JP6066314B2 - How to configure qubits - Google Patents
How to configure qubits Download PDFInfo
- Publication number
- JP6066314B2 JP6066314B2 JP2013095089A JP2013095089A JP6066314B2 JP 6066314 B2 JP6066314 B2 JP 6066314B2 JP 2013095089 A JP2013095089 A JP 2013095089A JP 2013095089 A JP2013095089 A JP 2013095089A JP 6066314 B2 JP6066314 B2 JP 6066314B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- qubit
- quantum
- magnetic field
- eigenstate
- spin
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 claims description 65
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 18
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 11
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 11
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 11
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 7
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002113 nanodiamond Substances 0.000 description 1
- 238000004651 near-field scanning optical microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
本発明は、磁場の低周波揺らぎが引き起こすノイズへの耐性を備える量子ビットに関する。 The present invention relates to a qubit having resistance to noise caused by low frequency fluctuations of a magnetic field.
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。このような量子計算機における基本要素として、量子ビットがある。従来の技術では、量子ドット中の電子スピンやＮＶ中心におけるスピン三重項状態など、スピン１／２粒子やスピン１粒子の状態を用いて量子ビットを構成する方法が用いられている。 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. As a basic element in such a quantum computer, there is a qubit. In the prior art, a method of forming a qubit using a state of a spin 1/2 particle or a spin 1 particle such as an electron spin in a quantum dot or a spin triplet state at an NV center is used.
しかし上述した従来のような方法では、低周波で揺らぐ磁場が環境として存在する場合、量子ビットの干渉性が破壊され、量子ビットの寿命が短くなることが知られている。例えば、スピン１／２粒子もしくはスピン１粒子の環境には、核スピンが存在することが多く、これら核スピンの生み出す磁場が、量子ビットのエネルギーに低周波揺らぎを与え、デコヒーレンスを引き起こす。量子情報の実現のためには、長寿命の量子ビットが必要であり、上述したような磁場の低周波揺らぎに起因するノイズに耐性を持つ量子ビットの開発が望まれている。 However, in the conventional method described above, it is known that when a magnetic field that fluctuates at a low frequency exists as an environment, the coherence of the qubit is destroyed and the lifetime of the qubit is shortened. For example, in the environment of spin 1/2 particles or spin 1 particles, there are many nuclear spins, and the magnetic field generated by these nuclear spins gives low-frequency fluctuations to the energy of qubits and causes decoherence. In order to realize quantum information, long-life qubits are necessary, and development of qubits that are resistant to noise caused by low-frequency fluctuations of the magnetic field as described above is desired.
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、磁場の低周波揺らぎが引き起こすノイズへの耐性を備える量子ビットが得られ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 obtain a qubit having resistance to noise caused by low-frequency fluctuations in a magnetic field.
本発明に係る量子ビットの構成方法は、１以上の整数のスピンを持つ整数スピン系に量子二準位系を結合させる第１ステップと、整数スピン系に量子二準位系を結合させた状態で得られる磁場に依存しない固有エネルギーを持つ固有状態のうち２つの第１固有状態および第２固有状態を用いて量子ビットを構成する第２ステップとを備える。 The quantum bit configuration method according to the present invention includes a first step of coupling a quantum two-level system to an integer spin system having an integer spin of 1 or more, and a state in which the quantum two-level system is coupled to an integer spin system And a second step of forming a qubit using two first eigenstates and second eigenstates among eigenstates having eigenenergy not dependent on the magnetic field obtained in step (b).
上記量子ビットの構成方法において、第２ステップでは、第１固有状態と第２固有状態とを所望の状態で重ね合わせることで、量子ビットを構成すればよい。なお、第２ステップでは、最もエネルギーが低い第１固有状態と３番目にエネルギーが低い第２固有状態とを用いて量子ビットを構成すればよい。 In the qubit configuration method, in the second step, the qubit may be configured by superimposing the first eigenstate and the second eigenstate in a desired state. In the second step, a qubit may be configured using the first eigenstate having the lowest energy and the second eigenstate having the third lowest energy.
上記量子ビットの構成方法において、整数スピン系は、ＮＶ中心を備えるダイヤモンド素子が備える電子スピンから構成し、量子二準位系は、超伝導磁束量子ビットにより構成する。加えて、第１ステップでは、ダイヤモンド素子を超伝導磁束量子ビットに近づけることで、整数スピン系に量子二準位系を結合させ、第２ステップでは、整数スピン系にマイクロ波を照射することで第１固有状態と第２固有状態とから量子ビットを構成する。 In the configuration method of the qubit, integer spin system constitutes an electron spin with the diamond element provided with NV centers, quantum two-level system is that make up a superconducting flux qubit. In addition , in the first step, the quantum element is brought closer to the superconducting flux qubit to couple the quantum two-level system to the integer spin system, and in the second step, the integer spin system is irradiated with microwaves. that make up the qubits from the first eigenstate and the second eigenstate.
以上説明したことにより、本発明によれば、磁場の低周波揺らぎが引き起こすノイズへの耐性を備える量子ビットが得られ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 qubit having resistance to noise caused by low frequency fluctuation of a magnetic field can be obtained.
