(57)【要約】  量子デバイス（１０；１５）は非可逆的伝送構造（５、６、７；１３、１４）を備え、伝送構造は、伝送構造を順方向に横断する第１の波動については、第１の波動の位相が少なくとも部分的に保存され、伝送構造を逆方向に横断する第２の波動については、第２の波動の位相がランダム位相に少なくとも部分的に置き換えられて、逆方向よりも順方向において位相保存がより明白であるように、設計される。【選択図】図１
2021528701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非可逆的伝送構造（５、６、７；１３、１４）を備え、
前記伝送構造が、前記伝送構造を順方向に横断する第１の波動については、前記第１の波動の位相が少なくとも部分的に保存され、前記伝送構造を逆方向に横断する第２の波動については、前記第２の波動の位相がランダム位相に少なくとも部分的に置き換えられて、前記逆方向よりも前記順方向において位相保存がより明白であるように設計される、量子デバイス（１０；１５）。
【請求項２】
第１のポート（１）および第２のポート（２）を更に備え、
前記伝送構造（５、６、７）が、前記第１のポート（１）から前記第２のポート（２）まで延在する少なくとも２つの第１の伝送経路と、前記第２のポート（２）から前記第１のポート（１）まで延在する少なくとも２つの第２の伝送経路とを備え、
前記伝送構造が、前記第１の波動が前記第１の伝送経路を伝播する第１の部分波に分割され、前記第１の部分波が少なくとも部分的に前記第２のポート（２）で干渉するように、更に設計され
前記第２の波動が第２の部分波に分割され、前記第２の部分波が少なくとも部分的に前記第１のポート（１）で干渉し、
前記第１の部分波の少なくとも一部が、前記第２の部分波よりも建設的に干渉する、請求項１に記載の量子デバイス（１０）。
【請求項３】
前記第１の部分波の一部が、事実上完全に建設的に前記第２のポート（２）で干渉し、前記第２の波動の一部が、事実上完全に破壊的に前記第１のポート（１）で干渉する、請求項２に記載の量子デバイス（１０）。
【請求項４】
第３のポート（３）と、
前記第３のポート（３）に配設された吸収器／放射器（８）と、
前記第２のポート（２）から前記第３のポート（３）まで延在する少なくとも２つの第３の伝送経路と、を更に備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の量子デバイス（１０）。
【請求項５】
前記第２の部分波が、前記少なくとも２つの第３の伝送経路に沿って伝播した後、少なくとも部分的に建設的に前記第３のポート（３）で干渉することによって、前記吸収器／放射器（８）によって少なくとも部分的に吸収されるか、または異なる位相の波動によって少なくとも部分的に置き換えられる、請求項４に記載の量子デバイス（１０）。
【請求項６】
前記第１のポート（１）および第２のポート（２）を備え、更に第３のポート（３）、および１つもしくは複数の第４のポート（４）を備える、４ポートサーキュレータと、
前記第３のポート（３）および第４のポート（４）に配設される少なくとも１つの吸収器／放射器（８、９）と、を更に備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の量子デバイス（１０）。
【請求項７】
前記４ポートサーキュレータが、第１および第２のハイブリッド結合器（５、６）と、
位相シフタ（７）とを更に備え、
前記第１のハイブリッド結合器（５）が、前記第１のポート（１）および第３のポート（３）に結合され、前記第２のハイブリッド結合器（６）が、前記第２のポート（２）および第４のポート（４）に結合され、
前記第１および第２のハイブリッド結合器（５、６）が互いに接続され、
前記位相シフタ（７）が、前記第１および第２のハイブリッド結合器（５、６）の間に接続された、請求項６に記載の量子デバイス（１０）。
【請求項８】
前記伝送構造（１３、１４）が、前記波動に対して位相変更をもたらす可能性がある少なくとも２つの黒体（１３、１４）を備え、位相に対する前記黒体の作用が強度を時間的に変更することができ、この変更が順方向に移動する波動の位相が逆方向に移動する波動の位相よりも保存されるように順次行われるように、設計される、請求項１に記載の量子デバイス（１５）。
【請求項９】
前記黒体（１３、１４）の作用が、前記黒体を移動もしくは転回することによって、または機械的、電気的、磁気的、もしくは光学的手段によって前記黒体の性質を変化させることによって変更される、請求項８に記載の量子デバイス（１５）。
【請求項１０】
前記伝送構造がカイラル素子（７４）を、特にカイラル導波路（７４）を備える、請求項１に記載の量子デバイス（７０）。
【請求項１１】
前記伝送構造が、前記伝送構造における伝送方向に応じた結合強度で、２レベルシステムに結合される、請求項１または１０に記載の量子デバイス（７０）。
【請求項１２】
非位相保存性の散乱イベントの作用を使用して、前記ポート間を移動する前記波動の位相の少なくとも一部が消去され、ランダム位相に置き換えられる、請求項１に記載の量子デバイス。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項に記載の量子デバイスを操作する方法であって、
前記第１の波動を前記量子デバイスに供給することを含み、前記第１の波動が、熱源から得られたエネルギーを有するか、またはｋＴオーダーのエネルギーＥ（ｋＴ／１０＜Ｅ＜１０ｋＴ、Ｔは環境の温度）を有する量子を含む、方法。
【請求項１４】
請求項１から１２のいずれか一項に記載の１つまたは複数の量子デバイス（１０）の使用であって、
前記第１の波動が、熱源から得られたエネルギーを有するか、またはｋＴオーダーのエネルギーＥ（ｋＴ／１０＜Ｅ＜１０ｋＴ、Ｔは環境の温度）を有する量子を含む、デバイス、
コヒーレント放射、および波動関数の少なくとも部分的な崩壊を利用して、熱力学の第ゼロ法則、第２法則、または第３法則のうちの１つもしくは複数からの偏移を達成する、デバイス、
量子力学的な状態の重ね合わせ、および波動関数の少なくとも部分的な崩壊を利用して、熱力学の第ゼロ法則、第２法則、または第３法則のうちの１つもしくは複数からの偏移を達成する、デバイス、
コヒーレント放射、および波動関数の少なくとも部分的な量子物理学的崩壊、または量子力学的な状態の重ね合わせ、および波動関数の少なくとも部分的な崩壊を利用して、システム内での波動もしくは粒子のエネルギー分布の密度における不均質性を生成または増大する、デバイス、
コヒーレント放射、および波動関数の少なくとも部分的な量子物理学的崩壊、または量子力学的な状態の重ね合わせ、および波動関数の少なくとも部分的な崩壊を利用して、システムを熱平衡の状態外にシフトさせる、デバイス、
コヒーレント放射、および波動関数の少なくとも部分的な量子物理学的崩壊、または量子力学的な状態の重ね合わせ、および波動関数の少なくとも部分的な崩壊を利用して、１つの物体内または複数の物体間の温度差を生成する、デバイス、
干渉計を備えるデバイス、ならびに、
量子計算、量子データ伝送、量子データ記憶、加熱、冷却、物質搬送、エネルギー搬送、または発電を実施するデバイス、のうちの１つまたは複数における、使用。
【請求項１５】
前記デバイスが、１０−６Ｋから４０００Ｋの範囲の温度で動作する、請求項１４に記載の使用。
【請求項１６】
前記デバイスが、量子レジームにおいて、浴に結合されないかまたは浴ともつれない、請求項１４または１５に記載の使用。
【請求項１７】
前記デバイスが、コヒーレント放射、および波動関数の少なくとも部分的な量子物理学的崩壊、または量子力学的な状態の重ね合わせ、および波動関数の少なくとも部分的な崩壊を利用して、システム内での波動もしくは粒子のエネルギー分布の密度における不均質性を生成または増大する、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の使用。
【請求項１８】
前記エネルギー分布が、少なくとも部分的に熱エネルギーによって生成されるエネルギー分布である、請求項１７に記載の使用。
【請求項１９】
位相シフトが前記デバイスの少なくとも１つの非可逆的構成要素によって誘発される、請求項１４から１８のいずれか一項に記載の使用。
【請求項２０】
前記波動関数の前記少なくとも部分的な量子物理学的崩壊が、例えば、固体、液体、ガス、またはプラズマであってもよい、巨視的物体を使用することによって達成される、請求項１４から１９のいずれか一項に記載の使用。
【請求項２１】
物体における前記波動関数の前記少なくとも部分的な量子物理学的崩壊および少なくとも部分的な吸収の後に、前記物体による波動の統計的再放射が続く、請求項１４から２０のいずれか一項に記載の使用。
【請求項２２】
少なくとも部分的に量子物理学的に崩壊された波動が、ランダム位相の別の波動に統計的に置き換えられる、請求項１４から２１のいずれか一項に記載の使用。
【請求項２３】
前記デバイスが、生成された放射密度の不均質性または生成された温度差を、電気、放射線、光エネルギー、もしくは他の形態のエネルギーに変換することによって、または他の何らかの形で達成されたオーダーを使用することによって、有用な作業を作り出す、請求項１４から２２のいずれか一項に記載の使用。
