JP5910968B2

JP5910968B2 - 量子コンピュータ

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Publication number: JP5910968B2
Application number: JP2012521447A
Authority: JP
Inventors: 裕康小泉
Original assignee: University of Tsukuba NUC
Current assignee: University of Tsukuba NUC
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2031-06-17
Also published as: JPWO2011162172A1; US20130088224A1; US9224099B2; WO2011162172A1

Description

本発明は、例えばモット絶縁体薄膜に磁場を印加する際に、モット絶縁体薄膜にドープしたホール、又は電子の周囲に発生するループ電流を利用して、量子ビットを定義し、量子演算を行う量子コンピュータに関する。

量子コンピュータは、１ビットについて“０”か“１”の値しか持ち得ない従来型コンピュータに対して、１ビットにつき“０”と“１”の値を任意の割合で重ね合わせて保持することができ、ｎ量子ビットであれば２のｎ乗の状態を並列的に計算することが可能である。このため、量子コンピュータは、例えば原子核スピンや光子の偏極等の量子ビットを用いる。

現在までに、下記に示す量子ビットを利用した量子コンピュータが提案されている（例えば、特許文献１乃至３を参照）。
（１）核磁気共鳴を利用する（原子核のスピン状態を利用）。
（２）イオントラップを利用する（イオンの電子状態を利用）。
（３）量子光学を利用する（光子の偏極を利用）。
（４）量子ドットを利用する（電荷数の違う状態を利用）。
（５）超伝導量子ビットを利用する（磁束又はクーパー対の数を利用）。

そして、量子コンピュータにおいて用いられる量子ビットは、当然のことながら、以下に示す３つの属性が必要である。
（１）量子状態が計算中安定であること。
（２）量子状態の変化を制御出来ること。
（３）大規模集積化が可能であること。

特開２００６−１３５０５４号公報特開２００３−２２７８０５号公報特開２００３−２６０７００号公報

ところで、従来の量子コンピュータの内、例えば核磁気共鳴型の量子コンピュータは、次式に示すハミルトニアン（運動方程式）に基づき、量子ビットの定義及び制御を行っている。

但し、ここで、Ｈ：ハミルトニアン、Ｎ：量子ビットの総数、Ｉ_i：ｉ番目の核スピンの量子状態（スピンが上向きなら１、下向きなら−１）、ε_i：ｉ番目の量子状態間のエネルギー差、Ｊ_ij：ｉ番目とｊ番目の核スピン間に働く相互作用のエネルギー、を意味する。

また、上記原子核のスピン状態を量子ビットにした核磁気共鳴型量子コンピュータで用いることができる制御可能な量子ビットとして、１２量子ビット（２００６年に達成された数値）が最高値でありこれがすべての量子コンピュータの最高記録である。現在までに提案されている量子ビットでは、その数を飛躍的に増大することは困難であると考えられている。

しかし、量子コンピュータの実用化のためには、１００量子ビット以上が必要であり、従来から、１００量子ビット以上を得ることができる量子ビットの開発が強く望まれていた。しかし、従来の量子コンピュータで用いられる量子ビットの属性は、上記した３つの主要な属性を必ずしも満足するものではなくその達成の見込みはなかった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、安定な量子ビットを生成して、１素子当たりの量子ビット数を１００量子ビット以上とすると共に、量子ビットに必要な属性、すなわち計算中における量子状態の安定性、量子状態の制御性を確保することができ、さらには量子ビットの大規模集積化を可能とする量子コンピュータを提供することを目的としている。

また、本発明は、結晶の育成方法が確立し、比較的安価に作成可能な銅酸化物超伝導体を用いて、モット絶縁体薄膜を製作することができ、これによって量子ビット基板の製造コストを低く抑えながら、１素子当たりの量子ビット数を１００量子ビット以上にすることができると共に、量子ビットに必要な属性、すなわち計算中において量子状態を安定に保つことができ、また量子状態の変化を制御することができ、さらに量子ビットを大規模集積化することができる量子コンピュータを提供することを目的とする。

