(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローカルリンク光チャンネル（６２、６３）を介して左側及び右側の近傍ノードに光学的に結合可能な量子リピータ（１００；２１０）であって、
左側リピータ部（Ｌ）及び右側リピータ部（Ｒ）を提供する量子物理的ハードウェア（６０）と、
左側のLLE制御ユニット（７２）及び右側のLLE制御ユニット（７３）と、
最上位の制御構成（７７）
を備え、
前記左側リピータ部（Ｌ）と右側リピータ部（Ｒ）は、前記ローカルリンクチャンネル（６２、６３）を介して伝送される光場によって左側の近傍ノード中の量子ビットと右側の近傍ノード中の量子ビットとそれぞれエンタングルするための左側の量子ビットと右側の量子ビットをそれぞれ支持し、これによって、それぞれのローカルリンクエンタングルメント（LLE）を形成するように構成され、前記量子物理的ハードウェア（６０）は、左側の量子ビット及び右側の量子ビットに局所的に作用することによって、該左側の量子ビットと該右側の量子ビットをそれぞれ含む２つのエンタングルメントをマージするように動作し、
前記左側のLLE制御ユニット（７２）及び右側のLLE制御ユニット（７３）は、左側の近傍ノード及び右側の近傍ノードと協働して左側及び右側のLLEを生成するように前記量子物理的ハードウェア（６０）を制御し、
前記最上位の制御構成（７７）は、前記量子リピータ（１００、２１０）が前記左側の近傍ノードからトリガー（９９）を受け取ったことに応答して、左側の量子ビットと右側の量子ビットがそれぞれ左側と右側にエンタングルされることが少なくとも予測されるときに、該左側の量子ビットと該右側の量子ビットをそれぞれ伴うエンタングルメントのマージを開始できるように動作し、該最上位の制御構成（７７）はさらに、エンタングルメントの前記マージが完了するのを待たずに前記右側の近傍ノードに前記トリガーを送るように動作する、量子リピータ。
【請求項２】
前記量子物理的ハードウェア（６０）は、複数の左側の量子ビットと複数の右側の量子ビットとのうちの少なく一方を提供し、前記最上位の制御構成（７７）は、エンタングルしていることがわかっているかまたはエンタングルメントしていることが予測される左側の量子ビットと右側の量子ビットに関して、エンタングルメントの前記マージを開始するように構成される、請求項１の量子リピータ。
【請求項３】
前記左側のリピータ部（Ｌ）と前記右側のリピータ部（Ｒ）は互いに相補関係の形態をなし、それらのリピータ部の一方のリピータ部（ＬまたはＲ）は、光場を生成し、該光場をそれの量子ビットを通過させ、その後、ローカルリンクチャンネルを介して該光場を伝送するように動作し、他方のリピータ部（ＲまたはＬ）は、ローカルリンクチャンネルを介して光場を受け、該光場をそれの量子ビットを通過させ、その後、該光場を測定するように動作する、請求項１の量子リピータ。
【請求項４】
前記左側のリピータ部（Ｌ）及び前記右側のリピータ部（Ｒ）の一方のリピータ部（ＬまたはＲ）が、複数のフュージリアＱ−ブロック（９３）及び光学的構成体（６１）を備え、
該一方のリピータ部において、前記複数のフュージリアＱ−ブロックの各々は、１つのフュージリア量子ビットを支持し、及び、光場を該フュージリア量子ビットを通過させるように構成され、前記光学的構成体（６１）は、フュージリア量子ビットを通過した光場を対応するローカルリンクチャンネル（６３）に順序正しく結合し、
前記LLE制御ユニット（７３）のうちの対応するLLE制御ユニットは、該一方のリピータ部を制御して、それぞれの光場が前記フュージリア量子ビットを協調して通過するようにし、これによって、前記ローカルリンクチャンネル（６３）において狭い間隔で並んだ光場の出力列（２２８）が生じるように構成され、
前記左側のリピータ部（Ｌ）及び前記右側のリピータ部（Ｒ）の他方のリピータ部（ＲまたはＬ）が、ターゲットＱ−ブロック（９４）及び光学的構成体（６１）を備え、
該他方のリピータ部において、前記ターゲットＱ−ブロック（９４）は、ターゲット量子ビットを支持し、及び、該ターゲット量子ビットを通過した光場を測定し、これによって、該ターゲット量子ビットが成功裏にエンタングルしたか否かを判定するように構成され、前記光学的構成体（６１）は、対応するローカルリンクチャンネル（６２）を前記ターゲットＱ−ブロック（９４）に結合して、前記ローカルリンクチャンネル（６２）を介して近傍ノードから受け取った光場の入力列（２２８）中の光場を、前記ターゲット量子ビットを通過させて、該光場を測定できるようにし、
前記LLE制御ユニット（７２）のうちの対応する１つのLLE制御ユニットは、該他方のリピータ部を制御して、前記列（２２８）中の第１の光場が前記ターゲット量子ビットを通過して該ターゲット量子ビットと相互作用できるようにし、その後、前記ターゲットＱ−ブロック（９４）が、先行する光場が前記ターゲット量子ビットをエンタングルするのに失敗したことを示したときに、次の光場を該ターゲット量子ビットを通過させて、該光場が該ターゲット量子ビットと相互作用できるようにすべく構成され、該LLE制御ユニットは、前記ターゲットＱ−ブロック（９４）が前記ターゲット量子ビットが成功裏にエンタングルしたことを示したのに応答して、前記ターゲット量子ビットを成功裏にエンタングルした前記列中の光場を特定する情報を、前記列の送信元の近傍ノードに送り、これによって、前記ターゲット量子ビットとエンタングルしたフュージリア量子ビットを特定できるようにすることからなる、請求項１の量子リピータ。
【請求項５】
フュージリアＱ−ブロックの数ｆが、
Psuccess≦１−（１−ｓ）f
という不等式を満たし、
ここで、
ｓは、所定の動作環境において１つの光場でエンタングルメントを成功裏に生成する確率であり、
Psuccessは、１つの光場列でターゲット量子ビットを成功裏にエンタングルする望ましい確率であって、少なくとも９９％であるように選択される、請求項４の量子リピータ。
【請求項６】
前記トリガーとして作用する先駆信号（９９）が前記入力列（２２８）に先行して送られ、前記他方のリピータ部（ＲまたはＬ）は、前記先駆信号を受信して、前記先駆信号を受信したことを前記最上位の制御構成（７７）に伝えるように構成される、請求項４の量子リピータ。
【請求項７】
累積パリティ情報で変調された先駆信号（９９）が前記入力列（２２８）に先行して送られる、請求項４の量子リピータであって、前記累積パリティ情報を抽出し、該パリティ情報を局所パリティ情報と結合して新たな累積パリティ情報を生成し、及び、前記出力列（２２８）に先行する先駆信号（９９）を該新たな累積パリティ情報で変調するように構成される量子リピータ。
【請求項８】
前記先駆信号（９９）の受信が、前記最上位の制御構成（７７）によって、前記リピータと前記先駆信号を送信したノードとの間にLLEが存在すること、または、すぐにLLEが存在するようになることを示すものとして解釈され、前記最上位の制御構成（７７）は、前記リピータの他方の近傍ノード中のターゲット量子ビット（９４）とエンタングルしている前記リピータのフュージリア量子ビット（９３）を特定する前記情報を該他方の近傍ノードから受け取ると該他方の近傍ノードとのLLEが存在すると判定する、請求項６の量子リピータ。
【請求項９】
前記トリガーの受信後に、前記最上位の制御構成（７７）は、前記フュージリアＱ−ブロック（９３）を含む前記リピータ部（Ｒ）に関連付けられているLLE制御ユニット（７３）に、光場の前記出力列（２２８）の生成を開始させるように構成される、請求項４の量子リピータ。
【請求項１０】
前記最上位の制御構成（７７）は、
エンタングルメントの前記マージ処理に関するマージパリティ情報と、
エンタングルメントの前記マージ処理の対象である前記量子ビットを含むLLEに関するパリティ情報
に基づいてパリティ情報を格納するように構成され、
前記最上位の制御構成（７７）はさらに、一方の近傍ノードから累積パリティ情報を受け取って、該制御構成に格納されているパリティ情報と前記受け取った累積パリティ情報を結合して更新された累積パリティ情報を形成し、及び、該更新された累積パリティ情報を他方の近傍ノードに送るように構成される、請求項１の量子リピータ。
【請求項１１】
ノードのチェーンから構成され、該チェーンの左側の端部ノード（８１Ｌ、８１Ｒ）中の使用可能な量子ビットと該端部ノードの反対側にある右側の端部ノード（２１１Ｌ、２１１Ｒ）中の使用可能な量子ビットとの間にエンドツーエンドエンタングルメント（８９、２１４）を生成するためのシステムであって、
前記チェーンの中間ノードは、請求項１乃至１０のいずれかの量子リピータ（１００；２１０）によって形成され、各々の量子リピータは、ローカルリンク光チャンネル（６２、６３）によって近傍ノードに結合され、
一方の端部ノード（８１Ｌ、２１１Ｌ）は、エンドツーエンドエンタングルメントを生成するために、前記チェーン中の該一方の端部ノードの近傍にある中間ノードに前記トリガー（９９）を送ることによってエンドツーエンド動作サイクル（Φ）を開始するように構成され、
前記中間ノードは、前記トリガーを前記チェーンに沿って全てのノードに伝えるように動作する、システム。
【請求項１２】
各端部ノード（８１Ｌ、８１Ｒ；２１１Ｌ、２１１Ｒ）はある量子ビットを提供するように構成された出力バッファ（１６５、１７５）を備え、該端部ノードの使用可能な量子ビットを解放するために、該使用可能な量子ビットに留められているエンドツーエンドエンタングルメントの端部を該ある量子ビットへと移動させることができる、請求項１１のシステム。
【請求項１３】
光チャンネルによって結合されたノードチェーンの対向する端部ノード（８１Ｌ、８１Ｒ；２１１Ｌ、２１１Ｒ）中の量子ビット間にエンドツーエンドエンタングルメント（８９、２１４）を生成するための方法であって、前記チェーンの中間ノードは量子リピータ（１００；２１０）であり、
前記チェーン中の近傍ノードの各対中の量子ビット間にローカルリンクエンタングルメント（LLE）（８３〜８６）を生成するステップであって、前記LLE（８３〜８６）は、前記量子ビットと前記ノード間を伝送された光場との相互作用によって生成される、ステップと、
トリガー（８２）を前記チェーンに沿って一方の端部ノード（８１Ｌ；２１１Ｌ）から伝送することによって、量子リピータ（１００；２１０）の各々が２つのエンタングルメントのマージを開始することを含む最上位の動作サイクル（１４０）を順次実行できるようにするステップであって、該２つのエンタングルメントの各々は前記リピータのそれぞれの量子ビットを含み、前記２つのエンタングルメントの前記マージは、該それぞれの量子ビットと、前記チェーンに沿って前記リピータから互いに反対方向に配置されたノード中の量子ビットがエンタングルすることが少なくとも予測されるときに開始され、各リピータ（１００；２１０）は、該リピータがエンタングルメントの前記マージを遂行するまで待たずに前記トリガー（８２）を送る、ステップ
を含み、これらのステップが、非協調関係または協調関係で実施される、方法。
【請求項１４】
各リピータ（１００；２１０）は、前記トリガー（８２）を受け取ると、前記チェーンに沿って前記一方の端部ノード（８１Ｌ；２１１Ｌ）から遠ざかる方向にある近傍のノードとのLLE生成を開始する、請求項１３の方法。
【請求項１５】
以下のステップによって近傍ノード（９１、９２）の各対間にLLEを生成する請求項１４の方法。
それぞれの光場を、ノードの各対の一方のノード（９１）中の複数のフュージリア量子ビット（９３）を通過させて、前記ノードの対間の前記光チャンネル（９５）へと送るステップであって、前記光場は、狭い間隔で並んだ光場の列（９８）が前記光チャンネル（９５）に沿って伝送されるように生成及び編成される、ステップと、
ノードの各対の他方のノード（９２）において、前記ノードの対間の前記光チャンネル（９５）を介して前記列（７８）中の光場を受け取り、ターゲット量子ビット（９４）がエンタングルしていない間に、光場の各々を、前記ターゲット量子ビット（９４）を順に通過させて、該ターゲット量子ビット（９４）と相互作用できるようにし、その後、光場の各々を測定して、前記ターゲット量子ビットがエンタングルしているか否かを判定するステップと、
前記ターゲット量子ビット（９４）が成功裏にエンタングルすると、列（９８）中の他の光場と前記ターゲット量子ビットとの相互作用を阻止し、及び、前記ターゲット量子ビットを成功裏にエンタングルした光場を識別し、これによって、前記ターゲット量子ビット（９４）とエンタングルしたフュージリア量子ビット（９３）の特定を可能にするステップ。
【請求項１６】
前記トリガーは、ノードの各対のうちの前記一方のノードによって伝送される光場列（２２８）に先行する先駆信号（９９）の形態をとる、請求項１５の方法。
【請求項１７】
各先駆信号（９９）が累積パリティ情報で変調され、さらに、ノードの各対の他方のノード（９２）は、該累積パリティ情報を抽出して、該累積パリティ情報を局所パリティ情報と結合して新たな累積パリティ情報を形成し、及び、該新たな累積パリティ情報を送る先駆信号（９９）を該新たな累積パリティ情報で変調する、請求項１６の方法。
【請求項１８】
近傍ノードの前記対の他方のノード（９２）が量子リピータであり、前記量子リピータによる前記先駆信号（９９）の受信が、前記ノードの前記対間にLLEが存在すること、または、すぐにLLEが存在するようになることを示すものとして解釈され、前記リピータは、前記リピータの他方の近傍ノード中のターゲット量子ビット（９４）とエンタングルしている前記リピータのフュージリア量子ビット（９３）を特定する情報を該他方の近傍ノードから受け取ると該他方の近傍ノードとのLLEが存在すると判定する、請求項１６の方法。
【請求項１９】
前記一方の端部ノード（８１Ｌ；２１１Ｌ）は一定の間隔でトリガー（８２）を送出することによって、それぞれのエンドツーエンド動作サイクル（Φ）においてエンドツーエンドエンタングルメントが継続的に生成されるようにする、請求項１５の方法。
【請求項２０】
前記エンドツーエンド動作サイクル（Φ）は、任意の１つのリピータの最上位の動作サイクルが互いにオーバーラップしないように、時間的にオーバーラップする、請求項１９の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子リピータ、及び、拡張されたエンタングルメントを生成するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子情報システムでは、情報は、量子系の「状態」に保持される。量子系は、典型的には、量子ビットまたは「キュービット」と呼ばれる１単位の量子情報を提供する２レベル量子系である。離散的である古典的なデジタル状態とは異なり、量子ビットは、離散状態に限定されず、任意の所与の時点において２つの状態が重なった状態をとることができる。
【０００３】
量子ビットに対して任意の２レベル量子系を用いることができ、単一の光子（フォトン）の偏波状態、電子スピンの状態、核スピンの状態、及び、光のコヒーレント状態に基づく物理的実装を含むいくつかの物理的実装が実現されている。
【０００４】
量子ネットワーク接続は、離れたところにある端部ノード間の量子情報の通信を提供する。そのような接続を、量子コンピュータのネットワークキング、並びに、量子チャンネル（チャンネルはチャネルともいう。以下同じ）及び認証された（しかし必ずしも秘密にはされない）保全性の古典的チャンネルが、秘密でランダムな共有された古典的ビットを生成するために使用される「量子鍵配送」（QKD）などに使用することが可能である。一般に、量子ネットワーク接続を介して量子情報を伝送するために使用されるプロセスの性能は、伝送距離が長くなるにつれて劣化するため、端部ノード間（の距離）に上限が課される。通常、量子状態を複製することはできないので、古典的な意味におけるリピータ（中継器）を使用することによっては、端部ノード間の距離を長くすることはできない。
【０００５】
２つの隔置された場所間で量子情報を伝送する１つの方法は、「量子テレポーテーション」として知られている技術を使用する。これは、隔置された場所のそれぞれにあるベル対（Bell pair）として知られている２つのエンタングルした（すなわち、量子もつれを生じた）量子ビットを使用する。本明細書では、「エンタングルメント」という用語を、２つのエンタングルした量子ビットを意味するものとしても使用している。かかる分散したベル対の生成は、一般に、光チャンネル（たとえば、光ファイバなどの光導波路）を介して送られる光子によって媒介される。このプロセスには距離の制限があるが、２つの別個のベル対からのそれぞれの量子ビットが同じ場所に配置されている場合には、それらの同じ場所に配置されている量子ビット間で実行される局所的な量子操作（または量子演算）によってベル対を結合する（すなわち「マージ」する）ことが可能である。このプロセスは、「エンタングルメントスワッピング」として知られており、ベル対の同じ場所に配置されていない２つの量子ビット間のエンタングルメントを生じる一方で、同じ場所に配置されている量子ビットは全くエンタングルしない。
【０００６】
同じ場所に配置されている量子ビットを収容（または支持）して、ベル対を結合する（ベル対をマージするともいう。以下同じ）ための局所的な量子操作（または量子演算）を実行する装置は「量子リピータ」と呼ばれる。量子リピータの基本的な役割は、２つの近接する隔置されたノードの各々でそれぞれのベル対を生成して、それらのベル対を結合することである。多数の量子リピータをチェーン（鎖）状に連結することによって、任意の距離だけ離れた端部ノード間にエンドツーエンド（すなわち、両端間）のエンタングルメントを生成することができ、これによって、任意の間隔で隔置された端部ノード間で量子情報を伝送することが可能になる。
【０００７】
QKDはエンタングルした状態（エンタングルメント状態）を直接必要とはしないが、量子リピータを使用することによる長距離間のベル対の生成によって長距離のQKDが容易になることを指摘しておく。さらに、分散型量子計算のほとんどの他の用途は、分散したベル対を使用する。
【０００８】
本発明は、離れた端点間のエンタングルメントの生成を容易にするための、隔置された量子ビット間のエンタングルメントの生成、並びに、量子リピータの形成、管理、及び相互作用に関する。
【０００９】
本発明によれば、請求項１に記載されているような量子リピータが提供される。該量子リピータは、チェーン状に連結された一連のノード、すなわちノードチェーン中の中間ノードとして使用可能であって、該ノードチェーンの（２つの）端部ノードにおける量子ビット間のエンドツーエンド（すなわち、両端間）エンタングルメントを可能にする。
【００１０】
ノードチェーンの（２つの）端部ノードにおける量子ビット間のエンドツーエンドエンタングルメントを生成する方法も提供され、この場合、該ノードチェーン中の中間のノード（中間ノード）は量子リピータであり、該方法は、たとえば請求項１３に記載されている。
