(57)【要約】【課題】半導体や金属中におけるスピンを利用した量子ビットを用いた量子計算機に関し、量子ビットの位置制御や、任意のスピンに対する相互作用の制御を可能とする量子計算機及びその製造方法並びに量子演算方法を提供する。【解決手段】第１の塩基配列を有するＤＮＡ３２ａにスピンを有する構造物３４ａを結合し、第２の塩基配列を有するＤＮＡ３２ｂにスピンを有する構造物３４ｂを結合し、ＤＮＡ３２ａと、ＤＮＡ３２ｂと、第１の塩基配列に結合する第３の塩基配列及び第２の塩基配列に結合する第４の塩基配列を有するＤＮＡ３０とを合成し、構造物３４ａ及び前記構造物３４ｂが結合された二本鎖ＤＮＡを形成する。これにより、二本鎖ＤＮＡの任意の場所に、量子ビットとして用いる任意の構造物を配置することができる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のスピンを有する第１の構造物と、
第２のスピンを有し、前記第１のスピンに対して直接的に相互作用を生じない距離に配置された第２の構造物と、
第３のスピンを有し、前記第１のスピン及び前記第２のスピンに対して直接的に相互作用を生じる距離に配置された第３の構造物とを有し、
前記第３のスピンを励起し、前記第１のスピンと前記第３のスピン及び前記第２のスピンと前記第３のスピンをそれぞれ相互作用させることにより、前記第１のスピンと前記第２のスピンとの間の二量子ビット演算を行う
ことを特徴とする量子計算機。
【請求項２】
請求項１記載の量子計算機において、
前記第３のスピンを励起するための共鳴エネルギーは、前記第１のスピンを励起するための共鳴エネルギー及び前記第２のスピンを励起するための共鳴エネルギーとは異なっている
ことを特徴とする量子計算機。
【請求項３】
スピンを有する複数の構造物と、
前記複数の構造物を支持する構造体であって、所定の繰り返し周期を有する周期構造体とを有し、
前記複数の構造物は、前記繰り返し周期を基本単位とする間隔で前記周期構造体に結合されている
ことを特徴とする量子計算機。
【請求項４】
請求項３記載の量子計算機において、
前記周期構造体は、ＤＮＡであり、
前記複数の構造物は、前記周期構造体に化学修飾されている
ことを特徴とする量子計算機。
【請求項５】
請求項３又は４記載の量子計算機において、
前記複数の構造物は、第１のスピンを有する第１の構造物と、第２のスピンを有し、前記第１のスピンに対して直接的に相互作用を生じない距離に配置された第２の構造物と、第３のスピンを有し、前記第１のスピン及び前記第２のスピンに対して直接的に相互作用を生じる距離に配置された第３の構造物とを含む
ことを特徴とする量子計算機。
【請求項６】
請求項３又は４記載の量子計算機において、
前記複数の構造物は、第１の情報保持用構造物と、前記第１の情報保持用構造物からスピンがトンネリング可能な距離に配置され、前記第１の情報保持用構造物とはスピンを励起するための共鳴エネルギーが異なる第１の演算用構造物と、前記第１の情報保持用構造物から実質的にスピンがトンネリング不可能な距離に配置された第２の情報保持用構造物と、前記第１の演算用構造物からスピンがトンネリング可能な距離に配置され、前記第２の情報保持用構造物とはスピンを励起するための共鳴エネルギーが異なる第２の演算用構造物とを含む
ことを特徴とする量子計算機。
【請求項７】
第１の基本構造を有する第１の構造体に、スピンを有する構造物を結合する工程と、
前記第１の構造体と、前記第１の基本構造に結合する第２の基本構造を有する第２の構造体とを、前記第１の基本構造と前記第２の基本構造とが結合するように合成する工程と
を有することを特徴とする量子計算機の製造方法。
【請求項８】
第１の基本構造を有する第１の構造体に、スピンを有する第１の構造物を結合する工程と、
第２の基本構造を有する第２の構造体に、スピンを有する第２の構造物を結合する工程と、
前記第１の構造体と、前記第２の構造体と、前記第１の基本構造に結合する第３の基本構造及び前記第２の基本構造に結合する第４の基本構造を有する第３の構造体とを、前記第１の基本構造と前記第３の基本構造とが結合するように及び前記第２の基本構造と前記第４の基本構造とが結合するように合成する工程と
を有することを特徴とする量子計算機の製造方法。
【請求項９】
第１の塩基配列を有する第１の一本鎖ＤＮＡに、スピンを有する第１の構造物を結合する工程と、
第２の塩基配列を有する第２の一本鎖ＤＮＡに、スピンを有する第２の構造物を結合する工程と、
前記第１の一本鎖ＤＮＡと、前記第２の一本鎖ＤＮＡと、前記第１の塩基配列に結合する第３の塩基配列及び前記第２の塩基配列に結合する第４の塩基配列を有する第３の一本鎖ＤＮＡとを、前記第１の塩基配列と前記第３の塩基配列とが結合するように及び前記第２の塩基配列と前記第４の塩基配列とが結合するように合成し、前記第１の構造物及び前記第２の構造物が結合された二本鎖ＤＮＡを形成する工程と
を有することを特徴とする量子計算機の製造方法。
【請求項１０】
第１のスピンを有する第１の構造物と、第２のスピンを有し、前記第１のスピンに対して直接的に相互作用を生じない距離に配置された第２の構造物と、第３のスピンを有し、前記第１のスピン及び前記第２のスピンに対して直接的に相互作用を生じる距離に配置された第３の構造物とを有する量子計算機の量子演算方法であって、
前記第３の構造物に制御光を照射して前記第３のスピンを励起し、前記第１のスピンと前記第３のスピン及び前記第２のスピンと前記第３のスピンをそれぞれ相互作用させることにより、前記第１のスピンと前記第２のスピンとの間の二量子ビット演算を行う
ことを特徴とする量子演算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子計算機に係り、特に、半導体や金属中におけるスピンを利用した量子ビットを用いた量子計算機及びその製造方法並びに量子演算方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子計算機は、ドイチュ（D.Deutch）によって発明された（例えば、非特許文献１を参照）。その後、ショー（P.W.Shor）のアルゴリズム（例えば、非特許文献２を参照）など、素因数分解や検索に対する効率的な量子アルゴリズムの発見に触発され、量子計算機を実現するための多くの物理系が検討されている。
【０００３】
量子計算機において情報を保持する単位は量子ビットと呼ばれている。一般に量子ビットは、量子二準位状態をとることが必要とされる。量子ビット間の演算は、例えば非特許文献３に記載されているように、一つの量子ビットに対する演算である一量子ビット演算と、二つの量子ビット間の演算である二量子ビット演算との、２種類の演算を組み合わせることにより実現することができる。
【０００４】
現在、量子ビット及びこれを用いた量子演算を実現する手法として、液体ＮＭＲ（核磁気共鳴：Nuclear Magnetic Resonance）、超伝導磁束量子、クーパーペア、サブバンド間遷移、核スピン、電子スピン、線形光学素子などを用いた数多くのものが提案されている。これらのうち、比較的安定な量子二準位状態を実現しうる量子ビットとして、核スピンや電子スピンを用いた量子ビットが有力である。以下、スピンを用いた量子ビットの代表例について説明する。
【０００５】
核スピンを用いた量子ビットとして、例えば非特許文献４には、分子中のフッ素（Ｆ）原子のスピンをＮＭＲにより操作する方法が提案されている。そして、この量子ビットにより、量子演算の一つである上記ショーの因数分解アルゴリズムが実現されたと報告されている。しかしながら、ＮＭＲと核スピンを用いた量子ビットでは、量子演算を実施する際に、演算対象ではない核スピンとの間の結合をなくする必要がある。このため、演算の過程で要するパルス列が多くなり、結果、多量子ビット化や集積化に不向きである。核スピンを用いた量子ビットについては十数量子ビット程度が限界との見解もあり、実用的な量子アルゴリズムを実現する際に期待される演算速度を得るために要する量子ビット数には不足するものと考えられている。
