(57)【要約】単一光子の量子偏光状態を使用して論理演算を実行する方法、および、器具は、第１セットの直交偏光に対して、第１入力空間モードと第１出力空間モードとを有する第１偏光ビーム分割器を備えている。第２偏光ビーム分割器は、第２セットの直交偏光に対して、第２入力空間モードと第２出力空間モードとを有している。第２セットの直交偏光は、第１セットとは異なっている。第２入力空間モードは、第１検出出力空間モードと一直線になっている。多重単一光子検出器の単一光子検出器は、第２出力空間モードの各々に沿って配置されている。第１装置出力部は、単一光子検出器が検出した複数の光子の一部に基づいて出力光子を運ぶ。このような論理演算を量子情報処理用の量子コンピュータで行ってもよい。
2005524127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１セットの直交偏光に対して、複数の第１入力空間モードと、複数の第１出力空間モードとを有する第１偏光ビーム分割器と、
第１セットとは異なる第２セットの直交偏光に対して、複数の第１出力空間モードの第１検出出力空間モードと一直線になっている第２入力空間モードと、複数の第２出力空間モードとを有する第２偏光ビーム分割器と、
複数の第２出力空間モードの異なる１つに沿ってそれぞれ配置されている、複数の第１単一光子検出器と、
複数の第１単一光子検出器が検出する多数の光子に一部基づいて出力光子を運ぶ第１装置出力部とを備える、単一光子の量子偏光状態を使用した論理装置であって、
特定のセットの直交偏光に対する偏光ビーム分割器が、
特定の入力空間モードに到着した、特定のセットの１つの偏光を有する光子を、１つの出力空間モードへ伝送し、
特定の入力空間モードに到着した、特定のセットの異なる偏光を有する光子を、異なる出力空間モードへ伝送する論理装置。
【請求項２】
上記第１装置出力部を介して運ばれる光子は、検出出力空間モードとは異なる複数の第１出力空間モードの伝送出力空間モードへ伝送された光子にさらに基づいている、請求項１に記載の論理装置。
【請求項３】
上記複数の第１入力空間モードの各入力空間モードで単一光子を受け取ることに応じて、第１装置出力部は、複数の第１単一光子検出器が検出する光子の数が１に等しい場合のみ、光子を運ぶ、請求項１に記載の論理装置。
【請求項４】
上記第１装置出力部によって運ばれる光子は、複数の第１入力空間モードで受け取った単一光子が類似偏光状態であることを示している、請求項３に記載の論理装置。
【請求項５】
上記第１装置出力部によって運ばれない光子は、複数の第１入力空間モードで受け取った単一光子が異なる偏光状態であることを示している、請求項３に記載の論理装置。
【請求項６】
上記第１装置出力部によって運ばれる光子は、複数の第１入力空間モードで受け取った単一光子と同じ偏光状態であり、その結果、論理装置は、量子パリティチェック装置である、請求項４に記載の論理装置。
【請求項７】
上記第２セットの直交偏光を、第１セットの直交偏光に対して約４５度回転させた、請求項１に記載の論理装置。
【請求項８】
上記複数の第１単一光子検出器の第１検出器が、単一光子を検出する場合、検出出力空間モードとは異なる複数の第１出力空間モードの伝送出力空間モードにある光子は、第１装置出力部へ方向付けられる、請求項７に記載の論理装置。
【請求項９】
上記装置は、上記第１セットの直交偏光の１つの偏光の重ね合わせ振幅を反転するために、位相シフト器をさらに備えており、
第１検出器とは異なる複数の第１単一光子検出器の第２検出器が、単一光子を検出する場合、伝送出力空間モードにある光子は、位相シフト器の入力部へ方向付けられ、位相シフト器の出力部は、第１装置出力部へ方向付けられる、請求項８に記載の論理装置。
【請求項１０】
上記第１装置出力部によって運ばれる光子は、出力偏光状態であり、
この出力偏光状態は、複数の第１入力モードのターゲット入力モードで受け取ったターゲット光子のターゲット偏光状態、および、
第２セットの垂直偏光に対するターゲット偏光状態の振幅が、ターゲット入力モードとは異なる複数の第１入力モードの制御入力モードで受け取った第２セットの制御光子に関する偏光状態に基づいて変更されている反転ターゲット偏光状態のどちらかであり、
その結果、論理装置は、制御された否定（ＣＮＯＴ）ゲートである、請求項３に記載の論理装置。
【請求項１１】
上記制御光子と同じ偏光状態である光子は、上記装置から出力されず、その結果、論理装置は、制御光子を消費するＣＮＯＴゲートである請求項１０に記載の論理装置。
【請求項１２】
第１セットの直交偏光を、第２セットの直交偏光に対して約４５度回転させた、請求項１０に記載の論理装置。
【請求項１３】
上記制御光子の偏光状態が、第１セットの直交偏光の第１偏光と一直線になっている場合、制御光子は、検出出力空間モードへ伝送される、請求項１０に記載の論理装置。
【請求項１４】
上記第１の単一光子検出器の第１検出器が、単一光子を検出する場合、検出出力空間モードとは異なる複数の第１出力空間モードの出力空間モードに伝送された光子は、第１装置出力部へ方向付けられる、請求項１０に記載の論理装置。
【請求項１５】
上記装置は、光子の状態を確定的に変換するための従来の変換部品をさらに備えており、第１検出器とは異なる複数の第１単一光子検出器の第２検出器が単一光子を検出する場合、伝送出力空間モードにある光子は、従来の変換部品の入力部および従来の変換部品の出力部へ方向付けられている、請求項１４に記載の論理装置。
【請求項１６】
上記従来の変換部品は、
偏光回転素子と、
第２セットの直交偏光の重ね合わせ振幅を反転させるための位相シフト器とをさらに備える、請求項１５に記載の論理装置。
【請求項１７】
相関偏光によってもつれた２つの光子のソースをさらに備えており、
上記もつれた光子は、それぞれ２つのソース空間モードへ方向付けられており、
上記ソース空間モードの第１ソースモードは、第１偏光ビーム分割器の複数の第１入力空間モードの第１入力モードへ方向付けられている、請求項１に記載の論理装置。
【請求項１８】
第２セットの直交偏光に対して第３入力空間モードと第３の複数の出力空間モードとを有する第３偏光ビーム分割器と、
複数の第２単一光子検出器とをさらに備え、
第３入力空間モードは、検出出力空間モードとは異なる複数の第１出力空間モードの第２検出出力空間モードと一直線になっており、
複数の第２単一光子検出器の各単一光子検出器は、第３の複数の出力空間モードの１つに沿って配置されている、請求項１７に記載の論理装置。
【請求項１９】
上記第１入力モードとは異なる複数の第１入力空間モードの第２入力空間モードで単一光子を受け取ることに応じて、第１装置出力部は、複数の第１単一光子検出器が検出する光子の数が１に等しく、複数の第２単一光子検出器が検出する光子の数が１に等しい場合のみ、光子を運ぶ、請求項１８に記載の論理装置。
【請求項２０】
第１装置出力部によって運ばれる光子の偏光状態は、第２入力モードで受け取った単一光子と同じであり、その結果、論理装置は、量子リレーとして機能する、請求項１９に記載の論理装置。
【請求項２１】
複数の第１単一光子検出器が検出する光子の数が１に等しくなり、複数の第２単一光子検出器が検出する光子の数が１に等しくなるときを表示する従来の出力信号をさらに備える、請求項２０に記載の論理装置。
【請求項２２】
単一光子の量子偏光状態によって表わされるキュービットの送信機と、キュービット用受信機との間の光学的な通信チャネルに配置されている、請求項２１に記載の論理装置。
【請求項２３】
上記受信機は、従来の出力信号が、複数の第１単一光子検出器によって検出される光子の数が１に等しくなく、複数の第２単一光子検出器によって検出される光子の数が１に等しくないことを表示するときに、検出されたキュービットを減価する、請求項２２に記載の論理装置。
【請求項２４】
上記論理装置は、第１装置出力部とは異なる第２装置出力部をさらに備え、
第２装置出力部へ運ばれる光子は、ソース空間モードの異なる第２ソースモードへ運ばれる光子に基づいている、請求項１７に記載の論理装置。
【請求項２５】
上記第１入力モードとは異なる複数の第１入力空間モードの第２入力空間モードで単一光子を受け取ることに応じて、
第１装置出力部は、複数の単一光子検出器が検出する光子の数が１に等しい場合のみ、光子を運び、
第２装置出力部は、複数の単一光子検出器が検出する光子の数が１に等しい場合のみ、光子を運ぶ、請求項２４に記載の論理装置。
【請求項２６】
第２装置出力部によって運ばれる光子、および、第１装置出力部によって運ばれる光子は、第２入力モードで受け取った単一光子と同じ偏光状態であり、その結果、論理装置は、量子符号化器である、請求項２５に記載の論理装置。
【請求項２７】
第２セットの直交偏光を、第１セットの直交偏光に対して約４５度回転させた、請求項２４に記載の論理装置。
【請求項２８】
第３偏光ビーム分割器と、
第４偏光ビーム分割器と、
複数の第２単一光子検出器とをさらに備えており、
上記第３偏光ビーム分割器は、第２セットの直交偏光に対して複数の第２入力空間モードと第３の複数の出力空間モードとを有し、第３の複数の入力空間モードの第３入力空間モードは、第１ソース空間モードとは異なる第２ソース空間モードの第２ソースと一直線になっており、
上記第４偏光ビーム分割器は、第１セットの直交偏光に対して第４入力空間モードと第４の複数の出力空間モードとを有し、第４入力空間モードは、第３の複数の出力空間モードの第２検出出力空間モードと一直線になっており、
上記複数の第２単一光子検出器の各単一光子検出器は、第４の複数の出力空間モードの１つに沿って配置されている、請求項１７に記載の論理装置。
【請求項２９】
第３入力モードとは異なる第３変更ビーム分割器の複数の第２入力空間モードのターゲット入力モードが単一ターゲット光子を受け取ることに応じて、第２装置出力部は、複数の第２単一光子検出器が検出する光子の数が１に等しい場合のみ、光子を運ぶ、請求項２８に記載の論理装置。
【請求項３０】
第１入力モードとは異なる複数の第１入力空間モードの制御入力モードで単一制御光子を受け取ることに応じて、第１装置出力部は、複数の第１単一光子検出器が検出する光子の数が１に等しい場合のみ、光子を運ぶ、請求項２９に記載の論理装置。
【請求項３１】
第２装置出力部が運んだ光子は、ターゲット光子のターゲット偏光状態、および、第１セットの直交偏光に対するターゲット偏光状態の振幅が第１セットに関する制御光子の偏光状態に基づいて交換されている反転ターゲット偏光状態のうちのどちらかの出力偏光状態であり、その結果、論理装置は、制御された否定（ＣＮＯＴ）ゲートである、請求項３０に記載の論理装置。
【請求項３２】
第１装置出力部が運んだ光子は、制御光子と同じ出力偏光状態を有し、その結果、論理装置は、制御光子を消費しないＣＮＯＴゲートである、請求項３１に記載の論理装置。
【請求項３３】
上記第２セットの直交偏光を、第１セットの直交偏光に対して約４５度回転させた、請求項２８に記載の論理装置。
【請求項３４】
上記論理装置は、相関偏光状態である２つのもつれた光子の複数の付加ソースをさらに備えており、
各付加ソースは、２つのもつれた光子を、２つの各付加ソース空間モードへ方向付けており、
複数の付加ソースの第１付加ソースの第１付加ソースモードは、第１偏光ビーム分割器の複数の第１入力空間モードの、第１入力モードとは異なる、制御入力モードへ方向付けられており、
複数の付加ソースの異なる第２付加ソースの第２付加ソースモードは、第３偏光ビーム分割器の複数の第２入力空間モードのターゲット入力空間モードへ方向付けられている、請求項２８に記載の論理装置。
【請求項３５】
上記論理装置は、複数の第２光子検出器が検出した光子の数に一部基づいて光子を運ぶ第２装置出力部をさらに備えており、
第１装置出力部、第２装置出力部、第１付加ソースモードとは異なる、第１付加ソースの第３付加ソースモードおよび第３付加ソースモードとは異なる、第２付加ソースの第４付加ソースモードによって運ばれる複数の単一光子は、相関偏光状態である、請求項３４に記載の論理装置。
【請求項３６】
単一光子の量子偏光状態に基づいて論理演算を実行する方法であって、
複数の第１入力空間モードを、複数の第１出力空間モードを生成するために、第１セットの直交偏光に対して第１偏光ビーム分割器へ送るステップと、
複数の第１出力空間モードの第１検出出力空間モードを、複数の第２出力空間モードを生成するために、第１セットとは異なる第２セットの直交偏光に対して第２偏光ビーム分割器へ送るステップと、
複数の第２出力空間モードを、複数の第１単一光子検出器へ送るステップであって、
各出力空間モードは、単一光子検出器の各１つへ送られるステップと、
複数の第１単一光子検出器が検出した光子の数に一部基づいて、出力光子を運ぶ、第１装置出力部を生成するステップとを含み、
特定のセットの直交偏光に対する偏光ビーム分割器は、特定のセットの１つの偏光を有する特定の入力空間モードに到着する光子を、出力空間モードへ伝送し、特定のセットの異なる偏光を有する特定の入力空間モードに到着する光子を、異なる出力空間モードへ伝送する方法。
【請求項３７】
単一光子の量子偏光状態を使用する論理装置の製造方法であって、
第１セットの直交偏光に対する、複数の第１入力空間モードを有する第１偏光ビーム分割器の複数の第１出力空間モードの第１検出出力空間モードを、第１セットとは異なる第２セットの直交偏光に対する、複数の第２出力空間モードを有する第２偏光ビーム分割器の第２入力モードと接続するステップと、
