JP6087716B2 - Quantum computing device - Google Patents
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Description
本発明は、スピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビットとを用いた量子計算装置に関する。 The present invention relates to a quantum computing device using a spin ensemble and a superconducting flux qubit.
量子計算装置は、量子力学的な重ね合わせを用いることで、従来の計算装置では実現できない規模の並列性を実現できるものとして期待され、多くの研究・開発がなされている。この量子計算装置としては、実用的な構成のためには少なくとも数千から数万の素子のコヒーレントな量子的結合が必要であると考えられてきた。 Quantum computing devices are expected to achieve parallelism on a scale that cannot be achieved with conventional computing devices by using quantum mechanical superposition, and many researches and developments have been made. For this quantum computing device, it has been considered that coherent quantum coupling of at least several thousand to several tens of thousands of elements is necessary for practical configuration.
しかしながら、量子計算装置において、構成する系の数が多いほど相互作用の制御が困難になる。制御しきれない相互作用は、デコヒーレンスと呼ばれるノイズを誘発してしまうことが知られており、ノイズを誘発する相互作用が多い状態では、実用的ではない。実用的な量子計算装置を目指すためには、少ない数の素子での構成が望まれる。これを実現するために、近年になって、１つの超伝導量子ビット、１つのスピンアンサンブル、１つのマイクロ波共振器、の３つのみを用いて量子計算装置を構成する方法が提案された（非特許文献１参照）。 However, in the quantum computing device, the control of the interaction becomes more difficult as the number of systems constituting the larger number. Interactions that cannot be controlled are known to induce noise called decoherence, and are not practical in a state where there are many interactions that induce noise. In order to aim at a practical quantum computing device, a configuration with a small number of elements is desired. In order to achieve this, recently, a method for configuring a quantum computing device using only one superconducting qubit, one spin ensemble, and one microwave resonator has been proposed ( Non-patent document 1).
しかしながら、デコヒーレンスを抑制するために、より少ない素子で量子計算装置が構成できることが望まれている。 However, in order to suppress decoherence, it is desired that a quantum computing device can be configured with fewer elements.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より少ない素子で量子計算装置が構成できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to allow a quantum computing device to be configured with fewer elements.
本発明に係る量子計算装置は、ゼロ磁場分裂を起こした複数の電子スピンの集団から構成されたスピンアンサンブルと、スピンアンサンブルに近設された超伝導磁束量子ビットと、スピンアンサンブルに磁場勾配を印加する磁場勾配印加部とを備え、スピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビットとの間の距離は、超伝導磁束量子ビットにおける量子状態が維持される時間内で一方の量子状態が他方に転送可能な範囲とされている。 The quantum computing device according to the present invention applies a magnetic field gradient to a spin ensemble, a spin ensemble composed of a plurality of electron spin groups that have undergone zero magnetic field splitting, a superconducting flux qubit adjacent to the spin ensemble, and the spin ensemble. to a magnetic field gradient applied portion, the distance between the spin ensemble and a superconducting flux qubit, which can be transferred one quantum state within the time quantum states in a superconducting flux qubit is maintained in the other range It is said that.
上記量子計算装置において、超伝導磁束量子ビットの量子状態を制御する量子状態制御手段と、超伝導磁束量子ビットの量子状態を測定する量子状態測定手段とを備える。なお、スピンアンサンブルは、ダイヤモンドの中に形成された複数のＮＶ（ＮＶ-）中心から構成することができる。 The quantum computing device includes quantum state control means for controlling the quantum state of the superconducting flux qubit and quantum state measuring means for measuring the quantum state of the superconducting flux qubit. The spin ensemble can be composed of a plurality of NV (NV − ) centers formed in diamond.
以上説明したことにより、本発明によれば、より少ない素子で量子計算装置が構成できるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that a quantum computing device can be configured with fewer elements.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における量子計算装置の構成を示す構成図である。この量子計算装置は、スピンアンサンブル１０１と、スピンアンサンブル１０１に近設された超伝導磁束量子ビット１０２とを備える。実施の形態における量子計算装置では、スピンアンサンブル１０１と超伝導磁束量子ビット１０２との間には、何も配置されていないところが特徴である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a quantum computing device according to an embodiment of the present invention. This quantum computing device includes a spin ensemble 101 and a superconducting magnetic flux qubit 102 that is provided close to the spin ensemble 101. The quantum computing device in the embodiment is characterized in that nothing is arranged between the spin ensemble 101 and the superconducting flux qubit 102.
また、この量子計算装置は、超伝導磁束量子ビット１０２の量子状態を制御する量子状態制御部１０３、および超伝導磁束量子ビット１０２の量子状態を測定する量子状態測定部１０４を備える。 The quantum computing device also includes a quantum state control unit 103 that controls the quantum state of the superconducting flux qubit 102 and a quantum state measuring unit 104 that measures the quantum state of the superconducting flux qubit 102.
スピンアンサンブル１０１は、ゼロ磁場分裂を起こした複数の電子スピン１１１の集団から構成されている。また、スピンアンサンブル１０１と超伝導磁束量子ビット１０２との間の距離は、超伝導磁束量子ビット１０２における量子状態が維持される時間内で一方の量子状態が他方に転送可能な範囲とされている。例えば、スピンアンサンブル１０１のエネルギーと超伝導磁束量子ビット１０２のエネルギーとを一致させて共鳴可能な状態で、両者に真空ラビ振動が生じる範囲とすればよい。 The spin ensemble 101 is composed of a group of a plurality of electron spins 111 that have undergone zero magnetic field splitting. Further, the distance between the spin ensemble 101 and the superconducting flux qubit 102 is set within a range in which one quantum state can be transferred to the other within the time in which the quantum state in the superconducting flux qubit 102 is maintained. . For example, the energy of the spin ensemble 101 and the energy of the superconducting flux qubit 102 may be in a state where resonance is possible and the vacuum Rabi vibration is generated in both.
電子スピン１１１は、例えば、ゼロ磁場分裂が数ＧＨｚ程度である。この状態であれば、超伝導磁束量子ビット１０２が動作可能な低温度の状態において、スピンアンサンブル１０１を構成する各電子スピン１１１は、スピンの向きが共通した状態となる。また、隣り合う電子スピン１１１間の距離は、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であればよい。 The electron spin 111 has, for example, zero field splitting of about several GHz. In this state, the electron spins 111 constituting the spin ensemble 101 have a common spin direction in a low temperature state where the superconducting magnetic flux qubit 102 can operate. The distance between adjacent electron spins 111 may be about 10 nm to 100 nm.
