量子计算单元、单光子源、量子计算装置及量子计算方法

1.本发明涉及量子计算技术，作为一例，涉及分布式量子计算技术。

背景技术：

2.量子计算是基于量子力学的新的信息处理技术，能够进行以往无法实现的高速计算。为了进行大规模的量子计算，需要设置多个量子比特，但是能够在1个单元中设置的量子比特数有限。作为突破该界限并实现大规模量子计算的方法，有将多个小规模量子计算单元连接起来进行网络化的“分布式量子计算”方法。作为分布式量子计算的具体实施方法，monroe等人的方法将离子阱作为量子计算单元并将其用光子连接(例如，参照非专利文献1等)。
3.(现有文献)
4.(非专利文献)
5.非专利文献1：c.monroe et al.,"large-scale modular quantum-computer architecture with atomic memory and photonic interconnects",phys.rev.a 89,022317(2014).

技术实现要素：

6.(发明要解决的问题)
7.但是，在现有的实施方法中，难以确定性地使捕获有多个原子的量子计算单元动作。
8.首先，在非专利文献1的方法中，无法连接多个量子计算单元来确定性地进行动作。与此相对，如果使用光领域的腔量子电动力学(cavity quantum electrodynamics:cqed)系统，则能够确定性地进行动作。但是，在采用传统的自由空间谐振腔作为实现此目的的量子计算单元的情况下，必须收缩光子束来缩小其在自由空间谐振腔内的模截面积，并将原子设置到收缩后的光子束内。但是，若在自由空间中收缩光子束，那么适于配置原子的模截面积的相应区域就变得极狭窄，而难以在保持与谐振腔之间的必要耦合的状态下配置多个原子。另外，自由空间谐振腔与光纤的匹配性差，需要极其复杂且精密的调整及控制，因此，既将损耗抑制得较低，又连结多个量子计算单元还要同时运用它们是极其困难的。不仅在将原子用作量子系时存在这样的问题，在使用表现出与原子同样的光学响应的量子系时，也存在这样的问题，其中，量子系用作与光子状态进行相互作用的量子比特。
9.本发明是鉴于这点而完成的，其目的在于确定性地使配置有多个量子系的量子计算单元动作。
10.(用以解决问题的技术手段)
11.为了解决上述课题，提供一种用于量子计算的量子计算单元，其具有：纳米光纤，其介由锥形部与光纤光学连接着，所述光纤用于传送入射进来的光子；以及多个量子系，其设置在纳米光纤的外侧，且沿纳米光纤的长度方向间隔设置着。其中，至少任一量子系用作
与光子的状态进行相互作用的量子比特。
12.(发明的效果)
13.由此，能够确定性地使配置有多个量子系的量子计算单元动作。
附图说明
14.图1例示了第1实施方式的量子计算装置的结构。
15.图2例示了实施方式的量子计算单元的结构。
16.图3是λ型3能级原子的示意图。
17.图4示出了实施方式的单光子源的结构。
18.图5a是光子入射到量子计算单元且光子从量子计算单元出射的情况的模型化图。
19.图5b是光子入射到半波长板且光子从半波长板出射的情况的模型化图。
20.图6的光学回路例示出使用了2个量子计算单元的量子门的实现方法。
21.图7例示了第2实施方式的量子计算装置的结构。
22.图8的光学回路例示出使用了2个量子计算单元的量子门的实现方法。
23.图9的光学回路例示出使用了3个量子计算单元的量子门的实现方法。
24.图10例示了第3实施方式的量子计算装置的结构。
25.图11的光学回路例示出使用了3个量子计算单元的量子门的实现方法。
26.图12例示了第4实施方式的量子计算装置的结构。
27.《附图标记说明》
28.1～4量子计算装置
29.13-m量子计算单元
30.11、41-j单光子源
具体实施方式
31.以下，参照附图来说明本发明的实施方式。
32.(第1实施方式)
33.首先，说明本发明的第1实施方式。
34.如图1所示，本实施方式的量子计算装置1具有：用于量子计算的单光子源11；m个量子计算单元13-1～13-m；m个光开关14-1～14-m；半波长板15-1～15-(m+1)；偏振状态测量器16；以及光纤12。其中，m为2以上的整数。量子计算装置1作为一例可以用于分布式量子计算，但是这并不限定本实施方式。量子计算装置1也可以用于非分布式的量子计算。
35.《光纤12》
36.光纤12将单光子源11、量子计算单元13-1～13-m、光开关14-1～14-m、及偏振状态测量器16光学连接，并传送入射进来的光子。在本实施方式中，单光子源11的一端介由光纤12与光开关14-1的一端光学连接着，光开关14-i(其中，i＝1,
…
,(m-1))介由光纤12与光开关14-(i+1)及量子计算单元13-i的一端分别光学连接着，光开关14-m介由光纤12与偏振状态测量器16及量子计算单元13-m的一端分别光学连接着。光纤12可以是单模光纤，也可以是多模光纤。但是，在光纤12是多模光纤的情况下，需要将光子限制在一个模式。因此，光纤12优选为单模光纤。
37.《量子计算单元13-m》
38.如图2所示，本实施方式的量子计算单元13-m具有：纳米光纤131-m；光纤12的端部121a-m；光纤的端部121b-m；锥形部122a-m、122b-m；k(m)个原子132-m(即，作为与光子状态进行相互作用的量子比特来发挥功能的量子系)；以及将它们容纳在真空状态内部的真空层133-m。其中，m＝1,
…
,m，m是2以上的整数。k(m)是2以上的整数，将k(m)个原子132-m表达为a
1-m,
…
,a
k(m)-m。原子132-m的一个例子是激光冷却原子，但是这并不限定本发明。
39.纳米光纤131-m是极细光纤，具有光的波长以下的直径，光纤整体用作芯，包围光纤的真空用作包层。纳米光纤131-m的一端介由锥形部122a-m与光纤12的端部121a-m光学连接着。同样地，纳米光纤131-m的另一端介由锥形部122b-m与光纤的端部121b-m光学连接着。即，在结构上，以从光纤12的端部121a-m到纳米光纤131-m，进而到光纤12的端部121b-m为止的区间来看，在包括锥形部122a-m及锥形部122b-m在内的光纤区段中，芯径与包层径之比恒定或大致恒定。端部121a-m、121b-m的芯分别介由锥形部122a-m、122b-m的芯与纳米光纤131-m的芯连接着。端部121a-m、121b-m的包层分别介由锥形部122a-m、122b-m的包层与纳米光纤131-m的包层连接着。例如，纳米光纤131-m的芯与锥形部122a-m、122b-m及端部121a-m、121b-m的芯成为一体。纳米光纤131-m的包层与锥形部122a-m、122b-m及端部121a-m、121b-m的包层成为一体。其中，端部121a-m的芯及包层的直径分别大于纳米光纤131-m的芯及包层的直径，锥形部122a-m的芯及包层的直径从纳米光纤131-m侧向端部121a-m侧逐渐变大。同样地，端部121b-m的芯及包层的直径分别大于纳米光纤131-m的芯及包层的直径，锥形部122b-m的芯及包层的直径从纳米光纤131-m侧向端部121b-m侧也逐渐变大。通过这样的结构，在光纤12中，芯与包层之间的折射率差将光束缚，而在纳米光纤131-m中，芯与真空之间的折射率差将光束缚，在将光纤12与纳米光纤131-m连接起来的锥形部122a-m及锥形部122b-m中，芯-包层-真空这三层均有助于束缚光。
40.另外，参考文献1、2也记载了纳米光纤。这些参考文献通过引用并入本说明书。
41.参考文献1：s.kato et al.,"observation of dressed states of distant atoms with delocalized photons in coupled-cavities quantum electrodynamics",nature communications volume 10,article number:1160(2019).
42.参考文献2：s.kato and t.aoki,"strong coupling between a trapped single atom and an all-fiber cavity",physical review letters 115,9(2015).
