(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローカルリンク光チャンネル（６２、６３）を介して左側及び右側の近傍ノードに光学的に結合可能な量子リピータ（１００、２３０）であって、
左側リピータ部（Ｌ）及び右側リピータ部（Ｒ）を提供する量子物理的ハードウェア（６０）と、
左側のLLE制御ユニット（７２）及び右側のLLE制御ユニット（７３）と、
最上位の制御構成（７７、１０３）
を備え、
前記左側リピータ部（Ｌ）と右側リピータ部（Ｒ）は、前記ローカルリンク光チャンネル（６２、６３）を介して伝送される光場によって左側の近傍ノード中の量子ビットと右側の近傍ノード中の量子ビットとそれぞれエンタングルするための左側の量子ビットと右側の量子ビットをそれぞれ支持し、これによって、それぞれのローカルリンクエンタングルメント（LLE）を形成するように構成され、前記量子物理的ハードウェア（６０）は、左側の量子ビット及び右側の量子ビットに局所的に作用することによって、該左側の量子ビットと該右側の量子ビットをそれぞれ含む２つのエンタングルメントをマージするように動作し、
前記左側のLLE制御ユニット（７２）及び右側のLLE制御ユニット（７３）は、左側の近傍ノード及び右側の近傍ノードと協働して左側及び右側のLLEを継続的に生成するように前記量子物理的ハードウェア（６０）を制御し、
前記最上位の制御構成（７７、１０３）は、それの近傍のノードと同期して前記リピータの最上位の周期的動作を制御するように動作し、該最上位の制御構成（７７、１０３）は、左側の量子ビットと右側の量子ビットがそれぞれ左側と右側にエンタングルされることが少なくとも予測されるときに、該左側の量子ビットと該右側の量子ビットをそれぞれ伴うエンタングルメントのマージを最上位の動作サイクル毎に１回開始するように構成され、
前記左側のリピータ部（Ｌ）及び前記右側のリピータ部（Ｒ）の一方のリピータ部（ＬまたはＲ）は、複数のフュージリアＱ−ブロック（９３）を備え、該複数のフュージリアＱ−ブロックの各々は、１つのフュージリア量子ビットを支持し、及び、光場を該フュージリア量子ビットを通過させるように構成され、
前記一方のリピータ部は、フュージリア量子ビットを通過した光場を対応するローカルリンク光チャンネル（６３）に順序正しく結合するための光学的構成体をさらに備え、
前記LLE制御ユニット（７３）のうちの対応するLLE制御ユニットは、該一方のリピータ部を制御して、それぞれの光場が前記フュージリア量子ビットを協調して通過するようにし、これによって、前記ローカルリンク光チャンネル（６３）において狭い間隔で並んだ光場の出力列（２２８）が生じるように構成され、
前記左側のリピータ部（Ｌ）及び前記右側のリピータ部（Ｒ）の他方のリピータ部（ＲまたはＬ）は、ターゲットＱ−ブロック（９４）を備え、該ターゲットＱ−ブロック（９４）は、ターゲット量子ビットを支持し、及び、該ターゲット量子ビットを通過した光場を測定し、これによって、該ターゲット量子ビットが成功裏にエンタングルしたか否かを判定するように構成され、
前記他方のリピータ部は、対応するローカルリンク光チャンネル（６２）を前記ターゲットＱ−ブロック（９４）に結合して、前記ローカルリンク光チャンネル（６２）を介して近傍ノードから受け取った光場の入力列（２２８）中の光場を、前記ターゲット量子ビットを通過させて、該光場を測定できるようにするための光学的構成体をさらに備え、
前記LLE制御ユニット（７２）のうちの対応する１つのLLE制御ユニットは、該他方のリピータ部を制御して、前記列（２２８）中の第１の光場が前記ターゲット量子ビットを通過して該ターゲット量子ビットと相互作用できるようにし、その後、前記ターゲットＱ−ブロック（９４）が、先行する光場が前記ターゲット量子ビットをエンタングルするのに失敗したことを示したときに、次の光場を該ターゲット量子ビットを通過させて、該光場が該ターゲット量子ビットと相互作用できるようにすべく構成され、該LLE制御ユニットは、前記ターゲットＱ−ブロック（９４）が、前記ターゲット量子ビットが成功裏にエンタングルしたことを示したのに応答して、前記ターゲット量子ビットを成功裏にエンタングルした前記列中の光場を特定する情報を前記列の送信元の近傍ノードに送り、これによって、前記ターゲット量子ビットとエンタングルしたフュージリア量子ビットを特定できるようにすることからなる、量子リピータ。
【請求項２】
前記LLE制御ユニット（７２、７３）は、前記最上位の動作サイクルと同期して、前記左側のLLE及び右側のLLEの周期的な生成を実行するように構成される、請求項１の量子リピータ。
【請求項３】
フュージリアＱ−ブロックの数ｆが、
Psuccess≦１−（１−ｓ）f
という不等式を満たし、
ここで、
ｓは、所定の動作環境において１つの光場でエンタングルメントを成功裏に生成する確率であり、
Psuccessは、１つの光場列でターゲット量子ビットを成功裏にエンタングルする望ましい確率であって、少なくとも９９％であるように選択される、請求項１または２の量子リピータ。
【請求項４】
前記フュージリアＱ−ブロック（９３）を含む前記量子リピータ部（Ｒ）に関連する前記LLE制御ユニット（７３）は、最上位の動作サイクル毎に１回だけ光場の前記出力列（２２８）の生成を起動するように構成され、前記最上位の制御構成（７７）は、最上位の各動作サイクルにおいて、該各動作サイクルで生成された出力列（２２８）の光場の中から近傍ノードのターゲット量子ビットを成功裏にエンタングルした光場を特定する情報を、関与した近傍ノードから前記リピータに返せるようにするのに十分なタイミングで、エンタングルメントの前記マージを開始するように構成される、請求項１〜３のいずれかの量子リピータ。
【請求項５】
最上位の各動作サイクルにおいて、前記最上位の制御構成（７７）が、
該各動作サイクルで実行されたエンタングルメントのマージに関するマージパリティ情報、及び、
前記各動作サイクルで実行されたエンタングルメントの局所的なマージの対象である前記量子ビットを伴うLLEに関するパリティ情報
に基づいてパリティ情報を格納するように構成される、請求項１〜４のいずれかの量子リピータ。
【請求項６】
前記最上位の制御構成（７７）は、最上位のサイクル毎に１回、一方の近傍ノードから所定の前の最上位の動作サイクルに関連する累積パリティ情報を受け取って、該制御構成に格納されている該動作サイクルに関連するパリティ情報を前記受け取った累積パリティ情報と結合して更新された累積パリティ情報を形成し、及び、該更新された累積パリティ情報を他方の近傍ノードに送るように構成される、請求項５の量子リピータ。
【請求項７】
ノードのチェーンの左側の端部ノード（８１）と右側の端部ノード（８２）中の使用可能な量子ビット間にエンドツーエンドエンタングルメント（８７）を生成するためのシステムであって、
前記ノードのチェーンと、
請求項１乃至６のいずれかにしたがう量子リピータ（１００、２３０）によって形成された前記チェーンの中間ノード（８０）と、
前記チェーンを形成する各々の前記量子リピータの最上位の制御構成
を備え、
前記量子リピータの各々は、ローカルリンク光チャンネル（６２、６３）によって該量子リピータの近傍ノードに接続され、
前記最上位の制御構成は、それらの最上位の動作サイクルを同期させ、これによって、各サイクルにおいて、各量子リピータにおけるエンタングルメントのマージを結合して、前記エンドツーエンドエンタングルメント（８７）を生成するように構成されることからなる、システム。
【請求項８】
端部ノード（１８０、１９０）の各々が、量子ビット（以下、第１の量子ビットという）を提供するように構成された出力バッファ（１８５、１９５）を備える、請求項７のシステムであって、前記端部ノードの使用可能な量子ビットを解放するために、該使用可能な量子ビットで留められているエンドツーエンドエンタングルメントの端部を前記第１の量子ビットに移動させることができるシステム。
【請求項９】
各リピータの前記最上位の制御構成が同期化構成（１０３）を備え、それらの同期化構成を、一方の端部ノードから前記チェーンに沿って伝送される信号を介して連携させる、請求項７または８のシステム。
【請求項１０】
各リピータの前記最上位の制御構成が同期化構成（１０３）を備え、それらの同期化構成を、共通の外部ソースから各リピータが互いに独立して受け取った信号を介して連携させる、請求項７または８のシステム。
【請求項１１】
光学的に結合されたノードのチェーンの第１の端部ノード（８１）の量子ビットと第２の端部ノード（８２）の量子ビットとの間にエンドツーエンドエンタングルメント（８７）を生成する方法であって、該チェーンの中間ノード（８０）は量子リピータ（１００、２３０）であり、
前記チェーン中の近傍ノードの各対の量子ビット間にローカルリンクエンタングルメント（８５）（以下、LLEという）を継続的に生成するステップであって、該LLE（８５）は、前記量子ビットと前記ノード間を伝送する光場との相互作用によって生成される、ステップと、
前記量子リピータ（１００、２３０）の同期化された最上位の周期的動作を実行するステップであって、リピータの各々は、該リピータのそれぞれの量子ビットが前記チェーンに沿って前記リピータから逆方向に配置されているノード中の量子ビットとエンタングルすることが少なくとも予測されているときには、最上位の動作サイクル毎に１回、該それぞれの量子ビットをそれぞれが含む２つのエンタングルメントのマージを開始する、ステップ
を含み、
光チャンネル（９５）によって結合された近傍ノード（９１、９２）の少なくとも１つの対間にLLEを生成するために、さらに、
それぞれの光場を、前記対の一方のノード（９１）中の複数のフュージリア量子ビット（９３）を通過させて前記光チャンネル（９５）へと送るステップであって、前記光場は、狭い間隔で並んだ光場の列（９８）が前記光チャンネル（９５）に沿って伝送されるように生成及び編成される、ステップと、
前記対の他方のノード（９２）において、前記光チャンネル（９５）を介して前記列（７８）の光場を受け取り、ターゲット量子ビット（９４）がエンタングルしていない間に、光場の各々を、前記ターゲット量子ビット（９４）を順に通過させて、該ターゲット量子ビット（９４）と相互作用できるようにし、その後、光場の各々を測定して、前記ターゲット量子ビットがエンタングルしているか否かを判定するステップと、
前記ターゲット量子ビット（９４）が成功裏にエンタングルすると、列（９８）の他の光場と前記ターゲット量子ビットとの相互作用を阻止し、及び、前記ターゲット量子ビットと成功裏にエンタングルした光場を識別し、これによって、前記ターゲット量子ビット（９４）とエンタングルしたフュージリア量子ビット（９３）の特定を可能にするステップ
を含む方法。
【請求項１２】
LLE（８５）は、前記量子リピータ（１００、２３０）の最上位の周期的動作と同期して周期的に生成される、請求項１１の方法。
【請求項１３】
最上位の各動作サイクルにおいて、各量子リピータ（１００，２３０）が、
該各動作サイクルで実行されたエンタングルメントのマージに関するマージパリティ情報、及び、
前記各動作サイクルで実行されたエンタングルメントのマージの対象である前記量子ビットを含むLLEに関するパリティ情報
に基づいてパリティ情報を格納する、請求項１１または１２の方法。
【請求項１４】
各量子リピータ（１００、２３０）は、最上位のサイクル毎に１回だけ、
一方の近傍ノードから所定の前の最上位の動作サイクルに関連する累積パリティ情報を受け取り、
該量子リピータに格納されている該サイクルに関連するパリティ情報を前記受け取った累積パリティ情報と結合して更新された累積パリティ情報を形成し、及び、
前記更新された累積パリティ情報を他方の近傍ノードに送る
ように動作する、請求項１３の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子リピータ、及び、拡張されたエンタングルメントを生成するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子情報システムでは、情報は、量子系の「状態」に保持される。量子系は、典型的には、量子ビットまたは「キュービット」と呼ばれる１単位の量子情報を提供する２レベル量子系である。離散的である古典的なデジタル状態とは異なり、量子ビットは、離散状態に限定されず、任意の所与の時点において２つの状態が重なった状態をとることができる。
【０００３】
量子ビットに対して任意の２レベル量子系を用いることができ、単一の光子（フォトン）の偏波状態、電子スピンの状態、核スピンの状態、及び、光のコヒーレント状態に基づく物理的実装を含むいくつかの物理的実装が実現されている。
【０００４】
量子ネットワーク接続は、離れたところにある端部ノード間の量子情報の通信を提供する。そのような接続を、量子コンピュータのネットワークキング、並びに、量子チャンネル（チャンネルはチャネルともいう。以下同じ）、及び認証された（しかし必ずしも秘密にはされない）保全性の古典的チャンネルが、秘密でランダムな共有された古典的ビットを生成するために使用される「量子鍵配送」（QKD）などに使用することが可能である。一般に、量子ネットワーク接続を介して量子情報を伝送するために使用されるプロセスの性能は、伝送距離が長くなるにつれて劣化するため、端点間（の距離）に上限が課される。通常、量子状態を複製することはできないので、古典的な意味におけるリピータ（中継器）を使用することによっては、端部ノード間の距離を長くすることはできない。
【０００５】
２つの隔置された場所間で量子情報を伝送する１つの方法は、「量子テレポーテーション」として知られている技術を使用する。これは、隔置された場所のそれぞれにあるベル対（Bell pair）として知られている２つのエンタングルした（すなわち、量子もつれを生じた）量子ビットを使用する。本明細書では、「エンタングルメント」という用語を、２つのエンタングルした量子ビットを意味するものとしても使用している。かかる分散したベル対の生成は、一般に、光チャンネル（たとえば、光ファイバなどの光導波路）を介して送られる光子によって媒介される。このプロセスには距離の制限があるが、２つの別個のベル対からのそれぞれの量子ビットが同じ場所に配置されている場合には、それらの同じ場所に配置されている量子ビット間で実行される局所的な量子操作（または量子演算）によってベル対を結合する（すなわち「マージ」する）ことが可能である。このプロセスは、「エンタングルメントスワッピング」として知られており、ベル対の同じ場所に配置されていない２つの量子ビット間のエンタングルメントを生じる一方で、同じ場所に配置されている量子ビットは全くエンタングルしない。
【０００６】
同じ場所に配置されている量子ビットを収容（または支持）して、ベル対を結合する（ベル対をマージするともいう。以下同じ）ための局所的な量子操作（または量子演算）を実行する装置は「量子リピータ」と呼ばれる。量子リピータの基本的な役割は、２つの近接する隔置されたノードの各々でそれぞれのベル対を生成して、それらのベル対を結合することである。多数の量子リピータを鎖状に連結する（すなわち、リピータのチェーンを生成する）ことによって、任意の距離だけ離れた端部ノード間にエンドツーエンド（すなわち、両端間）のエンタングルメントを生成することができ、これによって、任意の間隔で隔置された端点間で量子情報を伝送することが可能になる。
【０００７】
QKDはエンタングルした状態（エンタングルメント状態）を直接必要とはしないが、量子リピータを使用することによる長距離間のベル対の生成によって長距離のQKDが容易になることを指摘しておく。さらに、分散型量子計算のほとんどの他の用途は、分散したベル対を使用する。
【０００８】
本発明は、離れた端点間のエンタングルメントの生成を容易にするための、隔置された量子ビット間のエンタングルメントの生成、並びに、量子リピータの形成、管理、及び相互作用に関する。
【０００９】
本発明によれば、請求項１に記載されているような量子リピータが提供される。該量子リピータは、（鎖状に連結された）一連のノード中の中間ノードとして使用可能であって、該一連のノードの（２つの）端部ノードにおける量子ビット間のエンドツーエンド（すなわち、両端間）エンタングルメントを可能にする。
【００１０】
一連のノードの（２つの）端部ノードにおける量子ビット間のエンドツーエンドエンタングルメントを生成する方法も提供され、この場合、該一連のノード中の中間ノードは量子リピータであり、該方法は請求項１３に記載されている。
【００１１】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を説明するが、それらの実施形態は本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】２つの量子ビットをエンタングルするための既知の操作を示す図である。
【図１Ｂ】既存のエンタングルメントを拡張して、元々はエンタングルしていた量子ビットの１つと新しい量子ビットとを含む新しいエンタングルメントを生成するための延長操作を示す図である。
【図１Ｃ】既存のエンタングルメントを別のエンタングルメントと結合して元のエンタングルメントの各々からの１つの量子ビットを含む新しいエンタングルメントを生成することによって、該既存のエンタングルメントを拡張するためのマージ操作（結合操作）を示す図である。
【図２】隔置されたそれぞれのノードに配置された２つの量子ビット間でエンタングルメント操作を実行するためのエンタングルメント生成サブシステムを示す図である。
【図３Ａ】図１Ａのエンタングルメント操作を単独で用いた場合に可能な距離よりも長い距離離れた２つの量子ビット間でエンタングルメントを生成するために、量子リピータをどのように使用できるかを示す図である。
【図３Ｂ】任意の間隔で隔置されたノード対間で拡張されたエンタングルメントを生成するために、一連の量子リピータをどのように使用できるかを示す図である。
【図４】種々の量子相互作用を実行するための（本明細書では「Ｑブロック」と呼ぶ）基本的な量子物理的ハードウェアブロックの３種類の形態を示す図である。
【図５】Ｑブロックを用いた図２のエンタングルメント生成サブシステムの１実施例を示す図である。
【図６】量子リピータの量子物理的ハードウェアの一般的な図である。
【図７】本発明の量子リピータの実施形態の一般的な形態を示す図である。
【図８】５つのノードが光学的に結合された一連のノード（ノードチェーン）の端部ノード間にエンドツーエンドエンタングルメントを生成するための本発明を具現化するプロセス（処理）の連続する４つの動作サイクルを示し、該一連のノードの中間ノードは図７の形態の量子リピータである。
【図９】図７の形態の量子リピータで使用するためのローカルリンクエンタングルメント生成サブシステムを示す図である。
【図１０】第１の量子リピータの実施形態を示す図であり、この実施形態のローカルリンクエンタングルメント生成は図９の形態のサブシステムに基づく。
【図１１】２つのLLE生成サブシステムを形成するために、図１０の量子リピータが近傍のノードとどのように連携するかを示す図である。
【図１２】近傍のリピータ間にLLE生成サブシステムを提供するために、図１０の量子リピータをどのように光学的に直列に結合することができるかを示す図である。
【図１３Ａ】図１０の量子リピータの実施形態の量子物理的ハードウェアの第１の実施例を示す図である。
【図１３Ｂ】図１０の量子リピータの実施形態の量子物理的ハードウェアの第２の実施例を示す図である。
【図１４】図１０の量子リピータの動作を説明する際に本明細書で使用されるタイミング表記法をグラフ表示したものである。
【図１５】図１０の量子リピータの連続するそれぞれの１／４動作サイクルの１／４の期間中に、図９の形態のLLE生成サブシステムで生じることを示す図である。
【図１６】図１０の形態の一連のリピータ（リピータチェーン）について、失敗及びパリティ情報を累積するためのメッセージング配列（messaging arrangement）の１例を示すメッセージフロー図である。
【図１７】図１０の形態の一連のリピータについて、失敗及びパリティ情報を累積するためのメッセージング配列の第２の例を示すメッセージフロー図である。
【図１８】図１０の量子リピータによって形成された中間ノードを有する一連のノードの右側の端部ノードの１実施例を示す図である。
【図１９】図１０の量子リピータによって形成された中間ノードを有する一連のノードの左側の端部ノードの１実施例を示す図である。
