(57)【要約】【課題】原子核スピンを利用して一素子の中で多量子ビットを実現する。【解決手段】原子核スピンの角運動量が１／２よりも大きい原子核を含む領域を備えた素子１に対し、当該領域における各エネルギー準位間のエネルギー差にそれぞれ対応した複数のマイクロ波を照射する。これにより、素子内部でマイクロ波による光子と原子核スピンとが結合するとともに核磁気共鳴が生じ、それぞれの原子核スピン間の遷移をコヒーレントに制御することを可能にする。【選択図】図１
2006135054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子核スピンの角運動量が１／２よりも大きい原子核を含む領域を備えた素子と、
各原子核スピンによるエネルギー準位間のエネルギー差にそれぞれ対応した複数のマイクロ波を前記素子に照射するマイクロ波照射手段と、
を有することを特徴とする多量子ビット装置。
【請求項２】
各原子核スピンによる実エネルギー準位を量子ビットとしたことを特徴とする請求項１記載の多量子ビット装置。
【請求項３】
各原子核スピンによる実エネルギー準位の間隔をマイクロ波の数で等分割した仮想準位を量子ビットとしたことを特徴とする請求項１記載の多量子ビット装置。
【請求項４】
原子核スピンによる実エネルギー準位の間隔を各マイクロ波の周波数比で分割した仮想準位を量子ビットとしたことを特徴とする請求項１記載の多量子ビット装置。
【請求項５】
原子核スピンの角運動量が１／２よりも大きい原子核を含む領域を備えた素子について、各原子核スピンによるエネルギー準位間のエネルギー差にそれぞれ対応した複数のマイクロ波を発生させるステップと、
前記複数のマイクロ波を前記素子に照射するステップと、
を有することを特徴とする多量子ビット化方法。
【請求項６】
各原子核スピンによる実エネルギー準位を量子ビットとしたことを特徴とする請求項５記載の多量子ビット化方法。
【請求項７】
各原子核スピンによる実エネルギー準位の間隔をマイクロ波の数で等分割した仮想準位を量子ビットとしたことを特徴とする請求項５記載の多量子ビット化方法。
【請求項８】
各原子核スピンによる実エネルギー準位の間隔を各マイクロ波の周波数比で分割した仮想準位を量子ビットとしたことを特徴とする請求項５記載の多量子ビット化方法。
【請求項９】
原子核スピンの角運動量が１／２よりも大きい原子核を含む領域を備えた素子と、
各原子核スピンによるエネルギー準位間のエネルギー差にそれぞれ対応した複数のマイクロ波を発生させ前記素子に照射するマイクロ波照射手段と、
各マイクロ波についてそれぞれパルス幅、強度、周波数のうちの少なくとも２つを制御する制御手段と、
各マイクロ波のパルス幅、強度、周波数のうちの少なくとも２つを変化させたときの前記領域における抵抗値の変化を検出する検出手段と、
を有することを特徴とする多量子ビット情報処理装置。
【請求項１０】
複数の前記素子を集積化したことを特徴とする請求項９記載の多量子ビット情報処理装置。
【請求項１１】
各原子核スピンによる実エネルギー準位を量子ビットとしたことを特徴とする請求項９又は１０記載の多量子ビット情報処理装置。
【請求項１２】
各原子核スピンによる実エネルギー準位の間隔をマイクロ波の数で等分割した仮想準位を量子ビットとしたことを特徴とする請求項９又は１０記載の多量子ビット情報処理装置。
【請求項１３】
各原子核スピンによる実エネルギー準位の間隔を各マイクロ波の周波数比で分割した仮想準位を量子ビットとしたことを特徴とする請求項９又は１０記載の多量子ビット情報処理装置。
【請求項１４】
原子核スピンの角運動量が１／２よりも大きい原子核を含む領域を備えた素子について、各原子核スピンによるエネルギー準位間のエネルギー差にそれぞれ対応した複数のマイクロ波を発生させるステップと、
前記複数のマイクロ波を前記素子に照射するステップと、