43.在端部121a-m及端部121b-m的芯中分别设有光纤布拉格光栅(fiber bragg gratings：fbg)123a-m及123b-m，光纤布拉格光栅123a-m及123b-m的反射带域包含了光纤12中传送的光子的波长。光纤布拉格光栅123a-m及123b-m用作反射光子的反射镜。
44.在端部121a-m及端部121b-m的芯中分别设置光纤布拉格光栅123a-m及123b-m，并通过调整各个光纤布拉格光栅的透射率及反射率，便能够使从端部121a-m侧入射到纳米光纤131-m的光子从端部121a-m侧出射。
45.k(m)个原子132-m(多个原子a
1-m,
…
,a
k(m)-m)通过公知的捕获方法设置到纳米光纤131-m的外侧，且沿纳米光纤131-m的长度方向间隔设置。例如，k(m)个原子132-m(多个原子a
1-m,
…
,a
k(m)-m)在纳米光纤131-m的长度方向上排列成一列。原子a
1-m,
…
,a
k(m)-m例如优选分别配置在与纳米光纤131-m内形成的驻波的波腹部分或波腹附近相对应的位置。但是，视驻波的设定情况，即使将原子配置到与驻波的波节部分或波节附近相对应的位置上，
原子a
1-m,
…
,a
k(m)-m也能与由量子计算单元13-m构成的纳米光纤谐振器qed(quantum electrodynamics)系统(以下简称为“谐振器”)的耦合充分，则也可以在与驻波的波节部分或波节部分附近相对应的位置上设置原子a
1-m,
…
,a
k(m)-m。原子132-m可以是中性原子，也可以是离子。原子132-m例如为铯原子。例如，原子132-m为中性原子时，可利用公知的偶极阱等捕获原子132-m，原子为离子时，可利用公知的离子阱方法捕获原子132-m。
46.图3是与在纳米光纤131-m中传送的光子相互作用的各原子a
k-m(其中，k＝1,
…
,k(m))在cqed系统中的λ型3能级原子的示意图。实际的原子a
k-m虽具有复杂的能级结构，但与cqed系统的动态性实际相关的能级(例如，与谐振器的共振频率或从外部照射到原子a
k-m的调控光(激光)的频率接近而满足跃迁选择规则的能级等)限于少数。在此，将原子的能级结构被限定为特定的3能级的模型化原子称为3能级原子，将如图3所示的3能级原子称为λ型3能级原子。如图3所示，λ型3能级原子具有作为基态的2个下能级|u》及|g》、以及处于激发态的1个上能级|e》。若是从|g》向|e》的跃迁|g》
→
|e》，那么原子a
k-m与谐振器以耦合率g耦合，另一方面，若是从|u》向|e》的跃迁|u》
→
|e》，那么(因跃迁的偏振与谐振模的偏振正交或者相对于谐振器充分地非共振而能够实质忽略耦合的理由等)原子a
k-m不与谐振器耦合。其中，设跃迁|u》
→
|e》能够通过自未图示的激光照射装置从谐振器外照射调控光来驱动，将该调控光的振幅用拉比频率表示而设为ω。另外，和在自由空间中与光子相互作用的λ型3能级原子一样，关于与在纳米光纤131-m中传送的光子相互作用的λ型3能级原子，也能够通过自未图示的激光照射装置从谐振器外向原子a
k-m照射与跃迁|g》|e》和跃迁|u》
→
|e》分别共振的调控光θg、θu，由此引起相干拉曼跃迁所涉及的2个基底态能级(基态能级)|g》|u》之间的拉比振荡，或者将它们控制为任意的叠加(ρg|g》+ρu|u》)。其中ρg和ρu是满足|ρg|2+|ρu|2＝1的复系数(|ρg|2和|ρu|2表示概率)。
47.在此，说明无调控光(ω＝0)时的情况。当原子a
k-m处于基态能级|g》时，系统的光学响应与具有下能级|g》和上能级|e》的2能级原子的情况相同，若协同系数c充分大于1，则入射进来的光子几乎无损耗地反射，其相位不位移(振幅反射率为1)。在此，谐振器的协同系数c用c＝g2/2κγ表示。κ是谐振器的外部损耗及内部损耗所带来的振幅弛豫率，γ＝γ/2，γ是谐振器的自然辐射所带来的能量弛豫率。另一方面，当原子a
k-m位于另一个基态能级|u》时，由于原子a
k-m不与谐振器耦合，因此系统的光学响应与无原子(空谐振器)的情况相同，入射进来的光子几乎无损耗地反射，其相位位移π(振幅反射率为-1)。即，通过控制原子a
k-m的状态(量子状态)，能够切换系统的光学响应。进而，若原子为2个基态|g》及|u》的叠加状态(ρg|g》+ρu|u》)，则系统表现上述2个响应的“叠加响应”。即，入射进来的光子与cqed系统相互作用后的状态为：“原子处于基态能级|g》而将入射进来的光子以振幅反射率1反射了的状态”和“原子处于基态能级|u》而将入射进来的光子以振幅反射率-1反射了的状态”的叠加。即，仅通过使cqed系统反射光子，就能够生成原子a
k-m与光子的纠缠。从而通过该响应能够实现量子门
48.这里，无调控光(ω＝0)时的上述事项是在以下基础上导出的。
49.系统的哈密顿量为：
50.[数1]
[0051]
[0052]
弱激发极限时的稳态下振幅反射系数为：
[0053]
[数2]
[0054][0055]
在此，式1中的ωa是原子的跃迁频率(共振频率)，标有“拔(hat)”的σ
eg
及标有“拔”的σ
ge
是与原子能级|e》|g》有关的升降算符。此外，式1中的ωc是谐振频率，标有“拔”及标有“尖(dagger)”的ac、及标有“拔”的ac是谐振器光子的生成湮灭算符。另外，g如上所述是原子与谐振器的耦合率。
[0056]
另外，式2中的κ
ex
是外部损耗所带来的振幅弛豫率，κ如上所述是谐振器的外部损耗及内部损耗所带来的振幅弛豫率，δ
p
是入射进来的光子的频率ω
p
与原子共振频率ωa之间的差。
[0057]
当g不为0时，根据式2，涉及原子共振的振幅反射系数为：
[0058]
[数3]
[0059][0060]
这里，η
esc
表示外部损耗相对于总损耗的比，也称为逃逸效率。c是上述的协同系数。由式3可知，如果c足够大，则如上所述，振幅反射率为1，入射进来的光子几乎没有损耗地反射且其相位不位移。
[0061]
另一方面，g为0时(无原子(空谐振器)时)，根据式2，振幅反射系数为：
[0062]
[数4]
[0063][0064]
根据式4，在原子共振(δ
p
＝0)的情况下，振幅反射系数为：
[0065]
[数5]
[0066]
r(δ
p
＝0)＝1-2η
esc
[0067]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
···
(式5)
[0068]
由式5可知，逃逸效率接近1时，如上所述，振幅反射率为-1，入射进来的光子几乎无损耗地反射且其相位位移π。
[0069]
另外，上述“无调控光(ω＝0)时的情况”的说明不仅在
·
|u》
→
|e》是光学容许性跃迁(可由调控光驱动)且不照射调控光(ω＝0)的情况下成立，
[0070]
而在
·
|u》
→
|e》根本不是光学容许性跃迁(不能由调控光驱动)的情况下也成立。
[0071]
进一步而言，从作为单光子源使用的观点出发，|u》
→
|e》优选为光学容许性跃迁，但从作为量子计算单元使用的观点出发，|u》
→
|e》既可以是光学容许性跃迁，也可以不是。
[0072]
接着，说明有调控光(ω≠0)时的情况。在此情况下，原子a
k-m仅在能级{|u,n》，
|e,n》，|g,n+1》}间引起耦合，本征态表现为它们的叠加。其中|i，n》表示cqed系整体的状态|i》a(x)|n》c。其中，(x)表示张量乘积，|i》a表示原子a
k-m的某一基态|u》或|g》、或者激发态|e》，n表示谐振器内的光子的数量，|n》c表示谐振器的状态。通过使ω充分缓慢地进行0
→
∞的变化，能够在将系状态保持为暗状态的情况下(不激发出上能级|e》)，绝热地从|u,n》变化为|g,n+1》。另外，通过使ω充分缓慢地进行∞
→
0的变化，也能使实现与上述相反的时序性发展。
[0073]
另外，有调控光(ω≠0)时的上述事项是在以下基础上导出的。
[0074]