複数の第２出力空間モードの１つに沿ってそれぞれ配置されており、検出信号を運ぶための検出出力部を有している複数の単一光子検出器を、複数の第２出力空間モードと接続するステップと、
検出出力空間モードとは異なる複数の第１出力空間モードの伝送出力空間モードおよび複数の単一光子検出器からの検出出力部を、複数の単一光子検出器が検出した光子の数に一部基づいて、装置出力空間モードにおいて出力光子を生成する部品と接続するステップとを含み、
特定のセットの直交偏光に対する偏光ビーム分割器は、特定のセットの１つの偏光状態である特定の入力空間モードに到着する光子を、１つの出力空間モードへ伝送し、特定のセットの異なる偏光状態である特定の入力空間モードに到着する光子を異なる出力空間モードへ伝送する方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔関連する出願についての相互参照〕
本願は、仮出願６０／３３２，８３７（出願日２００１年１１月６日）と、仮出願６０／４１４，９６４（出願日２００２年９月３０日）との利益を主張するものであり、各出願の全内容を、Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）に基づき、ここに全て開示したものとして含んでいる。
〔発明の背景〕
〔発明の分野〕
本発明は、量子情報処理に関するものであり、特に、単一光子の量子状態を使用して論理演算を実行する技術に関するものである。
〔従来技術の説明〕
ここに記載した従来の方法（past approaches）は、実行できるが、必ずしも、すでに考えられた、または、すでに実行された方法ではない。
従って、ここに特に記載しない限り、この部分に記載の方法は、単にこれらの方法をこの背景技術に記載したという理由から、本願の従来技術とはみなさない。
【０００２】
従来のコンピュータ（classical computers）を使用した情報処理は、物理的な現象に依存している。物理的な現象とは、磁場、電圧、光学的輝度（光の強度）（optical intensity）などである。
【０００３】
２つの基準状態（一方の基準状態は、０であり、他方の基準状態は、１である。）のそれぞれについて、物理的な現象を生成、測定される。
これら２つの状態のどちらかを達成できる各物理素子は、ビットと呼ばれる１つの２進数を表している。
【０００４】
量子情報処理は、量子特性を表す物理素子を使用する。
量子特性は、上記２つの基準状態の１つまたは両方だけではなく、基準状態の任意の重ね合わせ状態（superposition state）をも備えている。
重ね合わせ状態は、一方の基準状態として測定される非ゼロ確率と、他方の基準状態として測定される非ゼロ確率とを含んでいる。
【０００５】
２つの基準状態の量子特性を表す物理素子は、１つの量子ビットを表しており、キュービットとも呼ばれる。
【０００６】
キュービットを表すために適している物理素子は、単電子のスピン、原子または分子である電子状態、分子および固体における核スピン、磁束、単一光子の空間伝播形態、および、単一光子の偏光を含んでいる。
【０００７】
キュービットに基づいて実行される論理演算は、これらキュービットの基準状態に適合するだけではなく、キュービットの重ね合わせ状態にも同時に適合する。
キュービットのシステムに基づいた論理演算を基礎とする量子コンピュータは、大量の同時処理（超並列処理とも呼ばれる）を保証する。
【０００８】
超並列処理により、従来の情報処理では処理しにくいと考えられていた問題を処理することができる。
【０００９】
量子コンピュータによって処理できる、従来では処理しにくかった問題には、量子相互作用のシミュレーション、未分類データの結合検索（combinatorial search）、大きな整数の素因数の検出、現在の安全な通信アルゴリズムで使用されている暗号キーの解号、および、真に安全な通信（「量子暗号法」とも呼ばれる）が含まれる。
【００１０】
量子コンピュータをうまく実現させるために問題となるのは、キュービットを、環境との非制御相互作用（uncontrolled interactions）から絶縁して伝送することが困難な点である。キュービットを表す物理素子の多く（分子や固体など）は、簡単に伝送されず、それらの環境と強く相互に作用し合う。
【００１１】
しかし、単一光子は、大抵の環境（ガラスファイバー、および、空気を含む）で少ししか相互に作用せず、このような媒体中を簡単に伝送される。従って、単一光子の量子特性がいくつかの方法に利用されている。
【００１２】
１つの方法は、単一光線間の非線形相互作用を使用した単一光線に基いて、論理演算を実行する。単一光子間の非線形相互作用の問題は、このような相互作用が非常に弱く、この方法を十分に実行できる装置（devices）がない点である。
【００１３】
別の方法は、単一光子間の線形相互作用を使用するが、干渉計（interferometer）技術（例えば、単一光子のための伝播の２つの空間モードの干渉）に依存している。
例えば、この方法を使用した論理ゲートが、E. Knill, R. Laflamme, および G. J. Milburn,「線形光学による効果的な量子演算のための理論体系」（"A scheme for efficient quantum computation with linear optics,"） Nature, vol. 409, p. 49,4 January 2001 (以下Knill) と、M. Koashi, T. Yamamoto, およびN. Imoto, 「もつれた光子の確率的操作」（"Probabilistic manipulation of entangled photons,"）Physical Review A, vol. 63, 030301,12 February 2001 （以下Koashi）とに提案されている。
【００１４】
これらの装置は、入力光子の割合のみに応じて所望の論理演算を実行するので、「確率的」論理ゲートと呼ばれている。
【００１５】
しかし、演算の実行がいつ成功したかは確定できる。それゆえ、演算の実行が成功していなかったら、大抵は「ポスト選択」ステップまたは「ポスト検出選択」ステップと呼ばれる別のステップのときに、出力光子をブロックする。
【００１６】
また、十分な数の部品および特定の状態の追加光子（「付属物」と呼ばれる）によって、割合を１に近い値に増やすことができることがわかった。
【００１７】
Knillによって提案された確率的な線形の装置には、２つの空間モードにおいて熱によって誘発される位相シフトを原因とするエラー問題がある。
【００１８】
Koashiによって提案された別の確率的な線形の装置は、多数の追加部品と、他の資源（多数の特定状態のキュービットの資源など）とを含むことによって、位相シフトを減少させる。
【００１９】
上記のことに鑑みて、単一光子の量子状態に基づいて論理演算を実行し、上記の問題点がない装置が必要なことは明らかである。特に、単一光子の偏光状態に基づいて演算をし、熱によって誘発される位相シフトの影響を受けず、多数の付加部品と資源とを必要としない論理装置が必要なことは明らかである。
〔発明の概要〕
単一光子の量子偏光状態を使用して論理演算を実行する技術を提供する。
【００２０】
本発明の１つの観点では、論理装置が、第１偏光ビーム分割器を備えている。
この第１偏光ビーム分割器は、第１セットの直交偏光に対して、複数の第１入力空間モードと第１出力空間モードとを備えている。
【００２１】
第２偏光ビーム分割器は、第１セットとは異なる第２セットの直行偏光に対して、１つの第２入力空間モードと、複数の第２出力空間モードとを備えている。第２入力空間モードは、第１出力空間モードの検出出力空間モードと一直線になっている。
【００２２】
多重単一光子の各単一光子検出器は、第２偏光ビーム分割器からの第２出力空間モードの異なる１つに沿って配置されている。第１装置出力部は、単一光子検出器が検出した複数の光子の一部に基づいて出力光子を運ぶ。
【００２３】
特定のセットの直交偏光のための偏光ビーム分割器は、特定セットの１つの偏光を有する特定の入力空間モードに到着した光子を、１つの出力空間モードへ伝送し、特定セットの異なる偏光を有する特定の入力空間モードに到着した光子を、異なる出力空間モードへ伝送する。
【００２４】
論理装置は、確率的であり、正しい出力を提供するが、ほんの短い期間だけ出力を生成する。この期間は、ポスト検出演算を使用して延長できる。この演算は、どの単一光子検出器が検出を行うかに基づいている。また、上記期間を、さらに、付加光子資源または線形成分またはその両方を使用して延長できる。
【００２５】
異なる規定の直交偏光を有するビーム分割器を使用することにより、キュービットに関連付けられている光子偏光状態は、単一光子の検出時には測定されず、光子状態の一貫性（photon state coherence）は、論理装置により演算中は維持されている。
【００２６】
本発明の他の観点では、論理演算を実行する方法、および、論理装置を製造する方法が記載されている。
〔詳細な説明〕
単一光子の量子偏光状態を使用して論理演算を実行するための方法および器具について説明する。以下の説明では、本発明を完全に理解できるように説明することを目的として、多数の特有の細部について記載した。
しかし、当業者には、本発明を、これら特有の細部なしで実現できることは明らかである。そのほかの場合には、本発明を不必要に分りにくくしないように、周知の構造および装置をブロック図の形状で示した。
〔１．演算の背景〕
本発明を、以下に、水平（Ｈ）および垂直（Ｖ）に設計された単一光子の特定の偏光状態を使用して説明する。
他の実施形態では、他の偏光状態を使用してもよい。
さらに、以下に、２つの垂直な入力空間モードと、２つの垂直な出力空間モードとを有するビーム分割器について記載する。
【００２７】
他の実施形態では、異なる空間モード、および、より多くの空間モードを有するほかの偏光ビーム分割器を使用してもよい。
【００２８】
図１Ａは、記載した実施形態の、異なる規定の直交偏光状態間の関係を示すグラフ１００である。光子の伝播方向に対して垂直な面では、偏光の一方向をＨで表わし、偏光の垂直方向をＶで表す。
【００２９】
光子の伝播方向に対して垂直な面を水平軸１０１と垂直軸１０２とで表す。水平軸に沿った正の方向性を持つ単位ベクトル１０３は、水平偏光基本状態を表わしている。これを、Ｈで示す。垂直軸に沿った正の方向性を持つ単位ベクトル１０４は、垂直偏光基本状態を表わしている。これを、Ｖで示す。
【００３０】
これら２つの直交偏光は、キュービットに関する偏光の２つの基本状態を表している。光子は、等式１で示すように、同時に、これら２つの基本状態の複素数の重ね合わせによって表わされる状態Ψであってもよい。
Ψ＝αＨ＋βＶ      （１）
ただし、αおよびβは、実数と直交虚数部分からなる複素数である。量子情報処理の技術で知られているとおり、
α2の大きさは、光子が水平に偏光されていると測定される確率を示し、β2の大きさは、光子が垂直に偏光されていると測定される確率を示している。
等式２に示すとおり、合計は１である。
｜α2｜＋｜β2｜＝１      （２）
ゆえに、常に水平偏光と測定される光子を生成する光子源は、状態１Ｈ＋０Ｖの光子を生成し、常に垂直偏光と測定される光子を生成する源は、状態０Ｈ＋１Ｖの光子を生成する。
【００３１】
いくつかの相関する光子の１つの光子の状態を測定することにより、相関する測定していない光子の状態が変化するということは、周知ではあるが、直感的ではない量子状態の特性である。このことは、第２事象（second event）の発生に相関している第１事象（one event）の発生を測定することが、第２事象の発生の確率を変えることと類似している。
【００３２】
この問題が、演算の基礎となる光子状態の一貫性を減少させると言われている。量子論理装置が、量子コンピュータにおいてより有益であるためには、演算の基礎となる光子状態の一貫性を、論理装置で減少させないことが好ましい。なお、量子コンピュータは、量子ネットワークにおいて、いくつかの装置を一緒に接続してもよい。
【００３３】
図１Ａは、光子の伝播方向に対して垂直な面にある基本状態Ｈ，Ｖから４５度回転した２つの異なる直交偏光を示す。これらを、以下では、それぞれＦとＳとで示す。
正の水平軸に対して上側に４５度の方向を有する単位ベクトル１０５は、Ｆを表している。正の垂直軸を４５度通り越した方向を有する単位ベクトル１０６は、Ｓを表している。
【００３４】
図１Ｂは、状態Ｈ，Ｖと一致する直交偏光のセットに関連する偏光ビーム分割器１１０を示すブロック図である（以下「Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ」と呼ぶ）。
【００３５】
記載のビーム分割器１１０は、ビーム分割器１１０に当たる光子の伝播方向を表すモード１１２ａとモード１１２ｂとを含む２つの入力モード１１２、および、ビーム分割器１１０から出て行く光子の伝播方向を表すモード１１４ａと１１４ｂとを含む２つの出力モード１１４を備えている。
【００３６】
特定のセットの直交偏光のための偏光ビーム分割器は、特定のセットの１つの偏光を有する特定の入力空間モードに到着した光子を、１つの出力空間モードへ伝送し、特定セットの上記と異なる偏光を有する特定の入力空間モードに到着した光子を、上記と異なる出力空間モードへ伝送する。
【００３７】