前記マイクロ波についてそれぞれパルス幅、強度、周波数のうちの少なくとも２つを変化させるステップと、
このときの前記領域における抵抗値の変化をそれぞれ検出するステップと、
を有することを特徴とする多量子ビット情報処理方法。
【請求項１５】
複数の前記素子が集積化されていることを特徴とする請求項１４記載の多量子ビット情報処理方法。
【請求項１６】
各原子核スピンによる実エネルギー準位を量子ビットとしたことを特徴とする請求項１４又は１５記載の多量子ビット情報処理方法。
【請求項１７】
各原子核スピンによる実エネルギー準位の間隔をマイクロ波の数で等分割した仮想準位を量子ビットとしたことを特徴とする請求項１４又は１５記載の多量子ビット情報処理方法。
【請求項１８】
各原子核スピンによる実エネルギー準位の間隔を各マイクロ波の周波数比で分割した仮想準位を量子ビットとしたことを特徴とする請求項１４又は１５記載の多量子ビット情報処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子核スピンを用いて一素子で多量子ビットを実現する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、原子核スピンと外界との相互作用は非常に小さいため、原子核スピンは外界からの影響を受けにくく、量子情報処理を行うために必要なコヒーレンス時間が長いことが予想され、原子核スピンをコヒーレントに制御可能な核磁気共鳴法（ＮＭＲ）は、量子情報処理の手段として適している。
【０００３】
核磁気共鳴法を利用した量子情報処理の従来の技術としては、例えば非特許文献１にあるように、７量子ビットまでの量子計算が報告されている。これは、図１３に示すような分子を構成する符号８１〜８７の原子の原子核スピンを量子ビットとして用いたものである。非特許文献１では、核磁気共鳴を用いて、それぞれの量子ビットのコヒーレント状態を制御し、素因数分解の量子アルゴリズムを適用して、整数１５の素因数分解を行い、１５＝３×５との結果を得た例を示している。
【０００４】
ところで、従来の核磁気共鳴ではマイクロ波領域の振動磁場によって原子核スピンを反転させ、それを自由誘導減衰によって検出する。磁気双極子遷移の選択則は、±１によって支配されるため、一般に量子数が１だけ異なる状態間の遷移（一量子遷移）が観測される。これを利用すると、二準位状態のコヒーレンスを核磁気共鳴によって作り出すことができる。
【非特許文献１】ネイチャー誌、４１４巻、２０号、８８３−８８７頁（Nature Volume 414, No. 20 pp 883-887）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
量子情報処理において大量の処理を実現する場合、使用可能な量子ビットの数が重要になる。現在のところ、非特許文献１にあるように、７量子ビットまでの量子計算が報告されている。しかし、このような技術では、分子の種類によって使用可能な量子ビット数が制限され、また従来技術では状態を検出するために膨大な数の分子が必要となる。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、原子核スピンを応用して一素子の中で多量子ビットを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の本発明に係る多量子ビット装置は、原子核スピンの角運動量が１／２よりも大きい原子核を含む領域を備えた素子と、各原子核スピンによるエネルギー準位間のエネルギー差にそれぞれ対応した複数のマイクロ波を前記素子に照射するマイクロ波照射手段と、を有することを特徴とする。
【０００８】
第２の本発明に係る多量子ビット化方法は、原子核スピンの角運動量が１／２よりも大きい原子核を含む領域を備えた素子について、各原子核スピンによるエネルギー準位間のエネルギー差にそれぞれ対応した複数のマイクロ波を発生させるステップと、前記複数のマイクロ波を前記素子に照射するステップと、を有することを特徴とする。