【請求項２４】
前記デバイスが、質量、粒子、エネルギー、熱、運動量、角度運動量、電荷、または磁気モーメントを、１つの物体内または複数の物体間で搬送する、請求項１４から２３のいずれか一項に記載の使用。
【請求項２５】
前記デバイスが、エネルギー、波動、または物質の貯蔵システム、例えばコンデンサまたは電池を充電する、請求項１４から２４のいずれか一項に記載の使用。
【請求項２６】
前記デバイスが、物体または波動を加熱または冷却する、請求項１４から２５のいずれか一項に記載の使用。
【請求項２７】
前記デバイスの前記物体の１つまたは複数が、例えば、追加で提供される加熱または冷却機能を使用することによって、室温とは別の基準温度で操作される、請求項１４から２６のいずれか一項に記載の使用。
【請求項２８】
内部または外部で作成される信号が、前記デバイスの動作を制御するのに使用される、請求項１４から２７のいずれか一項に記載の使用。
【請求項２９】
プレート（３１）と、前記プレート（３１）に形成された少なくとも２つのスリット（３１．１、３１．２）とを備える、光干渉計（３０）を備え、
前記スリット（３１．１、３１．２）のそれぞれ１つに、量子デバイス（３２．１、３２．２）が等しい配向を有するようにして量子デバイス（３２．１、３２．２）が挿入される、請求項１４から２８のいずれか一項に記載の使用。
【請求項３０】
第１の壁（３３Ａ）から第２の対向する壁（３３Ａ）までの前記プレート（３１）が、キャビティ（３３）の内部を２つの半分に分割するように、前記干渉計（３０）を包囲する壁（３３Ａ）を備える、キャビティ（３３）と、
黒体放射線を前記量子デバイス（３２．１、３２．２）に向かって放射して、前記量子デバイスを順方向に通過するように、前記２つの半分のうち第１の半分に配設された、黒体放射体（３４）と、を更に備える、請求項２９に記載の使用。
【請求項３１】
前記第１の半分の前記壁（３３Ａ）が反射性であり、前記第２の半分の前記壁（３３Ａ）が黒色である、請求項３０に記載の使用。
【請求項３２】
前記壁（３３Ａ）が外部浴と熱平衡の状態にある、請求項３０または３１に記載の使用。
【請求項３３】
横並びの配置で配設された２つの対向端（４１．１、４１．２）を備える、光ファイバー、導波路、または波動伝送構造（４１）を備える、干渉計（４０）と、
前記光ファイバー、導波路、または波動伝送構造（４１）に配設された、少なくとも１つのコヒーレントに放射する原子（４２）と、
前記原子（４２）のどちらかの側で前記光ファイバー（４１）に挿入される、少なくとも２つの量子デバイス（４５、４６）と、を備える、請求項１４から２８のいずれか一項に記載の使用。
【請求項３４】
前記干渉計（４０）を取り囲む壁（４３Ａ）を備えるキャビティ（４３）を更に備える、請求項３３に記載の使用。
【請求項３５】
前記壁（４３Ａ）が外部浴と熱平衡の状態にある、請求項３３または３４に記載の使用。
【請求項３６】
電子源（６１）と、
第１の量子デバイス（６２）および第２の量子デバイス（６３）と、
第１の抵抗器（６４）および第２の抵抗器（６５）と、
前記電子源（６１）を前記第１の量子デバイス（６２）の第１のポートと接続する第１の伝送経路（６６．１）と、
前記電子源（６１）を前記第２の量子デバイス（６３）の第１のポートと接続する第２の伝送経路（６６．２）と、
前記第１の量子デバイス（６２）の第２のポートを前記第１の抵抗器（６４）と接続する第３の伝送経路（６６．３）と、
前記第２の量子デバイス（６３）の第２のポートを前記第１の抵抗器（６４）と接続する第４の伝送経路（６６．４）と、
前記第２の量子デバイス（６３）の前記第２のポートを前記第２の抵抗器（６５）と接続する第５の伝送経路（６６．５）と、
前記第２の量子デバイス（６３）を前記第１の抵抗器（６４）と接続する第６の伝送経路（６６．６）と、を備える、電子干渉計（６０）を備え、
電子波が、前記第３の伝送経路（６６．３）、前記第４の伝送経路（６６．４）、および前記第５の伝送経路（６６．５）で位相シフトαを経験し、電子波が、前記第６の伝送経路（６６．６）で位相シフトα＋πを経験する、請求項１４から２８のいずれか一項に記載の使用。
【請求項３７】
前記第３の伝送経路（６６．３）が長さＬ１を有し、
前記第４の伝送経路（６６．４）が長さＬ２を有し、
前記第５の伝送経路（６６．５）が長さＬ３を有し、
前記第６の伝送経路（６６．６）が長さＬ４を有し、
λが電子波長であり、
Ｌ１−Ｌ２＝ｎ、および
Ｌ４−Ｌ３＝ｍであって、
ｎがλの整数倍、および
ｍがλの整数倍＋λ／２である、請求項３６に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、非可逆的伝送構造を備える量子デバイスに関する。開示の量子デバイスは、波動の非対称移送搬送に基づいた、伝送の非対称性を備える。本開示はまた、かかる量子デバイスを操作する方法、および多数の異なるデバイスにおける、かかる量子デバイスの１つまたは複数の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景技術を例証するため、以下の従来技術を参照する。
１．  Ｄ．Ｍ．Ｐｏｚａｒ，Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊ．Ｗｉｌｅｙ  ａｎｄ  Ｓｏｎｓ，４ｔｈ  ｅｄ．（２０１２）
２．  Ｎ．Ｂａｈｌｍａｎｎ，Ｍ．Ｌｏｈｍｅｙｅｒ，Ｍ．Ｗａｌｌｅｎｈｏｒｓｔ，Ｈ．Ｄｏｔｓｃｈ，ａｎｄ  Ｐ．Ｈｅｒｔｅｌ，Ｏｐｔｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ３０，３２３（１９９８）
３．  Ｒ．Ｊ．Ｐｏｔｔｏｎ，Ｒｅｐ．Ｐｒｏｇ．Ｐｈｙｓ．６７，７１７，（２００４）
４．  Ｒ．Ｆｌｅｕｒｙ，Ｄ．Ｌ．Ｓｏｕｎａｓ，Ｃ．Ｆ．Ｓｉｅｃｋ，Ｍ．Ｒ．Ｈａｂｅｒｍａｎ，ａｎｄ  Ａ．Ａｌｕ，Ｓｃｉｅｎｃｅ  ３４３，５１８（２０１４）
５．  Ａ．Ａ．Ｍｕｋｈｉｎ，Ａ．Ｍ．Ｋｕｚｍｅｎｋｏ，Ｖ．Ｙｕ  Ｉｖａｎｏｖ，Ａ．Ｇ．Ｐｉｍｅｎｏｖ，Ａ．Ｍ．Ｓｈｕｖａｅｖ，ａｎｄ  Ｖ．Ｅ．Ｄｚｉｏｍ，Ｐｈｙｓｉｃｓ−Ｕｓｐｅｋｈｉ  ５８，９９３（２０１５）
６．  Ａ．Ｃ．Ｍａｈｏｎｅｙ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｘ  ７，０１１００７（２０１７）
７．  Ｊ．Ｍａｎｎｈａｒｔ，Ｊ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．Ｎｏｖｅｌ．Ｍａｇｎ．３１，１６４９（２０１８）（２０１８）
８．  Ｅ．Ｉ．Ｒａｓｈｂａ，Ｓｏｖ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  ２，１１０９（１９６０）
９．  Ｔ．Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ，Ａ．Ｍａｎａｓｅｌｙａｎ，ａｎｄ  Ｍ．Ｂａｒｓｅｇｈｙａｎ，“Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ，ａｎｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｒｉｎｇｓ  ｉｎ  Ｎｏｖｅｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ”，ｉｎ  Ｖ．Ｍ．Ｆｏｍｉｎ，“Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｒｉｎｇｓ”（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２０１８）
１０．  Ｙ．Ａｈａｒｏｎｏｖ  ａｎｄ  Ｄ．Ｂｏｈｍ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ  １１５，４８５（１９５９）
１１．  Ｍ．Ｐｌａｎｃｋ，Ｖｅｒｈａｎｄｌｕｎｇｅｎ  ｄｅｒ  Ｄｅｕｔｓｃｈｅｎ  Ｐｈｙｓｉｋａｌｉｓｃｈｅｎ  Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ  ２，２４５（１９００）
１２．  Ｃ．Ｅｌｏｕａｒｄ，Ｄ．Ｈｅｒｒｅｒａ−Ｍａｒｔｉ，Ｂ．Ｈｕａｒｄ，ａｎｄ  Ａ．Ａｕｆｆｅｖｅｓ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１１８，２６０６０３（２０１７）
１３．  Ｎ．Ｃｏｔｔｅｔ  ｅｔ  ａｌ．，ＰＮＡＳ  １１４，７５６１（２０１７）
１４．  Ｊ．Ｃ．Ｍａｘｗｅｌｌ，Ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  Ｈｅａｔ，Ｌｏｎｇｍａｎｓ，Ｇｒｅｅｎ，ａｎｄ  Ｃｏ．（１８７１）