スピンアンサンブル１０１は、例えば、ダイヤモンド結晶中に含まれる窒素空孔中心（ＮＶ中心）から構成することができる。ＮＶ中心は、ダイヤモンド格子中の炭素の置換位置に入った窒素（Nitrogen）と、この置換窒素に隣接する炭素原子が抜けた空孔（Vacancy）との対からなる複合不純物欠陥である。ＮＶ中心に電子スピン１１１が形成される。ダイヤモンドに所定の濃度で窒素を注入すれば、ダイヤモンド中に複数のＮＶ中心が形成できる。また、スピンアンサンブル１０１は、リンあるいはビスマスをドープしたシリコン、Ｅｒなどの希土類元素をドープしたＹＳＯ（Ｙ2ＳｉＯ5）結晶、窒素を内部に閉じ込めたフラーレンなどから構成してもよい。 The spin ensemble 101 can be composed of, for example, a nitrogen vacancy center (NV center) contained in a diamond crystal. The NV center is a complex impurity defect composed of a pair of nitrogen (Nitrogen) entering a carbon substitution position in the diamond lattice and a vacancy (Vacancy) from which a carbon atom adjacent to the substitution nitrogen is removed. An electron spin 111 is formed at the NV center. If nitrogen is implanted into diamond at a predetermined concentration, a plurality of NV centers can be formed in the diamond. The spin ensemble 101 may be composed of silicon doped with phosphorus or bismuth, YSO (Y 2 SiO 5 ) crystal doped with a rare earth element such as Er, fullerene containing nitrogen inside, or the like.
超伝導磁束量子ビット１０２は、よく知られているように、例えば、超伝導材料からなる閉回路を構成する超伝導配線部と、トンネル絶縁部を備えた３つのジョセフソン接合とから構成されている。超伝導配線部は、例えば外径が５μｍ角程度の平面視矩形に形成されている。この超伝導配線部のいずれかの位置に、ジョセフソン接合が設けられている。 As is well known, the superconducting flux qubit 102 is composed of, for example, a superconducting wiring part that forms a closed circuit made of a superconducting material, and three Josephson junctions that include a tunnel insulating part. Yes. The superconducting wiring portion is formed in a rectangular shape in plan view with an outer diameter of about 5 μm square, for example. A Josephson junction is provided at any position of the superconducting wiring portion.
量子状態制御部１０３は、例えば、超伝導磁束量子ビット１０２にマイクロ波を照射する制御線から構成すればよい。マイクロ波の照射により、超伝導磁束量子ビット１０２の量子状態は、任意の方向に回転させることが可能である。また、量子状態測定部１０４は、超伝導量子干渉計もしくはジョセフソン分岐増幅測定から構成すればよい。超伝導量子干渉計もしくはジョセフソン分岐増幅測定を用いることで、超伝導磁束量子ビット１０２の量子状態の読み出しが可能である。これらは、よく知られているように、超伝導磁束量子ビット１０２と組み合わせた回路が、容易に構成でき、量子状態の制御および読み出しが、超伝導磁束量子ビット１０２上で行える。 The quantum state control unit 103 may be configured from a control line that irradiates the superconducting flux qubit 102 with microwaves, for example. The quantum state of the superconducting flux qubit 102 can be rotated in an arbitrary direction by microwave irradiation. The quantum state measurement unit 104 may be configured by a superconducting quantum interferometer or a Josephson branch amplification measurement. By using a superconducting quantum interferometer or Josephson branch amplification measurement, the quantum state of the superconducting flux qubit 102 can be read. As is well known, a circuit combined with the superconducting flux qubit 102 can be easily configured, and control and readout of the quantum state can be performed on the superconducting flux qubit 102.
更に、本実施の形態の構成によれば、スピンアンサンブル１０１と超伝導磁束量子ビット１０２との間の相互作用を用いることにより、量子計算に必要である二量子状態間のゲート「controlled phase gate」を構成することができる。 Further, according to the configuration of the present embodiment, by using the interaction between the spin ensemble 101 and the superconducting magnetic flux qubit 102, a gate “controlled phase gate” between two quantum states necessary for quantum calculation is used. Can be configured.
以下、より詳細に説明する。１つのスピンアンサンブル１０１と１つの超伝導磁束量子ビット１０２とで、複数量子ビットとしての機能を持たせることが、本発明の大きな特徴である。これをいかにして実現するかを以下に説明する。 This will be described in more detail below. A major feature of the present invention is that one spin ensemble 101 and one superconducting magnetic flux qubit 102 have a function as a plurality of qubits. How to achieve this will be described below.
系を共鳴させる（超伝導磁束量子ビット１０２のエネルギーをスピンアンサンブル１０１のエネルギーと一致させる）ことで生じる真空ラビ振動を利用することで、超伝導磁束量子ビット１０２の励起状態をスピンアンサンブル１０１に転送した後、超伝導磁束量子ビット１０２のエネルギーをデチューニング（スピンアンサンブル１０１のエネルギーと大きく異なる値へ変化）させてスピンアンサンブル１０１からデカップル（分離）させる。 The excited state of the superconducting flux qubit 102 is transferred to the spin ensemble 101 by utilizing the vacuum Rabi oscillation generated by resonating the system (making the energy of the superconducting flux qubit 102 coincide with the energy of the spin ensemble 101). After that, the energy of the superconducting flux qubit 102 is detuned (changed to a value significantly different from the energy of the spin ensemble 101) and decoupled (separated) from the spin ensemble 101.
このときのスピンアンサンブル１０１の状態は、以下の式（１）により表される。 The state of the spin ensemble 101 at this time is represented by the following equation (1).
式（１）において、σ+ (n)はｎ番目のスピンを｜↓＞から｜↑＞に変える演算子である。ここで｜↓＞は、スピンが下向き（基底状態）であることを表し、｜↑＞はスピンが上向きであることを示す。またＮはスピンの数を表す。この状態は、生成演算子を用いて以下の式（２）により表され、Ｗ状態と呼ばれ、この生成演算子は以下の式（３）により定義される。 In equation (1), σ + (n) is an operator that changes the n-th spin from | ↓> to | ↑>. Here, | ↓> indicates that the spin is downward (ground state), and | ↑> indicates that the spin is upward. N represents the number of spins. This state is expressed by the following expression (2) using a generation operator and is called a W state, and this generation operator is defined by the following expression (3).
これらの式により状態を示すことができるスピンアンサンブル１０１に一定時間Ｔだけ磁場勾配を印加することで、スピンアンサンブル１０１を、Ｗ状態とは異なった（Ｗ状態とは直行した）状態に変化させることができる。後述するが、このような磁場勾配は、超伝導磁束量子ビット１０２を構成する電流回路を用いて印加することができる。 By applying a magnetic field gradient to the spin ensemble 101 whose state can be indicated by these equations for a certain time T, the spin ensemble 101 is changed to a state different from the W state (perpendicular to the W state). Can do. As will be described later, such a magnetic field gradient can be applied by using a current circuit constituting the superconducting magnetic flux qubit 102.
磁場勾配の存在によってスピンアンサンブル１０１中の電子スピン１１１毎に、異なった位相を付加することが可能となるので、以下の式（４）で示される状態が得られる。 The presence of the magnetic field gradient makes it possible to add a different phase for each electron spin 111 in the spin ensemble 101, so that the state expressed by the following equation (4) is obtained.
