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(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】2024-06-11
(54)【発明の名称】光アドレス指定方法および装置
(51)【国際特許分類】
G06N 10/40 20220101AFI20240604BHJP
G02F 1/35 20060101ALI20240604BHJP
G06E 3/00 20060101ALI20240604BHJP
【ＦＩ】
G06N10/40
G02F1/35
G06E3/00
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023571835
(86)(22)【出願日】2022-05-17
(85)【翻訳文提出日】2024-01-17
(86)【国際出願番号】 US2022029554
(87)【国際公開番号】W WO2022245769
(87)【国際公開日】2022-11-24
(31)【優先権主張番号】63/189,825
(32)【優先日】2021-05-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522445055
【氏名又は名称】クエラ コンピューティング インコーポレーテッド
【氏名又は名称原語表記】ＱＵＥＲＡ ＣＯＭＰＵＴＩＮＧ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【住所又は居所原語表記】１２８４ Ｓｏｌｄｉｅｒｓ Ｆｉｅｌｄ Ｒｏａｄ， Ｂｏｓｔｏｎ， Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ ０２１３５， Ｕ．Ｓ．Ａ．
(74)【代理人】
【識別番号】110003971
【氏名又は名称】弁理士法人葛和国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】バイラインスキー，アレクセイ
(72)【発明者】
【氏名】キム，トンギュ
(72)【発明者】
【氏名】ワン，シェンタオ
(72)【発明者】
【氏名】オムラン，アーメッド
(72)【発明者】
【氏名】ジャーマルク，ネイサン
(72)【発明者】
【氏名】イングランド，ダーク
(72)【発明者】
【氏名】アメイト－グリル，ジェシー
(72)【発明者】
【氏名】ルーキン，アレックス
(72)【発明者】
【氏名】ワン，ノエル
(72)【発明者】
【氏名】フー，ミン－グアン
【テーマコード（参考）】
2K102
【Ｆターム（参考）】
2K102AA06
2K102AA21
2K102AA30
2K102BA01
2K102BA05
2K102BB03
2K102BB10
2K102DA10
2K102DA20
2K102DD05
2K102EB20
(57)【要約】
本出願は、量子ビットを光学的にアドレス指定するための方法および装置を開示する。光アドレス指定システムであって、電磁放射線の発生源；電磁放射線発生源によって生成された電磁放射線を変調して、異なる周波数を有する少なくとも２つの電磁放射線ビームを同時に生成するように構成された少なくとも１つの多周波数変調器であって、各々は、多レベル量子物体に適用された場合、多レベル量子物体のエネルギーレベル間の1以上の遷移を少なくとも部分的に引き起こすように構成されている、前記多周波数変調器；および少なくとも２つの電磁放射線ビームを多レベル量子物体に選択的に向けるように構成されているルータを含む、前記システム。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光アドレス指定システムであって、以下：電磁放射線の発生源；
電磁放射線発生源によって生成された電磁放射線を変調して、異なる周波数を有する少なくとも２つの電磁放射線ビームを同時に生成するように構成された少なくとも１つの多周波数変調器であって、各々は、多レベル量子物体に適用された場合、多レベル量子物体のエネルギーレベル間の1以上の遷移を少なくとも部分的に引き起こすように構成されている、前記多周波数変調器；
少なくとも２つの電磁放射線ビームを多レベル量子物体に選択的に向けるように構成されている、ルータ
を含む、前記システム。
【請求項2】
少なくとも１つの多周波数変調器が、１つのビームは第１のスペクトル分布を有し、別のビームは第２のスペクトル分布を有し、第１および第２のスペクトル分布は重なり合わないように、請求項１に記載の少なくとも２つのビームのそれぞれについて周波数のスペクトル分布を有する電磁放射線のビームを生成するようにさらに構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
電磁放射線の発生源によって生成された電磁放射線を変調して、ある周波数を有する電磁放射線ビームを生成するように構成された少なくとも１つの単一周波数変調器をさらに含み、それは少なくとも１つの多周波数変調器によって生成される少なくとも２つのビームのうちの単一のビームと組み合わせて周波数共振条件を満たし、組み合わせにより、多レベル量子物体のエネルギーレベル間の１つ以上の遷移が引き起こされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項4】
多周波数および単一周波数変調器によって生成される電磁放射線のビームが光ビームであり、電磁放射線の発生源は光放射線源であり、ルータは光ビームを結合する非線形光学媒体をさらに含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項5】
非線形光学媒体は、周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）である、請求項４に記載のシステム。
【請求項6】
周波数共振条件が、単一周波数変調器によって生成される電磁放射線のビームの周波数と、少なくとも１つの多周波数変調器によって生成される少なくとも２つのビームのうちの単一ビームの周波数との和が遷移を引き起こすことであり、および、エネルギー準位が、多レベル量子物体の基底状態エネルギー準位と励起状態エネルギー準位である、請求項３～５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項7】
周波数共振条件が、単一周波数変調器によって生成される電磁放射線のビームの周波数と、少なくとも１つの多周波数変調器によって生成される少なくとも２つのビームのうちの単一ビームの周波数との差が遷移を引き起こすことであり、および、エネルギー準位が、多レベル量子物体の基底状態の超微細エネルギー準位と別の超微細エネルギー準位である、請求項３～５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項8】
１以上の遷移がｋ光子遷移であり、ｋは２以上である、請求項１に記載のシステム。
【請求項9】
ルータがさらに、Ｎｍ個の変調器によって生成された電磁放射線のビームをＮｍ－ｃｈｏｏｓｅ－ｋ個の固有の組み合わせに選択的に向けるように構成されており、各多レベル量子物体Ｎｑは、多レベル量子物体のエネルギー準位間の遷移のための周波数共振条件を満たす周波数を有するｋ個のビームを受信し、ｋ個のビームのそれぞれは異なる変調器によって生成され、【数1】
【請求項10】
周波数共振条件が、ｋ個のビームの周波数の合計が遷移を引き起こすことであり、エネルギーレベルが、多レベル量子物体の基底状態エネルギーレベルと励起状態エネルギーレベルである、請求項９に記載のシステム。
【請求項11】
周波数共振条件が、ｋ個のビームの周波数間の差が遷移を引き起こすことであり、エネルギー準位が、多レベル量子物体の基底状態の超微細エネルギー準位と別の超微細エネルギー準位である、請求項９に記載のシステム。
【請求項12】
ルータが、Ｎｍ個の変調器によって生成された電磁放射線ビームを（Ｎｍ／ｋ）ｋ個の固有の組み合わせに選択的に向けるようさらに構成され、多レベル量子物体が、ｋ次元グリッド上に配置される、請求項９に記載のシステム。
【請求項13】
Ｎｑ個の多レベル量子物体が、Ｄ次元グリッド上に配置され、ルータがさらに、少なくとも１つの多周波数変調器によって生成される電磁放射線のＮｑ
（ｋ－１）／Ｄ個の選択可能なビームをＮｑ個の多レベル量子物体に選択的に向けるように構成され、システムが、さらに［Ｎｑ
１／Ｄｘ（ｋ－１）］の単一周波数変調器を包含し、それぞれが、少なくとも１つの多周波数変調器によって生成される少なくとも２つのビームのうちの単一のビームと組み合わせて、周波数共振条件を満たす異なる周波数を持つ電磁放射線ビームを生成する、請求項８に記載のシステム。