また、本発明は、量子ビット基板にドープされた各ホールの位置、各電子の位置と各量子ビットの関係を最適化させることができ、さらに１素子当たりの量子ビット数を１００量子ビット以上にすることができると共に、量子ビットに必要な属性、すなわち計算中において量子状態を安定に保つことができ、また量子状態の変化を制御することができ、さらに量子ビットを大規模集積化することができる量子コンピュータを提供することを目的としている。

さらに、本発明は、量子ビット基板にドープされた各ホールの位置、各電子の位置と共に、各量子ビットの量子状態間のエネルギー差を調整することにより、１素子当たりの量子ビット数を１００量子ビット以上とし、さらに量子ビットを大規模集積化することができる量子コンピュータを提供することを目的としている。

本発明は、上記の目的を達成するために、量子ビットを使用して量子演算を行う量子コンピュータにおいて、製造時に１つ以上のホール又は１つ以上の電子がドープされたモット絶縁体薄膜を有する量子ビット基板と、前記量子ビット基板に磁場を印加して、前記モット絶縁体薄膜に形成された前記各ホール又は前記各電子を中心にしたスピン渦を生成すると共に、スピン渦に対応した右回り又は左回りのループ電流を生成し、その２状態にエネルギー差を与え量子ビットとする磁場発生ユニットと、量子演算データを含み、前記ループ電流が生成された量子状態系を量子ビットとして制御する電磁波を生成して、前記量子ビット基板に照射する量子演算データ供給ユニットと、反射光または透過光の偏光依存性によるループ電流の回転方向を特定し、前記量子ビット基板の量子演算結果を取り出す量子演算結果読み出しユニットとを備えたことを特徴としている。

また、本発明は、請求項１に記載の量子コンピュータにおいて、前記モット絶縁体薄膜として、ホールドープ型銅酸化物超伝導体薄膜を使用することを特徴としている。

また、本発明は、前記量子ビット基板に量子演算を行う前、走査型プローブ顕微鏡の探針を動作して、前記モット絶縁体薄膜にドープされた前記各ホール、又は前記各電子の位置を調整することを特徴としている。

また、本発明は、前記磁場発生ユニットによって、前記量子ビット基板に不均一な磁場を印加し、前記量子ビット基板に量子演算を行う前、各量子ビットの状態間のエネルギー差を調整することを特徴としている。

さらに、本発明は、前記量子コンピュータにおいて、初期化指示が入力されたとき、前記磁場発生ユニットによって、前記量子ビット基板に強い磁場を印加して、前記モット絶縁体薄膜に形成された前記各ホール、又は前記各電子に対応するループ電流をすべて右回り、又はすべて左回りに統一し、前記量子ビット基板を初期化することを特徴としている。

本発明の請求項１に記載の量子コンピュータでは、安定な量子ビットを生成して、１素子当たりの量子ビット数を１００量子ビット以上にすることが可能であると共に、量子ビットに必要な属性、すなわち計算中における量子状態の安定性、量子状態の制御性を確保することができ、さらに量子ビットの大規模集積化を可能にすることができる。

また、請求項２の量子コンピュータでは、比較的安価に作成できるホールドープ型銅酸化物超伝導体を用いてモット絶縁体薄膜を製作することができ、これによって量子ビット基板の製造コストを低く抑えながら、１素子当たりの量子ビット数を１００量子ビット以上にすることが可能であると共に、量子ビットに必要な属性、すなわち計算中において量子状態を安定することができ、また量子状態の変化を制御することができ、さらに量子ビットを大規模集積化することができる。

また、請求項３の量子コンピュータでは、量子ビット基板にドープされた各ホールの位置、各電子の位置などを最適化して、各量子ビットの関係を最適化することができ、さらに１素子当たりの量子ビット数を１００量子ビット以上にすることが可能であると共に、量子ビットに必要な属性、すなわち計算中において量子状態を安定することができ、また量子状態の変化を制御することができ、さらに量子ビットを大規模集積化することができる。