１５．  Ｔｈ．Ｍ．Ｎｉｅｕｗｅｎｈｕｉｚｅｎ，Ａ．Ｅ．Ａｌｌａｈｖｅｒｄｙａｎ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｅ．０３６１０２（２００２）
１６．  Ｚ．Ｍｅｒａｌｉ，Ｎａｔｕｒｅ  ５５１，２０，（２０１７）
１７．  Ｃ．Ｃｏｈｅｎ−Ｔａｎｎｏｕｄｊｉ，Ｂ．Ｄｉｕ，Ｆ．Ｌａｌｏｅ，Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｗｉｌｅｙ，２００５
１８．  Ｌ．Ｅ．Ｒｅｉｃｈｌ，“Ａ  Ｍｏｄｅｒｎ  Ｃｏｕｒｓｅ  ｉｎ  Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ”，Ｅ．Ａｒｎｏｌｄ，１９８０
１９．  Ｖ．Ｃａｐｅｋ  ａｎｄ  Ｄ．Ｐ．Ｓｈｅｅｈａｎ，“Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ  ｔｏ  ｔｈｅ  Ｓｅｃｏｎｄ  Ｌａｗ  ｏｆ  Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ”，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  ２００５
２０．  Ｙ．Ｉｍｒｙ，“Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ  Ｐｈｙｓｉｃｓ”，Ｏｘｆｏｒｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ（２００２）
２１．  Ｐ．Ｌｏｄａｈｌ  ｅｔ  ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ  ５４１，４７３（２０１７）
【０００３】
非可逆デバイス、即ち波動を一方の方向と他方の方向とでは異なるように通過させるデバイスは、レーダー技術［１］および光学［２］において広く使用されている。それらはまた、例えば、プラズモン、マグノン、エレクトロマグノン、および音波に基づいたデバイスとして、実現されている（例えば、［２〜６］を参照）。ド・ブロイ波のための非可逆デバイスは、ラシュバ量子リング［８，９］または非対称のアハラノフ・ボームリング［１０］を使用することによって、実現することができる［７］。粒子の波動関数の干渉に基づいて、これらのデバイスは、粒子を一方向で優先的に通過させる。
【発明の概要】
【０００４】
本開示の第１の態様によれば、量子デバイスは非可逆的伝送構造を備え、伝送構造は、伝送構造を順方向に横断する第１の波動については、第１の波動の位相が少なくとも部分的に保存され、伝送構造を逆方向に横断する第２の波動については、第２の波動の位相がランダム位相に少なくとも部分的に置き換えられて、逆方向よりも順方向において位相保存がより明白であるように、設計される。
【０００５】
本開示の第２の態様によれば、第１の態様による量子デバイスを操作する方法は、熱源から得られたエネルギーを有するか、またはｋＴオーダーのエネルギーＥ（ｋＴ／１０＜Ｅ＜１０ｋＴ、Ｔは環境の温度）を有する量子を含む第１の波動を、量子デバイスに供給することを含む。
【０００６】
本開示の第３の態様によれば、第１の態様による１つまたは複数の量子デバイスは、以下のデバイスのうちの１つまたは複数で使用される。
第１の波動が、熱源から得られたエネルギーを有するか、またはｋＴオーダーのエネルギーＥ（ｋＴ／１０＜Ｅ＜１０ｋＴ、Ｔは環境の温度）を有する量子を含む、デバイス、
コヒーレント放射、および波動関数の少なくとも部分的な崩壊を利用して、熱力学の第ゼロ法則、第２法則、または第３法則のうちの１つもしくは複数からの偏移を達成する、デバイス、
量子力学的な状態の重ね合わせ、および波動関数の少なくとも部分的な崩壊を利用して、熱力学の第ゼロ法則、第２法則、または第３法則のうちの１つもしくは複数からの偏移を達成する、デバイス、
コヒーレント放射、および波動関数の少なくとも部分的な量子物理学的崩壊、または量子力学的な状態の重ね合わせ、および波動関数の少なくとも部分的な崩壊を利用して、システム内での波動もしくは粒子のエネルギー分布の密度における不均質性を生成または増大する、デバイス、
コヒーレント放射、および波動関数の少なくとも部分的な量子物理学的崩壊、または量子力学的な状態の重ね合わせ、および波動関数の少なくとも部分的な崩壊を利用して、システムを熱平衡の状態外にシフトさせる、デバイス、
コヒーレント放射、および波動関数の少なくとも部分的な量子物理学的崩壊、または量子力学的な状態の重ね合わせ、および波動関数の少なくとも部分的な崩壊を利用して、１つの物体内または複数の物体間の温度差を生成する、デバイス、
干渉計を備えるデバイス、ならびに、
量子計算、量子データ伝送、または量子データ記憶のための、アナログもしくはデジタルシステムを備えるデバイス、
干渉計を備えるデバイス、
量子計算、量子データ伝送、量子データ記憶、加熱、冷却、物質搬送、エネルギー搬送、または発電を実施するデバイス。
【０００７】
当業者であれば、以下の詳細な説明を読み、添付図面を考察することによって、更なる特徴および利点を認識する。
【０００８】
添付図面は、実施例の更なる理解を提供するために含まれるものであり、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。図面は実施例を例証し、説明と併せて実施例の原理を説明する役割を果たす。他の実施例、および実施例の意図される利点の多くは、以下の詳細な説明を参照することによってより良く理解されるので、容易に認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１Ａは、２つのハイブリッド結合器と、ハイブリッド結合器の間に接続された位相シフタと、それぞれ２つのポートに配設された２つの黒体放射体とを備える４ポートサーキュレータに基づいた、第１の態様による量子デバイスの第１の実施形態を示す概略ブロック図、図１Ｂは、そのシンボル図である。
【図２】図２Ａは、第１のポートから第２のポートまで延在する第１の伝送経路が示されている、図１の量子デバイスを示す図、図２Ｂは、第２のポートから第１のポートまで延在する第２の伝送経路が示されている、図１の量子デバイスを示す図、図２Ｃは、第２のポートから第３のポートまで延在する第３の伝送経路が示されている、図１の量子デバイスを示す図である。
【図３】第１の態様による量子デバイスの第２の実施形態を示す図であり、図３Ａは、物体Ａから物体Ｂまで移動する波動の時系列を示す図であり、図３Ｂは、物体Ｂから物体Ａまで移動する波動の時系列を示す図であり、波動の位相の値が示され、２つの黒体ＣおよびＤが、図示される時系列において、物体ＡおよびＢの間の経路に挿入されている。
【図４】図４Ａは、例示の目的で、２つのスリットが黒体放射体で埋まっている光学ダブルスリット干渉計の一例を示す図であり、図４Ｂは、例示の目的で、２つのスリットが第１の態様による量子デバイスで埋まっている光学ダブルスリット干渉計の一例を示す図である。
【図５】図５Ａは、コヒーレント光が量子デバイスに対して逆方向で干渉計に衝突する状況における、反射壁を備えるキャビティ内に配設されたダブルスリット干渉計を示す図、図５Ｂは、コヒーレント光が量子デバイスに対して順方向で干渉計に衝突する状況における、反射壁を備えるキャビティ内に配設されたダブルスリット干渉計を示す図である。
【図６】図６Ａは、市販の３ポート光サーキュレータを示す斜視図、図６Ｂは、その概略機能図である。
【図７】光ファイバーと、一方が光ファイバーに挿入された原子をコヒーレントに放射する、第１の態様による２つの量子デバイスと、１つの光回折パターンを受信するスクリーンとを備える、干渉計を示す概略図である。
【図８】コヒーレントに放射する原子を含む光学光路と、コヒーレント光を回収する２つの高反射性ミラーと、半透明ミラーと、２つの黒体放射体とを備える、干渉計を示す概略図である。
【図９】電子源と、２つの量子デバイスと、２つの抵抗器と、電子源を量子デバイスに、また量子デバイスを抵抗器に接続する伝送経路とを備える、電子干渉計の一例を示す概略図である。
【図１０】２レベルシステム（ＴＬＳ）が、カイラル導波路の左に移動するチャネルおよび右に移動するチャネルに対して非対称に結合し、ＴＬＳが、導波路を移動する光子と非線形的に相互作用し、それらの位相を異なる強度で破壊し、したがってＴＬＳと導波路との間の結合が、２つの異なる結合パラメータｇ１およびｇ２によって指定される、更なる実施例の原理を説明し、図１０（ａ）は、原理のデバイス実装を示し、図１０（ｂ）は、導波路がリング状に閉じられ、黒体として作用するキャビティＡおよびＢに結合されていることを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の説明において、「結合される」および「接続される」という用語、ならびに派生語が使用されることがある。これらの用語は、２つの要素が直接物理的もしくは電気的に接触しているか否かにかかわらず、それらの要素が互いに協働または相互作用すること、またはそれらが直接もしくは物理的もしくは電気的に接触しておらず、つまりそれら２つの要素の間に１つもしくは複数の中間要素があり得ることを示すのに使用されてもよいことが理解されるべきである。
