を行う。図９の例では、光スイッチ２４を操作することで、量子計算ユニット１３－１，１３－２，１３－３が選択されている。以下、図９を用いて動作例２の操作を例示する。
本実施形態の動作例２では、光スイッチ２４を操作することで、３個の量子計算ユニット１３－ｍ１，１３－ｍ２，１３－ｍ３（ｍ１，ｍ２，ｍ３∈｛１，…，Ｍ｝）（第１量子計算ユニット、第２量子計算ユニット、および第３量子計算ユニット）を光学的に接続し、これらの３個の量子計算ユニット１３－ｍ１，１３－ｍ２，１３－ｍ３を含む光回路に光子１１１を入射することで分散型量子計算を行う。図９の例では、光スイッチ２４を操作することで、量子計算ユニット１３－１，１３－２，１３－３が選択されている。以下、図９を用いて動作例２の操作を例示する。
【0070】
まず、第１実施形態で説明したように、光シフト光の照射によって、量子計算ユニット１３－１にトラップされた複数の原子１３２－１から選択されたｘ１個の選択原子ｓａ１、量子計算ユニット１３－２にトラップされた複数の原子１３２－２から選択されたｘ２個の選択原子ｓａ２、および量子計算ユニット１３－３にトラップされた複数の原子１３２－３から選択されたｘ３個の選択原子ｓａ３を各共振器に結合させる。この分散型量子計算で使用される量子ビット数はｘ１＋ｘ２＋ｘ３である。ｘ１≧１，ｘ２≧１，ｘ３≧１であるが、ｘ１，ｘ２，ｘ３の何れかが２以上であってもよいし、ｘ１≧２，ｘ２≧２，ｘ３≧２であってもよい（ステップＳ２０’）。この状態で以下の一連の操作を行う。
【0071】
（０）まず、動作例１のステップＳ１１～Ｓ１３，Ｓ２４～Ｓ２７の操作を行う。ただし、ステップＳ１２，Ｓ２４，Ｓ２６では、半波長板１５－１または半波長板１５－２が、光子１１１の状態をπ／２ではなくπ／４回転させる。ステップＳ２７の操作に対し、量子計算ユニット１３－１の端部１２１ａ－１から光子が出射される。ステップＳ２７で出射された光子を半波長板１５－３に入射させ、光子の状態をπ／４回転させて出射させる（ステップＳ２８）。
【0072】
（１）ステップＳ２８で半波長板１５－３から出射された光子を量子計算ユニット１３－３の端部１２１ａ－３に入射させる（ステップＳ２９）。
【0073】
（２）ステップＳ２９の操作に対して量子計算ユニット１３－３の端部１２１ａ－３から出射された光子を半波長板１５－１に入射させ、光子の状態をπ／４回転させて出射させる（ステップＳ１２’）。
【0074】
（３）ステップＳ１２’で半波長板１５－１から出射された光子を量子計算ユニット１３－１の端部１２１ａ－１に入射させる（ステップＳ１３’）。
【0075】
（４）ステップＳ１３’の操作に対して量子計算ユニット１３－１の端部１２１ａ－１から出射された光子を半波長板１５－２に入射させ、当該光子の状態をπ／４回転させて出射させる（ステップＳ２４’）。
【0076】
（５）ステップＳ２４’で半波長板１５－２から出射された光子を量子計算ユニット１３－２の端部１２１ａ－２に入射させる（ステップＳ２５’）。
【0077】
（６）ステップＳ２５’の操作に対して量子計算ユニット１３－２の端部１２１ａ－２から出射された光子を半波長板１５－１に入射させ、当該光子の状態をπ／４回転させて出射させる（ステップＳ２６’）。
【0078】
（７）ステップＳ２６’で半波長板１５－１から出射された光子を量子計算ユニット１３－１の端部１２１ａ－１に再び入射させる（ステップＳ２７’）。ステップＳ２７’の操作に対し、量子計算ユニット１３－１の端部１２１ａ－１から光子が出射される。
【0079】
