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JP6042777B2 - Qubit control method - Google Patents
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Description

本発明は、量子ビットによる量子計算を実現するための量子ビット制御方法に関する。   The present invention relates to a qubit control method for realizing quantum computation using qubits.

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。量子計算機の実現のためには、一量子ビットゲート操作と二量子ビット間ゲート操作の構築が必須となる。   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. In order to realize a quantum computer, it is essential to construct one-qubit gate operation and two-qubit gate operation.

ここで、固体素子で量子ビットを構成する場合、二量子ビット間ゲートの実現には量子ビット間の相互作用が用いられる。ところが、このような相互作用の存在は、1量子ビット操作ゲートの構築を妨げてしまう。このため、一量子ビットゲートと二量子ビット間ゲートとを、ともに高い忠実度で構築するためには、量子ビット間の相互作用を自在にオン/オフできる機構が必要となる。   Here, when a qubit is constituted by a solid state element, an interaction between qubits is used to realize a gate between two qubits. However, the existence of such an interaction prevents the construction of a one-qubit operation gate. For this reason, in order to construct both the one-qubit gate and the two-qubit gate with high fidelity, a mechanism capable of freely turning on / off the interaction between the qubits is required.

現状では、例えば、相互作用をかけたい量子ビット間に補助量子ビットを作製し、作製した補助量子ビットに対してユニタリー変換を起こすマイクロ波パルスを照射することで、上述した相互作用の制御を行っている(非特許文献1,2参照)。しかしながら、これらの制御では、オン/オフ比を高くすることは難しく、量子計算の実行に必要な閾値を超えるほどの高い忠実度でのゲート操作はまだ実現できていない。   At present, for example, an auxiliary qubit is produced between qubits to be interacted with, and the above-mentioned interaction is controlled by irradiating the produced auxiliary qubit with a microwave pulse that causes unitary transformation. (See Non-Patent Documents 1 and 2). However, in these controls, it is difficult to increase the on / off ratio, and gate operation with a high fidelity enough to exceed the threshold necessary for the execution of quantum computation has not been realized yet.

また、量子ビット間の共鳴エネルギーを変えることで相互作用をオン/オフにする方法も用いられている(非特許文献4,5参照)。しかしながら、この技術では、ノイズが無い理想的な状況ですらオン/オフ比を100%にすることはできないという問題がある(非特許文献4)。また、位相緩和の影響を受けやすいという問題もある(非特許文献5)。   A method of turning on / off the interaction by changing the resonance energy between qubits is also used (see Non-Patent Documents 4 and 5). However, this technique has a problem that the on / off ratio cannot be made 100% even in an ideal situation without noise (Non-Patent Document 4). There is also a problem that it is easily affected by phase relaxation (Non-Patent Document 5).

また、NMR(Nuclear Magnetic Resonance)などの分野では、マイクロ波パルスを量子ビットに直接照射することで、相互作用のオン/オフを制御する手法が用いられている(非特許文献6参照)。しかしながら、この技術では、量子ビットの数が増えるにつれて必要なパルスの数が指数関数的に増加してしまうため、大規模量子計算には適さない。   In fields such as NMR (Nuclear Magnetic Resonance), a method of controlling the on / off of an interaction by directly irradiating a microwave pulse to a qubit is used (see Non-Patent Document 6). However, this technique is not suitable for large-scale quantum computation because the number of necessary pulses increases exponentially as the number of qubits increases.

A. J. Kerman et al., "High-Fidelity Quantum Operations on Superconducting Qubits in the Presence of Noise",PHYSICAL REVIEW LETTERS, vol.101, 070501, 2008.A. J. Kerman et al., "High-Fidelity Quantum Operations on Superconducting Qubits in the Presence of Noise", PHYSICAL REVIEW LETTERS, vol.101, 070501, 2008. K. Harrabi et al., "Engineered selection rules for tunable coupling in a superconducting quantum circuit", PHYSICAL REVIEW B, vol.79, 020507R, 2009.K. Harrabi et al., "Engineered selection rules for tunable coupling in a superconducting quantum circuit", PHYSICAL REVIEW B, vol.79, 020507R, 2009. R. Raussendorf and H. J. Briegel, "A One-Way Quantum Computer", PHYSICAL REVIEW LETTERS, vol.86, no.22, pp.5188-5191, 2001.R. Raussendorf and H. J. Briegel, "A One-Way Quantum Computer", PHYSICAL REVIEW LETTERS, vol.86, no.22, pp.5188-5191, 2001. A. Blais et al., "Quantum-information processing with circuit quantum electrodynamics", PHYSICAL REVIEW A, vol.75, 032329, 2007.A. Blais et al., "Quantum-information processing with circuit quantum electrodynamics", PHYSICAL REVIEW A, vol.75, 032329, 2007. Y. Matsuzaki and H. Nakano1, "Enhanced energy relaxation process of quantum memory coupled with a superconducting qubit", Arxiv, 1105, 3798, 2011.Y. Matsuzaki and H. Nakano1, "Enhanced energy relaxation process of quantum memory coupled with a superconducting qubit", Arxiv, 1105, 3798, 2011. L. M. K. Vandersypen et al., "Experimental realization of Shor's quantum factoring algorithm using nuclear magnetic resonance", NATURE. vol.414, pp.883-887, 2001.L. M. K. Vandersypen et al., "Experimental realization of Shor's quantum factoring algorithm using nuclear magnetic resonance", NATURE. Vol.414, pp.883-887, 2001.