系统的哈密顿量为：
[0075]
[数6]
[0076][0077]
其中，在式6中，标有“拔”的σ
eu
及标有“拔”的σ
ue
是与原子能级|u》|e》相关的升降算符。另外，在式6中，ω
l
是调控光的频率。
[0078]
为简单起见，设ωc＝ω
l
＝ω，则激发态的本征能量为：
[0079]
[数7]
[0080][0081]
与式7的第1式对应的本征态(暗状态)为：
[0082]
[数8]
[0083][0084]
从式9可知，ω＝0时，|d》＝|u,n-1》，ω
→
∞时，|d》
→
|g,n》。因此，通过使ω充分缓慢地0
→
∞变化，如上所述，能够在将系统的状态保持为暗状态的情况下(不激发为上能级|e》)，绝热地从|u,n》变化为|g,n+1》。
[0085]
在cqed系能将原子或光子的状态设为量子比特。在将原子a
k-m的状态设为量子比特的情况下，则原子a
k-m的任意叠加状态(ρg|g》+ρu|u》)为量子比特。这种情况时，例如如上所述那样，通过将与跃迁|g》
→
|e》和跃迁|u》
→
|e》分别共振的调控光θg、θu从谐振器外照射到原子a
k-m，就能够容易地实现1量子比特门。稍后将描述多量子比特门。在将光子设为量子比特的情况下，可举出将光子的2个正交的偏振模式设为基底的“偏振光量子比特”(例如，以横(水平)偏振|h》和纵(垂直)偏振|v》为基底的叠加状态ρh|h》+ρv|v》)等。其中，ρh和ρv是满足|ρh|2+|ρv|2＝1的复系数(|ρh|2和|ρv|2表示概率)。1量子比特门可以使用线性光学
元件简单地实现。例如，如果是偏振光量子比特，则可以使用波长板进行任意的酉变换。
[0086]
纳米光纤131-m中传送的光子在纳米光纤131-m外侧的电场(倏逝场)可拟合如下，以衰减距离l呈指数式衰减。
[0087]
e＝e0e-(r-a)/l
[0088]
其中，e0是纳米光纤131-m表面处的光子电场，e是自然对数的底数，r是自纳米光纤131-m中心轴起的距离，a是纳米光纤131-m的半径。衰减距离l虽取决于纳米光纤131-m的折射率、半径a、在纳米光纤131-m中传送的光子的波长λ，但是大致为λ的几分之一程度。因此，为了提高原子a
k-m与谐振器的耦合率g，需要使从纳米光纤131-m的表面到原子a
k-m捕获位置的距离为倏逝衰减距离l以下，且越近越好。另一方面，为了稳定地捕获原子a
k-m，需要避免来自纳米光纤131-m表面的范德瓦尔斯力的影响，因此需要使原子a
k-m的捕获位置离开米光纤131-m表面数十纳米以上。即，与在纳米光纤131-m内传送的光子相对应的多个原子a
1-m,
…
,ak(m)-m的位置处的倏逝场的强度优选为阈值th2(第2阈值)以上，多个原子a
1-m,
…
,a
k(m)-m各自与纳米光纤131-m之间的范德瓦尔斯力优选为阈值th3(第3阈值)以下。根据这些权衡关系，优选将原子a
k-m捕获到距纳米光纤131-m数十纳米～200纳米左右的位置(例如距100～200纳米的位置)。
[0089]
为了在将3能级原子设为量子比特时实现性能良好的量子门，需要使上述协同系数c大于阈值th1(第1阈值)(例如c》1)。在此，协同系数c仅依赖于谐振器的模截面积和总损耗，模截面积越小，或谐振器的总损耗越小，则协同系数c越大。在本实施方式中，使用纳米光纤131-m来构成谐振器。因此，在理论上，能够在保持较小模截面积的状态下，任意延伸原子a
1-m,
…
,a
k(m)-m的捕获域的长度。此外，纳米光纤131-m介由锥形部122a-m与用于传送入射进来的光子的光纤12的端部121a-m光学连接着，所以能够减小谐振器的总损耗。因此，在理论上，如果加长纳米光纤131-m的长度，则能够在将相对于振幅弛豫率κ及弛豫率γ的、谐振器与各个原子a
1-m,
…
,a
k(m)-m之间的耦合率g保持得足够大的状态下，捕获许多原子a
1-m,
…
,a
k(m)-m。此外，这样的多个量子计算单元13-m能够通过光纤12来低损耗地光学连接，因此能够构成用于分布式量子计算的确定性量子电路。
[0090]
另外，关于协同系数c的上述事项是在以下基础上导出的。
[0091]
协同系数c的定义式c＝g2/2κγ中，
[0092]
[数9]
[0093][0094]
其中，在式9中，μ
ge
是原子的偶极力距，a是谐振器的模截面积，l是谐振器长度，t是输入输出耦合镜的透射率，α是谐振器每1次往返的内部损耗率，t+α是谐振器的总损耗。将式9代入，则协同系数c为：
[0095]
[数10]
[0096][0097]
根据式10可知，如上所述，协同系数c仅依赖于谐振器的模截面积和总损耗，模截面积越小或谐振器的总损耗越小，则协同系数c越大。
[0098]
《单光子源11》
[0099]
如图4所示，本实施方式的单光子源11具有：纳米光纤111、光纤12的端部121a-0、光纤的端部121b-0、锥形部122a-0、122b-0、原子112(具有多个能级的量子系)、以及将它们收纳在内的真空状态的内部真空层113。纳米光纤111的一端介由锥形部122a-0与光纤12的端部121a-0光学连接着。同样地，纳米光纤111的另一端介由锥形部122b-0与光纤的端部121b-0光学连接着。即，在结构上，以从光纤12的端部121a-0到纳米光纤111，进而到光纤12的端部121b-0位置的区间看，在包括锥形部122a-0及锥形部122b-0在内的光纤区段中，芯径与包层径之比恒定或大致恒定。端部121a-0、121b-0的芯分别介由锥形部122a-0、122b-0的芯与纳米光纤111的芯连接着。端部121a-0及端部121b-0的包层分别介由锥形部122a-0、122b-0的包层与纳米光纤111的包层连接着。例如，纳米光纤111的芯与锥形部122a-0、122b-0及端部121a-0、121b-0的芯成为一体。纳米光纤111的包层与锥形部122a-0、122b-0及端部121a-0、121b-0的包层成为一体。其中，端部121a-0的芯及包层的直径分别大于纳米光纤131-0的芯及包层的直径，锥形部122a-0的芯及包层的直径从纳米光纤111侧向端部121a-0侧逐渐变大。同样地，端部121b-0的芯及包层的直径分别大于纳米光纤131-0的芯及包层的直径，锥形部122b-0的芯及包层的直径从纳米光纤111侧向端部121b-0侧也逐渐变大。通过这样的结构，在光纤12中，芯与包层之间的折射率差将光束缚，而在纳米光纤111中，芯与真空之间的折射率差将光束缚，在将光纤12与纳米光纤111连接起来的锥形部122a-0及锥形部122b-0中，芯-包层-真空这三层均有助于束缚光。端部121a-0及端部121b-0的芯中分别设有光纤布拉格光栅123a-0及123b-0，光纤布拉格光栅123a-0及123b-0的反射带域包含了所生成的光子(单光子)的波长。光纤布拉格光栅123a-0及123b-0用作反射镜。原子112可通过公知的捕获方法设置在纳米光纤111的外侧。原子112可以是中性原子，也可以是离子。原子112例如是铯原子。关于原子112的捕获位置的条件，除了将原子132-m换成原子112，将纳米光纤131-m换成纳米光纤111以外，均与例如量子计算单元13-m中的原子132-m捕获位置之条件相同。
[0100]
作为利用单光子源11实现确定性单光子源的方法，最简单的有基于2能级原子的帕塞尔效应的方法，所述2能级原子具有作为基态的1个下能级|g》、和作为激发态的1个上能级|e》。即，与上述用于照射光致频移光的激光照射装置一样，仅通过自未图示的激光照射装置将调控光照射到原子112等方法来将原子112激发到上能级|g》，就能够从端部121a-0向光纤12自然发射光子111(单光子)。但是，在基于2能级原子的帕塞尔效应的方法中，不能控制光子111的波形。如果使用λ型3能级原子，则可以自由控制光子111的波形。即，将调控光的振幅ω＝0时的暗状态|u,0》设为初始状态，当使ω充分缓慢地从0向∞变化时，系状态便在保持暗状态的同时绝热地变为|g,1》，在单光子源11内生成光子111(单光子)，且光子111从端部121a-0向光纤12射出。其中，能够通过调控光的振幅ω的时序性变化来控制光子的波形。