また、請求項４の量子コンピュータでは、量子ビット基板にドープされた各ホールの位置、各電子の位置と共に、量子ビット基板に形成される各量子ビットの量子状態間のエネルギー差を調節して、各量子ビットの関係を最適化することができ、さらに１素子当たりの量子ビット数を１００量子ビット以上にすることが可能であると共に、量子ビットに必要な属性、すなわち計算中において量子状態を安定することができ、また量子状態の変化を制御することができ、さらに量子ビットを大規模集積化することができる。

また、請求項５の量子コンピュータでは、量子ビット基板に量子演算を行う前に、簡単な操作で、量子ビット基板を初期化することができ、さらに１素子当たりの量子ビット数を１００量子ビット以上にすることが可能であると共に、量子ビットに必要な属性、すなわち計算中において量子状態を安定することができ、また量子状態の変化を制御することができ、さらに量子ビットを大規模集積化することができる。

本発明による量子コンピュータの一形態を示すブロック図である。図１に示す量子コンピュータの動作例を示すフローチャートである。図１に示す量子ビット基板にドープされたホールの位置、ループ電流の回り方向を調整するときの動作例を示す模式図である。図１に示す量子ビット基板に対し、量子演算データを供給するときの動作例を示す模式図である。図１に示す量子ビット基板から量子演算結果を読み出すときの動作例を示す模式図である。図１に示す量子ビット基板から量子演算結果を読み出すときの動作例を示す模式図である。本発明による量子コンピュータで使用する量子ビット基板の概要を示す斜視図である。図７に示す量子ビット基板内にドープされたホールとホールに対応して生成されるスピン渦との関係を示す模式図である。図７に示す量子ビット基板内に生成される右回りのループ電流と、左回りのループ電流との組み合わせ例を示す模式図である。

最初に、本発明による量子コンピュータの詳細に説明に先立ち、本発明で使用する量子ビットについて説明する。

図７は、本発明による量子コンピュータで使用する量子ビット基板の概要を示す斜視図である。図７に示す量子ビット基板１は、ＳｒＴｉＯ_３のベース基板２上にランタン系又はビスマス系又はイットリウム系のホールドープ型銅酸化物超伝導体薄膜３を成長させたものである。この薄膜３内のＣｕＯ_２平面を２次元モット絶縁体薄膜として使用する。この薄膜内では強い電子格子相互作用によりドープされたホール４が低温で局在化する。銅酸化物超伝導体の組成により、薄膜作成行程で、複数のホール４がドープされた２次元モット絶縁体薄膜が銅酸化物超伝導体薄膜３の内部に構成されている。

そして、図８の模式図に示す如く液体ヘリウムなどによって、量子ビット基板１を冷却した状態で、不均一の強い磁場を印加する。これにより、銅酸化物超伝導体薄膜３のＣｕＯ_２平面内にドープされた各ホール４の中心（点Ａ、Ｍ）を軸にしたスピン渦６が発生し、各スピン渦６が結合／分岐して右回りのループ電流５、又は左回りのループ電流５が生成される。このように、本願の発明者は、ホール４の周りにスピン渦６が生じると、その周りに安定的なループ電流５が生成することを理論的に証明し、さらには、銅酸化物にスピン渦とそれに伴うループ電流が生成することを実験結果の理論シュミレーションによって確認したのである。

この状態で、銅酸化物超伝導体薄膜３内に形成された各ホール４の中から１つのホール４を選択した後、走査型プローブ顕微鏡の探針を、選択したホール４部分に近接する。次いで、探針の位置をずらし、選択したホール４の位置を調整する。以下、他の各ホール４についても、同じ処理を施して異なる量子ビット間の相互作用が適度な大きさになるように並べる。さらに、不均一磁場を利用し、各量子ビットの量子状態間のエネルギー差がすべて異なり、それぞれの量子ビットの単一ビット操作が独立して行えるようにする。

