(57)【要約】【課題】容易に量子状態を生成・制御し、情報を読み出すことができる量子コンピュータを提供すること。【解決手段】量子コンピュータ１は、光コム発生器１０、光カプラ２０、フィルタ３０、フィルタ４０、光カプラ５０、光カプラ６０、検出器７０、検出器８０、検出器９０、およびファイバーＦを含む。【選択図】図１
2011175078.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数ω０および周波数ω１を含み同期周波数の間隔で並ぶ複数の周波数における離散的なスペクトルを有する光を出力する光コム発生器と、
前記光コム発生器から出力された光を、第１光路長を有する第１光路を伝播する光と、第２光路長を有する第２光路を伝播する光とに分割する第１分割手段と、
前記第１光路において周波数ω０および周波数ω１の少なくとも一方を含む周波数帯の光を透過する第１フィルタと、
前記第２光路において周波数ω０および周波数ω１の少なくとも一方を含む周波数帯の光を透過する第２フィルタと、
前記第１光路を伝播した光および前記第２光路を伝播した光を重ね合わせた光を観測する第１検出器と
を有し、
前記第１検出器が検出する光の周波数の違い、または光路の違いを量子情報として用いる
ことを特徴とする量子コンピュータ。
【請求項２】
前記第１フィルタおよび前記第２フィルタは、周波数ω０および周波数ω１の光を透過する
ことを特徴とする請求項１に記載の量子コンピュータ。
【請求項３】
前記第１フィルタは周波数ω０の光を透過せず周波数ω１の光を透過し、
前記第２フィルタは周波数ω１の光を透過せず周波数ω０の光を透過する
ことを特徴とする請求項１に記載の量子コンピュータ。
【請求項４】
前記第１光路において前記第１フィルタよりも前記第１検出器側に設けられ、入力された光を第１副光路を伝播する光と、前記第１副光路よりも光路長が短い第２副光路を伝播する光とに分割する第２分割手段と、
前記第１副光路に設けられ、周波数ω０の光を透過せず周波数ω１の光を透過する第３フィルタと、
前記第２副光路に設けられ、周波数ω１の光を透過せず周波数ω０の光を透過する第４フィルタと、
前記第２光路において前記第２フィルタよりも前記第１検出器側に設けられ、入力された光を前記第２副光路と同じ光路長を有する第３副光路を伝播する光と、前記第１副光路と同じ光路長を有する第４副光路を伝播する光とに分割する第３分割手段と、
前記第３副光路に設けられ、周波数ω０の光を透過せず周波数ω１の光を透過する第５フィルタと、
前記第４副光路に設けられ、周波数ω１の光を透過せず周波数ω０の光を透過する第６フィルタと、
前記第１光路に設けられ、前記第１副光路を伝播した光と前記第２副光路を伝播した光を合成する第１合成手段と、
前記第２光路に設けられ、前記第３副光路を伝播した光と前記第４副光路を伝播した光を合成する第２合成手段と、
を有し、
前記第１検出器は、前記第１光路を伝播した光および前記第２光路を伝播した光を観測する
ことを特徴とする請求項１に記載の量子コンピュータ。
【請求項５】
前記光コム発生器と前記第１分割手段との間に設けられ、透過した光の偏光状態を円偏光にする第１偏光制御素子と、
前記第１光路に設けられ、透過した光の偏光状態を縦偏光にする第２偏光制御素子と、
前記第２光路に設けられ、透過した光の偏光状態を横偏光にする第３偏光制御素子と
を有し、
前記第１検出器が検出する光の偏光状態を量子情報として用いる
ことを特徴とする請求項１に記載の量子コンピュータ。
【請求項６】
前記第１光路において前記第１フィルタよりも前記第１検出器側に設けられ、周波数ω０および周波数ω１の光の周波数に変調周波数を加算する変調をする音響光学素子
を有し、
前記第１フィルタおよび前記第２フィルタは、周波数ω０および周波数ω１の光を透過する
ことを特徴とする請求項１に記載の量子コンピュータ。
【請求項７】
前記光コム発生器は、モード同期したフェムト秒レーザーを含む
ことを特徴とする請求項１−６のいずれかの項に記載の量子コンピュータ。
【請求項８】
前記第１光路および前記第２光路の少なくとも一方が、光路長を変更するディレイラインを有する
ことを特徴とする請求項１−７のいずれかの項に記載の量子コンピュータ。
【請求項９】
前記第１検出器は、周波数を検出する周波数検出器と、前記第１光路および前記第２光路の光路長が一致したことを検出する差動検出器を含む
ことを特徴とする請求項１−８のいずれかの項に記載の量子コンピュータ。
【請求項１０】
前記第１光路を伝播した光を観測する第２検出器と、
前記第２光路を伝播した光を観測する第３検出器と
を有する請求項２、３、または６に記載の量子コンピュータ。
【請求項１１】
周波数ω０および周波数ω１を含み同期周波数の間隔で並ぶ複数の周波数における離散的なスペクトルを有する光を出力する光コム発生器から出力された光を、第１光路長を有する第１光路を伝播する光と、第２光路長を有する第２光路を伝播する光とに分割するステップと、