【００１１】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を説明するが、それらの実施形態は本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】２つの量子ビットをエンタングルするための既知の操作を示す図である。
【図１Ｂ】既存のエンタングルメントを拡張して、元々はエンタングルしていた量子ビットの１つと新しい量子ビットとを含む新しいエンタングルメントを生成するための延長操作を示す図である。
【図１Ｃ】既存のエンタングルメントを別のエンタングルメントと結合して元のエンタングルメントの各々からの１つの量子ビットを含む新しいエンタングルメントを生成することによって、該既存のエンタングルメントを拡張するためのマージ操作（結合操作）を示す図である。
【図２】隔置されたそれぞれのノードに配置された２つの量子ビット間でエンタングルメント操作を実行するためのエンタングルメント生成サブシステムを示す図である。
【図３Ａ】図１Ａのエンタングルメント操作を単独で用いた場合に可能な距離よりも長い距離離れた２つの量子ビット間でエンタングルメントを生成するために、量子リピータをどのように使用できるかを示す図である。
【図３Ｂ】任意の間隔で隔置されたノード対間で拡張されたエンタングルメントを生成するために、一連の量子リピータ（量子リピータのチェーン）をどのように使用できるかを示す図である。
【図４】種々の量子相互作用を実行するための（本明細書では「Ｑブロック」と呼ぶ）基本的な量子物理的ハードウェアブロックの３種類の形態を示す図である。
【図５】Ｑブロックを用いた図２のエンタングルメント生成サブシステムの１実施例を示す図である。
【図６】量子リピータの量子物理的ハードウェアの一般的な図である。
【図７】本発明の量子リピータの実施形態の一般的な形態を示す図である。
【図８】５つのノードが光学的に結合されたノードチェーン（一連のノード）の端部ノード間にエンドツーエンドエンタングルメントを生成するための本発明を具現化するプロセス（処理）の連続する２つの動作サイクルを示す図であり、該ノードチェーンの中間ノードは図７の形態の量子リピータである。
【図９】図７の形態の量子リピータで使用するための信頼性の高いローカルリンクエンタングルメント生成サブシステムを示す図である。
【図１０】第１の量子リピータの実施形態を示す図であり、この実施形態のローカルリンクエンタングルメント生成は図９の形態のサブシステムに基づく。
【図１１】２つのLLE生成サブシステムを形成するために、図１０の量子リピータが近傍のノードとどのように連携するかを示す図である。
【図１２】近傍のリピータ間にLLE生成サブシステムを提供するために、図１０の量子リピータをどのように光学的に直列に結合できるかを示す図である。
【図１３Ａ】図１０の量子リピータ実施形態の量子物理的ハードウェアの第１の実施例を示す図である。
【図１３Ｂ】図１０の量子リピータ実施形態の量子物理的ハードウェアの第２の実施例を示す図である。
【図１４】図１０の量子リピータのマージ制御ユニットの例示的な状態マシンの状態遷移図である。
【図１５】図１０の形態の量子リピータノードを有する図８のノードチェーンの場合について、図８に示す第１のエンドツーエンド動作サイクルをより詳細に示す図である。
【図１６】図１０の量子リピータによって形成された中間ノードを有するノードチェーンの右側の端部ノードの１実施例を示すグラフである。
【図１７】図１０の量子リピータによって形成された中間ノードを有するノードチェーンの左側の端部ノードの１実施例を示すグラフである。
【図１８】リピータチェーン（チェーン状に連結された一連のリピータ）を形成するために、図１０の実施形態に基づいて２つの相補的なタイプのリピータをどのように結合できるかを示す図である。
【図１９】図１０の形態の量子リピータの基礎とすることができる代替的なローカルリンクエンタングルメント生成サブシステムを示す図である。
【図２０】量子リピータノードのチェーン（チェーン状に連結された一連の量子リピータノード）のセグメント化の１例を示す図である。
【図２１】図１５に類似の図であるが、ノードチェーンが信頼性のないローカルリンクエンタングルメント生成サブシステムに基づく量子リピータノードを有する場合の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
基本的なエンタングルメント生成及び拡張操作
エンタングルメント操作（図１Ａ）
図１Ａは、大まかに言えば、２つの量子ビットqb1、qb2（参照番号１で示されている）をエンタングルしてベル対を生成するための既知のプロセス（本明細書では「エンタングルメント操作」という）を示している。図１Ａは、エンタングルメント操作中に取得されたスナップショット（ａ）〜（ｇ）を時系列で示している。この例では、量子ビットqb1、qb2は、数ミリメートルよりも長い距離だけ分離されており、ベル対の生成は、自由空間または光ファイバー４などの導波路を介して送ることができる光子によって媒介される。非常に大まかに言えば、ベル対生成プロセスを、非常に少ない量の光（単一の光子、光子の対、または、光子が極めて少ないレーザーパルス）を用いるプロセスと、レーザーなどのコヒーレント源からの多くの光子からなるパルスを用いるプロセスに分割することができる。当業者には理解されるように、光子を生成し、エンタングルメント操作を実行し、及び、測定を行う方法の細部は、非常に少ない量の光と多くの光子からなるレーザーパルスとのどちらを使用するかに依存して異なる。しかしながら、そのような任意のアプローチを用いて本発明を実施することができるので、以下の説明は、ベル対を生成する（及び、その後、拡張する）ために使用される「光場（light field）」という用語で（それらの光子乃至パルスを）簡単に表現している。
【００１４】
図１Ａをより詳細に検討すると、放射源２から放射された光場５（スナップショット（ａ））は、予め準備されている非古典的状態（たとえば、０、＋１）にある物理ビット（physical qubit。または物理的量子ビット）qb1を通過する（スナップショット（ｂ））。典型的には、この物理ビットは電子スピンとして実現され、この場合、電子は、光場が通過する直前に所定の状態に設定される。光場５と量子ビットqb1が相互作用して、光場５は、量子ビットqb1の量子状態を有効に「捕捉」する。光場５は次に、光ファイバー４を伝送して（スナップショット（ｃ）及び（ｄ））、量子ビットqb2と相互作用し（スナップショット（ｅ））、その後、検出器３で測定される（スナップショット（ｆ））。これらが成功すると、量子ビットqb1から量子ビットqb2に量子状態が「移行」して、これらの量子ビットがエンタングルされる（図１Ａでは、このエンタングルメントは、弧状の両矢印８によって表されており、この表現形式は、エンタングルメントを示すために図面全般を通じて使用されている）。検出器３によって測定された光場５の特性によって、エンタングルメント操作が成功したか否かを判定することができる。エンタングルメント操作の成功または失敗が、古典的（非量子）メッセージ９によってファイバー４のqb1端へと戻される（スナップショット（ｇ））。このメッセージは非常に簡単な形態もの（たとえば、単一パルスの有無）とすることができる。本明細書で使用される「メッセージ」という用語には、そのような簡単な形態のものも、任意の複雑さを持つ（処理時間の制約を受ける）構造化メッセージも含まれる。メッセージ９が、いくつかの量子ビットの中から特定の量子ビットを特定し、かつ、エンタングルメント操作の成功または失敗を特定する必要がある実施形態でも、該メッセージは、単一パルスの有無という形態を依然としてとることができ、その場合、単一パルス無しのタイミングを用いて対象としている量子ビットを特定することができる。エンタングルメント操作の成功／失敗に関する情報をファイバー４のqb1端に戻す必要がある場合（または、含まれている量子ビットを特定する必要がある場合）には、エンタングルメント操作の全経過時間は、エンタングルメント操作が成功した場合でも、少なくともファイバー４をたどる往復伝搬時間である。
【００１５】
量子ビットqb2が既に別の量子ビットとエンタングルされているか否かに関係なく、量子ビットqb1とqb2をエンタングルするために、エンタングルメント操作を実行することができる（エンタングルメント操作がqb1とqb2との間で実行されるときに、qb2が既に別の量子ビットqbjとエンタングルしていた場合には、３つの量子ビットqb1、qb2、qbjの全ての状態がエンタングルされることになる）。
【００１６】
エンタングルメント操作が成功した場合には、検出器３によって測定された光場５の特性によって、qb1とqb2のエンタングルされた状態が相互に関連しているか否かの判定を行うこともできる。相互に関連しているか否かは、一般的には、エンタングルメントの「パリティ」として表される（偶数パリティと奇数パリティは、それぞれ、相互に関連している量子ビット状態、相互に関連していない量子ビット状態に対応する）。エンタングルメントのパリティは後で使用され場合があるので、該パリティを知っておくことは通常は重要である。そのため、いずれのパリティ情報も保存する必要があり、または、パリティが最終的には常に同じになることを確保するための手順を取る必要がある（たとえば、奇数パリティであると判定されると、qb2の状態を反転して偶数パリティを生成することによって、qb1とqb2の間のエンタングルメントのパリティを、最終的には常に偶数パリティにすることができる）。
【００１７】
実際には、２つのエンタングルされた量子ビットの相対的なパリティは、しばしば「一般化されたパリティ（generalized parity）」と呼ばれる2次元量であり、量子ビットパリティ値と共役量子ビットパリティ値の両方を含んでいる。図１Ａに示す単純なエンタングルメント操作の場合には、共役量子ビットパリティ値情報は、実際には偶数パリティであり、測定する必要はない。「一般化されたパリティ」は、該情報を表すのに２つの古典ビットを必要とする。（QKDなどの）いくつかの用途では、共役量子ビットパリティ値情報についての知識を不要とすることができる。以下では、「一般化されたパリティ」の要素の一方（すなわち、量子ビットパリティ値または共役量子ビットパリティ値）を明示的に参照している場合を除いて、「パリティ」という語の使用は、「一般化されたパリティ」を意味するが、適切な場合には、共役量子ビットパリティ値情報を省くことができることが前提とされている。
【００１８】
既に述べたように、量子ビットqb1及びqb2は、典型的には、電子スピンとして物理的に実現される。しかしながら、このようにして保存された量子情報の実際の寿命は非常に短く（累計して１０−６秒のオーダー）、したがって、一般的には、光場５とqb1及びqb2との相互作用の直後に、対象としている量子ビットの量子状態を、はるかに長い実効寿命（典型的には累計して１秒のオーダー）を有する核スピンに移行させる。後続の光場との相互作用のために（たとえば、後述する２つのエンタングルメントのマージを行うために）、量子状態を、後で電子スピンに戻すことができる。
【００１９】
注目すべき他の実用上の特徴は、物理ビット（物理的量子ビット）qb1及びqb2は、一般に、光場５が通過する場合以外は（シャッターで光を遮るなどによって）光が当たらないようにされるということである。ファイバー４のqb2端部においてこれを容易にするために（及び、量子ビットと光場５との相互作用の直前に、予め準備されている状態への該量子ビットの設定を起動するために）、光場５に先だって「先駆」光パルス６を送ることができる。この光パルスは、ファイバー１４のqb2端部で検出されて、量子ビットqb2のプライミングを起動（トリガ）するため、及び、その後の光場５との相互作用のための（たとえば、シャッターを開くことによる）光場の照射（または伝送）を起動（トリガ）するために使用される。この代わりとして、これらのタスクを起動する他の手段を用いることも可能である。
【００２０】
ベル対を成功裏に生成する確率、それに含まれるまたは関わる量子ビット間の距離、及び生成された対の忠実度の間の関係は複雑である。１例を挙げると、多くの光子からなるレーザーパルスの形態をなす光場を用いる１つの特定の構成では、量子ビット間の距離が１０ｋｍと２０ｋｍの場合に、それぞれ、忠実度が０．７７、０．６３８のベル対が生成され、この生成の成功の割合は、試行したうちの３８％〜４０％である。重要な点は、図１Ａに示されているエンタングルメント操作の距離は制限されているということである。簡単にするために、以下では、１０ｋｍの距離での成功確率が０．２５であると想定している。
【００２１】
LLE生成サブシステム（図２）
エンタングルメント操作を実行するためのコンポーネントのアセンブリ（組立体または集合）を、本明細書では、「エンタングルメント生成サブシステム」という。該アセンブリを、装置のある部分（または部品）内に局所的に実装すること、または、離れて配置された装置の部分（または部品）間に実装することができる（これらの装置を一般的にノードという）。図２は、２つのノード２１と２２が、光ファイバー２３によって光学的に結合される後者の場合の１例を示している。ファイバー２３などの光ファイバーは、本明細書で「ローカルリンク」ファイバー（または局所リンクファイバー）と呼ばれるノード間リンクを提供する。図２のノード２１、２２は、それぞれの量子ビットqb1、qb2を実現するためのコンポーネントを含んでいる（理解を簡単にするために、図２では、図１Ａと同じ量子ビットの名称乃至参照を使用している）。量子ビットqb1及びqb2は、qb1に関連付けられている放射源２、qb3に関連付けられている検出器３、ローカルリンクファイバー２３、及び、各ノードにあるエンタングルメント−操作制御ロジック（不図示）と共に、量子ビットqb1とqb2の間にエンタングルメント８を生成するためのエンタングルメント生成サブシステム２５を形成する。ノード間のローカルリンクファイバーを通過する光場によって生成されるこのタイプのエンタングルメントを、本明細書では「ローカルリンクエンタングルメント」または「LLE」と呼ぶ。これに対応して、ノード間のエンタングルメント生成サブシステム２５を「LLE生成サブシステム」と呼ぶ。
【００２２】
延長操作（図１Ｂ）
図１Ａのエンタングルメント操作によって生成されるようなエンタングルメントを「拡張（または延長）」して、元々エンタングルしていた量子ビットのうちの１つと新しい量子ビットを含む新たなエンタングルメントを生成することができる。この場合、後者の新しい量子ビットと元々エンタングルしていた量子ビットの間の距離に関しては、典型的には、元々エンタングルしていた量子ビットのうちの該１つとの間の距離の方が、その元々エンタングルしていた量子ビットのうちの他方との間の距離よりも長い。図１Ｂ及び図１Ｃは、量子ビットqb1とqb2（参照番号１で指示されている）との間の最初のエンタングルメント８を拡張して量子ビットqb1と別の量子ビットとの間にエンタングルメントを形成する２つのやり方を示している。いずれのやり方も、光場を種々の量子ビットを通過させた後、その光場を測定することを含む。しかしながら、簡単にするために、光場自体、及び、該光場を伝送するために典型的に使用される光ファイバーは、図１Ｂ及び図１Ｃからは省かれている。
【００２３】
図１Ｂは、本明細書において「延長操作」と呼ぶエンタングルメント拡張プロセスを、時系列に並べたスナップショット（ａ）〜（ｄ）で示している。一般的には、延長操作は、既存の第１のエンタングルメントのうちのある量子ビットを、該第１のエンタングルメントには含まれていない量子ビット（しかし、この量子ビットは、既に別のエンタングルメントに含まれている場合がある）とエンタングルメントして結合された一連のエンタングルメントを形成し、その後、測定によって該一連のエンタングルメントから中間の量子ビット（すなわち、拡張された該第１のエンタングルメントの端部にある量子ビット）を除去して、該第１のエンタングルメントのうちの残りの量子ビットと新たにエンタングルした量子ビットとの間に「拡張された」エンタングルメントを残すことをさらに含む。図１Ｂは、該第１のエンタングルメントには含まれていない量子ビットがそれ自体まだエンタングルしていない最も単純な場合の延長操作を示している。より具体的には、図１Ｂのスナップショット（ａ）に示すように、量子ビットqb1及びqb2（いずれも参照番号１で指示されている）を含む既存のエンタングルメント８の量子ビットqb2は、エンタングルメント操作によって量子ビットqb3（参照番号１０で示されている）とさらにエンタングルされる。このエンタングルメント操作は、光場を放射源２によって放射して、量子ビットqb2及びqb3を通過させた後、該光場を検出器３で測定することを含む。スナップショット（ｂ）は、こうして生じたqb2とqb3の間のエンタングルメント１１を示している。エンタングルメント８と１１は、結合された一連のエンタングルメントを形成し、これは、すなわち、qb1、qb2及びqb3の状態が今や互いにエンタングルしていることを意味する。次に、光場を放射源２からqb2まで送り、検出器３で該光場を検出することによって、中間にある量子ビットqb2に対して、本明細書では「Ｘ測定」（図１Ｂでは参照番号１２で指示されている）と呼ぶ特定のタイプの測定を実施し、これによって、qb1とqb3とのエンタングルメントを維持したまま、qb1とqb3とのエンタングルメントからqb2を除去する（スナップショット（ｃ）参照）。Ｘ測定１２の１つの特徴は、該測定が、エンタングルしている量子ビットqb1とqb3の量子状態以外の量子状態に関する情報を提供しないようなやり方でなされることにある。たとえば、「a|000＞＋b|111＞」（ａ、bは確率振幅）のような量子ビットqb1、qb2、及びqb3間の結合状態の場合、量子ビットqb2に対するＸ測定は、qb1とqb3の間のエンタングルメントについて、「a|00＞＋b|11＞」（Ｘ測定の結果が＋１の場合）、または、「a|00＞−b|11＞」（Ｘ測定の結果が−１の場合）のいずれかの状態を与えるであろう。この測定は、aまたはbに関する情報を何も与えない。
【００２４】
Ｘ測定１２を実施してエンタングルメントからqb2を削除した後、拡張されたエンタングルメントがqb1とqb3の間に残される。この拡張されたエンタングルメントは、図１Ｂのスナップショット（ｄ）に中程度の厚さの線で描かれた弧１３として示されている。
【００２５】
