(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力モード（１６２）のフォトニック状態を生成することであって、前記フォトニック状態は、物質系（１２０）に書き込まれる量子情報を表す、フォトニック状態を生成することと、
前記物質系（１２０）の状態を、第１の基底状態と第２の基底状態との組合せである既知の状態に初期化することと、
前記物質系（１２０）の前記状態の前記第１の基底状態と前記第２の基底状態のうちの少なくとも一方を対応する励起状態まで励起することによって、前記物質系の前記状態を励起状態に駆動することと、
前記放出モード（１３２）のフォトニック状態と前記物質系の前記状態とのもつれ状態を生成するために、前記物質系の前記励起状態の減衰によって放出された光子が前記物質系の放出モード（１３２）に解放される時間だけ待つことと、
前記入力モード（１６２）の前記フォトニック状態と前記放出モード（１３２）の前記フォトニック状態を結合することと、
前記入力モード（１６２）と前記放出モード（１３２）の前記結合されたフォトニック状態を測定することによって、前記入力モード（１６２）の前記フォトニック状態によって表される量子情報を前記物質系の量子状態に転換するように、前記放出モード（１３２）の前記フォトニック状態と前記物質系（１２０）の前記状態との前記もつれ状態を解くこと
とを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記結合されたフォトニック状態を測定することは、前記結合されたフォトニック状態がベル状態であると確定することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記結合されたフォトニック状態を測定することは、
前記結合されたフォトニック状態のパリティを測定することと、
前記入力モード（１６２）と前記放出モード（１３２）のうちの一方の状態を対角に基づいて測定すること
とを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記結合されたフォトニック状態を測定することは、
前記入力モード（１６２）と前記放出モード（１３２）のうちの一方を適用して、前記入力モード（１６２）と前記放出モード（１３２）のうちの他方が通過するＣＮＯＴゲート（３３０）を制御することと、
前記入力モード（１６２）と前記放出モード（１３２）のうちの一方の状態を対角に基づいて測定すること
とを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記結合されたフォトニック状態を測定することは、
前記入力モード（１６２）及び前記放出モード（１３２）を第１のビームスプリッタ（３４０）に入力することと、
前記第１のビームスプリッタ（３４０）の出力モードの状態のパリティを測定することと、
偶数パリティの測定に応じて、前記第１のビームスプリッタ（３４０）の前記出力モードを第２のビームスプリッタの入力モードに向けて、前記第２のビームスプリッタの出力モードの状態をベル状態に対応するものとして識別することと、
奇数パリティの測定に応じて、前記第１のビームスプリッタ（３４０）の前記出力モードの状態を測定すること
とを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記物質系（１２０）に対し、状態訂正動作を実行することをさらに含み、前記状態訂正動作は、前記第１のビームスプリッタ（３４０）と前記第２のビームスプリッタの一方の出力モードの測定の結果にしたがって選択され、前記状態訂正動作は、パススルー、無演算、ビット反転、ＮＯＴ演算、及びＺ演算のうちの１つ以上を含む演算である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記物質系に対し、状態訂正動作を実行することをさらに含み、前記状態訂正動作は、前記結合されたフォトニック状態の前記測定の結果にしたがって選択され、前記状態訂正動作は、パススルー、無演算、ビット反転、ＮＯＴ演算、及びＺ演算のうちの１つ以上を含む演算であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記入力モードの前記フォトニック状態が第２の入力モードの第２のフォトニック状態ともつれた状態にある、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の方法であって、前記第２のフォトニック状態に関連する量子情報を、第２の物質系を含む系に書き込むことをさらに含む方法。
【請求項９】
物質系（１２０）に書き込まれる量子情報を表すフォトニック状態を有する入力モード（１６２）と、
第１の基底状態及び第２の基底状態を含む量子状態を有する前記物質系（１２０）と、
前記第１の基底状態と前記第２の基底状態のうちの少なくとも一方を対応する励起状態まで励起することによって、前記物質系の前記量子状態を励起状態に駆動することができる励起系（１４０）と、
前記物質系（１２０）が該物質系の前記励起状態から遷移する場合に前記物質系（１２０）から放出される光子の量子状態を有する放出モード（１３２）であって、前記放出モードのフォトニック状態と前記物質系の前記量子状態とのもつれ状態が生成される、放出モードと、
前記入力モード（１６２）の前記フォトニック状態と前記放出モード（１３２）の前記フォトニック状態を結合して、該結合されたフォトニック状態を測定することができる第１の測定系（３００）であって、該測定によって、前記入力モード（１６２）の前記フォトニック状態によって表される量子情報を前記物質系の前記量子状態に転換するように、前記放出モード（１３２）の前記フォトニック状態と前記物質系（１２０）の前記量子状態との前記もつれ状態が解かれる、第１の測定系（３００）
とを備えることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
前記第１の測定系（３００）はベル状態分析器（３１０）を含むことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１の測定系（３００）は、
非吸収パリティ検出器（３２０）と、
前記入力モード（１６２）と前記放出モード（１３２）のうちの一方の対角基底に対応する光子の検出器（３２５）
とを備えることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第１の測定系（３００）は、
ＣＮＯＴゲート（３３０）と、
前記入力モード（１６２）と前記放出モード（１３２）のうちの一方の対角基底に対応する光子の検出器（３３４）
とを備えることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１の測定系（３００）は、
ビームスプリッタ（３４０）と、
パリティ検出器（３４２）と、
前記パリティ検出器（３４２）からの測定結果の制御下で動作する光スイッチ（３４４）と、
前記光スイッチ（３４４）の１つの出力経路にある第１の測定部分系（３４６）と、
前記光スイッチの代替的な出力経路にある第２の測定部分系（３４８）
とを備えることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
