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特表2024-502721量子コンピューティング・デバイス、その使用、および方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-01-23
(54)【発明の名称】量子コンピューティング・デバイス、その使用、および方法
(51)【国際特許分類】
G06N 10/20 20220101AFI20240116BHJP
G06F 7/38 20060101ALI20240116BHJP
G06E 3/00 20060101ALI20240116BHJP
【ＦＩ】
G06N10/20
G06F7/38 510
G06E3/00
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023536141
(86)(22)【出願日】2021-12-06
(85)【翻訳文提出日】2023-08-04
(86)【国際出願番号】 EP2021084363
(87)【国際公開番号】W WO2022128565
(87)【国際公開日】2022-06-23
(31)【優先権主張番号】20214187.5
(32)【優先日】2020-12-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】507054917
【氏名又は名称】ウニヴェルズィテート シュトゥットガルト
(74)【代理人】
【識別番号】100120031
【弁理士】
【氏名又は名称】宮嶋 学
(74)【代理人】
【識別番号】100107582
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 毅
(74)【代理人】
【識別番号】100118843
【弁理士】
【氏名又は名称】赤岡 明
(74)【代理人】
【識別番号】100213654
【弁理士】
【氏名又は名称】成瀬 晃樹
(72)【発明者】
【氏名】フロリアン、マイネルト
(72)【発明者】
【氏名】ティルマン、プファウ
(72)【発明者】
【氏名】クリスティアン、ヘルツル
(57)【要約】
本発明は、第１の電子状態、第２の電子状態、および第３の電子状態を有する少なくとも１つの原子であって、第３の電子状態が、リュードベリ電子状態である、少なくとも１つの原子と、電磁放射線を放射して、少なくとも１つの原子のうちの１つまたは複数を捕捉するように構成された光学捕捉デバイスとを備え、光学捕捉デバイスが、捕捉波長において電磁放射線を放射するように構成され、第１の電子状態、第２の電子状態、およびリュードベリ電子状態が、捕捉波長に対して実質的に等しいＡＣ分極率を有する、量子コンピューティング・デバイスに関する。本発明はまた、量子コンピューティング・デバイスの使用および量子コンピューティングのための方法に関する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の電子状態、第２の電子状態、および第３の電子状態を有する少なくとも１つの原子（１８）であって、前記第３の電子状態が、リュードベリ電子状態である、少なくとも１つの原子（１８）と、電磁放射線を放射して、前記少なくとも１つの原子（１８）のうちの１つまたは複数を捕捉するように構成された光学捕捉デバイスとを備え、
前記光学捕捉デバイスが、捕捉波長において前記電磁放射線を放射するように構成され、前記第１の電子状態、前記第２の電子状態、および前記リュードベリ電子状態が、前記捕捉波長に対して実質的に等しいＡＣ分極率を有する、
量子コンピューティング・デバイス（１）。
【請求項2】
前記第１の電子状態が、第１の微細構造電子状態であり、前記第２の電子状態が、第２の微細構造電子状態であり、また、任意選択で、
前記第１の電子状態および前記第２の電子状態が、同じ電子軌道の電子状態である、請求項１に記載の量子コンピューティング・デバイス（１）。
【請求項3】
少なくとも１つのリュードベリ励起ビームを放射するように構成されたリュードベリ励起ユニット（２１）であって、２つ以上の捕捉された原子（１８）に前記少なくとも１つのリュードベリ励起ビームを放射して、前記原子間の相互作用のオンとオフとを切り替えるように構成されたリュードベリ励起ユニット（２１）をさらに備える、請求項１または２に記載の量子コンピューティング・デバイス（１）。
【請求項4】
少なくとも２つのラマン・レーザ・ビームを放射するように構成されたラマン結合ユニット（２２）であって、前記少なくとも１つの捕捉された原子（１８）に前記少なくとも２つのラマン・レーザ・ビームを放射するように構成されたラマン結合ユニット（２２）をさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の量子コンピューティング・デバイス（１）。
【請求項5】
前記光学捕捉デバイスが、少なくとも１つの集束レーザ・ビームを放射するように構成された少なくとも１つの集束レーザ・ビーム・ユニットをさらに備え、前記少なくとも１つの集束レーザ・ビームが、前記少なくとも１つの原子（１８）を捕捉するように構成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の量子コンピューティング・デバイス（１）。
【請求項6】
前記少なくとも１つの集束レーザ・ビーム・ユニットが、少なくとも１つの電磁放射線ビームを放射するように構成されたレーザ光源（１０）と、
少なくとも１つの音響光学変調器および／または少なくとも１つの音響光学偏向器（１１）を備えた音響光学変調器アレイであって、前記少なくとも１つの電磁放射線ビームを少なくとも部分的に受け取って回折して、少なくとも１つの中間ビームを形成するように構成された音響光学変調器アレイと、
前記少なくとも１つの中間ビームの方向を、優先的には動的に、調節するように構成された光学組合せユニット（１２）と、
前記少なくとも１つの中間ビームを集束させて、前記少なくとも１つの集束レーザ・ビームを形成するように構成された集束光学系（１３）と
を備える、請求項５に記載の量子コンピューティング・デバイス（１）。
【請求項7】
前記少なくとも１つの集束レーザ・ビームの偏光状態を調節するように構成された偏光ユニット（１４）をさらに備える、請求項５または６に記載の量子コンピューティング・デバイス（１）。
【請求項8】
前記光学捕捉デバイスが、２次元または３次元アレイ（１５）の位置において前記少なくとも１つの原子（１８）を捕捉するように構成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の量子コンピューティング・デバイス（１）。
【請求項9】
前記１つまたは複数の捕捉された原子（１８）の空間位置を調節して、少なくとも１つの単一量子ビット・ゲートおよび／または少なくとも１つの２量子ビット・ゲートおよび／または少なくとも１つの多量子ビット・ゲートを形成するように構成され、および／または、前記１つまたは複数の捕捉された原子（１８）の空間位置を調節して、前記少なくとも１つの単一量子ビット・ゲートおよび／または前記少なくとも１つの２量子ビット・ゲートおよび／または前記少なくとも１つの多量子ビット・ゲートの間で切り替えるように構成されている、請求項１から８のいずれか一項に記載の量子コンピューティング・デバイス（１）。
【請求項10】
前記１つまたは複数の捕捉された原子（１８）のデータを決定するように構成された読み出しユニットであって、少なくとも１つの読み出しビームを放射して、前記１つまたは複数の捕捉された原子（１８）に蛍光を引き起こすように構成された少なくとも１つの読み出しレーザと、
前記引き起こされた蛍光を観察して、前記１つまたは複数の捕捉された原子（１８）のデータを読み出すように構成された検出ユニット（２０）と
を備える読み出しユニットをさらに備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の量子コンピューティング・デバイス（１）。
【請求項11】
