專利名稱：量子計算機以及量子計算方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用光共振器和原子的結合的量子計算機以及量子計算 方法。
背景技術：
近年來，量子計算機的熱烈開展。作為量子計算機的實現(xiàn)方法，提 出了如下的方法在光共振器內(nèi)準備多個具有三種狀態(tài)的物理系統(tǒng)，利 用穩(wěn)定的兩個下狀態(tài)作為量子比特，并使空間上分離的物理系統(tǒng)之間通 過光共振器的光子來結合(例如，參照專利文獻1)。在日本專利文獻1 中，利用兩個下狀態(tài)間的頻率差在各自的物理系統(tǒng)不同的事實，來由光 頻率區(qū)別量子比特。并且，由于利用兩個光子的共振來操作狀態(tài)，因此 如果在各個物理系統(tǒng)中下狀態(tài)間的頻率差分別不同，則只有一個物理系 統(tǒng)進行兩個光子共振而被操作，通過設定光的頻率可有選擇地操作各個 物理系統(tǒng)。
特別考慮了如下所述的固體量子計算機，因為在結晶體中摻雜的離 子的核自旋狀態(tài)下，脫散是非常慢的，因此將由離子的核自旋決定的能 級(超細微等級)作為量子比特使用，在量子比特的選擇上使用了其不 均勻的寬度。但是，因為超細微等級的不均勻寬度一般不太大，因此這 被看作對增加量子比特數(shù)成為障礙的問題。
專利文獻1:日本專利文獻特開2001-209083號公報。

發(fā)明內(nèi)容
4本發(fā)明是考慮上述情況而完成的，其目的是提供一種能夠增加量子 比特數(shù)的量子計算機以及量子計算方法。
根據(jù)本發(fā)明的第一方式的量子計算機包括具有N個物理系統(tǒng)，具
有光學上允許在下3狀態(tài)l0〉、 |1〉、 |2〉和上2狀態(tài)|3>、 |4>之間的躍遷 的5個狀態(tài)|0〉、 |1〉、 |2〉、 |3〉、 |4〉， N是2以上的整數(shù)；以及光共振 器，在內(nèi)部配置這些物理系統(tǒng)，所有物理系統(tǒng)的I2〉和13〉之間的躍遷的 躍遷頻率同所述光共振器的共振頻率相等；|3〉和|4〉之間的躍遷頻率的 分布寬度比所述下3狀態(tài)間的躍遷頻率的最大值大N倍以上；同某一物 理系統(tǒng)的10〉和14〉之間、11〉和14〉之間或者12〉和I 4〉之間的躍遷共振的 光和其他物理系統(tǒng)的所有光躍遷充分非共振。
另外，根據(jù)本發(fā)明第二方式的量子計算機包括N個物理系統(tǒng)，具 有光學上允許在下4狀態(tài)|0>、 |1〉、 |2〉、 |5〉、 |6〉和上2狀態(tài)|3〉、 |4〉 之間的躍遷的6個狀態(tài)|0〉、 |1〉、 |2〉、 |3〉、 |4〉、 |5>、 |6>， N是2以 上的整數(shù)；以及光共振器，內(nèi)部配置這些物理系統(tǒng)，所有物理系統(tǒng)的|2> 和13〉之間的躍遷的躍遷頻率同所述光共振器的共振頻率相等；I 3〉和14〉 之間的躍遷頻率的分布寬度比所述下3狀態(tài)間的躍遷頻率的最大值大N 倍以上；同某一物理系統(tǒng)的IO〉和l4〉之間、U〉和l4〉之間、|2〉和14>之 間、12〉和I 5〉之間或者16〉和14〉之間的躍遷共振的光和其他物理系統(tǒng)的 所有光躍遷充分非共振。
另外，根據(jù)本發(fā)明的第三個方式的量子計算方法，使用權利要求1 所述的量子計算機，其特征在于，對于兩個物理系統(tǒng)，利用同|0〉和|4〉 之間以及12〉和14〉之間的躍遷共振的光，把狀態(tài)10〉變化到狀態(tài)12〉，將共 振的光脈沖入射到共振器，利用同10>和14〉之間以及I 2〉和14〉之間的躍 遷共振的光，將狀態(tài)I2〉返回到狀態(tài)I0〉，對于由所述兩個物理系統(tǒng)的狀態(tài) 10〉和狀態(tài)ll〉構成的量子比特進行控制非門操作。