この式（４）で示される状態をＷθ状態と呼ぶ。式（４）において、θnはｎ番目のスピンに（磁場勾配によって）付加される位相である。この状態を、生成演算子を用いて表すと、以下の式（５）で示され、この生成演算子は、以下の式（６）により定義される。 The state represented by this equation (4) is called the Wθ state. In equation (4), θ n is the phase added (by the magnetic field gradient) to the n th spin. When this state is expressed using a generation operator, it is represented by the following expression (5), and this generation operator is defined by the following expression (6).
この演算子は、Ｎが十分に大きいときには演算子ａ0と可換となる。このため、再びスピンアンサンブル１０１と超伝導磁束量子ビット１０２を共鳴させて真空ラビを起こすことで、励起した超伝導磁束量子ビット１０２の状態を、再びスピンアンサンブル１０１に転送することが可能となる。この結果、スピンアンサンブル１０１の状態は、以下の式（７）と表され、更に、磁場勾配を一定時間Ｔだけ印加することで状態は以下の式（８）で示されるように変化し、ａ† 0、ａ† 1、ａ† 2は十分大きなＮでは可換であるため、更に超伝導磁束量子ビット１０２との真空ラビによりａ† 0のモードを蓄えることが可能になる。 This operator is commutative with the operator a 0 when N is sufficiently large. Therefore, the state of the excited superconducting flux qubit 102 can be transferred again to the spin ensemble 101 by resonating the spin ensemble 101 and the superconducting flux qubit 102 to cause vacuum rabbi. As a result, the state of the spin ensemble 101 is expressed by the following equation (7). Further, by applying a magnetic field gradient for a certain time T, the state changes as shown by the following equation (8), and a Since † 0 , a † 1 , and a † 2 are commutative at a sufficiently large N, it is possible to store a † 0 mode by vacuum rabbing with the superconducting flux qubit 102.
このように、スピンアンサンブル１０１に対する磁場勾配の印加と、スピンアンサンブル１０１と超伝導磁束量子ビット１０２との間で真空ラビによる状態転送を繰り返すことで、以下の式（９）で示される状態を作り出すことができる。 In this way, by applying a magnetic field gradient to the spin ensemble 101 and repeating state transfer by vacuum rabbi between the spin ensemble 101 and the superconducting magnetic flux qubit 102, a state represented by the following equation (9) is created. be able to.
このように、１つのスピンアンサンブル１０１を多数の量子ビットとして機能させることが可能となる。 In this way, one spin ensemble 101 can function as a large number of qubits.
ここで、ａ† mは、以下の式（１０）により定義され、この演算子によって生成される状態をスピン波と呼ぶ。 Here, a † m is defined by the following equation (10), and a state generated by this operator is called a spin wave.
このスピン波として蓄えられた状態のうち、ａ† jによって生成された状態を取り出す必要がある際には、以下のような操作を行う。まず、逆向きの傾斜磁場を時間ｊＴだけかけることで、スピンアンサンブル１０１の状態を、以下の式（１１）に示される状態に変化させる。 When it is necessary to take out the state generated by a † j from the states stored as the spin waves, the following operation is performed. First, the state of the spin ensemble 101 is changed to the state represented by the following expression (11) by applying a reverse gradient magnetic field for time jT.
この後に真空ラビを用いることで、もともとａ† jに蓄えられていた状態を超伝導磁束量子ビット１０２に転送させることができる。 After that, by using vacuum rabbi, the state originally stored in a † j can be transferred to the superconducting flux qubit 102.
以上のようにして、多数量子ビットの状態準備、単一量子ビットの回転操作、単一量子ビットの読み出し、２量子ビット間のゲート操作、という量子計算に必要な機能をすべて１つのスピンアンサンブル１０１と１つの超伝導磁束量子ビット１０２に持たせることができる。 As described above, all the functions necessary for quantum computation such as state preparation of multiple qubits, rotation operation of a single qubit, reading of a single qubit, and gate operation between two qubits are all made into one spin ensemble 101 And one superconducting flux qubit 102 can be provided.
ここで、１つの超伝導量子ビット、１つのスピンアンサンブル、１つのマイクロ波共振器、の３つを用いて量子計算装置を構成する方法はすでに提案されている（非特許文献１参照）。この方法では、スピンアンサンブルと超伝導量子ビットとの間に、マイクロ波共振器を配置している。 Here, a method of configuring a quantum computing device using three superconducting qubits, one spin ensemble, and one microwave resonator has been proposed (see Non-Patent Document 1). In this method, a microwave resonator is disposed between the spin ensemble and the superconducting qubit.
また、スピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビットのコヒーレントな結合を用いて、超伝導磁束量子ビットの１つの量子状態をスピンアンサンブルに保存する「量子メモリー」の手法も提案されている（非特許文献２参照）。 In addition, a “quantum memory” technique has been proposed in which one quantum state of a superconducting flux qubit is stored in a spin ensemble using a coherent coupling between the spin ensemble and the superconducting flux qubit (Non-patent Document 2). reference).
これらに対し、上述した本発明の実施の形態における量子計算装置では、磁場勾配の印加により、「１つのスピンアンサンブル１０１」と「１つの超伝導磁束量子ビット１０２」の２つの素子で、量子メモリーのみならず量子計算装置そのものが構成できる。従来の提案に比べ、必要な要素（素子）の数が２つと少ないために構成が容易になり、デコヒーレンスなどのノイズを抑えられることが期待できる。 On the other hand, in the quantum computing device in the embodiment of the present invention described above, a quantum memory is formed by two elements of “one spin ensemble 101” and “one superconducting flux qubit 102” by applying a magnetic field gradient. In addition, the quantum computing device itself can be configured. Compared to the conventional proposal, the number of necessary elements (elements) is as small as two, so that the configuration becomes easy, and it can be expected that noise such as decoherence can be suppressed.
磁場勾配は、例えば外部に制御線を配置することで印加が可能になる。また、超伝導磁束量子ビット１０２を構成している電流回路を用いて磁場勾配を印加することも可能である。この場合、超伝導磁束量子ビット１０２の電流回路へ高速パルスを印加すれば、磁場勾配のオンとオフも、ナノ秒程度で行うことができ、高速の操作が可能となる。この構成によれば、傾斜磁場をかけるために新たに配線を加える必要がないため、配線からのノイズを抑制できるという利点がある。 The magnetic field gradient can be applied, for example, by arranging a control line outside. It is also possible to apply a magnetic field gradient using a current circuit constituting the superconducting flux qubit 102. In this case, if a high-speed pulse is applied to the current circuit of the superconducting flux qubit 102, the magnetic field gradient can be turned on and off in nanoseconds, and high-speed operation is possible. According to this configuration, there is an advantage that noise from the wiring can be suppressed because it is not necessary to add a new wiring in order to apply the gradient magnetic field.
以下、実施例を用いて説明する。 Hereinafter, description will be made using examples.
