(57)【要約】【課題】相互作用を制御した多数の量子ビットを実装可能で、かつ、個々の量子ビットを同時に制御し、また必要に応じて任意の量子ビット間に相互作用を導入できる量子計算機を提供する。【解決手段】量子計算機（１ａ）は、レーザ光を供給する光供給手段（１３、１７）と、光供給手段から受けたレーザ光により少なくとも１つの平面上に２次元状に複数の近接場光を発生させる手段（１１）と、各近接場光に原子をトラップすることにより構成された量子ビット（２５、３１）とを備える。また、量子計算機（１ａ）は、相向かい合うレーザビームで構成される１次元光格子をもつ。もつれた量子状態にさせたい原子対は、１次元光格子に移動させて相互作用させる。また、別の構成として、量子計算機は、赤方離調したレーザビームで原子をトラップすることにより構成された量子ビット（３１）を備えてもよい。【選択図】図１
2011141510.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を供給する光供給手段と、
前記光供給手段から受けたレーザ光により少なくとも１つの平面上に２次元状に複数の近接場光を発生させる手段と、
各近接場光に原子をトラップすることにより構成された量子ビットと
を備えた量子計算機。
【請求項２】
前記光供給手段は、近接場光を発生させるためのトラップ光と、近接場光にトラップされた原子の量子状態を操作するための制御光とのうちの少なくともいずれかを、量子ビット毎に独立して供給する、請求項１に記載の量子計算機。
【請求項３】
前記トラップ光と前記制御光とは波長が異なる、請求項２に記載の量子計算機。
【請求項４】
第１の方向に複数の光ビームを供給する第１の光供給手段と、
第２の方向に複数の光ビームを供給する第２の光供給手段と、
前記第１の方向の複数の光ビームと、前記第２の方向の複数の光ビームとが交差する格子点において原子をトラップすることにより構成された量子ビットと
を備えた量子計算機。
【請求項５】
前記第１の光供給手段は、前記格子点を形成するためのトラップ光と、前記格子点にトラップされた原子の量子状態を操作するための制御光との少なくともいずれかを、量子ビット毎に独立して供給する、請求項４に記載の量子計算機。
【請求項６】
前記トラップ光と前記制御光とは波長が異なる、請求項５に記載の量子計算機。
【請求項７】
少なくとも１つの平面上に２次元状に複数の近接場光を発生させ、発生した近接場光に原子をトラップする
ことにより複数量子ビットを形成する、複数量子ビット形成方法。
【請求項８】
前記近接場光を発生させるためのトラップ光と、前記近接場光にトラップされた原子の量子状態を操作するための制御光との少なくともいずれかを、量子ビット毎に独立して供給する、請求項７に記載の複数量子ビット形成方法。
【請求項９】
第１の方向に複数の光ビームを照射し、
前記第１の方向と異なる第２の方向に複数の光ビームを照射し、
前記第１の方向に照射された複数の光ビームと、前記第２の方向に照射された複数の光ビームとが交差する格子点のそれぞれにおいて原子をトラップする
ことにより複数量子ビットを形成する、
複数量子ビット形成方法。
【請求項１０】
前記第１の方向において、前記格子点を形成するためのトラップ光と、前記格子点にトラップされた原子の量子状態を操作するための制御光を、量子ビット毎に独立して供給する、請求項９に記載の複数量子ビット形成方法。
【請求項１１】
任意の２量子ビットを光格子に移動させ、光格子を構成するレーザビームの偏光角度を操作することにより、この２量子ビットをもつれた量子状態にさせる２量子ビットゲート形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子状態の重ね合わせ、及びもつれた量子状態を用いて演算処理を行う量子計算機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、量子状態の重ね合わせ、及びもつれた量子状態を用いた量子計算機の実現に向けて多くの研究者により種々の研究がなされている。量子計算機は重ね合わされた量子状態など、古典的に存在しない状態を計算のリソースとして用いることにより、古典計算機をはるかに凌駕する速さの計算を実現する計算機である。
【０００３】
量子計算機について、例えば、レーザの定在波を用いて光格子を形成し、各格子点に中性原子をトラップすることで量子ビットを構成する研究がある（非特許文献１）。
【０００４】
また、マイクロレンズと赤方離調レーザを用いて形成した双極子トラップに原子をトラップすることで量子ビットを構成する提案もある（非特許文献２）。
【０００５】
また、近接場光による１原子トラップはすでに実例があり、光格子を用いて、２原子をもつれた状態にする技術も確立している（非特許文献３）。後に示すように、この２つを組み合わせれば、近接場光にトラップされた原子を自由にもつれた状態にすることが可能と考えられる。また、近接場光の列を作るためのナノ構造体の作成例がある（非特許文献４、５）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】"Quantum Logic Gates in Optical Lattices", G. K. Brennen et al., Physical Review Letters, Vol. 82, No. 5, 1999, 1060-1063
【非特許文献２】"Quantum Information Processing with Microfabricated Optical Elements", F. B. J. Buchkremer, et al., Laser Physics, Vol.12, No.4, 2002, pp.736-741
【非特許文献３】"Controlled collision of multi-particle entanglement of optically trapped atoms",   O. Mandel et al., Nature, Vol. 455, 2003, 937-940.