另外，根據(jù)本發(fā)明第四個方式的量子計算方法，使用權利要求2所 述的量子計算機，其特征在于，對于第k個物理系統(tǒng)和第m個物理系統(tǒng)， m^k，在第k個物理系統(tǒng),利用同U〉和l4〉之間以及l(fā)5〉和l4〉之間的躍遷共振的光，把狀態(tài)ll〉變化到l5〉，在第m個物理系統(tǒng)，利用同|1>-|4〉之 間以及|2〉-|4〉之間的躍遷共振的光，把狀態(tài)|1〉變化到狀態(tài)|2〉，用同第 k個物理系統(tǒng)的15〉和13>之間的躍遷以及第m個物理系統(tǒng)的16〉和13〉之間 的躍遷共振的兩個光脈沖，進行利用共振器的絕熱轉移，
用同所述兩個光脈沖的相對相位相差180度的、同第k個物理系統(tǒng) 的|5>和|3〉之間的躍遷以及第m個物理系統(tǒng)的|6>和|3>之間的躍遷共振 的兩個光脈沖，進行利用共振器的絕熱轉移，在第k個物理系統(tǒng)，使用 同11〉和14>之間以及I 5〉和14>之間的躍遷共振的光，把狀態(tài)I 5〉返回到狀 態(tài)|1>，在第m個物理系統(tǒng)，使用同|1〉和|4〉之間以及|2>和|4〉之間的躍 遷共振的光，把狀態(tài)|2〉返回到狀態(tài)|1〉，對由第k個物理系統(tǒng)以及第m
個物理系統(tǒng)的狀態(tài)lo〉和狀態(tài)li〉構成的量子比特，進行控制非門操作。
根據(jù)本發(fā)明，通過利用在不同的物理系統(tǒng)之間的光躍遷的躍遷頻率 充分不同來進行物理系統(tǒng)的選擇，由此可增加量子比特的個數(shù)。


本發(fā)明的一實施方式的量子計算機的基本結構圖。在基于利用共振器的絕熱轉移(adiabatic passage)進行控
制非門操作的一實施方式的量子計算機使用的物理系統(tǒng)的狀態(tài)圖。 [圖3]在實施例1使用的實驗系統(tǒng)圖。 [圖4]在實施例1被設定的狀態(tài)名圖。 [圖5]實現(xiàn)可變透射率反射鏡的環(huán)形共振器圖。 [圖6]在實施例2使用的實驗系統(tǒng)圖。 [圖7]在實施例2被設定的狀態(tài)名圖
具體實施例方式
參照附圖，對本發(fā)明的實施方式進行說明。
圖1表示本發(fā)明的一實施方式的量子計算機。該實施方式的量子計 算機1具有光共振2，在光共振2的內(nèi)部配置有多個物理系統(tǒng)么 4共振。如圖1所示，各物理系統(tǒng)4i (i=l，…，N)具有3個基態(tài)|0〉、 |1〉、 |2> 和兩個激發(fā)態(tài)l3〉、 |4〉。
在本實施方式中，將狀態(tài)IO〉和狀態(tài)ll〉作為量子比特使用。1k〉和lm〉 間(k=0， 1， 2; m=3， 4)躍遷是在光學上允許的。另外，在本實施方式 中，對于所有的物理系統(tǒng)4, 4N， |2〉和|3〉之間的躍遷頻率和光共振器2 的共振頻率相等。并且，|3〉和|4〉之間的躍遷頻率的分布的寬度比基態(tài) 間的躍遷頻率大很多，例如如果有N個物理系統(tǒng)就要大N倍以上，同某 個物理系統(tǒng)4i的l0〉和l4〉之間、|1〉和|4〉之間或者|2〉和|4〉之間的躍遷 共振的光，與其他物理系統(tǒng)4j ( i不等于j )的所有的光躍遷充分非共 振。由此，在利用同該離子的IO〉和l4〉之間、|1〉和|4>之間或者|2〉和|4> 之間躍遷共振的光對某個物理系統(tǒng)4i的狀態(tài)進行操作的時候，因為其他 的物理系統(tǒng)4j的狀態(tài)不變化，可有選擇地對各物理系統(tǒng)4i (i=l，…，N) 進行操作。
相對于現(xiàn)有的利用低能級之間不均勻的寬度和2個光子共振來區(qū)別 量子比特，在本實施方式中，通過激發(fā)態(tài)的不均勻寬度來區(qū)別量子比特。 因為激發(fā)態(tài)的不均勻寬度通常情況下比基態(tài)間的不均勻寬度大，所以本 實施方式與現(xiàn)有的情況相比，使量子比特數(shù)增加的可能性大。
在對某個物理系統(tǒng)的量子比特進行1量子比特門時，可以使用在該 物理系統(tǒng)的10〉和14〉之間、11>和14>之間以及I 2〉和14〉之間的躍遷共振 光進行。另外，在本實施方式中， 一個量子比特門的具體的實現(xiàn)方法使 用公知的方法。該公知的方法，例如在Z.Kis，F(xiàn). Renzoni，Phys.Rev.A 65,032318 (2002)、 或者L.-M. Duan， J. I. Cirac， P. Zoller， Science 292,1965 (2001)中所示。這時，其他物理系統(tǒng)由于與利用光不共振而沒 有變化。