拡張されたエンタングルメント１３のパリティは、エンタングルメント８及び１１のパリティと、Ｘ測定から決定された共役量子ビットパリティ値の組み合わせである（上記の例では、Ｘ測定は＋１または−１という結果を与えるが、＋、−の符号が共役量子ビットパリティ値である）。偶数パリティ及び奇数パリティのそれぞれについて、量子ビットパリティ値情報及び共役量子ビットパリティ値情報の各々が２進値「０」及び「１」によって表される場合には、拡張されたエンタングルメントの量子ビットパリティ値情報及び共役量子ビットパリティ値情報は、対応するコンポーネントパリティ（それぞれのパリティ値情報を構成するパリティ）のそれぞれのXOR（排他的OR）結合である。
【００２６】
図１Ｂの延長操作と機能的に等価な結果を、最初にqb3をqb2とエンタングルさせることによって得ることができるが、これを、媒介する光場を最初にqb3を通過させ、次に、qb2に対するＸ測定を実行することによってエンタングルメントからqb2を除去するようにするエンタングルメント操作を用いて行うことができることに留意されたい。本明細書では、言語上の明瞭化のために、（Ｘ測定を不可欠のものとして伴う）「延長操作」は、延長操作の一部として実行される最初のエンタングルメントが、拡張されるエンタングルメントの量子ビットを最初に通過する光場によって実施される場合のみを含む。上記の延長操作に機能的に等価なものは、別個のエンタングルメント操作及びＸ測定操作として扱われる。
【００２７】
かなりの距離だけ隔置された２つの量子ビット間にエンタングルメントを生成することを目的とする場合には、図１Ｂに関して説明した延長操作はそれだけでは有効ではない。なぜなら、それぞれのエンタングルメント操作（図１Ｂの（ａ）参照）が失敗すれば、拡張される既存のエンタングルメント（図１Ｂのエンタングルメント８）が破壊されてしまうからである。実際には、拡張されたエンタングルメント１３が成功裏に生成される確率は、エンタングルメント８及び１１のそれぞれを生成するために使用されるそれぞれのエンタングルメント操作の成功確率の積である。既に述べたように、エンタングルメント操作が成功する確率は距離に関係しているため、延長操作だけを用いて長距離にわたってエンタングルメントを成功裏に生成して、最初のエンタングルメントを成功裏に拡張できる可能性は低い。同じ問題は、上記の延長操作の機能的等価物についても存する。
【００２８】
マージ操作（図１Ｃ）
より良いアプローチは、図１Ｃに示すマージ操作を用いて、それぞれがかなり長い距離にわたる（複数の）別個に生成されたエンタングルメントを結合することである。このアプローチによれば、そのようなエンタングルメントを生成する試みの１つが失敗しても他のエンタングルメントは破壊されないので、個々のエンタングルメントに関連する成功確率が効果的に分離される。もちろん、個々のエンタングルメントを結合するために使用されるマージ操作は、有効であるためには、それ自体信頼性が高いものでなければならないが、これは、非常に短い距離にわたって該マージ操作を実行することによって達成される。
【００２９】
図１Ｃは、スナップショット（ａ）〜（ｅ）の時系列を用いて、量子ビットqb1とqb2の間に存在するエンタングルメント８を、量子ビットqb4（参照番号１４で指示されている）とqb5（参照番号１５で指示されている）の間に存在する別のエンタングルメント１６と結合（マージ）することによって「拡張（または延長）」して、qb1とqb5の間に「拡張されたエンタングルメント」（図１Ｃの中程度の厚さの線で描かれている弧１９）を生成するためのマージ操作の実施形態の1例を示す。量子ビットqb2とqb4は互いに近接して（典型的には、互いに数十ミリメートル以内の位置に）配置されている。エンタングルメント８及び１６が生成される順番は問題ではない（実際に、それらを同時に生成することができる）。必要なのは、両方のエンタングルメントが同じ時点において使用できる条件で存在するということだけである。そのような時点において、エンタングルメント８と１６は、量子ビットqb2とqb4に対して局所的に実行される量子操作（または量子演算）によって「マージ（結合）」される。（LLE８、１６がそれぞれ生成された直後に量子ビットqb2、qb4の量子状態が電子スピンから核スピンに移行した場合には、マージ操作が実行される前にそれらの状態を電子スピンに戻す必要がある）。この局所的マージ操作は、放射源２によって光場を放出し、続いて、該光場を２つの量子ビットqb2とqb4を通過させ（またはこの逆の順で通過させ）、その後、該光場を測定する（図１Ｃのスナップショット（ｂ）参照）ことによって実行される図１Ａのエンタングルメント操作のプロセスと同種の第１のプロセスを含む。この第１のプロセスは、成功すれば、（図１Ｃのスナップショット（ｃ）のエンタングルメント１７で示されているように）量子ビットqb2とqb4をエンタングルさせ、これによって、量子ビットqb1とqb5を互いにエンタングルするところの結合された一連のエンタングルメントが生成される。次に、１以上のＸ測定１８（図１Ｃのスナップショット（ｄ）参照）からなる第２の測定プロセスを用いて、エンタングルしている全体構成から中間にある量子ビットqb2及びqb4を除去して、量子ビットqb1とqb5の間の「拡張された」エンタングルメント１９を残す。量子ビットqb2及びqb4は最終的には、互いにエンタングルせず、量子ビットqb1、qb5ともエンタングルしない。マージ操作は、２つの同じ（またはほぼ同じ）場所にある量子ビット間の局所的な操作であるため、成功する確率は非常に高い。
【００３０】
マージ操作の一部として実施される測定は、結合（マージ）の成功または失敗の指標と、マージ操作の「一般化されたパリティ」の指標の両方を提供する。たとえば、マージ操作の第１のプロセスは量子ビットパリティ値を測定することができ、マージ操作の第２のプロセスは共役量子ビットパリティ値を測定することができる。この場合、該第２のプロセスを、量子ビットqb2とqb4の両方を通過する光場を用いる１つのＸ測定（この場合は、光場は、該第１のプロセスで使用される値（たとえば０、−１）とは異なる値（たとえば０、＋１）を有する）として、または、qb2及びqb4に対して個別に実施され、その後結合される個々のＸ測定として実施することができる。後者のアプローチが図１Ｃに示されている。拡張されたエンタングルメント１９のパリティは、エンタングルメント８及び１５のパリティとマージ操作のパリティの組み合わせである。上記と同様に、偶数パリティ及び奇数パリティのそれぞれについて、量子ビットパリティ値情報と共役量子ビットパリティ値情報の各々が２進値「０」及び「１」によって表される場合には、拡張されたエンタングルメントの量子ビットパリティ値情報及び共役量子ビットパリティ値情報は、対応するコンポーネントパリティ（それぞれのパリティ情報を構成するパリティ）のそれぞれのXOR（排他的OR）結合である。
【００３１】
マージ操作の成功もしくは失敗に関する情報は、端部の量子ビット位置へと古典的メッセージで伝送される。そうでなければ、これらの位置は、量子ビットqb1とqb5がエンタングルしているか否かを知らないからである。この代わりとして、マージ操作の失敗確率は通常は非常に低いので、成功したことを想定して、成功／失敗メッセージを送らないようにすることができるが、この場合は、エンタングルメントの不存在の原因となったマージの失敗を検出して補償することは、拡張されたエンタングルメント１９を使い果たすアプリケーションに委ねられる。通常は、エンタングルしている量子ビットを利用するために、拡張されたエンタングルメントのパリティを知っておく必要があるので、拡張されたエンタングルメント１９のパリティを決定するために必要とされるパリティ情報も、端部の量子ビット位置の一方または他方に伝送される。
【００３２】
図１Ｃに関して上述したマージ操作の形態は、事実上は、エンタングルメントからqb4を除去するためにqb4に対して実施されるＸ測定と共に、エンタングルメント８を拡張するためにqb2とqb4の間の非常に短い距離にわたって実行される延長操作であることが理解されよう（qb2は、該延長操作の一部として実行されるＸ測定によってエンタングルメントから除去されている）。もちろん、量子ビットqb3が、該量子ビットqb3へとエンタングルメント８が拡張されるまでは、それ自体エンタングルされない図１Ｂに例示する延長操作とは異なり、図１Ｃにおけるこれと等価な量子ビットqb4は第２のエンタングルメント１６に既に含まれている。しかしながら、既に述べたように、延長操作にはこの可能性が含まれる。
【００３３】
既に述べたように、マージ操作は、非常に短い距離にわたって実行され、それゆえ、高い成功確率を有する（図１Ｃの量子ビットqb2とqb3の間の）局所的な操作である。マージ操作には、１０−９秒のオーダー（程度）の時間がかかる。
【００３４】
量子リピータ（図３Ａ及び図３Ｂ）
実際には、基本的な（すなわちベースとなる）エンタングルメント操作を妥当な成功確率でもって利用できる距離よりも長い距離だけ分離されたそれぞれの端部ノードに配置された２つの量子ビット間に、拡張されたエンタングルメントを生成しようとするときには、それらの端部ノード間の距離に及んでいる基本的なエンタングルメントをマージ（結合）するために、量子リピータと呼ばれる１以上の中間ノードが使用される。量子リピータノードの各々は、図１Ｃの量子ビットqb2及びqb4に対応し、かつ、他のノードの量子ビットとのそれぞれのエンタングルメントに含まれている（すなわち関わっている）局所的な量子ビットの対に対してマージ操作を効果的に実施する。図３Ａは、左側の端部ノード３１と右側の端部ノード３２によって終端されたチェーンをなす（すなわち一連の）ノード中の１つのノードを形成するそのような量子リピータノード３０を示しており、ノード３１、３２は、それぞれ、エンタングルさせたい（が、それらがあまりに遠く離れているために、１つのエンタングルメント操作を用いて直接エンタングルすることができない）量子ビットqb1、qb5を収容している。この例では、該一連のノード（ノードチェーン）は、左側と右側の端部ノード３１、３２を含む３つのノードから構成されており、ノード３１、３２は、また、量子リピータ３０の左側と右側の近傍ノードを形成している。量子リピータ３０は、左側と右側のローカルリンク光ファイバー３３Ｌ、３３Ｒによって、それぞれ左側と右側の近傍ノード３１、３２に接続されている。本明細書を通じて使用されている「左側」及び「右側」という用語は、量子リピータを含む一連のノードの反対側（該一連のノードに沿った方向、該一連のノードのそれぞれの端部など）を識別するための便利なラベルとして単に使用されていることに留意されたい。
【００３５】
量子リピータ３０は、実際には、各々がそれぞれの量子ビットqb2、qb4（理解を容易にするために、図３Ａでは図１Ｃと同じ量子ビット表記が使用されている）を含む左側部分もしくは左側部、並びに右側部分もしくは右側部（図３Ａでは「Ｌ」、「Ｒ」とそれぞれラベル付けされている）を備える。左側の近傍ノード３１の量子ビットqb1及び量子リピータノード３０の量子ビットqb2は、それらのノード間に形成されて（図３Ａの弧状の破線の矢印８として示されている）、qb1とqb2の間に左側LLE８を生成するように動作するLLE生成サブシステムの一部である。同様に、右側の近傍ノード３２の量子ビットqb5と量子リピータノード３０のqb4は、それらのノード間に形成されて、qb5とqb4の間に右側LLE１６を形成するように動作するLLE生成サブシステムの一部である。
【００３６】
各LLEを生成するために使用される光場の伝送方向（左から右または右から左）は重要ではなく、このため、関連する放射源及び検出器を所望に応じて配置することができることに留意されたい。たとえば、LLE８及び１６を生成するのに必要な光場をいずれも量子リピータ３０から送り出すようにすることができるが、これは、放射源が量子リピータ３０内に配置され、検出器が左側の近傍ノード３１と右側の近傍ノード３２に配置されることを意味している。しかしながら、同じ形態の量子リピータの鎖状結合（チェーン化）を容易にするために、全ての光場がノードチェーンに沿って同じ方向に進むようにするのが便利である。たとえば、全ての光場が左から右へと進むように光場を配置することができ、この場合、量子リピータ３０の左側部Ｌは、左側LLE８を生成するための検出器を含み、右側部Ｒは、右側LLE１６を生成するための放射源を含むことになる。簡単にするために、特に明示しない限り、以下では、光場はノード間を左から右へと伝送することが想定されている。しなしながら、特許請求の範囲においては、光場の伝送方向は、任意の特定の方向には限定されず、また、異なるリンク間で光場の伝送方向が互いに同じでなければならないという限定もない（但し、そのような限定が、記載されているかまたは暗黙的に要求されている場合を除く）。
【００３７】
量子リピータ３０の動作時に、左側LLE８と右側LLE１６が任意の順番で生成された後に、量子ビットqb2及びqb4を伴う局所的なマージ操作３４が実行され、これによって、左側LLE８と右側LLE１６がマージされて、端部ノード３１及び３２のそれぞれの量子ビットqb1とqb5の間に拡張されたエンタングルメント１９が形成される。
【００３８】
必要であれば、マージ操作の成功または失敗に関する情報及びパリティに関する情報が、古典的メッセージ３５によって量子リピータ３０からノード３１、３２に送られる。
【００３９】
パリティ情報に関しては、ローカルリンクエンタングルメントのパリティが（必要に応じて量子ビット状態を反転することによって）統一されている場合には、マージパリティ情報だけを量子リピータによって送るだけでよく、ノード３１または３２はこの情報を利用することができる。しかしながら、LLEパリティ情報が単に格納されている場合には、量子リピータは、自身が持っているパリティ情報を全て送る必要がある。たとえば、左側LLE８と右側LLE１６のパリティが、量子リピータ３０とノード３２によってそれぞれ知られている場合には、量子リピータ３０は、LLE８に関するパリティ情報とマージパリティ情報の両方を、典型的にはそれら２つを結合した後に、ノード３２に送る必要がある。これがされると、ノード３２は、量子リピータ３０から受け取ったパリティ情報とLLE１６に関して既に知っているパリティ情報とを結合することによって、拡張されたエンタングルメントのパリティを決定することができる。
【００４０】
上記から、マージ操作自体は非常に速く（１０−９秒のオーダーで）行われるが、拡張されたエンタングルメント１９がノード３１、３２に有効に利用できるようになるまでには、一般的に、ノード３１、３２のうちの一番遠くにあるノードへのメッセージの伝搬時間に相当する遅延が存在することが理解されよう。
【００４１】
複数の量子リピータを鎖状に結合することによって、任意の距離で隔置されたノード対間に拡張されたエンタングルメントを生成することができる。図３Ｂは、このことを、左側及び右側の端部ノード３１、３２を含むＮ個のノードからなるノードチェーン、及び、（Ｎ−２）個の一連の量子リピータ３０（量子リピータの各々は、「QR」で表示されており、かつ、簡単にするために、Ｌ及びＲの量子ビットを表す２つの円を含む矩形で示されている）について示している。ノード３０〜３２は、（不図示の）光ファイバーによってチェーン状に相互接続されており、かつ、左から右へと番号が付けられている。すなわち、各ノードの番号ｎは、各ノードの下に付されており、ノード番号「ｊ」は、該チェーンに沿った任意のQRノード３０を表している。QRノードのノード番号を、ノードを識別するための添え字として使用することができる。したがって、「QRｊ」は、番号ｊの量子リピータノードを指す。このノード表記、番号付け、及び識別法は、本明細書全般を通じて使用される。
【００４２】
図３Ｂには、３つの既存のエンタングルメント３６、３７、３８が、それぞれのノード対の量子ビット間に示されている。便宜上、ノードチェーンに沿ったエンタングルメントを高レベルで参照するときには、本明細書では、特定のエンタングルメントは、量子ビット（これらの量子ビットの間にエンタングルメントが存在する）を保持しているノード対を参照することによって識別され、この参照は、２つの構成要素のノード番号からなる組の形態をとる。したがって、（Ｎ−１）とＮという番号が付された近傍ノード中の量子ビット間のローカルリンクエンタングルメント（LLE）であるエンタングルメント３８を、ノード番号の組｛（N-１），Ｎ｝によって識別できる。（図３Ｂで中程度の厚さの線で描かれた弧によって示されている）エンタングルメント３６と３７は、それぞれ、ノード対｛１，ｊ｝と｛ｊ，（N-1）｝の量子ビット間に存在する拡張されたエンタングルメントであり、これらのエンタングルメントは、LLEを結合（マージ）することによって生成されたものである。左側と右側の端部ノード３１、３２の量子ビット間のエンドツーエンド（本明細書では「E2E」と略記される）のエンタングルメント（図３Ｂの厚い線で描かれた弧３９を参照）を生成するために、先ず、エンタングルメント３６と３７をQRｊによって結合（マージ）し、次に、その結果生じた拡張されたエンタングルメントをQR（N-1）によってLLE３８と結合（マージ）することができる。代替的には、先ず、エンタングルメント３７と３８をQR（N-1）によって結合（マージ）し、次に、その結果生じた拡張されたエンタングルメントをQRｊによってエンタングルメント３６と結合（マージ）することができる。
【００４３】
エンタングルメント構築経路
エンタングルメントの「エンタングルメント構築経路」（EBP）は、拡張されていないエンタングルメントまたは拡張されたエンタングルメントの生成において使用される１つまたは複数の媒介する光場が通る全量子ビット間経路である。複数の経路セグメントがある場合（すなわち、経路が３つ以上の量子ビットを含んでいる場合）には、図３ＢのE2Eエンタングルメントを構築する方法の検討から明らかなように、光場は、必ずしも、それらのそれぞれのセグメントを順にたどる必要はない（図３Ｂの例では、エンタングルメント構築経路は、一連の量子リピータ（すなわち、量子リピータのチェーン）の左側と右側の量子ビットを介する、一方の端部ノードから他方の端部ノードまでの経路である）。
【００４４】
低レベル量子物理的ハードウェアの表現
量子ビットの物理的実現の特定の形態、並びに、エンタングルメント、延長、及びマージ操作を実行する方法の細部（たとえば、非常に少ない量の光を使用するか、多くの光子からなるレーザーパルスを使用するか）は、本発明には直接関係しないので、これらについては本明細書ではこれ以上説明しないが、それらの適切な実施例は当業者には既知である。その代わり、量子操作（または量子演算）を実施するための物理的ハードウェア（「量子物理的ハードウェア」）を、本明細書において「Ｑ−ブロック」と呼ぶ基本的なブロックに関して説明する。この量子物理的ハードウェアは、１つの量子ビット及び関連する光学的構成体の実現、並びにそれらとの相互作用を提供する。
【００４５】
図４は、それぞれ、４０、４２、４４で参照される３つのタイプのＱ−ブロックを示している。