【請求項14】
ルータがさらに、自由空間でビームを結合するように構成されている、請求項３～１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項15】
電磁放射線のビームが、多レベル量子物体で結合される、請求項３～１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項16】
ルータが、少なくとも２つの電磁放射線ビームを結合するように配置された少なくとも１つの導波路を含む、請求項３～１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項17】
ルータが、少なくとも２つの電磁放射線ビームを結合するように構成された少なくとも１つの光集積回路（ＰＩＣ）を含む、請求項３～１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項18】
ルータが、ホログラフィックアドレス指定システムを包含する、請求項３～１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項19】
ホログラフィックアドレス指定システムが、空間光変調器（ＳＬＭ）である、請求項１８に記載のシステム。
【請求項20】
ホログラフィックアドレス指定システムが、位相板である、請求項１８に記載のシステム。
【請求項21】
ルータが、少なくとも２つの電磁放射線ビームを分離するように構成された周波数分割デマルチプレクサ（デマルチプレクサ）をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項22】
少なくとも１つの多周波数変調器によって生成される少なくとも２つの電磁放射線ビームが、ＲＦまたはマイクロ波ビームであり、電磁放射線の発生源が、発振器またはデジタルシンセサイザーであり、デマルチプレクサが、電子デマルチプレクサである、請求項２１に記載のシステム。
【請求項23】
ルータが、ＲＦまたはマイクロ波電磁放射線の少なくとも２つのビームを多レベル量子物体に導くように構成された少なくとも１つのＲＦまたはマイクロ波導波路をさらに含む、請求項２２に記載のシステム。
【請求項24】
少なくとも１つのＲＦまたはマイクロ波導波路が、同軸ケーブルまたはストリップラインである、請求項２３に記載のシステム。
【請求項25】
電子デマルチプレクサが、電子フィルタのアセンブリである、請求項２２に記載のシステム。
【請求項26】
電子デマルチプレクサが、電子ミキサーのアセンブリである、請求項２２に記載のシステム。
【請求項27】
電子デマルチプレクサが、電子スイッチのアセンブリである、請求項２２に記載のシステム。
【請求項28】
少なくとも１つの多周波数変調器によって生成される少なくとも２つの電磁放射線ビームが、光ビームであり、電磁放射線の発生源が、光放射線源であり、デマルチプレクサが、体積ブラッグ回折格子である、請求項２１に記載のシステム。
【請求項29】
少なくとも１つの多周波数変調器によって生成される少なくとも２つの電磁放射線ビームが、光ビームであり、電磁放射線の発生源が、光放射線源であり、デマルチプレクサが、光デマルチプレクサである、請求項２１に記載のシステム。
【請求項30】
光放射線源が、レーザーまたはスーパールミネセントダイオードである、請求項２９に記載のシステム。
【請求項31】
光放射線源および少なくとも１つの多周波数変調器が、多周波光放射線源に統合される、請求項２９に記載のシステム。
【請求項32】
少なくとも１つの多周波数変調器が、電気光学変調器、音響光学変調器、微小電気機械（ＭＥＭ）変調器、または可変利得増幅器である、請求項２９に記載のシステム。
【請求項33】
光デマルチプレクサが、少なくとも１つの自由空間分散光学素子である、請求項２９に記載のシステム。
【請求項34】
少なくとも１つの分散光学素子が、少なくとも１つの光格子である、請求項３３に記載のシステム。
【請求項35】
少なくとも１つの光学格子が、少なくとも１つの反射格子である、請求項３４に記載のシステム。
【請求項36】
少なくとも１つの分散光学素子が、少なくとも２つの自由空間分散光学素子である、請求項３３に記載のシステム。
【請求項37】
少なくとも２つの分散光学素子が、少なくとも２つのエタロンである、請求項３６に記載のシステム。
【請求項38】
光デマルチプレクサが、少なくとも１つの分散光ファイバ要素である、請求項２９に記載のシステム。
【請求項39】
少なくとも１つの分散光ファイバ要素が、少なくとも１つのファイバブラッグ格子である、請求項３８に記載のシステム。
【請求項40】
光デマルチプレクサが、光集積回路（ＰＩＣ）である、請求項２９に記載のシステム。
【請求項41】
ＰＩＣが、不平衡マッハツェンダー干渉計のツリーを包含する、請求項４０に記載のシステム。
【請求項42】
ＰＩＣが、マイクロリング共振器のアレイを包含する、請求項４０に記載のシステム。
【請求項43】
ルータがさらに、少なくとも１つの光導波路を含む、請求項２９に記載のシステム。
【請求項44】
少なくとも１つの光導波路が、少なくとも１つのファイバである、請求項４３に記載のシステム。
【請求項45】
少なくとも１つの光導波路が、少なくとも１つの光集積構造である、請求項４３に記載のシステム。
【請求項46】
ルータが、さらにビーム整形デバイスを包含する、請求項２９に記載のシステム。
【請求項47】
ビーム整形デバイスが、空間光変調器（ＳＬＭ）、位相板、または位相板のアレイである、請求項４６に記載のシステム。
【請求項48】
多レベル量子物体が、中性原子、トラップされたイオン、量子ドット、および超伝導リングからなる群から選択される、請求項１～４７のいずれか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
量子コンピューティングプラットフォームは、多くの計算困難な問題に対する解決策を提供すると約束されている。このようなコンピュータでは、情報は量子ビットまたは「量子ビット」に保存され、量子コンピュータの能力は、独立して同時に制御できる量子ビットの数によって部分的に増加する。トラップされたイオンや中性原子などの量子ビットで構成される量子コンピュータでは、光ビームが独立した量子ビット操作を実装する一方で、誘導ＲＦまたはマイクロ波ビームは通常、電子ドットや超伝導リングなどの量子ビットの操作を実装するために使用される。
【背景技術】
【0002】
このような量子コンピュータでは、各量子ビット制御操作は、特定の周波数と強度プロファイルを持つ電磁放射線のパルスで構成される。したがって、量子コンピュータは一般に、量子ビットごとにそのようなパルスを選択的に生成する装置を備えている。この装置は通常、同時制御を犠牲にして異なる量子ビット間で出力トーンを切り替えることによって各量子ビットを制御する、発振器や変調器などの単一の制御トーン発生器、または量子ビットごとに独立した制御トーン発生器を備える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
本明細書で開示される様々な実施形態は、量子ビットを光学的にアドレス指定するための方法および装置に関する。１以上の態様において、光アドレス指定システムは：電磁放射線の発生源；電磁放射線発生源によって生成された電磁放射線を変調して、異なる周波数を有する少なくとも２つの電磁放射線ビームを同時に生成するように構成された少なくとも１つの多周波数変調器であって、各々は、多レベル量子物体に適用された場合、多レベル量子物体のエネルギーレベル間の1以上の遷移を少なくとも部分的に引き起こすように構成されている、前記多周波数変調器；および少なくとも２つの電磁放射線ビームを多レベル量子物体に選択的に向けるように構成されている、ルータを包含する。いくつかの実施形態では、多レベル量子物体は、中性原子、捕捉されたイオン、量子ドット、および超伝導リングを含むことができる。特定の実施形態では、少なくとも１つの多周波数変調器は、１つのビームは第１のスペクトル分布を有し、別のビームは第２のスペクトル分布を有し、第１および第２のスペクトル分布は重なり合わないように、少なくとも２つのビームのそれぞれについて周波数のスペクトル分布を有する電磁放射線ビームを生成するようにさらに構成され得る。いくつかの実施形態では、光アドレス指定システムは、電磁放射線源によって生成された電磁放射線を変調して、ある周波数を有する電磁放射線ビームを生成するように構成された少なくとも１つの単一周波数変調器をさらに含み、それは少なくとも１つの多周波数変調器によって生成される少なくとも２つのビームのうちの単一のビームと組み合わせて周波数共振条件を満たし、組み合わせにより、多レベル量子物体のエネルギーレベル間の1つ以上の遷移が引き起こされる。これらの実施形態いくつかでは、多周波数および単一周波数変調器によって生成される電磁放射線のビームが光ビームであり、電磁放射線源は光放射線源であり、ルータは光ビームを結合する非線形光学媒体をさらに含む。特定の実施形態では、非線形光学媒体は、周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）である。いくつかの実施形態では、周波数共振条件は、単一周波数変調器によって生成される電磁放射線のビームの周波数と、少なくとも１つの多周波数変調器によって生成される少なくとも２つのビームのうちの単一ビームの周波数との和が遷移を引き起こすことであり、および、エネルギー準位は、多レベル量子物体の基底状態エネルギー準位と励起状態エネルギー準位である。いくつかの他の実施形態では、周波数共振条件は、単一周波数変調器によって生成される電磁放射線のビームの周波数と、少なくとも１つの多周波数変調器によって生成される少なくとも２つのビームのうちの単一ビームの周波数との差が遷移を引き起こすことであり、および、エネルギー準位は、多レベル量子物体の基底状態の超微細エネルギー準位と別の超微細エネルギー準位である。
