(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多光子干渉を達成する装置であって、前記装置は、
少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタを有し、各ソリッドステート光子エミッタは、互いに結合された核スピン状態と電子スピン状態を有し、各ソリッドステート光子エミッタは、光子放出ピークを含む光子放出を生じさせるよう構成され、互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの光子放出ピークは、ピーク強度相互間の第１の周波数差を有し、各ソリッドステート光子エミッタの前記電子スピン状態は、分解可能であり、
前記少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタを個々にアドレス指定するよう構成された励起装置を有し、
複数個の光取り出し構造体を有し、各ソリッドステート光子エミッタは、関連の光取り出し構造体を備え、
前記少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタからの前記光子放出ピーク強度相互間の前記第１の周波数差を前記第１の周波数差よりも小さい第２の周波数差に減少させるよう構成された同調装置を有し、
同調後の前記少なくとも２つのソリッドステートエミッタからの光子放出を互いにオーバーラップさせるよう構成された光子干渉装置を有し、
同調を行って前記光子干渉装置を通過した後に前記少なくとも２つのソリッドステートエミッタからの光子放出を検出するよう構成された検出器装置を有し、前記検出器装置は、前記少なくとも２つのソリッドステートエミッタからの同調後の光子放出が量子力学的に識別不能であるほど光子検出時間に関する僅かな差を分解するよう構成され、その結果、互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの識別不能な光子放出相互間の量子干渉が生じ、
前記少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタは、ダイヤモンド材料中の光子放出欠陥によって形成され、
前記光子放出欠陥は、窒素空孔（ＮＶ）欠陥である、装置。
【請求項２】
各光子放出ピークは、その関連のソリッドステートエミッタの固有幅の１００倍以下、８０倍以下、６０倍以下、４０倍以下、２０倍以下、１０倍以下、５倍以下、又は１倍以下の帯域幅を有する、請求項１記載の装置。
【請求項３】
互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの２つの光子放出ピーク相互間の前記第１の周波数差は、前記２つの光子放出ピークの各々の固有幅の１００００倍以下、５０００倍以下、３０００倍以下、１０００倍以下、７５０倍以下、又は５００倍以下である、請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
同調後における互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの２つの光子放出ピーク相互間の前記第２の周波数差は、前記２つの光子放出ピークの各々の固有幅の１００倍以下、７５倍以下、５０倍以下、２５倍以下、１０倍以下、５倍以下、又は１倍以下である、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の装置。
【請求項５】
前記検出器は、光子検出時間に関し、１／（各ソリッドステート光子エミッタの固有幅）、１０／（各ソリッドステート光子エミッタの固有幅の２００倍）、１／（各ソリッドステート光子エミッタの固有幅の２００倍）、１／（各ソリッドステート光子エミッタの固有幅の５００倍）、１／（各ソリッドステート光子エミッタの固有幅の１０００倍）又は１／（各ソリッドステート光子エミッタの固有幅の２０００倍）よりも小さい差を分解するよう構成されている、請求項１〜４のうちいずれか一に記載の装置。
【請求項６】
前記検出器は、０．１〜２５ＧＨｚ、０．５〜２０ＧＨｚ、１〜１５ＧＨｚ、１〜１０ＧＨｚ又は１〜５ＧＨｚの周波数分解能を有する、請求項１〜５のうちいずれか一に記載の装置。
【請求項７】
各ソリッドステート光子エミッタは、その関連の光子放出ピークよりも大きな帯域幅を有する光子放出を生じさせるよう構成され、前記量子干渉装置は、各ソリッドステート光子エミッタの前記光子放出ピークと関連していない光子をフィルタリング処理により除去することによって各ソリッドステート光子エミッタからの光子放出の帯域幅を減少させるよう構成されたフィルタ処理装置を更に有する、請求項１〜６のうちいずれか一に記載の装置。
【請求項８】
前記フィルタ処理装置は、フィルタ処理後、各ソリッドステート光子エミッタからの光子放出がその関連のソリッドステートエミッタの固有幅の１００倍以下、８０倍以下、６０倍以下、４０倍以下、２０倍以下、１０倍以下、５倍以下、又は１倍以下の帯域幅を有するよう構成されている、請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記フィルタ処理装置は、ゼロ光子線放出を光子側波帯放出から分離するよう構成されたフィルタ処理要素を含む、請求項７又は８記載の装置。
【請求項１０】
前記分離された光子側波帯放出を測定するよう構成された検出器と、前記光子側波帯放出の強度の減少を検出して前記光子側波帯放出の強度を増大させる場合、前記量子処理装置のコンポーネントを再位置合わせすると共に／或いは再焦点合わせする調整装置とを更に有する、請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記量子処理装置は、共通偏光の光子を選択的にフィルタ処理するよう構成された偏光フィルタ処理装置を更に有する、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載の装置。
【請求項１２】
前記光子放出欠陥は、前記ダイヤモンド材料の結晶方位に対して優先的に配向されている、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載の装置。
【請求項１３】
前記ダイヤモンド材料は、｛１１１｝結晶方位に配向され、前記光子放出欠陥は各々、表面平面内に位置すると共に互いに直交したＥx及びＥy転位に対応したダイポールを有する、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記励起装置は、Ｅx又はＥy放出を選択的に励起するために前記励起の偏光を調節するよう構成されている、請求項１〜１３のうちいずれか一に記載の装置。
【請求項１５】
前記同調装置は、電界を前記少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタのうちの１つ又は２つ以上に印加して前記少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタ相互間の周波数差を補償し、そして前記光子放出ピークを共振させるよう構成されている、請求項１〜１４のうちいずれか一に記載の装置。
【請求項１６】
前記偏光フィルタ処理装置は、前記同調装置の前記電界の印加の結果としてダイポール方位の変化を補償するよう構成されている、請求項１１又は１５記載の装置。
【請求項１７】
平行偏光と直交偏光との間の放出濃度を変更するために切り替え装置が設けられている、請求項１〜１６のうちいずれか一に記載の装置。
【請求項１８】
５０％以上、６０％以上、６５％以上、７０％以上、又は７５％以上の時間分解多光子干渉コントラストを有する、請求項１〜１７のうちいずれか一に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子処理装置、特にソリッドステート量子処理装置に関する。本発明の或る特定の観点は又、量子処理装置に用いられるソリッドステートコンポーネント及びかかるソリッドステートコンポーネントの作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多数の光子エミッタからの多光子（マルチフォトン）量子干渉は、或る特定の量子処理用途にとって重要な要素であると考えられる。かかる干渉を達成するためには、互いに異なるエミッタからの光子が量子力学的に識別不能でなければならない。
【０００３】
トラップ内の単一の原子／イオンからの放出を含む多数のガス状態エミッタからの多光子量子干渉が知られている。これは、光子放出光をガス状態エミッタから発生させることによって達成され、光子放出光は、帯域幅、周波数及び偏光の面で同一であり、その結果互いに異なるエミッタからの光子は、量子力学的に識別不能である。これら同一の光子を次にビームスプリッタで互いにオーバーラップさせると、量子干渉を達成することができる。
【０００４】
上述の方式は、ソリッドステートエミッタにとっては問題である。これは、ソリッドステートシステム中の光学遷移のエネルギーが互いに異なるひずみ環境に起因して様々だからである。ソリッドステートエミッタの放出特性の差は、不純物及び／又は固有の結晶欠陥、例えば転位によって生じる場合がある。したがって、２つの互いに異なるソリッドステートエミッタから放出された光子は、帯域幅、周波数及び偏光の面で異なっており、従って量子力学的に識別可能である。したがって、かかる光子は、ビームスプリッタ又はこれと同等の装置上でオーバーラップされると、量子干渉を行わない。
【０００５】
上述の問題の一解決策は、光子エミッタからの光子を検出するために用いられる検出器装置の分解能を互いに異なる源からの光子が検出器にとって識別不能である程度まで低下させることである。例えば、高時間分解能を備えた検出器を用いることによって、これにより、光子を識別不能にすることができる低周波数分解能が得られる。しかしながら、ソリッドステート材料中の欠陥からの単一の光子放出光は、極めて弱い場合がある。例えば、ソリッドステート量子処理用途にとって有力な候補であるダイヤモンド材料中の光子放出窒素空孔欠陥（ＮＶ-）は、低い温度であっても０．０５オーダのデバイ‐ウォーラー因子と関連した広域スペクトル放出を示す。この場合、ゼロフォノンライン（Zero-Phonon Line：ＺＰＬ）の単一格子の放出は、極めて弱く、典型的には、毎秒数千個の光子のオーダのものである。さらに、放出損失に起因して、この放出の約１％だけが検出されるのが一般的であり、その結果低い計数率（カウントレート）が生じる。かかる計数率は、高時間分解能（即ち、低周波数分解能）検出器を用いて光子干渉に基づく妥当なデータ収集時間内での新型ＱＩＰプロトコルの実現にとっては不十分な恐れがある。
【０００６】
事実、上述の問題は、非常に問題なので、多数のソリッドステート量子レジスタからの多光子量子干渉を今日まで事実上実証できなかった。この点に関し、ソリッドステート量子レジスタは、互いに結合された核スピンと電子スピンの両方を含むということが注目されるべきである。電子スピンは、光スピン状態検出及び迅速高忠実度コヒーレント操作を行う制御量子ビット（qubit「キュービット」とも言う）として機能することができる。核スピンは、周囲環境との相互作用が弱いメモリ量子ビットとして機能することができる。互いに結合された電子スピンと核スピンは、量子レジスタを形成することができる。かかる量子レジスタの一例は、ダイヤモンド中の窒素空孔欠陥であり、この窒素空孔欠陥は、光学的にアドレス指定可能であり且つ周りのダイヤモンド格子中の窒素核及び／又は13Ｃの核スピン状態に結合された分解可能な電子スピン状態を有する。注目されるべきこととして、この種の量子レジスタは、単一スピンエミッタ、結合解除スピン状態又は量子レジスタとして機能するよう分解可能なスピン状態を含まないエミッタのみを含むシステムとは異なっている。
【０００７】
上述の説明と関連して、注目されるように、多光子干渉がより単純なソリッドステートシステム、例えば量子ドット、表面上に吸着された単一粒子及びＺｎＳｅ中のＦドーパントから観察された（これについては、例えば、アール・レットウ他（R.Lettow et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Physical Review Letters 104），２０１０年、パテル他（Patel et al.），ネイチャー・フォトニクス（Nature Photonics 2010, DOI:10.1038/Nphoton.2010.161），２０１０年、サナカ他（Sanaka et al.），ピー・アール・エル（PRL 103, 053601），２００９年及びフラッグ他（Flagg et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 104, 137401），２０１０年を参照されたい）。しかしながら、多数のスピン分解ソリッドステート量子レジスタからの多光子量子干渉は、上述の問題により今日まで実際には実証されていない。ＩＩＩ‐Ｖ族半導体中の量子ドットは、電子遷移にのみ関係し、かくして、核スピンメモリ量子ビットを必要とする量子情報処理用途には不向きである。表面上に吸着された単一粒子は、情報処理に適したスピン分解放出を示さない。さらに、表面結晶化単一分子系は、商用デバイス用途には適していない場合のある本来的に脆弱な系である。ＺｎＳｅ中のＦドーパントは、分解可能な電子スピン状態が１つ又は２つ以上の核スピンに結合されたスピン分解ソリッドステート量子レジスタを有するものとは実証されなかった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】アール・レットウ他（R.Lettow et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Physical Review Letters 104），２０１０年
【非特許文献２】パテル他（Patel et al.），ネイチャー・フォトニクス（Nature Photonics 2010, DOI:10.1038/Nphoton.2010.161），２０１０年
【非特許文献３】サナカ他（Sanaka et al.），ピー・アール・エル（PRL 103, 053601），２００９年
【非特許文献４】フラッグ他（Flagg et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 104, 137401），２０１０年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、多数のソリッドステート量子レジスタからの多光子量子干渉を特にほどほどのデータ収集時間でもたらすことができる装置を提供する要望が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