［実施例１］
はじめに、実施例１について図２Ａ，図２Ｂを用いて説明する。図２Ａ，図２Ｂは、本発明の実施の形態における実施例１の量子計算装置の構成を示す構成図である。この量子計算装置は、複数のＮＶ中心を有するダイヤモンドからなるスピンアンサンブル構成部２０１と、超伝導磁束量子ビット２０２とを備える。スピンアンサンブル構成部２０１は、超伝導磁束量子ビット２０２を構成する一部の超伝導配線２１１に沿って、この上に配置されている。また、超伝導磁束量子ビット２０２の周囲を囲うように配置され、超伝導磁束量子ビット２０２と結合した超伝導量子干渉計２０３を備える。図では、区別のために超伝導量子干渉計２０３を破線で示している。なお、超伝導量子干渉計の代わりに、ジョセフソン分岐増幅測定器を用いてもよい。
[Example 1]
First, Example 1 will be described with reference to FIGS. 2A and 2B. 2A and 2B are configuration diagrams showing the configuration of the quantum computation device of Example 1 in the embodiment of the present invention. This quantum computing device includes a spin ensemble component 201 made of diamond having a plurality of NV centers and a superconducting flux qubit 202. The spin ensemble component 201 is disposed on a part of the superconducting wiring 211 constituting the superconducting flux qubit 202. In addition, a superconducting quantum interferometer 203 is provided so as to surround the superconducting flux qubit 202 and is coupled to the superconducting flux qubit 202. In the figure, the superconducting quantum interferometer 203 is indicated by a broken line for distinction. A Josephson branch amplification measuring device may be used instead of the superconducting quantum interferometer.
ここで、実施例１では、超伝導磁束量子ビット２０２と超伝導量子干渉計２０３とは、スピンアンサンブル構成部２０１が配置される部分の超伝導配線２１１を共有している。また、超伝導配線２１１には、超伝導量子干渉計２０３に電流を供給する超伝導配線２１２が接続されている。スピンアンサンブル構成部２０１は、超伝導配線２１２が接続されている箇所を中心に、超伝導配線２１２の両側の超伝導配線２１１にわたって配置されている。また、実施例１では、超伝導磁束量子ビット２０２の量子状態を制御するための制御線２２１，制御線２２２を備えている。制御線２２１，制御線２２２から照射する共鳴マイクロ波によって、超伝導磁束量子ビット２０２の量子状態を任意の回転の状態に制御できる。なお、スピンアンサンブル構成部２０１以外の上述した構成は、非特許文献４のFig1,d,eに示された構成と同様である。 Here, in the first embodiment, the superconducting magnetic flux qubit 202 and the superconducting quantum interferometer 203 share the superconducting wiring 211 of the portion where the spin ensemble component 201 is disposed. Further, a superconducting wiring 212 for supplying a current to the superconducting quantum interferometer 203 is connected to the superconducting wiring 211. The spin ensemble component 201 is arranged across the superconducting wirings 211 on both sides of the superconducting wiring 212 with the superconducting wiring 212 connected to the center. In the first embodiment, the control line 221 and the control line 222 for controlling the quantum state of the superconducting magnetic flux qubit 202 are provided. The quantum state of the superconducting magnetic flux qubit 202 can be controlled to an arbitrary rotational state by resonant microwaves radiated from the control line 221 and the control line 222. The configuration described above other than the spin ensemble configuration unit 201 is the same as the configuration shown in FIGS.
スピンアンサンブル構成部２０１は、濃度が１ｃｍ3あたり１０16から１０18個程度のＮＶ中心を含有したダイヤモンド単結晶から構成し、例えば、直方体の形状とされている。スピンアンサンブル構成部２０１は、極めて高純度なダイヤモンド単結晶にイオン注入もしくは電子線照射で窒素原子を導入することで作製できる。イオン注入や電子線照射を行う際には、ダイヤモンド単結晶（スピンアンサンブル構成部２０１）の表面が、超伝導磁束量子ビット２０２（超伝導配線２１１）に接触した状態で、ダイヤモンド結晶内部に形成されるスピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット２０２との距離が、数ナノメートルから離れても数百ナノメートル以下になるように調整を行う。例えば、注入深さを制御することで、上述した調整を行う。 The spin ensemble constituting part 201 is constituted by a diamond single crystal containing NV centers having a concentration of about 10 16 to 10 18 per cm 3 , and has a rectangular parallelepiped shape, for example. The spin ensemble component 201 can be produced by introducing nitrogen atoms into an extremely high purity diamond single crystal by ion implantation or electron beam irradiation. When ion implantation or electron beam irradiation is performed, the surface of the diamond single crystal (spin ensemble component 201) is formed inside the diamond crystal in a state of being in contact with the superconducting flux qubit 202 (superconducting wiring 211). Adjustment is performed so that the distance between the spin ensemble and the superconducting flux qubit 202 is several hundred nanometers or less even if it is separated from several nanometers. For example, the above-described adjustment is performed by controlling the implantation depth.
実施例１によれば、スピンアンサンブル構成部２０１に形成されているＮＶ中心によるスピンアンサンブルと、超伝導磁束量子ビット２０２とのコヒーレントな結合ができ、これらの系の間に「controlled phase gate」を形成することや、超伝導磁束量子ビット２０２の量子状態を、ＮＶ中心によるスピンアンサンブルへ転送することが可能となる。 According to the first embodiment, a coherent coupling between the spin ensemble formed by the NV center formed in the spin ensemble component 201 and the superconducting flux qubit 202 can be performed, and a “controlled phase gate” is formed between these systems. It is possible to form and transfer the quantum state of the superconducting flux qubit 202 to the spin ensemble by the NV center.
また、超伝導量子干渉計２０３を構成するジョセフソン接合の臨界電流値を設計することによって、超伝導量子干渉計２０３に、数μＡ程度までの電流を流すことができる。なお、図中、ジョセフソン接合は、「×」で示している。この超伝導量子干渉計２０３に対する電流印加を利用することで、図２Ａ，図２Ｂに示すように、１μｍあたり数十μテスラから数百μテスラ程度の傾斜磁場２３１，傾斜磁場２３２を生成することができ、スピンアンサンブル構成部２０１に形成されるスピンアンサンブルに対して作用させることができる。 Further, by designing the critical current value of the Josephson junction constituting the superconducting quantum interferometer 203, a current of up to about several μA can be passed through the superconducting quantum interferometer 203. In the figure, the Josephson junction is indicated by “x”. By using current application to this superconducting quantum interferometer 203, as shown in FIGS. 2A and 2B, a gradient magnetic field 231 and a gradient magnetic field 232 of about several tens of μ to several hundred μ Tesla are generated per 1 μm. And can act on the spin ensemble formed in the spin ensemble constituting unit 201.
