專利名稱：量子信息處理裝置及處理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及量子信息處理方法以及量子信息處理裝置，該方法涉及把通過施加磁場將相干時間延長的物理系統(tǒng)用于采用諧振器振蕩模(モ—ド)的量子信息處理裝置之際，有效地利用靠該磁場延長的相干時間用的施加磁場的方法，所述裝置是涉及能有效地利用相干時間的量子信息處理裝置。
背景技術：
在以量子計算機為先驅的量子信息處理裝置中，以與原子或離子、光子等物理系統(tǒng)中的某個物理量相關的疊合的狀態(tài)表示信息(量子位(ビツト))。而且分別操作各個量子位或者在物理系統(tǒng)之間導入相互作用，根據某物理系統(tǒng)的量子位進行另一方的量子位發(fā)生變化的帶條件的門(ゲ—ト)操作等，反復上述動作等進行信息處理。
在這一信息處理期間，物理系統(tǒng)要保持該物理量的相干性，所以需要相干時間(或者按照直至相干性被破壞為止的時間的意義，也稱為解相干時間，解相干意即相干性被破壞)長的物理系統(tǒng)。分散于氧化物結晶中的稀土離子的超微結構能級的相干時間作為固體特別長，而且能用可見光頻率附近的光的頻帶的電磁場進行操作，因此這種稀土離子作為一種能用固體材料構成量子信息處理裝置的物理系統(tǒng)是非常有發(fā)展前景的(參照例如非專利文獻1、2)。
而且近年來提出一種對于延長結晶中稀土離子的超微結構能級的相干時間非常有效的方法(參照例如非專利文獻3)，并且通過實驗確認了相干時間顯著增大。但解相干一度顯著受到抑制通常只是在一組能態(tài)之間的解相干而已。
非專利文獻1K.Ichimura.K.Yamamoto，and.N.Gemma，Phys.Rev.A58(5)，4116(1998)、非專利文獻2K.Ichimura.Opt.Commun.196.119(2001)、非專利文獻3E.Fraval，M.J.Sellars，and J.Longdell，Phys.Rev.Lett.92(7)，077601(2004)發(fā)明內容在將結晶中的稀土離子用于量子信息處理裝置時，現在幾乎都必需利用諧振器振蕩模。在利用諧振器振蕩模的情況下，為了使利用施加磁場抑制解相干的方法對于量子信息處理實際上能有效地發(fā)揮作用，抑制哪些能態(tài)間的解相干、施加磁場的施加時間如何掌握為好等具體的施加磁場的施加方法尚未得知。
本發(fā)明是為解決上述問題而提出，其目的在于，提供將利用諧振器振蕩模的量子信息處理裝置中的量子位大幅度地延長的相干時間實際應用于量子信息處理的量子信息處理裝置及量子信息處理方法。
為了解決上述問題，本發(fā)明的量子信息處理裝置，其特點是，包括具有諧振器振蕩模的諧振器；一種物質，該物質被包含于所述諧振器內，內部包含多個物理系統(tǒng)，各物理系統(tǒng)至少有4個能態(tài)，在磁場未加于該物理系統(tǒng)的情況下，多個所述能態(tài)互不簡并，多個所述能態(tài)中的兩個能態(tài)間的躍遷與所述諧振器振蕩模諧振，該諧振器振蕩模在所有所述物理系統(tǒng)中是共通的，以所述能態(tài)表現量子位，通過施加磁場，所述能態(tài)中至少兩個能態(tài)之間的躍遷能量發(fā)生能量轉移動；以及，磁場施加單元，該單元對于表示量子位的能態(tài)的某兩個能態(tài)間的躍遷能量，將在該躍遷能量具有固有的方向及固有的大小的磁場施加于所述物質，使線性的躍遷能量轉移動消失，而且在所述物質中，所述躍遷能量轉移動消失的兩個能態(tài)不包含與所述諧振器振蕩模諧振的兩個能態(tài)中的任何一個。
另外，本發(fā)明的量子信息處理裝置包括具有諧振器振蕩模的諧振器；一種物質，該物質在所述諧振器內，其內部包含多個物理系統(tǒng)，各物理系統(tǒng)其多個所述能態(tài)中的兩個能態(tài)間的躍遷與所述諧振器振蕩模諧振，該諧振器振蕩模在所有所述物理系統(tǒng)中是共同的，在所述能態(tài)中的正在簡并的能態(tài)下表現量子位；將磁場施加于所述多個物理系統(tǒng)的磁場施加單元；輸出激光的光源；將所述激光分離成多束激光的分離單元；對所述被分離的每束激光控制其相位、強度、頻率的激光控制單元；對所述多個物理系統(tǒng)照射各受控的激光的照射單元；以及控制所述磁場的施加的磁場控制單元，僅在兩個量子位門(ビツトゲ—ト)時利用諧振器振蕩模的兩個物理系統(tǒng)間的絕熱通過(adiabatic passage)間，所述磁場控制單元使所述磁場施加單元中斷磁場的施加，所述激光控制單元進行控制以使所述激光呈脈沖狀。