前記第１光路に設けられた第１フィルタが、周波数ω０および周波数ω１の少なくとも一方を含む周波数帯の光を透過するステップと、
前記第２光路に設けられた第２フィルタが、周波数ω０および周波数ω１の少なくとも一方を含む周波数帯の光を透過するステップと、
前記第１光路を伝播した光および前記第２光路を伝播した光を重ね合わせた光を第１検出器において観測するステップと
を有し、
前記第１検出器が検出する光の周波数の違い、または光路の違いを量子情報として用いる
ことを特徴とする量子情報処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子コンピュータおよび量子情報処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子力学的に重ね合わされた状態（量子状態）をビット（量子ビット）として計算を行う、いわゆる量子コンピュータが知られている（特許文献１−４および非特許文献１−３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−６５２１９号公報
【特許文献２】特表２００５−５２４１２９号公報
【特許文献３】特開２００１−２０９０８３号公報
【特許文献４】特開２００５−１５９１５９号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】E. Knill, R. Laflamme, and G. J. Milburn, Nature, vol. 409, p. 49 (2001)
【非特許文献２】M. Koashi, T. Yamamoto, and N. Imoto, Physical Review A, vol. 63, p. 30301 (2001)
【非特許文献３】K. Ichimura, Opt. Commun., vol. 196, p.119 (2001)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
原子やイオンなどの単一量を量子ビットとして利用した量子コンピュータにおいては、量子状態を読み出す信号が微弱であることが問題となっていた。また、電子のスピン、原子または分子の電子状態、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状態および単一光子の偏光を量子ビットとして利用した量子コンピュータにおいては、量子情報を伝送することが困難であるという問題があった。
これに対し、本発明は、より容易に量子状態を生成・制御し情報を読み出すことができる量子コンピュータを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、周波数ω０および周波数ω１を含み同期周波数の間隔で並ぶ複数の周波数における離散的なスペクトルを有する光を出力する光コム発生器と、前記光コム発生器から出力された光を、第１光路長を有する第１光路を伝播する光と、前記第１光路長と異なる第２光路長を有する第２光路を伝播する光とに分割する第１分割手段と、前記第１光路において周波数ω０および周波数ω１の少なくとも一方を含む周波数帯の光を透過する第１フィルタと、前記第２光路において周波数ω０および周波数ω１の少なくとも一方を含む周波数帯の光を透過する第２フィルタと、前記第１光路を伝播した光および前記第２光路を伝播した光を重ね合わせた光を観測する第１検出器とを有し、前記第１検出器が検出する光の周波数の違い、または光路の違いを量子情報として用いることを特徴とする量子コンピュータを提供する。
この量子コンピュータによれば、光コム発生器を用いない場合と比較して、より容易に量子状態を生成・制御し情報を読み出すことができる。
【０００７】
好ましい態様において、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタは、周波数ω０および周波数ω１の光を透過してもよい。
この量子コンピュータによれば、周波数の違いおよび光路の違いを用いて２量子ビットの量子情報を生成することができる。
【０００８】
別の好ましい態様において、前記第１フィルタは周波数ω０の光を透過せず周波数ω１の光を透過し、前記第２フィルタは周波数ω１の光を透過せず周波数ω０の光を透過してもよい。
この量子コンピュータによれば、エンタングルした２量子ビットの量子情報を生成することができる。
【０００９】