【００１１】
以下、「吸収器」、「放射器」、または「吸収器／放射器」という用語が使用されることがある。これらの用語は、任意の種類の波動、粒子、および準粒子、ならびに任意の種類の放射を吸収または放射してもよい、任意の種類の要素として理解されることが、理解されるべきである。これらの用語は、特に、黒体放射体（次のパラグラフを参照）を指すが、例えば、電子を吸収または放射してもよい抵抗器も指す。
【００１２】
以下、「黒体」および「黒体放射体」という用語、ならびに派生語が使用されることがある。この用語は、広義での物体を指すのに使用され、熱放射を放射または吸収することができる、固体、液体、ガス、またはプラズマも含むことが理解されるべきである。物体は１００％黒色でなくてもよく（そのような物体は一切存在しない）、小さい開口を有する中空体から成る教科書通りの黒体放射体として設計されなくてもよい。
【００１３】
「波動」という用語は、量子物体と関連付けられる任意の波動、例えば、光子の波動または粒子もしくは準粒子のド・ブロイ波を説明するのに使用される。考慮される波は、量子力学的に説明されなければならない基本的相互作用プロセスにおいて作成／修正され、［２０］で詳述されるような条件下で量子力学的崩壊を経験することがある。その他、「波動」という用語は、波束、例えばガウス包絡線関数を有する波束も含む。
【００１４】
「崩壊」という用語は、量子力学的状態を少なくとも部分的に位相破壊するデコヒーレンスを引き起こす任意のプロセスを説明するのに使用される。
【００１５】
本開示に記載する非可逆デバイスは、これらがデバイスを通過する方向に応じて、物体の位相保存の対称性を破壊する。物体は、電子などの粒子、または光子などの波動であってもよい。物体の平均エネルギーおよび運動量を保存して、これらのデバイスは、順方向では、透明な窓または更には開いた窓のように作用してもよく、逆方向では、インコヒーレントな出力を有する黒体放射体を、またはより一般的な吸収器／放射器を模してもよい。
【００１６】
以下、量子デバイスについて記載し特許請求するにあたって、「量子デバイス」という用語は、広義かつ広範囲に理解されるべきであることに注目すべきである。本明細書で明らかにされるデバイスの機能に関して、かかるデバイスは、基本的に、物質または電磁波に対する、例えば、任意の種類の光子、粒子波、準粒子波に対する非可逆フィルタとして作用する。その構造に関して、例えば、電線または送電線が、集積回路技術を含む様々な技術的方法によって作製される、人工または人造構造として理解することができる。しかしながら、例えば、分子、分子化合物、側基を有するベンゼン環のような分子環などのような、化学成分から成るかまたはそれらを含むものとして、理解することもできる。更に、例えば、デバイスを機能させる結晶構造を有する、固体化合物、またはかかる結晶構造で作製されるかもしくはそれらから作製される構造を指すことができる。
【００１７】
一般に、温度Ｔ＞０Ｋを有する熱浴以外に、粒子をデバイスに入れる外力は必要ない。したがって、以下に図示し記載する量子デバイスの例では、デバイスは、光子もしくは電子のような粒子のみが励起されるか、またはそれらのみが熱励起によって移動しているという事実によって機能する。
【００１８】
更に、「伝送経路」という用語は、具体的物体であることができるが、必ずしも具体的物体として理解されなくてもよい。一部のデバイスでは、具体的物体、例えば一本のワイヤまたは導波路は、１つの伝送経路を備えてもよい。他の一部のデバイスでは、かかる具体的物体は、２つの伝送経路、つまり粒子が具体的物体を通って伝搬する２つの対向する方向を備えてもよい。他の一部のデバイスでは、用語は、特定の材料から作製される、有形または具体的物体として理解されるべきではない。それよりもむしろ、空間内の粒子または波動の仮想経路として理解されるべきであり、更には、例えばガス雰囲気中に配置されてもよい。
【００１９】
以下で使用するとき、１つのスリットなど、１つの開口部は、複数の伝送経路を備えてもよいことが注目される。これは、１つのスリットの光回折を考慮することによって理解される。ここで、異なる位置または角度でスリットを通過する多数の伝送経路と関連付けられる位相差は、特徴的な単一スリットの回折パターンをもたらす。
【００２０】
更に、「スリット」および「ダブルスリット」という用語は、複数の幾何学形状およびシステムを指してもよいことが注目される。スリットの開口部は、例えば、完全に開いておらず透明でなくてもよい。また、１つもしくは２つを超えるスリットが使用されてもよく、それらはまた、例えば、ゾーンプレート、メタマテリアル、または光学結晶として一般に説明される装置として構成されてもよい。
【００２１】
同様に、「原子」という用語は、単一の原子または分子を指してもよいが、スーパーラジアンスの有無にかかわらず、単一の原子の挙動によって特徴付けられる、特徴的な挙動を有する複数の原子、分子、または粒子も指してもよい。この用語はまた、原子のような方式で波動を吸収し放射することができる、固体の欠陥、例えば色中心を含む。
【００２２】
また、「ランダム」という用語は、完全にランダムな性質のプロセスについて説明する以外にも使用される。この用語はまた、例えば、そのような位相を有する波動間の干渉イベントが著しく圧迫されるほど不規則である、位相の分布を説明するのに使用される。
【００２３】
更に、「位相コヒーレント」という用語は、非弾性で位相を破壊する散乱がデバイス内に起こっていないことを必ずしも示唆するものではない。実際、［１１］に示されるように、例えばフォノンによる、一部の非弾性散乱は、波動の散乱に影響されていない部分の位相コヒーレンスと適合性があり、デバイス操作に有益であるか、または場合によっては必要なことがある。したがって、「位相コヒーレント」という用語は、デバイス内における粒子の伝送の非弾性で位相を破壊する散乱が存在しないことを含むか、または、位相を破壊する散乱イベントに影響されていない位相を有する波動の部分が残っている場合、かかるイベントが存在することも含むものと理解されるべきである。
【００２４】
更に、１つもしくは複数の量子デバイス、または１つもしくは複数の量子デバイスの使用と関連して言及される、任意の特徴、注釈、またはコメントは、量子デバイスを機能させる、または任意の種類のより大きいデバイスもしくはシステムにおいて量子デバイスを実現し、かかるより大きいデバイスもしくはシステムが所望の機能を満たすように量子デバイスを駆動する、それぞれの方法の特徴または方法ステップも開示しているものと理解されるべきである。
【００２５】
図１は、図１Ａおよび１Ｂを含み、図１Ａに、第１の実施形態による量子デバイスの概略ブロック図を示している。図１Ａの量子デバイス１０は、第１のポート１と第２のポート２との間に接続されてもよい、非可逆的伝送構造を備える。伝送構造は、伝送構造を第１のポート１から第２のポート２へと順方向に横断する第１の波動については、第１の波動の位相が保存され、伝送構造を第２のポート２から第１のポート１へと逆方向に横断する第２の波動については、第２の波動の位相が、温度Ｔを有する黒体８によって生成されるランダム位相に置き換えられるように、設計される。
【００２６】
図１Ａに示されるような例によれば、伝送構造は、第１のハイブリッド結合器５と、第２のハイブリッド結合器６と、位相シフタ７とを備え、２つのハイブリッド結合器５および６は相互接続され、位相シフタ７は２つのハイブリッド結合器５および６の間に接続される。図１Ａに示されるような例によれば、量子デバイス１０は、第１および第２のポート１および２と、第３のポート３と、第４のポート４とを備える、４ポートサーキュレータを備える。第３および第４のポート３および４のそれぞれ１つに、吸収器／放射器８および９を配設することができる。かかる吸収器／放射器は、例えば可視スペクトルもしくは赤外スペクトルの電磁波を使用する光学デバイスの場合、黒体放射体で構成することができ、または、例えばマイクロ波領域の電磁波を使用するマイクロ波デバイスの場合、抵抗器で構成することができる。
【００２７】
ハイブリッド結合器５および６の主な機能は、例えば、［１］のページ３２２ｆｆに記載されている。信号が上側または下側伝送経路のうちの１つのハイブリッド結合器に入ると、それぞれの他方の伝送経路に切り替わるときにπ／２の位相シフトを受信する。その伝送経路内で水平に留まっている場合は、位相シフトを受信しない。矢印の方向で位相シフタ７を通過する信号は、πの位相シフトを経験し、逆方向で位相シフタ７を通過する場合、位相シフトを経験しない。
【００２８】
それに応じて、伝送構造を通る信号経路について、以下の図２Ａ〜２Ｃで説明する。
【００２９】