前記物質系（１２０）の前記量子状態を測定するように構成される第２の測定系（５４０）と、
状態訂正系（５６０）と、
前記量子情報を前記物質系（１２０）に書き込む動作のために前記放出モード（１３２）を前記第１の測定系内に向けるように動作可能であると共に、前記第２の測定系（５４０）からの結果に従って選択される動作に対し放出モード（１３４）を前記状態訂正系（５６０）に向けるように動作可能な光スイッチ
とを備えることを特徴とする請求項９から請求項１３までのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記状態訂正系を通過する補助モード（７１５）の既知の光子状態を生成するように結合されるソース（７１０）をさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
量子情報システムの多くの物理インプリメンテーションが提案されてきた。１つの種類の量子システムは、原子、イオン、分子又は他の物質の量子状態を使用してキュービット等の量子情報を表現する。このタイプのいくつかの特に有望な提案は、レーザ駆動光学遷移を介して物質キュービットにおいてユニタリ演算及び読出しを実施する。これらのシステムの例は、J. Cirac及びP. ZollerによってPhys. Rev. Lett. 74, 4091(1995)に記載されているようなイオントラップシステム、Jelezko他によってPhys. Rev. Lett. 92, 076401(2004）に、及びNizovtsev他によってOptics and Spectroscopy 99, 233(2005)に記載されているようなダイアモンドにおける窒素−空孔（Ｎ−Ｖ）欠陥を使用するシステム、並びにPazy他によってEurophys. Lett 62, 175(2003)に、又はNazir他によってPhys. Rev. Lett. 93, 150502(2004)に記載されているような単一の過剰電子による量子ドットにおけるパウリ−ブロッケード効果を使用するシステムを含む。
【０００２】
他の提案された量子情報システムは、光子の量子状態を使用してキュービットを表す。たとえば、Knill、Laflamme及びMilburnは、Nature 409, 26(2001)において、線形光学によって操作される光キュービットを使用する量子計算システムを提案した。電磁誘導透過（ＥＩＴ）を示すいくつかのシステムにおいて提供されるような非線形光−光相互作用を使用する光量子情報システムもまた開発された。これについては、たとえば、R.G. Beausoleil、W.J. Munro及びT.P. Spiller、Journal of Modern Optics 51, 1559(2004)を参照されたい。
【０００３】
物質量子情報システム及び光子量子情報システムにはそれぞれ利点がある。たとえば、量子情報の格納には、本質的に移動する光子より静止した物質系の方が適切である可能性がある。対照的に、分離された物質系間の量子相互作用を実現することは、特に多くのキュービットを含むシステムでは、技術的課題及び構造的課題を提示する可能性がある。対照的に、従来の光学系を使用して、相互作用のために光子を選択し且つ集めることができる光学系を構築することができる。物質及び光子の両方を使用して量子情報を表すか又は伝達するハイブリッドシステムは、物質系の利点及び光子系の利点を使用することができる可能性がある。しかしながら、このようなハイブリッドシステムには、一般に、物質表現と光子表現との間で量子情報を伝達又は転換するための構造及び技法が必要となる。
【発明の開示】
【０００４】
本発明の一態様によれば、プロセス及びシステムは、光モードと物質系との間で量子情報を転換することができる。１つのこのようなプロセスでは、光子の入力モードの状態が、物質系に書き込まれる量子情報を表すことができる。プロセスは、物質系を基底状態の組合せである既知の状態で初期化すること、物質系に対し、基底状態のうちの少なくとも一方を対応する励起状態まで励起することができる励起を印加すること、及び、物質系から放出される光子の入力モード及び放出モードの結合状態を測定することを含む。結合状態の測定は、放出モード及び物質系の状態のもつれが解かれ、物質系の状態が量子情報によって決まるようなものとすることができる。
【０００５】
本発明のこの態様によるシステムは、入力モードと、物質系と、励起系と、放出モードと、測定系とを含むことができる。入力モードは、量子情報を表すフォトニック状態のためのものである。物質系は、第１の状態及び基底状態を含む量子状態を有し、励起系は、基底状態のうちの少なくとも一方を対応する励起状態まで励起することができる。放出モードは、物質系が励起状態から遷移するときに物質系から放出される光子のためのものである。測定系は、入力モード及び放出モードの結合状態を測定し、結合状態の測定は、放出モード及び物質系の状態のもつれが解かれ、結果としての物質系の状態が量子情報によって決まるようなものである。
【０００６】
本発明の別の態様によれば、プロセスは、最初に、物質系の状態を使用して量子情報を表し、物質系の量子状態は第１の基底状態及び第２の基底状態を含む。そして、プロセスは、物質系に対し、基底状態のうちの少なくとも一方を対応する励起状態まで励起することができる励起を印加し、光子が励起状態の減衰から放出され、その後放出モードに入る可能性が高い時間を待機し、物質系を対角に基づいて測定する。
【０００７】
本発明の別の実施形態によるシステムは、物質系と、励起系と、放出モードと、測定系と、状態訂正系とを含む。物質系は、第１の基底状態及び第２の基底状態を含む量子状態を有し、励起系は、第１の基底状態及び第２の基底状態のうちの少なくとも一方を対応する励起状態まで励起することができる。状態訂正系を通過する放出モードは、物質系が励起状態から遷移するときに物質系から放出される光子のためのものである。測定系を、物質系を測定し状態訂正系を制御することによって、状態訂正系が測定系からの結果に従って選択される動作を実行するように構成することができる。
【０００８】
本発明のさらに別の実施形態は、量子情報を操作するプロセスを提供する。本プロセスは、第１の系の第１の状態及び第２の系の第２の状態を含む積である基底状態を含む表現を使用して、量子情報を符号化することを含む。第１の状態は、特に、第１の物質系及び第１の光子モードのもつれ状態であり、プロセスは第１の光子モードを測定して光子の損失を検出する。
【０００９】
異なる図面において同じ参照符号を使用する場合、それらは同様の又は同一の項目を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