【0004】
特定の実施形態では、１以上の遷移はｋ光子遷移であり、ｋは２以上である。いくつかの実施形態では、ルータはさらに、Ｎｍ個の変調器によって生成された電磁放射線のビームをＮｍ－ｃｈｏｏｓｅ－ｋ個の固有の組み合わせに選択的に向けるように構成されており、各多レベル量子物体Ｎｑは、多レベル量子物体のエネルギー準位間の遷移のための周波数共振条件を満たす周波数を有するｋ個のビームを受信し、ｋ個のビームのそれぞれは異なる変調器によって生成され、
であり得る。これらの実施形態のいくつかでは、周波数共振条件は、ｋ個のビームの周波数の合計が遷移を引き起こすことであり、エネルギーレベルが、多レベル量子物体の基底状態エネルギーレベルと励起状態エネルギーレベルであり得る。他の実施形態では、周波数共振条件は、ｋ個のビームの周波数間の差が遷移を引き起こすことであり、エネルギー準位が、多レベル量子物体の基底状態の超微細エネルギー準位と別の超微細エネルギー準位であり得る。特定の実施形態では、ルータは、Ｎｍ個の変調器によって生成された電磁放射線ビームを（Ｎｍ／ｋ）ｋ個の固有の組み合わせに選択的に向けるようさらに構成され、多レベル量子物体は、ｋ次元グリッド上に配置され得る。いくつかの他の実施形態では、Ｎｑ個の多レベル量子物体は、Ｄ次元グリッド上に配置され得、ルータはさらに、少なくとも１つの多周波数変調器によって生成される電磁放射線のＮｑ
（ｋ－１）／Ｄ個の選択可能なビームをＮｑ個の多レベル量子物体に選択的に向けるように構成され、システムが、さらに［Ｎｑ
１／Ｄｘ（ｋ－１）］の単一周波数変調器を包含し、それぞれが、少なくとも１つの多周波数変調器によって生成される少なくとも２つのビームのうちの単一のビームと組み合わせて、周波数共振条件を満たす異なる周波数を持つ電磁放射線ビームを生成し得る。
【数1】
【0005】
いくつかの実施形態では、ルータはさらに、自由空間でビームを結合するように構成され得る。いくかの他の実施形態では、電磁放射線のビームは、多レベル量子物体で結合され得る。特定の実施形態では、ルータは、少なくとも２つの電磁放射線ビームを結合するように配置された少なくとも１つの導波路を含み得る。いくつかの実施形態では、ルータは、少なくとも２つの電磁放射線ビームを結合するように構成された少なくとも１つの光集積回路（ＰＩＣ）を含み得る。特定の実施形態では、ルータは、ホログラフィックアドレス指定システムを包含し得る。これらの実施形態のいくつかにおいて、ホログラフィックアドレス指定システムは、空間光変調器（ＳＬＭ）であり得る。他の実施形態では、ホログラフィックアドレス指定システムは、位相板であり得る。
【0006】
特定の実施形態では、ルータは、少なくとも２つの電磁放射線ビームを分離するように構成された周波数分割デマルチプレクサ（デマルチプレクサ）をさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの多周波数変調器によって生成される電磁放射線の少なくとも２つのビームは光ビームであり得、電磁放射線の発生源は光放射線源であり、デマルチプレクサは光デマルチプレクサであり得る。
【0007】
いくつかの実施形態では、光放射線源は、レーザーまたはスーパールミネセントダイオードであり得る。特定の実施形態では、光放射線源および少なくとも１つの多周波数変調器を多周波光放射線源に統合することができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの多周波数変調器は、電気光学変調器、音響光学変調器、微小電気機械（ＭＥＭ）変調器、または可変利得増幅器であり得る。特定の実施形態では、光デマルチプレクサは、少なくとも１つの分散光学素子であり得る。これらの実施形態のいくつかでは、少なくとも１つの分散光学素子は、少なくとも１つの反射格子または体積ブラッグ格子などの少なくとも１つの光学格子であり得る。いくつかの他の実施形態では、少なくとも１つの分散光学素子は、少なくとも２つのエタロンなど、少なくとも２つの分散光学素子であってもよい。特定の実施形態では、光デマルチプレクサは、少なくとも１つのファイバブラッグ格子などの少なくとも１つの分散光ファイバ要素とすることができる。いくつかの実施形態では、光デマルチプレクサは光集積回路（ＰＩＣ）であり得る。これらの実施形態のいくつかでは、ＰＩＣは、不平衡マッハツェンダー干渉計のツリー、またはマイクロリング共振器のアレイを含むことができる。特定の実施形態では、ルータは、少なくとも１つのファイバなどの少なくとも１つの光導波路、または少なくとも１つの光集積構造をさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、ルータは、空間光変調器（ＳＬＭ）、位相板、または位相板のアレイなどのビーム整形デバイスをさらに含むことができる。特定の実施形態では、少なくとも１つの多周波数変調器によって生成される少なくとも２つの電磁放射線ビームは、ＲＦまたはマイクロ波ビームであり、電磁放射線の発生源は、発振器またはデジタルシンセサイザーであり、デマルチプレクサは、電子デマルチプレクサであり得る。これらの実施形態のいくつかでは、ルータは、ＲＦまたはマイクロ波電磁放射線の少なくとも２つのビームを多レベル量子物体に導くように構成された少なくとも１つのＲＦまたはマイクロ波導波路をさらに含み得る。特定の実施形態では、少なくとも１つのＲＦまたはマイクロ波導波路は、同軸ケーブルまたはストリップラインであり得る。いくつかの実施形態では、電子デマルチプレクサは、電子フィルタのアセンブリ、電子ミキサーのアセンブリ、または電子スイッチのアセンブリであり得る。
【0008】
量子ビットの数よりも少ない数の変調器を含む光アドレス指定システムには、商業的に有用な量子コンピューティングプラットフォームの複雑さとコストの削減など、多くの利点がある。
【0009】
前述の装置および方法の実施形態は、上で説明した、または以下でさらに詳細に説明する態様、特徴、および動作の任意の適切な組み合わせによって実装することができる。本教示のこれらおよび他の態様、実施形態、および特徴は、添付の図面と併せて以下の説明からより完全に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
上記のことは、添付の図面に示されているように、異なる図面全体にわたって同様の参照符号は同じ部分を指す、以下の例示的な実施形態のより具体的な説明から明らかになるであろう。図面は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに実施形態を示すことに重点が置かれている。
【0011】
【0012】
【0013】
【0014】
【0015】
図２Ｂは、１つまたは複数の実施形態による、周波数領域（上）および空間領域（下）における重複する制御トーンを示す。
【0016】
【0017】
【0018】
【0019】
【0020】
【0021】
【0022】
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【0027】
【発明を実施するための形態】
【0028】
上で説明したように、一部の量子コンピュータは、量子ビットごとに制御トーン発生器によって生成される電磁放射線のパルスを使用して量子ビットを制御する。しかし、そのような多数の制御トーンジェネレータを統合する複雑さとコストは、量子コンピューティングプラットフォームを、多数（例えば、１００以上）の量子ビットを備えた商業的に有用なサイズにスケールアップする上で、恐るべき課題を提示している。
