(57)【要約】【課題】情報がナノチューブ内の内包フラーレンの状態によって表される情報レジスタが開示される。【解決手段】実現可能な状態はスピン状態あるいは形態学的状態であり、例えば内包種が内在または誘導電気双極子モーメントあるいは固有の電気分極性を有する。ナノチューブに沿った内包フラーレンの一連の状態がナノチューブ内の電子によって媒介される相互作用によって結合される。そのレジスタは量子コンピュータあるいは古典的コンピュータの一部として用いることができる。
2005500676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノチューブ内に複数のユニットを含む情報レジスタであって、各ユニットは情報を表現するために利用可能な複数の状態を有することを特徴とする情報レジスタ。
【請求項２】
前記ユニット間の相互作用が前記ナノチューブによって媒介される請求項１に記載の情報レジスタ。
【請求項３】
前記相互作用は前記ナノチューブの伝導電子によって媒介される請求項２に記載の情報レジスタ。
【請求項４】
前記相互作用は調整自在である請求項２または３に記載の情報レジスタ。
【請求項５】
前記ユニット間の前記相互作用を調整自在にするために電極が設けられる請求項４に記載の情報レジスタ。
【請求項６】
前記複数の状態は前記ユニットの異なるスピン状態に対応する請求項１〜５のいずれか一項に記載の情報レジスタ。
【請求項７】
前記ユニット間の前記相互作用は間接的な交換相互作用を介して前記ナノチューブによって媒介される請求項６に記載の情報レジスタ。
【請求項８】
前記複数の状態は前記ユニットの異なる形態学的状態に対応する請求項１〜７のいずれか一項に記載の情報レジスタ。
【請求項９】
前記異なる形態学的状態は異なる誘導または内在電気双極子モーメントを有するか、あるいは異なる電気分極性を有する請求項８に記載の情報レジスタ。
【請求項１０】
複数の異なるユニットタイプを含み、前記ユニットは、これらの異なるユニットタイプが周期的パターンを形成するように前記ナノチューブ内に配列される請求項１〜９のいずれか一項に記載の情報レジスタ。
【請求項１１】
２つの異なるユニットタイプを含み、前記ユニットは、これらのユニットタイプが前記ナノチューブに沿って交互に並ぶように配列される請求項１０に記載の情報レジスタ。
【請求項１２】
前記ナノチューブは単層及び多層のいずれかである請求項１〜１１のいずれか一項に記載の情報レジスタ。
【請求項１３】
前記ユニットはそれぞれ、情報を表すために利用することができる少なくとも２つの状態を有する請求項１〜１２のいずれか一項に記載の情報レジスタ。
【請求項１４】
前記ユニットのうちの少なくともいくつかは、誤り検出するために用いることができる、１つあるいは３つ以上の状態を有する請求項１３に記載の情報レジスタ。
【請求項１５】
前記各ユニットの２つの状態は、１キュビットの情報及び１ビットの情報のうちの１つを表すために用いることができる請求項１３または１４に記載の情報レジスタ。
【請求項１６】
前記各ユニットを個々にアドレス指定するための電極を含む請求項１〜１５のいずれか一項に記載の情報レジスタ。
【請求項１７】
複数のユニットが電磁放射によって同時にアドレス指定可能である請求項１〜１６のいずれか一項に記載の情報レジスタ。
【請求項１８】
前記電磁放射は、電波、マイクロ波、赤外線、可視光線、紫外線及びその組み合わせからなるグループから選択される請求項１６または１７に記載の情報レジスタ。
【請求項１９】
１つあるいは複数の前記ユニットは、電極と、加えられる電磁放射との組み合わせを用いることによりアドレス指定可能である請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の情報レジスタ。
【請求項２０】
１つのユニットをアドレス指定する際に、このユニットに関連する１つの電極に所定の電流が流される請求項１９に記載の情報レジスタ。
【請求項２１】
前記電流及び前記電磁放射のうちの少なくとも１つはパルスで加えられる請求項１９または２０に記載の情報レジスタ。
【請求項２２】
前記ナノチューブはカーボンナノチューブ及び二硫化モリブデンナノチューブのいずれかである請求項１〜２１のいずれか一項に記載の情報レジスタ。
【請求項２３】
前記ユニットを離隔して配置するために、前記ナノチューブ内に空のフラーレンをさらに含む請求項１〜２２のいずれか一項に記載の情報レジスタ。
【請求項２４】
前記各ユニットは内包フラーレンを含む請求項１〜２３のいずれか一項に記載の情報レジスタ。
【請求項２５】
前記内包種は、Ｅｒ、Ｇｄ、Ｐ、Ｌａ、Ｌｕ、Ｎ、Ｓｃ、Ｔｍ、Ｙ、Ｈｏ、Ｐｒ、Ｄｙ、Ｅｒ2、Ｈｆ2、Ｓｃ3及びＬａ2からなるグループから選択される１つあるいは複数の元素を含む請求項２４に記載の情報レジスタ。
【請求項２６】
前記異なる情報を表す状態は、前記内包種の異なる形態学的状態である請求項２４に記載の情報レジスタ。
【請求項２７】
前記内包種は、Ｘを水素及び１つあるいは複数の希土類元素のうちの１つとして、Ｘ3Ｎの形からなる請求項２６に記載の情報レジスタ。
