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METHOD FOR PHOTON-SPIN QUANTUM BIT CONVERSION AND CONVERTER

Patent code P06P004388
File No. P2004-120
Posted date Jun 23, 2006
Application number P2004-337992
Publication number P2006-146718A
Patent number P4399597
Date of filing Nov 22, 2004
Date of publication of application Jun 8, 2006
Date of registration Nov 6, 2009
Inventor
  • (In Japanese)武藤 俊一
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人 北海道大学
Title METHOD FOR PHOTON-SPIN QUANTUM BIT CONVERSION AND CONVERTER
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a photon-spin quantum bit converter independent of materials and with a simple structure.
SOLUTION: Since ΔE=0 for an electron, a downward spin a (11a) and an upward spin b (11b) have the same energy level. A light hole 15 and a heavy hole 17 are split, respectively (15a, 15b, 17a, 17b). By irradiating a quantum dot 1 with a quantum bit of light (in this case, overlap of right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light), a downward spinning electron 11a and an upward spinning electron 11b are generated as electrons excited from the heavy hole (hh). As shown in Figure, the degeneration of the heavy hole hh and the light hole lh is eliminated. Therefore, the quantum bit conversion is performed as shown in the formula: a|right-handed circularly polarized light>+b|left-handed circularly polarized light>=(a|downward electron>+b|upward electron>)×|heavy hole(upper branch)>.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


次世代の情報技術として量子情報処理の進展が急である。量子暗号通信についてはプラグ・アンド・プレイのシステムがネット上で売りに出されており、また1.55ミクロン帯で100kmを無中継で通信可能になった(非特許文献1)。量子中継器が実現すれば量子暗号通信の通信距離を飛躍的に増大させることができる。より高度の情報処理として量子コンピューティング(非特許文献2、3)への期待も高い。ショアのアルゴリズム(非特許文献4)による因数分解と暗号解読、グローバーの検索アルゴリズム(非特許文献5)によるデータベース検索などが可能になる。現在は、まだ他の目立った応用は報告されていないが、ハードウェアが実現すれば新しい応用も拓けて来るものと期待される。ハードウェアの提案は多数あり、既にNMRを用いた量子コンピューティングでは7量子ビットを用いた因数分解がデモンストレーションされている(非特許文献6)。またジョセフソン素子を用いて固体版でもQubit間の相互作用が報告されている(非特許文献7)。



また、非特許文献8においては、電子のスピンと光子のスピンの量子ビット変換についての提案がなされている。量子ドットの電子スピンを用いた提案もあり、発明者らも、最近、独自の手法を提案している。いずれの技術も今後への期待をもたせるものではあり、これらの種々の技術に基づいて、今後は数多くの量子コンピュータが実現されていくものと期待されている。



このような流れの中で、今後、種々の量子コンピューティングを光子Qubitで結んだ量子情報処理ネットワークへの応用に対して大きな期待がもてる。量子コンピュータをネットワーク化すれば、単に量子ビットが増大するだけでなく分散処理により個々の量子コンピュータの強みを活かすことができる。例えば、電子スピンや光を用いた量子コンピュータ(QC)は高速演算を得意とし、半導体核スピンQCはメモリの持続時間が長くてサーバー向けというように、量子の世界を現在のコンピュータネットワークに置き換えることも可能であろう。逆に、個々のQCが不完全であっても、ネットワーク化することにより実用的になる可能性がある。このためには、電子のスピンと光子の量子情報とをビットごとに変換する量子ビット変換技術が必須のものとなることは間違いない。



また、非特許文献8では、g因子エンジニアリングを用いた量子井戸及び量子ドットにおける光学遷移の選択則に基づく電子スピンと光子との量子ビット変換が提案されている。



【非特許文献1】
小坂英男ら第8回量子情報技術研究会(QIT2003)資料pp.243-246(電子情報通信学会)。
【非特許文献2】
R. P. Feynman, Opt. News 11, 11 (1985).
【非特許文献3】
D. Deutsch, Proc. R. Soc. London A 400, 97 (1985).
【非特許文献4】
P. W. Shor, in Proceedings of the 35th Annual Symposium on the Foundations of ComputerScience, Los Alamitos, CA (IEEE Computer Society Press, New York, 1994), p. 124.
【非特許文献5】
L. K. Grover: Phys. Rev. Lett. 79 (1997) 325.
【非特許文献6】
"Experimental realization of Shor's quantum factoring algorithm using nuclear magnetic resonance"Lieven M. K. Vandersypen* et. al., Nature Vol. 414, pp.883-887 (2001).
【非特許文献7】
Yu A. Pashkin et. al., "Quantum Oscillations in two coupled charge qubits", Nature Vo. 421, pp. 823-826 (2003).
【非特許文献8】
Rutger Vrijena, Eli Yablonovitchb, Physica E 10 (2001) 569.

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は、光子-スピン量子ビット変換技術に関し、特に、量子ドットにおけるゼーマンエネルギーのオーバーハウザー・シフトを用いた光量子ビットと電子スピン量子ビットとの量子ビット変換技術に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
量子ドットと、
第1の方向から前記量子ドットに対して円偏光を導入する円偏光光導入手段と、
前記量子ドットに対して前記量子ドット中の電子に作用する原子核からの実効磁場をキャンセルする程度の外部磁場を第2の方向から印加する外部磁場印加手段と
を有する光子-スピン量子ビット変換器。

【請求項2】
 
量子ドットと、
第1の方向から前記量子ドットに対して左右の円偏光を導入する円偏光導入手段と、
前記量子ドットに対して前記量子ドット中の電子に作用する原子核からの実効磁場をキャンセルする程度の外部磁場を第2の方向から印加する外部磁場印加手段と
を有する光子-スピン量子ビット変換器。

【請求項3】
 
前記左右の円偏光は、前記量子ドットにおける分裂した軽い正孔と、縮退した上向きスピンを有する電子と下向きスピンを有する電子と、のエネルギー差に相当するエネルギーを有する円偏光であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光子-スピン量子ビット変換器。

【請求項4】
 
前記左右の円偏光は、前記量子ドットにおける分裂した重い正孔と、縮退した上向きスピンを有する電子と下向きスピンを有する電子と、のエネルギー差に相当するエネルギーを有する円偏光であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光子-スピン量子ビット変換器。

【請求項5】
 
量子ドットにおける電子のスピンの向きを、第1の方向から円偏光を前記量子ドットに対して導入することにより揃える第1ステップと、
前記第1ステップによって生じた原子核がつくる磁場をキャンセルする程度の外部磁場を前記第2の方向から印加する第2ステップと、
を有する光子-スピン量子変換方法。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2004337992thum.jpg
State of application right Registered
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