【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】この発明は、マグノンを媒介とした新規の動作原理に基づく固体ＮＭＲ（核磁気共鳴）量子計算機に関する。 【０００２】 【従来の技術】量子計算機は、超並列計算が可能なことから、古典計算機が１０年かかる因数分解を１秒以内でできると言われている（文献：数理科学（サイエンス社）１０（１９９８）ｐ１６参照）。 因数分解の困難さは、現在の通信暗号システムの基本原理となっており、
この前提が崩れれば「暗号」概念のパラダイムシフトを引き起こすと考えられている。 量子計算機の概念は極めて原理的であり、それ故、量子計算機を実現するためのシステムは種々可能である。 このため、量子計算機の実現は、多くの物質科学分野において主要な研究テーマになっている。 それらのシステムの中でも核スピン・システムは、外系からの独立性が高いこと、及びＮＭＲ技術で培われた優れた制御・測定技術が使用できることから最も実現可能性の高いシステムである。 事実、世界最初の量子計算機は溶液ＮＭＲシステムによって実現された。 この量子計算機は２−キュビット（量子ビット）ではあるが量子計算を実証した（文献：Ｐｈｙ．Ｒｅｖ．
Ｌｅｔｔ． ８０，３４０８（１９９８）、Ｊ． Ｃｈｅ
ｍ． Ｐｈｙｓ． ． １０９，１６４８（１９９８）参照）。 【０００３】しかしながら、実用的な計算を行うためには制御可能キュビットが多い量子計算機、すなわち、多キュビット量子計算機が必要であるが、溶液ＮＭＲシステムによる量子計算機は利用できるキュビット数が一つの分子中における異なる核の数によって制限を受けるため、キュビット数を増やすことが困難である。 キュビット数を増やすために、磁場勾配を用いた固体ＮＭＲシステムによる量子計算機が提案された（文献：Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ． Ａ６８，１（１９９９）参照）。 磁場勾配を用いた固体ＮＭＲシステムは、固体を構成する原子の核スピンをキュビットとし、核スピン間の磁気双極子相互作用を利用したものであり、磁場勾配によるＮＭＲ周波数の違いを利用してキュビットの選択を行うものである。 この磁場勾配を用いた固体ＮＭＲシステムの提案は、実用上幾つかの欠点を有しているが、多ビット量子計算機を実現するためには極めて魅力的なシステムである。 【０００４】量子計算には、単キュビット操作である任意の回転ゲートと、キュビット間操作である制御ＮＯＴ
ゲートとが必要であることが知られている。 量子計算機を実現する上で極めて重要な課題は、制御ＮＯＴゲートの実現方法である。 制御ＮＯＴゲートとは、対象とするキュビットの論理状態が、制御キュビットの論理状態に依存して変化するゲートである。 対象及び制御の二つのキュビットがキュビット間の相互作用を通じて互いに結合し上記の状態遷移を起こすことができる量子システムの設計は、量子計算機の設計上極めて重要である（文献：Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ６２，２２３０４（２００
０）参照）。 【０００５】制御ＮＯＴゲートのキュビット間相互作用は、デコヒーレンス時間内の適切な時間内に論理計算が完了するように十分強いことが必要である。 従来の磁場勾配を用いた固体ＮＭＲシステムにおいては、キュビット間の相互作用が核スピン間の磁気双極子相互作用であり、磁気双極子相互作用は作用距離が短いので、核スピン同士を格子間隔程度に近づけることが必要である。 核スピン同士を格子間隔程度に近づければ、適切な時間内に論理計算を完了することができる。 【０００６】しかしながら同時に、核スピン同士が近い場合には、対象キュビットまたは制御キュビット以外の膨大な数の他の核スピン間との磁気双極子相互作用が発生し、これらの相互作用をデカップリングするために複雑なデカップリング操作が必要になり、多キュビットの場合にはデカップリングが極めて困難になる。 デカップリングとはキュビット間の不必要な相互作用を零にする操作であり、ＮＭＲでは、原子核間の双極子相互作用の時間平均を零にするために特殊なＮＭＲパルス系列を印加する。 物質の種類毎に異なった複雑なＮＭＲパルス列を印加する必要がある（文献：Ｒ．Ｒ．Ｅｒｎｓｔ ａ