【図２０】一連のリピータ（リピータチェーン）を形成するために、図１０の実施形態に基づいて２つの相補的なタイプのリピータをどのように結合することができるかを示す図である。
【図２１】代替的なローカルリンクエンタングルメント生成サブシステムを示す図であり、図１０の形態の量子リピータは該サブシステムに基づくことができる。
【図２２】一連の量子リピータノードのセグメント化の１例を示す図である。
【図２３】量子リピータの第２の実施形態を示す図であり、該実施形態では、４つの並列ローカルリンクエンタングルメント生成サブシステムが、その近傍の各々のノードと共に形成されている。
【図２４】図２３のリピータと１つの近傍ノード間に存在する並列ローカルリンクエンタングルメント生成サブシステムの交互動作を示す、図１５に類似の図である。
【図２５】図２３の形態の一連のリピータについて、失敗及びパリティ情報を累積するためのメッセージング配列の１例を示すメッセージフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
基本的なエンタングルメント生成及び拡張操作
エンタングルメント操作（図１Ａ）
図１Ａは、大まかに言えば、２つの量子ビットqb1、qb2（参照番号１で示されている）をエンタングルしてベル対を生成するための既知のプロセス（本明細書では「エンタングルメント操作」という）を示している。図１Ａは、エンタングルメント操作中に取得されたスナップショット（ａ）〜（ｇ）を時系列で示している。この例では、量子ビットqb1、qb2は、数ミリメートルよりも長い距離だけ分離されており、ベル対の生成は、自由空間または光ファイバー４などの導波路を介して送ることができる光子によって媒介される。非常に大まかに言えば、ベル対生成プロセスを、非常に少ない量の光（単一の光子、光子の対、または、光子が極めて少ないレーザーパルス）を用いるプロセスと、レーザーなどのコヒーレント源からの多くの光子からなるパルスを用いるプロセスに分けることができる。当業者には理解されるように、光子を生成し、エンタングルメント操作を実行し、及び、測定を行う方法の細部は、非常に少ない量の光と多くの光子からなるレーザーパルスとのどちらを使用するかに依存して異なる。しかしながら、そのような任意のアプローチを用いて本発明を実施することができるので、以下の説明は、ベル対を生成する（及び、その後、拡張する）ために使用される「光場（light field）」という用語で（それらの光子乃至パルスを）簡単に表現している。
【００１４】
図１Ａをより詳細に検討すると、放射源２から放射された光場５（スナップショット（ａ））は、予め準備されている非古典的状態（たとえば、０、＋１）にある物理ビット（physical qubit。または物理的量子ビット）qb1を通過する（スナップショット（ｂ））。典型的には、この物理ビットは電子スピンとして実現され、この場合、電子は、光場が通過する直前に所定の状態になる。光場５と量子ビットqb1が相互作用して、光場５は、量子ビットqb1の量子状態を有効に「捕捉」する。光場５は次に、光ファイバー４を伝送して（スナップショット（ｃ）及び（ｄ））、量子ビットqb2と相互作用し（スナップショット（ｅ））、その後、検出器３で測定される（スナップショット（ｆ））。これらが成功すると、量子ビットqb1から量子ビットqb2に量子状態が「移行」して、これらの量子ビットがエンタングルされる（図１Ａでは、このエンタングルメントは、弧状の両矢印８によって表されており、この表現形式は、エンタングルメントを示すために図面全般を通じて使用されている）。検出器３によって測定された光場５の特性によって、エンタングルメント操作が成功したか否かを判定することができる。エンタングルメント操作の成功または失敗が、古典的（非量子）メッセージ９によってファイバー４のqb1端へと戻される（スナップショット（ｇ））。このメッセージは非常に簡単な形態もの（たとえば、単一パルスの有無）とすることができる。本明細書で使用される「メッセージ」という用語には、そのような簡単な形態のものも、任意の複雑さを持つ（処理時間の制約を受ける）構造化メッセージも含まれる。メッセージ９が、いくつかの量子ビットの中から特定の量子ビットを特定し、かつ、エンタングルメント操作の成功または失敗を特定する必要がある実施形態でも、該メッセージは、単一パルスの有無という形態を依然としてとることができ、その場合、単一パルス無しのタイミングを用いて対象としている量子ビットを特定することができる。エンタングルメント操作の成功／失敗に関する情報をファイバー４のqb1端に戻す必要がある場合（または、関与したまたは含まれている量子ビットを特定する必要がある場合）には、エンタングルメント操作の全経過時間は、エンタングルメント操作が成功した場合でも、少なくともファイバー４をたどる往復伝搬時間である。
【００１５】
量子ビットqb2が既に別の量子ビットとエンタングルされているか否かに関係なく、量子ビットqb1とqb2をエンタングルするために、エンタングルメント操作を実行することができる（エンタングルメント操作がqb1とqb2との間で実行されるときに、qb2が既に別の量子ビットqbjとエンタングルしていた場合には、３つの量子ビットqb1、qb2、qbjの全ての状態がエンタングルされることになる）。
【００１６】
エンタングルメント操作が成功した場合には、検出器３によって測定された光場５の特性によって、qb1とqb2のエンタングルされた状態が相互に関連しているか否かの判定を行うこともできる。相互に関連しているか否かは、一般的には、エンタングルメントの「パリティ」として表される（偶数パリティと奇数パリティは、それぞれ、相互に関連している量子ビット状態、相互に関連していない量子ビット状態に対応する）。エンタングルメントのパリティは後で使用され場合があるので、該パリティを知っておくことは通常は重要である。そのため、いずれのパリティ情報も保存する必要があり、または、パリティが最終的には常に同じになることを確保するための手順を取る必要がある（たとえば、奇数パリティであると判定されると、qb2の状態を反転して偶数パリティを生成することによって、qb1とqb2の間のエンタングルメントのパリティを、最終的には常に偶数パリティにすることができる）。
【００１７】
実際には、２つのエンタングルされた量子ビットの相対的なパリティは、しばしば「一般化されたパリティ（generalized parity）」と呼ばれる2次元量であり、量子ビットパリティ値と共役量子ビットパリティ値の両方を含んでいる。図１Ａに示す単純なエンタングルメント操作の場合には、共役量子ビットパリティ値情報は、実際には偶数パリティであり、測定する必要はない。「一般化されたパリティ」は、該情報を表すのに２つの古典ビットを必要とする。（QKDなどの）いくつかの用途では、共役量子ビットパリティ値情報についての知識を不要とすることができる。以下では、「一般化されたパリティ」の要素の一方（すなわち、量子ビットパリティ値または共役量子ビットパリティ値）を明示的に参照している場合を除いて、「パリティ」という語の使用は、「一般化されたパリティ」を意味するが、適切な場合には、共役量子ビットパリティ値情報を省くことができることが前提とされている。
【００１８】
既に述べたように、量子ビットqb1及びqb2は、典型的には、電子スピンとして物理的に実現される。しかしながら、このようにして保存された量子情報の実際の寿命は非常に短く（累計して１０−６秒のオーダー）、したがって、一般的には、光場５とqb1及びqb2との相互作用の直後に、対象としている量子ビットの量子状態を、はるかに長い実効寿命（典型的には累計して１秒のオーダー）を有する核スピンに移行させる。後続の光場との相互作用のために（たとえば、後述する２つのエンタングルメントのマージを行うために）、量子状態を、後で電子スピンに戻すことができる。
【００１９】
注目すべき他の実用上の特徴は、物理ビット（物理的量子ビット）qb1及びqb2は、一般に、光場５が通過する場合以外は（シャッターで光を遮るなどによって）光が当たらないようにされるということである。ファイバー４のqb2端部においてこれを容易にするために（及び、量子ビットと光場５との相互作用の直前に、予め準備されている状態への該量子ビットの設定を起動するために）、光場５に先だって「先駆」光パルス６を送ることができる。この光パルスは、ファイバー４のqb2端部で検出されて、量子ビットqb2のプライミングを起動（トリガ）するため、及び、その後の光場５との相互作用のための（たとえば、シャッターを開くことによる）光場の照射（または伝送）を起動（トリガ）するために使用される。この代わりとして、これらのタスクを起動する他の手段を用いることも可能である。
【００２０】
ベル対を成功裏に生成する確率、それに含まれるまたは関わる量子ビット間の距離、及び生成された対の忠実度の間の関係は複雑である。１例を挙げると、多くの光子からなるレーザーパルスの形態をなす光場を用いる１つの特定の実施例では、量子ビット間の距離が１０ｋｍと２０ｋｍの場合に、それぞれ、忠実度が０．７７、０．６３８のベル対が生成され、この生成の成功の割合は、試行したうちの３８％〜４０％である。重要な点は、図１Ａに示されているエンタングルメント操作の距離は制限されているということである。簡単にするために、以下では、１０ｋｍの距離での成功確率が０．２５であると想定している。
【００２１】
LLE生成サブシステム（図２）
エンタングルメント操作を実行するためのコンポーネントのアセンブリ（組立体または集合）を、本明細書では、「エンタングルメント生成サブシステム」という。該アセンブリを、装置のある部分（または部品）内に局所的に実装すること、または、離れて配置された装置の部分（または部品）間に実装することができる（これらの装置を一般的にノードという）。図２は、２つのノード２１と２２が、光ファイバー２３によって光学的に結合される後者の場合の１例を示している。ファイバー２３などの光ファイバーは、本明細書で「ローカルリンク」ファイバー（または局所リンクファイバー）と呼ばれるノード間リンクを提供する。図２のノード２１、２２は、それぞれの量子ビットqb1、qb2を実現するためのコンポーネントを含んでいる（理解を簡単にするために、図２では、図１Ａと同じ量子ビットの名称乃至参照を使用している）。量子ビットqb1及びqb2は、qb1に関連付けられている放射源２、qb3に関連付けられている検出器３、ローカルリンクファイバー２３、及び、各ノードにあるエンタングルメント−操作制御ロジック（不図示）と共に、量子ビットqb1とqb2の間にエンタングルメント８を生成するためのエンタングルメント生成サブシステム２５を形成する。ノード間のローカルリンクファイバーを通過する光場によって生成されるこのタイプのエンタングルメントを、本明細書では「ローカルリンクエンタングルメント」または「LLE」と呼ぶ。これに対応して、ノード間のエンタングルメント生成サブシステム２５を「LLE生成サブシステム」と呼ぶ。
【００２２】
延長操作（図１Ｂ）
図１Ａのエンタングルメント操作によって生成されるようなエンタングルメントを「拡張（または延長）」して、元々エンタングルしていた量子ビットのうちの１つと新しい量子ビットを含む新たなエンタングルメントを生成することができる。この場合、後者の新しい量子ビットと元々エンタングルしていた量子ビットの間の距離に関しては、典型的には、元々エンタングルしていた量子ビットのうちの該１つとの間の距離の方が、その元々エンタングルしていた量子ビットのうちの他方との間の距離よりも長い。図１Ｂ及び図１Ｃは、量子ビットqb1とqb2（参照番号１で指示されている）との間の最初のエンタングルメント８を拡張して量子ビットqb1と別の量子ビットとの間にエンタングルメントを形成する２つのやり方を示している。いずれのやり方も、光場を種々の量子ビットを通過させた後、その光場を測定することを含む。しかしながら、簡単にするために、光場自体、及び、該光場を伝送するために典型的に使用される光ファイバーは、図１Ｂ及び図１Ｃからは省かれている。
【００２３】
図１Ｂは、本明細書において「延長操作」と呼ぶエンタングルメント拡張プロセスを、時系列に並べたスナップショット（ａ）〜（ｄ）で示している。一般的には、延長操作は、既存の第１のエンタングルメントのうちのある量子ビットを、該第１のエンタングルメントには含まれていない量子ビット（しかし、この量子ビットは、既に別のエンタングルメントに含まれている場合がある）とエンタングルメントして結合された一連のエンタングルメントを形成し、その後、測定によって該一連のエンタングルメントから中間の量子ビット（すなわち、拡張された該第１のエンタングルメントの端部にある量子ビット）を除去して、該第１のエンタングルメントのうちの残りの量子ビットと新たにエンタングルした量子ビットとの間に「拡張された」エンタングルメントを残すことをさらに含む。図１Ｂは、該第１のエンタングルメントには含まれていない量子ビットがそれ自体まだエンタングルしていない最も単純な場合の延長操作を示している。より具体的には、図１Ｂのスナップショット（ａ）に示すように、量子ビットqb1及びqb2（いずれも参照番号１で指示されている）を含む既存のエンタングルメント８の量子ビットqb2は、エンタングルメント操作によって量子ビットqb3（参照番号１０で示されている）とさらにエンタングルされる。このエンタングルメント操作は、光場を放射源２によって放射して、量子ビットqb2及びqb3を通過させた後、該光場を検出器３で測定することを含む。スナップショット（ｂ）は、こうして生じたqb2とqb3の間のエンタングルメント１１を示している。エンタングルメント８と１１は、結合された一連のエンタングルメントを形成し、これは、すなわち、qb1、qb2及びqb3の状態が今や互いにエンタングルしていることを意味する。次に、光場を放射源２から中間にあるqb2まで送り、検出器３で該光場を検出することによって、該量子ビットqb2に対して、本明細書では「Ｘ測定」（図１Ｂでは参照番号１２で指示されている）と呼ぶ特定のタイプの測定を実施し、これによって、qb1とqb3とのエンタングルメントを維持したまま、qb1とqb3とのエンタングルメントからqb2を除去する（スナップショット（ｃ）参照）。Ｘ測定１２の１つの特徴は、該測定が、エンタングルしている量子ビットqb1とqb3の量子状態以外の量子状態に関する情報を提供しないようなやり方でなされることにある。たとえば、「a|000＞＋b|111＞」（ａ、bは確率振幅）のような量子ビットqb1、qb2、及びqb3間の結合状態の場合、量子ビットqb2に対するＸ測定は、qb1とqb3の間のエンタングルメントについて、「a|00＞＋b|11＞」（Ｘ測定の結果が＋１の場合）、または、「a|00＞−b|11＞」（Ｘ測定の結果が−１の場合）のいずれかの状態を与えるであろう。この測定は、aまたはbに関する情報を何も与えない。
【００２４】
Ｘ測定１２を実施してエンタングルメントからqb2を除去した後、拡張されたエンタングルメントがqb1とqb3の間に残される。この拡張されたエンタングルメントは、図１Ｂのスナップショット（ｄ）に中程度の厚さの線で描かれた弧１３として示されている。
【００２５】
拡張されたエンタングルメント１３のパリティは、エンタングルメント８及び１１のパリティと、Ｘ測定から決定された共役量子ビットパリティ値の組み合わせである（上記の例では、Ｘ測定は＋１または−１という結果を与えるが、＋、−の符号が共役量子ビットパリティ値である）。偶数パリティ及び奇数パリティのそれぞれについて、量子ビットパリティ値情報及び共役量子ビットパリティ値情報の各々が２進値「０」及び「１」によって表される場合には、拡張されたエンタングルメントの量子ビットパリティ値情報及び共役量子ビットパリティ値情報は、対応するコンポーネントパリティ（それぞれのパリティ値情報を構成するパリティ）のそれぞれのXOR（排他的OR）結合である。
【００２６】
図１Ｂの延長操作と機能的に等価な結果を、最初にqb3をqb2とエンタングルさせることによって得ることができるが、これを、媒介する光場を最初にqb3を通過させ、次に、qb2に対するＸ測定を実行することによってエンタングルメントからqb2を除去するようにするエンタングルメント操作を用いて行うことができることに留意されたい。本明細書では、言語上の明瞭化のために、（Ｘ測定を不可欠のものとして伴う）「延長操作」は、延長操作の一部として実行される最初のエンタングルメントが、拡張されるエンタングルメントの量子ビットを最初に通過する光場によって実施される場合のみを含む。上記の延長操作に機能的に等価なものは、別個のエンタングルメント操作及びＸ測定操作として扱われる。
【００２７】
かなりの距離だけ隔置された２つの量子ビット間にエンタングルメントを生成することを目的とする場合には、図１Ｂに関して説明した延長操作はそれだけでは有効ではない。なぜなら、それぞれのエンタングルメント操作（図１Ｂの（ａ）参照）が失敗すれば、拡張される既存のエンタングルメント（図１Ｂのエンタングルメント８）が破壊されてしまうからである。実際には、拡張されたエンタングルメント１３が成功裏に生成される確率は、エンタングルメント８及び１１のそれぞれを生成するために使用されるそれぞれのエンタングルメント操作の成功確率の積である。既に述べたように、エンタングルメント操作が成功する確率は距離に関係しているため、延長操作だけを用いて長距離にわたってエンタングルメントを成功裏に生成して、最初のエンタングルメントを成功裏に拡張できる可能性は低い。同じ問題は、上記の延長操作の機能的等価物についても存する。
【００２８】
マージ操作（図１Ｃ）
より良いアプローチは、図１Ｃに示すマージ操作を用いて、それぞれがかなり長い距離にわたる（複数の）別個に生成されたエンタングルメントを結合することである。このアプローチによれば、そのようなエンタングルメントを生成する試みの１つが失敗しても他のエンタングルメントは破壊されないので、個々のエンタングルメントに関連する成功確率が効果的に分離される。もちろん、個々のエンタングルメントを結合するために使用されるマージ操作は、有効であるためには、それ自体信頼性が高いものでなければならないが、これは、非常に短い距離にわたって該マージ操作を実行することによって達成される。
【００２９】
図１Ｃは、スナップショット（ａ）〜（ｅ）の時系列を用いて、量子ビットqb1とqb2の間に存在するエンタングルメント８を、量子ビットqb4（参照番号１４で指示されている）とqb5（参照番号１５で指示されている）の間に存在する別のエンタングルメント１６と結合（マージ）することによって「拡張（または延長）」して、qb1とqb5の間に「拡張されたエンタングルメント」（図１Ｃの中程度の厚さの線で描かれている弧１９）を生成するためのマージ操作の実施形態の1例を示す。量子ビットqb2とqb4は互いに近接して（典型的には、互いに数十ミリメートル以内の位置に）配置されている。エンタングルメント８及び１６が生成される順番は問題ではない（実際に、それらを同時に生成することができる）。必要なのは、両方のエンタングルメントが同じ時点において使用できる条件で存在するということだけである。そのような時点において、エンタングルメント８と１６は、量子ビットqb2とqb4に対して局所的に実行される量子操作（または量子演算）によって「結合」される。（LLE８、１６がそれぞれ生成された直後に量子ビットqb2、qb4の量子状態が電子スピンから核スピンに移行した場合には、マージ操作が実行される前にそれらの状態を電子スピンに戻す必要がある）。この局所的マージ操作は、放射源２によって光場を放出し、続いて、該光場を２つの量子ビットqb2とqb4を通過させ（またはこの逆の順で通過させ）、その後、該光場を測定する（図１Ｃのスナップショット（ｂ）参照）ことによって実行される図１Ａのエンタングルメント操作のプロセスと同種の第１のプロセスを含む。この第１のプロセスは、成功すれば、（図１Ｃのスナップショット（ｃ）のエンタングルメント１７で示されているように）量子ビットqb2とqb4をエンタングルさせ、これによって、量子ビットqb1とqb5を互いにエンタングルするところの結合された一連のエンタングルメントが生成される。次に、１以上のＸ測定１８（図１Ｃのスナップショット（ｄ）参照）からなる第２の測定プロセスを用いて、エンタングルしている全体構成から中間にある量子ビットqb2及びqb4を除去して、量子ビットqb1とqb5の間の「拡張された」エンタングルメント１９を残す。量子ビットqb2及びqb4は最終的には、互いにエンタングルせず、量子ビットqb1、qb5ともエンタングルしない。マージ操作は、２つの同じ（またはほぼ同じ）場所にある量子ビット間の局所的な操作であるため、成功する確率は非常に高い。