【００４６】
Ｑ−ブロック４０は、量子ビットを具現化（または明らかに）し、及び、該量子ビットとの図１Ａの「捕捉」相互作用を実行する、すなわち、予め準備された（もしくは決められた）状態にある該量子ビットを通過するように光場の伝送を制御するために必要な物理的ハードウェアを表している。このタイプのＱ−ブロック（本明細書では、「捕捉Ｑ−ブロック」と呼び、図面では「Ｑ−ブロック（Ｃ）」と略記されている）は、量子ビット１０及び光場放射源１２、並びに適切な光学的配管（光導波路など）からなる物理的構成、量子ビットを予め決められた状態にし、及び、光場が入ることを許可されているとき以外は（たとえば、電気光学シャッターを用いて）該量子ビットに光場が当たらないようにする機能、（対象としている量子ビットの実現に適切な場合に）必要に応じて電子スピンから核スピンに（及びこの逆へと）量子ビット状態を移行させる機能、及び、「Fire（始動）」信号４１を受信したときに、捕捉Ｑ−ブロックの動作を、それの量子ビットを光場が通過するように（及び、該Ｑ−ブロックの外へ送るように）調整する制御機能を備える。
【００４７】
Ｑ−ブロック４２は、量子ビットを具現化（または明らかに）し、及び、該量子ビットとの図１Ａの「移行」相互作用を実行する、すなわち、予め準備された（もしくは決められた）状態にある該量子ビットを通過するように受け取った光場を伝送させた後該光場を測定するために必要な物理的ハードウェアを表している。このタイプのＱ−ブロック（本明細書では、「移行Ｑ−ブロック」と呼び、図面では「Ｑ−ブロック（Ｔ）」と略記されている）は、量子ビット１０及び光場検出器１３、並びに適切な光学的配管（光導波路など）からなる物理的構成、（たとえば、先駆光パルス６に応答して）量子ビットを予め準備された状態にし、及び、光場が入ることを許可されているとき以外は（シャッターなどを用いて）該量子ビットに光場が当たらないようにする機能、（対象としている量子ビットの実現に適切な場合に）必要に応じて電子スピンから核スピンに（及びこの逆へと）量子ビット状態を移行させる機能、及び、移行Ｑ−ブロックの動作を調整し、及び、測定結果４３を出力する制御機能を備える。
【００４８】
Ｑ−ブロック４４は、捕捉Ｑ−ブロック４０及び移行Ｑ−ブロック４２の両方のタイプの機能を組み込んでいる包括形態のＱ−ブロックであり、そのため、捕捉と移行の両方の相互作用を実行するのに使用することができる。便宜上、このタイプのＱ−ブロックを、本明細書では、修飾文字が何も付かない「Ｑ−ブロック」として参照し、捕捉Ｑ−ブロック４０または移行Ｑ−ブロック４２を使用することについて何らかの特定の指摘がされない限り、（実際には、関連する文脈において該Ｑ−ブロックが捕捉と移行の両方の相互作用機能を含んでいる必要はない場合であっても）通常参照されるのはこのタイプのＱ−ブロックである。当業者には、このような場合を認識すること、及び、現在の文脈中のＱ−ブロックによって要求されているのが捕捉のための相互作用（以下、捕捉相互作用という）機能か移行のための相互作用（以下、移行相互作用という）機能かを識別することに何の困難もないであろう。Ｑ−ブロックが捕捉タイプであるか移行タイプであるかに関してより具体的に指定しない１つの理由は、協働するＱ−ブロックが（一方のＱ−ブロックのタイプとは異なる）他方のタイプのものである場合には、いずれのタイプも使用できることが多いからである（それらのタイプの間の光場の伝送方向は重要ではない）。
【００４９】
タイプに関係なく、全てのＱ−ブロックは、Ｘmeas（Ｘ測定）信号４５の受信に応答してＸ測定を実行し、これによって、該Ｑ−ブロックを延長及びマージ操作において使用できるようにする機能を含む。この場合、Ｘ測定の結果はResult（結果）信号４３で提供される。Ｑ−ブロックが移行相互作用機能を有する場合には、Ｘ測定機能は、典型的には、移行相互作用機能に関連付けられている検出器２を使用する。もちろん、Ｘ測定機能はエンタングルメント操作には必要ではなく、したがって、Ｘ測定機能をそのような操作のためにのみ使用されるＱ−ブロックから省くことができる。
【００５０】
１つのノードに複数のＱ−ブロックがある場合には、Ｑ−ブロック間でいくつかのコンポーネントを共有する機会があることに留意されたい（たとえば、捕捉相互作用機能を有する複数のＱ−ブロックがある場合には、共通の光場放射源を、そのような全てのＱ−ブロックに使用することができる）。当業者には、そのようなコンポーネントの共有が可能である場合が理解されよう。
【００５１】
エンタングルメント操作は、移行相互作用機能を有するＱ−ブロック（移行Ｑ−ブロック４２または包括的Ｑ−ブロック４４）に光学的に結合された、捕捉相互作用機能を有するＱ−ブロック（捕捉Ｑ−ブロック４０または包括的Ｑ−ブロック４４）を含み、エンタングルメント操作は、捕捉相互作用機能を有するＱ−ブロックにFire信号４１を送ることによって開始され、該操作の成功／失敗は、移行相互作用機能を有するＱ−ブロックによって出力される結果信号４３で示される。
【００５２】
延長操作が実行される場合には、該延長操作の最初のエンタングルメント操作用コンポーネントもまた、捕捉相互作用機能を有するＱ−ブロック及び移行相互作用機能を有するＱ−ブロックを含む。全てのタイプのＱ−ブロックがＸ測定機能を備えているので、エンタングルメントからの中間にある量子ビットのその後の除去を、この量子ビットを実装（または実現）しているＱ−ブロックにXmeas信号を送信することによって実行することが可能である。この場合、測定結果は、このＱ−ブロックによって出力される結果信号４３で提供される。
【００５３】
マージ操作が実行される場合にも、捕捉相互作用機能を有するＱ−ブロック及び移行相互作用機能を有するＱ−ブロックが必要である。この場合も、全てのタイプのＱ−ブロックがＸ測定機能を備えているので、マージ操作に伴うエンタングルメントからの１または複数の量子ビットの除去が可能である。測定結果は、適切なＱ−ブロックによって出力される結果信号４３で提供される。
【００５４】
図５は、それぞれのＱ−ブロック４４を用いて実施された図２のLLE生成サブシステム２５を示す。それぞれのＱ−ブロック４４は、各ノード２１及び２２に設けられており、それらのＱ−ブロック４４は、ローカルリンクファイバー２３を介して光学的に結合される。各Ｑ−ブロック４４は、ノード２１のLLE制御ユニット５３及びノード２２のLLE制御ユニット５４によって形成された関連する制御ロジックを有している。図５に示されているＱ−ブロック４４は包括タイプであるので、エンタングルメントの生成に伴う光場のローカルリンクファイバー２３に沿った伝送方向は固定されていない。したがって、ノード２１のＱ−ブロック４４は捕捉Ｑ−ブロックとして、ノード２２のＱ−ブロック４４は移行Ｑ−ブロックとして、それぞれ機能することができ、あるいは、ノード２１のＱ−ブロック４４は移行Ｑ−ブロックとして、ノード２２のＱ−ブロック４４は捕捉Ｑ−ブロックとして、それぞれ機能することができる。
【００５５】
図５のLLE生成サブシステム２５において、それぞれのＱ−ブロック４４は、ローカルリンクファイバー２３に単に直接結合されている。しかしながら、多くの場合、ノードの現在の操作上の要件に依存して、光場を該ノードの１つまたは複数のＱ−ブロックへと／該Ｑ−ブロックから適切に導くために、該ノードに制御可能な光学的構成体（optical fabric:光ファブリックともいう）を設ける必要がある。たとえば、同じ外部ファイバーを共有するノードに複数のＱ−ブロックがある場合には、光学的構成体は、出ていく光場（出力光場）をその共通のファイバーに結合するか、または、入ってくる光場（入力光場）を該ファイバーから選択されたＱ−ブロックに導くことが必要になる場合がある。別の例では、光学的構成体は、（図３Ａのノード３０などの）量子リピータノードにおいて、Ｌ側のＱ−ブロック及びＲ側のＱ−ブロックを、LLEを生成するためのそれぞれの左側及び右側のローカルリンクファイバーとの光学的な接続状態から、局所的なマージ操作のための互いに光学的に接続された状態へと切り替えることが必要になる場合がある。
【００５６】
したがって、一般的には、ノードの量子物理的ハードウェア、すなわち、量子ビット、並びに、光場を介した量子ビットの相互作用を実施してサポートする物理的構成要素は、１以上のＱ−ブロックだけでなく、１または複数のＱ−ブロックが効果的に埋め込まれた光学的構成体を備える。１例として、図６に、量子リピータノードのそのような表現の１つを示す。図６では、量子物理的ハードウェア６０は、光場をＱ−ブロック４４へと／該Ｑ−ブロック４４から導くための光学的構成体６１を備えるものとして示されており、該Ｑ−ブロック４４は、光学的構成体６１内に存在するものとして示されており、ローカルリンクファイバー６２、６３は、該光学的構成体に直接結合されている。１つのＬ側Ｑ−ブロックと１つのＲ側Ｑ−ブロックが実線の外形で図示されており、設けることが可能な他のＬ側Ｑ−ブロック及びＲ側Ｑ−ブロックが破線の外形でそれぞれ図示されている。
【００５７】
本明細書で使用されている、（量子リピータに関して図６に示されている具体例などの）上記の一般化された量子物理的ハードウェア表現の任意の具体例は、含まれるＱ−ブロックの数及びタイプ並びにそれらの意図された役割に適した実施例であって、対象とする量子物理的ハードウェアの可能性のある全ての実施例を含むことが意図されている。（図６は、Ｑ−ブロックをＱ−ブロック４４、すなわち包括タイプのものとして示しているが、これは、単に、全ての可能性のある実施例を含むようにするためであり、量子リピータ中のＱ−ブロックが果たす役割の要件ではないことに留意されたい。特定の実施例は、Ｑ−ブロックの役割に応じた適切なＱ−ブロックの他のタイプを使用することができる。上記の一般化された量子物理的ハードウェア表現におけるＱ−ブロック４４をそのように使用することは、量子リピータ用の量子物理的ハードウェアの図６の表現には限定されない）。
【００５８】
量子物理的ハードウェアによって実行されることになる量子操作に依存して、該ハードウェアは、種々の制御信号を受信して結果信号を出力するように構成乃至配置される。量子リピータに適した図６の量子物理的ハードウェアブロック６０の場合には、該量子物理的ハードウェアは、エンタングルメント生成操作を制御するための「始動制御（firing control）」信号６４及び「ターゲット制御」信号６５を受信し、マージ操作を制御するための「マージ」信号６７を受信し、及び、それらの操作の結果を示す「結果」信号６６を出力するように構成乃至配置される。この信号６４〜６７を、特定のＱ−ブロックを示すようにパラメータ化することができる。後述の説明から明らかになるように、いくつかの量子リピータの実施形態では、ターゲット制御信号は必要ではない。図６の量子物理的ハードウェア６０の１実施例では、始動制御信号６４は、
・捕捉相互作用機能を有する１つ以上のＱ−ブロックをローカルリンクファイバーの１つに光学的に結合するように、光学的構成体６１を（まだそのように構成されていない場合には）適切に構成するためのセットアップ信号と、
・捕捉相互作用機能を有する１つ以上のＱ−ブロックによって光場の生成を起動するための上述した１つまたは複数の「Fire（始動）」信号
の両方を含み、ターゲット制御信号６５は、
・移行相互作用機能を有するＱ−ブロックをローカルリンクファイバーの１つに光学的に結合するように、光学的構成体６１を（まだそのように構成されていない場合には）適切に構成するためのセットアップ信号
を含む。さらに、この実施例では、マージ信号６６は、
・リピータのＬ側及びＲ側のＱ−ブロックを伴うマージ操作を実行するように、光学的構成体６１を（まだそのように構成されていない場合には）適切に構成するためのセットアップ信号、
・最初のマージ操作プロセスを起動するための「Fire（始動）」信号、及び、
・図１Ｃのマージ操作の形態が実行される場合には、第２のマージ操作プロセスを形成するＸ測定を始動させるための１以上のXmeas信号
を含む。
【００５９】
延長操作を実行することが意図されている量子物理的ハードウェアの場合は、（延長操作のエンタングルメント生成コンポーネントを動作させるための）始動制御信号を受信するだけでなく、結果信号を出力するようにも構成乃至配列されている該量子物理的ハードウェアは、Ｘ測定を始動させるためのXmeas信号を受信するようにさらに構成乃至配列され、これによって、延長操作を遂行することができる。
【００６０】
ノードの光学的構成体はデフォルトの構成を有することができる。たとえば、図６の量子物理的ハードウェア６０が、Ｌ側Ｑ−ブロック及びＲ側Ｑ−ブロックをそれぞれ１つだけ備えている場合には、光学的構成体６１を、デフォルト時には、それらのＱ−ブロックをローカルリンクファイバーの各々に光学的に結合するLLE生成構成をなすように構成乃至配列することができる。この場合、マージ信号６６は、マージ操作を実行するのに要する時間の間、２つのＱ−ブロックをほんの一時的に互いに光学的に結合するように構成される。このような場合には、ターゲット制御信号６５を完全に省くことができ、始動制御信号６４は、適切なＱ−ブロックに送られるFire（始動）信号だけを含む。
【００６１】
量子リピータの実施形態の一般形態
図７は、以下で説明する量子リピータの実施形態の一般的な形態を示す。
【００６２】
より具体的には、量子リピータ７０は、図６に関して上述した形態の量子物理的ハードウェア６０を備え、かつ、１以上の左側及び右側のＱ−ブロック４４、それぞれの光インターフェース７６Ｌ、７６Ｒを介して左側及び右側のローカルリンクファイバー６２、６３に結合された光学的構成体６１を含む。既に述べたように、便宜上及び限定することなく、（特に明示しない限り）LLE生成に関わる光場は、ノード間のローカルリンクファイバーに沿って左から右へと移動するものとみなされ、これによって、図７のリピータ７０の（１以上の）右側Ｑ−ブロックは、（右側の近傍ノード（不図示）における（１以上の）左側Ｑ−ブロックと共に右側のLLE生成サブシステム７１Ｒを形成する）LLE生成の間（１以上の）捕捉Ｑ−ブロックとして動作し、リピータ７０の（１以上の）左側Ｑ−ブロックは、（左側の近傍ノード（不図示）における（１以上の）右側Ｑ−ブロックと共に左側のLLE生成サブシステム７１Ｒを形成する）LLE生成の間（１以上の）移行Ｑ−ブロックとして動作する。
【００６３】
右側のLLE（R-LLE）制御ユニット７３は、LLE生成に関して（１以上の）右側Ｑ−ブロックの始動を（適切な場合には）選択して、該始動を作動させる始動制御信号を生成する役目がある。左側のLLE（L-LLE）制御ユニット７２は、適切な場合には、LLE生成に参加乃至関与する（１以上の）左側Ｑ−ブロックを選択するためのターゲット制御信号を生成する役目があり、L-LLE制御ユニット７２はまた、量子物理的ハードウェア６０から、左側Ｑ−ブロックを含むLLE生成操作の成功／失敗を示す結果信号を受信するように構成乃至配置されている。
【００６４】
したがって、（R-LLE制御ユニット７３は、右側のLLEの生成に関わる右側Ｑ−ブロックのために始動信号を生成する役目があるので）右側のLLE生成は、リピータ７０のR-LLE制御ユニット７３の制御下で有効に開始されるが、左側のLLE生成は、左側の近傍ノードにおけるR-LLE制御ユニットの制御下で有効に開始されることが理解されよう。
【００６５】
古典的なLLE制御（「LLEC」）通信チャンネル７４によって、L-LLE制御ユニット７２と左側の近傍ノードのR-LLECユニット（すなわち、L-LLE制御ユニット７２と同じLLE生成サブシステム７１Ｌに関連するR-LLE制御ユニット）は互いに通信することができ、L-LLECユニット７２は、LLECチャンネル７４を用いて、LLE生成の成功／失敗メッセージ（図１のメッセージ１５）を左側の近傍ノードのR-LLE制御ユニットに渡す。
【００６６】
古典的なLLE制御（「LLEC」）通信チャンネル７５によって、R-LLE制御ユニット７３と右側の近傍ノードのL-LLE制御ユニット（すなわち、R-LLE制御ユニット７３と同じLLE生成サブシステム７１Ｒに関連するL-LLE制御ユニット）は互いに通信することができ、R-LLE制御ユニット７３は、右側の近傍ノードのL-LLE制御ユニットから、LLECチャンネル７５を介して、LLE生成の成功／失敗メッセージ（図１のメッセージ１５）を受け取る。
【００６７】
本明細書では、LLECチャンネル７４、７５上のメッセージを「LLEC」メッセージと呼ぶ。
【００６８】
LLE生成に関わる光場は、ノード間のローカルリンクファイバーに沿って（左から右ではなく）右から左に移動するように作動乃至構成されており、左側LLE制御ユニット７２と右側LLE制御ユニット７３の役割が逆になっていることが理解されよう。
【００６９】
マージ制御（「MC」）ユニット７７は、マージすべき局所的なＱ−ブロック（ロカールＱ−ブロック）を適切な場合には選択して、それらのマージを起動するマージ信号を生成する役目を有する。MCユニット７７はまた、量子物理的ハードウェア６０から、マージ操作の成功／失敗及びパリティを示す結果信号を受信するように構成されている。
【００７０】
古典的なマージ制御（「MC」）通信チャンネル７８、７９によって、MCユニット７７と左側及び右側の近傍ノードの対応するユニットとが互いに通信することができ、これによって、マージ操作に関するパリティ情報、及び、必要な場合には、マージ操作に関する成功／失敗情報を渡すことが可能である。本明細書では、MCチャンネル７８、７９上のメッセージを「MC」メッセージと呼ぶ。
【００７１】
LLEC通信チャンネル７４、７５及びMC通信チャンネル７８、７９を、任意の適切な高速通信接続（無線通信など）によって提供することができるが、それらは、光ファイバーを介して光信号として伝送されるのが好ましい。より具体的には、LLEC通信チャンネル７４、７５及びMC通信チャンネル７８、７９を、それぞれの専用の光ファイバーで伝送することができ、または、同じファイバーで多重伝送することができる（多重伝送するファイバーは、近傍ノード中のＱ−ブロックを光学的に結合するローカルリンクに使用されるファイバーとすることができ、たとえば、パリティ情報だけがMC通信チャンネルで送られる場合には特に、MC通信チャンネルを、先駆信号７９の強度（もしくは輝度）変調として実施することができる）。より一般的には、LLEC及びMC通信チャンネルを結合して１つの古典的な全二重通信チャンネルにすることができる。
【００７２】
後述する実施形態では、LLEC通信チャンネル７４、７５は、ローカルリンクファイバーによって伝送され、MC通信チャンネル７８、７９は、ローカルリンク用に使用される光ファイバーとは異なる光ファイバーによって伝送される。かかるチャンネル及びファイバーの構成は単なる例示であって、他の構成を代わりに使用できることが理解されよう。