記載の実施形態では、空間モード１１２ａにあり、状態１Ｈ＋０Ｖを有する光子は、出力モード１１４ａへ放射し（emitted into）、空間モード１１２ａにあり、状態０Ｈ＋１Ｖを有する光子は、出力モード１１４ｂへ放射する。
【００３８】
記載の実施形態では、モード１１４ａが、モード１１２ａと一直線になっている。一方、モード１１４ｂは、モード１１２ａと垂直になっている。その結果、入力モード１１２ａに対して、出力モード１１４ａは、伝送出力モードと考えられ、出力モード１１４ｂは、反射出力モードと考えられる。
【００３９】
従って、記載の実施形態では、空間モード１１２ａにあり、状態１Ｈ＋０Ｖを有する光子は、伝送出力モード１１４ａへ放射され、空間モード１１２ａにあり、状態０Ｈ＋１Ｖを有する光子は、反射出力モード１１４ｂへ放射される。
【００４０】
他の実施形態では、空間モード１１２ａにあり、状態１Ｈ＋０Ｖを有する光子が、反射出力モード１１４ｂへ入射し、空間モード１１２ａにあり、状態０Ｈ＋１Ｖを有する光子が、伝送出力モード１１４ａへ入射する。
【００４１】
同様に、記載の実施形態では、空間モード１１２ｂにあり、状態１Ｈ＋０Ｖを有する光子は、伝送出力モード１１４ｂへ放射する。空間モード１１２ｂにあり、状態０Ｈ＋１Ｖを有する光子は、反射出力モード１１４ａへ放射する。状態の重ね合わせを有する光子は、ある確率を有する１つのモードと、他の確率を有する別のモード（例えば、反射）とに放射（emitted onto）される。
【００４２】
一基本状態をほぼ１００％の効率で伝送し、直交状態をほぼ１００％の効率で反射するＨ−Ｖ  ＰＢＳは、技術的に周知である。
【００４３】
図１Ｃは、第２セットの直交偏光Ｆ，Ｓに関する偏光ビーム分割器１２０を示すブロック図である（以下「Ｆ−Ｓ  ＰＢＳ」と呼ぶ）。記載のビーム分割器１２０は、入力モード１２２ａ，１２２ｂを有する２つの入力モード１２２、および、出力モード１１４ａ，１１４ｂを有する出力モード１１４を備えている。
【００４４】
記載の実施形態では、空間モード１２２ａにあり、偏光Ｆを有する光子は、出力モード１２４ａへ放射し、空間モード１２２ａにあり、偏光Ｓを有する光子は、出力モード１２４ｂへ放射する。記載の実施形態では、モード１２４ａは、モード１２２ａと一直線になっている。一方、モード１２４ｂは、モード１２２ａに対して垂直である。
【００４５】
その結果、入力モード１２２ａに関して、出力モード１２４ａは、伝送出力モードと考えられ、出力モード１２４ｂは、反射出力モードと考えられる。従って、記載の実施形態では、空間モード１２２ａにあり、Ｆ偏光を有する光子は、伝送出力モード１２４ａへ入射し、空間モード１２２ａにあり、Ｓ偏光を有する光子は、反射出力モード１２４ｂへ入射する。他の実施形態では、空間モード１２２ａにあるＳ偏光光子が、反射出力モード１２４ｂへ入射する。
【００４６】
同様に、記載の実施形態では、入力空間モード１２２ｂにあり、Ｆ偏光を有する光子が、伝送出力モード１２４ｂへ入射し、入力空間モード１２２ｂにあり、Ｓ偏光を有する光子が、反射出力モード１２４ａへ入射する。
【００４７】
一基本状態をほぼ１００％の効率で伝送し、直交状態をほぼ１００％の効率で反射するＦ−Ｓ  ＰＢＳは、技術的に周知である。このような装置は、例えば、Ｈ−Ｖ  ＰＢＳを４５度回転させることによって、または、光子をＨ−Ｖ  ＰＢＳのほうへ方向付ける前に、光子の偏光を４５度回転させることによって実施されていてもよい。
〔２．量子パリティチェック装置〕
〔２．１量子パリティチェック装置の構造的な概要〕
図２Ａは、一実施形態の、量子パリティチェック装置２００を示すブロック図である。
純粋な０状態または、純粋な１状態に対する量子パリティチェックの機能は、入力キュービット値が第２入力キュービット（「チェック」キュービット）値と同じであることを条件として、入力キュービットの値を、出力キュービットへ転送することである。状態が異なっている場合、光子は出力されない。
【００４８】
例えば、以下に示すように、量子パリティチェック装置２００は、入力光子が第２入力「チェック」光子と同じ状態である場合、入力光子と同じ状態である出力光子を生成する。そして、入力キュービット値またはチェックキュービット値は測定されない。パリティチェック演算を、以下に記載のように、重ね合わせ状態に適用するために一般化できる。
【００４９】
パリティチェック装置２００は、図１Ｂに記載のものと同じように、Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ２１０を備えている。Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ２１０は、入力モード２１２ａ（図２Ａではモード「２’」とも表す）とチェックモード２１２ｂ（図２Ａでは「ａ」とも表す）とからなる入力空間モード２１２を備えている。
【００５０】
また、Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ２１０は、伝送出力モード２１４ａ（図１Ａでは、モード「２」とも表す）と検出出力モード２１４ｂ（図２Ａでは「ｃ」とも表す）とからなる出力空間モード２１４を備えている。記載する目的のために、図２Ａに描写されている空間モードは、上方から見た水平面にある。
【００５１】
同じく、パリティチェック装置２００は、偏光感知検出器２２０（「Ｄｃ」とも表す）を備えている。この偏光感知検出器２２０は、検出出力モード２１４ｂにある多くの単一光子を検出する。
【００５２】
さらに、パリティチェック装置２００は、装置出力部２４０を有するポスト検出処理部２３０を備えている。検出器２２０が検出した光子についての従来情報（classical information）を、従来(classical)データリンク２３２を介して、ポスト検出処理部２３０へ送る。ポスト検出処理部は、１つ以上の従来情報処理プロセス素子を備えていてもよい。
【００５３】
伝送出力モード２１４ａも、ポスト検出処理部へ入る。ポスト検出処理部は、伝送出力モード２１４ａを、ブロックするか、変換するか、または、変更しないまま、装置出力部２４０へ伝送してもよい。
〔２．２量子パリティチェック演算〕
入力光子は、モード２１２ａに到達し、チェック光子は、モード２１２ｂに到達する。光子は、同時に到達すると考えられる。すなわち、２つの光子は、どちらかの光子がビーム分割器２１０と相互作用する時間間隔と比べると短い時間間隔の間に到着する。
【００５４】
伝送モード２１４ａに出力された光子は、受け入れられ、偏光感知検出器２２０が１種類（１ＡＯ１）の光子を受け取る場合のみ、装置出力部２４０へ転送される。これが生じるのは、ターゲットおよびチェック光子が同じ偏光をする場合のみである。
【００５５】
例えば、記載の実施形態で、入力光子、および、チェック光子が両方ともＨ状態であるならば、両方とも直接ＰＢＳを通して伝送され、チェック光子だけが検出器２２０に当たる。また、記載の実施形態で、入力光子、および、チェック光子が、両方ともＶ状態であるならば、両方ともが反射され、入力光子だけが、検出器２２０に当たる。
入力がＨ状態であり、チェック光子が、Ｖ状態であるならば、入力は、出力モード２１４ａへ伝送され、チェック光子は、同じ出力モード２１４ａへ反射される。
【００５６】
光子は、検出出力モード２１４ｂを介しては伝送されず、検出器２２０に当たらない。入力がＶ状態であり、チェック光子が、Ｈ状態であるならば、入力は、検出出力モード２１４ｂへ反射され、チェック光子が、同じ検出出力モード２１４ｂへ伝送される。２つの光子は、検出出力モード２１４ｂを介して伝送され、検出器２２０に当たる。
【００５７】
検出器２２０は、検出光子のＨ−Ｖ状態を示さずに、０個、１個および２個の光子の到達を区別しなければならない。従って、検出器２２０は、検出光子のＨ−Ｖ状態を規定しないほうがよい。
【００５８】
図２Ｂは、一実施形態の、量子パリティチェック装置２００に使われる偏光感知光子検出器２２０を示すブロック図である。
【００５９】
この検出器は、検出光子のＨ−Ｖ状態を測定せずに、０個、１個および２個の光子を区別する所望の特性を有している。
【００６０】
偏光感知検出器２２０は、図１Ｃに記載のＦ−Ｓ  ＰＢＳと同じくＦ−Ｓ  ＰＢＳ２２２と、２つの単一光子検出器２２４とを備えている。当業者間で知られている任意の単一光子検出器を、この図、および、以下の図の２つの単一光子検出器のそれぞれに使用してもよい。
【００６１】
記載を目的として、単一光子検出器は、光子が検出されない場合は従来のビット０を、光子が検出される場合は、従来のビット１を含む信号を出力するものとする。
【００６２】
Ｆ−Ｓ  ＰＢＳ２２２の入力モードは、検出出力モード２１４ｂ（図２Ａおよび図２Ｂでは「ｃ」とも表す）へ出力された光子を受け取るために、一直線にされる。
【００６３】
記載の実施形態では、伝送出力モードにＦ−Ｓ  ＰＢＳ２２２によって放射されたＦ偏光した光子は、単一光子検出器２２４ａによって検出される（符号「ＤｃF」で表す）。また、反射された出力モードにＦ−Ｓ  ＰＢＳ２２２によって放射されたＳ偏光した光子は、単一光子検出器２２４ｂによって検出される（符号「ＤｃS」で表す）。
【００６４】
Ｆ偏光した光子は、ＨおよびＶ偏光の等しい重ね合せであるので、例えば、Ｆ偏光光子を測定しても、入力およびチェック光子の初期Ｈ−Ｖ状態についての情報は得られない。Ｆ−Ｓ  ＰＢＳ２２０の使用は、Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ２１０を通過する検出光子にある任意のＨ−Ｖ情報を「消去」することだと言われている。つまり、Ｆ−Ｓ  ＰＢＳ２２０を使用して、装置２００が演算の基礎として使用する量子の一貫性を維持する。
【００６５】
状態の重ね合せが量子パリティチェック装置に及ぼす確率的な影響を示すために、記載を目的として、入力光子は、等式３ａによって求められる任意の偏光状態Ψｉｎであり、チェック光子は、等式３ｂによって求められる特定の状態Ψａであるとする。これ以下の論理装置の演算について理解しやすいようにここでは論理的な説明をするが、実施形態は、これらの特定の理論的な記述に制限されない。
Ψｉｎ＝αＨｉｎ＋βＶｉｎ      （３ａ）
Ψａ＝（Ｈａ＋Ｖａ）／√２      （３ｂ）
Ｈ−Ｖ  ＰＢＳにおける合計入力状態Ψｉｎ，ａは、当業者間で周知のように、これら２つの状態のベクトル積によって求められる。伝送モード２１４ａ（「ｏｕｔ」）および検出モード２１４ｂ（「ｃ」）にある、Ｈ−Ｖ  ＰＢＳビーム分割器からの２つの光子の出力状態Ψｏｕｔ、ｃを、等式３ｃによって求められる。
Ψｏｕｔ，ｃ＝（αＨｏｕｔＨｃ＋βＶｏｕｔＶｃ＋αＨｏｕｔＶｏｕｔ＋βＨｃＶｃ）／√２      （３ｃ）
最後の２項は、出力状態Ψｆａｉｌに相当する。この出力状態Ψｆａｉｌは、検出器２２０における２個または０個の光子に通じる。これら光子を、ポスト検出処理部２３０がブロックする。検出モード２１４ｂに伝送される光子の状態を、Ｆ−Ｓ偏光、Ｆｃ、Ｓｃの項でそれぞれ示し、等式３ｄによって求める。
Ψ＝[（αＨｏｕｔ＋βＶｏｕｔ）Ｆｃ＋（−αＨｏｕｔ＋βＶｏｕｔ）Ｓｃ]／２＋（Ψｆａｉｌ）／√２      （３ｄ）
Ｆｃ項は、検出器ＤｃF２２４ａがｌＡＯ１光子を検出し、検出器ＤｃS２２４ｂが光子を検出しない場合に、モード２１２ａにある入力光子（αＨｉｎ＋βＶｉｎ）の任意の偏光がモード２１４ａ（αＨｏｕｔ＋βＶｏｕｔ）における光子にマップされることを示す。これは、１／４の確率で生じる。
【００６６】
Ｓｃ項は、検出器ＤｃS２２４ｂが１ＡＯ１光子を検出し、検出器ＤｃF２２４ａが光子を検出しない場合に、モード２１２ａにある入力光子（αＨｉｎ＋βＶｉｎ）の任意の偏光がモード２１４ａ（−αＨｏｕｔ＋βＶｏｕｔ）における１８０度（πラジアン）の位相シフト光子にマップされることを示す。これは、１／４の確率で生じる。
【００６７】
一実施形態では、ポスト検出処理部２３０が、出力モード２１４ａにある光子を装置出力部２４０へ送るのは、検出器ＤｃF２２４ａが１つの光子を検出し、検出器ＤｃS２２４ｂが光子を検出しない場合のみである。この実施形態は、１／４の確率で成功する。
【００６８】
他の実施形態では、検出器ＤｃF２２４ａが１つの光子を検出し、検出器ＤｃS２２４ｂが光子を検出しない場合に、出力モード２１４ａにある光子を装置出力部２４０へ送る。
【００６９】
これに加えて、ポスト検出処理部２３０は、検出器ＤｃS２２４ｂが１つの光子を検出し、検出器ＤｃF２２４ａが光子を検出しない場合に、出力モード２１４にある光子を１８０度位相シフトし、位相シフトした光子を装置出力部２４０へ送る。この実施形態は、１／２の確率で成功する。
【００７０】
当業者の間で知られている任意の方法を、１８０度位相シフトするために使用してもよい。例えば、検出器ＤｃS２２４ｂが光子を検知すると、Pockelのセルにあるバイアス電圧を、すぐに変更してもよい。ただし、２つの１ＡＯ１検知のどちらかを受け取っても、任意の種類のＨ−Ｖ偏光情報が提供されることはない。
【００７１】
なお、このＨ−Ｖ偏光情報とは、基本的に、入力モード２１２にある入力光子の状態を測定し、演算の基本となる光子の一貫性を減少するもののことである。
〔２．３パリティチェック実験結果〕
図３は、論理装置の様々な実施形態の動作を表すための実験用装置３００を示すブロック図である。論理装置を、右上に記載の部品（空間モード３２４ａに沿った部品を除く）によってシミュレーションする。右上に記載の部品を使用して、論理装置の装置出力部を、以下のように試験する。残りの部品を使用して、２つの光子を生成する。これら２つの光子は、シュミレートされた装置に同時に到達する。
