高専カンファレンス 014-tokyoでしゃべった内容。 非常に偏った視点から量子コンピューターの現状と実現方法を説明。

1. How to How to How to How to How to How to How to How to
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a quantum a quantum a quantum a quantum a東京高専情報工学科卒
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How to How to How to 東京工業大学理学部物理学科 to
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construct construct construct 中本 顕正 @nakamot0
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2. 10 Qbits 程度のものしか作られていない
いろいろな方法でアプローチしている
超伝導
光
イオン
冷却原子
ビット数が少なすぎるよね。

3. Abstract
光格子トラップされた中性原子の
光学遷移をつかって
拡張性のある量子計算機
をつくろう！！

4. λ = 532nm,
Optical lattice
10 μK
266nm
原子の温度 100 nK

5. Neutral atoms
核スピン
171Yb I=1/2
[Xe]4f146s2

6. Ultra Narrow Optical Transition
1P J=1, L=1, S=0
1
τ = 5.5 ns
3P J=2, L=1, S=1 τ = 15 s
2
3P J=1, L=1, S=1 τ = 875 ns
399nm 1
507nm 3P J=0, L=1, S=1
0
556nm
578nm
1S J=0, L=0, S=0
0

7. Quantum Computer
重ね合わせにより特定の計算クラスに対して、
計算速度が圧倒的に速い
因数分解
検索
量子シミュレーション
つまり、古典計算機と量子計算機は
それぞれ得意な計算を分業して利用する！！
詳しくはQuantum Algorithm Zooなどを参照

8. DiVincenzo criteria
DiVincenzoの量子計算機の5つの条件
拡張可能性 (簡単にビット数を増やせるよ)
初期化能力 (メモリの初期化ができるよ)
コヒーレント時間 (計算途中のデータが壊れないよ)
結果出力能力 (計算結果が観測できるよ)
計算万能性 (いろんな計算ができるよ)

9. #1 Scalability
光格子で104個の量子ビットを格子状に並べることが可能！
（NMRだと10量子ビット、イオントラップだと8量子ビット）

10. #2 Initiability
mF=-1/2 mF=+1/2
1P (F’=1/2)
1
J=1, L=1, S=0
 1S J=0, L=0, S=0
mF=-1/2 mF=+1/2 0
励起準位の寿命
τ = 5.5ns

11. レーザー冷却で
#3 Long decoherence time 100 nK まで冷やすので
熱的ノイズも抑えられる
266 nm
電子スピンが中和しているため
核スピンの磁気双極子―双極子相互作用のみ影響
相互作用による時間発展は
2×107秒のオーダー
数秒の実験時間に対して十分長いとみなせる。

12. #4 Individual addressing
磁場勾配により量子ビットごとに
共鳴周波数が違う
1 S ⇔ 3P
0 2
対象ビットのみを励起できる！
今、この部分を改良したものを研究中です。

13. #5 Universal Quantum Computing
任意の量子回路は
1量子ビットユニタリー変換と制御NOTで構成することができる。

14. #5 Universal Quantum Computing
論理回路でのNOT素子みたいなもの
4準位間遷移
mF=-3/2 mF=-1/2 mF=+1/2 mF=+3/2 3
P2 (F’=3/2)
J=2, L=1, S=1
※ 断熱消去により間の2準位は無視できる。

15. #5 Universal Quantum Computing
論理回路でのXOR素子みたいなもの
A B A’ B’
0 0 0 0
0 1 0 1
1 0 1 1
1 1 1 0
双極子―双極子相互作用により
π偏光で遷移する角周波数が異なる

16. Conclusion
光格子中の中性原子をもちいることにより、
大量の量子ビットを扱うことができる。
個別量子ビットへのアクセスが可能となる。
基底状態と励起状態のスイッチングにより
長いコヒーレンス時間と演算の簡便性を両立で
きる。
質問は懇親会等で！！！！

17. 野口篤史A，B，衛藤雄二郎B，中本顕正A，MirandaMartinA，PengZhangB，上田正仁B，C，上妻幹旺A，B
表面２次元光格子中の縮退Yb原子集団を用いた量子計算の提案
日本物理学会秋季大会25pRD-8
中本 顕正
ご清聴ありがとうございました。