【００７３】
一連の量子リピータによって結合された端部ノードの各々は、近傍の量子リピータの対面する側（右側または左側）と相互に作用するための機能を有することが理解されよう。したがって、左側の端部ノードは、量子リピータの右側の機能に類似する機能を含み、それによって、左側の端部ノードが、近傍のリピータの左側と互いに相互作用することができるようにしている。また、右側の端部ノードは、量子リピータの左側の機能に類似する機能を含み、これによって、右側の端部ノードが近傍のリピータの右側と相互作用できるようにしている。
【００７４】
エンタングルメントパリティに関しては、後述する実施形態では、量子ビットの状態を反転することによってエンタングルメントのパリティを統一乃至標準化するのではなく、各量子リピータにおいて、LLEパリティ情報を格納して、その後、端部ノードへと累積的に伝送するためにマージパリティ情報と結合し、これによって、該端部ノードが、エンドツーエンドのエンタングルメントのパリティを決定することができるようにしている、
【００７５】
量子リピータの実施形態の以下の説明では、図７の一般的な図で使用されているのと同じ参照番号が、主な量子リピータの構成要素について使用されているが、それらの構成要素の特定の実施例は一般的に異なることが理解されよう。
【００７６】
「疑似非同期」量子リピータの実施形態
後述する量子リピータの実施形態、特に、図１０に示す量子リピータの実施形態は、「疑似非同期（または準非同期ともいう）」方式で動作して、ノードのチェーン（該チェーンの中間ノードは量子リピータである）の左側及び右側の端部ノード中の量子ビット間にエンドツーエンド（E2E）エンタングルメントを構築する。「疑似非同期」方式でのE2Eエンタングルメントの構築には、一方の端部ノードから１連のノード（すなわちノードのチェーン）に沿ってサイクルトリガー信号（サイクル起動信号ともいう）を伝達し、これによって、各リピータが、該一連のノード（すなわちチェーン）に沿って、１つの最上位のサイクルの動作を実行できるようにすることが含まれる。この場合、該最上位のサイクルの動作において、各リピータは、該リピータの左側及び右側の量子ビットが、それぞれ左側及び右側にエンタングルされることがわかっているか、または、そのようにエンタングルされることが予測されるときに、局所的なマージ操作を開始する。典型的には、各リピータは、該サイクルトリガー信号の受信に応答して、または、該トリガー信号の受信に関係なく、右側のLLEの生成を開始する役目を担っている。やがて、全てのリピータが１つのマージを実行し、その結果、E2Eエンタングルメントが生成されるが、かかるプロセス全体が１つのE2Eの動作サイクルを構成する。リピータが、それらのそれぞれのマージ操作を１つのE2E動作サイクルで実行する順番は、リピータが該サイクルトリガー信号を受信する順番と必ずしも同じである必要はないが、いくつかの要因に依存し、それらの要因うち最も注目すべきは、ノード間の間隔である。引き続くE2E動作サイクルを、引き続きサイクルトリガー信号を送信することによって開始することができる。任意の１つのリピータの最上位の動作サイクルが重ならない限り、E2E動作サイクルをそのように行うことができる。
【００７７】
サイクルトリガー信号は、局所的なマージ操作が各リピータで実行できるようになるのを待つことなく、該各リピータによって送信される。典型的には、このサイクルトリガー信号は実質的に遅延を生じることなくリピータによって送信されるが、理由の如何に関わらず、E2Eエンタングルメントを生成するための一般的な処理に影響を与えない限り、短い遅延を導入することは可能である。但し、そのような遅延のために、各リピータ間で、ある１つのE2E動作サイクルにおいて各々のマージ操作を実行する順番が変わる場合がある。
【００７８】
図３と同じ表記を用いている図８は、左側の端部ノード８１Ｌ及び右側の端部ノード８２Ｒ、並びに、３つの量子リピータ８０（ＱＲ２、ＱＲ３、ＱＲ４）を含む不規則な間隔で配置されて光学的に結合された５つのノードのチェーン（ノードのチェーンとは一連のノードのこと）についての２つの連続するE2E動作サイクルΦを示している。それらのノードを結合する光ファイバーは明瞭化のために省略されている。２つのE2E動作サイクルは、Φｉ、Φｉ＋１でそれぞれラベル付けされており、それぞれが、サイクルに関連した時刻ｔ０で開始する。図８の例では、サイクルトリガー信号を送信するのは左側の端部ノード８１Ｌであり、各ノードは、サイクルトリガー信号を受信すると、該サイクルトリガー信号を伝送し、及び、右側LLEの生成を開始する。この例では、互いに隣接する（乃至近傍にある）ノードによって該ノード間に形成されたLLE生成サブシステムは「信頼できる」、すなわち、それぞれの起動（または始動）において、LLEを成功裏に生成する確率が高い（信頼性のないLLE生成サブシステムを用いた「疑似非同期」動作については、図２１を参照して後述する）。
【００７９】
E2E動作サイクルΦｉにおいて何が起こるかを説明すると、（太い点線８２によって示されているように）サイクルトリガー信号がノードチェーンに沿って伝搬する際に、該トリガー信号はノード８１Ｌ、ＱＲ２、ＱＲ３、ＱＲ４をトリガして、それぞれ、時刻ｔ０、ｔ１、ｔ２、ｔ４に右側のLLE生成を開始し、対応するLLE８３、８４、８５及び８６が、それぞれ、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ４、及びｔ５に生じる（すなわち、それらのLLEは、サイクルトリガー信号が、各LLEの下流側の起点（定着点）となるノードに到達するのと同時に生じるが、これは、LLE生成に関与するサイクルトリガー信号及び光場がほぼ同時に同じノード間を通過するからであり、この場合のLLE生成は信頼できる）。ＱＲ２、ＱＲ３、ＱＲ４は、サイクルトリガー信号が受信されると（その時点から）、左側のLLEが存在することに気付くか、または、該左側のLLEが存在すると想定するが、それぞれ、時刻ｔ３、ｔ７、ｔ６になって初めて、右側のLLEが生成されたことを知り、及び、各々の局所的なマージ操作を実行する。したがって、時刻ｔ３において、リピータＱＲ２は、それの（図８の丸で囲まれた「Ｍ１」で示されている）マージを実行して拡張されたエンタングルメント８７を形成し、時刻ｔ６において、リピータＱＲ４は、それの（図８の丸で囲まれた「Ｍ２」で示されている）マージを実行して拡張されたエンタングルメント８８を形成し、最後に、時刻ｔ７において、リピータＱＲ３が、それの（図８の丸で囲まれた「Ｍ３」で示されている）マージを実行して拡張されたエンタングルメント８７と８８を結合してE2Eエンタングルメント８９にする。
【００８０】
理解されるように、各リピータがそれぞれのマージ操作を実行する順番は、チェーンに沿ったリピータの配列順番とは異なる。
【００８１】
図８では、第２のE2E動作サイクルΦｉ＋１は、第１のサイクルが完了した後（該第１のサイクルの完了はE2Eエンタングルメント８９の生成によって判断される）に開始するものとして示されているが、実際には、矢印８００で示すように、それらのサイクルをオーバーラップさせることができ、このオーバーラップは、安全のための余裕λにさらに加えて個々のリピータ動作サイクルの重なり部分が存在するようにはしない程度にされる。図８の例では、リピータＱＲ３が一番長い動作サイクルを有しており（該リピータは、右側のLLEが成功裏に生成されたことを知るために一番長い時間、すなわち、時間ｔ２〜ｔ７の間待つ）、したがって、第２のE2E動作サイクルΦｉ＋１の開始は、第１のE2E動作サイクルΦｉの開始に対して（（ｔ７−ｔ２）＋λ）の時間遅延を生じるように構成される。
【００８２】
リピータＱＲ２、ＱＲ３、ＱＲ４の好適な形態は、図１０を参照して後述する量子リピータの実施形態の形態であり、この実施形態は、近傍ノードと「信頼できる」LLE生成サブシステムを形成するための構成要素を含んでいる。図１０の量子リピータの実施形態を説明する前に、「信頼できる」LLE生成サブシステムの好適な形態について先ず説明しておくのが都合がよい。もちろん、多数の始動（Fire信号の送出による始動）のための十分に長い動作期間が確保されている場合、及び／または（ノード間の距離が短いなどの）好適な動作条件下にある場合には、図５に示されているような単純なLLE生成サブシステム（または、この形態を複数並列配置したサブシステム）でも、高い確率でもってLLEを生成することができる。しかしながら、ノード間の距離が数キロメートルにも及び、かつ、動作期間（動作周期）が１０−６秒のオーダーである場合には、図５に示す単純なLLE生成サブシステムは適切でない可能性があり、一方、図９を参照して以下で説明するLLE生成サブシステムははるかに高い信頼性を提供する。
【００８３】
「始動構成部」LLE生成サブシステム
図９は、ローカルリンクファイバー９５によって光学的に結合されている２つのノード９１、９２間に形成されたLLE生成サブシステム９０の「始動構成部（firing squad）」の構成を示す。
【００８４】
ノード９１は、LLE制御ユニット９１０、捕捉相互作用機能を有する（識別番号１〜ｆがそれぞれ付されている）ｆ個のＱ−ブロック９３によって形成された量子物理的ハードウェア、及び、光マージユニット９６を備える。（本明細書では「フュージリア（fusilier）」Ｑ−ブロックと呼ぶ）Ｑ−ブロック９３は全体で、「始動構成部」９７を形成する。ノード９２は、LLE制御ユニット９２０、及び、移行相互作用機能を有する１つのＱ−ブロック９４によって形成された量子物理的ハードウェアを備える。ノード９１の始動構成部９７のフュージリアＱ−ブロック９３は、光マージユニット９６及びローカルリンク光ファイバー９５を介して、ノード９２の該１つのターゲットＱ−ブロック９４に光学的に結合されている。したがって、始動構成部９７の全てのＱ−ブロック９３は、同じターゲットＱ−ブロック９４を始動するためのものであることが理解されよう。
【００８５】
ノード９１のLLE制御ユニット９１０が、LLE生成操作を起動するためにその量子物理的ハードウェアにFire（始動）信号を出力すると、始動構成部９７のフュージリアＱ−ブロック９３が順次（連続的に）始動し、放出された光場が、マージユニット９６を通って光場列９８としてファイバー９５を進む。フュージリアＱ−ブロックの識別番号と、光場が該光場列に現れる順番との間には既知の規則的な関係があることに留意されたい。各光場の前をそれ自体の先駆信号（または先駆光信号。以下同じ）が進むのではなく、１つの先駆信号９９が光場列９８の前を進んで、ターゲットＱ−ブロック９４に、（該先駆信号の到着後）すぐに列９８が到着することを知らせるようにするのが好ましい。その場合、先駆信号９９は、Fire信号に応答して、フュージリアＱ−ブロック９３が始動する前に、放射源９９０によって生成される。
【００８６】
光場の各々がノード９２のターゲットＱ−ブロック９４に順次（及び連続的に）到達すると、ターゲットＱ−ブロックのシャッターが短時間だけ開いて、光場がターゲットＱ−ブロックの量子ビットを通過して、該量子ビットと（潜在的に）相互作用できる（該量子ビットと相互作用できる可能性を提供する）ようにする。その後、光場を測定して、エンタングルメントが生成されたか否かを判定する。エンタングルメントが生成されていない場合には、ターゲットＱ−ブロック９４の量子ビットはリセット（再設定）されて、列９８の次の光場を通過させるのに適したタイミングでシャッターを再度開く。一方、列９８の光場の通過によってエンタングルメントが生成された場合には、ターゲットＱ−ブロックの（光場を遮るために）シャッターは閉じたままであり、列９８からの光場はもはやターゲットＱ−ブロック９４の量子ビットと相互作用できない。Ｑ−ブロックシャッターの測定結果に依存するかかる制御は、論理的には、ターゲットＱ−ブロック９４に関連付けられているLLE制御ユニット９２０の一部であるが、実際には、量子物理的ハードウェアに組み込まれた低レベル制御要素によって、該制御を最良に実行することができる。
【００８７】
列９８内の光場の間隔は、次の光場が到着する前に、光場によってターゲット量子ビットが成功裏にエンタングルされたか否かを判定し、該ターゲット量子ビットをリセットし、及び、Ｑ−ブロックのシャッターを開くのに十分な時間を確保できるものとすべきであることが理解されよう。
【００８８】
実際には、ターゲット量子ビットをエンタングルさせる役目を担う光場に後続する光場のターゲット量子ビットとの破壊的（たとえば弱め合う）相互作用を防止するために明示的なシャッターを用いる代わりに、エンタングルメントの直後に量子ビットの状態を電子スピンから核スピンに移行させて、後続の光場の通過が捕捉されたエンタングルした状態を妨害しないようにする（ターゲット量子ビットを光場相互作用に対して安定化する）ことによって、同じ効果を達成することが可能である。エンタングルメントの前に入ってくる外部光を排除するためにシャッターを設けることが依然として適切でありうるが、先駆信号が検出されるまでは量子ビットは予め準備された状態には設定されないので、通常はそのようなシャッターを省くことができる。
【００８９】
LLE制御ユニット９２０はまた、列中のどの光場がＱ−ブロック９４のターゲット量子ビットと成功裏にエンタングルしたかを識別し、これによって、ターゲットＱ−ブロックの量子ビットとエンタングルしたフュージリアＱ−ブロック９３（したがってその量子ビット）を識別できるようにするための機能を有する（上述したように、フュージリアＱ−ブロックの識別番号と列中に光場が現れる順番との間には既知の関係がある）。たとえば、ターゲットＱ−ブロックに入った光場を単に数えて、この数を、「成功」形式のメッセージ９３０で、LLE制御ユニット９２０によってノード９１に送り返すことができる。この場合、ノード９１のLLE制御ユニット９１０は、この数を成功したフュージリアＱ−ブロック９３の識別番号に変換するのに必要な任意の変換処理を実行し、その後、後で参照するために、該識別番号をレジスタ１９５に格納する（この代わりに、フュージリアＱ−ブロックの識別番号をすぐに送るようにしてもよい）。もちろん、列９８の光場の全てがエンタングルメントの生成に成功しなかった場合には、「失敗」形式のメッセージ９３０が返されて、対応する指標がレジスタ１９５に格納される。
【００９０】
ターゲット量子ビットの成功したエンタングルメントについての測定結果に含まれているパリティ情報に関しては、このパリティ情報は制御ユニット９２０に送られ、該制御ユニット９２０は該パリティ情報を後で使用するために（たとえばレジスタ１９６に）記憶するか、または、該パリティ情報を、たとえばノード９１にメッセージ９３０で伝えることができる。
【００９１】
ノード９１のフュージリアＱ−ブロック９３を順次始動させて光場の列９８を生成する代わりに、全ての光場を一斉に放出し、異なる長さのファイバーを用いて各フュージリアＱ−ブロックを光マージユニット９６に接続し、これによって、異なる遅延を導入して光場列９８を生成することにより、同等の結果を達成することができる。
【００９２】
始動構成部９７中のフュージリアＱ−ブロック９３の数は、始動構成部のそれぞれの始動において、ターゲットＱ−ブロック９４を成功裏にエンタングルする確率が非常に高くなるように（たとえば９９％以上になるように）選択されるのが好ましい。より具体的には、１つのフュージリアＱ−ブロックの１つの始動でエンタングルメントを成功裏に生成する確率をｓとすると、ｆ個のフュージリアＱ−ブロックからなる始動構成部についての成功確率は、
始動構成部成功確率＝１−（１−ｓ）f
であり、したがって、ｓ＝０．２５で、フュージリアＱ−ブロックが１６個の場合の成功率は９９％であり、フュージリアＱ−ブロックが３２個の場合の成功率は９９．９９％になる。典型的には、１つの始動（すなわち１つの光場列）でターゲット量子ビットを成功裏にエンタングルする望ましい確率Psuccessから始めて、次に、次の不等式にしたがってフュージリア量子ビットの必要な数ｆを決定する。
Psuccess≦１−（１−ｓ）f
【００９３】
列９８内の隣接する光場間の時間間隔は、後の光場が到着する前に、それより（時間的に）前の光場を測定し、ターゲット量子ビットをリセットし、そのシャッターを開くのに十分な時間を確保しつつできるだけ短くするのが有利である。１例としては、光場の時間間隔は１〜１０ナノ秒である。
【００９４】
図９のLLE生成サブシステム９０の形態の場合には、ターゲットＱ−ブロック９４は１つしかないので、実際には、最後に生成されたエンタングルメントが使い果たされるかまたはタイムアウトする（または使用を停止する）ことによってサブシステム全体が解放されるまで、始動構成部９７を再起動することはできないことが理解されよう。したがって、始動構成部９７の起動間の最短時間は、ノード間のラウンドトリップタイム（すなわち、（光場列９８がノード９２に到達するのに要する時間）＋（メッセージ９３０をノード９１に返すのに要する時間）の最短時間）に、（たとえばマージ操作において）エンタングルメントを使い果たすのに要する時間を加えたものである。
【００９５】
第１の「疑似非同期」量子リピータの実施形態（図１０）
以下、図１０を参照して第１の「同期化」量子リピータの実施形態を説明するが、該量子リピータは、E2Eエンタングルメントが生成されることになる左側端部ノードと右側端部ノードの間の（Ｎ＝５の場合に図８に示されているように）一連のＮ個のノードの中間ノードであるという状況で動作することが理解されよう。
【００９６】
図１０の量子リピータの一般的な形態は、図７に示す量子リピータの形態に対応しており、量子物理的ハードウェア６０、光インターフェース７６Ｌ、７６Ｒを介して接続される左側ローカルリンクファイバー６２と右側ローカルリンクファイバー６３、左側LLE制御ユニット７２及び右側LLE制御ユニット７３、並びに、マージ制御ユニット７７を備える。
【００９７】
（図６に関して一般的に説明した）量子物理的ハードウェア６０は、
左側のLLE生成サブシステム７１Ｌの一部を構成するＬ側（すなわち左側）ターゲットＱ−ブロック９４、
右側のLLE生成サブシステム７１Ｒの始動構成部９７を構成する複数のＲ側（すなわち右側）フュージリアＱ−ブロック９３、及び、
左側のローカルリンクファイバー６２と右側のローカルリンクファイバー６３に結合された光学的構成体６１
を備える。
【００９８】
左側及び右側のLLE生成サブシステム７１Ｌ、７１Ｒは、図９に示すLLE生成サブシステム９０の形態と実質的に同様である。図１１に図示しているように、左側のLLE生成サブシステム７１Ｌは、
(a)リピータ１００における、量子物理的ハードウェア６０の上記Ｌ側要素（具体的には、図１１において文字「Ｔｇ」を囲んでいるボックスによって示されているターゲットＱ−ブロック９４）、及び、パリティレジスタ１９６を有する左側のLLE（L-LLE）制御ユニット７２