【００７２】
装置３００は、相関状態にある２つの光子のソース３０４を備えている。相関状態にある光子は、もつれた光子と呼ばれることがある。検出の確率を表し、もつれた光子と関連付けられている重ね合せ状態を、それぞれ異なる光子と関連している２つの独立した重ね合せ状態のベクトル積として表すことはできない。
【００７３】
器具３００にあるソースは、技術的に周知のタイプＩＩパラメータ逓降変換結晶（ＢＢＯ）である。このソースは、１つは垂直に偏光し、１つは水平に偏光しているもつれた光子の組を生成する。アルゴンイオンレーザーからの３５１．１ナノメートル波長のビームは、ソースを活性化させる。
【００７４】
このようなソースは、例えば、Y. Ｈ ShinおよびA.Ｖ.Sergienko, 「Hanbury-Brown-Twiss型実験における２光子非相関」（Two- photon anti-correlation in a Hanbury-Brown-Twiss type experiment,）Physics Letters A, vol. 186, p. 29,1994 (以下Shih) および M. H. Rubin, D. N. Klyshko, Y. H. Shih, および A. V. Sergienko,「タイプＩＩ光学パラメータ逓降変換における２光子もつれの論理」（Theory of two-photon entanglement in type-II optical parametric down-conversion）Physics Review A, vol. 50, p. 5122,1994 (以下 Rubin)に記載されている。
【００７５】
器具３００は、さらに、紫外線遮蔽部３０６と、Shin-Sergienko長さ補償結晶（ＳＳ）３０８とを備えている。これにより、ＳＳ３０８は、ＢＢＯソースの特性に対して、Ｖ偏光光子がＨ偏光光子よりも少し前に放射されるように補償する。
【００７６】
ＳＳ３０８の演算についての詳細は、ShinおよびRubinに記載されている。器具３００は、さらに、Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ３１０（「ＰＢＳ１」とも呼ぶ）を備えている。
【００７７】
Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ３１０は、２つ１組になっている光子（the pair of photons）のうち、Ｖ偏光光子を、空間モード３１２ａへ反射し、Ｈ偏光光子を、空間モード３１２ｂに沿って伝送する。
【００７８】
２つの半波長複屈折板Ｐｌ  ３１６ａ，Ｐ２  ３１６ｂの１つ、および、平行段に搭載されている２つの鏡Ｍ１  ３１８ａ，Ｍ２  ３１８ｂの１つは、各空間モードにある光子がシミュレートされた装置に到達する前に、各空間モードにある光子を適当な状態にする。空間モードのパスの長さは、平行段の鏡３１８ａ，３１８ｂを使用して同じ長さに調整されている。
【００７９】
これは、２つの光子を、シュミレートされた論理装置へ、同時に到達させるためである。どちらかの光子の偏光を、半波長複屈折板３１６ａ，３１６ｂを使用して、その空間モード（「パス」と呼ばれることもある）において任意の所望の方向へ回転してもよい。また、この器具は、第２Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ３２０（「ＰＢＳ２」）を備えている。
【００８０】
この第２Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ３２０は、試験論理装置の部品の１つとして機能する。例えば、Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ３２０は、量子パリティチェック装置２００のＨ−Ｖ  ＰＢＳ２１０として機能する。Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ３２０は、２つの出力空間モード３２４ａ，３２４ｂを備えている。
【００８１】
器具３００は、回転可能な偏光分析器３３０ｂ（「θ２」）フィルター３４０ｂ（「ｆ２」）および単一光子検出器３５０ｂ（「Ｄ２」）を使用して、偏光感知検出器を実行することを含んでいる偏光分析器は、その分析器方向に偏光された光子を通過させ、垂直方向に偏光された光子を遮蔽する。回転可能な偏光分析器は、分析方向を変えるために簡単に回転する。
【００８２】
フィルターｆ２は、装置３００へ漏れ入る可能性のある拡散光子（stray photons）からの背景ノイズを減少させる。
【００８３】
この器具は、他の回転可能な偏光分析器３３０ａ（「θ１」）、他のフィルター３４０ａ（「ｆｌ」）および他の単一光子検出器３５０ａ（「Ｄ１」）を使用して、ポスト検出処理部へ出力された光子を測定するための部品を含んでいる。
【００８４】
器具３００は、量子パリティチェック装置２００の一実施形態をシミュレートするように構成されている。この実施形態では、単一光子検出器ＤｃF２２４ａが１つの光子を検出し、単一光子検出器ＤｃS２２４ｂが光子を検出しない場合にはいつでも、
出力が変更されないまま受け入れられる。上記のように、これは、１／４の確率で発生する。
【００８５】
この構成では、回転可能な偏光分析器３３０ｂは、Ｆ偏光した光子だけが検出器Ｄ２  ３５０ｂを通過して検出されるように、Ｈに関して４５度回転している。単一光子検出器ＤｃF２２４ａが１つの光子を検出し、単一光子検出器ＤｃS２２４ｂが光子を検出しないという状態は、検出器Ｄ２  ３５０ｂと検出器Ｄ１  ３５０ａとの両方が光子を同時検出することに相当する。
【００８６】
入射光子は２つだけなので、Ｄ１  ３５０ａとＤ２  ３５０ｂとの双方の検出は、検出器ＤｃSがＳ偏光光子の生成を検出しないだろうということを意味している。
【００８７】
もう一度量子パリティチェック装置について説明すると、図２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆは、非重ね合わせ状態に基づいて演算する図２Ａの量子パリティチェック装置の性能を表す実験結果を示すグラフである。
【００８８】
各グラフでは、出力モード３２４ａにおいて測定した、軸２５４に記載する２つの状態にそれぞれ対応する同時計数（coincident counts）の数が、同時計数軸２５２にプロットされている。軸２５４にある０は、分析器３３０ａが、Ｈ偏光光子を通過させるように設定されていることを表す。
【００８９】
また、軸２５４にある１は、分析器３３０ａが、Ｖ偏光光子を通過させるように設定されていることを表す。この結果は、パリティチェック装置が予測しているようにエラーが１％程度の範囲内だということに合致している。
【００９０】
図２Ｃは、空間モード３１２ａ，３１２ｂにある双方の入力光子が、それぞれＨ偏光している場合の結果を表す。これは、器具３００を用いて、Ｖ偏光光子をＨ偏光光子に変更するように半波長板Ｐ１  ３１６ａを方向付けることによって達成されている。同時検出が行われるときは常に、Ｈ偏光光子の出力が予測される。
【００９１】
すなわち、分析器３３０ａがＨ偏光光子を通過させるために回転されている場合、多数が同時に計測され、分析器３３０ａがＶ偏光光子を通過させるために回転されている場合、同時に計測されない。
【００９２】
各計数２６２ａ，２６４ａから分るように、同時計数が得られるときは常に、出力モード３２４ａにある光子がＨ偏光しており、Ｖ偏光光子に対して同時計数は得られない。
【００９３】
図２Ｄは、各組のうちの、空間モード３１２ａにある一方の入力光子が、Ｈ偏光しており、空間モード３１２ｂにある他方の入力光子が、Ｖ偏光している場合の結果を示す。これは、器具３００を用いて、Ｖ偏光光子をＨ偏光光子に変更するように半波長板Ｐ１  ３１６ａを方向付け、Ｈ偏光光子をＶ偏光光子に変更するように半波長板Ｐ２  ３１６ｂを方向付けることによって達成されている。
【００９４】
これにより、分析器３３０ａが、Ｈ偏光光子またはＶ偏光光子を通過させるために回転されているかに関わらず、予測される出力は同時計数ではない。計数２６２ｂ，２６４ｂから分るように、同時計数はほとんど得られない。しかし、計数２６２ｂは、いくらかの同時計数が得られたことを示している。これは、実験的な実施の演算で小さなエラーがあったことを示している。
【００９５】
図２Ｅは、各組のうちの、空間モード３１２ａにある一方の入力光子が、Ｖ偏光しており、空間モード３１２ｂにある他方の入力光子が、Ｈ偏光している場合の結果を表す。これは、器具３００を用いて、Ｈ偏光光子またはＶ偏光光子のどちらかを変更しないように半波長板Ｐ１  ３１６ａ，Ｐ２  ３１６ｂを向付けることによって達成されている。
【００９６】
分析器３３０ａが、図２Ｄに記載のように、Ｈ偏光光子またはＶ偏光光子を通過させるために回転されていようと、予期される出力は同時計数ではない。計数２６２ｃ，２６４ｃから分るように、同時計数はほとんど得られない。しかし、計数２６２ｃは、いくらかの同時計数が得られたことを示している。これは、実験的な実施の演算で小さなエラーがあったことを示している。
【００９７】
図２Ｆは、空間モード３１２ａ，３１２ｂにある双方の入力光子が、それぞれＶ偏光されている場合の結果を示す。これは、器具３００を使用して、Ｈ偏光光子をＶ偏光光子に変更するように半波長板Ｐ２  ３１６ｂを方向付けることによって達成されている。
【００９８】
同時検出が行われるときは常に、Ｖ偏光光子の出力が予測される。すなわち、分析器３３０ａが、Ｈ偏光光子を通過させるために回転されている場合、同時に計測されず、分析器３３０ａが、Ｖ偏光光子を通過させるために回転されている場合、多数が同時に計測される。
【００９９】
各計数２６４ｄ，２６２ｄからわかるとおり、同時計数が得られるときは何時でも、出力モード３２４ａにある光子はＶ偏光しており、基本的に、Ｈ偏光した光子の場合に同時計数は得られない。
【０１００】
図２Ｇは、重ね合わせ状態に基づいて演算する図２Ａの量子パリティチェック装置の性能を表す実験結果を示すグラフである。上記で等式３ｄに関連して説明したように、チェック入力モードにある光子の状態が等式３ｂによって求められる場合、Ｈ−Ｖ  ＰＢＳの入力モードにあり、等式３ａによって表される任意の入力状態は、Ｈ−Ｖ  ＰＢＳの出力モードへ一貫して移動される。
【０１０１】
等式３ｂは、Ｈ偏光に対して４５度の光子偏光を表している。従って、図２Ｇに示す実験結果は、空間モード３１２ｂに入るＨ偏光光子が、器具３００にある半波長板Ｐ２  ３１６ｂで４５度回転していることに基づいている。
【０１０２】
ＰＢＳ２  ３２０は、所望のように、入力モード３１２ａのＨ成分を出力経路３２４ａへ伝送することが知られている。しかし、ＰＢＳ２  ３２０は、全体として、Ｖ成分を、検出出力経路３２４ｂへ反射する。
【０１０３】
この検出出力経路３２４ｂにおいて、Ｖ成分は、単一光子検出器Ｄ２  ３５０ｂによって消費される。その結果、この装置は、等式３ｂの任意のＶ成分（値βを含む）を、チェック入力空間モード３１２ｂからの垂直成分に置換するほうがよい。
【０１０４】
この垂直成分は、出力空間モード３２４ａへ反射され、入力値√２を有している。
【０１０５】
図２Ｇに記載の実験結果を出すため、Ｖ偏光光子を２０度偏光光子に変更するように、半波長板Ｐ１  ３１６ａを方向付けた。これは、等式３ａのαに対しては０．９４の値、βに対しては０．３４の値に対応している。
【０１０６】
図２Ｇのグラフでは、軸２５６に記載する出力モード３２４ａにおいて測定したいくつかの方向付けに対して、１分当たりの同時計数の数が、計数率軸２５８にそれぞれプロットされている。軸２５６にある０は、分析器３３０ａが、Ｈ偏光光子を通過させるように方向付けられていることを示す。
【０１０７】
軸２５６にある９０は、分析器３３０ａが、９０度偏光光子（Ｖ偏光光子と同じ）を通過させるように方向付けられていることを示す。観測した計数率を、観測２７２のような実験誤差を表す垂直棒を有する点で表す。
【０１０８】
予測される結果は、同時計数が得られる場合、入力モード３１２ａと同じ２０度偏光を有する出力光子に対するものである。このように偏光された光子は、２０度、および、２００度において最大の同時計数率を有し、１１０度、および、２９０度において最小の（ほぼ０の）同時計数率を有する正弦平方曲線に追随して観測されることが好ましい。
【０１０９】
正弦平方曲線は、経験的に、実験に基いた適切な曲線２８０を生成するためのデータに対して適当なものである。結果は、パリティチェック装置から予測されているような実験誤差内だということに合致している。
【０１１０】
これは、重ね合せ状態に基づいて演算する場合に、実行されるパリティチェック装置の一貫性の性質を示すものである。
〔３．量子破壊制御ＮＯＴ（ＣＮＯＴ）装置〕
〔３．１量子破壊ＣＮＯＴの構造的な概要〕
図４Ａは、一実施形態の、破壊ＣＮＯＴ装置４００を示すブロック図である。量子ＣＮＯＴの機能は、第２入力、すなわち、「制御」キュービットが、純粋な１状態であれば、入力「ターゲット」キュービットの論理値を反転し（純粋な０状態を、純粋な１状態に反転し、純粋な１状態を、純粋な０状態に反転し）、制御キュービットが純粋な０状態であれば、何も行わないことである。
【０１１１】