上述したように、従来の技術では、まず、量子計算の実行に必要なゲート操作はまだ実現できず、また高いオン/オフ比が得られないという問題があった。また、従来の技術では、位相緩和の影響を受けやすく、大規模量子計算に適さないなどの問題があった。   As described above, the conventional technique has a problem that the gate operation necessary for the execution of the quantum calculation cannot be realized yet and a high on / off ratio cannot be obtained. In addition, the conventional technology is susceptible to phase relaxation and is not suitable for large-scale quantum computation.

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、位相緩和の影響を受けにくく、大規模量子計算に適用可能な状態で、2つの量子ビット間の相互作用に高いオン/オフ比が得られるようにすることを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, is not easily affected by phase relaxation, and is highly applicable to large-scale quantum computation and has high interaction between two qubits. An object is to obtain an on / off ratio.

本発明に係る量子ビット制御方法は、2つの量子ビットの各々に結合する補助量子ビットに一量子ビットゲートをかけて補助量子ビットを|−1>の状態とする第1ゲート操作ステップと、第1ゲート操作ステップで補助量子ビットを|−1>の状態とした所定時間の後で、補助量子ビットの量子状態を測定する測定ステップと、測定ステップによる測定の後で、測定ステップにおける測定結果をもとに補助量子ビットに一量子ビットゲートをかけて補助量子ビットを|−1>の状態とする第2ゲート操作ステップとを備える。なお、第1ゲート操作ステップでは、2つの量子ビットおよび補助量子ビットが結合している系を表すハミルトニアンで決定されるX方向に一量子ビットゲートをかけ、測定ステップでは、Y方向に補助量子ビットの量子状態を測定する。 A qubit control method according to the present invention includes a first gate operation step in which an auxiliary qubit coupled to each of two qubits is multiplied by one qubit gate to set the auxiliary qubit to a state of | −1> A measurement step for measuring the quantum state of the auxiliary qubit after a predetermined time in which the auxiliary qubit is in a state of | -1> in one gate operation step, and a measurement result in the measurement step after measurement by the measurement step And a second gate operation step of multiplying the auxiliary qubit by one qubit gate to bring the auxiliary qubit into a state of | −1>. In the first gate operation step, one qubit gate is applied in the X direction determined by a Hamiltonian representing a system in which two qubits and auxiliary qubits are combined, and in the measurement step, auxiliary qubits are applied in the Y direction. Measure the quantum state of.

上記量子ビット制御方法において、測定ステップは、第1ゲート操作ステップで|−1>の状態としてからπ/g(gは補助量子ビットのハミルトニアン)の後で行えばよい。   In the qubit control method, the measurement step may be performed after π / g (g is the Hamiltonian of the auxiliary qubit) after the state of | −1> in the first gate operation step.

上記量子ビット制御方法において、2つの量子ビットおよび補助量子ビットは、超伝導磁束量子ビットから構成し、第1ゲート操作ステップおよび第2ゲート操作ステップでは、補助量子ビットに共鳴マイクロ波を照射すればよい。   In the qubit control method, the two qubits and the auxiliary qubit are composed of superconducting flux qubits, and in the first gate operation step and the second gate operation step, if the auxiliary qubit is irradiated with resonance microwaves, Good.

以上説明したことにより、本発明によれば、位相緩和の影響を受けにくく、大規模量子計算に適用可能な状態で、2つの量子ビット間の相互作用に高いオン/オフ比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, a high on / off ratio can be obtained in the interaction between two qubits in a state that is not easily affected by phase relaxation and is applicable to large-scale quantum computation. An excellent effect is obtained.

図1は、本発明の実施の形態における量子ビット制御方法を説明するためのフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart for explaining a qubit control method according to an embodiment of the present invention. 図2Aは、本発明の実施の形態における量子ビット制御方法による操作過程の途中の状態を説明する説明図である。FIG. 2A is an explanatory diagram illustrating a state in the middle of an operation process by the qubit control method according to the embodiment of the present invention. 図2Bは、本発明の実施の形態における量子ビット制御方法による操作過程の途中の状態を説明する説明図である。FIG. 2B is an explanatory diagram illustrating a state in the middle of an operation process by the qubit control method according to the embodiment of the present invention. 図2Cは、本発明の実施の形態における量子ビット制御方法による操作過程の途中の状態を説明する説明図である。FIG. 2C is an explanatory diagram illustrating a state in the middle of an operation process by the qubit control method according to the embodiment of the present invention. 図3は、本発明の実施の形態における量子ビット制御方法を実施するための量子ビットの構成例を示す構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram showing a configuration example of qubits for implementing the qubit control method according to the embodiment of the present invention. 図4は、本発明の実施の形態における量子ビット制御方法を実施するための量子ビットの他の構成例を示す構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram showing another configuration example of a qubit for carrying out the qubit control method according to the embodiment of the present invention.