[0101]
另外，根据本说明书中的其他记载事项可知，本说明书中的“确定性方案”是指在理想的条件(可忽略实验损耗的状况)下能够实现100％概率的方案。作为一个例子，单光子源11在理想的条件下能够以100％的概率形成1光子状态，所以将单光子源11称为“确定性单光子源”。
[0102]
《光开关14-m》
[0103]
光开关14-m(m＝1,
…
,m)是将入射进来的光子向所选择的光路出射的装置。入射的光子及出射的光子的传送由光纤12进行。
[0104]
《半波长板15-m'》
[0105]
半波长板15-m'(m'＝1,
…
,m+1)是将入射进来的光子的状态旋转π/2并出射的装置。入射的光子及出射的光子的传送由光纤12进行。
[0106]
《偏振状态测量器16》
[0107]
偏振状态测量器16具有偏振光束分束器16a及光检测器16b、16c。通过光纤12入射到偏振状态测量器16的光子入射到偏振光束分束器16a，从偏振光束分束器16a出射的光子的横向偏振|h》成分由检测器16b检测，纵向偏振|v》成分由检测器16c检测。
[0108]
《量子计算装置1的动作》
[0109]
本实施方式的量子门的基础是原子-光子间的量子门。即，如图5a所例示，光子111入射到量子计算单元13-m(谐振器qed系统)的操作相当于原子-光子间的量子门。在此，如果将光子111设定为规定的状态(例如，横向偏振|h》)而不用作量子比特(例如，在中途测量)，则对由量子计算单元13-m捕获了的多个原子的操作就是原子-原子间的量子门。例如，从由量子计算单元13-m捕获了的k(m)个原子132-m中选定用于量子计算的x个(x为2以上的整数)原子(以下称为“所选原子”)，通过照射光致频移光而仅使所选原子与谐振器耦合，并将光子111入射到量子计算单元13-m。光致频移光是与跃迁|e》
→
|g》的共振频率相差足够大的频率的光(例如激光)。通过将该光致频移光照射到原子上，可以使原子的各能级的能量拉开差距，将该能量差距现象称为“光致频移”。若对原子照射与跃迁|e》
→
|g》的共振频率相差足够大的频率的光致频移光，则|g》与|e》的能量会拉开差距，因此跃迁|e》
→
|g》的共振频率也与此相应地变化。以跃迁|e》
→
|g》在没有光致频移的情况下正与谐振器共振(耦合)的情况看，由于只有被照射了光致频移光的原子的跃迁|e》
→
|g》会变得与谐振器不共振，所以能够选择性地“切断”这些原子与谐振器的耦合。反之，也可以预先将不照射光致频移光的状态下的跃迁|e》
→
|g》的共振频率与谐振器的共振频率错开，而后通过调整光致频移光的强度等，来仅在照射了光致频移光时使跃迁|e》
→
|g》的共振频率与谐振器共振(耦合)。由此，从量子计算单元13-m反射了光子111后的所选原子的状态(用以表示运算结果的状态)即是：对光子111未入射到量子计算单元13-m前的所选原子的状态(运算数的表达状态)，施以了可控相位反转门(以下称为cpf门；x＝2时)操作或者施以了x比特的多可控相位反转门(将x-1个量子比特作为可控比特的相位反转门；以下称为“x比特toffoli门”；x≧3时)操作后的状态(例如参照参考文献3等)。
[0110]
参考文献3：l.-m.duan,b.wang,and h.j.kimble,"robust quantum gates on neutral atoms with cavity-assisted photon scattering",phys.rev.a 72,032333(2015).
[0111]
另外，使光子111入射到量子计算单元13-m前的所选原子的状态可以是初始化状
态(例如，将所有的所选原子的状态初始化为0的状态)，也可以是对初始化状态施以了1量子比特门操作或多量子比特门操作后的状态。另外，在原子-原子间的量子门中，光子111的状态起到连接多个量子计算单元13-m的作用。
[0112]
另外，如图5b所例示，使光子111穿过旋转角为θ/2的半波长板15-m的操作相当于使光子111的状态旋转θ(例如，参照参考文献3等)。在本实施方式中，使用θ＝π/2的半波长板15-m。
[0113]
在本实施方式中，通过由未图示的控制部对光开关14-m(m＝1,
…
,m)进行操作，将从m个量子计算单元13-1～13-m中选出的多个量子计算单元13-m光学连接，从单光子源11出射的光子(单光子)111入射到包含所选择的多个量子计算单元13-m在内的光学回路，由此进行分布式量子计算。例如，通过操作光开关14-m(m＝1,
…
,m)，将2个量子计算单元13-m1及13-m2(m1,m2∈{1,
…
,m})(第1量子计算单元及第2量子计算单元)光学连接，将光子111入射到包含这2个量子计算单元13-m1及13-m2在内的光学回路，由此进行分布式量子计算。
[0114]
在图6的例子中，通过操作光开关14-m(m＝1,
…
,m)而选定了量子计算单元13-1及13-m。以下，使用图6来例示本实施方式的操作。首先，未图示的激光照射装置照射光致频移光，将从由量子计算单元13-1捕获了的多个原子132-1之中选出的x1个所选原子sa1、以及从由量子计算单元13-m捕获了的多个原子132-m之中选出的xm个所选原子sam与各谐振器耦合。在该分布式量子计算中使用的量子比特数是x1+xm。这里x1≥1，xm≥1，但也可以是x1≥1且xm≥2，还可以是x1≥2且xm≥1，还可以是x1≥2且xm≥2。在使用分别捕获在量子计算单元13-1及13-m中的多个原子来进行分布式量子计算的情况下，x1≥2，xm≥2。可以是x1≥1且xm≥2，也可以是x1≥2且xm≥1(步骤s10)。在该状态下进行以下的一系列操作。
[0115]
(1)用单光子源11生成规定状态(例如横向偏振|h》)的光子111(单光子)并将之从端部121a-0出射(步骤s11)。
[0116]
(2)使在步骤s11中从单光子源11出射的光子111入射到半波长板15-1，以将光子111的状态旋转π/2并出射(步骤s12)。
[0117]
(3)使在步骤s12中从半波长板15-1出射的光子入射到量子计算单元13-1的端部121a-1(步骤s13)。
[0118]
(4)将对应于步骤s13的操作而从量子计算单元13-1的端部121a-1出射的光子入射到半波长板15-m，以将该光子的状态旋转π/2并出射(步骤s14)。
[0119]
(5)将步骤s14中从半波长板15-m出射的光子入射到量子计算单元13-m的端部121a-m(步骤s15)。
[0120]
(6)将对应于步骤s15的操作而从量子计算单元13-m的端部121a-m出射的光子入射到半波长板15-(m+1)，以将该光子的状态旋转π/2并出射(步骤s16)。
[0121]
(7)使步骤s16中从半波长板15-(m+1)出射的光子入射到偏振状态测量器16，以测量该光子的偏振状态。如此，光子的状态收缩为某偏振状态，与该光子的状态处于纠缠状态的所选原子sa1及sam的状态也发生与该光子的偏振状态测定结果相应的收缩。接着，对捕获在量子计算单元13-1中的所选原子sa1实施与该光子的偏振状态的测量结果相对应的旋转操作。即，如果测出的光子的偏振状态为步骤s11的规定状态(例如，横向偏振|h》)，则对所选原子sa1进行π旋转操作(z门操作)。该旋转操作可以通过对所选原子sa1照射调控光来实现。如果测出的光子的偏振状态不是步骤s11的规定状态(例如，纵向偏振|v》)，则对所选原
子sa1不进行任何操作(步骤s17)。
[0122]
施以了上述步骤s11～s17的操作后的所选原子sa1及所选原子sam的状态即是：对实施该操作前的所选原子sa1及所选原子sam的状态施以了cpf门(x1+xm＝2时)操作或x1+xm比特toffoli门(x1+xm≥3)操作后的状态。