【０００６】
また、電子スピンを用いた量子ビットとして、例えば非特許文献５には、量子ドット中の電子スピンを操作する方法が提案されている。しかしながら、量子ドット中の電子スピン間の相互作用を制御する方法及びこれを実現するための素子作成上の問題などがあり、実現に至るまでの課題は多い。
【０００７】
このほか、電子スピンと核スピンの両者を用いた量子ビットが、例えば非特許文献６に記載されている。非特許文献６に記載の量子ビットは、核スピンを持たないシリコン（Ｓｉ）材料中に核スピンを持つ燐（Ｐ）原子を規則的に注入することにより構成される。量子演算の動作は、核スピン上に配置した電極を用いて一量子ビット演算を制御し、核スピン間に置かれた電極により電子密度を制御し、適当な電圧印加によって電子スピンと核スピンとを結合させ、二量子ビット演算を実現する。しかしながら、燐の注入方法、電極の製造方法、量子ビットの初期化方法などに課題がある。
【特許文献１】特開２００３−０９２３９８号公報
【非特許文献１】D. Deutsch, Proc. R. Soc. London, Ser. A 400 97 (1985); 425, 73 (1989)
【非特許文献２】P. W. Shor, in Proceedings of the 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science, edited by Goldwasser (IEEE Computer Society, Los Alamitos, CA, 1994) p.124
【非特許文献３】A. Barenco et al., Physical Review A Vol.52, No.5 (1995) pp.3457-3467
【非特許文献４】Lieven M. K. Vandersypen et al., Nature, Vol.414 (2001) pp.883-887
【非特許文献５】Daniel Loss, Physical Review B 59 (1999) p.2070
【非特許文献６】B.E.Kane, Nature, Vol.393 (1998) pp.133-137
【非特許文献７】M. Bruchez, Science, 281, 1998, pp.2013-2016
【非特許文献８】Christof M. Niemeyer, Angew. Chem.Int. Ed. 2001, 40, pp.4128-4158
【非特許文献９】W. C. W. Chan et al., Science 281, (1998) pp.2016-2018
【非特許文献１０】Niemeyer, Angw. Chem. Int. Ed. 2001, 40, pp.4128-4158
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、核スピン、電子スピン、量子準位などの量子二準位系を用いた種々の量子ビットが提案されている。しかしながら、量子ビットとしてスピンを用いる場合、量子演算の実現のためにはスピン間の相互作用を制御する必要があるが、スピン間の相互作用の制御については十分に検討されていなかった。また、量子演算の実現手段や素子製造上の問題点も多く、多量子ビット化が困難であった。
【０００９】
本発明の目的は、量子ビットの位置制御や、任意のスピンに対する相互作用の制御を可能とする量子計算機及びその製造方法並びに量子演算方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、第１のスピンを有する第１の構造物と、第２のスピンを有し、前記第１のスピンに対して直接的に相互作用を生じない距離に配置された第２の構造物と、第３のスピンを有し、前記第１のスピン及び前記第２のスピンに対して直接的に相互作用を生じる距離に配置された第３の構造物とを有し、前記第３のスピンを励起し、前記第１のスピンと前記第３のスピン及び前記第２のスピンと前記第３のスピンをそれぞれ相互作用させることにより、前記第１のスピンと前記第２のスピンとの間の二量子ビット演算を行うことを特徴とする量子計算機によって達成される。
【００１１】
また、上記目的は、スピンを有する複数の構造物と、前記複数の構造物を支持する構造体であって、所定の繰り返し周期を有する周期構造体とを有し、前記複数の構造物は、前記繰り返し周期を基本単位とする間隔で前記周期構造体に結合されていることを特徴とする量子計算機によっても達成される。
【００１２】
また、上記目的は、第１の基本構造を有する第１の構造体に、スピンを有する構造物を結合する工程と、前記第１の構造体と、前記第１の基本構造に結合する第２の基本構造を有する第２の構造体とを、前記第１の基本構造と前記第２の基本構造とが結合するように合成する工程とを有することを特徴とする量子計算機の製造方法によっても達成される。
【００１３】
また、上記目的は、第１の基本構造を有する第１の構造体に、スピンを有する第１の構造物を結合する工程と、第２の基本構造を有する第２の構造体に、スピンを有する第２の構造物を結合する工程と、前記第１の構造体と、前記第２の構造体と、前記第１の基本構造に結合する第３の基本構造及び前記第２の基本構造に結合する第４の基本構造を有する第３の構造体とを、前記第１の基本構造と前記第３の基本構造とが結合するように及び前記第２の基本構造と前記第４の基本構造とが結合するように合成する工程とを有することを特徴とする量子計算機の製造方法によっても達成される。
【００１４】
また、上記目的は、第１の塩基配列を有する第１の一本鎖ＤＮＡに、スピンを有する第１の構造物を結合する工程と、第２の塩基配列を有する第２の一本鎖ＤＮＡに、スピンを有する第２の構造物を結合する工程と、前記第１の一本鎖ＤＮＡと、前記第２の一本鎖ＤＮＡと、前記第１の塩基配列に結合する第３の塩基配列及び前記第２の塩基配列に結合する第４の塩基配列を有する第３の一本鎖ＤＮＡとを、前記第１の塩基配列と前記第３の塩基配列とが結合するように及び前記第２の塩基配列と前記第４の塩基配列とが結合するように合成し、前記第１の構造物及び前記第２の構造物が結合された二本鎖ＤＮＡを形成する工程とを有することを特徴とする量子計算機の製造方法によっても達成される。
【００１５】
また、上記目的は、第１のスピンを有する第１の構造物と、第２のスピンを有し、前記第１のスピンに対して直接的に相互作用を生じない距離に配置された第２の構造物と、第３のスピンを有し、前記第１のスピン及び前記第２のスピンに対して直接的に相互作用を生じる距離に配置された第３の構造物とを有する量子計算機の量子演算方法であって、前記第３の構造物に制御光を照射して前記第３のスピンを励起し、前記第１のスピンと前記第３のスピン及び前記第２のスピンと前記第３のスピンをそれぞれ相互作用させることにより、前記第１のスピンと前記第２のスピンとの間の二量子ビット演算を行うことを特徴とする量子演算方法によっても達成される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、幾何学的に安定な性質を有する構造体に、その構造体の特徴を利用しつつ量子ビットとしての構造物を付加するので、量子ビットとしての構造物の位置制御を高精度に行うことができる。
【００１７】