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制御方法を説明するためのフローチャートである。この量子ビット制御方法は、まず、ステップS101で、2つの量子ビットの各々に結合する補助量子ビットに一量子ビットゲートをかけて補助量子ビットを|−1>の状態とする(第1ゲート操作ステップ)。ここで、2つの量子ビットおよび補助量子ビットが結合している系を表すハミルトニアンで決定されるX方向に一量子ビットゲートをかける。例えば、補助量子ビットに所定の強度のマイクロ波を照射すればよい。この操作により、2つの量子ビットの間の相互作用はオンとなる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a flowchart for explaining a qubit control method according to an embodiment of the present invention. In this qubit control method, first, in step S101, the auxiliary qubit coupled to each of the two qubits is multiplied by one qubit gate to bring the auxiliary qubit into a state of | −1> (first gate operation). Step). Here, one qubit gate is multiplied in the X direction determined by a Hamiltonian representing a system in which two qubits and auxiliary qubits are combined. For example, the auxiliary qubit may be irradiated with a microwave having a predetermined intensity. This operation turns on the interaction between the two qubits.

次に、ステップS102で、第1ゲート操作ステップで補助量子ビットを|−1>の状態とした所定時間の後で、補助量子ビットの量子状態を測定する(測定ステップ)。ここで、2つの量子ビットおよび補助量子ビットが結合している系を表すハミルトニアンで決定されるY方向に補助量子ビットの量子状態を測定する。この測定は、第1ゲート操作ステップで|−1>の状態としてからπ/g(gは補助量子ビットのハミルトニアン)の後で、補助量子ビットの量子状態を測定すればよい。π/gの時間後には、3つの量子ビットによりクラスター状態が生成される。   Next, in step S102, the quantum state of the auxiliary qubit is measured after a predetermined time in which the auxiliary qubit is in the state of | -1> in the first gate operation step (measurement step). Here, the quantum state of the auxiliary qubit is measured in the Y direction determined by a Hamiltonian representing a system in which the two qubits and the auxiliary qubit are combined. This measurement may be performed by measuring the quantum state of the auxiliary qubit after π / g (g is the Hamiltonian of the auxiliary qubit) after the state of | -1> in the first gate operation step. After a time of π / g, a cluster state is generated by three qubits.

次に、ステップS103で、ステップS102の測定における測定結果をもとに、補助量子ビットに一量子ビットゲートをかけて補助量子ビットを|−1>の状態とする(第2ゲート操作ステップ)。例えば、測定結果をもとに、所定の強度のマイクロ波を補助量子ビットに照射すればよい。上述した測定および測定結果をもとにした一量子ビットゲートをかける操作により、2つの量子ビットの間の相互作用はオフとなる。   Next, in step S103, based on the measurement result in the measurement in step S102, the auxiliary qubit is multiplied by one qubit gate to bring the auxiliary qubit into a state of | −1> (second gate operation step). For example, the auxiliary quantum bit may be irradiated with a microwave having a predetermined intensity based on the measurement result. The interaction between two qubits is turned off by the above-described measurement and the operation of applying one qubit gate based on the measurement result.

以下、上述した量子ビット制御方法について、より詳細に説明する。   Hereinafter, the above-described qubit control method will be described in more detail.

本発明においては、ユニタリー操作を用いていた従来の技術とは異なり、ノンユニタリーな射影測定を補助量子ビットに対して実行することで、2つの量子ビットの間の相互作用の制御を行うことに大きな特徴がある。以下に、簡単のために、量子ビット間の相互作用が全て等しい場合を例に説明する。   In the present invention, unlike the conventional technique that uses unitary operation, non-unitary projection measurement is performed on the auxiliary qubit to control the interaction between the two qubits. There is a big feature. In the following, for the sake of simplicity, a case where all the interactions between qubits are equal will be described as an example.

まず、2つの量子ビットおよび補助量子ビットの3つの量子ビットが結合している状態におけるハミルトニアンは、以下の式(1)により示されるように構成することができる。   First, a Hamiltonian in a state where two qubits and three qubits of auxiliary qubits are combined can be configured as shown by the following equation (1).

Figure 0006042777
Figure 0006042777

また、ω1は、一方の量子ビットのハミルトニアンであり、ω2は、補助量子ビットのハミルトニアンであり、ω3は、他方の量子ビットのハミルトニアンである。また、g12は、一方の量子ビットと補助量子ビットとの相互作用のハミルトニアンであり、g23は、補助量子ビットと他方の量子ビットとの相互作用のハミルトニアンである。 Further, ω 1 is a Hamiltonian of one qubit, ω 2 is a Hamiltonian of an auxiliary qubit, and ω 3 is a Hamiltonian of the other qubit. Further, g 12 is a Hamiltonian for the interaction between one qubit and the auxiliary qubit, and g 23 is a Hamiltonian for the interaction between the auxiliary qubit and the other qubit.