下面，對2個量子比特門的實現(xiàn)方法進行說明。在本實施方式中， 作為利用光共振器的2個量子比特門的實現(xiàn)方法考慮以下兩種。第一種 方法是基于L. -M.Duan， B. Wang， H. J. Kimble， Phys. Rev. A 72,032333 (2005)， 第二種方法是基于本發(fā)明者的論文H. Goto, K. Ichimura， Phys. Rev. A 70,012305 (2004)。另外，后面的第 二種方法和第一種方法相比，更需要兩個基態(tài)。
在本實施方式中，作為2量子比特門，僅考慮控制非門，g卩，僅使 作為兩個量子比特同時為i 1〉的狀態(tài)的稱作11〉 11〉狀態(tài)的相位反轉。公知 有該控制非門和1量子比特門形成通用門。即，可由該控制非門和l量 子比特門構成量子計算機。
(基于第一方法的控制非門的執(zhí)行方法)
首先，對基于第一方法的控制非門執(zhí)行方法進行說明。開始，假設 所有物理系統(tǒng)的狀態(tài)處于|0〉或|1〉 ( |0〉和|1〉的重疊的狀態(tài))。考慮對 第k個物理系統(tǒng)4k和第m個物理系統(tǒng)么進行控制非門。將物理系統(tǒng)4,和 物理系統(tǒng)4的狀態(tài)分別表示為lj〉k和lj〉,， (j二0， 1， 2， 3， 4)。首先， 使用在l0〉k -|4>k間和I2V"14〉k間共振的光脈沖，通過絕熱轉移將狀態(tài) 10〉k變化到狀態(tài)I 2〉k (參照K. Bergmann， H. Theuer， B. W. Shore, Rev. Mod. Phys. 70,1003 (1998))。同樣，使用在10〉 ,和14> ,之間、以及在|2〉 和|4〉 之間共振的光脈沖，通過絕熱轉移，使狀態(tài)IO〉m變化到狀態(tài)l2X,。 該變化如下式所示。
初始狀態(tài)"。。10〉k 10〉m 10〉k I l〉m + a1Q I l〉k 10〉m I l〉k I l〉m —"0012〉k 12〉m + "0112〉k I l〉,n + 101 l〉k 12〉m + ail I l〉k I l〉m
之后，從外部向光共振器照射共振的單一光子脈沖。在此，光共振 器的反射鏡一個為全反射鏡，另一個為部分透射反射鏡，單一光子脈沖 從部分透射反射鏡入射。如L. -M. Duan， B. Wang, H. J. Kimble， Phys. Rev. A 72,032333 (2005)中所示，該單一光子脈沖也可由弱的相干光脈沖替代， 但這里為了簡單僅考慮單一光子脈沖的情況。物理系統(tǒng)和光共振器之間 的耦合常數(shù)比光共振器的衰減率以及物理系統(tǒng)的激發(fā)態(tài)的弛豫率 (relaxation rate)大，比單一光子脈沖的光譜耦合常數(shù)窄。此時，不論 物理系統(tǒng)4k和物理系統(tǒng)4m中的哪一個如果狀態(tài)是12〉，則通過真空拉比分 裂的效果，單一光子脈沖與光共振器不共振而被反射。另一方面，如果物理系統(tǒng)4k和物理系統(tǒng)4 ,任一個都是| 1〉，則單一光子脈沖在光共振器共
振之后被反射。其結果是，只是物理系統(tǒng)4k和物理系統(tǒng)4j勺狀態(tài)均是l1〉
的稱作U〉ll〉狀態(tài)的相位反轉。將其用下式表示 [式2]
<formula>formula see original document page 9</formula>
最后，使用在IO〉,和l4〉k之間、i2〉k和l4〉k之間、|0〉 和|4>,,之間、 12〉 和14〉 之間共振的光脈沖，通過絕熱轉移，把狀態(tài)I2〉，返回到狀態(tài) |0〉k，另外把|2\返回到狀態(tài)|0\。把這個用下式表示
<formula>formula see original document page 9</formula>
這樣，對物理系統(tǒng)么和物理系統(tǒng)4,,,進行控制非門操作。這期間，其 他的物理系統(tǒng)不變。
(基于第二方法的控制非門操作的執(zhí)行方法)