上述のＳ１１～Ｓ１３，Ｓ２４～Ｓ２９，Ｓ１２’，Ｓ１３’，Ｓ２４’～Ｓ２７’の操作を施した選択原子ｓａ１，ｓａ２，ｓａ３の状態は、当該操作を施す前の選択原子ｓａ１，ｓａ２，ｓａ３の状態に対してｘ１＋ｘ２＋ｘ３ビットのToffoliゲートを作用させたものとなる。単一光子源１１から出射された光子の状態は操作前と変わらない。
【0080】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態を説明する。図１０に例示するように、本実施形態の量子計算装置３は、単一光子源１１、Ｍ個の量子計算ユニット１３－１～１３－Ｍ、光スイッチ２４、半波長板１５－１～１５－（Ｍ＋１）、偏光状態測定器１６、および、光ファイバー１２を有する。
次に、本発明の第３実施形態を説明する。図１０に例示するように、本実施形態の量子計算装置３は、単一光子源１１、Ｍ個の量子計算ユニット１３－１～１３－Ｍ、光スイッチ２４、半波長板１５－１～１５－（Ｍ＋１）、偏光状態測定器１６、および、光ファイバー１２を有する。
【0081】
＜量子計算装置３の動作＞
本実施形態では、図示していない制御部で光スイッチ２４を操作することで、３個の量子計算ユニット１３－ｍ１，１３－ｍ２，１３－ｍＭ（ｍ１，ｍ２，ｍＭ∈｛１，…，Ｍ｝）（第１量子計算ユニット、第２量子計算ユニット、および第３量子計算ユニット）を光学的に接続し、これらの３個の量子計算ユニット１３－ｍ１，１３－ｍ２，１３－ｍＭを含む光回路に光子１１１を入射することで分散型量子計算を行う。図１１の例では、光スイッチ２４を操作することで、量子計算ユニット１３－１，１３－２，１３－Ｍが選択されている。以下、図１１を用いて本実施形態の操作を例示する。
本実施形態では、図示していない制御部で光スイッチ２４を操作することで、３個の量子計算ユニット１３－ｍ１，１３－ｍ２，１３－ｍＭ（ｍ１，ｍ２，ｍＭ∈｛１，…，Ｍ｝）（第１量子計算ユニット、第２量子計算ユニット、および第３量子計算ユニット）を光学的に接続し、これらの３個の量子計算ユニット１３－ｍ１，１３－ｍ２，１３－ｍＭを含む光回路に光子１１１を入射することで分散型量子計算を行う。図１１の例では、光スイッチ２４を操作することで、量子計算ユニット１３－１，１３－２，１３－Ｍが選択されている。以下、図１１を用いて本実施形態の操作を例示する。
【0082】
まず、第１および２実施形態で説明したように、光シフト光の照射によって、選択されたｘ１個の選択原子ｓａ１、ｘ２個の選択原子ｓａ２、およびｘＭ個の選択原子ｓａＭを各共振器に結合させる。この状態で以下の一連の操作を行う。
【0083】
（０）まず、前述したステップＳ１１～Ｓ１３，Ｓ２４～Ｓ２９，Ｓ１２’，Ｓ１３’の操作を行う。ただし、ステップＳ１２，Ｓ２４，Ｓ２６では、半波長板１５－１または半波長板１５－２が、光子１１１の状態をπ／２ではなくπ／４回転させる。また、量子計算ユニット１３－３に代えて量子計算ユニット１３－Ｍが用いられる。
【0084】
（４）ステップＳ１３’の操作に対して量子計算ユニット１３－１の端部１２１ａ－１から出射された光子を半波長板１５－２に入射させ、当該光子の状態をπ／４回転させて出射させる（ステップＳ３４）。
【0085】
（５）ステップＳ３４で半波長板１５－２から出射された光子を量子計算ユニット１３－２の端部１２１ａ－２に入射させる（ステップＳ３５）。
【0086】
（６）ステップＳ３５の操作に対して量子計算ユニット１３－２の端部１２１ａ－２から出射された光子を半波長板１５－（Ｍ＋１）に入射させ、当該光子の状態をπ／４回転させて出射させる（ステップＳ３６）。
【0087】
