量子计算机以及量子计算方法技术

本发明专利技术可提供能够增加量子比特数的量子计算机和量子计算方法。本发明专利技术的量子计算机，具有：Ｎ个物理系统，具有光学上允许在下３状态｜０＞、｜１＞、｜２＞和上２状态｜３＞、｜４＞之间的跃迁的５个状态｜０＞、｜１＞、｜２＞、｜３＞、｜４＞，Ｎ是２以上的整数；以及光共振器，在内部配置这些物理系统，所有物理系统的｜２＞和｜３＞之间的跃迁的跃迁频率同所述光共振器的共振频率相等；｜３＞和｜４＞之间的跃迁频率的分布宽度比所述下３状态间的跃迁频率的最大值大Ｎ倍以上；同某一物理系统的｜０＞和｜４＞之间、｜１＞和｜４＞之间或者｜２＞和｜４＞之间的跃迁共振的光和其他物理系统的所有光跃迁充分非共振。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及利用光共振器和原子的结合的量子计算机以及量子计算方法。
技术介绍
近年来，量子计算机的热烈开展。作为量子计算机的实现方法，提出了如下的方法：在光共振器内准备多个具有三种状态的物理系统，利用稳定的两个下状态作为量子比特，并使空间上分离的物理系统之间通过光共振器的光子来结合(例如，参照专利文献1)。在日本专利文献1中，利用两个下状态间的频率差在各自的物理系统不同的事实，来由光频率区别量子比特。并且，由于利用两个光子的共振来操作状态，因此如果在各个物理系统中下状态间的频率差分别不同，则只有一个物理系统进行两个光子共振而被操作，通过设定光的频率可有选择地操作各个物理系统。特别考虑了如下所述的固体量子计算机，因为在结晶体中掺杂的离子的核自旋状态下，脱散是非常慢的，因此将由离子的核自旋决定的能级(超细微等级)作为量子比特使用，在量子比特的选择上使用了其不均匀的宽度。但是，因为超细微等级的不均匀宽度一般不太大，因此这被看作对增加量子比特数成为障碍的问题。专利文献1：日本专利文献特开2001-209083号公报。
技术实现思路
-->本专利技术是考虑上述情况而完成的，其目的是提供一种能够增加量子比特数的量子计算机以及量子计算方法。根据本专利技术的第一方式的量子计算机包括：具有：N个物理系统，具有光学上允许在下3状态|0＞、|1＞、|2＞和上2状态|3＞、|4＞之间的跃迁的5个状态|0＞、|1＞、|2＞、|3＞、|4＞，N是2以上的整数；以及光共振器，在内部配置这些物理系统，所有物理系统的|2＞和|3＞之间的跃迁的跃迁频率同所述光共振器的共振频率相等；|3＞和|4＞之间的跃迁频率的分布宽度比所述下3状态间的跃迁频率的最大值大N倍以上；同某一物理系统的|0＞和|4＞之间、|1＞和|4＞之间或者|2＞和|4＞之间的跃迁共振的光和其他物理系统的所有光跃迁充分非共振。另外，根据本专利技术第二方式的量子计算机包括：N个物理系统，具有光学上允许在下4状态|0＞、|1＞、|2＞、|5＞、|6＞和上2状态|3＞、|4＞之间的跃迁的6个状态|0＞、|1＞、|2＞、|3＞、|4＞、|5＞、|6＞，N是2以上的整数；以及光共振器，内部配置这些物理系统，所有物理系统的|2＞和|3＞之间的跃迁的跃迁频率同所述光共振器的共振频率相等；|3＞和|4＞之间的跃迁频率的分布宽度比所述下3状态间的跃迁频率的最大值大N倍以上；同某一物理系统的|0＞和|4＞之间、|1＞和|4＞之间、|2＞和|4＞之间、|2＞和|5＞之间或者|6＞和|4＞之间的跃迁共振的光和其他物理系统的所有光跃迁充分非共振。