さらに別の好ましい態様において、この量子コンピュータは、前記第１光路において前記第１フィルタよりも前記第１検出器側に設けられ、入力された光を第１副光路を伝播する光と、前記第１副光路よりも光路長が短い第２副光路を伝播する光とに分割する第２分割手段と、前記第１副光路に設けられ、周波数ω０の光を透過せず周波数ω１の光を透過する第３フィルタと、前記第２副光路に設けられ、周波数ω１の光を透過せず周波数ω０の光を透過する第４フィルタと、前記第２光路において前記第２フィルタよりも前記第１検出器側に設けられ、入力された光を前記第２副光路と同じ光路長を有する第３副光路を伝播する光と、前記第１副光路と同じ光路長を有する第４副光路を伝播する光とに分割する第３分割手段と、前記第３副光路に設けられ、周波数ω０の光を透過せず周波数ω１の光を透過する第５フィルタと、前記第４副光路に設けられ、周波数ω１の光を透過せず周波数ω０の光を透過する第６フィルタと、前記第１光路に設けられ、前記第１副光路を伝播した光と前記第２副光路を伝播した光を合成する第１合成手段と、前記第２光路に設けられ、前記第３副光路を伝播した光と前記第４副光路を伝播した光を合成する第２合成手段とを有してもよい。
この量子コンピュータによれば、制御ＮＯＴ演算を行うことができる。
【００１０】
さらに別の好ましい態様において、この量子コンピュータは、前記光コム発生器と前記第１分割手段との間に設けられ、透過した光の偏光状態を円偏光にする第１偏光制御素子と、前記第１光路に設けられ、透過した光の偏光状態を縦偏光にする第２偏光制御素子と、前記第２光路に設けられ、透過した光の偏光状態を横偏光にする第３偏光制御素子とを有し、前記第１検出器が検出する光の偏光状態を量子情報として用いてもよい。
この量子コンピュータによれば、周波数の違い、光路の違いおよび偏光状態の違いを用いて３量子ビットの量子情報を生成することができる。
【００１１】
さらに別の好ましい態様において、この量子コンピュータは、前記第１光路において前記第１フィルタよりも前記第１検出器側に設けられ、周波数ω０および周波数ω１の光の周波数に変調周波数を加算し変調をする音響光学素子を有し、前記第１フィルタおよび前記第２フィルタは、周波数ω０および周波数ω１の光を透過してもよい。
この量子コンピュータによれば、量子情報を暗号化することができる。
【００１２】
さらに別の好ましい態様において、前記光コム発生器は、モード同期したフェムト秒レーザーを含んでもよい。
この量子コンピュータによれば、周波数の異なる状態を安定して生成することができる。
【００１３】
さらに別の好ましい態様において、前記第１光路および前記第２光路の少なくとも一方が、光路長を変更するディレイラインを有してもよい。
この量子コンピュータによれば、光路長の異なる状態を安定して生成することができる。
【００１４】
さらに別の好ましい態様において、前記第１検出器は、周波数を検出する周波数検出器と、前記第１光路および前記第２光路の光路長が一致したことを検出する差動検出器を含んでもよい。
この量子コンピュータによれば、第１光路および第２光路の光路長が一致しているか確認することができる。
【００１５】
さらに別の好ましい態様において、この量子コンピュータは、前記第１光路を伝播した光を観測する第２検出器と、前記第２光路を伝播した光を観測する第３検出器とを有してもよい。
この量子コンピュータによれば、第１光路および第２光路のそれぞれで、周波数または光路が異なる状態が重ね合わせられているのを確認することができる。
【００１６】
また、本発明は、周波数ω０および周波数ω１を含み同期周波数の間隔で並ぶ複数の周波数における離散的なスペクトルを有する光を出力する光コム発生器から出力された光を、第１光路長を有する第１光路を伝播する光と、前記第１光路長と異なる第２光路長を有する第２光路を伝播する光とに分割するステップと、前記第１光路に設けられた第１フィルタが、周波数ω０および周波数ω１の少なくとも一方を含む周波数帯の光を透過するステップと、前記第２光路に設けられた第２フィルタが、周波数ω０および周波数ω１の少なくとも一方を含む周波数帯の光を透過するステップと、前記第１光路を伝播した光および前記第２光路を伝播した光を重ね合わせた光を第１検出器において観測するステップとを有し、前記第１検出器が検出する光の周波数の違い、または光路の違いを量子情報として用いることを特徴とする量子情報処理方法を提供する。
この量子情報処理方法によれば、光コム発生器を用いない場合と比較して、より容易に量子状態を生成・制御し情報を読み出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態に係る量子コンピュータ１の構成を示す図である。
【図２】光コム発生器１０から出力される光の特性を示す図である。
【図３】第２実施形態に係る量子コンピュータ２の構成を示す図である。
【図４】第３実施形態に係る量子コンピュータ３の構成を示す図である。
【図５】第４実施形態に係る量子コンピュータ４の構成を示す図である。
【図６】第５実施形態に係る量子コンピュータ５の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
１．第１実施形態