【０００９】
第１，２の本発明にあっては、原子核スピンの角運動量が１／２よりも大きい原子核を含む領域を備えた素子について、各原子核スピンによるエネルギー準位間のエネルギー差にそれぞれ対応した複数のマイクロ波を素子に照射することで、素子内部ではマイクロ波領域の電磁波（電磁波を粒子とみた場合は光子）と原子核スピンとが結合するとともに核磁気共鳴が発生し、原子核スピンの多量子遷移をコヒーレントに制御でき、情報の書き込みが可能となる。
【００１０】
第３の本発明に係る多量子ビット情報処理装置は、原子核スピンの角運動量が１／２よりも大きい原子核を含む領域を備えた素子と、各原子核スピンによるエネルギー準位間のエネルギー差にそれぞれ対応した複数のマイクロ波を発生させ前記素子に照射するマイクロ波照射手段と、各マイクロ波についてそれぞれパルス幅、強度、周波数のうちの少なくとも２つを制御する制御手段と、各マイクロ波のパルス幅、強度、周波数のうちの少なくとも２つを変化させたときの前記領域における抵抗値の変化を検出する検出手段と、を有することを特徴とする。
【００１１】
第４の本発明に係る多量子ビット情報処理方法は、原子核スピンの角運動量が１／２よりも大きい原子核を含む領域を備えた素子について、各原子核スピンによるエネルギー準位間のエネルギー差にそれぞれ対応した複数のマイクロ波を発生させるステップと、前記複数のマイクロ波を前記素子に照射するステップと、前記マイクロ波についてそれぞれパルス幅、強度、周波数のうちの少なくとも２つを変化させるステップと、このときの前記領域における抵抗値の変化をそれぞれ検出するステップと、を有することを特徴とする。
【００１２】
第３，４の本発明にあっては、第１，第２の発明に追加して、照射するマイクロ波についてそれぞれパルス幅、強度、周波数のうちの少なくとも２つを変化させ、このときの原子核を含む領域における抵抗値の変化をそれぞれ検出する。この領域では電子スピンと原子核スピンとが結合するので、抵抗値を検出することは原子核スピンの重ね合わせの状態を検出することに相当し、情報を量子ビットとして読み出すことが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、一素子の中で多量子ビットを実現することができる。また、この素子を利用することで、大量の処理が可能な量子情報処理を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、一実施の形態について説明する。
【００１５】
図１は、一素子の中で多量子ビットを実現するための装置の構成を示す図である。本装置は、素子１、マイクロ波照射装置２、検出器３を備え、素子１、マイクロ波照射装置２により多量子ビット化装置が構成され、素子１、マイクロ波照射装置２、検出器３により多量子ビット情報処理装置が構成される。同図では、マイクロ波ケーブルを太線で、制御用ケーブルを破線で、検出用ケーブルを細線でそれぞれ示してある。
【００１６】
素子１は、原子核スピンの角運動量が１／２よりも大きい複数の原子核を含む領域を備えた素子である。
【００１７】
マイクロ波照射装置２は、素子１の各原子核スピンによる各エネルギー準位間のエネルギー差にそれぞれ対応した複数のマイクロ波１〜ｎ（ｎは整数）を発生させるためのマイクロ波発生源４−１〜４−ｎ（総称して「マイクロ波発生源４」とよぶ）、各マイクロ波の位相をそれぞれ調整する位相調整器５−１〜５−ｎ（総称して「位相調整器５」とよぶ）、各マイクロ波の出力・非出力を制御するスイッチ６−１〜６−ｎ（総称して「スイッチ６」とよぶ）、各マイクロ波を結合して素子１に照射する結合器７、そして制御部８を備える。制御部８は、パソコン等で構成され、マイクロ波発生源４、位相調整器５、スイッチ６の制御を行う。
【００１８】