光の量子状態を使用して表される量子情報の、物質系の量子状態を使用する表現への転換と、物質系の状態によって表される量子情報の、光の状態を使用する表現への転換と、誤りを最小限にするか又は訂正するように物質及び光のもつれ状態を使用する量子情報の符号化とを可能にする構造及び方法を提供する。光から物質系へ量子情報を転換するプロセスを、本明細書では量子情報を「書き込む」と言う場合があり、物質系から光へ量子情報を転換するプロセスを、本明細書では量子情報を「読み出す」と呼ぶ場合がある。光及び物質のもつれ状態を使用する量子情報の符号化によって、たとえば、量子情報の読出し又は書込み中の光子損失に関連する誤りを最小限にすることができる。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態による量子情報システム１００の例示的な一実施形態を概略的に示す。システム１００は、物質系１１０と総称する場合がある２つの物質系１１０−１及び１１０−２と、キュービット｜ｑ〉p又はフォトニック入力モード１６０の状態によって表される他の量子情報のソース１５０とを含む。概して、ソース１５０は、通信システム、量子コンピュータ、又は格納若しくはさらなる操作のために物質系１１０のうちの一方に書き込まれることが可能なキュービット｜ｑ〉pを表す光子状態を生成する任意の量子情報システムの一部とすることができる。キュービット｜ｑ〉pのためのモード１６０は、光子をソース１５０から光学系１７０に伝達し、たとえば自由空間光路、導波路又は光ファイバを使用して実装され得る。
【００１２】
各物質系１１０は、量子状態｜↑〉及び｜↓〉を有し、それらは、物質キュービットの基底状態｜０〉又は論理状態｜１〉で識別され得る。例示的な一実施形態では、状態｜↑〉及び｜↓〉は、原子、分子、イオン、結晶欠陥又は他の任意のタイプの物質系に関連する長寿命の低いスピン射影状態である。物質系１１０に対する適切な状態及び量子エネルギー準位を有することができるいくつかの既知のシステムは、F. Jelezko他によってPhys. Rev. Lett. 92, 076401(2004)に、又はNizovtsev他によってOptics and Spectroscopy 99, 233(2005)に記載されているようなダイアモンドにおけるＮ−Ｖ欠陥、E. Pazy他によってEurophys. Lett. 62, 175(2003)に、又はNazir他によってPhys. Rev. Lett. 93, 150502(2004)に記載されているような単一の過剰電子による量子ドット、及びさまざまなトラップイオンシステム及び原子システムを含む。
【００１３】
図２Ａは、物質系１１０の一実施形態に対するエネルギー準位図２００を示す。図２Ａの実施形態では、各物質系１１０は、単一の光子の放出／吸収を通じて状態｜↑〉及び｜↓〉のうちの一方のみに結合する励起状態｜ｅ〉を有する。一般性を失うことなく、図２Ａ及び以下の説明は、励起状態｜ｅ〉は状態｜↓〉に結合し、励起状態｜ｅ〉と状態｜↑〉との間の遷移は、たとえばエネルギーの保存又は角運動量の保存等の保存法則に基づく選択規則によって禁止されると仮定する。物質系１１０はまた、状態｜ｅ〉と｜↑〉との間の結合は存在するが、状態｜ｅ〉と｜↓〉との間の結合に比較すると弱い場合にも適切であり得る。
【００１４】
図２Ｂは、物質系１１０の代替的な一実施形態に対するエネルギー準位図２５０を示す。図２Ｂの実施形態では、各物質系１１０の両量子状態｜↑〉及び｜↓〉は、それぞれ単一の光子の放出／吸収を通じて状態｜↑〉及び｜↓〉に結合するそれぞれの励起状態｜↑ｅ〉及び｜↓ｅ〉を有し、放出／吸収される光子は、遷移に関与する特定の状態｜↑〉又は｜↓〉に応じて異なる偏光を有する。一般性を失うことなく、以下では、励起状態｜↑ｅ〉は、水平偏光された光子状態｜Ｈ〉の放出によって状態｜↑〉に遷移し、励起状態｜↓ｅ〉は、垂直偏光された光子状態｜Ｖ〉の放出によって状態｜↓〉に遷移するものと仮定する。Lim他著「Repeat-Until-Success Linear Optics Distributed Quantum Computing」（PRL 95, 030505(2005)及びLim他著「Quantum Computing with Distant Single Photon Sources with Insurance」(quant-ph/0408043 v2(2004)）は、このような物質系についてさらに記載している。
【００１５】
図２Ａ及び図２Ｂに示す挙動を示す物質系１１０は、それぞれフォトニックキュービットに対する単一レール表現及び偏光表現を使用するシステムに対して非常に適している。しかしながら、各タイプの表現は、異なる用途において利点を有する場合がある。たとえば、偏光に基づく場合、光子損失に対応する誤りは、W. J. Munro、K. Nemoto、R.G. Beausoleil及びT.P. SpillerによってPhys. Rev. A 71, 033819(2005)に、G.J. Milburn及びD.F. WallsによってPhys. Rev A 30, 56(1984)に、又はN. Imoto、H.A. Haus及びY. YamamotoによってPhys. Rev. A 32, 2287(1985) に記載されているような、偏光保存非吸収光子検出器を使用して比較的容易に識別することができる。
【００１６】
物質系１１０−１及び１１０−２は、本明細書では光キャビティ１２０と総称することがある、それぞれの光キャビティ１２０−１及び１２０−２内にある。各光キャビティ１２０は、関連する物質系１１０の励起状態（複数可）が減衰すると放出される（複数可）光子の波長に対応する共振モードを有することが好ましい。光キャビティ１２０−１及び１２０−２はまた、それぞれの放出モード１３０−１及び１３０−２に放出光子を優先的に漏らすようにも構成される。光放出の非常に好ましい方向を有する漏れ光キャビティ１２０を、既知の量子光学技法を使用して構成することができる。光子を伝達するモード１３０は、自由空間光路、導波路又は光ファイバ等の光学系を含むことができる。
【００１７】
図１における励起系１４０は、物質系１１０−１及び１１０−２に対し、物質系１１０−１及び１１０−２のうちの一方又は両方の状態を選択的に変化させるように作動する。たとえば、図２Ａのエネルギー準位図を有する物質系１１０の場合、励起系１４０は、成分状態｜↓〉から励起状態｜ｅ〉への遷移を誘導するが、成分状態｜↑〉から励起状態｜ｅ〉への遷移はもたらさないπパルスを生成することができる。図２Ｂに対応するエネルギー準位を有する物質系１１０の場合、励起系１４０は、両状態｜↑〉及び｜↓〉をそれらのそれぞれの励起状態｜↑ｅ〉及び｜↓ｅ〉に効率的に駆動するπパルスを生成することができる。励起系１４０を、たとえば単一キュービット動作に対し、状態｜↑〉と｜↓〉との間の物質系１１０−１又は１１０−２の遷移を誘導するようにも使用することができるが、励起系１４０は、状態｜↓〉と状態｜↑〉との間の遷移に関連するエネルギーと、励起状態への遷移に関連するエネルギーとが異なることによって、異なる遷移に対する別々のサブシステムを必要とする場合がある。
【００１８】
例示の目的で、以下では、物質系１１０−１及び１１０−２に対してダイアモンドにおけるＮ−Ｖ欠陥を使用するシステム１００の例示的な一実施形態に重きを置く。Ｎ−Ｖ欠陥は、炭素（Ｃ）原子の代りであると共にダイアモンド結晶の空孔に隣接する窒素（Ｎ）原子に対応する。このような欠陥は、スピン−１システムのスピン射影−１、０及び１に対応する三重項接地状態を有することが知られており、接地状態は、第１の励起三重項状態への非常に双極子許容の光学遷移を有する。Ｎ−Ｖ欠陥に外部磁界を印加することによって、接地状態の縮退を破壊することができ、その後、三重項状態のうちの２つ（たとえば±１スピン射影状態）を、状態｜↑〉及び｜↓〉として使用することができる。第３のＮ−Ｖ欠陥状態（たとえばスピン射影０を有する）は、通常、物質系１１０が基底状態として状態｜↑〉及び｜↓〉を有するキュービットを表す場合、必要でないか又は使用されない。Ｎ−Ｖ欠陥の励起状態と接地／基底状態との間の遷移によって、光波長を有する光子が生成され、それによって、光学系１７０における従来の光学要素及びフォトダイオードの使用が可能になる。