接下來，基于本發(fā)明者們的論文所示的方法對控制非門操作的實現(xiàn) 方法進行說明。這種情況下，如圖2所示的各物理系統(tǒng)4i (i=l，…，N) 也具有兩個基態(tài)|5〉和|6〉。和其他基態(tài)一樣，同某一物理系統(tǒng)4i (i二l，…，N)的|5〉和|4〉之間、|6>和|4〉之間的躍遷共振的光，對其他 物理系統(tǒng)4j (j^i)的所有光躍遷充分不共振。
首先，所有的物理系統(tǒng)的狀態(tài)設為lo〉或者U〉 (10〉和U〉重合時的
狀態(tài))?？紤]對于第K個的物理系統(tǒng)《和第m個物理系統(tǒng)《進行控制非門 操作。首先，使用在U〉k和l4〉k之間、15〉k和l4〉k之間、|1> 和|4> ,之間、 12〉 和14X之間共振的光脈沖，通過絕熱轉移使狀態(tài)11〉k變化到狀態(tài)15〉k， 并且使狀態(tài)11〉,/變化到狀態(tài)i2〉 。把這個用如下公式表示 [式4]
初始狀態(tài):"00 I 0〉k I 0〉m + A' I 0〉k I l〉m + "10 I l〉k I 0〉ra + I l〉k I l〉m —"0010〉k 10〉m + 。, 10〉k 12〉m + aI015〉k 10〉m + a 15〉k 12〉m接下來，使用在|5\和|3\之間以及16〉 和|3〉, 之間共振的光脈沖， 進行利用光共振器的絕熱轉移。此時，只是將狀態(tài)i 5〉, I 2> ,向狀態(tài)12〉k I 5> , 變化，其他的狀態(tài)不變(H.Goto, K. Ichimura, Phys. Rev. A 70,012305 (2004))。其結果，狀態(tài)如下。
"0010〉k 10〉m + 0110〉k 12〉m + ",。 15〉k 10〉m + " 15〉k 12〉m —a。o I 0〉k I 0〉m + "0110〉k I 2〉m + a1015〉k | 0〉m + a | 2〉k | 6〉m
此后，使用在與前面的光脈沖的相對相位相差180度的|5\和|3〉, 之間以及i 6〉, 和I 3〉 之間共振的光脈沖，進行利用光共振器的絕熱轉移。 此時，只有|2〉」5〉,。變化，其他狀態(tài)不變。其結果為如下狀態(tài)。
or0010〉k I 0〉m + a01 10〉k I 2〉m + "1015〉k 10〉m +| 2〉k 16〉m — 0010〉fc 10〉m +"010〉k 12〉m +",015〉k 10〉m -" 15〉k 12〉m
最后，使用在ll〉k和l4〉k之間、15〉k和l4〉k之間、|1〉 和|4〉,,,之間、 |2〉m和l4〉m之間共振的光脈沖，通過絕熱轉移使狀態(tài)| 5〉k返回到狀態(tài) U〉k，并且使狀態(tài)|2〉 返回到狀態(tài)|1〉 。其結果，狀態(tài)如下。
a0010〉k I 0〉m + 0I I 0〉k 12〉m + 1015〉k 10〉m I 5〉k I 2〉m — 00 i 0〉k I 0〉m + "0110〉k I l〉m + 101 l〉k 10〉m - u I l〉k I l〉m
這樣，物理系統(tǒng)么和物理系統(tǒng)l均是僅狀態(tài)為i 1>的稱作| 1>| 1>狀態(tài) 的相位反轉，因此可進行對物理系統(tǒng)4k和物理系統(tǒng)《進行控制非門操作。 另外，為了能夠執(zhí)行利用光共振器的絕熱轉移，同所述第一方法同樣， 必須滿足如下條件離子和光共振器之間的耦合常數(shù)比光共振器的衰減 率以及離子的激發(fā)狀態(tài)的豫馳率大。
參照圖3對基于第一方法的進行控制非門操作的本發(fā)明的實施例1 的量子計算機進行說明。在本實施例中，作為所述物理系統(tǒng)使用摻雜在Y2Si0s結晶體中的 離子。如圖4所示，使所述的狀態(tài)l0〉、 U>、 12〉為Pr"離子的基態(tài)的U 的3個超細微等級，使所述狀態(tài)l3〉為激發(fā)態(tài)l中的1個。使所述的狀態(tài) 14〉為激發(fā)狀態(tài)3po中的一個。通過將由P +: Y2Si0s構成的結晶體101的 表面進行鏡面加工，構成光共振器。另外，結晶體101的一個側面被加 工成全反射反射鏡202，與所述側面相對的另外一側被加工為部分透射反 射鏡501。在Pr3+離子中，使用與i2〉和i3〉的躍遷剛好和共振器模式共振 的離子，使這些離子的狀態(tài)IO〉以及狀態(tài)il〉作為量子比特使用。由Pr、 Y2SiOs構成的晶體101的整體被置于低溫恒溫箱1001中，液體氦溫度被 保持在4k。