技術の背景の項目で特定した上述の問題を解決するために多くの特徴を組み合わせ状態で必要とされるものとして突き止めたが、これらの特徴は次の通りである。
（ｉ）互いに異なるソリッドステート量子レジスタからの光子放出光が帯域幅、周波数及び偏光の面でかなり近いほど極めて一様であるソリッドステート材料、
（ｉｉ）互いに異なるソリッドステート量子レジスタからの光子放出光が周波数の面でかなり近くなるまでかかる光子放出光を同調させる手段及び好ましくは帯域幅及び／又は偏光の差を減少させるフィルタ処理装置、
（ｉｉｉ）互いに異なるソリッドステート量子レジスタからの同調済みの（且つ好ましくはフィルタ処理済みの）光子放出光を検出する手段、この手段は、光子を識別することができないほど十分に貧弱な周波数分解能（即ち、十分に良好な時間分解能）を有し、
（ｉｖ）測定をほどほどのデータ収集時間で行うことができるよう光子収集の際に高い効率を可能にする装置。
【００１１】
上述したことに照らして、且つ本発明の第１の観点によれば、多光子干渉を達成する装置であって、この装置は、
少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタを有し、各ソリッドステート光子エミッタは、互いに結合された核スピン状態と電子スピン状態を有し、各ソリッドステート光子エミッタは、光子放出ピークを含む光子放出光を生じさせるよう構成され、互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの光子放出ピークは、ピーク強度相互間の第１の周波数差を有し、各ソリッドステート光子エミッタの電子スピン状態は、分解可能であり、
少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタを個々にアドレス指定するよう構成された励起装置を有し、
複数個の光取り出し構造体を有し、各ソリッドステート光子エミッタは、関連の光取り出し構造体を備え、
少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタからの光子放出ピーク強度相互間の第１の周波数差を第１の周波数差よりも小さい第２の周波数差に減少させるよう構成された同調装置を有し、
同調後の少なくとも２つのソリッドステートエミッタからの光子放出光を互いにオーバーラップさせるよう構成された光子干渉装置を有し、
同調を行って光子干渉装置を通過した後に少なくとも２つのソリッドステートエミッタからの光子放出光を検出するよう構成された検出器装置を有し、検出器装置は、少なくとも２つのソリッドステートエミッタからの同調後の光子放出光が量子力学的に識別不能であるほど光子検出時間に関する僅かな差を分解するよう構成され、その結果、互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの識別不能な光子放出光相互間の量子干渉が生じることを特徴とする装置が提供される。
【００１２】
本発明の第２の観点によれば、ソリッドステートコンポーネントであって、
少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタを有し、各ソリッドステート光子エミッタは、互いに結合された核スピン状態と電子スピン状態を有し、各ソリッドステート光子エミッタは、光子放出ピークを含む光子放出光を生じさせるよう構成され、互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの光子放出ピークは、ピーク強度相互間の第１の周波数差を有し、各ソリッドステート光子エミッタの電子スピン状態は、分解可能であり、
複数個のマイクロ波ストリップを有し、各ソリッドステート光子エミッタは、ソリッドステートエミッタの電子スピン状態を選択的に操作するための関連のマイクロ波ストリップを備え、
電界を少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタのうちの１つ又は２つ以上に印加して少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタ相互間の周波数差を補償し、そして光子放出ピークを共振させるよう構成された同調装置を有し、
複数個の光取り出し構造体を有し、各ソリッドステート光子エミッタは、関連の光取り出し構造体を備えていることを特徴とするソリッドステートコンポーネントが提供される。
【００１３】
本発明の第３の観点によれば、上述のソリッドステートコンポーネントを作製する方法であって、この方法は、
少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタを識別するステップを含み、各ソリッドステート光子エミッタは、互いに結合された核スピン状態と電子スピン状態を有し、各ソリッドステート光子エミッタは、光子放出ピークを含む光子放出光を生じさせるよう構成され、互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの光子放出ピークは、ピーク強度相互間の第１の周波数差を有し、各ソリッドステート光子エミッタの電子スピン状態は、分解可能であり、
複数個の光取り出し構造体を作製するステップを含み、各識別されたソリッドステート光子エミッタは、関連の光取り出し構造体を備え、
複数個のマイクロ波ストリップを作製するステップを含み、各ソリッドステート光子エミッタは、ソリッドステートエミッタの電子スピン状態を選択的に操作するための関連のマイクロ波ストリップを備え、
電界を少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタのうちの１つ又は２つ以上に印加して少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタ相互間の周波数差を補償し、そして光子放出ピークを共振させるよう構成された同調装置を作製するステップを含むことを特徴とする方法が提供される。
【００１４】
次に、本発明の良好な理解を得ると共に本発明をどのようにすれば実施することができるかを示すために、添付の図面を参照して本発明の実施形態について説明するが、これは例示に過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）は、決定論的に作製された固体浸漬レンズ、スピン操作のためのマイクロ波ストリップライン（ＭＷ）及び光学遷移にエネルギーのシュタルク同調のためのゲート（Ｇ１，Ｇ２）を含む合成ダイヤモンドコンポーネントの光学顕微鏡画像を示す図（及び走査型電子顕微鏡画像内挿図）、（ｂ）は、２つのＮＶ欠陥（ＮＶ  Ａ及びＮＶ  Ｂ）を示す共焦点顕微鏡画像を示す図、（ｃ）は、多光子干渉を達成する装置形態を概略的に示す図である。
【図２】２つのＮＶ欠陥（ＮＶ  Ａ及びＮＶ  Ｂ）の種々のスペクトル特性を示す図（ａ）〜（ｄ）である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、直交偏光及び平行偏光のための２光子量子干渉を示す結果を表す図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、２つの互いに異なるソリッドステート光子源を同調及び２光子量子干渉を示す結果を表す図である。
【図５】Ａは、測定による絡み合い状態を示す図であり、左側の図は、互いに相互作用せず、個々に補助量子系Ａと絡み合っている２つの量子ビットＱ1，Ｑ2を示し、右側の図は、Ａの読み出しがＱ1，Ｑ2を絡み合い状態｜Ψm〉に投影することができることを示している図、Ｂは、ダイヤモンド中のＮＶ中心を示す図であり、ＮＶ中心の14Ｎ核及びすぐ近くの13Ｃ核のスピンが量子ビットＱ1，Ｑ2としての役目を果たし、ＮＶ電子スピンが補助量子系Ａとして用いられることを示す図、Ｃは、オフ共振光学励振によって測定したｍs＝０−ｍs＝−１電子スピン遷移に関するエネルギーレベル及びスペクトルを示す図であり、小さい磁界（約５Ｇ）を印加してｍs＝±１相互間の重なりを持ち上げ、遷移を14Ｎ（結合定数２．１８４ＭＨｚ）及び13Ｃ核（１２．７９６ＭＨｚ）との超微細相互作用に起因して６つの十分に分解された共振に分割され、電子に対する含意（矢印）を可能にする図、Ｄは、13Ｃ（左側）及び14Ｎ（右側）スピン量子ビットのシングルショットラビ（Rabi）振動を示す図、Ｅは、パルス間遅延中における窒素スピンの自由誘導及び炭素スピンのフリップの測定を含む核スピン相互間の直接二極性結合の測定値を示す図であり、信号中に振動が存在しないこと（破線は、予想振幅を示している）により、核がこれらの時間スケールで直接相互作用しないことが分かる図（誤差のバーは、１標準偏差である）である。
【図６】Ａは、補助電子読み出しについて結果“０”に対して条件付けされたパリティ測定の具体化のための回路図（結果“１”については、測定が打ち切られる）、Ｂは、測定によって最初に量子ビットを｜００〉に初期化することを含む測定による絡み合いを作るための方式の回路図であり、最大重ね合わせを作った後、パリティ測定が量子ビットをベル（Bell）状態に投影している状態を示す図、Ｃは、初期化後の測定済み密度マトリックス要素の実部を示す図、Ｄは、最大重ね合わせ状態に関する図、Ｅは、ベル状態｜Φ+〉に関する図であり、全ての要素の虚部が０．０７よりも小さく、測定密度マトリックスが９０±３％の状態忠実度を生じさせる状態を示す図である。
【図７】Ａは、互いに異なる単一量子ビットベースにおける測定結果を示す図であり、線は、Ｚに沿う読み出し前における単一量子ビット回転によって達成されたブロッホの球の軸線に沿う測定結果を示す図、Ｂは、Ａに示されている互いに異なるベースにおける｜Φ+〉の測定結果を示す図であり、−Ｘと13Ｃスピンの測定基礎との角度に対する偶数の相関に関する確率を示す図であり、太線は、予想変換挙動への当て嵌めを示す図、Ｃは、パリティ測定においてトフォリ（Toffoli）ゲートを適合させることによって奇数相関サブスペースへの投影状態を示す図、Ｄは、｜Ψ+〉及び｜Ψ-〉に関する読み出し結果（２４０回の繰り返し）及び両方の量子ビット（回転なし）のＺ基礎におけるヒストグラムを示す図、Ｅは、互いに異なるベースにおけるベル状態｜Ψ±〉に関する測定結果を示す図である。
【図８】Ａは、２量子ビット状態の４つのエネルギー状態の各々を調製し、２量子ビット相関のシングルショット読み出しを実施するステップを含む用いられる読み出しの特徴図形を示す図であり、状態００，０１，１０，１１に関する読み出し忠実度がそれぞれ、９０．０±０．９％、９２．３±０．９％、９２．６±０．８％、９５．２±０．７％であることを示す図、Ｂは、４つ全てのベル状態に関し、Ｓが｜Ｓ｜の最大値が予測される１組のベースを用いて測定され、ベースが14Ｎ量子ビットを｛０，ｐｉ／２｝だけ回転させ、13Ｃ量子ビットを｛ｐｉ／４，３ｐｉ／４｝だけ回転させ、両方を約＋Ｙ回転させることに対応している図、Ｃは、｜Φ-〉（測定１回当たり３００の繰り返し）及び｜Ψ+〉（５００回の繰り返し）に関する４回のシングルショット測定のヒストグラムを示す図であり、｜Ｓ｜に関する結果としての値がそれぞれ、２．２８±０．０５、２．３３±０．０４であることを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の概要の項目で上述したように、本発明の第１の観点は、少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタを有する多光子干渉を達成する装置を提供する。各ソリッドステート光子エミッタは、互いに結合された核スピン状態と電子スピン状態を含む量子レジスタを形成する。さらに、各ソリッドステート光子エミッタは、光子放出ピークを生じさせるよう構成されている。各ソリッドステート光子エミッタを互いに異なるソリッドステート量子レジスタからの光子放出光が帯域幅、周波数及び偏光の面でほどほどに近いように極めて一様であるソリッドステート材料によって提供できる。
【００１７】
オプションとして、各光子放出ピークは、その関連のソリッドステートエミッタの固有幅の１００倍以下、８０倍以下、６０倍以下、４０倍以下、２０倍以下、１０倍以下、５倍以下、又は１倍以下の帯域幅を有する。寿命制限線幅又は固有の線幅は、基本ユニットとして用いられると共に特定の放出寿命を有する特定のソリッドステートエミッタについて計算できる。固有線幅は、その光学的に励起された状態の寿命が放射放出によってのみ制限される場合にソリッドステートエミッタが有する線幅である。理想的には、帯域幅は、低い。例えば、以下に詳細に説明するように適当な材料工学によって、各光子放出ピークの帯域幅は、１ＧＨｚ以下、０．５ＧＨｚ以下、０．３ＧＨｚ以下、０．１ＧＨｚ以下、０．０５ＧＨｚ以下、０．０１ＧＨｚ以下、１０００Ｈｚ以下、５００Ｈｚ以下、又は１００Ｈｚ以下である。本明細書において説明する装置構造を利用すると、かかる狭い放出ピークにより、光子の大部分を量子の意味で識別不能にすることができる。
【００１８】
オプションとして、互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの２つの光子放出ピーク相互間の周波数差は、２つの光子放出ピークの各々の固有幅の１００００倍以下、５０００倍以下、３０００倍以下、１０００倍以下、７５０倍以下、又は５００倍以下である。例えば、以下に詳細に説明する適当な材料工学によって、互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの２つの光子放出ピーク相互間の周波数差は、５０ＧＨｚ以下、４０ＧＨｚ以下、３０ＧＨｚ以下、２０ＧＨｚ以下、又は１０ＧＨｚ以下である。ほぼ同じ放出周波数を有するソリッドステート光子エミッタを選択することにより、放出ピークを本明細書において説明する装置構造を利用して光子の大部分を量子の意味で識別不能にするように同調させることができる。
【００１９】
オプションとして、同調装置は、同調後における互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの２つの光子放出ピーク相互間の第２の周波数差を２つの光子放出ピークの各々の固有幅の１００倍以下、７５倍以下、５０倍以下、２５倍以下、１０倍以下、５倍以下、又は１倍以下に減少させるよう構成されている。例えば、同調装置は、互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの２つの光子放出ピーク相互間の第２の周波数差を１０ＧＨｚ以下、５ＧＨｚ以下、４ＧＨｚ以下、３ＧＨｚ以下、２ＧＨｚ以下、１ＧＨｚ以下、０．７５ＧＨｚ以下、又は０．５ＧＨｚ以下に減少させるよう構成されているのが良い。光子放出ピークをこのように同調させることにより、本明細書において説明する装置構造を利用して光子の大部分を量子の意味において識別不能にすることができる。