【００３０】
マージ操作の一部として実施される測定は、結合（マージ）の成功または失敗の指標と、マージ操作の「一般化されたパリティ」の指標の両方を提供する。たとえば、マージ操作の第１のプロセスは量子ビットパリティ値を測定することができ、マージ操作の第２のプロセスは共役量子ビットパリティ値を測定することができる。この場合、該第２のプロセスを、量子ビットqb2とqb4の両方を通過する光場を用いる１つのＸ測定（この場合は、光場は、該第１のプロセスで使用される値（たとえば０、−１）とは異なる値（たとえば０、＋１）を有する）として、または、qb2及びqb4に対して個別に実施され、その後結合される個々のＸ測定として実施することができる。後者のアプローチが図１Ｃに示されている。拡張されたエンタングルメント１９のパリティは、エンタングルメント８及び１５のパリティとマージ操作のパリティの組み合わせである。上記と同様に、偶数パリティ及び奇数パリティのそれぞれについて、量子ビットパリティ値情報と共役量子ビットパリティ値情報の各々が２進値「０」及び「１」によって表される場合には、拡張されたエンタングルメントの量子ビットパリティ値情報及び共役量子ビットパリティ値情報は、対応するコンポーネントパリティ（それぞれのパリティ情報を構成するパリティ）のそれぞれのXOR（排他的OR）結合である。
【００３１】
マージ操作の成功もしくは失敗に関する情報は、端部の量子ビット位置へと古典的メッセージで伝送される。そうでなければ、これらの位置は、量子ビットqb1とqb5がエンタングルしているか否かを知らないからである。この代わりとして、マージ操作の失敗確率は通常は非常に低いので、成功したことを想定して、成功／失敗メッセージを送らないようにすることができるが、この場合は、エンタングルメントの不存在の原因となったマージの失敗を検出して補償することは、拡張されたエンタングルメント１９を使い果たすもしくは消費するアプリケーションに委ねられる。通常は、エンタングルしている量子ビットを利用するために、拡張されたエンタングルメントのパリティを知っておく必要があるので、拡張されたエンタングルメント１９のパリティを決定するために必要とされるパリティ情報も、端部の量子ビット位置の一方または他方に伝送される。
【００３２】
図１Ｃに関して上述したマージ操作の形態は、事実上は、エンタングルメントからqb4を除去するためにqb4に対して実施されるＸ測定と共に、エンタングルメント８を拡張するためにqb2とqb4の間の非常に短い距離にわたって実行される延長操作であることが理解されよう（qb2は、該延長操作の一部として実行されるＸ測定によってエンタングルメントから除去されている）。もちろん、量子ビットqb3が、該量子ビットqb3へとエンタングルメント８が拡張されるまでは、それ自体エンタングルされない図１Ｂに例示する延長操作とは異なり、図１Ｃにおけるこれと等価な量子ビットqb4は第２のエンタングルメント１６に既に含まれている。しかしながら、既に述べたように、延長操作にはこの可能性が含まれる。
【００３３】
既に述べたように、マージ操作は、非常に短い距離にわたって実行され、それゆえ、高い成功確率を有する（図１Ｃの量子ビットqb2とqb3の間の）局所的な操作である。マージ操作には、１０−９秒のオーダー（程度）の時間がかかる。
【００３４】
量子リピータ（図３Ａ及び図３Ｂ）
実際には、基本的な（すなわちベースとなる）エンタングルメント操作を妥当な成功確率でもって利用できる距離よりも長い距離だけ分離されたそれぞれの端部ノードに配置された２つの量子ビット間に、拡張されたエンタングルメントを生成しようとするときには、それらの端部ノード間の距離に及んでいる基本的なエンタングルメントをマージ（結合）するために、量子リピータと呼ばれる１以上の中間ノードが使用される。量子リピータノードの各々は、図１Ｃの量子ビットqb2及びqb4に対応し、かつ、他のノードの量子ビットとのそれぞれのエンタングルメントに含まれている（すなわち関わっている）局所的な量子ビットの対に対してマージ操作を効果的に実施する。図３Ａは、左側の端部ノード３１と右側の端部ノード３２によって終端されたチェーン（鎖状）をなす（すなわち一連の）ノード中の１つのノードを形成するそのような量子リピータノード３０を示しており、ノード３１、３２は、それぞれ、エンタングルさせたい（が、それらがあまりに遠く離れているために、１つのエンタングルメント操作を用いて直接エンタングルすることができない）量子ビットqb1、qb5を収容している。この例では、該一連のノード（ノードチェーン）は、左側と右側の端部ノード３１、３２を含む３つのノードから構成されており、ノード３１、３２は、また、量子リピータ３０の左側と右側の近傍ノードを形成している。量子リピータ３０は、左側と右側のローカルリンク光ファイバー３３Ｌ、３３Ｒによって、それぞれ左側と右側の近傍ノード３１、３２に接続されている。本明細書を通じて使用されている「左側」及び「右側」という用語は、量子リピータを含む一連のノードの反対側（該一連のノードに沿った方向、該一連のノードのそれぞれの端部など）を識別するための便利なラベルとして単に使用されていることに留意されたい。
【００３５】
量子リピータ３０は、実際には、各々がそれぞれの量子ビットqb2、qb4（理解を容易にするために、図３Ａでは図１Ｃと同じ量子ビット表記が使用されている）を含む左側部分もしくは左側部、並びに右側部分もしくは右側部（図３Ａでは「Ｌ」、「Ｒ」とそれぞれラベル付けされている）を備える。左側の近傍ノード３１の量子ビットqb1及び量子リピータノード３０の量子ビットqb2は、それらのノード間に形成されて（図３Ａの弧状の破線の矢印８として示されている）、qb1とqb2の間に左側LLE８を生成するように動作するLLE生成サブシステムの一部である。同様に、右側の近傍ノード３２の量子ビットqb5と量子リピータノード３０のqb4は、それらのノード間に形成されて、qb5とqb4の間に右側LLE１６を形成するように動作するLLE生成サブシステムの一部である。
【００３６】
各LLEを生成するために使用される光場の伝送方向（左から右または右から左）は重要ではなく、このため、関連する放射源及び検出器を所望に応じて配置することができることに留意されたい。たとえば、LLE８及び１６を生成するのに必要な光場をいずれも量子リピータ３０から送り出すようにすることができるが、これは、放射源が量子リピータ３０内に配置され、検出器が左側の近傍ノード３１と右側の近傍ノード３２に配置されることを意味している。しかしながら、同じ形態の量子リピータの鎖状結合（チェーン化）を容易にするために、全ての光場がノードチェーン（すなわち一連のノード）に沿って同じ方向に進むようにするのが便利である。たとえば、全ての光場が左から右へと進むように光場を配置することができ、この場合、量子リピータ３０の左側部Ｌは、左側LLE８を生成するための検出器を含み、右側部Ｒは、右側LLE１６を生成するための放射源を含むことになる。簡単にするために、特に明示しない限り、以下では、光場はノード間を左から右へと伝送することが想定されている。しなしながら、特許請求の範囲においては、光場の伝送方向は、任意の特定の方向には限定されず、また、異なるリンク間で光場の伝送方向が互いに同じでなければならないという限定もない（但し、そのような限定が、記載されているかまたは暗黙的に要求されている場合を除く）。
【００３７】
量子リピータ３０の動作時に、左側LLE８と右側LLE１６が任意の順番で生成された後に、量子ビットqb2及びqb4を伴う局所的なマージ操作３４が実行され、これによって、左側LLE８と右側LLE１６が結合されて、端部ノード３１及び３２のそれぞれの量子ビットqb1とqb5の間に拡張されたエンタングルメント１９が形成される。
【００３８】
必要であれば、マージ操作の成功または失敗に関する情報及びパリティに関する情報が、古典的メッセージ３５によって量子リピータ３０からノード３１、３２に送られる。
【００３９】
パリティ情報に関しては、ローカルリンクエンタングルメントのパリティが（必要に応じて量子リピータ状態を反転することによって）統一されている場合には、マージパリティ情報だけを量子リピータによって送るだけでよく、ノード３１または３２はこの情報を利用することができる。しかしながら、LLEパリティ情報が単に格納されている場合には、量子リピータは、自身が持っているパリティ情報を全て送る必要がある。たとえば、左側LLE８と右側LLE１６のパリティが、量子リピータ３０とノード３２によってそれぞれ知られている場合には、量子リピータ３０は、LLE８に関するパリティ情報とマージパリティ情報の両方を、典型的にはそれら２つを結合した後に、ノード３２に送る必要がある。これがされると、ノード３２は、量子リピータ３０から受け取ったパリティ情報とLLE１６に関して既に知っているパリティ情報とを結合することによって、拡張されたエンタングルメントのパリティを決定することができる。
【００４０】
上記から、マージ操作自体は非常に速く（１０−９秒のオーダーで）行われるが、拡張されたエンタングルメント１９がノード３１、３２に有効に利用できるようになるまでには、一般的に、ノード３１、３２のうちの一番遠くにあるノードへのメッセージの伝搬時間に相当する遅延が存在することがわかる。
【００４１】
複数の量子リピータをチェーン状に結合することによって、任意の距離で隔置されたノード対間に拡張されたエンタングルメントを生成することができる。図３Ｂは、このことを、左側及び右側の端部ノード３１及び３２を含むＮ個のノードからなるノードチェーン、並びに、（Ｎ−２）個の一連の量子リピータ３０（量子リピータの各々は、「QR」で表示されており、かつ、簡単にするために、Ｌ及びＲの量子ビットを表す２つの円を含む矩形で示されている）を含むチェーンをなす（すなわち一連の）Ｎ個のノードについて示している。ノード３０〜３２は、（不図示の）光ファイバーによってチェーン状に相互接続されており、かつ、左から右へと番号が付けられている。すなわち、各ノードの番号ｎは、各ノードの下に付されており、ノード番号「ｊ」は、該チェーンに沿った任意のQRノード３０を表している。QRノードのノード番号を、ノードを識別するための添え字として使用することができる。したがって、「QRｊ」は、番号ｊの量子リピータノードを指す。このノード表記、番号付け、及び識別法は、本明細書全般を通じて使用されている。
【００４２】
図３Ｂには、３つの既存のエンタングルメント３６、３７、３８が、それぞれのノード対の量子ビット間に示されている。便宜上、一連のノードに沿ったエンタングルメントを高レベルで参照するときには、本明細書では、特定のエンタングルメントは、量子ビット（これらの量子ビットの間にエンタングルメントが存在する）を保持しているノード対を参照することによって識別され、この参照は、２つの構成要素のノード番号からなる組の形態をとる。したがって、（Ｎ−１）とＮという番号が付された近傍ノードにある量子ビット間のローカルリンクエンタングルメントLLEであるエンタングルメント３８を、ノード番号の組｛（N-１），Ｎ｝によって識別できる。（図３Ｂで中程度の厚さの線で描かれた弧によって示されている）エンタングルメント３６と３７は、それぞれ、ノード対｛１，ｊ｝と｛ｊ，（N-1）｝の量子ビット間に存在する拡張されたエンタングルメントであり、これらのエンタングルメントは、LLEを結合することによって生成されたものである。左側と右側の端部ノード３１、３２の量子ビット間のエンドツーエンド（本明細書では「E2E」と略記される）のエンタングルメント（図３Ｂの厚い線で描かれた弧３９を参照）を生成するために、先ず、エンタングルメント３６と３７をQRｊによって結合（マージ）し、次に、その結果生じた拡張されたエンタングルメントをQR（N-1）によってLLE３８と結合（マージ）することができる。代替的には、先ず、エンタングルメント３７と３８をQR（N-1）によって結合（マージ）し、次に、その結果生じた拡張されたエンタングルメントをQRｊによってエンタングルメント３６と結合（マージ）することができる。
【００４３】
エンタングルメント構築経路
エンタングルメントの「エンタングルメント構築経路」（EBP）は、拡張されていないエンタングルメントまたは拡張されたエンタングルメントの生成において使用される１つまたは複数の媒介する光場が通る全量子ビット間経路である。複数の経路セグメントがある場合（すなわち、経路が３つ以上の量子ビットを含んでいる場合）には、図３ＢのE2Eエンタングルメントを構築する方法の検討から明らかなように、光場は、必ずしも、それらのそれぞれのセグメントを順にたどる必要はない（図３Ｂの例では、エンタングルメント構築経路は、一連の量子リピータの左側と右側の量子ビットを介する、一方の端部ノードから他方の端部ノードまでの経路である）。
【００４４】
低レベル量子物理的ハードウェアの表現
量子ビットの物理的実現の特定の形態、並びに、エンタングルメント、延長、及びマージ操作を実行する方法の細部（たとえば、非常に少ない量の光を使用するか、多くの光子からなるレーザーパルスを使用するか）は、本発明には直接関係しないので、これらについては本明細書ではこれ以上説明しないが、それらの適切な実施例は当業者には既知である。その代わり、量子操作を実施するための物理的ハードウェア（「量子物理的ハードウェア」）を、本明細書において「Ｑ−ブロック」と呼ぶ基本的なブロックに関して説明する。この量子物理的ハードウェアは、１つの量子ビット及び関連する光学的構成体の実施、並びにそれらとの相互作用を提供する。
【００４５】
図４は、それぞれ、４０、４２、４４で参照される３つのタイプのＱ−ブロックを示している。
【００４６】
Ｑ−ブロック４０は、量子ビットを具現化（または明らかに）し、及び、該量子ビットとの図１Ａの「捕捉」相互作用を実行する、すなわち、予め準備された（もしくは決められた）状態にある該量子ビットを通過するように光場の伝送を制御するために必要な物理的ハードウェアを表している。このタイプのＱ−ブロック（本明細書では、「捕捉Ｑ−ブロック」と呼び、図面では「Ｑ−ブロック（Ｃ）」と略記されている）は、量子ビット１０及び光場放射源１２、並びに適切な光学的配管（光導波路など）からなる物理的構成、量子ビットを予め決められた状態にし、及び、光場が入ることを許可されているとき以外は（たとえば、電気光学シャッターを用いて）該量子ビットに光場が当たらないようにする機能、（対象としている量子ビットの実現に適切な場合に）必要に応じて電子スピンから核スピンに（及びこの逆へと）量子ビット状態を移行させる機能、及び、「Fire（始動）」信号４１を受信したときに、捕捉Ｑ−ブロックの動作を、それの量子ビットを光場が通過するように（及び、該Ｑ−ブロックの外へ送るように）調整する制御機能を備える。
【００４７】
Ｑ−ブロック４２は、量子ビットを具現化（または明らかに）し、及び、該量子ビットとの図１Ａの「移行」相互作用を実行する、すなわち、予め準備された（もしくは決められた）状態にある該量子ビットを通過するように受け取った光場を伝送させた後該光場を測定するために必要な物理的ハードウェアを表している。このタイプのＱ−ブロック（本明細書では、「移行Ｑ−ブロック」と呼び、図面では「Ｑ−ブロック（Ｔ）」と略記されている）は、量子ビット１０及び光場検出器１３、並びに適切な光学的配管（光導波路など）からなる物理的構成、（たとえば、先駆光パルス６に応答して）量子ビットを予め準備された状態にし、及び、光場が入ることを許可されているとき以外は（シャッターなどを用いて）該量子ビットに光場が当たらないようにする機能、（対象としている量子ビットの実現に適切な場合に）必要に応じて電子スピンから核スピンに（及びこの逆へと）量子ビット状態を移行させる機能、及び、移行Ｑ−ブロックの動作を調整し、及び、測定結果４３を出力する制御機能を備える。
【００４８】
Ｑ−ブロック４４は、捕捉Ｑ−ブロック４０及び移行Ｑ−ブロック４２の両方のタイプの機能を組み込んでいる包括形態のＱ−ブロックであり、そのため、捕捉と移行の両方の相互作用を実行するのに使用することができる。便宜上、このタイプのＱ−ブロックを、本明細書では、修飾文字が何も付かない「Ｑ−ブロック」として参照し、捕捉Ｑ−ブロック４０または移行Ｑ−ブロック４２を使用することについて何らかの特定の指摘がされない限り、（実際には、関連する文脈において該Ｑ−ブロックが捕捉と移行の両方の相互作用機能を含んでいる必要はない場合であっても）通常参照されるのはこのタイプのＱ−ブロックである。当業者には、このような場合を認識すること、及び、現在の文脈中のＱ−ブロックによって要求されているのが捕捉のための相互作用（以下、捕捉相互作用という）機能か移行のための相互作用（以下、移行相互作用という）機能かを識別することに何の困難もないであろう。Ｑ−ブロックが捕捉タイプであるか移行タイプであるかに関してより具体的に指定しない１つの理由は、協働するＱ−ブロックが（一方のＱ−ブロックのタイプとは異なる）他方のタイプのものである場合には、いずれのタイプも使用できることが多いからである（それらのタイプの間の光場の伝送方向は重要ではない）。
【００４９】
タイプに関係なく、全てのＱ−ブロックは、Ｘmeas（Ｘ測定）信号４５の受信に応答してＸ測定を実行し、これによって、該Ｑ−ブロックを延長及びマージ操作において使用できるようにする機能を含む。この場合、Ｘ測定の結果はResult（結果）信号４３で提供される。Ｑ−ブロックが移行相互作用機能を有する場合には、Ｘ測定機能は、典型的には、移行相互作用機能に関連付けられている検出器２を使用する。もちろん、Ｘ測定機能はエンタングルメント操作には必要ではなく、したがって、Ｘ測定機能をそのような操作のためにのみ使用されるＱ−ブロックから省くことができる。
【００５０】
１つのノードに複数のＱ−ブロックがある場合には、Ｑ−ブロック間でいくつかのコンポーネントを共有する機会があることに留意されたい（たとえば、捕捉相互作用機能を有する複数のＱ−ブロックがある場合には、共通の光場放射源を、そのような全てのＱ−ブロックに使用することができる）。当業者には、そのようなコンポーネントの共有が可能である場合が理解されよう。
【００５１】
エンタングルメント操作は、移行相互作用機能を有するＱ−ブロック（移行Ｑ−ブロック４２または包括的Ｑ−ブロック４４）に光学的に結合された、捕捉相互作用機能を有するＱ−ブロック（捕捉Ｑ−ブロック４０または包括的Ｑ−ブロック４４）を含み、エンタングルメント操作は、捕捉相互作用機能を有するＱ−ブロックにFire信号４１を送ることによって開始され、該操作の成功／失敗は、移行相互作用機能を有するＱ−ブロックによって出力される結果信号４３で示される。
【００５２】
延長操作が実行される場合には、該延長操作の最初のエンタングルメント操作用コンポーネントもまた、捕捉相互作用機能を有するＱ−ブロック及び移行相互作用機能を有するＱ−ブロックを含む。全てのタイプのＱ−ブロックがＸ測定機能を備えているので、エンタングルメントからの中間にある量子ビットのその後の除去を、この量子ビットを実装（または実現）しているＱ−ブロックにXmeas信号を送信することによって実行することが可能である。この場合、測定結果は、このＱ−ブロックによって出力される結果信号４３で提供される。
【００５３】
マージ操作が実行される場合にも、捕捉相互作用機能を有するＱ−ブロック及び移行相互作用機能を有するＱ−ブロックが必要である。この場合も、全てのタイプのＱ−ブロックがＸ測定機能を備えているので、マージ操作に伴うエンタングルメントからの１または複数の量子ビットの除去が可能である。測定結果は、適切なＱ−ブロックによって出力される結果信号４３で提供される。
【００５４】
図５は、それぞれのＱ−ブロック４４を用いて実施された図２のLLE生成サブシステム２５を示す。それぞれのＱ−ブロック４４は、各ノード２１及び２２に設けられており、それらのＱ−ブロック４４は、ローカルリンクファイバー２３を介して光学的に結合される。各Ｑ−ブロック４４は、ノード２１のLLE制御ユニット５３及びノード２２のLLE制御ユニット５４によって形成された関連する制御ロジックを有している。図５に示されているＱ−ブロック４４は包括タイプであるので、エンタングルメントの生成に伴う光場のローカルリンクファイバー２３に沿った伝送方向は固定されていない。したがって、ノード２１のＱ−ブロック４４は捕捉Ｑ−ブロックとして、ノード２２のＱ−ブロック４４は移行Ｑ−ブロックとして、それぞれ機能することができ、あるいは、ノード２１のＱ−ブロック４４は移行Ｑ−ブロックとして、ノード２２のＱ−ブロック４４は捕捉Ｑ−ブロックとして、それぞれ機能することができる。