【0029】
したがって、光アドレス指定システムが量子ビットの数よりも少ない数の制御トーン発生器を含むことが望ましいであろう。本発明者らは、量子ビットの数よりも少ない数の変調器を用いて多数の量子ビット（例えば、１００以上）を制御するのに適した技術を認識し評価した。この技術により、量子ビット間のクロストークを低減しながら多数の量子ビットを制御するために必要なハードウェアの量が削減され、量子ビットの数が増加するにつれてより実用的に拡張可能なシステムが実現される可能性がある。
【0030】
本明細書では、変調器とも呼ばれるアクティブ制御チャネルの配置について説明し、受動デバイスは、量子ビットの数よりも少ない数のアクティブな制御チャネルを使用して、独立して同時に多くの量子ビットに対する制御を提供し、本明細書ではルータとも呼ばれる。様々な実施形態において、量子ビットは多レベル量子状態を含むことができ、そのサブセットは情報を格納するために使用される。量子ビットの制御は、量子ビット状態間の遷移の引き起こしを包含する。制御チャネルは、周波数と出力を変調できる発振器やレーザーなどの変調電磁放射源、または、電圧制御増幅器、移相器、電気光学変調器、音響光学変調器など、他の場所で生成される電磁放射を変調できるデバイスを包含する。この電磁放射のルーティングは、同軸ケーブル、ストリップライン、光ファイバ、または統合された導波路などの導波路を通して放射を伝播すること、または、変調器に依存する周波数依存分布で、ガウスビームなどの自由空間を介して異なる空間モードで放射線を伝播することを包含する場合がある。ここでは、変調器とルータの２つのタイプの実装、および変調器とルータの組み合わせについて説明する。両方のタイプの実装において、少なくとも１つの多周波数変調器は、本明細書では「制御トーン」または以下でさらに説明するように単に「トーン」とも呼ばれる、異なる周波数を有する電磁放射線のビームを生成し、別個の量子ビットを制御する。次に、これらのトーンは選択的に量子ビットにルーティングされ、および／またはこれらのトーンは、所望の量子ビット応答を選択的に生成するような方法で他の変調器の出力と結合される。
【0031】
最初のタイプの実装は、本明細書では分光測定アドレッシング実装と総称され、周波数分割デマルチプレクサ（「デマルチプレクサ」）と呼ばれるタイプのルータに結合された少なくとも１つの多周波数変調器を使用する。変調器の帯域幅Ｂｍは、各量子ビットの制御に必要な帯域幅Ｂｑよりも大きいため、変調器の帯域幅を複数の量子ビット間で分割できる。各量子ビットに向けられた制御トーンは、デマルチプレクサのスペクトル分解能によって周波数が異なり、デマルチプレクサによって独立した導波路または独立した空間モード（本明細書ではビームとも呼ばれる）にルーティングされ、それによって量子ビットにルーティングされる。このタイプの実装では、各変調器が制御できる量子ビットの数においてＢｍ／Ｂｑの乗算的な利点が得られる。
【0032】
第２のタイプの実装は、本明細書ではアクティブマトリクス実装と総称され、異なる周波数の電磁放射線に対する量子ビットの非線形応答を利用する。一部の多レベル量子物体では、複数の光子のエネルギーの合計または差が量子ビット状態間のエネルギー差にほぼ等しい場合に限り、量子ビット状態間の遷移を複数の光子によって引き起こされる。アクティブマトリックスの実装では、一連のマルチおよび単一周波数変調器が使用され、その出力は、各量子ビットが変調器の固有のサブセットによって生成された制御トーンのみを受信するように配置される。これらの実装は、量子ビット数において超線形にスケールし、つまり、Ｎ個の変調器によって制御できる量子ビットの数はＮｋに比例し、ここで、ｋは１より大きい整数（例：ｋ＝２または３）で、量子ビットレベル間の遷移（例：２光子遷移または３光子遷移）に含まれる光子の数に対応する。
【0033】
いくつかの実施形態では、２つのタイプの実装を組み合わせることもでき、これにより、制御チャネル/変調器の総数を減らし量子ビット間のクロストークを減らすという分光アドレス指定デバイスの利点と、制御可能な量子ビット数の超線形スケーリングにおけるアクティブマトリクスデバイスの利点の恩恵を受けることができる。
【0034】
分光測定アドレス指定の実装
１つ以上の実施形態によれば、図１Ａ～１Ｃに示されるように、分光光アドレス指定システム１００は、電磁放射線１１５の源１１０を含む。図１Ａの例は、１次元量子ビットアドレス指定に適したシステムを示し、一方、図１Ｂ～１Ｃの例は、２次元量子ビットアドレス指定に適したシステムを示す。しかしながら、同じ構成要素が各システムで利用されてもよく、構成要素に関する以下の説明は、本明細書で説明されるシステムの任意の実施形態に適用され得る。
１つ以上の実施形態によれば、図１Ａ～１Ｃに示されるように、分光光アドレス指定システム１００は、電磁放射線１１５の源１１０を含む。図１Ａの例は、１次元量子ビットアドレス指定に適したシステムを示し、一方、図１Ｂ～１Ｃの例は、２次元量子ビットアドレス指定に適したシステムを示す。しかしながら、同じ構成要素が各システムで利用されてもよく、構成要素に関する以下の説明は、本明細書で説明されるシステムの任意の実施形態に適用され得る。
【0035】
図１Ａ～１Ｃのシステムのそれぞれは、１つまたは複数の電磁放射線源１１０を含む。適切な電磁放射線源１１０の例としては、発振器、レーザー、スーパールミネセントダイオードなどのインコヒーレント源、または以下でさらに説明する他の源が挙げられる。
各光アドレス指定システム１００はさらに、コントローラ１０５の指示に従って、放射線源１１０によって生成されたビーム１１５を変調するようにそれぞれ構成される１つまたは複数の多周波数変調器１２０を含み、それにより、複数の周波数を有する複数の電磁放射線ビーム１２５が生成される。適切な多周波数変調器１２０の例は、可変利得増幅器、電圧可変移相器、微小電気機械 (MEM) 変調器、放射線を直接変調する電気光学または音響光学変調器などの電圧可変増幅器を包含する。
各光アドレス指定システム１００はさらに、コントローラ１０５の指示に従って、放射線源１１０によって生成されたビーム１１５を変調するようにそれぞれ構成される１つまたは複数の多周波数変調器１２０を含み、それにより、複数の周波数を有する複数の電磁放射線ビーム１２５が生成される。適切な多周波数変調器１２０の例は、可変利得増幅器、電圧可変移相器、微小電気機械 (MEM) 変調器、放射線を直接変調する電気光学または音響光学変調器などの電圧可変増幅器を包含する。
【0036】
図１Ａ～１Ｂにおいては、帯域幅Ｂｍを有する多周波数変調器１２０は、周波数νを有する入射レーザービーム１１５を、例えば、変調帯域幅Ｂｍ内の変調周波数ν１、ν２、およびν３で変調する（つまり、ν１、ν２、およびν３＜Ｂｍ）。変調周波数ν１、ν２、およびν３は、通常ＲＦ周波数範囲（２０ｋＨｚ～３００ＧＨｚ）にあるため、ここではＲＦトーンとも呼ばれる。その結果、変調器１２０は、異なる周波数ν＋ν１、ν＋ν２、およびν＋ν３を有する３つの電磁放射線１２５のビームを生成することができる。これらのビームは、本明細書では制御トーンとも呼ばれる。少なくともいくつかの場合には、変調された電磁放射線成分１２５の周波数は、ＲＦ周波数範囲よりもはるかに高い可能性がある。いくつかの実施形態では、放射線源１１０および多周波数変調器１２０は、統合された多周波数放射線源として供給され得る。電磁放射線の周波数νは、特定の多レベル量子ビットシステムの特定の制御スキームに依存するため、いくつかの実施形態では、周波数νは、紫外～可視～赤外の周波数範囲内（例えば、約３００ｎｍ～約１．５μｍの範囲内）であり得、あるいは、他の実施形態では、周波数νはマイクロ波周波数範囲内であってもよい。
【0037】
さまざまな異なるタイプのルータが光アドレス指定システム１００に適している。図１Ａ～１Ｂに示される実施形態では、ルータ１３０は、電磁放射線１２５のビームを分離するように構成された光デマルチプレクサ１３０などの周波数分割デマルチプレクサ（「デマルチプレクサ」）１３０である。図１Ａおよび図１Ｂに示される光デマルチプレクサ１３０は、電磁放射線ビーム１２５の異なる制御トーンを異なる空間モードまたは誘導モード１３５に空間的に分離する、光格子１３０（例えば、反射格子）などの分散光学素子１３０であり、図１に示す３つのそのようなモード１３５’（ν＋ν１）、１３５”（ν＋ν２）、および１３５’’’（ν＋ν３）である。分散要素１３０には、仮想イメージ位相アレイ（ＶＩＰＡ）、回折格子、アレイ導波路格子、ファイバブラッグ格子やボリュームブラッグ格子などの分散光ファイバ要素など、様々な異なるタイプの分散要素が適している。
【0038】