これらの傾斜磁場２３１，傾斜磁場２３２により、数μ秒程度で、スピンアンサンブル構成部２０１に形成されるスピンアンサンブルのＷ状態を、Ｗθ状態へと変化させることができる。スピンアンサンブルを構成するＮＶ中心のコヒーレント時間は、室温（２０℃程度）でも数ミリ秒あるため、上述した傾斜磁場の印加によりスピンアンサンブルに少なくとも数十量子ビットの情報をコヒーレント時間内に蓄えることができる。 These gradient magnetic fields 231, gradient magnetic field 232, by about several μ seconds, the W state of the spin ensemble is formed by the spin ensemble configuration unit 201 can be changed to W theta state. Since the coherent time of the NV center constituting the spin ensemble is several milliseconds even at room temperature (about 20 ° C.), at least several tens of qubits of information can be stored in the spin ensemble within the coherent time by applying the gradient magnetic field described above. it can.
また、用いるジョセフソン接合の臨界電流値を設計することによって、超伝導量子干渉計２０３に印加する電流を数μアンペア程度まで流すことができる。 Further, by designing the critical current value of the Josephson junction to be used, the current applied to the superconducting quantum interferometer 203 can be made to flow up to about several μA.
次に、動作について説明する。 Next, the operation will be described.
Ａ．まず、量子状態の準備について説明する。 A. First, preparation of the quantum state will be described.
（Ａ１）
はじめに、超伝導磁束量子ビット２０２にマイクロ波を照射することで、｜０＞より、以下の式に示すように、基底状態と励起状態の等しい重ね合わせ状態である｜＋＞を生成する。
(A1)
First, by irradiating the superconducting flux qubit 202 with microwaves, | +>, which is a superposition state in which the ground state and the excited state are equal, is generated from | 0> as shown in the following equation.
（Ａ２）
次に、スピンアンサンブル構成部２０１により形成されるスピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット２０２とによる２つの系を共鳴させ誘起された真空ラビ振動を使い、超伝導磁束量子ビット２０２の｜＋＞状態をスピンアンサンブルに転送して以下の式で示す状態とし、この後で、超伝導磁束量子ビット２０２のエネルギーを共鳴条件から外し、スピンアンサンブルから切り離す。
(A2)
Next, the vacuum Rabi oscillation induced by resonating two systems of the spin ensemble formed by the spin ensemble component 201 and the superconducting flux qubit 202 is used to change the | +> state of the superconducting flux qubit 202. The state is transferred to the spin ensemble to obtain a state represented by the following formula, and thereafter, the energy of the superconducting flux qubit 202 is removed from the resonance condition and separated from the spin ensemble.
（Ａ３）
次に、磁場勾配を生成し、スピンアンサンブルの状態に以下の式に示すように位相を付加する。磁場勾配を印加する時間Ｔは、Ｔ＝２π／（μＬ）と表される。Ｌはスピンアンサンブルの（磁場勾配をかけている方向の）長さを表し、ｄＢ／ｄｘは磁場勾配の強さを表し、μは磁気モーメント（magnetic moment）を表す。
(A3)
Next, a magnetic field gradient is generated, and a phase is added to the state of the spin ensemble as shown in the following equation. The time T for applying the magnetic field gradient is expressed as T = 2π / (μL). L represents the length of the spin ensemble (in the direction in which the magnetic field gradient is applied), dB / dx represents the strength of the magnetic field gradient, and μ represents the magnetic moment.
（Ａ４）
上述した（Ａ１）〜（Ａ３）をＭ回繰り返すことで、スピンアンサンブルにおいて以下の式に示す状態が得られる。
(A4)
By repeating the above-described (A1) to (A3) M times, the state shown in the following expression is obtained in the spin ensemble.
これは、Ｍ個の量子ビットを用いて｜＋＋・・・＋＞なる状態を準備したことと等価である。 This is equivalent to preparing a state of | ++... +> Using M qubits.
Ｂ．次に、スピンアンサンブル構成部２０１により形成されるスピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット２０２とによる系で、「単一量子ビットの読み出し」を行う手順について説明する。 B. Next, a procedure for performing “reading of a single qubit” in a system including the spin ensemble formed by the spin ensemble configuration unit 201 and the superconducting flux qubit 202 will be described.
（Ｂ１）
まず、スピンアンサンブルに対し、量子状態準備のときと逆向きの磁場勾配をｊＴの時間だけ印加し、スピンアンサンブルにおいて以下の式に示す状態を得る。
(B1)
First, a magnetic field gradient in the opposite direction to that in the quantum state preparation is applied to the spin ensemble for a time jT, and the state shown in the following expression is obtained in the spin ensemble.
（Ｂ２）
次に、超伝導磁束量子ビット２０２とスピンアンサンブルのエネルギーを一致させて共鳴させ、真空ラビを起こすことで、以下の式に示すスピンアンサンブルの量子状態を超伝導磁束量子ビット２０２の状態に転送し、この後、超伝導磁束量子ビット２０２のエネルギーを共鳴条件から外してスピンアンサンブルから切り離す。
(B2)
Next, the energy of the superconducting flux qubit 202 and the spin ensemble are made to resonate and resonate to generate a vacuum rabbi, thereby transferring the quantum state of the spin ensemble shown in the following equation to the state of the superconducting flux qubit 202. Thereafter, the energy of the superconducting flux qubit 202 is removed from the resonance condition and separated from the spin ensemble.
（Ｂ３）
次に、超伝導磁束量子ビット２０２の状態をジョセフソン分岐増幅測定などの方法を用いて読み出す
(B3)
Next, the state of the superconducting flux qubit 202 is read using a method such as Josephson branch amplification measurement.
Ｃ．次に、スピンアンサンブル構成部２０１により形成されるスピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット２０２とによる系で、スピンアンサンブル上のｊ番目の量子ビットに「単一量子ビットの回転操作」を行うための手順について説明する。 C. Next, a procedure for performing a “rotation operation of a single qubit” on the j-th qubit on the spin ensemble in the system including the spin ensemble formed by the spin ensemble component 201 and the superconducting flux qubit 202 Will be described.
（Ｃ１）
はじめに、量子状態準備のときと逆向きの磁場勾配を、ｊＴの時間だけ印加し、スピンアンサンブルにおいて以下の式に示す状態を得る。
(C1)
First, a magnetic field gradient opposite to that in the quantum state preparation is applied for a time of jT, and a state shown in the following expression is obtained in the spin ensemble.
（Ｃ２）
次に、超伝導磁束量子ビット２０２とスピンアンサンブルとのエネルギーを一致させて共鳴させ、真空ラビを起こすことで、以下の式に示すスピンアンサンブルの量子状態を超伝導磁束量子ビット２０２の状態に転送したのち、超伝導磁束量子ビット２０２のエネルギーを共鳴条件から外してスピンアンサンブルから切り離す。
(C2)
Next, the energy of the superconducting flux qubit 202 and the spin ensemble are made to resonate and resonate to cause a vacuum rabbi, thereby transferring the quantum state of the spin ensemble shown in the following equation to the state of the superconducting flux qubit 202. After that, the energy of the superconducting flux qubit 202 is removed from the resonance condition and separated from the spin ensemble.