【００１９】
本発明の例示的な一実施形態におけるＮ−Ｖ欠陥は、高圧高温ダイアモンド（タイプ１ｂ）のナノ微結晶内にある。径を約２０ｎｍとすることができるナノ微結晶を、たとえばフォトニック結晶内の欠陥としてウェハ又はダイの中又は上に形成することができる共振空洞１２０−１及び１２０−２の中に埋め込むことができる。そして、構造全体を、物質系１１０の状態に対し所望のコヒーレンス時間を提供する温度で維持することができる。一般に、Ｎ−Ｖ欠陥のスピン状態は、室温で数ミリ秒から低温（たとえば約２°Ｋ）で数秒までコヒーレントであり続けることが知られている。Ｎ−Ｖ欠陥１１０−１及び１１０−２に対する励起系１４０は、基底状態｜↑〉及び｜↓〉のうちの一方又は両方を効率的に励起するπパルスに対し短パルスを生成することができるレーザを含むことが好ましい。
【００２０】
キュービットソース１５０は、物質系１１０のうちの一方に書き込まれるキュービット｜ｑ〉pを生成する。式１は、キュービット｜ｑ〉pに対する一般形式を示し、式中、ｃ0及びｃ1は複素定数であり、状態｜０〉p及び｜１〉pは、任意の所望のフォトニック表現のキュービット基底状態である。たとえば、単一レール表現では、状態｜０〉p及び｜１〉pは、それぞれ０光子及び１光子を含むフォック状態に対応することができる。別法として、偏光に基づく場合、状態｜０〉p及び｜１〉pは、それぞれ水平線形偏光及び垂直線形偏光を有する単一光子状態｜Ｈ〉p及び｜Ｖ〉pに対応してもよい。
【００２１】
【数１】
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【００２２】
光学系１７０は、任意選択で、光ネットワーク又はスイッチ１５２及び１５４を含む。光ネットワーク１５２は、物質系１１０に書き込まれる光キュービットに対し、複数の光入力モード１６０間で選択することができ、光ネットワーク１５４は、いずれの物質系１１０が書込み動作の標的であるかを選択するために放出モード１３０間で選択することができる。光学系１７０内の測定系３００は、選択された光モード１３２及び１６２を、量子情報を選択された物質系１１０に転換し選択された物質系１１０からのモード１３２及び１６２の状態を分離するように測定する。図３Ａ〜図３Ｄは、さらに後述する書込みプロセスに対して必要な測定を実行する、いくつかの適切な測定システムの例を示す。
【００２３】
図４は、図１のシステム１００が、物質系１１０のうちの一方にフォトニックキュービット｜ｑ〉pを書き込むときに実行することができる、書込みプロセス４００のフローチャートを示す。プロセス４００は、ステップ４１０において、キュービットが書き込まれる物質系１１０のうちの一方を選択することによって開始する。システム１００において、光ネットワーク１５４は、放出光子の選択された光学系１１０−１又は１１０−２から測定系３００への光路を提供することによって、所望の物質系１１０−１又は１１０−２を選択する。そして、ステップ４２０は、選択された物質系１１０を、式２に示す対角状態｜＋〉m等の既知の状態に初期化する。以下から理解されるように、別法として、後述する適切な測定値の変更又は状態訂正の適切な変更によって、選択された物質系１００の他の既知の状態を使用することができる。
【００２４】
【数２】
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【００２５】
励起系１４０は、ステップ４３０において、選択された物質系１１０に対しπパルスを印加することによって、物質系１１０の基底状態のうちの一方又は両方を関連する励起状態（複数可）になるように駆動する。例示的な一例として、以下では、物質系１１０が図２Ａのエネルギー準位を有し、それによってステップ４３０は、選択された物質系が式３に示す状態｜＋〉'm になるように駆動すると仮定する。図２Ｂの例によって示すような他のエネルギー準位を有する物質系１１０を使用するシステムに対する書込みプロセスの変形形態は、本開示を鑑みて当業者には明らかとなろう。
【００２６】
【数３】
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【００２７】
ステップ４４０中、プロセス４００は、高い確率での物質系１１０の励起状態を提供するために十分な時間を待機することで、光子が放出され、周囲のキャビティ１２０がいかなる放出光子も放出モード１３０に解放する。上述したように、物質系１１０は、光子が結合されるキャビティモード内に光子を放出することによって減衰し、キャビティ１２０のキャビティパラメータは、高い確率でこのキャビティ光子が対応する放出モード１３０内に放出されるように設定されることが好ましい。ステップ４４０の待機時間は、概して、励起状態のいかなる振幅も高い確率で減衰し、キャビティ励起が待機ステップ４４０の最後までに放出されているようなものである必要がある。式３は、物質系１１０の減衰と、物質系１１０の放出モード１３０への光子の解放とからもたらされる状態を示す。式３において、状態｜０〉e及び｜１〉eは、選択された物質系１１０からの放出を含むモード１３０及び１３２の基底状態である。ステップ４４０の割り当てられた時間内に、励起状態が減衰しないか又はキャビティが光子をモード１３０に解放しないことによってもたらされる誤りを、さらに後述するように量子情報の符号化を通じて検出し訂正することができる。
【００２８】
ステップ４５０は、選択された物質系１１０に書き込まれるフォトニックキュービットを選択し、選択されたキュービットに関連する光子を、測定系３００の入力モード１６２に向ける。システム１００は、選択されたフォトニックキュービットの入力モード１６２への光路を提供する光ネットワーク１５２を使用して、この選択を実施することができる。式４は、ステップ４５０の後の選択された入力モード１６２と、選択された物質系１１０と、対応する放出モード１３２とを含むシステムの状態｜Ψ〉を与える。
【００２９】
【数４】
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【００３０】
測定系３００は、ステップ４６０において、モード１３２及び１６２の結合された状態を測定することによって、量子情報を物質状態に転換するように、物質状態から光子状態のもつれを解く。図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ及び図３Ｄは、それぞれ、測定ステップ４６０において選択可能な測定プロセスを実施するのに適している、異なる測定系３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ及び３００Ｄを示す。
【００３１】