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ビットの構成方法を説明するためのフローチャートである。この量子ビットの構成方法は、まず、ステップＳ１０１で、１以上の整数のスピンを持つ整数スピン系に量子二準位系を結合させる（第１ステップ）。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a flowchart for explaining a qubit configuration method according to an embodiment of the present invention. In this qubit configuration method, first, in step S101, a quantum two-level system is coupled to an integer spin system having an integer spin of 1 or more (first step).
次に、ステップＳ１０２で、整数スピン系に量子二準位系を結合させた状態で得られる磁場に依存しない固有エネルギーを持つ第１固有状態と磁場に依存しない固有エネルギーを持つ第２固有状態とを用いて量子ビットを構成する（第２ステップ）。第１固有状態と第２固有状態とを所望の状態で重ね合わせることで、量子ビットを構成する。磁場に依存しない固有エネルギーを持つ固有状態のうち２つの第１固有状態および第２固有状態を用いて量子ビットを構成することが重要である。例えば、最もエネルギーが低い第１固有状態と、３番目にエネルギーが低い第２固有状態とを用いて量子ビットを構成すればよい。 Next, in step S102, a first eigenstate having a magnetic field independent eigenenergy obtained in a state where a quantum two-level system is coupled to an integer spin system, and a second eigenstate having an eigenenergy independent of the magnetic field, A qubit is configured using (2nd step). A qubit is configured by superimposing the first eigenstate and the second eigenstate in a desired state. It is important to configure a qubit using two first eigenstates and second eigenstates among eigenstates having eigenenergy that does not depend on a magnetic field. For example, a qubit may be configured using a first eigenstate having the lowest energy and a second eigenstate having the third lowest energy.
上述したように構成した第１固有状態および第２固有状態は、磁場に対する依存性を持たない。従って、第１固有状態と第２固有状態とから構成した量子ビットは、磁場の低周波揺らぎが引き起こすノイズへの耐性を備えるものとなる。 The first eigenstate and the second eigenstate configured as described above have no dependency on the magnetic field. Therefore, the qubit composed of the first eigenstate and the second eigenstate has resistance to noise caused by the low frequency fluctuation of the magnetic field.
以下、より詳細に説明する。初めに従来技術について述べる。従来の方法においては、電子スピンなどのスピン１／２粒子や、スピン三重項状態を用いたスピン１粒子を用いて量子ビットを構成していた。しかし、このような方法では磁場の低周波揺らぎが量子的な干渉性を破壊してしまう点が問題であった。 This will be described in more detail below. First, the prior art will be described. In the conventional method, a qubit is formed using spin 1/2 particles such as electron spins or spin 1 particles using a spin triplet state. However, such a method has a problem in that the low frequency fluctuation of the magnetic field destroys the quantum interference.
従来技術の具体例のひとつとして、電子スピンのようなスピン１／２粒子を量子ビットに用いる場合を挙げる。このときハミルトニアンは以下の式（１）で記述される。 As a specific example of the prior art, a case where spin 1/2 particles such as electron spin are used for a qubit is given. At this time, the Hamiltonian is described by the following equation (1).
式（１）において、|↑>は、スピンアップの状態を表し、|↓>は、スピンダウンの状態を表し、ωは電子スピンのアップとダウンの間のエネルギー差を表すゼーマン***であり、「ω＝ｇμBＢex」となる。また、ｇは電子スピンのｇ因子を表し、μBは電子の磁気モーメント（ボーア磁子）を表し、Ｂexは外部から印加されている定磁場を表している。 In Equation (1), | ↑> represents a spin-up state, | ↓> represents a spin-down state, ω is a Zeeman splitting representing an energy difference between an electron spin up and down, “Ω = gμ B B ex ”. Further, g represents a g factor of electron spin, μ B represents an electron magnetic moment (Bohr magneton), and B ex represents a constant magnetic field applied from the outside.
ここで、印加磁場の揺らぎや環境からくる磁場の揺らぎが存在するのであれば、存在する揺らぎの影響を表すハミルトニアンは、以下の式（２）で記述される。 Here, if there is fluctuation of the applied magnetic field or fluctuation of the magnetic field coming from the environment, the Hamiltonian representing the influence of the existing fluctuation is described by the following equation (2).
式（２）において、Ｂenvは、揺らぎによる定磁場の値からのずれを表す。このため、例えば、以下の式（３）で示される電子スピンのアップとダウンの重ね合わせ状態を生成したとき、ハミルトニアンによる時間発展のためにｔ秒後の状態は、以下の式（４）で示されるように変化する。 In Equation (2), B env represents a deviation from the value of the constant magnetic field due to fluctuation. For this reason, for example, when an electron spin up and down superposition state expressed by the following equation (3) is generated, the state after t seconds due to time evolution by the Hamiltonian is expressed by the following equation (4): It will change as shown.
しかしながらこの状態間には、iωtという定磁場からくる固定された値を持つ位相のみでなく、磁場の揺らぎからくるｉｇμBＢenvというランダムな値を持つ位相が付与される。このため、位相情報に関して緩和が起こり量子的な干渉性が失われてしまう。 However, not only a phase having a fixed value coming from a constant magnetic field called iωt but also a phase having a random value called igμ B B env coming from fluctuation of the magnetic field is given between these states. For this reason, the phase information is relaxed and the quantum coherency is lost.