光源使用2臺頻率穩(wěn)定的色素激光器901、 902。色素激光器901用 于準備同10〉和I 3>之間、！ 1〉和I 3>之間以及I 2〉和！ 3>之間的躍遷共振的 光，色素激光器902用于準備同l0〉和l4〉之間、|1>和|4>之間以及|2〉和 14〉之間躍遷的共振光。從色素激光器901產(chǎn)生的激光由分束器703分離， 被分離的一個方向的波束通過聲光效果元件803，成為被適當設定的頻率 的光。由分束器703分離的另一束入射到分束器701后被分離，該被分 離一個波束通過聲光效果元件801，由此成為被適當設定頻率的光，并入 射到結晶101。由分束器701分離的另一束入射到分束器702后被分離， 這部分被分離的一束通過聲光效果元件802，由此成為被適當設定頻率的 光，并入射到結晶IOI。另外，由分束器701分離的另一束被用在其他物 理系統(tǒng)。另外，色素激光器902產(chǎn)生的激光由分束器704分離，該被分 離的一束通過聲光效果元件804，由此成為被適當設定頻率的光，并入射 到結晶IOI。另外，由分束器704分離的另一束被用在其他物理系統(tǒng)。
通過聲光效果元件803的光入射到透射率可變反射鏡602，并被反射， 入射到透射率可變反射鏡601后，入射到結晶101的側面501。透射率可 變反射鏡601、 602例如可通過如圖5所示的環(huán)型共振器來實現(xiàn)。該環(huán)型 共振器具有配置在長方形頂點的全反射反射鏡201、 202以及部分透射反 射鏡511、 512，以及設置在全反射反射鏡201與部分反射反射鏡511之 間的相位調(diào)整器1101。通過調(diào)整相位調(diào)整器1101的相位，能夠改變透射率。另外，從單一光子發(fā)生器401產(chǎn)生的光子通過透射率可變反射鏡602
入射到透射率可變反射鏡601 。
首先，對初始化過程進行說明。首先。假定透射率可變反射鏡601 透射100%，透射率可變反射鏡602反射100%,將同共振器共振的光從色 素激光器901暫時照射到共振器。
接下來，在照射同共振器共振的光的情況下，從側面向在結晶體101 的中央的共振器模式的位置暫時照射共振器的共振頻率的光和比共振器 共振頻率高10. 2MHz的頻率的光，使在該位置的Pr"離子的狀態(tài)轉移到 10〉。這樣，利用在結晶中央的共振器模式的位置的離子，能夠將從|2〉 向i 3〉的躍遷同共振器共振的離子初始化到10>。將這些離子的狀態(tài)10〉和 狀態(tài)U〉作為量子比特使用。由于激發(fā)態(tài)3Po的不均勻的寬度，因此|0〉 和14〉之間、i 1〉和14〉之間以及12〉和14〉之間的躍遷頻率在不同的離子之 間有較大的不同，另夕卜，由于|0〉和|4〉之間、|1〉和|4〉之間以及|2〉和|4〉 之間的躍遷頻率，與|0〉和|3〉之間、|1〉和|3>之間以及12>和|3〉之間躍 遷的頻率相差較大，因此，同某些離子的|0〉和|4>之間、|1〉和|4>之間 或者I2〉和I4〉之間的躍遷共振的光，與其他離子的所有光躍遷充分非共 振。這個因為激發(fā)態(tài)的不均勻寬度的幅度是10GHz，基態(tài)間的頻率差的 幅度是10MHz，使用的離子數(shù)N如果比IOOO小，則|3〉和|4>之間的躍遷 頻率分布的寬度比基態(tài)間的躍遷頻率可能大N倍以上。這樣，通過利用 |0>和|4〉之間、|1>和|4>之間以及|2〉和|4〉之間的躍遷共振的光，能夠 區(qū)別各個離子來進行操作。