本發(fā)明的量子信息處理方法，其特征在于，準備具有諧振器振蕩模的諧振器；并準備一種物質，該物質包含于所述諧振器內部，在內部包含多個物理系統(tǒng)，各物理系統(tǒng)至少有4個能態(tài)，在磁場未施加于該物理系統(tǒng)的情況下，多個所述能態(tài)互不簡并，多個所述能態(tài)中的兩個能態(tài)間的躍遷與所述諧振器振蕩模諧振，該諧振器振蕩模在所有所述物理系統(tǒng)中是共同的，在所述能態(tài)表現量子位，通過施加磁場，所述能態(tài)中至少兩個能態(tài)之間的躍遷能量產生能量移動；對于表示量子位的能態(tài)的某兩個能態(tài)間的躍遷能量，將在該躍遷能量具有固有的方向及固有的大小的磁場施加于所述物質，使線性的躍遷能量轉移動(shift)消失，而且其特征在于在所述物質中，所述躍遷能量轉移動消失的兩個能態(tài)不包含與所述諧振器振蕩模諧振的兩個能態(tài)中的任何一個。
另外，本發(fā)明的量子信息處理方法，其特征在于，準備具有諧振器振蕩模的諧振器；并準備一種物質，該物質包含于所述諧振器內部，內部包含多個物理系統(tǒng)，各物理系統(tǒng)其多個所述能態(tài)中的兩個能態(tài)間的躍遷與所述諧振器振蕩模諧振，該諧振器振蕩模在所有所述物理系統(tǒng)中是共同的，在所述能態(tài)中的正在簡并的能態(tài)下表現量子位；將磁場施加于所述多個物理系統(tǒng)，輸出激光，將所述激光分離成多束激光，對所述被分離的每束激光控制其相位、強度、頻率，對所述多個物理系統(tǒng)照射各受控的激光，控制所述磁場的施加，而且其特征是，僅在兩個量子位門(ビツトゲ—ト)時利用諧振器振蕩模的兩個物理系統(tǒng)間的絕熱通過間，中斷磁場的施加，所述激光控制單元控制所述激光使其呈脈沖狀。
如果采用本發(fā)明的量子信息處理裝置及量子信息處理方法，能將利用諧振器振蕩模的量子信息處理裝置中的量子位的大幅度延長的相干時間實際用于量子信息處理。


圖1表示多個量子位的多個離子的能態(tài)與共同的諧振器振蕩模之間的關系。
圖2表示在本實施方式的量子信息處理裝置及處理方法中，以在零磁場未簡并的能態(tài)表示量子位的情況下，在臨界點一直保持下去的能態(tài)與諧振器振蕩模間的關系。
圖3表示在本實施方式的量子信息處理裝置及處理方法中，以在零磁場簡并的能態(tài)表示量子位的情況下，施加磁場的時刻與能態(tài)及諧振器振蕩模間的關系。
圖4為本發(fā)明實施方式1的量子信息處理裝置的，以在零磁場未簡并的能態(tài)表示量子位的情況下，在臨界點一直保持下去的情況下的方框圖。
圖5表示本發(fā)明的實施方式1的3個Pr3+離子的能態(tài)。
圖6為本發(fā)明的實施方式1中進行門(グ—ト)操作時使用的量子信息處理裝置、實施方式2中的量子信息處理裝置的方框圖。
圖7表示本發(fā)明的實施方式2的兩個Pr3+離子的能態(tài)。
具體實施例方式
以下參照附圖對本發(fā)明的實施方式的量子信息處理裝置及量子信息處理方法作詳細說明。
首先對本實施方式的量子信息處理裝置及量子信息處理方法的實質性的事項進行說明，本實施方式中，通過施加磁場使其轉移到(下述)臨界點(critical point)，將使相干時間大幅度增大的能態(tài)作為不包括與諧振器振蕩模諧振的能態(tài)的，量子信息長時間固定的能態(tài)。本實施方式的量子信息處理裝置及處理方法有效利用通過該磁場的施加所得到的較長的相干時間，增加能執(zhí)行的最大的步數(一系列量子運算的執(zhí)行次數)，或增加該步數和量子位數。即如果采用本實施方式，能增強量子計算的處理能力。
另外，本實施方式的量子信息處理裝置及處理方法在不施加磁場時以簡并的能態(tài)表示量子信息的情況下，除了正在執(zhí)行利用簡并的兩個量子位門中的絕熱通過(adiabatic passage)外，繼續(xù)施加穩(wěn)定的磁場，從而使能執(zhí)行的最大的步數、或該步數和量子位數兩者都增大的量子信息處理成為可能。
以下在詳細說明本發(fā)明的實施方式涉及的量子信息處理裝置及量子信息處理方法之前，利用本發(fā)明的實施方式說明能以對量子信息處理有效的方法增大相干時間，并能大幅度增大步數或步數與量子位數的機理。
本發(fā)明的實施方式中，利用Fraval等人提出的方法(E.Fraval，M.J.Sellars，andJ.J.Iongdell，Phys.Rev.Lett.92(7)，077601(2004))，即通過施加磁場抑制分散于物質中(例如結晶中)的稀土離子的核自旋的解相干。在將稀土離子分散結晶一直冷卻到液體氦的溫度時，成為稀土離子的核自旋喪失相干性的原因的是由于構成母體結晶的原子、離子的核自旋搖動為在分散的稀土離子的處所產生的磁場的搖動。Fraval等人的方法中，對某關注的分散的稀土離子的核自旋的兩個能態(tài)間的躍遷能量相對于磁場的線性變化(1次的塞曼移動動)消失或變得極小的該兩個能態(tài)，施加固有方向和固有大小的磁場。在施加這樣的磁場的狀態(tài)下，所關注的兩個狀態(tài)表現為處于三維的臨界點。當施加這樣的磁場時，能抑制該兩個能態(tài)間的解相干。