図１は、第１実施形態に係る量子コンピュータ１の構成を示す図である。量子コンピュータ１は、２量子ビット（キュービット）に相当する状態を生成する。量子コンピュータ１は、光コム発生器１０、光カプラ２０（第１分割手段の一例）、フィルタ３０（第１フィルタの一例）、フィルタ４０（第２フィルタの一例）、光カプラ５０、光カプラ６０、検出器７０（第１検出器の一例）、検出器８０（第２検出器の一例）、検出器９０（第３検出器の一例）、およびファイバーＦを含む。光コム発生器１０は、スペクトル特性が光コムとなる光を出力する。光コム発生器１０は、モード同期したフェムト秒ファイバーレーザーを用いた白色パルス光源や、レーザーキャビティを含む。
【００１９】
図２は、光コム発生器１０から出力される光の特性を示す図である。光コム発生器１０から出力される光は、例えば、５０ＭＨｚの周波数で繰り返される、パルス幅１８０ｆｓのパルス光である。以下、このパルス光の繰り返し周波数を「同期周波数」という。また、この光は、例えば、波長領域において、中心波長が１５５０ｎｍ、半値幅（バンド幅）が約１００ｎｍのスペクトルを有する。図２（ａ）は時間領域における特性を、図２（ｂ）は周波数領域における特性を示している。図２（ａ）において、縦軸は光の強度を、横軸は時間を示している。図２（ａ）に示されるように、光コム発生器１０から出力される光は、安定した高繰り返しのモード同期した超短光パルス列を含む。図２（ａ）の特性をフーリエ変換することにより、図２（ｂ）が得られる。図２（ｂ）において、縦軸はスペクトル強度を、横軸は周波数を示している。図２（ｂ）に示されるように、光コム発生器１０から出力される光は、複数の安定な光周波数モードが同期周波数の間隔で規則的に並んだ離散スペクトルを有する。このスペクトル特性を、光コム（comb＝櫛）または光周波数コムという。以下の説明においては、図２に示されるスペクトル特性を有する光を単に「光コム」という。この例で、光コムは、周波数ω０およびω１におけるスペクトルを含んでいる。
【００２０】
再び図１を参照する。光カプラ２０は、入力された光を、ある比率（この比率を「分岐比」という。例えば１：１）で２つ以上の光路に分割する。光カプラ２０は、分岐比が可変の光カプラである。この例で、光カプラ２０は、光コム発生器１０から出力された光を、光路Ａ（第１光路の一例）と光路Ｂ（第２光路の一例）の２つの光路を伝播する光に分割する。量子コンピュータ１において、光はファイバーＦを伝播する。ファイバーＦは、光源からの光を低損失で伝播する光学素子である。光路Ａは、光カプラ２０から検出器７０までの光路である。光路Ｂは、光カプラ２０から検出器７０までの光路であって、光路Ａとは異なるファイバーＦを介したものである。光路Ａの途中にはフィルタ３０が挿入されている。光路Ｂの途中にはフィルタ４０が挿入されている。この例では、光路Ａと光路Ｂとは、その長さが同じであってもよいし異なっていてもよい。
【００２１】
フィルタ３０およびフィルタ４０は、入力された光のうちある周波数帯のものを透過するバンドパスフィルタである。第１実施形態において、フィルタ３０およびフィルタ４０は、光コムのうち周波数ω０およびω１の光を透過し、他の周波数の光を透過しない。すなわち、検出器７０、検出器８０および検出器９０が検出する光は、周波数ω０およびω１の光だけである。
【００２２】
光カプラ５０および光カプラ６０は、光カプラ２０と同様に、入力された光を、分岐比に従って２つ以上の光路に分割する。この例で、光カプラ５０は、入力された光を、検出器７０に接続された光路（光路Ａ）を伝播する光と、検出器８０に接続される光路を伝播する光とに分割する。光カプラ６０は、入力された光を、検出器７０に接続された光路（光路Ｂ）を伝播する光と、検出器９０に接続される光路を伝播する光とに分割する。
【００２３】
検出器７０は、光路Ａを伝播してきた光と光路Ｂを伝播してきた光の合成波を検出する。具体的に、検出器７０は、差動検出器と、周波数検出器とを含む。差動検出器は、光路Ａと光路Ｂとの光路長差Δｌがゼロになったこと、または光路長差Δｌが光速ｃと同期周波数ｆ１との商に一致したこと、すなわち、
Δｌ＝ｋ×ｃ／ｆ１  …（１）
が満たされたことを検出する（ｋは整数）。差動検出器により、光路Ａと光路Ｂとの光路長が一致しているか一致していないかを検出することができる。なお、「光路長が一致」または「光路長が同じ」とは、光路長が完全に一致している状態に限定されず、誤差を含んでいてもよい。許容される誤差は、例えば、光源の波長領域のスペクトルの半値幅、またはその２倍程度である。
【００２４】
また、式（１）に示されるように、差動検出器は光路長差Δｌが光速ｃと同期周波数ｆ１との商に一致したことを検出できる。したがって、例えば第三者が式（１）を満たす状態を経由して光路長を変更するような操作を行った場合に、差動検出器を観測していれば光路長が変更されたことを検出することができる。
【００２５】