前記少なくとも１つの原子（１８）が、少なくとも１つのストロンチウム原子および／または少なくとも１つのイッテルビウム原子を含んでもよく、および／または前記少なくとも１つの原子（１８）が、少なくとも１つの中性原子を含んでもよい、請求項１から１０のいずれか一項に記載の量子コンピューティング・デバイス（１）。
【請求項12】
前記少なくとも１つの原子（１８）を複数備えた原子リザーバ（１７）をさらに備え、前記原子リザーバ（１７）が、前記光学捕捉デバイスに前記少なくとも１つの原子（１８）を提供するように構成されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載の量子コンピューティング・デバイス（１）。
【請求項13】
第１の微細構造電子状態３Ｐ０、第２の微細構造電子状態３Ｐ２、およびリュードベリ電子状態ｎ３Ｓ１を有する少なくとも１つのストロンチウム原子であって、ｎが７８の値を有する、少なくとも１つのストロンチウム原子と、５９６ｎｍの捕捉波長を有する少なくとも１つの集束レーザ・ビームを放射して、前記少なくとも１つのストロンチウム原子のうちの１つまたは複数を捕捉するように構成された光学捕捉デバイスとを備え、
ｎが７８の値を有する、前記第１の微細構造電子状態３Ｐ０、前記第２の微細構造電子状態３Ｐ２、および前記リュードベリ電子状態ｎ３Ｓ１が、５９６ｎｍの前記捕捉波長に対して実質的に等しいＡＣ分極率を有する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の量子コンピューティング・デバイス（１）。
【請求項14】
量子コンピューティングを実行するための、請求項１から１３のいずれか一項に記載の量子コンピューティング・デバイス（１）の使用。
【請求項15】
第１の電子状態、第２の電子状態、および第３の電子状態を有する少なくとも１つの原子（１８）を提供するステップであって、前記第３の電子状態が、リュードベリ電子状態である、ステップと、電磁放射線を放射して、前記少なくとも１つの原子（１８）のうちの１つまたは複数を捕捉するステップであって、前記１つまたは複数の原子（１８）が捕捉波長における電磁放射線を使用して捕捉される、ステップとを含み、
前記第１の電子状態、前記第２の電子状態、および前記リュードベリ電子状態が、前記捕捉波長に対して、実質的に等しいＡＣ分極率を有する、
量子コンピューティングのための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、量子コンピューティング・デバイス、量子コンピューティング・デバイスの使用、および量子コンピューティングのための方法に関する。
【背景技術】
【0002】
本発明は、量子コンピューティングの分野、特に、中性原子を使用した量子コンピューティングの分野に位置する。具体的には、従来の量子コンピューティング・システムは、近年、５０を超える量子ビットのもつれ、および９９．５％の２量子ビット演算に対する忠実度（ＳＰＡＭ訂正された）が示された、イオン量子ビットまたは超伝導量子ビットの使用に基づいている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
したがって、本発明の目的は、改善された動作特性を有する量子コンピューティング・デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0004】
少なくとも上記目的は、それぞれ、独立請求項の特徴を有する、量子コンピューティング・デバイス、量子コンピューティング・デバイスの使用、および量子コンピューティングのための方法によって解決される。好適な実施形態は、従属請求項の主題を形成する。
【0005】
一態様は、第１の電子状態、第２の電子状態、および第３の電子状態を有する少なくとも１つの原子であって、第３の電子状態が、リュードベリ電子状態である、少なくとも１つの原子と、電磁放射線を放射して、少なくとも１つの原子のうちの１つまたは複数を捕捉するように構成された光学捕捉デバイスとを備え、光学捕捉デバイスが、捕捉波長において電磁放射線を放射するように構成され、第１の電子状態、第２の電子状態、およびリュードベリ電子状態が、捕捉波長に対して実質的に等しいＡＣ分極率を有する、量子コンピューティング・デバイスに関する。そのような捕捉波長はまた、魔法捕捉波長とも呼ばれることがある。
【0006】
少なくとも１つの原子は、任意の数の原子を含んでもよい。少なくとも１つの原子は、１種の原子または複数種の原子を含んでもよい。言い換えれば、少なくとも１つの原子は、単一の元素および／または同位体の原子のみを含んでもよいし、複数の元素および／または同位体の原子を含んでもよい。少なくとも１つの原子は、たとえば、少なくとも１つのアルカリ土類金属原子および／または少なくとも１つのランタノイド原子を含んでもよい。少なくとも１つの原子は、少なくとも１つのストロンチウム原子および／または少なくとも１つのイッテルビウム原子を含んでもよい。具体的には、たとえば、ストロンチウムおよびイッテルビウムなどの一部の原子は、狭線幅レーザ冷却遷移をもたらし、これにより、熱誘起位相不整合の強力な抑制が可能となる。しかしながら、本開示は、そのような原子の選択肢に制限されていない。具体的には、第１の電子状態、第２の電子状態、およびリュードベリ電子状態が実質的に等しいＡＣ分極率を有する、適切な捕捉波長を計算できれば、どのような原子種および／または原子の同位体が使用されてもよい。
【0007】
少なくとも１つの原子は、少なくとも１つの中性原子を含んでもよい。具体的には、中性原子、特に、同じ元素の中性原子は、そのような中性原子に基づく量子ビットの対応する量子ビット周波数が、そのような量子ビットのそれぞれに対して実質的に同じとなるように同一である。これにより、さもなくば、異種の量子ビットに対処することが必要となり得る、制御系の複雑性の還元を達成することができる。少なくとも１つの原子は、冷却、好ましくはレーザ冷却されてもよい。具体的には、少なくとも１つの原子は、マイクロケルビンの範囲内の温度まで、優先的には、たとえば、１ｍＫ～０．０１ｍＫの範囲内の温度まで冷却されてもよい。また、熱誘起位相不整合を低減および／または防止するために、少なくとも１つの原子は、光学捕捉デバイスによって捕捉された後、さらに冷却されて、少なくとも１つの捕捉された原子を、光学捕捉デバイスによって放射された電磁放射線によって生成された対応する光トラップの最低の量子力学的振動状態にしてもよい。具体的には、量子コンピューティング・デバイスは、少なくとも１つの原子の前記さらなる冷却を実行するように構成されたさらなる冷却ユニットをさらに備えてもよく、このさらなる冷却ユニットは、たとえば、サイドバンド冷却によって少なくとも１つの原子をさらに冷却するように構成されてもよい。そのようなサイドバンド冷却は、具体的には、上述の狭線幅レーザ冷却遷移を使用してもよい。
【0008】
量子コンピューティング・デバイスは、原子リザーバをさらに備えてもよく、この原子リザーバは、少なくとも１つの原子を複数備えてもよい。原子リザーバは、これら複数の少なくとも１つの原子を冷却するために、レーザ冷却ユニットなどの少なくとも１つの冷却ユニットをさらに備えてもよい。原子リザーバは、光学捕捉デバイスに少なくとも１つの原子を提供するように構成されてもよい。具体的には、原子リザーバは、光学捕捉デバイスに向けられた少なくとも１つの原子の冷却原子ビームを生成するように構成されてもよい。量子コンピューティング・デバイスは、中間トラップ・デバイスをさらに備えてもよく、この中間トラップ・デバイスは、冷却原子ビームの少なくとも１つの原子を捕獲するように構成された１つまたは複数の磁気光学トラップ（ＭＯＴ：ｍａｇｎｅｔｏ－ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｐ）を備える。また、中間トラップ・デバイスは、光学捕捉デバイスに少なくとも１つの捕獲された原子を提供するようにさらに構成されてもよい。具体的には、光学捕捉デバイスは、中間トラップ・デバイスに捕獲された少なくとも１つの原子から少なくとも１つの原子を捕捉するように構成されてもよい。したがって、光学捕捉デバイスへの捕捉される原子の効率的な供給を実現することが可能となる。具体的には、原子リザーバは、交換可能および／または再充填可能なカートリッジとして構成されてもよい。
