量子计算机以及量子计算方法

专利名称：量子计算机以及量子计算方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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。

发明内容
4本发明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。
根据本发明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l0〉、 |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I2〉和13〉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10〉和14〉之间、11〉和14〉之间或者12〉和I 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，根据本发明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13〉之间的跃迁的跃迁频率同所述光共振器的共振频率相等；I 3〉和14〉 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IO〉和l4〉之间、U〉和l4〉之间、|2〉和14>之 间、12〉和I 5〉之间或者16〉和14〉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，根据本发明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12〉和14〉之间的跃迁共振的光，把状态10〉变化到状态12〉，将共 振的光脉冲入射到共振器，利用同10>和14〉之间以及I 2〉和14〉之间的跃 迁共振的光，将状态I2〉返回到状态I0〉，对于由所述两个物理系统的状态 10〉和状态ll〉构成的量子比特进行控制非门操作。
另外，根据本发明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U〉和l4〉之间以及l5〉和l4〉之间的跃迁共振的光，把状态ll〉变化到l5〉，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15〉和13>之间的跃迁以及第m个物理系统的16〉和13〉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11〉和14>之间以及I 5〉和14>之间的跃迁共振的光，把状态I 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lo〉和状态li〉构成的量子比特，进行控制非门操作。
根据本发明，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。


本发明的一实施方式的量子计算机的基本结构图。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
具体实施例方式
参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
图1表示本发明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么 4共振。如图1所示，各物理系统4i (i=l，…，N)具有3个基态|0〉、 |1〉、 |2> 和两个激发态l3〉、 |4〉。
在本实施方式中，将状态IO〉和状态ll〉作为量子比特使用。1k〉和lm〉 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4, 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l0〉和l4〉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IO〉和l4〉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=l，…，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10〉和14〉之间、11>和14>之间以及I 2〉和14〉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.A 65,032318 (2002)、 或者L.-M. Duan， J. I. Cirac， P. Zoller， Science 292,1965 (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)， 第二种方法是基于本发明者的论文H. Goto, K. Ichimura， Phys. Rev. A 70,012305 (2004)。另外，后面的第 二种方法和第一种方法相比，更需要两个基态。