(b)左側のローカルリンクファイバー６２、及び、
(c)左側の近傍ノード１１０Ｌにおける、フュージリアＱ−ブロック９３の始動構成部（図１１において、文字「ＦＳ」を囲んでいるボックスによって示されている）、並びに、関連する光学的構成体及びLLE制御ユニット
を備える。右側のLLE生成サブシステム７１Ｒは、
(a)リピータ１００における、量子物理的ハードウェア６０の上記Ｒ側要素（具体的には、図１１においてボックス「ＦＳ」で示されている始動構成部９７）、及び、フュージリアID（識別子）レジスタ１９５を有する右側のLLE（R-LLE）制御ユニット７３、
(b)右側のローカルリンクファイバー６３、及び、
(c)右側の近傍ノード１１０Ｒにおける、ターゲットＱ−ブロック（「Ｔｇ」を囲んでいるボックス）、並びに、関連する光学的構成体及びLLE制御ユニット
を備える。
【００９９】
図９のLLE生成サブシステム９０のものと相補関係にある始動構成部及びターゲット部のかかる配列により、図１２に示すように、複数の量子リピータ１００（図１２では、量子リピータj-1、j、j+1）を、近傍のリピータの全ての対の間に１つのLLE生成サブシステムが形成されるように光学的に直列に結合することができる（図１２の量子リピータjは、左側近傍のリピータj-1と共にLLE生成サブシステム７１Ｌを形成し、及び、右側近傍のリピータj+1と共にLLE生成サブシステム７１Ｒを形成する）。
【０１００】
量子リピータ１００の光学的構成体６１は、LLE生成のために左側のローカルリンクファイバー６２と右側のローカルリンクファイバー６３にそれぞれ、L側Ｑ−ブロック９４とR側Ｑ−ブロック９３を結合するだけでなく、Ｌ側ターゲットＱ−ブロック９４をＲ側フュージリアＱ−ブロック９３のうちの選択された１つに選択的に光学的に結合し、これによって、それらのＱ−ブロックの量子ビットに対して局所的なマージ操作を実施できるようにしている。
【０１０１】
LLE生成の間、量子物理的ハードウェア６０は、Ｒ側要素を制御するため（具体的には、始動構成部９７を始動させるため）に、R-LLE制御ユニット７３から始動制御信号を受信し、及び、Ｌ側ターゲットＱ−ブロック９４からL-LLE制御ユニット７２へと結果信号（成功／失敗、パリティ、フュージリア識別情報）を出力する。局所的なマージ操作の場合は、量子物理的ハードウェア６０は、マージ制御ユニット７７からマージ制御信号（これらの信号は、マージに関与するフュージリアＱ−ブロック９３を選択し、及び、マージ自体を起動するためのものである）を受信し、マージ操作の結果に関する結果信号（成功／失敗、パリティ）をユニット７７へと出力して戻す。
【０１０２】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、Ｑ−ブロック９３及び９４の特性に依存する光学的構成体６１の２つの可能性のある実施例を示している。
【０１０３】
図１３Ａの光学的構成体の実施例は、フュージリアＱ−ブロック９３及びターゲットＱ−ブロック９４が包括的Ｑ−ブロック４４（図４参照）である場合に適用できる。その場合には、左側のローカルリンクファイバー６２は、包括的ターゲットＱ−ブロック９４の光入力部に直接接続され、この包括的Ｑ−ブロックの光出力部は、中間の光ファイバー１３１に光学的に結合される。能動性の光スイッチ１３２は、該中間の光ファイバー１３１を包括的フュージリアＱ−ブロック９３の入力に接続し、受動性の光マージユニット１３３は、フュージリアＱ−ブロック９３の出力を右側のローカルリンクファイバー６３に渡す。LLE生成操作中は、ターゲットＱ−ブロック９４は移行相互作用用にセットアップされ（すなわち、設定乃至構成され）、左側のリンクファイバー６２を介して入ってくる光場は、該ターゲットＱ−ブロックへと送られ、フュージリアＱ−ブロック９３は捕捉相互作用用にセットアップされ、光マージユニット１３３はフュージリアＱ−ブロック９３を右側のローカルリンクファイバー６３に結合する。マージ操作の場合は、ターゲットＱ−ブロック９４は捕捉相互作用用にセットアップされ、マージに関与するフュージリアＱ−ブロックは移行相互作用用にセットアップされ（マージに関与するフュージリアＱ−ブロックは、量子物理的ハードウェア６０に送られるマージセットアップ信号において示されている）、光スイッチ１３２もまた、マージセットアップ信号によって設定されて、ターゲットＱ−ブロック９４をマージに関与するフュージリアＱ−ブロック９３に光学的に結合する。
【０１０４】
図１３Ｂの光学的構成体の実施例は、ターゲットＱ−ブロック９４が移行Ｑ−ブロック４２（図４参照）であり、フュージリアＱ−ブロック９３が捕捉Ｑ−ブロック４０である場合に適用できる。その場合には、受動性の光マージユニット１３５は、フュージリア捕捉Ｑ−ブロック９４の出力を１つのファイバーに送る。この場合、該１つのファイバーは、能動性の光スイッチ１３６によって、右側のローカルリンクファイバー６３またはループバック光ファイバー１３７へと切り替えられる。受動性の光マージユニット１３４は、移行用ターゲットＱ−ブロック９３に対面する位置にあって、それの入力側において左側のローカルリンクファイバー６２及びループバック光ファイバー１３７に結合されている。LLE生成操作の場合には、光スイッチ１３５は、捕捉用フュージリアＱ−ブロック９３によって出力された光場を右側のローカルリンクファイバー６３へと送るように設定される。マージ操作の場合には、光スイッチ１３５は、捕捉用フュージリアＱ−ブロック９３のうちの選択された１つによって出力された光場をループバックファイバー１３７に送るように設定される（関与するＱ−ブロックは、量子物理的ハードウェア６０に送られるマージセットアップ信号において示されている）。
【０１０５】
図１０の検討に戻ると、LLE生成サブシステム７１ＬのL側ターゲットＱ−ブロック９４に関連付けられている左側LLE制御ユニット７２は、左側のLLECチャンネル７４を介して、同じLLE生成サブシステムの始動構成部に関連付けられているLLE制御ユニット（この制御ユニットは左側の近傍ノードにある）と通信する。本実施形態では、左側のLLECチャンネル７４は、光インターフェース７６Ｌを介して左側のローカルリンクファイバー６２に接続されて、L-LLE（すなわち左側のLLE）制御ユニット７２から左側の近傍ノードのLLE制御ユニットへとLLE生成「成功／失敗」メッセージ（必要に応じてフュージリアIDを含む図９のメッセージ９３０）を送るために使用される。
【０１０６】
同様に、LLE生成サブシステム７１Ｒの始動構成部９７のＲ側（右側）のフュージリアＱ−ブロック９３に関連付けられている右側LLE制御ユニット７３は、右側のLLECチャンネル７５を介して、同じLLE生成サブシステムのターゲット部に関連付けられているLLE制御ユニット（この制御ユニットは右側の近傍ノードにある）と通信する。右側のLLECチャンネル７５は、光インターフェース７６Ｒを介して右側のローカルリンクファイバー６３に接続されて、右側の近傍ノードのLLE制御ユニットからR-LLE（すなわち、右側のLLE）制御ユニット７３へとLLE生成「成功／失敗」メッセージ（必要に応じてフュージリアIDを含む図９のメッセージ９３０）を送るために使用される。
【０１０７】
マージ制御はマージ制御（MC）ユニット７７によって実行され、該MCユニットには、量子物理的ハードウェアと接続して、マージ操作を開始し及び結果信号を返すだけでなく、L-LLE制御ユニット７２及びR-LLE制御ユニット７３と種々の信号をやりとりし、並びに、ＭＣチャンネル７８、７９を介して左側の光ファイバー及び右側の光ファイバー（これらの光ファイバーは、それぞれのインターフェース１０１、１０２を介してＭＣユニット７７に結合している）によって送られるメッセージによって、他のノードのマージ制御ユニットと通信するように構成乃至配置されている。本実施形態では、E2Eエンタングルメントの生成に失敗したことを検出するのはエンタングルメントコンシューマ（消費）アプリケーションの役目なので、MCチャンネルを介してマージの成功／失敗メッセージを送る必要はない。この実施形態におけるMCチャンネルの主な役割は、各累積パリティメッセージがそれぞれのE2E動作サイクルΦに関連するところの（複数の）累積パリティメッセージを単に伝送することである。
【０１０８】
動作サイクルを起動するためにリピータノード間を伝送するサイクルトリガー信号に関しては、該トリガー信号を、ノード間の任意の適切なチャンネルを通じて送ることができる。しかしながら、本実施形態では、各リピータの最上位の動作サイクルは、リピータ１００の右側の近傍ノードに先駆信号９９に続く光場列９８（図９を参照）を放出（送出）するために起動される該リピータ１００の始動構成部９７から開始するので、該先駆信号９９をサイクルトリガー信号として用いるのが便利である。したがって、先駆信号９９がリピータの左側LLE生成サブシステム７１Ｌのターゲット端で受信されると、該先駆信号は、（後述する）動作サイクルを起動するために取り出されて、ライン１０９を介してMCユニット７７に送られる。該動作サイクルは、該リピータの右側LLE生成サブシステム７１Ｒの始動構成部９７の起動から開始し、これによって、サイクルトリガーを該サブシステムによって送られた先駆信号９９として伝送する。
【０１０９】
次に、制御用状態マシン１０５の状態遷移図を示す図１４を参照して、該状態マシン１０５の実現例に関してMC制御ユニット７７の１動作サイクルを説明する。この状態遷移図では、それぞれの状態は太字の円で示されており、状態遷移は弧状の矢印で示されており、ある状態からの遷移をトリガするイベント（事象）は丸で囲まれた「Ｅ」で示されており、該イベントに関連付けられている角括弧中の説明文は関連する該イベントの性質を示しており、あるイベントによってトリガされた状態遷移時になされる動作（アクション）は、関連する状態遷移を示す弧状の線上に配置された長方形のボックス中に示されている。
【０１１０】
前の動作サイクルが完了した後で、かつ、次のサイクルトリガー信号（先駆信号９９）を受け取る前には、状態マシン１０５はペンディング状態（Pendingstate）１４１にある。やがて、サイクルトリガー信号が受信されて、該状態マシンを「左側がエンタングルされた（LeftEntangled）」状態１４２に遷移させる（弧状の線１４３を参照）。この場合、左側のLLE生成サブシステム７１Ｌが動作していることをサイクルトリガーが示しているので、左側のLLEが存在すること（または左側のLLEがすぐにも生成されること）を予測できるということが想定されている。状態１４２への遷移時に、状態マシン１０５は、右側のLLE生成サブシステム７１Ｒの始動構成部９７の始動を（R-LLE制御ユニット７３を介して）起動する。さらに、状態マシン１０５は、リピータの前の動作サイクルに関する累積パリティメッセージをそれのMCチャンネル７９で右側に送信させる（これについてはより詳細に後述する）。
【０１１１】
やがて、R-LLE制御ユニット７３は、試行された右側LLEの生成に関して成功したフュージリアＩＤの指標または失敗の指標を受け取る。受け取られた指標はＭＣユニット７７に送られて、状態マシンをペンディング状態１４１に遷移させる。受け取った指標が成功したフュージリアＩＤの指標である場合には、状態１４１への遷移は弧状の線１４４を介してなされて、左側のターゲット量子ビットと特定された右側のフュージリア量子ビットとの間の局所的なマージ操作が開始されることになる。しかしながら、受け取った指標が失敗の指標である場合には、状態１４１への遷移は弧状の線１４５を介してなされて、マージの開始はスキップされる（省かれる）ことになる。
【０１１２】
ペンディング状態１４１から「左側がエンタングルされた」状態１４２へ遷移し及び再び元の状態に戻る上記サイクル１４０は、量子リピータ１００の最上位の動作サイクルを画定し、この場合、該サイクルの１回の実行で、最大１回のマージ操作が実行されることになる。
【０１１３】
状態マシン１０５によって表される制御機能に加えて、ＭＣユニット７７はパリティ情報を操作するための機能を有する。より具体的には、それぞれの局所的なマージ操作に続いて、ＭＣユニットは、量子物理的ハードウェア６０からマージパリティ情報を受け取る。このマージパリティ情報は先ず、排他的ＯＲ演算（図１０の機能ボックス１０３）によって、レジスタ１９６から取り出されたＬ（右）側のLLEパリティ情報と結合され、その後、パリティ格納部１０４に格納される。リピータの次の最上位の動作サイクルにおける弧状の線１４３を介する状態１４２への遷移時に、パリティ格納部１０４に格納されているこの局所パリティ情報は、XOR機能（またはXOR関数）１０７によって、左側の近傍ノードから受け取ったMCメッセージ中の累積パリティ情報に結合される。次に、（結合された）この新たな累積パリティ情報はMCメッセージに入れられて右側の近傍ノードに送られる。各パリティ情報の２つのパリティビットは、上記のXOR機能によって独立に処理されることに留意されたい。
【０１１４】
次に、単一のE2E動作サイクルにおける図８のノードチェーンの動作を、図１０の形態のリピータＱＲ２、ＱＲ３、ＱＲ４（したがって、これらのリピータは参照番号１００で参照される）場合についてより詳細に説明する。この説明は、E2E動作サイクルΦｉを示す図８の拡大図（時間軸を２倍だけ拡大している）である図１５を参照して行われる。サイクルΦｉ中に生成される種々のエンタングルメントを参照するために図８と同じ参照番号８３〜８９が図１５でも使用されている。図８に太い点線の矢印８２で示されているサイクルトリガーの伝搬は、図１５では、ノード８１Ｌ、ＱＲ２、ＱＲ３、ＱＲ４によってそれぞれ順に送出される先駆信号９９に対応する４つの点線の矢印１５１〜１５４によって表されている。図１５において新たに示されているのは、ノードＱＲ２、ＱＲ３、ＱＲ４、８１RのL-LLE制御ユニット７３によって、それらのそれぞれの左側の近傍ノードに送られて、成功したフュージリアIDまたはLLE生成の失敗の指標（インジケータ）を提供する返送メッセージである。ノードＱＲ２、ＱＲ３、ＱＲ４、８１Rから送られたこれらの返送メッセージは、破線の矢印１５５、１５６、１５７、１５８によってそれぞれ表されている。
【０１１５】
サイクルΦｉは次のように進行する。
時刻ｔ０において：左側の端部ノード８１Ｌは、右側のLLEの生成を開始することによって新しいサイクルを開始し、これによってまた、ＱＲ２に向けてサイクルトリガー（点線の矢印１５１）を送出する。
時刻ｔ１において：ノード８１Ｌからのサイクルトリガー信号がリピータノードＱＲ２に到達し、左側の端部ノード８１ＬとノードＱＲ２との間にLLE８３が成功裏に生成される。この時点では、ＱＲ２は、LLE８３が存在することを予測しているかまたは知っている。ＱＲ２は右側のLLEの生成を開始し、これによってまた、ＱＲ３に向けてサイクルトリガー（点線の矢印１５２）を送出する。さらに、ＱＲ２は、LLE８３の生成に関するメッセージをノード８１Ｌに送る（破線の矢印１５５）。
時刻ｔ２において：リピータノードＱＲ２からのサイクルトリガー信号がリピータノードＱＲ３に到達し、リピータノードＱＲ２とＱＲ３との間にLLE８４が成功裏に生成される。この時点において、ＱＲ３はLLE８４が存在することを予測しているかまたは知っているが、ＱＲ２はまだ知らない。ＱＲ３は右側のLLEの生成を開始し、これによってまた、ＱＲ４に向けてサイクルトリガー（点線の矢印１５３）を送出する。さらに、ＱＲ３は、LLE８４の生成に関するメッセージをノードＱＲ２に送る（破線の矢印１５６）。
時刻ｔ３において：リピータノードＱＲ２は右側のLLE８４の存在を知り、したがって、該ノードＱＲ２が次に行うべき局所的マージ（丸で囲まれた「Ｍ１」）を実行できることを知り、これによって、LLE８３と８４を結合して拡張されたエンタングルメント８７を形成する。
時刻ｔ４において：リピータノードＱＲ３からのサイクルトリガー信号がリピータノードＱＲ４に到達し、リピータノードＱＲ３とＱＲ４との間にLLE８５が成功裏に生成される。この時点において、ＱＲ４はLLE８５が存在することを予測しているかまたは知っているが、ＱＲ３はまだ知らない。ＱＲ４は右側のLLEの生成を開始し、これによってまた、端部ノード８１Ｒに向けてサイクルトリガー（点線の矢印１５４）を送出する。さらに、ＱＲ４は、LLE８５の生成に関するメッセージをノードＱＲ３に送る（破線の矢印１５７）。
時刻ｔ５において：リピータノードＱＲ４からのサイクルトリガー信号が右側の端部ノード８１Ｒに到達し、リピータノードＱＲ４と端部ノード８１Ｒとの間にLLE８６が成功裏に生成される。この時点において、端部ノード８１ＲはLLE８６が存在することを予測しているかまたは知っているが、ＱＲ４はまだ知らない。端部ノード８１Ｒは、LLE８６の生成に関するメッセージをノードＱＲ４に送る（破線の矢印１５８）。
時刻ｔ６において：リピータノードＱＲ４は右側のLLE８６の存在を知り、したがって、該ノードＱＲ４が次に行うべき局所的マージ（丸で囲まれた「Ｍ２」）を実行できることを知り、これによって、LLE８５と８６を結合して拡張されたエンタングルメント８８を形成する。
時刻ｔ７において：リピータノードＱＲ３は右側のLLE８５の存在を知り、したがって、該ノードＱＲ３が次に行うべき局所的マージ（丸で囲まれた「Ｍ３」）を実行できることを知り、これによって、拡張されたエンタングルメント８７と８８を結合してE2Eエンタングルメント８９を形成する。
【０１１６】
累積パリティ情報に関しては、該情報は、サイクルトリガー信号と実質的に連携乃至協調して伝送されるMCメッセージに入れられて、ノードのチェーンに沿って左から右へと送られる。かかるメッセージの各々における累積パリティ情報は、現在実行されているE2E動作サイクルではない前のE2E動作サイクルに関連している。既に述べたように、MCチャンネルを、先駆信号９９の強度（もしくは輝度）変調によって伝送することができるが、その場合は、先駆信号は、その基本的な予告機能を果たすだけでなく、現在のE2E動作サイクルのサイクルトリガー信号としても、及び、先行するE2E動作サイクルについての累積パリティ情報のキャリヤ（搬送手段）としても機能する。MCチャンネルは、図１０の実施形態では、累積パリティ情報を伝達するためだけに使用されているので、先駆信号を用いてそれらのメッセージを伝送することは、エンタングル用の光場及び全ての信号がローカルリンクファイバーによって伝送され、他の光ファイバーは必要ではないことを意味する。
【０１１７】
E2Eエンタングルメントが生成される左側の端部ノードと右側の端部ノードに関しては、もちろん、それらのノード自体は量子リピータではないが、それらのノードは、それらのそれぞれの近傍にある量子リピータを含むLLE生成サブシステムを完成するための機能、及び、MC累積パリティメッセージを送信／受信するための機能を有している。始動構成部９７がノードチェーンに沿って左から右へと始動する今の例では、左側の端部ノードも、一定間隔でサイクルトリガー信号を送出することによって（今の例では、自身の始動構成部９７を起動することによって）E2E動作サイクルを開始する。