【0009】
第１の電子状態は、第１の微細構造電子状態であってもよい。第２の電子状態は、第２の微細構造電子状態であってもよい。第１の電子状態および第２の電子状態は、同じ電子軌道の電子状態であってもよい。第１の微細構造電子状態および第２の微細構造電子状態は、対応する原子の、たとえば、３Ｐ軌道などの同じ電子軌道の微細構造電子状態であってもよい。そのような場合、第１の電子状態は３Ｐ０の電子状態であってもよく、第２の電子状態は３Ｐ２の電子状態であってもよく、３Ｐ０の電子状態および３Ｐ２の電子状態は、持続性の電子状態の対を形成する。しかしながら、本開示は、そのような例に限定されると解釈されるべきではなく、たとえば、他の持続性の電子状態の対が使用されてもよい。
【0010】
第３の電子状態は、リュードベリ電子状態であってもよい。具体的には、第３の電子状態は、対応する原子のイオン化エネルギーを伴うイオン状態に収束するため、リュードベリの公式に従うエネルギーを伴う電子励起状態であってもよい。具体的には、第３の電子状態は、高主量子数を有する電子励起状態であってもよい。具体的には、主量子数は、少なくとも２０、優先的には少なくとも４０であってもよく、また、最大でも１５０、優先的には最大でも１００であってもよい。
【0011】
具体的には、リュードベリ電子状態は、電場に対して、また、リュードベリ電子状態を有する隣接する原子に対して感受性があってもよい。したがって、２つのリュードベリ原子間の相互作用は、強力で、ｎ１１を有するスケールとなり得、ｎは、主量子数である。そのような場合、相互作用は、約１０マイクロメートルの間隔で、最大約１００ＭＨｚの値を達成し得る。さらに、リュードベリ電子状態の寿命は、主量子数に伴って延び得、最大１００マイクロ秒超の値に達し得る。しかしながら、本明細書に記載の光学捕捉デバイスを使用すると、対応する量子ビットのコヒーレンス時間は、１０ミリ秒超までさらに増加され得、量子コンピューティングに対する新たなアルゴリズム手法が可能となる。さらに、本明細書に記載される光学捕捉デバイスを使用すると、第１の電子状態、第２の電子状態、および第３の電子状態（リュードベリ電子状態）が捕捉されるように、少なくとも１つの原子を捕捉することが可能となり得る。これは、たとえば、少なくとも第３の電子状態もまた捕捉されないことがあり、その結果、リュードベリ電子状態にある間に原子が失われる可能性がある、外殻に１つの電子を有する少なくとも一部のアルカリ原子と対照的である。
【0012】
具体的には、捕捉された１つまたは複数の原子のそれぞれは、単一量子ビットに対応し得る。各量子ビットは、｜０＞および｜１＞という２つの状態を含んでもよく、｜０＞および｜１＞は、第１および第２の電子状態を示す。
【0013】
具体的には、そのような第１の電子状態、第２の電子状態、および第３の電子状態を使用すると、対応する量子ビットのコヒーレンス時間が、たとえば、最大１０ミリ秒超など、大幅に増加され得る。さらに、そのような大幅に増加されたコヒーレンス時間は、量子コンピューティング・デバイスによるアルゴリズムおよび／または量子ビット・ゲート動作の実行中および／または合間でさえ、１つまたは複数の量子ビットの空間的再配置および／または幾何学形状の変更を可能にする。具体的には、１つまたは複数の量子ビットの再配置および／または幾何学形状の変更を可能にすることにより、Ｎ量子ビット・ゲートと呼ばれる３つ以上の量子ビットを有するゲートを実現することが可能となり得る。さらに、１つまたは複数の量子ビットの再配置および／または幾何学形状の変更を可能にすることにより、量子ビット間の接続性を大幅に増大させることも可能となり得る。したがって、動的に調節可能な量子コンピューティング・アーキテクチャを提供することによる、新たな量子アルゴリズムの可能性が存在し得る。
【0014】
光学捕捉デバイスは、捕捉波長において電磁放射線を放射するように構成されている。具体的には、捕捉波長は、第１の電子状態、第２の電子状態、および第３の電子状態が、前記放射された電磁放射線に曝露されたときに、実質的に同じＡＣ分極率を有する、特定の波長である。言い換えれば、放射された電磁放射線は、トラップ電位を生成し、第１の電子状態、第２の電子状態、および第３の電子状態は、それぞれ、放射された電磁放射線に曝露されたときに、実質的に同じトラップ電位を受ける。実質的に同じトラップ電位とは、この場合、放射された電磁放射線に曝露されたときに、第１の電子状態、第２の電子状態、および第３の電子状態のそれぞれによって受けられたトラップ電位が、最大でも約ｈ×１００Ｈｚ（ｈはプランク定数）、優先的には最大でも約ｈ×７５ＨＺ、さらに優先的には最大でも約ｈ×５０Ｈｚだけ異なるようなものであると理解され得る。具体的には、典型的なトラップ電位の場合（たとえば、約１ｍＫ温度相当）、前記放射された電磁放射線に曝露されたときの、第１の電子状態、第２の電子状態、および第３の電子状態のＡＣ分極率は、最大でも約１０－４、優先的には最大でも約１０－５、さらに優先的には最大でも約１０－６だけ異なり得る。
【0015】
具体的には、対応する電磁放射線に曝露されたときに電子状態によって受けられるトラップ電位が、計算されてもよい。したがって、対応する計算を実行することによって、所与の原子種および／または原子の同位体に対する捕捉波長および対応する電子状態を決定することが可能となり得る。具体的には、前記計算は、原子物理学の標準的な計算に基づいてもよく、たとえば、状態エネルギーおよび／または状態幅などの複数の入力パラメータを必要とし得、これらのうちのいくつかまたはすべてが、測定または電子構造計算によって得られ得る。さらに、捕捉波長を決定するための計算は、量子ビット自体に対する魔法捕捉波長の可同調性を必要とし得、対応する電磁放射線、たとえば、レーザ光の波長と、分極率、たとえば、レーザ分極率とが、前記可同調性の対応する制御変数となり得る。言い換えれば、対応する量子ビットおよび／または原子の捕捉波長を決定するための計算は、前記捕捉波長が、分極依存性であるという決定を含み得る。
【0016】
量子コンピューティング・デバイスは、少なくとも１つのリュードベリ励起ビームを放射するように構成されたリュードベリ励起ユニットをさらに備えてもよい。具体的には、リュードベリ励起ユニットは、２つ以上の捕捉された原子に少なくとも１つのリュードベリ励起ビームを放射して、これらの原子間の相互作用のオンとオフとを切り替えるように構成されてもよい。そのような切り替えは、ナノ秒以内に達成され得る。したがって、特に、非常に短い時間フレーム内に１つまたは複数の捕捉された原子を、複数もつれさせ、および／またはそれらのもつれを除去することが可能となり得る。具体的には、少なくとも１つの原子が、少なくとも１つのストロンチウム原子を含む場合、リュードベリ励起ユニットは、３１７ｎｍおよび／または３２３ｎｍの波長を有する少なくとも１つのリュードベリ励起ビームを放射するように構成されてもよい。リュードベリ励起ユニットは、少なくとも１つのリュードベリ励起ビームを放射するように構成されたリュードベリ・レーザを備えてもよい。リュードベリ励起ユニットは、２つ以上の捕捉された原子に少なくとも１つのリュードベリ励起ビームを直接放射するように構成されてもよいし、光ガイドおよび／またはミラーなどの１つまたは複数の光学素子を使用して２つ以上の捕捉された原子に少なくとも１つのリュードベリ励起ビームを放射するように構成されてもよい。リュードベリ励起ユニットは、第１の電子状態および第２の電子状態の第３の電子状態への直接的な１光子結合を引き起こすように構成されてもよい。この結合を通して、従来の２光子結合と比較して発熱率が強力に抑制された、急速リュードベリ・ゲートを実装することが可能となり得る。
【0017】