図３Ａは、ベル状態測定を実行するベル状態分析器３１０を含む例示的な測定系３００Ａを示す。S.D. Barrett、P. Kok、K. Nemoto、R.G. Beausoleil、W.J. Munro及びT.P. SpillerはPhysical Review A, 71, 060302R(2005)において、またK. Nemoto及びW.J. MunroはPhys. Rev. Let. 93, 250502(2004)において、ベル状態分析器のいくつかの適切な実施態様を記載している。モード１３２及び１６２に対して実行されるベル状態測定は、式４の状態｜Ψ〉を、表１に示すような測定結果によって決まるヒルベルト部分空間に射影する。たとえば、モード１３２及び１６２の結合された状態がベル状態（｜００〉＋｜１１〉）／√２であると識別する測定結果は、選択された物質系１１０を所望のキュービット状態ｃ0｜↑〉＋ｃ1｜↓〉に射影する。他のベル状態を識別する測定結果は、選択された物質系１１０を、選択された物質系１１０に対して実行される１つ又は複数の単一キュービット動作によって、選択された物質系の所望の状態がもたらされるような状態に射影する。
【００３２】
ステップ４７０は、状態訂正動作を実行して射影状態を変換する。例示的な一実施形態では、訂正動作は、パススルー若しくは無演算、ビット反転若しくは等価にＮＯＴ演算、又はＺ演算のうちの１つ又は複数を含むことができる単一キュービット演算である。物質系に対するビット反転又はＮＯＴ演算は、基底状態を交替させる。たとえば、以下である。
【００３３】
【数５】
0005437634.tif 000006
【００３４】
Ｚ演算は、物質系の基底状態間の相対的な符号変更をもたらす。たとえば、｜↑〉→｜↑〉及び｜↓〉→−｜↓〉である。表１は、ベル状態測定からの種々の測定結果に対する適切な状態訂正動作を示す。
【００３５】
【表１】
0005437634.tif 000007
【００３６】
ステップ４６０に対する代替的な測定技法は、図３Ｂの測定系３００Ｂを使用して、モード１３２及び１６２の結合された状態のパリティを測定し、その後、パリティ測定されたモード３３５及び３６５の結果としての状態のモード３３５及び３６５の対角基底状態への射影を測定する。これらの測定を実施するために、測定系３００Ｂは、モード３３５及び３６５のそれぞれの対角基底における測定のために非吸収パリティ検出器３２０及び検出器３２５を含む。非吸収パリティ検出器３２０の動作及び実施態様は、モード１３２及び１６２においてキュービットに使用される表現によって決まる。たとえば、光子モード１３２及び１６２の両方において単一レール表現を使用することによって、パリティ検出器３２０は、モード１３２及び１６２が一括して整数の光子を含むか又は奇数の光子を含むかを測定することができるが、光子の総数は確定しない。W.J. Munro、K. Nemoto、R.G. Beausoleil及びT.P. Spillerは、Phys. Rev. A 71, 033819(2005) において、このタイプのパリティ測定を実施する技法及びシステムを記載している。パリティ測定は、式４の状態｜Ψ〉を、測定結果によって決まるヒルベルト部分空間に射影する。
【００３７】
そして、検出器３２５は、光子モード３３５及び３６５をそれぞれの対角基底において測定する。たとえば、モード３３５の状態の状態｜＋〉＝（｜０〉＋｜１〉）／√２又は｜−〉＝（｜０〉−｜１〉）／√２への射影である。対角測定を実行する検出器３２５の実施態様は、パリティ測定されたモード３３５及び３６５で使用される基底によって決まる。基底状態｜Ｈ〉及び｜Ｖ〉を有する偏光表現の場合、各検出器３２５を、単に、水平面から偏光軸４５度の偏光子と、単一の光子を検出することができる光子検出器とを使用して実装することができる。単一レールベースの場合、「Quantum Optical State Converter」と題する米国特許出願第１０／８３７，１２９号に記載されているような光−光変換器が、上述したような測定のためにモード１３２の状態を偏光表現に変換することができる。別法として、A.P. Lund及びT.C. RelphによってPhys. Rev. A 66, 032307(2004) において記載されているような検出器が、単一レート表現の対角に基づいてモード３３５又は３６５を直接測定することができる。
【００３８】
パリティ測定及び対角測定の結果は、選択された物質系１１０を所望の状態にするように実行しなければならない単一キュービット演算（ある場合）ステップ４７０を示す。たとえば、パリティ測定とそれぞれの状態｜＋〉に対する射影とを使用して物質状態の光子状態からのもつれを解く例を示す表２は、種々の測定結果に対応する適切な状態訂正を示す。
【００３９】
【表２】
0005437634.tif 000008
【００４０】
図３Ｃは、制御されたＮＯＴゲート３３０と検出器３３２及び３３４とを使用して、選択された物質系１１０の状態からの光子モード１３２及び１６２の状態のもつれを解く測定系３００Ｃを示す。ＣＮＯＴゲート３３０は、式６に示すように結合されたシステム状態｜Ψ〉を変換する。そして、検出器３３２は、標的モード１６２が状態｜０〉pであるか又は｜１〉pであるかを判断する。モード１６２の測定結果０又は１は、システム状態｜Ψ〉を表３に示す対応する射影状態に射影する。検出器３３４は、制御モード１３２の状態の対角基底状態、たとえば（｜０〉e＋｜１〉e）／√２への射影を測定することによって、選択された物質系１１０からの光子モード１３２及び１６２のもつれを解く。制御モード及び標的モードの測定の結果の４つの異なる組合せは、所望の状態を生成するためにいずれの状態演算が必要であるかを示す。
【００４１】
【数６】
0005437634.tif 000009
【００４２】
【表３】
0005437634.tif 000010
【００４３】
図３Ｄは、測定ステップ４６０を実行することができるさらに別の測定系３００Ｄを示す。この実施形態では、ステップ４６０における測定は、モード１３２及び１６２を５０−５０ビームスプリッタ３４０に向けることで開始し、ビームスプリッタ３４０は、単一レール表現の光子基底状態に対し、式７に示すように式４のシステム状態｜Ψ〉を変換する。非吸収パリティ検出器３４２は、各モードにおいて、０又は２つのみの光子を有している状態を、ビームスプリッタ３４０の出力モードのうちの１つにおいて１つの光子を有する状態から区別する。この測定は、システム状態を、式７の右辺の第１の角括弧の項又は第２の角括弧の項のいずれかに射影する。光スイッチ３４４は、このパリティ検査結果の制御下で、光子モードを、各モードが偶数の光子を有する場合は測定系３４６に、又は少なくとも１つのモードが正確に１つの光子を有する場合は測定系３４８に向ける。したがって、測定系３４６は、式７の角括弧の第１のセットに対応する状態に対して動作し、測定系３４８は、式７の第２の角括弧のセットに対応する状態に対して動作する。
【００４４】
【数７】
0005437634.tif 000011
【００４５】
測定系３４６は、５０−５０ビームスプリッタ及びベル状態分析器を含む。０又は２つの光子を有する成分状態は、ビームスプリッタを通過し、状態ｃ0｜００〉＋ｃ1｜１１〉をもたらす。したがって、２つ（あり得る４つのうち）のうちの１方のベル状態のみがもたらされる可能性があり、それによって、２つのベル状態を区別するだけでよい測定系３４６のベル状態分析器は、図３Ａのベル状態分析器３１０よりも複雑でなくてもよいことが分かる。このため、システム３４６におけるベル状態分析器からの測定結果は、表１における上部２つの状態のうちの１つを区別し、表１の２つの行は、システム３４６からの測定結果に関連する、結果としての状態及び訂正を与える。