【請求項２８】
前記希土類元素はＳｃ、Ｅｒ及びその混合物からなるグループから選択される請求項２７に記載の情報レジスタ。
【請求項２９】
前記フラーレンは、Ｃ60、Ｃ70、Ｃ74、Ｃ80、Ｃ82、Ｃ84、Ｃ86、Ｃ88、Ｃ90、Ｃ92、Ｃ94からなるグループから選択される請求項２４〜２８のいずれか一項に記載の情報レジスタ。
【請求項３０】
前記内包種、前記フラーレン及びその組み合わせから選択される１つの態様によって区別される複数の異なる内包フラーレンタイプを含む請求項２４〜２９のいずれか一項に記載の情報レジスタ。
【請求項３１】
前記フラーレンのうちの少なくともいくつかは、それに付着する少なくとも１つの官能基を含む請求項２４〜３０のいずれか一項に記載の情報レジスタ。
【請求項３２】
前記官能基は前記ナノチューブ内の前記フラーレン間に配置され、前記フラーレンを離隔して配置する請求項３１に記載の情報レジスタ。
【請求項３３】
前記フラーレンはダイマーとして存在する請求項２４〜３２のいずれか一項に記載の情報レジスタ。
【請求項３４】
前記各ユニットは超常磁性クラスタを含む請求項１〜２３のいずれか一項に記載の情報レジスタ。
【請求項３５】
前記超常磁性クラスタはＦｅ８及びＭｎ１２からなるグループから選択される請求項３４に記載の情報レジスタ。
【請求項３６】
前記各ユニットは少なくとも１つの不対電子を有する種を含む請求項１〜２３のいずれか一項に記載の情報レジスタ。
【請求項３７】
互いに概ね平行に配列され、それぞれその中に複数の情報を表すユニットを有する複数の前記ナノチューブをさらに含む請求項１〜３６のいずれか一項に記載の情報レジスタ。
【請求項３８】
請求項１〜３７のいずれか一項による情報レジスタとともに用いるためのアドレス指定方法であって、
請求項１〜３７のいずれか一項に記載の情報レジスタを配設し、
前記レジスタの少なくとも１つの情報を表すユニットに関連付けられる少なくとも１つの電極に電流を流し、
前記レジスタに所定の周波数の電磁放射を加える
ことを特徴とするアドレス指定方法。
【請求項３９】
前記電流及び前記電磁放射のうちの少なくとも１つはパルスで加えられる請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記レジスタの情報を表す複数のユニットは同時にアドレス指定される請求項３８または３９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、データのロードが可能で、それらのデータに処理を実行することができる情報レジスタに関する。詳細には、この情報レジスタは量子コンピュータあるいは古典的コンピュータにおいて用いることができる。古典的コンピュータは、その技術が如何に進歩しても、純粋に古典的な情報を処理する装置であるのに対して、量子コンピュータは、量子情報（例えば、以下に説明される、キュビットと呼ばれる０及び１の量子重ね合わせ）を処理する装置である。
【背景技術】
【０００２】
量子コンピュータの分野は数多くの最近の研究の対象になっている。しかしながら、実用的な量子コンピュータを構成するためには、数多くの要件がある。
【０００３】
量子コンピュータでは、情報がシステムの量子力学的状態によって表される。２エネルギー状態のシステムでは、その２つの状態は「基本状態」０及び１を表し、そのようなシステムは量子ビットあるいは「キュビット」として知られている。１つの要件は、２つの「基本状態」から重ね合わせ状態を生成できるようにするために、キュビットが正確な制御下になければならないことである。量子力学の法則の下では、そのシステムは実効的に、ある特定の時刻に２つ以上の状態をとることができ、この重ね合わせによって、キュビットが同時に２つの個別の状態を表すことができるようになる。例えば、２値モードでは、キュビットは同時に０及び１として存在することができ、各状態のための確率が数値係数によって与えられる。
【０００４】
第２の要件は、これらのキュビットのうちの２つ以上が結合されることができ、それらの組み合わされた状態がもはや個々のキュビット状態ではなく、全てのキュビットの組み合わせになることである。例えば、３つの古典的なビットは８つの取り得る組み合わせ、すなわち０００、００１、０１０、０１１、１００、１０１、１１０及び１１１を形成することができる。結合された３キュビットのシステムでは、これらの８つの状態は基本状態と見なされなければならず、１回の３キュビットの組み合わせにおいて８つ全ての重ね合わせが同時に生成され得る。情報のこのような並列表現はある特定のタイプのコンピュータアルゴリズム、例えば、因数分解及び不規則リストの探索に対して極めて有利であることがわかっている。
【０００５】