これにより、ホール４の数が“ｎ”であれば、“２^ｎ”個の状態のいずれか、例えばホール４の数が“４”であれば、図９（ａ）乃至（ｈ）に示す８つの状態、又はこれら８つの状態を各々、反転させた８つの状態（右回りのループ電流５を左回りのループ電流５に反転させ、左回りのループ電流５を右回りのループ電流５に反転させた８つの状態）のうちのいずれか１つの状態になる。

本発明では、この量子ビット基板１を用い、各ホール４毎のスピン渦６が結合／分岐して生成される各右回りのループ電流５と、各左回りのループ電流５とによって、次式に示すハミルトニアンに基づき、量子ビットを制御する。

但し、ここで、Ｈ：ハミルトニアン、Ｎ：量子ビットの総数、Ｗ_i：ｉ番目のループ電流５の量子状態（ループ電流５が右回りなら“１”、左回りなら“−１”）、ε_i：ｉ番目の量子状態間のエネルギー差、Ｊ_ij：ｉ番目とｊ番目のループ電流間に働く相互作用のエネルギー、を意味する。

この際、不均一な磁場と、走査型プローブ顕微鏡とを用いて、各ホール４の位置、各量子ビットの量子状態間のエネルギー差を調整しているので、量子ビットの制御が容易である。

また、量子演算を行う場合には、演算対象データに対応する量子演算データを生成すると共に、この量子演算データに対応した波長の強力な電磁波を決められた時間、決められた順番で量子ビット基板１に照射する。これにより、量子演算データに対応した新たな量子状態を生成することができる。

また、量子演算の演算結果を取り出す場合には、ビーム径を絞った強力コヒーレント光を生成し、これを量子ビット基板１の各量子ビットに照射する。この反射光または透過光の偏光依存性を測定し、演算終了後の各量子ビットの状態を得、演算結果を知ることができる。

図１は、本発明による量子コンピュータの一形態を示すブロック図である。図１に示す量子コンピュータ１１は、操作員によって操作される入力装置１２と、量子ビット基板１の各ホールの位置などを調整するときに使用される走査型プローブ顕微鏡１３と、量子ビット基板１を用いて量子演算を行う演算装置１４と、量子ビット基板１の量子演算結果を読み出して表示する出力装置１５とを備えており、走査型プローブ顕微鏡１３、演算装置１４を動作して、演算装置１４内の量子ビット基板１にドープされた各ホール４の位置を調整した状態で、入力装置１２から演算対象となる量子演算データに対応する電磁波１９を出射して、量子ビット基板１に量子演算を行わせた後、出力装置１５からビーム径を絞った強力コヒーレント光パルス２０を出射して量子ビット基板１に照射し、反射光または透過光の偏光依存性から、量子演算結果を測定し、画面表示する。

入力装置１２は、通常のコンピュータと同様に、キーボード、マウスなどの入力デバイスによって構成される入力ユニット１６と、入力ユニット１６から出力される演算対象データを量子演算データに変換するデータ変換ユニット１７と、データ変換ユニット１７から出力される量子演算データに対応した波長、光強度を持つ電磁波１９を出射する電磁波出射ユニット１８とを備えており、入力ユニット１６が操作されて、量子演算準備指示、量子演算結果読取指示などの操作指示が入力されたとき、操作指示に応じた制御指示を生成して、演算装置１４及び出力装置１５を制御し、量子演算準備動作、量子演算結果読取動作等を行う。また、入力ユニット１６を操作して、演算対象データと共に、量子演算指示が入力されたとき、入力された演算対象データを量子演算データに変換すると共に、量子演算データに対応した波長、光強度を持つ電磁波１９を生成し、演算装置１４の量子ビット基板１に、演算データに対応した照射時間、照射する。