接下來，對控制非門操作進行說明。將進行控制非門操作的兩個離 子稱為第一離子、第二離子。包含這些、所有的離子通過上述的方法被 初始化為狀態(tài)IO〉。關于確認控制非門操作的實現(xiàn)，也可以通過以下的方 法。通過使用了同|0〉和|4>之間、|1>和|4>之間以及|2>和|4〉之間的躍 遷共振的光的阿達瑪門，將第二個離子的狀態(tài)從|0>變換到(|0>+|1>) /21/2。在這里，所說的阿達瑪門是一量子比特門的一種，是將IO〉變換到 (|0〉+|1〉) /2'/2，將ll〉變換到(|0>-11〉) /2'/2的門。此后，對第一離子和第二離子進行控制非門操作，當再一次對第二
離子進行阿達瑪門操作時，第二離子應該返回到lo〉。另一方面，最初只
是將第一離子預置為狀態(tài)I 1〉，其他離子狀態(tài)則全部預置為1 0〉，當進行同 樣的操作時，這次第二離子的狀態(tài)應該變化為ll〉。如上所述，因為第二 離子的最終狀態(tài)對應第一離子的狀態(tài)初始為I 0>或I 1〉進行變化，因此能 夠確認控制非門操作是否成功。
在進行控制非門操作時，首先將同第一離子和第二離子的|0>和|4> 之間以及|2>和|4>之間的躍遷共振的光，從結晶體101的側面照射，通 過絕熱轉移，將第一離子以及第二離子的狀態(tài)|0〉變化為狀態(tài)|2〉。此后， 把透射率可變反射鏡601、 602都設為100%透射，將與共振器共振的單一 光子脈沖從單一光子發(fā)生器401通過透射率可變反射鏡602、 601照射到 共振器。并且，將同第一離子以及第二離子的10>和14>之間以及12>和14> 之間的躍遷共振的光，從側面照射，并通過絕熱轉移，將狀態(tài)l2〉返回到 狀態(tài)|0〉。這樣，能夠對第一離子和第二離子實現(xiàn)控制非門操作(詳細的 原理參照所述的原理說明)。在這里，在本實施例中，離子共振器的耦合 常數(shù)約為100kHz，共振器的衰減率約為10kHz，離子的激發(fā)態(tài)的豫持率 約為10kHz，所以滿足控制非門操作成功的(產(chǎn)生真空拉比分裂)條件。
讀取第二離子的最終狀態(tài)10〉或11〉時，首先將同第二離子11〉和14〉 之間以及I 2〉和14〉之間的躍遷共振的光從側面照射，通過絕熱轉移把第 二離子的狀態(tài)|1>變化為狀態(tài)|2>。接下來，將透射率可變的反射鏡601 設為透射50%,將透射率可變的反射鏡602設為透射100%，將單一光子 脈沖從單一光子發(fā)生器401照射到共振器。在這里，全反射反射鏡201 的位置，事先設定成為單一光子脈沖同共振器共振后被反射時，100%被 反射導入到光子檢測器301。并且，在光子檢測器301檢測出在共振器被 反射的光子。如果第二離子的狀態(tài)是IO〉，則光子在共振器共振之后100% 導入到光子檢測器301，光子被檢測出。與此相對，第二離子的狀態(tài)如果 是I2〉，則通過真空拉比分裂，光子同共振器不共振，同共振時比較相位 偏移180度，因此光子100%返回到單一光子發(fā)生器401，光子不能被光子檢測器401檢測。因此，可知如下情況如果光子被檢測到，則第二離子的最終狀態(tài)是lo〉，如果光子不能被檢測到，則第二離子的最終狀態(tài)是|1>。將所有離子事先置為狀態(tài)l0〉，對第二離子進行阿達瑪門(Hadamard gate)操作后，對第一離子和第二離子進行控制非門操作，對第二離子 再次執(zhí)行阿達瑪門操作后，第二離子的最終狀態(tài)是l0〉。另外，事先將第 一離子置為狀態(tài)ll〉，其他所有離子置為狀態(tài)lo〉，對第二離子進行阿達 瑪門操作后，對第一離子和第二離子執(zhí)行控制非門操作，再對第二離子 進行阿達瑪門操作后，第二離子的最終狀態(tài)是ll〉。這樣，控制非門的動 作被確認。[實施例2]接下來，參照圖6，對基于第二種方法進行控制非門操作的本發(fā)明的 實施例2的量子計算機進行說明。另外，在本實施例中，除了磁場發(fā)生 器1201設置在低溫恒溫器1001中之外，同在圖3表示的實施例1的試 驗系統(tǒng)是相同的。和實施例1 一樣，作為所述物理系統(tǒng)使用摻雜在Y2Si05結晶體中的 Pr"離子。所有結晶體被放置在低溫恒溫器1001中，液體氦溫度被保持 在4K。通過磁場發(fā)生器1201,外部磁場被施加到結晶。如圖7所示，把 所述的狀態(tài)l0〉、 |1>、 |2〉、 |5〉、 16〉作為Pr3+離子的基態(tài)3H4的塞曼分裂 的6個超細微等級中的4個，把所述的狀態(tài)1 3〉作為激發(fā)態(tài)、中的一個， 把所述的狀態(tài)l4〉作為激發(fā)態(tài)3p。