また、量子ビットとしての構造物の材料やサイズを変えることにより、共鳴エネルギーを制御することができる。したがって、外部から照射する操作光の波長を制御することにより、量子演算の対象となる構造物を選択することができる。これにより、量子演算の過程で使用される外部光パルス列を簡略化し、また、微細な電極などを用いずに任意の量子ビットに対する量子演算を実現することができる。
【００１８】
また、量子ビットとしてのスピンを励起する構造物間に、制御スピンを励起するための構造体を配置するので、制御スピンの状態（励起及び消滅）の制御により、量子ビットとしてのスピンの相互作用を制御することができる。
【００１９】
また、量子ビットとしてのスピンを励起する構造体の共鳴エネルギーと、制御スピンを励起するための構造体の共鳴エネルギーとを代えることにより、制御スピンを励起する際に、量子ビットとしてのスピンに影響を与えることを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
［本発明の原理］
本発明の量子計算機の原理について説明する。
【００２１】
本発明では、幾何学的に安定な性質を有する構造体に、その構造体の特徴を利用しつつ量子ビットとしての構造物を付加することで、構造物の位置制御を実現する。この構造物に対して、外部から光パルスなどを作用させることにより、量子ビットの制御を行う。また、構造物の材料やサイズなどを変えて共鳴エネルギーを制御することにより、光パルスより制御可能な構造物を特定できるので、これにより演算対象の構造物の選択を行い、所望の量子ビット間の二量子ビット演算を実現する。また、構造物自身の状態を変化させることにより、選択的な一量子ビット演算を行う。これにより、量子演算の過程で使用される外部光パルス列を簡略化し、また、微細な電極などを用いずに任意の量子ビットに対する量子演算を実現することができる。
【００２２】
上記手法において、一量子ビット演算は、磁場印加のもとゼーマン分裂エネルギーに共鳴する光パルスを照射し、スピンの上向き及び下向きを制御する。二量子ビット演算は、例えば一量子ビット演算と二量子ビット間の√ＳＷＡＰ演算（二つのスピンの向きを交換する演算）との組み合わせにより行う。なお、√ＳＷＡＰ演算は、隣接する電子スピン間の交換相互作用により実現するが、スピン同士を近づけて配置しただけでは常に交換相互作用が働いてしまい、二量子ビット演算とはなり得ない。そこで、量子ビット同士の相互作用をオン／オフする制御が必要である。
【００２３】
量子ビット間の相互作用の制御は、これら量子ビットの２つのスピン間に設けられた第３のスピン（制御スピン）により実現する。量子ビットとしての２つのスピン間に、第３のスピンを励起し、この第３のスピンの状態（励起／消滅）を制御することで、二量子ビット演算のスイッチングを実現することができる。
【００２４】
ここで、制御スピンのエネルギーは、量子ビットとして使用するスピンと同じエネルギーとしても良い。但し、外部パルスにて制御スピンを励起する際に、量子ビットとして使用しているスピンに影響を与える虞がある。このため、制御スピンを励起する構造物には、量子ビットとは異なるエネルギーにスピンを励起できるような材料、サイズ、形状のものを用いることが望ましい。また、制御スピンを励起する構造物の材料、サイズ、形状を変化させることにより、外部パルスへのレスポンスを変化させ、外部パルスによる選択的な二量子ビット演算を実現することができる。
【００２５】
量子ビットには、比較的安定な量子二準位状態であるスピン１／２を有する構造物を用いることが望ましい。量子ビットとして用いる構造物としては、ナノ粒子、量子ドット、スピンラベル等を適用することができる。ナノ粒子や量子ドットは、材質、形状、サイズなどを変えることにより、共鳴波長を制御することができる。
【００２６】
ここで、ナノ粒子とは、金属や半導体よりなり、半径が数〜十ナノメートル程度の粒子である。ナノ粒子は、化学沈殿法、逆ミセル法、ホットソープ法などの方法により形成することができる。光学的な特性は、例えば非特許文献７に記載されている。非特許文献７によれば、ＣｄＳｅにより、半径約２．１〜４．６ｎｍの半導体ナノ粒子が実現されており、５００〜６２０ｎｍの発光ピークが確認されている。また、ＩｎＰにより、半径３．０〜４．６ｎｍの半導体ナノ粒子が実現されており、６５０〜７３０の発光ピークが確認されている。また、ＩｎＡｓにより、半径２．８〜６．０ｎｍの半導体ナノ粒子が実現されており、９００〜１５００ｎｍの発光ピークが確認されている。
【００２７】
ナノ粒子を構成する材料としては、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳｅ／ＺｎＳなどのIII-V族系或いはII-VI族系化合物半導体や、Ａｕなどの金属を適用することができる。
【００２８】
ナノ粒子の共鳴波長は、主にナノ粒子の材質と粒径とにより決定される。したがって、ナノ粒子の材質と粒径とを適宜選択することにより、特定の共鳴波長を有するナノ粒子を形成することができる。この手法により、可視光領域と近赤外領域の光に共鳴するナノ粒子を選択的に生成することも可能であり、幅広い波長選択性、操作性を実現することができる。なお、ナノ粒子の選別には、遠心分離などを用いることができる。これにより、ある程度の半値幅で分布するナノ粒子を選別することができる。
【００２９】
量子ドットとは、三次元的にキャリアを閉じこめた構造体で、その寸法がキャリアの波長程度以下で、閉じ込めによる状態密度の変調が生じているものである。量子ドットとしては、ＧａＡｓ内に形成されたＩｎＡｓドットや、ＧａＡｓ内に形成されたＩｎ１−ｘＡｌｘＡｓドットなどを用いることができる。ナノ粒子の場合と同様に、量子ドットの場合も、共鳴波長は、主に量子ドットの材質と大きさにより決定される。したがって、量子ドットの材質と大きさとを適宜選択することにより、特定の共鳴波長を有する量子ドットを形成することができる。
【００３０】
また、半導体のバンド構造と光励起の過程を考慮すると、上記材料と、円偏光の励起光光源などを組み合わせることにより、ナノ粒子や量子ドット中に電子スピンを選択的に励起することが可能であり、ナノ粒子や量子ドットを量子ビットとして使用することができる。
【００３１】
幾何学的に安定な性質を有する構造体とは、量子ビットとして機能する上記構造部の位置を制御して配置しうるとともに、その位置を安定して保持しうるものである。例えば、量子ビットとしてナノ粒子を用いる場合、ＤＮＡ（deoxyribonucleic acid：デオキシリボ核酸）や蛋白等を上記構造体として用いることができる。また、量子ビットとして量子ドットを用いる場合、これを挟み込む半導体結晶層が上記構造体に該当する。
【００３２】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による量子計算機について図１及び図２を用いて説明する。
【００３３】
図１は本実施形態による量子計算機の構造を示す概略断面図、図２は本実施形態による量子計算機における量子演算方法を示す図である。
【００３４】
はじめに、本実施形態による量子計算機の構造を図１を用いて説明する。なお、本実施形態による量子計算機では、量子ビットとしての構造物に量子ドットを用い、この量子ビットを支持する構造体として半導体結晶層を用いる。
【００３５】
ＧａＡｓ基板１０上には、ＩｎＡｓよりなる量子ドット１２が形成されている。量子ドット１２が形成されたＧａＡｓ基板１０上には、ＧａＡｓ層１４が形成されている。ＧａＡｓ層１４上には、量子ドット１２上に位置するように、Ｉｎ１−ｘＡｌｘＡｓよりなる量子ドットが形成されている。量子ドット１６が形成されたＧａＡｓ層１４上には、ＧａＡｓ層１８が形成されている。ＧａＡｓ層１８上には、量子ドット１６上に位置するように、ＩｎＡｓよりなる量子ドット２０が形成されている。量子ドット２０が形成されたＧａＡｓ層１８上には、ＧａＡｓ層２２が形成されている。