式(1)により示されるハミルトニアンHは、適切な回転座標系に対応させることで、以下の式(2)に示すハミルトニアンHとなる。なお、式(2)のハミルトニアンHでは、g12=g23=gとしている。 The Hamiltonian H represented by the equation (1) becomes the Hamiltonian H represented by the following equation (2) by corresponding to an appropriate rotating coordinate system. In the Hamiltonian H of the formula (2), g 12 = g 23 = g.

Figure 0006042777
Figure 0006042777

このとき、補助量子ビットにより、一方の量子ビットと他方の量子ビットとの相互作用を制御することを考える。まず、図2Aに示すように、2つの量子ビット201と量子ビット202との間に補助量子ビット203を配置した状態とする。この構成において、補助量子ビット203を、|−1>(補助量子ビット203におけるスピン1/2のパウリ演算子の固有状態で固有値が1)の状態に偏極させておけば、ハミルトニアンHは0となり、量子ビット201と量子ビット202との相互作用はオフになる。   At this time, it is considered that the interaction between one qubit and the other qubit is controlled by the auxiliary qubit. First, as shown in FIG. 2A, the auxiliary qubit 203 is arranged between the two qubits 201 and 202. In this configuration, if the auxiliary qubit 203 is polarized to a state of | −1> (the eigenvalue of the spin ½ Pauli operator in the auxiliary qubit 203 and the eigenvalue is 1), the Hamiltonian H is 0. Thus, the interaction between the qubit 201 and the qubit 202 is turned off.

次に、補助量子ビット203に、例えばマイクロ波を照射することで一量子ビットゲートをかけ、補助量子ビット203を以下の式(3)で示される状態とする。この操作により、図2Bに示すように、量子ビット201と量子ビット202との相互作用はオンとなる。   Next, one qubit gate is applied to the auxiliary qubit 203 by irradiating microwaves, for example, so that the auxiliary qubit 203 is in a state represented by the following expression (3). By this operation, as shown in FIG. 2B, the interaction between the qubit 201 and the qubit 202 is turned on.

Figure 0006042777
Figure 0006042777

また、相互作用がオンとなることで、3つの量子ビット201,補助量子ビット203,量子ビット202の間に、エンタングルメントが生成される。特に、補助量子ビット203に対して一量子ビットゲートをかける操作をしてから、t=π/gの時間が経過すると、3つの量子ビット201,補助量子ビット203,量子ビット202の間にクラスター状態が生成される。   Further, when the interaction is turned on, entanglement is generated between the three qubits 201, the auxiliary qubits 203, and the qubits 202. In particular, when a time of t = π / g has elapsed since the operation of applying one qubit gate to the auxiliary qubit 203, a cluster is formed between the three qubits 201, the auxiliary qubit 203, and the qubit 202. A state is generated.

以上のように、量子ビット201と量子ビット202との相互作用をオン状態とした後、補助量子ビット203の量子状態を、Y方向で測定する。なお、2つの量子ビット201,量子ビット202および補助量子ビット203が結合している系を表すハミルトニアンで決定されるX方向に一量子ビットゲートをかけ、Y方向に補助量子ビットの量子状態を測定する。上述した補助量子ビット203のY方向の測定により、量子ビット201と量子ビット202との間に、量子計算に必要である二量子状態間のゲート「controlled-Z gate」と等価な二量子ビット間ゲートが構成されるようになる。   As described above, after the interaction between the qubit 201 and the qubit 202 is turned on, the quantum state of the auxiliary qubit 203 is measured in the Y direction. Note that one qubit gate is multiplied in the X direction determined by a Hamiltonian representing a system in which two qubits 201, qubit 202 and auxiliary qubit 203 are coupled, and the quantum state of the auxiliary qubit is measured in the Y direction. To do. According to the measurement of the auxiliary qubit 203 in the Y direction described above, between the qubit 201 and the qubit 202, between the two qubits equivalent to the gate “controlled-Z gate” between the two quantum states necessary for the quantum calculation. The gate comes to be configured.

ここで、補助量子ビット203のY方向への測定は、例えば、以下の式(4)で示されるフェイズゲートSと、以下の式(5)で示されるアマダールゲート(Hadamard Gate)Hを、補助量子ビット203にかけた後に、Z方向の射影測定を実行することで行えばよい。なお、Z方向は、上述したX方向およびY方向と同様に、2つの量子ビット201,量子ビット202および補助量子ビット203が結合している系を表すハミルトニアンで決定される方向である。   Here, the measurement in the Y direction of the auxiliary qubit 203 is performed, for example, by using a phase gate S represented by the following formula (4) and an Adamard gate (Hadamard Gate) H represented by the following formula (5): After applying to the auxiliary qubit 203, the projection measurement in the Z direction may be performed. The Z direction is a direction determined by a Hamiltonian representing a system in which two qubits 201, qubits 202, and auxiliary qubits 203 are coupled, as in the X direction and the Y direction described above.