【００５５】
図５のLLE生成サブシステム２５において、それぞれのＱ−ブロック４４は、ローカルリンクファイバー２３に単に直接結合されている。しかしながら、多くの場合、ノードの現在の操作上の要件に依存して、光場を該ノードの１つまたは複数のＱ−ブロックへと／該Ｑ−ブロックから適切に導くために、該ノードに制御可能な光学的構成体（optical fabric:光ファブリックともいう）を設ける必要がある。たとえば、同じ外部ファイバーを共有するノードに複数のＱ−ブロックがある場合には、光学的構成体は、出ていく光場をその共通のファイバーに結合するか、または、入ってくる光場を該ファイバーから選択されたＱ−ブロックに導くことが必要になる場合がある。別の例では、光学的構成体は、（図３Ａのノード３０などの）量子リピータノードにおいて、Ｌ側のＱ−ブロック及びＲ側のＱ−ブロックを、LLEを生成するためのそれぞれの左側及び右側のローカルリンクファイバーとの光学的な接続状態から、局所的なマージ操作のための互いに光学的に接続された状態へと切り替えることが必要になる場合がある。
【００５６】
したがって、一般的には、ノードの量子物理的ハードウェア、すなわち、量子ビット、並びに、光場を介した量子ビットの相互作用を実施してサポートする物理的構成要素は、１以上のＱ−ブロックだけでなく、１または複数のＱ−ブロックが効果的に埋め込まれた光学的構成体を備える。１例として、図６に、量子リピータノードのそのような表現の１つを示す。図６では、量子物理的ハードウェア６０は、光場をＱ−ブロック４４へと／該Ｑ−ブロック４４から導くための光学的構成体６１を備えるものとして示されており、該Ｑ−ブロック４４は、光学的構成体６１内に存在するものとして示されており、ローカルリンクファイバー６２、６３は、該光学的構成体に直接結合されている。１つのＬ側Ｑ−ブロックと１つのＲ側Ｑ−ブロックが実線の外形で図示されており、設けることが可能な他のＬ側Ｑ−ブロック及びＲ側Ｑ−ブロックが破線の外形でそれぞれ図示されている。
【００５７】
本明細書で使用されている、（量子リピータに関して図６に示されている具体例などの）上記の一般化された量子物理的ハードウェア表現の任意の具体例は、含まれるＱ−ブロックの数及びタイプ並びにそれらの意図された役割に適した実施例であって、対象とする量子物理的ハードウェアの可能性のある全ての実施例を含むことが意図されている。（図６は、Ｑ−ブロックをＱ−ブロック４４、すなわち包括タイプのものとして示しているが、これは、単に、全ての可能性のある実施例を含むようにするためであり、量子リピータ中のＱ−ブロックが果たす役割の要件ではないことに留意されたい。特定の実施例は、Ｑ−ブロックの役割に応じた適切なＱ−ブロックの他のタイプを使用することができる。上記の一般化された量子物理的ハードウェア表現におけるＱ−ブロック４４をそのように使用することは、量子リピータ用の量子物理的ハードウェアの図６の表現には限定されない）。
【００５８】
量子物理的ハードウェアによって実行されることになる量子操作に依存して、該ハードウェアは、種々の制御信号を受信して結果信号を出力するように構成乃至配置される。量子リピータに適した図６の量子物理的ハードウェアブロック６０の場合には、該量子物理的ハードウェアは、エンタングルメント生成操作を制御するための「始動制御（firing control）」信号６４及び「ターゲット制御」信号６５を受信し、マージ操作を制御するための「マージ」信号６７を受信し、及び、それらの操作の結果を示す「結果」信号６６を出力するように構成乃至配置される。これらの信号６４〜６７を、特定のＱ−ブロックを示すようにパラメータ化することができる。後述の説明から明らかになるように、いくつかの量子リピータの実施形態では、ターゲット制御信号は必要ではない。図６の量子物理的ハードウェア６０の１実施例では、始動制御信号６４は、
・捕捉相互作用機能を有する１つ以上のＱ−ブロックをローカルリンクファイバーの１つに光学的に結合するように、光学的構成体６１を（まだそのように構成されていない場合には）適切に構成するためのセットアップ信号と、
・捕捉相互作用機能を有する１つ以上のＱ−ブロックによって光場の生成を起動するための上述した１つまたは複数の「Fire（始動）」信号
の両方を含み、ターゲット制御信号６５は、
・移行相互作用機能を有するＱ−ブロックをローカルリンクファイバーの１つに光学的に結合するように、光学的構成体６１を（まだそのように構成されていない場合には）適切に構成するためのセットアップ信号
を含む。さらに、この実施例では、マージ信号６６は、
・量子リピータのＬ側及びＲ側のＱ−ブロックを要するマージ操作を実行するように、光学的構成体６１を（まだそのように構成されていない場合には）適切に構成するためのセットアップ信号、
・最初のマージ操作プロセスを起動するための「Fire（始動）」信号、及び、
・図１Ｃのマージ操作の形態が実行される場合には、第２のマージ操作プロセスを形成するＸ測定を始動させるための１以上のXmeas信号
を含む。
【００５９】
延長操作を実行することが意図されている量子物理的ハードウェアの場合は、（延長操作のエンタングルメント生成コンポーネントを動作させるための）始動制御信号を受信するだけでなく、結果信号を出力するようにも構成乃至配列されている該量子物理的ハードウェアは、Ｘ測定を始動させるためのXmeas信号を受信するようにさらに構成乃至配列され、これによって、延長操作を遂行することができる。
【００６０】
ノードの光学的構成体はデフォルトの構成を有することができる。たとえば、図６の量子物理的ハードウェア６０が、Ｌ側Ｑ−ブロック及びＲ側Ｑ−ブロックをそれぞれ１つだけ備えている場合には、光学的構成体６１を、デフォルト時には、それらのＱ−ブロックをローカルリンクファイバーの各々に光学的に結合するLLE生成構成をなすように構成乃至配列することができる。この場合、マージ信号６６は、マージ操作を実行するのに要する時間の間、２つのＱ−ブロックをほんの一時的に互いに光学的に結合するように構成される。このような場合には、ターゲット制御信号６５を完全に省くことができ、始動制御信号６４は、適切なＱ−ブロックに送られるFire（始動）信号だけを含む。
【００６１】
量子リピータの実施形態の一般形態
図７は、以下で説明する量子リピータの実施形態の一般的な形態を示す。
【００６２】
より具体的には、量子リピータ７０は、図６に関して上述した形態の量子物理的ハードウェア６０を備え、かつ、１以上の左側及び右側のＱ−ブロック４４、それぞれの光インターフェース７６Ｌ、７６Ｒを介して左側及び右側のローカルリンクファイバー６２、６３に結合された光学的構成体６１を含む。既に述べたように、便宜上及び限定することなく、（特に明示しない限り）LLE生成に関わる光場は、ノード間のローカルリンクファイバーに沿って左から右へと移動するものとみなされ、これによって、図７のリピータ７０の（１以上の）右側Ｑ−ブロックは、（右側の近傍ノード（不図示）における（１以上の）左側Ｑ−ブロックと共に右側のLLE生成サブシステム７１Ｒを形成する）LLE生成の間（１以上の）捕捉Ｑ−ブロックとして動作し、リピータ７０の（１以上の）左側Ｑ−ブロックは、（左側の近傍ノード（不図示）における（１以上の）右側Ｑ−ブロックと共に左側のLLE生成サブシステム７１Ｒを形成する）LLE生成の間（１以上の）移行Ｑ−ブロックとして動作する。
【００６３】
右側のLLE（R-LLE）制御ユニット７３は、LLE生成に関して（１以上の）右側Ｑ−ブロックの始動を（適切な場合には）選択して、該始動を作動させる始動制御信号を生成する役目がある。左側のLLE（L-LLE）制御ユニット７２は、適切な場合には、LLE生成に参加乃至関与する（１以上の）左側Ｑ−ブロックを選択するためのターゲット制御信号を生成する役目があり、L-LLE制御ユニット７２はまた、量子物理的ハードウェア６０から、左側Ｑ−ブロックを伴うLLE生成操作の成功／失敗を示す結果信号を受信するように構成乃至配置されている。
【００６４】
したがって、（R-LLE制御ユニット７３は、右側のLLEの生成に関わる右側Ｑ−ブロックのためにFire信号を生成する役目があるので）右側のLLE生成は、リピータ７０のR-LLE制御ユニット７３の制御下で有効に開始されるが、左側のLLE生成は、左側の近傍ノードにおけるR-LLE制御ユニットの制御下で有効に開始されることが理解されよう。
【００６５】
古典的なLLE制御（「LLEC」）通信チャンネル７４によって、L-LLE制御ユニット７２と左側の近傍ノードのR-LLECユニット（すなわち、L-LLE制御ユニット７２と同じLLE生成サブシステム７１Ｌに関連するR-LLE制御ユニット）は互いに通信することができ、L-LLECユニット７２は、LLECチャンネル７４を用いて、LLE生成の成功／失敗メッセージ（図１のメッセージ１５）を左側の近傍ノードのR-LLE制御ユニットに渡す。
【００６６】
古典的なLLE制御（「LLEC」）通信チャンネル７５によって、R-LLE制御ユニット７３と右側の近傍ノードのL-LLE制御ユニット（すなわち、R-LLE制御ユニット７３と同じLLE生成サブシステム７１Ｒに関連するL-LLE制御ユニット）は互いに通信することができ、R-LLE制御ユニット７３は、右側の近傍ノードのL-LLE制御ユニットから、LLECチャンネル７５を介して、LLE生成の成功／失敗メッセージ（図１のメッセージ１５）を受け取る。
【００６７】
本明細書では、LLECチャンネル７４、７５上のメッセージを「LLEC」メッセージと呼ぶ。
【００６８】
LLE生成に関わる光場が、ノード間のローカルリンクファイバーに沿って（左から右ではなく）右から左に移動するように作動乃至構成されている場合には、左側LLE制御ユニット７２と右側LLE制御ユニット７３の役割が逆になることが理解されよう。
【００６９】
マージ制御（「MC」）ユニット７７は、マージすべき局所的なＱ−ブロック（ロカールＱ−ブロック）を適切な場合には選択して、それらのマージを起動するマージ信号を生成する役目を有する。MCユニット７７はまた、量子物理的ハードウェア６０から、マージ操作の成功／失敗及びパリティを示す結果信号を受信するように構成されている。
【００７０】
古典的なマージ制御（「MC」）通信チャンネル７８、７９によって、MCユニット７７と左側及び右側の近傍ノードの対応するユニットとが互いに通信することができ、これによって、マージ操作に関するパリティ情報、及び、必要な場合には、マージ操作に関する成功／失敗情報を渡すことが可能である。本明細書では、MCチャンネル７８、７９上のメッセージを「MC」メッセージと呼ぶ。
【００７１】
LLEC通信チャンネル７４、７５及びMC通信チャンネル７８、７９を、任意の適切な高速通信接続（無線通信など）によって提供することができるが、それらは、光ファイバーを介して光信号として伝送されるのが好ましい。より具体的には、LLEC通信チャンネル７４、７５及びMC通信チャンネル７８、７９を、それぞれの専用の光ファイバーで伝送することができ、または、同じファイバーで多重伝送することができる（多重伝送するファイバーは、近傍ノード中のＱ−ブロックを光学的に結合するローカルリンクに使用されるファイバーとすることができ、たとえば、パリティ情報だけがMC通信チャンネルで送られる場合には特に、MC通信チャンネルを、先駆信号７９の強度（もしくは輝度）変調として実施することができる）。より一般的には、LLEC及びMC通信チャンネルを結合して１つの古典的な全二重通信チャンネルにすることができる。
【００７２】
後述する実施形態では、LLEC通信チャンネル７４、７５は、ローカルリンクファイバーによって伝送され、MC通信チャンネル７８、７９は、左−右（「LR」）チャンネル及び右−左（「RL」）チャンネルに分割され、これら２つのMCチャンネルは、該ローカルリンクのために使用される光ファイバーとは異なるそれぞれの光ファイバーによって伝送される。本明細書では、LR MCチャンネル及びRL MCチャンネル上のメッセージをそれぞれ、「LR−MC」メッセージ、「RL-MC」メッセージと呼ぶ。かかるチャンネル及びファイバーの構成は単なる例示であって、他の構成を代わりに使用できることが理解されよう。
【００７３】
一連の量子リピータによって結合された端部ノードの各々は、近傍の量子リピータの対面する側（右側または左側）と相互に作用するための機能を有することに留意されたい。したがって、左側の端部ノードは、量子リピータの右側の機能に類似する機能を含み、それによって、左側の端部ノードが、近傍のリピータの左側と相互に作用することができるようにしている。また、右側の端部ノードは、量子リピータの左側の機能に類似する機能を含み、これによって、右側の端部ノードが近傍のリピータの右側と相互に作用できるようにしている。
【００７４】
エンタングルメントパリティに関しては、後述する実施形態では、量子ビットの状態を反転することによってエンタングルメントのパリティを統一乃至標準化するのではなく、各量子リピータにおいて、LLEパリティ情報を格納して、その後、端部ノードへと累積的に伝送するためにマージパリティ情報と結合し、これによって、該端部ノードが、エンドツーエンドのエンタングルメントのパリティを決定することができるようにしている、
【００７５】
量子リピータの実施形態の以下の説明では、図７の一般的な図で使用されているのと同じ参照番号が、主な量子リピータの構成要素について使用されているが、それらの構成要素の特定の実施例は一般的に異なることが理解されよう。
【００７６】
「同期化された」量子リピータの実施形態
図１０及び図２３にそれぞれ示す第１、第２の量子リピータの実施形態はいずれも、「同期化」ベースで動作して、一連のノードの左側の端部ノードと右側の端部ノードにおける量子ビット間のエンドツーエンド（E2E）エンタングルメントを構築する。この場合、該一連のノードの中間ノードは量子リピータである。「同期化」ベースでのE2Eエンタングルメントの構築は、一連の量子リピータ中の全てのリピータを時間同期させることを含む（該時間同期は、たとえば、GPS衛星群から取得されたタイミングによって、または、リピータ間で送信される信号によって該リピータ中の位相ロックループ用クロックによって行うことができる）。リピータ間の信頼性のあるLLE生成サブシステムも必要とされる（この文脈では、「信頼性がある」とは、後続の動作期間において高確率で利用できるLLEを生成できることを意味している）。
【００７７】
量子リピータの連続する同期化された動作サイクルの各々中に、各リピータは、右側LLEを生成し（または、以前に生成された右側LLEを利用し）、これによって、LLEが全てのリピータ間で有効に利用可能になり、その後、全てのリピータはマージ操作を実行する。この場合、全てのマージが成功したならば、その結果、E2Eエンタングルメントが生成される。
【００７８】
図３と同じ表記を使用している図８は、右側及び左側の端部ノード８１、８２及び３つの量子リピータ８０（QR２、QR３、QR４）からなる一連のノードをなす５つの光学的に結合されたノードについて連続する４つの動作サイクルΦを示している。但し、明瞭化のためにノードを結合する光ファイバーは省略されている。４つの動作サイクルにはそれぞれΦｉ〜Φｉ＋３がラベル付けされている。最初の３つのサイクルΦｉ、Φｉ＋１、Φｉ＋２については、近傍ノードの対間でLLE（弓形の矢印８５）が成功裏に生成され、その後それらのLLEがマージされてE2Eエンタングルメント（弓形の太線の矢印８７）が形成される。しかしながら、４番目のサイクルΦｉ＋３については、第１のノードと第２のノードの対間、第２のノードと第３のノードの対間、第４のノードと第５のノードの対間でそれぞれLLEが成功裏に生成されているが、第３のノードと第４のノード間ではLLEの生成は失敗しており（この失敗は、×印が付いた破線の矢印８８で示されている）、これによって、動作サイクルΦｉ＋３におけるLLEのマージは、E2Eエンタングルメントの生成に失敗している。
【００７９】
上記の動作サイクルΦは、正確には、全体としてはノードチェーンの動作サイクル（以下では「E2E動作サイクル」と呼ぶ）であり、各サイクルは、１つのE2Eエンタングルメントを生成するために近傍ノードの全ての対間に確立されたLLEのマージを含む。各E2E動作サイクルはまた、各リピータの最上位の動作サイクルに時間的に対応しており、そのようなリピータのそれぞれの最上位の動作サイクルは一般的に１つのマージ操作を含んでいる。近傍ノードの各対間に１つのLLE生成サブシステムだけが存在する場合には、かかるLLE生成サブシステムの各々の動作サイクル（「LLE生成サブシステム動作サイクル」）はまた、E2E動作サイクル（及び、リピータの最上位の動作サイクル）に時間的に対応し、この場合、LLEは、E2Eエンタングルメントと同じレート（速度または割合。以下同じ）で近傍ノードの対間に生成される。
【００８０】
しかしながら、第２の量子リピータの実施形態に関連して後述するように、近傍ノードの各対間に複数のLLE生成サブシステムを提供して、ノード間におけるLLE生成のレートを高め、これによって、それに応じて高められたレートでE2Eエンタングルメントを生成して実質的にE2E動作サイクル（及び、リピータの最上位の動作サイクル）を短くすることができる。この場合、LLE生成サブシステム動作サイクルは、典型的には、E2E動作サイクル（及び、リピータの最上位の動作サイクル）よりも長い（及び、通常は、該E2E動作サイクル乃至リピータの最上位の動作サイクルの整数倍である）。このように動作するように構成された量子リピータは、LLE生成サブシステム動作サイクルによって決定されたタイミングにしたがってLLE生成を実行するが、E2E動作サイクルによって決定されたタイミングにしたがってマージ操作を実行する。本明細書では、記号Φは、常にE2E動作サイクルを意味するものとして使用される。
【００８１】
量子リピータの（最上位の動作サイクルとは対照的な）全動作サイクル、すなわち、リピータの全ての構成要素について実質的に同じ状態で開始及び終了する動作サイクルは、典型的には、LLE生成サブシステム動作サイクルに時間的に対応乃至合致しており、かつ、複数のE2E動作サイクルを含む場合があるが、以下の説明では、量子リピータの動作サイクル全体を特別に参照することなく、一般的に、E2E動作サイクル及びLLE生成サブシステム動作サイクルの観点で表現されている。
【００８２】
第１及び第２の量子リピータの実施形態を詳細に説明する前に、「同期化」ベースで動作する量子リピータで使用するのに適したLLE生成サブシステムの形態、すなわち、連続する動作期間において高い成功確率でLLEを生成できる形態について検討しておく。もちろん、複数の始動のための十分に長い動作期間が確保されている場合、及び／または、好適な動作条件（たとえば、ノード間の距離が短い）下にある場合には、図５に示されているような単純なLLE生成サブシステム（または、該形態が複数並列配置されたサブシステム）であっても、高い確率でLLEを生成することができ、かつ、そのような環境において「同期化」ベースで動作する量子リピータで使用できるであろう。しかしながら、ノード間の距離が数キロメートルにも及び、かつ、動作期間が１０−６秒のオーダーである場合には、図５に示されている単純なLLE生成サブシステムが適切である可能性は低い。一方、図９を参照して以下で説明するLLE生成サブシステムははるかに高い信頼性を提供する。
【００８３】
「始動構成部」LLE生成サブシステム
図９は、ローカルリンクファイバー９５によって光学的に結合されている２つのノード９１、９２間に形成されたLLE生成サブシステム９０の「始動構成部（firing squad）」の構成を示す。
【００８４】