従来技術の他の具体例として、ダイヤモンド結晶中のＮＶ中心の電子スピン三重項状態（｜１＞，｜０＞，｜−１＞）を量子ビットに用いる場合を挙げる。この場合のハミルトニアンは、「Ｈ１＝ω（｜Ｂ＞＜Ｂ｜＋｜Ｄ＞＜Ｄ｜）」と表される。ここで、ωは、ゼロ磁場***を表す。また、｜Ｂ＞は、以下の式（５）で表され、｜Ｄ＞は、以下の式（６）で表される。 As another specific example of the prior art, an NV center electron spin triplet state (| 1>, | 0>, | -1>) in a diamond crystal is used for a qubit. The Hamiltonian in this case is expressed as “H1 = ω (| B> <B | + | D> <D |)”. Here, ω represents zero magnetic field splitting. | B> is expressed by the following formula (5), and | D> is expressed by the following formula (6).
ここで、環境に磁場の揺らぎが存在するときは、存在する磁場揺らぎの影響を表すハミルトニアンは、「Ｈenv＝ｇμBＢenv（｜Ｂ＞＜Ｄ｜＋｜Ｄ＞＜Ｂ｜）」と記述される。このため、例えば｜Ｂ＞と｜Ｄ＞の任意の重ね合わせの状態「ａ｜Ｂ＞＋ｂ｜Ｄ＞」を生成したとき、Ｂenv＝０であれば、状態は初期状態と同じ形にとどまるが、Ｂenvがゼロでない値を持つ場合は、｜Ｂ＞であった状態が｜Ｄ＞に、｜Ｄ＞であった状態が｜Ｂ＞に確率的に遷移してしまい、量子的な干渉性が破壊されてしまう。この場合は、｜Ｂ＞および｜Ｄ＞の状態は縮退しているので、｜Ｂ＞と｜Ｄ＞との間に遷移を引き起こすのにエネルギーを必要とせず、小さいエネルギーしかもたない低周波揺らぎのノイズでも、上述したような遷移を引き起こしてしまう点が問題であった。 Here, when a magnetic field fluctuation exists in the environment, the Hamiltonian representing the influence of the existing magnetic field fluctuation is “H env = gμ B B env (| B><D | + | D><B |)”. Described. For this reason, for example, when an arbitrary superposition state “a | B> + b | D>” of | B> and | D> is generated, if B env = 0, the state remains the same as the initial state. However, if B env has a non-zero value, the state that was | B> stochastically transitions to | D> and the state that was | D> to stochastically transitions to | B>. Sex will be destroyed. In this case, since the states of | B> and | D> are degenerated, energy is not required to cause a transition between | B> and | D>, and low-frequency fluctuations having only small energy are required. The problem is that even the above noise causes a transition as described above.
上述した従来の技術に対し、本発明では、整数スピンＭ（Ｍ＝１，２，３，・・）に量子二準位系を結合させることで、「磁場の低周波揺らぎノイズ」に耐性を持つ量子ビットを構成するようにした。 In contrast to the above-described conventional technology, in the present invention, a quantum two-level system is coupled to an integer spin M (M = 1, 2, 3,...), Thereby tolerating “low frequency fluctuation noise of a magnetic field”. The qubit that has it was configured.
以下、整数スピン系と量子二準位系を結合させることで、磁場の低周波揺らぎが引き起こすノイズへの耐性を備える量子ビットが得られることについて説明する。例えば、整数スピンＭ粒子と量子二準位系とを結合させたシステムのハミルトニアンが、以下の式（７）で記述される場合を考える。 Hereinafter, it will be described that by combining an integer spin system and a quantum two-level system, a qubit having resistance to noise caused by low-frequency fluctuations in a magnetic field can be obtained. For example, consider a case where the Hamiltonian of a system in which an integer spin M particle and a quantum two-level system are coupled is described by the following equation (7).
式（７）において、｜ｅ＞は、量子二準位系の励起状態を表し、｜ｇ＞は、量子二準位系の基底状態を表している。ここでは、整数スピンＭ粒子における｜±１＞⇔｜０＞間の遷移エネルギーと量子二準位系の共鳴エネルギーが等しいことを仮定している。｜Ｂ＞は、以下の式（８）で定義され、｜Ｄ＞は、以下の式（９）で定義される。 In Equation (7), | e> represents the excited state of the quantum two-level system, and | g> represents the ground state of the quantum two-level system. Here, it is assumed that the transition energy between | ± 1> ⇔ | 0> in the integer spin M particle is equal to the resonance energy of the quantum two-level system. | B> is defined by the following equation (8), and | D> is defined by the following equation (9).
ここで、他の状態｜２＞，｜３＞，｜４＞，・・・は、共鳴条件から外れているので無視できるとする。 Here, it is assumed that other states | 2>, | 3>, | 4>,...