（Ｃ３）
次に、位相制御された複合マイクロ波パルス列を照射することにより、超伝導磁束量子ビット２０２に「単一量子ビットの回転操作」を行い、以下の式に示す状態とする。
(C3)
Next, by irradiating the phase-controlled composite microwave pulse train, the “conduction operation of a single qubit” is performed on the superconducting magnetic flux qubit 202 to obtain the state shown in the following equation.
（Ｃ４）
次に、スピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット２０２とによる系を共鳴させて真空ラビを起こすことで、上述した超伝導磁束量子ビット２０２の状態をスピンアンサンブルに転送して以下に式に示す状態とし、この後、超伝導磁束量子ビット２０２のエネルギーを共鳴条件から外してスピンアンサンブルから切り離す。
(C4)
Next, the state of the superconducting magnetic flux qubit 202 is transferred to the spin ensemble by resonating the system of the spin ensemble and the superconducting magnetic flux qubit 202 to cause vacuum rabbi, and the state shown in the following equation Thereafter, the energy of the superconducting flux qubit 202 is removed from the resonance condition and separated from the spin ensemble.
（Ｃ５）
次に、量子状態準備のときと同じ向きの磁場勾配を、スピンアンサンブルに対してｊＴの時間だけ印加し、以下の式に示す状態とする。
(C5)
Next, a magnetic field gradient in the same direction as in the quantum state preparation is applied to the spin ensemble for jT time, and the state shown in the following equation is obtained.
Ｄ．次に、スピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット２０２とによる系で、スピンアンサンブル上のｊ番目の量子ビットとｋ番目の量子ビットの間に「２量子ビット間のゲート操作」を行う手順について説明する。 D. Next, a procedure for performing a “gate operation between two qubits” between the j-th qubit and the k-th qubit on the spin ensemble in a system including the spin ensemble and the superconducting magnetic flux qubit 202 will be described. .
（Ｄ１）
最初に、量子状態準備のときと逆向きの磁場勾配を、スピンアンサンブルに対してｊＴの時間だけ印加して以下の式に示す状態とする。なお、超伝導磁束量子ビット２０２は、｜＋＞の状態である。
(D1)
First, a magnetic field gradient in the opposite direction to that in the quantum state preparation is applied to the spin ensemble for jT time to obtain a state shown in the following equation. The superconducting flux qubit 202 is in a state of | +>.
（Ｄ２）
次に、スピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット２０２とを共鳴させて真空ラビを起こすことで、以下の式に示すスピンアンサンブルの量子状態を超伝導磁束量子ビット２０２の状態に転送し、この後、超伝導磁束量子ビット２０２のエネルギーを共鳴条件から外してスピンアンサンブルから切り離す。
(D2)
Next, by resonating the spin ensemble and the superconducting flux qubit 202 to cause vacuum rabbi, the quantum state of the spin ensemble shown in the following formula is transferred to the state of the superconducting flux qubit 202, and then The energy of the superconducting flux qubit 202 is removed from the resonance condition and separated from the spin ensemble.
（Ｄ３）
次に、量子状態準備のときと逆向きの磁場勾配を、スピンアンサンブルに対して（ｋ−ｊ）Ｔの時間だけ印加し、以下の式に示す状態とする。
(D3)
Next, a magnetic field gradient opposite to that in the quantum state preparation is applied to the spin ensemble for a time of (k−j) T, and the state shown in the following equation is obtained.
（Ｄ４）
次に、超伝導磁束量子ビット２０２のエネルギーを変化させてから、超伝導磁束量子ビット２０２とスピンアンサンブル間の相互作用を利用して「controlled phase gate」をかけたのち、超伝導磁束量子ビット２０２のエネルギーを共鳴条件から外してスピンアンサンブルから切り離す。
(D4)
Next, after changing the energy of the superconducting flux qubit 202 and applying a “controlled phase gate” using the interaction between the superconducting flux qubit 202 and the spin ensemble, the superconducting flux qubit 202 is applied. The energy of is removed from the resonance condition and separated from the spin ensemble.
「controlled phase gate」の構成は以下のように行う。超伝導磁束量子ビット２０２の周波数とスピンのエネルギー差Δを、スピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット２０２との間の結合定数ｇの数倍程度に調整することで、相互作用を以下の式（１２）に示すような「Dispersive」型にすることが可能である（非特許文献３参照）。 The “controlled phase gate” is configured as follows. By adjusting the frequency and spin energy difference Δ of the superconducting flux qubit 202 to about several times the coupling constant g between the spin ensemble and the superconducting flux qubit 202, the interaction is expressed by the following equation (12 The “Dispersive” type as shown in FIG.
この相互作用を用いて「controlled phase gate」が構成できる。このとき、スピンアンサンブルに蓄えている他の状態に影響を与えず、目標の状態間にのみ効果的に「controlled phase gate」を構成するためには、スピンアンサンブル中に存在するスピンの数Ｎの平方根（ｎ）1/2を、スピンアンサンブルに蓄えている状態数Ｍよりも十分に大きくしておく必要がある。 Using this interaction, a “controlled phase gate” can be constructed. At this time, in order to effectively form a “controlled phase gate” only between the target states without affecting other states stored in the spin ensemble, the number N of spins existing in the spin ensemble It is necessary to make the square root (n) 1/2 sufficiently larger than the number of states M stored in the spin ensemble.
（Ｄ５）
次に、量子状態準備のときと同じ向きの磁場勾配を、スピンアンサンブルに対して（ｋ−ｊ）Ｔの時間だけ印加し、以下の式に示す状態とする。
(D5)
Next, a magnetic field gradient in the same direction as in the quantum state preparation is applied to the spin ensemble for a time of (k−j) T, so that the state shown in the following equation is obtained.
（Ｄ６）
次に、スピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット２０２とを共鳴させて真空ラビを起こすことで超伝導磁束量子ビット２０２の状態をスピンアンサンブルに転送し、この後、超伝導磁束量子ビット２０２のエネルギーを共鳴条件から外してスピンアンサンブルから切り離す。
(D6)
Next, the state of the superconducting flux qubit 202 is transferred to the spin ensemble by resonating the spin ensemble and the superconducting flux qubit 202 to cause vacuum rabbi, and then the energy of the superconducting flux qubit 202 is transferred to the spin ensemble. Remove from the resonance condition and remove from the spin ensemble.
（Ｄ７）
次に、量子状態準備のときと同じ向きの磁場勾配を、スピンアンサンブルに対してｊＴの時間だけ印加し、以下の式に示す状態とする。
(D7)
Next, a magnetic field gradient in the same direction as in the quantum state preparation is applied to the spin ensemble for jT time, and the state shown in the following equation is obtained.
以上のようにして、Ａ．多数量子ビットの状態準備、Ｂ．単一量子ビットの読み出し、Ｃ．単一量子ビットの回転操作、Ｄ．２量子ビット間のゲート操作、という量子計算に必要な機能を、１つのスピンアンサンブルと１つの超伝導磁束量子ビット２０２に持たせることができる。これらの機能の中で、ＢおよびＣに関してはすでに実験的実証が行われている（非特許文献４参照）。 As described above, A. B. preparation of multiple qubit states; C. single qubit read, C.I. Rotation of a single qubit; One spin ensemble and one superconducting magnetic flux qubit 202 can be provided with a function necessary for quantum computation such as gate operation between two qubits. Among these functions, B and C have already been experimentally verified (see Non-Patent Document 4).