検出器３は、素子１の原子核スピンの角運動量が１／２よりも大きい複数の原子核を含む領域における抵抗値の変化を検出する。
【００１９】
次に、素子１の構成について詳細に説明する。ここでは、素子１の一例として半導体素子を例に説明する。図２の断面斜視図に示すように、本半導体素子は、Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓ基板であるバックゲート２０の上に、ノンドープＧａＡｓ層（膜厚５０ｎｍ）とＡｌＡｓ層（膜厚２ｎｍ）、ＧａＡｓ層（膜厚２ｎｍ）の２００層から成る短周期超格子層とノンドープＡｌＧａＡｓ層（２０ｎｍ）とから成るバリア層１６を有し、バリア層１６の上に膜厚２０ｎｍのＧａＡｓ層１８を有し、この上にバリア層１５を有し、バリア層１５上にＴｉ／Ａｕから成るショットキースプリットゲート１３，１４（膜厚２０ｎｍのＴｉ上に膜厚１６０ｎｍのＡｕを積層した構造）と絶縁層１２（膜厚８００ｎｍ）を有し、絶縁層１２上にＴｉ／Ａｕ（膜厚３０ｎｍのＴｉの上に膜厚９７０ｎｍのＡｕを積層した構造）から成るマイクロストリップ線路のアンテナ１１を有する構造である。なお、図２は、本半導体素子を鉛直方向に２分した状態の断面を示している。
【００２０】
バリア層１５は、ＡｌＧａＡｓを１００ｎｍ堆積し、その表面に一原子層程度に、４×１０１２（個／平方センチメートル）程度のＳｉをドープし、ＡｌＧａＡｓを２０ｎｍ堆積し、その表面に一原子層程度にＳｉをドープし、再度ＡｌＧａＡｓを４０ｎｍ堆積し、ＧａＡｓを１５ｎｍ堆積することにより形成される。バリア層１５におけるこれらＳｉドープ層、膜厚２０ｎｍのＡｌＧａＡｓ層、Ｓｉドープ層からなる短周期超格子部分を図２ではＳｉドープ層１７と示す。
【００２１】
ＧａＡｓ層１８は、原子核スピンの角運動量Ｉが１／２よりも大きい複数の原子核で構成される。ここでは、一例としてＩ＝３／２である原子核６９Ｇａ、７１Ｇａ、７５Ａｓで構成されるものとする。
【００２２】
本実施形態において角運動量Ｉが１／２よりも大きい複数の原子核を用いるのは、エネルギー準位を複数にするためである。角運動量Ｉとエネルギー準位の数Ｍとの間には次式（１）の関係があり、本実施形態のように、Ｉ＝３／２とした場合には、エネルギー準位の数は４となる。
【００２３】
Ｍ＝２Ｉ＋１  （１）
また、ＧａＡｓ層１８は、二次元電子ガスが形成され、二次元電子ガス層となる。二次元電子ガス層には、Ｓｉドープ層１７を通じて電子が供給される。
【００２４】
ショットキースプリットゲート１３，１４の間隔は、二次元電子ガス層が狭窄され、ナノスケールの領域（以下「ナノ領域」という）を形成可能な間隔とし、ここでは例えば、当該間隔を６００ナノメートルとする。
【００２５】
制御部８により、半導体素子に対して二次元電子ガス層にランダウ占有率ν＝２／３の分数量子ホール状態が形成可能な外部磁場を印加する。例えば、外部磁場は５．５テスラとし、半導体素子を温度０．１Ｋの環境下に置く。すると、二次元電子ガス層には、偏極状態の電子スピンと無偏極状態の電子スピンとが共存可能なランダウ占有率ν＝２／３の分数量子ホール状態が形成され、二次元電子ガス層のショットキースプリットゲート１３，１４に対応する位置に、空乏化した領域に沿って端チャネルがそれぞれ形成される。
【００２６】
なお、本実施の形態では、偏極状態とは、ある領域において、全てのスピンが一定の方向を向いている状態であり、当該領域のスピンの平均が１または−１（例えば、全てのスピンが上向きの状態は１、下向きの状態は−１）である状態のことをいう。無偏極状態とは、ある領域において、スピンが上向きと下向きの状態が共存し、当該領域のスピンの平均が０である状態のことをいう。そのような偏極及び無偏極状態の領域は、ある磁場における磁気長程度（数ナノメートル）を下限とするような大きさを持つと考えられる。
【００２７】