例えば、以下に記載のように、量子破壊的ＣＮＯＴ装置４００は、制御光子がＨ偏光している場合、ターゲット光子と同じ状態の出力光子を生成し、制御光子がＶ偏光している場合、反転したＨおよびＶ状態の出力光子を生成する。したがって、ターゲットキュービット値または制御キュービット値は測定されない。
【０１１２】
以下に記載のように、ＣＮＯＴ演算を重ね合せ状態に適用するために一般化してもよい。破壊的ＣＮＯＴは、ＣＮＯＴと同じ機能を実行する。しかし、破壊的ＣＮＯＴは、処理のときに、制御光子を消耗する。その結果、制御光子は、装置からの出力の一部とはならない。
【０１１３】
破壊的ＣＮＯＴ装置４００は、図１Ｃに記載のものと同じように、Ｆ−Ｓ  ＰＢＳ４１０を備えている。  Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ４１０は、ターゲット入力モード４１２ａ（図４Ａではモード「３’」とも表す）、および、制御入力モード４１２ｂ（図４Ａでは、モード「ｂ」とも表す）を有する入力空間モード４１２を備えている。
【０１１４】
Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ４１０は、伝送出力モード４１４ａ（図４Ａではモード「３」とも表す）と、検出出力モード４１４ｂ（図４Ａではモード「ｄ」とも表す）とを有する出力空間モード４１４を備えている。記載を目的として、図４Ａに記載の空間モードは上方から見た水平面にあるものとする。
【０１１５】
破壊的ＣＮＯＴ装置４００は、偏光感知検出器４２０（「Ｄｄ」とも表す）をさらに備えている。偏光感知検出器４２０は、検出出力モード４１４ｂにある多数の単一光子を検出する。
【０１１６】
破壊的ＣＮＯＴ装置４００は、装置出力部４４０を有するポスト検出処理部４３０をさらに備えている。検出器４２０が検出した光子についての情報は、従来のデータリンク４３２を介してポスト検出処理部４３０へ送られる。ポスト検出処理部４３０は、１つ以上の従来の（classical）情報処理素子を備えていてもよい。
【０１１７】
伝送出力モード４１４ａも、ポスト検出処理部４３０に入る。ポスト検出処理部４３０は、伝送出力モード４１４ａを、ブロックするか、変換するか、または、変更しないまま装置出力部４４０へ伝送する。
〔３．２量子破壊ＣＮＯＴ演算〕
ターゲット光子は、モード４１２ａに到着し、制御光子は、モード４１２ｂに到着する。光子は、同時に到着するものとする。すなわち、双方の光子は、どちらかの光子がビーム分割器４１０と相互作用する時間間隔よりも短い時間間隔で到着する。
【０１１８】
伝送モード４１４ａに出力された光子は、偏光感知検出器４２０が二つとない（「１ＡＯ１」）光子を受け取る場合のみ、受け入れられ、装置出力部４４０へ転送される。
【０１１９】
検出器４２０は、ターゲット光子および制御光子のＨ−Ｖ状態を表示せずに、０個、１個および２個の光子の到達を区別する必要がある。しかし、モード４１４ｂにおいて検出された光子は、Ｆ−Ｓ  ＰＢＳ４１０の結果としてＦ−Ｓベースになっている。
【０１２０】
それゆえ、モード４１４ｂにおいて検出された光子は、ターゲット光子および制御光子のＨ−Ｖ状態についての情報を提供していない。従って、検出器４２０は、検出された光子のＨ−Ｖ状態を提供しないほうがよい。
【０１２１】
図４Ｂは、一実施形態の、図４Ａの量子パリティチェック装置で使用される偏光感知光子検出器４２０を示すブロック図である。この検出器には、ターゲットおよび制御光子のＨ−Ｖ状態を測定せずに、０個、１個、２個の光子を区別するという所望の特質がある。
【０１２２】
偏光感知検出器４２０は、図１Ｂに記載のＨ−Ｖ  ＰＢＳと同じように、Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ４２２と、２つの単一光子検出器４２４とを備えている。Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ４２２の入力モードは、検出出力モード４１４ｂ（図４Ａおよび図４Ｂでは「ｄ」とも表す）に出力された光子を受け取るために、一直線になっている。
【０１２３】
記載の実施形態では、Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ４２２が伝送出力モードに放射したＨ偏光光子を、単一光子検出器４２４ａ（符号「ＤｄH」で表す）によって検出する。また、Ｆ−Ｓ  ＰＢＳ４２２が反射出力モードに放射したＶ偏光光子を、単一光子検出器４２４ｂ（符号「ＤｄV」で表す）によって検出する。
【０１２４】
Ｆ偏光光子は、ＨおよびＶ偏光の等しい重ね合せなので、例えば、Ｆ偏光した光子を測定しても、ターゲットおよび制御光子の初期Ｈ−Ｖ状態についての情報は得られない。Ｆ−Ｓ  ＰＢＳ４１０の使用は、Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ４２２を通過する検出光子のあらゆるＨ−Ｖ情報を「消去する」と言われており、それゆえ、装置４００が実行する光子の一貫性が維持されている。
【０１２５】
状態の重ね合せが量子破壊的ＣＮＯＴ装置に及ぼす確率的影響を示すために、記載を目的として、ターゲット光子が、等式３ａ（ここでは、便宜上、等式４ａとして繰り返す）によって求められる任意の偏光状態Ψｉｎであると仮定する。
【０１２６】
チェック光子は、最初は、垂直に偏光されており、等式４ｂによって求められる特定の状態Ψｂであるとする。
Ψｉｎ＝αＨｉｎ＋βＶｉｎ      （４ａ）
Ψｂ＝Ｖｂ      （４ｂ）
Ｆ−Ｓ  ＰＢＳにおける合計入力状態Ψｉｎ，ｂは、当業者に周知のように、これら２つの状態のベクトル積によって求められる。
【０１２７】
これらの状態をＦＳベースで記載することにより、等式４ｃのベクトル積（Ｘ）として表わされている合計入力状態を求める。
Ψｉｎ，ｂ＝{（α[Ｆｉｎ−Ｓｉｎ]＋β[Ｆｉｎ＋Ｓｉｎ]）／√２}Ｘ{（Ｆｂ＋Ｓｂ）／√２}      （４ｃ）
伝送モード４１４ａ（「ｏｕｔ」）および検出モード４１４ｂ（「ｄ」）にある、Ｆ−Ｓ  ＢＰＳビーム分割器からの２つの光子の出力状態Ψｏｕｔ，ｄを、等式４ｄによって求める。
Ψｏｕｔ，ｄ＝１／２（α[ＦｄＦｉｎ−ＳｄＳｉｎ]＋β[ＦｄＦｉｎ＋ＳｄＳｉｎ]）＋Ψｆａｉｌ２／√２      （４ｄ）
Ψｆａｉｌ２の状態は、検出器４２０における２個または０個の光子となる。このことは、ポスト検出処理部４３０で出力光子がブロックされる原因となる。Ｈ−Ｖ偏光に関して書き表わすとすれば、これは、等式４ｅにより求められる式（expression）となる。
Ψｏｕｔ，ｄ＝１／２（Ｈｄ[αＶｏｕｔ＋βＨｏｕｔ]＋Ｖｄ[αＨｏｕｔ＋βＶｏｕｔ]）Ψｆａｉｌ２／√２      （４ｅ）
Ｈｄ項は、検出器ＤｄH４２４ａが１ＡＯ１光子を検出し、検出器ＤｄＶ４２４ｂが光子を検出しない場合に、モード４１２ａにある入力光子（αＨｉｎ＋βＨｉｎ）の任意の偏光が、モード４１４ａ（αＶｏｕｔ＋βＨｏｕｔ）にある光子では反転されていることを表している。
ＣＮＯＴからのこの所望の出力は、１／４の確率で生じる。
【０１２８】
Ｖｄ項は、検出器ＤｄV４２４ｂが１ＡＯ１光子を検出し、検出器ＤｄHが光子を検出しない場合に、モード４１２ａにある入力光子（αＨｉｎ＋βＶｉｎ）の任意の偏光が、モード４１４ａ（αＨｏｕｔ＋βＶｏｕｔ）にある光子へ直接マップされることを示している。このことは、１／４の確率で生じる。
【０１２９】
この出力光子を、所望の反転光子に変換することは、出力光子に基づいたほかの演算（例えば、偏光を９０度回転させ、次に、１８０度（πラジアン）の位相シフトを適用すること）を含んでいる。この場合に出力がそのように変換されていれば、所望の出力を、１／２の確率で得ることができる。
【０１３０】
量子破壊的ＣＮＯＴ装置の状態の重ね合わせの確率的効果をさらに示すために、記載を目的として、ターゲット光子は、上記のように、等式４ａによって求められる任意の偏光状態Ψｉｎであるとし、制御光子は、等式４ｆで求められるようにＨ偏光されているとする。
Ψｂ＝Ｈｂ      （４ｆ）
等式４ｅを導き出すステップと類似しているステップに従って、Ｈ偏光制御光子のための出力状態が、等式４ｇによって求められることがわかる。
Ψｏｕｔ，ｄ＝１／２（Ｈｄ[αＨｏｕｔ＋βＶｏｕｔ]＋Ｖｄ[αＶｏｕｔ＋βＨｏｕｔ]）＋Ψｆａｉｌ３√２      （４ｇ）
Ψｆａｉｌ３の状態は、検出器４２０における２個または０個の光子となる。このことは、ポスト検出処理部４３０で出力光子がブロックされる原因となる。Ｈｄ項は、検出器ＤｄH４２４ａが１ＡＯ１光子を検出し、検出器ＤｄV４２４ｂが光子を検出しない場合に、モード４１２ａにある入力光子（αＨｉｎ＋βＶｉｎ）の任意の偏光が、モード４１４ａ（αＨｏｕｔ＋βＶｏｕｔ）にある光子に直接マップされていることを表している。ＣＮＯＴからの所望の出力は、１／４の確率で生じる。
【０１３１】
Ｖｄ項は、検出器ＤｄV４２４ｂが１ＡＯ１光子を検出し、検出器ＤｄH４２４ａが光子を検出しない場合に、モード４１２ａにある入力光子（αＨｉｎ＋βＶｉｎ）の任意の偏光が、モード４１４ａ（αＶｏｕｔ＋βＨｏｕｔ）にある光子では反転されていることを表している。このことも、１／４の確率で生じる。
【０１３２】
この出力光子を、所望の非反転偏光光子に変換することは、出力光子に基づいたほかの演算（偏光を９０度回転させ、次に、１８０度（πラジアン）の位相シフトを適用すること）を含んでいる。
【０１３３】
一実施形態では、ポスト検出処理部４３０が、出力モード４１４ａにある光子を装置出力部４４０へ送るのは、検出器ＤｄH４２４ａが１つの光子を検出し、検出器ＤｄV４２４ｂが光子を検出しない場合のみである。この実施形態は、１／４の確率で成功する。
【０１３４】
他の実施形態では、検出器ＤｄH４２４ａが１つの光子を検出し、検出器ＤｄV４２４ｂが光子を検出しない場合に、出力モード４１４ａにある光子を装置出力部４４０へ送る。加えて、ポスト検出処理部４３０は、検出器ＤｄV４２４ｂが１つの光子を検出し、検出器ＤｄH４２４ａが光子を検出しない場合に、光子偏光を９０度回転させ、出力モード２１４にある光子を１８０度位相シフトし、回転、位相シフトした光子を装置出力部４４０へ送る。この実施形態は、１／２の確率で成功する。
【０１３５】
当業者の間で知られている任意の方法、つまり、１８０度位相シフトし、９０程度回転させるために使用してもよい。例えば、半波長複屈折板を、出力モード４１４ａにある光子を回転させるために使用してもよい。
【０１３６】
ただし、２つの１ＡＯ１検出のどちらかを受け取っても、任意の種類のＨ−Ｖ偏光情報が提供されることはない。なお、このＨ−Ｖ偏光情報とは、基本的に、入力モード４１２にあるターゲットおよび制御光子の状態を測定し、演算の基礎となる光子の一貫性を減少させるもののことである。
〔３．３破壊的ＣＮＯＴ実験結果〕
図３の器具３００は、量子破壊的ＣＮＯＴ装置４００の一実施形態をシミュレートするように形成されている。この実施形態では、単一光子検出器ＤｄH４２４ａが１つの光子を検出し、単一光子検出器ＤｄV２２４ｂが光子を検出しない場合にはいつでも出力が変更されないまま受け取られる。上記の通り、このことは、１／４の確率で生じる。
【０１３７】
この構成では、ＰＢＳ２  ３２０のベースは、Ｆ偏光であると考えられ、Ｈ偏光は、Ｆ偏光に対して４５度回転している。従って、検出器ＤｄH４２４ａは、回転可能な偏光分析器３３０ｂを４５度回転させることによって実施されている。
【０１３８】
単一光子検出器ＤｄH４２４ａが１つの光子を検出し、単一光子検出器ＤｄV４２４ｂが光子を検出しないという条件は、検出器Ｄ２  ３５０ｂと検出器Ｄ１  ３５０ａとの双方が光子を同時検出することに相当する。入射光子は２つだけなので、Ｄ１  ３５０ａとＤ２  ３５０ｂとの双方の検出は、検出器ＤｄVがＶ偏光光子を検出しないだろうということを意味している。
【０１３９】
図４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ，４Ｆは、非重ね合わせ状態に基づいて演算する図４Ａの量子破壊的ＣＮＯＴ装置の性能を表す実験結果を示すグラフである。各グラフでは、出力モード３２４ａにおいて測定した軸４５４に記載した２つの状態にそれぞれ対応する同時計数の数が、同時計数軸４５２にプロットされている。
【０１４０】
軸４５４にある０は、分析器３３０ａが、Ｈ偏光光子を通過させるように、ＰＢＳ２  ３２０のベースに対して−４５度に設定されていることを表す。また、軸４５４にある１は、分析器３３０ａが、Ｖ偏光光子を通過させるように、ＰＢＳ２  ３２０のベースに対して＋４５度に設定されていることを表す。この結果は、ＣＮＯＴ装置が予測しているようにエラーが１８％程度の範囲内だということに合致している。
【０１４１】
例えば、図４Ｃは、空間モード３１２ａ，３１２ｂにある双方の入力光子（ターゲット光子および制御光子）が、それぞれＨ偏光されている場合の結果を表す。これは、器具３００を用いて、ＰＢＳ２  ３２０のベースに対して９０度偏光した光子をＨ偏光光子（ＰＢＳ２  ３２０のベースに対して−４５度）に変更するように半波長板Ｐ１  ３１６ａを方向付けることによって達成されている。
【０１４２】
同様に、半波長板Ｐ２  ３１６ｂは、０度偏光した光子を−４５度に変更するように方向付けられている。同時検出が行われるときは常に、反転されていない出力、すなわち、Ｈ偏光光子の出力が予測される。
【０１４３】