検出器７０の周波数検出器は、光路Ａを伝播してきた光と光路Ｂを伝播してきた光とを重ね合わせた光（合成波）を観測する。一般に、周波数ωの光の状態を表す波動関数Φは、
Φ＝ｅｘｐ（−ｉωｔ−ｉｋｘ）  …（２）
と表される（ｔは時間、ｋは波数、ｘは位置を示す）。
変分原理により式（２）を変形すると、
Φ＝ｅｘｐ（−ｉωｔ）×ｅｘｐ（−ｉｋｘ）  …（３）
となり、状態Φは周波数の項と位置の項の積で表される。いま、周波数および位置をそれぞれ量子状態を表すパラメータと考える。周波数ω０および周波数ω１はそれぞれ異なる量子状態に相当すると考えられるので、ディラック（Dirac）のブラ・ケット記号｜＞を用いて、｜ω０＞および｜ω１＞と表す。同様に、光路（位置）に関して、光路Ａを伝播した光の状態を｜Ａ＞、光路Ｂを伝播した光の状態を｜Ｂ＞と表す。光路Ａを伝播した光は周波数ω０の光および周波数ω１の光を含んでいるので、光路Ａを伝播した光の状態は、｜ω０＞｜Ａ＞＋｜ω１＞｜Ａ＞と表される。ここで、加算記号「＋」は量子力学的な重ね合わせを意味する。すなわち、検出器８０が検出する光の状態は、｜ω０＞｜Ａ＞＋｜ω１＞｜Ａ＞と表される。なお検出器８０が検出する光の光路と、検出器７０が検出する光のうち光路Ａを伝播した光の光路とは完全に一致しない場合もあるが、ここでは便宜上どちらの光の状態も｜Ａ＞と記述する。光路Ｂについても同様である。光路Ａと同様に、光路Ｂを伝播した光の状態、すなわち、検出器９０が検出する光の状態は、｜ω０＞｜Ｂ＞＋｜ω１＞｜Ｂ＞と表される。
【００２６】
検出器８０が検出する光は周波数ω０の光と周波数ω１の光とを含んでいるので、検出器８０において、これらの周波数差に起因するビート（うなり）が観測される。検出器８０においてビートが観測されるということは、周波数ω０の光と周波数ω１とに相当する２つの状態が重ね合わされていることが確認できるということである。検出器９０についても同様である。
【００２７】
検出器７０は光路Ａを伝播した光と光路Ｂを伝播した光を重ね合わせた光を検出する。したがって、検出器７０の周波数検出器が検出する光の状態は、
｜ω０＞｜Ａ＞＋｜ω１＞｜Ａ＞＋｜ω０＞｜Ｂ＞＋｜ω１＞｜Ｂ＞  …（４）
で表される。いま、周波数の状態｜ω０＞および｜ω１＞をそれぞれ｜０＞および｜１＞のビットと定義し、光路の状態｜Ａ＞および｜Ｂ＞をそれぞれ｜０＞および｜１＞のビットと定義すると、検出器７０の周波数検出器が検出する光の状態は、
｜０＞｜０＞＋｜１＞｜０＞＋｜０＞｜１＞＋｜１＞｜１＞  …（５）
と表される。この状態は４状態の重ね合わせであり、２量子ビットの均等な重ね合わせの一つの表現である。
【００２８】
以上で説明したように、量子コンピュータ１によれば、周波数および光路の違いをそれぞれ量子情報として用いて、２量子ビットに相当する状態を生成することができる。
【００２９】
２．第２実施形態
図３は、第２実施形態に係る量子コンピュータ２の構成を示す図である。量子コンピュータ２は、エンタングルした（もつれ合った、絡まった）状態を生成する。以下、第１実施形態と共通する要素については共通の参照符号を用いて説明する。量子コンピュータ２は、光コム発生器１０、光カプラ２０、フィルタ３０、フィルタ４０、光カプラ５０、光カプラ６０、検出器７０、検出器８０、検出器９０、およびファイバーＦを含む。
【００３０】
第２実施形態において、フィルタ３０は、光コムのうち周波数ω１の光を透過し、他の周波数の光を透過しない。フィルタ４０は、光コムのうち周波数ω０の光を透過し、他の周波数の光を透過しない。
【００３１】
量子コンピュータ２において、検出器８０が検出する光の状態は、｜ω１＞｜Ａ＞＝｜１＞｜０＞である（ビットの定義は第１実施形態と同様）。検出器９０が検出する光の状態は、｜ω０＞｜Ｂ＞＝｜０＞｜１＞である。検出器７０が検出する光の状態は、
｜ω１＞｜Ａ＞＋｜ω０＞｜Ｂ＞＝｜１＞｜０＞＋｜０＞｜１＞  …（６）
と表される。すなわち、周波数の状態を第１ビット、位置（光路）の状態を第２ビットとすると、第２ビットの値は第１ビットの値に依存している。この状態は、いわゆる量子力学的なエンタングル状態に相当する。
【００３２】
以上で説明したように、量子コンピュータ２によれば、量子力学的にエンタングルした２量子ビットに相当する状態を生成することができる。
【００３３】
３．第３実施形態
図４は、第３実施形態に係る量子コンピュータ３の構成を示す図である。量子コンピュータ３は、制御ＮＯＴ回路として機能する。量子コンピュータ３は、光コム発生器１０、光カプラ２０、フィルタ３０、フィルタ３１（第３フィルタの一例）、フィルタ３２（第４フィルタの一例）、フィルタ４０、フィルタ４２（第５フィルタの一例）およびフィルタ４１（第６フィルタの一例）、光カプラ５１（第２分割手段の一例）、光カプラ６１（第３分割手段の一例）、光カプラ５２（第１合成手段の一例）および光カプラ６２（第２合成手段の一例）、検出器７０、並びにファイバーＦを含む。フィルタ３１およびフィルタ３２、並びにフィルタ４１およびフィルタ４２はそれぞれ、フィルタ３０およびフィルタ４０と同じ機能を有する。光カプラ５１および光カプラ５２は、光カプラ５０および光カプラ６０と同じ機能を有する。光カプラ６１および光カプラ６２も基本的に光カプラ５０および光カプラ６０と同じ機能を有するが、光カプラ５０および光カプラ６０とは入出力を逆向きにして用いられている。