（７）ステップＳ３６で半波長板１５－（Ｍ＋１）から出射された光子を偏光状態測定器１６に入射させ、当該光子の偏光状態を測定する。これにより、光子の状態が或る偏光状態に収縮し、この光子の状態と絡み合いの状態にある選択原子ｓａ１，ｓａ２，ｓａＭの状態も当該光子の偏光状態の測定結果に応じて収縮する。そして、第１実施形態で説明したように、量子計算ユニット１３－１にトラップされた選択原子ｓａ１に対し、当該光子の偏光状態の測定結果に応じた回転操作を施す（ステップＳ３７）。
【0088】
上述のＳ１１～Ｓ１３，Ｓ２４～Ｓ２９，Ｓ１２’，Ｓ１３’，Ｓ３４～Ｓ３７の操作を施した選択原子ｓａ１，ｓａ２，ｓａＭの状態は、当該操作を施す前の選択原子ｓａ１，ｓａ２，ｓａＭの状態に対してｘ１＋ｘ２＋ｘＭビットのToffoliゲートを作用させたものとなる。
【0089】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態を説明する。
次に、本発明の第４実施形態を説明する。
【0090】
図１２に例示するように、本実施形態の量子計算装置４は、Ｎ個の単一光子源４１－１～４１－Ｎ（単一光子源Ｓ（１），…，Ｓ（Ｎ））、Ｍ個の量子計算ユニット１３－１～１３－Ｍ（量子計算ユニットＵ（１），…，Ｕ（Ｍ））、光スイッチ４４、半波長板４５－１～４５－Ｙ、偏光状態測定器４６－１～４６－Ｎ、および、光ファイバー１２を有する。ただし、Ｎが２以上の整数であり、Ｍが２Ｎ以上の整数であり、Ｙが１以上の整数である。量子計算ユニット４３－ｍ（ｍ＝１，…，Ｍ）の構成は、第１実施形態の量子計算ユニット１３－ｍと同一である。単一光子源４１－ｊ（ｊ＝１，…，Ｎ）の構成は、第１実施形態の単一光子源１１と同一である。偏光状態測定器４６－ｊ（ｊ＝１，…，Ｎ）の構成も、第１実施形態の偏光状態測定器１６と同じである。半波長板４５－ｙ（ｙ＝１，…，Ｙ）の構成も、第１～３実施形態の何れかの半波長板１５－ｉ’（ｉ’∈｛１，…，Ｍ＋１｝）と同一である。光スイッチ４４は、入射された光子を選択された光路に出射する装置である。光スイッチ４４への光子の伝搬および光スイッチ４４から量子計算ユニット１３－ｍへの光子の伝搬は光ファイバー１２によって行われる。
【0091】
＜量子計算装置４の動作＞
本実施形態では、光スイッチ４４が各単一光子源４１－ｊ（ｊ＝１，…，Ｎ）並びに選択された２個の量子計算ユニット１３－α１（ｊ）および１３－α２（ｊ）の組を光学的に接続する。ただし、α１（ｊ），α２（ｊ）∈｛１，…，Ｍ｝であり、α１（ｊ）≠α２（ｊ）である。各単一光子源４１－ｊからは光子４１１－ｊ（単一光子）が出射される。ｊ＝１，…，Ｎについて、各単一光子源４１－ｊから出射された光子は、２個の量子計算ユニット１３－α１（ｊ）および１３－α２（ｊ）の組を含む光回路Ｃ（ｊ）にそれぞれ入射される。これにより、光回路Ｃ（１），…，Ｃ（Ｎ）による分散型量子計算が並列に行われる。各光回路Ｃ（ｊ）は、２個の量子計算ユニット１３－α１（ｊ）および１３－α２（ｊ）の組に加え、さらにもう1個の量子計算ユニット１３－α３（ｊ）（α３（ｊ）∈｛１，…，Ｍ｝，α１（ｊ）≠α２（ｊ）≠α３（ｊ））を含んでもよいし、１個以上の半波長板４５－ｙを含んでもよいし、偏光状態測定器４６－ｊを含んでもよい。光回路Ｃ（ｊ）に制限はないが、例えば、第１～３実施形態で例示した光回路（図６，図８，図９，図１１）を例示できる。各光回路Ｃ（ｊ）による分散型量子計算の具体例は、第１～３実施形態で例示した通りである。