また、ビーム径を絞ったコヒーレントなx線ビームにより、ナノサイズの磁性やループ電流の検出が可能であることから、本量子コンピュータの出力装置１５は、入力装置１２からの制御指示に応じて、ビーム径を絞った強力コヒーレント光パルス２０を生成して、演算装置１４の量子ビット基板１に照射した後、量子ビット基板１からの反射光または透過光２１を取り込んで、受信信号を生成する強力コヒーレント光パルス入出力ユニット２２と、強力コヒーレント光パルス入出力ユニット２２から出力される偏光の変化を解析して、量子演算結果を生成する反射光・透過光解析ユニット２３と、この反射光・透過光解析ユニット２３から出力される量子演算結果を取り込み画面表示する表示ユニット２４と、を備える。

ここで、入力装置１２から読み取り開始を指示する読取指示信号（制御指示）が出力されたとき、ビーム径を絞った強力コヒーレント光パルス２０を生成し、これを演算装置１４の量子ビット基板１の各量子ビットに照射して、その反射光２１を取り込んで、偏光を解析し、各量子ビットの状態を特定する。これをすべての量子ビットに対して行い量子演算の結果を得、演算結果を画面表示する。

また、走査型プローブ顕微鏡１３は、演算装置１４内に配置され、量子ビット基板１を固定する固定台２５と、操作員の手動操作によって、演算装置１４内に出入りさせ、また入力された位置データに基づき、下部側に配置された探針取付部をＸ−Ｙ−Ｚ方向に動かす３軸ステージ２６と、３軸ステージ２６の探針取付部に取り付けられ、量子ビット基板１の表面に近接した状態にされているとき、量子ビット基板１の表面状態を探る探針２７と、演算装置１４の近傍に配置される走査型プローブ顕微鏡本体２８と、を備えている。

ここで、走査型プローブ顕微鏡本体２８は、操作員の操作内容に応じて、３軸ステージ２６を制御して、探針２６を移動し、量子ビット基板１の銅酸化物超伝導体薄膜３の表面状態を測定すると共に、銅酸化物超伝導体薄膜３内にドープされた各ホール４の位置を調整する。そして、操作員の手動操作によって、３軸ステージ２６が演算装置１４内に入れられた後、操作員によって、走査型プローブ顕微鏡本体２８が操作される。

ここで、新たな位置データ、走査指示などが入力される毎に、３軸ステージ２６を制御して、探針２７の位置を移動し、量子ビット基板１の銅酸化物超伝導体薄膜３内にドープされた各ホール４の位置を調整する。そして、量子ビット基板１に形成された各ホール４の位置調整が完了した後、操作員の手動操作によって、３軸ステージ２６が演算装置１４外に出され、これら３軸ステージ２６、探針２７によって、入力装置１２から出射される強力コヒーレント光１９、出力装置１５から出射されるビーム径を絞った強力コヒーレント光パルス２０、量子ビット基板１上からの反射光２１が遮られないようにする。

また、量子ビット基板１は、ＳｒＴｉＯ_３のベース基板２上にランタン系又はビスマス系又はイットリウム系のホールドープ型銅酸化物超伝導体薄膜３を成長させたものである（図７参照）。銅酸化物中のＣｕＯ_２平面を２次元モット絶縁体薄膜として使用し、銅酸化物の作成過程での組成により、複数のホールがドープされた状態となっている。図１に示すように、演算装置１４は、この量子ビット基板１の下方に配置され、不均一な磁力線３１を発生して、量子ビット基板１に不均一な磁場を与える電磁石２９と、液体ヘリウムを用いて、固定板２５、量子ビット基板１、走査型プローブ顕微鏡１３の探針２７、電磁石２９などを冷却し、量子ビット基板１にドープされた各ホール４（図３参照）の位置、ループ電流５（図３参照）などを安定化する冷却ユニット３０（図１参照）と、を備える。尚、軟Ｘ線コヒーレント光の透過光を読み出しに使用する場合は、量子ビット基板１を十分に薄くし、サンプルステージ７（図１及び図３参照）に固定し、ホール４（図３参照）の位置にビームがあたるように位置を調整できるようにする。