[0123]
(第2实施方式)
[0124]
接着，说明本发明的第2实施方式。以下，以与第1实施方式的不同点为中心进行说明，对于已经说明的事项使用相同的参照标号并简化说明。
[0125]
如图7所示，本实施方式的量子计算装置2具有单光子源11、m个量子计算单元13-1～13-m、光开关24、半波长板15-1～15-m、及光纤12。
[0126]
《光纤12》
[0127]
光纤12将单光子源11、量子计算单元13-1～13-m、及光开关24光学连接着，并传送入射进来的光子。
[0128]
《光开关24》
[0129]
光开关24是将入射进来的光子向所选择的光路出射的装置。光子向光开关24的传送、及光子从光开关24向量子计算单元13-m的传送由光纤12进行。
[0130]
《量子计算装置2的动作》
[0131]
在本实施方式中，通过未图示的控制部来操作光开关24，从而将从m个量子计算单元13-1～13-m之中选出的多个量子计算单元13-m光学连接，将从单光子源11出射的光子111入射到包含所选的多个量子计算单元13-m在内的光学回路，由此进行分布式量子计算。以下示出动作例。
[0132]
《动作例1》
[0133]
在本实施方式的动作例1中，通过操作光开关24来将2个量子计算单元13-m1及13-m2(m1,m2∈{1,
…
,m})(第1量子计算单元及第2量子计算单元)光学连接，并将光子111入射到包含这2个量子计算单元13-m1及13-m2在内的光学回路，由此进行分布式量子计算。在图8的例子中，通过操作光开关24而选定了量子计算单元13-1及13-2。以下，使用图8来例示动作例1的操作。首先，如第1实施方式中说明的那样，通过光致频移光的照射，将从由量子计算单元13-1捕获了的多个原子132-1之中选出的x1个所选原子sa1、以及从由量子计算单元13-2捕获了的多个原子132-2之中选出的x2个所选原子sa2与各谐振器耦合。在该分布式量子计算中使用的量子比特数是x1+x2。这里x1≥1，x2≥1，但也可以是x1≥1且x2≥2，还可以是x1≥2且x2≥1，还可以是x1≥2且x2≥2。在使用分别捕获在量子计算单元13-1及13-2中的多个原子进行分布式量子计算的情况下，x1≥2，x2≥2(步骤s20)。在该状态下进行以下的一系列操作。
[0134]
(1)用单光子源11生成规定状态(例如横向偏振|h》)的光子111，并将之从端部121a-0出射(步骤s11)。
[0135]
(2)使步骤s11中从单光子源11出射的光子111入射到半波长板15-1，以将光子111的状态旋转π/2并出射(步骤s12)。
[0136]
(3)使步骤s12中从半波长板15-1出射的光子入射到量子计算单元13-1的端部121a-1(步骤s13)。
[0137]
(4)将对应于步骤s13的操作而从量子计算单元13-1的端部121a-1出射的光子入
射到半波长板15-2，以将该光子的状态旋转π/2并出射(步骤s24)。
[0138]
(5)将步骤s24中从半波长板15-2出射的光子入射到量子计算单元13-2的端部121a-2(步骤s25)。
[0139]
(6)将对应于步骤s25的操作而从量子计算单元13-2的端部121a-2出射的光子入射到半波长板15-1，以将该光子的状态旋转π/2并出射(步骤s26)。
[0140]
(7)使步骤s26中从半波长板15-1出射的光子再次入射到量子计算单元13-1的端部121a-1(步骤s27)。对应于步骤s27的操作而从量子计算单元13-1的端部121a-1出射光子。
[0141]
实施了上述步骤s11～s13、s24～s27的操作后的所选原子sa1及所选原子sa2的状态即是：对实施该操作前的所选原子sa1及所选原子sa2的状态施以了cpf门(x1+x2＝2时)操作或x1+x2比特toffoli门(x1+x2≥3时)操作后的状态。从单光子源11出射的光子的状态与操作前相同。
[0142]
《动作例2》
[0143]
在本实施方式的动作例2中，通过操作光开关24来将3个量子计算单元13-m1、13-m2、13-m3(m1,m2,m3∈{1,
…
,m})(第1量子计算单元、第2量子计算单元、及第3量子计算单元)光学连接，并将光子111入射到包含这3个量子计算单元13-m1、13-m2、13-m3在内的光学回路，由此进行分布式量子计算。在图9的例子中，通过操作光开关24而选定了量子计算单元13-1、13-2、13-3。以下，使用图9来例示动作例2的操作。
[0144]
首先，如第1实施方式中说明的那样，通过光致频移光的照射，将从由量子计算单元13-1捕获了的多个原子132-1之中选出的x1个所选原子sa1、从由量子计算单元13-2捕获了的多个原子132-2之中选出的x2个所选原子sa2、以及从由量子计算单元13-3捕获了的多个原子132-3中选出的x3个所选原子sa3与各谐振器耦合。在该分布式量子计算中使用的量子比特数是x1+x2+x3。这里x1≥1、x2≥1、x3≥1，但x1、x2、x3中的任一者可以为2以上，也可以为x1≥2、x2≥2、x3≥2(步骤s20
′
)。在该状态下进行以下的一系列操作。
[0145]
(0)首先，进行动作例1的步骤s11～s13、s24～s27的操作。但是，在步骤s12、s24、s26中，半波长板15-1或半波长板15-2将光子111的状态旋转π/4而不是旋转π/2。对应于步骤s27的操作而从量子计算单元13-1的端部121a-1出射光子。使步骤s27中出射的光子入射到半波长板15-3，以使光子的状态旋转π/4并出射(步骤s28)。
[0146]
(1)使步骤s28中从半波长板15-3出射的光子入射到量子计算单元13-3的端部121a-3(步骤s29)。
[0147]
(2)将对应于步骤s29的操作而从量子计算单元13-3的端部121a-3出射的光子入射到半波长板15-1，以将光子的状态旋转π/4并出射(步骤s12
′
)。
[0148]
(3)使步骤s12'中从半波长板15-1出射的光子入射到量子计算单元13-1的端部121a-1(步骤s13')。
[0149]
(4)将对应于步骤s13'的操作而从量子计算单元13-1的端部121a-1出射的光子入射到半波长板15-2，以将该光子的状态旋转π/4并出射(步骤s24')。
[0150]
(5)使步骤s24'中从半波长板15-2出射的光子入射到量子计算单元13-2的端部121a-2(步骤s25')。
[0151]
(6)将对应于步骤s25'的操作而从量子计算单元13-2的端部121a-2出射的光子入
射到半波长板15-1，以将该光子的状态旋转π/4并出射(步骤s26')。
[0152]
(7)使步骤s26'中从半波长板15-1出射的光子再次入射到量子计算单元13-1的端部121a-1(步骤s27')。对应于步骤s27'的操作而从量子计算单元13-1的端部121a-1出射光子。
[0153]
实施了上述s11～s13、s24～s29、s12'、s13'、s24'～s27'的操作后的所选原子sa1、sa2、sa3的状态即是：对实施该操作前的所选原子sa1、sa2、sa3的状态施以了x1+x2+x3比特toffoli门操作后的状态。从单光子源11出射的光子的状态与操作前相同。
[0154]
(第3实施方式)
[0155]
接着，说明本发明的第3实施方式。如图10所示，本实施方式的量子计算装置3具有：单光子源11、m个量子计算单元13-1～13-m、光开关24、半波长板15-1～15-(m+1)、偏振状态测量器16、及光纤12。
[0156]
《量子计算装置3的动作》
[0157]
在本实施方式中，通过未图示的控制部来操作光开关24，以将3个量子计算单元13-m1、13-m2、13-mm(m1,m2,mm∈{1,
…