【００２０】
オプションとして、少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタは、ダイヤモンド中の光子放出欠陥によって形成される。ダイヤモンド材料は、本発明で用いるのに適した安定性の高い単一光子放出欠陥を含むことが判明している。ただし、原理的には、本発明を達成するのに潜在的に他の材料を用いることができる。本明細書の後の部分において、適当なダイヤモンド材料及びその製造方法についての詳細な説明が与えられている。
【００２１】
本発明の実施形態によれば、適切に類似している光子放出欠陥と関連した光取り出し構造体を提供することが重要である。したがって、光取り出し構造体を形成する前に、低い光子放出ピーク帯域幅及びピーク強度相互間の小さい周波数差を有する少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタを識別するのが良い。次に、光取り出し構造体を識別したソリッドステート光子エミッタ上に心出し状態で作製してこれら光子エミッタからの光取り出しを保証するのが良い。イオンビームフライス加工を用いると、光取り出し構造体を形成することができる。
【００２２】
ソリッドステート光子エミッタのコヒーレント操作は、マイクロ波フィールドを印加することによって達成される。かかる機能を提供するため、複数個のマイクロ波ストリップを上述したダイヤモンドコンポーネント上に作製し、各ソリッドステート光子エミッタは、ソリッドステートエミッタの電子スピン状態を選択的に操作するための関連のマイクロ波ストリップを備える。加うるに、電場を印加して光子放出ピークのピーク強度相互の周波数差を減少させることによってソリッドステート光子エミッタの放出周波数を同調させることができる。同調装置は、電界を少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタのうちの１つ又は２つ以上に印加して少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタ相互間の周波数差を補償し、そして光子放出ピークを共振させるよう構成されるのが良い。かかる機能を達成するため、上述のダイヤモンドコンポーネント上に同調装置を作製するのが良い。同調装置は、複数個のＤＣゲートによって提供されるのが良く、各ソリッドステート光子エミッタは、電界を発生させるために電圧を印加することができる関連のｄｃゲートを備える。複数個のマイクロ波ストリップ及び同調装置の一方又はこれら両方は、電子ビームリソグラフィを用いて形成できる。
【００２３】
上述の方式を用いると、ソリッドステートコンポーネントであって、
少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタを有し、各ソリッドステート光子エミッタは、互いに結合された核スピン状態と電子スピン状態を有し、各ソリッドステート光子エミッタは、光子放出ピークを含む光子放出光を生じさせるよう構成され、互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの光子放出ピークは、ピーク強度相互間の第１の周波数差を有し、各ソリッドステート光子エミッタの電子スピン状態は、分解可能であり、
複数個のマイクロ波ストリップを有し、各ソリッドステート光子エミッタは、ソリッドステートエミッタの電子スピン状態を選択的に操作するための関連のマイクロ波ストリップを備え、
電界を少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタのうちの１つ又は２つ以上に印加して少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタ相互間の周波数差を補償し、そして光子放出ピークを共振させるよう構成された同調装置を有し、
複数個の光取り出し構造体を有し、各ソリッドステート光子エミッタは、関連の光取り出し構造体を備えていることを特徴とするソリッドステートコンポーネントを作製することが可能である。
【００２４】
ソリッドステート光子エミッタは、ソリッドステート材料の同一の片内に設けられても良く、ソリッドステート材料の別々の片内に設けられても良い。
【００２５】
量子処理装置に用いられる中核としてのソリッドステートコンポーネントについて上述した。本発明の或る特定の実施形態によれば、周囲装置構造体は、ソリッドステート光子エミッタを個々にアドレス指定するよう構成された励起装置と、ソリッドステート光子エミッタの各々からの光子放出光の帯域幅を減少させると共に／或いは互いに異なる偏光成分をフィルタ処理により除去するよう構成されたフィルタ処理装置と、同調及びフィルタ処理後に少なくとも２つのソリッドステートエミッタからの光子放出光をオーバーラップさせるよう構成された光子干渉装置と、同調、フィルタ処理及び光子干渉装置への通過後、少なくとも２つのソリッドステートエミッタからの光子放出光を検出するよう構成された検出器装置とを有し、検出器装置は、少なくとも２つのソリッドステートエミッタからの同調後の光子放出光が量子力学的に識別不能であるほど光子検出時間に関する僅かな差を分解するよう構成され、その結果、互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの識別不能な光子放出光相互間の量子干渉が生じる。
【００２６】
励起装置は、有利には、電子スピン状態が分解可能であるよう特定の電子スピン状態の選択的励起を可能にするほど十分良好な分解能を有する。励起装置は、ソリッドステート光子エミッタが光子を放出する際の同じ又は異なる周波数でソリッドステート光子エミッタを個々にアドレス指定するよう構成されているのが良い。異なる励起周波数を用いた場合の一利点は、励起光子をソリッドステート光子放出光から容易にフィルタ処理することができるということにある。しかしながら、励起のために放出周波数と同じ周波数を用いると、良好な操作及びスピン状態の選択の面で幾つかの利点が得られる。かかる場合、光取り出し構造体の幾何学的形状を改造すると、励起及び放出の周波数がオーバーラップした時に励起源からのソリッドステート放出のフィルタ処理を達成することができる。
【００２７】
或る特定の実施形態によれば、フィルタ処理装置は、ゼロ光子線放出を光子側波帯放出から分離するよう構成されたフィルタ処理要素を含む。かかるフィルタ処理装置は、ダイクロイックミラー、回折格子及びフィルタ処理空胴共振器のうちの１つ又は２つ以上を含む。ダイクロイックミラーが好ましい。というのは、これは、最も光子効率が良いものであると考えられるからである。さらに、ダイクロイックミラーを用いると、光子側波帯放出を分離することができ、その結果、この放出を用いて装置コンポーネントの位置合わせ及び／又は焦点合わせをモニタして制御することができる。この点に関し、注目されるべきこととして、光子側波帯放出の強度は、多光子干渉に用いられるべきゼロ光子線放出よりも極めて高い。したがって、放出強度の摂動は、光子側波帯放出において容易に検出される。かかる摂動は、励起装置がソリッドステート光子エミッタ上に最適状態に焦点合わせされない状態で動く場合に起こることがある。したがって、検出器は、分離された光子側波帯放出を測定するよう構成されるのが良く、分離された光子側波帯放出を測定するよう構成された検出器と、光子側波帯放出の強度の減少を検出して光子側波帯放出の強度及びゼロ光子線放出を増大させる場合、量子処理装置のコンポーネントを再位置合わせすると共に／或いは再焦点合わせする調整装置が設けられるのが良い。検出器及び調整装置は、検出器からのデータを受け取ると共に調整装置を制御して量子処理装置のコンポーネントの位置合わせ及び／又は焦点合わせ状態を維持するよう構成されたプロセッサを含む自動フィードバック機構体を提供するよう配置されるのが良い。これは、装置が頑丈であり且つ使用中、最適性能状態のままであるようにする上で商用装置において重要な機能であると言える。オプションとして、放出モードを平行偏光と直交偏光との間で変更するために切り替え装置も又提供されるのが良い。直交偏光モードへの切り替えは、装置の追加の診断的較正として利用されるのが良い。
【００２８】
フィルタ処理装置は、共通偏光の光子を選択的にフィルタ処理するための偏光ビームスプリッタを更に含むのが良い。上述した中央ソリッドステートエミッタコンポーネントがＥx又はＥy遷移を選択的に励起することができるよう構成されているが（図２を参照して本明細書において後の方で詳細に説明する）、励起状態相互間のフォトン支援交差緩和に起因して、両方の遷移からの光子が放出光中に含まれる。したがって、誤った偏光を有する放出光は、偏光ビームスプリッタを用いて除去できる。偏光ビームスプリッタは又、同調装置の印加電界の結果としてダイポール方位の変化を補償するよう構成されているのが良い。
【００２９】
ソリッドステート光子エミッタの適当な同調及び光子放出光のフィルタ処理後、ビームスプリッタを用いて光子干渉を達成するよう光子放出光を互いにオーバーラップさせるのが良く、適当な検出器形態を用いて検出することができる。ビームスプリッタは、ファイバビームスプリッタであっても良く又は任意他の適当な装置であっても良い。検出器は、光子検出時間に関し、１／（各ソリッドステート光子エミッタの固有幅）、１０／（各ソリッドステート光子エミッタの固有幅の２００倍）、１／（各ソリッドステート光子エミッタの固有幅の２００倍）、１／（各ソリッドステート光子エミッタの固有幅の５００倍）、１／（各ソリッドステート光子エミッタの固有幅の１０００倍）又は１／（各ソリッドステート光子エミッタの固有幅の２０００倍）よりも小さい差を分解するよう構成されるのが良い。例えば、検出器は、０．１〜２５ＧＨｚ、０．５〜２０ＧＨｚ、１〜１５ＧＨｚ、１〜１０ＧＨｚ又は１〜５ＧＨｚの周波数分解能を有する。
【００３０】
本明細書において説明する装置形態を利用すると、高い時間分解多光子干渉コントラストを達成することができる。有利には、時間分解多光子干渉コントラストは、５０％以上、６０％以上、６５％以上、７０％以上、又は７５％以上である。
【００３１】
ソリッドステート光子エミッタを含む合成ダイヤモンドソリッドステートコンポーネントに関して本発明の実施例を以下において説明する。しかしながら、本明細書の教示は、原理的には、他の形式の材料に利用できることが想定される。
【００３２】
多くの光子放出欠陥は、合成ダイヤモンド材料において研究されており、かかる光子放出欠陥としては、珪素含有欠陥、例えば珪素空孔欠陥（Ｓｉ‐Ｖ）、珪素複空格子欠陥（Ｓｉ‐Ｖ2）、珪素空孔水素欠陥（Ｓｉ‐Ｖ：Ｈ）、珪素複空格子水素欠陥（Ｓｉ‐Ｖ2：Ｈ）、ニッケル含有欠陥、クロム含有欠陥及び窒素含有欠陥、例えば窒素空孔欠陥（Ｎ‐Ｖ）、二窒素空孔欠陥（Ｎ‐Ｖ‐Ｎ）及び窒素空孔水素欠陥（Ｎ‐Ｖ‐Ｈ）が挙げられる。これら欠陥は、典型的には、中性電荷状態又は負電荷状態で見受けられる。これら欠陥のうちで、合成ダイヤモンド材料中の窒素空孔欠陥（ＮＶ）、特に負に帯電した窒素空孔欠陥（ＮＶ-）は、有用な量子スピン欠陥として多大な興味を引き付けている。というのは、かかる欠陥は、幾つかの望ましい特徴を有するからであり、かかる特徴としては、
（ｉ）コヒーレンス時間が極めて長いことによりそのスピン状態を高い中実度でコヒーレント的に操作できる（これは、横緩和時間Ｔ２を用いて定量化できると共に比較できる）。
（ｉｉ）その電子構造により、欠陥を光学的に電子基底状態に光学的にポンピングすることができ、それによりかかる欠陥を非極低温であっても特定の電子スピン状態に置くことができる。これは、小型化が望ましい或る特定の用途について高価な且つ嵩張った極低温冷却装置の必要性をなくすことができる。さらに、欠陥は、全てが同一のスピン状態を有するフォトンの源として機能することができる。
（ｉｉｉ）その電子構造は、フォトンを介して欠陥の電子スピン状態を読み取ることができる発光性及び非発光性電子スピン状態を有する。これは、検知用途、例えば磁力計、スピン共鳴分光及びイメージングに用いられる合成ダイヤモンド材料から情報を読み取る上で好都合である。さらに、これは、長距離量子通信及びスケール変更可能な量子コンピュータ計算のための量子ビット又はキュービット（qubit）としてＮＶ-欠陥を用いる方向に向かう重要な要素である。かかる結果として、ＮＶ-欠陥は、ソリッドステート量子情報処理（ＱＩＰ）に関する競合的候補になっている。
【００３３】
かくして、ダイヤモンド中の窒素空孔中心は、ソリッドステートにおける量子情報処理のための最も見込みのあるシステムのうちの１つである。安定性の高い単一光子エミッタであることとは別に、これは又、室温でも長い寿命の電子スピンを備える。高忠実度初期化及びこのスピンの読み出しは、マイクロ波フィールドを印加することによってコヒーレント操作を実現している間、光学的手段によって達成される。かかる技術を近位核スピンに適応することによって、制御可能な僅かな量子ビットの量子レジスタを実現することができる。
【００３４】
かかるシステムを数個のスピンを超えてスケール変更するためには、互いに異なるＮＶを互いに結合する（絡み合わせる）方法が必要である。２極性相互作用が局所的にＮＶ中心を結合することができるが、光子干渉を利用した光学的メカニズムは、より柔軟性があり且つ長い距離の相互作用の可能性をも提供する。識別不能な２つの光子が同時にビームスプリッタに当たると、これら光子は、互いに干渉して同じ出力ポートの状態に合体する（シー・ケー・ホン，ゼット・ワイ・オウ，エル・マンデル（C. K. Hong, Z. Y. Ou, L. Mandel），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 59, 2044），１９８７年）。エミッタのスピンと絡み合った光子を干渉させることによって、この効果を利用して２つの離れたスピンを絡み合わせることができる。絡み合いを利用したこの種の測定は、２つの遠隔の単一のイオンついて達成された（ディー・エル・モーフリング他（D. L. Moehring et al.），ネイチャー（Nature 449, 68），２００７年）。ＮＶ中心を用いてスピン光子絡み合いが実現されたが（イー・トガン他（E. Togan et al.），ネイチャー（Nature 446, 730），２０１０年）、２光子量子干渉（ＴＰＱＩ）は、これまでのところ、実現されていない状態のままである。
【００３５】