【００３４】
量子コンピュータ３においては、光路の構成が第１および第２実施形態と異なっている。光カプラ２０により分岐された後、図４の上側に位置する光路（フィルタ３０を経由する光路）を光路Ｕ、図４の下側に位置する光路（フィルタ４０を経由する光路）を光路Ｌという。光路Ｕ上には光カプラ５１および光カプラ５２が設けられている。光カプラ５１は、入力された光を光路ＵＬ（第１副光路の一例）および光路ＵＳ（第２副光路の一例）の２つの光路を伝播する光に分割する。光路ＵＬは光路長変更機構、この例ではディレイライン２０１を含んでおり、光路ＵＬと光路ＵＳとは光路長が異なっている。ディレイライン２０１の長さは、例えば、６ｍ（＝光速／同期周波数）である。光路ＵＬおよび光路ＵＳの光路長をＬＵＬおよびＬＵＳと表すと、ＬＵＬ＞ＬＵＳである。光路ＵＬにはフィルタ３１が設けられている。光路ＵＳにはフィルタ３２が設けられている。第３実施形態において、フィルタ３０は周波数ω０およびω１の光を透過し、他の周波数の光を透過しない。フィルタ３１は周波数ω１の光を透過し、他の周波数の光を透過しない。フィルタ３２は周波数ω０の光を透過し、他の周波数の光を透過しない。光カプラ５２は、光路ＵＬおよび光路ＵＳを伝搬してきた光を単一の光路を伝播する光に合成する。
【００３５】
光路Ｌ上には光カプラ６１および光カプラ６２が設けられている。光カプラ６１は、入力された光を光路ＬＬ（第４副光路の一例）および光路ＬＳ（第３副光路の一例）の２つの光路を伝播する光に分割する。光路ＬＬは光路長変更機構、この例ではディレイライン２０２を含んでおり、光路ＬＬと光路ＬＳとは光路長が異なっている。ディレイライン２０２の長さは、例えば、光路ＵＬと同様に６ｍである。光路ＬＬおよび光路ＬＳの光路長をＬＬＬおよびＬＬＳと表すと、ＬＬＬ＞ＬＬＳである。光路ＬＬにはフィルタ４１が設けられている。光路ＬＳにはフィルタ４２が設けられている。第３実施形態において、フィルタ４０は周波数ω０およびω１の光を透過し、他の周波数の光を透過しない。フィルタ４１は周波数ω０の光を透過し、他の周波数の光を透過しない。フィルタ４２は周波数ω１の光を透過し、他の周波数の光を透過しない。光カプラ６２は、光路ＬＬおよび光路ＬＳを伝搬してきた光を単一の光路を伝播する光に合成する。
【００３６】
この例で、光コム発生器１０から検出器７０までの光路のうち、光路ＵＬを経由する光路と光路ＬＬを経由する光路とは同一の光路長（長い光路）を有している。同様に、光コム発生器１０から検出器７０までの光路のうち、光路ＵＳを経由する光路と光路ＬＳを経由する光路とは同一の光路長（短い光路）を有している。第３実施形態においては、この「短い光路」を光路Ａと表し、「長い光路」を光路Ｂと表す。
【００３７】
いま、周波数ω０の光が光路Ｕを伝播した場合を考える。光路Ｕを伝播する光は、光カプラ５１において光路ＵＬと光路ＵＳを伝播する光に分割される。光路ＵＬにおいては、フィルタ３１により周波数ω０の光は透過されない。光路ＵＳにおいては、フィルタ３２により周波数ω０の光が透過される。結局、検出器７０は、光路ＵＳ（短い光路＝光路Ａ）を経由した周波数ω０の光を観測する。ここで、光路Ｕのうち光コム発生器１０から光カプラ５１までの部分を伝播した光の状態を｜上＞と表す。光カプラ５１に到達する前の光を入力、検出器７０が観測する光を出力と考えると、入力された光の状態は｜ω０＞｜上＞であり、出力される光の状態は｜ω０＞｜Ａ＞である。他の周波数の光、他の光路を伝播した光についても同様に考えることができ、入力光の状態と出力光の状態を入力→出力と表すと、
｜ω０＞｜上＞  →  ｜ω０＞｜Ａ＞
｜ω０＞｜下＞  →  ｜ω０＞｜Ｂ＞
｜ω１＞｜上＞  →  ｜ω１＞｜Ｂ＞
｜ω１＞｜下＞  →  ｜ω１＞｜Ａ＞    …（７）
である。なお、｜下＞は光路Ｌのうち光コム発生器１０から光カプラ６１までの部分を伝播した光の状態を示している。光路の状態に関し、｜上＞および｜下＞をそれぞれ｜０＞および｜１＞としてビットを定義すると（｜上＞および｜下＞以外のビットの定義は第１実施形態と同様）、式（７）は以下のように表される。
｜０＞｜０＞  →  ｜０＞｜０＞
｜０＞｜１＞  →  ｜０＞｜１＞
｜１＞｜０＞  →  ｜１＞｜１＞
｜１＞｜１＞  →  ｜１＞｜０＞    …（８）