ｎｄ Ｇ． Ｂｏｄｅｎｈａｕｓｅｎ ａｎｄ Ａ． Ｗｏ
ｋａｕｎ，“Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｎｕｃｌｅ
ａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｎ
Ｏｎｅ ａｎｄ Ｔｗｏ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ”Ｉｎ
ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ Ｍｏｎ
ｏｇｒａｐｈｓ ｏｎ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ−１４，Ｏ
ｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ １９
８７，Ｏｘｆｏｒｄ，Ｓｅｃｔｉｏｎ４．２、Ｃ． Ｐ．
Ｓｌｉｃｈｔｅｒ，“Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｎ
ｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ”Ｓｐｒｉｎｇｅｒ
Ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｃ
ｉｅｎｃｅ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ，１９８
９ Ｂｅｒｌｉｎ，Ｃｈａｐｔｅｒ７−２０，邦訳「磁気共鳴の原理」益田義賀訳シュプリンガーフェアラーク東京１９９８年７−２０章、参照）。 【０００７】また、制御ＮＯＴゲートの操作は必要な時期に必要な時間行うことが要求されるから、必要なときに核スピン同士の相互作用を生じさせ、また、終了させることができるキュビット間相互作用、すなわち、スイッチング可能なキュビット間相互作用が必要である。 従来の磁場勾配を用いた固体ＮＭＲシステムでは、このようなスイッチング可能なキュビット間相互作用が提案されていない。 【０００８】また、特定のキュビットの任意の回転ゲート、あるいは特定のキュビット間の制御ＮＯＴゲートを操作できることが必要であり、このためには、特定のキュビットを選択できることが必要である。 従来の磁場勾配を用いた固体ＮＭＲシステムでは、核スピン間隔が格子定数距離であるため、磁場勾配中に配列したキュビット間のＮＭＲ周波数の差が極めて小さく選択困難である。 選択可能な磁場勾配は１Ｔ／μｍ以上であり、この磁場勾配を実現することは現状の技術では極めて困難である。 【０００９】このように、最も実現性の高い多キュビット量子計算機として磁場勾配を用いた固体核磁気共鳴システムが提案されているが、キュビットを選択できないこと、制御ＮＯＴゲートをスイッチングができないこと、また、複雑なデカップリング操作を必要とするＲ
Ｊ、と言った課題がある。 【００１０】 【発明が解決しようとする課題】上記課題に鑑み本発明は、磁場勾配を用いた固体核磁気共鳴システムを用いる量子計算機において、キュビットを選択して、かつ、スイッチング可能に、任意の回転ゲート操作及び制御ＮＯ
Ｔゲート操作ができ、また、複雑なデカップリング操作を必要としない多キュビット量子計算機を提供することを目的とする。 【００１１】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明のマグノン媒介型固体ＮＭＲ量子計算機は、