量子コンピュータを良好に動作させるための第３の、そして非常に重要な要件は、キュビットが実環境にあるとき、すなわちそれらがその環境と相互作用できる場合に、所望の状態が保持されることである。この状況では、それらのキュビットは、はるかに大きく、かつさらに複雑な量子システムの一部を形成する。その環境の影響は、固有のデコヒーレンス時間後に量子コンピュータがもはや良好に動作しなくなるような、システムの「コヒーレンスの消失（デコヒーレンス）」が生じることである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来では、単一のキュビットの制御、適当なキュビット間相互作用及び環境への小さな結合のこれらの３つの要件を満たすことができる量子コンピュータのための、情報レジスタのような素子を提供することが課題になっていた。
【０００７】
さらに、従来のコンピュータの場合には、例えば数多くのビットを同時にアドレス指定することは難しく、全ての個別のビットへの配線を設けることが、特に素子のサイズが縮小されるときには非常に難しくなるというさらに大きな問題がある。
【０００８】
したがって、本発明はナノチューブ内に複数のユニットを含む情報レジスタであって、各ユニットは情報を表現するために利用可能な複数の状態を有する情報レジスタを提供する。
【０００９】
ナノチューブはリニアアレイ内のユニットの自己組織化の手段を提供することができる。また、ナノチューブは、正確に制御されることができるユニットの情報を表す状態間の結合相互作用を媒介することもできる。
【００１０】
本発明の第１の好ましい特徴によれば、各ユニットの複数の情報を表す状態がそのユニットの異なるスピン状態に対応する。
【００１１】
本発明のさらに別の好ましい特徴によれば、各ユニットの複数の情報を表す状態が電気双極子モーメントを有する異なる形態学的状態に対応し、その電気双極子モーメントは内在することができるか、電界が印加される際に誘導されることができる。従って、キュビットは、電気双極子の異なる向き、あるいは異なる電気分極率値のいずれかとして表されることができる。
【００１２】
好ましくは、情報レジスタは複数の異なるユニットタイプを含み、そのユニットは、ユニットタイプが周期的パターンを形成するようにナノチューブ内に配列される。これは、ユニットの大域的アドレス指定を用いることができ、それにより、ある特定のタイプのユニットのみを選択的にアドレス指定することができるという利点を有する。これにより、各ユニットを個々にアドレス指定する必要がなくなり、それゆえ、その装置がよりコンパクトに形成されるようになり、電極を設けるための要件が簡略化され、すなわち局部的な制御が不要になる［Ｓ．Ｃ．Ｂｅｎｊａｍｉｎ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ６１  ０２０３０１（２０００）を参照されたい］。
【００１３】
ユニットのうちの少なくともいくつかは３つ以上の状態を有することができ、付加的な状態のうちのいくつかを誤り検出のために用いることができることが有利である。
【００１４】
各ユニットは内包フラーレン（endohedral fullerene）を含むことが好ましい。フラーレンは、デコヒーレンス時間を長くすることができるように、環境的な影響を選別して除去する手段を提供する。内包種として、そのスピンによって情報を表すことができる、フラーレンかご内にある一原子あるいは二原子種を用いることができる。あるいは、内包種として、異なる形態学的状態によって情報を表すことができる、Ｘ3Ｎの形のアンモニアのような分子を用いることができる。
【００１５】
好ましくは、フラーレンのうちのいくつかは、それに結合される少なくとも１つの官能基を含んでいる。官能基は、種々の内包フラーレンタイプをある特定の配列内に結合することができること、内包フラーレンがある特定の向きにおいてナノチューブに挿入することができること、及び内包フラーレンをナノチューブに沿って特定の距離だけ離隔して配置することのうちのいくつかあるいは全てを提供することができる。
【００１６】
本発明の別の好ましい態様によれば、ナノチューブ内に各ユニットは超常磁性クラスタを含み、各超常磁性クラスタは情報を表すための複数のエネルギー状態を含む。前記超常磁性クラスタはＦｅ８及びＭｎ１２であることが好ましい。
【００１７】
あるいは、各ユニットは少なくとも１つの不対電子を有する種を含むことが好ましい。適当な種の例には、少なくとも１つの不対電子、例えばスピン１／２でＶ（Ｃ5Ｈ5）2を、スピン１でＣｒ（Ｃ5Ｈ5）2を有するランタニドあるいは遷移金属中心を有する、有機金属分子あるいは配位分子のような分子磁石として知られるものを含む。
【００１８】
本発明はさらに情報レジスタとともに用いるためのアドレス指定方法も提供し、その方法は、上記のように情報レジスタを配設すること、そのレジスタの少なくとも１つの情報表現ユニットに設けられた少なくとも１つの電極を通して電流を流すこと、そのレジスタに所定の周波数の電磁放射を加えることとを含む。好ましくは少なくとも１つの電流及び電磁放射がパルスで加えられ、好ましくはレジスタの複数のユニットが同時にアドレス指定される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