ルータ１３０は、個別のアドレス指定のために、スペクトル的に分離された電磁放射線の１つ以上のビーム１３５をターゲット量子ビット１５０に向けて、または別の方法で送達する光学要素または要素１４０を含む。要素１４０は、任意の適切な自由空間光学系および／または導波路を含むことができる。図２の例では、図１Ａでは、３つの量子ビット１５０’、１５０’’、および１５０’’’が、それぞれビーム１３５’、１３５’’、および１３５’’’によってアドレス指定されることが示されている。より正式な説明として、入射レーザービーム１１５の振幅を変調するために、光変調器１２０が３つのＲＦトーンＶ１ｃｏｓ（ν１ｔ＋φ１）、Ｖ２ｃｏｓ（ν２ｔ＋φ２）、およびＶ３ｃｏｓ（ν３ｔ＋φ３）によって引き起こされる場合を考える。次に、変調されたレーザー場Ｅ（ｔ）１２５は次のようになる。
３つのレーザービーム１３５に分割され、
アドレス指定レーザービーム１３５’、１３５’’、および１３５’’’の振幅Ｖと位相φ、（Ｖ１，φ１）、（Ｖ２，φ２）、および（Ｖ３，φ３）それぞれは独立して調整され、個別のローカル量子ビット制御が可能になる。
【数2】
【数3】
【0039】
分光測定アドレス指定の実装は、図１Ｂに示すように、２次元量子ビットアドレス指定に拡張できる。ここでは、明確にするために１つの行のみにラベルを付けている。複数の変調されたビーム１２５が、第２の次元（すなわち、垂直またはｙ軸）に沿って位置がシフトされた（すなわち、傾斜された）状態で分散要素１３０に入射すると、ビーム１３５の２次元アレイが形成され、その振幅と位相は独立して制御可能であり、量子ビット１５０の２次元配列に対応する。
【0040】
さらに別の実施形態では、分光測定アドレス指定の実装は、図１Ｃに示すように、仮想イメージ位相アレイ（ＶＩＰＡ）を使用することによって２次元量子ビットアドレス指定に拡張することができ、ここで、この例では、８つのファイバＥＯのグループのうち、明確にするために３つのファイバ電気光（ＥＯ）変調器１２０のみにラベルが付けられている。多周波数変調器１２０はそれぞれ、周波数ν１～８で放射線源１１０によって生成された周波数νを有するビーム１１５を変調するように構成されており、それにより、８つの異なる周波数［（ν＋ν１）、（ν＋ν２）、（ν＋ν３）、（ν＋ν４）、（ν＋ν５）、（ν＋ν６）、（ν＋ν７）、（ν＋ν８）］を有する８つの電磁放射ビーム１２５を生成する。ルータ１３０は、１ｘ８ファイバアレイ１４０’をレンズ１４０’’および１４０’’’を通して、電磁放射１２５のビームを、別の円筒レンズ１４０’’’’によって集束され、量子ビット１５０の二次元（８×８）アレイをアドレス指定する、異なる空間モード１３５に分離するＶＩＰＡ１３０に向ける、光学要素１４０を含む。
【0041】
変調器１２０が生成できるアクティブ制御チャネル１３５の数は、最終的には、変調器の全帯域幅Ｂｍと量子ビットＢｑ当たりに必要な最小変調器帯域幅との比Ｂｍ／Ｂｑによって制限される。いくつかの実施形態では、多周波数変調器１２０は、ビーム１３５のそれぞれについて周波数のスペクトル分布を有する電磁放射線のビーム１３５を生成するように構成され、その結果、１つのビーム１３５’は第１のスペクトル分布を有し、別のビーム１３５’’は第２のスペクトル分布を有し、第１および第２のスペクトル分布は重なり合わない。しかしながら、実際には、ルータ１３０の分解能は、量子ビットの位置またはファイバアレイへの入力における空間モードの重なりにより、チャネルの最大数を減少させる。図２Ａに示すように、いくつかの実施形態では、空間モード１３５’、１３５’’、および１３５’’’は、それらの重なりが無視できるほど（すなわち、重なり合わないように）十分に遠く離れて分離されている一方で、図２Ｂに示すように、変調器１２０（図示せず）のスイッチング速度制限に達する前に、空間モード１３５は重なり始める（明確にするために、３つの空間モード１３５’、１３５”、および１３５’’’のみにラベルを付けている）。したがって、本明細書で説明するルータ１３０には、高い分解能を備えた分散素子が好ましい。
【0042】
いくつかの実施形態では、ルータは、いくつかの狭帯域周波数フィルタなど、少なくとも２つの分散光学素子を備えることができる。適切なフィルタの例は、ファイバブラッグ格子、ボリュームブラッグ格子、アレイ導波路格子、光キャビティ（例えば、エタロン）、マイクロリング共振器、または不平衡マッハツェンダー干渉計のアレイを包含する。図３に示される一実施形態では、ルータ３３０はファイバブラッグ格子３２２を含む。変調器１２０（図示せず）からの複数のトーン１２５は光ファイバ３２１に結合され、各トーン１２５は対応するファイバブラッグ格子３２２’、３２２’’、または３２２’’’で共鳴反射し、共振周波数ビーム３３５’、３３５’’、または３３５’’’は、対応する光サーキュレータ３２３’、３２３’’、または３２３’’’を使用して結合出力される。
【0043】
図４に示される別の実施形態では、ルータ４３０は、いくつかの狭帯域光キャビティ（例えば、エタロン）４２２を含む。変調光１２５は、エタロンのアレイ、図４に示す３つのエタロン４２２’、４２２’’、および４２２’’’で反射され、それぞれが個別のスペクトルトーン４３５’、４３５’’、または４３５’’’を通過し、他の周波数成分が反映される。この実施形態では、制御チャネルの数、クロストーク、およびスイッチング速度は相互に関係している。性能の向上は、複数の同一のエタロンを直列に使用して（図示せず）、個々のスペクトルトーン４３５をフィルタリングすることによって達成することができる。あるいは、光集積回路（ＰＩＣ）を使用する図５に示す実施形態では、ルータ５３０は、共通ビーム１２５から個々の制御トーン５３５’、５３５’’、または５３５’’’をフィルタリングする自由空間エタロンの代わりに、図５に示すいくつかのマイクロリング共振器５２２、３つのマイクロリング共振器５２２’、５２２’’、および５２２’’’を備える。
【0044】
図６に示す光集積回路（ＰＩＣ）を使用するさらに別の実施形態では、ルータ６３０は、個々の制御トーンをフィルタリングする不平衡マッハツェンダー干渉計のアレイを含む。この実施形態では、干渉計の２つのアームは、干渉計６２２’、６２２’’、および６２２’’’の各層で周波数成分のサブセットが逆多重化されるように、正確に設計された経路長差Ｌを有する。例として、等間隔の制御トーン６３５’、６３５’’、および６３５’’’などのグリッドは、経路長差ΔＬが層ごとに半分になり、干渉計フィルタ関数の中心周波数がシフトされて周波数成分が選択されるように、複数の干渉計層をカスケード接続することによって取得される。別の実施形態では、ＰＩＣは、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を通る光分散に基づいて周波数フィルタを実装することもできる。ＡＷＧは、複数の周波数の放射を含む入力導波路で構成され、回折されて導波路アレイを通過する。異なる周波数の放射線は、導波路アレイ内で異なる位相を蓄積するため、異なる出力導波路に誘導される。ＰＩＣにおけるさらに別の実施形態では、ＰＩＣ内の面内回折と反射界面の組み合わせを使用して、ＰＩＣ内にエシェル格子が生成される。たとえば、単一の入力導波路は、ＰＩＣにエッチングされたブレーズ格子に複数の放射周波数を向けることができ、これにより個々の周波数が個別の出力導波路に分散される。
【0045】
アクティブマトリックスの実装
アクティブマトリックスの実装では、組み合わせアプローチを利用して、指定された数の変調器でアドレス指定できる量子ビットの数を増やす。アドレス指定の同時性と特異性は、各量子ビットがトーンの一意の組み合わせを少なくとも１つ確実に受信することによって実現され、これは共鳴条件を満たしており、このユニークな組み合わせのトーンの少なくとも１つは他のトーンとは異なる変調器からのものである。
アクティブマトリックスの実装では、組み合わせアプローチを利用して、指定された数の変調器でアドレス指定できる量子ビットの数を増やす。アドレス指定の同時性と特異性は、各量子ビットがトーンの一意の組み合わせを少なくとも１つ確実に受信することによって実現され、これは共鳴条件を満たしており、このユニークな組み合わせのトーンの少なくとも１つは他のトーンとは異なる変調器からのものである。
【0046】