本実施形態では、光スイッチ４４が各単一光子源４１－ｊ（ｊ＝１，…，Ｎ）並びに選択された２個の量子計算ユニット１３－α１（ｊ）および１３－α２（ｊ）の組を光学的に接続する。ただし、α１（ｊ），α２（ｊ）∈｛１，…，Ｍ｝であり、α１（ｊ）≠α２（ｊ）である。各単一光子源４１－ｊからは光子４１１－ｊ（単一光子）が出射される。ｊ＝１，…，Ｎについて、各単一光子源４１－ｊから出射された光子は、２個の量子計算ユニット１３－α１（ｊ）および１３－α２（ｊ）の組を含む光回路Ｃ（ｊ）にそれぞれ入射される。これにより、光回路Ｃ（１），…，Ｃ（Ｎ）による分散型量子計算が並列に行われる。各光回路Ｃ（ｊ）は、２個の量子計算ユニット１３－α１（ｊ）および１３－α２（ｊ）の組に加え、さらにもう1個の量子計算ユニット１３－α３（ｊ）（α３（ｊ）∈｛１，…，Ｍ｝，α１（ｊ）≠α２（ｊ）≠α３（ｊ））を含んでもよいし、１個以上の半波長板４５－ｙを含んでもよいし、偏光状態測定器４６－ｊを含んでもよい。光回路Ｃ（ｊ）に制限はないが、例えば、第１～３実施形態で例示した光回路（図６，図８，図９，図１１）を例示できる。各光回路Ｃ（ｊ）による分散型量子計算の具体例は、第１～３実施形態で例示した通りである。
【0092】
［その他の変形例］
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、量子計算ユニット１３－ｍの端部１２１ａ－ｍおよび端部１２１ｂ－ｍのコアに、ファイバーブラッグ格子１２３ａ－ｍおよび１２３ｂ－ｍがそれぞれ設けられる例を示した。しかしながら、端部１２１ａ－ｍのコアにファイバーブラッグ格子１２３ａ－ｍが設けられることに代えて、テーパー部１２２ａ－ｍまたはナノ光ファイバー１３１－ｍにファイバーブラッグ格子が設けられてもよい。同様に、端部１２１ｂ－ｍのコアにファイバーブラッグ格子１２３ｂ－ｍが設けられることに代えて、テーパー部１２２ｂ－ｍまたはナノ光ファイバー１３１－ｍにファイバーブラッグ格子が設けられてもよい。ただし、量子計算ユニット１３－ｍに設けられた２つのファイバーブラッグ格子の間のナノ光ファイバー領域に沿ってすべての原子１３２－ｍが配列されることが望ましい。すなわち、ナノ光ファイバー１３１－ｍ内を伝搬する光子に対するすべての原子１３２－ｍの位置でのエバネッセント場の強さが前述の条件を満たすことが望ましい。
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、量子計算ユニット１３－ｍの端部１２１ａ－ｍおよび端部１２１ｂ－ｍのコアに、ファイバーブラッグ格子１２３ａ－ｍおよび１２３ｂ－ｍがそれぞれ設けられる例を示した。しかしながら、端部１２１ａ－ｍのコアにファイバーブラッグ格子１２３ａ－ｍが設けられることに代えて、テーパー部１２２ａ－ｍまたはナノ光ファイバー１３１－ｍにファイバーブラッグ格子が設けられてもよい。同様に、端部１２１ｂ－ｍのコアにファイバーブラッグ格子１２３ｂ－ｍが設けられることに代えて、テーパー部１２２ｂ－ｍまたはナノ光ファイバー１３１－ｍにファイバーブラッグ格子が設けられてもよい。ただし、量子計算ユニット１３－ｍに設けられた２つのファイバーブラッグ格子の間のナノ光ファイバー領域に沿ってすべての原子１３２－ｍが配列されることが望ましい。すなわち、ナノ光ファイバー１３１－ｍ内を伝搬する光子に対するすべての原子１３２－ｍの位置でのエバネッセント場の強さが前述の条件を満たすことが望ましい。
【0093】