量子用途に適した材料を製造する上での大きな問題の１つは、量子ビットがデコヒーレンスするのを阻止することであり又は少なくとも、システムがデコヒーレンスするのに要する時間を長くすることである（即ち、「デコヒーレンス時間を長くする」）。長いＴ２時間は、例えば量子コンピュータ計算のような用途において望ましい。というのは、これにより、アレイ状に配置された量子ゲートの動作の時間を長くすることができ、かくして、複雑な量子コンピュータ計算を実施することができるからである。長いＴ2時間も又、検知用途における電気及び磁気環境中の変化に対する感度を向上させるのに望ましい。
【００３６】
国際公開第２０１０／０１０３４４号パンフレットは、高い化学的純度、即ち、低い窒素含有量を有する単結晶ダイヤモンド材料を用いると、量子スピン欠陥を有するソリッドステートシステムを形成することができるということを開示しており、この場合、ダイヤモンド材料の表面は、結晶欠陥の存在を最小限に抑えるために処理される。かかる材料が量子スピン欠陥のホストとして用いられる場合、室温において長いＴ２時間が得られ、装置の読み取り／書き込みを行うために用いられる光学遷移の温度及び頻度は安定している。
【００３７】
国際公開第２０１０／０１０３５２号パンフレットは、単結晶合成ＣＶＤダイヤモンド材料を調製する条件を注意深く制御することによって、極めて高い化学的純度を極めて高い同位体純度と合わせ持つ合成ダイヤモンド材料を提供することが可能であることを開示している。ＣＶＤ法で用いる材料の化学的純度と同位体純度の両方を制御することによって、量子スピン欠陥のホストとして用いるのに特に適した合成ダイヤモンド材料を得ることが可能である。かかる材料が量子スピン欠陥のホストとして用いられる場合、室温で長いＴ２時間が得られ、装置の読み取り／書き込みに用いられる光学遷移の周波数は、安定性がある。低い窒素濃度及び低い濃度の13Ｃを有する合成ダイヤモンド材料の層が開示されている。合成ダイヤモンド材料の層は、極めて低い不純物レベルを有すると共に極めて低い関連点欠陥を有する。加うるに、合成ダイヤモンド材料の層は、低い転位密度、低い歪並びにかかる合成ダイヤモンド材料の光吸収が本質的に、完全なダイヤモンド格子の光吸収である成長温度と関連した熱力学的値に十分に近い空孔及び自己格子間濃度を有する。
【００３８】
上述のことに照らして、国際公開第２０１０／０１０３４４号パンフレット及び同第２０１０／０１０３５２号パンフレットが高品質「量子等級」単結晶ダイヤモンド材料を製造する方法を開示していることは明らかである。「量子等級」ダイヤモンドという用語は、本明細書では、ダイヤモンド材料の量子スピン特性を利用する用途に用いるのに適したダイヤモンド材料について用いられている。具体的に説明すると、量子等級ダイヤモンド材料の高い純度により、当業者に知られている光学技術を用いて単一欠陥中心を隔離することが可能である。
【００３９】
国際公開第２０１０／０１０３４４号パンフレット及び同第２０１０／０１０３５２号パンフレットに記載された方法論を利用して本発明で用いられるソリッドステート光子エミッタを含むソリッドステートコンポーネントを作製することが可能である。しかしながら、ダイヤモンド材料の結晶方位に対して優先的に配向される光子放出欠陥を提供することが有利であることが判明した。例えば、一形態によれば、ダイヤモンド材料は、｛１１１｝結晶方位に配向され、光子放出欠陥は各々、表面平面内に位置すると共に互いに直交したＥx遷移とＥy遷移に対応するダイポールを有する。かかる構成は、これにより励起装置がＥx又はＥy放出を選択的に励起するために励起の偏光を調節するよう構成できるので有利である。
【００４０】
かかる｛１１１｝方位材料を国際公開第２０１０／０１０３４４号パンフレット及び同第２０１０／０１０３５２号パンフレットに記載されているようなＣＶＤ技術を用いて｛１１１｝方位基板上に差し向けた状態で作製できるが、かかる方式の一問題は、不純物取り込み及び結晶欠陥が材料をかかる結晶方位で成長させる際に増大するということにある。これにより、結果的に互いに異なるソリッドステート光子エミッタが生じるようになる材料の一様性の減少、材料内での散乱及び吸収に起因してソリッドステート光子エミッタを光学的にアドレス指定する能力の低下、材料内での散乱及び吸収に起因して放出された光子の取り出しの量の減少及び不純物との結合相互作用及び／又は結晶欠陥を介して材料中に導入されるひずみに起因したソリッドステート光子エミッタのデコヒーレンス時間の短縮が生じる場合がある。
【００４１】
上述のことに照らして、不純物含有量が極めて低く且つ結晶欠陥及びひずみが小さい望ましい｛１１１｝方位結晶ダイヤモンド材料の実現を達成する有利な一手法が｛１００｝方位基板上に合成ダイヤモンド材料を成長させ、次に、｛１１１｝方位結晶ダイヤモンドプレートを生じさせるために｛１１１｝方位に沿って成長した材料を劈開し又は切断することにあるということが判明した。これは、劈開及び研磨を介して粗い基準フェイスを得ることによって達成できる。次に、基準フェイスの方位をＸ線回折測定法により測定するのが良い。次の研磨及び測定により、真の｛１１１｝基準フェイスを得ることができる。このフェイスを用いて、材料のスラブをレーザ鋸引き又は他のかかる技術によって得ることができ、このフェイスを基準フェイスに対して研磨する。この基準フェイスの精度は、好ましくは、｛１１１｝結晶面から１０°未満、５°未満、３°未満、２°未満、１°未満、０．７５°未満、０．５°未満、０．２５°未満、０．１°未満又は０．０５°未満である。当該技術分野において知られている機械的研磨技術を用いると、表面を５μｍ×５μｍにわたり、５ｎｍ未満、１ｎｍ未満、０．５ｎｍ未満又は０．１ｎｍ未満のＲＭＳ表面粗さまで研磨することが可能である。光子放出欠陥、例えばＮＶ欠陥をこれらが｛１１１｝結晶方向に沿って位置するよう選択することができ、従って、各欠陥は、表面平面内に位置すると共に互いに直交したＥx遷移とＥy遷移に対応したダイポールを有する。かかる配向により、Ｅx又はＥy遷移の選択的励起が可能である。
【００４２】
上述の方式により、｛１１１｝方位を有すると共に不純物の濃度が低い合成単結晶ダイヤモンド材料の形成が可能である。例えば、２０ｐｐｂ以下、１０ｐｐｂ以下、５ｐｐｂ以下、１ｐｐｂ以下又は０．５ｐｐｂ以下の中性単一置換窒素、０．１５ｐｐｂ以下、０．１ｐｐｂ以下、０．０５ｐｐｂ以下、０．００１ｐｐｂ以下、０．０００１ｐｐｂ以下又は０．００００５ｐｐｂ以下のＮＶ-濃度及び０．９％以下、０．７％以下、０．４％以下、０．１％以下、０．０１％以下又は０．００１％以下の13Ｃの全濃度のうちの１つ又は２つ以上を含む少なくとも１つの高純度部分を有するダイヤモンド材料を作製することができる。さらに、ダイヤモンド材料の少なくとも一部分は、好ましくは、１００ｐｐｂ以下の硼素濃度、１００ｐｐｂ以下の珪素濃度、１ｐｐｍ以下の常磁性欠陥の濃度、５ｐｐｍ以下の任意の単一非水素不純物の濃度、窒素及びその同位体を除く１０ｐｐｍ以下の全不純物含有量及び単結晶ダイヤモンドホスト材料中の１０18ｃｍ3以下の水素不純物の濃度のうちの１つ又は２つ以上を有する。高純度材料は又、好ましくは、低い転位濃度を有する。例えば、高純度単結晶ダイヤモンド材料は、１０6転位ｃｍ2、１０4転位ｃｍ2、３×１０3転位ｃｍ2、１０3転位ｃｍ2、１０2転位ｃｍ2又は１０転位ｃｍ2以下の転位束密度を有するのが良い。したがって、主要平面に垂直な方向に５×１０-5以下、１×１０-5以下、５×１０-6以下又は１×１０-6以下の複屈折を有する低不純物低ひずみの材料を作製することができる。加うるに、かかる材料中に設けられたソリッドステート光子エミッタは、０．０５ｍｓ以上、０．１ｍｓ以上、０．３ｍｓ以上、０．６ｍｓ以上、１ｍｓ以上、５ｍｓ以上又は１５ｍｓ以上のデコヒーレンス時間Ｔ2を有するのが良く、対応のＴ2*値は、４００μｓ以下、２００μｓ以下、１５０μｓ以下、１００μｓ以下、７５μｓ以下、５０μｓ以下、２０μｓ以下又は１μｓ以下である。
【００４３】
上述の材料の作製後、この材料は、次の光取り出し構造体の作製のために適当に低い粗さ、高い平面度の表面を形成するよう注意深く処理されなければならない。この点に関し、注目されるべきこととして、｛１１１｝方位ダイヤモンド材料は、他の結晶方位と比較して処理するのが困難である。というのは、ダイヤモンド材料の｛１１１｝結晶面は、他の結晶方位と比較して最も高い耐摩耗性を有するからである。したがって、材料中に欠陥を導入することなくこの表面を適当な表面仕上げの状態に処理するための注意を払わなければならず、もしそうでなければ、かかる欠陥が性能を損ねる。
【００４４】
作製及び処理を行って適当な｛１１１｝方位表面を生じさせた後、複数個の光取り出し構造体、例えばソリッドステート浸漬レンズを合成ダイヤモンドコンポーネントの表面上に作製するのが良い。この点に関し、国際公開第２０１０／０１０３４４号パンフレットと同第２０１０／０１０３５２号パンフレットの両方は、これらパンフレットに記載された量子等級ダイヤモンド材料が量子欠陥中心から出力された光を集めて集束させるために肉眼的曲率を備えた表面、例えば約１０μｍ〜約１００μｍの曲率半径を備えたレンズを有するのが良いことを開示している。しかしながら、上述したように、本発明の実施形態によれば、光取り出し構造体が適当に類似した光子放出欠陥と関連することが重要である。したがって、光取り出し構造体を形成する前に、低光子放出ピーク帯域幅及びピーク強度相互の低周波数差を有する少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタを識別するのが良い。これは、レーザを用いてソリッドステート光子エミッタを共振的に励起させ、そして光子側波帯の状態へのレッドシフト蛍光を検出することによって達成できる。変形例として、オフ共振励起及び走査型ファブリ・ペロー干渉計を利用しても良い。次に、光取り出し構造体を識別したソリッドステート光子エミッタ上に心出し状態で作製してこれら光子エミッタからの光取り出しを保証するのが良い。イオンビームフライス加工を用いると、光取り出し構造体を形成することができる。検出される光子の数を増大させるため、光取り出し構造体の作製するもとになるダイヤモンドスラブが作製された光取り出し構造体と同等のサイズのものであることが好ましい。このようにすれば、光取り出し構造体から放出された光子が後面からの反射時に集められるようになる。ダイヤモンドスラブの厚さを減少させることにより、光子が収集を免れる考えられる角度の数が減少する。例えば、或る特定の実施形態では、ダイヤモンド材料は、厚さが１ｍｍ未満、０．５ｍｍ未満、１００μｍ未満、５０μｍ未満又はそれ以下の層又はプレートを形成することができる。例えば、ダイヤモンド材料は、厚さが１００ｎｍ〜５０μｍ、５００ｎｍ〜３０μｍ、１μｍ〜２０μｍ又は５μｍ〜１０μｍの層又はプレートを形成することができる。しかしながら、或る特定の他の用途に関し、これよりも厚い材料の層又はプレートを形成することが望ましい場合がある。例えば、本明細書において説明する作製技術を用いると、厚さが１ｍｍを超え、１．５ｍｍを超え、２ｍｍを超え又は３ｍｍを超える高純度低ひずみ材料を提供することが可能である。加うるに、集められる光子の数を増大させるため、光取り出し構造体は、反射防止膜で被覆されるのが良い。また、この層又はプレートの裏面を鏡、例えば金属膜又は半導体ブラッグスタックで被覆することによって、光子収集量を一段と増大させることができる。
【００４５】
本発明の或る特定の実施形態は、〈１１１〉結晶方位を有するタイプＩＩａ化学気相成長ダイヤモンド中の自然に生じる（即ち、植え込まれるのではなく、成長したままの）ＮＶ中心を利用する。２光子量子干渉測定は、２つの中心から放出される光子の同時検出を必要とするので、高い収集効率が必要である。これは、集束イオンビームフライス加工によってあらかじめ選択された中心の周りに固体浸漬レンズ（ＳＩＬ）を決定論的に作製することによって達成された（ジェイ・ピー・ハデン他（J. P. Hadden et al.），アプライド・フィジカル・レターズ（Appl. Phys. Lett. 97, 241901），２０１０年及びピー・ジユシェブ他（P. Siyushev et al.），アプライド・フィジカル・レターズ（Appl. Phys. Lett. 97, 241902），２０１０年）。図１（ａ）は、用いられているサンプルの光学顕微鏡画像を示しており、内挿図は、類似の装置のＳＥＭピクチャである。共焦点スキャン（図１（ｂ））では、ＮＶ中心は、レンズの内部に明るいスポットとして見える。金マイクロ波ストリップライン及びゲートが電子ビームリソグラフィを用い、スピン操作を可能にし、そしてＮＶ遷移エネルギーのスターク同調を行うことによってそれぞれ固体浸漬レンズの周りに作製した。同一のダイヤモンド中の２つのＮＶ欠陥は、二重経路共焦点セットアップを用いて個々にアドレス指定する。
【００４６】
図１（ｃ）は、多光子干渉を達成するための装置形態を概略的に示している。同一の合成ダイヤモンド素子内部の２つのＮＶ中心を共振（６３７ｎｍ）又はオフ共振（５３２ｎｍ）レーザのいずれかを用いて同時に励起させる。２つの別々の経路により、ゼロ光子線（ＺＰＬ）又は光子側波帯（ＰＳＢ）中に放出される光子の検出が可能である。可変減速波長板（ＷＰ）が光学コンポーネントにより放出された光子の偏光に導入される楕円率を補償すると共に所望の遷移の偏光を偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）に位置合わせするために用いられる。
【００４７】
図２（ａ）〜図２（ｄ）は、２つのＮＶ欠陥（ＮＶ  Ａ及びＮＶ  Ｂ）の種々のスペクトル特性決定状態を示している。図２（ａ）は、ＮＶ欠陥の電子エネルギーレベル構造を示している。ｍs＝０基底状態は、スピン選択的遷移によりＥx及びＥy励起状態に結合される。光子側波帯（ＰＳＢ）中に放出される光子を共振放出からスペクトル的に分離することができる。また、共振（６３７ｎｍ）及びオフ共振レーザ（５３２ｎｍ）が示されている。図２（ｂ）は、ＰＳＢの共振励起及び検出を示している。赤色レーザの周波数を共振全体にわたってスイープし、他方、弱い緑色レーザは、光イオン化及び光ポンピングを阻止する。スペクトルは、７０走査の平均値である。図２（ｃ）は、オフ共振励起化における走査型ファブリ・ペロースペクトルを示している。Ｅx遷移だけが見え、それにより、偏光フィルタ処理によるＥy遷移の十分な抑制が確認される。線幅（ＮＶ  Ａについては４５０ＭＨｚ、ＮＶ  Ｂについては５７０ＭＨｚ）は、測定中、空胴共振器のドリフトを含む。オフセットは、検出器のダークカウントに起因している。図２（ｄ）は、単一の共振励起スキャンを示している。平均の個々の線幅は、ＮＶ  Ａについては３８（±７）ＭＨｚであり、ＮＶ  Ｂについては３６（±５）ＭＨｚである。周波数の全体的分布は、スペクトル拡散に起因して（ＮＶ  Ａについては２６３ＭＨｚ、ＮＶ  Ｂについては４８３ＭＨｚ）広い。