ここで、量子ビット基板１を冷却しながら、不均一な強い磁場を与えて、量子ビット基板１の銅酸化物超伝導体薄膜３内に右回りのループ電流５、左回りのループ電流５を生成する。この状態で、走査型プローブ顕微鏡１３の探針２７によって、量子ビット基板１の表面が走査されたとき、走査内容に応じて、銅酸化物超伝導体薄膜３内に形成された各ホール４の位置を調整する。また、不均一磁場により各量子ビットの量子状態間のエネルギー差を異なるものにする。不均一磁場を演算開始前に一時的に強力にし、ループ電流の向きをそろえ、初期化を行う。初期化ののち、不均一磁場はもとにもどす。入力装置１２から量子演算データを含む電磁波１９が出射されて、量子ビット基板１に照射されたとき、各ホール４の状態、各ループ電流５の回り方向などを変更して、量子演算データに応じた量子演算を行う。すべての演算の終了後、出力装置１５からビーム径を絞った強力コヒーレント光パルス２０を量子ビット基板１に出射する。この強力コヒーレント光の反射光または透過光の偏光依存性を測定することにより、量子ビット基板１の量子状態を特定し、出力装置１５に供給する。

次に、図１に示す構成図、図２に示すフローチャート、図３乃至図６に示す各模式図を参照しながら、量子コンピュータ１１の動作を説明する。

まず、量子演算を開始する前に、操作員の手動操作によって、３軸ステージ２６、金属探針２７が演算装置１４内に入れられる。

この後、入力装置１２の入力ユニット１２が操作されて、冷却開始指示が入力されると、冷却ユニット３０が起動されて、量子ビット基板１乃や査型プローブ顕微鏡１３の探針２７などが冷却される（ステップＳ１）。

次いで、操作員によって入力装置１２の入力ユニット１２が操作されて、磁場生成指示が入力されると、電磁石２９が起動されて、量子ビット基板１に磁場が印加され、銅酸化物超伝導体薄膜３内にドープされた各ホール４毎にスピン渦６が生成されると共に、これらの各スピン渦６に対応するように右回りのループ電流５、左回りのループ電流５が生成される（ステップＳ２）。

この後、走査型プローブ顕微鏡本体２８が操作されて、走査型プローブ顕微鏡１３の探針２７が動かされ、量子ビット基板１の銅酸化物超伝導体薄膜３内にドープされた各ホール４の位置が調整する（ステップＳ３）。

この際、図３の模式図に示す如く電磁石２９によって、量子ビット基板１に印加される磁場の強さが不均一にされていることから、各量子ビットの量子状態間のエネルギー差が異なるものとなる。なお、符号３１は電磁石２９によって生成される磁力線を表している。

さらに、量子ビット基板１にドープされた各ホール４の位置調整が完了した後、操作員の手動操作によって、３軸ステージ２６が演算装置１４外に出され、量子ビット基板１の上部側に遮蔽物が無い状態にされる。そして、不均一磁場を一時的に強力にし、すべてのループ電流を右回り又は左回りとし、初期化したのち、もとの不均一磁場に戻す。

この状態で、入力装置１２の入力ユニット１６などが操作されて、演算対象データが入力されると、入力装置１２のデータ変換ユニット１７によって、演算対象データが量子演算データに変換されると共に、電磁波出射ユニット１８によって、量子演算データに対応した複数の波長光を含む電磁波１９が生成されて、図４の模式図に示すように、演算装置１４の量子ビット基板１に照射される。