上述の実施形態では、単一光子源１１の端部１２１ａ－０および端部１２１ｂ－０のコアにファイバーブラッグ格子１２３ａ－０および１２３ｂ－０がそれぞれ設けられた例を示した。しかしながら、端部１２１ａ－０のコアにファイバーブラッグ格子１２３ａ－０が設けられることに代えて、テーパー部１２２ａ－０またはナノ光ファイバー１１１にファイバーブラッグ格子が設けられてもよい。同様に、端部１２１ｂ－０のコアにファイバーブラッグ格子１２３ｂ－０が設けられることに代えて、テーパー部１２２ｂ－０またはナノ光ファイバー１１１にファイバーブラッグ格子が設けられてもよい。ただし、単一光子源１１に設けられた２つのファイバーブラッグ格子の間のナノ光ファイバー領域に沿って原子１１２が配置されることが望ましい。すなわち、ナノ光ファイバー１１１内を伝搬する光子に対する原子１１２の位置でのエバネッセント場の強さが前述の条件を満たすことが望ましい。
【0094】
上述の実施形態では、ナノ光ファイバー１１１，１３１－ｍおよびテーパー部１２２ａ－０，１２２ｂ－０，１２２ａ－ｍ，１２２ｂ－ｍの周囲が真空状態であった。しかし、ナノ光ファイバー１１１，１３１－ｍおよびテーパー部１２２ａ－０，１２２ｂ－０，１２２ａ－ｍ，１２２ｂ－ｍの周囲は真空でなくてもよく、ナノ光ファイバー１１１，１３１－ｍおよびテーパー部１２２ａ－０，１２２ｂ－０，１２２ａ－ｍ，１２２ｂ－ｍのクラッドよりも屈折率が小さい空間であればよい。例えば、この空間が大気や窒素等の気体、あるいは水やアルコール等の液体で満たされていてもよい。また、上述の実施形態では、量子計算ユニット１３－ｍにおける「光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能する量子系」として原子１３２－ｍを用いた。しかしながら、原子１３２－ｍに代えて、原子１３２－ｍと同様の光学応答を示す、人工原子（例えば、量子ドット）や結晶中のカラーセンター（例えば、ダイヤモンド中のＮＶセンター）などの固体中の量子系が用いられてもよい（例えば、参考文献４，５等参照）。同様に、上述の実施形態では、単一光子源１１における「複数の準位を持つ量子系」として原子１１２を用いた。しかしながら、原子１１２に代えて、原子１１２と同様の光学応答を示す、人工原子（例えば、量子ドット）や結晶中のカラーセンター（例えば、ダイヤモンド中のＮＶセンター）などの固体中の量子系が用いられてもよい。このような場合、当該量子系を持つ固体がナノ光ファイバー１１１，１３１－ｍにそれぞれ固定されていてもよい。
【0095】
参考文献４：Ramachandrarao Yalla, Fam Le Kien, M Morinaga, K Hakuta, "Efficient Channeling of Fluorescence Photons From Single Quantum Dots Into Guided Modes of Optical Nanofiber," Phys Rev Lett. 2012 Aug 10;109(6):063602. doi: 10.1103/PhysRevLett.109.063602. Epub 2012 Aug 8.
参考文献５：Masazumi Fujiwara1, Kazuma Yoshida1, Tetsuya Noda, Hideaki Takashima, Andreas W Schell, Norikazu Mizuochi and Shigeki Takeuchi, "Manipulation of single nanodiamonds to ultrathin fiber-taper nanofibers and control of NV-spin states toward fiber-integrated λ-systems," Published 7 October 2016, Nanotechnology, Volume 27, Number 45.