【００４８】
ＮＶ中心の光学遷移（図２（ａ））は、基底状態と励起状態との間の直接的な遷移（所謂、ゼロ光子線、ＺＰＬ）と光子の放出又は吸収を更に含む遷移（光子側波帯、ＰＳＢ）の両方から成っている。低温では、ゼロ光子線放出は、数本の幅の狭い線を示し、これらの線は、低ひずみ中心の場合、基底状態と励起状態との間のスピン選択的遷移に対応している（ジェイ・アール・メイズ他（J. R. Maze at el.），ニュー・ジャーナル・オブ・フィジックス（New J. Phys. 13, 025025），２０１１年）。２光子量子干渉の観察では、ゼロ光子線内の単一の遷移を隔離する必要がある。スペクトルフィルタ処理によって放出の（光子側波帯、ＰＳＢ）インコヒーレントフラクションを除去した後、ゼロ光子線ＺＰＬ内の単一の放出線は、ＮＶ中心のスピン及び偏光特性を利用することによって選択される。具体的に言えば、オフ共振励起は、スピンをｍs＝０状態にポンピングするために用いられる。したがって、放出は、Ｅx及びＥy励起状態のｍs＝０から基底状態のｍs＝０レベルへの遷移によって支配される。これら遷移と関連した２つのダイポールは、互いに且つＮＶ軸線と直交し、ＮＶ中心が〈１１１〉方向に沿って配向された状態で働くことによって、２つの遷移により互いに直交した直線偏光によりゼロ光子線の光子が放出される（ケイ・‐エム・シー・フー他（K. -M. C. Fu et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 103, 256404），２００９年及びエフ・カイザー，他（F. Kaiser et al.），アーカイブ（arXiv:0906.3426），２００９年６月）。その結果、偏光子を検出経路中に配置することによってＥx又はＥy放出線を隔離することが可能である。さらに、１つのダイポールだけを励起するために偏光選択性を用いることにより信号が最大になる。
【００４９】
ゼロ光子線の微細構造を特徴付けるため、フォトルミネッセンス励起（ＰＬＥ）を用いてゼロ光子線吸収スペクトルを調べ、走査型ファブリ・ペロー（ＥＰ）空胴共振器を用いてＺＰＬ放出スペクトルを分析する。フォトルミネッセンス励起スペクトルは、共振励起レーザ（６３７ｎｍ、図１（ｃ））の周波数をＮＶゼロ光子線遷移全体にわたってスイープする一方で、光子側波体中へのレッドシフト放出を記録することによって得られる。フォトルミネッセンス励起走査中、ｍs＝０遷移の視認性は、弱い緑色励起を適用してスピンをｍs＝０の状態に連続的に初期化する（図２（ｂ）について用いられる）か、マイクロ波を加えてスピン状態の等しい分布状態を維持する（図２（ｄ）について用いられる）かのいずれかによって保証され、後者の場合、走査相互間の緑色再ポンピングパルスは、ＮＶ0電荷形態への永続的な光イオン化を阻止する（ジー・ワルダー他（G. Waldherr et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 106, 157601），２０１１年及びエル・ロブレード，エイチ・バーニエン，アイ・ファン・ウェペレン，アール・ハンソン（L. Robledo, H. Bernien, I. van Weperen, R. Hanson），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 105, 177403），２０１１年）。図２（ｂ）は、２つの選択されたエミッタのＰＬＥスペクトルを示している。低エネルギーＥy遷移は、互いに２．９ＧＨｚ離れているが、高エネルギーＥx遷移は、互いに部分的にオーバーラップしている。この準オーバーラップは又、走査型ファブリ・ペロー空胴共振器を用いてオフ共振（５３２ｎｍ）励起下でゼロ光子線放出をモニタすることによって観察される（図２（ｃ））。Ｅx遷移だけと関連した直線偏光をフィルタ処理により除去することによって、ほぼ等しい周波数で各ＮＶ中心から単一の発光線が観察される。
【００５０】
両方の源の放出線幅は、量子干渉の視認性を制限する。緑色光が存在していない状態で記録された個々のフォトルミネッセンス励起スペクトルは、ＮＶ  Ａ及びＮＶ  Ｂについては狭い３８ＭＨｚ（３６ＭＨｚ）線幅を示す（図２（ｃ））が、走査相互間の５３２ｎｍ再ポンピングパルスにより、数百ＭＨｚの不均一線幅を備えた周波数の全体的分布が生じる（エル・ロブレード，エイチ・バーニエン，アイ・ファン・ウェペレン，アール・ハンソン（L. Robledo, H. Bernien, I. van Weperen, R. Hanson），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 105, 177403），２０１１年）。スペクトル拡散も又、同時緑色励起で記録されたフォトルミネッセンス励起スペクトル中で（図２（ｂ））、そして５３２ｎｍ励起下におけるゼロ光子線放出スペクトル中に（図２（ｃ））観察される。観察された不均一な幅の広がりが放射線幅よりも一桁大きいが、２つの光子干渉効果を依然として検出することができる。放出線幅が光子検出器の逆転時間分解能を超えていないとすれば、各ＮＶ中心からの光子の同時検出により、どの経路の周波数であるかの情報が消され、量子干渉を観察することができる（ティー・レゲロ他（T. Legero et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 93, 070503，２００４年及びアール・レットウ他（R. Lettow et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett.104, 123605），２０１０年））。
【００５１】
干渉測定に関し、緑色（５３２ｎｍ）パルスレーザが２つのＮＶ中心を励起すると共にスピン状態をｍs＝０に初期化するために１０ＭＨｚの繰り返し周波数で用いられる。スペクトルフィルタ処理（ＺＰＬフィルタ）と偏光拒絶（上述した）の組み合わせにより、ＮＶ  Ａ及びＮＶ  ＢのＥx線が隔離される。次に、この放出を偏光維持ファイバビームスプリッタの２つの入力ポートに結合し、優れた空間モードオーバーラップを保証する。一時的モードオーバーラップは、２つの中心について等距離の励起経路と収集経路を用いることによって達成される。ビームスプリッタの出力ポートは、サブナノ秒時間分解能を備えた２つのアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）に結合され、ＡＰＤ信号は、ジッタが４ピコ秒未満の高速計数モジュールの開始と停止をトリガする。同時計数を開始‐停止遅延の関数として記録することによって、時間分解測定が実施される。
【００５２】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、それぞれ、直交偏光及び平行偏光のためのデータを表した結果を示している。図３（ａ）は、直交偏光のための場合を示している。同時計数の周期的ピークは、励起の１０ＭＨｚ繰り返し周波数に対応している。同時分布状態は、パルス化励起下において２つの独立ＮＶ中心の代表的なバンチング及びアンチバンチング特徴を示している。図３（ｂ）は、平行偏光に関する場合を示している。ビームスプリッタ上でオーバーラップした識別不能な光子は、互いに干渉し、それによりゼロ時間遅延で同時事象が著しく減少する。別個独立に測定したパラメータのみを用いるシミュレーション（実線）は、レゲロ等に従って行われる（ティー・レゲロ，ティー・ウィルク，エー・クーン，ジー・レンペ（T. Legero, T. Wilk, A. Kuhn, G. Rempe），アプライド・フィジックス・ビー（Appl. Phys. B 77, 797），２００３年）。破線は、シミュレーションにおいて１標準誤差の不確実性を示している。暗い陰影付きの領域及び明るい陰影付きの領域は、１及び２の標準偏差の予想散乱を示している。シミュレーションに用いられたパラメータは、励起状態寿命＝１２．０（±０．４）ｎｓ、２つの中心相互間の離調＝１３０（±１５０）ＭＨｚ、２つの中心相互間の周波数ジッタ＝５５０（±８０）ＭＨｚ、ＡＰＤジッタ＝４１０（±１０）ｐｓ、ダーク計数率＝６０（±１０）ｓ-1、ＮＶＢ計数率＝１４７０（±５０）ｓ-1、ＮＶ  Ａ計数率＝２７００（±５０）ｓ-1、バックグラウンド＝１５（±５）％である。
【００５３】
較正実験として、λ／２波長板を一検出経路中に挿入してビームスプリッタに入った２つの光子が直交偏光を呈するようにする。これにより、２つの光子が互いに識別可能になり、観察下の干渉は、存在しない。したがって、同時分布状態は、２つの独立した光子波束（図３（ａ）参照）の一時的オーバーラップを示しているに過ぎない。状況は、光子が平行偏光状態でビームスプリッタに入ると（図３（ｂ））劇的に変化する。この場合に関し、２光子量子干渉が観察され、ゼロ検出時間の差（τ＝０）では、２つの光子は、主として、ビームスプリッタを出て同じ出力ポートに入り、それにより同時検出が大幅に減少する。大きな時間差の場合、互いに異なる周波数を持つ多くの光子を平均化するので干渉が隠される（ティー・レゲロ，ティー・ウィルク，エー・クーン，ジー・レンペ（T. Legero, T. Wilk, A. Kuhn, G. Rempe），アプライド・フィジックス・ビー（Appl. Phys. B 77, 797），２００３年）。かくして、２光子量子干渉が不均一放出線幅の逆数で与えられる時間窓内で同時検出事象の減少として観察される。
【００５４】
理想的には、ゼロ時間差同時検出は、不均一に幅が広げられると共に離調された光子源について起こることはない（ティー・レゲロ他（T. Legero et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 93, 070503），２００４年）。コントラストの減少は、主として、中心の電荷及びスピン状態に対する不完全な制御によりＮＶ放出から望ましくないスペクトル線中に生じる。具体的に説明すると、中心が中性電荷状態（ＮＶ0）にあるとき、その帯域幅蛍光の一部分は、ゼロ光子線フィルタの３ｎｍ帯域幅の範囲内に位置し、別個独立に測定された光学スペクトルから、これらＮＶ0光子は、ほぼ１０％収集した放出光に寄与する。さらに、５３２ｎｍ励起下において、残留約１０％ｍs＝±１スピン占有により、幾つかの他の遷移について円偏光が生じ、これらの偏光フィルタ処理信号の約５％を占める。かかる１５％バックグラウンドレベルから、最高７２％までの視認性が予想される。さらに、検出システムにおける有限時間分解能により、鮮明な時間的特徴が平均され、ゼロ時間差最小値の深さが持ち上げられる。
【００５５】
実験データとノーフリーパラメータ（no-free-parameter）シミュレーションとの量的一致が観察された。レゲロ等（ティー・レゲロ，ティー・ウィルク，エー・クーン，ジー・レンペ（T. Legero, T. Wilk, A. Kuhn, G. Rempe），アプライド・フィジックス・ビー（Appl. Phys. B 77, 797），２００３年）に続き、ガウス周波数ノイズによる指数関数的に減衰する光子波束の２光子量子干渉をモデル化すると共に別個独立に測定したパラメータを用いて予想同時検出を計算した。τ＝０では、６６（±１０）％のコントラストが観察され、これは、本発明者の知識によれば、２つの別々のソリッドステートエミッタについて報告された最も高い値である（アール・レットウ他（R. Lettow et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 104, 123605），２０１０年、ケー・サナカ他（K. Sanaka et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 103, 053601），２００９年、アール・ビー・パテル他（R. B. Patel et al.），ネイチャー・フォトニクス（Nat. Photon. 4, 632），２０１０年及びイー・フラッグ他（E. Flagget al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 104, 137401），２０１０年）。ゼロ光子線放出の厳格なフィルタ処理により又はスピン及び電荷状態に対する管理の強化によってこの値を向上させることができる。
【００５６】
２光子量子干渉を観察するため、ＮＶ中心をほぼ同一のＥx周波数で選択したが、一般に、２つのＮＶ中心は、これらの互いに異なるひずみ環境により、同一の放出周波数を示す可能性が低い（エヌ・ビー・マンソン，ジェイ・ピー・ハリソン，エム・ジェイ・セラーズ（N. B. Manson, J. P. Harrison, M. J. Sellars），フィジカル・レビュー・ビー（Phys. Rev. B 74, 104303），２００６年）。高純度タイプＩＩａダイヤモンドサンプルにおいても、互いに異なる中心相互間の数十ＧＨｚの広がりが観察される。それにもかかわらず、電界を印加して遷移エネルギー中にＤＣスタークシフトを生じさせることによってＮＶを同調させて共振させることができる（ピー・タマラット他（P. Tamarat et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 97, 083002），２００６年）。本発明の装置の同調範囲は、数ＧＨｚに達し、この同調範囲は５３２ｎｍ励起の存在下において数十ＧＨｚまで高められる（エル・シー・バセット他（L. C. Bassett et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 107, 266403），２０１１年）。これにより、互いに異なる源の一般的な場合において２光子量子干渉の観察が可能である。
【００５７】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、２つの互いに異なるソリッドステート光子源の同調及び２光子量子干渉を表す結果を示している。図４（ａ）は、印加ゲート電圧に依存したＥy遷移エネルギーを示している。２つの中心は、互いに反対の同調挙動を示し、これらは−１３．６Ｖで共振状態になる。干渉測定に用いられたのと同一の電力により同時緑色励起下においてデータを取る。図４（ｂ）は、２光子量子干渉を示している。全体的同時分布は、２５５一分間ヒストグラムの合計である。各干渉測定前に、フォトルミネッセンス励起走査を実施する。２つの中心の相対的離調が３５０〜１２００ＭＨｚであるヒストグラムのみを選択した。シミュレーション（実線）は、測定された周波数分布に基づいている。