,m})(第1量子计算单元、第2量子计算单元、及第3量子计算单元)光学连接，并将光子111入射到包含这3个量子计算单元13-m1、13-m2、13-mm在内的光学回路，从而进行分布式量子计算。在图11的例子中，通过操作光开关24而选定了量子计算单元13-1、13-2、13-m。以下，使用图11来例示本实施方式的操作。
[0158]
首先，如第1及2实施方式中说明的那样，通过光致频移光的照射，使所选择的x1个所选原子sa1、x2个所选原子sa2、及xm个所选原子sam与各谐振器耦合。在该状态下进行以下的一系列操作。
[0159]
(0)首先，进行上述步骤s11～s13、s24～s29、s12'、s13'的操作。但是，在步骤s12、s24、s26中，半波长板15-1或半波长板15-2将光子111的状态旋转π/4而不是旋转π/2。此外，使用量子计算单元13-m来代替了量子计算单元13-3。
[0160]
(4)将对应于步骤s13'的操作而从量子计算单元13-1的端部121a-1出射的光子入射到半波长板15-2，以将该光子的状态旋转π/4并出射(步骤s34)。
[0161]
(5)使步骤s34中从半波长板15-2出射的光子入射到量子计算单元13-2的端部121a-2(步骤s35)。
[0162]
(6)将对应于步骤s35的操作而从量子计算单元13-2的端部121a-2出射的光子入射到半波长板15-(m+1)，以将该光子的状态旋转π/4并出射(步骤s36)。
[0163]
(7)使步骤s36中从半波长板15-(m+1)出射的光子入射到偏振状态测量器16，测量该光子的偏振状态。由此，光子的状态收缩为某偏振状态，与该光子的状态处于纠缠状态的所选原子sa1、sa2、sam的状态也发生与该光子的偏振状态的测定结果相应的收缩。接着，如在第1实施方式中说明的那样，对捕获在量子计算单元13-1中的所选原子sa1施以与该光子的偏振状态的测量结果相对应的旋转操作(步骤s37)。
[0164]
实施了上述s11～s13、s24～s29、s12'、s13'、s34～s37的操作后的所选原子sa1、sa2、sam的状态即是：对实施该操作前的所选原子sa1、sa2、sam的状态施以了x1+x2+xm比特toffoli门操作后的状态。
[0165]
(第4实施方式)
[0166]
接着，说明本发明的第4实施方式。
[0167]
如图12所示，本实施方式的量子计算装置4具有n个单光子源41-1～41-n(单光子源s(1),
…
,s(n))、m个量子计算单元13-1～13-m(量子计算单元u(1),
…
,u(m))、光开关44、半波长板45-1～45-y、偏振状态测量器46-1～46-n、及光纤12。其中，n为2以上的整数，m为2n以上的整数，y为1以上的整数。量子计算单元43-m(m＝1,
…
,m)的结构与第1实施方式的量子计算单元13-m相同。单光子源41-j(j＝1,
…
,n)的结构与第1实施方式的单光子源11相同。偏振状态测量器46-j(j＝1,
…
,n)的结构也与第1实施方式的偏振状态测量器16相同。半波长板45-y(y＝1,
…
,y)的结构也与第1～3任一实施方式中半波长板15-i'(i'∈{1,
…
,m+1})相同。光开关44是将入射进来的光子向所选择的光路出射的装置。光子向光开关44的传送、及光子从光开关44向量子计算单元13-m的传送由光纤12进行。
[0168]
《量子计算装置4的动作》
[0169]
在本实施方式中，光开关44将各单光子源41-j(j＝1,
…
,n)与由2个所选择的量子计算单元13-α1(j)及13-α2(j)所形成的组光学连接。其中，α1(j),α2(j)∈{1,
…
,m}，α1(j)≠α2(j)。从各单光子源41-j出射光子411-j(单光子)。按照j＝1,
…
,n，从各单光子源41-j出射的光子分别入射到包含由2个量子计算单元13-α1(j)及13-α2(j)所形成的组的光学回路c(j)。由此，光学回路c(1),
…
,c(n)并行地进行分布式量子计算。各光学回路c(j)除了包含由2个量子计算单元13-α1(j)及13-α2(j)所形成的组之外，还可以包含另一个量子计算单元13-α3(j)(α3(j)∈{1,
…
,m}，α1(j)≠α2(j)≠α3(j))，还可以包含1个以上的半波长板45-y，还可以包含偏振状态测量器46-j。光学回路c(j)没有限制，例如可以举出第1～3实施方式中例示的光学回路(图6、图8、图9、图11)。各光学回路c(j)实现的分布式量子计算的具体例子与第1～3实施方式中例示的相同。
[0170]
(其他变形例)
[0171]
另外，本发明并不限定于上述实施方式。例如，虽在上述实施方式中，示出了量子计算单元13-m的端部121a-m及端部121b-m的芯中分别设有光纤布拉格光栅123a-m及123b-m的例子。但是，也可以不在端部121a-m的芯中设置光纤布拉格光栅123a-m，而在锥形部122a-m或纳米光纤131-m中设置光纤布拉格光栅。同样，也可以不在端部121b-m的芯中设置光纤布拉格光栅123b-m，而在锥形部122b-m或纳米光纤131-m中设置光纤布拉格光栅。但是，优选沿着设置在量子计算单元13-m中的2个光纤布拉格光栅之间的纳米光纤区域，排列所有的原子132-m。即，与在纳米光纤131-m内传送的光子相对应的所有原子132-m的位置上的倏逝场的强度优选满足上述条件。
[0172]
在上述实施方式中，示出了在单光子源11的端部121a-0及端部121b-0的芯上分别设置有光纤布拉格光栅123a-0及123b-0的例子。但是，也可以不在端部121a-0的芯上设置光纤布拉格光栅123a-0，而在锥形部122a-0或纳米光纤111上设置光纤布拉格光栅。同样，也可以不在端部121b-0的芯上设置光纤布拉格光栅123b-0，而在锥形部122b-0或纳米光纤111上设置光纤布拉格光栅。但是，优选沿设置在单光子源11上的2个光纤布拉格光栅之间的纳米光纤区域设置原子112。即，与在纳米光纤111内传送的光子相对应的原子112的位置上的倏逝场的强度优选满足前述的各条件。
[0173]
虽在上述实施方式中，纳米光纤111、131-m及锥形部122a-0、122b-0、122a-m、122b-m的周围为真空状态。但是，纳米光纤111、131-m及锥形部122a-0、122b-0、122a-m、122b-m的周围也可以不是真空，其只要是折射率小于纳米光纤111、131-m、以及锥形部
122a-0、122b-0、122a-m、122b-m之包层的空间即可。例如，该空间可以充满大气或氮气等气体、或者水或醇等液体。另外，虽在上述实施方式中，使用原子132-m作为量子计算单元13-m中的“作为与光子状态进行相互作用的量子比特来发挥功能的量子系”。但是，代替原子132-m，也可以使用表现出与原子132-m同样的光学响应的：人造原子(例如量子点)、或晶体心(例如金刚石中的nv中心)等固体中的量子系(例如参照参考文献4、5等)。同样，虽在上述实施方式中，使用原子112作为单光子源11中的“具有多个能级的量子系”。但是，代替原子112，也可以使用表现出与原子112同样的光学响应的：人造原子(例如量子点)、或晶体心(例如金刚石中的nv中心)等固体中的量子系。在这样的情况下，具有该量子系的固体可以分别固定于纳米光纤111、131-m。
[0174]
参考文献4：ramachandrarao yalla,fam le kien,m morinaga,k hakuta,"efficient channeling of fluorescence photons from single quantum dots into guided modes of optical nanofiber,"phys rev lett.2012aug10；109(6):063602.doi:10.1103/physrevlett.109.063602.epub 2012aug 8.