さらに、整数スピンＭ粒子に作用する磁場が存在するときは、ゼーマン***が起こるため、これらの状態を示すハミルトニアンは、「Ｈenv＝ｇμBＢenv（｜Ｂ＞＜Ｄ｜＋｜Ｄ＞＜Ｂ｜）」と記述される。 Furthermore, since Zeeman splitting occurs when a magnetic field acting on an integer spin M particle exists, the Hamiltonian indicating these states is expressed as “H env = gμ B B env (| B><D | + | D>< B |) ".
前述した整数スピン系に量子二準位系を結合させた状態を示すハミルトニアンＨと、整数スピン系に作用する磁場が存在するときのハミルトニアンＨenvとを合わせたＨ＋Ｈenvを対角化すると、固有状態は、以下に示すように計算できる。 Diagonalizing H + H env which combines the Hamiltonian H, which shows the state where the quantum two-level system is coupled to the integer spin system, and the Hamiltonian H env in the presence of a magnetic field acting on the integer spin system, is inherent. The state can be calculated as shown below.
また、Ｈ＋Ｈenvを対角化したときの各固有状態の固有値は、以下に示すように計算される。 The eigenvalues of each eigenstate when H + H env is diagonalized are calculated as shown below.
従って、固有値Ｅ1，Ｅ2，Ｅ3，Ｅ4に関するエネルギーダイヤグラムは、図２に示す状態となる。 Therefore, the energy diagram for the eigenvalues E 1 , E 2 , E 3 , E 4 is in the state shown in FIG.
ここで、最もエネルギーが低い固有状態｜Ｅ1＞（第１固有状態）および３番目にエネルギーが低い固有状態｜Ｅ3＞（第２固有状態）の固有エネルギーは、磁場に対する依存性を持たない。このため、｜Ｅ1＞と｜Ｅ3＞の二準位に関しては、磁場の揺らぎが存在しても位相緩和は起きない。このように、整数スピン系に量子二準位系を結合させた状態で得られる磁場に依存しない固有エネルギーを持つ固有状態のうち２つの第１固有状態および第２固有状態を用いて量子ビットを構成すれば、磁場の低周波揺らぎが引き起こすノイズへの耐性を備えるようになる。また、｜Ｅ3＞から｜Ｅ2＞、もしくは｜Ｅ3＞から｜Ｅ4＞への遷移を起こすには、磁場揺らぎに「Ｅ3−Ｅ2」もしくは「Ｅ3−Ｅ4」に相当する高周波成分が必要となるが、磁場の揺らぎは高周波帯ほど成分が小さくなるため、結合定数Ｇが十分に大きければ、上述した遷移が起きる確率は無視できるほど小さい。 Here, the eigenenergy of the eigenstate with the lowest energy | E 1 > (first eigenstate) and the eigenstate with the third lowest energy | E 3 > (second eigenstate) have no dependency on the magnetic field. . For this reason, with respect to the two levels of | E 1 > and | E 3 >, phase relaxation does not occur even when a magnetic field fluctuation exists. In this way, the quantum bit is obtained by using two first eigenstates and second eigenstates among the eigenstates having eigenenergy not dependent on the magnetic field obtained by coupling the quantum two-level system to the integer spin system. If configured, it will be resistant to noise caused by low frequency fluctuations in the magnetic field. Also, in order to cause a transition from | E 3 > to | E 2 > or | E 3 > to | E 4 >, the magnetic field fluctuation corresponds to “E 3 -E 2 ” or “E 3 -E 4 ”. However, if the coupling constant G is sufficiently large, the probability that the above-described transition occurs is so small that it can be ignored.
結合定数Ｇが環境磁場によるゼーマン***「ｇμBＢ」よりも十分に大きければ、｜Ｅ1＞および｜Ｅ3＞の状態は、近似的に整数スピンＭ粒子のみから構成される状態とみなせるため、量子二準位系にかかるノイズの影響は無視できる。 If the coupling constant G is sufficiently larger than the Zeeman splitting “gμ B B” due to the environmental magnetic field, the states of | E 1 > and | E 3 > can be regarded as being approximately composed of only integer spin M particles. The influence of noise on the quantum two-level system is negligible.
上述したことから分かるように、｜Ｅ1＞と｜Ｅ3＞とを用いることで、磁場の低周波揺らぎに対して耐性を持った量子ビットを構成することができることが分かる。偏光選択則を用いることで、整数スピンＭ粒子の｜Ｂ＞の状態に作用せず｜Ｄ＞の状態にだけ作用させるようなマイクロ波を印加できるため（非特許文献１参照）、基底状態｜Ｅ1＞から重ね合わせ状態であるａ｜Ｅ1＞＋ｂ｜Ｅ3＞を生成することも可能である（ａ，ｂは，任意の複素数）。 As can be seen from the above, it can be seen that by using | E 1 > and | E 3 >, a qubit having resistance to low-frequency fluctuations in the magnetic field can be configured. By using the polarization selection rule, it is possible to apply a microwave that does not act on the | B> state of the integer spin M particle but acts only on the | D> state (see Non-Patent Document 1). It is also possible to generate a | E 1 > + b | E 3 > which is a superposition state from E 1 > (a and b are arbitrary complex numbers).