【００５８】
外部電圧バイアスがない場合、ＮＶ  Ａ及びＮＶ  ＢのＥy遷移は、エネルギーに関して遠く離れて位置し、その結果、これらの２光子量子干渉を検出器の時間分解能の範囲内で測定することができない。マイクロ波ストリップライン及びゲート２をアース状態に保った状態で電圧をゲート１（図１（ａ））に印加することによって、Ｅy遷移を同調させて共振させることが可能である。同調の度合いは、オフ共振励起の存在によって大きな影響を受けるので（エル・シー・バセット他（L. C. Bassett et al.），アーカイブ（arXiv:1104.3878），２０１１年４月）、スターク同調を干渉測定に用いられるのと同じパルス化５３２ｎｍ励起条件下で較正し、図４（ａ）のフォトルミネッセンス励起スペクトルは、共振励起により生じる追加の蛍光を示し、Ｅy線のスペクトル存在場所を明らかにしている。ほぼ−１３．６Ｖにおいて、互いにオーバーラップした遷移エネルギーが２つのＮＶ中心について観察され、２光子量子干渉の観察のための適当なセッティングが確立される。しかしながら、ＮＶ中心遷移のエネルギーのシフトに加えて、印加された電界は又、Ｅx及びＥyダイポールの軸線を回転させることができ、著しく異なる偏光セッティングがこのゲート電圧ではＥy放出をフィルタ処理するために必要であることが判明した。
【００５９】
較正電圧及び偏光セッティングを用いて各ＮＶ中心からのＥy遷移について放出された光子の時間分解干渉を測定した。図４（ｂ）は、ゼロ時間差における同時検出事象の著しい減少を示している。干渉信号の幅は、エミッタの不均一線幅の初期の測定から予測される幅よりも短い。レーザ強度が有効スタークシフトを変化させるので、サンプル位置のドリフトは、スペクトルシフトに直接変わる。スペクトルのばらつきを考慮に入れるため、フォトルミネッセンス励起分光法と分持続時間同時検出を交互に行い、これらの相対的離調に基づくデータを事後選択することによって測定を実施する。測定された周波数分布を用いて行えるシミュレーションは、データとの妥当な一致を示すが、同時検出インターバル中に起こるドリフトを完全に考慮に入れることができない。それにより、空間及びレーザ出力摂動に対する管理の強化により、ゲート電圧同調の存在下で干渉コントラストが大幅に高められるべきである。
【００６０】
２光子量子干渉は、量子光学系における重要な測定のうちの１つとなり、測定に基づく絡み合い（ディー・エル・モーフリング他（D. L. Moehring et al.），ネイチャー（Nature 449, 68），２００７年）、量子リピータ（エル・チルドレス，ジェイ・エム・テイラー，エー・エス・ソレンセン，エム・ディー・ルーキン（L. Childress, J. M. Taylor, A. S. Sorensen, M. D. Lukin），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 96, 070504），２００６年）及び光量子コンピュータ処理（イー・ニル，アール・ラフラーム，ジー・ジェイ・ミルバーン（E. Knill, R. Laflamme, G. J. Milburn），ネイチャー（Nature 409, 46），２００１年）のための本質的な要件である。この場合、この作用効果は、まず最初に、上述の材料工学及び微小製作技術と共に励起状態構造の理解における最近の技術進歩を利用することによってダイヤモンド材料中の２つの別々のＮＶ中心を用いて実証された。偏光及び周波数フィルタ処理と組み合わせたオフ共振パルス化励起を用いて、時間分解同時検出について６６％の視認性が得られた。加うるに、電界を用いてＮＶ中心を同調させて共振させ、それにより商用装置へのこの方式のスケール変更性を実証することによって互いに異なる遷移周波数によりＮＶ相互間の２量子光子干渉をも観察することができるということが判明した。さらに、近年実証されたスピン光子絡み合い（イー・トガン他（E. Togan et al.），ネイチャー（Nature 466, 730），ロンドン，２０１０年）と組み合わせた場合、これらの結果により、ＮＶ中心の遠隔絡み合いが可能になると共に量子情報処理及び長距離量子通信における用途への扉が開かれた。
【００６１】
本明細書において説明する装置構成を量子情報処理用途においてどのように使用すれば良いかについての一例を例示目的で以下に説明する。この実施例は、投影測定法によるソリッドステート量子ビットの絡み合いに関する。
【００６２】
測定は、量子力学においてユニークな役割を果たす。量子測定は、１つの系を測定演算子の固有状態中に投影し、従って、量子状態を操作したり制御したりするための強力なやり方を提供する。この場合、この場合、ダイヤモンド材料中の核スピンに対する２量子ビットパリティ測定が実験的に実証され、この測定を用いて絡み合いの状態が最大のベル（Bell）状態を発生させる。結果的に得られる高い絡み合い度を量子状態トモグラフィによって確認する。測定を利用した絡み合いとシングルショット２量子ビット読み出しを組み合わせることによって、サンプリングが適正であることを仮定しないでベルの不等式が適応できないことが観察される。本明細書において実証する非破壊的測定は、量子誤差補正の重要な要素であり、ソリッドステート量子ビットによる測定を利用した量子コンピュータ処理への道を開く。
【００６３】
物理系に対する測定の効果として、古典的な挙動と量子挙動の最も著しい差のうちの１つが明らかになる。古典的な測定は、システムの状態に関する情報だけを生じさせるが、量子測定は、この状態を修正し、システムを測定演算子の固有状態に投影させる。この変更を用いると、量子系を操作したり制御したりすることができる。量子情報処理の関係では、量子測定は、汎用量子コンピュータ、例えば一方向量子コンピュータ処理（アール・ラウセンドルフ，エイチ・ジェイ・ブリーゲル（R. Raussendorf, H. J. Briegel），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 86, 5188），２００１年）及びテレポーテーション利用量子コンピュータ処理（ディー・ゴッテスマン，アイ・エル・チュアン（D. Gottesman, I, L.Chuang ），ネイチャー（Nature 402,390）１９９９年、イー・ニル，アル・ラフラーム，ジー・ジェイ・ミルバーン（E. Knill, R. Laflamme, G.J. Milburn ）、ネイチャー（Nature 402,46 ）２００１年）において汎用量子コンピュータの主要な成分としてユニタリ多量子ビットゲートに取って代わることができる強力なツールとして認識された。さらに、測定は、量子ビット相互間の直接的な相互作用を必要としないで（図５Ａ）絡み合い―量子コンピュータ処理のための主要なリソース―を作ることができる（エル・エム・デュアン他（L. M. Duan et al.），ネイチャー（Nature 414, 413），２００１年；シー・ダブリュ・チョウ他（C. W. Chou et al.），ネイチャー（Nature 438, 828），２００５年；ディー・エヌ・マツケビッチ他（D. N. Matsukevich et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 100, 150404），２００８年；エム・リーブ他（M. Rieve et al.），ネイチャー・フィジックス（Nat. Phys 4, 839），２００８年；エス・オルムシェンク他（S. Olmschenk et al），サイエンス（Science 323, 486），２００９年）。
【００６４】
特に関心のあるものは、パリティ測定であり、即ち、個々の量子ビットの状態に関する情報を表さないで、偶数又は奇数個の量子ビットが特定の固有状態にあるかどうかを判定する多量子ビット状態に関する結合測定である。２つの量子ビットに関し、パリティメータは、かくして、量子ビットが同じ値を有するか（即ち、これら量子ビットが、偶数サブスペース｛｜００〉，｜１１〉｝を占める）又は互いに逆の値を有する（即ち、これら量子ビットが、奇数サブスペース｛｜０１〉，｜１０〉｝を占める）かどうかを判定する。かかる測定は、量子誤差補正において重要な役割を果たし（エム・エー・ニールセン，アイ・エル・チャン（M. A. Nielsen, I. L. Chuang），ケンブリッジ・ユニバーシティ・プレス（Cambridge Univ. Press），２０００年）、決定論的に汎用２量子ビットゲートを有効にし（シー・ダブリュ・ジェイ・ビーンネイカー他（C. W. J. Beenakker et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 93, 020501），２００４年；エイチ・エー・エンゲル，ディー・ロス（H. A. Engel, D. Loss），サイエンス（Science 309, 586），２００５年；ビー・トラウゼッテル他（B. Trauzettel et al.），フィジカル・レビュー・ビー（Phys. Rev. B 73, 235331），２００６年）、そして絡み度が最大の状態を決定論的に発生させることができる（ダブリュ・マオ他（W. Mao et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 93, 056803），２００４年；ビー・トラウゼッテル他（B. Trauzettel et al.），フィジカル・レビュー・ビー（Phys. Rev. B 73, 235331），２００６年；ケー・ラルミーレ他（K. Lalumiere et al.），フィジカル・レビュー・エー（Phys. Rev. A 81, 040301），２０１０年）。投影パリティ測定の多くの具体化例がソリッドステート量子ビットについて提案された（シー・ダブリュ・ジェイ・ビーンネイカー他（C. W. J. Beenakker et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 93, 020501），２００４年；エイチ・エー・エンゲル，ディー・ロス（H. A. Engel, D. Loss），サイエンス（Science 309, 586），２００５年；ビー・トラウゼッテル他（B. Trauzettel et al.），フィジカル・レビュー・ビー（Phys. Rev. B 73, 235331），２００６年；アール・イオニシオイウ（R. Ionicioiu），フィジカル・レビュー・エー（Phys. Rev. A 75, 032339），２００７年；ケー・ラルミーレ他（K. Lalumiere et al.），フィジカル・レビュー・エー（Phys. Rev. A 81, 040301），２０１０年）が、実験的な実証は、達成できないままでいる。
【００６５】
この場合、非破壊的パリティ測定が実証され、これは、２つのスピン量子ビットを絡み合い度の高い状態に投影するために用いられる。予備測定状態を適用すると共に互いに異なる測定結果に対して条件付けすることによって２つの量子ビットを直接ベル状態のうちの任意のものの中へ投影するのが良い。量子状態トモグラフィによる高い絡み合い度が実証され、サンプリングが適正であることを仮定しないでベルの不等式が適応できないことが観察される。
【００６６】
２つの核スピン、即ち、窒素空孔（ＮＶ）中心と関連した窒素‐１４核スピン（14Ｎ，Ｉ＝１）及び近くの炭素‐１３核スピン（13Ｃ，Ｉ＝１／２）（図５Ｂ）が量子ビットとしてダイヤモンド材料中に用いられる。ＮＶ電子スピン（Ｓ＝１）は、パリティ測定のための補助量子ビットとして役立つ。ＮＶ中心は、長いスピンコヒーレンス時間（ジー・バラスブラマニアン他（G. Balasubramanian et al.），ネイチャー・マテリアルズ（Nat. Mater. 8, 383），２００９年；ジー・デ・ランゲ他（G. de Lange et al.），サイエンス（Science 330, 60），２０１０年）とロバストな光学インターフェース（イー・トガン他（E. Togan et al.），ネイチャー（Nature 466, 730），２０１０年；ビー・ビー・バックリー他（B. B. Buckley et al.），サイエンス（Science 330, 1212），２０１０年）を組み合わせる。この環境における核スピンと一緒に、このＮＶ中心は、数量子ビット量子レジスタ（エム・ブイ・ジー・ダット他（M. V. G. Dutt et al.），サイエンス（Science 316, 1312），２００７年；ニューマン２００７，エル・ロブレード他（Neumann2007, L. Robledo et al. ），ネイチャー（Nature 477, 574），２０１１年）を形成し、これを量子情報処理にとって見込みのあるソリッドステートプラットホームにする。
【００６７】
スピン分解共振光励起により、補助電子スピン（エル・ロブレード他（L. Robledo et al.），ネイチャー（Nature 477, 574），２０１１年）の効率的な初期化（忠実度＞９９．９％、補足的情報）及び投影シングルショット読み出し（平均忠実度約９３％）が可能である。電子スピンは、超微細相互作用（図５Ｃ）により核量子ビットの両方に結合し、その結果、核スピンを両方とも初期化する（ニューマン２０１０，エル・ロブレード他（Neumann2010, L. Robledo et al. ），ネイチャー（Nature 477, 574），２０１１年）と共にこれらの状態を電子スピン上にマッピングすることによって測定することができる（エム・ブイ・ジー・ダット他（M. V. G. Dutt et al.），サイエンス（Science 316, 1312），２００７年；ピー・ニューマン他（P. Neumann et al.），サイエンス（Science 320, 1326），２００８年；ピー・ニューマン他（P. Neumann et al.），サイエンス（Science 329, 542），２０１０年；エル・ロブレード他（L. Robledo et al.），ネイチャー（Nature 477, 574），２０１１年）。
【００６８】
２つの核スピン量子ビットを無線周波数パルス（図５Ｄ）によって数十マイクロ秒内で高精度で個々に制御することができ、他方、１ミリ秒を超える自由進化崩壊時間Ｔ２*を両方の量子ビットについて測定する。二重共振実験の結果の示すところによれば、これら量子ビット相互の直接的な相互作用はスピン相互間の距離と一致して（ビー・スメルツァー他（B. Smeltzer et al.），ニュー・ジャーナル・オブ・フィジックス（New J. Phys. 13, 025021），２０１１年）実験の時間スケール（＜１ｍｓ）（図５Ｅ）では無視できる（＜１００Ｈｚ）。