【００４６】
測定系３４８は、スイッチ３４４からの各光モードを測定する。これらの測定は、式７の基底｛｜０〉，｜１〉｝において実行されるべきであり、それは、ビームスプリッタ３４０の効果のために元の入力モード１３５及び１６５の対角に基づいて有効に測定する。システム３４８によって検出されるのは１つの光子のみであり、したがって、状態｜０１〉及び｜１０〉に対応するあり得る測定結果は２つのみであり、システム３４８は、状態｜０１〉と｜１０〉とを区別することができるいかなる検出器も使用することができる。たとえば、システム３４８は、光子数を解明する検出器を使用することができるが、真空状態と非真空状態とを単に区別する単純な「バケット」検出器であってもよい。システム３４８において、状態｜０１〉を識別する測定結果は、表１の行３の射影状態をもたらし、それには、表１の指示される行３のような状態訂正が必要である。他の測定結果は表１の行４の状態をもたらし、それには同様に表１の指示される行４のような状態訂正が必要である。
【００４７】
量子情報の物質系から光学系への読出しは、上記書込み動作に対して説明したものと同様のシステム及び技法を採用することができる。たとえば、図５は、入力モード１６０のフォトニック状態｜ｑ〉INからの量子情報を物質系１１０に書き込むことを可能にする構成要素を含む量子コヒーレントシステム５００のブロック図である。したがって、システム５００において、書込み動作を、たとえば図４のプロセス４００を使用して実行することができる。システム５００はさらに、物質系１１０から読み出される情報を表すフォトニックキュービット｜ｑ〉OUTを生成することができる。上述したように、システム５００の物質系１１０は、好ましい放出モード１３０を有するそれぞれの光キャビティ１２０内に収容される。同様に上述したような励起系１４０が、励起状態（複数可）、たとえば状態｜ｅ〉又は状態｜↑ｅ〉及び｜↓ｅ〉の減衰によって放出モード１３０及び対応する物質系１１０のもつれ量子状態がもたらされるように、物質系１１０を選択的に励起することができる。図１の光ネットワーク１５４に代わる光ネットワーク５５０は、放出モード１３０のうちの１つを選択することによって読出しプロセス又は書込みプロセスに対して物質系１１０を選択し、選択された放出モードからの光子を測定系３００又は状態訂正系５６０にルーティングすることによって書込み又は読出しのいずれが実行されるかを選択することができる。
【００４８】
システム５００は、選択された物質系１１０の状態を測定することができる測定系５４０をさらに含む。測定系５４０の特定の実施態様は、概して、物質系１１０と、物質系１１０が量子情報を表すために使用する表現とによって決まる。測定系は、本発明の例示的な実施形態におけるようなＮＶダイアモンド欠陥を使用する系を含む種々の物質系に対する量子情報処理の分野において既知である。これについては、たとえば、Jelezko他、Phys. Rev. Lett. 92, 076401(2004)及びNizovtsev他、Optics and Spectroscopy 99, 233(2005)を参照されたい。さらに後述する読出し動作中、測定系５４０からの測定結果は、状態訂正系５６０が所望の出力光子状態｜ｑ〉OUTを生成するようにモード１３４の状態を変化させるか否かを制御する。
【００４９】
図６は、システム５００を使用して実行することができる読出しプロセス６００のフローチャートである。プロセス６００のステップ６１０において、たとえば、放出光子の選択された物質系１１０から出力モード１３４への経路を提供する光ネットワーク５５０の動作を通じて、物質系１１０が選択される。選択された物質系１１０は、読み出されるキュービットを表す状態｜ｑ〉mにあるものと仮定される。式８は、物質キュービットの一般形式を示し、式中、ｃ0及びｃ1は、正規化要件に従う複素係数である。
【００５０】
【数８】
0005437634.tif 000012
【００５１】
励起系１４０は、ステップ６２０において、πパルスを生成するか、又は他の方法で選択された物質系１１０を励起し、その後ステップ６３０は、励起状態の減衰からの光子放出を待つ。励起及び減衰によって、物質系の基底状態のうちの一方が対応する励起状態を有するか又は両方が対応する励起状態を有するかに応じて、式９Ａ又は式９Ｂに示すような物質系１１０及び光子モード１３４のもつれ状態がもたらされる。
【００５２】
【数９Ａ】
0005437634.tif 000013
【数９Ｂ】
0005437634.tif 000014
【００５３】
ステップ６４０は、測定系５４０を使用して、対角に基づき選択された物質系１１０を測定する。対角に基づく測定が、選択された物質系１１０が状態（｜↑〉＋｜↓〉）／√２にあることを示す場合、所望の光子状態｜ｑ〉OUTは、状態訂正の必要なしに生成されている。対角に基づく測定が、選択された物質系１１０が状態（｜↑〉−｜↓〉）／√２にあることを示す場合、状態訂正系５６０は、光子状態に対してＺ演算を実行して所望の光子状態｜ｑ〉OUTを生成する。光子状態に対し、Ｚ演算は、使用される基底状態に応じて、基底状態間の符号変化、たとえば｜０〉→｜０〉及び｜１〉→−｜１〉又は｜Ｈ〉→｜Ｈ〉及び｜Ｖ〉→−｜Ｖ〉をもたらす。
【００５４】
図７は、２つの光モードのもつれ状態によって表されるキュービットを生成する読出し動作に対する補助光子状態を使用する代替的な量子コヒーレントシステム７００を示す。システム７００は、上述したような物質系１１０と、光キャビティ１２０と、励起系１４０と、光ネットワーク５５０と、測定系５４０とを含む。光子源７１０が、補助光子を生成し、補助光子は、光子モード７１５の既知の状態、たとえば｜＋〉p＝（｜０〉p＋｜１〉p）／√２を有する。パリティ検出器７２０、光子検出器７３０及び状態訂正系７４０が、読出しプロセス中に必要に応じて光子モード１３４及び７１５を測定及び操作してキュービット読出しを表す所望の出力状態を生成する。
【００５５】
図８は、図７のシステム７００を使用して実行することができる読出しプロセス８００のフローチャートである。読出しプロセス８００は、読み出される物質系１１０を選択するステップ８１０で開始する。光ネットワーク５５０は、選択された物質系１１０を収容するキャビティ１２０から放出される光子にモード１３４への経路を提供することによって、物質系１１０を選択することができる。ステップ８２０において、励起系１４０は、選択された物質系１１０を励起し、選択された物質系１１０はその後ステップ８３０中に減衰する。このため、ステップ８３０において、上記式９Ａ及び式９Ｂに示すようなもつれた物質−光状態がもたらされる。
【００５６】
そして、ステップ８４０は、光子源７１０を使用して、既知の状態の補助光子を生成する。式１０は、補助光子モードの既知の状態が状態｜＋〉pである場合の光子モード１３４及び７１５における単一レール表現に対するシステム７００の結果としての状態を示す。別法として、読出し動作は、補助モード７１５の他の既知の状態か、又は後述するような後続する測定又は状態訂正に対する適切な変更による代替的なキュービット表現を使用することができる。