第１ビットを制御ビット、第２ビットを操作ビット（標的ビット）として見ると、式（８）は、制御ビットが｜０＞のときは操作ビットの値を維持し、制御ビットが｜１＞のときは操作ビットの値を反転する演算を示している。すなわち、式（８）は、いわゆる制御ＮＯＴ回路（制御ＮＯＴゲートまたはＣＮＯＴともいう）の真理値表を示しており、量子コンピュータ３が制御ＮＯＴ回路として機能していることがわかる。
【００３８】
以上のように、量子コンピュータ３によれば、制御ＮＯＴ回路が提供される。制御ＮＯＴ回路は量子計算におけるユニバーサルゲートの一つであり、ユニタリーゲートと組み合わせることによりどのような量子計算も可能であることが知られている。
【００３９】
ユニタリーゲートの構成は種々のものが可能である。例えば、図３の構成において、ＢＰＦ４０と光カプラ６０との間に位相変調器（フェーズシフタ）を設けたものがユニタリーゲートとして用いられる。光路Ｂを通る光に対して、この位相変調器によりπの位相変調を与えると、光の状態（波動関数）は、ｅｘｐ（−ｉω０ｔ）から以下のように変化する。
ｅｘｐ（−ｉω０ｔ）    →    ｅｘｐ（−ｉω０ｔ−ｉπ）
＝ｅｘｐ（−ｉω０ｔ）×ｅｘｐ（−ｉπ）
＝−ｅｘｐ（−ｉω０ｔ）                  …（９）
（∵ｅｘｐ（−ｉπ）＝−１）
つまり、この位相変調器により光路Ｂを通る光の状態は、
｜ω０＞｜Ｂ＞  →  −｜ω０＞｜Ｂ＞    …（１０）
と変換される。このとき、検出器７０が検出する状態は式（６）で示されたものとは符号が反転しており、
｜ω１＞｜Ａ＞−｜ω０＞｜Ｂ＞＝｜１＞｜０＞−｜０＞｜１＞  …（１１）
となっている。これは、ユニタリー変換を表している。
【００４０】
４．第４実施形態
図５は、第４実施形態に係る量子コンピュータ４の構成を示す図である。量子コンピュータ４は、３量子ビットに相当する状態を生成する。量子コンピュータ４は、光コム発生器１０、光カプラ２０、フィルタ３０、フィルタ４０、検出器７０、ファイバーＦ、偏光制御素子１０１（第１偏光制御素子の一例）、偏光制御素子１０２（第２偏光制御素子の一例）、および偏光制御素子１０３（第３偏光制御素子の一例）を含む。
【００４１】
量子コンピュータ４において、光コム発生器１０と光カプラ２０との間には、偏光制御素子１０１が設けられている。偏光制御素子１０１は、透過した光の偏光状態を円偏光にする素子である。光カプラ２０は、偏光制御素子１０１を透過した光を、光路Ａと光路Ｂの２つの光路を伝播する光に分割する。光路Ａは、光カプラ２０から検出器７０までの光路である。光路Ｂは、光カプラ２０から検出器７０までの光路であって、光路Ａとは異なるファイバーＦを介したものである。光路Ｂには光路長変更機構としてディレイライン２０３が設けられている。ディレイライン２０３の長さは、例えば、６ｍ（＝光速／同期周波数）である。ディレイライン２０３により光路Ａと光路Ｂとは、その長さが異なっており、光路長ＬＡ＜光路長ＬＢである。光路Ａには、光コム発生器１０に近い方から順に、偏光制御素子１０２およびフィルタ３０が設けられている。偏光制御素子１０２は、透過した光の偏光状態を縦偏光にする素子である。この例で、フィルタ３０は周波数ω０およびω１の光を透過し、他の周波数の光を透過しない。光路Ｂには、光コム発生器１０に近い方から順に、偏光制御素子１０３およびフィルタ４０が設けられている。偏光制御素子１０３は、透過した光の偏光状態を横偏光にする素子である。この例で、フィルタ４０は周波数ω０およびω１の光を透過し、他の周波数の光を透過しない。
【００４２】
縦偏光の状態を｜縦＞、横偏光の状態を｜横＞と表すと、光路Ａを伝播する光の状態は、
｜ω０＞｜Ａ＞｜縦＞＋｜ω１＞｜Ａ＞｜縦＞    …（１２）
で表される。同様に、光路Ｂを伝播する光の状態は、
｜ω０＞｜Ｂ＞｜横＞＋｜ω１＞｜Ｂ＞｜横＞    …（１３）
で表される。偏光の状態に関し、｜縦＞および｜横＞をそれぞれ｜０＞および｜１＞としてビットを定義すると（他のビットの定義は第１実施形態と同様）、検出器７０が観測する光の状態は、
｜０＞｜０＞｜０＞＋｜１＞｜０＞｜０＞
＋｜０＞｜１＞｜１＞＋｜１＞｜１＞｜１＞    …（１４）
と表される。ここで、第１ビットは周波数を、第２ビットは光路を、第３ビットは偏光状態を示している。この状態は４状態の重ね合わせであり、３量子ビットの一つの表現である。
【００４３】
以上で説明したように、量子コンピュータ４によれば、量子コンピュータ２と同様に３量子ビットのエンタングルに相当する状態を生成することができる。
【００４４】
５．第５実施形態
図６は、第５実施形態に係る量子コンピュータ５の構成を示す図である。量子コンピュータ５は、量子情報を暗号化する機能を有する。量子コンピュータ５は、光コム発生器１０、光カプラ２０、フィルタ３０、フィルタ４０、光カプラ５０、光カプラ６０、検出器７０、検出器８０、検出器９０、ファイバーＦ、および音響光学素子１１１を含む。
【００４５】