続いて、ゲート制御部９により、バックゲート１０に−０．３８Ｖの電圧を、ショットキースプリットゲート１３，１４に−０．４Ｖの負バイアスをそれぞれ印加する。すると、図３の平面図に示すように、二次元電子ガス層では、空乏領域２１に沿う端チャネル２４と、空乏領域２２に沿う端チャネル２３との間隔が狭窄され、ナノ領域２５が形成される。ナノスケールの範囲は、数〜数百ナノメートルの範囲が望ましい。このようなナノ領域２５においては、電流密度が局所的に増加することになる。
【００２８】
この状態において、制御部８により、無偏極状態と偏極状態の電子スピンに跨って電流を流すと、電子スピンが反転し、これに伴って原子核スピンが反転する。このように原子核スピンの方向が揃い、偏極状態となり、原子核スピンの制御が可能となる。このように、無偏極状態と偏極状態の電子スピンがナノ領域で共存することを利用して原子核スピンの状態を制御する。
【００２９】
さらに、制御部８により、アンテナ１１に対して、原子核スピンに共鳴する周波数のパルス状のマイクロ波を導入する。マイクロ波の周波数と強度は、半導体素子を構成する核種のエネルギー準位等に応じて設定する。
【００３０】
マイクロ波を導入することで核磁気共鳴が発生し、原子核スピンを高精度かつコヒーレントに制御することが可能となる。
【００３１】
そして、ＧａＡｓ層１８には、図３の平面図に示すように、当該領域における抵抗値の変化を検出するための端子３１，３２がナノ領域２５を挟む位置に対向して配置される。これらの端子３１，３２は検出器３に接続される。
【００３２】
原子核スピンの方向が揃い、偏極の度合いが進んでいくと抵抗値が増大し、核スピン偏極状態、すなわち量子情報処理のための初期状態が形成出来る。原子核スピンの準位間のエネルギーは一般的に非常に小さく通常の温度では原子核スピンはほぼ均等に分布するが、本実施例のように電子スピンと原子核スピンとの間で生じる超微細相互作用を利用して原子核スピンを偏極させる手法以外にも、オーバーハウザー効果、あるいは極低温の利用等により、原子核スピンを一つの状態に偏極させることも可能である。
【００３３】
図４は、本実施形態における原子核スピンのエネルギー状態を概略的に示す図である。各エネルギー準位は、外部磁場あるいは電気四重極効果等によりシフトする。同図では、４つのエネルギー準位４１〜４４について、符号４１は量子準位|−３／２>、符号４２は量子準位|−１／２>、符号４３は量子準位|１／２>、符号４４は量子準位|３／２>をそれぞれ示す。符号４５は、磁場中の原子核スピンのゼーマンエネルギーであり、各エネルギー準位間で均等となっている。同図では、各エネルギー準位が電気四重極効果により符号４６に示すエネルギー分だけそれぞれシフトした状態を示す。このように４準位状態間のエネルギーの縮退が解かれると、１スピン間については３種類の１量子遷移４７，４８，４９が可能となり、２スピン間については２種類の２量子遷移５０，５１が可能となり、３スピン間については１種類の３量子遷移５２が可能となる。なお、同図において符号５３で示す破線は仮想準位を示している。
【００３４】
このような多準位系状態における素子１に対して、マイクロ波照射装置２は、各エネルギー準位間のエネルギー差に対応する複数の周波数のマイクロ波を照射する。ここでは、エネルギー準位間の数は３であるので、３種類のマイクロ波を照射する。なお、マイクロ波の周波数は、準位間のエネルギー差に対して１対１で対応するものである。
【００３５】
図５にマイクロ波のパルス列の一例を示す。制御部８は、図５に示すような各エネルギー準位間のエネルギー差に対応する周波数ω１〜ωｎのマイクロ波をそれぞれマイクロ波発生源４−１〜４−ｎに生成させるとともに、スイッチ６−１〜６−ｎを開く。すると、これらのマイクロ波は、結合器７で重ね合わされ、素子１のアンテナ１１に照射される。
【００３６】