在本实施方式中，作为2量子比特门，仅考虑控制非门，g卩，仅使 作为两个量子比特同时为i 1〉的状态的称作11〉 11〉状态的相位反转。公知 有该控制非门和1量子比特门形成通用门。即，可由该控制非门和l量 子比特门构成量子计算机。
(基于第一方法的控制非门的执行方法)
首先，对基于第一方法的控制非门执行方法进行说明。开始，假设 所有物理系统的状态处于|0〉或|1〉 ( |0〉和|1〉的重叠的状态)。考虑对 第k个物理系统4k和第m个物理系统么进行控制非门。将物理系统4,和 物理系统4的状态分别表示为lj〉k和lj〉,， (j二0， 1， 2， 3， 4)。首先， 使用在l0〉k -|4>k间和I2V"14〉k间共振的光脉冲，通过绝热转移将状态 10〉k变化到状态I 2〉k (参照K. Bergmann， H. Theuer， B. W. Shore, Rev. Mod. Phys. 70,1003 (1998))。同样，使用在10〉 ,和14> ,之间、以及在|2〉 和|4〉 之间共振的光脉冲，通过绝热转移，使状态IO〉m变化到状态l2X,。 该变化如下式所示。
初始状态"。。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，从外部向光共振器照射共振的单一光子脉冲。在此，光共振 器的反射镜一个为全反射镜，另一个为部分透射反射镜，单一光子脉冲 从部分透射反射镜入射。如L. -M. Duan， B. Wang, H. J. Kimble， Phys. Rev. A 72,032333 (2005)中所示，该单一光子脉冲也可由弱的相干光脉冲替代， 但这里为了简单仅考虑单一光子脉冲的情况。物理系统和光共振器之间 的耦合常数比光共振器的衰减率以及物理系统的激发态的弛豫率 (relaxation rate)大，比单一光子脉冲的光谱耦合常数窄。此时，不论 物理系统4k和物理系统4m中的哪一个如果状态是12〉，则通过真空拉比分 裂的效果，单一光子脉冲与光共振器不共振而被反射。另一方面，如果物理系统4k和物理系统4 ,任一个都是| 1〉，则单一光子脉冲在光共振器共
振之后被反射。其结果是，只是物理系统4k和物理系统4j勺状态均是l1〉
的称作U〉ll〉状态的相位反转。将其用下式表示 [式2]
<formula>formula see original document page 9</formula>
最后，使用在IO〉,和l4〉k之间、i2〉k和l4〉k之间、|0〉 和|4>,,之间、 12〉 和14〉 之间共振的光脉冲，通过绝热转移，把状态I2〉，返回到状态 |0〉k，另外把|2\返回到状态|0\。把这个用下式表示
<formula>formula see original document page 9</formula>
这样，对物理系统么和物理系统4,,,进行控制非门操作。这期间，其 他的物理系统不变。
(基于第二方法的控制非门操作的执行方法)
接下来，基于本发明者们的论文所示的方法对控制非门操作的实现 方法进行说明。这种情况下，如图2所示的各物理系统4i (i=l，…，N) 也具有两个基态|5〉和|6〉。和其他基态一样，同某一物理系统4i (i二l，…，N)的|5〉和|4〉之间、|6>和|4〉之间的跃迁共振的光，对其他 物理系统4j (j^i)的所有光跃迁充分不共振。
首先，所有的物理系统的状态设为lo〉或者U〉 (10〉和U〉重合时的
状态)。考虑对于第K个的物理系统《和第m个物理系统《进行控制非门 操作。首先，使用在U〉k和l4〉k之间、15〉k和l4〉k之间、|1> 和|4> ,之间、 12〉 和14X之间共振的光脉冲，通过绝热转移使状态11〉k变化到状态15〉k， 并且使状态11〉,/变化到状态i2〉 。把这个用如下公式表示 [式4]
初始状态:"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接下来，使用在|5\和|3\之间以及16〉 和|3〉, 之间共振的光脉冲， 进行利用光共振器的绝热转移。此时，只是将状态i 5〉, I 2> ,向状态12〉k I 5> , 变化，其他的状态不变(H.Goto, K. Ichimura, Phys. Rev. A 70,012305 (2004))。其结果，状态如下。
"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，使用在与前面的光脉冲的相对相位相差180度的|5\和|3〉, 之间以及i 6〉, 和I 3〉 之间共振的光脉冲，进行利用光共振器的绝热转移。 此时，只有|2〉」5〉,。变化，其他状态不变。其结果为如下状态。