磁場勾配を用いた固体核磁気共鳴システムを用いる量子計算機において、低次元磁性体の複数の格子点毎の原子に核スピンを設定した複数のキュビットを有し、複数のキュビットにＮＭＲ周波数を選択した電磁波を照射して、所望のキュビットに所望の回転ゲート操作を行い、
複数のキュビットに、周波数を選択したマイクロ波を照射して所望のキュビット間にマグノンを生起し、マグノンを介して所望のキュビット間に核スピン相互作用を励起し、核スピン相互作用により一方のキュビットの核スピンに依存して他方のキュビットの状態を変化させる制御ＮＯＴゲート操作を、ＮＭＲ周波数を選択した電磁波を照射して行うことを特徴とする。 この場合、マイクロ波の周波数は、磁場勾配と低次元磁性体の量子多体効果に基づくスピンギャップ・エネルギーに対応することが好ましい。 また、前記核スピン相互作用はＳｕｈｌ−Ｎ
ａｋａｍｕｒａ相互作用であることを特徴とする。 低次元磁性体は好ましくは１次元反強磁性体である。 【００１２】この構成によれば、マグノンを媒介とするＳｕｈｌ−Ｎａｋａｍｕｒａ相互作用が長距離相互作用であるからキュビット間隔を大きくすることができる。
キュビット間隔を大きくすることができるから、磁場勾配中のキュビットのＮＭＲ選択が可能になる。 そして、
キュビットを選択できるから、キュビットを選択して任意の回転ゲートを操作できる。 また、低次元磁性体は、
好ましくは１次元反強磁性体であるから、量子多体効果によるスピンギャップが発生する物質が存在する。 スピンギャップを有する磁性体に磁場勾配を印加すれば、スピンギャップ・エネルギーに磁場依存性が生じ、照射するマイクロ波の周波数を選択することによって、選択したキュビット間にマグノンを生成できる。 選択したキュビット間にマグノンを生成できるから、選択したキュビット間にマグノンを媒介とするＳｕｈｌ−Ｎａｋａｍｕ
ｒａ相互作用が生じる。 そして、Ｓｕｈｌ−Ｎａｋａｍ
ｕｒａ相互作用によって、選択した２つのキュビットの一方のキュビットの核スピンの状態に依存して、他方のキュビットのＮＭＲ周波数が変化するから、ＮＭＲ周波数を選択した電磁波を照射して制御ＮＯＴゲートをスイッチング可能に操作できる。 また、外系からの独立性が高く、デカップリング操作を必要としない。 従って、多キュビット量子計算機を実現することができる。 【００１３】さらに、請求項１〜５のいずれかに記載のマグノン媒介型固体ＮＭＲ量子計算機において、低次元磁性体からなる量子スピン鎖を平行に複数集積したフィルムと核スピンの無い半導体とを交互に多段に積層し、
半導体のバンドギャップエネルギーに相当する円偏光を照射して全てのキュビットを初期化することを特徴とする。 前記半導体は、好ましくは²⁸ Ｓｉである。 【００１４】この構成によれば、同一の磁場強度に対応するキュビットが複数存在するので読み出し時のＮＭＲ
信号が大きくなり、キュビットの状態を容易に読み出すことができる。 また、半導体のバンドギャップエネルギーに相当する円偏光、例えば円偏光レーザーを照射するので、円偏光による半導体の励起自由電子が特定の方向にスピン偏極し、このスピン偏極がフィルムの量子スピン鎖の核スピン全てに転写される。 従って、量子計算機の初期化が容易に確実に行える。 また、円偏光の照射を停止すれば、励起自由電子は速やかに価電子帯に緩和し半導体の電子スピンは消滅するので、量子計算に影響を及ぼすことがない。 したがって、本発明によれば、実用的な多キュビット量子計算機を実現することができることになる。 【００１５】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 図１〜図４に基づいて本発明の実施の形態を説明する。 図１は、本発明のマグノン媒介型固体核磁気共鳴量子計算機の動作原理を示す図である。 図１において、１次元方向（ｘ）にのみ電子スピンの交換相互作用を有する１次元反強磁性媒体１、すなわち１−Ｄ反強磁性媒体１が、ｚ方向の磁場がｘ方向に勾配を有する磁場勾配Ｈ（ｘ）中に配置されている。 図の黒い帯２は電子系２を表し、○（白丸）及び●（黒丸）は、格子点に存在する反強磁性媒体１の原子３を表す。 ●（黒丸）は、核スピンを設定した原子３を表し、