これにより、素子１では、マイクロ波による光子と原子核スピンとが結合するとともに、核磁気共鳴が生じ、各原子核スピン間の多量子遷移をコヒーレントに制御することが可能となる。これによって、情報を量子ビットとして書き込むことが可能となる。
【００３７】
ＧａＡｓ層１８では電子スピンと原子核スピンとが結合しているので、抵抗値を検出することは、原子核スピンの重ね合わせの状態を検出することに相当する。制御部８により、各マイクロ波発生源４について、周波数、パルスの幅、強度のうちの少なくとも２つを変化させたパルスを照射して抵抗を検出することにより、一つの量子ビットのすべての状態を制御検出することが可能となる。
【００３８】
図６は、本実施形態の装置について得られた特性の一例を示す。同図では、横軸は照射するマイクロ波の周波数、縦軸はパルス幅であり、核磁気共鳴信号の強度（抵抗値）をグレースケールで示している。ここでは、ＧａＡｓ層１８を構成する原子核６９Ｇａ、７１Ｇａ、７５Ａｓのうち、７５Ａｓの特性に着目している。同図において符号７２は準位|−３／２>と|−１／２>との間（１スピン間）の１量子コヒーレント振動、符号７３は準位|−１／２>と|１／２>との間（１スピン間）の１量子コヒーレント振動、符号７４は準位|１／２>と|３／２>との間（１スピン間）の１量子コヒーレント振動をそれぞれ示す。符号７５は準位|−３／２>と|１／２>との間（２スピン間）の２量子コヒーレント振動、符号７６は準位|１／２>と|３／２>との間（２スピン間）の２量子コヒーレント振動をそれぞれ示す。符号７７は準位|−３／２>と|３／２>との間（３スピン間）の３量子コヒーレント振動を示す。
【００３９】
本実施形態では、同位体を含め、３つの核種６９Ｇａ、７１Ｇａ、７５Ａｓが存在し、それぞれの核種について原子核スピンの変化量、マイクロ波光子（マイクロ波領域の電磁波を第二量子化し粒子とみなしたもの）の数がそれぞれ一致する多量子コヒーレント振動は６種類観測されるので、合計３×６＝１８種類の異なる量子コヒーレンスを一素子で実現することができる。
【００４０】
一般的な核磁気共鳴検出法では、エネルギーとスピンの保存則のため、原子核スピンの変化量とマイクロ波光子の数が一致する場合でしか検出できない。これに対し、本実施形態のように、原子核スピンと電子スピンの結合を利用し、抵抗によって検出することにより、原子核スピンの変化量、マイクロ波光子の数に関わらず、多スピン間の多量子コヒーレンス状態を制御検出することが可能となる。これは、図７に示すように、原子核スピンによる実エネルギー準位間隔をマイクロ波の数（マイクロ波光子の数）ｎで等分割した仮想準位を量子ビットとして使用可能であることを示している。
【００４１】
図７は、単色多光子遷移の概略を示す。ここで、単色とは、照射するマイクロ波の周波数が単一であることを意味する。符号５４は１スピン間の量子遷移５５，５６，５７を示し、符号５８は２スピン間の量子遷移５９，６０を示し、符号６１は３スピン間の量子遷移６２を示し、破線は仮想準位を示す。符号５４内では、各量子遷移５５，５６，５７のエネルギー準位差がそれぞれマイクロ波の数ｎで等分されている。各量子遷移５５，５６，５７では、ｎ等分された各準位差でそれぞれ単一の周波数が用いられる。同様に、符号５８内、符号６１内でも、各エネルギー準位差がそれぞれマイクロ波の数ｎで等分され、ｎ等分された各準位差でそれぞれ単一の周波数が用いられる。
【００４２】
図８は、単色多光子遷移についてマイクロ波周波数と核磁気共鳴信号との関係を示すグラフである。同図では、上から順にエネルギー準位間をマイクロ波の数３，４，５，６，８でそれぞれ等分割したときの多量子遷移について示している。測定条件は、バックゲート電圧を−０．３Ｖ、ショットキースプリットゲート電圧を−０．２２３Ｖ、外部磁場を６．３テスラ、温度を５０ｍＫとした。
【００４３】