Fraval等人觀測到下述現象，就是當將使Pr3+:Y2SiO5的電子基態(tài)的核自旋狀態(tài)ml＝+1/2＜＝＞+3/2的躍遷一直保持于臨界點的(x、y、z)＝(732、173、-219)G的磁場施加于Pr3+:Y2SiO5時，相干時間從作為迄今為止相干時間的最大測量值即約500微秒增大至82毫秒。但是結晶的C2軸為y軸方向，而3H4-1D2的光學躍遷的偏振方向為z軸方向。
在臨界點，表示解除干擾的拉曼·外差·自旋·回波信號的衰減不是簡單的指數函數，但可以用I＝Io exp(-(2t/TM)2}表示，表示相干時間的82毫秒為該式中的TM(相位存儲時間)。式中，I表示拉曼·外差·自旋·回波信號的強度，Io表示初始的拉曼·外差·自旋·回波信號的強度，t表示時間。這種狀況的解相干的原因得到解析，通過施加脈沖串能進一步增大相干時間(E.Fraval，M.J.Sellars，and J.J.Longdell，Phys.Rev.Lett.95，030506(2005))。另外，又觀測到通過施加30G左右的磁場，原本簡并的能態(tài)間的相干時間也增大的情況(在ml＝+3/2＜＝＞-3/2為86毫秒)。
由施加該磁場造成的在相干時間的增大有以下兩個特征。
(1)通過一直保持于臨界點能顯著地抑制的通常只是在零磁場下未簡并的一組能態(tài)。
(2)在零磁場下簡并的能態(tài)間的相干時間由于施加磁場而延長。
然而，在欲將稀土離子分散結晶實際應用于量子信息處理裝置時，如圖1象征性地表示的那樣，利用諧振器振蕩模導入量子位間的相互作用這種做法是現實的。換句話說，諧振器振蕩模是看不見的配線’。對離子逐個進行位置控制并使其靠近排列以導入相互作用是困難的，所以利用諧振器振蕩模相比之下比較簡便而可靠。
這種諧振器振蕩模在承擔量子位的兩個物理系統(tǒng)間進行帶條件門操作時使用。承擔量子位的各物理系統(tǒng)根據量子位的單獨操作(1個量子位門)、兩個量子位之間的帶條件的門操作、或什么也不操作地加以保持等操作或狀態(tài)，接連不斷地一直操作下去，以使物理系統(tǒng)內的不同的能態(tài)表示量子位。為了對各個離子各別地進行這些操作，以如下所述方式進行，即作為作量子位利用的離子，利用各能態(tài)的能量(即能態(tài)間的躍遷能量)在離子間不同的離子(在圖1中未示出躍遷能量在離子間的不同)，使照射的光的頻率與想要操作的離子一致。
在圖1示出的例子中，未作門操作而正處于待機狀態(tài)的離子(第1～k-1、第k+1～l-1、第l+1～n的離子)中，量子位例如可用|A＞和|B＞表示。只有執(zhí)行兩個量子位門的離子(第k、l個離子)為了表達量子位也可以暫時使用|C＞。但是，未必在第k、l離子兩者，或者在兩者同時將量子信息移至|C＞。
在利用這樣的量子位進行信息處理時，即使想要根據在各個物理系統(tǒng)中表示量子位的能態(tài)施加磁場使該能態(tài)變成臨界點，但基于以下所述理由，這樣做是困難的。
第一，在正在處理多個量子位的量子信息處理裝置中，在某個時刻各物理系統(tǒng)中表示量子位的能態(tài)不同，所以要相應各個物理系統(tǒng)施加不同方向、不同大小的磁場，這是不現實的。第二，有時在相同的物理系統(tǒng)內(例如單一的離子)表現兩個以上的量子位，此時無法使表示各量子位的能態(tài)的組同時保持于臨界點。
因而，對所有的物理系統(tǒng)同時施加相同方向、相同大小的磁場是一種現實的方法。另外，作為靠該磁場一直保持于臨界點，顯著地延長相干時間的兩個能態(tài)，選擇有必要最長時間保持量子位的能態(tài)、即信息處理中必須最長時間地表示量子位的能態(tài)是有效的。
在各個物理系統(tǒng)的能態(tài)下顯示量子位的時間更長的，如下述實施方式1所述，是不與諧振器振蕩模諧振的能態(tài)(例如圖1中的|A＞和|B＞)。和諧振器振蕩模諧振的能態(tài)，在有必要在某兩個量子位間進行兩個量子位門操作時，只在表示作為對象的量子位的兩個物理系統(tǒng)中用于表示量子位，執(zhí)行借助于諧振器振蕩模的兩個量子位門操作。其它量子位仍然以不與諧振器振蕩模諧振的能態(tài)表示，不受在作為對象的量子位間正在進行的兩個量子位門操作的影響。在執(zhí)行兩個量子位門操作后，成為兩個量子位門的對象的量子位也返回不與諧振器振蕩模諧振的能態(tài)。
本發(fā)明的實施方式中，以在零磁場未簡并的能態(tài)表示量子位的量子信息處理的情況下(例如H.Goto and K.Ichimura.Phys.Rev.A70(1).012305(2004))，不包括與諧振器振蕩模諧振的兩個能態(tài)中任一個的，有必要長時間保持量子位的兩個能態(tài)間的躍遷一直保持于臨界點(與上述(1)對應)，因而能有效利用顯著增大的相干時間(圖2)。
以簡并的能態(tài)表示量子位的量子信息處理的情況下，不能夠將該簡并的兩個能態(tài)保持于臨界點。但通過施加磁場解除簡并的能態(tài)的相干時間延長(與上述(2)對應)，因而，若只是保持量子位，則最好繼續(xù)施加磁場。該磁場的大小取決于結晶種類、解除何種程度的簡并。但是在這種情況下所知的利用諧振器振蕩模的兩個量子位門(例如K.Ichimura.Opt.Commun.196.119(2001))的情況下，在表示作為對象的兩個量子位的兩個物理系統(tǒng)間，在利用絕熱通過的方法時，為了利用表示量子位的能態(tài)簡并的情況，所以此時有必要中斷磁場的施加。因此，在這種情況下，穩(wěn)定地施加磁場，并只在兩個量子位門的絕熱通過之際中斷磁場的施加這樣的施加磁場的方法是有效的(圖3)。