【００５７】
【数１０】
0005437634.tif 000015
【００５８】
非吸収パリティ検出器７２０は、ステップ８５０において、光子モード１３４及び７１５の結合されたパリティを測定する。パリティ測定は、システム状態｜Ψ〉を２つの状態のうちの１つに射影し、パリティ測定結果が状態を識別する。表４は、読出し動作８００の一例に対する偶数測定結果及び奇数測定結果に関連する状態を示す。そして、ステップ８６０は、対角に基づいて選択された物質系１１０を測定し、それによって、光子モード７１５及び１３４の状態から物質系１１０の状態が分離される。ステップ８５０及びステップ８６０の測定の結果として、光子モード７１５及び１３４は、特定の状態がパリティ測定及び対角測定の結果によって予告される、４つの状態のうちの１つになる。訂正系７４０は、ステップ８７０において、予告された状態をもつれた光子によって表される所望のキュービット状態に変換する動作を実行することができる。表４は、本発明の例示的な実施形態の訂正演算を示す。
【００５９】
【表４】
0005437634.tif 000016
【００６０】
上述した読出し及び書込み動作は、単一の物質系に対する書込み又は読出しの例を示した。書込み又は読出しは、他の系の状態ともつれる量子状態に対応する量子情報のものとすることができる。特に、書込み動作及び読出し動作は、書き込まれるか又は読み出される可能性があるか又は可能性のない１つ又は複数のキュービットともつれるキュービットに作用する。また、任意のタイプの他の系（図示せず）ともつれる光子の状態に関連する量子情報を、物質キュービットに書き込むことができ、それによって物質キュービットは他の系ともつれたままになる。同様に、他の系ともつれる物質キュービットを読み出して、他の系ともつれる光子状態を生成することができる。さらに、２つ以上の読出し動作又は書込み動作を、光学系及び物質系において並列に行ってもよく、書き込まれているか読み出されている状態はもつれた状態とすることができる。たとえば、多キュービットフォトニックもつれ状態を、完全に、または部分的に、すなわちフォトニックキュービットのいくつかだけを物質キュービットに書き込んでもよく、一方で書込み動作はもつれを保持する。同様に、多キュービットもつれ物質状態を完全に又は部分的にフォトニックキュービットに読み出すことができる。物質系の励起及び減衰によって、物質系及び光子モードのもつれた状態を単純にもたらすこともできる。
【００６１】
本発明のさらなる態様によれば、物質系においてもつれたキュービットを読み出し且つ書き込み、もつれた物質−光状態を生成する能力によって、もつれた物質−光状態におけるキュービット又は他の量子情報の符号化が可能になり、それによって誤り訂正が容易になる。より具体的には、物質−光学系のもつれた状態を使用して量子情報を符号化することができ、それによって、１つ又は複数の光子が失われた場合に物質系の測定を使用して光子状態及び量子情報回復に対する動作を実行することができる。
【００６２】
式１１Ａは、２つの物質系及び２つの関連する光子放出モードの間でもつれを使用するキュービット符号化の基底状態｜０〉L及び｜１〉Lの一例を示す。式１１Ｂは、キュービット係数ｃ0及びｃ1に関連する量子情報が、符号化状態｜ｑ〉Lにあるか又は等価的に密度行列ρを有する基底状態｜０〉L及び｜１〉Lといかに関連するかを示す。
【００６３】
【数１１Ａ】
0005437634.tif 000017
【数１１Ｂ】
0005437634.tif 000018
【００６４】
式１１Ｂの符号化キュービットを、図９のシステム９００等の量子コヒーレントシステムに物理的に組み込むことができる。システム９００は、上述したようにそれぞれの放出モード１３０−１及び１３０−２を有する物質系１１０−１及び１１０−２をキャビティ１２０内に含む。式１１Ａの基底状態のインプリメンテーションを簡略化するために、各物質系１１０は、図２Ｂに示すようにそれぞれ状態｜↑〉及び｜↓〉に関連する２つの励起状態｜ｅ↑〉及び｜ｅ↓〉を有するタイプのものであり、それによって、物質系１１０は、励起された後、放出モード１３０のそれぞれの偏光状態｜Ｈ〉及び｜Ｖ〉で光子を放出する。基底状態｜０〉Lは、システム９００において、物質系１３０−１及び１３０−２のそれぞれを状態｜＋〉mに設定し、励起系１４０を使用して物質系１１０を励起し、励起状態が減衰してキャビティが光子を放出モードに解放するのを待つことによって、容易に生成することができる。基底状態｜１〉Lは、システム９００において、物質系１１０−１及び１１０−２のそれぞれを状態｜−〉mに設定し、励起系１４０を使用して物質系１１０を励起し、励起状態及びキャビティモードが減衰するのを待つことによって、生成することができる。
【００６５】
図１０は、第１の物質系１１０−１の状態ｃ0｜↑〉1＋ｃ1｜↓〉1によって表されるキュービットを、物質系及び光学系の状態を使用する符号化に変換するプロセス１０００のフローチャートである。プロセス１０００は、式１１Ｂに示すように符号化が２つの物質系及び関連する放出モードを使用する一例を示すが、さらに後述するように、同様の技法を使用して、物質状態及び光状態の他の組合せを使用する他の符号化を構築してもよい。例示的な実施形態では、プロセス１０００は、第２の物質系１１０−２を、第２の物質系１１０−２の基底状態の組合せである既知の状態、たとえば状態｜＋〉2＝（｜↑〉2＋｜↓〉2）／√２に設定するステップ１０１０で開始する。
【００６６】
ステップ１０２０は、物質系１１０−１及び１１０−２の結合された状態に対しパリティ測定を実行する。パリティ測定を、物質系１１０の励起の後に放出光子を使用して実行することができ、測定が光子源を区別しない限り、ここでは破壊的な光子測定が許容可能である。偶数パリティ測定結果は、システム１１０−１及び１１０−２が状態ｃ0｜↑↑〉＋ｃ1｜↓↓〉にあることを示し、奇数パリティ測定結果は、システム１１０−１及び１１０−２が状態ｃ0｜↑↓〉＋ｃ1｜↓↑〉にあることを示す。状態訂正を実行するステップ１０３０は、パリティ測定１０２０が奇数パリティを見つけた場合にのみ、物質系１１０−２に対してビット反転又はＮＯＴ演算を実行し、それによって、ステップ１０３０の後、前回の測定結果に関わらず、物質系１１０−１及び１１０−２は状態ｃ0｜↑↑〉＋ｃ1｜↓↓〉にある。
【００６７】
ステップ１０４０は、物質系１１０−１及び１１０−２のそれぞれの状態に対してアダマール演算を実行する。そして、物質系１１０−１及び１１０−２は、状態
【００６８】
【数１２】
0005437634.tif 000019
【００６９】
になる。そして、ステップ１０５０は、物質系１１０を励起することができ、ステップ１０６０においてキャビティ１２０から放出モード１３０への光子の解放を待った後、式１１Ｂの所望の符号化キュービットが生成される。
【００７０】