【００３６】
ここで、量子ドット１２及び量子ドット２０は量子ビットとしてのスピンが励起される量子ドットであり、層厚方向に隣接する量子ドット１２と量子ドット２０の各組が、それぞれ演算対象の量子ドットとなる。また、量子ドット１２と量子ドット２０との間に位置する量子ドット１６は、量子ビット間の交換相互作用を制御する制御スピン用の量子ドットである。
【００３７】
また、量子ドット１２と量子ドット２０との間隔は、これら量子ドット中のスピンが直接的に相互作用を生じない距離に配置されている。一方、量子ドット１２と量子ドット１６との間隔並びに量子ドット１６と量子ドット２０との間隔は、量子ドット１６中のスピンが、量子ドット１２中のスピン及び量子ドット２０中のスピンに対して直接的に相互作用を生じる距離に配置されている。
【００３８】
量子ドット１２と量子ドット２０とは、図１に示すように、共鳴エネルギーが互いにほぼ等しくなっている。これに対し、量子ドット１６の共鳴エネルギーは、量子ドット１２及び量子ドット２０の共鳴エネルギーよりも高くなっている。なお、量子ドット１６の共鳴エネルギーは、量子ドット１２及び量子ドット２０の共鳴エネルギーと異なっていることが好ましく、量子ドット１２及び量子ドット２０の共鳴エネルギーよりも高くても低くても差し支えない。
【００３９】
次に、本実施形態による量子計算機の動作について図２を用いて説明する。
【００４０】
まず、量子ドット１２，２０の共鳴エネルギーに応じた励起光を照射し、量子ドット１２，２０に電子スピンを注入する。
【００４１】
次いで、一量子ビット演算及び二量子ビット演算を行い、量子ビット間の所定の演算を行う。
【００４２】
一量子ビット演算は、所定の量子ドットに、磁場印加のもとでゼーマン分裂エネルギーに共鳴する光パルスを照射し、スピンの上向き及び下向きを制御することにより行う。
【００４３】
二量子ビット演算では、演算に要する時間（数十〜数百ｐｓ程度）の間だけ、量子ドット１６に、制御スピンとしての電子スピンを励起する。この際、量子ドット１６の共鳴エネルギーは、量子ドット１２，２０の共鳴エネルギーとは異なっているため、制御スピンの励起の際に量子ドット１２，２０にあるスピンに影響することはない。
【００４４】
図２（ａ）に示すように、量子ドット１６中に制御スピンが励起されていない場合には、量子ドット１２中のスピンと量子ドット２０中のスピンとの間では、相互作用は生じない。これに対し、図２（ｂ）に示すように、量子ドット１６中に制御スピンが励起された場合には、量子ドット１２中のスピンと量子ドット１６中のスピンとの間並びに量子ドット１６中のスピンと量子ドット２０中のスピンとの間で相互作用が生じる。すなわち、量子ドット１２中のスピンと量子ドット２０中のスピンとの間で間接的に相互作用が生じ、二量子ビット演算が実行される。
【００４５】
本実施形態による上記量子計算機を実現するためには、量子ドット１２，１６，２０との間の間隔、各量子ドットの材質、サイズ、位置を適切に制御する必要がある。
【００４６】
量子ドット１２，１６，２０の間の間隔は、ＧａＡｓ層１４，１８の膜厚により制御することができる。ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）などの結晶成長技術を用いることにより、ＧａＡｓ層１４，１８の膜厚を極めて高精度に制御することができる。
【００４７】
量子ドット１２，１６，２０の形成方法としては、Stranski-Krastanowモード（Ｓ−Ｋモード）による形成方法が知られている。Ｓ−Ｋモードとは、エピタキシャル成長される半導体結晶が、成長開始当初は２次元成長（膜成長）するが、膜の弾性限界を超えた段階で３次元成長するモードをいう。下地の材料よりも格子定数の大きい材料をエピタキシャル成長することにより、３次元成長島よりなる量子ドットを自己形成することができる。また、ＧａＡｓ層１４，１８の膜厚を適宜選択することにより、Ｓ−Ｋモードにより形成する量子ドットを、下層の量子ドットの位置に整合して形成することができる。したがって、このような成膜方法を用いることにより、量子ドットの位置制御を正確に行うことができる。
【００４８】
このように、本実施形態によれば、量子ビットとしてのスピンを励起する構造体として量子ドットを用いた量子計算機において、量子ドットの形成過程における層厚方向の自己整合性を利用して、量子ドットを積層するので、量子ドットのサイズ及び間隔を高精度に制御することができる。
【００４９】
また、量子ビットとしてのスピンを励起する構造体間に、制御スピンを励起するための構造体を配置するので、制御スピンの状態（励起及び消滅）の制御により、量子ビットとしてのスピンの相互作用を制御することができる。
【００５０】
また、量子ビットとしてのスピンを励起する構造体の共鳴エネルギーと、制御スピンを励起するための構造体の共鳴エネルギーとが異なっているので、制御スピンを励起する際に、量子ビットとしてのスピンに影響を与えることを防止することができる。
【００５１】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による量子計算機について図３を用いて説明する。なお、図１及び図２に示す第１実施形態による量子計算機と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【００５２】
図３は本実施形態による量子計算機の構造を示す概略断面図である。
【００５３】
はじめに、本実施形態による量子計算機の構造を図３を用いて説明する。なお、第１実施形態の場合と同様に、本実施形態による量子計算機では、量子ビットとしての構造物に量子ドットを用い、この量子ビットを支持する構造体として半導体結晶層を用いる。
【００５４】
ＧａＡｓ基板１０上には、ＩｎＡｓよりなる量子ドット１２ａ，１２ｂ、１２ｃが形成されている。量子ドット１２ａ，１２ｂ，１２ｃが形成されたＧａＡｓ基板１０上には、ＧａＡｓ層１４が形成されている。ＧａＡｓ層１４上には、量子ドット１２ａ，１２ｂ，１２ｃ上に位置するように、Ｉｎ１−ｘＡｌｘＡｓよりなる量子ドット１６ａ，１６ｂ，１６ｃがそれぞれ形成されている。量子ドット１６ａ，１６ｂ，１６ｃが形成されたＧａＡｓ層１４上には、ＧａＡｓ層１８が形成されている。ＧａＡｓ層１８上には、量子ドット１６ａ，１６ｂ，１６ｃ上に位置するように、ＩｎＡｓよりなる量子ドット２０ａ，２０ｂ，２０ｃがそれぞれ形成されている。量子ドット２０ａ，２０ｂ，２０ｃが形成されたＧａＡｓ層１８上には、ＧａＡｓ層２２が形成されている。
【００５５】
ここで、量子ドット１２ａ，１２ｂ，１２ｃ及び量子ドット２０ａ，２０ｂ，２０ｃは量子ビットとしてのスピンが励起される量子ドットであり、層厚方向に隣接する量子ドット１２ａ，１２ｂ，１２ｃと量子ドット２０ａ，２０ｂ，２０ｃの各組が、それぞれ演算対象の量子ドットとなる。
【００５６】
量子ドット１２ａと量子ドット２０ａ、量子ドット１２ｂと量子ドット２０ｂ及び量子ドット１２ｃと量子ドット２０ｃは、それぞれの組毎に共鳴波長が互いにほぼ等しくなっている。ａ〜ｃ各組の共鳴波長は、必ずしも等しくする必要はない。ａ〜ｃ各組の共鳴波長を代えることにより、任意の量子ビットにスピンを励起することができる。
【００５７】
量子ドット１６ａは、量子ドット１２ａ中のスピンと量子ドット２０ａ中のスピンとの間の交換相互作用を制御するための制御スピンを励起するためのものであり、量子ドット１６ｂは、量子ドット１２ｂ中のスピンと量子ドット２０ｂ中のスピンとの間の交換相互作用を制御する制御スピンを励起するためのものであり、量子ドット１６ｃは、量子ドット１２ｃ中のスピンと量子ドット２０ｃ中のスピンとの間の交換相互作用を制御する制御スピンを励起するためのものである。量子ドット１６ａ，１６ｂ，１６ｃの共鳴エネルギーは、量子ドット１２ａ，１２ｂ，１２ｃ及び量子ドット２０ａ，２０ｂ，２０ｃの共鳴エネルギーとは異なっている。また、量子ドット１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、Ｉｎ１−ｘＡｌｘＡｓのアルミ組成ｘが互いに異なっており、これにより共鳴波長が互いに異なっている。