ノード９１は、LLE制御ユニット９１０、捕捉相互作用機能を有する（識別番号１〜ｆがそれぞれ付されている）ｆ個のＱ−ブロック９３によって形成された量子物理的ハードウェア、及び、光マージユニット９６を備える。（本明細書では「フュージリア（fusilier）」Ｑ−ブロックと呼ぶ）Ｑ−ブロック９３は全体で、「始動構成部」９７を形成する。ノード９２は、LLE制御ユニット９２０、及び、移行相互作用機能を有する１つのＱ−ブロック９４によって形成された量子物理的ハードウェアを備える。ノード９１の始動構成部９７のフュージリアＱ−ブロック９３は、光マージユニット９６及びローカルリンク光ファイバー９５を介して、ノード９２の該１つのターゲットＱ−ブロック９４に光学的に結合されている。したがって、始動構成部９７の全てのＱ−ブロック９３は、同じターゲットＱ−ブロック９４を始動させるためのものであることが理解されよう。
【００８５】
ノード９１のLLE制御ユニット９１０が、LLE生成操作を起動するためにその量子物理的ハードウェアにFire（始動）信号を出力すると、始動構成部９７のフュージリアＱ−ブロック９３が順次（連続的に）始動させ、放出された光場が、マージユニット９６を通って光場列９８としてファイバー９５を進む。フュージリアＱ−ブロックの識別番号と、光場が該光場列に現れる順番との間には既知の規則的な関係があることに留意されたい。各光場の前をそれ自体の先駆信号（または先駆光信号。以下同じ）が進むのではなく、１つの先駆信号９９が光場列９８の前を進んで、ターゲットＱ−ブロック９４に、（該先駆信号の到着後）すぐに列９８が到着することを知らせるようにするのが好ましい。この場合、先駆信号９９は、Fire信号に応答して、フュージリアＱ−ブロック９３が始動する前に、放射源９９０によって生成される。
【００８６】
光場の各々がノード９２のターゲットＱ−ブロック９４に順次（及び連続的に）到達すると、ターゲットＱ−ブロックのシャッターが短時間だけ開いて、光場がターゲットＱ−ブロックの量子ビットを通過して、該量子ビットと（潜在的に）相互作用できる（該量子ビットと相互作用できる可能性を提供する）ようにする。その後、光場を測定して、エンタングルメントが生成されたか否かを判定する。エンタングルメントが生成されていない場合には、ターゲットＱ−ブロック９４の量子ビットはリセット（再設定）されて、列９８の次の光場を通過させるのに適したタイミングでシャッターを再度開く。一方、列９８の光場の通過によってエンタングルメントが生成された場合には、ターゲットＱ−ブロックの（光場を遮るために）シャッターは閉じたままであり、列９８からの光場はもはやターゲットＱ−ブロック９４の量子ビットと相互作用できない。Ｑ−ブロックシャッターの測定結果に依存するかかる制御は、論理的には、ターゲットＱ−ブロック９４に関連付けられているLLE制御ユニット９２０の一部であるが、実際には、量子物理的ハードウェアに組み込まれた低レベル制御要素によって、該制御を最良に実行することができる。
【００８７】
列９８内の光場の間隔は、次の光場が到着する前に、光場によってターゲット量子ビットが成功裏にエンタングルされたか否かを判定し、該ターゲット量子ビットをリセットし、及び、Ｑ−ブロックのシャッターを開くのに十分な時間を確保できるものとすべきであることが理解されよう。
【００８８】
実際には、ターゲット量子ビットをエンタングルさせる役目を担う光場に後続する光場のターゲット量子ビットとの破壊的（たとえば弱め合う）相互作用を防止するために明示的なシャッターを用いる代わりに、エンタングルメントの直後に量子ビットの状態を電子スピンから核スピンに移行させて、後続の光場の通過が捕捉されたエンタングルした状態を妨害しないようにする（ターゲット量子ビットを光場との相互作用に対して安定化させる）ことによって、同じ効果を達成することが可能である。エンタングルメントの前に入ってくる外部光を排除するためにシャッターを設けることが依然として適切でありうるが、先駆信号が検出されるまでは量子ビットは予め準備された状態には設定されないので、通常はそのようなシャッターを省くことができる。
【００８９】
LLE制御ユニット９２０はまた、列中のどの光場がＱ−ブロック９４のターゲット量子ビットと成功裏にエンタングルしたかを識別し、これによって、ターゲットＱ−ブロックの量子ビットとエンタングルしたフュージリアＱ−ブロック９３（したがってその量子ビット）を識別できるようにするための機能を有する（上述したように、フュージリアＱ−ブロックの識別番号と列中に光場が現れる順番との間には既知の関係がある）。たとえば、ターゲットＱ−ブロックに入った光場を単に数えて、この数を、「成功」形式のメッセージ９３０で、LLE制御ユニット９２０によってノード９１に送り返すことができる。この場合、ノード９１のLLE制御ユニット９１０は、この数を成功したフュージリアＱ−ブロック９３の識別番号に変換するのに必要な任意の変換処理を実行し、その後、後で参照するために、該識別番号をレジスタ１９５に格納する（この代わりに、フュージリアＱ−ブロックの識別番号をすぐに送るようにしてもよい）。もちろん、列９８の光場の全てがエンタングルメントの生成に成功しなかった場合には、「失敗」形式のメッセージ９３０が返されて、対応する指標がレジスタ１９５に格納される。
【００９０】
ターゲット量子ビットの成功したエンタングルメントについての測定結果に含まれているパリティ情報に関しては、このパリティ情報は制御ユニット９２０に送られ、該制御ユニット９２０は該パリティ情報を後で使用するために（たとえばレジスタ１９６に）記憶するか、または、該パリティ情報を、たとえばノード９１にメッセージ９３０で伝えることができる。
【００９１】
ノード９１のフュージリアＱ−ブロック９３を順次始動させて光場の列９８を生成する代わりに、全ての光場を一斉に放出し、異なる長さのファイバーを用いて各フュージリアＱ−ブロックを光マージユニット９６に接続し、これによって、異なる遅延を導入して光場列９８を生成することにより、同等の結果を達成することができる。
【００９２】
始動構成部９７中のフュージリアＱ−ブロック９３の数は、始動構成部のそれぞれの始動において、ターゲットＱ−ブロック９４を成功裏にエンタングルする確率が非常に高くなるように（たとえば９９％以上になるように）選択されるのが好ましい。より具体的には、１つのフュージリアＱ−ブロックの１つの始動でエンタングルメントを成功裏に生成する確率をｓとすると、ｆ個のフュージリアＱ−ブロックからなる始動構成部についての成功確率は、
始動構成部成功確率＝１−（１−ｓ）f
であり、したがって、ｓ＝０．２５で、フュージリアＱ−ブロックが１６個の場合の成功率は９９％であり、フュージリアＱ−ブロックが３２個の場合の成功率は９９．９９％になる。典型的には、１つの始動（すなわち１つの光場列）でターゲット量子ビットを成功裏にエンタングルする望ましい確率Psuccessから始めて、次に、次の不等式にしたがってフュージリア量子ビットの必要な数ｆを決定する。
Psuccess≦１−（１−ｓ）f
【００９３】
列９８内の隣接する光場間の時間間隔は、後の光場が到着する前に、それより（時間的に）前の光場を測定し、ターゲット量子ビットをリセットし、そのシャッターを開くのに十分な時間を確保しつつできるだけ短くするのが有利である。１例としては、光場の時間間隔は１〜１０ナノ秒である。
【００９４】
図９のLLE生成サブシステム９０の形態の場合には、ターゲットＱ−ブロック９４は１つしかないので、実際には、最後に生成されたエンタングルメントが使い果たされるかまたはタイムアウトする（または使用を停止する）ことによってサブシステム全体が解放されるまで、始動構成部９７を再起動することはできないことが理解されよう。したがって、始動構成部９７の起動間の最短時間は、ノード間のラウンドトリップタイム（すなわち、（光場列９８がノード９２に到達するのに要する時間）＋（メッセージ９３０をノード９１に返すのに要する時間）の最短時間）に、（たとえばマージ操作において）エンタングルメントを使い果たすのに要する時間を加えたものである。
【００９５】
第１の「同期化された」量子リピータの実施形態（図１０）
以下、図１０を参照して第１の「同期化された」量子リピータの実施形態を説明するが、該量子リピータは、E2Eエンタングルメントが生成されることになる左側端部ノードと右側端部ノードの間の（Ｎ＝５の場合に図８に示されているように）一連のＮ個のノードの中間ノードであるという状況で動作することが理解されよう。
【００９６】
図１０の量子リピータの一般的な形態は、図７に示す量子リピータの形態に対応しており、量子物理的ハードウェア６０、光インターフェース７６Ｌ、７６Ｒを介して接続される左側ローカルリンクファイバー６２と右側ローカルリンクファイバー６３、左側LLE制御ユニット７２及び右側LLE制御ユニット７３、並びに、マージ制御ユニット７７を備える。
【００９７】
（図６に関して一般的に説明した）量子物理的ハードウェア６０は、
左側のLLE生成サブシステム７１Ｌの一部を構成するＬ側（すなわち左側）ターゲットＱ−ブロック９４、
右側のLLE生成サブシステム７１Ｒの始動構成部９７を構成する複数のＲ側（すなわち右側）フュージリアＱ−ブロック９３、及び、
左側のローカルリンクファイバー６２と右側のローカルリンクファイバー６３に結合された光学的構成体６１
を備える。
【００９８】
左側及び右側のLLE生成サブシステム７１Ｌ、７１Ｒは、図９に示すLLE生成サブシステム９０の形態と実質的に同様である。図１１に図示しているように、左側のLLE生成サブシステム７１Ｌは、
(a)リピータ１００における、量子物理的ハードウェア６０の上記Ｌ側要素（具体的には、図１１において文字「Ｔｇ」を囲んでいるボックスによって示されているターゲットＱ−ブロック９４）、及び、パリティレジスタ１９６を有する左側のLLE（L-LLE）制御ユニット７２
(b)左側のローカルリンクファイバー６２、及び、
(c)左側の近傍ノード１１０Ｌにおける、フュージリアＱ−ブロック９３の始動構成部（図１１において、文字「ＦＳ」を囲んでいるボックスによって示されている）、並びに、関連する光学的構成体及びLLE制御ユニット
を備える。右側のLLE生成サブシステム７１Ｒは、
(a)リピータ１００における、量子物理的ハードウェア６０の上記Ｒ側要素（具体的には、図１１においてボックス「ＦＳ」で示されている始動構成部９７）、及び、フュージリアID（識別子）レジスタ１９５を有する右側のLLE（R-LLE）制御ユニット７３、
(b)右側のローカルリンクファイバー６３、及び、
(c)右側の近傍ノード１１０Ｒにおける、ターゲットＱ−ブロック（「Ｔｇ」を囲んでいるボックス）、並びに、関連する光学的構成体及びLLE制御ユニット
を備える。
【００９９】
図９のLLE生成サブシステム９０のものと相補関係にある始動構成部及びターゲット部のかかる配列により、図１２に示すように、複数の量子リピータ１００（図１２では、量子リピータj-1、j、j+1）を、近傍のリピータの全ての対の間に１つのLLE生成サブシステムが形成されるように光学的に直列に結合することができる（図１２の量子リピータjは、左側近傍のリピータj-1と共にLLE生成サブシステム７１Ｌを形成し、及び、右側近傍のリピータj+1と共にLLE生成サブシステム７１Ｒを形成する）。
【０１００】
近傍のノードの各対間にはLLE生成サブシステムが１つだけ存在するので、E2E動作サイクルΦ及び最上位のリピータ動作サイクルはいずれも、時間の点では、LLE生成サブシステム動作サイクルに対応乃至合致する。したがって、図１０の実施形態の説明の便宜上、「動作サイクル」という用語は、そのような限定（たとえば、「E2E」もしくは「LLE生成サブシステム」）が理解に役立つ場合以外は、限定なく使用される。また、記号Φは、E2E動作サイクルを具体的に指すものであると上記したが、図１０の実施形態については、記号Φは、LLE生成サブシステム動作サイクルのインジケータ（指標）でもあると理解することができる。
【０１０１】
量子リピータ１００の光学的構成体６１は、LLE生成のために左側のローカルリンクファイバー６２と右側のローカルリンクファイバー６３にそれぞれ、L側Ｑ−ブロック９４とR側Ｑ−ブロック９３を結合するだけでなく、Ｌ側ターゲットＱ−ブロック９４をＲ側フュージリアＱ−ブロック９３のうちの選択された１つに選択的に光学的に結合し、これによって、それらのＱ−ブロックの量子ビットに対して局所的なマージ操作を実施できるようにしている。
【０１０２】
LLE生成の間、量子物理的ハードウェア６０は、Ｒ側要素を制御するため（具体的には、始動構成部９７を始動させるため）に、R-LLE制御ユニット７３から始動制御信号を受信し、及び、Ｌ側ターゲットＱ−ブロック９４からL-LLE制御ユニット７２へと結果信号（成功／失敗、パリティ、フュージリア識別情報）を出力する。局所的なマージ操作の場合は、量子物理的ハードウェア６０は、マージ制御ユニット７７からマージ制御信号（これらの信号は、マージに関与するフュージリアＱ−ブロック９３を選択し、及び、マージ自体を起動するためのものである）を受信し、マージ操作の結果に関する結果信号（成功／失敗、パリティ）をユニット７７へと出力して戻す。
【０１０３】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、Ｑ−ブロック９３及び９４の特性に依存する光学的構成体６１の２つの可能性のある実施例を示している。
【０１０４】
図１３Ａの光学的構成体の実施例は、フュージリアＱ−ブロック９３及びターゲットＱ−ブロック９４が包括的Ｑ−ブロック４４（図４参照）である場合に適用できる。その場合には、左側のローカルリンクファイバー６２は、包括的ターゲットＱ−ブロック９４の光入力部に直接接続され、この包括的Ｑ−ブロックの光出力部は、中間の光ファイバー１３１に光学的に結合される。能動性の光スイッチ１３２は、該中間の光ファイバー１３１を包括的フュージリアＱ−ブロック９３の入力に接続し、受動性の光マージユニット１３３は、フュージリアＱ−ブロック９３の出力を右側のローカルリンクファイバー６３に渡す。LLE生成操作中は、ターゲットＱ−ブロック９４は移行相互作用用にセットアップされ（すなわち、設定乃至構成され）、左側のリンクファイバー６２を介して入ってくる光場は、該ターゲットＱ−ブロックへと送られ、フュージリアＱ−ブロック９３は捕捉相互作用用にセットアップされ、光マージユニット１３３はフュージリアＱ−ブロック９３を右側のローカルリンクファイバー６３に結合する。マージ操作の場合は、ターゲットＱ−ブロック９４は捕捉相互作用用にセットアップされ、マージに関与するフュージリアＱ−ブロックは移行相互作用用にセットアップされ（マージに関与するフュージリアＱ−ブロックは、量子物理的ハードウェア６０に送られるマージセットアップ信号において示されている）、光スイッチ１３２もまた、マージセットアップ信号によって設定されて、ターゲットＱ−ブロック９４をマージに関与するフュージリアＱ−ブロック９３に光学的に結合する。
【０１０５】
図１３Ｂの光学的構成体の実施例は、ターゲットＱ−ブロック９４が移行Ｑ−ブロック４２（図４参照）であり、フュージリアＱ−ブロック９３が捕捉Ｑ−ブロック４０である場合に適用できる。その場合には、受動性の光マージユニット１３５は、フュージリア捕捉Ｑ−ブロック９４の出力を１つのファイバーに送る。この場合、該１つのファイバーは、能動性の光スイッチ１３６によって、右側のローカルリンクファイバー６３またはループバック光ファイバー１３７へと切り替えられる。受動性の光マージユニット１３４は、移行用ターゲットＱ−ブロック９３に対面する位置にあって、それの入力側において左側のローカルリンクファイバー６２及びループバック光ファイバー１３７に結合されている。LLE生成操作の場合には、光スイッチ１３５は、捕捉用フュージリアＱ−ブロック９３によって出力された光場を右側のローカルリンクファイバー６３へと送るように設定される。マージ操作の場合には、光スイッチ１３５は、捕捉用フュージリアＱ−ブロック９３のうちの選択された１つによって出力された光場をループバックファイバー１３７に送るように設定される（関与するＱ−ブロックは、量子物理的ハードウェア６０に送られるマージセットアップ信号において示されている）。
【０１０６】
図１０の検討に戻ると、LLE生成サブシステム７１ＬのL側ターゲットＱ−ブロック９４に関連付けられている左側LLE制御ユニット７２は、左側のLLECチャンネル７４を介して、同じLLE生成サブシステムの始動構成部に関連付けられているLLE制御ユニット（この制御ユニットは左側の近傍ノードにある）と通信する。本実施形態では、左側のLLECチャンネル７４は、光インターフェース７６Ｌを介して左側のローカルリンクファイバー６２に接続されて、L-LLE（すなわち左側のLLE）制御ユニット７２から左側の近傍ノードのLLE制御ユニットへとLLE生成「成功／失敗」メッセージ（必要に応じてフュージリアIDを含む図９のメッセージ９３０）を送るために使用される。
【０１０７】
同様に、LLE生成サブシステム７１Ｒの始動構成部９７のＲ側（右側）のフュージリアＱ−ブロック９３に関連付けられている右側LLE制御ユニット７３は、右側のLLECチャンネル７５を介して、同じLLE生成サブシステムのターゲット部に関連付けられているLLE制御ユニット（この制御ユニットは右側の近傍ノードにある）と通信する。右側のLLECチャンネル７５は、光インターフェース７６Ｒを介して右側のローカルリンクファイバー６３に接続されて、右側の近傍ノードのLLE制御ユニットからR-LLE（すなわち、右側のLLE）制御ユニット７３へとLLE生成「成功／失敗」メッセージ（必要に応じてフュージリアIDを含む図９のメッセージ９３０）を送るために使用される。
【０１０８】
マージ制御はマージ制御（MC）ユニット７７によって実行され、該MCユニットには、量子物理的ハードウェアと接続して、マージ操作を開始し及び結果信号を返すだけでなく、L-LLE制御ユニット７２及びR-LLE制御ユニット７３と種々の信号をやりとりし、並びに、左側の光ファイバー７８ＬＲ及び右側の光ファイバー７９ＬＲをそれぞれ伝搬する左−右マージ制御（LR-MC）チャンネル、及び、左側の光ファイバー７８ＲＬ及び右側の光ファイバー７９ＲＬをそれぞれ伝搬する右−左マージ制御（RL-MC）チャンネルを介して送られるメッセージによって、他のノードのマージ制御（MC）ユニットと通信するように構成乃至配置されている。送信（Tx）及び受信（Rx）インターフェース１０１、１０２は、ファイバー７８、７９をMCユニット７７に結合する。
【０１０９】
さらに詳細に後述するように、LR-MCチャンネルは、それぞれがE2E動作サイクルΦの各々に関連する累積的な失敗メッセージ及びパリティメッセージ（以下、それぞれ、累積失敗メッセージ、累積パリティメッセージともいう）を伝送し、RL-MCチャンネルは、それぞれがE2E動作サイクルの各々に関連する累積失敗メッセージを伝送する。マージ制御ユニット７７は、局所的なマージ操作の実行を制御するだけでなく、それ自体のパリティ情報及び失敗情報を、LR-MCチャンネル及びRL-MCチャンネル上の適切な累積（的な）メッセージに提供する機能を有する。
【０１１０】
図１０の形態の地理的に離れた一連の量子リピータの同期動作を可能にするために、量子リピータ１００は、他の同様乃至類似のリピータにおいて提供される類似のクロックと同期させることができるクロック１０３を含む。１組の量子リピータ１００に同期クロックを提供する１つの方法は、各リピータから既知の距離にあるソース（発生源）から全てのリピータに共通のタイミング信号を送り、これによって、各リピータが、伝搬遅延を考慮して該タイミング信号を各リピータ自体で調整できるようにすることである。実際に、GPSシステムは、このタイプの非常に便利な同期システムを提供し、クロック１０３をそのようなシステムに基づくものとすることができる。GPSを使用することにおける１つの欠点は、GPSの信号は水中で利用するのは簡単ではなく、そのため、海底光ファイバーケーブル中に配置された量子リピータでは使用することができないことである。
【０１１１】