量子ｍ準位系における２つの量子状態間の電磁遷移は、入射光子場のエネルギーの合計または差が特定の共鳴条件に達した場合にのみ共鳴的に引き起こされる。たとえば、光子のエネルギーが量子状態間のエネルギー差ΔＥに等しい場合、遷移は単一の光子によって引き起こされる。２光子のエネルギーの合計がΔＥになる場合、または光子のエネルギーの差がΔＥに等しい場合、２光子遷移は共鳴的に引き起こされる。３つの光子エネルギーの合計がΔＥに等しい場合、または２つの光子エネルギーの合計から他の光子エネルギーを引いたものがΔＥに等しい場合、３光子遷移は共鳴的に引き起こされる。量子系がエネルギーが共鳴条件に達していない光子によって引き起こされる場合、その遷移は非共鳴的に引き起こされると言われ、光子が十分に非共鳴である場合、光子が元の量子状態に与える変化は小さい。関係するエネルギー準位が量子ビットに属している場合、非共振駆動によりゲートエラーが発生する可能性がある。いくつかの実施形態では、エネルギー準位は量子ビットの基底状態エネルギー準位および励起状態エネルギー準位である。他の実施形態では、エネルギー準位は、量子ビットの基底状態の超微細エネルギー準位および別の超微細エネルギー準位である。
【0047】
多光子遷移は、２つの量子状態間で単独で、または同じ量子ビットの中間状態を介して引き起こされる。一般に、中間状態が存在すると、遷移を引き起こされる速度が大幅に増加する。たとえば、両方の光子が等しくオフレゾナントである単一の中間状態を介して２つの状態間の２光子遷移の場合、集合的なラビ周波数は、Ω１Ω２／Δとして表すことができ、ここで、Ω１とΩ２は、各状態から中間状態までの共振駆動ラビ周波数であり、Δは中間状態からの一般的な離調である（ただし、Δが中間状態からの損失率よりもはるかに大きい場合）。より多数の光子の多光子遷移についても同等の式を定式化できる。２光子遷移を共鳴的に引き起こされる光子周波数の可能な組み合わせが多数存在する様に、Δの値は自由に選択できることに注意されたい（ただし、２光子ラビ周波数は必然的に変化する）。
【0048】
１つ以上の実施形態によれば、図７Ａに示すように、アクティブマトリクス光アドレス指定システム７００は、１つ以上の電磁放射線源７１０を含む。適切な電磁放射線源７１０の例としては、電子発振器、レーザー、マスタースレーブ型レーザーおよび増幅器システム、またはスーパールミネセントダイオードなどのインコヒーレント源が挙げられる。発生源７１０は、注入ロックサブシステムまたは他の周波数ロック技術を通じて外部基準周波数源にロックされてもされなくてもよい。電源７１０は、連続波（ＣＷ）電力で動作することも、パルス発振器として動作することもできる。光アドレス指定システム７００はさらに、放射線源７１０によって生成された電磁放射線のビーム７１５を変調するようにそれぞれ構成された１つまたは複数の多周波数変調器７２０を含み、それにより、複数の周波数を有する複数（図７Ａに示す７２５’、７２５’’、および７２５’’’）の電磁放射線ビーム７２５を生成する。適切な多周波数変調器７２０の例は、電気光学（例：ポッケルス、カー（ｋｅｒｒ）、または電気回転機構）、音響光学、応力光学、光電子半導体効果（例：プラズマ分散効果、量子閉じ込めシュタルク効果またはフランツ・ケルディッシュ効果、またはその他の光利得または損失変調）に基づく電気駆動光周波数変調器、または、導波または非導波（バルク）光学幾何学における電子誘起誘電率変更、またはバラクタに基づく電気駆動マイクロ波放射変調器、または、ミキサー、パラメトリック増幅器、非線形伝送線路、可変利得増幅器などの他のダイオード、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、およびバイポーラトランジスタベースのデバイスを含む。あるいは、変調器は非線形光学またはマイクロ波エレクトロニクスから構築することもでき、ここで、上記の変調器を使用して１つの周波数にインプリントされた変調は、非線形光学材料（ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、ＫＴＰ、ＳｉＮ、ＢＢＯなど）などの、非線形媒体を使用して対象の放射線に転送され、このようなポンピング効果における光利得媒体は、非線形性として作用するか、マイクロ波周波数範囲では、バラクタまたは他のダイオード、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、およびバイポーラトランジスタなどのディスクリートデバイスを単独で、または、効果的な媒体として機能する複数、または他の非線形メタマテリアルとして使用する。変調器は、ビーム７１５の振幅、および／または位相、および／または偏光、および／または複数の導波モード状態を変調するように構成することができる。変調器７２０は、変調構造を通過するシングルパス、または共振器の内部または外部で変調を行う共振器に結合された干渉計（例：マッハツェンダー、サニャック、マイケルソン、またはフィゾー）などのより複雑な構造を通過することを含む、様々なトポロジのいずれか１つで構築することができ、あるいは、いわゆる「クリティカルカップリング」体制に置かれることもある。アドレス指定システム７００はさらに、上述の多周波数変調器と同様の１つまたは複数の単一周波数変調器７１６を含むが、それらはそれぞれ、放射線源７１０によって生成された電磁放射線のビーム７１５を変調して、所望の単一周波数を有する電磁放射線ビーム７１７を生成するように構成されている。あるいは、光アドレス指定システム７００は、所望の単一周波数（図示せず）を有する電磁放射線ビームを生成するために、１つまたは複数の追加の電磁放射線源をさらに含むことができる。光アドレス指定システム７００は、電磁放射線のビームを量子ビット７５０に選択的に導くように構成されたルータ７４０をさらに含む。ルータ７４０は、例えばファイバスプリッタ７４１で構成されたパワースプリッタ７４１と、例えば図７Ａに示すように電磁放射線のビームを量子ビット７５０に向けるファイバコンバイナ７４２で構成されたパワーコンバイナ７４２とを含む。ルータ７４０の要素７４１および７４２の追加の実施形態については、以下でさらに説明する。要素７１０、７２０、７４０、７４１、および７４２の任意の組み合わせは、オプションで、統合フォトニクスプラットフォーム（たとえば、シリコンフォトニクス、リン化インジウムフォトニクス、窒化ケイ素フォトニクス、ニオブ酸リチウム集積フォトニクス、酸化アルミニウムフォトニクス、窒化アルミニウムフォトニクス、ＰＬＺＴ材料、あるいはそれらのハイブリッドの組み合わせを使用）、統合マイクロ波エレクトロニクス技術（たとえば、半導体、マイクロストリップ、ストリップライン、またはプリント基板技術の使用）を使用してモノリシックアセンブリに統合することができ、または非統合方式で個々の要素から構築することができる。あるいは、放射線源７１０および変調器７２０の機能は、変調ポンプ源によって引き起こされる電流変調レーザーダイオードまたはパラメトリック発振器などの単一要素に任意に組み合わせることができる。あるいは、上記の「開ループ」構造を「閉ループ」で動作させることもでき、そこでは、１つ以上の出力放射モード７２５、またはルータ７４０からの１つ以上の放射モードのエネルギーの一部は、発生源７１０を参照するか、または置き換える完全または部分的な入力としてリダイレクトされる。
【0049】
Ｎ－ｃｈｏｏｓｅ－ｋの実装
ｋ個の異なる周波数光子（ｋは２以上の整数）によって引き起こされる遷移を考慮すると、Ｎ量子ビットを超える量子ビットを同時に独立して制御できるように、Ｎ個の変調器の出力の組み合わせを作成することが可能である。多くの量子ビットが特定の変調器からの放射線にさらされる可能性があるが、特定の遷移を引き起こすためにｋ個すべての関連周波数で光子を提供する単一の変調器はないため、少なくとも２つの変調器からのトーンが必要である。異なるモジュレーターで同じトーンの組み合わせを提供でき、これらのトーンは個別にオン／オフを切り替えることができる。したがって、ｋ光子遷移でＮｍ個の変調器によってアドレス指定できる最大量子ビットＮｑは、
として、二項係数Ｎ－ｃｈｏｏｓｅ－ｋとしてスケールされる。
ｋ個の異なる周波数光子（ｋは２以上の整数）によって引き起こされる遷移を考慮すると、Ｎ量子ビットを超える量子ビットを同時に独立して制御できるように、Ｎ個の変調器の出力の組み合わせを作成することが可能である。多くの量子ビットが特定の変調器からの放射線にさらされる可能性があるが、特定の遷移を引き起こすためにｋ個すべての関連周波数で光子を提供する単一の変調器はないため、少なくとも２つの変調器からのトーンが必要である。異なるモジュレーターで同じトーンの組み合わせを提供でき、これらのトーンは個別にオン／オフを切り替えることができる。したがって、ｋ光子遷移でＮｍ個の変調器によってアドレス指定できる最大量子ビットＮｑは、
【数4】
【0050】