図２Ａは、第１のポート１から第２のポート２に至る２つの伝送経路が示されている、図１の量子デバイス１０を示している。これらの伝送経路のうち文字Ａで示された第１のものは、第１のハイブリッド結合器５および位相シフタ７を水平方向に通過するときは位相シフトがないが、第２のハイブリッド結合器６を通過するときはπ／２の位相シフトがあるので、合計π／２の位相シフトを経験する。これらの伝送経路のうち第２のものは、文字Ｂで示され、やはり合計π／２の位相シフトを経験する。この位相シフトは、第１のハイブリッド結合器５の通過が信号にπ／２の位相シフトを課すことによるものであり、第２のハイブリッド結合器６を通過するときには位相シフトはない。結果として、両方の伝送経路ＡおよびＢがπ／２の位相シフトを経験するので、それぞれの波動は、第２のハイブリッド結合器６で互いに合流するときに建設的に干渉し、次にポート２で第２のハイブリッド結合器６から出る。
【００３０】
図２Ｂは、第１のポート１から第２のポート２に至る２つの伝送経路が示されている、図１の量子デバイス１０を示している。これらの伝送経路のうち文字Ｃで示された第１のものは、第２のハイブリッド結合器６を通過するときは第１の位相シフトπ／２があり、位相シフタ７を通過するときは第２の位相シフトπがあり、第１のハイブリッド結合器５を水平方向に通過するときは位相シフトがないので、合計３×π／２の位相シフトを経験する。これらの伝送経路のうち文字Ｄで示された第２のものは、第２のハイブリッド結合器６を水平方向に通過するときは位相シフトがなく、第１のハイブリッド結合器５を通過するときはπ／２の位相シフトがあるので、合計π／２の位相シフトを経験する。
【００３１】
第１の伝送経路Ｃは３×π／２の位相シフトを経験し、第２の伝送経路Ｄはπ／２の位相シフトを経験するので、２つの伝送経路ＣおよびＤは、第１のハイブリッド結合器５において互いに合流するときに位相差πを有することになり、つまりそれらは破壊的に干渉するので、第１のポート１でデバイス１０から出る信号はゼロになる。
【００３２】
図２Ｃは、第２のポート２から第３のポート３に至る２つの伝送経路が示されている、図１の量子デバイス１０を示している。これらの伝送経路のうち文字Ｅで示された第１のものは、第２のハイブリッド結合器６を通過するときは第１の位相シフトπ／２があり、位相シフタ７を通過するときは第２の位相シフトπがあり、第１のハイブリッド結合器５を通過するときは第３の位相シフトπ／２があるので、合計２πの位相シフトを経験する。これらの伝送経路のうち第２のものは文字Ｆで示されている。この経路は、第２のハイブリッド結合器６を水平方向に通過するときは位相シフトがなく、第１のハイブリッド結合器５を通過するときも位相シフトがないので、合計０の位相シフトを経験する。
【００３３】
伝送経路Ｅは位相シフト２πを経験し、伝送経路Ｆは位相シフト０を経験するので、２つの伝送経路ＥおよびＦは、第１のハイブリッド結合器５において互いに合流するときに位相差２πを有することになり、つまりそれらは建設的に干渉し、次に第３のポート３でデバイス１０から出る。
【００３４】
図２Ｃに示されるような同じ状況が、第３のポート３で量子デバイス１０に入る波動に起こり、第４のポート４に伝播し、つまり、第３のポート３と第４のポート４との間の２つの伝送経路を移動するそれぞれの部分波動が、第２のハイブリッド結合器６において互いに合流するときに建設的に干渉し、次に第４のポート４でデバイス１０から出ることになることが、追加されるべきである。
【００３５】
したがって、第１のポート１で量子デバイス１０に供給される波動は、歪みなしで第２のポート２に伝送され、第２のポートで量子デバイス１０に供給される波動は、第３のポート３に配設された黒体放射体８によって吸収されることになる。吸収は、波動関数の量子力学的な崩壊を誘発する［１７］。吸収された波動を巨視的な浴（macroscopic bath）に散逸結合することによってデコヒーレンスが誘発され、それによって量子力学的測定プロセスと同等なので、この崩壊は、波動の位相に関する情報の損失を引き起こす［１７］。統計的平均では、黒体放射体８および９は第２の波動を生成し、第２の波動は次に量子デバイス１０を通り、第１のポート１でデバイスを出る。これは熱力学の第２法則と一致する。したがって、第１のポート１から第２のポートへと移動する波動の位相は、そのユニタリー発展内で保存されるが、第１のポートで量子デバイス１０を出る波動の位相は、第２のポート２で入る波動の位相との相関が低いか、または相関しない。更に、伝達プロセスのエネルギーバランスは非可逆的挙動によって特徴付けられる。伝送経路を第１のポート１から第２のポート２へと移動する波動のエネルギーは厳密に保存され、第２のポート２から第１のポート１への逆伝送経路における波動のエネルギーは、統計的平均でのみ保存される。
【００３６】
この点において、量子デバイスは図１に示されるのとは別の構造を有しうることが言及されるべきである。特に、ハイブリッド結合器５および６は、異なる性質のものであることができるか、または後述するように存在しないことがある。また、ポート３および４は必ずしも物理的に提供されなくてもよい。
【００３７】
一般に、量子デバイスは、図１の量子デバイスと比較して全く異なる原理に従って機能するように構成することができることが言及されるべきである。図１の量子デバイスは静的デバイスとして構築され、そのため、本質的に非対称の挙動を備える。しかしながら、可動要素を備え、それらの要素の特別に制御された移動によって非対称の挙動が達成されるように、量子デバイスを構築することも可能である。更に、本質的な非対称性を備えていないが、特定のセットアップまたは構造に埋め込まれているという事実によって非対称の挙動を示す、量子デバイスを提供することが可能である。上述の例については、以下に更に図示し説明する。
【００３８】
第１の態様による量子デバイスの１つの更なる例について、以下の図３で図示し説明する。また、更に以下に示すように、第１の態様による量子デバイスの単純な形態は、光子または電子の非弾性散乱中心を本質的に備える、伝送構造を含んでもよい。また、光子の場合は低損失光学スイッチ、または電子の場合は低損失電子スイッチによって、実現することが可能である。
【００３９】
図３は、図３Ａおよび３Ｂを含み、第１の態様による量子デバイスの第２の実施形態を示している。図３の量子デバイス１５は、第１の物体１１と、第２の物体１２と、第１の黒体１３と、第２の黒体１４とを備える。
【００４０】
図３Ａは、４つの異なる時間ステップ１〜４における、第１の物体１１から第２の物体１２への波動の通過を示している。図３Ｂは、第２の物体１２から第１の物体１１への波動の移行を示している。第１および第２の物体１１および１２は、図１の実施形態のポート１および２のようなポートであることもできる。波動の位相はφｎ（ｎ＝０，１，２）によって表される。第１および第２の黒体１３および１４は、波動の経路に出し入れすることができる。それらは例えば、適切に形作られた回転ディスクによって形成されてもよい。
【００４１】
図３が示すように、黒体１３および１４を正しい時系列で適切に移動させることによって、波動は、不変のままであるその一定の位相φ０によって示されるように、第１の物体１１から第２の物体１２へと妨げられずに通ってもよい。しかしながら、第２の物体１２から第１の物体１１へと逆方向に移動する波動は、第１および第２の黒体１３および１４の少なくとも１つによって吸収され統計的に再放射されることになる。結果として波動関数が崩壊することにより、波動の初期位相の情報が失われる。図３Ｂに示される例では、位相φｎを有する波動は第２の黒体１４によって吸収され、第２の黒体がランダム位相φ１の波動を再放射する。次に、この波動は第１の黒体１３によって吸収され、第１の黒体がランダム位相φ２の波動を再放射する。この実施形態は、黒体放射体の周波数スペクトル全体に同時に作用してもよいことが指摘される。
【００４２】
第１の態様による量子デバイスの第３の実施形態は、物体を備える伝送構造を備え、物体は確率ｐで非弾性散乱を引き起こし、したがって光波の位相情報の損失を引き起こす。この実施形態は、図４、５、７、および８に関連して更に詳細に記載される。
【００４３】
本開示の第２の態様によれば、第１の態様による量子デバイスを操作する方法は、第１の波動を量子デバイスに供給することを含み、第１の波動は、熱源から得られたエネルギーを有するか、またはｋＴオーダーのエネルギーＥ（ｋＴ／１０＜Ｅ＜１０ｋＴ、Ｔは環境の温度）を有する量子を含む。
【００４４】
第１の態様による量子デバイスを操作する方法は、別の方法としてまたは加えて、第１の波動源を提供することを含み、第１の波動源が環境と熱平衡の状態で保持されるものと定義することができる。環境は、室温下の部屋のような自然環境、または自然の場所であることができる。また、デバイスを含むキャビティなど、または例えば水槽もしくは高温のオーブンによって提供される熱浴など、人工環境であることができる。
【００４５】
第１の態様による量子デバイスを操作する方法は、別の方法としてまたは加えて、第１の波動源を提供することを含み、第１の波動源が動的に刺激されない、特に、波動源が動的に加熱もしくは冷却されることが可能であるように、非熱エネルギーによって動的に刺激されないものと定義することができる。
【００４６】