そこで、本発明では、量子リピータを含む一連のノードの一方の端部ノードから周期的に送信される同期信号に基づいてリピータのクロックを同期させるという別のアプローチを取る。近傍ノードの各対間の伝搬遅延を決定するために最初の較正が実施されていると想定する。この場合、あるノードの近傍から同期信号を受信する該ノードは、該信号が、（LLEを）開始する側の端部ノードにおける同期サイクルの開始時に該ノードの近傍ノードによって送信されたということに基づいて、次の同期サイクルの開始に対応乃至合致するタイミング（時点）を決定することができる。該ノードは、該ノードからみて（LLEを）開始する側の端部ノードから離れた側にある該ノードの近傍ノードにそのタイミングで同期信号を送るように構成されている。同期信号が一連のノード全体に伝搬するのに十分な数の同期サイクルが経過した後の全体的な結果は、全てのノードが、（LLEを）開始する側の端部ノードにおける各同期サイクルの開始タイミング（開始時刻）で同期信号を送信するということである。各ノードが同期サイクルの開始時刻を決定することができるので、それらは、ノードの内部動作のための共通のタイミングポイントとして使用される。好ましくは、同期化に対するこのアプローチは、受信した同期信号、及び、送信側の近傍ノードから受信した同期信号の伝搬遅延を考慮した位相ロックループ構成を用いて、各ノードの内部クロック１０３の動作を同期開始時刻に同期させることによって実施される。この場合、各ノードの内部動作は、クロック１０３ごとに（該クロックに同期して）出力されるタイミング信号を基準として実行され、これによって、何らかの理由で同期信号が失われた場合でも、ノードの内部動作が影響を受けないようになっている。
【０１１２】
より詳細に後述するように、本実施形態では、各動作サイクルΦは、全ての量子リピータ１００の始動構成部９７が、先駆信号９９に後続する光場列９８（図９参照）を関与しているLLE生成サブシステムのターゲットＱ−ブロック９４を含む近傍ノードに向けて送るように、該始動構成部９７を起動することから（または該起動と共に）開始する。したがって、クロック同期を達成するための同期信号として先駆信号９９を使用することは（必須ではないが）便利である。それゆえ、先駆信号９９が関与しているLLE生成サブシステムのターゲット端部で受信されると、該先駆信号を抽出してノードの内部クロック１０３に渡して、（たとえば、上記の位相ロックループ構成を用いて）該内部クロックが他のノードのクロック１０３との同期を維持するようにする。したがって、本実施形態では、同期サイクルの周期はLLE生成サブシステム動作サイクルの周期に対応乃至合致する（但し、このことが必須であるわけではない）。さらに、クロック１０３の周期は、LLE生成サブシステム動作サイクルの周期と同じとされる（但し、この場合も、このことが必須であるわけではなく、たとえば、クロックを、LLE生成サブシステム動作サイクルの周期の１／４の周期で動作させることができる）。
【０１１３】
LLE制御ユニット７２、７３（したがってまた、量子物理的ハードウェア６０）の動作、及び、マージ制御ユニット７７の動作は、クロック１０３からそれらのユニットに送られるタイミング信号を基準に（時間的に）調整される。具体的には、クロック１０３は、各動作周期の開始時にサイクル開始タイミング信号を出力するように構成されており、このサイクル開始信号によって、R-LLE制御ユニット７３によるFire 信号（始動信号）の生成が起動されて、始動構成部９７が起動され、これによって、先駆信号９９が光場列９８に先だって送られる。
【０１１４】
図１０の実施形態では、動作サイクルの周期は、必然的に、近傍ノードの対間における光速による最大ラウンドトリップタイムと少なくとも同じである。なぜなら、１動作サイクル中、各対をなすノード間で光場列を送ることによって該各対間でLLEを生成しなければならず、及び、結果として生成されたLLEに関与したフュージリアＱ−ブロックの識別情報を、該光場列を送ったノードに返さなければならないからである。実際に、動作サイクルの周期は、エンタングルメントのマージなどのいくつかの他の動作サイクル処理を実施し、及び、異なるノードにおけるクロック間のある程度の同期エラーを許容できるのに十分な量だけ、光速による最大ラウンドトリップタイムよりも長い必要がある。図１０の実施形態の動作の説明を簡単にするために、動作サイクルの周期は、ノード間の光速による最大片道伝搬時間τ（以下、片道伝搬時間をノード間「移動時間」ともいう）の４倍であることが想定されている。上述したように、図１０の実施形態についてより短い動作サイクルの周期が可能であり、たとえば、最大ノード間移動時間の２倍強にすることができる。
【０１１５】
図１４は、図１０の量子リピータの動作を説明するのに使用されるタイミングミング図である。ｉ番目の動作サイクルは、Φｉで示されており、時刻ｔｉとｔｉ＋１の間にわたっている。説明の便宜上、動作サイクルのそれぞれを、期間Pである４つの等しい部分（４つの１／４部分）に分割する（及び、この例では、動作サイクルの周期は、最大ノード間移動時間τの４倍に設定されているので、動作サイクルの１／４の時間は、最大ノード間移動時間τに合致する持続時間Ｐを有する）。
【０１１６】
個々の１／４動作サイクル部分は、中括弧内の４つの各１／４を識別する数字１、２、３、４が後続する動作サイクルの名称によって参照される。したがって、動作サイクルΦｉの２番目の１／４部分はΦｉ｛２｝として参照される。
【０１１７】
ある動作サイクルΦｉにわたる図１０の量子リピータの動作を図１５を参照して説明する。図１５は、該動作サイクルの各１／４の部分中において、リピータチェーン（複数の連結されたリピータからなる一連のリピータ）中の２つの近傍の量子リピータ１００によって、及び、該２つの量子リピータ１００の間に形成されたLLE生成サブシステムの１例であるLLE CSS１５０において起こることを示している。LLE生成サブシステムであるLLE CSS１５０は、ノードチェーン（複数の連結されたノードからなる一連のノード）における最大移動時間τ（この時間は、ここでは、クロックの１／４の周期（期間）Ｐと同じである）に相当する距離だけ隔置されたそれぞれの量子リピータ１００内の始動構成部（FS）９７及びターゲットＱ−ブロック（Tg）９４を備えている。
【０１１８】
次に、動作サイクルの各１／４の期間における動作を説明する。
第１の１／４動作サイクルΦｉ｛１｝
動作サイクルΦｉの開始時には、LLE CSS１５０の始動構成部（FS）９７が起動され、これによって、第１の１／４動作サイクルΦｉ｛１｝の途中では、第１の始動構成部によって放出された先駆信号９９は、ターゲットＱ−ブロック（Tg）９４へ向かう途中にあって、光場列９８がそれに続いている。図１５は、典型的な光場間の時間間隔及び典型的なノード間距離の場合に実際に生じる場合よりも、先駆信号及び光場列の空間的分布を誇張して示していることに留意されたい。いずれにしても、ここでは、始動構成部９７は、第１の１／４動作サイクルΦｉ｛１｝の持続時間Ｐ内で先駆信号及び光場列を完全に送り出すことが想定されている。
【０１１９】
第２の１／４動作サイクルΦｉ｛２｝
光場列は、第２の１／４動作サイクルΦｉ｛２｝の開始時にターゲットＱ−ブロック（Tg）に到着し始める。この１／４期間の途中では、光場列９８のほとんどまたは全ては、該ターゲットＱ−ブロックを保有しているノードに到着しており、（図１５の矢印の付いた破線の弧１５１で示されているように）おそらくLLEは既に生成されている。
【０１２０】
第３の１／４動作サイクルΦｉ｛３｝
第３の１／４動作サイクルΦｉ｛３｝の途中までには、光場列はターゲットＱ−ブロック（Tg）を保有するノードに到着しており、LLEは、（図９に関して説明した要因に依存して）高い確率で（図１５の矢印の付いた実線の弧１５２で示されているように）生成されている。ターゲットＱ−ブロックで測定されたパリティ情報は、該ターゲットＱ−ブロックに関連付けられているL-LLE制御ユニットのレジスタ１９６に格納されており、（LLEに成功したフュージリアのインジケータを含む）成功メッセージ９３０が、始動構成部（FS）に関連付けられているR-LLE制御ユニット７３に戻される途上にある。遅くとも第３の１／４動作サイクルの終わりまでには、この制御ユニット７３は、そのレジスタ１９５（図１０参照）に（LLEに）成功したフュージリアのID（識別子）を格納している。LLEの生成が成功しなかった場合には、失敗メッセージ９３０が返されて、対応する指標がレジスタ１９５に格納される。
【０１２１】
第４の１／４動作サイクルΦｉ｛４｝
第４の動作サイクルΦｉ｛４｝の途中段階において、LLE CSS１５０を形成する２つの近傍量子リピータ１００を含むリピータチェーンの全ての量子リピータの各々が、各々のＬ側（すなわち左側）の量子ビットと成功したＲ側（すなわち右側）のフュージリア量子ビットの間でマージ操作を実行する。図１０を参照してより具体的に説明すると、各リピータ１００において、クロック（生成部）１０３から送られたサイクルタイミング信号に依存して動作するマージ始動機能ブロック１０４は、レジスタ１９５から成功したＲ側のフュージリアＱ−ブロックの識別情報を取り出して、その識別情報（ID）を、量子物理的ハードウェア６０に送られるマージ制御信号に組み込み、これによって、該リピータのＬ側の量子ビットと識別されたＲ側のフュージリア量子ビットとの間におけるマージを準備して実行する。図１５では、LLE CSS １５０を形成する２つの量子リピータ１００によって実行されたマージは、「Ｍ」でラベル付けされた小さなブロック矢印で示されている。
【０１２２】
LLEが全て近傍ノードの対の間に成功裏に生成されて、全てのマージ操作が成功すると、その結果として、より範囲の狭いエンタングルメントが量子リピータによって実行される個々のマージ操作によってマージされる順番には関係なく、E2Eエンタングルメント１５３が生成される。
【０１２３】
いずれかのLLEが成功裏に生成されなかった場合には、レジスタ１９５の読み出し時にマージ制御ユニット７７によってそのことを検出して、該制御ユニットに、マージ操作をスキップさせて（省かせて）、失敗の指標が該マージ結果において返されたかのように処理を続行させるようにするのが好ましい。
【０１２４】
この例では、マージ操作は、左側及び右側のLLEが存在するということを見込んで第４の1／4動作サイクルΦｉ｛４｝の途中で開始されるが、既知のＬ側及びＲ側の量子ビットが、左側及び右側にそれぞれエンタングルしていることが（測定結果から）わかっているか、または、そのようにエンタングルしていることを（信頼性のあるLLE生成が実行されるのに十分な時間が経過したために）少なくとも予測できるときには、実際には、リピータは、動作サイクルのタイムスロット中の任意の時点でマージを開始することが可能である。尚、今の例では、このタイムスロットは、第４の１／４動作サイクルΦｉ｛４｝に合致する。
【０１２５】
各リピータにおいて、マージ結果の測定値がマージ制御ユニット７７に送られて格納される。より具体的には、マージパリティ情報は、FIFOパリティキュー（FIFOパリティ待ち行列）１０６に格納される前に、レジスタ１９６から取得したＬ側のLLEパリティ情報との排他的OR演算によって、該LLEパリティ情報と先ず結合される。マージの成功／失敗情報は、FIFO失敗キュー１０５に格納される（以下、この成功／失敗情報を、1例として「１」が「失敗」を表す２進値とする。したがって、この情報は「失敗」情報として単に参照される）。したがって、各動作サイクルに関連する失敗情報及びパリティ情報が追加されるので、FIFOキュー１０５及び１０６は、各動作サイクルの第４の１／４部分の中間点の経過後すぐに進められ、これによって、各動作サイクルの開始時に、最新のキューのエントリは、直前の動作サイクルに関連付けられる。
【０１２６】
上記では、１つの動作サイクル中にE2Eエンタングルメントがどのように生成されるかについて説明したが、これで話は終わりではない。なぜなら、全ての量子リピータから収集された少なくとも累積パリティ情報を、少なくとも１つの端部ノードに送る必要があるからである。本実施形態では、累積パリティ情報は、LR-MCメッセージによって右側の端部ノードに送られ、累積失敗情報は、LR-MCメッセージ及びRL-MCメッセージによって両方の端部ノードに送られ、これによって、E2Eエンタングルメントが成功裏に形成されたか否かが示される。
【０１２７】
大まかに言えば、動作サイクルΦｉ＋１の開始時に、左側の端部ノードは、前の動作サイクルΦｉで生成されたばかりのE2Eエンタングルメントについて各量子リピータからの失敗情報及びパリティ情報を累積するために、LR-MCメッセージを送信する。同様に、右側の端部ノードは、該動作サイクルΦｉで生成されたばかりのE2Eエンタングルメントについて各量子リピータからの失敗情報を累積するために、RL-MCメッセージを送信する。これらのメッセージの各々は各量子リピータを横断するので、量子リピータは、該動作サイクルΦｉについて、該メッセージ中の累積情報を、関連するキュー１０５、１０６からの自身の寄与と組み合わせる。より具体的には、図１０の実施形態の実装例では、失敗キュー１０５からの局所的な失敗情報が、それぞれのＯＲ関数（機能部）１０９、１０７を介してLR-MC及びRL-MCメッセージ中の累積失敗情報に結合され、こうして、任意の局所的な失敗により、累積失敗値が「１」すなわち「失敗」に設定される。局所的なパリティ情報は、（２つのパリティビットに対して別個独立に作用する）ＸＯＲ関数（機能部）１０８を介してLR-MCメッセージ中の累積パリティ情報に結合され、これによって、任意の不揃いのパリティは対応する累積パリティビット値に切り換えられることになる。もちろん、キュー１０５、１０６からの情報の抽出を綿密に制御することによって、抽出された情報が、該抽出された情報が結合されることになる累積情報と同じ動作サイクルに対応する（すなわち該動作サイクルにおけるものである）ことを確保することが必要である。代替的なアプローチは、各リピータが、単にパリティ情報及び失敗情報を動作サイクルのインジケータと共にメモリに記憶するようにすることであり、これは、動作サイクルのインジケータが、LR-MC及びRL-MCメッセージによって伝送される累積情報を伴うことに相当する。
【０１２８】
LR-MCメッセージは、RL-MCメッセージが動作サイクルΦｉにおいて左側の端部ノードに到達するのと同時に、同じ動作サイクルΦｉにおいて右側の端部ノードに到達し、これによって、これらの両方の端部ノードは、動作サイクルΦｉにおいて生成されたE2Eエンタングルメントの有効性（成功／失敗）を同時に知ることができる。右側の端部ノードはまた、E2Eエンタングルメントの使用に関するパリティ情報を同時に知ることになる。
【０１２９】
図１６は、LR-MC及びRL-MCメッセージが、E2Eエンタングルメントが生成されることになる左側の端部ノードと右側の端部ノードの間の（図８に示すような）５つのノードチェーンに沿って伝送されるときに、それらのメッセージ中の失敗情報及びパリティ情報を累積するためのメッセージング構成の1例に関するメッセージフロー図である。簡単にするために、ノードは全て、移動時間τに相当する同じ距離だけ隔置されているとする（図示の場合よりもノード間の間隔を短くした場合でも、動作には、メッセージが早く到達する以外の影響はない）。図１６は、ｔｉ〜ｔｉ＋５までの時間期間（すなわち、Φｉ〜Φｉ＋４までの５つの動作サイクルの時間）をカバーしている。累積される失敗情報及びパリティ情報は、それらの情報が関連する動作サイクルに固有の模様を有するボックスによって表されている。動作サイクルΦｉ−３〜Φｉ＋３についての少なくとも部分的な情報も示されている。LR-MCメッセージフローは実線で示されており、動作サイクルΦｉについての失敗情報及びパリティ情報を累積するLR-MCメッセージフローは太い実線１６０で示されている。RL-MCメッセージフローは破線で示されており、動作サイクルΦｉについての失敗情報を累積するRL-MCメッセージフローは太い破線１６１で示されている。
【０１３０】
図１６に示すメッセージング構成の例では、各中間ノード（このノードは量子リピータノードであろう）は、各動作サイクルの開始時に、１つのLR-MC累積失敗及びパリティ情報メッセージ、及び、１つのRL-MC累積失敗情報メッセージを送り出すが、この場合、該中間ノードは、それ自体の局所的な寄与と、前（もしくは直前）の動作サイクル中に受け取った（及び、受信インターフェース１０２に一時的に格納されている（図１０参照））LR-MC及びRL-MCメッセージ中の累積情報とを結合している。リピータノードによって準備されて同時に送信されるLR-MC失敗及びパリティメッセージ並びにRL-MC失敗メッセージは、それらのメッセージが（図１６のｎ＝３のノードなどの）チェーンの中間のノードによって処理される場合を除いて、一般的には、互いに同じ動作サイクルには関係しないことに留意されたい。
【０１３１】
量子リピータノードｊによってｃ番目の動作サイクルΦｃで送られるLR-MCメッセージについては、累積失敗及びパリティ情報は（ｃ−ｊ）番目の動作サイクルに関係し、関連する局所的な失敗及びパリティ情報は、適切なキュースロットをタップする（キュー中の情報を取り出せるように該スロットをあける）ことによってキュー１０５、１０６から抽出される（図１０に示しているように、この情報は、（ｃ−１）番目のサイクルにおけるマージ結果情報の入力後に抽出されることが想定されている）。
【０１３２】
Ｎ個のノードのチェーン中の量子リピータノードｊによってｃ番目の動作サイクルΦｃで送られるRL-MCメッセージについては、累積失敗情報は（ｃ−１−（Ｎ−ｊ））番目の動作サイクルに関係し、関連する局所的な失敗情報は、適切なキュースロットをタップすることによってキュー１０５から抽出される（図１０に示しているように、この場合も、この情報は、（ｃ−１）番目のサイクルにおけるマージ結果情報の入力後に抽出される）。
【０１３３】
動作サイクルΦｉにおける失敗及びパリティ情報を累積するLR-MCメッセージの流れ（図１６の太い実線１６０）についてより詳しく検討すると、動作サイクルΦｉ＋１の最初の１／４期間の開始時に、左側の端部ノード（ｎ＝１）は、それの近傍の量子リピータノード（ｎ＝２）に１つの累積失敗ビット及び２つの累積パリティビットを有するLR-MCメッセージを送る。左側の端部ノードそれ自体はマージ操作を実行しないので、左側の端部ノードとその近傍の量子リピータノードの間にLLEが生成されていない場合（この場合は、失敗ビットは値「１」を有する）以外は、累積失敗ビットは値「０」を有する。累積パリティビットはいずれも偶数パリティを示すように設定される。左側の端部ノードによって送信されたLR-MCメッセージは、（動作サイクルΦｉ＋１の２番目、３番目、及び４番目の１／４期間中のノードｎ＝２における線１６０の垂直部分によって示されているように）動作サイクルΦｉ＋１の２番目の１／４期間の開始時に、それの近傍の量子リピータノード（ｎ＝２）によって受信され、累積失敗ビット及びパリティビットは、受信インターフェース１０２に一時的に格納される。動作サイクルΦｉ＋２の最初の１／４期間の開始時に、量子リピータノード（ｎ＝２）は、動作サイクルΦｉにおけるそれの局所的な失敗及びパリティ情報をインターフェース１０２に一時的に格納されている累積失敗及びパリティ情報と結合して新たな累積失敗及びパリティ情報にし、該新たな累積失敗及びパリティ情報をLR-MCメッセージでそれの右側の近傍ノード（ｎ＝３）に送り、同様の動作を、動作サイクルΦｉ＋４において右側の端部ノードに到達するまで、ノードチェーンに沿って右側方向にノードからノードへと繰り返す。右側の端部ノードは、動作サイクルΦｉにおいて構築された左側LLEに関する自身の局所的なパリティ情報を加えることによって該プロセスを完了する。
【０１３４】
動作サイクルΦｉにおける失敗情報を累積するRL-MCメッセージの流れ（図１６の太い破線１６１）については、動作サイクルΦｉ＋１の最初の１／４期間の開始時に、右側の端部ノード（ｎ＝５）は、それの近傍の量子リピータノード（ｎ＝４）に１つの累積失敗ビットを有するRL-MCメッセージを送る。この累積失敗ビットは値「０」を有する。なぜなら、右側の端部ノード自体はマージ操作を実行せず、かつ、右側の端部ノードとそれの近傍の量子リピータノードの間におけるLLE生成の失敗は該量子リピータノードによって捕捉されるからである。右側の端部ノードによって送られたRL-MCメッセージは、（動作サイクルΦｉ＋１の２番目、３番目、及び４番目の１／４期間中のノードｎ＝４における線１６１の垂直部分によって示されているように）動作サイクルΦｉ＋１の２番目の１／４期間の開始時に、それの近傍の量子リピータノード（ｎ＝４）によって受信され、累積失敗ビットは受信インターフェース１０２に一時的に格納される。動作サイクルΦｉ＋２の最初の１／４期間の開始時には、量子リピータノード（ｎ＝４）は、動作サイクルΦｉにおけるそれの局所的な失敗情報をインターフェース１０２に一時的に格納されている累積失敗情報と結合して新たな累積失敗情報にし、該新たな累積失敗情報をRL-MCメッセージでそれの左側の近傍ノード（ｎ＝３）に送り、同様の動作を、動作サイクルΦｉ＋４において左側の端部ノードに到達するまで、ノードチェーンに沿って左側方向にノードからノードへと繰り返す。左側の端部ノードは、動作サイクルΦｉにおいて構築されている（はずの）右側LLEに関する自身の局所的な失敗情報を加えることによって該プロセスを完了する。