【００５８】
量子ドット１２ａ，１２ｂ，１２ｃと量子ドット２０ａ，２０ｂ，２０ｃとの間隔は、これら量子ドット中のスピンが直接的に相互作用を生じない距離に配置されている。一方、量子ドット１２ａ，１２ｂ，１２ｃと量子ドット１６ａ，１６ｂ，１６ｃとの間隔並びに量子ドット１６ａ，１６ｂ，１６ｃと量子ドット２０ａ，２０ｂ，２０ｃとの間隔は、量子ドット１６ａ，１６ｂ，１６ｃ中のスピンが、量子ドット１２ａ，１２ｂ，１２ｃ中のスピン及び量子ドット２０ａ，２０ｂ，２０ｃ中のスピンに対して直接的に相互作用を生じる距離に配置されている。
【００５９】
次に、本実施形態による量子計算機の動作について説明する。
【００６０】
まず、量子ビットとしての量子ドット１２ａ，１２ｂ，１２ｃ及び量子ドット２０ａ，２０ｂ，２０ｃのそれぞれに、各量子ドットの共鳴エネルギーに応じた励起光をそれぞれ照射し、量子ドット１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，２０ａ，２０ｂ，２０ｃに電子スピンを注入する。
【００６１】
次いで、一量子ビット演算及び二量子ビット演算を行い、量子ビット間の所定の演算を行う。
【００６２】
一量子ビット演算は、所定の量子ドットに、磁場印加のもとでゼーマン分裂エネルギーに共鳴する光パルスを照射し、スピンの上向き及び下向きを制御することにより行う。
【００６３】
二量子ビット演算では、演算に要する時間（数十〜数百ｐｓ程度）の間だけ、量子ドット１６ａ，１６ｂ或いは１６ｃに、制御スピンとしての電子スピンを励起する。この際、量子ドット１６ａ，１６ｂ，１６ｃの共鳴エネルギーは、量子ドット１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，２０ａ，２０ｂ，２０ｃの共鳴エネルギーとは異なっているため、制御スピンの励起の際に量子ドット１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，２０ａ，２０ｂ，２０ｃにあるスピンに影響することはない。
【００６４】
第１実施形態の場合と同様に、量子ドット１６ａ，１６ｂ或いは１６ｃに、制御スピンとしての電子スピンが励起されることにより、量子ドット１２ａ中のスピンと量子ドット２０ａ中のスピンとの間、量子ドット１２ｂ中のスピンと量子ドット２０ｂ中のスピンとの間或いは量子ドット１２ｃ中のスピンと量子ドット２０ｃ中のスピンとの間における相互作用がオン状態となり、二量子ビット演算が実行される。このとき、量子ドット１６ａ，１６ｂ，１６ｃの組成により共鳴波長を互いに変えておくことにより、量子ドット１６ａ，１６ｂ，１６ｃのうち任意の量子ドットのみに制御スピンを励起することができ、量子ドット１２ａと量子ドット２０ａとの間、量子ドット１２ｂと量子ドット２０ｂとの間或いは量子ドット１２ｃと量子ドット２０ｃとの間の、任意の二量子ビット演算を行うことができる。
【００６５】
本実施形態による上記量子計算機を実現するためには、量子ドット１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、量子ドット１６ａ，１６ｂ，１６ｃ及び量子ドット２０ａ，２０ｂ，２０ｃとの間の間隔、各量子ドットの材質、サイズ、位置を適切に制御する必要がある。
【００６６】
量子ドット１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、量子ドット１６ａ，１６ｂ，１６ｃ及び量子ドット２０ａ，２０ｂ，２０ｃとの間の間隔は、ＧａＡｓ層１４，１８の膜厚により制御することができる。ＭＢＥなどの結晶成長技術を用いることにより、ＧａＡｓ層１４，１８の膜厚を極めて高精度に制御することができる。
【００６７】
一方、ＭＢＥなどの結晶成長技術では、同一層内の量子構造の材質やサイズを制御することは困難である。そこで、量子ドット１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、量子ドット１６ａ，１６ｂ，１６ｃ及び量子ドット２０ａ，２０ｂ，２０ｃの形成には、各量子ドットの材質、サイズ、位置を制御しうる量子ドットの形成方法を用いる。このような技術は、例えば同一出願人による特願平２００２−１４７２８７号明細書等に詳述されている。
【００６８】
特願平２００２−１４７２８７号明細書等に記載された技術は、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）を用い、半導体層上の任意の場所に任意の大きさのドット状酸化物を形成した後、このドット状酸化物を除去し、ドット状酸化物を除去することにより形成された凹部に選択的に、凹部のサイズに応じた大きさの量子ドットを形成するものである。したがって、このような技術を用いることにより、量子ドットの位置制御を極めて高い精度で行うことができる。
【００６９】
このように、本実施形態によれば、量子ビットとしてのスピンを励起する構造体として量子ドットを用いた量子計算機において、量子ドットの位置及びサイズを制御しうる手法を用いて量子ドットを形成するので、量子ドットのサイズ及び間隔を高精度に制御することができる。また、任意の量子ビットの量子演算を実現することができる。
【００７０】
また、量子ビットとしてのスピンを励起する構造体間に、制御スピンを励起するための構造体を配置するので、制御スピンの状態（励起及び消滅）の制御により、量子ビットとしてのスピンの相互作用を制御することができる。
【００７１】
また、量子ビットとしてのスピンを励起する構造体の共鳴エネルギーと、制御スピンを励起するための構造体の共鳴エネルギーとが異なっているので、制御スピンを励起する際に、量子ビットとしてのスピンに影響を与えることを防止することができる。
【００７２】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による量子計算機について図４乃至図９を用いて説明する。
【００７３】
図４は本実施形態による量子計算機の基本構造を示す概略図、図５はＤＮＡとナノ粒子との結合方法を示す図、図６は本実施形態による量子計算機の構造を示す概略図、図７はＤＮＡの構造及びナノ粒子の結合例を示す図、図８は本実施形態による量子計算機における量子演算方法を示す図、図９は本実施形態による量子計算機の製造方法を示す工程図である。
【００７４】
はじめに、本実施形態による量子計算機の基本構造について図４及び図５を用いて説明する。なお、本実施形態による量子計算機では、量子ビットとしての構造物にナノ粒子を用い、この量子ビットを支持する構造体としてＤＮＡを用いる。ＤＮＡとは、デオキシリボヌクレオチドの繰り返し単位からなる直鎖重合体である。ＤＮＡでは、特定の塩基同士が結合して相補鎖が構成されるため、一方の鎖の塩基配列を適宜設定し、この塩基配列に対応する他の鎖を用意することにより、一方の鎖の任意の場所に他の鎖を結合することができる。したがって、一方の鎖に量子ビットとして機能しうる構造物を付加すれば、ＤＮＡの有する上記特徴により、ＤＮＡの任意の位置に量子ビットとしての構造物を配置することができる。
【００７５】