【非特許文献４】「近接場光記録用平面型プローブアレイにプローブ先端先鋭化技術」山口隆行ほか，Ricoh Technical Report No. 32, p 15 (2006)
【非特許文献５】「微小開口つきスライダを用いた近接場光による高密度相変化記録」福田浩章ほか，Ricoh Technical Report No. 30, p 20 (2004)
【非特許文献６】"Fast Ground State Manipulation of Neutral Atoms in Microscopic Optical Traps", D. D. Yavuz et al., Physical Review Letters, Vol. 96, 2006, 063001.
【非特許文献７】"Focusing of Atomic Beams by Near-Field Atom Microlenses: The Bethe-type and the Fresnel-type Microlenses", V. I. Balykin et al., Physical Review A 77, 2008, 013601.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
量子計算機と古典計算機の処理能力のクロスオーバーは１００〜１０００量子ビット程度で起こるとされているが、現状ではデコヒーレンスやスケーラビリティの問題があり、量子ビットの数が１０程度の量子計算機しか存在しない。本発明により、現状をはるかに超える量子ビットを有する量子計算機が実現できる。
【０００８】
また、レーザの定在波を用いる光格子は、原理的に格子間隔が光の波長よりも小さく、１量子ビット操作をフォーカスしたレーザビームで行う限り、ある原子の操作は近隣の原子にも影響を与えてしまう。そのため、選択的な操作は困難である。また、この提案における２量子ビット操作は、２種類のトラップを用意して、超微細スピン状態が異なる２つのグループの原子を用いるものである。そのため、レーザの定在波を用いる光格子では、すべての原子対に２量子ビットゲートが作用するという問題がある。
【０００９】
また、マイクロレンズと赤方離調レーザを用いて形成した双極子トラップの提案でも、すべての原子をひとつのレーザでトラップするために各原子の位置の微調整が困難である。また、この提案において２量子ビットゲートを実現するためには、個々の原子のトラップを解除することが必要であるが、それも不可能である。さらに１量子ビット操作は、動き回る２本のレーザで２光子遷移を通して行われるため、同時に複数個の１量子ビットゲートを実行することは不可能である。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、第１に、量子ビット間の相互作用が無視できる構造から、強い相互作用をもつ構造まで自由に設計でき、多数の量子ビットを実装可能な量子計算機を提供することを目的とする。本発明は、第２に、同時に複数個の１量子ビットゲートを実行可能な量子計算機を提供することを目的とする。第３に、相互作用していない量子ビットの間へ随時相互作用を導入することを可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る第１の量子計算機は、レーザ光を供給する光供給手段と、光供給手段から受けたレーザ光により少なくとも１つの平面上に２次元状に複数の近接場光を発生させる手段と、各近接場光に原子をトラップすることにより構成された量子ビットとを備える。好ましくは、光供給手段は、近接場光を発生させるためのトラップ光と、近接場光にトラップされた原子の量子状態を操作するための制御光とのうちの少なくともいずれかを量子ビット毎に独立して供給する。なお、近接場光より波長の短いフレネル光を用いると、近接場光より少し離れたところに原子をトラップできる（非特許文献６、７参照）。このフレネル光をトラップ光として用いてもよい。以下では、簡単のために、このフレネル光を含めて近接場光とよぶことにする。
【００１２】
本発明に係る第２の量子計算機は、第１の方向に複数の光ビームを供給する第１の光供給手段と、第２の方向に複数の光ビームを供給する第２の光供給手段と、第１の方向の複数の光ビームと第２の方向の複数の光ビームとが交差する格子点において原子をトラップすることにより構成された量子ビットとを備える。好ましくは、第１の光供給手段は、格子点を形成するためのトラップ光と、格子点にトラップされた原子の量子状態を操作するための制御光との少なくともいずれかを量子ビット毎に独立して供給する。
【００１３】
本発明に係る第１の複数量子ビット形成方法は、少なくとも１つの平面上に２次元状に複数の近接場光を発生させ、発生した近接場光に原子をトラップすることにより複数量子ビットを形成する。
【００１４】