【０１３５】
図１７は、５つのノードからなるノードチェーン（これらのノードは全て移動時間τに相当する同じ距離だけ隔置されている）に沿って伝送されるLR-MC及びRL-MCメッセージ中の失敗情報及びパリティ情報を累積するためのメッセージング構成の第２の例に関するメッセージフローを（メッセージング構成の第１の例に関する図１６と類似のやり方で）示す図である。図１７は、ｔｉ〜ｔｉ＋３までの時間期間（すなわち、Φｉ〜Φｉ＋２までの３つの動作サイクルの時間）をカバーしている。動作サイクルΦｉにおいて失敗及びパリティ情報を累積するLR-MCメッセージフローは太い実線１７０で示されており、動作サイクルΦｉにおいて失敗情報を累積するRL-MCメッセージフローは太い破線１７１で示されている。
【０１３６】
この第２の例のメッセージング構成は、（図１６のメッセージフローの線１６０、１６１の垂直部分によって表されている）第１の例のメッセージング構成に存在するノードにおけるメッセージ保持時間の大部分を除去することによって累積失敗及びパリティ情報の伝送速度を高める。これは、各ノードが、次の動作サイクルの開始まで待つのではなく、累積失敗及びパリティ情報の受信後の次の１／４期間の開始時にそれらの累積失敗及びパリティ情報を送信するようにすることによってなされる。この効果は、ノード間の移動時間が最大移動時間τすなわち動作サイクルの１／４期間Ｐに相当乃至合致する場合には、累積失敗及びパリティ情報が実質的に連続的に前方に伝送されるというものである（実際には、動作サイクルの１／４の期間Ｐは、各ノードにおける処理、特に局所的な失敗及びパリティ情報を組み込む処理を可能にするために、τよりもわずかに大きくする必要があることが理解されよう）。
【０１３７】
量子リピータノードｊによってｃ番目の動作サイクルΦｃにおいて送信されるLR-MCメッセージについては、累積失敗及びパリティ情報は、（ｃ−１−floor[（ｊ−１）／４]）番目の動作サイクルに関連し、及び、動作サイクルの（１＋[（ｊ−１）mod４]）番目の１／４期間の開始時に送信される。関連する局所的な失敗及びパリティ情報は、適切なキュースロットをタップすることによってキュー１０５、１０６から抽出される（これは、図１０に示されているやり方とは異なるが、当業者には容易に理解されよう）。
【０１３８】
Ｎ個のノードチェーン中の量子リピータノードｊによってｃ番目の動作サイクルΦｃにおいて送信されるRL-MCメッセージについては、累積失敗情報は、（ｃ−１−floor[（Ｎ−Ｊ）／４]）番目の動作サイクルに関連し、及び、動作サイクルの（１＋[（Ｎ−ｊ）mod４]）番目の１／４期間の開始時に送信される。関連する局所的な失敗情報は、適切なキュースロットをタップすることによってキュー１０５から抽出される（これも、図１０に示されているやり方とは異なるが、当業者には容易に理解されよう）。
【０１３９】
図１７の例では、エンドツーエンドのメッセージ伝送時間は完全な１動作サイクルの時間であるが、これは、この例のチェーンにたまたま５つのノードがあるためであることに留意されたい。
【０１４０】
左側の端部ノードと右側の端部ノード（これらノードの間にE2Eエンタングルメントが生成される）については、もちろん、それらのノードは、それら自体は量子リピータではないが、それらのノードのそれぞれの近傍の量子リピータを伴うLLE生成サブシステムを生成するための機能、並びに、上記したように、LR-MC累積失敗及びパリティメッセージ及びRL-MC累積失敗メッセージを送信／受信するための機能を有する。始動構成部９７がノードチェーンに沿って左から右へと（光場列を）送り出すこの例では、左側の端部ノードはまた、マスタークロックを提供し、及び、それの始動構成部によって送出される先駆信号９９の形態で同期信号を送信する。
【０１４１】
左側及び右側の端部ノードはまた、各動作サイクルの終わりに、エンタングルされた端部ノードのLLE生成サブシステムの量子ビット（これらの量子ビットの間にE2Eがたった今形成されたばかりである）を解放するというさらなる機能を果たす。これは、各端部ノードに複数のＱ−ブロックから構成される出力バッファを設けて、それらの端部ノードに関連付けられているコンシューマアプリケーション（または消費用アプリケーション。以下同じ）によりエンタングルメントが使い果たされる（すなわち消費される）まで、新しく生成された各E2Eエンタングルメントをそれらのバッファの量子ビットへと横断的にシフトすることによってなされる。もちろん、該コンシューマアプリケーションが、各動作サイクルの終わりにE2Eエンタングルメントが利用可能になったときに、該E2Eエンタングルメントを消費するように構成され、かつ、適時にそれらのエンタングルメントが消費されない場合でもそれらのエンタングルメントの損失を許容できる場合には、かかるバッファリングを不要にすることができる。
【０１４２】
図１８及び図１９は、右側の端部ノードと左側の端部ノードのそれぞれの実施例を示す。
【０１４３】
図１８に示す右側の端部ノード１８０は、
・左側の近傍の量子リピータノード１８２と共に形成されたLLE生成サブシステム１８１のターゲットＱ−ブロック９４及び関連するLLE制御ユニット９２０、
・LLE生成サブシステム１８１の先駆信号によって同期化されたクロック（個別には図示されていない）を含む高レベルの右側端部ノード（REN）制御ユニット１８３であって、RL−MC及びLR-MCチャンネルファイバーとインターフェース（接続）して、（上述したように）各サイクルの開始時にRL-MC累積失敗メッセージを送り、LR-MC累積失敗及びパリティメッセージを受け取る制御ユニット１８３、及び、
・複数のＱ−ブロック１８６から構成される出力バッファ１８５
を備える。ここで、該複数のＱ−ブロックのうちの選択された１つに、ターゲットＱ−ブロック９４に留められている（定着している）エンタングルメントの端部をシフト（移動）させることができる（これは、関連する動作サイクルの終わりにREN制御ユニット１８３の制御下でなされる）。
【０１４４】
右側の端部ノード１８０はまた、局所的なE2Eエンタングルメントコンシューマアプリケーション１８４（破線で示されている）とインターフェース（接続）する。
【０１４５】
図１８は、バッファＱ−ブロック１８６をターゲットＱ−ブロック９４に結合するために光マージユニット１８７を用いる特定の光学的構成体の１実施例を示している。バッファＱ−ブロック１８６は捕捉相互作用機能を有し、ターゲットＱ−ブロック９４は要求された移行相互作用機能をすでに有している。E2Eエンタングルメントの右側端部をターゲットＱ−ブロック９４から特定のバッファＱ−ブロック１８６に移動させるために、該特定のバッファＱ−ブロック１８６が先ず、エンタングルメント操作によってターゲットＱ−ブロック９４とエンタングルされるが、これは、関与しているバッファＱ−ブロック１８６に関連付けられている放射源を（REN制御ユニット１８３の制御下で）選択的に作動させ、これによって、（矢印１８８で概略的に示されているように）光場が光マージユニット１８７によってターゲットＱ−ブロック９４に送られる前に、該光場が該バッファＱ−ブロックの量子ビットを通過乃至横切るようにすることによって実行される。その後、ターゲットＱ−ブロック９４は、Ｘ測定操作によってエンタングルメントから解放される。これらの操作は短い距離間で実行されるので、成功確率は高い。
【０１４６】
REN制御ユニット１８３は、現在エンタングルメントしているバッファＱ−ブロック１８６、及び、関連するE2Eエンタングルメントが生成された動作サイクルを常に把握しておく機能を有する（これによって、受信したLR-MCメッセージ中の累積パリティ情報を適切なバッファＱ−ブロック１８６に関連付けることができる）。
【０１４７】
図１９に示す左側の端部ノード１９０は、
・右側近傍の量子リピータノード１９２と共に形成されたLLE生成サブシステム１９１のフュージリアＱ−ブロック９３を有する始動構成部９７、及び、関連するLLE制御ユニット９１０、
・マスタークロック（個別には図示されていない）を含む高レベルの左側端部ノード（LEN）制御ユニット１９３であって、RL−MC及びLR-MCチャンネルファイバーとインターフェース（接続）して、（上述したように）各サイクルの開始時にLR-MC累積失敗及びパリティメッセージを送り、RL-MC累積失敗メッセージを受け取る制御ユニット１９３、及び、
・ｍ個のＱ−ブロック１９６から構成される出力バッファ１９５
を備える。ここで、該ｍ個のＱ−ブロックのうちの選択された１つに、フュージリアＱ−ブロック９３に留められている（定着している）エンタングルメントの端部をシフト（移動）させることができる（これは、関連する動作サイクルの終わりにLEN制御ユニット１９３の制御下でなされる）。
【０１４８】
左側の端部ノード１９０はまた、局所的なE2Eエンタングルメントコンシューマアプリケーション１９４（破線で示されている）とインターフェース（接続）する。
【０１４９】
図１９は、フュージリアＱ−ブロック９３のうちの選択された１つを特定のバッファＱ−ブロック１９６に結合するための特定の光学的構成体の１実施例を示している。図示の光学的構成体の実施例は、図示の光学的構成体の構成をとらない場合には、ｆ個のフュージリアＱ−ブロック９３を出力バッファ１９５のｍ個のＱ−ブロックにインターフェース（接続）するために必要になるｆ×ｍ個の光スイッチの使用を回避しているが、これは、仲介用Ｑ−ブロック１９７を提供することによって達成されている。
【０１５０】
より具体的には、図１９の実施例において、ｆ個のフュージリアＱ−ブロック９３は、光マージユニット１９９及びローカルリンクファイバー１９１０を介してリピータノードのチェーンに光学的に結合されている。フュージリアＱ−ブロック９３及びバッファＱ−ブロック１９６は全て捕捉相互作用機能を有し、中継用Ｑ−ブロック１９７は移行相互作用機能を有する。１×２の光スイッチ１９００によって、光マージユニット１９９の出力を、ローカルリンクファイバー１９１０と、光マージユニット１９８の入力を供給するループバックファイバー１９２０との間で切り替えることができる。バッファＱ−ブロックの出力も、光マージユニット１９８への入力として結合される。光マージユニット１９８の出力は中継用Ｑ−ブロック１９７に結合される。かかる構成乃至配列によって、フュージリアＱ−ブロック９３のうちの任意の選択的に始動された１つ、または、出力バッファＱ−ブロック１９６のうちの任意の選択的に始動された１つを中継用Ｑ−ブロック１９７に結合することができる。その結果、フュージリアＱ−ブロック９３の１つに留められているE2Eエンタングルメントの左側端部を中継用Ｑ−ブロック１９７へとシフト（移動）させ、そこから、出力バッファＱ−ブロック１９６のうちの選択された１つへとシフト（移動）させることができる。これらのシフトはいずれも延長操作（図１Ｂ参照）によって実行される。代替的には、選択された出力バッファＱ−ブロック１９６を中継用Ｑ−ブロック１９７と先ずエンタングルさせて、次に、該中継用Ｑ−ブロック１９７とE2Eエンタングルメントを留めているフュージリアＱ−ブロック９３との間でマージ操作を実行することができる。
【０１５１】
LEN制御ユニット１９３は、E2Eエンタングルメントのバッファ１９５への移動に関与するフュージリアＱ−ブロック及びバッファＱ−ブロックの選択を制御する機能、及び、現在エンタングルメントしているバッファＱ−ブロック１９６を常に把握しておく機能を有する。
【０１５２】
左側の端部ノード及び右側の端部ノードに対して図１８及び図１９に示されているものとは異なる光学的構成体の実施が可能であることが理解されよう。たとえば、右側の端部ノードにおける光場の伝送方向１８８を逆にして、能動性の光スイッチを用いて、ターゲットＱ−ブロック９４を選択されたバッファＱ−ブロック１８６に光学的に結合することができる（この場合には、ターゲットＱ−ブロック９４は捕捉相互作用機能を必要とし、バッファＱ−ブロック１８６は移行相互作用機能を必要とするであろう）。
【０１５３】
１以上のパリティ測定値が、E2EエンタングルメントをバッファＱ−ブロックに移動させる操作に関連付けられることがさらに理解されよう。測定されたパリティが偶数の場合には、E2Eエンタングルメントのパリティは変化しないので追加の措置（操作）は必要ではない。しかしながら、測定されたパリティが奇数の場合には、E2Eエンタングルメントを同じに維持するために、関係するバッファの量子ビットが反転される。
【０１５４】
上記の変更に加えてもしくは該変更以外にも、以下に挙げるものを含む種々の変更を図１０の量子リピータの実施形態に施すことができる。
・右から左へのLLE生成：既に述べたように、「左」及び「右」という用語は、ノードチェーンに沿った相対的な方向を示すための便宜上の標示に過ぎない。図１０の実施形態を、光場列９８がLLE生成サブシステムを右から左に通過する場合にも同様に説明することができる（この場合は、LLE生成のために、リピータのＬ側（左側）はフュージリアＱ−ブロックを有し、リピータのＲ側（右側）はターゲットＱ−ブロックである）。
・LLEパリティ情報をLLE生成サブシステムの始動構成部側に送る：LLEパリティ情報を、各LLE生成サブシステムのターゲット側にあるLLE制御ユニット９２０のレジスタ１９６に保持するのではなく、このパリティ情報をレジスタ１９５に格納するために、該パリティ情報をメッセージ９３０に入れてLLE生成サブシステムの始動構成側にあるLLE制御ユニット９１０に送ることができる。同じサイクルにおけるマージ操作の後、このパリティ情報とマージパリティ情報がXOR演算されてパリティキュー１０６に格納される。
・累積パリティを左側の端部ノードに送る：累積パリティ情報を、LR-MCメッセージに入れて右側の端部ノードに送るのではなく、RL−MCメッセージに入れて左側の端部ノードに送ることができる。
・相補関係にあるリピータタイプ：２つの相補関係にあるタイプのリピータを有する量子リピータのハイブリッド形態が可能であり、該形態では、LLE生成中の光場列９８の伝送方向は、該リピータの左側と右側とで逆である。したがって、図２０に示すように、このハイブリッド型リピータの一方のタイプ２００では、光場列９８は、該リピータタイプ２００の左側の始動構成部９７及び右側の始動構成部９７によって生成され、それぞれ、Ｌ側フュージリアＱ−ブロック及びＲ側フュージリアＱ−ブロックを通過した後、左側ローカルリンクファイバー及び右側ローカルリンクファイバーを介して左側と右側のそれぞれの近傍ノードに送信される。このハイブリッド型リピータの他方のタイプ２０５では、光場列９８は、左側と右側のそれぞれの近傍ノードから左側ローカルリンクファイバーと右側ローカルリンクファイバーをそれぞれ介して、該リピータタイプ２０５の左側と右側でそれぞれ受け取られ、Ｌ側とＲ側のターゲットＱ−ブロック９４をそれぞれ通過した後測定される。上記のハイブリッド形態の量子リピータのチェーンにおいて、LLE生成サブシステムを生成するために２つのタイプのリピータ２００、２０５を交互に配置する必要があることが理解されよう。
【０１５５】
E2Eエンタングルメントを成功裏に生成するレート（速さもしくは割合）を高めるための変更を行うこともできる。そのようないくつかの変更を下記する（E2Eエンタングルメントの生成のレートを高くするために、それらの変更を単独で使用できることも、組み合わせて使用できることも理解されよう）。
・動作サイクルを短くする：上記実施例では、動作サイクルΦの長さは、最大ノード間移動時間τの持続時間の４倍であるが、既に述べたように、動作サイクルの持続時間をτの１／２〜１／３に大幅に短くする余地がある。
・LLE生成の成功レート（成功率）を高める：この種の変形形態の１例については図２１を参照して後述する。
・ノードチェーンセグメントの並列動作：この種の変形形態の１例については図２２を参照して後述する。
・並列（もしくは同時）LLE生成：この種の変形形態の１例を、第２の「同期化された」量子リピータの実施形態に関して、及び、図２３乃至図２６を参照して後述する。
【０１５６】
LLE生成の成功率を高める（図２１）
図２１は、図９のLLE生成サブシステム９０の変形形態を示しており、２つ以上のターゲットＱ−ブロック９４が設けられている。より具体的には、図２１のLLE生成サブシステム２１０において、ノード９１における量子物理的ハードウェア（始動構成部９７及び光マージユニット９６）の基本的構成は図９のサブシステムのものと同じである。しかしながら、図２１のサブシステムのLLE制御ユニット２１１は、後述するようにいくつかの点で図９の制御ユニット９１０とは異なる。図９のサブシステムと図２１のサブシステムの主な違いはノード９２に見られる。すなわち、（図２１の）ノード９２において、量子物理的ハードウェアは、それぞれ１〜ｐのIDを有する複数（全部でｐ個）のターゲットＱ−ブロック９４、及び、ローカルリンク９５を介して受け取った光場をターゲットＱ−ブロック９４のうちの選択された１つに向けて送るための光スイッチ２１３を備えている。光スイッチ２１３は、ノード９２のLLE制御ユニット２１２によって、エンタングルメントが成功裏に生成されるまで、到来する全ての光場（全ての入力光場）を光スイッチ２１３によって同じターゲットＱ−ブロック９４に向けて送るように制御され、かつ、エンタングルメントが成功裏に生成されると、到来する光場を（エンタングルされていない）利用可能な新たなターゲットＱ−ブロック９４に送るべく切り替えられるように制御される。したがって、光スイッチは、エンタングルされているターゲット量子ビットを後続の光場から遮って（すなわち、該光場が該ターゲット量子ビットを通過しないようにして）、それらの光場と該量子ビットとの相互作用を阻止する役目を効果的に果たす。成功裏に生成されたエンタングルメントの各々は、「成功」メッセージ９３０によってノード９１に報告される。この場合、該メッセージ９３０は、（関与したフュージリアＱ−ブロック９３の識別を可能にする情報及び場合によってはパリティ情報に加えて）関与したターゲットＱ−ブロック９４のID（識別情報）を含むことができる。
【０１５７】
もちろん、制御ユニット２１２は、光スイッチ２１３が、到来する光場をエンタングルしていない量子ビットを有するターゲットＱ−ブロックだけに伝送するようにすることを確保する役目を担っているので、制御ユニット２１２は、ターゲットＱ−ブロック９４の各々の利用可能性に関する状態（利用可能性状態）を常に把握していなければならない。この利用可能性状態を、各ターゲットＱ−ブロック９４のそれぞれのエントリを格納するように構成された状態レジスタ２１６を用いて、制御ユニット２１２によって容易に追跡することができる。各レジスタのエントリは、対応するターゲットＱ−ブロックの利用可能性を記録するだけではなく、（該Ｑ−ブロックの量子ビットがフュージリアＱ−ブロックの量子ビットとエンタングルしているために）該Ｑ−ブロックが利用できない場合には、関連するパリティ情報がノード９１に返されるまで該パリティ情報を記録するためにも使用される。
【０１５８】
こうして動作ノード９２は、始動構成部９７によって送出された光場の全てがエンタングルメント生成を試みるために使用されるようにして、該光場の効率的な使用を確保する。
【０１５９】
ノード９１の制御ユニット２１１はまた状態レジスタ２１５を有し、このレジスタは、各フュージリアＱ−ブロック９３のそれぞれのエントリを格納するように構成されている。各レジスタのエントリは対応するフュージリアＱ−ブロック９３の利用可能性を記録している。フュージリアＱ−ブロックは、（メッセージ９３０で示されるように）それの量子ビットがターゲットＱ−ブロック９４の量子ビットとエンタングルしているときから関連するエンタングルメントが消費されるまでの間は「利用不能」である。もちろん、全てのフュージリアＱ−ブロック９３は、始動構成部が起動されてから、メッセージがノード９２から受信されるまでのラウンドトリップタイムの間は事実上「利用不能」である。なぜなら、どの特定のフュージリアＱ−ブロックがエンタングルメントに関与しており、または、関与しようとしているかが分からないからである。しかしながら、任意の特定のフュージリアＱ−ブロックがエンタングルに関わっているか否かは、始動構成部９７の次の始動（すなわち、次の光場の送出）の前に分かるので、そのような「利用不能」を無視することができる。レジスタ２１５の各エントリはまた、対応するＱ−ブロック９３の量子ビットがエンタングルしているために該Ｑ−ブロック９３が利用不能である場合には、パリティ情報を記憶するために使用され、この場合、かかるパリティ情報は関連するメッセージ９３０に入れられて提供される。