［実施例］
以下、実施例を用いて説明する。図３は、実施例における量子ビットの構成方法を実施する装置の構成を示す構成図である。この装置は、例えば、走査型近接場光顕微鏡（NSOM）より構成し、この顕微鏡のプローブ３０１の先端に微小なダイヤモンド素子３０２を固定する。ダイヤモンド素子３０２は、半径が数十ｎｍであり、単一ＮＶ中心を備えている。ダイヤモンド素子３０２は、ナノダイヤモンド（非特許文献４参照）、もしくはＦＩＢ（Focused Ion Beam）によって切り出したバルクダイヤモンド（非特許文献５）から構成すればよい。
[Example]
Hereinafter, description will be made using examples. FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a configuration of an apparatus that implements the method of configuring qubits in the embodiment. This apparatus is composed of, for example, a scanning near-field optical microscope (NSOM), and a
また、ダイヤモンド素子３０２を固定したプローブ３０１の近傍には、ギャップ可変型の超伝導磁束量子ビット（量子二準位系）３０３を配置する。超伝導磁束量子ビット３０３に流れる永久電流は、１μＡから３μＡ程度に設定する。
In addition, a variable gap type superconducting magnetic flux qubit (quantum two-level system) 303 is disposed in the vicinity of the
ダイヤモンド素子３０２を備えるプローブ３０１の先端を、超伝導磁束量子ビット３０３の回路との距離が数十ｎｍ程度になるように近づけることで、ＮＶ中心の三重項状態の電子スピン（整数スピン系）３２１と超伝導磁束量子ビット３０３とがコヒーレントに結合する（非特許文献２，３参照）。このように結合した状態で、図４に示すように、超伝導磁束量子ビット３０３の回路から生成されるｙ軸方向の磁場３３１と、ＮＶベクトルの方向（ｚ軸方向）とは直行するように調整する。
An electron spin (integer spin system) 321 in the triplet state centered on the NV is obtained by bringing the tip of the
上述したように結合した系を記述するハミルトニアンは、次の式（１０）で示されるものとなる。 The Hamiltonian describing the coupled system as described above is represented by the following equation (10).
また、ダイヤモンド素子３０２のＮＶ中心の三重項状態の電子スピン３２１のゼロ磁場***ωの値は２．８８ＧＨｚ程度であり、超伝導磁束量子ビット３０３のエネルギーは、ダイヤモンド素子３０２とのギャップを調整することで、三重項状態の電子スピン３２１のエネルギーと共鳴させておく。この状態では、三重項状態の電子スピン３２１と超伝導磁束量子ビット３０３との結合定数Ｇは、１００ＫＨｚから３００ＫＨｚ程度になる。このため、｜Ｅ1＞（第１固有状態）と｜Ｅ3＞（第２固有状態）の状態を用いて量子ビットを構成すれば、超伝導磁束量子ビットとの結合によるエネルギーギャップのために、結合定数Ｇよりも小さい振動数で揺らぐ磁場による三重項状態の電子スピン３２１へのデコヒーレンスの影響を抑えることができる。
The value of the zero magnetic field splitting ω of the triplet
また、ダイヤモンド素子３０２の三重項状態の電子スピン３２１における環境磁場のゼーマン***の値は、結合定数Ｇより十分に小さいため（非特許文献６参照）、｜Ｅ1＞および｜Ｅ3＞は、近似的に三重項状態の電子スピン３２１のみから構成される状態とみなせる。このため、超伝導磁束量子ビット３０３にかかるノイズの影響は無視することができる。
In addition, since the value of the Zeeman splitting of the environmental magnetic field in the
上述した結果、｜Ｅ1＞と｜Ｅ3＞の状態を用いて構成された量子ビットの寿命は、三重項状態の電子スピン３２１のみを用いた量子ビット、もしくは超伝導磁束量子ビットのみを用いた量子ビットに比べて数倍から数十倍程度長くなる。
As a result of the above, the lifetime of a qubit configured using the states | E 1 > and | E 3 > uses only a qubit using only the
このようにして構成された量子ビットの制御は以下のようにして行う。図３を用いて説明した装置を希釈冷凍機に入れて温度を２０ｍＫ以下にすることで、系を基底状態の｜Ｅ1＞に偏極させることができる。また、量子状態の読み出しに関しては、レーザー光を光導波路構造を有しているプローブ３０１を通してダイヤモンド素子３０２に選択的に照射して三重項状態の電子スピン３２１を励起し、この励起による発光強度を測定することで、状態が｜Ｅ1＞か｜Ｅ3＞であるかの区別が行える。
Control of the qubits thus configured is performed as follows. By putting the apparatus described with reference to FIG. 3 into a dilution refrigerator and setting the temperature to 20 mK or less, the system can be polarized to | E 1 > in the ground state. Further, regarding the readout of the quantum state, laser light is selectively irradiated to the
さらに、図４を用いて説明したようにダイヤモンド素子３０２と超伝導磁束量子ビット３０３とを配置した上で、図５に示すように、超伝導磁束量子ビット３０３の回路から生成される磁場（ｙ軸方向）およびＮＶ中心の結晶軸（ｚ軸方向）の両方に直行する方向（ｘ軸方向）に磁場方向３４１が偏極したマイクロ波を、マイクロ波照射部３０４により三重項状態の電子スピン３２１に印加することで、選択的に｜Ｅ1＞と｜Ｅ3＞との重ね合わせを生成することができるため、単一量子ビットゲートの構成ができる。
Further, after arranging the
また、線形光学素子を利用することで離れた２つのＮＶ中心の電子スピン間にエンタングルメントを生成する方法が提案されている（非特許文献７）。ここで、上述した走査型近接場光顕微鏡のプローブ３０１の先端に固定したダイヤモンド素子３０２と超伝導磁束量子ビット３０３とを２組用意して２つの量子ビットを形成すれば、レーザー光を各ダイヤモンド素子３０２に選択的に照射できるので、非特許文献７の技術を組み合わせることで、二量子ビットゲートを構成することも可能となる。
In addition, a method of generating entanglement between two electron spins at two NV centers separated by using a linear optical element has been proposed (Non-Patent Document 7). Here, if two sets of the
以上に説明した例のように、状態の準備，状態の読み出し，単一量子ゲート，二量子ビットゲートの構成が可能になるため、実施例により構成した長寿命量子ビットは、量子中継、量子計算機、量子電場センサーなどの量子情報処理に用いることができる。 As in the example described above, state preparation, state readout, single quantum gate, and two qubit gate configurations are possible. Therefore, long-life qubits configured according to the embodiments are not limited to quantum relays and quantum computers. It can be used for quantum information processing such as a quantum electric field sensor.