図９は、多色多光子遷移の概略を示す。同図では、符号６３は１スピン間の量子遷移６４，６５，６６を示し、符号６７は２スピン間の量子遷移６８，６９を示す、符号７０は３スピン間の量子遷移７１を示し、破線は仮想準位を示す。符号６３内では、１スピン間の各量子遷移６４，６５，６６でそれぞれエネルギー準位差がマイクロ波の周波数比で任意に分割されており、分割された各準位差で異なる周波数を用いることになる。符号６７内では、２スピン間の各量子遷移６８，６９でそれぞれエネルギー準位差がマイクロ波の周波数比で任意に分割されており、分割された各準位差で異なる周波数を用いることになる。符号７０内では、３スピン間の量子遷移７１でエネルギー準位差がマイクロ波の周波数比で任意に分割されており、分割された各準位差で異なる周波数を用いることになる。
【００４４】
図１０は、多色多光子遷移についてマイクロ波周波数と核磁気共鳴信号との関係を示すグラフである。同図では、２種類の異なる周波数のマイクロ波（第１マイクロ波および第２マイクロ波）を同時に照射したときに得られる核磁気共鳴信号のスペクトルを示している。同図では、第１マイクロ波の周波数は、７５Ａｓのゼーマンエネルギーの２／３に相当する２７．６８４ＭＨｚで固定したときの、第２マイクロ波の周波数を横軸とし、核磁気共鳴信号を縦軸としている。同図の符号７８，７９，８０のピークに示すように、従来の核磁気共鳴では観測されたことのない２種類のマイクロ波を用いた２量子コヒーレンス状態（２色２光子遷移によるコヒーレント状態）が観測されている。これは、図９に示すように、照射したマイクロ波の周波数の比で実エネルギー準位間を分割した仮想準位も量子ビットとして使用可能であることを示している。また、符号７８，７９，８０の核磁気共鳴信号が示すように、第１マイクロ波と第２マイクロ波の周波数比は整数である必要はなく、任意にとることができる。つまり、マイクロ波の周波数の比は無限に選択することが可能であり、仮想準位の選択は事実上無限に存在する。
【００４５】
次に、量子情報処理の一例として、多量子系のなかの４準位を用いて量子検索アルゴリズムを実行する場合について説明する。まず、原子核スピンの分布が初期状態にある素子１に対して、マイクロ波照射装置２により三種類のマイクロ波を同時に照射し、４準位間で均等なコヒーレントな重ね合わせ状態を作る。これを量子検索のための初期値に設定する。そして、量子検索アルゴリズムを適用するための三種類のマイクロ波パルスについてコヒーレント振動の９０°パルス（π／２パルス）を生成し、これを照射する。これによって、原子核スピンの状態密度は検索対象の状態に収束するので、検索対象を抵抗の変化によって検出することが可能となる。この９０°パルスは、周波数、パルスの幅、強度のうちの少なくとも２つを変化させて生成する。
【００４６】
次に、多量子ビット情報処理装置の一例として制御否定回路について説明する。制御否定回路は、例えば同核種における異なるエネルギー準位間や異なる核種間に働く磁気双極子相互作用、スピン結合、電子を介した間接相互作用などを使って量子もつれ状態を作ることで製造可能である。例えば、図１１に示すように、第１マイクロ波として周波数ω１、強度Ｂ１のパルスを生成し、第２マイクロ波として周波数ω２、強度Ｂ２のパルスを生成する。第１マイクロ波の９０°パルスを素子１に照射して一定時間ｔだけ放置し、第１マイクロ波の１８０°パルスと第２マイクロ波の１８０°パルスを素子１に照射して一定時間ｔだけ放置し、第１マイクロ波の９０°パルスを照射する。これらの時間ｔは、量子ビット１と量子ビット２の間に働く相互作用の強さに関連するので、これらの時間ｔを調整することで、例えば＜１，１＞であった状態を＜１，０＞に変更することが可能である。なお、各マイクロ波の位相の調整は、位相調整器５で行うようにする。このような制御否定回路を組み合わせることで、多量子ビット情報処理装置を構成することができる。
【００４７】