[0175]
参考文献5：masazumi fujiwara1,kazuma yoshida1,tetsuya noda,hideaki takashima,andreas w schell,norikazu mizuochi and shigeki takeuchi,"manipulation of single nanodiamonds to ultrathin fiber-taper nanofibers and control of nv-spin states toward fiber-integratedλ-systems,"published 7october 2016,nanotechnology,volume 27,number 45.
[0176]
例如能通过范德瓦尔斯力来将这样的固体固定于纳米光纤111、131-m。此外，虽在上述实施方式中例示了λ型3能级原子，但也可以使用其他3能级原子，还可以使用4能级以上的原子。
[0177]
半波长板、单光子源、及光状态测量器的个数没有限定，可以根据想要实现的分布式量子计算来适当设定。此外，当然可以在不脱离本发明的宗旨的范围内进行适当变更。
[0178]
(总结)
[0179]
以下，总结各实施方式及其变形例的特征。
[0180]
如上所述，各实施方式的用于分布式量子计算的量子计算单元13-m具有：纳米光纤131-m，其介由锥形部121a-m与光纤12光学连接着，所述光纤12用于传送入射进来的光子；以及多个原子a
1-m,
…
,a
k(m)-m，其设置在纳米光纤131-m的外侧，且沿纳米光纤的长度方向间隔设置。这样，通过使用纳米光纤131-m来构成谐振器，从理论上来说能够在保持较小模截面积的同时，任意延伸原子a
1-m,
…
,a
k(m)-m的捕获域的长度。此外，由于纳米光纤131-m介由锥形部122a-m与传送入射进来的光子的光纤12的端部121a-m光学连接着，所以能够减小谐振器的总损耗。因此，能够在将相对于振幅弛豫率κ及弛豫率γ的、谐振器与各个原子a
1-m,
…
,a
k(m)-m之间的耦合率g保持得足够大的状态下(即，保持协同系数c大于th1(第1阈值)的状态不变)，捕获许多原子a
1-m,
…
,a
k(m)-m。此外，这样的量子计算单元13-m能够通过光纤12来低损耗地光学连接，所以通过将多个量子计算单元13-m结合起来，能够构成用于分布式量子计算的确定性量子电路。
[0181]
另外，如上所述，与在纳米光纤131-m内传送的光子相对应的多个原子a
1-m,
…
,a
k(m)-m的位置上的倏逝场的强度优选为阈值th2(第2阈值)以上，多个原子a
1-m,
…
,a
k(m)-m各自与纳米光纤131-m之间的范德瓦尔斯力优选为阈值th3(第3阈值)以下。在本方式中，通
过使用纳米光纤131-m，能够在将相对于振幅弛豫率κ及弛豫率γ的耦合率g维持得足够大的状态下，将多个原子a
1-m,
…
,a
k(m)-m沿纳米光纤131-m的长度方向排列成一列。通过将原子a
1-m,
…
,a
k(m)-m排列成一列，就能容易地将调控光照射到各个原子。
[0182]
根据以上的特征，可以将捕获有多个原子的多个量子计算单元结合起来，从而进行分布式量子计算。例如，能够将从多个量子计算单元中选出的第1量子计算单元及第2量子计算单元光学连接，并将光子入射到包含第1量子计算单元及第2量子计算单元在内的光学回路，从而进行分布式量子计算。
[0183]
例如，如图9及图11所示，使用捕获有多个原子的量子计算单元13-1(第1量子计算单元)、量子计算单元13-2(第2量子计算单元)、量子计算单元13-3或13-m(第3量子计算单元)这3个量子计算单元来实现的分布式量子计算也是可能的。
[0184]
例如，能够如图9所示那样，光子入射到半波长板15-1(第1半波长板)，从半波长板15-1出射的光子入射到量子计算单元13-1(第1量子计算单元)，从量子计算单元13-1出射的光子入射到半波长板15-2(第2半波长板)，从半波长板15-2(第2半波长板)出射的光子入射到量子计算单元13-2(第2量子计算单元)，从量子计算单元13-2出射的光子入射到半波长板15-1(第3半波长板)，从半波长板15-1(第3半波长板)出射的光子入射到量子计算单元13-1，从量子计算单元13-1出射的光子入射到半波长板15-3(第4半波长板)，从半波长板15-3(第4半波长板)出射的光子入射到量子计算单元13-3(第3量子计算单元)，从量子计算单元13-3出射的光子入射到半波长板15-1(第5半波长板)，从半波长板15-1(第5半波长板)出射的光子入射到量子计算单元13-1，从量子计算单元13-1出射的光子入射到半波长板15-2(第6半波长板)，从半波长板15-2(第6半波长板)出射的光子入射到量子计算单元13-2，从量子计算单元13-2出射的光子入射到半波长板15-1(第7半波长板)，从半波长板15-1(第7半波长板)出射的光子入射到量子计算单元13-1，从而进行分布式量子计算。其中，半波长板15-1、15-2、15-3(第1～7半波长板)将入射进来的光子的状态旋转π/4并出射。在图9的例子中，将半波长板15-1用作第1、3、5、7半波长板，将半波长板15-2用作第2、6半波长板，将半波长板15-3用作第4半波长板。但是，这并不限定本发明。例如，可以将1个半波长板用作第1～7半波长板，可以将7个半波长板用作第1～7半波长板，也可以将其他任意个数的半波长板用作第1～7半波长板。即，第1～7半波长板可以彼此相同，也可以彼此不同，还可以是第1～7半波长板中的仅一部分半波长板彼此相同。
[0185]
例如，能够如图11所示，光子入射到半波长板15-1(第1半波长板)，从半波长板15-1(第1半波长板)出射的光子入射到量子计算单元13-1(第1量子计算单元)，从量子计算单元13-1出射的光子入射到半波长板15-2(第2半波长板)，从半波长板15-2(第2半波长板)出射的光子入射到量子计算单元13-2(第2量子计算单元)，从量子计算单元13-2出射的光子入射到半波长板15-1(第3半波长板)，从半波长板15-1(第3半波长板)出射的光子入射到量子计算单元13-1，从量子计算单元13-1出射的光子入射到半波长板15-3(第4半波长板)，从半波长板15-3(第4半波长板)出射的光子入射到量子计算单元13-m(第3量子计算单元)，从量子计算单元13-m出射的光子入射到半波长板15-1(第5半波长板)，从半波长板15-1(第5半波长板)出射的光子入射到量子计算单元13-1，从量子计算单元13-1出射的光子入射到半波长板15-m(第6半波长板)，从半波长板15-m(第6半波长板)出射的光子入射到量子计算单元13-2，从量子计算单元13-2出射的光子入射到半波长板15-(m+1)(第7半波长板)，测量
从半波长板15-(m+1)(第7半波长板)出射的光子的量子状态，根据测量结果对量子计算单元13-1的原子进行旋转操作，从而进行分布式量子计算。其中，半波长板15-1、15-2、15-3、15-(m+1)(第1～7半波长板)将入射进来的光子的状态旋转π/4并出射。在图11的例子中，将半波长板15-1用作第1、3、5半波长板，将半波长板15-2用作第2、6半波长板，将半波长板15-3用作第4半波长板，将半波长板15-(m+1)用作第7半波长板。但是，这并不限定本发明。例如，可以将1个半波长板用作第1～7半波长板，可以将7个半波长板用作第1～7半波长板，也可以将其他任意个数的半波长板用作第1～7半波长板。即，第1～7半波长板可以彼此相同，也可以彼此不同，还可以是第1～7半波长板中的仅一部分半波长板彼此相同。
[0186]
另外，如第4实施方式中所说明的那样，量子计算装置4也能具有：n个单光子源41-1～41-n(单光子源s(1),
…
,s(n))；m个量子计算单元13-1～13-m(量子计算单元u(1),
…
,u(m))；以及光开关44，其用于将单光子源41-j与由2个量子计算单元13-α1(j)及13-α2(j)(u(α1(j))及u(α2(j))所形成的组光学连接，按照j＝1,