以下、第１の態様による量子デバイスの可能な適用例について、図４〜９に関して図示し記載する。
【００４７】
図４は、図４Ａおよび４Ｂを含み、非対称位相伝送を使用して非対称干渉を作り出す可能性に関する。
【００４８】
図４Ａは、単に例証目的のものであり、干渉計プレート２１と、プレート２１内に横並びの関係で形成された２つのスリット２１．１および２１．２とを備える、干渉計２０を示している。２つのスリット２１．１および２１．２はそれぞれ、黒体放射体２２．１および２２．２で埋まっている。図には更に、コヒーレント光がプレート２１の２つの側面のどちらか一方から干渉計２０に衝突したときに何が起こるかが示されている。２つの黒体放射体２２．１および２２．２は、入射コヒーレント波の位相を破壊し、別の波動を他方の側にランダムに放射し、ランダムに放射される波動はランダムな新しい位相を有する。結果として、黒体放射体２２．１および２２．２は、一般的に、ランベルトの放射の法則によって説明されるような角度依存性に従う、バブル様の放射線錐によって示されるように、インコヒーレント光をプレート２１のそれぞれの側に放射する。
【００４９】
他方で、図４Ｂは、第１の態様による量子デバイスの可能な使用の例を示している。干渉計３０は、干渉計プレート３１と、干渉計プレート３１内に横並びの関係で形成された２つのスリット３１．１および３１．２とを備える。量子デバイス３２．１および３２．２はそれぞれ、スリット３１．１および３１．２に挿入される。２つの量子デバイス３２．１および３２．２は両方とも同一の配向を有し、更に、図１に示される量子デバイス１０のような配向を有するものと仮定される。
【００５０】
図６は、図６Ａおよび６Ｂを含み、量子デバイスをスリット３１．１および３１．２にどのように挿入することができるかを示すために、従来の市販の３ポート光サーキュレータを示している。
【００５１】
図６Ａで分かるように、光サーキュレータは、第１および第３のポート１および３を左下端に、第２のポートを右上端に備える、光ファイバー素子の形態を含む。図６Ｂの描画は、デバイスを出入りする光波の可能な経路を示している。ポートの名称は図１の実施形態に対応しており、即ち、左側からデバイスに入射する光は、ポート１でデバイスに結合されなければならず、次にポート２でコヒーレントにデバイスから出て、右側からデバイスに入射する光は、ポート２でデバイスに結合され、次に内部でポート３に誘導される。ポート３には外部のファイバーは接続されない。代わりに、ポート３には、デバイスの左側出力に黒体放射体が提供される。更に、図１の実施形態で提供されたようなポート４は不要である。２つのかかるサーキュレータが提供され、それぞれ干渉計の２つのスリットのうちの１つに挿入される。ポート２のファイバー端は、好ましくは、ダブルスリットとして適切に働くように、平行に配向されなければならない。
【００５２】
量子デバイス３２．１および３２．２は、図１または図３に示された実施形態の１つに従って実現することができる。上述したように、量子デバイス３１．１および３１．２はまた、例えば、ガスもしくは光不透明性の固体または散乱体の塊のような、非弾性散乱体によって実現することができる。
【００５３】
図４Ｂには更に、コヒーレント光が干渉計プレート３１のどちらかの側面から干渉計３０に衝突したときに何が起こるかが示されている。コヒーレント光が右側から干渉計プレート３１に衝突すると、即ち、コヒーレント波が量子デバイス３２．１および３２．２を逆方向に通過し、したがってそれらを純粋な黒体放射体として実現する。結果として、コヒーレント波は量子デバイス３２．１および３２．２の黒体放射体に吸収され、ランダム位相のインコヒーレント光が、量子デバイス３２．１および３２．２のどちらか一方から放射され、バブル様の放射線錐によって示されるように、２つのスリット３１．１および３１．２から干渉計プレート３１の左側に発する。他方で、コヒーレント光が左側から干渉計プレート３１に衝突する場合、コヒーレント波は、量子デバイス３２．１および３２．２を順方向に通過するので、コヒーレント波の位相は保存される。結果として、右側に放射されるコヒーレント波は建設的に干渉し、図面に示されるような、一般的なダブルスリット回折パターンに至る。
【００５４】
図５は、図５Ａおよび５Ｂを含み、有用なデバイスに結び付き得る図４Ｂの干渉計３０の発展例を示している。
【００５５】
基本的に、干渉計３０は、壁３３Ａを備えるキャビティ３３内に配置される。干渉計３０は、干渉計プレート３１が一方のキャビティ壁から対向するキャビティ壁まで延在し、したがってキャビティ３３の内部を、干渉計プレート３１によって互いから分離された２つの半分の空間に分割するような形で、キャビティ３３に挿入される。キャビティ３３の左半分の壁３３Ａはミラーを備えるが、右半分の壁３３Ａは黒色である。壁３３Ａは外部浴と熱平衡の状態にある。左側から来る放射は、例えば、黒体放射体として作用する炭素粒または原子の塊のような、粒子３４によって生成される。キャビティ３３の左側における黒体放射の波面が、ある程度の位相相関を有してダブルスリット３１．１および３１．２に衝突する場合、キャビティ３３の右半分にダブルスリット回折パターンが作成される（図５Ｂを参照）。キャビティ内における熱放射の位相コヒーレンス長は、プランクのスペクトル放射密度によっていかなる形でも定義されないことが注目されるべきである［１１］。右側から来る放射は、本質的に、右半分の壁３３Ａから来る黒体放射で構成され、量子デバイス３２．１および３２．２を逆方向に通過して、左半分のバブル様の錐体によって示されるようなインコヒーレント光に至る（図５Ａを参照）。したがって、キャビティ３３の２つの半分における放射の空間密度は異なる。右半分の干渉特性は不均質であり、場合によっては、一方の試験体３５が回折パターンの干渉最大の位置に、他方の試験体３５が干渉最小の位置に配置された、キャビティ３３の異なる位置に配置された試験体３５の温度差を引き起こす。試験体３５によって感知されるこの温度差は、例えば熱電対デバイスを使用することによって、有用な電力に変換されてもよい。例えば、黒体または原子を固着させることができる熱浴の温度もしくは幾何学形状を変えることによって、あるいは放射を吸収し再放射する原子の数を変更することによって、出力電力を最適化できることは明白である。
【００５６】
この挙動は、熱力学の第ゼロ法則および第２法則が今日一般に理解され教科書［１８］に提示されている形によれば、これらの法則とは一致しないことが注目される。例えば、著名な物理学者であるエンリコ・フェルミのような一部の専門家によって、かかる不一致は予想されていた［Ｅ．Ｆｅｒｍｉ，“Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ”，Ｄｏｖｅｒ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９５６］。［１５］において、量子物理学と熱力学の第２法則との何らかの不一致を示すことが主張されてきた、仮想システムが考察されている。しかしながら、これらの著者によって示されているように、極低温でのみ現れる量子力学的にもつれた状態はデコヒーレントプロセスによって破壊されるので、不一致はこれらの状態に限定される。更に、もつれは多粒子タイプのものでなければならない。これらの要件により、提案されるシステムは実際の実現例に対して非現実的になる。対照的に、本開示の提案は、もつれではなく単一粒子コヒーレンスに依存するものである。指向性デコヒーレンス（指向性位相破壊）は、任意温度で起こることがある第２法則を侵害する、記載の効果を生み出すのに必要ですらある。
【００５７】
実際に、当時はまだ仮想だったデバイスがもたらすであろう、熱力学の第２法則を侵害する利点が、何十年にもわたって思い描かれてきた［１９］。
【００５８】
それでもなお、専門家および素人に知られているように、例えば［１６］および［１９］を参照すると、第二種永久機関として一般に知られる、熱力学の第２法則を破る実際的なデバイスは思索されているだけであった。現在の考察は、［１６］に概説されているように、絶対零度に近い温度で起こる量子効果、特に量子もつれを使用するデバイスに焦点が当てられている。実際的なデバイスがどのように働くかに関する着想が欠落していたため、これらの研究が思索から機能を果たすデバイスへと移行することは決してなかった。実際に、科学界のほとんどの人々は、かかるデバイスは原則的に決して構築できないであろうと確信している。
【００５９】
図７は、第１の態様による量子デバイスの可能な適用例の更なる一例を示している。
【００６０】
図７は、光干渉計の更なる実施形態を示している。図７の干渉計４０は、キャビティ４３に組み込まれた光ファイバー４１を備え、キャビティの壁４３Ａは外部浴と熱平衡状態にある。光ファイバー４１の長さの中間には、粒子様のもの、例えば原子４２が埋め込まれ、それが励起されると単一光子を放射し、各光子はファイバーの両方向にコヒーレントに伝播する。原子４２は熱浴に固着される。第１および第２の量子デバイス４５および４６は、第１の態様に従って提供され、原子４２から放射される放射の両放射方向において、順方向が下方に方向付けられ、逆方向が上方に方向付けられて、一方の量子デバイス４５または４６が配置されるようにして、光ファイバー４１に組み込まれる。２つの量子デバイス４５、４６は同一であり得る。光ファイバー４１の下方に、光ファイバー４１の第１および第２の出力端４１．１および４１．２によって出力される放射を受け入れる、スクリーン４４が設けられる。