Figure 0006042777
Figure 0006042777

上述したように、補助量子ビット203のY方向への測定を行った後、測定における測定結果をもとに、補助量子ビット203に、例えばマイクロ波の照射により一量子ビットゲートをかけ、図2Cに示すように、補助量子ビット203を|−1>の状態に戻す。これらの操作により、図2Cに示すように、量子ビット201と量子ビット202との相互作用はオフとなる。   As described above, after the auxiliary qubit 203 is measured in the Y direction, one qubit gate is applied to the auxiliary qubit 203 by, for example, microwave irradiation based on the measurement result in the measurement, and FIG. As shown, the auxiliary qubit 203 is returned to the state of | −1>. By these operations, as shown in FIG. 2C, the interaction between the qubit 201 and the qubit 202 is turned off.

以上のようにして、マイクロ波の照射とY方向への測定(射影測定)とを組み合わせることで、任意のタイミングで、補助量子ビットを挟んで配置された2つの量子ビット間の相互作用のオン/オフが可能になる。   As described above, by combining microwave irradiation and measurement in the Y direction (projection measurement), the interaction between two qubits arranged with an auxiliary qubit sandwiched at any timing can be turned on. / Can be turned off.

ところで、上述した説明では、量子ビット間の相互作用が同じである場合について説明したが、次に、量子ビット間の相互作用が異なる場合について説明する。以下の説明では、g12>g23を仮定する。なお、g12<g23であっても、同様の操作は可能である。 In the above description, the case where the interaction between qubits is the same has been described. Next, the case where the interaction between qubits is different will be described. In the following description, g 12 > g 23 is assumed. Even if g 12 <g 23 , the same operation is possible.

まず、図2Aに示すように、2つの量子ビット201と量子ビット202との間に補助量子ビット203を配置した状態とする。この構成において、補助量子ビット203を、|−1>(補助量子ビット203におけるスピン1/2のパウリ演算子の固有状態で固有値が1)の状態に偏極させておけば、ハミルトニアンHは0となり、量子ビット201と量子ビット202との相互作用はオフになる。   First, as shown in FIG. 2A, the auxiliary qubit 203 is arranged between the two qubits 201 and 202. In this configuration, if the auxiliary qubit 203 is polarized to a state of | −1> (the eigenvalue of the spin ½ Pauli operator in the auxiliary qubit 203 and the eigenvalue is 1), the Hamiltonian H is 0. Thus, the interaction between the qubit 201 and the qubit 202 is turned off.

次に、補助量子ビット203に、例えばマイクロ波を照射することで一量子ビットゲートをかけ、補助量子ビット203を以下の式(6)で示される状態とする。この操作により、図2Bに示すように、量子ビット201と量子ビット202との相互作用はオンとなる。   Next, one qubit gate is applied to the auxiliary qubit 203 by irradiating microwaves, for example, so that the auxiliary qubit 203 is in a state represented by the following expression (6). By this operation, as shown in FIG. 2B, the interaction between the qubit 201 and the qubit 202 is turned on.

Figure 0006042777
Figure 0006042777

上述したように、相互作用がオンの状態とした後、以下の式(7)で示される時間が経過した後、例えば、量子ビット201にマイクロ波照射によるπパルスをかけることでスピンエコーを起こす。   As described above, after the interaction is turned on, after the time indicated by the following expression (7) has elapsed, for example, a spin echo is generated by applying a π pulse by microwave irradiation to the qubit 201. .

Figure 0006042777
Figure 0006042777

次に、以下の式(8)で示される時間が経過した時点で、補助量子ビット203の量子状態を、Y方向で測定する。これにより、量子ビット201と量子ビット202との間に、「controlled-Z gate」と等価な二量子ビット間ゲートが構成されるようになる。   Next, when the time indicated by the following equation (8) has elapsed, the quantum state of the auxiliary qubit 203 is measured in the Y direction. Thereby, a gate between two qubits equivalent to “controlled-Z gate” is configured between the qubit 201 and the qubit 202.

Figure 0006042777
Figure 0006042777

上述した補助量子ビット203をY方向で測定した後、測定における測定結果をもとに、補助量子ビット203に、例えばマイクロ波の照射により一量子ビットゲートをかけ、図2Cに示すように、補助量子ビット203を|−1>の状態に戻す。これらの操作により、図2Cに示すように、量子ビット201と量子ビット202との相互作用はオフとなる。   After measuring the above-described auxiliary qubit 203 in the Y direction, based on the measurement result in the measurement, the auxiliary qubit 203 is multiplied by one qubit gate by, for example, microwave irradiation, and as shown in FIG. The qubit 203 is returned to the state of | −1>. By these operations, as shown in FIG. 2C, the interaction between the qubit 201 and the qubit 202 is turned off.