量子コンピューティング・デバイスは、ラマン結合ユニットをさらに備えてもよく、このラマン結合ユニットは、少なくとも２つのラマン・レーザ・ビームを放射するように構成されている。ラマン結合ユニットは、少なくとも２つのラマン・レーザ・ビームを重畳して１つの合成されたラマン・レーザ・ビームとするように構成されてもよい。ラマン結合ユニットは、少なくとも１つのラマン・レーザを備えてもよい。ラマン結合ユニットは、少なくとも１つの捕捉された原子に少なくとも２つのラマン・レーザ・ビームを放射するように構成されてもよい。具体的には、少なくとも１つの原子が、少なくとも１つのストロンチウム原子を含む場合、ラマン結合ユニットは、６７９ｎｍおよび７０７ｎｍの波長を有する少なくとも２つのラマン・レーザ・ビームを放射するように構成されてもよい。ラマン結合ユニットは、１つまたは複数の捕捉された原子に少なくとも２つのラマン・レーザ・ビームを直接放射するように構成されてもよいし、光ガイドおよび／またはミラーなどの１つまたは複数の光学素子を使用して、１つまたは複数の捕捉された原子に少なくとも２つのラマン・レーザ・ビームを放射するように構成されてもよい。
【0018】
ラマン結合ユニットは、少なくとも２つのラマン・レーザ・ビームを放射して、１０ナノ秒以内に、遠く離調されたラマン結合を使用して少なくとも１つの単一原子ゲートを実行するように構成されてもよい。ラマン結合ユニットは、少なくとも１つの捕捉された原子のそれぞれに少なくとも２つのラマン・レーザ・ビームを放射するように構成されてもよく、ラマン結合ユニットは、少なくとも１つの捕捉された原子に、逐次的および／または並列に（たとえば、少なくとも２つのラマン・ビームを扇状に広げて複数のラマン・ビームとすることによって）少なくとも２つのラマン・レーザ・ビームを放射するように構成されてもよい。
【0019】
具体的には、少なくとも１つのラマン・レーザおよび／または少なくとも１つのリュードベリ・レーザは、１５Ｈｚよりも小さい、優先的には１０Ｈｚよりも小さい位相安定性を有してもよい。
【0020】
光学捕捉デバイスは、少なくとも１つの集束レーザ・ビームを放射するように構成された少なくとも１つの集束レーザ・ビーム・ユニットをさらに備えてもよく、少なくとも１つの集束レーザ・ビームは、少なくとも１つの原子を捕捉するように構成されている。具体的には、少なくとも１つの集束レーザ・ビームは、少なくとも１つの光ピンセットとして機能し得る。具体的には、少なくとも１つの集束レーザ・ビームは、捕捉波長を有してもよい。各集束レーザ・ビームは、少なくとも１ｍＷ、好ましくは少なくとも５ｍＷ、さらに好ましくは少なくとも１０ｍＷの電力を有してもよい。
【0021】
少なくとも１つの集束レーザ・ビーム・ユニットは、少なくとも１つの電磁放射線ビームを放射するように構成されたレーザ光源を備えてもよく、このレーザ光源は、少なくとも１つのレーザを備えてもよい。少なくとも１つの集束レーザ・ビーム・ユニットは、具体的には、捕捉波長においてなど、１つまたは複数の波長および／または周波数において電磁放射線を放射するように構成されてもよい。レーザ光源は、少なくとも０．０１Ｗ、好ましくは少なくとも１Ｗ、さらに好ましくは少なくとも１０Ｗの、少なくとも１つの電磁放射線ビームを放射してもよい。レーザ光源は、約１０Ｈｚ～１０ｋＨｚの線幅を有してもよい。レーザ光源は、周波数倍増されてもよい。
【0022】
少なくとも１つの集束レーザ・ビーム・ユニットは、音響光学変調器アレイをさらに備えてもよく、この音響光学変調器アレイは、少なくとも１つの音響光学変調器および／または少なくとも１つの音響光学偏向器を備えてもよい。音響光学変調器アレイは、少なくとも１つの電磁放射線ビームを少なくとも部分的に受け取って回折して、少なくとも１つの中間ビームを形成するように構成されてもよい。各音響光学変調器および／または音響光学偏向器は、対応する少なくとも１つの中間ビームを、実質的に等しく離隔された、および／または実質的に並列のビームの列として形成するように構成されてもよい。追加または代替として、各音響光学変調器および／または音響光学偏向器は、対応する少なくとも１つの中間ビームを、可変離隔されたビームの列として形成するように構成されてもよく、これらの可変離隔されたビームは、可変離隔されたビームのそれぞれの列の他のビームと比較してより近くに離隔されたビームのビーム・サブグループを形成してもよく、各音響光学変調器および／または音響光学偏向器は、可変離隔されたビームの列のビーム間隔を制御するように構成されてもよい。２つ以上の音響光学変調器および／または２つ以上の音響光学偏向器は、それらの各々の生成されたビームの列が、それぞれ、好ましくは直角に、交差するように配置されてもよい。音響光学変調器アレイは、少なくとも２つの、優先的には少なくとも５つの、さらに好適には少なくとも１０個の、さらに好適には少なくとも２０個の音響光学変調器および／または音響光学偏向器を備えてもよい。具体的には、少なくとも１つの音響光学変調器および／または少なくとも１つの音響光学偏向器は、別々に、または組み合わせて制御されるように構成されてもよい。具体的には、少なくとも１つの音響光学変調器および／または少なくとも１つの音響光学偏向器は、たとえば、約８０ＭＨｚの中心周波数を有するマルチトーンＲＦ信号によって制御されて、少なくとも１つの中間ビームを形成してもよい。具体的には、少なくとも１つの音響光学変調器および／または少なくとも１つの音響光学偏向器は、１つの中間ビームが、マルチトーンＲＦ信号の各ＲＦ成分に対して形成されるように、マルチトーンＲＦ信号によって制御可能であってもよい。具体的には、少なくとも１つの音響光学変調器および／または少なくとも１つの音響光学偏向器は、少なくとも１つの形成された中間ビームの方向が、マルチトーンＲＦ信号の対応するＲＦ成分によって決定および／または変更され得るように、マルチトーンＲＦ信号によって制御可能であってもよい。
【0023】
しかしながら、本開示は、音響光学変調器および／または音響光学偏向器に限定されるものと解釈されるべきではない。具体的には、前記音響光学変調器の代わりに、および／またはそれと並行して、たとえば、電気光学変調器、ピエゾ・ミラー、微小電気機械デバイス、および／または空間光変調器などの他の光学素子が使用されてもよい。
【0024】
少なくとも１つの集束レーザ・ビーム・ユニットは、追加の走査光学系ユニットをさらに備えてもよく、この追加の走査光学系ユニットは、少なくとも１つの中間ビームの方向を、優先的には動的に、調節するように構成されてもよい。具体的には、追加の走査光学系ユニットは、たとえば、複数のミラーを備えてもよく、複数のミラーの位置および傾きは、少なくとも１つの中間ビームの方向を調節するために変更可能であってもよい。
【0025】
少なくとも１つの集束レーザ・ビーム・ユニットは、集束光学系をさらに備えてもよく、この集束光学系は、少なくとも１つの中間ビームを集束させて、少なくとも１つの集束レーザ・ビームを形成するように構成されてもよい。具体的には、集束光学系は、顕微鏡を含んでもよい。しかしながら、追加または代替として、少なくとも１つの中間ビームを集束させて、少なくとも１つの集束レーザ・ビームを形成する他の手段が使用されてもよい。
【0026】
