(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子状態の通信のためのシステムであって、
偏光符号化ｑｕｂｉｔを受信し、前記偏光符号化ｑｕｂｉｔを２つのｑｕｂｉｔに分割するように構成された偏光ハードウェアと、
前記偏光ハードウェアに結合され、ＣＮＯＴゲートに適した形態へと前記２つのｑｕｂｉｔを変換するように構成された変換器と、
前記ＣＮＯＴゲートのＣＮＯＴ演算の測定結果によって前記量子状態の前記通信の成功が決まるように、前記２つのｑｕｂｉｔを受信するように構成された前記ＣＮＯＴゲートと、
を備えた、システム。
【請求項２】
前記ＣＮＯＴゲートが、対象ｑｕｂｉｔおよび制御ｑｕｂｉｔを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記２つのｑｕｂｉｔの第１のｑｕｂｉｔが前記対象ｑｕｂｉｔであり、前記２つのｑｕｂｉｔの第２のｑｕｂｉｔが前記制御ｑｕｂｉｔである、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記対象ｑｕｂｉｔ上のゼロ（０）が、前記制御ｑｕｂｉｔ上の前記量子状態の前記通信の成功を示し、
前記対象ｑｕｂｉｔ上の１が、前記制御ｑｕｂｉｔ上の前記量子状態の前記通信の失敗を示し、
前記対象ｑｕｂｉｔ上の前記０が、前記制御ｑｕｂｉｔ上のａ｜０〉＋ｂ｜１〉の形態の目標ｑｕｂｉｔの受信を確認し、
前記対象ｑｕｂｉｔ上の前記１が、前記制御ｑｕｂｉｔ上の前記目標ｑｕｂｉｔの不受信を確認する、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記対象ｑｕｂｉｔ上の１が、前記制御ｑｕｂｉｔ上の前記量子状態の前記通信の成功を示し、
前記対象ｑｕｂｉｔ上のゼロ（０）が、前記制御ｑｕｂｉｔ上の前記量子状態の前記通信の失敗を示し、
前記対象ｑｕｂｉｔ上の前記１が、前記制御ｑｕｂｉｔ上のａ｜０〉＋ｂ｜１〉の形態の目標ｑｕｂｉｔの受信を確認し、
前記対象ｑｕｂｉｔ上の前記０が、前記制御ｑｕｂｉｔ上の前記目標ｑｕｂｉｔの不受信を確認する、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記偏光ハードウェアが、第１のｑｕｂｉｔが水平成分を有し、第２のｑｕｂｉｔが垂直成分を有するように、前記偏光符号化ｑｕｂｉｔを前記２つのｑｕｂｉｔに分割するように構成された偏光ビーム・スプリッタを具備し、
前記偏光ハードウェアが、前記水平成分を有する前記第１のｑｕｂｉｔまたは前記垂直成分を有する前記第２のｑｕｂｉｔをシフトさせるように構成された偏光シフタを具備する、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項７】
前記変換器が、前記ＣＮＯＴ演算を実行可能なｑｕｂｉｔへと前記偏光符号化ｑｕｂｉｔを変換するように構成された、請求項１ないし６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
量子状態の通信のための方法であって、
偏光符号化ｑｕｂｉｔを受信し、前記偏光符号化ｑｕｂｉｔを２つのｑｕｂｉｔに分割するように構成された偏光ハードウェアを用意することと、
前記偏光ハードウェアに結合され、ＣＮＯＴゲートに適した形態へと前記２つのｑｕｂｉｔを変換するように構成された変換器を用意することであり、前記ＣＮＯＴゲートが前記２つのｑｕｂｉｔを受信するように構成された、変換器を用意することと、
前記ＣＮＯＴゲートのＣＮＯＴ演算からの対象ｑｕｂｉｔの測定結果に基づいて、前記量子状態の前記通信の成功を決定することと、
を含む、方法。
【請求項９】
前記ＣＮＯＴゲートが、対象ｑｕｂｉｔおよび制御ｑｕｂｉｔを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記２つのｑｕｂｉｔの第１のｑｕｂｉｔが前記対象ｑｕｂｉｔであり、前記２つのｑｕｂｉｔの第２のｑｕｂｉｔが前記制御ｑｕｂｉｔである、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記対象ｑｕｂｉｔ上のゼロ（０）が、前記制御ｑｕｂｉｔ上の前記量子状態の前記通信の成功を示し、
前記対象ｑｕｂｉｔ上の１が、前記制御ｑｕｂｉｔ上の前記量子状態の前記通信の失敗を示し、
前記対象ｑｕｂｉｔ上の前記０が、前記制御ｑｕｂｉｔ上のａ｜０〉＋ｂ｜１〉の形態の目標ｑｕｂｉｔの受信を確認し、
前記対象ｑｕｂｉｔ上の前記１が、前記制御ｑｕｂｉｔ上の前記目標ｑｕｂｉｔの不受信を確認する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記対象ｑｕｂｉｔ上の１が、前記制御ｑｕｂｉｔ上の前記量子状態の前記通信の成功を示し、
前記対象ｑｕｂｉｔ上のゼロ（０）が、前記制御ｑｕｂｉｔ上の前記量子状態の前記通信の失敗を示し、
前記対象ｑｕｂｉｔ上の前記１が、前記制御ｑｕｂｉｔ上のａ｜０〉＋ｂ｜１〉の形態の目標ｑｕｂｉｔの受信を確認し、
前記対象ｑｕｂｉｔ上の前記０が、前記制御ｑｕｂｉｔ上の前記目標ｑｕｂｉｔの不受信を確認する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記偏光ハードウェアが、第１のｑｕｂｉｔが水平成分を有し、第２のｑｕｂｉｔが垂直成分を有するように、前記偏光符号化ｑｕｂｉｔを前記２つのｑｕｂｉｔに分割するように構成された偏光ビーム・スプリッタを具備し、
前記偏光ハードウェアが、前記水平成分を有する前記第１のｑｕｂｉｔまたは前記垂直成分を有する前記第２のｑｕｂｉｔをシフトさせるように構成された偏光シフタを具備する、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１４】
前記変換器が、ある方向においては光−マイクロ波変換器として、別の方向においてはマイクロ波−光変換器として構成された、請求項８ないし１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
通信のためのシステムであって、
２つのｑｕｂｉｔを受信するように構成され、前記２つのｑｕｂｉｔをエンタングルメントするように構成されたＣＮＯＴゲートと、
前記ＣＮＯＴゲートに結合され、偏光ハードウェアに適した形態へと前記２つのｑｕｂｉｔを変換するように構成された変換器と、