本発明に係る第２の複数量子ビット形成方法は、第１の方向に複数の光ビームを照射し、第１の方向と異なる第２の方向に複数の光ビームを照射し、第１の方向に照射された複数の光ビームと、第２の方向に照射された複数の光ビームとが交差する格子点のそれぞれにおいて原子をトラップすることにより複数量子ビットを形成する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、近接場光またはレーザ光の格子で原子をトラップすることで量子ビットを構成する。近接場光やレーザ光の格子はその間隔や配置パターンを任意に設定できるので、多数の量子ビットを自由に配置した量子計算機を実現できる。また、本発明において、さらに、近接場光またはレーザ光の格子毎に、トラップ用または制御用のレーザ光を独立して供給することで、同時に複数個の１量子ビットゲートの操作を行うことが可能となる。また、相互作用していない量子ビットの間へ随時相互作用を導入することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１における量子計算機の構成を説明した図
【図２】実施の形態１における量子計算機の２量子ビット操作を説明するための図
【図３】本発明の実施の形態２における量子計算機の構成を説明した図
【図４】実施の形態２における量子計算機の２量子ビット操作を説明するための図
【図５】近接場光のトラップを用いて量子ビットを２次元状に配列する平面を2層設けた量子計算機の構成を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付の図面を参照して本発明に係る量子計算機の実施の形態を説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
本実施形態では、中性原子を近接場光の格子にトラップすることにより量子ビット格子を構成する量子計算機を説明する。
【００１９】
図１に、本発明の第１の実施形態の量子計算機の構成を示す。図１に示すように、量子計算機１ａは、近接場光を発生させる基板１１と、各ファイバに所定の波長のレーザ光を供給する複数の光源１３とを備える。基板１１には、近接場光を発生する構造体２１が格子状に設けられている。このような基板１１は例えば半導体製造技術における既存の微細加工技術を用いて製造できる。
【００２０】
光源１３は、複数の光ファイバ１７毎に設けられ、各光ファイバ１７を介して基板１１の近接場光を発生する各構造体２１にレーザ光を供給する。近接場光を発生する構造体２１により近接場光２５が発生する。本実施の形態の量子計算機１ａでは、この近接場光２５に中性原子３１を配置することで量子ビットを構成する。なお、基板１１は近接場光の発生手段の一例であり、他の方法で近接場光を発生させてもよい。
【００２１】
光ファイバ１７は近接場光を発生する構造体２１毎に設けられる。光源１３は、中性原子３１、すなわち量子ビットをトラップするためのレーザ光（以下「トラップ光」という。）２７と、量子ビットを操作するためのレーザ光（以下「制御光」という。）２９とを光ファイバ１７に供給可能である。特に、光源１３は、トラップ光２７と制御光２９とを２１毎に独立に制御して供給できるようになっている。これにより量子ビット毎に独立してトラップ光２７及び制御光２９を制御できるため、他の量子ビットに影響を与えず、量子ビット毎に個別に操作することが可能となる。なお、トラップ光２７と制御光２９は、干渉を防ぐために互いに波長が異なっている。
【００２２】
各トラップに原子を１個充填するためには、たとえばトラップの近くにＢＥＣ（ボース・アインシュタイン凝縮体）を形成し、それから近接場光を用いて原子をトラップすればよい。
【００２３】
以上のように構成される量子計算機１ａにおける量子ビット操作を説明する。１量子ビットの操作は、制御光２９により中性原子３１の量子状態を変化させることで行う。また、２つの原子に作用する２量子ビットゲート操作は、図２に示すように、２量子ビットの上にゲート操作のための赤方離調レーザーによる１次元の光格子を配置する。光格子は向かい合って伝搬する直線偏光した進行波51a、51bによって作られ、進行波51a、51bの偏光の方向を同じにしておくと原子の量子状態によらず原子は同じポテンシャルを受ける。また、レーザー強度の極大の点が、操作する２つの量子ビットのちょうど真上にくるように波長と位置を調節する。以上の準備の後、以下の一連の操作を行う。
１）最初に量子ビットA、Bに対して１量子ビット操作を行い、それぞれを必要な量子状態にしておく。
２）A、Bのトラップ光の強度と基盤の位置を変化させて、その２個の原子のみを光格子に移動させる。
３）光格子をつくる進行波のうち、進行波51aの直線偏光の方向を角度θ、進行波51bは -θと反対方向に傾ける。その結果、量子状態の異なる原子はその量子状態に依存して位相θに比例した距離だけ反対方向に移動した周期ポテンシャルを受けるようになる。したがって、量子ビットAと量子ビットBで量子状態の異なる量子状態を同じ位置まで移動させ、相互作用させて、その２量子状態のみの位相を変化させることができる。
４）２）の操作を逆にたどり、それぞれの原子をもとのトラップ光の位置まで戻す。
５）必要であれば、さらにそれぞれの量子ビットに１量子ビット操作を行う。