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之间、15〉k和l4〉k之间、|1〉 和|4〉,,,之间、 |2〉m和l4〉m之间共振的光脉冲，通过绝热转移使状态| 5〉k返回到状态 U〉k，并且使状态|2〉 返回到状态|1〉 。其结果，状态如下。
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
这样，物理系统么和物理系统l均是仅状态为i 1>的称作| 1>| 1>状态 的相位反转，因此可进行对物理系统4k和物理系统《进行控制非门操作。 另外，为了能够执行利用光共振器的绝热转移，同所述第一方法同样， 必须满足如下条件离子和光共振器之间的耦合常数比光共振器的衰减 率以及离子的激发状态的豫驰率大。
参照图3对基于第一方法的进行控制非门操作的本发明的实施例1 的量子计算机进行说明。在本实施例中，作为所述物理系统使用掺杂在Y2Si0s结晶体中的 离子。如图4所示，使所述的状态l0〉、 U>、 12〉为Pr"离子的基态的U 的3个超细微等级，使所述状态l3〉为激发态l中的1个。使所述的状态 14〉为激发状态3po中的一个。通过将由P +: Y2Si0s构成的结晶体101的 表面进行镜面加工，构成光共振器。另外，结晶体101的一个侧面被加 工成全反射反射镜202，与所述侧面相对的另外一侧被加工为部分透射反 射镜501。在Pr3+离子中，使用与i2〉和i3〉的跃迁刚好和共振器模式共振 的离子，使这些离子的状态IO〉以及状态il〉作为量子比特使用。由Pr、 Y2SiOs构成的晶体101的整体被置于低温恒温箱1001中，液体氦温度被 保持在4k。
光源使用2台频率稳定的色素激光器901、 902。色素激光器901用 于准备同10〉和I 3>之间、！ 1〉和I 3>之间以及I 2〉和！ 3>之间的跃迁共振的 光，色素激光器902用于准备同l0〉和l4〉之间、|1>和|4>之间以及|2〉和 14〉之间跃迁的共振光。从色素激光器901产生的激光由分束器703分离， 被分离的一个方向的波束通过声光效果元件803，成为被适当设定的频率 的光。由分束器703分离的另一束入射到分束器701后被分离，该被分 离一个波束通过声光效果元件801，由此成为被适当设定频率的光，并入 射到结晶101。由分束器701分离的另一束入射到分束器702后被分离， 这部分被分离的一束通过声光效果元件802，由此成为被适当设定频率的 光，并入射到结晶IOI。另外，由分束器701分离的另一束被用在其他物 理系统。另外，色素激光器902产生的激光由分束器704分离，该被分 离的一束通过声光效果元件804，由此成为被适当设定频率的光，并入射 到结晶IOI。另外，由分束器704分离的另一束被用在其他物理系统。
通过声光效果元件803的光入射到透射率可变反射镜602，并被反射， 入射到透射率可变反射镜601后，入射到结晶101的侧面501。透射率可 变反射镜601、 602例如可通过如图5所示的环型共振器来实现。该环型 共振器具有配置在长方形顶点的全反射反射镜201、 202以及部分透射反 射镜511、 512，以及设置在全反射反射镜201与部分反射反射镜511之 间的相位调整器1101。通过调整相位调整器1101的相位，能够改变透射率。另外，从单一光子发生器401产生的光子通过透射率可变反射镜602
入射到透射率可变反射镜601 。
首先，对初始化过程进行说明。首先。假定透射率可变反射镜601 透射100%，透射率可变反射镜602反射100%,将同共振器共振的光从色 素激光器901暂时照射到共振器。
接下来，在照射同共振器共振的光的情况下，从侧面向在结晶体101 的中央的共振器模式的位置暂时照射共振器的共振频率的光和比共振器 共振频率高10. 2MHz的频率的光，使在该位置的Pr"离子的状态转移到 10〉。这样，利用在结晶中央的共振器模式的位置的离子，能够将从|2〉 向i 3〉的跃迁同共振器共振的离子初始化到10>。将这些离子的状态10〉和 状态U〉作为量子比特使用。由于激发态3Po的不均匀的宽度，因此|0〉 和14〉之间、i 1〉和14〉之间以及12〉和14〉之间的跃迁频率在不同的离子之 间有较大的不同，另夕卜，由于|0〉和|4〉之间、|1〉和|4〉之间以及|2〉和|4〉 之间的跃迁频率，与|0〉和|3〉之间、|1〉和|3>之间以及12>和|3〉之间跃 迁的频率相差较大，因此，同某些离子的|0〉和|4>之间、|1〉和|4>之间 或者I2〉和I4〉之间的跃迁共振的光，与其他离子的所有光跃迁充分非共 振。这个因为激发态的不均匀宽度的幅度是10GHz，基态间的频率差的 幅度是10MHz，使用的离子数N如果比IOOO小，则|3〉和|4>之间的跃迁 频率分布的宽度比基态间的跃迁频率可能大N倍以上。这样，通过利用 |0>和|4〉之间、|1>和|4>之间以及|2〉和|4〉之间的跃迁共振的光，能够 区别各个离子来进行操作。