プロセス１０００を、キュービットの符号化においてより多くの物質系１１０を使用するように一般化することができる。たとえば、ステップ１０１０は、Ｎ−１個の物質系１１０−２〜１１０−Ｎをもつれ状態（｜↑〉2…｜↑〉N＋｜↓〉2…｜↓〉N）／√２に設定することができ、その後、このもつれ状態は、ステップ１０２０のパリティ測定によって、符号化されるキュービットとさらにもつれる。この場合の状態訂正ステップ１０３０は、状態ｃ0｜↑〉1｜↑〉2…｜↑〉N＋ｃ1｜↓〉1｜↓〉2…｜↓〉Nをもたらし、これは、最大Ｎ個の物質系１１０及びＮ個の関連する放出モード１３０を使用して符号化に変換することができる。
【００７１】
各放出モード１３０は、例示的な実施形態では、偏光表現の場合、基底状態｜Ｈ〉及び｜Ｖ〉を使用する。偏光表現によって、図９の各量子非破壊（ＱＮＤ）検出器９５０−１又は９５０−２が、測定されたモード１３０−１又は１３０−２の偏光状態が表す量子情報を依然として保持しながら、モード１３０−１又は１３０−２が光子を含むか否かを検出することができる。このように、ＱＮＤ検出器９５０は、たとえば、光子の損失又は割り当てられた時間内での励起状態の減衰の失敗に対応する誤りを検出することができる。W.J. Munro、K. Nemoto、R.G. Beausoleil及びT.P. SpillerによってPhys. Rev. A 71, 033819(2005)に、G.J. Milburn及びD.F. WallsによってPhys. Rev A 30, 56(1984)に、又はN. Imoto、H.A. Haus及びY. YamamotoによってPhys. Rev. A 32 2287(1985) に記載されているような非破壊検出によって、測定は、誤りが検出されない場合の放出モードに対する量子動作を中断させない。
【００７２】
量子情報、たとえば係数ｃ0及びｃ1を、光子が光子モード１３０のいずれか又は両方から失われる場合であっても、符号化キュービット｜ｑ〉Lから回復することができる、ということを示すことができる。たとえば、ＱＮＤ検出器９５０−２が、システム３００が最初に式１１Ｂの密度行列ρに対応するキュービットを符号化したときに、光子がモード１３０−２から失われていることを識別する場合、システム９００は、式１３Ａに示す非正規化密度行列ρ’に対応する非コヒーレント状態になる。元の量子情報を含むコヒーレント状態を、物質系１１０の測定を通じて回復することができる。たとえば、測定系５５０は、対角に基づいて物質系１１０−２を測定することができる。測定結果が、物質系１１０−０２が状態｜＋〉＝１／√２（｜↑〉＋｜↓〉）にあることを示す場合、システム９００は、コヒーレント状態ｃ0｜０〉L1−ｃ1｜１〉L1に対応する式１３Ｂの形式の密度行列ρ+を有することになる。Ｚ演算が、基底状態｜０〉L1及び｜１〉L1を使用する表現において元の量子情報を回復することができる。対角に基づく測定の結果が、物質系１１０−２が状態｜−〉＝１／√２（｜↑〉−｜↓〉）にあることを示す場合、システム９００は、状態ｃ0｜０〉L1＋ｃ1｜１〉L1に対応すると共に元の量子情報を回復する式１３Ｃの形式の密度行列ρ-を有することになる。
【００７３】
【数１３Ａ】
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【数１３Ｂ】
0005437634.tif 000021
【数１３Ｃ】
0005437634.tif 000022
【００７４】
上記式１１Ａ及び式１１Ｂの符号化において、各基底状態｜０〉L又は｜１〉Lは、第１の物質系１１０−１及びその放出モード１３０−１のもつれ状態｜０〉L1又は｜１〉L1と、第２の物質系１１０−２及びその放出モード１３０−２のもつれ状態｜０〉L2又は｜１〉L2との積である。符号化キュービットの同様の基底状態を、３つ以上の状態の積として構築することができ、それらのそれぞれは、物質系１１０及び関連する放出モード１３０のもつれ状態である。このタイプの符号化は、２つ以上の光子が損失した後であっても、光子を失った放出モードに関連する物質系に対して対角測定を実行することによって、量子情報を回復することができる。測定結果が識別する状態訂正の後、結果としての状態は、より少ない数のもつれ状態の積である基底を使用して、元の量子情報を符号化する。
【００７５】
別の代替的な符号化基底は、式１４に示すような物質系のもつれていない状態を含む積を使用してもよい。もつれ放出モードからすべての光子が失われた場合であっても、損失光子ともつれていた物質系を測定して、もつれていない物質系を元の量子情報を表す状態に設定することができる。
【００７６】
【数１４】
0005437634.tif 000023
【００７７】
本発明について、特定の実施形態に関連して説明したが、この説明は、本発明の適用の一例に過ぎず、限定するものとして解釈されるべきではない。たとえば、他の系ともつれる可能性があるか又はもつれない可能性のあるキュービットに適用する読出しプロセス及び書込みプロセスについて別々に説明したが、それらを組み合わせることができる。特に、光キュービットを物質系に書き込み、その後、異なる物理特性を有し得る他の光キュービットに再び読み出してもよい。同様に、物質キュービットを光に読み出し、その後、異なる物理特性、たとえば異なる場所を有し得る他のいくつかの物質キュービットに再び書き込んでもよい。別法として、キュービットに関して例示した本発明の原理は、２値量子情報に限定されず、キューディット又はキューナット等の他の形態の量子情報に対して一般化することができる。開示した実施形態の特徴のさまざまな他の適応及び組合せは、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】光子状態を使用して表される量子情報を、物質系の量子状態を使用する表現に書き込むことができる、本発明の一実施形態によるシステムを示す図である。
【図２Ａ】図１のシステムで使用されるいくつかの適切な物質系のエネルギー準位図である。
【図２Ｂ】図１のシステムで使用されるいくつかの適切な物質系のエネルギー準位図である。
【図３Ａ】図１のシステムで使用するのに適している選択可能な測定系を示す図である。
【図３Ｂ】図１のシステムで使用するのに適している選択可能な測定系を示す図である。
【図３Ｃ】図１のシステムで使用するのに適している選択可能な測定系を示す図である。
【図３Ｄ】図１のシステムで使用するのに適している選択可能な測定系を示す図である。
【図４】最初に光子状態を使用して表された量子情報を物質系に書き込むプロセスのフローチャートである。
【図５】物質系の量子状態を使用する表現と光子状態を使用する表現との間で量子情報を転換することができる、本発明の一実施形態によるシステムを示す図である。
【図６】物質系から量子情報を読み出して、光子状態を使用して量子情報を符号化するプロセスのフローチャートである。
【図７】量子情報を読み出すと共に書き込むことができる本発明の一実施形態によるシステムを示す図である。
【図８】物質系から量子情報を読み出して、もつれ光子状態を使用して量子情報を符号化するプロセスのフローチャートである。
【図９】物質及び光のもつれ状態を使用してキュービットを、エラーが起こりにくく符号化するシステムのブロック図である。
【図１０】物質及び光のもつれ状態を使用して量子情報を符号化するプロセスを示すフローチャートである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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