ここで本発明は実施形態が、一例として添付の図面を参照しながら記載されることになるが、その例は限定されるものではない。
【００２０】
最初に本発明の情報レジスタの実施形態を構成するための特に好ましい構成要素が記載され、その後、全体構造及び素子の動作が記載されるであろう。
【００２１】
第１の実施形態では、情報を表すための「ユニット」あるいは多状態システムは内包フラーレンである。用語「フラーレン」は炭素原子から形成されるかご状の構造のことを指しており、カーボンバックミンスターフラーレンあるいはバッキーボールとしても知られている。そのかごはＣｎとして書き表されることができ、そのかごは種々のサイズを採り得る。好ましい実施形態はｎ＝６０、７０、７４、８０、８２、８４、８６、８８、９０、９２及び９４を含む。Ｃ60は球状であるが、他のフラーレンは細長い。フラーレンの直径は典型的には約１ｎｍである。また、本明細書において用いられる用語フラーレンは基本的なバックミンスターフラーレンかごの誘導体も含んでいる。
【００２２】
用語「内包」は、ある種がフラーレンかご内に配置されることを意味する。一実施形態によれば、内包種はかごに電子を与える、１つの元素からなる単一の原子である。これにより、かごはある電荷を有し、適当な条件下ではスピンを有する。ここで、用語「スピン」は量子力学的な意味において用いられ、磁気双極子モーメントを指している。ある任意の軸上へのスピンの射影が量子化され、情報を表すために、これらの状態が用いられる。スピンが値１／２を有する場合には、キュビットのために用いることができる２つの量子化された状態が存在する。スピンがそれよりも大きい場合には、３つ以上の状態が存在し、そのうちの２つをキュビットのための選択することができる。他のものは、さらに別のキュビットとして、あるいは３つ以上の基底を有する数の体系に、または誤り訂正に用いることもできる。本発明を具現するいくつかの内包フラーレンシステムでは、スピンはかご上ではなく、内包種上に存在するが、情報を表すためにスピン状態を用いる実施形態の場合に必要とされるのは、内包フラーレンシステムが全体として、ある正味のスピンを有することだけである。
【００２３】
電子スピン共鳴（ＥＳＲ）測定は、適当なスピン特性を有する内包フラーレンとして、内包種が種々の異なるサイズのフラーレンかご内にある原子Ｅｒ、Ｇｄ、Ｐ、Ｌａ、Ｌｕ、Ｎ、Ｓｃ、Ｔｍ、Ｙ、Ｈｏ、ＰｒあるいはＤｙである場合の例が含まれることを示している。また内包種として、Ｅｒ2、Ｈｆ2あるいはＬａ2のような二原子を用いることもできる。
【００２４】
１つの好ましい実施形態はＣ60に内包される窒素である（すなわち、カーボンバッキーボール内にある単一の窒素原子であり、Ｎ＠Ｃ60と書き表される）。これは、０．７μＴの狭い線幅のスピン共鳴を有するので、室温であっても１００μｓを超えるデコヒーレンス時間を提供する。別の好ましい実施形態はＬａ＠Ｃ82である。（通常のゲート動作時間と比べて）長いデコヒーレンス時間は、量子コンピュータに求められる５つの基本的な要件のうちの１つである［Ｄ．Ｐ．ＤｉＶｉｎｃｅｎｚｏ  Ｆｏｒｔｓｃｈｒ．Ｐｈｙｓ．４８（９−１１）７１１（２０００）を参照］。それは要件ＩＩＩと呼ばれている。
【００２５】
情報を表すための内包フラーレンの別の実施形態は、明確な電気双極子の上下方向への遷移を有する極性分子を内包種として用いることである。好ましい内包種は、Ｘ3Ｎの形のアンモニア状の分子を含む。このタイプの分子は非対称な形を有し、３つのＸが１つの平面内に配列され、窒素原子がその平面の上下いずれかに外れて配置される。アンモニアの例では、Ｘはそれぞれ水素原子であり、アンモニア分子は、窒素原子の上あるいは下に水素原子の平面を有する分子構造の対称あるいは非対称な重ね合わせからなる２つのエネルギーレベルを有する。一般的に、このタイプの分子の非対称な形態はその分子に異なるエネルギー状態を与え、それらのエネルギー状態は印加される電界に依存することができる。
【００２６】
１つの好ましい実施形態では、Ｘは希土類金属原子、詳細にはＳｃあるいはＥｒであり、内包フラーレンはＳｃ3Ｎ＠Ｃｎ及びＥｒ3Ｎ＠Ｃｎと書き表すことができる。
【００２７】
Ｘ3Ｎの形の内包種では、各Ｘは単一の原子であるとは限らず、例えば、１つの化学基を用いることもできる。３つのＸが同じである必要もない。例えば、ＥｒＳｃ2Ｎがバッキーボール内で組み立てられている。
【００２８】