上向き矢印は、印加磁場方向の核スピン、−１／２、下向き矢印は印加磁場方向と逆向きの核スピン、１／２を表し、２量子状態キュビットである。 ○（白丸）は核スピンが設定されておらず、キュビットとして機能しない。 図に示した例においては、キュビットは、６格子点毎に配置されている。 図１（ｂ），（ｃ）の５は、下記に説明する特定の周波数のマイクロ波４を照射して生起させるマグノン生起に基づく磁場分布を表している。 【００１６】本発明の量子計算機は、キュビット間の相互作用にＳｕｈｌ−Ｎａｋａｍｕｒａ相互作用（Ｐｈ
ｙ． Ｒｅｖ． １０９（１９５８）６０６、Ｐｒｏｇ． Ｔ
ｈｅｏｒ． Ｐｈｙｓ． ２０（１９５８）５４２、参照）
を用いる。 Ｓｕｈｌ−Ｎａｋａｍｕｒａ相互作用はマグノン５を介した核スピン間の相互作用である。 相互作用エネルギーＥ _SNは、 Ｅ _SN ＝Ｗ・Ｉ _N・Ｉ _N+1 （１）式である。 Ｗは、相互作用する核間の距離、マグノン５の密度、マグノン５のエネルギー等によって定まる正の定数であり、Ｉ _N 、Ｉ _N+1はそれぞれ、Ｎ番目のキュビットのｚ方向の核スピン・ベクトル、Ｎ＋１番目のキュビットのｚ方向の核スピン・ベクトルであり、相互作用エネルギーＥ _SNはｚ方向の核スピン・ベクトルＩ _NとＩ
_N+1の積に比例する。 マグノン５は、反強磁性相互作用力によって互いに結びついた電子スピンを集団的に励起したものであり、磁気双極子相互作用に比べ、はるかに遠くまで相互作用が及ぶ。 このため、図に示したように、キュビットが数格子距離離れていても相互作用させることができる。 【００１７】図２は、磁場勾配Ｈ（ｘ）中の１−Ｄ反強磁性媒体１の電子のエネルギー状態を示す図である。 図において縦軸はマグノンの励起エネルギーを表し、横軸は磁場勾配Ｈ（ｘ）を表すと共に図１のキュビットの配列方向に対応する。 ｜００＞は基底状態の一重項状態をあらわし横軸と重なっている。 ｜１−１＞、｜１０＞、
及び｜１１＞は、励起状態である３重項状態のそれぞれを表している。 ｜＞中の初めの数値は合成スピンの大きさを示し、第２の数値はスピンのｚ成分の大きさを示す。 １−Ｄ反強磁性媒体１のマグノン励起エネルギー、
すなわち、１−Ｄ反強磁性媒体１の電子のエネルギー状態は、量子多体効果により、｜００＞の一重項基底状態と｜１−１＞、｜１０＞、及び｜１１＞の３重項励起状態を有している。 磁場勾配Ｈ（ｘ）中では、図に示すように、励起状態の３重項状態は縮退が解け、磁場勾配Ｈ
（ｘ）に依存したエネルギー状態となる。 基底状態｜０
０＞と最低励起状態｜１−１＞との間のエネルギー差をスピンギャップ６と呼ぶ。 スピンギャップ６は、図に示すように、磁場勾配Ｈ（ｘ）に依存する。 スピンギャップ６は量子多体効果によって生じるものであり、種々の一次元反強磁性体で見つかっている（文献：Ｐｈｙ．Ｒ
ｅｖ． Ｌｅｔｔ． ３５（１９７５）７４４、Ｐｈｙ． Ｌ
ｅｔｔ． ９３Ａ，（１９８３）４６４）、Ｐｈｙ． Ｒｅ
ｖ． Ｌｅｔｔ． ５０（１９８３）１１５３参照）。 【００１８】本発明の量子計算機はスピンギャップ６に対応する温度よりも十分低温で動作させる。 スピンギャップ６に対応する温度よりも十分低温で動作させるので、１−Ｄ反強磁性媒体１は基底状態｜００＞にあり、
基底状態｜００＞は合成スピンが０であるから、マグノン５が励起されずキュビット間の相互作用は生じない。