…
,n，通过将从单光子源41-j出射的光子分别入射到包含由2个13-α1(j)及13-α2(j)所形成的组的光学回路c(j)，从而使光学回路c(1),
…
,c(n)并行地进行分布式量子计算。
[0187]
另外，在各实施方式及其变形例中，光纤或纳米光纤中设有光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅的反射带域包含光子的波长，光纤布拉格光栅用作反射光子的反射镜。由此，能够仅通过光纤或纳米光纤的加工来实现反射镜。
[0188]
另外，各实施方式的单光子源11,41-1～41-n也能具有：纳米光纤111，其介由锥形部122a-0与光纤光学连接着，所述光纤用于传送入射进来的光子；以及原子112，其设置在纳米光纤111的外侧。纳米光纤111介由锥形部122a-0与光纤光学连接着，因此能够将所生成的单光子高效地供给到光纤。
[0189]
另外，如上所述，原子也可以换为人造原子(例如量子点)或晶体心(例如nv中心)等量子系。即，量子计算单元具有如下方案即可：纳米光纤，其介由锥形部与光纤光学连接着，所述光纤用于传送入射进来的光子；以及多个量子系，其设置在纳米光纤的外侧，且在该纳米光纤的长度方向上间隔设置。但至少某个量子系用作与光子的状态进行相互作用的量子比特。最好是多个量子系都与光子的状态进行相互作用。另外，单光子源具有如下方案即可：纳米光纤，其介由锥形部与光纤光学连接着，所述光纤用于传送入射进来的光子；以及多个量子系，其设置在纳米光纤的外侧且具有多个能级。如上所述，该量子系例如包括原子、人造原子、量子点、晶体心(例如nv中心)之中的至少任一者。

技术特征：

1.一种量子计算单元，其用于量子计算，其具有：纳米光纤，其介由锥形部与光纤光学连接着，所述光纤用于传送入射进来的光子；以及多个量子系，其设置在所述纳米光纤的外侧，且沿所述纳米光纤的长度方向间隔设置，其中，至少任一所述量子系用作与所述光子的状态进行相互作用的量子比特。2.根据权利要求1所述的量子计算单元，其中，所述光纤或所述纳米光纤中设有光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅的反射带域包含所述光子的波长，所述光纤布拉格光栅用作反射所述光子的反射镜。3.根据权利要求1或2所述的量子计算单元，其中，协同系数大于第1阈值。4.根据权利要求1～3中任一项所述的量子计算单元，其中，在与所述纳米光纤内传送的所述光子相对应的所述多个量子系的位置上的倏逝场的强度为第2阈值以上。5.根据权利要求1～4中任一项所述的量子计算单元，其中，所述多个量子系沿所述纳米光纤的长度方向排列成一列。6.根据权利要求1～5中任一项所述的量子计算单元，其中，多个所述量子系用作与所述光子的状态进行相互作用的量子比特。7.根据权利要求6所述的量子计算单元，其中，多个所述量子系之中，由光致频移光选出的量子系用作与所述光子的状态进行相互作用的量子比特。8.根据权利要求1～7中任一项所述的量子计算单元，其中，所述量子系包括原子、人造原子、量子点、nv中心之中的至少任一者。9.一种量子计算装置，其具有以光学方式连接且进行分布式量子计算的1个或多个量子计算单元，所述量子计算单元各自具有：纳米光纤，其介由锥形部与光纤光学连接着，所述光纤用于传送入射进来的光子；以及多个量子系，其设置在所述纳米光纤的外侧，且沿所述纳米光纤的长度方向间隔设置，其中，至少任一所述量子系用作与所述光子的状态进行相互作用的量子比特。10.根据权利要求9所述的量子计算装置，其中，将从所述多个量子计算单元中选出的第1量子计算单元及第2量子计算单元光学连接，并将光子入射到包含所述第1量子计算单元及所述第2量子计算单元在内的光学回路，从而进行分布式量子计算。11.根据权利要求9所述的量子计算装置，其中，所述多个量子计算单元包括第1量子计算单元、第2量子计算单元、及第3量子计算单元，光子入射到第1半波长板，从所述第1半波长板出射的光子入射到所述第1量子计算单元，从所述第1量子计算单元出射的光子入射到第2半波长板，从所述第2半波长板出射的光子入射到所述第2量子计算单元，从所述第2量子计算单元出射的光子入射到第3半波长板，从所述第3半波长板出射的光子入射到所述第1量子计算单元，从所述第1量子计算单元出
射的光子入射到第4半波长板，从所述第4半波长板出射的光子入射到所述第3量子计算单元，从所述第3量子计算单元出射的光子入射到第5半波长板，从所述第5半波长板出射的光子入射到所述第1量子计算单元，从所述第1量子计算单元出射的光子入射到第6半波长板，从所述第6半波长板出射的光子入射到所述第2量子计算单元，从所述第2量子计算单元出射的光子入射到第7半波长板，从所述第7半波长板出射的光子入射到所述第1量子计算单元，从而进行分布式量子计算。12.根据权利要求9所述的量子计算装置，其中，所述多个量子计算单元包括第1量子计算单元、第2量子计算单元、及第3量子计算单元，光子入射到第1半波长板，从所述第1半波长板出射的光子入射到所述第1量子计算单元，从所述第1量子计算单元出射的光子入射到第2半波长板，从所述第2半波长板出射的光子入射到所述第2量子计算单元，从所述第2量子计算单元出射的光子入射到第3半波长板，从所述第3半波长板出射的光子入射到所述第1量子计算单元，从所述第1量子计算单元出射的光子入射到第4半波长板，从所述第4半波长板出射的光子入射到所述第3量子计算单元，从所述第3量子计算单元出射的光子入射到第5半波长板，从所述第5半波长板出射的光子入射到所述第1量子计算单元，从所述第1量子计算单元出射的光子入射到第6半波长板，从所述第6半波长板出射的光子入射到所述第2量子计算单元，从所述第2量子计算单元出射的光子入射到第7半波长板，测量从所述第7半波长板出射的光子的量子状态，根据测量结果，对所述第1量子计算单元的所述量子系进行旋转操作，从而进行分布式量子计算。13.根据权利要求11或12所述的量子计算装置，其中，所述第1～7半波长板将入射进来的光子的状态旋转π/4并出射。14.根据权利要求9所述的量子计算装置，其具有：n个单光子源s(1),
…
,s(n)；m个所述量子计算单元u(1),
…
,u(m)；以及光开关，其用于将单光子源s(j)与由2个量子计算单元u(α1(j))及u(α2(j))所形成的组光学连接，其中，j＝1,
…
,n，n是2以上的整数，m是2n以上的整数，α1(j),α2(j)∈{1,
…
,m}，α1(j)≠α2(j)，按照j＝1,
…
,n，将从所述单光子源s(j)出射的光子各自入射到包含由所述2个量子计算单元u(α1(j))、u(α2(j))所形成的组的光学回路c(j)，从而使光学回路c(1),
…
,c(n)并行地进行分布式量子计算。15.一种单光子源，其用于量子计算，其具有：纳米光纤，其介由锥形部与光纤光学连接着，所述光纤用于传送入射进来的光子；以及具有多个能级的量子系，其设置在所述纳米光纤的外侧。16.根据权利要求15所述的单光子源，其中，所述具有多个能级的量子系以受到了调控光的激发为契机，而发出单光子。17.一种量子计算方法，其是使用了量子计算单元的量子计算方法，所述量子计算单元具有：
纳米光纤，其介由锥形部与光纤光学连接着；以及多个量子系，其设置在所述纳米光纤的外侧，且沿所述纳米光纤的长度方向间隔设置，所述量子计算方法包括：对所述多个量子系中的至少任一量子系照射光致频移光的步骤；以及将光子入射到所述光纤的步骤。

技术总结

为了使捕获有多个量子系的量子计算单元(13-m)确定性地动作，采用具有如下方案的量子计算单元进行量子计算：纳米光纤(131-m)，其介由锥形部与光纤(12)光学连接着，所述光纤(12)用于传送入射进来的光子；以及多个量子系(132-m)，其设置在纳米光纤的外侧，且沿纳米光纤的长度方向间隔设置。其中，至少任一量子系用作与光子相互作用的量子比特。用作与光子相互作用的量子比特。用作与光子相互作用的量子比特。