本発明による情報レジスタの実施形態は、ナノチューブ内に、上記のような複数の内包フラーレンを含んでいる。一実施形態によれば、ナノチューブは単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）である。ＳＷＮＴはグラファイトシートを巻いて円筒形にしたものとみなすことができる。ＳＷＮＴは、六角形に配列されたカーボンシートにおける対称な方向に対する、シートが巻かれる軸の角度に基づく種々の導電特性で形成されることができる。もちろん、ナノチューブはグラファイトシートを巻くことでは文字通りには形成されないが、既知の技術を用いて、ナノチューブを形成かつ精製し、その特性を選択することができる［１．カーボンナノチューブ及び関連する構造：Ｐｅｔｅｒ  Ｈａｒｒｉｓ、ＣＵＰ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ（１９９９）、及び２．フラーレン及びカーボンナノチューブの科学：Ｄｒｅｓｓｅｌｈａｕｓ、Ｄｒｅｓｓｅｌｈａｕｓ及びＥｋｌａｎｄ、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、Ｌｏｎｄｏｎ（１９９５）を参照］。以下に説明されるように、半導体あるいは金属ナノチューブ［導電特性という意味で金属］を用いることが好ましい。本発明の実施形態はカーボンナノチューブに限定されない。ナノチューブは例えば、二硫化モリブデン、あるいは任意の他の適当な物質から形成されることもできる。また本発明は、同心円状の円筒形として配列される異なる直径の複数のＳＷＮＴを含む、多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ）においても具現されることができる。ＭＷＮＴは形成するのが容易であるが、その特性を制御するのが難しい。ＳＷＮＴあるいはＭＷＮＴ内の最も内側のナノチューブの内径はフラーレンがナノチューブ内の場所を占めることができるほど十分に大きくなければならない。通常直径はフラーレンの場合に少なくとも１．４ｎｍになるが、分子磁石の場合にはそれよりも小さくすることができるであろう。ナノチューブへの内包フラーレンの挿入は、昇華のような既知の技術を用いて実行されることができる。
【００２９】
ナノチューブは２つの効果を提供する。第１に、ナノチューブは内包フラーレンのリニアアレイの自己組織化の手段を提供する。第２に、そのチューブは種々の内包フラーレンをチューブ内に結合する相互作用を提供することができる。例えば、情報が内包フラーレンのスピン状態によって表される場合、チューブ内の種々の内包フラーレンの状態間の相互作用は、間接的な交換相互作用によってチューブの伝導電子によって媒介されることができる。間接的な交換相互作用では、１つあるいは複数のチューブ上の伝導電子はスピンを有し、磁気スピン−スピン相互作用を通して、１つのキュビットについての情報を次のキュビットまでチューブの下方に伝達するために用いられる。チューブの１次元的な性質は、３次元内の類似の効果と比べて、この相互作用が高められることを意味する。
【００３０】
情報が内包フラーレンの電気双極子によって表される場合には、その結合は、電気双極子−双極子相互作用によって媒介され、１つの双極子によって生成される電界がナノチューブ内の隣接する双極子によって影響を及ぼされる。
【００３１】
上記の実施形態のいずれにおいても、その結合は、直接的であるにせよ、ナノチューブによって媒介されるにせよ、いくつかの実施形態ではチューブの直径よりも大きくすることができる距離によって分離される内包フラーレンの状態間の相互作用を可能にする。
【００３２】
本発明の実施形態は、内包フラーレン間の場所においてナノチューブに隣接して配置される電極を設けられることもできる。バイアス電圧を印加することにより、電極は、電極の近傍にあるナノチューブから伝導電子を枯渇させるために用いることができるゲートとして機能する。この動作原理は、既知のカーボンナノチューブ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に類似である［Ｓ．Ｊ．Ｔａｎｓ、Ａ．Ｒ．Ｍ．Ｖｅｒｃｈｕｅｒｅｎ及びＣ．Ｄｅｋｋｅｒ；Ｎａｔｕｒｅ  ３９３  ４９（１９９８）を参照］。ゲートに印加されるバイアス電圧によって、ナノチューブ内の内包フラーレン間の結合相互作用が調整されるようになり、詳細には、結合をオン及びオフすることができる。
【００３３】
図１は、本発明による情報レジスタの一実施形態を概略的に示す。それは、その表面上にＳｉＯ2の絶縁層を有するように酸化されているシリコンウェーハのような基板１０を含む。ナノチューブ１２は基板１０の表面上に設けられる。２つの内包フラーレンＦ１及びＦ２がナノチューブ１２内に配置される。金属電極ゲートＪ１、Ｊ２、Ｊ３、Ａ１及びＡ２が、電子ビームリソグラフィのようなリソグラフィ工程によって、基板１０上に形成され、ナノチューブ１２を覆う。ナノチューブ１２は、ゲート電極からナノチューブ１２を絶縁するために、スパッタリング工程によって配設されるガラスのような絶縁体の非常に薄い層でコーティングされる。
【００３４】
図１は素子の一部のみを示しており、実際には、さらに長くして、図１のパターンを繰り返す、はるかに多くの内包フラーレン及び対応するゲートを有する素子とすることができる。このスケーラビリティは、汎用の量子コンピュータのための５つの要件のうちの別のもの（番号１）である。基板１０上に数多くのそのような並列のナノチューブ１２を含むアレイも形成することができる。しかしながら、その動作原理は、図１を参照して簡単に記載されることができる。
【００３５】