このことは、分析器３３０ａが、Ｈ偏光光子を通過させるために−４５度回転している場合、多数の同時計数によって表わされ、分析器３３０ａが、Ｖ偏光光子を通過させるために＋４５度回転している場合、同時計数によって表わされない。
【０１４４】
各計数４６２ａ，４６４ａから分るように、同時計数が得られる時の８２．２％で、出力モード３２４ａにある光子が所望のとおりにＨ偏光している。しかし、同時計数が得られる時の１７．８％で、光子がＶ偏光しており、これはエラーである。
【０１４５】
図４Ｄは、空間モード３１２ａにある各組のターゲット光子が、Ｈ偏光しており、空間モード３１２ｂにある制御光子がＶ偏光している場合の結果を表す。同時計数があるときは常に、ターゲットをＶ偏光に反転した状態の出力が予測される。
【０１４６】
各計数４６４ｂ，４６２ｂから分るように、同時計数の得られる時間の８２％で、出力モード３２４ａにある光子は所望の通りにＶ偏光している。しかし、同時計数が得られる時の１８％で、光子がＨ偏光しており、これはエラーである。
【０１４７】
図４Ｅは、空間モード３１２ａにある各組のターゲット光子が、Ｖ偏光しており、空間モード３１２ｂにある制御光子が、Ｈ偏光している場合の結果を示す。同時計数のある場合は常に、Ｖ偏光状態のターゲットの出力が予測される。
【０１４８】
各計数４６４ｃ，４６２ｃから分るように、同時計数の得られる時の８２．７％で、出力モード３２４ａにある光子は所望のとおりＶ偏光している。しかし、同時計数の得られる時の１７．３％で、光子はＨ偏光しており、これはエラーである。
【０１４９】
図４Ｆは、空間モード３１２ａ，３１２ｂにあるそれぞれの入力光子（ターゲット光子および制御光子）が、Ｖ偏光している場合の結果を示す。同時計数があるときは常に、ターゲットをＨ偏光に反転した状態の出力が予測される。各計数４６２ｄ，４６４ｄから分るように、同時計数が得られる時の８６．３％は、出力モード３２４ａにある光子が、Ｈ偏光している。しかし、同時計数の得られる時の１３．７％は、光子が、Ｖ偏光しており、これはエラーである。
【０１５０】
図４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ，４Ｆに示す結果は、入力キュービット全てが値０または値１を有している場合を示している。別のケースでは、これら２つの状態の重ね合せを表している場合は、エラーが、１％よりいっそう少ないことがある。平均誤差は、全ての可能な入力状態を平均した場合、約８％である。
【０１５１】
エラーの原因は、主に、偏光ビーム分割器の光学的特性であると考えられる。偏光ビーム分割器は、市販の品質（commercial quality）のものであり、約１／４波長の歪みを有している。特注の偏光ビーム分割器および単一モード光ファイバーを用いれば、エラー率は、はるかに低いと予想される。
【０１５２】
入力状態の重ね合せにより、一貫性のある結果が得られる。一貫性のある結果は、図２Ｇに記載した結果と類似している。これは、破壊的ＣＮＯＴ演算が、入力キュービットの状態を測定せずに行われ、論理装置の量子ネットワークにとって有益であることを示している。
〔４．量子符号化器〕
〔４．１量子符号化器の構造的な概要〕
図５は、一実施形態の量子符号化器５００を示すブロック図である。量子符号化器の機能は、入力キュービットの値を２つの出力空間モードに符号化することである。例えば、下記のように、量子符号化器５００は、入力光子と同じ偏光状態である２つの出力光子を生成する。入力キュービット値または出力キュービット値のどちらの測定も得られない。これは、一貫性を維持し、量子符号化を量子模造（quantum cloning）と区別する。
【０１５３】
量子符号化器５００は、量子パリティチェック装置２００を２つのもつれた光子のソース５５０と結合する。多重にもつれた光子の状態は、個々の光子の個々の状態のベクトル積として表せない。もつれた光子の状態は、相関している（独立していない）。
【０１５４】
図２Ａを参考にして説明したとおり、パリティチェック装置２００は、偏光感知検出器Ｄｃ２２０に向けられた出力空間モード２１４ｂと、ポスト検出処理部２３０に向けられた出力空間モード２１４ａとを有するＨ−Ｖ  ＰＢＳ２１０を備えている。量子パリティチェック装置の装置出力部２４０は、量子符号化器５００の第１装置出力部５４０ａとして機能する。
【０１５５】
ソース５５０からの光子のうちの１つは、入力モード２１２ｂ（図５では「ａ」とも表す）と一直線になっている量子パリティチェック装置２００に対するチェック光子として機能する。ソース５５０からの他方の光子は、空間モード５５２（図５では「ｂ」とも表す）に照射される。
【０１５６】
さらに、符号化器５００は、第２の装置出力部５４０ｂを有する、別のポスト検出処理部５３０を備えている。検出器２２０が検出した光子についての情報は、従来のデータリンク５３２を介して、ポスト検出処理部５３０へ送られる。
【０１５７】
ポスト検出処理部５３０は、１つ以上の従来の情報処理素子を備えていてもよい。ソース出力モード５５２にあるソース５５０からの第２の光子も、ポスト検出処理部５３０に入る。ポスト検出処理部５３０は、第２光子を、ブロックするか、変換するか、または、変更しないまま第２装置出力部５４０ｂへ伝送する。
〔４．２量子符号化演算〕
記載の実施形態では、ソース５５０によって放出された２つの光子のもつれた状態Φａ，ｂを、等式５ａによって求める。
Φａ，ｂ＝（ＨａＨｂ＋ＶａＶｂ）／√２      （５ａ）
ソース５５０からの光子に対してもつれた状態、および、等式３ａにより求められる任意に偏光した入力状態によって、検出器Ｄｃ２２０による１ＡＯ１光子の成功した検出が、等式５ｂによって求められる変換Ψエンコーダを選択することを証明できる。
Ψｅｎｃｏｄｅｒ＝αＨａＨｂ＋βＶａＶｂ      （５ｂ）
等式５ｂは、ＨおよびＶ状態に対してそれぞれ振幅αおよびβを有する２つのもつれた光子が、２つの装置出力部５４０ａ,５４０ｂへ出力されることを表す。量子パリティチェックと同様に、量子符号化器の演算は、１／２の確率で成功する。
〔５．量子リレー〕
〔５．１量子リレーの構造的な概要〕
図６Ａは、一実施形態の、量子リレー６００を示すブロック図である。量子リレーの機能は、入力キュービットと同じ状態のキュービットをキュービット通信チャネルに出力することである。ただし、これは、量子非破壊（ＱＮＤ）測定により、キュービットが実際に入力されていることが証明される場合に限られる。
【０１５８】
例えば、下記のように、量子リレー６００は、入力光子と同じ偏光状態の光子を出力する。ただし、これは、入力光子がモード２１２ａに実際に受け取られる場合に限られる。入力キュービット値または入力キュービット値のＨ−Ｖ状態は測定されない。このことは、キュービットの一貫性を維持する。
【０１５９】
量子リレーは、量子中継器（quantum repeater）と区別される。なぜなら、量子リレーは、もつれを解いたり、光子を長期間記憶したりする必要がないからである。量子リレー６００は、量子符号化器５００を、第２偏光感知検出器Ｄ２  ６２０およびポスト検出処理部６３０における付加ポスト検出演算器と接続する。ポスト検出処理部６３０は、符号化器５００のポスト検出処理部２３０，５３０の演算器を含む。
【０１６０】
図５を参照して上記で説明したように、量子符号化器５００は、偏光感知検出器Ｄｃ２２０に向けられた出力空間モード２１４ｂと出力空間モード２１４ａとを有するＨ−Ｖ  ＰＢＳ２１０備えている。
【０１６１】
さらに、量子符号化器５００は、２つのもつれた光子のソース５５０を備えている。ソース５５０からのもつれた光子のうちの１つは、空間モード２１２ｂ（図５および図６Ａでは「ａ」とも表す）に出力される。そして、空間モード２１２ｂは、Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ２１０に入力される。
【０１６２】
ソース５５０からの他方のもつれた光子は、空間モード５５２（図５および図６Ａでは「ｂ」とも表す）に照射される。検出器Ｄｃ２２０が検出した光子についての情報は、従来のデータリンク２３２を介して、ポスト検出処理部２３０へ送られ、リンク５３２を介してポスト検出処理部５３０へ送られる。図６Ａでは、リンク２３２，５３２を、ポスト処理部６３０へのリンク６３２ａで表す。
【０１６３】
さらに、量子リレー６００は、出力モード２１４ａを第２偏光感知検出器Ｄ２  ６２０へ方向付ける。量子リレー６００は、リンク６３２ｂを備えている。リンク６３２ｂは、検出器Ｄ２  ６２０が検出した光子についての情報を、一般的に、１つ以上の従来のビットとして、ポスト検出処理部６３０へ通す。
【０１６４】
ポスト検出処理部６３０は、１つ以上の従来の情報処理素子を備えていてもよい。ソース出力モード５５２にあるソース５５０からの第２光子も、ポスト検出処理部６３０へ入る。ポスト検出処理部６３０は、第２の光子を、ブロックするか、変換するか、または、変更しないままリレー装置出力部６４０へ伝送する。
【０１６５】
量子リレー６００の記載の実施形態は、出力モード５５２が鏡６６４を介してポスト検出処理部６３０へ送られることを示している。しかしながら、他の実施形態では、鏡６６４を省略してもよい。
【０１６６】
記載した実施形態では、ポスト検出処理部も、従来のゲート信号６４２を出力する。
ゲート信号６４２にある従来のビットは、入力モード２１２ａが光子を受け取った場合、値１を有し、入力モード２１２ａが光子を受け取なかった場合、値０を有している。
【０１６７】
図６Ｂは、一実施形態の、図６Ａの量子リレーにおいて使用される偏光感知光子検出器６２０を示すブロック図である。この検出器は、検出された光子のＨ−Ｖ状態を測定せずに、０個、１個、２個の光子を区別する所望の特性を有している。
【０１６８】
偏光感知検出器６２０は、図１Ｃに記載のＦ−Ｓ  ＰＢＳのように、Ｆ−Ｓ  ＰＢＳ６２２と、２つの単一光子検出器６２４とを備えている。Ｆ−Ｓ  ＰＢＳ２２２の入力モードは、出力モード２１４ａ（図６Ａおよび図６Ｂでは、モード「２」とも表す）に出力された光子を受け取るために、一直線にされている。
【０１６９】
記載した実施形態では、伝送出力モードにＦ−Ｓ  ＰＢＳ６２２が放射したＦ偏光光子は、単一光子検出器６２４ｂによって検出される（記号Ｄ２Fで表す）。また、反射出力モードにＦ−Ｓ  ＰＢＳ６２２が放射したＳ偏光光子は、単一光子検出器６２４ａによって検出される（記号「Ｄ２S」で表す）。
〔５．２量子リレー演算〕
出力経路２１４ａ（図６Ａでは「２」とも表す）に第２偏光感知検出器Ｄ２  ６２０を加えることによって、量子符号化器を量子非破壊（ＱＮＤ）測定装置に変換する。等式３ａによって求められる任意の状態の空間モード２１２ａにある入力光子に対して、検出器２２０，６２０の双方が１ＡＯ１光子を検出するならば、符号Ψｂ，ｃ，２によって表すシステムの投影された状態（どちらかの検出器が０個または２個の光子を検出する状態は除く）は、等式６によって求めらることを証明できる。
Ψｂ，ｃ，２＝（αＨｂ［Ｆ２Ｆｃ＋Ｓ２Ｆｃ＋Ｆ２Ｓｃ＋Ｓ２Ｓｃ］＋βＶｂ［Ｆ２Ｆｃ−Ｓ２Ｆｃ−Ｆ２Ｓｃ＋Ｓ２Ｓｃ］）      （６）
ただし、「ｂ」は、出力空間モード５５２にある光子を表している。
【０１７０】
等式６は、装置出力部６４０が、以下の場合に、所望の状態のαＨ＋βＶを生成できることを表している。以下の場合とはすなわち、ポスト検出処理部６３０が、Ｄ２FおよびＤｃF（Ｆ２およびＦｃ）だけ、または、Ｄ２SおよびＤｃS（Ｓ２およびＳｃ）だけを含む検出を通過させ、Ｄ２SおよびＤｃF（Ｓ２およびＦｃ）だけ、または、Ｄ２SおよびＤｃS（Ｆ２およびＳｃ）だけを含む検出に対してはβ項の記号（sign）を反転させる場合のことである。
【０１７１】
量子リレー６００は、従来の信号を、入力光子が存在している場合にのみ、入力光子の偏光状態に影響しない状態で生成するという意味において、入力光子に基づく確率性ＱＮＤ測定を実行する。量子リレーの演算は、１／２の確率で成功する。
【０１７２】
第２検出器６２０を、出力モード５５２ではなく出力モード２１４ａに配置することの利点は、入力モード２１２ａに光子が存在していない場合の装置を考慮することによって理解できる。この場合、双方の検出器に対する共同ｌＡＯ１条件を満たせない。
【０１７３】
なぜなら、検出器２１０，６２０のどちらか１つだけが、モード２１２ｂ（モード「ａ」とも表す）に出力された付属物光子を受け取るからである。第２検出器６２０を出力モード５５２へ動かせば、たとえ光子が入力モード２１２ａに存在しなくても、この装置は、２つの付属物光子からの双方の検出器にある１ＡＯ１光子条件を満たすであろう。
【０１７４】
検出器２２０，６２０からの従来の信号を、従来のゲート信号６４２を提供するために、結合できる。例えば、両方の検出器が１ＡＯ１光子を検出する場合、ビットは値１であり、そうでない場合は、値０である。
〔５．３量子暗号法における量子リレーアプリケーション〕
量子リレーを、量子暗号法に使用されるような量子通信システムに適用してもよい。光ファイバーを使用する現在の量子暗号法システムの最大範囲は、減衰（情報運搬光子が光ファイバーを通って伝播するときの喪失）と暗係数(dark counts)（情報運搬光子が検出器に衝突していないときに、検出器が検出を示す信号を表示する検出器ノイズの形状）との組み合わせによって制限されている。
【０１７５】
情報運搬光子の数が、検出器の暗係数に相当し、暗号化システムの効果的な処理能力が、ゼロの方へ急速に下降することに伴って、暗号化情報処理（例えば、誤り訂正および隠遁性増幅（privacy amplification））は、ますます非能率的になる。