以上の操作により２量子ビットゲートが実現できる。また、本実施形態では、近接場光の間隔や配列を自由に変更できるため、図１に示した格子を、アルゴリズムに適したパターンに容易に配置することができる。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態によれば、近接場光に原子をトラップすることで量子ビットを形成する。近接場光２５すなわち量子ビットの間隔及び配置パターンは、基板１１上の近接場光を発生する構造体２１の間隔及び配置パターンを変更することで自由に設定できる。よって、相互作用しない量子ビットを多数作ることも、必要であれば、強く相互作用する量子ビットを多数作ることも可能である。あるいは両者の混合した量子計算機を作ることも可能になる。
【００２５】
また、量子ビット毎に、トラップ光２７や制御光２９を独立に制御して供給することで、全ての原子に同時に１量子ビットゲート操作を行うことが可能となる。
【００２６】
（第２の実施形態）
本実施形態では、中性原子をレーザ光により生成される格子にトラップすることにより量子ビット格子を構成する量子計算機を説明する。
【００２７】
図３に、本発明の第２の実施形態の量子計算機の構成を示す。量子計算機１ｂは、第１の方向にレーザ光を照射する複数の光ファイバ１４ａと、第１の方向と異なる第２の方向にレーザ光を照射する複数の光ファイバ１５ａとを備える。光ファイバ１５ａは、第１の方向と、第１及び第２の方向に直交する第３の方向とのそれぞれの方向に２次元的に配置されている。光ファイバ１４ａ、１５ａのそれぞれには、所定の波長を持つレーザ光を出力する光源（図示せず）からレーザ光（赤方離調レーザ光）が供給されている。
【００２８】
光ファイバ１４ａ、１５ａを介して供給されるレーザ光２８ａ、２８ｂは中性原子３１をトラップするためのトラップ光である。また、光ファイバ１５ａは、トラップ光２８ｂに加えて、１量子ビット操作用の制御光２９が供給される。トラップ光２８ｂと制御光２９は互いに干渉を防止するため異なる波長を用いている。
【００２９】
第１の方向のトラップ光２８ａと第２の方向のトラップ光２８ｂとが交差する格子点では原子のトラップポテンシャルが最も強くなる。本実施形態の量子計算機１ｂでは、その格子点に中性原子３１をトラップすることにより量子ビットを構成する。
【００３０】
最初に各トラップに原子を１個充填するには、たとえばトラップの近くにＢＥＣを形成し、その後ＢＥＣのトラップ磁場を解除すれば、ＢＥＣは重力場、またはプッシュレーザにより赤方離調レーザ光の格子に落下して、原子はレーザ光の交差点にトラップされる。トラップポテンシャルをデザインすることにより、各格子点に１個の原子をトラップすることが可能となる。
【００３１】
本実施の形態においても、制御光２９は、量子ビット毎に独立に制御して供給されるようになっている。これにより、他の量子ビットに影響を与えずに所望の量子ビットだけを個別に操作することが可能となる。
【００３２】
本実施形態の量子計算機１ｂにおいても、量子ビットに対する操作は実施の形態１の場合と同様に制御光２９を用いて行われる。２つの量子ビットに作用する２量子ビットゲートの実現方法も実施の形態１の場合と同様である。すなわち、図４に示すように、１次元光格子をトラップ光の上に配置し、そこに２量子ビットゲート操作を実行したい原子のみを移して、選択的なゲート操作を行う。
【００３３】
以上説明した量子計算機１ｂにおいて、中性原子がトラップされるレーザ光の交差点（格子）の位置及び間隔は、レーザ光の照射位置を変更することで調整でき、この変更は容易に制御することがでる。すなわち、量子ビットの間隔及び配置パターンを自由に設定することが可能となる。
【００３４】
また、本実施形態においても、量子ビット（格子点）毎に、制御光２９を独立に制御して供給することで、全ての原子に同時に１量子ビットゲート操作を行うことを可能としている。
【００３５】
（変形例）
上記の第１及び第２の実施形態において、量子ビットとしてトラップする原子は中性原子としたが、電荷を帯びたイオンであってもよい。また、量子ビットの配置に関しても、格子状の配列に限定されず、２次元的に配列されれば他の配置パターンでもよい。
【００３６】
また、上記の第１の実施形態では、１つの平面上に近接場光によるトラップを用いて量子ビットを２次元状に配列する例を示したが、図５に示すように量子ビットを配列する平面（基板１１ａ〜１１ｂ）を２層設け、それぞれに量子ビットを配列しても良い。なお、量子ビットを配列する平面を３層以上設けてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１ａ、１ｂ  量子計算機
１１、１１ａ〜１１ｂ  基板
１３  光源
１４ａ、１５ａ、１７  光ファイバ
２１  近接場光を発生する構造体
２５、２６  近接場光
２７、２８ａ、２８ｂ  トラップ光
２９  制御光
３１、Ａ、Ｂ  中性原子
５１ａ、５１ｂ  １次元光格子を作るためのレーザビーム対
【図１】
2011141510.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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