１．ゲートＪ２にバイアスをかけて、内包フラーレンＦ１及びＦ２を互いから分離し、ゲートＪ１及びＪ３にバイアスをかけて、ナノチューブ１２の図示される部分をその素子の残りの部分から分離する。その後、素子に電磁放射を加え、電極Ａ１及びＡ２を流れる電流を制御することにより、各内包フラーレンＦ１及びＦ２の量子状態が所望の開始状態に設定される。情報が内包フラーレンのスピン状態によって表される場合、ナノチューブ１２の軸に平行に一様な磁界がかけられる。これにより、磁界に対して平行なスピンと反平行なスピンとの間でエネルギーが異なり且つ各スピンがそのグランド状態に緩和できるように、スピン状態の縮退が取り除かれる。各内包フラーレンのスピン共鳴周波数は、その素子上の一様な磁界と、「Ａ」電極の中の電流を変化させることにより制御される局部的な磁界との組み合わせに依存するであろう。その後、共鳴周波数の電磁パルスがナノチューブ全体に加えられる。特定の内包フラーレンシステムならびに局部的及び大域的な磁界に応じて、共鳴周波数は電磁スペクトルの電波、マイクロ波、赤外線、可視光線、紫外線あるいは他の領域内に存在することができ、例えば、レーザ（図示せず）または素子の周囲を取り巻く外部コイル（図示せず）、あるいはそのような電磁放射源の組み合わせを用いて加えられることができる。
【００３６】
電磁パルスの持続時間を制御することにより、その共鳴周波数において内包フラーレンシステム内に正確なスピン状態を誘導することができる。したがって、内包フラーレンのスピン状態は所望の条件に設定されることができる。しかしながら、これらのスピン状態の変化は、内包フラーレンがその共鳴周波数にある場合にのみ生じるであろう。したがって、「Ａ」電極を通して異なる電流を加えることにより、局部的な磁界が異なる、すなわち内包フラーレンＦ１及びＦ２の共鳴周波数が異なることになるので、所与の電磁パルスの場合に、どの内包フラーレンが応答することになるかを選択することができ、結果として、その状態を個別に設定することができる（これは基本要件ＩＩである）。
【００３７】
情報が内包フラーレンＦ１及びＦ２の電気双極子モーメントの状態によって表される場合には、その初期状態は先に記載されたのと同じようにして設定されることができるが、磁界の代わりに電界が用いられる点が異なる。例えば、内包フラーレンにおいて局部的な電界を制御するために、電流の代わりに、適当なバイアス電圧を電極Ａ１及び／またはＡ２に印加することができる。例えば、電磁放射として、双極子遷移周波数のＡＣパルスを加えて、双極子状態が制御される。
【００３８】
適当な「Ａ」電極を用いて各内包フラーレンにおいて局部的な電磁界を制御して、内包フラーレンシステムの共鳴周波数に同調させるようにし、その後、ラビ（Ｒａｂｉ）パルスとしても知られる電磁パルスを加えるという観点から先に述べたが、別の実施形態では、同様に、持続波の電磁放射を素子に加え、その後、所望の電極において電流あるいは電圧をパルスで加えることができる。
【００３９】
したがって、内包フラーレンによって表される初期状態は「Ａ」電極を用いて個別に選択されることができ、実際は、キュビットの全ストリングが初期化されることができる。持続した計算においては、任意の内包フラーレンの状態は当然、その計算の別の部分から生じることができ、量子重ね合わせを用いることができる。
【００４０】
２．結果として、内包フラーレンのＦ１及びＦ２の状態が一旦設定されたなら、ゲートＪ２が、チューブ１２内の伝導電子によって状態間の相互作用を可能にするように設定される。ゲートＪ１及びＪ３は、ナノチューブの残りの部分から分離するように設定されたままにすることができる、あるいは、所望の数の「Ｊ」ゲートを設定して、ナノチューブ１２に沿ってキュビットのストリング間を結合できるようにし、高度に並列な多数のキュビットの重ね合わせが生成されるようにすることができる。
【００４１】
３．２キュビット論理ゲートの動作には２つの関連するエネルギースケールがある。最初に、磁界に平行に揃えられるスピンと磁界に逆平行に揃えられる同じスピンとの間のエネルギー差について考えてみる。そのエネルギー差を、フラーレンＦ１の場合にＥ１、フラーレンＦ２の場合にＥ２と呼ぶことにする。その際、最初の重要なエネルギースケールはΔＥ＝Ｅ１−Ｅ２である。Ｅ１及びＥ２は、ゲートＡ１あるいはＡ２の中を流れる電流を変化させることにより、あるいは異なる内包種を用いることにより、あるいは磁界の勾配を用いることにより変更されることができる。第２のエネルギースケールはスピン−スピン相互作用エネルギーＶである。ΔＥがＶよりもはるかに大きい場合には、２キュビットゲートは以下のように動作するであろう。Ｊ１及びＪ３が閉じたままであり、スピン状態に関しては、ある選択電流がゲートＡ２の中に流され、Ｆ１の状態に応じてＦ２内にスピン反転を引き起こすことになる電磁スピン共鳴パルスが加えられる。このようにして、Ｆ２のための「制御されたＮＯＴゲート」の論理動作を生み出すことができる。Ｆ２の結果として生成される状態は当然、状態の重ね合わせにすることができる。同じ動作は、電気双極子モーメントのような、スピン以外の状態を用いて達成することができる。別の方法として、ＶがΔＥより大きいか、あるいは概ね等しいとき、Ｆ１とＦ２との間の相互作用の時間積分を、Ｊ２をオフからオンに、そして再びオフに切り替えることにより制御し、エンタングルメントされた状態を生成することができる。結果的な動作は量子計算のために適している。上記のように、このアーキテクチャを用いて多キュビットゲートを形成することができるが、それは、単一のキュビット操作とともに、ほとんどの任意の２キュビットゲートが、汎用の量子コンピュータのための十分な動作であることがわかっている（これは条件ＩＶである）。