【００６９】
パリティ測定の具体化例が図６Ａの回路図に示されている。第１に、アンシラ（ancilla)を初期化して｜１〉にする。次に、２つのＮＯＴゲートを選択的マイクロ波πパルス（図５Ｃ）により２つの量子ビット（トフォリ（Toffoli）ゲート）によって制御されたアンシラに適用する。アンシラは、量子ビットが偶数状態にある場合、即ち、両方の量子ビットが値“０”を有する場合（第１のゲート）又は両方が値“１”を有する場合（第２のゲート）に状態が変化する。この操作により、アンシラが量子ビットと絡み合い、その結果、奇数及び偶数サブスペースがその状態の上にマップされる。最後に、補助量子ビットを読み出して２量子ビット状態のパリティを求める。
【００７０】
非破壊的パリティ測定により提起される重要な実験上の課題は、重ね合わせの位相、例えばベル状態を保存する必要があるという要件である。これは、量子情報を消去する非破壊的単一量子測定よりも極めて要求の高い要件である（エル・ロブレード他（L. Robledo et al.），ネイチャー（Nature 477, 574），２０１１年；ピー・ニューマン他（P. Neumann et al.），サイエンス（Science 329, 542），２０１０年；ジー・ワルダー他（G. Waldherr et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 106, 157601），２０１１年）。本明細書において説明するシステムに関し、補助電子スピンの無制御フリップにより、核量子ビットの位相外れが生じる（エル・ジャン他（L. Jiang et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 100, 073001），２００８年）。これら電子スピンフリップは、光学的に励起された状態においてスピン混合に起因して光学読み出し中に起こる場合がある（エル・ロブレード他（L. Robledo et al.），ネイチャー（Nature 477, 574），２０１１年）。位相外れを回避するため、結果｜０〉に対して条件付けされたアンシラの短い非破壊的読み出しが低い成功率という代償を払って高い忠実度で非破壊的パリティ測定を得るために用いられる。投影の結果として、約３％の成功の確率で測定後９９±１％の電子状態忠実度が得られる。
【００７１】
パリティ測定を適用して２つの核量子ビットをベル状態中に投影する。図６Ｂは、プロトコルの回路図を示している。量子状態トモグラフィが３つの段階で実施される。第１に、投影測定により核スピンを初期化して｜００〉にし（図６Ｃ）（エル・ロブレード他（L. Robledo et al.），ネイチャー（Nature 477, 574），２０１１年）、アンシラを｜１〉にリセットする。第２に、π／２パルスを別々に両方の核スピン上に適用することによって最大重ね合わせを生じさせ、その結果、２量子ビット状態が積状態（｜００〉＋｜０１〉＋｜１０〉＋｜１１〉）／２となる（図６Ｄ）。最後に、パリティ測定は、核スピンを偶数サブスペース中に、及びかくしてベル状態｜Φ+〉中に投影する。Ｆ＝〈Φ+｜ρm｜Φ+〉＝９０±３％の理想状態の忠実度を測定し、この式において、ρmは、測定密度マトリックス（図６Ｅ）である。完全なベル状態からの逸脱は、マイクロ波パルスの誤差によって完全に考慮に入れられ、かかる誤差は、アンシラを両方の投影ステップ後に｜１〉にリセットする。得られる忠実度が高いということにより、パリティ測定の非破壊的性格が確認される。
【００７２】
組をなす互いに異なるベース（図７Ａ及び図７Ｂ）中の２つの量子ビットの量子相関を直接測定することによって状態を作り、その変換挙動を研究した。これら結果によって確認されることとして、生じた絡み合い状態に対して高い忠実度で操作してコヒーレンスが測定中、高度に保たれるという観察結果を確認することができる。
【００７３】
量子ビットベル状態のうちの任意のものの中に投影することができる。奇数サブスペース（図７Ｃ）中への投影によって状態｜Ψ+〉及び状態｜Ψ-〉が作られる。結果として生じる状態の位相は、重ね合わせ状態を作るために用いられるパルスの位相をせんたくすることによって決定論的にあらかじめ設定される。図７Ｄ及び図７Ｅは、互いに異なるベースにおける相関関係を測定することによって状態｜Ψ+〉及び｜Ψ-〉を特徴付けている。これらの結果から、それぞれ９１±１％及び９０±１％の状態忠実度について下限を求める（ビー・ビー・ブリノフ他（B. B. Blinov et al.），ネイチャー（Nature 428, 153），２００４年）。これら結果は、完全トモグラフィ（図６Ｅ）から得られた値と一致し、これら結果により、本明細書において説明する方式の汎用性が確認される。
【００７４】
さらに、結果は、パリティ測定をどのように用いると非破壊的ベル状態分析装置を構成できるかを示している（シー・ダブリュ・ジェイ・ビーンネイカー他（C. W. J. Beenakker et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 93, 020501），２００４年；アール・イオニシオイウ（R. Ionicioiu），フィジカル・レビュー・エー（Phys. Rev. A 75, 032339），２００７年）。｜Ψ+〉及び｜Ψ-〉は、同一の奇数相関（図７Ｄ）を示しており、これらを基礎回転（図７Ｅ）後、第２のパリティ測定によって識別することができる。すると、第１のパリティ測定は、状態（｜Ψ〉又は｜Φ〉）のパリティを決定し、他方、第２のパリティ測定は、位相（“＋”又は“−”）を決定する（アール・イオニシオイウ（R. Ionicioiu），フィジカル・レビュー・エー（Phys. Rev. A 75, 032339），２００７年）。
【００７５】
測定方式をＣＨＳＨ形式のベルの不等式により試験した。この実験により、絡み合い状態の忠実度とその読み出しの両方に対して高い要求が課され（エム・アンスマン他（M. Ansmann et al.），ネイチャー（Nature 461, 504），２００９年）、従って、測定を利用した量子コンピュータ処理の具体化のための有用なベンチマークが提供される。事後選択は用いられない。これとは異なり、手順の前に、ＮＶ中心がその負の電荷状態にあり（ジー・ワルダー他（G. Waldherr et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 106, 157601），２０１１年）、光学遷移が読み出し及びポンプレーザと共振状態にある（エル・ロブレード他（L. Robledo et al.），ネイチャー（Nature 477, 574），２０１１年）が確認される。さらに、読み出しプロトコルを適用して完全な２量子ビット状態（図８Ａ）のシングルショット測定を得、従って、この読み出しプロトコルは、適正なサンプリング仮定には依存しない（エム・エー・ロウ他（M. A. Rowe et al.），ネイチャー（Nature 409, 791），２００１年；エム・アンスマン他（M. Ansmann et al.），ネイチャー（Nature 461, 504），２００９年）。
【００７６】
４つのベル状態｜Ψ±〉及び｜Φ±〉の各々を作り、次のベル角度、即ち
0006024026.tif 000002
の全ての組み合わせについて相関関数Ｅ（φ，θ）＝Ｐφ,θ（００）＋Ｐφ,θ（１１）−Ｐφ,θ（０１）−Ｐφ,θ（１０）を測定し、上式において、Ｐφ,θ（Ｘ）は、それぞれ角度φ及びθだけＹ軸線回りに13Ｃ及び14Ｎ量子ビットを回転させた後で状態Ｘを測定する確率である（図８Ｂ）。４つ全てのベル状態に関するＣＨＳＨ不等式が適用できないことは、少なくとも４の標準偏差によって観察され、平均値は、＜｜Ｓ｜＞＝２．３０±０．０５である。
【００７７】
Ｓについて得られた値は、準備されたベル状態の誤差及びシングルショット読み出しの有限忠実度に起因して２√（２）という理論的値よりも低い。両方の場合、主要な誤差は、アンシラを制御するマイクロ波パルス中の不完全さに起因している。作られたベル状態（図６Ｅ）及び読み出し（図８Ａ）の別々の特徴付けに基づいて、実験結果と一致してＳ＝２．３１±０．０９が予想される。完全な又は較正された読み出しに関しては、Ｓ＝２．５±０．１の値が得られる。
【００７８】
ここで具体化したプロトコルでは、ベル状態世代の到来が告げられており、成功の確率は、２つの結果のうちの一方に関する高忠実度非破壊的測定と引き替えられる。この制限は、測定方式にとって基本的ではなくしかも固有ではない。これとは異なり、この制限は、長期間にわたる読み出し中の電子スピンのランダムなフリップにより核スピン状態の位相ずれが生じるので課される。したがって、例えば量子の検出数を増大させることにより（アイ・アハロノビッチ他（I. Aharonovich et al.），ネイチャー・フォトニクス（Nature Photon. 5, 397-405），２０１１年）又はスピンフリップを抑制することによって電子読み出しの一層の向上が決定論的な絡み合いの発生を可能にすると言える。
【００７９】
結論として、２つの互いに相互作用しないソリッドステート量子ビットの絡み合いが非破壊的パリティ測定によって実証された。ここで具体化されている測定を利用したプロトコルを遠隔の核スピンレジスタ相互間の絡み合いを含むよう拡張することができ、それによりスケール変更可能な量子コンピュータ処理が可能である（エス・オルムシェンク他（S. Olmschenk et al.），サイエンス（Science 323, 486），２００９年；イー・トガン他（E. Togan et al.），ネイチャー（Nature 466, 730），２０１０年；エイチ・バーニエン他（H. Bernien et al.），フィジカル・レビュー・レターズ（Phys. Rev. Lett. 108, 043604），２０１２年；エー・シパヒギル他（A. Sipahigil et al.），アーカイブ（arXiv:1112.3975v1），２０１１年１２月）。投影パリティ測定は、基本的な量子誤差補正プロトコルの重要な要素である。したがって、実証した結果により、測定を利用した量子コンピュータ処理の一ステップの大転換となる概念がソリッドステートにおける実現に近づけられる。
【００８０】
本発明に関する仕事は、ファンダメンタル・リサーチ・オン・マター（ＦＯＭ）に関するオランダ国協会、サイエンティフィック・リサーチ（ＮＷＯ）及び欧州ＤＩＡＭＡＮＴプログラムに関するオランダ国協会によって支援された。本発明者は又、エレメント・シックス・リミテッド（Element Six Limited）及びダルフト・ユニバーシティ・オブ・テクノロジー（Delft University of Technology）からの支援に対して謝意を述べるものである。
【００８１】
好ましい実施形態を参照して本発明を具体的に図示すると共に説明したが、特許請求の範囲の記載に基づいて定められる本発明の範囲から逸脱することなく形態及び細部の種々の変更を行うことができることが当業者には理解されよう。
なお、好ましい実施態様として、本発明を次のように構成することもできる。
１．  多光子干渉を達成する装置であって、前記装置は、
少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタを有し、各ソリッドステート光子エミッタは、互いに結合された核スピン状態と電子スピン状態を有し、各ソリッドステート光子エミッタは、光子放出ピークを含む光子放出を生じさせるよう構成され、互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの光子放出ピークは、ピーク強度相互間の第１の周波数差を有し、各ソリッドステート光子エミッタの前記電子スピン状態は、分解可能であり、
前記少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタを個々にアドレス指定するよう構成された励起装置を有し、
複数個の光取り出し構造体を有し、各ソリッドステート光子エミッタは、関連の光取り出し構造体を備え、
前記少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタからの前記光子放出ピーク強度相互間の前記第１の周波数差を前記第１の周波数差よりも小さい第２の周波数差に減少させるよう構成された同調装置を有し、
同調後の前記少なくとも２つのソリッドステートエミッタからの光子放出を互いにオーバーラップさせるよう構成された光子干渉装置を有し、
同調を行って前記光子干渉装置を通過した後に前記少なくとも２つのソリッドステートエミッタからの光子放出を検出するよう構成された検出器装置を有し、前記検出器装置は、前記少なくとも２つのソリッドステートエミッタからの同調後の光子放出が量子力学的に識別不能であるほど光子検出時間に関する僅かな差を分解するよう構成され、その結果、互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの識別不能な光子放出相互間の量子干渉が生じる、装置。
２．  各光子放出ピークは、その関連のソリッドステートエミッタの固有幅の１００倍以下、８０倍以下、６０倍以下、４０倍以下、２０倍以下、１０倍以下、５倍以下、又は１倍以下の帯域幅を有する、上記１記載の装置。
３．  各光子放出ピークの帯域幅は、１ＧＨｚ以下、０．５ＧＨｚ以下、０．３ＧＨｚ以下、０．１ＧＨｚ以下、０．０５ＧＨｚ以下、０．０１ＧＨｚ以下、１０００Ｈｚ以下、５００Ｈｚ以下、又は１００Ｈｚ以下である、上記２記載の装置。
４．  互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの２つの光子放出ピーク相互間の前記第１の周波数差は、前記２つの光子放出ピークの各々の固有幅の１００００倍以下、５０００倍以下、３０００倍以下、１０００倍以下、７５０倍以下、又は５００倍以下である、上記１〜３のうちいずれか一に記載の装置。
５．  互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの２つの光子放出ピーク相互間の前記第１の周波数差は、５０ＧＨｚ以下、４０ＧＨｚ以下、３０ＧＨｚ以下、２０ＧＨｚ以下、又は１０ＧＨｚ以下である、上記４記載の装置。
６．  同調後における互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの２つの光子放出ピーク相互間の前記第２の周波数差は、前記２つの光子放出ピークの各々の固有幅の１００倍以下、７５倍以下、５０倍以下、２５倍以下、１０倍以下、５倍以下、又は１倍以下である、上記１〜５のうちいずれか一に記載の装置。