このような固体のナノ光ファイバー１１１，１３１－ｍへの固定は、例えば、ファンデルワールス力によって可能である。また上述の実施形態では、Λ型３準位原子を例示したが、その他の３準位原子が用いられてもよいし、４準位以上を持つ原子が用いられてもよい。
参考文献５：Masazumi Fujiwara1, Kazuma Yoshida1, Tetsuya Noda, Hideaki Takashima, Andreas W Schell, Norikazu Mizuochi and Shigeki Takeuchi, "Manipulation of single nanodiamonds to ultrathin fiber-taper nanofibers and control of NV-spin states toward fiber-integrated λ-systems," Published 7 October 2016, Nanotechnology, Volume 27, Number 45.
このような固体のナノ光ファイバー１１１，１３１－ｍへの固定は、例えば、ファンデルワールス力によって可能である。また上述の実施形態では、Λ型３準位原子を例示したが、その他の３準位原子が用いられてもよいし、４準位以上を持つ原子が用いられてもよい。
【0096】
半波長板、単一光子源、および光状態測定器の個数に限定はなく、実現しようとする分散型量子計算に応じて適宜設定されればよい。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。
【0097】
［まとめ］
以下、各実施形態およびその変形例の特徴をまとめる。
以下、各実施形態およびその変形例の特徴をまとめる。
【0098】
前述したように、各実施形態の分散型量子計算のための量子計算ユニット１３－ｍは、入射された光子を伝搬する光ファイバー１２にテーパー部１２１ａ－ｍを介して光学的に接続されたナノ光ファイバー１３１－ｍと、ナノ光ファイバー１３１－ｍの外側に配置され、ナノ光ファイバーの長手方向に沿って間隔を置いて配置された複数の原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍとを有する。このようにナノ光ファイバー１３１－ｍを用いて共振器が構成されることで、原理的には小さなモード断面積を保ったまま、原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍがトラップされる領域の長さをいくらでも長くできる。また、入射された光子を伝搬する光ファイバー１２の端部１２１ａ－ｍに、テーパー部１２２ａ－ｍを介してナノ光ファイバー１３１－ｍを光学的に接続しているため、共振器の全損失を小さくできる。従って、共振器と個々の原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍとの結合レートｇを振幅緩和レートκおよび緩和レートγに対して十分に大きく保ったまま（すなわち、協同係数ＣをＴＨ１（第１閾値）よりも大きい状態を保ったまま）、多くの原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍをトラップすることができる。さらに、このような量子計算ユニット１３－ｍは、光ファイバー１２によって低損失で光学的に接続できるため、複数の量子計算ユニット１３－ｍを結合することで分散型量子計算のための決定論的な量子回路を構成できる。
【0099】
また前述のように、ナノ光ファイバー１３１－ｍ内を伝搬する光子に対する複数の原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍの位置でのエバネッセント場の強さは閾値ｔｈ２（第２閾値）以上であり、複数の原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍのそれぞれとナノ光ファイバー１３１－ｍとのファンデワールス力が閾値ｔｈ３（第３閾値）以下であることが望ましい。本形態ではナノ光ファイバー１３１－ｍを用いることで、結合レートｇを振幅緩和レートκおよび緩和レートγに対して十分に大きくしたまま、この条件で複数の原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍをナノ光ファイバー１３１－ｍの長手方向に沿って一列に並べることができる。原子ａ１－ｍ，…，ａＫ（ｍ）－ｍが一列に並べられることで、コントロール光を個々の原子に照射することが容易になる。