【００４２】
４．先行するステップの計算結果は、例えば、ゲートＪ３を開き、Ｆ２と、ナノチューブ１２にさらに沿った次の内包フラーレン（図示せず）との間の論理動作を実行することにより、次の計算のステージに渡されることができるか、さもなければその結果は読み出されることができる。読出し構造は、本発明の一部ではないが、スピン状態の場合には超高感度のナノＳＱＵＩＤを用いることができるか、電気双極子状態の場合には、単一電子トランジスタエレクトロメータを用いて、双極子モーメント状態を測定することができるであろう（読出しは条件Ｖである）。
【００４３】
先に図１を参照して記載された実施形態は、個別の「Ｊ」及び「Ａ」ゲートを示す。しかしながら、さらに別の実施形態によれば、「Ａ」ゲートを完全に除去し、その機能を「Ｊ」ゲートに組み合わせることができる。例えば、内包フラーレンＦ１のスピン状態によって情報が表される場合、ゲートＪ１及びＪ２に適当な電流を流すことにより、Ｆ１の場所において固有の電界を生成することができ、それゆえＦ１のスピン状態はＦ２とは個別に操作されることができる。ゲートＪ１及びＪ２に印加されるＤＣバイアス電圧をこれまで通りに用いて、内包フラーレンＦ１と、ナノチューブ１２に沿って隣接する場所との間の結合相互作用を制御することができる。
【００４４】
個別に各キュビットあるいはビットをアドレス指定する必要がないさらに別の実施形態は２つ以上のタイプの内包フラーレンを用いることである。異なるタイプは、例えば、異なる内包種及び／または異なるフラーレンかごを有し、異なるタイプが異なる特性を有するようにすることにより、互いから区別されることができる。情報をスピン状態で表す場合、異なる内包フラーレンタイプは、異なるスピン反転共鳴周波数を有することができる。
【００４５】
一例は、異なる共鳴周波数を有する、ラベルＡ及びＢによって参照される２つの異なるタイプを用いることであろう。異なるタイプの内包フラーレンがナノチューブ１２に沿って交互のパターンＡＢＡＢに配列される。ある特定の周波数の電界がかけられるとき、タイプＡのキュビットのみが応答することになり、異なる特定の周波数の電界がかけられるとき、タイプＢのキュビットのみが応答することになる。いずれの場合にも、その応答は隣接するものの状態に依存する。個々のアドレス指定を必要とする各キュビットに対して局部的な変換を適用するのとは対照的に、そのような大域的な変換を適用することにより、すなわち、その素子にわたってタイプＡあるいはタイプＢの全てのキュビットに対して、量子コンピューティングを実行できることがわかっている。
【００４６】
そのような大域的アーキテクチャを実現するための１つの方法は、内包フラーレンに付着する官能基を利用することである。例えば、ある特定の内包種を有するフラーレンのようなタイプＡのフラーレンが、ある官能基ａを付着して準備され、タイプＢのフラーレンがさらに別の官能基ｂを付着して準備される。これらの付加された官能基は、ａ‐ａあるいはｂ‐ｂではなく、優先的にａ‐ｂを結合する。それゆえ、２つの種の反応はＡＢダイマーを生成することになる。官能基ａ及びｂの例には、エステル化反応において結合されるカルボン酸及びアルコール、あるいはペプチド結合を形成するように結合されるアミド基及びカルボン酸が含まれる。
【００４７】
その後、ナノチューブはＡＢダイマーで満たされる。付加される官能基のさらに別の用途は、そのダイマーが最初にＡか、優先的に最初にＢかのいずれかでナノチューブに入るように、ダイマーに特定の極性を与えることである。その際、満たされたチューブは必要なＡＢＡＢ．．．アーキテクチャを有するであろう。
【００４８】
フラーレンに付着する官能基のさらに別の用途は、チューブに沿ってフラーレンの間隔を制御することである。例えば、官能基ａ及びｂには、フラーレン間の間隔を決定するための特定の長さを有するポリマーを用いることができる。内包フラーレン間の間隔を制御するための別の実施形態は、ナノチューブ内の内包フラーレン間に、手を加えていないバッキーボールのような、情報を表す内包種を持たない「ダミー」フラーレンを挿入することである。
【００４９】
ゲート電極の数を減らし、複数の異なる内包フラーレンタイプを用いるさらに別の実施形態が以下に記載される。ナノチューブに沿って互いに隣接して配列されるＡ、Ｂ、Ｃのようないくつかの異なる内包フラーレンタイプ上に１つのゲート電極が設けられる。そのゲートにある特定の電流あるいは電圧を加えることにより、タイプＡ、ＢあるいはＣのうちの１つを、加えられた電磁波の周波数に選択的に同調させることができる。そのゲートの電流及び／または電圧を変化させることにより、他の２つのタイプも選択的にアドレス指定することができる。