以上に説明したように、量子ビット間の相互作用が異なるときでも、補助量子ビットへの測定に、いずれかの量子ビットのスピンエコーを組み合わせることにより、相互作用のオン/オフのスイッチが可能になる。   As described above, even when the interaction between qubits is different, the interaction can be switched on / off by combining the spin echo of either qubit with the measurement to the auxiliary qubit. Become.

従来技術では、量子ビットの共鳴条件を変えるという相互作用のオン/オフが不完全にしか行えない方法や、量子ビットの数が増えるにしたがって必要なπパルスの数が指数関数的に増大するような方法が用いられてきた。これらに対し、本発明では、必要な操作の回数は、量子ビットの数と同程度で済み、かつ原理的には完全に相互作用のオン/オフが可能となる点が従来の技術とは異なる。また、従来技術では、ユニタリー変換を用いて相互作用のオン/オフを行っていたのに対し、本発明では、ノンユニタリーなプロセスである測定を用いることで、相互作用のオン/オフを行うところに大きな特徴がある。   In the prior art, the method of changing the resonance condition of the qubit to turn on / off the interaction only incompletely, or the number of necessary π pulses increases exponentially as the number of qubits increases. Methods have been used. On the other hand, in the present invention, the number of necessary operations is about the same as the number of qubits, and in principle, the interaction can be completely turned on / off, which is different from the conventional technique. . Also, in the prior art, the interaction is turned on / off using unitary conversion, whereas in the present invention, the interaction is turned on / off using measurement, which is a non-unitary process. Has major features.

ところで、量子ビットは、図3に示すように、超伝導磁束量子ビットから構成すればよい。超伝導磁束量子ビットからなる一方の量子ビット301と超伝導磁束量子ビットからなる補助量子ビット303、および補助量子ビット303と超伝導磁束量子ビットからなる他方の補助量子ビット302とは、容量を介して結合して構成すればよい。なお、図中、ジョセフソン接合は、「×」で示している。図3では、基本的な構成を示しており、実際には、例えば、量子ビット302の右側に、補助量子ビットを介して量子ビットを接続し、量子ビット301の左側に、補助量子ビットを介して量子ビットを接続し、これらを繰り返せば、複数の量子ビットの組から構成することができる。また、各量子ビットの上下においても同様に構成することができる。   By the way, the qubit may be composed of a superconducting flux qubit as shown in FIG. One qubit 301 composed of a superconducting flux qubit and an auxiliary qubit 303 composed of a superconducting flux qubit, and the auxiliary qubit 303 and the other auxiliary qubit 302 composed of a superconducting flux qubit are connected via a capacitance. Can be combined. In the figure, the Josephson junction is indicated by “x”. FIG. 3 shows a basic configuration. Actually, for example, a qubit is connected to the right side of the qubit 302 via an auxiliary qubit, and a qubit 301 is connected to the left side of the qubit 301 via an auxiliary qubit. By connecting qubits and repeating these, it is possible to construct a set of a plurality of qubits. The same configuration can be made above and below each qubit.

また、補助量子ビット203の量子状態の検出は、SQUIDから構成したジョセフソン分岐増幅(不図示)を用いることで実施できる。例えば、ジョセフソン分岐増幅用のSQUIDを、補助量子ビット203となる超伝導磁束量子ビットに結合して構成すればよい。また、補助量子ビット203の近傍に設けた制御線(不図示)により共鳴マイクロ波を照射することで、補助量子ビット203に一量子ビットゲートをかければよい。制御線は、各量子ビットが配置される平面の直上または直下に3次元的に配置すればよい。また、量子状態を検出する測定手段も、各量子ビットが配置される平面の直上または直下に3次元的に配置すればよい。   Further, the detection of the quantum state of the auxiliary qubit 203 can be performed by using Josephson branch amplification (not shown) composed of SQUIDs. For example, the SQUID for Josephson branch amplification may be coupled to the superconducting magnetic flux qubit that becomes the auxiliary qubit 203. In addition, it is only necessary to apply one qubit gate to the auxiliary qubit 203 by irradiating resonance microwaves with a control line (not shown) provided in the vicinity of the auxiliary qubit 203. The control line may be arranged three-dimensionally immediately above or directly below the plane on which each qubit is arranged. The measuring means for detecting the quantum state may be arranged three-dimensionally immediately above or immediately below the plane where each quantum bit is arranged.

なお、例えばマイクロ波共振器を介する場合に比べて、このような直接結合の場合は結合が大きくなるため(数十MHzもしくはそれ以上)、短時間(数十ナノ秒もしくはそれ以下)で必要な二量子ビット間ゲート演算が可能である。   Note that, for example, in the case of such direct coupling, the coupling becomes large (several tens of MHz or more) compared with the case of using a microwave resonator, so that it is necessary in a short time (tens of nanoseconds or less). A gate operation between two qubits is possible.

ここで、超伝導磁束量子ビットのハミルトニアンは、以下の式(9)で表すことができる。ここで、σZは、式(10)で示される。 Here, the Hamiltonian of the superconducting magnetic flux qubit can be expressed by the following equation (9). Here, σ Z is expressed by Expression (10).