以上に説明したように、本発明によれば、整数スピン系に量子二準位系を結合させることで得られ、磁場に対する依存性を持たない固有状態｜Ｅ1＞（第１固有状態）および固有状態｜Ｅ3＞（第２固有状態）より量子ビットを構成するようにしたので、磁場の低周波揺らぎが引き起こすノイズへの耐性を備える量子ビットが得られるようになる。この量子ビットは、量子中継，量子計算機，量子電場センサーなどの実現に貢献する。 As described above, according to the present invention, an eigenstate | E 1 > (first eigenstate) that is obtained by coupling a quantum two-level system to an integer spin system and has no dependence on a magnetic field, and Since the qubit is configured from the eigenstate | E 3 > (second eigenstate), a qubit having resistance to noise caused by low-frequency fluctuation of the magnetic field can be obtained. This qubit contributes to the realization of quantum relays, quantum computers, quantum electric field sensors, and the like.
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.
３０１…プローブ、３０２…ダイヤモンド素子、３０３…超伝導磁束量子ビット（量子二準位系）、３０４…マイクロ波照射部、３２１…三重項状態の電子スピン（整数スピン系）、３３１…磁場、３４１…磁場方向。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記整数スピン系に前記量子二準位系を結合させた状態で得られる磁場に依存しない固有エネルギーを持つ固有状態のうち２つの第１固有状態および第２固有状態を用いて量子ビットを構成する第２ステップと
を備え、
前記整数スピン系は、ＮＶ中心を備えるダイヤモンド素子が備える電子スピンから構成し、
前記量子二準位系は、超伝導磁束量子ビットにより構成し、
前記第１ステップでは、前記ダイヤモンド素子を前記超伝導磁束量子ビットに近づけることで、前記整数スピン系に前記量子二準位系を結合させ、
前記第２ステップでは、前記整数スピン系にマイクロ波を照射することで前記第１固有状態と前記第２固有状態とから前記量子ビットを構成することを特徴とする量子ビットの構成方法。 A first step of coupling a quantum two-level system to an integer spin system having an integer spin of 1 or more;
A qubit is configured using two first eigenstates and second eigenstates among eigenstates having eigenenergy not dependent on a magnetic field obtained by coupling the quantum two-level system to the integer spin system. and a second step,
The integer spin system is composed of electron spins included in a diamond element having an NV center,
The quantum two-level system is composed of superconducting flux qubits,
In the first step, by bringing the diamond element closer to the superconducting flux qubit, the quantum two-level system is coupled to the integer spin system,
And in the second step, the integer spin system method of construction qubits characterized that you configure the qubit and a second specific state and the first unique state by microwave irradiation.
前記第２ステップでは、前記第１固有状態と前記第２固有状態とを所望の状態で重ね合わせることで、前記量子ビットを構成することを特徴とする量子ビットの構成方法。 The method of configuring a qubit according to claim 1,
In the second step, the qubit is configured by superimposing the first eigenstate and the second eigenstate in a desired state.