［実施例２］
次に、実施例２について図３Ａ，図３Ｂを用いて説明する。図３Ａ，図３Ｂは、本発明の実施の形態における実施例２の量子計算装置の構成を示す構成図である。この量子計算装置は、複数のＮＶ中心を有するダイヤモンドからなるスピンアンサンブル構成部３０１と、超伝導磁束量子ビット３０２とを備える。図中、ジョセフソン接合は、「×」で示している。スピンアンサンブル構成部３０１は、超伝導磁束量子ビット３０２の上に配置されている。実施例２では、図３Ａ，図３Ｂに示すように、ジョセフソン接合が形成されている領域を含めた一部の超伝導磁束量子ビット３０２を覆う状態で、超伝導磁束量子ビット３０２の上にスピンアンサンブル構成部３０１を配置する。
[Example 2]
Next, Example 2 will be described with reference to FIGS. 3A and 3B. 3A and 3B are configuration diagrams showing the configuration of the quantum computation device of Example 2 in the embodiment of the present invention. This quantum computing device includes a spin ensemble component 301 made of diamond having a plurality of NV centers and a superconducting flux qubit 302. In the figure, the Josephson junction is indicated by “x”. The spin ensemble component 301 is disposed on the superconducting flux qubit 302. In Example 2, as shown in FIGS. 3A and 3B, the superconducting flux qubit 302 is covered on a part of the superconducting flux qubit 302 including the region where the Josephson junction is formed. A spin ensemble component 301 is arranged.
スピンアンサンブル構成部３０１は、濃度が１ｃｍ3あたり１０16から１０18個程度のＮＶ中心を含有したダイヤモンド単結晶から構成し、例えば、直方体の形状とされている。スピンアンサンブル構成部３０１は、極めて高純度なダイヤモンド単結晶にイオン注入もしくは電子線照射で窒素原子を導入することで作製できる。イオン注入や電子線照射を行う際には、ダイヤモンド単結晶（スピンアンサンブル構成部３０１）の表面が、超伝導磁束量子ビット３０２を構成する超伝導配線に接触した状態で、ダイヤモンド結晶内部に形成されるスピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビット３０２との距離が、数ナノメートルから離れても数百ナノメートル以下になるように調整を行う。例えば、注入深さを制御することで、上述した調整を行う。 The spin ensemble component 301 is composed of a diamond single crystal containing NV centers with a concentration of about 10 16 to 10 18 per cm 3 , and has a rectangular parallelepiped shape, for example. The spin ensemble component 301 can be produced by introducing nitrogen atoms into an extremely high purity diamond single crystal by ion implantation or electron beam irradiation. When performing ion implantation or electron beam irradiation, the surface of the diamond single crystal (spin ensemble component 301) is formed inside the diamond crystal in contact with the superconducting wiring constituting the superconducting flux qubit 302. Adjustment is performed such that the distance between the spin ensemble and the superconducting flux qubit 302 is several hundred nanometers or less even if it is separated from several nanometers. For example, the above-described adjustment is performed by controlling the implantation depth.
実施例２によれば、スピンアンサンブル構成部３０１に形成されているＮＶ中心によるスピンアンサンブルと、超伝導磁束量子ビット３０２とのコヒーレントな結合ができ、これらの系の間に「controlled phase gate」を形成することや、超伝導磁束量子ビット３０２の量子状態を、ＮＶ中心によるスピンアンサンブルへ転送することが可能となる。 According to the second embodiment, coherent coupling between the spin ensemble formed by the NV center formed in the spin ensemble component 301 and the superconducting magnetic flux qubit 302 is possible, and a “controlled phase gate” is established between these systems. It is possible to form and transfer the quantum state of the superconducting flux qubit 302 to the spin ensemble by the NV center.
また、「×」で示しているジョセフソン接合の臨界電流値を設計することによって、図中、太い矢印で示す永久電流を、超伝導磁束量子ビット３０２に数μアンペア程度まで流すことができる。この電流を利用することで、スピンアンサンブル構成部３０１に形成されるスピンアンサンブルに対し、図３Ａ，図３Ｂに上下方向の細い線の矢印で示すように、１μｍあたり数十μテスラから数百μテスラ程度の傾斜磁場を生成することができる。 In addition, by designing the critical current value of the Josephson junction indicated by “x”, a permanent current indicated by a thick arrow in the figure can be supplied to the superconducting flux qubit 302 to about several μamperes. By using this current, the spin ensemble formed in the spin ensemble component 301 is compared with several tens of μ Tesla to several hundred μ per μm as shown by the thin vertical arrows in FIGS. 3A and 3B. A gradient magnetic field of about Tesla can be generated.
これらの傾斜磁場により、数μ秒程度で、スピンアンサンブル構成部３０１に形成されるスピンアンサンブルのＷ状態を、Ｗθ状態へと変化させることができる。スピンアンサンブルを構成するＮＶ中心のコヒーレント時間は、室温（２０℃程度）でも数ミリ秒あるため、実施例２においても、前述した実施例１と同様に、上述した傾斜磁場の印加によりスピンアンサンブルに少なくとも数十量子ビットの情報をコヒーレント時間内に蓄えることができる。 With these gradient magnetic fields, the W state of the spin ensemble formed in the spin ensemble constituting unit 301 can be changed to the Wθ state in about several microseconds. Since the coherent time of the NV center constituting the spin ensemble is several milliseconds even at room temperature (about 20 ° C.), the spin ensemble is applied to the spin ensemble in the second embodiment by applying the gradient magnetic field as described above. Information of at least several tens of qubits can be stored within the coherent time.
また、実施例２においても、前述した実施例１と同様に、Ａ．多数量子ビットの状態準備、Ｂ．単一量子ビットの読み出し、Ｃ．単一量子ビットの回転操作、Ｄ．２量子ビット間のゲート操作、という量子計算に必要な機能を、１つのスピンアンサンブルと１つの超伝導磁束量子ビット３０２に持たせることができる。 In Example 2, as in Example 1 described above, A. B. preparation of multiple qubit states; C. single qubit read, C.I. Rotation of a single qubit; One spin ensemble and one superconducting flux qubit 302 can be provided with a function necessary for quantum computation of gate operation between two qubits.