另外，根据本专利技术的第三个方式的量子计算方法，使用权利要求1所述的量子计算机，其特征在于，对于两个物理系统，利用同|0＞和|4＞之间以及|2＞和|4＞之间的跃迁共振的光，把状态|0＞变化到状态|2＞，将共振的光脉冲入射到共振器，利用同|0＞和|4＞之间以及|2＞和|4＞之间的跃迁共振的光，将状态|2＞返回到状态|0＞，对于由所述两个物理系统的状态|0＞和状态|1＞构成的量子比特进行控制非门操作。另外，根据本专利技术第四个方式的量子计算方法，使用权利要求2所述的量子计算机，其特征在于，对于第k个物理系统和第m个物理系统，m≠k，在第k个物理系统，利用同|1＞和|4＞之间以及|5＞和|4＞之间的跃迁-->共振的光，把状态|1＞变化到|5＞，在第m个物理系统，利用同|1＞-|4＞之间以及|2＞-|4＞之间的跃迁共振的光，把状态|1＞变化到状态|2＞，用同第k个物理系统的|5＞和|3＞之间的跃迁以及第m个物理系统的|6＞和|3＞之间的跃迁共振的两个光脉冲，进行利用共振器的绝热转移，用同所述两个光脉冲的相对相位相差180度的、同第k个物理系统的|5＞和|3＞之间的跃迁以及第m个物理系统的|6＞和|3＞之间的跃迁共振的两个光脉冲，进行利用共振器的绝热转移，在第k个物理系统，使用同|1＞和|4＞之间以及|5＞和|4＞之间的跃迁共振的光，把状态|5＞返回到状态|1＞，在第m个物理系统，使用同|1＞和|4＞之间以及|2＞和|4＞之间的跃迁共振的光，把状态|2＞返回到状态|1＞，对由第k个物理系统以及第m个物理系统的状态|0＞和状态|1＞构成的量子比特，进行控制非门操作。根据本专利技术，通过利用在不同的物理系统之间的光跃迁的跃迁频率充分不同来进行物理系统的选择，由此可增加量子比特的个数。附图说明[图1]本专利技术的一实施方式的量子计算机的基本结构图。[图2]在基于利用共振器的绝热转移(adiabatic passage)进行控制非门操作的一实施方式的量子计算机使用的物理系统的状态图。[图3]在实施例1使用的实验系统图。[图4]在实施例1被设定的状态名图。[图5]实现可变透射率反射镜的环形共振器图。[图6]在实施例2使用的实验系统图。[图7]在实施例2被设定的状态名图具体实施方式参照附图，对本专利技术的实施方式进行说明。图1表示本专利技术的一实施方式的量子计算机。该实施方式的量子计算机1具有光共振2，在光共振2的内部配置有多个物理系统41～4N共振。-->如图1所示，各物理系统4i(i＝1，…，N)具有3个基态|0＞、|1＞、|2＞和两个激发态|3＞、|4＞。在本实施方式中，将状态|0＞和状态|1＞作为量子比特使用。|k＞和|m＞间(k＝0，1，2；m＝3，4)跃迁是在光学上允许的。另外，在本实施方式中，对于所有的物理系统41～4N，|2＞和|3＞之间的跃迁频率和光共振器2的共振频率相等。并且，|3＞和|4＞之间的跃迁频率的分布的宽度比基态间的跃迁频率大很多，例如如果有N个物理系统就要大N倍以上，同某个物理系统4i的|0＞和|4＞之间、|1＞和|4＞之间或者|2＞和|4＞之间的跃迁共振的光，与其他物理系统4j(i不等于j)的所有的光跃迁充分非共振。由此，在利用同该离子的|0＞和|4＞之间、|1＞和|4＞之间或者|2＞和|4＞之间跃迁共振的光对某个物理系统4i的状态进行操作的时候，因为其他的物理系统4j的状态不变化，可有选择地对各物理系统4i(i＝1，…，N)进行操作。相对于现有的利用低能级之间不均匀的宽度和2个光子共振来区别量子比特，在本实施方式中，通过激发态的不均匀宽度来区别量子比特。