７．  互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの２つの光子放出ピーク相互間の前記第２の周波数差は、１０ＧＨｚ以下、５ＧＨｚ以下、４ＧＨｚ以下、３ＧＨｚ以下、２ＧＨｚ以下、１ＧＨｚ以下、０．７５ＧＨｚ以下、又は０．５ＧＨｚ以下である、上記６記載の装置。
８．  前記検出器は、光子検出時間に関し、１／（各ソリッドステート光子エミッタの固有幅）、１０／（各ソリッドステート光子エミッタの固有幅の２００倍）、１／（各ソリッドステート光子エミッタの固有幅の２００倍）、１／（各ソリッドステート光子エミッタの固有幅の５００倍）、１／（各ソリッドステート光子エミッタの固有幅の１０００倍）又は１／（各ソリッドステート光子エミッタの固有幅の２０００倍）よりも小さい差を分解するよう構成されている、上記１〜７のうちいずれか一に記載の装置。
９．  前記検出器は、０．１〜２５ＧＨｚ、０．５〜２０ＧＨｚ、１〜１５ＧＨｚ、１〜１０ＧＨｚ又は１〜５ＧＨｚの周波数分解能を有する、上記１〜８のうちいずれか一に記載の装置。
１０．  各ソリッドステート光子エミッタは、その関連の光子放出ピークよりも大きな帯域幅を有する光子放出を生じさせるよう構成され、前記量子干渉装置は、各ソリッドステート光子エミッタの前記光子放出ピークと関連していない光子をフィルタリング処理により除去することによって各ソリッドステート光子エミッタからの光子放出の帯域幅を減少させるよう構成されたフィルタ処理装置を更に有する、上記１〜９のうちいずれか一に記載の装置。
１１．  前記フィルタ処理装置は、フィルタ処理後、各ソリッドステート光子エミッタからの光子放出がその関連のソリッドステートエミッタの固有幅の１００以下、８０以下、６０以下、４０以下、２０以下、１０以下、５以下、又は１以下の帯域幅を有するよう構成されている、上記１０記載の装置。
１２．  前記フィルタ処理装置は、フィルタ処理後、各ソリッドステート光子エミッタからの光子放出が１ＧＨｚ以下、０．５ＧＨｚ以下、０．３ＧＨｚ以下、０．１ＧＨｚ以下、０．０５ＧＨｚ以下、０．０１ＧＨｚ以下、１０００Ｈｚ以下、５００Ｈｚ以下、又は１００Ｈｚ以下の帯域幅を有するよう構成されている、上記１１記載の装置。
１３．  前記フィルタ処理装置は、ゼロ光子線放出を光子側波帯放出から分離するよう構成されたフィルタ処理要素を含む、上記１０〜１２のうちいずれか一に記載の装置。
１４．  前記分離された光子側波帯放出を測定するよう構成された検出器と、前記光子側波帯放出の強度の減少を検出して前記光子側波帯放出の強度を増大させる場合、前記量子処理装置のコンポーネントを再位置合わせすると共に／或いは再焦点合わせする調整装置とを更に有する、上記１３記載の装置。
１５．  前記検出器及び前記調整装置は、前記検出器からのデータを受け取ると共に前記調整装置を制御して前記量子処理装置の前記コンポーネントの位置合わせ及び／又は焦点合わせ状態を維持するよう構成されたプロセッサを含む自動フィードバック機構体を提供するよう配置されている、上記１４記載の装置。
１６．  前記フィルタ処理装置は、ダイクロイックミラー、回折格子及びフィルタ処理空胴共振器のうちの１つ又は２つ以上を含む、上記１０〜１５のうちいずれか一に記載の装置。
１７．  前記量子処理装置は、共通偏光の光子を選択的にフィルタ処理するよう構成された偏光フィルタ処理装置を更に有する、上記１〜１６のうちいずれか一に記載の装置。
１８．  前記偏光フィルタ処理装置は、偏光ビームスプリッタを含む、上記１７記載の装置。
１９．  前記少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタは、ダイヤモンド材料中の光子放出欠陥によって形成されている、上記１〜１８のうちいずれか一に記載の装置。
２０．  前記光子放出欠陥は、窒素空孔（ＮＶ）欠陥である、上記１９記載の装置。
２１．  前記光子放出欠陥は、前記ダイヤモンド材料の結晶方位に対して優先的に配向されている、上記１９又は２０記載の装置。
２２．  前記ダイヤモンド材料は、｛１１１｝結晶方位に配向され、前記光子放出欠陥は各々、表面平面内に位置すると共に互いに直交したＥx及びＥy転位に対応したダイポールを有する、上記１９〜２１のうちいずれか一に記載の装置。
２３．  各光取り出し構造体は、ソリッドステート光子エミッタ上に心出しされたソリッドステート浸漬レンズから成る、上記１〜２２のうちいずれか一に記載の装置。
２４．  前記励起装置は、Ｅx又はＥy放出を選択的に励起するために前記励起の偏光を調節するよう構成されている、上記１〜２３のうちいずれか一に記載の装置。
２５．  前記同調装置は、電界を前記少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタのうちの１つ又は２つ以上に印加して前記少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタ相互間の周波数差を補償し、そして前記光子放出ピークを共振させるよう構成されている、上記１〜２４のうちいずれか一に記載の装置。
２６．  各ソリッドステート光子エミッタは、前記電界を発生させるために電圧を印加することができる関連のｄｃゲートを備えている、上記２５記載の装置。
２７．  前記偏光フィルタ処理装置は、前記同調装置の前記電界の印加の結果としてダイポール方位の変化を補償するよう構成されている、上記１７、１８、２５又は２６記載の装置。
２８．  平行偏光と直交偏光との間の放出濃度を変更するために切り替え装置が設けられている、上記１〜２７のうちいずれか一に記載の装置。
２９．  前記光子干渉装置は、前記２つ又は３つ以上のソリッドステートエミッタからの光子放出を互いにオーバーラップさせるよう構成されたビームスプリッタを含む、上記１〜２８のうちいずれか一に記載の装置。
３０．  各ソリッドステートエミッタは、前記ソリッドステートエミッタの電子スピン状態を選択的に操作するための関連のマイクロ波ストリップを備えている、上記１〜２９のうちいずれか一に記載の装置。
３１．  前記励起装置は、前記ソリッドステート光子エミッタが光子を放出する際の周波数と同一の周波数で前記少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタを個々にアドレス指定するよう構成されている、上記１〜３０のうちいずれか一に記載の装置。
３２．  前記励起装置は、前記ソリッドステート光子エミッタが光子を放出する際の周波数とは異なる周波数で前記少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタを個々にアドレス指定するよう構成されている、上記１〜３１のうちいずれか一に記載の装置。
３３．  ５０％以上、６０％以上、６５％以上、７０％以上、又は７５％以上の時間分解多光子干渉コントラストを有する、上記１〜３２のうちいずれか一に記載の装置。
３４．  ソリッドステートコンポーネントであって、
少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタを有し、各ソリッドステート光子エミッタは、互いに結合された核スピン状態と電子スピン状態を有し、各ソリッドステート光子エミッタは、光子放出ピークを含む光子放出を生じさせるよう構成され、互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの光子放出ピークは、ピーク強度相互間の第１の周波数差を有し、各ソリッドステート光子エミッタの前記電子スピン状態は、分解可能であり、
複数個のマイクロ波ストリップを有し、各ソリッドステート光子エミッタは、前記ソリッドステートエミッタの電子スピン状態を選択的に操作するための関連のマイクロ波ストリップを備え、
電界を前記少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタのうちの１つ又は２つ以上に印加して前記少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタ相互間の周波数差を補償し、そして前記光子放出ピークを共振させるよう構成された同調装置を有し、
複数個の光取り出し構造体を有し、各ソリッドステート光子エミッタは、関連の光取り出し構造体を備えている、ソリッドステートコンポーネント。
３５．  各光子放出ピークは、その関連のソリッドステートエミッタの固有幅の１００倍以下、８０倍以下、６０倍以下、４０倍以下、２０倍以下、１０倍以下、５倍以下、又は１倍以下の帯域幅を有する、上記３４記載のソリッドステートコンポーネント。
３６．  各光子放出ピークの帯域幅は、１ＧＨｚ以下、０．５ＧＨｚ以下、０．３ＧＨｚ以下、０．１ＧＨｚ以下、０．０５ＧＨｚ以下、０．０１ＧＨｚ以下、１０００Ｈｚ以下、５００Ｈｚ以下、又は１００Ｈｚ以下である、上記３５記載のソリッドステートコンポーネント。
３７．  互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの２つの光子放出ピーク相互間の前記第１の周波数差は、前記２つの光子放出ピークの各々の固有幅の１００００倍以下、５０００倍以下、３０００倍以下、１０００倍以下、７５０倍以下、又は５００倍以下である、上記３４〜３６のうちいずれか一に記載のソリッドステートコンポーネント。
３８．  互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの２つの光子放出ピーク相互間の前記第１の周波数差は、５０ＧＨｚ以下、４０ＧＨｚ以下、３０ＧＨｚ以下、２０ＧＨｚ以下、又は１０ＧＨｚ以下である、上記３７記載のソリッドステートコンポーネント。
３９．  前記同調装置は、互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの２つの光子放出ピーク相互間の前記第２の周波数差を前記２つの光子放出ピークの各々の固有幅の１００倍以下、７５倍以下、５０倍以下、２５倍以下、１０倍以下、５倍以下、又は１倍以下に減少させるよう構成されている、上記３４〜３８のうちいずれか一に記載のソリッドステートコンポーネント。
４０．  前記同調装置は、互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの２つの光子放出ピーク相互間の前記第２の周波数差を１０ＧＨｚ以下、５ＧＨｚ以下、４ＧＨｚ以下、３ＧＨｚ以下、２ＧＨｚ以下、１ＧＨｚ以下、０．７５ＧＨｚ以下、又は０．５ＧＨｚ以下に減少させるよう構成されている、上記３９記載のソリッドステートコンポーネント。
４１．  前記ソリッドステート光子エミッタは、ソリッドステート材料の別々の片内に設けられている、上記３４〜４０のうちいずれか一に記載のソリッドステートコンポーネント。
４２．  前記ソリッドステート光子エミッタは、ソリッドステート材料の同一の辺内に設けられている、上記３４〜４０のうちいずれか一に記載のソリッドステートコンポーネント。
４３．  前記同調装置は、複数個のＤＣゲートを有し、各ソリッドステート光子エミッタは、前記電界を発生させるために電圧を印加することができる関連のｄｃゲートを備えている、上記３４〜４２のうちいずれか一に記載のソリッドステートコンポーネント。
４４．  前記複数個のソリッドステート光子エミッタは、ダイヤモンド材料の１つ又は２つ以上の片内の光子放出欠陥によって形成されている、上記３４〜４３のうちいずれか一に記載のソリッドステートコンポーネント。
４５．  前記光子放出欠陥は、ＮＶ欠陥である、上記４４記載のソリッドステートコンポーネント。
４６．  前記光子放出欠陥は、前記ダイヤモンド材料の結晶方位に対して優先的に配向されている、上記４４又は４５記載のソリッドステートコンポーネント。
４５．  前記ダイヤモンド材料は、｛１１１｝結晶方位に配向され、前記光子放出欠陥は各々、表面平面内に位置すると共に互いに直交したＥx及びＥy転位に対応したダイポールを有する、上記４４〜４６のうちいずれか一に記載のソリッドステートコンポーネント。
４７．  各光取り出し構造体は、ソリッドステート光子エミッタ上に心出しされたソリッドステート浸漬レンズである、上記３４〜４５のうちいずれか一に記載のソリッドステートコンポーネント。
４８．  上記３４〜４７のうちいずれか一に記載のソリッドステートコンポーネントを作製する方法であって、前記方法は、
少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタを識別するステップを含み、各ソリッドステート光子エミッタは、互いに結合された核スピン状態と電子スピン状態を有し、各ソリッドステート光子エミッタは、光子放出ピークを含む光子放出を生じさせるよう構成され、互いに異なるソリッドステート光子エミッタからの光子放出ピークは、ピーク強度相互間の第１の周波数差を有し、各ソリッドステート光子エミッタの前記電子スピン状態は、分解可能であり、
複数個の光取り出し構造体を作製するステップを含み、各識別されたソリッドステート光子エミッタは、関連の光取り出し構造体を備え、
複数個のマイクロ波ストリップを作製するステップを含み、各ソリッドステート光子エミッタは、前記ソリッドステートエミッタの電子スピン状態を選択的に操作するための関連のマイクロ波ストリップを備え、
電界を前記少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタのうちの１つ又は２つ以上に印加して前記少なくとも２つのソリッドステート光子エミッタ相互間の周波数差を補償し、そして前記光子放出ピークを共振させるよう構成された同調装置を作製するステップを含む、方法。
４９．  前記識別ステップは、
レーザを用いてソリッドステート光子エミッタを共振的に励起すると共に光子側波帯へのレッドシフト蛍光を検出するステップ、又は
オフ共振励起及び走査型ファブリ・ペロー干渉計を用いるステップのうちの一方を含む、上記４８記載の方法。
５０．  前記複数個の光取り出し構造体は、イオンビームフライス加工を用いて作製される、上記４８又は４９記載の方法。
５１．  前記同調装置は、複数個のＤＣゲートによって形成され、各ソリッドステート光子エミッタは、前記電界を発生させるために電圧を印加することができる関連のｄｃゲートを備えている、上記４８〜５０のうちいずれか一に記載の方法。
５２．  前記複数個のマイクロ波ストリップと前記同調装置の一方又は両方は、電子ビームリソグラフィを用いて形成される、上記４８〜５１のうちいずれか一に記載の方法。
【図６】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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