中的一個。和實施例1相同，通過對結晶 表面進行鏡面加工，構成光共振器。將在Pr3+離子中l(wèi)2〉和l3〉的躍遷剛好 和共振器模式共振的離子的狀態(tài)10>以及狀態(tài)11〉，作為量子比特來使用。光源使用頻率穩(wěn)定的兩臺色素激光器901、 902，同圖3所示的實施 例1同樣，使用將由分束器分離的各波束通過聲光效果元件設定為適當 頻率的光。色素激光器901用于準備同|0〉和|3>之間、|1〉和|3〉之間、 |2〉和|3〉之間、|5〉和|3〉之間以及|6〉和|3〉之間的躍遷共振的光，色素激光器902用于準備同IO〉和l4〉之間、|1〉和|4〉之間、|2〉和|4〉之間、 I 5>和14〉之間以及16〉和14>之間的躍遷共振的光。初始化過程同實施例1相同。在結晶體中央的共振器模式的位置的 離子中，將I 2〉和I 3>之間的躍遷與共振器共振的離子初始化為10〉，把這 些離子的狀態(tài)10〉和狀態(tài)11〉作為量子比特來使用。以下，關于控制非門操作進行說明。將進行控制非門操作的兩個離子稱為第一離子、第二離子。包含這些的所有的離子被初始化為狀態(tài)lo〉。在進行控制非門操作時，首先，將同第一離子的|1〉和|4〉之間以及|5>和 14〉之間以及第二離子的11〉和14>之間以及12〉和14〉之間的躍遷共振的 光，從結晶體IOI的側面照射，并通過絕熱轉移，將第一離子的狀態(tài)ll〉 變化為狀態(tài)i 5〉,第二離子的狀態(tài)i 1〉變化為狀態(tài)12〉。接下來，將同第一離子15〉和13〉之間以及第二離子16〉和I 3〉之間的 躍遷共振的光脈沖從側面照射，進行利用共振器的絕熱轉移。此后，使 用與前面的光脈沖的相對相位差為180度的、在第一離子|5>和|3〉之間 以及第二離子16〉和13〉之間共振的光脈沖，進行利用共振器的絕熱轉移。最后，使用在第一離子的11>和14>之間以及i 5>和14〉之間以及第二 離子的11〉和14〉之間以及12〉和14〉之間共振的光脈沖，通過絕熱轉移， 將第一離子的狀態(tài)|5>返回為狀態(tài)|1〉，第二離子的狀態(tài)|2〉返回為狀態(tài)|1〉。這樣，能夠對第一離子和第二離子實現(xiàn)控制非門操作(詳細的原理 參考所述的原理的說明)。在此，和實施例l相同，離子和共振器的耦合 常數(shù)約為100kHz，共振器的衰減率約為10kHz，離子的激發(fā)態(tài)的豫持率 約為10kHz,滿足控制非門操作成功條件(使用共振器的絕熱轉移成功)。讀第二離子的最終狀態(tài)的方法同實施例1相同。事先將所有離子置為狀態(tài)iO〉，對第二離子進行阿達瑪門(Hadamard gate)操作后，對第一離子和第二離子進行控制非門操作，對第二離子 再次進行阿達瑪門操作后，第二離子的最終狀態(tài)是lo〉。另外，事先將第 一離子置為狀態(tài)11〉,其他所有離子置為狀態(tài)10〉，第二離子進行阿達瑪門 操作后，對第一離子和第二離子進行控制非門操作，對第二離子再次進行阿達瑪門操作后，第二離子的最終狀態(tài)是ll〉。這樣，控制非門操作的 動作被確認。如以上說明，根據(jù)本發(fā)明，通過設定光的頻率，有選擇地操作各個 物理系統(tǒng)，由于通過光共振器的光子耦合空間上分離的物理系統(tǒng)彼此， 利用在不同的物理系統(tǒng)間光躍遷的躍遷頻率充分不同的情況，進行物理 系統(tǒng)的選擇，能夠增加量子比特數(shù)。
權利要求
1、一種量子計算機，其特征在于，具有N個物理系統(tǒng)，具有光學上允許在下3狀態(tài)|0＞、|1＞、|2＞和上2狀態(tài)|3＞、|4＞之間的躍遷的5個狀態(tài)|0＞、|1＞、|2＞、|3＞、|4＞，N是2以上的整數(shù)；以及光共振器，在內(nèi)部配置這些物理系統(tǒng)，所有物理系統(tǒng)的|2＞和|3＞之間的躍遷的躍遷頻率同所述光共振器的共振頻率相等；|3＞和|4＞之間的躍遷頻率的分布寬度比所述下3狀態(tài)間的躍遷頻率的最大值大N倍以上；同某一物理系統(tǒng)的|0＞和|4＞之間、|1＞和|4＞之間或者|2＞和|4＞之間的躍遷共振的光和其他物理系統(tǒng)的所有光躍遷充分非共振。