【０１１８】
左側及び右側の端部ノードはまた、各E2E動作サイクルの終わりに、エンタングルされた端部ノードLLE生成サブシステムの量子ビット（これらの量子ビットの間にE2Eがたった今形成されたばかりである）を解放するというさらなる機能を果たす。これは、各端部ノードに複数のＱ−ブロックから構成される出力バッファを設けて、それらの端部ノードに関連付けられているコンシューマアプリケーション（または消費用アプリケーション。以下同じ）によりエンタングルメントが使い果たされる（すなわち消費される）まで、新しく生成された各E2Eエンタングルメントをそれらのバッファの量子ビットへと横断的にシフトすることによってなされる。もちろん、該コンシューマアプリケーションが、各動作サイクルの終わりにE2Eエンタングルメントが利用可能になったときに、該E2Eエンタングルメントを消費するように構成され、かつ、適時にそれらのエンタングルメントが消費されない場合でもそれらのエンタングルメントの損失を許容できる場合には、かかるバッファリングを不要にすることができる。
【０１１９】
図１６及び図１７は、右側端部ノードと左側端部ノードのそれぞれの実施例１６０、１７０を示す。
【０１２０】
図１６に示す右側の端部ノード１６０は、
・左側の近傍の量子リピータノード１６２と共に形成されたLLE生成サブシステム１６１のターゲットＱ−ブロック９４及び関連するLLE制御ユニット９２０、
・E2Eサイクルを追跡できるようにするためにサイクルトリガー信号を受信するように構成された高レベルの右側端部ノード（REN）制御ユニット１６３であって、MCチャンネルファイバーとインターフェース（接続）して、MC累積パリティメッセージを受け取る制御ユニット１６３、及び、
・複数のＱ−ブロック１６６から構成される出力バッファ１６５
を備える。ここで、該複数のＱ−ブロックのうちの１つに、ターゲットＱ−ブロック９４に定着している（もしくは固定されている）エンタングルメントの端部をシフト（移動）させることができる（これは、関連する動作サイクルの終わりにREN制御ユニット１６３の制御下でなされる）。
【０１２１】
右側の端部ノード１６０はまた、局所的なE2Eエンタングルメントコンシューマアプリケーション１６４（破線で示されている）とインターフェース（接続）する。
【０１２２】
図１６は、バッファＱ−ブロック１６６をターゲットＱ−ブロック９４に結合するために光マージユニット１６７を用いる特定の光学的構成体の１実施例を示している。バッファＱ−ブロック１６６は捕捉相互作用機能を有し、ターゲットＱ−ブロック９４は要求された移行相互作用機能をすでに有している。E2Eエンタングルメントの右側端部をターゲットＱ−ブロック９４から特定のバッファＱ−ブロック１６６に移動させるために、該特定のバッファＱ−ブロック１６６が先ず、エンタングルメント操作によってターゲットＱ−ブロック９４とエンタングルされるが、これは、関与しているバッファＱ−ブロック１６６に関連付けられている放射源を（REN制御ユニット１６３の制御下で）選択的に作動させることによって実行され、これによって、光場がバッファＱ−ブロックの量子ビットを通過乃至横切り、その後、（矢印１６８で概略的に示されているように）該光場が光マージユニット１６７によってターゲットＱ−ブロック９４に送られる。その後、ターゲットＱ−ブロック９４は、Ｘ測定操作によってエンタングルメントから解放される。これらの操作は短い距離間で実施されるので、成功確率は高い。
【０１２３】
REN制御ユニット１６３は、現在エンタングルメントしているバッファＱ−ブロック１６６を常に把握し、及び、受信したMCメッセージ中の累積パリティ情報を関連するバッファＱ−ブロック１６６に正確に関連付ける機能を有する。
【０１２４】
図１７の左側の端部ノード１７０は、
・右側近傍の量子リピータノード１７２と共に形成されたLLE生成サブシステム１７１のフュージリアＱ−ブロック９３を有する始動構成部９７、及び、関連するLLE制御ユニット９１０、
・一定間隔で始動構成部を起動するためのマスタークロック（個別には図示されていない）を含む高レベルの左側端部ノード（LEN）制御ユニット１７３であって、MCチャンネルファイバーとインターフェース（接続）して、各E2E動作サイクルの開始時に累積パリティメッセージ（このメッセージは、端部ノードが局所的なマージを実行しないときには右側のLLEに関するパリティ情報だけを含む）を送出する制御ユニット１７３、及び、
・ｍ個のＱ−ブロック１７６から構成される出力バッファ１７５
を備える。ここで、該ｍ個のＱ−ブロックのうちの選択された１つに、フュージリアＱ−ブロック９３に定着している（もしくは固定されている）エンタングルメントの端部をシフト（移動）させることができる（これは、各E2E動作サイクルの終わりにLEN制御ユニット１７３の制御下でなされる）。
【０１２５】
左側の端部ノード１７０はまた、局所的なE2Eエンタングルメントコンシューマアプリケーション１７４（破線で示されている）とインターフェース（接続）する。
【０１２６】
図１７は、フュージリアＱ−ブロック９３のうちの選択された１つを特定のバッファＱ−ブロック１７６に結合するための特定の光学的構成体の１実施例を示している。図示の光学的構成体の実施例は、図示の光学的構成体の構成をとらない場合には、ｆ個のフュージリアＱ−ブロック９３を出力バッファ１７５のｍ個のＱ−ブロックにインターフェース（接続）するために必要になるｆ×ｍ個の光スイッチの使用を回避しているが、これは、仲介Ｑ−ブロック１７７を設けることによって達成されている。
【０１２７】
より具体的には、図１７の実施例において、ｆ個のフュージリアＱ−ブロック９３は、光マージユニット１７９及びローカルリンクファイバー１７１０を介してリピータノードのチェーンに光学的に結合されている。フュージリアＱ−ブロック９３及びバッファＱ−ブロック１７６は全て捕捉相互作用機能を有し、仲介Ｑ−ブロック１７７は移行相互作用機能を有する。１×２の光スイッチ１７００によって、光マージユニット１７９の出力を、ローカルリンクファイバー１７１０と、光マージユニット１７８の入力を供給するループバックファイバー１７２０との間で切り替えることができる。バッファＱ−ブロックの出力も、光マージユニット１７８への入力として結合される。光マージユニット１７８の出力は仲介Ｑ−ブロック１７７に結合される。かかる構成乃至配列によって、フュージリアＱ−ブロック９３のうちの任意の選択的に始動された１つ、または、出力バッファＱ−ブロック１７６のうちの任意の選択的に始動された１つを仲介Ｑ−ブロック１７７に結合することができる。その結果、フュージリアＱ−ブロック９３の１つに留められているE2Eエンタングルメントの左側端部を仲介Ｑ−ブロック１７７へとシフト（移動）させ、そこから、出力バッファＱ−ブロック１７６のうちの選択された１つへとシフト（移動）させることができる。これらのシフトはいずれも延長操作（図１Ｂ参照）によって実行される。代替的には、選択された出力バッファＱ−ブロック１７６を仲介Ｑ−ブロック１７７と先ずエンタングルさせて、次に、該仲介Ｑ−ブロック１７７とE2Eエンタングルメントを留めているフュージリアＱ−ブロック９３との間でマージ操作を実行することができる。
【０１２８】
LEN制御ユニット１７３は、E2Eエンタングルメントのバッファ１７５への移動に関与するフュージリアＱ−ブロック及びバッファＱ−ブロックの選択を制御する機能、及び、現在エンタングルメントしているバッファＱ−ブロック１７６を常に把握しておく機能を有する。
【０１２９】
左側の端部ノード及び右側の端部ノードについては図１６及び図１７に示されているものとは異なる光学的構成体の実施が可能であることが理解されよう。たとえば、右側の端部ノードにおける光場の伝送方向１６８を逆にして、能動性の光スイッチを用いて、ターゲットＱ−ブロック９４を選択されたバッファＱ−ブロック１６６に光学的に結合することができる（この場合には、ターゲットＱ−ブロック９４は捕捉相互作用機能を必要とし、バッファＱ−ブロック１６６は移行相互作用機能を必要とするであろう）。
【０１３０】
１以上のパリティ測定値が、E2EエンタングルメントをバッファＱ−ブロックに移動させる操作に関連付けられることがさらに理解されよう。測定されたパリティが偶数の場合には、E2Eエンタングルメントのパリティは変化しないので追加の措置（操作）は必要ではない。しかしながら、測定されたパリティが奇数の場合には、E2Eエンタングルメントを同じに維持するために、関係するバッファの量子ビットが反転される。
【０１３１】
上記の変更に加えてもしくは該変更以外にも、以下に挙げるものを含む種々の変更を図１０の量子リピータの実施形態に施すことができる。
・右から左へのLLE生成：既に述べたように、「左」及び「右」という用語は、ノードチェーンに沿った相対的な方向を示すための便宜上の標示に過ぎない。図１０の実施形態を、サイクルトリガー信号及び光場列９８がLLE生成サブシステムを右から左に通過する場合にも同様に説明することができる（この場合は、LLE生成のために、リピータのＬ側（左側）はフュージリアＱ−ブロックを有し、リピータのＲ側（右側）はターゲットＱ−ブロックである）。これは、サイクルトリガー信号を右から左へと逆方向に伝搬させる場合だけでなく、サイクルトリガー信号の伝搬方向を左から右のままに維持した場合でも可能である（但し、いうまでもなく、この場合は先駆信号９９をサイクルトリガー信号としては使用できない）。しかしながら、後者の場合には、サイクルトリガー信号を受信した後、各リピータは、マージ操作を実行できるようになるまでに、各々の２つの近傍（ノード）までの最大のラウンドトリップタイムの経過を待たなければならない。
・LLEパリティ情報をLLE生成サブシステムの始動構成部側に送る：LLEパリティ情報を、各LLE生成サブシステムのターゲット側にあるLLE制御ユニット９２０のレジスタ１９６に保持するのではなく、該パリティ情報をレジスタ１９５に格納するために、該パリティ情報をメッセージ９３０に入れてLLE生成サブシステムの始動構成部側にあるLLE制御ユニット９１０に送ることができる。同じサイクルにおけるマージ操作の後、このパリティ情報とマージパリティ情報がXOR演算されてパリティ格納部１０４に格納される。
・相補関係にあるリピータタイプ：２つの相補関係にあるタイプのリピータを有する量子リピータのハイブリッド形態が可能であり、該形態では、LLE生成中の光場列９８の伝送方向が、該リピータの左側と右側とで逆である。したがって、図１８に示すように、このハイブリッド型リピータの１つのタイプ１８０では、光場列９８は、該リピータタイプ１８０の左側の始動構成部９７及び右側の始動構成部９７によって生成され、それぞれ、Ｌ側フュージリアＱ−ブロック及びＲ側フュージリアＱ−ブロックを通過した後、左側ローカルリンクファイバー及び右側ローカルリンクファイバーを介して左側と右側のそれぞれの近傍ノードに送信される。このハイブリッド型リピータの他のタイプ１８５では、光場列９８は、左側と右側のそれぞれの近傍ノードから左側ローカルリンクファイバーと右側ローカルリンクファイバーをそれぞれ介して、該リピータタイプ１８５の左側と右側でそれぞれ受け取られ、Ｌ側とＲ側のターゲットＱ−ブロック９４をそれぞれ通過した後測定される。上記のハイブリッド形態の量子リピータのチェーンにおいて、LLE生成サブシステムを生成するために２つのタイプのリピータ１８０、１８５を交互に配置する必要があることが理解されよう。さらに、サイクルトリガー（信号）は先駆信号９９とは無関係に最良に実施されること、及び、リピータ１８５のタイプのリピータは、マージ操作を実行できるようになるまでに、その２つの近傍（ノード）までの最大のラウンドトリップタイムの経過を待たなければならないことも理解されよう。
【０１３２】
E2Eエンタングルメントを成功裏に生成するレート（速さもしくは割合）を高めるための変更を行うこともできる。そのようないくつかの変更を下記する（E2Eエンタングルメントの生成のレートを高くするために、それらの変更を単独で使用できることも、組み合わせて使用できることも理解されよう）。
・LLE生成の成功レート（成功率）を高める：この種の変形形態の１例については図１９を参照して後述する。
・フリーランニング（自走）LLE生成：図１９の変形形態は、フリーランニングLLE生成を提供するのに通常使用されるので、該フリーランニングLLE生成については、図１９の変形形態を説明した後に説明する。
・ノードチェーンセグメントの並列動作：この種の変形形態の１例については図２０を参照して後述する。
【０１３３】
LLE生成の成功レート（成功率）を高める（図１９）
図１９は、図９のLLE生成サブシステム９０の変形形態を示しており、２つ以上のターゲットＱ−ブロック９４が設けられている。より具体的には、図１９のLLE生成サブシステム１９０において、ノード９１における量子物理的ハードウェア（始動構成部９７及び光マージユニット９６）の基本的構成は図９のサブシステムのものと同じである。しかしながら、図１９のサブシステムのLLE制御ユニット１９１は、後述するようにいくつかの点で図９の制御ユニット９１０とは異なる。図９のサブシステムと図１９のサブシステムの主な違いはノード９２に見られる。すなわち、（図１９の）ノード９２において、量子物理的ハードウェアは、それぞれ１〜ｐのID（識別情報）を有する複数（全部でｐ個）のターゲットＱ−ブロック９４、及び、ローカルリンク９５を介して受け取った光場をターゲットＱ−ブロック９４のうちの選択された１つに向けて送るための光スイッチ１９３を備えている。光スイッチ１９３は、ノード９２のLLE制御ユニット１９２によって、エンタングルメントが成功裏に生成されるまで、到来する全ての光場（全ての入力光場）を光スイッチ１９３によって同じターゲットＱ−ブロック９４に向けて送るように制御され、かつ、エンタングルメントが成功裏に生成されると、到来する光場を（エンタングルされていない）利用可能な新たなターゲットＱ−ブロック９４に送るべく切り替えるように制御される。したがって、光スイッチは、エンタングルされているターゲット量子ビットを後続の光場から遮って（すなわち、該光場が該ターゲット量子ビットを通過しないようにして）、それらの光場と該量子ビットとの相互作用を阻止する役目を効果的に果たす。成功裏に生成されたエンタングルメントの各々は、「成功」メッセージ９３０によってノード９１に報告される。この場合、該メッセージ９３０は、（関与したフュージリアＱ−ブロック９３の識別を可能にする情報及び場合によってはパリティ情報に加えて）関与したターゲットＱ−ブロック９４のID（識別情報）を含むことができる。
【０１３４】
もちろん、制御ユニット１９２は、光スイッチ１９３が、到来する光場をエンタングルしていない量子ビットを有するターゲットＱ−ブロックだけに伝送するようにすることを確保する役目を担っているので、制御ユニット１９２は、ターゲットＱ−ブロック９４の各々の利用可能性に関する状態（利用可能性状態）を常に把握していなければならない。この利用可能性状態を、各ターゲットＱ−ブロック９４のそれぞれのエントリを格納するように構成された状態レジスタ１９６を用いて、制御ユニット１９２によって容易に追跡することができる。各レジスタのエントリは、対応するターゲットＱ−ブロックの利用可能性を記録するだけではなく、（該Ｑ−ブロックの量子ビットがフュージリアＱ−ブロックの量子ビットとエンタングルしているために）該Ｑ−ブロックが利用できない場合には、関連するパリティ情報がノード９１に返されるまで該パリティ情報も記録するためにも使用される。
【０１３５】
こうして動作ノード９２は、始動構成部９７によって送出された光場の全てがエンタングルメント生成を試みるために使用されるようにして、該光場の効率的な使用を確保する。
【０１３６】
ノード９１の制御ユニット１９１はまた状態レジスタ１９５を有し、このレジスタは、各フュージリアＱ−ブロック９３のそれぞれのエントリを格納するように構成されている。各レジスタのエントリは対応するフュージリアＱ−ブロック９３の利用可能性を記録している。フュージリアＱ−ブロックは、（メッセージ９３０で示されるように）それの量子ビットがターゲットＱ−ブロック９４の量子ビットとエンタングルしているときから関連するエンタングルメントが消費されるまでの間は「利用不能」である。もちろん、全てのフュージリアＱ−ブロック９４は、始動構成部が起動されてから、メッセージがノード９２から受信されるまでのラウンドトリップタイムの間は事実上「利用不能」である。なぜなら、どの特定のフュージリアＱ−ブロックがエンタングルメントに関与しており、または、関与しようとしているかが分からないからである。しかしながら、任意の特定のフュージリアＱ−ブロックがエンタングルに関わっているか否かは、始動構成部９７の次の始動（すなわち、次の光場の送出）の前に分かるので、そのような「利用不能」を無視することができる。レジスタ１９５の各エントリはまた、対応するＱ−ブロック９３の量子ビットがエンタングルしているために該Ｑ−ブロック９３を利用できない場合には、パリティ情報を記憶するために使用され、この場合、かかるパリティ情報は関連するメッセージ９３０に入れられて提供される。
【０１３７】
複数のLLEが始動構成部９７の１つの起動によって生成される場合には、生成された１以上のLLEを、同じ動作サイクルで実行されるマージ操作で使用する以外にも多くの用途に使用することができる。したがって、それらの過剰なLLEの１つまたはいくつかまたは全てを（必要なときのために）キューに格納しておき（「蓄えておき」）、LLE生成サブシステム１９０がその動作サイクルにおけるLLEの生成に失敗した場合には、（キューに格納されている）該LLEを次の動作サイクルでマージされるLLEとしてすぐに利用できるようにすることができる。もちろん、このためには、関連するＱ−ブロック９３、９４をLLE生成に関与できないようにしておくことが必要であるが、これは、状態レジスタ１９５、１９６を参照することによって容易に行うことができる。また、蓄えられているLLEを共有するノードは、それらのLLEを同じ順番（たとえば、LLEがメッセージ９３０で報告された順番）で使用しなければならない。そうでなければ、E2Eエンタングルメントを構築することが意図されているマージされたLLEの列に分裂が生じうる。
【０１３８】
過剰なLLEを、「純粋化（purification）」として知られるプロセスで使用することもできる。純粋化は、局所的な量子演算（もしくは量子操作）及び古典通信によって２つのエンタングルメントを１つのより忠実度の高いペアに組み合わせることによってエンタングルメントの忠実度を高めるものである。
【０１３９】