たとえば、図７Ｂに示すように、オプションの中間状態｜ｉ＞を介して｜ｇ＞から｜ｅ＞への２光子（つまり、ｋ＝２）遷移によって引き起こされる量子ビットを考えてみる。図７Ａに示されるすべての異なる２つの変調器の組み合わせは、異なる量子ビットにおける共鳴２光遷移を同時にかつ独立して引き起こすことができる。適切な周波数トーンを選択するための適切ではあるが限定するものではない処方は次のとおりである。単一周波数変調器７１６が周波数ν１を生成するとする。残りのＮ－１個の多周波数変調器７２０のそれぞれが、ν１＋ν２＝νｒｅｓとなるような周波数ν２を生成するとすし、ここで、νｒｅｓは遷移の共振周波数である。これらの変調器７１６および７２０の出力を、図７Ａに示すように、最初の変調器と残りのＮ－１個の変調器との一意のＮ－１個の組み合わせに組み合わせるとする。コントローラ７０５を使用してν２でトーンを生成する変調器７２０をオンおよびオフに切り替えることによって、Ｎ－１量子ビットの制御を達成することができる。ここで、ν１＋ν３もν２＋ν３も共振条件を満たさないように、多周波数変調器７２０’もトーンν３を生成し、そして、ν３＋ν４＝νｒｅｓとなるが、ν１＋ν４もν２＋ν４も共振条件を満たさないように、残りのＮ－２個の多周波数変調器７２０にトーンν４を生成させる。出力を、図７Ａに示す変調器７２０’と残りのＮ－２個の多周波数変調器７２０’’および７２０’’’との一意の組み合わせに結合するものとする。このプロセスは、図７ＡのＮｍ＝４の場合に示すように、すべての変調器が使用されるまで繰り返される。したがって、アドレス指定可能な量子ビットの数は、２光子遷移（図７Ａに示す例では３！＝６量子ビット）の場合（Ｎ－１）！、または、より一般的にはｋ光子遷移の場合はＮ！／（ｋ！（Ｎ－ｋ）！）である。
【0051】
本明細書では、量子ビットの制御を可能にするデバイスの様々な異なる構成について説明する。アクティブマトリックスデバイスは、制御トーンの生成とは別に、さまざまな変調器からのトーンを組み合わせて量子ビットに送信する必要がある。量子ビット遷移が光周波数遷移である場合、適切なデバイスは光ファイバ要素を使用できる。Ｎ個の変調器のそれぞれの出力は、ファイバスプリッタ７４１によってＮ－１個のチャネルに分割され、これらの分割出力のＮ－ｃｈｏｏｓｅ－ｋ個の組み合わせはすべてファイバコンバイナ７４２で作成される。結合された制御トーンは、ファイバアレイとイメージングシステムを使用して量子ビットに配信できる。同等のデバイスは、ファイバ要素のすべてまたは一部を光集積回路（ＰＩＣ）要素に置き換える。２光子遷移を引き起こすための適切なデバイスの別のバージョンは、ファイバスプリッタを保持するが、ファイバコンバイナを省略し、反対側から量子ビットにビームのアレイを投影し（たとえば、２つの対向するファイバアレイを使用する）、そのため、制御トーンは量子ビットで結合される。さらに、アクティブマトリクスデバイスの３番目のバージョンでは、ホログラフィックアドレス指定の実装を採用することにより、前述の光ファイバ要素を使用せずにビームのアレイを作成する。このようなデバイスでは、空間光変調器または位相板を使用してビームの任意のパターンを作成し、異なる照射角度によって異なるパターンを作成できる。このシステムは、変調器のさまざまな組み合わせからの重なり合うビームが各量子ビット上に結像されるように構成されている。このバージョンのアクティブマトリクスデバイスは動的に再構成可能であるため、特定のジオメトリに従って配置された量子ビットのアドレス指定に制限されない。
【0052】
グリッドインデックスの実装
量子ビットがＤ次元グリッド上に位置する実施形態では、２光子遷移の場合、量子ビットは、空間内の二次元（２Ｄ）グリッドの点に配置され、行と列は別個の変調器によってアドレス指定される。３光子遷移の場合、量子ビットは３Ｄグリッドの点に配置できる。どちらの場合でも、グリッドは実空間配置ではなく論理インデックス構造にすることができる。したがって、この実装は、３次元以下の実空間構造にマッピングされる論理インデックス構造であるグリッドを使用して、４つ以上の光子によって引き起こされる遷移に使用できる。この変調器の組み合わせの配置により、Ｎ個の変調器がｋ光子遷移を引き起こす（Ｎ／ｋ）ｋ量子ビットの制御が可能になる。
量子ビットがＤ次元グリッド上に位置する実施形態では、２光子遷移の場合、量子ビットは、空間内の二次元（２Ｄ）グリッドの点に配置され、行と列は別個の変調器によってアドレス指定される。３光子遷移の場合、量子ビットは３Ｄグリッドの点に配置できる。どちらの場合でも、グリッドは実空間配置ではなく論理インデックス構造にすることができる。したがって、この実装は、３次元以下の実空間構造にマッピングされる論理インデックス構造であるグリッドを使用して、４つ以上の光子によって引き起こされる遷移に使用できる。この変調器の組み合わせの配置により、Ｎ個の変調器がｋ光子遷移を引き起こす（Ｎ／ｋ）ｋ量子ビットの制御が可能になる。
【0053】
２光子（ｋ＝２）遷移（図７Ｂに示す）を引き起こす９量子ビット（Ｎｑ＝９）の２次元（Ｄ＝２）グリッド上の６つの変調器（Ｎ＝６）からなる光アドレス指定システム８００が図８Ａ～８Ｂに示される。３つの選択可能な電磁放射線ビーム８２５は、３つの（Ｎｑ
（ｋ－１）／Ｄ＝９１／２＝３）多周波数変調器８２０によって生成され、および３つの（［Ｎｑ
１／Ｄｘ（ｋ－１）］＝９１／２＝３）単一周波数変調器は、それぞれが、多周波数変調器８２０によって生成されるビームのうちの単一のビームと組み合わせて、周波数共振条件を満たす別個の周波数を有する電磁放射線のビームを生成する。コントローラ８０５によって選択される変調器出力の組み合わせは、制御ビームをホログラフィックに多重化することによって、またはこれら２つのアプローチの組み合わせによって、ファイバまたは統合導波路スプリッタ８４１および結合器８４２を備えたルータ８４０内で行うことができる。量子ビット遷移がＲＦまたはマイクロ波遷移である場合、各量子ビットはｋ本のストリップラインに結合できる。あるいは、量子ビット遷移が光学遷移であり、量子ビットの実空間配置がグリッドである場合、２次元または３次元グリッドの行、列、およびシートは、グリッド次元に沿って伝播するビームによって照射できる。２光子遷移および２次元量子ビットアレイの実施形態が図８Ｂに示されている。
【0054】
グリッドインデックス付きデバイスの変調器の数に対する量子ビットの数のスケールは、上記のＮ－ｃｈｏｏｓｅ－ｋデバイスほど有利ではないが、各変調器はＮ－１トーンではなく最大でもＮ／ｋトーンを生成する必要があるため、各変調器にはより低い帯域幅が必要である。さらに、多周波数変調器８２０’、８２０’’、および８２０’’’は、変調器配置の一次元に沿ってのみ必要である。他の次元は、単一周波数変調器８１６’、８１６’’、および８１６’’’によって引き起こすことができる。上述の周波数分割逆多重化デバイスの１つを採用することにより、変調器配置の単一周波数次元をマルチトーン変調器／デマルチプレクサ（図示せず）によって引き起こすことができ、変調器の総数をさらに減らすことができる。
【0055】
タグ付けされた実装
アクティブマトリクスデバイスの別の実施形態は、各量子ビットが遷移を完了するには、異なる周波数のｋ番目の光子が必要になる様に、ｋ光子遷移に必要なｋ－１個の光子を少なくとも１次元で静的な方法で提供することを含む。事実上、各量子ビットには固有の周波数が「タグ付け」される。量子ビットはまた、各量子ビット遷移を完了するために必要なすべての制御トーンを生成する別の変調器によってグローバルに引き起こされ、ｋ次元グリッド上に配置された各量子ビットに対応する１つの制御トーンを備えており、ルータは、Ｎｍ個の変調器によって生成された電磁放射線のビームを（Ｎｍ／ｋ）ｋ個の固有の組み合わせに選択的に向けるように構成されている。量子ビット遷移が光遷移である場合、次に、上記のデバイスのいずれかに、変調器、配信光学系、およびすべての量子ビットを集合的に照射するビームを追加して、少なくとも２つのｋに対するｋ光子遷移を使用した同時かつ独立した量子ビットアドレス指定のためのこのタグ付き実装を可能にすることができる。図７Ｂに示されるレベルスキームを使用するｋ＝２の実施形態が、６つの単一周波数変調器（Ｎｍ＝６）について図９に示される。行単一周波数変調器９１６’、９１６’’、および９１６’’’、または列単一周波数変調器９１７’、９１７’’、および９１７’’’のいずれかを静的にオンにすることができ、他の次元の１つの変調器をオンにし、多周波数変調器９２０のトーンν２、ν４、またはν６の１つをオンにすると、特定の量子ビットがアドレス指定される。基底状態｜ｇ＞と励起状態｜ｅ＞の間の３光子遷移を備えたタグ付きアクティブマトリックス実装の別の実施形態、および、２つの中間状態｜ｉ１＞および｜ｉ２＞が図１０Ａおよび１０Ｂに示されている。ここで、量子ビットもグリッド上に配置され、行１０１６と列１０２０の変調器が静的トーンを生成するため、各量子ビットは２つのトーン（「タグ」）の一意の組み合わせによってアドレス指定可能になる。３光子遷移は、すべての量子ビットに対応するマルチ周波数変調器によって生成される、独自の３番目のトーンによって量子ビットごとに完了する。したがって、すべての量子ビットを同時に独立して制御するには、単一の多周波数変調器１０２１のみのアクティブ制御が必要である。