2、 一種量子計算機，其特征在于，具有N個物理系統(tǒng)，具有光學 上允許在下4狀態(tài)|0〉、 |1〉、 |2〉、 |5〉、 |6〉和上2狀態(tài)|3>、 |4〉之間的 躍遷的6個狀態(tài)|0〉、 |1>、 |2>、 |3〉、 |4〉、 |5〉、 |6>， N是2以上的整 數(shù)；以及光共振器，內(nèi)部配置這些物理系統(tǒng)，所有物理系統(tǒng)的12〉和I 3〉之間的躍遷的躍遷頻率同所述光共振器的 共振頻率相等；|3〉和|4〉之間的躍遷頻率的分布寬度比所述下3狀態(tài)間的躍遷頻率 的最大值大N倍以上；同某一物理系統(tǒng)的|0>和|4〉之間、|1〉和|4>之間、12>和|4〉之間、 12〉和I 5〉之間或者16〉和14>之間的躍遷共振的光和其他物理系統(tǒng)的所有 光躍遷充分非共振。
3、 如權利要求1或2所述的量子計算機，其特征在于，各物理系統(tǒng)是結晶體中摻雜的稀土類離子，狀態(tài)I 3>以及14〉是所述稀土離子的不同的電子激發(fā)態(tài)。
4、 一種量子計算方法，使用權利要求1所述的量子計算機，其特征 在于，對于兩個物理系統(tǒng)，利用同10>和14〉之間以及12〉和14〉之間的躍遷 共振的光，把狀態(tài)|0>變化到狀態(tài)|2〉， 將共振的光脈沖入射到共振器，利用同10>和14〉之間以及12>和14〉之間的躍遷共振的光，將狀態(tài)12〉 返回到狀態(tài)10>，對于由所述兩個物理系統(tǒng)的狀態(tài)10〉和狀態(tài)11>構成的量 子比特進行控制非門操作。
5、 一種量子計算方法，使用權利要求2所述的量子計算機，其特征 在于，對于第k個物理系統(tǒng)和第m個物理系統(tǒng)，m^k，在第k個物理系統(tǒng)，利用同11〉和14〉之間以及I 5〉和14>之間的躍遷共 振的光，把狀態(tài)U〉變化到l5〉，在第m個物理系統(tǒng)，利用同|1〉-|4〉之間 以及12>-14〉之間的躍遷共振的光，把狀態(tài)11〉變化到狀態(tài)I 2〉，用同第k個物理系統(tǒng)的I 5〉和I 3〉之間的躍遷以及第m個物理系統(tǒng)的 16>和|3〉之間的躍遷共振的兩個光脈沖，進行利用共振器的絕熱轉移，用同所述兩個光脈沖的相對相位相差180度的、同第k個物理系統(tǒng) 的|5>和|3>之間的躍遷以及第m個物理系統(tǒng)的|6>和|3>之間的躍遷共振的兩個光脈沖，進行利用共振器的絕熱轉移，在第k個物理系統(tǒng)，使用同U〉和l4〉之間以及l(fā)5〉和l4〉之間的躍遷 共振的光，把狀態(tài)|5〉返回到狀態(tài)|1〉，在第m個物理系統(tǒng)，使用同ll〉和 14>之間以及I 2〉和14〉之間的躍遷共振的光，把狀態(tài)I 2〉返回到狀態(tài)11〉， 對由第k個物理系統(tǒng)以及第m個物理系統(tǒng)的狀態(tài)10〉和狀態(tài)11>構成的量 子比特，進行控制非門操作。
全文摘要
本發(fā)明可提供能夠增加量子比特數(shù)的量子計算機和量子計算方法。本發(fā)明的量子計算機，具有N個物理系統(tǒng)，具有光學上允許在下3狀態(tài)|0＞、|1＞、|2＞和上2狀態(tài)|3＞、|4＞之間的躍遷的5個狀態(tài)|0＞、|1＞、|2＞、|3＞、|4＞，N是2以上的整數(shù)；以及光共振器，在內(nèi)部配置這些物理系統(tǒng)，所有物理系統(tǒng)的|2＞和|3＞之間的躍遷的躍遷頻率同所述光共振器的共振頻率相等；|3＞和|4＞之間的躍遷頻率的分布寬度比所述下3狀態(tài)間的躍遷頻率的最大值大N倍以上；同某一物理系統(tǒng)的|0＞和|4＞之間、|1＞和|4＞之間或者|2＞和|4＞之間的躍遷共振的光和其他物理系統(tǒng)的所有光躍遷充分非共振。
文檔編號G02F3/00GK101246378SQ20081000978
公開日2008年8月20日 申請日期2008年2月14日 優(yōu)先權日2007年2月14日
發(fā)明者后藤隼人, 市村厚一 申請人:株式會社東芝