これにより、電磁波１９に含まれている波長と照射時間に対応して、初期量子状態は量子状態が重なり合った状態に変化する。

以下、入力装置１２の入力ユニット１６などが操作されて、演算対象データが入力される毎に、上述した量子演算動作が繰り返され量子状態が複雑に絡み合った状態が作り出される（ステップＳ４乃至Ｓ６）。

次いで、入力装置１２の入力ユニット１６などが操作されて、読取指示が入力されると、出力装置１５の強力コヒーレント光パルス入出力ユニット２２によってビーム径を絞った強力コヒーレント光パルス２０が生成されて、図５の模式図に示すように量子ビット基板１の各量子ビットに照射される（ステップＳ７）。量子ビット基板１からの反射光を強力コヒーレント光パルス入出力ユニット２２で受信し、反射光解析ユニット２３で偏光を解析することより、量子ビットの状態がわかる（図６参照）。すべての量子ビットの状態を測定し、量子演算結果を得る（ステップＳ８）。量子演算結果は表示ユニット２４で画面表示される。

このように、この形態では、複数のホール４がドープされた銅酸化物超伝導体薄膜３を持つ量子ビット基板１に磁場を印加して、銅酸化物超伝導体薄膜３に形成された各ホール４を中心にしたスピン渦６を生成すると共に、各ホール４の位置、各スピン渦６に対応した右回りのループ電流５、又は左回りのループ電流５を生成した状態で、量子演算データを含む電磁波１９を量子ビット基板１に照射し、量子演算を行うようにしているので、各ループ電流５の安定性を利用して、量子ビットの値を安定することができ、これによって１素子当たりの量子ビット数を１００量子ビット以上にすることができる。

さらに、量子ビットに必要な属性、すなわち計算中における量子状態の安定性、量子状態の制御性を確保することができ、さらに量子ビットの大規模集積化を可能にすることができる。

また、この形態では、量子ビット基板１を構成するモット絶縁体薄膜として、安価に製造が可能であるホールドープ型銅酸化物超伝導体薄膜を使用するようにしているので、量子ビット基板１の製造コストを低く抑えすることができる。

また、この形態では、量子ビット基板１に量子演算を行う前、走査型プローブ顕微鏡１３の探針２７を動作して、銅酸化物超伝導体薄膜３にドープされた各ホール４の位置を調整しているので、前記数式２で示される各量子ビットの関係を最適化することができる。

また、この形態では、電磁石２９によって、量子ビット基板１に不均一な磁場を印加し、量子ビット基板１に量子演算を行う前、走査型プローブ顕微鏡１３の探針２７を動作して、銅酸化物超伝導体薄膜３にドープされた各ホール４の位置を調整する際、不均一な磁場を利用し、各量子ビットの量子状態間のエネルギー差を異なるように調整しているので、各量子ビットの関係調整を容易にすることができる。

また、入力装置１２の入力ユニット１６が操作されて、初期化指示が入力されたとき、電磁石２９によって、強い磁力線３１を生成して、量子ビット基板１に強い磁場を印加し、銅酸化物超伝導体薄膜３内にドープされた各ホール４に対応するループ電流５をすべて右回り、又はすべて左回りに統一し、量子ビット基板１を初期化する。このようにすることにより、量子ビット基板１に量子演算を行う前に、量子ビット基板１を初期化して、量子ビットを特定値にすることができる（請求項５の効果）。

また、上述した形態では、複数のホール４がドープされた銅酸化物超伝導体薄膜を使用するようにしているが、複数の電子がドープされた銅酸化物超伝導体薄膜を使用するようにしても良い。また、２次元モット絶縁体薄膜に属する他の材料によって構成される薄膜に複数のホール４、複数の電子をドープして、使用するようにしても良い。これにより、各ホール４、各電子の回りにスピン渦６を発生して、右回りのループ電流５、又は左回りのループ電流５を発生し、前記数式２で定義された量子ビットを生成することができる。