光学捕捉デバイスは、２次元または３次元アレイの位置において少なくとも１つの原子を捕捉するようにさらに構成されてもよい。原子は、２次元または３次元アレイにおける隣接する原子間の間隔が、約１０マイクロメートルとなるように、捕捉されてもよい。具体的には、原子は、２次元または３次元アレイにおける隣接する原子間の間隔が、少なくとも約１マイクロメートル、優先的には少なくとも約２マイクロメートル、また、最大でも約１５マイクロメートル、優先的には最大でも約１０マイクロメートルとなるように捕捉されてもよい。具体的には、前記隣接する原子間の最大間隔は、対応するリュードベリ相互作用の強さの低減、したがって間隔の増加に伴う遅いゲート時間に応じて決定されてもよく、および／または集束光学系の視界に応じて決定されてもよい。前記隣接する原子間の最小間隔は、少なくとも１つの音響光学変調器および／もしくは少なくとも１つの音響光学偏向器の帯域幅に応じて決定されてもよく、および／または集束光学系の分解能に応じて決定されてもよい。さらに、光学捕捉デバイスは、少なくとも１つの集束レーザ・ビームのそれぞれ１つを用いて１つの原子を捕捉するように構成されてもよい。代替として、光学捕捉デバイスは、少なくとも１つの集束レーザ・ビームを用いて少なくとも最小数の原子を捕捉するように構成されてもよい。光学捕捉デバイスは、たとえば、上述のように、マルチトーンＲＦ信号の１つまたは複数のＲＦ成分を調節することによって少なくとも１つの中間ビームの方向を調節することなどにより、１つまたは複数の捕捉された原子の位置を調節するように構成されてもよい。したがって、具体的には、約１００マイクロ秒未満の時間スケール内で１つまたは複数の捕捉された原子の位置を調節することが可能となり得る。したがって、具体的には、改善された効率的な捕捉プロセスを提供することが可能となり得る。優先的には、少なくとも１０個、さらに優先的には少なくとも５０個、さらに優先的には少なくとも１００個、さらに優先的には少なくとも５００個の原子が、２次元または３次元アレイの位置において、好ましくは実質的に同時に捕捉されてもよい。
【0027】
光学捕捉デバイスは、たとえば、１０マイクロ秒当たり最大でも約１マイクロメートルの最大シフト速度において、１つまたは複数の捕捉された原子の位置を調節するように構成されてもよい。具体的には、最大シフト速度についての時間スケールは、光学捕捉デバイスによって捕捉された原子の調和振動周波数によって決定されてもよく、そのような調和振動周波数は、たとえば、およそ１００ｋＨｚであってもよい。具体的には、最大シフト速度についての長さスケールは、少なくとも１つの集束レーザ・ビームのサイズまたは断面直径によって決定されてもよく、そのような断面直径は、およそ１マイクロメートルであってもよい。具体的には、そのような最大シフト速度を実装することにより、その位置の調節中に捕捉された原子が失われないことを確実にすることが可能となり得る。
【0028】
量子コンピューティング・デバイスは、１つまたは複数の捕捉された原子の空間位置を調節して、少なくとも１つの単一量子ビット・ゲートおよび／または少なくとも１つの２量子ビット・ゲートおよび／または少なくとも１つの多量子ビット・ゲートを形成するようにさらに構成されてもよい。具体的には、光学捕捉デバイスは、１つまたは複数の捕捉された原子の空間位置を調節するように構成されてもよく、ラマン結合ユニットおよび／またはリュードベリ励起ユニットは、１つまたは複数の捕捉された原子間のもつれの状態を調節して、少なくとも１つの単一量子ビット・ゲートおよび／または少なくとも１つの２量子ビット・ゲートおよび／または少なくとも１つの多量子ビット・ゲートを形成するように構成されてもよい。さらに、各２量子ビット・ゲートおよび／または多量子ビット・ゲートは、少なくとも１つの量子ビットおよび少なくとも１つの制御量子ビットを含んでもよい。たとえば、（２＋１）量子ビット・ゲートは、２つの量子ビットおよび１つの制御量子ビットを含んでもよい。さらに、少なくとも１つの単一量子ビット・ゲートおよび／または少なくとも１つの２量子ビット・ゲートおよび／または少なくとも１つの多量子ビット・ゲートの組合せによって、複雑な計算および／またはＣＮＯＴゲートなどの論理ゲートが実装されてもよい。
【0029】
具体的には、量子コンピューティング・デバイスは、１つまたは複数の捕捉された原子の空間位置を調節して、少なくとも１つの単一量子ビット・ゲートおよび／または少なくとも１つの２量子ビット・ゲートおよび／または少なくとも１つの多量子ビット・ゲートの間で切り替えるように構成されてもよい。したがって、量子コンピューティング・デバイスは、量子コンピューティング・デバイスの動作中に２次元および／または３次元アレイにおける量子ビット・ゲートの組成を動的に調節できてもよい。
【0030】
さらに、捕捉波長において光学捕捉デバイスを作動させることによって、１つまたは複数の捕捉された原子のコヒーレンス時間が大幅に改善される。特に、光学捕捉デバイスを作動させて、捕捉波長において電磁放射線を放射することによって、３つの電子状態すべての関連する位相の位相不整合が最小限に抑えられ得、それにより、前記コヒーレンス時間が改善され得る。具体的には、それをもって、最大１０ミリ秒を超える任意のコヒーレンス時間を達成することが可能となり得る。したがって、そのような改善されたコヒーレンス時間に基づいて、ゲート動作の合間など、量子コンピューティング動作が２次元または３次元アレイ上で実行されている間に、特定の捕捉された原子の位置および／またはもつれ状態を動的に変更することが可能となり得る。さらに、そのような改善されたコヒーレンス時間に基づいて、量子ビット間の接続性が、大幅に改善され得る。
【0031】
量子コンピューティング・デバイスは、偏光ユニットをさらに備えてもよく、この偏光ユニットは、少なくとも１つの集束レーザ・ビームの経路に沿って、少なくとも１つの集束レーザ・ビーム・ユニットと２次元および／または３次元アレイの位置との間に少なくとも部分的に配置されてもよい。具体的には、偏光ユニットは、少なくとも１つの集束レーザ・ビームの偏光状態を調節するように構成されてもよい。偏光ユニットは、たとえば、直線偏光子および／または円偏光子を備えてもよい。
【0032】
量子コンピューティング・デバイスは、たとえば、対応する捕捉された原子の量子ビット状態など、１つまたは複数の捕捉された原子のデータを決定するように構成された読み出しユニットをさらに備えてもよい。読み出しユニットは、少なくとも１つの読み出しビームを放射して、１つまたは複数の捕捉された原子に蛍光を引き起こすように構成された少なくとも１つの読み出しレーザを備えてもよい。具体的には、読み出しユニットは、量子ビットのデータの状態依存的な読み出しを実行するように構成されてもよい。具体的には、少なくとも１つの原子が、少なくとも１つのストロンチウム原子を含む場合、ストロンチウムの既存の強い遷移１Ｓ０－１Ｐ１（４６１ｎｍ）が、蛍光を引き起こすために使用されてもよい。さらに、遷移１Ｓ０－３Ｐ１（６８９ｎｍ）および遷移３Ｐｊ－３Ｓ１（６７９ｎｍ、６８８ｎｍ、７０７ｎｍ）が、量子ビットのデータの状態依存的な読み出しを実行するために使用されてもよい。さらに、遷移１Ｓ０－３Ｐ１（６８９ｎｍ）が、量子ビットのデータの読み出し中に原子を冷却するために使用されてもよく、そのような冷却は、データの読み出しの効率性を向上させ得る。具体的には、少なくとも１つの読み出しレーザは、少なくとも１つのラマンベースのレーザおよび／または少なくとも１つのラマン・レーザを備えてもよい。さらに、読み出しユニットは、引き起こされた蛍光を観察して、１つまたは複数の捕捉された原子のデータを読み出すように構成された検出ユニットを備えてもよい。検出ユニットは、引き起こされた蛍光を検出可能な任意のタイプのセンサを備えてもよい。具体的には、検出ユニットは、たとえば、ＥＭＣＣＤカメラなどのＣＣＤを備えてもよい。したがって、特に、高忠実度で、優先的には少なくとも０．９９９９の忠実度で、優先的には少なくとも０．９９９９９の忠実度で、１つまたは複数の捕捉された原子のデータを決定することが可能となり得る。
【0033】
レーザ光源および／または少なくとも１つの読み出しレーザおよび／またはレーザ冷却ユニットおよび／またはラマン・レーザおよび／またはリュードベリ・レーザのうちの１つまたは複数が、固体レーザおよび／またはファイバ・レーザとして実装されてもよい。しかしながら、代わりにまたは追加として、他のタイプのレーザが実装されてもよい。さらに、レーザ光源および／または少なくとも１つの読み出しレーザおよび／またはレーザ冷却ユニットおよび／またはラマン・レーザおよび／またはリュードベリ・レーザは、コヒーレントな電磁放射線を放射するように構成されてもよい。レーザ光源および／または少なくとも１つの読み出しレーザおよび／またはレーザ冷却ユニットおよび／またはラマン・レーザおよび／またはリュードベリ・レーザのうちの１つまたは複数は、周波数倍増されてもよい。