【０１７６】
その範囲は、量子中継器を用いて拡大できる。量子中継器よりむしろ量子リレーによって範囲を拡大することが望ましい。なぜなら、量子リレーは、実行することが難しいステップ（量子中継器では必要であった、もつれを解くステップや、光子をかなりの期間記憶するステップ）が不要だからである。
【０１７７】
減衰は依然として生じる。しかし、ＱＤＮ測定器は、暗係数の効果を抑制する。これは、信号対ノイズ比率を上げ、暗号化処理の効率を上げる。光ファイバー通信チャネル全体に、量子リレーを最適に分散することによって、検出器ノイズの影響を少なくできる。
【０１７８】
図６Ｃは、一実施形態の、量子リレーシステム６６０を示すブロック図である。送信機６８０は、それぞれ特定の偏光を有している一連の光子６８２ａを生成する。特定の偏光は、光ファイバーを介した受信機６９０への伝送に対するキュービット値を示している。
【０１７９】
例えば、１キュービットの暗号化メッセージ（encrypted message）が、受信機６９０へ伝送するための光子６８２ａに符号化されている。受信機６９０は、普通のテキスト情報キュービットまたは従来のビットを生成するために、キュービットを復号する。１セットの１つ以上の量子リレーは、光ファイバーに沿って配置されている。
【０１８０】
例えば、量子リレー６７０ａ，６７０ｂ，６７１ｃは、まとめて量子リレー６７０と呼ばれ、記載の実施形態では、送信機６８０と受信機６９０とを接続する光ファイバーに沿って分散されている。
【０１８１】
各リレー６７０は、光子がその入力モードに受信されたかどうか、または、光子が、その時点に至るまでの、光ファイバーを通した伝送中に失われたかどうかを判定するために、ＱＮＤ測定を実行する。
【０１８２】
伝送線（transmission line）のある点を越えても光子が検出されない場合、従来のゲート信号を使用して、その事象を無視し、検出器からの出力を受信機６９０に全く受け付けないようにする。
【０１８３】
例えば、量子リレー６７０ａが、その入力モードで光子を検出すると、量子リレー６７０ａは、その地点で、上手く伝送するために、ゲート信号６７２ａを、値１に設定し、光子６８２ａと同じ偏光状態情報を有する光子６８２ｂを出力する。
【０１８４】
同じように、量子リレー６７０ｂ，６７０ｃが、それらの入力モードで光子を検出すると、量子リレー６７０ｂ，６７０ｃは、それらの場所への伝送を上手くするために、それらの各ゲート信号６７２ｂ，６７２ｃを、値１に設定し、光子６８２ｃ，６８２ｄをそれぞれ出力する。
【０１８５】
ゲート信号６７２ｃの値が１に設定されているときに受信機６９０が光子を検出する場合、受信機６９０は、光子を、キュービット関連光子（qubit-bearing photon）として受け取り、検出キュービット値を処理する。
【０１８６】
例えば、量子リレー６７０ｂが、その入力モードで光子を検出しなければ、そのゲート信号６７２ｂは、その時点でキュービット関連光子を受け取っていないことを示すために、０に設定される。このゲート信号は、量子リレー６７０ｃへ伝送される。
【０１８７】
量子リレー６７０ｃは、０の値をそのゲート信号６７２ｃへ転送する。ゲート信号６７２ｃの値に基づいて、受信機６９０は、その時点でキュービット関連光子を利用できないことを表示する。たとえ受信機６９０にある検出器が、その時点で暗係数を生成しても、この計数は無視される。
【０１８８】
これは、受信機６９０における暗係数を抑制する効果がある。この効果は、ノイズを低減し、ノイズに対する信号を増加させる。その結果、量子処理技術（量子暗号処理時のエラー補正や隠遁性増幅など）の効率が上がる。
【０１８９】
量子リレーで受信したゲート信号を、量子リレーによってゲート信号出力部へ伝送するために、任意の方法を使用してもよい。例えば、ゲート信号入力部を、ポスト検出処理機６３０に加えてもよい。ポスト検出処理機６３０は、従来の論理演算を含んでいてもよい。従来の論理演算は、値１を有するために、検出器２２０，６２０から１ＡＯ１検出を必要とすることに加えて、他の量子リレーから受信するゲート信号を必要とする。
【０１９０】
検出器の暗係数の効果を、量子リレー６７０自体、および、キュービット関連光子の確率的検出に含めることが重要である。リレーが生成する任意のスプリアス光子は、光ファイバーを通過して伝播するときに減衰する。
【０１９１】
リレー６７０と受信機６９０との距離が十分に開いている限り、減衰によって、このようなスプリアス光子の影響を受信機６９０にある暗係数よりもいっそう小さくできるさらに、確率的ＱＮＤ測定と関連する因子の１／２の損失を、量子リレー６７０によって暗係数が抑制されていない場合に生じるエラー補正と隠遁性増幅のときの非効率よりもよりいっそう少なくしておくことができる。
〔６．量子非破壊的ＣＮＯＴ装置〕
〔６．１量子ＣＮＯＴの構造的な概要〕
図７は、一実施形態の、量子非破壊ＣＮＯＴ７００を示すブロック図である。既に述べたように、偏光光子のための量子ＣＮＯＴの機能は、制御光子がＨ偏光している場合は、ターゲット光子と同じ状態の出力光子を生成する。制御光子がＶ偏光している場合は、反転したＨおよびＶ状態の光子を生成する。
【０１９２】
ＣＮＯＴ演算を、上記のように、制御光子の重ね合わせ状態に適用するために、一般化してもよい。このＣＮＯＴは、上記で説明したＣＮＯＴと同じ機能を果たすが、処理時に、制御光子を消費しない。それゆえ、この量子ＣＮＯＴは、制御光子と同じ偏光状態の光子を出力できる。
【０１９３】
ＣＮＯＴ７００は、２つの装置出力７４０ａ，７４０ｂを生成するために、一実施形態の量子符号化器５００ａを、破壊的ＣＮＯＴ４００と接続する。モード５５５２にある符号化器出力の１つを、破壊的ＣＮＯＴ４００に対する制御入力として使用される光子を出力するために使用する。符号化器のもう一方の装置出力部を、その符号化が成功しているとき、モード２１２ａにある制御入力光子の状態を第１ＣＮＯＴ出力７４０ａに伝播するために使用する。
【０１９４】
制御光子の状態に基づいて、第２のＣＮＯＴ出力７４０ｂは、入力モード４１２ａにあるターゲット光子と同じ状態または反転Ｈ−Ｖ状態の光子を運ぶ。このように、２つの出力７４０ａ、７４０ｂはそれぞれ、制御光子の状態情報、および、反転または非反転状態のターゲット光子を通過させる。
【０１９５】
上記で図５を参照して説明したように、量子符号化器５００は、量子パリティチェック装置２００を、２つのもつれた光子のソース５５０と接続する。上記で図２Ａを参照して説明したように、パリティチェック装置２００は、偏光感知検出器Ｄｃ２２０の方へ向けられた出力空間モード２１４ｂと、ポスト検出処理部２３０の方へ向けられた出力空間モード２１４ａとを有するＨ−Ｖ  ＰＢＳ２１０を備えている。
【０１９６】
検出器２２０が検出した光子についての情報は、データリンク２３２を介してポスト検出処理部２３０へ引き渡される。記載の実施形態では、ＣＮＯＴポスト検出処理部７３０ａが、量子パリティチェック装置ポスト検出処理部２３０を備えている。量子パリティチェック装置からの装置出力部２４０は、量子符号化器５００の第１装置出力部５４０ａとして機能する。量子符号化器５００は、ＣＮＯＴ７００の第１装置出力部７４０ａとして機能する。
【０１９７】
ソース５５０からの光子のうちの１つは、入力モード２１２ｂ（図７では「ａ」とも表す）と一直線になっている量子パリティチェック装置２００に対するチェック光子として機能する。ソース５５０からの他方の光子は、空間モード５５２（図５では「ｂ」とも表す）に照射される。空間モード５５２において、ソース５５０からの他方の光子は、破壊的ＣＮＯＴ４００に対する制御光子になる。
【０１９８】
符号化器５００は、第２装置出力部５４０ｂを有する別のポスト検出処理部５３０をさらに備えている。検出器２２０が検出する光子についての情報は、従来のデータリンク５３２を介して、ポスト検出処理部５３０へ送られる。ポスト検出処理部５３０は、１つ以上の従来の情報処理素子を含んでいてもよい。
【０１９９】
ソース出力モード５５２にあるソース５５０からの第２光子も、ポスト検出処理部５３０に入る。ポスト検出処理部５３０は、ソース５５０からの第２光子を、ブロックするか、変換するか、または、変更しないまま第２装置出力部５４０ｂへ伝送する。記載の実施形態では、ポスト検出器７３０ａまたは７３０ｂまたは双方の演算が、実施形態５００ａの符号化器５００に対してポスト検出処理部５３０が実行する演算の代わりとなる。
【０２００】
上記で図４を参考にして説明したように、破壊的ＣＮＯＴ４００は、図１Ｃに記載したようなＦ−Ｓ  ＰＢＳ４１０を備えている。Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ４１０は、ターゲット入力モード４１２ａ（図７ではモード「３」とも表す）と制御入力モード４１２ｂ（図７ではモード「ｂ」とも表す）とを有する入力空間モード４１２を備えている。
【０２０１】
Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ４１０は、伝送出力モード４１４ａ（図７ではモード「３」とも表す）と検出出力モード４１４ｂ（図７では「ｄ」とも表す）とを有する出力空間モード４１４を備えている。破壊的ＣＮＯＴ装置４００は、偏光感知検出器４２０（「Ｄｄ」とも表す）をさらに備えている。偏光感知検出器４２０は、検出出力モード４１４ｂにある多数の単一光子を検出する。
【０２０２】
破壊的ＣＮＯＴ装置４００は、装置出力部４４０を有するポスト検出処理部４３０をさらに備えている。検出器４２０が検出した光子についての情報は、通信リンク４３２を介して、ポスト検出処理部４３０へ送られる。ポスト検出処理部４３０は、１つ以上の従来の情報処理素子を備えていてもよい。伝送出力モード４１４ａも、ポスト検出処理部４３０へ入る。ポスト検出処理部４３０は、伝送出力モード４１４ａを、ブロックするか、変換するか、または、変更しないまま装置出力部４４０へ伝送してもよい。
【０２０３】
記載の実施形態では、ＣＮＯＴポスト検出処理部７３０ｂは、破壊的ＣＮＯＴポスト検出処理部４３０を備えている。破壊的ＣＮＯＴからの装置出力部４４０ｂは、ＣＮＯＴ７００の第２装置出力部７４０ｂとして機能する。
【０２０４】
記載の実施形態では、符号化器が検出した光子についての情報は、ポスト検出処理部７３０ｂへ、データリンク７３２を介して送られる。他の実施形態（例えば、符号化器にポスト検出処理部５３０が含まれる実施形態）では、データリンク７３２を省いてもよい。
〔６．２量子ＣＮＯＴ演算〕
パリティチェック装置２００および破壊的ＣＮＯＴ４００は、それぞれ１／２の確率で成功する。それゆえ、ＣＮＯＴ７００は、１／４の確率で成功する。
【０２０５】
ＣＮＯＴ７００の演算を、等式７ａによって求められるように、入力モード２’（２１２ａ）および３’（４１２ａ）のそれぞれに対する任意の入力状態（Ψ２’３’によって表す）を考慮すれば説明できる。
Ψ２’３’＝α１Ｈ２’Ｈ３’＋α２Ｈ２’Ｖ３’＋α３Ｖ２’Ｈ３’＋α４Ｖ２’Ｖ３’      （７ａ）
合計状態Ψｔは、等式７ｂによって求められる。
Ψｔ＝Ψ２’３’ＸΦａ，ｂ      （７ｂ）
ただし、Φａ，ｂは、ソース５５０からのもつれた光子の状態である。
【０２０６】
合計状態Ψｔは、ＣＮＯＴ７００によって、等式７ｃによって求められる最終合計状態ΨＴとなることが分る。
ΨＴ＝{ＦｃＨｄ[α１Ｈ１Ｈ３＋α２Ｈ２Ｖ３＋α３Ｖ２Ｖ３＋α４Ｖ２Ｈ３]＋ＳｃＨｄ[−α１Ｈ２Ｈ３−α２Ｈ２Ｖ３＋α３Ｖ２Ｖ３＋α４Ｖ２Ｈ３]＋ＦｃＶｄ[α１Ｈ２Ｖ３＋α２Ｈ２Ｈ３＋α３Ｖ２Ｈ３＋α４Ｖ２Ｖ３]＋ＳｃＶｄ[−α１Ｈ２Ｖ３−α２Ｈ２Ｈ３＋α３Ｖ２Ｈ３＋α４Ｖ２Ｖ３]}＋１／２Ψｆａｉｌ４√３      （７ｃ）
ただし、Ψｆａｉｌ４は、全振幅の正規化結合である。そして、この振幅は、各偏光感知検出器Ｄｃ２２０、Ｄｄ４２０に１ＡＯ１光子を導くことはない。
【０２０７】
中括弧の中の４つの項の第１項は、ＤｃF２２４ａが１ＡＯ１光子を検出し、ＤｄH４２４ａが１ＡＯ１光子を検出する場合に得られ、１／１６の成功率で、等式７ａの入力状態に所望のＣＮＯＴ変換を行う。このことは、量子パリティチェック装置２００、および、破壊的ＣＮＯＴ４００の受動的な成功条件（passive success conditions）に相当する。
【０２０８】
中括弧の中の４つの項の次の３つは、Ｄｃ２２０およびＤｄ４２０の各々において検出された１ＡＯ１光子の異なる組み合わせによって発生し、上記のパリティチェック装置および破壊的ＣＮＯＴで使用される、従来のように制御された単一光子演算の異なる適切な組み合わせを必要とする。
【０２０９】
従来のように制御された単一光子演算は、ポスト検出処理部７３０ａまたは７３０ｂまたは双方で行われる。従って、これら４つの項を、合計１／４の成功率となるよう組み合わせてもよい。
【０２１０】
中括弧内の第２項は、ＤｃS２２４ｂで行われる検出に対応している。ＤｃS２２４ｂは、Ｈ２の振幅を反転させる、偏光に応じた１８０度の位相シフトを、出力モード２１４ａ（「２」とも表す）において引き起こすほうがよい。
【０２１１】
中括弧内にある第３項は、ＤｄV２２４ｂで行われる検出に対応している。ＤｄV２２４ｂは、Ｈ３とＶ３との振幅を交換する状態反転を、出力モード４１４ａ（「３」とも表す）にある光子に引き起こすほうがよい。
【０２１２】