Figure 0006042777
Figure 0006042777

|L>は、超伝導永久電流が左回りに流れている状態を表し、|R>は、超伝導永久伝導が右回りに流れている状態を表す。σxは、これらの2つの状態間のトンネリングを表すため、以下の式(11)で表すことができる。εが0であるときに、量子ビットの寿命が最大となるので、ここではεが0の場合を考える。 | L> represents a state in which the superconducting permanent current flows counterclockwise, and | R> represents a state in which the superconducting permanent conduction flows clockwise. Since σ x represents tunneling between these two states, it can be expressed by the following equation (11). When ε is 0, the lifetime of the qubit is maximized. Therefore, a case where ε is 0 is considered here.

Figure 0006042777
Figure 0006042777

また、ハミルトニアンを対角化すると、式(12)で表すことができる。   Further, when the Hamiltonian is diagonalized, it can be expressed by Expression (12).

Figure 0006042777
Figure 0006042777

また、このとき、一量子ビットゲートをかけるためのマイクロ波を表すハミルトニアンは、以下の式(13)で表すことができる。   At this time, a Hamiltonian representing a microwave for applying one qubit gate can be expressed by the following equation (13).

Figure 0006042777
Figure 0006042777

ここで、λtは、マイクロ波の強さを示し、φはマイクロ波の位相を表している。量子ビットの回転を行わないときは、λtを0にしておく。量子ビットの回転を行うときには、λtの値を、差周波数Δ−ωおよび結合定数gの両方より十分に大きい値(数倍から数十倍程度)とすることで、高い精度で量子ビットの回転を制御できる。 Here, λ t represents the strength of the microwave, and φ represents the phase of the microwave. When the qubit is not rotated, λ t is set to 0. When rotating the qubit, the value of λ t is set to a value (several times to several tens of times) sufficiently larger than both the difference frequency Δ−ω and the coupling constant g. Rotation can be controlled.

回転座標系に乗ると、ハミルトニアンは、以下の式(14)と書き直せる。このような超伝導磁束量子ビットからなる量子ビット301,量子ビット302,補助量子ビット303を、図3に示すように配置すればよい。   When riding on the rotating coordinate system, the Hamiltonian can be rewritten as the following equation (14). The qubits 301, qubits 302, and auxiliary qubits 303 composed of such superconducting magnetic flux qubits may be arranged as shown in FIG.

Figure 0006042777
Figure 0006042777

ここで、量子ビット301と補助量子ビット303との間や、補助量子ビット303と量子ビット302との間など、隣り合う量子ビット間に、次の式(15)で示す相互作用がかかるものとする。   Here, the interaction represented by the following equation (15) is applied between adjacent qubits such as between the qubit 301 and the auxiliary qubit 303 or between the auxiliary qubit 303 and the qubit 302. To do.

Figure 0006042777
Figure 0006042777

このようなハミルトニアンは、例えば外部磁場を制御することでεを0にし、超伝導磁束量子ビット間は容量を介して結合させれば構成が可能である。あるいは、Δの値がεよりも十分に小さければ、超伝導磁束量子ビット間が磁気的に結合している場合でも同様のハミルトニアンは構成が可能である。   Such a Hamiltonian can be configured by, for example, controlling ε to 0 by controlling an external magnetic field and coupling the superconducting flux qubits via a capacitance. Alternatively, if the value of Δ is sufficiently smaller than ε, a similar Hamiltonian can be configured even when the superconducting flux qubits are magnetically coupled.

量子計算に用いる超伝導磁束量子ビットの間に、補助量子ビットとして役割を持つ超伝導磁束量子ビットを挟むことで、超伝導磁束量子ビット間の相互作用の制御が可能になる。   By interposing a superconducting flux qubit serving as an auxiliary qubit between superconducting flux qubits used in quantum computation, it becomes possible to control the interaction between the superconducting flux qubits.

具体的には、相互作用をかけないときは、補助量子ビットの状態を|−1>に偏極させておく。2つの量子ビット間に相互作用をかけたいときは、まず、2つの量子ビットの間にある補助量子ビットに、共鳴マイクロ波を照射することで|+>の状態を生成する。この後、前述したように、2つある量子ビットのうち片方にスピンエコーを起こすπパルスをかけ、次いで、補助量子ビットの量子状態をY方向に測定する。この後、測定結果をもとにしたマイクロ波の照射により補助量子ビットの量子状態を|−1>に戻すことで、2つの量子ビットの間の相互作用を再びオフにできる。   Specifically, when the interaction is not applied, the state of the auxiliary qubit is polarized to | −1>. When an interaction is to be applied between two qubits, the auxiliary qubit between the two qubits is first irradiated with a resonance microwave to generate a state of | +>. Thereafter, as described above, a π pulse that causes a spin echo is applied to one of the two qubits, and then the quantum state of the auxiliary qubit is measured in the Y direction. Thereafter, the interaction between the two qubits can be turned off again by returning the quantum state of the auxiliary qubits to | −1> by microwave irradiation based on the measurement results.