前記第２ステップでは、最もエネルギーが低い前記第１固有状態と３番目にエネルギーが低い前記第２固有状態とを用いて量子ビットを構成することを特徴とする量子ビットの構成方法。 The method of configuring a qubit according to claim 1 or 2,
In the second step, a qubit is configured using the first eigenstate having the lowest energy and the second eigenstate having the third lowest energy.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013095089A JP6066314B2 (en) | 2013-04-30 | 2013-04-30 | How to configure qubits |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013095089A JP6066314B2 (en) | 2013-04-30 | 2013-04-30 | How to configure qubits |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2014216596A JP2014216596A (en) | 2014-11-17 |
| JP6066314B2 true JP6066314B2 (en) | 2017-01-25 |
Family
ID=51942049
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2013095089A Active JP6066314B2 (en) | 2013-04-30 | 2013-04-30 | How to configure qubits |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6066314B2 (en) |
Families Citing this family (46)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10338162B2 (en) | 2016-01-21 | 2019-07-02 | Lockheed Martin Corporation | AC vector magnetic anomaly detection with diamond nitrogen vacancies |
| US10006973B2 (en) | 2016-01-21 | 2018-06-26 | Lockheed Martin Corporation | Magnetometer with a light emitting diode |
| US9614589B1 (en) | 2015-12-01 | 2017-04-04 | Lockheed Martin Corporation | Communication via a magnio |
| US9824597B2 (en) | 2015-01-28 | 2017-11-21 | Lockheed Martin Corporation | Magnetic navigation methods and systems utilizing power grid and communication network |
| US9853837B2 (en) | 2014-04-07 | 2017-12-26 | Lockheed Martin Corporation | High bit-rate magnetic communication |
| US10168393B2 (en) | 2014-09-25 | 2019-01-01 | Lockheed Martin Corporation | Micro-vacancy center device |
| US9910105B2 (en) | 2014-03-20 | 2018-03-06 | Lockheed Martin Corporation | DNV magnetic field detector |
| US9910104B2 (en) | 2015-01-23 | 2018-03-06 | Lockheed Martin Corporation | DNV magnetic field detector |
| US9638821B2 (en) | 2014-03-20 | 2017-05-02 | Lockheed Martin Corporation | Mapping and monitoring of hydraulic fractures using vector magnetometers |
| US10088452B2 (en) | 2016-01-12 | 2018-10-02 | Lockheed Martin Corporation | Method for detecting defects in conductive materials based on differences in magnetic field characteristics measured along the conductive materials |
| US9557391B2 (en) | 2015-01-23 | 2017-01-31 | Lockheed Martin Corporation | Apparatus and method for high sensitivity magnetometry measurement and signal processing in a magnetic detection system |
| US10088336B2 (en) | 2016-01-21 | 2018-10-02 | Lockheed Martin Corporation | Diamond nitrogen vacancy sensed ferro-fluid hydrophone |
| US9823313B2 (en) | 2016-01-21 | 2017-11-21 | Lockheed Martin Corporation | Diamond nitrogen vacancy sensor with circuitry on diamond |
| US10520558B2 (en) | 2016-01-21 | 2019-12-31 | Lockheed Martin Corporation | Diamond nitrogen vacancy sensor with nitrogen-vacancy center diamond located between dual RF sources |
| US9835693B2 (en) | 2016-01-21 | 2017-12-05 | Lockheed Martin Corporation | Higher magnetic sensitivity through fluorescence manipulation by phonon spectrum control |
| CA2945016A1 (en) | 2014-04-07 | 2015-10-15 | Lockheed Martin Corporation | Energy efficient controlled magnetic field generator circuit |
| BR112017016261A2 (en) | 2015-01-28 | 2018-03-27 | Lockheed Martin Corporation | in situ power load |
| GB2550809A (en) | 2015-02-04 | 2017-11-29 | Lockheed Corp | Apparatus and method for estimating absolute axes' orientations for a magnetic detection system |
| WO2016126436A1 (en) | 2015-02-04 | 2016-08-11 | Lockheed Martin Corporation | Apparatus and method for recovery of three dimensional magnetic field from a magnetic detection system |
| EP3371614A1 (en) | 2015-11-04 | 2018-09-12 | Lockheed Martin Corporation | Magnetic band-pass filter |
| WO2017087014A1 (en) | 2015-11-20 | 2017-05-26 | Lockheed Martin Corporation | Apparatus and method for hypersensitivity detection of magnetic field |
| WO2017087013A1 (en) | 2015-11-20 | 2017-05-26 | Lockheed Martin Corporation | Apparatus and method for closed loop processing for a magnetic detection system |
| AU2016387312A1 (en) | 2016-01-21 | 2018-09-06 | Lockheed Martin Corporation | Magnetometer with light pipe |
| AU2016388316A1 (en) | 2016-01-21 | 2018-09-06 | Lockheed Martin Corporation | Diamond nitrogen vacancy sensor with common RF and magnetic fields generator |
| US10338163B2 (en) | 2016-07-11 | 2019-07-02 | Lockheed Martin Corporation | Multi-frequency excitation schemes for high sensitivity magnetometry measurement with drift error compensation |
| US20170343621A1 (en) | 2016-05-31 | 2017-11-30 | Lockheed Martin Corporation | Magneto-optical defect center magnetometer |
| US10408890B2 (en) | 2017-03-24 | 2019-09-10 | Lockheed Martin Corporation | Pulsed RF methods for optimization of CW measurements |
| US10228429B2 (en) | 2017-03-24 | 2019-03-12 | Lockheed Martin Corporation | Apparatus and method for resonance magneto-optical defect center material pulsed mode referencing |
| US10345395B2 (en) | 2016-12-12 | 2019-07-09 | Lockheed Martin Corporation | Vector magnetometry localization of subsurface liquids |
| US10330744B2 (en) | 2017-03-24 | 2019-06-25 | Lockheed Martin Corporation | Magnetometer with a waveguide |