前記２つのｑｕｂｉｔを受信し、前記２つのｑｕｂｉｔを結合して通信用の偏光符号化ｑｕｂｉｔを得るように構成された前記偏光ハードウェアと、
を備えた、システム。
【請求項１６】
前記ＣＮＯＴゲートが、対象ｑｕｂｉｔおよび制御ｑｕｂｉｔを含み、
前記２つのｑｕｂｉｔの第１のｑｕｂｉｔが前記制御ｑｕｂｉｔであり、前記２つのｑｕｂｉｔの第２のｑｕｂｉｔが前記対象ｑｕｂｉｔである、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記偏光ハードウェアが、前記２つのｑｕｂｉｔを結合することにより、前記偏光符号化ｑｕｂｉｔを形成するように構成された偏光ビーム結合器を具備し、
前記偏光ハードウェアが、前記第１のｑｕｂｉｔまたは前記第２のｑｕｂｉｔをシフトさせるように構成された偏光シフタを具備する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記偏光ハードウェアが、前記２つのｑｕｂｉｔを前記偏光符号化ｑｕｂｉｔに変換するように構成された、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
通信方法であって、
２つのｑｕｂｉｔを受信することと、
ＣＮＯＴゲートを使用して、前記２つのｑｕｂｉｔをエンタングルメントすることと、
前記ＣＮＯＴゲートに結合された変換器を使用して、偏光ハードウェアに適した形態へと前記２つのｑｕｂｉｔを変換することと、
前記偏光ハードウェアを使用して、前記２つのｑｕｂｉｔを結合して通信用の偏光符号化ｑｕｂｉｔを得ることと、
を含む、方法。
【請求項２０】
前記ＣＮＯＴゲートが、対象ｑｕｂｉｔおよび制御ｑｕｂｉｔを含み、
前記２つのｑｕｂｉｔの第１のｑｕｂｉｔが前記制御ｑｕｂｉｔであり、前記２つのｑｕｂｉｔの第２のｑｕｂｉｔが前記対象ｑｕｂｉｔである、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記偏光ハードウェアが、前記２つのｑｕｂｉｔを結合することにより、前記偏光符号化ｑｕｂｉｔを形成するように構成された偏光ビーム結合器を具備し、
前記偏光ハードウェアが、前記第１のｑｕｂｉｔまたは前記第２のｑｕｂｉｔをシフトさせるように構成された偏光シフタを具備する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記偏光ハードウェアが、前記２つのｑｕｂｉｔを前記偏光符号化ｑｕｂｉｔに変換するように構成された、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
通信確認方法であって、
符号化ｑｕｂｉｔを受信し、２つのｑｕｂｉｔに分割するように構成された偏光ハードウェアを使用して、偏波面保存光ファイバ上で符号化ｑｕｂｉｔを受信することと、
ＣＮＯＴゲートを使用して、ＣＮＯＴ演算からの測定に基づいて前記符号化ｑｕｂｉｔの受信を確認することであり、前記ＣＮＯＴゲートが、対象ｑｕｂｉｔと制御ｑｕｂｉｔを含み、前記２つのｑｕｂｉｔの第１のｑｕｂｉｔが前記制御ｑｕｂｉｔであり、前記２つのｑｕｂｉｔの第２のｑｕｂｉｔが前記対象ｑｕｂｉｔである、確認することと、
を含む、方法。
【請求項２４】
前記ｑｕｂｉｔが、前記偏波面保存光ファイバ上で送信機システムから受信される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記ｑｕｂｉｔの受信を確認することが、前記ＣＮＯＴゲートの対象ｑｕｂｉｔにおける測定に基づく、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には量子デバイスに関し、より詳細には、光子損失に対して堅牢な量子通信リンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子コンピュータの基本的要素は、「ｑｕｂｉｔ」として知られる量子ビットである。０および１を表す従来のビットに対して、ｑｕｂｉｔもまた、これら２つの状態の量子重ね合わせを表すことができる。これらの状態は、２つの状態である確率として、量子物理学の法則の範囲内で形式化可能である。したがって、これらの状態は、量子物理学の法則の範囲内で操作および観測可能である。
【０００３】
量子特性としては、量子エンタングルメントと、量子エンタングルメントの特性に関係する情報の量子テレポーテーションとが挙げられる。量子エンタングルメントは、２つの光子間、２つの原子系／イオン系間、または光子と原子／イオンベースの量子系との間等、如何なる２つの量子系間にも存在し得る。ｑｕｂｉｔの使用を伴う圧縮技術と併せて、量子通信を使用可能な場合もある。ｑｕｂｉｔは、２準位量子力学系において状態ベクトルにより視覚化可能な量子情報の単位である。従来の２進ビットと異なり、ｑｕｂｉｔは、０、１、または両者の重ね合わせの値を有し得る。ｑｕｂｉｔは、基礎状態（または、ベクトル）において測定されるようになっていてもよく、０および１の量子状態値を表すには、たとえば｜０〉および｜１〉等、従来のディラック記号が用いられる。たとえば、物理的なｑｕｂｉｔ上では、値「０」を水平光子偏光に割り当て、値「１」を垂直光子偏光に割り当てることによって実現可能である。「純粋」なｑｕｂｉｔ状態は、上記２つの状態の線形重ね合わせであり、ａ｜０〉＋ｂ｜１〉の組み合わせとして表すことができる。ただし、光ファイバ・リンク等の損失性チャネル全体で（飛行ｑｕｂｉｔすなわち送信ｑｕｂｉｔにより）量子情報／状態を送信すると、損失によって効率が非常に低くなるため、結果として、受信した量子情報／ｑｕｂｉｔ状態の情報にアクセスできない。
【０００４】
計算科学において、制御ＮＯＴゲート（Ｃ−ＮＯＴまたはＣＮＯＴ）は量子ゲートであり、量子コンピュータの構成において不可欠な構成要素である。ＣＮＯＴゲートは、ＥＰＲ状態のエンタングルメントおよびディスエンタングルメントに使用可能である。ＣＮＯＴゲートおよび単一ｑｕｂｉｔ回転の組み合わせを用いることにより、任意の量子回路を任意の精度まで模擬可能である。さらに、ＣＮＯＴゲートは、従来のゲートの量子化である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
量子状態の通信のためのシステム、量子状態の通信のための方法、通信のためのシステム、通信方法、および通信確認方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、量子状態の通信のためのシステムが提供される。このシステムは、偏光符号化ｑｕｂｉｔを受信し、偏光符号化ｑｕｂｉｔを２つのｑｕｂｉｔに分割するように構成された偏光ハードウェアと、偏光ハードウェアに結合された変換器と、を備える。変換器は、ＣＮＯＴゲートに適した形態へと２つのｑｕｂｉｔを変換するように構成されている。ＣＮＯＴゲートは、当該ＣＮＯＴゲートのＣＮＯＴ演算の測定結果によって量子状態の通信の成功が決まるように、２つのｑｕｂｉｔを受信するように構成されている。
【０００７】
本発明の実施形態によれば、量子状態の通信のための方法が提供される。この方法は、偏光符号化ｑｕｂｉｔを受信し、偏光符号化ｑｕｂｉｔを２つのｑｕｂｉｔに分割するように構成された偏光ハードウェアを用意することと、偏光ハードウェアに結合された変換器を用意することと、を含む。変換器は、ＣＮＯＴゲートに適した形態へと２つのｑｕｂｉｔを変換するように構成されており、ＣＮＯＴゲートが２つのｑｕｂｉｔを受信するように構成されている。また、この方法は、ＣＮＯＴゲートのＣＮＯＴ演算からの対象ｑｕｂｉｔの測定結果に基づいて、量子状態の通信の成功を決定することを含む。
【０００８】
本発明の実施形態によれば、通信のためのシステムが提供される。このシステムは、２つのｑｕｂｉｔを受信するように構成されたＣＮＯＴゲートを備える。ＣＮＯＴゲートは、２つのｑｕｂｉｔをエンタングルメントするように構成されている。このシステムは、ＣＮＯＴゲートに結合され、偏光ハードウェアに適した形態へと２つのｑｕｂｉｔを変換するように構成された変換器を備える。偏光ハードウェアは、２つのｑｕｂｉｔを受信し、２つのｑｕｂｉｔを結合して通信用の偏光符号化ｑｕｂｉｔを得るように構成されている。
【０００９】
本発明の実施形態によれば、通信方法は、２つのｑｕｂｉｔを受信することと、ＣＮＯＴゲートを使用して、２つのｑｕｂｉｔをエンタングルメントすることと、ＣＮＯＴゲートに結合された変換器を使用して、偏光ハードウェアに適した形態へと２つのｑｕｂｉｔを変換することと、を含む。また、この方法は、偏光ハードウェアを使用して、２つのｑｕｂｉｔを結合して通信用の偏光符号化ｑｕｂｉｔを得ることを含む。
【００１０】
本発明の実施形態によれば、通信確認方法が提供される。この方法は、偏光ハードウェアを使用して、偏波面保存光ファイバ上でｑｕｂｉｔを受信することと、ＣＮＯＴゲートを使用して、ＣＮＯＴ演算からの測定に基づいてｑｕｂｉｔの受信を確認することと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る、受信機システムの模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る、送信機システムの模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係る、図２の送信機システムと組み合わされた図１の受信機システムの概略図である。
【図４】本発明の実施形態に係る、受信機システムの動作方法に関する一般化方法のフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態に係る、変換器の別途詳細を示した受信機システムの模式図である。
【図６】本発明の実施形態に係る、量子状態の通信のための方法のフローチャートである。
【図７】本発明の実施形態に係る、通信のための方法のフローチャートである。
【図８】本発明の実施形態に係る、通信を確認する方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本明細書においては、関連する図面を参照して、種々な実施形態を説明する。本明細書の範囲から逸脱することなく、別の実施形態を考案可能である。なお、以下の説明および図面においては、さまざまな接続および位置関係（たとえば、上方（over）、下方（below）、隣接（adjacent）等）が要素間に規定される。これらの接続または位置関係あるいはその両方は、別段の指定のない限り、直接的でも間接的でも可能であり、この点に関して何ら制限を意図したものではない。したがって、エンティティの結合は、直接的または間接的な結合を表すことができ、エンティティ間の位置関係としては、直接的または間接的な位置関係が可能である。間接的な位置関係の一例として、層「Ａ」の層「Ｂ」上への形成の言及には、層「Ａ」および層「Ｂ」の関連する特性および機能が実質的な変更を受けない限り、１つまたは複数の中間層（たとえば、層「Ｃ」）が層「Ａ」と層「Ｂ」との間に存在する状況を含む。
【００１３】
本発明の実施形態は、偏光符号化を使用するとともに、ｑｕｂｉｔに対して量子演算を実行することにより後選択を行える能力を利用することにより、損失性光リンク全体で量子状態の送信に成功するシステムおよび方法を含む。このシステムおよび方法によれば、量子状態の送信の成功を伝令することができるため、ｒｅｐｅａｔ−ｕｎｔｉｌ−ｓｕｃｃｅｓｓプロトコルが有効となる。これは特に、ブラインド量子計算に有用であり、クライアント（たとえば、送信機）は、小さな一組の偏光方向に沿って単一光子状態（すなわち、量子状態）を準備できればよく、サーバ（たとえば、受信機）は、単一光子状態を受信した後に、難しい量子処理を実行することになる。
【００１４】
光ファイバ・リンク等の損失性チャネル全体で（飛行ｑｕｂｉｔにより）量子情報を送信すると、損失によって効率が非常に低くなる可能性がある。損失の結果、受信した量子情報／ｑｕｂｉｔ状態にアクセスできなくなる。実施形態は、偏光符号化ｑｕｂｉｔから変換されたマイクロ波ｑｕｂｉｔに対して制御ＮＯＴ（ＣＮＯＴ）演算および量子検出を展開するように構成されており、ｑｕｂｉｔの受信が伝令される。上述の通り、実施形態は特に、ｒｅｐｅａｔ−ｕｎｔｉｌ−ｓｕｃｃｅｓｓが実行可能な場合に有用である。たとえば、重要なのはブラインド量子計算の場合であって、クライアント（たとえば、送信機）は、一度に１つずつ、符号化ｑｕｂｉｔをサーバ（たとえば、受信機）に送信する必要があり、各（送信）試行によって、新たな符号化が生成され得る。なお、送信機に対するクライアントおよび受信機に対するサーバという用語は、説明を目的として使用しているに過ぎず、何ら限定的なものではない。いくつかの実施形態において、クライアントは、サーバが量子計算を実行可能な間に送信されるｑｕｂｉｔを作成または生成することができる。また、送信機および受信機という用語は、理解の容易化のために使用しているに過ぎず、何ら限定的なものではない。ただし、送信機が光通信ファイバ上でｑｕｂｉｔの送信および受信の両者を行えるように、ｑｕｂｉｔの送信は双方向性である。同様に、受信機は、光通信ファイバ上でｑｕｂｉｔの送信および受信の両者を行える。したがって、当然のことながら、送信機および受信機の識別は、送信の方向に応じて変化し得る。
【００１５】
図１は、実施形態に係る、受信機システム１００（受信機またはサーバ）の模式図である。図２は、実施形態に係る、送信機システム２００（送信機またはクライアント）の模式図である。ただし、受信機システム１００の動作に送信機システム２００は必要なく、送信機は、単純な偏光符号化セットアップを用いて、偏光符号化ｑｕｂｉｔ状態を受信機システム１００に送信することができる。送信機システム２００は受信機システム１００の逆であり、このことは、受信機システム１００が双方向に（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｌｙ）動作することができることを示している。送信機システム２００は、送信機がマイクロ波領域においてｑｕｂｉｔ状態を準備した場合に用いられる。上述の通り、受信機および送信機という用語は、ｑｕｂｉｔの送信が双方向であることから言い換え可能であり、図１〜図３は、単一の通信方向を示しているに過ぎない。また、受信機システム１００および送信機システム２００の両者において同じハードウェアを利用可能であるものの、各ハードウェアは反対の視点で機能する。受信機システム１００は、偏光ハードウェア１０５Ａ、交換器１０６Ａ、およびＣＮＯＴゲート１０８Ａを具備する。同様に、送信機システム２００は、偏光ハードウェア１０５Ｂ、交換器１０６Ｂ、およびＣＮＯＴゲート１０８Ｂを具備する。
【００１６】
図１を参照して、受信機システム１００は、光通信リンク３０２上で偏光符号化ソースｑｕｂｉｔ（ＱＳ）を受信するように構成されている。光通信リンク３０２としては、光ファイバ・リンクが可能である。光通信リンク３０２は、偏波面保存光リンクである。入力偏光符号化ｑｕｂｉｔ（ＱＳ）は、簡易な偏光符号化器または（図２の）送信機システム２００から送信可能であり、入力ｑｕｂｉｔの基点は、受信機システム１００の機能に影響を及ぼさない。
【００１７】
ソースｑｕｂｉｔは、偏光符号化フォトニックｑｕｂｉｔでもあるａ｜Ｈ〉＋ｂ｜Ｖ〉であり、このａ｜Ｈ〉＋ｂ｜Ｖ〉は、｜Ｈ〉と｜Ｖ〉間の状態の重ね合わせである。ここで、「ａ」は水平直角分、「ｂ」は垂直直角分であり、｜ａ｜２＋｜ｂ｜２＝１である。フォトニック導波路が偏光符号化光学飛行ｑｕｂｉｔ（すなわち、ソースｑｕｂｉｔ）を偏光ビーム・スプリッタ１０２Ａまで搬送する。ソースｑｕｂｉｔの受信に際して、偏光ビーム・スプリッタ１０２Ａは、入力偏光符号化ソースｑｕｂｉｔをソースｑｕｂｉｔ対へと分割するように構成されている。このソースｑｕｂｉｔ対は、偏光ビーム・スプリッタ１０２Ａによって偏光符号化ソースｑｕｂｉｔから分割された水平ソースｑｕｂｉｔ（ＱＳＨ）および垂直ソースｑｕｂｉｔ（ＱＳＶ）である。一例としては、ウォラストン（Wollaston）プリズムが偏光ビーム・スプリッタであり、このウォラストン・プリズムは、複屈折材料を用いて、異なる偏光のビームへと光を分割する。水平ソースｑｕｂｉｔが水平に偏光する一方、垂直ソースｑｕｂｉｔが垂直に偏光している。偏光ビーム・スプリッタ１０２Ａは、ある方向においてはビーム・スプリッタとして機能するが、図２の送信機システム２００に示すように、反対方向ではビーム結合器としても機能する。偏光を利用可能であるのは、光の送信の如何なる部分においても（常に）発生する光子損失に対して情報がより堅牢なためである。なお、実施形態では、２つ以上の光子を使用して、偏光符号化ｑｕｂｉｔを形成することも可能である。当業者であれば、偏光符号化がフォトニック量子計算において周知の技術であることが了解される。
【００１８】
偏光符号化ソースｑｕｂｉｔをソースｑｕｂｉｔ対に分割した後、ｑｕｂｉｔの一方が偏光ビーム・スプリッタ１０２Ａから変換器１０６Ａに送信される一方、他方のｑｕｂｉｔが偏光シフタ１０４Ａに送信され、逆もまた同様である。説明を目的として、水平ソースｑｕｂｉｔが変換器１０６Ａに送信されるとともに、垂直ソースｑｕｂｉｔが偏光シフタ１０４Ａに送信されるものと仮定する。偏光シフタ１０４Ａとしては、９０°（度）偏光シフタが可能である。したがって、偏光シフタ１０４Ａが垂直ソースｑｕｂｉｔを９０°シフトさせ、シフトした垂直ソースｑｕｂｉｔが変換器１０６Ａに送信される。
【００１９】
変換器１０６Ａは、（水平ソースｑｕｂｉｔおよび垂直ソースｑｕｂｉｔである）ｑｕｂｉｔ対をあるエネルギー形態から別のエネルギー形態に変換するトランスデューサである。いくつかの実施形態において、変換器１０６Ａ（１０６Ｂ）は、ある方向においては光−マイクロ波変換器として、反対方向においてはマイクロ波−光変換器として機能する。変換器１０６Ａは、ＣＮＯＴ演算をｑｕｂｉｔ対に実行可能な形態へとｑｕｂｉｔ対を変換するように構成されている。変換器１０６Ａは、水平ソースｑｕｂｉｔおよび垂直ソースｑｕｂｉｔをそれぞれ、水平目標ｑｕｂｉｔ（ＱＤＨ）および垂直目標ｑｕｂｉｔ（ＱＤＶ）に変換する。本例において、水平ソースｑｕｂｉｔおよび垂直ソースｑｕｂｉｔは、変換前は（光領域の）光学ｑｕｂｉｔであった。変換器１０６Ａ（たとえば、光−マイクロ波変換器）による変換後、水平目標ｑｕｂｉｔおよび垂直目標ｑｕｂｉｔは、マイクロ波領域におけるマイクロ波ｑｕｂｉｔである。光領域の周波数は、赤外線から紫外線まで（およそ３００ギガヘルツ（ＧＨｚ）〜３０ペタヘルツ（ＰＨｚ）ではあるが、代表的な周波数は１９３テラヘルツ（ＴＨｚ）前後）の範囲となる可能性がある一方、マイクロ波領域としては、およそ１０メガヘルツ（ＭＨｚ）〜３００ＧＨｚが可能である。（マイクロ波）ｑｕｂｉｔ対（水平目標ｑｕｂｉｔおよび垂直目標ｑｕｂｉｔ）は、変換器１０６Ａを出た後、（２つの）マイクロ波通信リンク１２０上でＣＮＯＴゲート１０８Ａに送信される。変換後の情報は、（マイクロ波）光子数で符号化されているものの、説明のため、ｑｕｂｉｔを水平ソースｑｕｂｉｔおよび垂直ソースｑｕｂｉｔと標識化している。マイクロ波通信リンク１２０としては、静止しているマイクロ波光子を搬送するマイクロ波導波路が可能である。いくつかの実施形態において、変換器１０６Ｂ（変換器１０６Ｂのマイクロ波部分）、マイクロ波通信リンク１２０、およびＣＮＯＴゲート１０８Ｂは、超電導材料を含むことができ、たとえば希釈冷凍機において、極低温度まで冷却可能である。
【００２０】
何回かのわずかな単一ｑｕｂｉｔゲート回転を適用した後、ＣＮＯＴゲート１０８Ａは、変換器１０６Ａからの水平目標ｑｕｂｉｔおよび垂直目標ｑｕｂｉｔに作用する。単一ｑｕｂｉｔゲート回転としては、任意の位相シフトの主要因となる位相シフト回転が可能である。ＣＮＯＴゲート１０８Ａは、制御ｑｕｂｉｔ１１２Ａの状態が１である場合、対象ｑｕｂｉｔ１１０Ａに対してＮＯＴ演算を実行する（０から１または１から０まで角度πだけｑｕｂｉｔ状態をフリップさせる）。上記例を継続して、ＣＮＯＴ１０８Ａに対しては、水平目標ｑｕｂｉｔが制御ｑｕｂｉｔ１１２Ａとなり、垂直目標ｑｕｂｉｔが対象ｑｕｂｉｔ１１０Ａとなるように仮定することも可能である。測定デバイス１１４が対象ｑｕｂｉｔ１１０Ａの出力を測定する。測定デバイス１１４としては、マイクロ波測定デバイスが可能である。測定デバイス１１４は、たとえば所定の低電圧／信号に対応する「０」および所定の高電圧／信号に対応する「１」を測定するように構成されている。
【００２１】
対象ｑｕｂｉｔ１１０Ａの測定出力は、受信機１００におけるソースｑｕｂｉｔ状態の受信の成功を伝令する。いくつかの実施形態において、受信機１００は、ＣＮＯＴゲート１０８Ａからの対象ｑｕｂｉｔ１１０Ａの測定の出力が（測定デバイス１１４による測定として）０である場合に、この測定結果が受信機１００におけるソースｑｕｂｉｔの受信の成功を伝令するように構成可能であり、これは、目標ｑｕｂｉｔ（ＱＤ）（制御ｑｕｂｉｔ１１２Ａ）がソースｑｕｂｉｔ（ＱＳ）と同じ量子状態を有することを意味する。ソースｑｕｂｉｔがａ｜Ｈ〉＋ｂ｜Ｖ〉の形態で偏光符号化可能であり、目標ｑｕｂｉｔがａ｜０〉＋ｂ｜１〉の形態で光子数符号化可能であって、ａ｜０〉＋ｂ｜１〉は、｜０〉と｜１〉間の重ね合わせ状態である。当業者による理解の通り、｜０〉がｑｕｂｉｔの基底状態である一方、｜１〉は、ｑｕｂｉｔの励起状態である。なお、ＣＮＯＴゲート１０８Ａの結果を用いた受信ｑｕｂｉｔ状態に対する伝令による後選択によって、実験者は、光子損失に起因するノイズ信号がｑｕｂｉｔチャネルに入り込まないようにすることができ、また、目標ｑｕｂｉｔ（ＱＤ）の同じｑｕｂｉｔ状態だけを送信ソースｑｕｂｉｔ（ＱＳ）として選択することができる。したがって、後選択により、ｑｕｂｉｔ状態の送信に対する光子損失の影響が排除される。
【００２２】
上記例に戻って、制御ｑｕｂｉｔ１１２Ａの状態の条件で対象ｑｕｂｉｔ１１０Ａが０を出力していることを測定／認識することにより、目標ｑｕｂｉｔ（ＱＤ）の受信が確認されるとともに、目標ｑｕｂｉｔ（ＱＤ）がソースｑｕｂｉｔ（ＱＳ）と同じであることが確認される。目標ｑｕｂｉｔは、ソースｑｕｂｉｔと同じ量子情報を伴って光通信リンク３０２を進むことに成功している。なお、さらなる情報として、ソースｑｕｂｉｔ（ＱＳ）は、ビーム・スプリッタ１０２Ａにより分割された後、２つの分離されたａ｜Ｈ〉およびｂ｜Ｖ〉ではなく、ＱＳＨおよびＱＳＶという２ｑｕｂｉｔエンタングルメント状態となるため、ＱＳＨおよびＱＳＶのいずれが厳密にどこ（上側のワイヤまたは下側のワイヤ）を進んでいるかは分からない。このため、ビーム・スプリッタ１０２Ａは、ＱＳを２ｑｕｂｉｔ状態とする。単一ｑｕｂｉｔ演算およびＣＮＯＴゲート１０８Ａでは、対象ｑｕｂｉｔ１１０Ａに対するｑｕｂｉｔ状態の測定によってＱＤ状態が決まり、対象状態が「０」と測定された場合にＱＤがＱＳと同じ状態であるものと決まるように、新たな２ｑｕｂｉｔ状態が構成される。
【００２３】
いくつかの実施形態において、受信機１００は、測定デバイス１１４による測定として対象ｑｕｂｉｔ１１０Ａが１を出力する場合に、その意味として、目標ｑｕｂｉｔ（ＱＤ）がソースｑｕｂｉｔ（ＱＳ）と同じではなく、制御ｑｕｂｉｔ１１２Ａがノイズとなるように構成可能である。したがって、受信機システム１００は、（送信機システム２００を使用するか、簡単なフォトニック偏光符号化ｑｕｂｉｔ生成器を使用するかに関わらず）ソースｑｕｂｉｔが供給され、受信機システム１００による目標ｑｕｂｉｔへの伝達が成功するまで、光通信リンク３０２上で偏光符号化ソースｑｕｂｉｔを送信し続けることを送信機に要求することにより、ｒｅｐｅａｔ−ｕｎｔｉｌ−ｓｕｃｃｅｓｓプロトコルで動作可能である。送信機がソースｑｕｂｉｔの送信停止を把握するように、送信機と受信機システム１００との間の別個の通信リンク（図示せず）の利用により、目標ｑｕｂｉｔの成功を中継することができる。
【００２４】
ソースｑｕｂｉｔを生成して送信する一例として、当業者による理解の通り、光領域において動作するフォトニックシステムから、簡単な偏光符号化ｑｕｂｉｔ生成器を使用可能である。送信機システム２００は、ソースｑｕｂｉｔがマイクロ波領域において最初に符号化された場合に用いられる。送信機システム２００を用いることにより、マイクロ波領域のソースｑｕｂｉｔを光領域のｑｕｂｉｔに変換して、受信機システム１００に送ることができる。送信機システム２００は受信機システム１００の逆であり、このことは、受信機システム１００を双方向に動作させることができることを示している。
【００２５】
図４は、実施形態に係る、受信機システム１００の動作方法に関する一般化方法のフローチャートである。ブロック４０２においては、光通信リンク３０２を介して、偏光符号化飛行ｑｕｂｉｔ（ソースｑｕｂｉｔ）が受信機システム１００により受信される。ブロック４０４においては、ソースｑｕｂｉｔが偏光ビーム・スプリッタ１０２Ａにより受信され、偏光ビーム・スプリッタ１０２Ａが偏光符号化ソースｑｕｂｉｔを２つのｑｕｂｉｔに分割するが、その一方が水平偏光（ＱＳＨ）であり、他方が垂直偏光（ＱＳＶ）である。これら２つのｑｕｂｉｔ（ＱＳＨおよびＱＳＶ）は、エンタングルメントされるため、本来的に測定なしでは、これらｑｕｂｉｔの分布の様子を把握できない。
【００２６】
ブロック４０６においては、一方のｑｕｂｉｔが９０°（度）偏光シフタ１０４Ａを通過する。エンタングルメントされたｑｕｂｉｔの性質により、偏光シフタ１０４Ａを通って送信されたｑｕｂｉｔを把握することはできない。ただし、シフタ１０４Ａは、エンタングルメントされた２つのｑｕｂｉｔの偏光を同じにする。当然のことながら、実験者は、送信ラインに進むｑｕｂｉｔ（ＱＳＨおよびＱＳＶ）を選定することができない。ｑｕｂｉｔ（ＱＳ）がビーム・スプリッタ１０２Ａを通過したら、実験者は、エンタングルメントされた２ｑｕｂｉｔ状態を生成済みであるが、（測定デバイス１１４によって）ＣＮＯＴゲート１０８Ａで測定するまでは、ｑｕｂｉｔを識別することができない。これがエンタングルメントの性質である。
【００２７】
ブロック４０８において、ＣＮＯＴゲート演算が２つのｑｕｂｉｔに対して実行されない場合は、これら２つのｑｕｂｉｔが変換器１０６Ａに入力されて、異なるプラットフォームへと変換されるため、ＣＮＯＴゲート１０８ＡによるＣＮＯＴゲートを２つのｑｕｂｉｔに対して実行可能となる。
【００２８】
ブロック４１０においては、ＣＮＯＴゲート演算が実行されるとともに、測定デバイス１１４によってＣＮＯＴ演算の対象ｑｕｂｉｔ１１０Ａに対する測定が実行されることにより、ソースｑｕｂｉｔの受信が伝令される。ＣＮＯＴゲートの制御ｑｕｂｉｔ１１２Ａは、（通信リンク３０２上で送信機または送信機システム２００から送信された）ソースｑｕｂｉｔと同じ状態を有する目標ｑｕｂｉｔとして示唆／規定される。
【００２９】
図２は、実施形態に係る、送信機システム２００の模式図である。図２は、非偏光符号化ｑｕｂｉｔの量子状態を偏光符号化ソースｑｕｂｉｔへと符号化する方法を示している。図２は、送信機の視点を示しており、図１と同じハードウェアを送信機システム２００に利用可能である。送信機システム２００は、図１の１０５Ａ、１０６Ａ、および１０８Ａの対応部分である偏光ハードウェア１０５Ｂ、交換器１０６Ｂ、およびＣＮＯＴゲート１０８Ｂを具備する。なお、測定デバイス１１４の対応部分については、送信機システム２００に示していないものの、送信機システム２００は、受信機システムとして動作する場合には、測定デバイスを具備し得る。
【００３０】
送信機システム２００は、上側入力および下側入力を具備する。上側入力は、ＣＮＯＴゲート１０８Ｂの制御ｑｕｂｉｔ１１２Ｂにつながっている。下側入力は、ＣＮＯＴゲート１０８Ｂの対象ｑｕｂｉｔ１１０Ｂにつながっている。一般状態ｑｕｂｉｔが上側入力を介して制御ｑｕｂｉｔ１１２Ｂに入力される。一般状態ｑｕｂｉｔとしては、たとえば｜φ〉＝ａ｜０〉＋ｂ｜１〉の形態が可能である。固定状態を有する固定ｑｕｂｉｔが対象ｑｕｂｉｔ１１０Ｂに入力される。固定ｑｕｂｉｔとしては、たとえば｜１〉が可能であり、これは励起状態である。
【００３１】
上述の通り、ＣＮＯＴゲート１０８Ｂは、ＣＮＯＴ演算を実行する。ＣＮＯＴ演算では、それぞれの状態がエンタングルメントされてａ｜０１〉＋ｂ｜１０〉となるように、上側および下側ｑｕｂｉｔをエンタングルメントするが、この１番目の部分が上側ｑｕｂｉｔ（すなわち、上側通信リンク）を表し、２番目の部分が下側ｑｕｂｉｔ（すなわち、下側通信リンク）を表す。たとえば、｜０１〉は、上側リンク上の上側ｑｕｂｉｔの状態が０である一方、下側リンク上の下側ｑｕｂｉｔの状態が１であることを意味する。同様に、｜１０〉は、上側リンク上の上側ｑｕｂｉｔの状態が１である一方、下側リンク上の下側ｑｕｂｉｔの状態が０であることを意味する。したがって、上側および下側リンクでＣＮＯＴゲート１０８Ｂから出力されるそれぞれ上側および下側ｑｕｂｉｔ（厳密には、エンタングルメントされた２ｑｕｂｉｔ状態）は、ａ｜０１〉＋ｂ｜１０〉により表される。上側および下側ｑｕｂｉｔは、変換器１０６Ｂに入力される。この方向において、変換器１０６Ｂは、（異なる方向から上記説明した）変換器１０６Ａの反対の変換を実行する。ただし、変換器１０６Ａおよび１０６Ｂは、同一とすることも可能である。上側および下側ｑｕｂｉｔを受信した後、変換器１０６Ｂは、たとえばマイクロ波領域から光領域へと上側および下側ｑｕｂｉｔを変換する。
【００３２】
図１で利用している記号表示と整合するように、偏光後は、上側ｑｕｂｉｔを水平ソースｑｕｂｉｔと称し、下側ｑｕｂｉｔを垂直ソースｑｕｂｉｔと称する（逆もまた同様である）。下側ｑｕｂｉｔは、偏光シフタ１０４Ｂに入力されて９０°シフトすることにより、たとえば垂直ソースｑｕｂｉｔとなる。その垂直ソースｑｕｂｉｔは、偏光ビーム結合器１０２Ｂに入力される。したがって、上側ｑｕｂｉｔは、偏光ビーム結合器１０２Ｂに入力されるが、下側ｑｕｂｉｔがシフトによって垂直ソースｑｕｂｉｔとなっていることから、水平ソースｑｕｂｉｔとして認識される。
【００３３】
垂直ソースｑｕｂｉｔおよび水平ソースｑｕｂｉｔを受信した後、偏光ビーム結合器１０２Ｂは、垂直および水平の両ソースｑｕｂｉｔを結合して、ａ｜Ｈ〉＋ｂ｜Ｖ〉の形態の単一のソースｑｕｂｉｔを得るように構成されている。いくつかの実施形態において、この単一のソースｑｕｂｉｔは、図１において光通信リンク３０２上で送信機システム２００から受信機システム１００に送信された偏光符号化ソースｑｕｂｉｔである。
【００３４】
図３は、実施形態に係る、２つのシステム１００および２００間での量子状態の送受信を示した例示的なシステムである。図３は、図２の送信機システム２００と組み合わされた図１の受信機システム１００の概略図である。
【００３５】
図３は、偏光符号化ソースｑｕｂｉｔ（ａ｜Ｈ〉＋ｂ｜Ｖ〉）が送信機システム２００により生成された後、偏波面保存光ファイバ３０２上で送信機システム２００から受信機システム１００に送信されることを示している。受信機システム１００は、偏光符号化ソースｑｕｂｉｔ（ａ｜Ｈ〉＋ｂ｜Ｖ〉）を受信し、ＣＮＯＴゲート１０８Ａが偏光符号化ソースｑｕｂｉｔ（ａ｜Ｈ〉＋ｂ｜Ｖ〉）と同じ量子状態／情報を有する所望の目標ｑｕｂｉｔ（ａ｜０〉＋ｂ｜１〉）となるように、ＣＮＯＴゲート１０８ＡによるＣＮＯＴ演算からの対象ｑｕｂｉｔ状態に対する測定によって、偏光符号化ソースｑｕｂｉｔ（ａ｜Ｈ〉＋ｂ｜Ｖ〉）の受信を確認する。
【００３６】
簡略化のため図示はしていないものの、送信機システム２００および受信機システム１００はともに、偏光符号化ソースｑｕｂｉｔの送信時間の事前把握または同意あるいはその両方がなされるように、時間（および、位相）追跡システムを具備し得る。これにより、送信機システム２００は、ソースｑｕｂｉｔの予想タイミングを把握することができる。いくつかの実施形態においては、ソースｑｕｂｉｔが送信中であることをブロードキャストするとともにソースｑｕｂｉｔの位相を示すため、送信機システム２００と受信機システム１００との間に第２の通信リンクが存在し得る。また、受信機システム１００は、この第２の通信リンクを利用することにより、（偏光符号化ソースｑｕｂｉｔと同じ量子状態を有する）目標ｑｕｂｉｔの到着が成功であったことを送信機システム２００に知らせることができる。
【００３７】
図５は、実施形態に係る、変換器の別途詳細を示した受信機システム１００の模式図である。本例において、変換器１０６Ａは、上側通信リンク上でｑｕｂｉｔを処理するように構成された単一光子光−マイクロ波変換器１０６Ａ１と、下側通信リンク上でｑｕｂｉｔを処理するように構成された単一光子光−マイクロ波変換器１０６Ａ２とを具備する。単一光子光−マイクロ波変換器１０６Ａ１および１０６Ａ２は、ＣＮＯＴゲート１０８Ａにより処理可能なマイクロ波領域の光子へと光領域の光子を変換するように構成されている。当然のことながら、単一光子光−マイクロ波変換器は、マイクロ波領域の光子が光領域の光子に変換されるように、送信機システム２００において逆動作することになる（すなわち、単一光子マイクロ波−光変換器として動作することになる）。
【００３８】
変換器１０６Ａおよび１０６Ｂは、多くの方法で実装可能である。たとえば、単一光子マイクロ波−光変換デバイス（逆もまた同様である）は、電気光学デバイス、光学機械デバイス、ピエゾ光学機械デバイス、磁気光学デバイス等の任意適当なデバイスを具備し得る。
【００３９】
また、本発明の実施形態の数学的詳細を以下に示す。受信機システム１００（クライアント）は、偏光ベースでソースｑｕｂｉｔを準備し、｜Ψ〉＝ａ｜Ｈ〉＋ｂ｜Ｖ〉＝ａ｜１０〉＋ｂ｜０１〉により表される空間モードへと分離する。ここで、Ψは、ｑｕｂｉｔの量子状態である。ソースｑｕｂｉｔは、ρｏｐｔｉｃａｌ＝η（ａ｜１０〉＋ｂ｜０１〉）（ｈ．ｃ．）＋（１−η）｜００〉〈００｜として表される損失性チャネル（すなわち、光リンク３０２）を進む。ここで、ρｏｐｔｉｃａｌは光リンク３０２での損失を伴う光領域ｑｕｂｉｔの密度行列を表し、ηは送信効率（送信された光子の振幅と最初の光子の振幅との比）であり、ｈ．ｃ．は（ａ｜１０〉＋ｂ｜０１〉）のエルミート共役である。次に、ｑｕｂｉｔ状態は、ρμｗ＝ηη’（ａ｜１０〉＋ｂ｜０１〉）（ｈ．ｃ．）＋（１−ηη’）｜００〉〈００｜により表されるη’変換効率で光領域の状態からマイクロ波領域の状態に変換される。ここで、ρμｗは変換後のマイクロ波領域ｑｕｂｉｔの密度行列であり、η’は変換効率である。任意選択として、ＩＸρμｗＩＸ＝ηη’（ａ｜１１〉＋ｂ｜００〉）（ｈ．ｃ．）＋（１−ηη’）｜０１〉〈０１｜により表される単一ｑｕｂｉｔ回転であるＩＸが実行される。ここで、ＩＸは、２番目のｑｕｂｉｔ（１１０Ａに入るｑｕｂｉｔ）に対して実行されるＸ回転（Ｘゲート演算子）である。Ｘゲートは、ｑｕｂｉｔ状態を０から１へと回転させるが（すなわち、単一ｑｕｂｉｔ回転）、パルス状マイクロ波ドライブの適用により実行可能である。そして、以下により表されるＣＮＯＴが実行される。
【００４０】
【数１】
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【００４１】
ここで、Ｘは、Ｘゲート演算子である。以上から、ＣＮＯＴゲートの２番目のｑｕｂｉｔ（対象ｑｕｂｉｔ）に対する０の測定は、１番目のｑｕｂｉｔ（制御ｑｕｂｉｔ）においてクライアントの状態の受信に成功したことを示す。
【００４２】
図６は、実施形態に係る、量子状態の通信のための方法のフローチャートである。図１〜図５を参照可能である。
【００４３】
ブロック６０２において、偏光ハードウェア１０５Ａは、偏光符号化ソースｑｕｂｉｔ（ａ｜Ｈ〉＋ｂ｜Ｖ〉）を受信して、（偏光ビーム・スプリッタ１０２Ａにより）偏光符号化ソースｑｕｂｉｔを２つのｑｕｂｉｔ（たとえば、水平ソースｑｕｂｉｔおよび垂直ソースｑｕｂｉｔ）に分割するように構成されている。ブロック６０４においては、変換器１０６Ａが偏光ハードウェア１０５Ａに結合されており、この変換器１０６Ａは、ＣＮＯＴゲート１０８Ａに適した形態へと２つのｑｕｂｉｔを変換するように構成されており、ＣＮＯＴゲート１０８Ａは、２つのｑｕｂｉｔを受信するように構成されている。ブロック６０６において、（送信機システム２００からの）量子状態の通信の成功の決定は、ＣＮＯＴゲート１０８ＡのＣＮＯＴ演算からの対象ｑｕｂｉｔ１１０Ａの測定に基づく。
【００４４】
ＣＮＯＴゲート１０８Ａは、対象ｑｕｂｉｔ１１０Ａおよび制御ｑｕｂｉｔ１１２Ａを含む。２つのｑｕｂｉｔの第１のｑｕｂｉｔが制御ｑｕｂｉｔ１１２Ａであり、２つのｑｕｂｉｔの第２のｑｕｂｉｔが対象ｑｕｂｉｔ１１０Ａである。いくつかの実施形態において、受信機１００は、対象ｑｕｂｉｔ１１０Ａ上の０（ゼロ）が制御ｑｕｂｉｔ１１２Ａ上の量子状態の通信の成功を示し、ソースｑｕｂｉｔ（ＱＳ）が送信機から目標ｑｕｂｉｔ（ＱＤ）に供給されるように構成可能である。一方、対象ｑｕｂｉｔ１１０Ａ上の１は、制御ｑｕｂｉｔ１１２Ａ上の量子状態の通信の失敗（不成功）を示し、ソースｑｕｂｉｔ（ＱＳ）が送信機（たとえば、送信機システム２００）から目標ｑｕｂｉｔ（ＱＤ）に供給されない。受信機１００は、対象ｑｕｂｉｔ１１０Ａ上の０が制御ｑｕｂｉｔ１１２Ａ上のａ｜０〉＋ｂ｜１〉の形態の目標ｑｕｂｉｔ（ａ｜０〉＋ｂ｜１〉）の受信を確認し、対象ｑｕｂｉｔ上の１が制御ｑｕｂｉｔ上の目標ｑｕｂｉｔの不受信を確認するように構成可能である。
【００４５】
別の場合は、対象ｑｕｂｉｔ１１０Ａ上の１が制御ｑｕｂｉｔ１１２Ａ上の量子状態の通信の成功を示す一方、対象ｑｕｂｉｔ１１０Ａ上のゼロ（０）が制御ｑｕｂｉｔ上の量子状態の通信の失敗を示し得る。この場合、対象ｑｕｂｉｔ上の１は、制御ｑｕｂｉｔ上のａ｜０〉＋ｂ｜１〉の形態の目標ｑｕｂｉｔの受信を確認し、対象ｑｕｂｉｔ上の０は、制御ｑｕｂｉｔ上の目標ｑｕｂｉｔの不受信を確認する。
【００４６】