如以上所述，本發(fā)明的實施方式中，在利用諧振器振蕩模的量子信息處理裝置中，通過施加磁場增大相干時間時，通過適當地選擇一直保持于臨界點的能態(tài)、時間，能有效地將增大的相干時間用于量子信息處理。
實施方式1下面參照圖4說明本實施方式的量子信息處理裝置及方法。
本實施方式中對上述「(1)通過一直保持于臨界點從而能顯著地抑制解相干，這通常只是在零磁場下未簡并的一組能態(tài)」的情況的一個例子進行說明。
本實施方式的量子信息處理裝置如圖4所示，包括控制單元401、稀土分散結晶404、諧振器405、線圈406、407、408、低溫恒溫器409、以及旋轉裝置410。控制單元401包括磁場指定單元402、旋轉指定單元403。
控制單元401控制施加于稀土分散結晶404的磁場的方向、強度。磁場指定單元402使電流分別在線圈406、407、408上流過，施加磁場于稀土分散結晶404。另外，磁場指定單元402調整分別流過線圈406、407、408的電流的大小，控制磁場的方向、大小。旋轉裝置410使稀土分散結晶404三維旋轉。即旋轉裝置410能夠使稀土分散結晶404圍繞互不平行的3根軸旋轉。利用旋轉裝置401能自由地調整施加于稀土分散結晶404上的磁場的方向。
圖4一并示出線圈406、407、408、旋轉裝置410，但只用線圈406、407、408也能控制施加于稀土分散結晶404上的磁場的方向、大小。另外，線圈406、407、408中任何一組線圈和旋轉裝置410組合也能控制施加于稀土分散結晶404上的磁場的方向、大小。線圈406、407、408例如為電磁鐵、超導電磁鐵。
稀土分散結晶404是將稀土離子分散的結晶，分散于結晶中的稀土離子的核自旋制造疊加的狀態(tài)。稀土分散結晶404是在EIT(Electromagnetically Induced Transparency電磁感應透過性)發(fā)現上成功的固體材料。發(fā)現EIT的物質作為固體能異常長久地保持量子力學的疊加狀態(tài)，另外，用光能進行量子狀態(tài)的操作、觀測。EIT一種是能使光學性質急劇變化的現象。EIT本質上的特性是形成不吸收光的疊加狀態(tài)，不會把原子或離子激勵到能量高的狀態(tài)。作為發(fā)現固體EIT的物質，有含稀土離子的結晶(Pr3+:Y2SiO5)，能級利用包括離子的超微結構能級的能級體系。
稀土分散結晶404是含稀土離子的氧化物結晶，本實施方式中使用將0.01％Y3+離子置換為Pr3+離子的Pr3+:Y2SiO5結晶。表示量子位的物理系統(tǒng)是Pr3+:Y2SiO5結晶中的Pr3+離子。稀土分散結晶404為1mm×1mm×1mm左右的大小，表面形成超高反射率的反射鏡面，成為諧振器結構。
諧振器405具有諧振器振蕩模。諧振器振蕩模制成能夠與Pr3+離子的3H4-1D2間的躍遷諧振。
線圈406、407、408如圖4所示設置在結晶的周圍，沿特定的方向施加某一強度的磁場。圖4中線圈406、407包含相同的面，配置于稀土分散結晶404的周圍，沿與該平面垂直方向夾住稀土分散結晶404配置一組線圈408。
低溫恒溫器409將低溫恒溫器409的內部溫度保持在1.5K。
以下參照圖5說明在將磁場施加于稀土分散結晶404的情況下兩個能態(tài)間的解相干受到抑制的情況。圖5表示在施加磁場的情況下本實施方式用的3個Pr3+離子的能態(tài)。
圖5中，線圈406、407、408將磁場施加于稀土分散結晶404，使某一個離子的電子基態(tài)3H4的狀態(tài)|±1/2＞和|±3/2＞的兩個能態(tài)變成臨界點。線圈406、407、408在例如結晶的C2軸方向、在3H4-1D2間躍遷的偏振光方向、與這兩個方向正交的方向分別施加173G、-219G、732G的磁場。該磁場的方向和大小，使與表示量子位的能態(tài)的某兩個能態(tài)間的躍遷能量有線性關系的躍遷能量移動消失，是對躍遷能量固有的。
如圖5所示，自離子的電子基態(tài)3H4及電子激勵狀態(tài)1D2由超微結構分裂產生的狀態(tài)由于施加磁場進一步分裂。將本實施方式中利用的狀態(tài)按照圖5示出的能量低的次序為|A’＞、|A＞、|B’＞、|B＞、|C’＞、|C＞、|D’＞、|D＞、|E’＞、|E＞、|F’＞、|F＞。本實施方式中各離子的|A＞-|D＞間的躍遷都利用與共同諧振器振蕩模諧振的3個離子。
首先將|A’＞、|A＞、|B’＞、|B＞、|C’＞、|C＞、|D’＞、|D＞、|E’＞、|E＞、|F’＞、|F＞分別稱為|2’＞、|2＞、|0’＞、|0＞、|1’＞、|1＞、|3’＞、|3＞、|4’＞、|4＞、|5’＞、|5＞。連接各離子的12個能態(tài)中的兩個能態(tài)間的躍遷能量中，|2’＞、|2＞、|3’＞、|3＞4個能態(tài)中的兩個狀態(tài)間的躍遷能量以外的躍遷能量分散于互不均勻的寬度內，利用在離子間具有不同的躍遷頻率的離子，調整照射光的頻率，可選擇諧振的離子。
由于能如上所述形成保持相干性的狀態(tài)，因此下面對門操作進行說明。門操作中要將光射入稀土分散結晶404。首先參照圖6對也包含門操作中使用的裝置的量子信息處理裝置進行說明。
圖6的量子信息處理裝置除了圖4示出的量子信息處理裝置外，還包括環(huán)型染料激光器601、4個光束分離器602、反射鏡603、相位調制用EO調制器(EOM)604、強度調制用AO調制器(AOM)605、頻率調制用AOM606、5個反射鏡607、控制單元608、以及光檢測器610。控制單元608具備磁場指定單元602、相位強度頻率調整單元609。在下面，和已說明過的裝置部分相同的部分標注同一符號，其說明省略。圖6中，只備有兩組線圈，不具備旋轉指定單元403，但如參照圖4說明過的那樣，也可以配備1組線圈并配備旋轉指定單元403，或只配備3組線圈。
環(huán)型染料激光器601作為光源生成光。環(huán)型染料激光器601具有抑制頻率波動的反饋系統(tǒng)，生成將頻率緊縮于數kHz內的激光。
光束分離器602接受來自環(huán)型染料激光器601的光，分光成透射光和反射光。圖6的例子中，4個光束分離器602將來自環(huán)型染料激光器601的光分成5束。反射鏡603接受位于末端的光束分離器602(記載于圖4示出的4個光束分離器602中最上方處的)的透射光，然后進行反射。
相位調制用EOM604分別接受來自對應的光束分離器602或反射鏡603的光，對光的相位進行調制。強度調制用AOM605分別接受來自對應的相位調制用EOM604的光，對光的強度進行調制。頻率調制用AOM606分別接受來自對應的強度調制用AOM605的光，對光的頻率進行調制。
反射鏡607分別接受來自對應的頻率調制用AOM606的光，然后進行反射。各反射鏡607調整成使反射光照射稀土分散結晶404。
光檢測器610具有高效的聚光系統(tǒng)，在對稀土分散結晶404照射光線之際，能高靈敏度、高效地檢測出結晶中的離子產生的光子。
控制單元608控制生成施加于稀土分散結晶404的磁場的線圈406、407上流過的電流，或控制相位調制用EOM604、強度調制用AOM605、頻率調制用AOM606。相位強度頻率調整單元609決定每個相位調制用EOM604應進行調制的相位，并調整各相位調制用EOM604，決定每個強度調制用AOM605應進行調制的強度，并調整各強度調制用AOM605，決定每個頻率調制用AOM606應進行調制的頻率，并調整各頻率調制用AOM606。
以下參照圖5對門操作進行說明。
設從左開始圖5示出的離子為離子1、離子2、離子3。利用圖6的裝置同時對離子1、2、3依次照射5束光，使各離子的狀態(tài)初始化為|0＞或|1＞。為了將例如離子1初始化成|0＞，只要同時對稀土分散結晶404照射分別與離子1的|2’＞-|4’＞、|2＞-|4＞、|0’＞-|3’＞、|1’＞-|5’＞、|1＞-|5＞間的躍遷諧振的光即可。這樣做，首先將離子1、2、3分別初始化成|0＞、|0＞、|0＞。
然后，在|2＞3-|4＞3間的躍遷、和由|0＞3-|4＞3間的躍遷及|1＞3-|4＞3間的躍遷這兩個躍遷構成的組之間，通過照射與各個躍遷諧振的脈寬10微秒的高斯型的脈沖光(先照射|2＞3-|4＞3間的躍遷)，進行絕熱通過。這里，在能態(tài)的下方添注的數字(|j＞k的k(j＝0、1、2、3、4、5，k＝1、2、3))為表示離子1、2、3中任一個的能態(tài)的編號。另外，脈寬10微秒的高斯型的脈沖光由強度調制用AOM605生成。
然后，在由|0＞3-|3＞3間的躍遷和|1＞3-|3＞3間的躍遷這兩個躍遷構成的組，與由|0＞1-|3＞1間的躍遷和|1＞1-|3＞1間的躍遷和|0＞2-|3＞2間的躍遷及|1＞3-|3＞3間的躍遷4個躍遷構成的組之間，照射兩次與各個躍遷諧振的脈寬10微秒的高斯型的脈沖光(第1次先照射前面的組，第2次先照射后面的組，在第2次對前面的組的照射中將光的相位反轉)，以此進行絕熱通過。
最后，在|2＞3-|4＞3間的躍遷、和由|0＞3-|4＞3間的躍遷與|1＞4-|3＞4間的躍遷這兩個躍遷構成的組之間，進行和最初相反的絕熱通過(對后面的組先照射)。
該一系列的門操作若將|0＞、|1＞視作量子位，則(|0＞1、|0＞2、|0＞3)→(|0＞1、|0＞2、|0＞3)(|0＞1、|1＞2、|0＞3)→(|0＞1、|1＞2、|0＞3)(|1＞1、|0＞2、|0＞3)→(|1＞1、|0＞2、|0＞3)(|1＞1、|1＞2、|0＞3)→(|1＞1、|1＞2、|1＞3)成為使量子狀態(tài)變化的量子托夫力(トフォリ)門。
將離子1、2、3初始化成(|0＞1、|0＞2、|0＞3)，空出10毫秒的間隔執(zhí)行3次上述的量子トフォリ門，通過光照射和光子檢測讀出最終結果，變成(|0＞1、|0＞2、|0＞3)。同樣，對于將離子初始化成(|0＞1、|1＞2、|0＞3)、(|1＞1、|0＞2、|1＞3)、(|1＞1、|1＞2、|0＞3)的三種情況，若分別執(zhí)行上述3次量子トフォリ門，并讀出最終結果，則分別成為(|0＞1、|1＞2、|0＞3)、(|1＞1、|0＞2、|0＞3)、(|1＞1、|1＞2、|1＞3)。
若多次執(zhí)行該3次連續(xù)的トフォリ門，并讀出最終結果，則按照90％以上的幾率，與4個初始狀態(tài)(|0＞1、|0＞2、|0＞3)、(|0＞1、|1＞2、|0＞3)、(|1＞1、|0＞2、|0＞3)、(|1＞1、|1＞2、|0＞3)對應的最終狀態(tài)分別為(|0＞1、|0＞2、|0＞3)、(|0＞1、|1＞2、|0＞3)、(|1＞1、|0＞2、|0＞3)、(|1＞1、|1＞2、|1＞3)。這意味著具備連續(xù)執(zhí)行奇數次時兩個控制位(表示離子1、2的量子位)只在(1、1)時標的位(離子3的量子位)反轉這樣的性質的量子トフォリ門在長達約30ms的較長的門時間的期間，能夠以較高的幾率準確地執(zhí)行。各量子トフォリ門之間的10ms，設想利用多個量子位進行信息處理，設定為操作其它量子位的時間，或者設定為只用|0＞、|1＞表示量子位并進行量子門操作的時間。
然后，移至臨界點的兩個能態(tài)中的一個是與諧振器振蕩模諧振的兩個能態(tài)(|C＞、|D＞)中的一個的情況，表示不能準確執(zhí)行量子トフォリ門。
在施加上述磁場的狀態(tài)，選擇各離子的|C＞-|D＞間的躍遷全部與諧振器振蕩模諧振的3個離子，離子4、5、6。對于這3個離子，這次將|A’＞、|A＞、|B’＞、|B＞、|C’＞、|C＞、|D’＞、|D＞、|E’＞、|E＞、|F’＞、|F＞分別稱為|0’＞、|0＞、|1’＞、|1＞、|2’＞、|2＞、|3’＞、|3＞、|4’＞、|4＞、|5’＞、|5＞。該離子4、5、6也是，在各個離子的12個能態(tài)中的連接兩個能態(tài)間的躍遷能量中，|2＞、|3＞、|6＞、|7＞四個能態(tài)中的兩個狀態(tài)間的躍遷能量以外的躍遷能量分散在互不均勻的寬度內，利用在離子間具有不同躍遷頻率的離子，通過調整照射光的頻率能夠選擇諧振的離子。
用和離子1、2、3同樣的方法將該離子4、5、6設定成初始狀態(tài)(|1＞4、|1＞5、|0＞6、)，再用和對離子1、2、3實施過的同樣的方法，空開10ms的間隔執(zhí)行3次トフォリ門，通過光照射及光子檢測讀出最終結果，多次執(zhí)行這樣的操作。在這種情況下，最終狀態(tài)成為(|1＞1、|1＞2、|1＞3、)的情形和成為(|1＞1、|1＞2、|0＞3、)的情形不規(guī)則地顯現。這意味著對于離子4、5、6不能正確地執(zhí)行量子トフォリ門。
通過施加磁場轉移至臨界點的兩個能態(tài)(|B＞、|C＞)，是在離子1、2、3的情況下表示量子位的能態(tài)(|A＞、|B＞、|C＞)中的與諧振器振蕩模諧振的兩個能態(tài)(|A＞、|D＞)中任一個都不包含的狀態(tài)。另一方面，在離子4、5、6中，轉移至臨界點的兩個能態(tài)(|B＞、|C＞)中的一個(|C＞)成為與諧振器振蕩模諧振的兩個能態(tài)(|C＞、|D＞)中的一個。利用量子信息處理裝置及量子信息處理方法的本實施方式，在表示量子位的能態(tài)中，通過施加磁場轉移至臨界點的兩個能態(tài)不包括與諧振器振蕩模諧振的能態(tài)的情況下，可以確認能有效地利用通過施加磁場增大的相干時間，一系列的量子門能正常動作。
如果采用上述的本實施方式的量子信息處理裝置及量子信息處理方法，可以確認表示量子位的能態(tài)在零磁場未簡并的一組能態(tài)，有效利用通過將沿特定的方向的、特定大小的磁場施加于稀土分散結晶從而增大的相干時間，能夠使一系列的量子門正常動作。
實施方式2下面參照圖6說明本實施方式的量子信息處理裝置及處理方法。
本實施方式中，對上述「(2)在零磁場中簡并的能態(tài)間的相干時間通過施加磁場延長」的情況的一個例子進行說明。
本實施方式的圖6示出的量子信息處理裝置與實施方式1說明的內容大致相同，但也有不同的內容。這里只對不同的內容加以說明。
本實施方式中，線圈406等如圖4所示設置于結晶周圍，這一點和實施方式1相同。但本實施方式中，線圈406等沿結晶的C2軸方向和3H4-1D2間躍遷的偏振光方向這兩個方向的正交方向施加30G的磁場。這里雖然磁場的方向也指定，但本實施方式中，施加磁場相當重要，而磁場的方向不如實施方式1那樣重要。
磁場指定單元402能使電流在線圈406等中流動或不流動。磁場指定單元402換言之能接通或斷開線圈406等。
本實施方式也和圖5所示的一樣，利用借助于磁場解除簡并的Pr3+離子的能態(tài)。本實施方式中利用各離子的不施加磁場時的|B＞-|D＞(|B’＞-|D’＞)間的躍遷全部與共同的諧振器振蕩模諧振的兩個離子。
將|A’＞、|A＞、|B’＞、|B＞、|C’＞、|C＞、|D’＞、|D＞、|E’＞、|E＞、|F’＞、|F＞分別稱為|1＞、|0＞、|2＞、|3＞、|4＞、|5＞、|6＞、|7＞、|8＞、|9＞、|10＞、|11＞。連接各離子的|0＞～|11＞這12個能態(tài)中的連接兩個狀態(tài)間的躍遷能量中，|2＞、|3＞、|6＞、|7＞這4個能態(tài)中的兩個能態(tài)間的躍遷能量以外的躍遷能量，分散在互不均勻的寬度內，利用離子間具有不同的躍遷頻率的離子，通過調整照射光的頻率能選擇諧振的離子。
以下參照圖7說明門操作。圖7表示本實施方式中利用的兩個離子的能態(tài)。從左起將圖中的離子假設為離子7、離子8。
依次對離子7、離子8同時照射5束光，將各離子的狀態(tài)初始化成|0＞7、|0＞8。作為照射離子7、8的5束光，可采用例如與|1＞-|6＞間的躍遷、|2＞-|8＞間的躍遷、|3＞-|9＞間的躍遷、|4＞-|10＞間的躍遷、|5＞-|11＞間的躍遷諧振的光。
然后，在兩束脈寬10微秒的高斯型的脈沖光對離子7、8進行照射產生的3次絕熱通過中，量子狀態(tài)轉移至|0＞7→|2＞7、|0＞8→|2＞8、|1＞8→|3＞8。
然后中斷磁場的施加，在離子7和離子8之間，分別利用與|1＞-|6＞(|0＞-|7＞)間的躍遷諧振的脈寬10微秒的高斯型的脈沖光照射產生的絕熱通過中，替換離子7、8的量子狀態(tài)。
接著，又開始進行與中斷前同樣的磁場施加，然后利用光照射替換離子8的|1＞、|0＞的量子狀態(tài)，再次在離子7和離子8之間分別實施與|1＞-|6＞(|0＞-|7＞)間的躍遷諧振的光照射產生的絕熱通過，替換離子7、8的量子狀態(tài)，再在用兩束光對離子7和離子8進行照射產生3次絕熱通過中，使量子位回到原來的|0＞、|1＞的能態(tài)。
這一系列的門操作，若將|0＞、|1＞看作量子位，則(|0＞7、|0＞8)→(|0＞7、|0＞8)(|0＞7、|1＞8)→(|0＞7、|1＞8)(|1＞7、|0＞8)→(|1＞7、|1＞8)(|1＞7、|1＞8)→(|1＞7、|0＞8)成為使量子狀態(tài)變化的控制非門(NOT門)。
將離子7、8初始化成(|0＞7、|0＞8)，空出300微秒的間隔執(zhí)行7次上述控制非NOT門，通過光照射和光子檢測讀出最終結果時，成為(|0＞7、|0＞8)。同樣，對于將離子初始化成(|0＞7、|1＞8)、(|1＞7、|0＞8)、(|1＞7、|1＞8)的3種情況，執(zhí)行3次上述控制NOT門，讀出其最終結果時，分別成為(|0＞7、|1＞8)、(|1＞7、|1＞8)、(|1＞7、|0＞8)。若多次執(zhí)行該連續(xù)的控制NOT門，讀出最終結果，則與4個初始狀態(tài)(|0＞7、|0＞8)、(|0＞7、|1＞8)、(|1＞7、|0＞8)、(|1＞7、|1＞8)對應的最終狀態(tài)分別為(|0＞7、|0＞8)、(|0＞7、|1＞8)、(|1＞7、|1＞8)、(|1＞7、|0＞8)。這意味著若連續(xù)執(zhí)行奇數次，則只在控制位(離子7的量子位)為|1＞時具有標的位(離子8的量子位)反轉的特性的控制NOT門以在約5ms的較長時間執(zhí)行多達7次的較高幾率準確地執(zhí)行。
如果采用以上所述的本實施方式的量子信息處理裝置及量子信息處理的方法，表示量子位的能態(tài)在零磁場中簡并的情況下，穩(wěn)定地施加磁場，只在兩量子位門絕熱通過之際中斷磁場的施加，可以確認利用這種施加磁場的方法，能有效地利用因施加磁場而增大的相干時間，使一系列的量子門正常動作。
另外，利用上述實施方式，也能延長各個門操作的動作時間。因此，以頻帶(以躍遷能量的不同)區(qū)別量子位的類型的量子信息處理中，頻率(能量)分辨能力提高的結果，能夠使量子位數增大。
再有，利用上述實施方式，能提供下述施加磁場的方法，該方法為在將受到磁性相互作用的物理系統(tǒng)作為量子位的，利用諧振器振蕩模的量子信息處理裝置的量子位的相干時間通過施加磁場大幅度延長的情況下，將大幅度延長的相干時間實際用于量子信息處理的施加磁場的方法。
還有，本發(fā)明并不限于上述實施方式而一成不變，在實施階段中可以在不背離其要旨的范圍內可以使構成要素變形并具體化。另外，通過將上述實施方式所揭示的多個構成要素適當組合，能形成各種形式的發(fā)明。例如也可以從實施方式所示的全部構成要素中刪除某幾個構成要素。還可以將不同實施方式中的構成要素作適當組合。
權利要求
1.一種量子信息處理裝置，其特征在于，包括具有諧振器振蕩模的諧振器；一種物質，該物質被包含于所述諧振器內部，在內部包含多個物理系統(tǒng)，各物理系統(tǒng)至少有4個能態(tài)，在磁場未加于該物理系統(tǒng)的情況下多個所述能態(tài)互不簡并，多個所述能態(tài)中的兩個能態(tài)間的躍遷與所述諧振器振蕩模諧振，該諧振器振蕩模在所有所述物理系統(tǒng)中是共同的，以所述能態(tài)表達量子位，通過施加磁場，所述能態(tài)中至少兩個能態(tài)之間的躍遷能量發(fā)生能量移動；以及磁場施加單元，將對躍遷能量具有固有方向及固有大小的磁場施加于所述物質，以使得與表示量子位的能態(tài)中的某兩個能態(tài)間的所述躍遷能量有線性關系的躍遷能量移動消失所述物質中所述躍遷能量移動消失的兩個能態(tài)不包含與所述諧振器振蕩模共振的兩個能態(tài)中的任何一個。