| US10145910B2 (en) | 2017-03-24 | 2018-12-04 | Lockheed Martin Corporation | Photodetector circuit saturation mitigation for magneto-optical high intensity pulses |
| US10571530B2 (en) | 2016-05-31 | 2020-02-25 | Lockheed Martin Corporation | Buoy array of magnetometers |
| US10359479B2 (en) | 2017-02-20 | 2019-07-23 | Lockheed Martin Corporation | Efficient thermal drift compensation in DNV vector magnetometry |
| US10345396B2 (en) | 2016-05-31 | 2019-07-09 | Lockheed Martin Corporation | Selected volume continuous illumination magnetometer |
| US10274550B2 (en) | 2017-03-24 | 2019-04-30 | Lockheed Martin Corporation | High speed sequential cancellation for pulsed mode |
| US10317279B2 (en) | 2016-05-31 | 2019-06-11 | Lockheed Martin Corporation | Optical filtration system for diamond material with nitrogen vacancy centers |
| US10677953B2 (en) | 2016-05-31 | 2020-06-09 | Lockheed Martin Corporation | Magneto-optical detecting apparatus and methods |
| US10527746B2 (en) | 2016-05-31 | 2020-01-07 | Lockheed Martin Corporation | Array of UAVS with magnetometers |
| US10281550B2 (en) | 2016-11-14 | 2019-05-07 | Lockheed Martin Corporation | Spin relaxometry based molecular sequencing |
| US10371765B2 (en) | 2016-07-11 | 2019-08-06 | Lockheed Martin Corporation | Geolocation of magnetic sources using vector magnetometer sensors |
| US10371760B2 (en) | 2017-03-24 | 2019-08-06 | Lockheed Martin Corporation | Standing-wave radio frequency exciter |
| US10459041B2 (en) | 2017-03-24 | 2019-10-29 | Lockheed Martin Corporation | Magnetic detection system with highly integrated diamond nitrogen vacancy sensor |
| US10379174B2 (en) | 2017-03-24 | 2019-08-13 | Lockheed Martin Corporation | Bias magnet array for magnetometer |
| US10338164B2 (en) | 2017-03-24 | 2019-07-02 | Lockheed Martin Corporation | Vacancy center material with highly efficient RF excitation |
| US20200410382A1 (en) * | 2018-05-11 | 2020-12-31 | Google Llc | Targeting many-body eigenstates on a quantum computer |
| WO2020213596A1 (en) * | 2019-04-15 | 2020-10-22 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | Quantum bit cell and quantum bit integrated circuit |
-
2013
- 2013-04-30 JP JP2013095089A patent/JP6066314B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2014216596A (en) | 2014-11-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6066314B2 (en) | How to configure qubits | |
| Sun et al. | A quantum phase switch between a single solid-state spin and a photon | |
| JP6030591B2 (en) | Control method of quantum memory | |
| Wilson et al. | Tunable spin–spin interactions and entanglement of ions in separate potential wells | |
| Kim et al. | Ultrafast optical control of entanglement between two quantum-dot spins | |
| Xue et al. | Split-ring polariton condensates as macroscopic two-level quantum systems | |
| Chen et al. | Optically induced entanglement of excitons in a single quantum dot | |
| Lee et al. | Phase control of trapped ion quantum gates | |
| JP5093515B2 (en) | Quantum bit variable coupling method, quantum operation circuit using the same, and variable coupler | |
| JP5831947B2 (en) | Magnetic field detection apparatus and magnetic field detection method | |
| JP2020509496A (en) | ZZZ coupler for superconducting qubit | |
| Sekiguchi et al. | Geometric spin echo under zero field | |
| Abdel-Khalek et al. | New features of Wehrl entropy and Wehrl PD of a single Cooper-pair box placed inside a dissipative cavity | |
| KR20050100677A (en) | Quantum information processing using electromagnetically induced transparency | |
| Everitt et al. | Engineering dissipative channels for realizing Schrödinger cats in SQUIDs | |
| Mayr et al. | Spin-wave emission from vortex cores under static magnetic bias fields | |
| Dong et al. | Multiphonon interactions between nitrogen-vacancy centers and nanomechanical resonators | |
| Nazir et al. | Creating excitonic entanglement in quantum dots through the optical Stark effect | |
| Li et al. | Preparing entangled states between two NV centers via the damping of nanomechanical resonators | |
| Li et al. | Magnetic impurity effects on the entanglement of three-qubit Heisenberg XY chain with intrinsic decoherence | |
| Ma et al. | Bistability and steady-state spin squeezing in diamond nanostructures controlled by a nanomechanical resonator | |
| JP6029070B2 (en) | State detection of superconducting qubits using light | |
| Poszwa | Decoherence of spin states induced by Rashba coupling for an electron confined to a semiconductor quantum dot in the presence of a magnetic field | |
| Milburn et al. | Quantum nanoscience | |
| Berrada et al. | Information quantifiers, entropy squeezing and entanglement properties of superconducting qubit-deformed bosonic field system under dephasing effect |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20150721 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20150721 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160913 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20161024 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20161213 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20161215 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6066314 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |