(57)【要約】  量子計算システムは、１列に並ぶように配置され、互いに結合していない第１量子ビットからなる第１量子ビット群と、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合しており、かつ同じ行に配置された前記第１量子ビットと結合している第２量子ビットからなる第２量子ビット群と、全ての前記第２量子ビットと結合している第３量子ビットとを含んで構成される基本構成を複数備え、前記複数の基本構成が１列に並ぶように配置され、隣り合う前記基本構成の前記第３量子ビットを結合させた量子計算回路を備えて構成されている。これにより、量子計算回路の構成において、２次元クラスター状態、又は３次元クラスター状態を２次元上の制御配線で実現する、あるいは、表面符号を擬２次元の超伝導回路で実現する。
2019216278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合している第１量子ビットからなる第１量子ビット群と、１列に並ぶように配置され、互いに結合しておらず、かつ同じ行に配置された前記第１量子ビットと結合している第２量子ビットからなる第２量子ビット群とを含んで構成される第１基本構成を複数備えると共に、前記第１基本構成の前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットの配列方向を軸として対称となるように前記第１量子ビット群及び前記第２量子ビット群を反転させた構造を持つ第２基本構成を複数備え、前記第１基本構成と前記第２基本構成とが互い違いとなるように配置され、かつ、前記第１基本構成及び前記第２基本構成が、それぞれ１列に並ぶように配置され、互い違いの配置において隣り合う全ての第１基本構成及び第２基本構成間において同じ行の前記第１量子ビット間を各行で結合させ、前記第１量子ビット間を結合させるための配線が、他の配線と立体交差するように擬２次元上に形成された擬２次元配線を用いて構成され、
前記第１量子ビットの各々、前記第２量子ビットの各々と制御装置とを接続するための制御配線が、他の制御配線と交差しないように２次元上に形成された２次元配線、又は他の制御配線と立体交差するように擬２次元上に形成された擬２次元配線を用いて構成された量子計算システム。
【請求項２】
請求項１に記載の量子計算システムの使用方法であって、特定の手順に従って前記第１量子ビットの各々及び前記第２量子ビットの各々の操作を行う量子計算システムの使用方法。
【請求項３】
１列に並ぶように配置され、互いに結合していない第１量子ビットからなる第１量子ビット群と、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合しており、かつ同じ行に配置された前記第１量子ビットと結合している第２量子ビットからなる第２量子ビット群と、１列に並ぶように配置され、互いに結合しておらず、かつ同じ行に配置された前記第２量子ビットと結合している第３量子ビットからなる第３量子ビット群と、を備え、
前記第１量子ビットの各々、前記第２量子ビットの各々、及び前記第３量子ビットの各々と制御装置とを接続するための制御配線が、他の制御配線と交差しないように２次元上に形成された２次元配線、又は他の制御配線と立体交差するように擬２次元上に形成された擬２次元配線を用いて構成された量子計算システム。
【請求項４】
請求項3に記載の量子計算システムの使用方法であって、特定の手順に従って前記第１量子ビットの各々、前記第２量子ビットの各々、及び前記第３量子ビットの各々の操作を行う量子計算システムの使用方法。
【請求項５】
１列に並ぶように配置され、互いに結合していない第１量子ビットからなる第１量子ビット群と、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合しており、かつ同じ行に配置された前記第１量子ビットと結合している第２量子ビットからなる第２量子ビット群と、全ての前記第２量子ビットと結合している第３量子ビットと、を備え、
前記第１量子ビットの各々、前記第２量子ビットの各々、及び前記第３量子ビットと制御装置とを接続するための制御配線が、他の制御配線と交差しないように２次元上に形成された２次元配線、又は他の制御配線と立体交差するように擬２次元上に形成された擬２次元配線を用いて構成された量子計算システム。
【請求項６】
請求項5に記載の量子計算システムの使用方法であって、特定の手順に従って前記第１量子ビットの各々、前記第２量子ビットの各々、及び前記第３量子ビットの操作を行う量子計算システムの使用方法。
【請求項７】
１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合している第１量子ビットからなる第１量子ビット群と、１列に並ぶように配置され、互いに結合しておらず、かつ同じ行に配置された前記第１量子ビットと結合している第２量子ビットからなる第２量子ビット群と、を備え、
前記第１量子ビットの各々、及び前記第２量子ビットの各々と制御装置とを接続するための制御配線が、他の制御配線と交差しないように２次元上に形成された２次元配線を用いて構成された量子計算システム。
【請求項８】
請求項7に記載の量子計算システムの使用方法であって、特定の手順に従って前記第１量子ビットの各々、及び前記第２量子ビットの各々の操作を行う量子計算システムの使用方法。
【請求項９】
１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合している第１量子ビットからなる第１量子ビット群と、全ての前記第１量子ビットと結合している第２量子ビットと、を備え、
前記第１量子ビットの各々、及び前記第２量子ビットと制御装置とを接続するための制御配線が、他の制御配線と交差しないように２次元上に形成された２次元配線、又は他の制御配線と立体交差するように擬２次元上に形成された擬２次元配線を用いて構成された量子計算システム。
【請求項１０】
請求項9に記載の量子計算システムの使用方法であって、特定の手順に従って前記第１量子ビットの各々、及び前記第２量子ビットの操作を行う量子計算システムの使用方法。
【請求項１１】
１列に並ぶように配置され、互いに結合していない第１量子ビットからなる第１量子ビット群と、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合しており、かつ同じ行に配置された前記第１量子ビットと結合している第２量子ビットからなる第２量子ビット群と、全ての前記第２量子ビットと結合している第３量子ビットとを含んで構成される基本構成を複数備え、前記複数の基本構成が１列に並ぶように配置され、隣り合う前記基本構成の前記第３量子ビットを結合させ、
前記第１量子ビットの各々、前記第２量子ビットの各々、及び前記第３量子ビットの各々と制御装置とを接続するための制御配線が、他の制御配線と交差しないように２次元上に形成された２次元配線、又は他の制御配線と立体交差するように擬２次元上に形成された擬２次元配線を用いて構成された量子計算システム。
【請求項１２】
請求項11に記載の量子計算システムの使用方法であって、特定の手順に従って前記第１量子ビットの各々、前記第２量子ビットの各々、及び前記第３量子ビットの各々の操作を行う量子計算システムの使用方法。
【請求項１３】
１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合している第１量子ビットからなる第１量子ビット群と、全ての前記第１量子ビットと結合している第２量子ビットとを含んで構成される基本構成を複数備え、前記複数の基本構成が１列に並ぶように配置され、隣り合う前記基本構成の前記第２量子ビットを結合させ、
前記第１量子ビットの各々、及び前記第２量子ビットの各々と制御装置とを接続するための制御配線が、他の制御配線と交差しないように２次元上に形成された２次元配線、又は他の制御配線と立体交差するように擬２次元上に形成された擬２次元配線を用いて構成された量子計算システム。
【請求項１４】
請求項13に記載の量子計算システムの使用方法であって、特定の手順に従って前記第１量子ビットの各々、及び前記第２量子ビットの各々の操作を行う量子計算システムの使用方法。
【請求項１５】
１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合している第１量子ビットからなる第１量子ビット群を含んで構成される第１基本構成を複数備えると共に、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合している第２量子ビットからなる第２量子ビット群を含んで構成される第２基本構成を複数備え、前記複数の第１基本構成が１列に並ぶように配置され、前記複数の第２基本構成が、前記複数の第１基本構成とは異なる列で１列に並ぶように配置され、結合する前記第１基本構成及び前記第２基本構成のペアの各々に対し、前記ペア内で対応する前記第１量子ビットと前記第２量子ビットとを結合させるための配線が、他の配線と交差しないように２次元上に形成された２次元配線、又は他の配線と立体交差するように擬２次元上に形成された擬２次元配線を用いて構成され、
前記第１量子ビットの各々及び前記第２量子ビットの各々と制御装置とを接続するための制御配線が、他の制御配線と交差しないように２次元上に形成された２次元配線、又は他の制御配線と立体交差するように擬２次元上に形成された擬２次元配線を用いて構成された量子計算システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は量子計算システム及び量子計算システムの使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現実の量子系にはノイズがあるため、量子計算を行うには量子誤り訂正が必要である。量子誤り訂正を行う１つの方法として表面符号(surface code, toric code)を利用する方法が知られている（A. Y. Kitaev, “Fault-tolerant quantum computation by anyons,” Annals of Physics 303, 2 (2003).）。特に最も研究の進んでいる超伝導量子回路においては、既に表面符号の部分的な実装が行われている（J. M. Chow et al., “Implementing a strand of a scalable fault-tolerant quantum computing fabric,” Nature Communications 5, 4015 (2014).、J. Kelly et al., “State preservation by repetitive error detection in a superconducting quantum circuit,” Nature 519, 66 (2015).、A. D. Corcoles et al., “Demonstration of a quantum error detection code using a square lattice of four superconducting qubits,” Nature Communications 6, 6979 (2015).）。【０００３】
表面符号以外の量子誤り訂正方法としては、３次元クラスター状態と呼ばれる特殊な状態を利用して量子計算を行うトポロジカル一方向量子計算(topological one-way quantum computation)がある（R. Raussendorf, J. Harrington, “Fault-Tolerant Quantum Computation with High Threshold in Two Dimensions,” Physical Review Letters 98, 190504 (2007).
）。このクラスター状態は２体相互作用を持つ物理系の基底状態として発生しないため、その生成方法が課題である（M. A. Nielsen, “Cluster-state quantum computation,” Reports on Mathematical Physics 57, 147 (2006).）。クラスター状態を生成する手法としては、１次元クラスター状態と２次元クラスター状態について、量子ドットを利用した系におけるクラスター状態マシンガン(cluster state machine gun)と呼ばれる手法が提案されている（N. H. Lindner, T. Rudolph, “Proposal for Pulsed On-Demand Sources of Photonic Cluster State Strings,” Physical Review Letters 103, 113602 (2009).、S. E. Economou, N. Lindner, T. Rudolph, “Optically Generated 2-Dimensional Photonic Cluster State from Coupled Quantum Dots,” Physical Review Letters 105, 093601 (2010).）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、現在提案されている表面符号を用いた超伝導回路を大規模化する際には、２次元的に量子ビットが配列された基板と、その基板に対し垂直に配置された制御配線からなる３次元の超伝導回路構造を必要とする（R. Barends et al., “Superconducting quantum circuits at the surface code threshold for fault tolerance,” Nature 508, 500 (2014).）。【０００５】
またトポロジカル一方向量子計算を用いた超伝導回路については、具体的かつ簡潔に構成可能な提案は未だ存在しない。このため現在の手法では、誤り訂正機能を持つ大規模な超伝導回路を作製するのは困難である。
また、現在提案されている表面符号を用いた超伝導回路を大規模化する際には、２次元的に量子ビットが配列された基板と、その基板に対し垂直に配置された制御配線からなる３次元の超伝導回路構造を必要とする（R. Barends et al., “Superconducting quantum circuits at the surface code threshold for fault tolerance,” Nature 508, 500 (2014).、J. H. Bejanin et al., “Three-Dimensional Wiring for Extensible Quantum Computing: The Quantum Socket,” Physical Review Applied 6, 044010 (2016).）。【０００６】
本発明は上記問題点を解消するためになされたもので、クラスター状態を２次元の超伝導回路で実現することができる量子計算システム及び量子計算システムの使用方法を提供することを目的とする。
また、表面符号を擬２次元の超伝導回路で実現することができる量子計算システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の態様に係る量子計算システムは、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合している第１量子ビットからなる第１量子ビット群と、１列に並ぶように配置され、互いに結合しておらず、かつ同じ行に配置された前記第１量子ビットと結合している第２量子ビットからなる第２量子ビット群とを含んで構成される第１基本構成を複数備えると共に、前記第１基本構成の前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットの配列方向を軸として対称となるように前記第１量子ビット群及び前記第２量子ビット群を反転させた構造を持つ第２基本構成を複数備え、前記第１基本構成と前記第２基本構成とが互い違いとなるように配置され、かつ、前記第１基本構成及び前記第２基本構成が、それぞれ１列に並ぶように配置され、互い違いの配置において隣り合う全ての第１基本構成及び第２基本構成間において同じ行の前記第１量子ビット間を各行で結合させ、前記第１量子ビット間を結合させるための配線が、他の配線と立体交差するように擬２次元上に形成された擬２次元配線を用いて構成され、前記第１量子ビットの各々、前記第２量子ビットの各々と制御装置とを接続するための制御配線が、他の制御配線と交差しないように２次元上に形成された２次元配線、又は他の制御配線と立体交差するように擬２次元上に形成された擬２次元配線を用いて構成されている。【０００８】
第２の態様に係る量子計算システムの使用方法は、上記第１の態様に係る量子計算システムの使用方法であって、後述する手順に従って量子ビットの操作を行うことで３次元クラスター状態を生成する。【０００９】
第３の態様に係る量子計算システムは、１列に並ぶように配置され、互いに結合していない第１量子ビットからなる第１量子ビット群と、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合しており、かつ同じ行に配置された前記第１量子ビットと結合している第２量子ビットからなる第２量子ビット群と、１列に並ぶように配置され、互いに結合しておらず、かつ同じ行に配置された前記第２量子ビットと結合している第３量子ビットからなる第３量子ビット群と、を備え、前記第１量子ビットの各々、前記第２量子ビットの各々、及び前記第３量子ビットの各々と制御装置とを接続するための制御配線が、他の制御配線と交差しないように２次元上に形成された２次元配線、又は他の制御配線と立体交差するように擬２次元上に形成された擬２次元配線を用いて構成されている。【００１０】
第４の態様に係る量子計算システムの使用方法は、上記第３の態様に係る量子計算システムの使用方法であって、後述する手順に従って量子ビットの操作を行うことで２次元クラスター状態を生成する。【００１１】
第５の態様に係る量子計算システムは、１列に並ぶように配置され、互いに結合していない第１量子ビットからなる第１量子ビット群と、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合しており、かつ同じ行に配置された前記第１量子ビットと結合している第２量子ビットからなる第２量子ビット群と、全ての前記第２量子ビットと結合している第３量子ビットと、を備え、前記第１量子ビットの各々、前記第２量子ビットの各々、及び前記第３量子ビットと制御装置とを接続するための制御配線が、他の制御配線と交差しないように２次元上に形成された２次元配線、又は他の制御配線と立体交差するように擬２次元上に形成された擬２次元配線を用いて構成されている。【００１２】
第６の態様に係る量子計算システムの使用方法は、上記第５の態様に係る量子計算システムの使用方法であって、後述する手順に従って量子ビットの操作を行うことで２次元クラスター状態を生成する。【００１３】
第７の態様に係る量子計算システムは、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合している第１量子ビットからなる第１量子ビット群と、１列に並ぶように配置され、互いに結合しておらず、かつ同じ行に配置された前記第１量子ビットと結合している第２量子ビットからなる第２量子ビット群と、を備え、前記第１量子ビットの各々、及び前記第２量子ビットの各々と制御装置とを接続するための制御配線が、他の制御配線と交差しないように２次元上に形成された２次元配線を用いて構成されている。【００１４】
第８の態様に係る量子計算システムの使用方法は、上記第７の態様に係る量子計算システムの使用方法であって、後述する手順に従って量子ビットの操作を行うことで２次元クラスター状態を生成する。【００１５】
第９の態様に係る量子計算システムは、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合している第１量子ビットからなる第１量子ビット群と、全ての前記第１量子ビットと結合している第２量子ビットと、を備え、前記第１量子ビットの各々、及び前記第２量子ビットと制御装置とを接続するための制御配線が、他の制御配線と交差しないように２次元上に形成された２次元配線、又は他の制御配線と立体交差するように擬２次元上に形成された擬２次元配線を用いて構成されている。【００１６】
第１０の態様に係る量子計算システムの使用方法は、上記第９の態様に係る量子計算システムの使用方法であって、後述する手順に従って量子ビットの操作を行うことで２次元クラスター状態を生成する。【００１７】
第１１の態様に係る量子計算システムは、１列に並ぶように配置され、互いに結合していない第１量子ビットからなる第１量子ビット群と、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合しており、かつ同じ行に配置された前記第１量子ビットと結合している第２量子ビットからなる第２量子ビット群と、全ての前記第２量子ビットと結合している第３量子ビットとを含んで構成される基本構成を複数備え、前記複数の基本構成が１列に並ぶように配置され、隣り合う前記基本構成の前記第３量子ビットを結合させ、前記第１量子ビットの各々、請求項16記載の第２量子ビットの各々、及び前記第３量子ビットの各々と制御装置とを接続するための制御配線が、他の制御配線と交差しないように２次元上に形成された２次元配線、又は他の制御配線と立体交差するように擬２次元上に形成された擬２次元配線を用いて構成されている。【００１８】
第１２の態様に係る量子計算システムの使用方法は、上記第１１の態様に係る量子計算システムの使用方法であって、後述する手順に従って量子ビットの操作を行うことで３次元クラスター状態を生成する。【００１９】
第１３の態様に係る量子計算システムは、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合している第１量子ビットからなる第１量子ビット群と、全ての前記第１量子ビットと結合している第２量子ビットとを含んで構成される基本構成を複数備え、前記複数の基本構成が１列に並ぶように配置され、隣り合う前記基本構成の前記第２量子ビットを結合させ、前記第１量子ビットの各々、及び前記第２量子ビットの各々と制御装置とを接続するための制御配線が、他の制御配線と交差しないように２次元上に形成された２次元配線、又は他の制御配線と立体交差するように擬２次元上に形成された擬２次元配線を用いて構成されている。【００２０】
第１４の態様に係る量子計算システムの使用方法は、上記第１３の態様に係る量子計算システムの使用方法であって、後述する手順に従って量子ビットの操作を行うことで３次元クラスター状態を生成する。【００２１】
第１５の態様に係る量子計算システムは、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合している第１量子ビットからなる第１量子ビット群を含んで構成される第１基本構成を複数備えると共に、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合している第２量子ビットからなる第２量子ビット群を含んで構成される第２基本構成を複数備え、前記複数の第１基本構成が１列に並ぶように配置され、前記複数の第２基本構成が、前記複数の第１基本構成とは異なる列で１列に並ぶように配置され、結合する前記第１基本構成及び前記第２基本構成のペアの各々に対し、前記ペア内で対応する前記第１量子ビットと前記第２量子ビットとを結合させるための配線が、他の配線と交差しないように２次元上に形成された２次元配線、又は他の配線と立体交差するように擬２次元上に形成された擬２次元配線を用いて構成され、前記第１量子ビットの各々及び前記第２量子ビットの各々と制御装置とを接続するための制御配線が、他の制御配線と交差しないように２次元上に形成された２次元配線、又は他の制御配線と立体交差するように擬２次元上に形成された擬２次元配線を用いて構成されている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の一態様の量子計算システム及び量子計算システムの使用方法によれば、２次元クラスター状態、又は３次元クラスター状態を２次元又は擬２次元の超伝導回路で実現することができる、という効果が得られる。
また、本発明の一態様の量子計算システムによれば、表面符号を擬２次元の超伝導回路で実現することができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る量子計算システムの構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る量子計算システムの制御方法を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る量子計算システムの構成を示す模式図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る量子計算システムの制御方法を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る量子計算システムの構成を示す模式図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る量子計算システムの制御方法を示す図である
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る量子計算システムの構成を示す模式図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係る量子計算システムの制御方法を示す図である
【図９】本発明の第５の実施の形態に係る量子計算システムの構成を示す模式図である。
【図１０】本発明の第５の実施の形態に係る量子計算システムの制御方法を示す図である。
【図１１】本発明の第６の実施の形態に係る量子計算システムの構成を示す模式図である。
【図１２】本発明の第６の実施の形態に係る量子計算システムの制御方法を示す図である。
【図１３】本発明の第７の実施の形態に係る量子計算システムの構成を示す模式図である。
【図１４】本発明の第７の実施の形態に係る量子計算システムの制御方法を示す図である。
【図１５】本発明の第８の実施の形態に係る量子計算システムの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２５】
＜本発明の実施の形態の概要＞
本発明の実施の形態では、２次元の超伝導回路により量子計算システムを実現するためトポロジカル一方向量子計算、及びクラスター状態マシンガンを利用する。
【００２６】
クラスター状態マシンガンの手法では量子ドット系における特殊な効果を利用しているため、超伝導等の他の量子系でこれを直接利用することはできない。しかしこの系を模倣することで同様の効果を得ることが可能である。
【００２７】
クラスター状態マシンガンの回路表現は、量子ドットに対応する量子ビットQDに対するY軸回転操作、新たな量子ビットの用意、量子ビットQDと新たに用意した量子ビットに対する前者を制御ビットとしたCNOTゲート操作、の繰り返しで構成される。この操作を行うことで１次元クラスター状態を生成することが可能である（前述の「S. E. Economou, N. Lindner, T. Rudolph, “Optically Generated 2-Dimensional Photonic Cluster State from Coupled Quantum Dots,” Physical Review Letters 105, 093601 (2010).」を参照）。
【００２８】
[第１の実施の形態]
＜システム構成＞
以下、本発明の第１の実施の形態に係る量子計算システムについて説明する。
【００２９】
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る量子計算システム１００は、量子計算回路１０１と、制御装置１０２とを備えている。
【００３０】
量子計算回路１０１は、１列に並ぶように配置され、互いに結合していない量子ビット１１０からなる量子ビット群１１１と、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合しており、かつ同じ行に配置された量子ビット１１０と結合している量子ビット１２０からなる量子ビット群１２１とを備えて構成されている。また、量子計算回路１０１は、１列に並ぶように配置され、互いに結合しておらず、かつ同じ行に配置された量子ビット１２０と結合している量子ビット１３０からなる量子ビット群１３１を備えて構成されている。
【００３１】
なお、量子ビット１１０が第１量子ビットの一例であり、量子ビット１２０が第２量子ビットの一例であり、量子ビット１３０が第３量子ビットの一例であり、量子ビット群１１１が第１量子ビット群の一例である。また、量子ビット群１２１が第２量子ビット群の一例であり、量子ビット群１３１が第３量子ビット群の一例である。
【００３２】
また、量子計算回路１０１は、量子ビットの操作（１量子ビットゲート、２量子ビットゲート、量子ビットの測定、量子ビットの初期化）を実行するために、制御配線１５１〜１５３及び測定配線１５４を通して制御装置１０２と接続されている。
【００３３】
本実施の形態では、量子ビット１１０、１２０、１３０の各々は、例えば、超伝導量子ビットである。
【００３４】
また、制御配線１５１〜１５３及び測定配線１５４が、他の配線と交差しないように２次元上に形成されているため、量子計算回路１０１は２次元的に構成することが可能である。なお、制御配線１５１〜１５３及び測定配線１５４が擬２次元上に形成されていてもよい。この場合には、制御配線１５１〜１５３及び測定配線１５４に交差部分があれば、立体交差するように形成すればよい。
【００３５】
＜量子計算システムの作用＞
次に、本発明の第１の実施の形態に係る量子計算システム１００の作用について説明する。
【００３６】
図１に示す量子計算回路１０１に対して、制御配線１５１〜１５３及び測定配線１５４を通して量子ビットを操作することにより、２次元クラスター状態を生成することが出来る。
【００３７】
具体的には図２（後述する量子ビットの行数が３の場合を例示）に示すステップＳ２４１〜Ｓ２４８に従って制御を行う。
【００３８】
なお、図１における量子ビット１１０は図２における量子ビット２１０、図１における量子ビット１２０は図２における量子ビット２２０、図１における量子ビット１３０は図２における量子ビット２３０にそれぞれ対応する。
【００３９】
ステップＳ２４１では、全ての量子ビット１１０の各々に対し、Y軸回転操作を行い、各量子ビット１１０の状態を変化させる。
【００４０】
また、ステップＳ２４２では、結合している量子ビット１１０と量子ビット１２０の全ての組に対し量子ビット１１０を制御ビットとするCNOTゲート操作を行い、各量子ビット１２０の状態を変化させる。
【００４１】
また、ステップＳ２４３では、隣り合う２つの量子ビット１２０の全ての組に対しCZゲート操作を行い、各量子ビット１２０の状態を変化させる。
【００４２】
また、ステップＳ２４４では、結合している量子ビット１２０と量子ビット１３０の全ての組の各々に対しSWAPゲート操作を行い、量子ビット１２０と量子ビット１３０の状態を変化させる。
【００４３】
また、ステップＳ２４５では、全ての量子ビット１１０の各々に対しY軸回転操作を行い、各量子ビット１１０の状態を変化させる。
【００４４】
また、ステップＳ２４６では、結合している量子ビット１１０と量子ビット１２０の全ての組に対し量子ビット１１０を制御ビットとするCNOTゲート操作を行い、各量子ビット１２０の状態を変化させる。
【００４５】
また、ステップＳ２４７では、量子ビット１３０に対し適当な基底における測定と初期化操作を行う。
【００４６】
また、ステップＳ２４８では、上記ステップＳ２４３〜Ｓ２４７を適当な回数だけ繰り返す。
【００４７】
以上の操作により２次元クラスター状態が生成される。
【００４８】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る量子計算システムによれば、２次元クラスター状態を２次元上の制御配線により高い精度で実現することが出来る。
【００４９】
なお、上記の実施の形態において、量子ビット１１０と量子ビット１２０と量子ビット１３０の組を必要な数だけ並べた回路としてもよい。
【００５０】
[第２の実施の形態]
＜システム構成＞
以下、本発明の第２の実施の形態に係る量子計算システムについて説明する。
【００５１】
図３に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る量子計算システム３００は、量子計算回路３０１と、制御装置３０２とを備えている。
【００５２】
量子計算回路３０１は、１列に並ぶように配置され、互いに結合していない量子ビット３１０からなる量子ビット群３１１と、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合しており、かつ同じ行に配置された量子ビット３１０と結合している量子ビット３２０からなる量子ビット群３２１とを備えて構成されている。また、量子計算回路３０１は、全ての量子ビット３２０と結合している量子ビット３３０を備えて構成されている。
【００５３】
なお、量子ビット３１０が第１量子ビットの一例であり、量子ビット３２０が第２量子ビットの一例であり、量子ビット３３０が第３量子ビットの一例であり、量子ビット群３１１が第１量子ビット群の一例であり、量子ビット群３２１が第２量子ビット群の一例である。
【００５４】
また、量子計算回路３０１は量子ビットの操作（１量子ビットゲート、２量子ビットゲート、量子ビットの測定、量子ビットの初期化）を実行するために、制御配線３５１〜３５３及び測定配線３５４を通して制御装置３０２と接続されている。
【００５５】
本実施の形態では、量子ビット３１０、３２０、３３０の各々は、例えば、超伝導量子ビットである。
【００５６】
また、制御配線３５１〜３５３及び測定配線３５４が、他の配線と交差しないように２次元上に形成されているため、量子計算回路３０１は２次元的に構成することが可能である。なお、制御配線３５１〜３５３及び測定配線３５４が擬２次元上に形成されていてもよい。この場合には、制御配線３５１〜３５３及び測定配線３５４に交差部分があれば、立体交差するように形成すればよい。
【００５７】
＜量子計算システムの作用＞
次に、本発明の第２の実施の形態に係る量子計算システム３００の作用について説明する。
【００５８】
図３に示す量子計算回路３０１に対して、制御配線３５１〜３５３及び測定配線３５４を通して量子ビットを操作することにより、２次元クラスター状態を生成することが出来る。
【００５９】
具体的には図４（後述する量子ビットの行数が３の場合を例示）に示すステップＳ４４１〜Ｓ４４９に従って制御を行う。
【００６０】
なお、図３における量子ビット３１０は図４における量子ビット４１０、図３における量子ビット３２０は図４における量子ビット４２０、図３における量子ビット３３０は図４における量子ビット４３０にそれぞれ対応する。
【００６１】
ステップＳ４４１では、全ての量子ビット３１０の各々に対し、Y軸回転操作を行い、各量子ビット３１０の状態を変化させる。
【００６２】
また、ステップＳ４４２では、結合している量子ビット３１０と量子ビット３２０の全ての組に対し量子ビット３１０を制御ビットとするCNOTゲート操作を行い、各量子ビット３２０の状態を変化させる。
【００６３】
また、ステップＳ４４３では、隣り合う２つの量子ビット３２０の全ての組に対しCZゲート操作を行い、各量子ビット１２０の状態を変化させる。
【００６４】
また、ステップＳ４４４では、１行目の量子ビット３２０と量子ビット３３０に対しSWAPゲート操作を行い、量子ビット３２０と量子ビット３３０の状態を変化させる。
【００６５】
また、ステップＳ４４５では、１行目の量子ビット３１０に対しY軸回転操作を行い、量子ビット３１０の状態を変化させる。
【００６６】
また、ステップＳ４４６では、１行目の量子ビット３１０と量子ビット３２０に対し量子ビット３１０を制御ビットとするCNOTゲート操作を行い、量子ビット３２０の状態を変化させる。
【００６７】
また、ステップＳ４４７では、量子ビット３３０に対し適当な基底における測定と初期化操作を行う。
【００６８】
また、ステップＳ４４８では、上記ステップＳ４４４〜Ｓ４４７を対象とする量子ビット３１０と量子ビット３２０の組を２行目、３行目と１つずつ行を変えながら、全ての行で操作を繰り返す。
【００６９】
また、ステップＳ４４９では、上記ステップＳ４４３〜Ｓ４４８を適当な回数だけ繰り返す。
【００７０】
以上の操作により２次元クラスター状態が生成される。
【００７１】
以上説明したように、本発明の第２の実施の形態に係る量子計算システムによれば、２次元クラスター状態を２次元上の制御配線により高い精度で実現することが出来る。
【００７２】
なお、上記の実施の形態において、量子ビット３１０と量子ビット３２０の組を必要な数だけ並べた回路としてもよい。
【００７３】
[第３の実施の形態]
＜システム構成＞
以下、本発明の第３の実施の形態に係る量子計算システム５００について説明する。
【００７４】
図５に示すように、本発明の第３の実施の形態に係る量子計算システム５００は、量子計算回路５０１と、制御装置５０２とを備えている。
【００７５】
量子計算回路５０１は、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合している量子ビット５１０からなる量子ビット群５１１と、１列に並ぶように配置され、互いに結合しておらず、かつ同じ行に配置された量子ビット５１０と結合している量子ビット５２０からなる量子ビット群５２１とを備えて構成されている。
【００７６】
なお、量子ビット５１０が第１量子ビットの一例であり、量子ビット５２０が第２量子ビットの一例であり、量子ビット群５１１が第１量子ビット群の一例であり、量子ビット群５２１が第２量子ビット群の一例である。
【００７７】
また、量子計算回路５０１は量子ビットの操作（１量子ビットゲート、２量子ビットゲート、量子ビットの測定、量子ビットの初期化）を実行するために、制御配線５５１、５５２及び測定配線５５３を通して制御装置５０２と接続されている。
【００７８】
本実施の形態では、量子ビット５１０、５２０の各々は、例えば、超伝導量子ビットである。
【００７９】
また、制御配線５５１、５５２及び測定配線５５３が、他の配線と交差しないように２次元上に形成されているため、量子計算回路５０１は２次元的に構成することが可能である。なお、制御配線５５１、５５２及び測定配線５５３が擬２次元上に形成されていてもよい。この場合には、制御配線５５１、５５２及び測定配線５５３に交差部分があれば、立体交差するように形成すればよい。
【００８０】
＜量子計算システムの作用＞
次に、本発明の第３の実施の形態に係る量子計算システムの作用について説明する。
【００８１】
図５に示す量子計算回路５０１に対して、制御配線５５１、５５２及び測定配線５５３を通して量子ビットを操作することにより、２次元クラスター状態を生成することが出来る。
【００８２】
具体的には図６（後述する量子ビットの行数が３の場合）に示すステップＳ６３１〜Ｓ６３５に従って制御を行う。
【００８３】
なお、図５における量子ビット５１０は図６における量子ビット６１０、図５における量子ビット５２０は図６における量子ビット６２０にそれぞれ対応する。
【００８４】
ステップＳ６３１では、すべての量子ビット５１０の各々に対し、Y軸回転操作を行い、各量子ビット５１０の状態を変化させる。
【００８５】
また、ステップＳ６３２では、隣り合う２つの量子ビット５１０の全ての組に対しCZゲート操作を行い、各量子ビット５１０の状態を変化させる。
【００８６】
また、ステップＳ６３３では、結合している量子ビット６１０と量子ビット６２０の全ての組に対し量子ビット６１０を制御ビットとするCNOTゲート操作を行い、各量子ビット６１０の状態を変化させる。
【００８７】
また、ステップＳ６３４では、量子ビット６２０に対し適当な基底における測定と初期化操作を行う。
【００８８】
また、ステップＳ６３５では、上記ステップＳ６３１〜Ｓ６３４を適当な回数だけ繰り返す。
【００８９】
以上の操作により２次元クラスター状態が生成される。
【００９０】
以上説明したように、本発明の第３の実施形態に係る量子計算システムによれば、２次元クラスター状態を２次元上の制御配線により高い精度で実現することができる。
【００９１】
なお、上記の実施の形態において、量子ビット５１０と量子ビット５２０の組を必要な数だけ並べた回路としてもよい。
【００９２】
[第４の実施の形態]
＜システム構成＞
以下、本発明の第４の実施の形態に係る量子計算システム７００について説明する。
【００９３】
図７に示すように、本発明の第４の実施の形態に係る量子計算システム７００は、量子計算回路７０１と、制御装置７０２とを備えている。
【００９４】
量子計算回路７０１は、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合している量子ビット７１０からなる第１量子ビット群７１１と、全ての量子ビット７１０と結合している量子ビット７２０とを備えて構成されている。
【００９５】
なお、量子ビット７１０が第１量子ビットの一例であり、量子ビット７２０が第２量子ビットの一例であり、量子ビット群７１１が第１量子ビット群の一例である。
【００９６】
また、量子計算回路７０１は量子ビットの操作（１量子ビットゲート、２量子ビットゲート、量子ビットの測定、量子ビットの初期化）を実行するために、制御配線７５１、７５２及び測定配線７５３を通して制御装置７０２と接続されている。
【００９７】
本実施の形態では、量子ビット７１０、７２０の各々は、例えば、超伝導量子ビットである。
【００９８】
また、制御配線７５１、７５２及び測定配線７５３が、他の配線と交差しないように２次元上に形成されているため、量子計算回路７０１は２次元的に構成することが可能である。なお、制御配線７５１、７５２及び測定配線７５３が擬２次元上に形成されていてもよい。この場合には、制御配線７５１、７５２及び測定配線７５３に交差部分があれば、立体交差するように形成すればよい。
【００９９】
＜量子計算システムの作用＞
次に、本発明の第４の実施の形態に係る量子計算システムの作用について説明する。
【０１００】
図７に示す量子計算回路７０１に対して、制御配線７５１、７５２及び測定配線７５３を通して量子ビットを操作することにより、２次元クラスター状態を生成することが出来る。
【０１０１】
具体的には図８（後述する量子ビットの行数が３の場合）に示すステップＳ８３１〜Ｓ８３６に従って制御を行う。
【０１０２】
なお、図７における量子ビット７１０は図８における量子ビット８１０、図７における量子ビット７２０は図８における量子ビット８２０にそれぞれ対応する。
【０１０３】
ステップＳ８３１では、すべての量子ビット７１０の各々に対し、Y軸回転操作を行い、各量子ビット７１０の状態を変化させる。
【０１０４】
また、ステップＳ８３２では、隣り合う２つの量子ビット７１０の全ての組に対しCZゲート操作を行い、各量子ビット７１０の状態を変化させる。
【０１０５】
また、ステップＳ８３３では、１行目の量子ビット７１０と量子ビット７２０に対し量子ビット７１０を制御ビットとするCNOTゲート操作を行い、各量子ビット７２０の状態を変化させる。
【０１０６】
また、ステップＳ８３４では、量子ビット７２０に対し適当な基底における測定と初期化操作を行う。
【０１０７】
また、ステップＳ８３５では、上記ステップＳ８３３とＳ８３４を対象とする量子ビット７１０と量子ビット７２０の組を２行目、３行目と１つずつ行を変えながら、全ての行で操作を繰り返す。
【０１０８】
また、ステップＳ８３６では、上記ステップＳ８３１〜Ｓ８３５を適当な回数だけ繰り返す。
【０１０９】
以上の操作により２次元クラスター状態が生成される。
【０１１０】
以上説明したように、本発明の第４の実施形態に係る量子計算システムによれば、２次元クラスター状態を２次元上の制御配線により高い精度で実現することができる。
【０１１１】
なお、上記の実施の形態において、量子ビット７１０を必要な数だけ並べた回路としてもよい。
【０１１２】
[第５の実施の形態]
＜システム構成＞
以下、本発明の第５の実施の形態に係る量子計算システムについて説明する。
【０１１３】
図９に示すように、本発明の第５の実施の形態に係る量子計算システム９００は、量子計算回路９０１と、制御装置９０２とを備えている。
【０１１４】
量子計算回路９０１は、１列に並ぶように配置され、互いに結合していない量子ビット９１０からなる量子ビット群９１１と、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合しており、かつ同じ行に配置された量子ビット９１０と結合している量子ビット９２０からなる量子ビット群９２１と、全ての量子ビット９２０と結合している量子ビット９３０とを含んで構成される基本構成９６０を複数備えている。複数の基本構成９６０が１列に並ぶように配置され、隣り合う基本構成９６０の量子ビット９３０を結合させて構成されている。
【０１１５】
なお、量子ビット９１０が第１量子ビットの一例であり、量子ビット９２０が第２量子ビットの一例であり、量子ビット９３０が第３量子ビットの一例であり、量子ビット群９１１が第１量子ビット群の一例であり、量子ビット群９２１が第２量子ビット群の一例である。基本構成９６０が基本構成の一例である。
【０１１６】
また、量子計算回路９０１は、量子ビットの操作（１量子ビットゲート、２量子ビットゲート、量子ビットの測定、量子ビットの初期化）を実行するために、制御配線９５１〜９５３及び測定配線９５４を通して制御装置９０２と接続されている。
【０１１７】
本実施の形態では、量子ビット９１０、９２０、９３０の各々は、例えば、超伝導量子ビットである。
【０１１８】
また、制御配線９５１〜９５３及び測定配線９５４が、他の配線と交差しないように２次元上に形成されているため、量子計算回路９０１は２次元的に構成することが可能である。なお、制御配線９５１〜９５３及び測定配線９５４が擬２次元上に形成されていてもよい。この場合には、制御配線９５１〜９５３及び測定配線９５４に交差部分があれば、立体交差するように形成すればよい。
【０１１９】
＜量子計算システムの作用＞
次に、本発明の第５の実施の形態に係る量子計算システムの作用について説明する。
【０１２０】
図９に示す量子計算回路９０１に対して、制御配線９５１〜９５３及び測定配線９５４を通して量子ビットを操作することにより、３次元クラスター状態を生成することが出来る。
【０１２１】
具体的には図１０（後述する量子ビットの行数が２の基本構成９６０が２つの場合を例示）に示すステップＳ１０４１〜Ｓ１０５０に従って制御を行う。
【０１２２】
なお、図９における量子ビット９１０は図１０における量子ビット１０１０、図９における量子ビット９２０は図１０における量子ビット１０２０、図９における量子ビット９３０は図１０における量子ビット１０３０にそれぞれ対応する。
【０１２３】
ステップＳ１０４１では、全ての量子ビット９１０の各々に対し、Y軸回転操作を行い、各量子ビット９１０の状態を変化させる。
【０１２４】
また、ステップＳ１０４２では、結合している量子ビット９１０と量子ビット９２０の全ての組に対し量子ビット９１０を制御ビットとするCNOTゲート操作を行い、各量子ビット９２０の状態を変化させる。
【０１２５】
また、ステップＳ１０４３では、隣り合う２つの量子ビット９２０の全ての組に対しCZゲート操作を行い、各量子ビット９２０の状態を変化させる。
【０１２６】
また、ステップＳ１０４４では、全ての基本構成９６０において１行目の量子ビット９２０と量子ビット９３０に対しSWAPゲート操作を行い、量子ビット９２０と量子ビット９３０の状態を変化させる。
【０１２７】
また、ステップＳ１０４５では、全ての基本構成９６０において１行目の量子ビット９１０に対しY軸回転操作を行い、量子ビット９１０の状態を変化させる。
【０１２８】
また、ステップＳ１０４６では、全ての基本構成９６０において１行目の量子ビット９１０と量子ビット９２０に対し量子ビット９１０を制御ビットとするCNOTゲート操作を行い、量子ビット９２０の状態を変化させる。
【０１２９】
また、ステップＳ１０４７では、隣り合う２つの量子ビット９３０の全ての組に対しCZゲート操作を行い、各量子ビット９３０の状態を変化させる。
【０１３０】
また、ステップＳ１０４８では、量子ビット９３０に対し適当な基底における測定と初期化操作を行う。
【０１３１】
また、ステップＳ１０４９では、上記ステップＳ１０４４〜Ｓ１０４８を対象とする量子ビット９１０と量子ビット９２０の組を２行目、３行目と１つずつ行を変えながら、全ての行で操作を繰り返す。
【０１３２】
また、ステップＳ１０５０では、上記ステップＳ１０４３〜Ｓ１０４９を適当な回数だけ繰り返す。
【０１３３】
以上の操作により３次元クラスター状態が生成される。
【０１３４】
以上説明したように、本発明の第５の実施の形態に係る量子計算システムによれば、３次元クラスター状態を２次元上の制御配線により高い精度で実現することが出来る。
【０１３５】
なお、上記の実施の形態において、量子ビット９１０と量子ビット９２０の組を必要な数だけ並べる、又は基本構成９６０を必要な数だけ並べた回路としてもよい。
【０１３６】
[第６の実施の形態]
＜システム構成＞
以下、本発明の第６の実施の形態に係る量子計算システム１１００について説明する。
【０１３７】
図１１に示すように、本発明の第６の実施の形態に係る量子計算システム１１００は、量子計算回路１１０１と、制御装置１１０２とを備えている。
【０１３８】
量子計算回路１１０１は、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合している量子ビット１１１０からなる量子ビット群１１１１と、全ての量子ビット１１１０と結合している量子ビット１１２０とを含んで構成される基本構成１１６０を複数備えている。複数の基本構成１１６０が１列に並ぶように配置され、隣り合う基本構成１１６０の量子ビット１１２０を結合させて構成されている。
【０１３９】
なお、量子ビット１１１０が第１量子ビットの一例であり、量子ビット１１２０が第２量子ビットの一例であり、量子ビット群１１１１が第１量子ビット群の一例であり、基本構成１１６０が基本構成の一例である。
【０１４０】
また、量子計算回路１１０１は量子ビットの操作（１量子ビットゲート、２量子ビットゲート、量子ビットの測定、量子ビットの初期化）を実行するために、制御配線１１５１〜１１５２及び測定配線１１５３を通して制御装置１１０２と接続されている。
【０１４１】
本実施の形態では、量子ビット１１１０、１１２０の各々は、例えば、超伝導量子ビットである。
【０１４２】
また、制御配線１１５１〜１１５２及び測定配線１１５３が、他の配線と交差しないように２次元上に形成されているため、量子計算回路１１０１は２次元的に構成することが可能である。なお、制御配線１１５１〜１１５２及び測定配線１１５３が擬２次元上に形成されていてもよい。この場合には、制御配線１１５１〜１１５２及び測定配線１１５３に交差部分があれば、立体交差するように形成すればよい。
【０１４３】
＜量子計算システムの作用＞
次に、本発明の第６の実施の形態に係る量子計算システムの作用について説明する。
【０１４４】
図１１に示す量子計算回路１１０１に対して、制御配線１１５１、１１５２及び測定配線１１５３を通して量子ビットを操作することにより、３次元クラスター状態を生成することが出来る。
【０１４５】
具体的には図１２（後述する量子ビットの行数が２の基本構成１１６０が２つの場合を例示）に示すステップＳ１２３１〜Ｓ１２３７に従って制御を行う。
【０１４６】
なお、図１１における量子ビット１１１０は図１２における量子ビット１２１０、図１１における量子ビット１１２０は図１２における量子ビット１２２０にそれぞれ対応する。
【０１４７】
ステップＳ１２３１では、全ての量子ビット１１１０の各々に対し、Y軸回転操作を行い、各量子ビット１１１０の状態を変化させる。
【０１４８】
また、ステップＳ１２３２では、隣り合う２つの量子ビット１１１０の全ての組に対しCZゲート操作を行い、各量子ビット１１１０の状態を変化させる。
【０１４９】
また、ステップＳ１２３３では、全ての基本構成１１６０において１行目の量子ビット１１１０と量子ビット１１２０に対し量子ビット１１１０を制御ビットとするCNOTゲート操作を行い、量子ビット１１２０の状態を変化させる。
【０１５０】
また、ステップＳ１２３４では、隣り合う２つの量子ビット１１２０の全ての組に対しCZゲート操作を行い、各量子ビット１１２０の状態を変化させる。
【０１５１】
また、ステップＳ１２３５では、全ての量子ビット１１２０に対し適当な基底における測定と初期化操作を行う。
【０１５２】
また、ステップＳ１２３６では、上記ステップＳ１２３３、Ｓ１２３４、Ｓ１２３５を対象とする量子ビット１１１０を２行目、３行目と１つずつ行を変えながら、全ての行で操作を繰り返す。
【０１５３】
また、ステップＳ１２３７では、上記ステップＳ１２３１〜Ｓ１２３６を適当な回数だけ繰り返す。
【０１５４】
以上の操作により３次元クラスター状態が生成される。
【０１５５】
以上説明したように、本発明の第６の実施の形態に係る量子計算システムによれば、３次元クラスター状態を２次元上の制御配線により高い精度で実現することが出来る。
【０１５６】
なお、上記の実施の形態において、量子ビット１１１０を必要な数だけ並べる、又は基本構成１１６０を必要な数だけ並べた回路としてもよい。
【０１５７】
[第７の実施の形態]
＜システム構成＞
以下、本発明の第７の実施の形態に係る量子計算システムについて説明する。
【０１５８】
図１３に示すように、本発明の第７の実施の形態に係る量子計算システム１３００は、量子計算回路１３０１と、制御装置１３０２とを備えている。
【０１５９】
量子計算回路１３０１は、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合している量子ビット１３１０からなる量子ビット群１３１１と、１列に並ぶように配置され、互いに結合しておらず、かつ同じ行に配置された量子ビット１３１０と結合している量子ビット１３２０からなる量子ビット群１３２１とを含んで構成される基本構成１３７１を複数備える。量子計算回路１３０１は、基本構成１３７１の量子ビット１３１０及び量子ビット１３２０の配列方向を軸として左右対称となるように反転させた構造を持つ基本構成１３７２を複数備える。基本構成１３７１と基本構成１３７２とが互い違いとなるように配置され、かつ、基本構成１３７１と基本構成１３７２のそれぞれが１列に並ぶよう配置される。隣り合う全ての基本構成１３７１及び基本構成１３７２間において同じ行の量子ビット１３１０間を各行で結合させ、量子ビット１３１０間を結合させるための配線１３３０が立体交差による擬２次元配線を用いて構成されている。
【０１６０】
なお、量子ビット１３１０が第１量子ビットの一例であり、量子ビット１３２０が第２量子ビットの一例であり、量子ビット群１３１１が第１量子ビット群の一例であり、量子ビット群１３２１が第２量子ビット群の一例である。基本構成１３７１が第１基本構成の一例であり、基本構成１３７２が第２基本構成の一例である。
【０１６１】
また、量子計算回路１３０１は量子ビットの操作（１量子ビットゲート、２量子ビットゲート、量子ビットの測定、量子ビットの初期化）を実行するために、制御配線１３５１、１３５２及び測定配線１３５３を通して制御装置１３０２と接続されている。
【０１６２】
本実施の形態では、量子ビット１３１０、１３２０の各々は、例えば、超伝導量子ビットである。
【０１６３】
制御配線１３５１、１３５２及び測定配線１３５３が、他の配線と交差しないように２次元上に形成されており、量子ビット１３１０間を結合させるための配線１３３０に立体交差があるため、量子計算回路１３０１を、擬２次元的に構成することが可能である。
【０１６４】
＜量子計算システムの作用＞
次に、本発明の第７の実施の形態に係る量子計算システム１３００の作用について説明する。
【０１６５】
図１３に示す量子計算回路１３０１に対して、制御配線１３５１、１３５２及び測定配線１３５３を通して量子ビットを操作することにより、３次元クラスター状態を生成することが出来る。
【０１６６】
具体的には図１４（波線により一部の操作を省略して表記している）に示すステップＳ１４３１〜Ｓ１４３７に従って制御を行う。
【０１６７】
なお、図１３における量子ビット１３１０は図１４における量子ビット１４１０、図１３における量子ビット１３２０は図１４における量子ビット１４２０、図１３における基本構成１３７１は図１４における基本構成１４７１、図１３における基本構成１３７２は図１４における基本構成１４７２にそれぞれ対応する。
【０１６８】
ステップＳ１４３１では、全ての量子ビット１４１０に対しHadamardゲート操作を行い、各量子ビット１４１０の状態を変化させる。
【０１６９】
また、ステップＳ１４３２では、全ての基本構成内において隣り合う量子ビット１４１０の全ての組に対しCZゲート操作を行い、各量子ビット１４１０の状態を変化させる。
【０１７０】
また、ステップＳ１４３３では、基本構成間を跨いで結合している量子ビット１４１０の全ての組に対しCZゲート操作を行い、各量子ビット１４１０の状態を変化させる。
【０１７１】
また、ステップＳ１４３４では、結合している量子ビット１４１０と量子ビット１４２０の全ての組に対し量子ビット１４１０を制御ビットとするCNOTゲート操作を行い、各量子ビット１４２０の状態を変化させる。
【０１７２】
また、ステップＳ１４３５では、全ての量子ビット１４１０に対しHadamardゲート操作を行い、各量子ビット１４１０の状態を変化させる。
【０１７３】
ステップＳ１４３６では、全ての量子ビット１４２０に対し適当な基底における測定と初期化操作を行う。
【０１７４】
また、ステップＳ１４３７では、上記ステップＳ１４３２〜Ｓ１４３６を適当な回数だけ繰り返す。
【０１７５】
以上の操作により３次元クラスター状態が生成される。
【０１７６】
以上説明したように、本発明の第７の実施の形態に係る量子計算システムによれば、３次元クラスター状態を擬２次元上の配線により高い精度で実現することが出来る。
なお、上記の実施の形態において、量子ビット１３１０と量子ビット１３２０の組を必要な数だけ並べる、又は基本構成１３７１と基本構成１３７２を必要な数だけ並べた回路としてもよい。
【０１７７】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
【０１７８】
例えば、上記の第１の実施の形態、第２の実施の形態、第３の実施の形態、第４の実施の形態、第５の実施の形態、第６の実施の形態、及び第７の実施の形態では量子計算システムを超伝導量子回路により構成する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。光子や半導体等により量子計算システムを構成するようにしてもよい。
【０１７９】
[第８の実施の形態]
＜システム構成＞
以下、本発明の第８の実施の形態に係る量子計算システムについて説明する。
【０１８０】
図１５に示すように、本発明の第８の実施の形態に係る量子計算システム１５００は、量子計算回路１５０１と、制御装置１５０２とを備えている。
【０１８１】
量子計算回路１５０１は、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合している量子ビット１５１０からなる量子ビット群１５１１を含んで構成される基本構成１５７１を複数備え、複数の基本構成１５７１が１列に並ぶように配置されている。
【０１８２】
また、量子計算回路１５０１は、１列に並ぶように配置され、隣り合うものと結合している量子ビット１５２０からなる量子ビット群１５２１を含んで構成される基本構成１５８１を複数備えている。複数の基本構成１５８１が、基本構成１５７１とは異なる列で１列に並ぶように配置されている。
【０１８３】
また、結合する基本構成１５７１及び基本構成１５８１のペアの各々に対し、当該ペア内で対応する量子ビット１５１０と量子ビット１５２０とを結合させるための配線１５３０が２次元上に形成され、配線１５３０の交差部分において配線１５３０が立体交差するように形成されている。
【０１８４】
なお、量子ビット１５１０が第１量子ビットの一例であり、量子ビット１５２０が第２量子ビットの一例であり、量子ビット群１５１１が第１量子ビット群の一例であり、量子ビット群１５２１が第２量子ビット群の一例である。また、基本構成１５７１が第１基本構成の一例であり、基本構成１５８１が第２基本構成の一例である。
【０１８５】
また、量子計算回路１５０１は、量子ビットの操作（１量子ビットゲート、２量子ビットゲート、量子ビットの測定、量子ビットの初期化）を実行するために、制御配線１５５１、１５６１及び測定配線１５５２、１５６２を通して制御装置１５０２と接続されている。
【０１８６】
本実施の形態では、量子ビット１５１０、１５２０の各々は、例えば、超伝導量子ビットである。
【０１８７】
制御配線１５５１、１５６１及び測定配線１５５２、１５６２が２次元上に形成されていると共に、量子ビット１５１０と量子ビット１５２０とを結合させるための配線１５３０が２次元上に形成され、配線１５３０の交差部分に立体交差がある。このため、量子計算回路１５０１を、擬２次元的に構成することが可能である。なお、制御配線１５５１、１５６１及び測定配線１５５２、１５６２が擬２次元上に形成されていてもよい。この場合には、制御配線１５５１、１５６１及び測定配線１５５２、１５６２に交差部分があれば、立体交差するように形成すればよい。
【０１８８】
＜量子計算システムの作用＞
次に、本発明の第８の実施の形態に係る量子計算システム１５００の作用について説明する。
【０１８９】
図１５に示す量子計算回路１５０１に対して、制御配線１５５１、１５６１及び測定配線１５５２、１５６２を通して量子ビットを操作することにより、表面符号を実現する。
【０１９０】
表面符号及び表面符号上における量子計算のための具体的な制御方法に関しては、例えば、「A. G. Fowler et al., “Surface codes: Towards practical large-scale quantum computation,” Physical Review A 86, 032324 (2012).」に記載されている方法と同様であるため、説明を省略する。
【０１９１】
なお、本実施の形態において、基本構成１５７１及び基本構成１５８１内の量子ビット１５１０及び量子ビット１５２０や、基本構成１５７１及び基本構成１５８１を必要な数だけ並べた回路としてもよい。
【０１９２】
以上説明したように、本発明の第８の実施の形態に係る量子計算システムによれば、表面符号を擬２次元上の配線により高い精度で実現することが出来る。
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
【０１９３】
例えば、上記の実施の形態では量子計算システムを超伝導量子回路により構成する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、光子や半導体等により量子計算システムを構成するようにしてもよい。
【０１９４】
また、図１５では実施の形態として基本構成１５７１及び基本構成１５８１を交互に配置したものを例示したが、これに限定されるものではない。例えば、適当に配線１５３０を変形させることにより、基本構成１５７１及び基本構成１５８１の配置を変えた量子計算システムを構成するようにしてもよい。
【０１９５】
日本出願２０１８−０９０５４７、日本出願２０１８−１４８８７０、及び日本出願２０１８−１３１５０７の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
【０１９６】
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記載された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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