ＤＮＡ３０は、基本構造として、所定の塩基配列を有するＤＮＡ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを有している。ＤＮＡ３０には、ＤＮＡ３０に対して相補鎖を構成するＤＮＡ３２が結合されている。ＤＮＡ３２は、基本構造として、所定の塩基配列を有するＤＮＡ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを有している。ＤＮＡ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄの塩基配列は、ＤＮＡ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの塩基配列とそれぞれ相補的な関係にある。これにより、ＤＮＡ３０ａに対応する位置にはＤＮＡ３２ａが、ＤＮＡ３０ｂに対応する位置にはＤＮＡ３２ｂが、ＤＮＡ３０ｃに対応する位置にはＤＮＡ３２ｃが、ＤＮＡ３０ｄに対応する位置にはＤＮＡ３２ｄが、それぞれ結合されている。
【００７６】
なお、ＤＮＡ３０，３２は、一本鎖ＤＮＡである。実際には、一本鎖のＤＮＡ３０とＤＮＡ３２とが結合された二本鎖ＤＮＡは二重螺旋構造となるが、図４では便宜上、二本鎖ＤＮＡを直線で描いている。後述の図６においても同様である。
【００７７】
ＤＮＡ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄには、ナノ粒子３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄがそれぞれ結合されている。ＤＮＡ３２とナノ粒子３４との間の結合は、例えば図５に示すように、ＤＮＡ３２にナノ粒子３４を化学修飾することにより行うことができる。すなわち、ナノ粒子３４のＤＮＡ３２への化学修飾は、ナノ粒子３４とＤＮＡ３２との間に、リンカー（linker）３６と、ＦＧ（functional coupling group：官能結合基）３８とを接続することで実現することができる。ナノ粒子の生体分子への化学修飾については、例えば非特許文献８に記載されている。
【００７８】
リンカー及びＦＧとして使用される物質は、ナノ粒子の種類により決定される。生体分子として蛋白質を用い、これにナノ粒子を結合した例が、例えば非特許文献９に記載されている。
【００７９】
図４に示す量子計算機において、材質及び／又はサイズを変えることで共鳴エネルギーを制御したナノ粒子３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄをＤＮＡに化学修飾した場合、励起光の波長を変化させることで、量子演算の対象となる量子ビットを選択的に操作することができる。これにより、複雑なパルス列を用いることなく、また微細な電極などを用いずに任意の量子ビットに対する量子計算を実現することができる。
【００８０】
図６は、ナノ粒子３４ａ〜３４ｄを、共鳴エネルギーの異なる２種類のナノ粒子により構成した量子計算機である。図６に示す量子計算機では、共鳴エネルギーの低いナノ粒子３４ａ及びナノ粒子３４ｄを情報保持用として、共鳴エネルギーの高いナノ粒子３４ｂ及びナノ粒子３４ｃを演算用として用いる。ナノ粒子３４ａ，３４ｄとしては、粒径数ｎｍ程度のＧａＡｓにより構成した共鳴エネルギー１．５ｅＶ程度のナノ粒子を適用することができる。ナノ粒子３４ｂ，３４ｃとしては、粒径数ｎｍ程度のＣｄＳｅにより構成した共鳴エネルギー１．８ｅＶ程度のナノ粒子を適用することができる。
【００８１】
図７に示すように、ＤＮＡにおける塩基間距離は約０．３４ｎｍであり、二重螺旋構造の一周は塩基数が約１０個、約７ｎｍである。二重螺旋構造の繰り返し周期を基本単位として、１つ又は複数のピッチ毎にナノ粒子を配置することにより、電子スピンのスピン相互作用の強さを決定することができる。電子スピン間の距離は１０ｎｍ程度にする必要があるので、１ピッチ又は２ピッチ程度の間隔でナノ粒子３４ａ〜３４ｄを配置することが望ましい。
【００８２】
なお、図６に示す量子計算機の場合、ナノ粒子３４ａとナノ粒子３４ｂとの間隔並びにナノ粒子３４ｃとナノ粒子３４ｄとの間隔はスピンがトンネリング可能な距離とされており、ナノ粒子３４ａとナノ粒子３４ｄとの間隔はスピンがトンネリング不可能な距離とされており、ナノ粒子３４ｂとナノ粒子３４ｃとの間隔は両ナノ粒子間でスピンの相互作用が生じる距離とされている。
【００８３】
ナノ粒子３４ａ〜３４ｄとＤＮＡとの合成は、ナノ粒子にカルボキシル基を付加したものと、修飾アミノリンカーをＤＮＡの一箇所のみに選択的に導入したオリゴＤＮＡとを、ＤＮＡ合成機によって合成することにより、実現することができる。なお、ナノ粒子とＤＮＡとの合成については、例えば非特許文献１０に記載されている。例えば、リンカーにはＨＳ−（ＣＨ２）−ＣＯＯＨを、ＦＧにはＨ２Ｎ−Ｌｙｓを用いることで、ＣｄＳｅナノ粒子をＤＮＡに化学修飾することができる。また、リンカーにはフォスフォロアミンε−ＮＨ２を、ＦＧにはＨＯＯＣ−Ｇｌｕを用いることで、ＧａＡｓナノ粒子をＤＮＡに化学修飾することができる。
【００８４】
次に、図６に示す量子計算機の動作について図８を用いて説明する。なお、情報保持用量子ビットと演算用量子ビットとを用いた量子演算手法については、例えば同一出願人による特許文献１に詳述されている。
【００８５】
情報保持用量子ビットとしてのナノ粒子３４ａ及び３４ｄへのスピンの励起は、これらナノ粒子の共鳴波長に相当する波長を有する円偏光の光パルスを照射することにより行う。上述のＧａＡｓナノ粒子の場合、Ｔｉ：Ａｌ２Ｏ３単パルスレーザ（波長：８２０ｎｍ、パルス幅：１０ｆｓ〜数ｐｓ）を照射することにより、スピンを励起することができる（図８（ａ））。
【００８６】
一量子ビット演算は、磁場印加のもと、ナノ粒子３４ａ、３４ｄにゼーマン分裂エネルギーに共鳴する光パルスを照射し、電子スピンの上向き及び下向きを制御することにより行う。
【００８７】
二量子ビット演算は、一量子ビット演算と√ＳＷＡＰ演算とを組み合わせることにより行う。√ＳＷＡＰ演算は、スピン間の相互作用により行う。
【００８８】
これを実現するため、√ＳＷＡＰ演算の際には、情報保持用量子ビットであるナノ粒子３４ａ，３４ｄにあるスピンを、演算用量子ビットであるナノ粒子３４ｂ，３４ｃに遷移させる（図８（ｂ））。
【００８９】
次いで、ナノ粒子３４ｂ，３４ｃ間においてスピン間の相互作用を起こし、√ＳＷＡＰ演算を実行する（図８（ｃ））。スピンのナノ粒子３４ｂ，３４ｃへの遷移は、ナノ粒子３４ａ，３４ｄとナノ粒子３４ｂ，３４ｃとの間のエネルギー準位差に共鳴する光パルス（πパルス：波長３．１μｍ）を照射することにより行う。
【００９０】
ナノ粒子３４ｂ，３４ｃ間における相互作用の後、ナノ粒子３４ａ，３４ｄとナノ粒子３４ｂ，３４ｃとの間のエネルギー準位差に共鳴する光パルス（πパルス：波長３．１μｍ）を再度照射することにより、ナノ粒子３４ｂ，３４ｃのスピンをナノ粒子３４ａ，３４ｄに遷移させる（図８（ｄ））。
【００９１】
これにより、二量子ビット演算を実現する。
【００９２】
次に、本実施形態による量子計算機の製造方法について図９を用いて説明する。
【００９３】
まず、それぞれが特定の塩基配列を有する一本鎖のＤＮＡ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄと、ＤＮＡ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄの塩基配列と相補的な関係にある塩基配列を有するＤＮＡ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄを含む一本鎖のＤＮＡ３０とを形成する（図９（ａ））。
【００９４】
次いで、化学修飾により、ＤＮＡ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄのそれぞれに、ナノ粒子３４ａ，３４ｂ、３４ｃ、３４ｄをそれぞれ結合する（図９（ｂ））。