【００６１】
白色および黒色の矢印によって示されるように、原子４２によって放射され、量子デバイス４５、４６を通過し、２つの端部４１．１および４１．２で光ファイバー４１から出る放射線が存在し（白色の矢印）、スクリーン４４から発する放射線は、光ファイバー４１内に結合されて、そこで量子デバイス４５、４６に衝突し、次に黒体放射を放射して、それが原子４２に衝突する（黒色の矢印）。
【００６２】
理想的な場合、２つの波動が原子４２によって両方向に放射され、妨げられずに２つの量子デバイス４５、４６を通過するので、それらは互いにゼロ位相差でコヒーレントなままである。２つの波面が、少なくともある程度位相相関を有したまま、光ファイバー４１の２つの端部４１．１および４１．２から出る場合、ダブルスリット回折パターンがスクリーン４４上に作成される。逆方向では、スクリーン４４および回折パターンが、２つのファイバー端４１．１および４１．２を用いて光ファイバー４１内に結合される、コヒーレント光波を生成する。より具体的には、スクリーン４４上における回折パターンの干渉極大は、光ファイバー４１内にゼロ位相差のコヒーレント部分波を生成し、スクリーン４４上における回折パターンの干渉極小は、光ファイバー４１内に位相差πのコヒーレント部分波を生成する。２つのコヒーレント部分波は量子デバイス４５、４６に衝突し、それらの波動関数は内部で崩壊する。結果として、ランダム位相を有する波動が量子デバイス４５、４６によって生成され、原子４２に衝突し、それらによって吸収される。次に、原子４２は、左右に発するとともにゼロの相対位相差を有する、コヒーレント部分波を生成することによって再始動する。
【００６３】
回折ピークの内外にそれぞれ位置付けられた試験体（図示せず）の吸収は、異なる量の入ってくる放射線を受け取るので、したがって、それぞれ内部熱平衡状態にあり、最初にキャビティの壁と熱平衡状態にあるこれらの試験体の温度は異なり始める。やはり、この温度差は、例えば熱電対デバイスを使用することによって、有用な電力に変換されてもよい。デバイスは明らかに、熱浴の熱エネルギーをエネルギー源として使用して、物体を加熱または冷却するのに使用されてもよい。
【００６４】
量子デバイス４５および４６は、図１または図３に示された実施形態の１つに従って実現することができる。上述したように、量子デバイス４５および４６はまた、非弾性散乱体によって実現することができる。
【００６５】
図８は、第１の態様による量子デバイスの可能な適用例の更なる一例を示している。
【００６６】
図８は、干渉計の別の形態を示している。図８の干渉計５０は、例えば原子５２のようなコヒーレントに放射する粒子を収容する開放端を有するミラー付きキャビティ５１と、第１および第２の高反射性ミラー５３および５４と、２つの量子デバイス５５および５６と、半透明ミラー５７と、第１および第２の黒体放射体５８および５９とを備える。原子５２は熱浴に固着される。２つの量子デバイス５５および５６は、第１の態様による量子デバイスとして構成され、同一であることができる。矢印は、位相コヒーレンスが維持されるそれらそれぞれの順方向を示している。
【００６７】
ミラー付きキャビティ５１は、２つの光線がそれぞれミラー付きキャビティ５１を２つの対向する方向で通り抜けるための２つの対向する開口部を備える。第１および第２の高反射性ミラー５３および５４は、２つの光線をそれぞれ２つの光路へと偏向し、それら２つの光路は、理想的には妨げられずに量子デバイス５５および５６を通過した後、半透明ミラー５７で、即ち非対称ビームスプリッタで互いに接合する。半透明ミラー５７の金属コーティングを左側に配向することによって、２つの量子デバイス５５および５６から来る光線が位相差なしに、第１の黒体放射体５８のみに偏向されるように、セットアップが構成される。
【００６８】
逆方向では、黒体放射体５８および５９がインコヒーレントな黒体放射線を生成し、それが半透明ミラー５７に衝突する。半透明ミラー５７は、黒体放射体５８および５９から受け取った波動をそれぞれの部分波に分割する。これらの部分波は、互いにペア単位でコヒーレントであり、それにより、黒体放射体５８から放射された波動から生成された部分波は、位相差０を有し、黒体放射体５９から放射された波動から生成された部分波は、位相差πを有する。量子デバイス５５および５６は、部分波の位相コヒーレンスを破壊し、特に、黒体放射体５９の放射によってもたらされる部分波間の位相差πを消去する。量子デバイス５５および５６は波動関数の崩壊をもたらし、つまり、量子力学により、到達する波動は量子デバイス５５または量子デバイス５６のどちらかを通過する。結果として、波動は、右側または左側のどちらかから原子５２に衝突する。波動が原子５２によって吸収されない場合、ビームスプリッタ５７に衝突し、統計的平均上で等しい比率で、両方の黒体放射体５８および５９に偏向される。
【００６９】
第１および第２の黒体放射体５８および５９は、最初は等しい温度であり、等しい量の放射出力を放射するが、異なる出力の放射線を受信する。結果として、第１および第２の黒体放射体５８および５９の間に温度差が生成され、それを使用して、例えば電力を生成することができる。
【００７０】
更に、上述の量子デバイスおよびそれらの適用例は、Ｔ＞０Ｋである熱浴に対する何らかの結合を要することに言及すべきである。単純な例では、熱浴は、黒体５８および５９、ならびに量子デバイス５５および５６の黒体によって与えられてもよい。かかる熱浴の媒質は、固体、液体、またはガス状であることができる。デバイスは、１つまたは複数の熱浴からエネルギーを抽出し、熱エネルギーを、例えば１つまたは複数の他の熱浴に伝達してもよい。
【００７１】
また、上述のデバイスは、それらの出力を向上するように並列で動作するように実現できることが明白である。同様に、デバイスは直列で操作されてもよい。例えば、このデバイスによって冷却される第１のデバイスの黒体Ａ１に対して、第２のデバイスの黒体Ａ２が物体Ａ１よりも低温まで冷却されるように、第２のデバイスが熱的に接続されてもよい。
【００７２】
量子デバイス５５および５６は、図１、図３、または図１０に示されるような実施形態の１つに従って実現することができる。上述したように、量子デバイス５５および５６は、それぞれ確率ｐで散乱する、非弾性散乱体によって実現することもできる。記載した方法でセットアップされた場合、デバイス動作は達成されるが、物体５９から原子５２へと移動し、物体５９に戻るコヒーレント波の位相情報（これらの波動は物体５９を加熱し、したがってデバイス動作には有害であるが）は、因数（１−ｐ）×（１−ｐ）の分だけ低減され、一方、原子５２によって生成され物体５８へと移動するコヒーレント波は、因数ｐだけ低減される。また、この実施形態は、黒体放射体の周波数スペクトル全体に同時に作用してもよい。
【００７３】
図９は、電子干渉計における量子デバイスの使用の一例を示している。図９の電子干渉計６０は、電子源６１と、第１の量子デバイス６２および第２の量子デバイス６３と、第１の抵抗器６４および第２の抵抗器６５とを備え、第１および第２の抵抗器６４および６５は両方ともアースに接続される。干渉計６０は更に、電子源６１を第１の量子デバイス６２の第１のポートと接続する第１の伝送経路６６．１と、電子源６１を第２の量子デバイス６３の第１のポートと接続する第２の伝送経路６６．２と、第１の量子デバイス６２の第２のポートを第１の抵抗器６４と接続する第３の伝送経路６６．３と、第２の量子デバイス６３の第２のポートを第１の抵抗器６４と接続する第４の伝送経路６６．４と、第２の量子デバイス６３の第２のポートを第２の抵抗器６５と接続する第５の伝送経路６６．５と、第１の量子デバイス６２の第２のポートを第２の抵抗器６５と接続する第６の伝送経路６６．６とを備える。
【００７４】
第１および第２の抵抗器６４および６５は、電子吸収器および放射器として機能する。電子を効率的に吸収するため、それらは５０オームの抵抗を有してもよい。電子の生成は、例えば熱雑音、即ち、平衡状態にある電気導体内部における電荷担体の熱じょう乱による、ジョンソン・ナイキスト雑音を介して起こる。
【００７５】
干渉計６０は、電子波が、第３、第４、および第５の伝送経路６６．３、６６．４、および６６．５で位相シフトαを経験し、また電子波が、第６の伝送経路６６．６で位相シフトα＋πを経験するような形で構成される。
【００７６】
上述の位相シフトは、伝送経路を以下の長さで設計することによって達成することができる。
第３の伝送経路６６．３は長さＬ１を有し、
第４の伝送経路６６．４は長さＬ２を有し、
第５の伝送経路６６．５は長さＬ３を有し、
第６の伝送経路６６．６は長さＬ４を有し、
λが電子波長である場合、
Ｌ１−Ｌ２＝ｎ、および