上述したことにより、「controlled-Z gate」と等価な二量子ビット間ゲートが構成できる。このような、二次元配置上で「controlled-phase」ゲートが構成できれば、「one-way quantum computer」と呼ばれる方法で任意の量子アルゴリズムが実行できる(非特許文献3参照)。   As described above, a gate between two qubits equivalent to “controlled-Z gate” can be configured. If such a “controlled-phase” gate can be configured on a two-dimensional arrangement, an arbitrary quantum algorithm can be executed by a method called “one-way quantum computer” (see Non-Patent Document 3).

なお、例えば、図4の平面図に示すように、超伝導磁束量子ビットからなる2つの量子ビット401,量子ビット402と、補助量子ビット403とを、マトリクス状に配列して隣り合う量子ビット同士を結合させるようにしてもよい。図4において、ジョセフソン接合は、「×」で示している。   For example, as shown in the plan view of FIG. 4, two qubits 401, qubits 402, and auxiliary qubits 403 made of superconducting flux qubits are arranged in a matrix and adjacent qubits are arranged. May be combined. In FIG. 4, the Josephson junction is indicated by “x”.

以上に説明したように、本発明では、2つの量子ビットの各々に結合する補助量子ビットを用い、補助量子ビットに対して一量子ビットゲートをかける操作と、補助量子ビットの状態をY方向に測定する操作と、測定結果をもとに補助量子ビットに対して一量子ビットゲートをかける操作とにより、2つの量子ビットの間の相互作用をオン/オフするようにしたので、位相緩和の影響を受けにくく、大規模量子計算に適用可能な状態で、2つの量子ビット間の相互作用に高いオン/オフ比が得られるようになる。   As described above, in the present invention, the auxiliary qubit coupled to each of the two qubits is used, the operation of applying one qubit gate to the auxiliary qubit, and the state of the auxiliary qubit in the Y direction. The interaction between the two qubits is turned on / off by the measurement operation and the operation of applying one qubit gate to the auxiliary qubit based on the measurement result. In a state that is difficult to receive and applicable to large-scale quantum computation, a high on / off ratio can be obtained in the interaction between two qubits.

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.

201,202…量子ビット、203…補助量子ビット。   201, 202 ... qubits, 203 ... auxiliary qubits.

Claims (3)

2つの量子ビットの各々に結合する補助量子ビットに一量子ビットゲートをかけて前記補助量子ビットを|−1>の状態とする第1ゲート操作ステップと、
前記第1ゲート操作ステップで補助量子ビットを|−1>の状態とした所定時間の後で、前記補助量子ビットの量子状態を測定する測定ステップと、
前記測定ステップによる測定の後で、前記測定ステップにおける測定結果をもとに前記補助量子ビットに一量子ビットゲートをかけて前記補助量子ビットを|−1>の状態とする第2ゲート操作ステップと
を備え、
前記第1ゲート操作ステップでは、2つの前記量子ビットおよび前記補助量子ビットが結合している系を表すハミルトニアンで決定されるX方向に一量子ビットゲートをかけ、前記測定ステップでは、Y方向に前記補助量子ビットの量子状態を測定することを特徴とする量子ビット制御方法。
A first gate operation step of multiplying an auxiliary qubit coupled to each of the two qubits by one qubit gate to place the auxiliary qubit in a state of | −1>;
A measurement step of measuring a quantum state of the auxiliary qubit after a predetermined time in which the auxiliary qubit is in a state of | -1> in the first gate operation step;
After the measurement in the measurement step, a second gate operation step in which a single qubit gate is applied to the auxiliary qubit based on the measurement result in the measurement step so that the auxiliary qubit is in a state of | −1>. With
In the first gate operation step, one qubit gate is applied in the X direction determined by a Hamiltonian representing a system in which the two qubits and the auxiliary qubit are combined, and in the measurement step, the qubit is operated in the Y direction. A method of controlling a qubit characterized by measuring a quantum state of an auxiliary qubit.
請求項1記載の量子ビット制御方法において、
前記測定ステップは、前記第1ゲート操作ステップで|−1>の状態としてからπ/g(gは前記補助量子ビットのハミルトニアン)の後で行うことを特徴とする量子ビット制御方法。
The qubit control method according to claim 1,
The qubit control method is characterized in that the measurement step is performed after π / g (g is a Hamiltonian of the auxiliary qubit) after the state of | -1> in the first gate operation step.
請求項1または2記載の量子ビット制御方法において、
2つの前記量子ビットおよび前記補助量子ビットは、超伝導磁束量子ビットから構成し、
前記第1ゲート操作ステップおよび前記第2ゲート操作ステップでは、前記補助量子ビットに共鳴マイクロ波を照射する
ことを特徴とする量子ビット制御方法。
The qubit control method according to claim 1 or 2,
The two qubits and the auxiliary qubit are composed of superconducting flux qubits,
In the first gate operation step and the second gate operation step, the auxiliary qubit is irradiated with a resonance microwave.
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