【0034】
量子コンピューティング・デバイスは、真空セルをさらに備えてもよく、この真空セルは、１つまたは複数の捕捉された原子の少なくとも２次元または３次元アレイを実質的に完全に取り囲むように構成されてもよい。真空セルは、約１０－１１ｍｂａｒ未満、優先的には約１０－１２ｍｂａｒ未満の真空を保持するように構成されてもよい。したがって、具体的には、少なくとも約１０秒の光学捕捉デバイスによって捕捉される原子の真空制限された保持時間が可能となり得る。
【0035】
優先的な実施形態では、量子コンピューティング・デバイスは、第１の微細構造電子状態３Ｐ０、第２の微細構造電子状態３Ｐ２、およびリュードベリ電子状態ｎ３Ｓ１を有する少なくとも１つのストロンチウム原子であって、ｎが７８の例示的な値を有する、少なくとも１つのストロンチウム原子と、５９６ｎｍの捕捉波長を有する少なくとも１つの集束レーザ・ビームを放射して、少なくとも１つのストロンチウム原子のうちの１つまたは複数を捕捉するように構成された光学捕捉デバイスとを備え、ｎが７８の例示的な値を有する、第１の微細構造電子状態３Ｐ０、第２の微細構造電子状態３Ｐ２、およびリュードベリ電子状態ｎ３Ｓ１は、５９６ｎｍの捕捉波長に対して実質的に等しいＡＣ分極率を有する。
【0036】
一態様は、量子コンピューティング・デバイスの使用に関する。具体的には、量子コンピューティング・デバイスは、本明細書で論じられ、および／または図面に示される特徴の任意の組合せを含んでもよい。
【0037】
さらなる一態様は、第１の電子状態、第２の電子状態、および第３の電子状態を有する少なくとも１つの原子を提供するステップであって、第３の電子状態が、リュードベリ電子状態である、ステップを含む量子コンピューティングのための方法に関する。量子コンピューティングのための方法は、電磁放射線を放射して、少なくとも１つの原子のうちの１つまたは複数を捕捉するステップであって、１つまたは複数の原子が、捕捉波長における電磁放射線を使用して捕捉され、第１の電子状態、第２の電子状態、およびリュードベリ電子状態が、捕捉波長に対して実質的に等しいＡＣ分極率を有する、ステップをさらに含む。
【0038】
具体的には、本方法は、上記で量子コンピューティング・デバイスおよび／または量子コンピューティング・デバイスの使用に関して論じられたように、１つまたは複数の特徴を含んでもよい。
【0039】
本発明は、図面に示される例示的な説明のための実施形態を使用してさらに説明される。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】量子コンピューティング・デバイスの概略図である。
【図3A】光学捕捉デバイスを使用して捕捉された原子のトラップ電位についての概略図である。
【図3B】光学捕捉デバイスを使用して捕捉された原子のトラップ電位についての概略図である。
【図3C】光学捕捉デバイスを使用して捕捉された原子のトラップ電位についての概略図である。
【図4A】量子コンピューティング・デバイスによって達成可能な複数の例示的な量子ビット配置を示す図である。
【図4B】量子コンピューティング・デバイスによって達成可能な複数の例示的な量子ビット配置を示す図である。
【図4C】量子コンピューティング・デバイスによって達成可能な複数の例示的な量子ビット配置を示す図である。
【図5A】（３＋１）量子ビット配置を生成するための量子コンピューティング・デバイスの例示的な動作を示す図である。
【図5B】（３＋１）量子ビット配置を生成するための量子コンピューティング・デバイスの例示的な動作を示す図である。
【図6】ストロンチウムの捕捉波長を計算するグラフィカル表現である。
【発明を実施するための形態】
【0041】
図１は、例示的な量子コンピューティング・デバイス１の概略図を示す。
【0042】
量子コンピューティング・デバイス１は、図１において冷却原子ビームとして示されている、少なくとも１つの原子１８を備える。少なくとも１つの原子１８は、第１の電子状態、第２の電子状態、および第３の電子状態を有し、第３の電子状態は、リュードベリ電子状態である。
【0043】
図示される実施形態において、少なくとも１つの原子１８は、１種のストロンチウム原子を含み、これらのストロンチウム原子は、帯電していない。具体的には、ストロンチウムは、狭線幅レーザ冷却遷移をもたらし、これにより、熱誘起位相不整合の強力な抑制が可能となる。
【0044】
量子コンピューティング・デバイス１は、原子リザーバ１７をさらに備え、この原子リザーバ１７は、少なくとも１つの原子１８を複数備える。原子リザーバ１７は、少なくとも１つの原子１８を冷却して磁気光学トラップ内で捕獲するために、レーザ冷却ユニットなど、少なくとも１つの冷却ユニット（図示されず）をさらに備えてもよい。原子リザーバ１７は、捕捉される少なくとも１つの原子１８を、光学捕捉デバイスに提供するように構成されている。具体的には、図示される例において、原子リザーバ１７は、光学捕捉デバイスに向けられた少なくとも１つの原子１８の冷却原子ビームを生成するように構成されている。
【0045】
図示される例では、第１の電子状態は、３Ｐ０の電子状態であり、第２の電子状態は、３Ｐ２の電子状態であり、３Ｐ０の電子状態および３Ｐ２の電子状態は、持続性の電子状態の対を形成する。第３の電子状態は、ｎ３Ｓ１のリュードベリ電子状態であり、この特定の例では、ｎは７８の値を有する。
【0046】
量子コンピューティング・デバイス１は、電磁放射線を放射して、少なくとも１つの原子１８のうちの１つまたは複数を捕捉するように構成された光学捕捉デバイスをさらに備え、光学捕捉デバイスは、捕捉波長において電磁放射線を放射するように構成されており、第１の電子状態、第２の電子状態、およびリュードベリ電子状態は、捕捉波長に対して実質的に等しいＡＣ分極率を有する。図示される例では、捕捉波長は、５９６ｎｍである。
【0047】
光学捕捉デバイスは、少なくとも１つの集束レーザ・ビームを放射するように構成された少なくとも１つの集束レーザ・ビーム・ユニットをさらに備え、この少なくとも１つの集束レーザ・ビームは、少なくとも１つの原子を捕捉するように構成されている。少なくとも１つの集束レーザ・ビーム・ユニットは、少なくとも１つの電磁放射線ビームを放射するように構成されたレーザ光源１０を備える。少なくとも１つの集束レーザ・ビーム・ユニットは、具体的には捕捉波長においてなど、１つまたは複数の波長および／または周波数において電磁放射線を放射するように構成されてもよいが、図示される例では、集束レーザ・ビーム・ユニットは、捕捉波長のみにおいて電磁放射線を放射するように構成されている。
【0048】
少なくとも１つの集束レーザ・ビーム・ユニットは、音響光学変調器アレイをさらに備え、この音響光学変調器アレイは、少なくとも１つの音響光学変調器および／または少なくとも１つの音響光学偏向器１１を備えてもよい。例示的な音響光学変調器アレイは、４つの音響光学偏向器１１を備えているが、それよりも多いまたは少ない音響光学偏向器１１が実装されてもよい。音響光学変調器アレイは、少なくとも１つの電磁放射線ビームを少なくとも部分的に受け取って回折して、少なくとも１つの中間ビームを形成するように構成されてもよい。例示的な音響光学偏向器１１のそれぞれは、対応する少なくとも１つの中間ビームを、可変離隔されたビームの列として形成するように構成されている。さらに、図示される例示的な実施形態では、各音響光学偏向器１１は、別々に制御されるように構成されている。
【0049】