偏光ハードウェア１０５Ａは、第１のｑｕｂｉｔが水平成分を有し、第２のｑｕｂｉｔが垂直成分を有するように、偏光符号化ｑｕｂｉｔを２つのｑｕｂｉｔに分割するように構成された偏光ビーム・スプリッタ１０２Ａを具備する。偏光ハードウェア１０５Ａは、水平成分を有する第１のｑｕｂｉｔまたは垂直成分を有する第２のｑｕｂｉｔをシフトさせるように構成された偏光シフタ１０４Ａを具備する。変換器１０６Ａは、ある方向においては光−マイクロ波変換器として、別の方向においてはマイクロ波−光変換器として構成されている。
【００４７】
図７は、実施形態に係る、通信のための方法のフローチャート７００である。図１〜図６を参照可能である。ブロック７０２において、ＣＮＯＴゲート１０８Ｂは、２つのｑｕｂｉｔを受信するように構成されている（たとえば、一方が重ね合わせ状態、他方が固定状態）。ブロック７０４において、ＣＮＯＴゲート１０８Ｂは、２つのｑｕｂｉｔをエンタングルメントするように構成されている。
【００４８】
ブロック７０６においては、交換器１０６ＢがＣＮＯＴゲートに結合され、偏光ハードウェア１０５Ｂに適した形態へと２つのｑｕｂｉｔを変換するように構成されている。２つのｑｕｂｉｔは、状態ａ｜０１〉＋ｂ｜１０〉となるようにエンタングルメントされている。ブロック７０８において、偏光ハードウェア１０５Ｂは、２つのｑｕｂｉｔ（または、２つのモード）を結合して通信用の偏光符号化ｑｕｂｉｔを得るように構成されている。
【００４９】
ＣＮＯＴゲート１０８Ｂは、対象ｑｕｂｉｔ１１０Ｂおよび制御ｑｕｂｉｔ１１２Ｂに対して作用する。いくつかの実施形態において、このシステムは、２つのｑｕｂｉｔの第１のｑｕｂｉｔ（｜１〉）が対象ｑｕｂｉｔであり、２つのｑｕｂｉｔの第２のｑｕｂｉｔ（｜φ〉＝ａ｜０〉＋ｂ｜１〉）が制御ｑｕｂｉｔであるように構成可能である。偏光ハードウェア１０５Ｂは、２つのｑｕｂｉｔを結合することにより偏光符号化ｑｕｂｉｔ（ａ｜Ｈ〉＋ｂ｜Ｖ〉）を形成するように構成された偏光ビーム結合器１０２Ｂと、第１のｑｕｂｉｔまたは第２のｑｕｂｉｔをシフトさせるように構成された偏光シフタ１０４Ｂとを具備する。変換器１０６Ｂは、ある方向においてはマイクロ波−光変換器として、別の方向においては光−マイクロ波変換器として構成されている。
【００５０】
図８は、実施形態に係る、通信を確認する方法のフローチャート８００である。ブロック８０２において、受信機システム１００は、偏波面保存光ファイバ３０２上でｑｕｂｉｔ（ａ｜Ｈ〉＋ｂ｜Ｖ〉）を受信するように構成されている。ブロック８０４において、受信機システム１００は、ＣＮＯＴゲート１０８ＢによるＣＮＯＴ演算に基づいて、ｑｕｂｉｔの受信を確認するように構成されている。
【００５１】
ｑｕｂｉｔは、偏波面保存光ファイバ上で送信機（たとえば、送信機システム２００）から受信される。一実施形態において、このシステムは、ｑｕｂｉｔの受信の確認が、測定デバイス１１４により測定されたＣＮＯＴゲートの対象ｑｕｂｉｔにおける０の受信に基づくように構成可能である。
【００５２】
技術的効果および利益には、偏光符号化光リンク上でｑｕｂｉｔを送受信するシステムおよび方法を含む。技術的効果および利益には、受信ｑｕｂｉｔ状態の伝令検出を用いた高収率の損失性チャネルを介して量子状態を伝達するように構成されたシステム／方法をさらに含む。技術的利益および効果には、光領域ｑｕｂｉｔとマイクロ波領域ｑｕｂｉｔとのリンクおよびその逆を可能にするシステム／方法を含む。さらに、これらのシステム／方法は、入力ｑｕｂｉｔを分割し、量子ゲート（ＣＮＯＴ、単一ｑｕｂｉｔゲート）を実行し、伝令検出によって入力（受信）ｑｕｂｉｔ状態を測定するように構成されている。したがって、ＣＮＯＴゲートの結果からの受信ｑｕｂｉｔ状態に対する後選択によって、偏光符号化光リンクにおける光子損失の影響が排除される。後選択では、制御ｑｕｂｉｔの出力を選択することにより、対象ｑｕｂｉｔにおける測定に基づいてｑｕｂｉｔ状態を伝令する。
【００５３】
用語「およそ（about）」およびその変化形は、本願の出願時に利用可能な機器に基づいて特定の量の測定と関連付けられた誤差の範囲を含む意図がある。たとえば、「およそ」には、所与の値の±８％、５％、または２％の範囲を含み得る。
【００５４】
本明細書においては、本発明の実施形態に係る、方法、装置（システム）、およびコンピュータ・プログラム製品のフローチャート図またはブロック図あるいはその両方を参照して、本発明の態様を説明した。フローチャート図またはブロック図あるいはその両方の各ブロックならびにフローチャート図またはブロック図あるいはその両方におけるブロックの組み合わせは、コンピュータ可読プログラム命令によって実装可能であることが了解される。
【００５５】
図中のフローチャートおよびブロック図は、本発明の種々実施形態に係るシステム、方法、およびコンピュータ・プログラム製品の考え得る実施態様のアーキテクチャ、機能、および動作を示している。この点において、フローチャートまたはブロック図の各ブロックは、規定の論理機能を実装する１つまたは複数の実行可能命令を含むモジュール、セグメント、または部分を表し得る。いくつかの別の実施態様において、ブロックに記載の機能は、図中に記載の順序から外れて実行されるようになっていてもよい。たとえば、関係する機能に応じて、連続して示す２つのブロックが実際のところ、実質的に同時に実行されるようになっていてもよいし、ブロックが逆順で実行される場合があってもよい。また、ブロック図またはフローチャート図あるいはその両方の各ブロックならびにブロック図またはフローチャート図あるいはその両方におけるブロックの組み合わせは、規定の機能もしくは動作の実行または専用ハードウェアおよびコンピュータ命令の組み合わせの実行を行うハードウェアを用いた専用システムによって実装可能であることに留意する。
【００５６】
本発明の種々実施形態の説明は、例示を目的として提示しているものの、何ら網羅的でもなければ、開示の実施形態に限定されることを意図したものでもない。上記実施形態の範囲および思想から逸脱することなく、当業者には、多くの改良および変形が明らかとなるであろう。本明細書において使用する専門用語は、上記実施形態の原理、実際の用途、もしくは市場において見られる技術の技術的改良を最もよく説明すること、または、当業他者が本明細書に開示の実施形態を理解できるようにすることを目的として選定したものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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