ターゲットキュービットまたは制御キュービット値のＨ−Ｖ状態は測定されない。このことは、このＣＮＯＴ装置の演算時に、キュービットの一貫性を維持する。
〔７．４つのもつれた光子のソース〕
４つのもつれた光子ソースを必要とするＣＮＯＴ装置は、D.GottesmanおよびI.Chuang, Nature, vol.402, p.390, 1999（以下ＧＣ）に記載されている。たった２つのもつれた光子ソースを使用する上記のＣＮＯＴ装置７００を、必要な４つのもつれた光子ソースを生成するために使用してもよい。図８は、一実施形態の４つのもつれた光子のソース８００を示すブロック図である。
【０２１３】
ソース８００は、非破壊的ＣＮＯＴ７００と、２つのもつれた光子の２つの付加ソース８５０ａ，８５０ｂを備えている。２つのもつれた光子の各付加ソース８５０ａ，８５０ｂは、２つの出力空間モードを備えている。ソース８５０ａは、第１出力空間モード８４０ａ（図８では「１」とも表す）と、ＣＮＯＴ７００の制御入力モード２１２ａ（図８では「２’」とも表す）と一直線になっている第２出力空間モードとを備えている。
【０２１４】
ソース８５０ｂは、第１出力空間モード８４０ｂ（図８では「４」とも表す）と、ＣＮＯＴ７００のターゲット入力モード４１２ａ（図８では「３’」とも表す）と一直線になっている第２出力空間モードとを備えている。従って、ソース８００の４つの出力モードは、ソース８５０ａの出力モード８４０ａ、ソース８５０ｂの出力モード８４０ｂ，ＣＮＯＴ７００の制御出力モード７４０ａ（図８では「２」とも表す）、および、ＣＮＯＴ７００の出力モード７４０ｂ（図８では「３」とも表す）を備えている。このソースは、特定の特性を有する４つのもつれた光子を１／４の確率で生成する。
【０２１５】
ＧＣ  ＣＮＯＴにとって有益な状態の特定のもつれた光子のために、ソース８５０，８５０ｂのそれぞれは、等式８によって求められる、もつれた状態の２つの光子を生成する。
Φｉｊ＝（ＨｉＨｊ＋ＶｉＶｊ）／√２      （８）
ただし、ｉ，ｊ＝１，２’または３’，４である。
【０２１６】
組み合わせ状態（「Ｂｅｌｌ状態」とも呼ばれる）を有する２つのもつれた光子のソースが信頼性の高いものだとすると、４つのもつれた光子に対する特定の状態を生成するために必要な試みは、平均してたった４つである。この場合、ＣＮＯＴ７００は、Ｋｎｉｌｌの実施方法では、後で利用するための準備状態に対する加速ソースを提供する。
〔８．代替量子非破壊的ＣＮＯＴ装置〕
図９は、他の実施形態の、４つのもつれた光子を使用する量子ＣＮＯＴ９００を示すブロック図である。この実施は、ＧＣ  ＣＮＯＴと類似しているが、以下に説明するように、検出器２２０ａ，２２０ｂ，６２０ａ，６２０ｂに、Ｆ−Ｓ  ＰＢＳが含まれている点が異なる。Ｆ−Ｓ  ＰＢＳは、検出された光子にあるＨ−Ｖ情報を消去し、ＣＮＯＴ９００が演算するときに基礎とする光子のために、確実に一貫性を保証する。制御キュービットまたはターゲットキュービット値は測定されない。
【０２１７】
４つのもつれた光子ソースを有するＧＣ  ＣＮＯＴは、２つのもつれた光子ソースを有するＣＮＯＴ７００よりもいくらか演算が有利である。例えば、４つの付属物光子へのＣＧ  ＣＮＯＴの依存は、不完全なソースおよび光子損失に関連するいくつかの問題を解決する。
【０２１８】
さらに、Ｋｎｉｌｌには、以下のような処理が記載されている。すなわち、この処理では、ＧＣ  ＣＮＯＴのようなプロトコルで必要とされるキュービットのテレポーテーション（状態情報の遠距離伝送）の成功率を、より複雑な線形光技術を使用して、任意にほぼ１にまで上げることができる。
【０２１９】
その結果、４つのもつれた光子ソースを、確率的に生成できる。ソース８００は、単に、４つのもつれた光子の確率ソースである。
〔８．１代替量子ＣＮＯＴの構造的な概要〕
代替ＣＮＯＴ９００は、図８の４つのもつれた光子ソース８００（図９ではχとも表す）と、２つのＨ−Ｖ  ＰＢＳ９１０，９２０とを備えている。Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ９１０は、制御空間入力モード９１２ａ（図９では、モード「Ａ」とも表す）およびソース８００の第２入力空間モード８４０ａ（図９および図８では「１」とも表す）という２つの入力空間モードを備えている。
【０２２０】
Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ９１０は、検出器Ｄｑ６２０ａの方へ向けられた出力空間モード９１４ａ（図９では、「ｑ」とも表す）および検出器Ｄｐ２２０ａの方へ向けられた出力空間モード９１４ｂ（図９では「ｐ」とも表す）という２つの出力空間モードを備えている。
【０２２１】
データリンク９３２ａは、検出器Ｄｐ２２０ａが検出した光子についての従来の情報を、ポスト検出処理部９３０ａへ運び、データリンク９３２ｂは、検出器Ｄｑ６２０ａが検出した光子についての情報を、ポスト検出処理部９３０ａへ運ぶ。
【０２２２】
ソース８００の出力モード７４０ａ（図８および図９では、モード「２」とも表す）は、ポスト検出処理機９３０ａの方へ向けられている。モード７４０ａにある光子の状態は、ブロックされているか、変換されているか、または、偏光されないままポスト検出処理部９３０ａの第１装置出力部９４０ａへ、リンク９３２ａまたはリンク９３２ｂまたはこれら双方を介して受信した従来のデータに基づいて転送される。
【０２２３】
Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ９２０は、２つの入力空間モードをそなえている。２つの入力空間モードとは、ターゲット入力空間モード９２２ａ（図９ではモード「Ｂ」とも表す）、および、ソース８００の出力モード８４０ｂ（図９および図８ではモード「４」とも表す）と一直線になっている第２入力モードのことである。
【０２２４】
Ｈ−Ｖ  ＰＢＳ９２０は、２つの出力空間モードを備えている。２つの出力空間モードとは、検出器Ｄｎ６２０ｂの方へ向けられている出力空間モード９２４ａ（図９では「ｎ」とも表す）、および、検出器Ｄｍ２２０ｂの方へ向けられている出力空間モード９２４ｂ（図９では「ｍ」とも表す）のことである。
【０２２５】
データリンク９３２ｄは、検出器Ｄｍ２２０ｂが検出した光子についての従来の情報を、ポスト検出処理部９３０ｂへ運び、データリンク９３２ｃは、検出器Ｄｎ６２０ｂが検出した光子についての従来の情報を、ポスト検出処理部９３０ｂへ運ぶ。ソース８００の出力モード７４０ｂ（図８および図９ではモード「３」とも表す）は、ポスト検出処理部９３０ｂへ方向付けられている。モード７４０ｂにある光子の状態は、ブロックされている顧客か、変換されているか、または、リンク９３２ｃまたはリンク９３２ｄまたは双方を介して受信したデータに基づいて、変更されないままポスト検出処理機９３０ｂの第２装置出力部９４０ｂへ転送される。
【０２２６】
記載の実施形態では、検出器Ｄｐ２２０ａ，Ｄｍ２２０ｂは、上記で図２Ｂを参考にして説明したようにＦ−Ｓ偏光感知検出器であり、検出器Ｄｑ６２０ａ，Ｄｎ６２０ｂは、上記で図６Ｂを参考にして説明したように、Ｆ−Ｓ偏光感知検出器である。Ｆ−Ｓ偏光感知検出器にあるＦ−Ｓ  ＰＢＳは、検出光子にあるＨ−Ｖ情報を消去し、ＣＮＯＴ９００が演算の基礎とする光子の一貫性を確実に維持する。制御キュービット値またはターゲットキュービット値は測定されない。
〔８．２代替量子ＣＮＯＴ演算〕
任意入力光子Ａ，Ｂ（それぞれ、制御およびターゲット）に対して、入力の状態ΨＡ，Ｂは、等式９ａによって求められる。
ΨＡ，Ｂ＝（α１ＨＡＨＢ＋α２ＨＡＶＢ＋α３ＶＡＨＢ＋α４ＶＡＶＢ）    （９ａ）
ただし、α１，α２，α３，α４の平方の大きさの合計(sum of magnitudes)は、１である。モード「２」７４０ａ，「３」７４０ｂにある所望の出力状態Ψ２，３は、等式９ｂによって求められる。
Ψ２，３＝（α１Ｈ２Ｈ３＋α２Ｈ２Ｖ３＋α３ＶＡＶ３＋α４Ｖ２Ｈ３）    （９ｂ）
所望の出力がモード「２」７４０ａ，「３」７４０ｂにある場合に、１ＡＯ１光子が検出器Ｄｐ２２０ａ，Ｄｑ６２０ａ，Ｄｍ２２０ｂ，Ｄｎ６２０ｂのそれぞれで検出されるという条件は、もつれたソース８００が、等式９ｃによって求められる状態χである場合に満たされる。
χ＝１／２（Ｈ１Ｈ４Ｈ２Ｈ３＋Ｈ１Ｖ４Ｈ２Ｖ３＋Ｖ１Ｈ４ＶＡＶ３＋Ｖ１Ｖ４Ｖ２Ｈ３）      （９ｃ）
これは、上記のように、ソース８００によって生成される状態である。
【０２２７】
ＧＣ  ＣＮＯＴでは、４つの検出器２２０ａ，２２０ｂ，６２０ａ，６２０ｂが、Ｆ−Ｓ偏光感知検出器ではなく、１つの光子が検出されたかどうかだけを確定するモード７４０ａ，７４０ｂにおける出力は、各検出器が、たった１つの光子を検出しない限り、ブロックされている。しかし、モード７４０ａ，７４０ｂにある出力光子の偏光が、もつれていることもありえる。
【０２２８】
すなわち、モードｍ９２４ｂ，ｎ９２４ａ，ｐ９１４ｂ，ｑ９１４ａにおける光子の偏光と相関していることもありえる。任意のこのようなもつれは、等式９ｂに示すよりも複雑な最終状態Ψ２，３となる。このことは、このようなもつれによって、検出器が、制御およびターゲットキュービットの状態についての情報を提供し、その結果、装置の一貫性が低減されるとことを考えると理解できる。記載の実施形態９００では、このもつれた情報が消去される。
【０２２９】
なぜなら、４つの検出器２２０ａ，２２０ｂ，６２０ａ，６２０ｂのソースは、Ｆ−Ｓベースで光子の偏光を測定するからである。上記のように、この消去は、例えば、Ｆ偏光光子が、ＨおよびＶ偏光光子の等しい重ね合わせであり、その結果、測定は、キュービットの初期値についての情報を提供しないからだと証明されている。
【０２３０】
４つのＦ−Ｓ偏光感知検出器によって、代替ＣＮＯＴ９００は、１／４の確率で成功する。この条件は、ソース８００が、等式９ｃによって求められるχ状態の４つの光子を提供することである。
〔９．拡大と代替〕
上記の説明では、本発明を、本発明の特定の実施形態を参考にしながら説明してきた。しかし、これに様々な補正と変更とを行っても本発明の思想と範囲とに反していないことは明らかである。従って、説明および図は、制限を意味するというよりもむしろ説明を目的とするものとみなす。本発明を、添付の図の例を挙げて説明したが、これに制限されない。また、図面では、類似する部材に同じような部材番号を付けた。
【図面の簡単な説明】
【０２３１】
【図１】Ａは、一実施形態の、異なるセットの直交偏光状態の間の関係を示すグラフである。Ｂは、第１セットの直交偏光状態を使用する偏光ビーム分割器を示すブロック図である。Ｃは、第２セットの直交偏光状態を使用する偏光ビーム分割器を示すブロック図である。
【図２】Ａは、一実施形態の、量子パリティチェック装置を示すブロック図である。Ｂは、一実施形態の、Ａの量子パリティチェック装置で使用される偏光感知光子検出器を示すブロック図である。Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆは、非重ね合わせ状態に基づいて演算するＡの量子パリティチェック装置の性能を表す実験結果を示すグラフである。Ｇは、重ね合わせ状態に基づいて演算するＡの量子パリティチェック装置の性能を表す実験結果を示すグラフである。
【図３】様々な実施形態の論理装置の性能を表すための実験器具を示すブロック図である。
【図４】Ａは、一実施形態の、量子検出ＣＮＯＴ装置を示すブロック図である。Ｂは、一実施形態の、Ａの量子検出ＣＮＯＴ装置で使用する偏光感知光子検出器を示すブロック図である。Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆは、非重ね合わせ状態に基づいて演算するＡの量子検出ＣＮＯＴ装置の性能を表す実験結果を示すグラフである。
【図５】一実施形態の、量子符号化器を示すブロック図である。
【図６】Ａは、一実施形態の、量子リレーを示すブロック図である。Ｂは、一実施形態の、Ａの量子リレーで使用する偏光感知光子検出器を示すブロック図である。Ｃは、一実施形態の、量子リレーシステムを示すブロック図である。
【図７】一実施形態の、量子ＣＮＯＴを示すブロック図である。
【図８】一実施形態の、４つのもつれた光子の資源を示すブロック図である。
【図９】他の実施形態の、４つのもつれた光子を使用する量子ＣＮＯＴを示すブロック図である。
【図１Ａ】
2005524127.tif 000003
【図１Ｂ】
2005524127.tif 000004
【図１Ｃ】
2005524127.tif 000005
【図２ＡＢ】
2005524127.tif 000006
【図２ＣＤＥＦ】
2005524127.tif 000007
【図２Ｇ】
2005524127.tif 000008
【図３】
2005524127.tif 000009
【図４ＡＢ】
2005524127.tif 000010
【図４ＣＤＥＦ】
2005524127.tif 000011
【図５】
2005524127.tif 000012
【図６ＡＢ】
2005524127.tif 000013
【図６Ｃ】
2005524127.tif 000014
【図７】
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【図８】
2005524127.tif 000016
【図９】
2005524127.tif 000017
【国際調査報告】
2005524127.tif 000018
2005524127.tif 000019