具体的には、少なくとも１つの集束レーザ・ビーム・ユニットは、レーザ光源１０と音響光学変調器アレイとの間にある少なくとも１つの電磁放射線ビームの光学経路に配置されたビーム分割ユニットをさらに備えてもよい。ビーム分割ユニットは、少なくとも１つの電磁放射線ビームを分割して複数のサブビームとするように構成されてもよく、各サブビームは、音響光学偏向器１１のうちの１つに向けられる。具体的には、ビーム分割ユニットは、少なくとも１つの電磁放射線ビームを分割して等しい強度を有する複数のサブビームとするように構成されてもよい。具体的には、代替として、ビーム分割ユニットは、少なくとも１つの電磁放射線ビームを分割して異なる強度を有する複数のサブビームとするように構成されてもよく、ビーム分割ユニットは、２つ以上のサブビーム間の強度比を調節するように構成されてもよい。ビーム分割ユニットは、たとえば、ミラー、プレート型ビーム・スプリッタ、および／またはキューブ型ビーム・スプリッタなど、複数のビーム分割素子を備えてもよい。
【0050】
いくつかの実施形態では、ビーム分割ユニットが実装され得るが、すべての実施形態において必要ではない場合もあることに留意されたい。たとえば、レーザ光源１０が、音響光学偏向器１１のそれぞれに対して少なくとも１つの電磁放射線ビームを放射するように構成されている場合、ビーム分割ユニットは必要ではないこともある。
【0051】
少なくとも１つの集束レーザ・ビーム・ユニットは、光学組合せユニット１２をさらに備え、この光学組合せユニット１２は、少なくとも１つの中間ビームの方向を、優先的には動的に、調節するように構成されている。具体的には、光学組合せユニット１２は、少なくとも１つの中間ビームを集束光学系１３へと、優先的には動的に、向けるように構成されてもよい。具体的には、例示的な光学組合せユニット１２は、複数のミラーを備えてもよく、複数のミラーの位置および傾きは、少なくとも１つの中間ビームの方向を調節するために変更可能である。具体的には、光学組合せユニット１２は、マイクロミラーのアレイおよび／または１つもしくは複数の巨視的なミラーを備えてもよい。
【0052】
少なくとも１つの集束レーザ・ビーム・ユニットは、集束光学系１３をさらに備え、集束光学系１３は、少なくとも１つの中間ビームを集束させて、少なくとも１つの集束レーザ・ビームを形成するように構成されている。具体的には、例示的な集束光学系１３は、顕微鏡を備える。
【0053】
少なくとも１つの集束レーザ・ビーム・ユニットは、レーザ光源１０から、２次元および／または３次元アレイ１５の特定の位置までの各光学ビーム経路が、実質的に同じ長さを有するようにさらに構成されてもよい。
【0054】
量子コンピューティング・デバイス１は、偏光ユニット１４をさらに備え、この偏光ユニット１４は、少なくとも１つの集束レーザ・ビームの経路に沿って、少なくとも１つの集束レーザ・ビーム・ユニットと２次元および／または３次元アレイ１５の位置との間に配置される。具体的には、偏光ユニット１４は、少なくとも１つの集束レーザ・ビームの偏光状態を、たとえば、前記少なくとも１つの集束レーザ・ビームを直線偏光させることなどによって、調節するように構成されている。
【0055】
光学捕捉デバイスは、２次元または３次元アレイ１５の位置において、少なくとも１つの原子１８を捕捉するようにさらに構成されている。特に、光学捕捉デバイスは、少なくとも１つの集束レーザ・ビームのそれぞれ１つを用いて１つの原子１８を捕捉するように構成されている。
【0056】
量子コンピューティング・デバイス１は、１つまたは複数の捕捉された原子１８の空間位置を調節して、少なくとも１つの単一量子ビット・ゲートおよび／または少なくとも１つの２量子ビット・ゲートおよび／または少なくとも１つの多量子ビット・ゲートを形成するようにさらに構成されている。具体的には、光学捕捉デバイスは、１つまたは複数の捕捉された原子１８の空間位置を調節するように構成されてもよく、ラマン結合ユニット２２および／またはリュードベリ励起ユニット２１は、１つまたは複数の捕捉された原子１８間のもつれの状態を調節して、少なくとも１つの単一量子ビット・ゲートおよび／または少なくとも１つの２量子ビット・ゲートおよび／または少なくとも１つの多量子ビット・ゲートを形成するように構成されている。
【0057】
量子コンピューティング・デバイス１は、真空セル１６をさらに備え、真空セル１６は、１つまたは複数の捕捉された原子１８の少なくとも２次元または３次元アレイ１５を実質的に完全に取り囲むように構成されてもよい。真空セル１６は、磁場モジュール（図示されず）をさらに備えてもよく、この磁場モジュールは、磁場を生成するように構成されてもよい。磁場は、１つまたは複数の捕捉された原子１８に対する量子化軸を規定するように構成されてもよい。具体的には、磁場は、実質的な時定数方向を有するように構成されてもよく、この実質的な時定数方向は、光学捕捉デバイスによって放射された電磁放射線のレーザ偏光に対して一定の角度を有してもよい。
【0058】
量子コンピューティング・デバイス１は、たとえば、対応する捕捉された原子１８の量子ビット状態など、１つまたは複数の捕捉された原子１８のデータを決定するように構成された読み出しユニットをさらに備える。読み出しユニットは、少なくとも１つの読み出しビームを放射して、１つまたは複数の捕捉された原子１８に蛍光を引き起こすように構成された少なくとも１つの読み出しレーザ（図示されず）を備えてもよい。さらに、読み出しユニットは、引き起こされた蛍光を観察して、１つまたは複数の捕捉された原子１８のデータを読み出すように構成された検出ユニット２０を備えてもよい。この検出ユニット２０は、たとえば、ＥＭＣＣＤカメラなど、ＣＣＤを備えてもよい。さらに、量子コンピューティング・デバイス１は、２次元または３次元アレイ１５と検出ユニット２０との間に配置されたダイクロイック・ミラー素子１９をさらに備えてもよい。このダイクロイック・ミラー素子１９は、引き起こされた蛍光が通過することを可能にするように構成されてもよい。
【0059】
さらに、読み出しユニットおよび／または検出ユニット２０は、音響光学偏向器１１を制御するためのフィードバック信号２３を生成するようにさらに構成されてもよい。フィードバック信号２３は、集束レーザ・ビーム・ユニットおよび／または音響光学変調器アレイおよび／または音響光学偏向器１１に提供されてもよい。
【0060】
量子コンピューティング・デバイス１は、少なくとも１つのリュードベリ励起ビームを放射するように構成されたリュードベリ励起ユニット２１をさらに備える。具体的には、リュードベリ励起ユニット２１は、２つ以上の捕捉された原子１８に少なくとも１つのリュードベリ励起ビームを放射して、これらの原子間の相互作用のオンとオフとを切り替えるように構成されてもよい。図示される特定の例では、リュードベリ励起ユニット２１は、３１７ｎｍおよび／または３２３ｎｍの波長を有する少なくとも１つのリュードベリ励起ビームを放射するように構成されている。リュードベリ励起ユニット２１は、リュードベリ励起ビームを放射するように構成されたリュードベリ・レーザを備えてもよい。リュードベリ励起ユニット２１は、２つ以上の捕捉された原子１８にリュードベリ励起ビームを直接放射するように構成されてもよいし、たとえば、ダイクロイック・ミラー素子１９など、１つまたは複数の中間に配置された光学素子を使用して、２つ以上の捕捉された原子１８にリュードベリ励起ビームを放射するように構成されてもよい。具体的には、１つまたは複数の中間に配置された光学素子は、１つもしくは複数の追加の音響光学変調器および／または１つもしくは複数の音響光学偏向器を備えてもよく、１つもしくは複数の追加の音響光学変調器および／または１つもしくは複数の音響光学偏向器は、２つ以上の捕捉された原子１８に対して少なくとも１つのリュードベリ励起ビームの位置を調節するように構成されてもよい。
【0061】