また、上述した形態では、銅酸化物超伝導体薄膜３の表面で、原子配列が乱れ易いことから、銅酸化物超伝導体薄膜３の表面から少し、内部に入った層に複数のホール４をドープして、各ホール４の状態を安定するようにしているが、銅酸化物超伝導体薄膜３の表面にコーティングなどを施して、銅酸化物超伝導体薄膜３の表面で、原子配列が乱れ難くした場合には、銅酸化物超伝導体薄膜３の表面層に複数のホール４をドープするようにしても良い。

本発明は、例えばモット絶縁体薄膜に磁場を印加している際に、モット絶縁体薄膜にドープしたホール、又は電子の周囲に発生するループ電流を利用して、量子ビットを定義し、量子演算を行う量子コンピュータに関するものであって、産業上の利用可能性を有する。

１：量子ビット基板
２：ベース基板
３：銅酸化物超伝導体薄膜（モット絶縁体薄膜）
４：ホール
５：ループ電流
６：スピン渦
７：サンプルステージ
１１：量子コンピュータ
１２：入力装置
１３：走査型プローブ顕微鏡
１４：演算装置
１５：出力装置
１６：入力ユニット
１７：データ変換ユニット
１８：電磁波出射ユニット（量子演算データ供給ユニット）
１９：電磁波
２０：ビーム径を絞った強力コヒーレント光パルス
２１：反射光または透過光
２２：強力コヒーレント光パルス入出力ユニット（量子演算結果読み出しユニット）
２３：反射光解析ユニット（量子演算結果読み出しユニット）
２４：表示ユニット
２５：固定台
２６：３軸ステージ
２７：探針
２８：走査型プローブ顕微鏡本体
２９：電磁石（磁場発生ユニット）
３０：冷却ユニット
３１：磁力線

Claims

量子ビットを使用して量子演算を行う量子コンピュータにおいて、
製造時に１つ以上のホール、又は１つ以上の電子がドープされたモット絶縁体薄膜を有する量子ビット基板と、
前記量子ビット基板に磁場を印加して、前記モット絶縁体薄膜に形成された前記各ホール又は前記各電子を中心にしたスピン渦を生成すると共に、スピン渦に対応した右回り又は左回りのループ電流を生成し、その２状態にエネルギー差を与え量子ビットとする磁場発生ユニットと、
量子演算データを含み、前記各ホール又は前記各電子を前記２状態の量子ビットにする電磁波を生成して、前記量子ビット基板に照射する量子演算データ供給ユニットと、
ビーム径を絞った強力コヒーレント光パルスを前記量子ビット基板に照射し、前記量子ビット基板での反射光又は透過光の偏光を解析して、前記量子ビット基板の量子演算結果を取り出す量子演算結果読み出しユニットと、
を備えたことを特徴とする量子コンピュータ。
請求項１に記載の量子コンピュータにおいて、
前記モット絶縁体薄膜として、ホールドープ型銅酸化物超伝導体薄膜を使用する、ことを特徴とする量子コンピュータ。
請求項１に記載の量子コンピュータにおいて、
前記量子ビット基板に量子演算を行う前に、走査型プローブ顕微鏡の探針を動作して、前記モット絶縁体薄膜にドープされた前記各ホール又は前記各電子の位置を調整する、ことを特徴とする量子コンピュータ。
請求項１に記載の量子コンピュータにおいて、
前記磁場発生ユニットによって、前記量子ビット基板に不均一な磁場を印加し、
前記量子ビット基板に量子演算を行う前に、各量子ビットのエネルギー状態の差を調整する、ことを特徴とする量子コンピュータ。
請求項１に記載の量子コンピュータにおいて、
初期化指示が入力されたとき、前記磁場発生ユニットによって、前記量子ビット基板に強い磁場を印加して、前記モット絶縁体薄膜に形成された前記各ホール、又は前記各電子に対応するループ電流をすべて右回り又はすべて左回りに統一し、前記量子ビット基板を初期化する、
ことを特徴とする量子コンピュータ。