【００９５】
次いで、ＤＮＡ合成装置により、ＤＮＡ３０，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを合成する。これにより、ＤＮＡ３０のＤＮＡ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄが形成された領域に、ＤＮＡ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄがそれぞれ結合され、二本鎖のＤＮＡとなる（図９（ｃ）〜（ｄ））。
【００９６】
ＤＮＡ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄの結合場所は、これらＤＮＡの塩基配列により規定されるので、ＤＮＡ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄに特定のナノ粒子３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄを予め結合しておくことにより、ＤＮＡ３０の任意の場所に任意のナノ粒子３４を結合することができる。
【００９７】
このように、本実施形態によれば、特定の塩基配列を有するＤＮＡ鎖に、当該塩基配列に結合する塩基配列を有するＤＮＡ鎖が結合されて二重螺旋構造を形成するというＤＮＡの特徴を利用して、ＤＮＡに結合されるナノ粒子の配置場所を制御するので、任意のナノ粒子をＤＮＡの任意の位置に容易に配置することができる。
【００９８】
また、ナノ粒子は、材料、形状、サイズを制御することにより、共鳴エネルギーを制御することができるので、共鳴エネルギーが異なるナノ粒子を量子ビットとしての構造体として用いることにより、任意の量子ビットを選択して演算を行うことができる。
【００９９】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による量子計算機について図１０を用いて説明する。
【０１００】
図１０は本実施形態による量子計算機の構造を示す概略図である。
【０１０１】
はじめに、本実施形態による量子計算機の構造について図１０を用いて説明する。
【０１０２】
真空槽４０内には、量子演算を実現する所定の素子４２が設けられている。素子４２には、例えば第１乃至第３実施形態に示した量子計算機の基本構造体を適用することができる。素子４２は、素子４２の温度制御及び位置制御が可能なサセプタ４４上に載置されている。
【０１０３】
真空槽４０には、試料４２にマイクロ波を照射するマイクロ波照射部４６と、このマイクロ波を検出するマイクロ波検出部４８とが設けられている。真空槽４０の周囲には、電磁石５０と、これを制御する磁場制御部５２が設けられている。真空槽４０の周囲には、また、試料４２に光パルスを照射する短パルスレーザ５４，５６が設けられている。また、試料４２の周囲には、光検出部５８が設けられている。
【０１０４】
マイクロ波照射部４６、短パルスレーザ５４，５６は、トリガパルス生成部６０に接続されており、試料４２へのマイクロ波及び光パルスの照射を制御するようになっている。また、マイクロ波検出部４８及び光検出部５８は、信号処理部６２に接続されている。
【０１０５】
次に、本実施形態による量子計算機の動作について説明する。なお、以下の説明では、素子４２として第１実施形態による量子計算機の構造を適用した場合を例にして説明するが、他の実施形態による量子計算機の構造についても同様に適用することができる。
【０１０６】
まず、真空槽４０内のサセプタ４４上に、量子ビットとして機能する所定の素子４２を載置する。次いで、必要に応じて、サセプタ４４により試料４２の温度や位置を制御する。
【０１０７】
次いで、磁場制御部５２により電磁石５０を制御し、試料４２に所定の磁場を印加する。これにより、量子ドットのエネルギー準位がゼーマン分裂する。
【０１０８】
次いで、短パルスレーザ５４から、量子ドット１２，２０のゼーマン分裂エネルギーに共鳴するパルス光を照射し、量子ドット１２，２０の電子スピンを励起する。
【０１０９】
一量子ビット演算は、電子スピンの上向き及び下向きを制御することにより行う。電子スピンの向きは、マイクロ波照射部４６から照射されるマイクロ波により操作することができ、光検出部５８を介してこれを検出することができる。
【０１１０】
二量子ビット演算では、演算に要する時間（数十〜数百ｐｓ程度）の間だけ、量子ドット１６に、制御スピンとしての電子スピンを励起する。制御スピンの励起は、短パルスレーザ５６からパルス光を照射することにより行う。
【０１１１】
制御スピンを量子ドット１６に励起することにより、量子ドット１２中のスピンと量子ドット１６中のスピンとの間並びに量子ドット１６中のスピンと量子ドット２０中のスピンとの間で相互作用が生じる。すなわち、量子ドット１２中のスピンと量子ドット２０中のスピンとの間で間接的に相互作用が生じ、二量子ビット演算が実行される。
【０１１２】
演算後における量子ドット１２，２０中のスピンの状態は、光検出器５８を介して検出することができる。
【０１１３】
この後、必要に応じて、同様の手順により、他の量子ビットに関する量子演算を行う。
【０１１４】
このように、本実施形態によれば、本発明の量子計算機を用いた量子演算を実現することができる。
【０１１５】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【０１１６】
例えば、上記第１及び第２実施形態では、量子ドットを層厚方向に３層積層したが、４層以上積層するようにしてもよい。この場合、量子ビットとしての量子ドットと、制御スピン励起用の量子ドットとを、交互に積層することができる。
【０１１７】
また、上記第１及び第２実施形態では、制御スピンを用いた量子演算方法及びこれを実現する構造について説明したが、制御スピン励起用の量子ドットの代わりに第３実施形態に記載のような情報保持用量子ドット及び演算用量子ドットを設け、量子演算を実現するようにしてもよい。
【０１１８】
また、上記第３実施形態では、量子演算に最低限必要な構造を示したが、ＤＮＡにナノ粒子を繰り返し結合するようにしてもよい。
【０１１９】
また、上記第３実施形態では、情報保持用のナノ粒子と演算用のナノ粒子を用いた量子演算方法及びこれを実現する構造について説明したが、演算用のナノ粒子の代わりに第１及び第２実施形態に記載のような制御スピン励起用のナノ粒子を設け、量子演算を実現するようにしてもよい。
【０１２０】
また、上記第１及び第２実施形態では量子ビットとしての構造物に量子ドットを用い、第３実施形態では量子ビットとしての構造物にナノ粒子を用いたが、スピンを有する構造物であれば他の構造物であっても差し支えない。例えば、スピンラベルを適用することができる。
【０１２１】
また、量子ビットとしての構造物の配置は、第３実施形態の場合のような１次元的な配置に限定されるものではなく、二次元的な配置や三次元的な配置とすることができる。
【０１２２】
以上、詳述した通り、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。
【０１２３】
（付記１）
第１のスピンを有する第１の構造物と、
第２のスピンを有し、前記第１のスピンに対して直接的に相互作用を生じない距離に配置された第２の構造物と、
第３のスピンを有し、前記第１のスピン及び前記第２のスピンに対して直接的に相互作用を生じる距離に配置された第３の構造物とを有し、
前記第３のスピンを励起し、前記第１のスピンと前記第３のスピン及び前記第２のスピンと前記第３のスピンをそれぞれ相互作用させることにより、前記第１のスピンと前記第２のスピンとの間の二量子ビット演算を行う