【0100】
以上のような特徴により、複数の原子をトラップした量子計算ユニットを複数個結合し、分散型量子計算を行うことが可能になる。例えば、複数の量子計算ユニットから選択した第１量子計算ユニットおよび第２量子計算ユニットを光学的に接続し、第１量子計算ユニットおよび第２量子計算ユニットを含む光回路に光子を入射することで分散型量子計算を行うことができる。
【0101】
例えば、図９および図１１に例示したように、複数の原子をトラップした３個の量子計算ユニット１３－１（第１量子計算ユニット），量子計算ユニット１３－２（第２量子計算ユニット），量子計算ユニット１３－３または１３－Ｍ（第３量子計算ユニット）を用いた分散型量子計算も可能である。
【0102】
例えば、図９に例示したように、光子を半波長板１５－１（第１半波長板）に入射させ、半波長板１５－１から出射された光子を量子計算ユニット１３－１（第１量子計算ユニット）に入射させ、量子計算ユニット１３－１から出射された光子を半波長板１５－２（第２半波長板）に入射させ、半波長板１５－２（第２半波長板）から出射された光子を量子計算ユニット１３－２（第２量子計算ユニット）に入射させ、量子計算ユニット１３－２から出射された光子を半波長板１５－１（第３半波長板）に入射させ、半波長板１５－１（第３半波長板）から出射された光子を量子計算ユニット１３－１に入射させ、量子計算ユニット１３－１から出射された光子を半波長板１５－３（第４半波長板）に入射させ、半波長板１５－３（第４半波長板）から出射された光子を量子計算ユニット１３－３（第３量子計算ユニット）に入射させ、量子計算ユニット１３－３から出射された光子を半波長板１５－１（第５半波長板）に入射させ、半波長板１５－１（第５半波長板）から出射された光子を量子計算ユニット１３－１に入射させ、量子計算ユニット１３－１から出射された光子を半波長板１５－２（第６半波長板）に入射させ、半波長板１５－２（第６半波長板）から出射された光子を量子計算ユニット１３－２に入射させ、量子計算ユニット１３－２から出射された光子を半波長板１５－１（第７半波長板）に入射させ、半波長板１５－１（第７半波長板）から出射された光子を量子計算ユニット１３－１に入射させることで分散型量子計算を行うこともできる。なお、半波長板１５－１，１５－２，１５－３（第１～７半波長板）は入射された光子の状態をπ／４回転させて出射する。図９の例では、半波長板１５－１を第１，３，５，７半波長板として使用し、半波長板１５－２を第２，６半波長板として使用し、半波長板１５－３を第４半波長板として使用した。しかしこれは本発明を限定するものではない。例えば、１個の半波長板を第１～７半波長板として使用してもよいし、７個の半波長板を第１～７半波長板として使用してもよいし、その他任意の個数の半波長板を第１～７半波長板として使用してもよい。すなわち、第１～７半波長板は互いに同一であってもよいし、互いに同一でなくてもよいし、第１～７半波長板の一部のみが互いに同一であってもよい。
【0103】
例えば、図１１に例示したように、光子を半波長板１５－１（第１半波長板）に入射させ、半波長板１５－１（第１半波長板）から出射された光子を量子計算ユニット１３－１（第１量子計算ユニット）に入射させ、量子計算ユニット１３－１から出射された光子を半波長板１５－２（第２半波長板）に入射させ、半波長板１５－２（第２半波長板）から出射された光子を量子計算ユニット１３－２（第２量子計算ユニット）に入射させ、量子計算ユニット１３－２から出射された光子を半波長板１５－１（第３半波長板）に入射させ、半波長板１５－１（第３半波長板）から出射された光子を量子計算ユニット１３－１に入射させ、量子計算ユニット１３－１から出射された光子を半波長板１５－３（第４半波長板）に入射させ、半波長板１５－３（第４半波長板）から出射された光子を量子計算ユニット１３－Ｍ（第３量子計算ユニット）に入射させ、量子計算ユニット１３－Ｍから出射された光子を半波長板１５－１（第５半波長板）に入射させ、半波長板１５－１（第５半波長板）から出射された光子を量子計算ユニット１３－１に入射させ、量子計算ユニット１３－１から出射された光子を半波長板１５－Ｍ（第６半波長板）に入射し、半波長板１５－Ｍ（第６半波長板）から出射された光子を量子計算ユニット１３－２に入射し、量子計算ユニット１３－２から出射された光子を半波長板１５－（Ｍ＋１）（第７半波長板）に入射し、半波長板１５－（Ｍ＋１）（第７半波長板）から出射された光子の量子状態を測定し、測定結果に応じて量子計算ユニット１３－１の原子に回転操作を行うことで分散型量子計算を行うこともできる。