【００５０】
上記の実施形態は二値計算に関するものであり、情報を表すための各内包フラーレンシステムが、スピンアップ（＋１／２）及びスピンダウン（−１／２）のような２つの固有状態を有する。しかしながら、１／２以外のスピンの大きさを有する種の場合、ある特定の軸に対してそのスピンのための３つ以上の取り得る値を存在することができる。例えば、スピン３／２を有するシステムはある特定の軸に対して平行に４つの取り得るスピンの値、＋３／２、＋１／２、−１／２及び−３／２を有し、それゆえ４つの取り得る状態を表すことができる。２つより多くの状態を用いて、情報を表すこともできる。例えば、３状態あるいは３つの算術を用いる計算が知られており、すなわち２つの以上の二値キュビットが表現されることができる。さらに別の実施形態では、２つより多くの状態のうちの１つあるいは複数の状態を誤り訂正のために用いることができ、例えば、２つの状態が値０及び１を表すことができるが、誤りが生じる場合には、システムが第３の状態に入り、対応するビットあるいはキュビットが誤りを含むことを指示する。付加的な状態を用いて、冗長性及び誤り訂正を組み込むことができるか、あるいは最終的な状態を読み出すための役割を果たすことができる。
【００５１】
上記の実施形態は全般に、量子並列を可能するために状態を重ね合わせることができる量子コンピュータのための情報レジスタに関するものであった。しかしながら、上記の全ての実施形態は古典的コンピュータのためのレジスタにも同じく当てはめることができる。古典的計算を行うためには、いくつかの他の条件が満たされなければならない。（ａ）計算において不可逆的なステップを実行しなければならない（情報が失われる場合）か、あるいは（ｂ）３ビットゲートが用いられなければならない。条件（ａ）は、読出しに類似のエネルギー散逸工程を通して達成されることができ、条件（ｂ）はチューブ内のいくつかのビット間の相互作用を通して実施される。
【００５２】
大域的アドレス指定が可能であるアーキテクチャは、空間を必要とする、各ビットが個々にアドレス指定される必要性をなくし、それゆえ、素子がより高い実装密度を有し、かつ配線を簡略化することができるので特に有利である。この場合、量子あるいは古典的計算のいずれ場合にも、接続がナノチューブの１つあるいは複数の端部においてのみ形成される必要があるか、あるいは素子内にナノチューブのアレイが存在する場合には、接続は素子の縁部の周囲においてのみ形成される必要がある。これは高い耐故障性を与える。
【００５３】
古典的計算及び量子計算のいずれの場合にも用いることができるさらに別の実施形態は、複数の極めて近接し、離隔して配置される平行なナノチューブに、同じ構造を与えるとともに、その長さに沿って対応する場所に同じ内包フラーレンシステムを設け、全てのナノチューブが同じ電極ゲートを共有するようにすることである。このようにして、異なるナノチューブレジスタが全て並列に同じ計算を実行するので、冗長性が組み込まれる。
【００５４】
量子計算の場合、アルゴリズムの多くは「統計的」であり、すなわち、それらが生成する読出しは、波動関数が如何に崩壊するかに依存する。それらは何度も実行され、当面の問題を解かなければならない。古典的計算の場合、並列ナノチューブの方式を用いて、（ａ）出力信号ＯＲを強化するか、あるいは（ｂ）いくつかの非決定論的（ランダム化された）アルゴリズムを個別に実行することができる。これらのアルゴリズムの場合、１つの解に収束させるために、何度も実行される必要がある。
【００５５】
本発明による情報レジスタの別の代替の実施形態は、情報を表す「ユニット」として、各内包フラーレンの代わりに超常磁性クラスタを用いることである。適当な超常磁性クラスタの例にはＦｅ８及びＭｎ１２が含まれる。Ｎａｔｕｒｅ４１０  ７８９（２００１）を参照されたい。あるいは、各情報表現ユニットは、少なくとも１つの不対電子、例えばスピン１／２でＶ（Ｃ5Ｈ5）2を、スピン１でＣｒ（Ｃ5Ｈ5）2を有するランタニドあるいは遷移金属中心を有する、有機金属分子あるいは配位分子のような分子磁石として知られる種を含むことができる。この段落に記載される例は、そのスピン状態によって情報を表すことができ、内包フラーレンと同じように用いられることができ、素子のアーキテクチャの全てが内包フラーレンに関して先に記載されている。これらは、不要な繰返しを避けるために重ねて記載はされない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態による情報レジスタの概略図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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