Ｌ４−Ｌ３＝ｍであって、
ｎはλの整数倍、および
ｍはλの整数倍＋λ／２である。
【００７７】
電子源６１は、図７の実施形態の原子４２に、または図８の実施形態の原子５２に対応する。例えば、電子を吸収し電子を放射することができる、原子であることもできる。また、やはり電子を吸収または放射することができる、結晶欠陥であることができる。電子の放射の場合、第１および第２の伝送経路６６．１および６６．２で伝播する、２つの部分電子波が放射される。
【００７８】
量子デバイス６２および６３は、同一であることができ、例えば、結晶欠陥または結晶内に結合されたフォノンとしての、非弾性散乱中心として構成されてもよい。また、例えばＦＥＴのような、低損失電子スイッチとして構成することができる。
【００７９】
伝送経路６６．１〜６６．６は、図８の実施形態のビームスプリッタ５７に対応する。
【００８０】
図１０は、フォトニックシステムにおける本開示による量子デバイスの使用の実現例を示している。フォトニックシステム７０は、２レベルシステム（ＴＬＳ）７１と、２つの黒体放射体７２および７３と、カイラル導波路７４との集合体を備える。２レベルシステム７１は、波動の伝播方向に応じて２つの異なる結合強度ｇ１およびｇ２を有するカイラル導波路７４に結合される。比較対象の結合が、例えば［２１］に記載されている。かかるシステムでは、２レベルシステム（ＴＬＳ）７１は、光子の移動方向に応じて決まる、導波路７４の光子モードの位相破壊を誘発した。この非可逆的位相破壊は、最終的に、２つの黒体キャビティ７２および７３における光子の非同一の集団を誘発する。結果として、温度差が黒体キャビティ７２および７３の間に発達する。やはり、この温度差は、例えば熱電対デバイスを使用することによって、有用な電力に変換されてもよい。
【００８１】
本開示に記載するような量子デバイスは、情報を好ましくは順方向で渡し、情報のフローを逆方向では妨げることが注目される。この重要な機能的挙動は、従来のシステムまたは量子システムに基づいて、データ伝送および記憶において明白な用途を有する。例えば、量子システムのユーザはデータを量子メモリに書き込むが、このメモリに記憶されたデータを検索することはできない、またはその逆という可能性を提示する。
【００８２】
本発明の更に重要な態様は、量子崩壊によって駆動されるプロセスに対して簡単な制御を確立できることである。プロセスは、例えば、伝送経路の一部を遮断することによって、あるいは光学部品の１つもしくは複数を移動または転回することによって、制御することができる。したがって、システムは、プロセス制御のための入力端末を装備していてもよい。
【００８３】
本開示はまた、以下の更なる態様に関する。これらの態様は、それぞれのデバイスが以下に概説するような特定の機能を満たすように、第１の態様による量子デバイスを実現することができる、デバイスを指す。
【００８４】
本開示はまた、コヒーレント放射、および波動関数の少なくとも部分的な崩壊を利用して、熱力学の第ゼロ法則、第２法則、または第３法則のうちの１つもしくは複数からの偏移を達成する、デバイスに関する。
【００８５】
本開示はまた、量子力学的な状態の重ね合わせ、および波動関数の少なくとも部分的な崩壊を利用して、熱力学の第ゼロ法則、第２法則、または第３法則のうちの１つもしくは複数からの偏移を達成する、デバイスに関する。
【００８６】
上述の更なる態様のいずれか１つによるデバイスは、１０−６Ｋ〜４０００Ｋの範囲の温度で動作してもよい。
【００８７】
上述の更なる態様のいずれか１つによるデバイスは、量子レジームにおいて、浴に結合されなくても、または浴ともつれなくてもよい。
【００８８】
本開示はまた、コヒーレント放射、および波動関数の少なくとも部分的な量子物理学的崩壊、または量子力学的な状態の重ね合わせ、および波動関数の少なくとも部分的な崩壊を利用して、システム内での波動もしくは粒子のエネルギー分布の密度における不均質性を生成または増大する、デバイスに関する。エネルギー分布は、少なくとも部分的に熱エネルギーによって生成されるエネルギー分布であってもよい。
【００８９】
本開示はまた、コヒーレント放射、および波動関数の少なくとも部分的な量子物理学的崩壊、または量子力学的な状態の重ね合わせ、および波動関数の少なくとも部分的な崩壊を利用して、システムを熱平衡の状態外にシフトさせる、デバイスに関する。
【００９０】
本開示はまた、コヒーレント放射、および波動関数の少なくとも部分的な量子物理学的崩壊、または量子力学的な状態の重ね合わせ、および波動関数の少なくとも部分的な崩壊を利用して、１つの物体内または複数の物体間の温度差を生成する、デバイスに関する。
【００９１】
上述の更なる態様のいずれか１つによるデバイスでは、位相シフトは、デバイスの少なくとも１つの非可逆的構成要素によって誘発されてもよい。
【００９２】
上述の更なる態様のいずれか１つによるデバイスでは、波動関数の少なくとも部分的な量子物理学的崩壊は、例えば、固体、液体、ガス、またはプラズマであってもよい、巨視的物体を使用することによって達成される。
【００９３】
上述の更なる態様のいずれか１つによるデバイスでは、物体における波動関数の少なくとも部分的な量子物理学的崩壊および少なくとも部分的な吸収の後に、前記物体による波動の統計的再放射が続く。
【００９４】
上述の更なる態様のいずれか１つによるデバイスでは、少なくとも部分的に量子物理学的に崩壊した波動は、ランダム位相の別の波動に統計的に置き換えられる。
【００９５】
上述の更なる態様のいずれか１つによるデバイスでは、デバイスは、生成された放射密度の不均質性または生成された温度差を、電気、放射線、光エネルギー、もしくは他の形態のエネルギーに変換することによって、または他の何らかの形で達成されたオーダーを使用することによって、有用な作業を作り出す。
【００９６】
上述の更なる態様のいずれか１つによるデバイスでは、デバイスは、質量、粒子、エネルギー、熱、運動量、角度運動量、電荷、または磁気モーメントを、１つの物体内または複数の物体間で搬送する。
【００９７】
上述の更なる態様のいずれか１つによるデバイスでは、デバイスは、エネルギー、波動、または物質の貯蔵システム、例えばコンデンサまたは電池を充電する。
【００９８】
上述の更なる態様のいずれか１つによるデバイスでは、デバイスは物体を加熱または冷却する。
【００９９】
上述の更なる態様のいずれか１つによるデバイスでは、デバイスの物体の１つまたは複数は、例えば、追加で提供される加熱または冷却機能を使用することによって、室温とは別の基準温度で操作される。
【０１００】
上述の更なる態様のいずれか１つによるデバイスでは、内部または外部で作成される信号は、プロセスを制御するのに使用される。
【０１０１】
第２法則の明確な侵害に寄与する重要な要素は、複数の波束に分割された粒子状態の生成、複数の波束状態の量子力学的崩壊、ならびに干渉による単数および複数の波束状態の分類であり、後者のステップは、波束のコヒーレンス特性を有用な出力信号へと転換する。これらの堅牢な単一粒子プロセスはスケーラブルであり、それらは、高温を含む広い温度範囲で機能し、標準的な室温環境と適合性があり、電磁波、粒子波、および準粒子波を含む多種の量子波に作用する、多種多様なデバイスで実現することができる。
【０１０２】
コヒーレントな状態の重ね合わせおよび波動関数の崩壊を使用するデバイスの原理は、提示した例によって証明されるように、これまで利用可能ではなかった、光学および電子デバイスおよび回路の機能および用途の全く新しいカテゴリを可能にする。しかしながら、将来的な用途は、ここに記載したものとは異なるもの、即ち量子計算、量子通信、暗号法、量子情報記憶、エネルギー生成、および冷却を含んでもよい。この原理は、例えばアナログおよびデジタルデバイス、データ処理、記憶、ならびにセンシングに関して、新規な可能性を開くであろう。波動関数崩壊に基づいた量子効果も、例えば触媒反応における、機能的材料の新規な可能性を開くであろう。
【０１０３】
１つまたは複数の実現例に関して本発明を例証し記載してきたが、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、例証した例に対して変更および／または修正が行われてもよい。特に、上述の構成要素または構造（アセンブリ、デバイス、回路、システムなど）によって実施される様々な機能に関して、かかる構成要素を説明するのに使用される用語（「手段」に対する言及を含む）は、本明細書に例証される本発明の例示的な実施形態における機能を実施する開示の構造と構造的に等価ではなくても、別段の指示がない限り、記載した構成要素の指定の機能を実施する（例えば、機能的に等価である）任意の構成要素または構造に対応するものとする。
【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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【国際調査報告】
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