【０１６０】
複数のLLEが始動構成部９７の１つの起動によって生成される場合には、生成された１以上のLLEを、同じ動作サイクルで実行されるマージ操作で使用する以外にも多くの用途に使用することができる。したがって、それらの過剰なLLEの１つまたはいくつかまたは全てを（必要なときのために）キューに格納しておき（「蓄えておき」）、LLE生成サブシステム２１０がその動作サイクルにおけるLLEの生成に失敗した場合には、（キューに格納されている）該LLEを次の動作サイクルでマージされるLLEとしてすぐに利用できるようにすることができる。もちろん、このためには、関連するＱ−ブロック９３、９４をLLE生成に関与できないようにしておくことが必要であるが、これは、状態レジスタ２１５、２１６を参照することによって容易に行うことができる。また、蓄えられているLLEを共有するノードは、それらのLLEを同じ順番（たとえば、それらのLLEがメッセージ９３０で報告された順番）で使用しなければならない。そうでなければ、E2Eエンタングルメントを構築することが意図されているマージされたLLEの列に分裂が生じうる。
【０１６１】
過剰なLLEを、「純粋化（purification）」として知られるプロセスで使用することもできる。純粋化は、局所的な量子演算（もしくは量子操作）及び古典通信によって２つのエンタングルメントを１つのより忠実度の高いペア（対）に組み合わせることによってエンタングルメントの忠実度を高めるものである。
【０１６２】
量子ビットの状態が、電子スピンから核スピンに遅延なく移行させる場合でも、「蓄えられている」LLEの存続時間は限られており、そのため、蓄えられているLLEに含まれる量子ビットの残りの存続時間を追跡し続けて、存続時間を経過した量子ビットを含むLLEを破棄しなければならないことに留意されたい。
【０１６３】
ノードチェーンセグメントの並列動作（図２２）
ノードのチェーンを、各々のセグメントが左側の端部ノードと右側の端部ノードからなるそれ自体のペア（対）を有する複数のセグメントに分割することによって、拡張されたエンタングルメントの生成を（それぞれのセグメント間で）並列（すなわち同時）に実施することができる。次に、これらのE2Eエンタングルメントのセグメントをマージして最終的なE2Eエンタングルメントを生成することができる。
【０１６４】
かかるセグメント化の１つの特定の構成例を図２２に示す。この例では、間にE2Eエンタングルメントを生成することが所望されている最終的な端部ノードは、左側の端部ノード２２１と右側の端部ノード２２２である。ノードのチェーン（端部ノード２２１、２２２、及び、中間にあるリピータノード）は、第１のセグメント２２３と第２のセグメント２２４に分割される。
【０１６５】
第１のセグメント２２３の端部ノードは、左側の端部ノード２２１とセグメントスパンニングノード（すなわち、両セグメントにまたがっているノード）２２９のサブノード２２５であり、このサブノード２２５は、第１のセグメントの右側の端部ノードとして機能する。第２のセグメント２２４の端部ノードは、右側の端部ノード２２２とセグメントスパンニングノード２２９のサブノード２２６であり、このサブノード２２６は、第２のセグメントの左側の端部ノードとして機能する。
【０１６６】
セグメントスパンニングノード２２９はマスタークロックを有している。第１のセグメント２２３の始動構成部は、（矢印２２７で示されているように）光場列を右から左へと送出し、第２のセグメント２２４の始動構成部は、（矢印２２８で示されているように）光場列を左から右へと送出する。こうして、光場列の先駆信号によって形成される同期信号は、セグメントスパンニングノード２２９から外部へと伝送される。
【０１６７】
第１及び第２のセグメント２２３、２２４は、連携したセグメント動作サイクルで時間的に同時に（もしくは並列に）E2Eエンタングルメントのセグメントを生成する。そのうち、各動作サイクルにおいて、セグメントスパンニングノード２２９は、両方のセグメントに関して、E2Eエンタングルメントのセグメント生成の成功または失敗を示す累積失敗メッセージを受け取る。E2Eエンタングルメントの両方のセグメントが成功裏に生成されていると仮定すると、セグメントスパンニングノード２２９は、E2Eエンタングルメントのそれらのセグメントをマージして、ノード２２１とノード２２２の間に所望のE2Eエンタングルメントを生成する。したがって、セグメントスパンニングノード２２９は端部ノードの機能だけでなく、マージ機能も有する。
【０１６８】
第２の「同期化された」量子リピータの実施形態（図２３）
第２の「同期化された」量子リピータの実施形態２３０を図２３に示す。量子リピータ２３０は、E2Eエンタングルメントが生成されることになる左側の端部ノードと右側の端部ノードの間の（図８に示すような）ノードのチェーン中の中間ノードとして動作することが理解されよう。
【０１６９】
図２３の第２の量子リピータの実施形態２３０は、図１０の第１の量子リピータの実施形態１００に形態及び動作の点で類似しており、両者間で実質的に同じ構成要素については、図２３において図１０と同じ参照符号が使用されている。これらの第１の実施形態と第２の実施形態との間の主な違いは、第２の量子リピータの実施形態２３０では、E2E動作サイクル期間（もしくは周期）は１／４に短くされており（すなわち、前の１／４サイクル時間Ｐになっており）、一方、LLE生成サブシステム動作サイクル時間は４Ｐのままであるということである。これは、近傍のノードの各ペア（対）の間に（１つだけではなく）４つのLLE生成サブシステムを並列に生成し、この場合に、４つの並列のLLE生成サブシステムの動作をＰ（の時間分）だけ互いにずらすことによって達成される。この結果、近傍のノードの各ペア間に、実質的に時間期間Ｐに１つの割合（乃至速度）でLLEが生成され、これによって、E2EエンタングルメントをＰ毎に１つ生成するようにLLEのマージ操作を実行することが可能になる。
【０１７０】
図２３に示すように、より具体的には、量子リピータ２３０は、
・（たとえば、クロックサイクル周期Ｐを有する）同期化されたクロック１０３、
・時間期間Ｐ毎にマージ操作を起動するように構成されたマージ制御ユニット７７、
・４つの左側LLE生成サブシステム71L1乃至71L4のターゲットＱ−ブロックTg1乃至Tg4及び関連するL-LLE制御ユニット（これらのLLE生成サブシステムの始動構成部FSは左側の近傍ノード231Lによって提供される）、
・４つの左側LLE生成サブシステム71L1乃至71L4を交互に周期的に連携動作させ、及び、それらのLLE生成サブシステムのL-LLE制御ユニットをマージ制御ユニット７７にインターフェース（接続）するための左側のLLE CCSコーディネーター（調整器）２３６、
・４つの右側LLE生成サブシステム71R1乃至71R4の始動構成部FS1乃至FS4及び関連するR-LLE制御ユニット（これらのLLE生成サブシステムのターゲットＱ−ブロックTgは右側の近傍ノード231Rによって提供される）、及び、
・４つの右側LLE生成サブシステム71R1乃至71R4を交互に周期的に連携動作させ、及び、それらのLLE生成サブシステムのR-LLE制御ユニットをマージ制御ユニット７７にインターフェース（接続）するための右側のLLE CSSコーディネーター（調整器）２３７
を備える。
【０１７１】
４つの左側LLE生成サブシステム71L1乃至71L4は同じ左側ローカルリンクファイバー６２を共有する。左側の近傍ノード231Lにおけるそれぞれの始動構成部FSからの光場列（光列）は、光マージユニット２３２を介してファイバー６２において結合され、その後、それらの光場列は左側LLE CSSコーディネーター２３６の制御下で、光スイッチ２３３によってリピータ２３０内の適正なターゲットＱ−ブロックTg1乃至Tg4に向けて送られる。
【０１７２】
同様に、４つの右側LLE生成サブシステム71R1乃至71R4は同じ右側ローカルリングファイバー６３を共有する。リピータ２３０における始動構成部FS1乃至FS4の交互始動は右側LLE CSSコーディネーター２３７によって制御され、その結果生成される光場列は、光マージユニット２３４を介してファイバー６３において結合される。その後、これらの光場列は、光スイッチ２３５によって右側の近傍ノード２３１Ｒ中の適正なターゲットＱ−ブロックに向けて送られる。
【０１７３】
１例として図２４は、４つの右側LLE生成サブシステム71R1乃至71R4の各々について、LLE生成サブシステム動作サイクルの各１／４期間Ｐのそれぞれの途中段階で生じることを（図１５と同様に）示している。上述したように、この１／４期間Ｐの各々はE2E動作サイクルΦに対応しており、したがって、各１／４期間Ｐは、対応するE2E動作サイクルΦｉ乃至Φｉ＋３によって識別される（図２４の一番上の行を参照）。図２４において、LLE生成サブシステム71R1乃至71R4の始動構成部FS1乃至FS4は、連続するE2E動作サイクルΦｉ乃至Φｉ＋３において始動するものとして示されている。LLE生成サブシステム71R1乃至71R4の動作によってエンタングルされた量子ビットを伴うマージ操作は、Φｉ＋３、Φｉ、Φｉ＋１、及びΦｉ＋２におけるE2E動作サイクルにおいてそれぞれ生じるものとして図示されており、これらのマージ操作の各々は、各E2E動作サイクルにおいてE2Eエンタングルメントを生成する分散型マージ操作の一部である（図８を参照）。
【０１７４】
図２３のリピータ２３０において、マージ制御ユニット７７によって実行されるマージ操作に関しては、マージ制御ユニット７７は、図１０の実施形態の場合のようにLLE生成サブシステムのLLE制御ユニットではなく、LLE CSSコーディネーター２３６及び２３７とインターフェース（接続）する。右側のLLE CSSコーディネーター２３７は、マージ制御ユニット７７に、右側のLLE生成サブシステムの識別情報及び次にマージされる該サブシステムのフュージリア量子ビットを提供する機能を有し、左側のLLE CSSコーディネーター２３６は、マージ制御ユニット７７に、左側のLLE生成サブシステム（これは、関与している右側のLLE生成サブシステムと動作サイクルが調和乃至同期している左側のLLE生成サブシステムであり、マージ制御ユニットは、左側と右側のLLE生成サブシステムとが適切に調和乃至同期した関係にあることを知っているか、知ることができるということが想定されている）の１つから同じマージに関わるターゲット量子ビットに関するパリティ情報を提供する機能を有する。
【０１７５】
図２５は、図２３のリピータの実施形態について、移動時間τに相当する同じ距離だけ５つの全てのノードが隔置されている該５つのノードのチェーンに沿って伝送するLR-MC及びRL-MCメッセージ中の失敗及びパリティ情報を累積するためのメッセージング構成の一例におけるメッセージフロー図を（図１０のリピータの実施形態についての図１６及び図１７に類似のやり方で）示している。この例の場合には、時間期間（または時間周期）Ｐの値は、この移動時間τと同じ値に設定され、このため、図２３のリピータの実施形態の場合には、ノード間の移動時間は、E2E動作サイクルΦのサイクル時間と同じであることが思い出されよう。図２５は、時間期間ｔｉ〜ｔｉ＋５（すなわち、３つの動作サイクルΦｉ〜Φｉ＋４の持続時間）をカバーしている。動作サイクルΦｉについての失敗及びパリティ情報を蓄積するLR-MCメッセージフローは太い実線２５０で示されており、動作サイクルΦｉについての失敗情報を累積するRL-MCメッセージフローは太い破線２５１で示されている。
【０１７６】
理解されるように、各ノードは、累積失敗及びパリティ情報を受信すると、それらの情報を次のE2Eサイクルの開始時に送信し、これによって、該累積失敗及びパリティ情報が実質的に連続して前方へ送信されることになる（実際には、時間期間Ｐは、各ノードにおける処理、特に、局所的な失敗及びパリティ情報の組み込みを可能にするためにτよりわずかに大きいことが必要とされることが理解されよう）。これは、図１０の実施形態についてのメッセージング構成の第２の例に関して図１７に示されているメッセージフロー図に似ている。しかしながら、１つのE2E動作サイクル当たりに１つの方向には、累積失敗及びパリティメッセージは１つだけしか送られないので、現在のE2Eサイクルと、ノード位置と、該現在のE2Eサイクルの開始時に送出される累積失敗及びパリティ情報間の関係は、図１０の実施形態についてのメッセージング構成の第１の例と同様である。すなわち、
・量子リピータノードｊによってｃ番目のE2E動作サイクルΦｃにおいて送出されるLR-MCメッセージについては、累積失敗及びパリティ情報は（ｃ−ｊ）番目のE2E動作サイクルに関連する。
・Ｎ個のノードのチェーン中の量子リピータノードｊによってｃ番目のE2E動作サイクルΦｃにおいて送出されるRL-MCメッセージについては、累積失敗情報は、（ｃ−１−（Ｎ−ｊ））番目のE2E動作サイクルに関連する。
【０１７７】
図１０の量子リピータの実施形態に関連して上述した変更の多くが、図２３の量子リピータの実施形態にも同様に適用できることが理解されよう。
【０１７８】
さらに、図１０及び図２３の量子リピータの実施形態のいずれに対してもさらなる変更を行うことができる。たとえば、「蓄えられている」LLEの図２１を参照して上述した実現可能性は、現在の平均的な（しかし必ずしも連続的ではない）LLE生成のレートが、少なくともE2E動作サイクルの周波数と同程度である場合には、E2E／リピータの最上位の動作サイクルからLLE生成サブシステム動作サイクルを分離することを可能にする（したがって、２つのリピータ間に形成された図２１のLLE生成サブシステムの平均生成レートがそれの始動構成部の１始動当たり１．５LLEである場合には、LLE生成サブシステム期間（周期）を、E2Eサイクル期間（周期）より長くすることができる）。
【０１７９】
既に述べたように、LLEを高い信頼性でもって生成するためには、LLE生成サブシステムの「始動構成部」構成を使用することが必須であるわけではなく、いくつかの場合には、他のLLE生成サブシステムが適切である。１例として高い信頼性は、図５の並列をなす複数LLE生成サブシステム構成を用いることによって達成することができる。ただし、この場合は、複数のローカルリンクファイバーが必要になる。
【０１８０】
種々の理由から、上述の量子リピータの実施形態によって最上位サイクルの各々で実行される左側及び右側のエンタングルメントのマージを、関連するリピータのＬ（右）側及びＲ（左）側の量子ビットに対して上述した形態の「マージ操作」を実行することによって直接的に実施するのではなく、１以上のローカル（局在している）量子ビットの中間にある量子ビット（「中間量子ビット」）を介して実施するようにするのが望ましい場合がある。たとえば、１つの中間量子ビットが提供されている場合には、左側及び右側のエンタングルメントを、エンタングルされているＬ側／Ｒ側の量子ビット（ただし必要に応じて）並びに該中間量子ビットを伴うそれぞれの延長操作によって該中間量子ビットまで別々に拡張することができ、その後、該中間量子ビットに対してＸ測定操作を実行することによって該中間量子ビットをエンタングルメントから解放する。リピータの左側及び右側のエンタングルメントの局所的なマージ操作がどのように実施されるかの詳細は、「同期」方式で動作する量子リピータの一般的な操作乃至動作方法にとっては重要ではないことが理解されよう。
【０１８１】
図１０及び図２３の両方の実施形態のLLE制御ユニット７２、７３及びマージ制御ユニット７７、並びに、図２３の実施形態のコーディネーター２３６、２３７の実現に関しては、説明した機能は、典型的には、プログラム制御式プロセッサまたは対応する専用ハードウェアによって提供されることが理解されよう。さらに、実際上、（特に、LLE制御ユニットの機能が最小限の場合には）LLE制御ユニット、コーディネーター（ただし、存在する場合）、及びマージ制御ユニットの機能を統合することができる。もちろん、制御機能の分割はある程度自由に行うことができる。しかしながら、LLE制御機能を複数のLLE制御ユニットに分割する価値はある。なぜなら、いくつかのリピータの実施形態では、LLE生成は、フリーランニング（自走式）であり、すなわち、マージ制御などのより高いレベルの操作のタイミングとは分離しているからである。LLE制御機能の上位にあるのは、マージ制御及び動作サイクルの同期化に関連する制御機能であり、この後者の制御機能はリピータの最上位の制御を有効に提供し、及び、該後者の制御機能は最上位の制御構成（説明した実施形態では、該構成は、マージ制御ユニット及びクロックによって形成される）によって提供されるとみなすことができる。
【０１８２】
上記では、光場は、光ファイバーを介して、ノード間、及び、リピータの量子物理的ハードウェアの構成要素間の両方を伝送されるものとして一般的に説明したが、光場を任意の適切な光チャンネルを通じて伝送することができ、この場合、該光チャンネルは、（光導波路を用いた）誘導式のものでも無誘導式のもの（直線路）でもよく、また、自由空間中を伝送させるものであっても物理媒体中を伝送させるものであってもよいことが理解されよう。したがって、たとえば、リピータの量子物理的ハードウェアの光学的構成体を、光キャビティ（または光共振器）内に配置されたダイヤモンド格子中の窒素原子によって提供される量子ビットと接続乃至相互作用するシリコンチャンネルから構成することができる。
【０１８３】
既に述べたように、当業者は、Ｑ−ブロックの具体的な実現方法を理解しているであろうし、関連する実施例の細部は以下の論文に記載されている。尚、以下の論文は参照により本明細書に組み込まれるものとする。
・「Fault-tolerant quantum repeaters withminimal physical resources, and implementations based on single photon emitters」L, Childress, J.M.Taylor, A.S.Sorensen, andM.D.Lukin; Physics Review A 72,052330(2005).
・「Fault-Tolerant Quantum CommunicationBased on Solid-State Photon Emitters」L.Childress,J.M.Taylor, A.S.Sorensen, and M.D.Lukin; Physical Review Letters 96,070504(2006).
・「Hybrid quantum repeater based ondispersive CQED interactions between matter qubits and bright coherent light」T D Ladd, P van Loock, K Nemoto, WJMunro, and YYamamoto; New Journal of Physics 8(2006)184, Published 8 September 2006.
・「Hybrid quantum Repeater Using BrightCoherent Light」P. van Loock, T.D. Ladd, K.Sanaka,F.Yamaguchi, Kae Nemoto, W.J.Munro, and Y. Yamamoto; Physical Review Letters96, 240501(2006).
・「Distributed Quantum ComputationBased-on Small Quantum Registers」Liang Jiang, Jacob M. Taylor, Anders S. Sorensen, Mikhail D.Lukin; Physics.Review. A 76, 062323(2007).
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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