ことを特徴とする量子計算機。
【０１２４】
（付記２）
付記１記載の量子計算機において、
前記第３のスピンを励起するための共鳴エネルギーは、前記第１のスピンを励起するための共鳴エネルギー及び前記第２のスピンを励起するための共鳴エネルギーとは異なっている
ことを特徴とする量子計算機。
【０１２５】
（付記３）
付記１又は２記載の量子計算機において、
前記第１乃至第３の構造物は、量子ドット、ナノ粒子又はスピンラベルにより構成されている
ことを特徴とする量子計算機。
【０１２６】
（付記４）
スピンを有する複数の構造物と、
前記複数の構造物を支持する構造体であって、所定の繰り返し周期を有する周期構造体とを有し、
前記複数の構造物は、前記繰り返し周期を基本単位とする間隔で前記周期構造体に結合されている
ことを特徴とする量子計算機。
【０１２７】
（付記５）
付記４記載の量子計算機において、
前記周期構造体は、ＤＮＡであり、
前記複数の構造物は、前記周期構造体に化学修飾されている
ことを特徴とする量子計算機。
【０１２８】
（付記６）
付記４又は５記載の量子計算機において、
前記複数の構造物は、ナノ粒子又はスピンラベルにより構成されている
ことを特徴とする量子計算機。
【０１２９】
（付記７）
付記４乃至６のいずれか１項に記載の量子計算機において、
前記複数の構造物は、スピンを励起するための共鳴エネルギーが異なる２種以上の構造物を含む
ことを特徴とする量子計算機。
【０１３０】
（付記８）
付記７記載の量子計算機において、
前記共鳴エネルギーは、前記構造物の材料及び／又はサイズを変化することにより制御されている
ことを特徴とする量子計算機。
【０１３１】
（付記９）
付記４乃至８のいずれか１項に記載の量子計算機において、
前記複数の構造物は、第１のスピンを有する第１の構造物と、第２のスピンを有し、前記第１のスピンに対して直接的に相互作用を生じない距離に配置された第２の構造物と、第３のスピンを有し、前記第１のスピン及び前記第２のスピンに対して直接的に相互作用を生じる距離に配置された第３の構造物とを含む
ことを特徴とする量子計算機。
【０１３２】
（付記１０）
付記４乃至８のいずれか１項に記載の量子計算機において、
前記複数の構造物は、第１の情報保持用構造物と、前記第１の情報保持用構造物からスピンがトンネリング可能な距離に配置され、前記第１の情報保持用構造物とはスピンを励起するための共鳴エネルギーが異なる第１の演算用構造物と、前記第１の情報保持用構造物から実質的にスピンがトンネリング不可能な距離に配置された第２の情報保持用構造物と、前記第１の演算用構造物からスピンがトンネリング可能な距離に配置され、前記第２の情報保持用構造物とはスピンを励起するための共鳴エネルギーが異なる第２の演算用構造物とを含む
ことを特徴とする量子計算機。
【０１３３】
（付記１１）
付記１乃至１０のいずれか１項に記載の量子計算機において、
前記構造物のスピンを励起するスピン励起手段を更に有する
ことを特徴とする量子計算機。
【０１３４】
（付記１２）
付記１１記載の量子計算機において、
前記スピン励起手段は、光パルス照射手段である
ことを特徴とする量子計算機。
【０１３５】
（付記１３）
第１の基本構造を有する第１の構造体に、スピンを有する構造物を結合する工程と、
前記第１の構造体と、前記第１の基本構造に結合する第２の基本構造を有する第２の構造体とを、前記第１の基本構造と前記第２の基本構造とが結合するように合成する工程と
を有することを特徴とする量子計算機の製造方法。
【０１３６】
（付記１４）
第１の基本構造を有する第１の構造体に、スピンを有する第１の構造物を結合する工程と、
第２の基本構造を有する第２の構造体に、スピンを有する第２の構造物を結合する工程と、
前記第１の構造体と、前記第２の構造体と、前記第１の基本構造に結合する第３の基本構造及び前記第２の基本構造に結合する第４の基本構造を有する第３の構造体とを、前記第１の基本構造と前記第３の基本構造とが結合するように及び前記第２の基本構造と前記第４の基本構造とが結合するように合成する工程と
を有することを特徴とする量子計算機の製造方法。
【０１３７】
（付記１５）
第１の塩基配列を有する第１の一本鎖ＤＮＡに、スピンを有する第１の構造物を結合する工程と、
第２の塩基配列を有する第２の一本鎖ＤＮＡに、スピンを有する第２の構造物を結合する工程と、
前記第１の一本鎖ＤＮＡと、前記第２の一本鎖ＤＮＡと、前記第１の塩基配列に結合する第３の塩基配列及び前記第２の塩基配列に結合する第４の塩基配列を有する第３の一本鎖ＤＮＡとを、前記第１の塩基配列と前記第３の塩基配列とが結合するように及び前記第２の塩基配列と前記第４の塩基配列とが結合するように合成し、前記第１の構造物及び前記第２の構造物が結合された二本鎖ＤＮＡを形成する工程と
を有することを特徴とする量子計算機の製造方法。
【０１３８】
（付記１６）
付記１５記載の量子計算機の製造方法において、
前記第１の構造物と前記第２の構造物とが、前記二本鎖ＤＮＡの螺旋周期を基本単位とする間隔で配置されるように、前記第１乃至第３の塩基配列を制御する
ことを特徴とする量子計算機の製造方法。
【０１３９】
（付記１７）
第１のスピンを有する第１の構造物と、第２のスピンを有し、前記第１のスピンに対して直接的に相互作用を生じない距離に配置された第２の構造物と、第３のスピンを有し、前記第１のスピン及び前記第２のスピンに対して直接的に相互作用を生じる距離に配置された第３の構造物とを有する量子計算機の量子演算方法であって、
前記第３の構造物に制御光を照射して前記第３のスピンを励起し、前記第１のスピンと前記第３のスピン及び前記第２のスピンと前記第３のスピンをそれぞれ相互作用させることにより、前記第１のスピンと前記第２のスピンとの間の二量子ビット演算を行う
ことを特徴とする量子演算方法。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】本発明の第１実施形態による量子計算機の構造を示す概略断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による量子計算機における量子演算方法を示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態による量子計算機の構造を示す概略断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態による量子計算機の基本構造を示す図である。
【図５】ＤＮＡとナノ粒子との結合方法を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態による量子計算機の構造を示す図である。
【図７】ＤＮＡの構造及びナノ粒子の結合例を示す図である。
【図８】本発明の第３実施形態による量子計算機における量子演算方法を示す図である。
【図９】本発明の第３実施形態による量子計算機の製造方法を示す工程図である。
【図１０】本発明の第４実施形態による量子計算機の構造を示す概略図である。
【符号の説明】
【０１４１】
１０…ＧａＡｓ基板
１２，１６，２０…量子ドット
１４，１８，２２…ＧａＡｓ層
３０，３２…ＤＮＡ
３４…ナノ粒子
３６…リンカー
３８…ＦＧ
４０…真空槽
４２…試料
４４…サセプタ
４６…マイクロ波照射部
４８…マイクロ波検出部
５０…電磁石
５２…磁場制御部
５４，５６…短パルスレーザ
５８…光検出部
６０…トリガパルス生成部
６２…信号処理部
【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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