光カプラ２０は、光コム発生器１０から出力された光を、光路Ａと光路Ｂの２つの光路を伝播する光に分割する。光路Ａは、光カプラ２０から検出器７０までの光路である。光路Ｂは、光カプラ２０から検出器７０までの光路であって、光路Ａとは異なるファイバーＦを介したものである。光路Ｂには光路長変更機構としてディレイラインが設けられている。ディレイライン２０６の長さは、例えば、６ｍ（＝光速／同期周波数）である。ディレイライン２０６により光路Ａと光路Ｂとは、その長さが異なっており、光路長ＬＡ＜光路長ＬＢである。光路Ａには、光コム発生器１０に近い方から順に、フィルタ３０および音響光学素子１１１が設けられている。音響光学素子１１１は、周波数ω０の光および周波数ω１の光の周波数を、＋Δω変調する素子である。この例で、フィルタ３０は周波数ω０およびω１の光を透過し、他の周波数の光を透過しない。光路Ｂには、フィルタ４０が設けられている。この例で、フィルタ４０は周波数ω０およびω１の光を透過し、他の周波数の光を透過しない。
【００４６】
量子コンピュータ５において、情報の送信者は、変調周波数Δωを送信したい情報として用いる。この例で、検出器７０および検出器８０は正当な受信者の装置であり、検出器９０は通信を傍受しようとする盗聴者が用いる装置である。
【００４７】
光路Ａにおいて、周波数ω０の光および周波数ω１の光の周波数は、それぞれ＋Δω変調され、周波数ω０’（＝ω０＋Δω）および周波数ω１’（＝ω１＋Δω）になる。検出器８０はこれらの光の合成波を観測する。この合成波のビート周波数ωＢは、これら２つの光の周波数の差、すなわち、
ωＢ＝ω１’−ω０’
＝ω１−ω０    …（１５）
である。これに対し、検出器７０は、周波数ω０、ω１、ω０’およびω１’の４つの光の合成波を観測する。この合成波のビート周波数は、次式のようにωＢ１、ωＢ２およびωＢ３の３つである。
ωＢ１＝ω１−ω０    …（１６）
ωＢ２＝ω１−（ω０＋Δω）    …（１７）
ωＢ３＝（ω１＋Δω）−ω０    …（１８）
式（１６）〜（１８）を用いると、受信したい情報Δωは次式により得られる。
Δω＝ωＢ１−ωＢ２＝ωＢ３−ωＢ１    …（１９）
すなわち、検出器８０で観測されるビート周波数を鍵として用いると、検出器７０で観測されるビート周波数から情報Δωを取り出すことができる。
【００４８】
一方、検出器９０が観測する光のビート周波数もωＢ＝ω１−ω０であるが、これだけでは送信者が送信した情報Δωを取り出すことができない。このように、量子コンピュータ５によれば、送信者が送信した情報Δωは暗号化されている。
【００４９】
ここでは検出器９０が盗聴者の装置であると仮定した場合について説明したが、検出器８０が盗聴者の装置であり検出器９０が正当な受信者の装置であると仮定した場合にも同様に送信者が送信した情報Δωは暗号化されている。
【００５０】
６．他の実施形態
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち２つ以上のものが組み合わせて用いられてもよい。
【００５１】
量子コンピュータ１および２において、検出器８０および９０は省略されてもよい。
図２で説明した光コムの特性は例示であり、光コムの特性はこれに限定されない。光コムのうちどのピーク周波数を周波数ω０およびω１として用いるかは自由である。２つ以上の周波数を用いて多数の重ね合わせ状態を生成することもできる。
実施形態で説明した量子ビットの定義は例示であり、これに限定されない。どの状態を｜０＞および｜１＞のどちらに割り当てるかは自由である。
光を伝播する媒体はファイバーＦに限定されない。空気等、ファイバーＦ以外の媒体を介して光が伝播されてもよい。この場合において、光を分割する分割手段として光カプラの代わりに、ビームプリズムスプリッターが用いられてもよい。
量子コンピュータ４において、偏光制御素子１０２とフィルタ３０の位置は入れ替えられてもよい。偏光制御素子１０３とフィルタ４０についても同様である。
【符号の説明】
【００５２】
１…量子コンピュータ、２…量子コンピュータ、３…量子コンピュータ、４…量子コンピュータ、５…量子コンピュータ、１０…光コム発生器、２０…光カプラ、３０…フィルタ、３１…フィルタ、３２…フィルタ、４０…フィルタ、４１…フィルタ、４２…フィルタ、５０…光カプラ、５１…光カプラ、５２…光カプラ、６０…光カプラ、６１…光カプラ、６２…光カプラ、７０…検出器、８０…検出器、９０…検出器、１０１…偏光制御素子、１０２…偏光制御素子、１０３…偏光制御素子、１１１…音響光学素子、２０１…ディレイライン、２０２…ディレイライン、２０３…ディレイライン、２０６…ディレイライン
【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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