［実施例３］
次に、実施例３について図４Ａ，図４Ｂを用いて説明する。図４Ａ，図４Ｂは、本発明の実施の形態における実施例３の量子計算装置の構成を示す構成図である。この量子計算装置は、複数のＮＶ中心を有するダイヤモンドからなるスピンアンサンブル構成部４０１と、超伝導磁束量子ビット４０２と、外部制御線４０３，外部制御線４０４とを備える。図中、ジョセフソン接合は、「×」で示している。
[Example 3]
Next, Example 3 will be described with reference to FIGS. 4A and 4B. 4A and 4B are configuration diagrams illustrating the configuration of the quantum computation device according to Example 3 in the embodiment of the present invention. This quantum computing device includes a spin ensemble component 401 made of diamond having a plurality of NV centers, a superconducting magnetic flux qubit 402, an external control line 403, and an external control line 404. In the figure, the Josephson junction is indicated by “x”.
スピンアンサンブル構成部４０１は、超伝導磁束量子ビット４０２の上に配置されている。実施例３では、図４Ａ，図４Ｂに示すように、超伝導磁束量子ビット４０２を覆う状態で、超伝導磁束量子ビット４０２の上にスピンアンサンブル構成部４０１を配置する。スピンアンサンブル構成部４０１は、前述した実施例２と同様である。 The spin ensemble component 401 is disposed on the superconducting flux qubit 402. In the third embodiment, as shown in FIGS. 4A and 4B, the spin ensemble configuration unit 401 is disposed on the superconducting flux qubit 402 in a state of covering the superconducting flux qubit 402. The spin ensemble configuration unit 401 is the same as that of the second embodiment described above.
実施例３によれば、スピンアンサンブル構成部４０１に形成されているＮＶ中心によるスピンアンサンブルと、超伝導磁束量子ビット４０２とのコヒーレントな結合ができ、これの系の間に「controlled phase gate」を形成することや、超伝導磁束量子ビット４０２の量子状態を、ＮＶ中心による電子のスピンアンサンブルへ転送することが可能となる。 According to the third embodiment, the spin ensemble formed by the NV center formed in the spin ensemble component 401 and the superconducting flux qubit 402 can be coherently coupled, and a “controlled phase gate” is formed between these systems. It is possible to transfer the quantum state of the superconducting flux qubit 402 to the electron spin ensemble by the NV center.
また、外部制御線４０３，外部制御線４０４に、図４Ａ，図４Ｂに太い矢印で示すように電流を流すことで、スピンアンサンブル構成部４０１に形成されるスピンアンサンブルに対し、図４Ａ，図４Ｂに細い線の矢印で示すように、１μｍあたり数十μテスラから数百μテスラ程度の傾斜磁場を生成することができる。 4A and 4B with respect to the spin ensemble formed in the spin ensemble configuration unit 401 by passing a current through the external control line 403 and the external control line 404 as shown by thick arrows in FIGS. 4A and 4B. As shown by thin line arrows, a gradient magnetic field of about several tens of μ Tesla to several hundred μ Tesla per 1 μm can be generated.
これらの傾斜磁場により、数μ秒程度で、スピンアンサンブル構成部４０１に形成されるスピンアンサンブルのＷ状態を、Ｗθ状態へと変化させることができる。スピンアンサンブルを構成するＮＶ中心のコヒーレント時間は、室温（２０℃程度）でも数ミリ秒あるため、実施例３においても、前述した実施例１，２と同様に、上述した傾斜磁場の印加によりスピンアンサンブルに少なくとも数十量子ビットの情報をコヒーレント時間内に蓄えることができる。 With these gradient magnetic fields, the W state of the spin ensemble formed in the spin ensemble constituting unit 401 can be changed to the Wθ state in about several microseconds. Since the coherent time of the NV center constituting the spin ensemble is several milliseconds even at room temperature (about 20 ° C.), in the third embodiment, as in the first and second embodiments, the spin field is applied by applying the gradient magnetic field described above. Information of at least several tens of qubits can be stored in the ensemble within a coherent time.
また、実施例３においても、前述した実施例１と同様に、Ａ．多数量子ビットの状態準備、Ｂ．単一量子ビットの読み出し、Ｃ．単一量子ビットの回転操作、Ｄ．２量子ビット間のゲート操作、という量子計算に必要な機能を、１つのスピンアンサンブルと１つの超伝導磁束量子ビット４０２に持たせることができる。 In Example 3, as in Example 1 described above, A. B. preparation of multiple qubit states; C. single qubit read, C.I. Rotation of a single qubit; One spin ensemble and one superconducting flux qubit 402 can be provided with a function necessary for quantum computation, that is, a gate operation between two qubits.
以上に説明したように、本発明によれば、スピンアンサンブルと超伝導磁束量子ビットとの間の距離を、超伝導磁束量子ビットにおける量子状態が維持される時間内で一方の量子状態が他方に転送可能な範囲としたので、１つのスピンアンサンブルと１つの超伝導磁束量子ビットの２つだけの素子で量子計算の実行が可能になり、より少ない素子で量子計算装置が構成できるようになる。この結果、制作が容易になるのみならず、制御する必要のある系が少ないためにノイズを抑制することができる。 As described above, according to the present invention, the distance between the spin ensemble and the superconducting flux qubit is set so that one quantum state is changed to the other within the time period in which the quantum state in the superconducting flux qubit is maintained. Since the transfer range is adopted, the quantum calculation can be executed with only two elements of one spin ensemble and one superconducting flux qubit, and the quantum calculation apparatus can be configured with fewer elements. As a result, not only production is facilitated, but noise can be suppressed because there are few systems that need to be controlled.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.
１０１…スピンアンサンブル、１０２…超伝導磁束量子ビット、１０３…量子状態制御部、１０４…量子状態測定部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Spin ensemble, 102 ... Superconducting flux qubit, 103 ... Quantum state control part, 104 ... Quantum state measurement part.
Claims (3)
前記スピンアンサンブルに近設された超伝導磁束量子ビットと、
前記スピンアンサンブルに磁場勾配を印加する磁場勾配印加部と
を備え、
前記スピンアンサンブルと前記超伝導磁束量子ビットとの間の距離は、前記超伝導磁束量子ビットにおける量子状態が維持される時間内で一方の量子状態が他方に転送可能な範囲とされていることを特徴とする量子計算装置。 A spin ensemble composed of a group of multiple electron spins that caused zero magnetic field splitting,
A superconducting flux qubit close to the spin ensemble ;
A magnetic field gradient application unit that applies a magnetic field gradient to the spin ensemble ,
The distance between the spin ensemble and the superconducting flux qubit is such that one quantum state can be transferred to the other within the time in which the quantum state in the superconducting flux qubit is maintained. Quantum computing device.
前記超伝導磁束量子ビットの量子状態を制御する量子状態制御手段と、
前記超伝導磁束量子ビットの量子状態を測定する量子状態測定手段と
を備えることを特徴とする量子計算装置。 The quantum computing device according to claim 1,
Quantum state control means for controlling the quantum state of the superconducting flux qubit;
And a quantum state measuring means for measuring a quantum state of the superconducting flux qubit.
前記スピンアンサンブルは、ダイヤモンドの中に形成された複数のＮＶ中心から構成されたものであることを特徴とする量子計算装置。 The quantum computing device according to claim 1 or 2,
The quantum computing device, wherein the spin ensemble is composed of a plurality of NV centers formed in diamond.
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