なお、半波長板１５－１，１５－２，１５－３，１５－（Ｍ＋１）（第１～７半波長板）は入射された光子の状態をπ／４回転させて出射する。図１１の例では、半波長板１５－１を第１，３，５半波長板として使用し、半波長板１５－２を第２，６半波長板として使用し、半波長板１５－３を第４半波長板として使用し、半波長板１５－（Ｍ＋１）を第７半波長板として使用した。しかしこれは本発明を限定するものではない。例えば、１個の半波長板を第１～７半波長板として使用してもよいし、７個の半波長板を第１～７半波長板として使用してもよいし、その他任意の個数の半波長板を第１～７半波長板として使用してもよい。すなわち、第１～７半波長板は互いに同一であってもよいし、互いに同一でなくてもよいし、第１～７半波長板の一部のみが互いに同一であってもよい。
【0104】
また、第４実施形態で説明したように、量子計算装置４が、Ｎ個の単一光子源４１－１～４１－Ｎ（単一光子源Ｓ（１），…，Ｓ（Ｎ））と、Ｍ個の量子計算ユニット１３－１～１３－Ｍ（量子計算ユニットＵ（１），…，Ｕ（Ｍ））と、単一光子源４１－ｊ並びに２個の量子計算ユニット１３－α１（ｊ）および１３－α２（ｊ）（Ｕ（α１（ｊ））およびＵ（α２（ｊ）））の組を光学的に接続する光スイッチ４４と、を有し、ｊ＝１，…，Ｎについて、単一光子源４１－ｊから出射された光子を、２個の１３－α１（ｊ）および１３－α２（ｊ）の組を含む光回路Ｃ（ｊ）にそれぞれ入射することで、光回路Ｃ（１），…，Ｃ（Ｎ）による分散型量子計算を並列に行うこともできる。
【0105】
また、各実施形態およびその変形例では、光子の波長を反射帯域に含んだファイバーブラッグ格子が光ファイバーまたはナノ光ファイバーに設けられており、ファイバーブラッグ格子が光子を反射するミラーとして機能する。これにより、光ファイバーまたはナノ光ファイバーの加工のみによりミラーを設けることができる。
【0106】
また、各実施形態の単一光子源１１，４１－１～４１－Ｎは、光子を伝搬する光ファイバーにテーパー部１２２ａ－０を介して光学的に接続されたナノ光ファイバー１１１と、ナノ光ファイバー１１１の外側に配置された原子１１２とを有する。ナノ光ファイバー１１１がテーパー部１２２ａ－０を介して光ファイバーに光学的に接続されているため、生成した単一光子を効率よく光ファイバーに供給することができる。
【0107】
また前述したように、原子が人工原子（例えば、量子ドット）や結晶中のカラーセンター（例えば、ＮＶセンター）などの量子系に置換されてもよい。すなわち、量子計算ユニットは、入射された光子を伝搬する光ファイバーにテーパー部を介して光学的に接続されたナノ光ファイバーと、ナノ光ファイバーの外側に配置され、当該ナノ光ファイバーの長手方向に沿って間隔を置いて配置された複数の量子系を持てばよい。ただし、少なくとも何れかの量子系は、光子の状態と相互作用する量子ビットとして機能する。好ましくは、複数の量子系すべてが光子の状態と相互作用することが望ましい。また、単一光子源は、光子を伝搬する光ファイバーにテーパー部を介して光学的に接続されたナノ光ファイバーと、ナノ光ファイバーの外側に配置された、複数の準位を持つ量子系とを持てばよい。前述のように、当該量子系は、例えば、原子、人工原子、量子ドット、結晶中のカラーセンター（例えば、ＮＶセンター）の少なくとも何れかを含む。
【符号の説明】
【0108】
１～４ 量子計算装置
１３－ｍ 量子計算ユニット
１１，４１－ｊ 単一光子源
１３－ｍ 量子計算ユニット
１１，４１－ｊ 単一光子源
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】