2.一種量子信息處理裝置，其特征在于，包括具有諧振器振蕩模的諧振器；一種物質，該物質被包含于所述諧振器內部，內部包含多個物理系統(tǒng)，各物理系統(tǒng)其多個能態(tài)中的兩個能態(tài)間的躍遷與所述諧振器振蕩模諧振，該諧振器振蕩模在所有所述物理系統(tǒng)中是共同的，以所述能態(tài)中的簡并的能態(tài)表達量子位；將磁場施加于所述多個物理系統(tǒng)的磁場施加單元；輸出激光的光源；將所述激光分離成多束激光的分離單元；對所述被分離的每束激光控制其相位、強度、頻率的激光控制單元；對所述多個物理系統(tǒng)照射各受控的激光的照射單元；以及控制所述磁場的施加的磁場控制單元，僅在利用兩個量子位門時的利用諧振器振蕩模的兩個物理系統(tǒng)間的絕熱通路間，所述磁場控制單元控制所述磁場施加單元使其中斷磁場的施加，所述激光控制單元控制所述激光使其呈脈沖狀。
3.如權利要求1或2所述的量子信息處理裝置，其特征在于，所述各物理系統(tǒng)為氧化物結晶中的稀土類離子。
4.如權利要求1或2所述的量子信息處理裝置，其特征在于，還具備使內部保持一定溫度的低溫恒溫器，所述低溫恒溫器的內部包含所述諧振器、所述物質、及所述磁場施加單元。
5.如權利要求1或2所述的量子信息處理裝置，其特征在于，所述磁場施加單元包括至少兩組電磁鐵。
6.如權利要求1或2所述的量子信息處理裝置，其特征在于，所述磁場施加單元具備至少1組電磁鐵、以及使所述物質以互相不平行的3根軸為軸旋轉的旋轉單元。
7.一種量子信息處理方法，其特征在于，準備具有諧振器振蕩模的諧振器；并準備一種物質，使其包含于所述諧振器內部，該內部包含多個物理系統(tǒng)，各物理系統(tǒng)至少有4個能態(tài)，在磁場未加于該物理系統(tǒng)的情況下，多個所述能態(tài)不互簡并，多個所述能態(tài)中的兩個能態(tài)間的躍遷與所述諧振器振蕩模諧振，該諧振器振蕩模在所有所述物理系統(tǒng)中是共同的，以所述能態(tài)表達量子位，通過施加磁場，所述能態(tài)中至少兩個能態(tài)之間的躍遷能量發(fā)生能量移動；將對躍遷能量具有固有的方向及固有的大小的磁場施加于所述物質，以使得與表示量子位的能態(tài)中某兩個能態(tài)間的所述躍遷能量有線性關系的躍遷能量移動消失，在所述物質中所述躍遷能量移動消失的兩個能態(tài)不包含與所述諧振器振蕩模共振的兩個能態(tài)中的任何一個。
8.一種量子信息處理方法，其特征在于，準備具有諧振器振蕩模的諧振器；并準備一種物質，該物質包含于所述諧振器內部，該內部包含多個物理系統(tǒng)，各物理系統(tǒng)其多個能態(tài)中的兩個能態(tài)間的躍遷與所述諧振器振蕩模共振，該諧振器振蕩模為所有所述物理系統(tǒng)共有，以所述能態(tài)中的簡并的能態(tài)表達量子位，將磁場施加于所述多個物理系統(tǒng)，輸出激光，將所述激光分離成多束激光，對所述被分離的每束激光控制其相位、強度、頻率，對所述多個物理系統(tǒng)照射各受控的激光，控制所述磁場的施加，僅在利用兩個量子位門時的諧振器振蕩模的兩個物理系統(tǒng)間的絕熱通路間，中斷磁場的施加，所述激光控制單元控制所述激光使其呈脈沖狀。
9.如權利要求7或8所述的量子信息處理方法，其特征在于，所述各物理系統(tǒng)為氧化物結晶中的稀土類離子。
10.如權利要求7或8所述的量子信息處理方法，其特征在于，還準備使內部保持一定溫度的低溫恒溫器，所述低溫恒溫器的內部包含所述諧振器、所述物質。
全文摘要
本發(fā)明能實際使用于量子信息處理。本發(fā)明的量子信息處理裝置具備包含于諧振器(405)的內部，內部含多個物理系統(tǒng)，各物理系統(tǒng)未施加磁場的情況下多個能態(tài)不互相簡并，多個能態(tài)中的兩個能態(tài)間的躍遷與諧振器振蕩模諧振，諧振器振蕩模在所有的物理系統(tǒng)中是共同的，能態(tài)中至少兩個能態(tài)之間的躍遷能量由于施加磁場而發(fā)生能量移動的結晶(404)；以及在結晶上施加對躍遷能量具有固有的方向和固有的大小的磁場，以使得與表示量子位的能態(tài)中某兩個能態(tài)之間的所述躍遷能量有線性關系的躍遷能量移動消失的單元(401、406)，結晶中躍遷能量移動消失的兩個能態(tài)不包含和諧振器振蕩模共振的兩個能態(tài)中任何一個。
文檔編號G02F1/00GK1991558SQ20061006363
公開日2007年7月4日 申請日期2006年12月27日 優(yōu)先權日2005年12月27日
發(fā)明者市村厚一, 后藤隼人 申請人:株式會社東芝