接下来，对控制非门操作进行说明。将进行控制非门操作的两个离 子称为第一离子、第二离子。包含这些、所有的离子通过上述的方法被 初始化为状态IO〉。关于确认控制非门操作的实现，也可以通过以下的方 法。通过使用了同|0〉和|4>之间、|1>和|4>之间以及|2>和|4〉之间的跃 迁共振的光的阿达玛门，将第二个离子的状态从|0>变换到(|0>+|1>) /21/2。在这里，所说的阿达玛门是一量子比特门的一种，是将IO〉变换到 (|0〉+|1〉) /2'/2，将ll〉变换到(|0>-11〉) /2'/2的门。此后，对第一离子和第二离子进行控制非门操作，当再一次对第二
离子进行阿达玛门操作时，第二离子应该返回到lo〉。另一方面，最初只
是将第一离子预置为状态I 1〉，其他离子状态则全部预置为1 0〉，当进行同 样的操作时，这次第二离子的状态应该变化为ll〉。如上所述，因为第二 离子的最终状态对应第一离子的状态初始为I 0>或I 1〉进行变化，因此能 够确认控制非门操作是否成功。
在进行控制非门操作时，首先将同第一离子和第二离子的|0>和|4> 之间以及|2>和|4>之间的跃迁共振的光，从结晶体101的侧面照射，通 过绝热转移，将第一离子以及第二离子的状态|0〉变化为状态|2〉。此后， 把透射率可变反射镜601、 602都设为100%透射，将与共振器共振的单一 光子脉冲从单一光子发生器401通过透射率可变反射镜602、 601照射到 共振器。并且，将同第一离子以及第二离子的10>和14>之间以及12>和14> 之间的跃迁共振的光，从侧面照射，并通过绝热转移，将状态l2〉返回到 状态|0〉。这样，能够对第一离子和第二离子实现控制非门操作(详细的 原理参照所述的原理说明)。在这里，在本实施例中，离子共振器的耦合 常数约为100kHz，共振器的衰减率约为10kHz，离子的激发态的豫持率 约为10kHz，所以满足控制非门操作成功的(产生真空拉比分裂)条件。
读取第二离子的最终状态10〉或11〉时，首先将同第二离子11〉和14〉 之间以及I 2〉和14〉之间的跃迁共振的光从侧面照射，通过绝热转移把第 二离子的状态|1>变化为状态|2>。接下来，将透射率可变的反射镜601 设为透射50%,将透射率可变的反射镜602设为透射100%，将单一光子 脉冲从单一光子发生器401照射到共振器。在这里，全反射反射镜201 的位置，事先设定成为单一光子脉冲同共振器共振后被反射时，100%被 反射导入到光子检测器301。并且，在光子检测器301检测出在共振器被 反射的光子。如果第二离子的状态是IO〉，则光子在共振器共振之后100% 导入到光子检测器301，光子被检测出。与此相对，第二离子的状态如果 是I2〉，则通过真空拉比分裂，光子同共振器不共振，同共振时比较相位 偏移180度，因此光子100%返回到单一光子发生器401，光子不能被光子检测器401检测。因此，可知如下情况如果光子被检测到，则第二离子的最终状态是lo〉，如果光子不能被检测到，则第二离子的最终状态是|1>。将所有离子事先置为状态l0〉，对第二离子进行阿达玛门(Hadamard gate)操作后，对第一离子和第二离子进行控制非门操作，对第二离子 再次执行阿达玛门操作后，第二离子的最终状态是l0〉。另外，事先将第 一离子置为状态ll〉，其他所有离子置为状态lo〉，对第二离子进行阿达 玛门操作后，对第一离子和第二离子执行控制非门操作，再对第二离子 进行阿达玛门操作后，第二离子的最终状态是ll〉。这样，控制非门的动 作被确认。[实施例2]接下来，参照图6，对基于第二种方法进行控制非门操作的本发明的 实施例2的量子计算机进行说明。另外，在本实施例中，除了磁场发生 器1201设置在低温恒温器1001中之外，同在图3表示的实施例1的试 验系统是相同的。和实施例1 一样，作为所述物理系统使用掺杂在Y2Si05结晶体中的 Pr"离子。所有结晶体被放置在低温恒温器1001中，液体氦温度被保持 在4K。通过磁场发生器1201,外部磁场被施加到结晶。如图7所示，把 所述的状态l0〉、 |1>、 |2〉、 |5〉、 16〉作为Pr3+离子的基态3H4的塞曼分裂 的6个超细微等级中的4个，把所述的状态1 3〉作为激发态、中的一个， 把所述的状态l4〉作为激发态3p。中的一个。和实施例1相同，通过对结晶 表面进行镜面加工，构成光共振器。将在Pr3+离子中l2〉和l3〉的跃迁刚好 和共振器模式共振的离子的状态10>以及状态11〉，作为量子比特来使用。光源使用频率稳定的两台色素激光器901、 902，同图3所示的实施 例1同样，使用将由分束器分离的各波束通过声光效果元件设定为适当 频率的光。色素激光器901用于准备同|0〉和|3>之间、|1〉和|3〉之间、 |2〉和|3〉之间、|5〉和|3〉之间以及|6〉和|3〉之间的跃迁共振的光，色素激光器902用于准备同IO〉和l4〉之间、|1〉和|4〉之间、|2〉和|4〉之间、 I 5>和14〉之间以及16〉和14>之间的跃迁共振的光。