因为激发态的不均匀宽度通常情况下比基态间的不均匀宽度大，所以本实施方式与现有的情况相比，使量子比特数增加的可能性大。在对某个物理系统的量子比特进行1量子比特门时，可以使用在该物理系统的|0＞和|4＞之间、|1＞和|4＞之间以及|2＞和|4＞之间的跃迁共振光进行。另外，在本实施方式中，一个量子比特门的具体的实现方法使用公知的方法。该公知的方法，例如在Z.Kis，F.Renzoni，Phys.Rev.A65，032318(2002)、或者L.-M.Duan，J.I.Cirac，P.Zoller，Science292，1965(2001)中所示。这时，其他物理系统由于与利用光不共振而没有变化。下面，对2个量子比特门的实现方法进行说明。在本实施方式中，作为利用光共振器的2个量子比特门的实现方法考虑以下两种。第一种方法是基于L.-M.Duan，B.Wang，H.J.Kimble，Phys.Rev.A 72，032333(2005)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种量子计算机，其特征在于，具有：Ｎ个物理系统，具有光学上允许在下３状态｜０＞、｜１＞、｜２＞和上２状态｜３＞、｜４＞之间的跃迁的５个状态｜０＞、｜１＞、｜２＞、｜３＞、｜４＞，Ｎ是２以上的整数；以及光共振器，在内部配置这些物理系统，　　　　所有物理系统的｜２＞和｜３＞之间的跃迁的跃迁频率同所述光共振器的共振频率相等；　　　　｜３＞和｜４＞之间的跃迁频率的分布宽度比所述下３状态间的跃迁频率的最大值大Ｎ倍以上；　　　　同某一物理系统的｜０＞和｜４＞之间、｜１＞和｜４＞之间或者｜２＞和｜４＞之间的跃迁共振的光和其他物理系统的所有光跃迁充分非共振。

【技术特征摘要】
JP 2007-2-14 033046/20071、一种量子计算机，其特征在于，具有：N个物理系统，具有光学上允许在下3状态|0＞、|1＞、|2＞和上2状态|3＞、|4＞之间的跃迁的5个状态|0＞、|1＞、|2＞、|3＞、|4＞，N是2以上的整数；以及光共振器，在内部配置这些物理系统，所有物理系统的|2＞和|3＞之间的跃迁的跃迁频率同所述光共振器的共振频率相等；|3＞和|4＞之间的跃迁频率的分布宽度比所述下3状态间的跃迁频率的最大值大N倍以上；同某一物理系统的|0＞和|4＞之间、|1＞和|4＞之间或者|2＞和|4＞之间的跃迁共振的光和其他物理系统的所有光跃迁充分非共振。2、一种量子计算机，其特征在于，具有：N个物理系统，具有光学上允许在下4状态|0＞、|1＞、|2＞、|5＞、|6＞和上2状态|3＞、|4＞之间的跃迁的6个状态|0＞、|1＞、|2＞、|3＞、|4＞、|5＞、|6＞，N是2以上的整数；以及光共振器，内部配置这些物理系统，所有物理系统的|2＞和|3＞之间的跃迁的跃迁频率同所述光共振器的共振频率相等；|3＞和|4＞之间的跃迁频率的分布宽度比所述下3状态间的跃迁频率的最大值大N倍以上；同某一物理系统的|0＞和|4＞之间、|1＞和|4＞之间、|2＞和|4＞之间、|2＞和|5＞之间或者|6＞和|4＞之间的跃迁共振的光和其他物理系统的所有光跃迁充分非共振。3、如权利要求1或2所述的量子计算机，其特征在于，各物理系统是结晶体中掺杂的稀土类离子，状态|3＞以及|4＞是所述稀土离...

【专利技术属性】
技术研发人员：后藤隼人，市村厚一，
申请(专利权)人：株式会社东芝，
类型：发明
国别省市：JP[日本]