本実施形態は、一素子内で多量子ビットを構成するものであるが、この素子を半導体構造とすることで、一般的な半導体プロセス技術を用いて、図１２に示すように容易に集積化することができる。この集積化に際しては、一素子内での量子情報を電子等によって他の素子に転送可能な構成とする。図１２では、マイクロ波照射装置２からマイクロ波用ケーブルが各素子１に延出されるとともに、各素子の抵抗値検出用の端子３１，３２が検出器３に接続されている。このように素子を集積化することで、膨大な量子ビット系を構築することができる。なお、同図では、説明の便宜上、各素子について空乏領域２１，２２と抵抗値検出用の端子３１，３２だけを示している。
【００４８】
したがって、本実施の形態によれば、原子核スピンの角運動量が１／２よりも大きい原子核を含む領域を備えた素子１に対し、各原子核スピンによるエネルギー準位間のエネルギー差にそれぞれ対応した複数のマイクロ波を照射することで、素子内部ではマイクロ波光子と原子核スピンとが結合するとともに核磁気共鳴が生じ、原子核スピンの多量子コヒーレンス状態を制御でき、量子情報の操作が可能となる。これにより、一素子の中で多量子ビットを実現することができる。
【００４９】
本実施の形態によれば、上記原子核を含む領域における抵抗値の変化を検出することで、この原子核を含む領域では電子スピンと原子核スピンとが結合しているので、抵抗値を検出することは、原子核スピンの重ね合わせの状態を検出することに相当し、照射するマイクロ波についてそれぞれパルス幅、強度、周波数のうちの少なくとも２つを変化させることで、量子ビットとして操作することが可能となる。これにより、一素子で情報処理が可能となり、この素子を集積化することで、大量の処理が可能な量子情報処理を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】一実施の形態における一素子の中で多量子ビットを実現するための装置の構成を示すブロック図である。
【図２】一素子の構成を示す斜視断面図である。
【図３】ＧａＡｓ層に抵抗値検出用の端子を配置した状態を示す平面図である。
【図４】原子核スピンの角運動量を３／２としたときの原子核スピンのエネルギー準位と量子遷移を示す図である。
【図５】素子に照射するマイクロ波パルスの一例を示す波形図である。
【図６】７５Ａｓの原子核スピンについて照射するマイクロ波の周波数とパルス幅に対する核磁気共鳴信号の強度を示す図である。
【図７】原子核スピンの実エネルギー準位間をマイクロ波の数で等分割した仮想準位と量子遷移を示す図である。
【図８】原子核スピンの実エネルギー準位間をマイクロ波の数３，４，５，６，８でそれぞれ等分割したときの単色多光子遷移についてマイクロ周波数と核磁気共鳴信号との関係を示すグラフである。
【図９】原子核スピンの実エネルギー準位間をマイクロ波の周波数の比で分割した仮想準位と量子遷移を示す図である。
【図１０】多色多光子遷移についてマイクロ波周波数と核磁気共鳴信号との関係を示すグラフである。
【図１１】制御否定回路用のマイクロ波パルスの一例を示す波形図である。
【図１２】素子を集積化した状態における多量子ビット情報処理装置の概略的な構成を示すブロック図である。
【図１３】従来の核磁気共鳴に用いられた分子の構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…素子，２…マイクロ波照射装置
３…検出器，４…マイクロ波発生源
５…位相調整器，６…スイッチ
７…結合器，８…制御部，１２…絶縁層
１０…バックゲート，１１…アンテナ
１３，１４…ショットキースプリットゲート
１５，１６…バリア層，１７…Ｓｉドープ層
１８…ＧａＡｓ層，２０…バックゲート
２１，２２…空乏領域
２３，２４…端チャネル
２５…ナノ領域，３１，３２…端子
【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１３】
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