量子コンピューティング・デバイス１は、ラマン結合ユニット２２をさらに備え、このラマン結合ユニット２２は、少なくとも２つのラマン・レーザ・ビームを放射するように構成されている。ラマン結合ユニット２２は、少なくとも１つのラマン・レーザを備えてもよい。ラマン結合ユニット２２は、１つまたは複数の捕捉された原子１８に少なくとも２つのラマン・レーザ・ビームを放射するように構成されてもよい。図示される特定の例では、ラマン結合ユニット２２は、６７９ｎｍおよび／または７０７ｎｍの波長を有する少なくも２つのラマン・レーザ・ビームを放射するように構成されてもよい。ラマン結合ユニット２２は、１つまたは複数の捕捉された原子１８にラマン・レーザ・ビームを直接放射するように構成されてもよいし、たとえば、ダイクロイック・ミラー素子１９など、１つまたは複数の中間に配置された光学素子を使用して１つまたは複数の捕捉された原子１８にラマン・レーザ・ビームを放射するように構成されてもよい。具体的には、１つまたは複数の中間に配置された光学素子は、１つまたは複数の追加の音響光学変調器、および／または１つまたは複数の音響光学偏向器を備えてもよく、１つまたは複数の追加の音響光学変調器、および／または１つまたは複数の音響光学偏向器は、２つ以上の捕捉された原子１８に対して少なくとも２つのラマン・レーザ・ビームの位置を調節するように構成されてもよい。
【0062】
図２は、図１に示される例示的な実施形態で使用される、ストロンチウム原子の異なる状態についての概略図を示す。具体的には、第１の電子状態３Ｐ０および第２の電子状態３Ｐ２が示されている。前記状態は、示されるように、共振１光子結合を介してｎ３Ｓ１のリュードベリ状態に結合されて、２量子ビット・ゲートおよび多量子ビット・ゲートを可能にしてもよい。さらに、前記状態は、急速ラマン・プロセスを介して３Ｓ１の状態に結合されて、１量子ビット演算を可能にしてもよい。異なる量子ビット間で組み合わせられたリュードベリ－ラマン方式および標準的なラマン方式により、たとえば、リュードベリ・ドレッシング、リュードベリＥＩＴ、および制御されたＳＴＩＲＡＰに基づく複数のプロトコルの使用が可能となる。さらに、図示される例示的な量子ビットの読み出しは、示されるように、遷移１Ｓ０－１Ｐ１（４６１ｎｍ）に対して実行されてもよい。さらに、遷移１Ｓ０－３Ｐ１（６８９ｎｍ）および遷移３Ｐｊ－３Ｓ１（６７９ｎｍ、６８８ｎｍ、７０７ｎｍ）が、量子ビットのデータの状態依存的な読み出しを実行するために使用されてもよい。さらに、遷移１Ｓ０－３Ｐ１（６８９ｎｍ）が、量子ビットのデータの読み出し中に原子を冷却するために使用されてもよく、そのような冷却は、データの読み出しの効率性を向上させ得る。
【0063】
図３Ａ～図３Ｃは、光学捕捉デバイス１０によって放射された集束レーザ・ビームに曝露されたときにストロンチウム原子によって受けられるトラップ電位を示す。具体的には、図示される例示的な実施形態において、図３Ａは、３Ｐ０の電子状態によって受けられるトラップ電位を示し、図３Ｂは、３Ｐ２の電子状態によって受けられるトラップ電位を示し、図３Ｃは、ｎ３Ｓ１（ｎ＝７８）の電子状態によって受けられるトラップ電位を示す。示されるように、図示される電子状態のそれぞれは、具体的には、捕捉波長において作動される集束レーザ・ビームに曝露されたときに、実質的に同一のトラップ電位を受ける。
【0064】
図４Ａ～図４Ｃは、量子コンピューティング・デバイス１によって達成可能な複数の例示的な量子ビット配置を示す。図４Ａは、２つの原子量子ビット２および制御量子ビット３を含む（２＋１）量子ビットを示しており、２つの原子量子ビット２および制御量子ビット３は、もつれている（もつれ４によって表される）。図４Ｂは、３つの原子量子ビット２および制御量子ビット３を含む（３＋１）量子ビットを示しており、３つの原子量子ビット２および制御量子ビット３は、もつれている（もつれ４によって表される）。図４Ｃは、４つの原子量子ビット２および制御量子ビット３を含む（４＋１）量子ビットを示しており、４つの原子量子ビット２および制御量子ビット３は、もつれている（もつれ４によって表される）。図示される多粒子量子ビットの一部を形成しない非もつれ原子５は、図示される前記多粒子量子ビットから離れて置かれる。具体的には、図４Ａ～図４Ｃにおける図示されるすべての量子ビット配置は、対称的に配置された量子ビットを含む。そのような対称量子ビット配置は、誤りの発生源を低減させ得る。しかしながら、たとえば、配置された量子ビット間に異なる間隔の距離を提供することによって、非対称量子ビット配置も可能となり得る。そのような非対称量子ビット配置は、たとえば、１つの量子ビットに対して引き起こされた位相シフトが、別の量子ビットに対して引き起こされた位相シフトに対して２倍となることが必要となり得るときなどにおいて、より計算的な柔軟性を可能にし得る。
【0065】
図５Ａ～図５Ｃは、（３＋１）量子ビット配置を生成するための量子コンピューティング・デバイスの動作を示す。第１のステップでは、図５Ａに示されるように、量子コンピューティング・デバイス１は、２次元アレイ１５のロケーションにおいて複数の原子１８を捕捉する動作を行う。さらなるステップでは、図５Ｂに示されるように、量子コンピューティング・デバイス１は、２次元アレイ１５内で捕捉された原子１８のうちの複数の位置を調節する動作を行う。具体的には、量子コンピューティング・デバイス１は、３つの原子１８（または原子量子ビット２）を、制御量子ビットとなるべき第４の原子１８（または制御量子ビット３）に接近させる動作を行う。第３のステップでは、図５Ｃに示されるように、量子コンピューティング・デバイスは、４つの原子のリュードベリ状態間のもつれを引き起こして、（３＋１）量子ビットを生成する動作を行う。たとえば、（２＋１）または（４＋１）量子ビットなど、複数の異なる量子ビットを生成するために、量子コンピューティング・デバイス１によって同じ動作原理が適用され得るということに留意されたい。図示される多粒子量子ビットの一部を形成しない非もつれ原子５は、図示される前記多粒子量子ビットから離れて置かれる。
【0066】
図６は、ストロンチウムに対する捕捉波長を計算するグラフィカル表現を示す。具体的には、図７のグラフは、３Ｐ０および３Ｐ２の状態の分極率を、波長の関数として示す。さらに、このグラフは、リュードベリ状態の分極率を部分的に決定する、Ｓｒ＋イオンの２Ｓ１／２の状態の分極率を示しており、前記状態のリュードベリ同調範囲が、前記関数の下のセクションとして示されている。見て取ることができるように、３Ｐ０および３Ｐ２の状態の関数は、２Ｓ１／２の状態のリュードベリ同調範囲内で交差する。したがって、３Ｐ０、３Ｐ２、およびｎ３Ｓ１の状態の関数間の三重交差が得られるように、ｎの適切な値が計算され得、前記値は、ｎ＝７８である。したがって、約５９６ｎｍの波長に対して三重交差が得られる。結果として、５６９ｎｍの波長を持つビームに曝露された原子では、３Ｐ０、３Ｐ２、および７８３Ｓ１の状態が、前記ビームによって生成された同一のトラップ電位を受ける。
【0067】
他の原子および対応する状態に対して同様の計算が行われてもよい。
【0068】
本明細書で説明されおよび／または図面に示される実施形態は、説明および例示のためのものに過ぎず、したがって、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。具体的には、量子コンピューティング・デバイスおよび／または量子コンピューティング・デバイスの使用および／または量子コンピューティングのための方法は、本明細書で説明されおよび／または図面に示される特徴の任意の組合せを含み得る。
【符号の説明】
【0069】
１ 量子コンピューティング・デバイス
２ 原子量子ビット
３ 制御量子ビット
４ もつれ
５ 非もつれ原子
１０ レーザ光源
１１ 音響光学偏向器
１２ 光学組合せユニット
１３ 集束光学系
１４ 偏光ユニット
１５ アレイ
１６ 真空セル
１７ 原子リザーバ
１８ 原子
１９ ダイクロイック・ミラー素子
２０ 検出ユニット
２１ リュードベリ励起ユニット
２２ ラマン結合ユニット
２３ フィードバック信号
２ 原子量子ビット
３ 制御量子ビット
４ もつれ
５ 非もつれ原子
１０ レーザ光源
１１ 音響光学偏向器
１２ 光学組合せユニット
１３ 集束光学系
１４ 偏光ユニット
１５ アレイ
１６ 真空セル
１７ 原子リザーバ
１８ 原子
１９ ダイクロイック・ミラー素子
２０ 検出ユニット
２１ リュードベリ励起ユニット
２２ ラマン結合ユニット
２３ フィードバック信号
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6】
【国際調査報告】