初始化过程同实施例1相同。在结晶体中央的共振器模式的位置的 离子中，将I 2〉和I 3>之间的跃迁与共振器共振的离子初始化为10〉，把这 些离子的状态10〉和状态11〉作为量子比特来使用。以下，关于控制非门操作进行说明。将进行控制非门操作的两个离子称为第一离子、第二离子。包含这些的所有的离子被初始化为状态lo〉。在进行控制非门操作时，首先，将同第一离子的|1〉和|4〉之间以及|5>和 14〉之间以及第二离子的11〉和14>之间以及12〉和14〉之间的跃迁共振的 光，从结晶体IOI的侧面照射，并通过绝热转移，将第一离子的状态ll〉 变化为状态i 5〉,第二离子的状态i 1〉变化为状态12〉。接下来，将同第一离子15〉和13〉之间以及第二离子16〉和I 3〉之间的 跃迁共振的光脉冲从侧面照射，进行利用共振器的绝热转移。此后，使 用与前面的光脉冲的相对相位差为180度的、在第一离子|5>和|3〉之间 以及第二离子16〉和13〉之间共振的光脉冲，进行利用共振器的绝热转移。最后，使用在第一离子的11>和14>之间以及i 5>和14〉之间以及第二 离子的11〉和14〉之间以及12〉和14〉之间共振的光脉冲，通过绝热转移， 将第一离子的状态|5>返回为状态|1〉，第二离子的状态|2〉返回为状态|1〉。这样，能够对第一离子和第二离子实现控制非门操作(详细的原理 参考所述的原理的说明)。在此，和实施例l相同，离子和共振器的耦合 常数约为100kHz，共振器的衰减率约为10kHz，离子的激发态的豫持率 约为10kHz,满足控制非门操作成功条件(使用共振器的绝热转移成功)。读第二离子的最终状态的方法同实施例1相同。事先将所有离子置为状态iO〉，对第二离子进行阿达玛门(Hadamard gate)操作后，对第一离子和第二离子进行控制非门操作，对第二离子 再次进行阿达玛门操作后，第二离子的最终状态是lo〉。另外，事先将第 一离子置为状态11〉,其他所有离子置为状态10〉，第二离子进行阿达玛门 操作后，对第一离子和第二离子进行控制非门操作，对第二离子再次进行阿达玛门操作后，第二离子的最终状态是ll〉。这样，控制非门操作的 动作被确认。如以上说明，根据本发明，通过设定光的频率，有选择地操作各个 物理系统，由于通过光共振器的光子耦合空间上分离的物理系统彼此， 利用在不同的物理系统间光跃迁的跃迁频率充分不同的情况，进行物理 系统的选择，能够增加量子比特数。
权利要求
1、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12〉和I 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、12>和|4〉之间、 12〉和I 5〉之间或者16〉和14>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I 3>以及14〉是所述稀土离子的不同的电子激发态。
4、 一种量子计算方法，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10>和14〉之间以及12〉和14〉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10>和14〉之间以及12>和14〉之间的跃迁共振的光，将状态12〉 返回到状态10>，对于由所述两个物理系统的状态10〉和状态11>构成的量 子比特进行控制非门操作。
5、 一种量子计算方法，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11〉和14〉之间以及I 5〉和14>之间的跃迁共 振的光，把状态U〉变化到l5〉，在第m个物理系统，利用同|1〉-|4〉之间 以及12>-14〉之间的跃迁共振的光，把状态11〉变化到状态I 2〉，用同第k个物理系统的I 5〉和I 3〉之间的跃迁以及第m个物理系统的 16>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U〉和l4〉之间以及l5〉和l4〉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ll〉和 14>之间以及I 2〉和14〉之间的跃迁共振的光，把状态I 2〉返回到状态11〉， 对由第k个物理系统以及第m个物理系统的状态10〉和状态11>构成的量 子比特，进行控制非门操作。
全文摘要
本发明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。
文档编号G02F3/00GK101246378SQ20081000978
公开日2008年8月20日 申请日期2008年2月14日 优先权日2007年2月14日
发明者后藤隼人, 市村厚一 申请人:株式会社东芝