アクティブマトリクスデバイスの別の実施形態は、各量子ビットが遷移を完了するには、異なる周波数のｋ番目の光子が必要になる様に、ｋ光子遷移に必要なｋ－１個の光子を少なくとも１次元で静的な方法で提供することを含む。事実上、各量子ビットには固有の周波数が「タグ付け」される。量子ビットはまた、各量子ビット遷移を完了するために必要なすべての制御トーンを生成する別の変調器によってグローバルに引き起こされ、ｋ次元グリッド上に配置された各量子ビットに対応する１つの制御トーンを備えており、ルータは、Ｎｍ個の変調器によって生成された電磁放射線のビームを（Ｎｍ／ｋ）ｋ個の固有の組み合わせに選択的に向けるように構成されている。量子ビット遷移が光遷移である場合、次に、上記のデバイスのいずれかに、変調器、配信光学系、およびすべての量子ビットを集合的に照射するビームを追加して、少なくとも２つのｋに対するｋ光子遷移を使用した同時かつ独立した量子ビットアドレス指定のためのこのタグ付き実装を可能にすることができる。図７Ｂに示されるレベルスキームを使用するｋ＝２の実施形態が、６つの単一周波数変調器（Ｎｍ＝６）について図９に示される。行単一周波数変調器９１６’、９１６’’、および９１６’’’、または列単一周波数変調器９１７’、９１７’’、および９１７’’’のいずれかを静的にオンにすることができ、他の次元の１つの変調器をオンにし、多周波数変調器９２０のトーンν２、ν４、またはν６の１つをオンにすると、特定の量子ビットがアドレス指定される。基底状態｜ｇ＞と励起状態｜ｅ＞の間の３光子遷移を備えたタグ付きアクティブマトリックス実装の別の実施形態、および、２つの中間状態｜ｉ１＞および｜ｉ２＞が図１０Ａおよび１０Ｂに示されている。ここで、量子ビットもグリッド上に配置され、行１０１６と列１０２０の変調器が静的トーンを生成するため、各量子ビットは２つのトーン（「タグ」）の一意の組み合わせによってアドレス指定可能になる。３光子遷移は、すべての量子ビットに対応するマルチ周波数変調器によって生成される、独自の３番目のトーンによって量子ビットごとに完了する。したがって、すべての量子ビットを同時に独立して制御するには、単一の多周波数変調器１０２１のみのアクティブ制御が必要である。
【0056】
非線形光学素子のアドレッシング
上述の実施形態では、アクティブマトリクス実装における制御トーンは、和周波数または差周波数で量子ビット内の多光子遷移を引き起こす。さらに別の実施形態では、非線形光学素子は、入射光の和周波数または差周波数で新しい光波を物理的に生成し、伝播して量子ビット内の単一または多光子遷移を生成する。アドレス指定された量子ビットの数と同じ数の、このような非線形光学デバイスの任意次元アレイに、上記のアクティブ マトリックス実装で入力レーザービームをシードすることができ、これにより、指定された数の量子ビットをアドレス指定するために使用される変調器の数を同様に減らすことができる。
上述の実施形態では、アクティブマトリクス実装における制御トーンは、和周波数または差周波数で量子ビット内の多光子遷移を引き起こす。さらに別の実施形態では、非線形光学素子は、入射光の和周波数または差周波数で新しい光波を物理的に生成し、伝播して量子ビット内の単一または多光子遷移を生成する。アドレス指定された量子ビットの数と同じ数の、このような非線形光学デバイスの任意次元アレイに、上記のアクティブ マトリックス実装で入力レーザービームをシードすることができ、これにより、指定された数の量子ビットをアドレス指定するために使用される変調器の数を同様に減らすことができる。
【0057】
図１１に示すように、アレイ内の各非線形光学素子１１４５は、単一周波数変調器１１１６からのビーム１１１７のコントローラ１１０５によって選択された組み合わせから生じる特定の混合積波長を選択的に生成し、多周波数変調器１１２０からのビーム１１２５は、パワースプリッタ１１４１によって分割され、ルータ１１４０内のパワーコンバイナ１１４２によって結合される。和周波数または差周波数の生成プロセスは、位相整合と非線形光学素子の周りに構築された共振器構造を使用して、エネルギーレベル間で引き起こされる量子ビットの遷移と同様に、選択的に共振させることができる。光ダウンコンバーター、アップシフター、または光パラメトリック増幅器および発振器は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＢＢＯ、ニオブ酸カリウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、または他の非線形材料など、周波数νｉの２以上のレーザービームを光学的非線形材料に通過させることによって作成できる。これらの非線形材料は、特定の周波数変換プロセスに位相整合するように定期的に分極して、新しい周波数ν’＝Σｉｍｉνｉを効率的に生成でき、ここで、ｍｉは正または負の整数である。たとえば、公称波長１５６０ｎｍの２つのレーザービームは、ニオブ酸リチウムのχ２光学非線形性を利用して効率的に周波数を２倍にすることができる。別の例は、窒化シリコンのχ３非線形性を利用して、波長約１２６０ｎｍの３つの異なるレーザービームから約４２０ｎｍの光波長で近第３高調波を生成することである。これらの例のいずれかまたは両方において、非線形プロセスを導波路構造内で発生させて限られた光パワーで光変換効率を向上させることができ、さらに空洞状構造によって共振を高めることができる。一実施形態では、共振構造は、窒化シリコンフォトニック回路内にリソグラフィーによって画定される導波路リングである。
【0058】
同等物
このように、いくつかの例示的な実施形態を説明したが、当業者であれば、様々な変更、修正、および改良を容易に思いつくであろうことが理解されるであろう。そのような変更、修正、および改良は、本開示の一部を形成することが意図されており、本開示の精神および範囲内にあることが意図されている。本明細書に提示されるいくつかの例は、機能または構造要素の特定の組み合わせを含むが、これらの機能および要素は、同じまたは異なる目的を達成するために、本開示に従って他の方法で組み合わせられ得ることを理解されたい。特に、一実施形態に関連して説明した行為、要素、および特徴は、他の実施形態における同様の役割または他の役割から除外されることを意図したものではない。さらに、本明細書で説明される要素および構成要素は、追加の構成要素にさらに分割されたり、一緒に結合されて、同じ機能を実行するためのより少ない構成要素を形成したりすることができる。
このように、いくつかの例示的な実施形態を説明したが、当業者であれば、様々な変更、修正、および改良を容易に思いつくであろうことが理解されるであろう。そのような変更、修正、および改良は、本開示の一部を形成することが意図されており、本開示の精神および範囲内にあることが意図されている。本明細書に提示されるいくつかの例は、機能または構造要素の特定の組み合わせを含むが、これらの機能および要素は、同じまたは異なる目的を達成するために、本開示に従って他の方法で組み合わせられ得ることを理解されたい。特に、一実施形態に関連して説明した行為、要素、および特徴は、他の実施形態における同様の役割または他の役割から除外されることを意図したものではない。さらに、本明細書で説明される要素および構成要素は、追加の構成要素にさらに分割されたり、一緒に結合されて、同じ機能を実行するためのより少ない構成要素を形成したりすることができる。
【0059】
例示的な実施形態の前述の説明は、例示および説明を目的として提示されたものである。これは、網羅的であること、または本開示を開示された正確な形式に限定することを意図したものではない。この開示に照らして、多くの修正および変形が可能である。本開示の範囲は、この詳細な説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって限定されることが意図されている。本出願の優先権を主張する将来の出願は、開示された主題を異なる方法で主張する可能性があり、一般に、本明細書でさまざまに開示または実証されているように、１つまたは複数の制限の任意のセットを含む場合がある。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A-B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【国際調査報告】