量子ビットの状態が、電子スピンから核スピンに遅延なく移行させる場合でも、「蓄えられている」LLEの存続時間は限られており、そのため、蓄えられているLLEに含まれる量子ビットの残りの存続時間を追跡し続けて、存続時間を経過した量子ビットを含むLLEを破棄しなければならないことに留意されたい。
【０１４０】
フリーランニング（自走式）LLE生成
LLE生成サブシステム（該サブシステムがどのような形態であれ）の動作をリピータの最上位の動作サイクルから分離することが可能である。したがって、１実施例では、右側のLLE生成サブシステムは、可能な限り高い頻度（実質的には、LLE生成サブシステムに関わっている近傍ノードまでのラウンドトリップタイムに等しい時間間隔）で、かつ、サイクルトリガー信号を該リピータで受信するタイミングとは無関係に、始動される。このためには、サイクルトリガーを、該LLE生成サブシステムの動作中に送られる信号とは異なる信号で形成する必要があることが理解されよう。この場合、該リピータは、エンタングルした右側の量子ビットが、サイクルトリガー（信号）の受信後（該受信までの時間は、平均すると、右側の近傍ノードまでのラウンドトリップタイムより短い）にはマージ操作のために利用可能であることを知る。さらに、図１９のLLE生成サブシステムが利用され、LLEが蓄えられている場合には、該リピータがサイクルトリガーを受け取ったときに右側のLLEが利用可能である可能性が十分にある。
【０１４１】
ノードチェーンセグメントの並列動作（図２０）
ノードのチェーンを、各々のセグメントが左側の端部ノードと右側の端部ノードからなるそれ自体のペア（対）を有する複数のセグメントに分割することによって、拡張されたエンタングルメントの生成を（それぞれのセグメント間で）並列（すなわち同時）に実施することができる。次に、これらのE2Eエンタングルメントのセグメントをマージして最終的なE2Eエンタングルメントを生成することができる。
【０１４２】
かかるセグメント化の１つの特定の構成例を図２０に示す。この例では、間にE2Eエンタングルメントを生成することが所望されている最終的な端部ノードは、左側の端部ノード２０１と右側の端部ノード２０２である。ノードのチェーン（端部ノード２０１、２０２、及び、中間にあるリピータノード）は、第１のセグメント２０３と第２のセグメント２０４に分割される。
【０１４３】
第１のセグメント２０３の端部ノードは、左側の端部ノード２０１とセグメントスパンニングノード（すなわち、両セグメントにまたがっているノード）２０９のサブノード２０５であり、このサブノード２０５は、第１のセグメントの右側の端部ノードとして機能する。第２のセグメント２０４の端部ノードは、右側の端部ノード２０２とセグメントスパンニングノード２０９のサブノード２０６であり、このサブノード２０６は、第２のセグメントの左側の端部ノードとして機能する。
【０１４４】
第１のセグメント２０３の始動構成部は、それらの光場列を、方向２０７に向けて、すなわち、セグメントスパンニングノード２０９から離れる方向に送出し、同様に、第２のセグメント２０４の始動構成部は、それらの光場列を、セグメントスパンニングノード２０９から離れる方向である方向２０８に向けて送出する。セグメントスパンニングノード２０９は、第１のセグメント２０３及び第２のセグメント２０４に沿ってそれぞれ方向２０７、２０８に向かうサイクルトリガー信号の伝送を開始する機能を有する。
【０１４５】
第１及び第２のセグメント２０３、２０４は、連携したセグメント動作サイクルで時間的に同時に（もしくは並列に）E2Eエンタングルメントのセグメントを生成する。連携した対をなす各セグメント動作サイクルの終わりには、E2Eエンタングルメントのセグメントが両方のセグメント間に存在する。セグメントスパンニングノード２０９は、これらのE2Eエンタングルメントのセグメントをマージして、ノード２０１と２０２の間に所望のE2Eエンタングルメントを生成する。したがって、セグメントスパンニングノード２０９は、端部ノードの機能だけでなくマージ機能も有する。
【０１４６】
第２の「疑似非同期」量子リピータの実施形態（図２１）
第２の「疑似非同期（式）」量子リピータの実施形態は個別には図示していないが、図１０の実施形態と構成は似ており、主な違いは、リピータのLLE生成用構成要素が（近傍ノードにある互いに相補的な構成要素と共に）、変更されていない図１０の実施形態によって提供される「信頼できる」LLE生成サブシステムではなく、「信頼性がない」LLE生成サブシステムを提供するように単に機能するという点である。（一般的に）信頼性がないLLE生成サブシステムの単純な例は、図５のサブシステム５２または５４である。第２の量子リピータの実施形態に関連するLLEサブシステムの信頼できない性質のために、リピータのMCユニットは、成功を想定することに基づいてではなく、測定に基づいてLLEの存在を判定するように構成される。さらに、R-LLE制御ユニット（光場は左から右へと送出されると想定されている）は、MCユニット７７によるサイクルトリガーの受信後に該MCユニット７７によって起動されると、成功メッセージを受信するまで、始動サイクルを繰り返して、右側の近傍ノードから成功／失敗メッセージが返されるのを待つように構成される。そして、R-LLE制御ユニットは、成功メッセージを受信すると、状態１４２（図１４）から状態１４１への遷移がトリガ（起動）されたことをMCユニット７７に通知する（第２の実施形態の状態マシン１０５については、弧状の線１４５は状態遷移図からは省かれている）。この結果、MCユニット７７は、マージ操作を実行できるようになるまでかなりの時間待たなければならない場合がある(したがってまた、特にＬ側の量子ビットの残存寿命をモニタするように注意を払わなければならない)。したがって、E2E動作サイクルの全時間は可変であり、左側の端部ノードは、先行するサイクルが終了したことを該ノードが知っているときのみ新たなE2Eサイクルを開始するように構成される。
【０１４７】
図２１は、該第２の実施形態の構成の左側の端部ノード２１１Ｌ及び右側の端部ノード２１１Ｒ並びに３つのリピータ２１０からなる５つのノードのチェーンについて、１つのE2Eサイクル動作の１例を示す。このチェーンにおいて、ノードは、図１５に示すノードチェーンのノードと同じ距離だけ隔置されている。実際に、図２１は図１５に非常に良く合致しているが、リピータノードＱＲ２とＱＲ３との間にLLEを生成するためには３つの試行が必要である（簡単にするために、全ての他のLLEは最初の試行で生成されると想定する）。図２１では、LLE（参照番号８３〜８６）、サイクルトリガー用先駆信号（参照番号１５１〜１５４）、及び、LLE生成サブシステムの始動側に返されるLLE生成結果メッセージ（参照番号１５５〜１５８）について、図１５と同じ参照番号が使用されている（但し、今の例では、LLE８４を生成するために３つの試行が必要なので、リピータノードＱＲ３は、１５６Ａ、１５６Ｂ、１５６Ｃという参照符号が付されている３つのそのようなメッセージを返すことになり、最初の２つのメッセージは失敗を示し、３番目のメッセージは成功を示している）。LLEではないエンタングルメントが図２１で新たに参照番号を付されており、それらのうち参照番号２１２及び２１３は拡張されたエンタングルメントを示し、参照番号２１４は最終的なE2Eエンタングルメントを示している。過度に煩雑にならないように、図２１には、エンタングルメントは、エンタングルメントが生成されるときとマージされる直前のときのものだけが示されている。
【０１４８】
図２１に記載されているサイクルに関連する時刻（ｔ０〜ｔ１０）は図２１に固有のものであって、図１５に関連するものではなく、これは、ｔという文字に付した接尾辞によって時刻の順序関係を示すことができるようにしたものである。同様にして、Ｍ１乃至Ｍ３というマージの番号付けを図２１に適用することによってマージが実行される時間的順番を反映している（リピータＱＲ１乃至ＱＲ３がそれらのマージを実行する順番は図１５と図２１とでは異なる）。
【０１４９】
既に述べたように、図１５と図２１に示すE2E動作サイクル間の基本的な違いは、図２１のE2E動作サイクルでは、リピータノードＱＲ２とＱＲ３の間にLLE８４を生成するために以下のような３つの試行が必要とされることである。
第１の試行：この試行は、サイクルトリガー信号を受信した結果として時刻ｔ１にＱＲ２によって（１以上の）光場を送出することを含む。この（１以上の）光場の進行の様子は、（実際には、（１以上の）光場に先行する先駆信号を表している）点線の矢印１５２によって実質的に示されている。この試行が失敗すると、時刻ｔ２において、ＱＲ３は、破線の矢印１５６Ａで示されている「失敗」メッセージを返す。
第２の試行：この試行は、第１の試行から失敗メッセージを受け取った結果として時刻ｔ３にＱＲ２によって（１以上の）光場を送出することを含む。この（１以上の）光場の進行の様子は、一点鎖線の矢印２１８によって示されている。この第２の試行もまた失敗すると、時刻ｔ４において、ＱＲ３は、破線の矢印１５６Ｂで示されている「失敗」メッセージを返す。
第３の試行：この試行は、第２の試行から失敗メッセージを受け取った結果として時刻ｔ６にＱＲ２によって（１以上の）光場を送出することを含む。この（１以上の）光場の進行の様子は、一点鎖線の矢印２１９によって示されている。この試行が時刻ｔ８においてLLE８４の生成に成功すると、ＱＲ３は、破線の矢印１５６Ｃで示されている「成功」メッセージを返す（この例では、偶然に、サイクルトリガー１５４もまた時刻ｔ６において右側の端部ノード２１１Ｒにたまたま到達していることに留意されたい）。
【０１５０】
「成功」メッセージ（矢印１５６Ｃ）は時刻ｔ１０にＱＲ２に到達するが、このｔ１０までには、ＱＲ３及びＱＲ４はそれらのマージ操作を既に実行している（先ずＱＲ４が、丸で囲まれたＭ１で示すように、時刻ｔ７においてLLE８５とLLE８６を結合するマージを実行して拡張されたエンタングルメント２１２を生成し、ＱＲ３が、丸で囲まれた「Ｍ２」で示すように、時刻ｔ９においてLLE８４と拡張されたエンタングルメント２１２を結合するマージを実行して拡張されたエンタングルメント２１３を生成する）。したがって、時刻ｔ１０において、ＱＲ２は、丸で囲まれた「Ｍ３」で示すように、LLE８３と拡張されたエンタングルメント２１３を結合するマージを実行してE2Eエンタングルメント２１４を生成することができる。
【０１５１】
現在のE2E動作サイクルが今や終了していて新たなE2E動作サイクルを開始できるということを左側の端部ノード２１１Ｌに知らせるための１つの手段は、左側の端部ノード２１１Ｌがサイクルトリガー１５４を受け取るとすぐに、ノードチェーンに沿って該左側の端部ノード２１１Ｌに向けて「E2E成功」MCメッセージを返すように、右側の端部ノード２１１Ｒを構成することである。各リピータノードＱＲ３、ＱＲ２、ＱＲ１は、それらの各々がマージ操作を遂行するまでこの「E2E成功」MCメッセージの伝送を遅らせる。やがて、左側の端部ノード２１１Ｌは、「E2E成功」MCメッセージを受け取って、新たなE2E動作サイクルを開始する。
【０１５２】
他の多くの変更が、上記の量子リピータの実施形態に対して可能であることが理解されよう。
【０１５３】
図１０のリピータの実施形態において、左側のエンタングルメントは、サイクルトリガーの受信時には存在することが想定されている（これは、LLE生成サブシステムが高い成功確率を有しているからである）が、これとは対照的に、右側のエンタングルメントの存在は、測定によって及びフュージリア指標（またはフュージリア識別情報）が返されることを通じて知ることができることに留意されたい。したがって、サイクルトリガーの受信に続いて、局所的なマージ操作が開始されるが、そのときには、左側のエンタングルメントが存在することは予測されており、右側のエンタングルメントが存在することはわかっている。実際には、左側のエンタングルメントの存在を予測ではなく知識に基づいて判定することができる。というのは、この知識はL-LLE制御ユニットから容易に利用できるからである。同様に、右側のエンタングルメントの存在を知識ではなく予測に基づいて判定することができる。というのは、信頼性が高いLLE生成サブシステムの使用は、右側の近傍ノードまでのラウンドトリップタイムの経過後には右側のエンタングルメントが存在することを期待できることを意味するからである（もちろん、エンタングルしているフュージリア量子ビットの特定を可能にする情報を右側の近傍ノードから受け取ることが依然として必要であり、この情報は、右側のエンタングルメントの存在についての時間ベース（もしくは時系列）の予測を裏付ける知識を有効に提供する）。信頼性のないLLE生成サブシステムに基づく第２のリピータの実施形態の場合は、局所的なマージ操作は、左側及び右側のエンタングルメントの存在の知識に基づいてもっぱら実行される。
【０１５４】
種々の理由から、上述の量子リピータの実施形態によって最上位サイクルの各々で実行される左側及び右側のエンタングルメントのマージを、関連するリピータのＬ（右）側及びＲ（左）側の量子ビットに対して上述した形態の「マージ操作」を実行することによって直接的に実施するのではなく、１以上のローカル（局在している）量子ビットの中間にある量子ビット（「中間量子ビット」）を介して実施するようにするのが望ましい場合がある。たとえば、１つの中間量子ビットが提供されている場合には、左側及び右側のエンタングルメントを、エンタングルされているＬ側／Ｒ側の量子ビット（ただし必要に応じて）並びに中間量子ビットを伴うそれぞれの延長操作によって該中間量子ビットまで別々に拡張することができ、その後、該中間量子ビットに対してＸ測定操作を実行することによって該中間量子ビットをエンタングルメントから解放する。リピータの左側及び右側のエンタングルメントの局所的なマージ操作がどのように実施されるかの詳細は、「疑似非同期」方式で動作する量子リピータの一般的な操作乃至動作方法にとっては重要ではないことが理解されよう。
【０１５５】
LLE制御ユニット８２、８３及びマージ制御ユニット８７の実現に関しては、説明した機能は、典型的には、プログラム制御式プロセッサまたは対応する専用ハードウェアによって提供されることが理解されよう。さらに、実際上、（特に、LLE制御ユニットの機能が最小限の場合には）LLE制御ユニットとマージ制御ユニットの機能を統合することができる。もちろん、制御機能の分割はある程度自由に行うことができる。しかしながら、LLE制御機能を複数のLLE制御ユニットに分割する価値はある。なぜなら、いくつかのリピータの実施形態では、LLE生成は、フリーランニング（自走式）であり、すなわち、マージ制御などのより高いレベルの操作とは協調乃至協働しないからである。LLE制御機能の上位にあるのは、マージ制御及びサイクルトリガー伝送の制御に関連する制御機能であり、この制御機能は、リピータの最上位の制御を有効に提供し、及び、最上位の制御構成（説明した実施形態では、該構成はマージ制御ユニットによって形成されるが、サイクルトリガー制御をマージ制御ユニットから分離してそれ独自の別個の制御ユニットに組み込むことも可能であり、その場合は、たとえば、該別個の制御ユニットは、サイクルトリガーの受信に応答して、該サイクルトリガーをイベントとしてマージ制御ユニットに送り、及び、Ｒ側の始動構成部を始動させる。この場合、このＲ側の始動構成部の始動は、もはやマージ制御ユニットの役目ではない）によって提供されるとみなすことができる。
【０１５６】
上記では、光場は、光ファイバーを介して、ノード間、及び、リピータの量子物理的ハードウェアの構成要素間の両方を伝送されるものとして一般的に説明したが、光場を任意の適切な光チャンネルを通じて伝送することができ、この場合、該光チャンネルは、（光導波路を用いた）誘導式のものでも無誘導式のもの（直線路）でもよく、また、自由空間中を伝送させるものであっても物理媒体中を伝送させるものであってもよいことが理解されよう。したがって、たとえば、リピータの量子物理的ハードウェアの光学的構成体を、光キャビティ（または光共振器）内に配置されたダイヤモンド格子中の窒素原子によって提供される量子ビットと接続乃至相互作用するシリコンチャンネルから構成することができる。
【０１５７】
既に述べたように、当業者は、Ｑ−ブロックの具体的な実現方法を理解しているであろうし、関連する実施例の細部は以下の論文に記載されている。尚、以下の論文は参照により本明細書に組み込まれるものとする。
・「Fault-tolerant quantum repeaters withminimal physical resources, and implementations based on single photon emitters」L, Childress, J.M.Taylor, A.S.Sorensen, andM.D.Lukin; Physics Review A 72,052330(2005).
・「Fault-Tolerant Quantum CommunicationBased on Solid-State Photon Emitters」L.Childress,J.M.Taylor, A.S.Sorensen, and M.D.Lukin; Physical Review Letters 96,070504(2006).
・「Hybrid quantum repeater based ondispersive CQED interactions between matter qubits and bright coherent light」T D Ladd, P van Loock, K Nemoto, WJMunro, and YYamamoto; New Journal of Physics 8(2006)184, Published 8 September 2006.
・「Hybrid quantum Repeater Using BrightCoherent Light」P. van Loock, T.D. Ladd, K.Sanaka,F.Yamaguchi, Kae Nemoto, W.J.Munro, and Y. Yamamoto; Physical Review Letters96, 240501(2006).
・「Distributed Quantum ComputationBased-on Small Quantum Registers」Liang Jiang, Jacob M. Taylor, Anders S. Sorensen, Mikhail D.Lukin; PhysicsReview. A 76, 062323(2007).
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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