この状態は図１（ａ）に対応する。 また、図１に示したように、本発明の量子計算機はキュビット間の距離が大きいので、磁場勾配Ｈ（ｘ）中におかれたキュビット間のＮＭＲ周波数の差が大きく、ＮＭＲ周波数を選択した電磁波７を照射することによって、キュビットを選択できる。 従って、スピンギャップ６に対応する温度よりも十分低温で動作させ、特定のキュビットのＮＭＲ周波数に対応する周波数を選択し、ＮＭＲの時間、及び強度を制御して、特定のキュビットに任意の回転ゲートを操作することができる。 本発明の任意の回転ゲート操作は、
上記のように、キュビットを選択でき、スイッチング可能であり、またデカップリング操作を必要とせずに行うことができる。 【００１９】図２の太線と○（白丸）は、特定のキュビットＮとキュビットＮ＋１間の１−Ｄ反強磁性媒体の最低励起状態｜１−１＞を示す。 ○（白丸）で示した最低励起状態｜１−１＞と基底状態｜００＞との間のエネルギー差、すなわちスピンギャップ６に相当するマイクロ波４を照射することにより、１−Ｄ反強磁性媒体１は基底状態｜００＞から最低励起状態｜１−１＞に遷移し、
特定のキュビットＮとキュビットＮ＋１間の１−Ｄ反強磁性媒体１に電子スピンが誘起されてマグノン５が生起される。 このように、特定の周波数のマイクロ波４を照射することによって、特定のキュビット間にのみマグノン５を生起することができる。 【００２０】マグノン５の生起に基づく磁場分布は、スピン波に基づく磁場Ｈ _trと、Ｓｕｈｌ−Ｎａｋａｍｕｒ
ａ相互作用に基づく等価的な磁場Ｈ _SNとによって定まる。 勾配磁場Ｈ（ｘ）の方向を正とすれば、図１（ｂ）
のように全キュビットの核スピンを正方向に設定した場合には、（１）式からＳｕｈｌ−Ｎａｋａｍｕｒａ相互作用エネルギーＥ _SNは正となり、Ｅ _SNが正となるＨ
_SN （＝Ｅ _SN ／γ、γは核磁気回転比）は負となる。 図１
（ｂ）に示したマグノン５の形状は、マグノン５の生起に基づく磁場分布を上記のＨ _SN ＜０を考慮して模式的に示したものである。 【００２１】同様に、図１（ｃ）に示すように、Ｎキュビットの核磁気スピンＩ _Nが下向き（負方向）、Ｎ＋１
キュビットの核磁気スピンＩ _N+1が上向き（正方向）の場合には、（１）式からＳｕｈｌ−Ｎａｋａｍｕｒａ相互作用エネルギーＥ _SNは負となり、Ｎキュビットの核磁気スピンＩ _Nが下向き、すなわち負方向であるので、Ｎ
キュビットにおけるＨ _SNは負となる。 Ｎ＋１キュビットのＩ _N+1が上向き、すなわち正方向であるので、Ｎ＋１
キュビットにおけるＨ _SNは正となる。 図１（ｃ）に示したマグノン５の形状は、マグノン５の生起に基づく磁場分布を、ＮキュビットにおいてＨ _SN ＜０、Ｎ＋１キュビットにおいてＨ _SN ＞０を考慮して模式的に示したものである。 【００２２】次に、本発明の制御ＮＯＴゲートの操作を説明する。 上記に説明したように、特定の周波数のマイクロ波４を照射することによって、特定のキュビットＮ
とＮ＋１間にマグノン５を生起する。 マグノン５を介してキュビットＮの核スピンＩ _NとキュビットＮ＋１の核スピンＩ _N+1がＳｕｈｌ−Ｎａｋａｍｕｒａ相互作用を行う。 Ｓｕｈｌ−Ｎａｋａｍｕｒａ相互作用により、キュビットＮ＋１の核スピンＩ _N+1は、キュビットＮの核スピンＩ _Nが作る磁場、Ｈ _SNを感じる。 上記に説明したように、キュビットＮの核スピンＩ _Nが上向きの状態（正方向）のとき、キュビットＮ＋１の核スピンＩ _N+1
が感じるＨ _SNは下向き（Ｈ _SN ＜０）となり、キュビットＮの核スピンＩ _Nが下向きの状態（負方向）のとき、Ｈ
_SNは上向き（Ｈ _SN ＞０）となる。 これにより、キュビットＮ＋１の核スピンＩ _N+1に働く有効磁場Ｈ _T （＝Ｈ
（ｘ）＋Ｈ _SN ＋Ｈ _tr ）は、核スピンＩ _Nが上向きの状態のとき小さくなり、核スピンＩ _Nが下向きの状態のとき大きくなり、Ｓｕｈｌ−Ｎａｋａｍｕｒａ相互作用が無い場合のＮＭＲ周波数より、それぞれ、負側（低周波側）、正側（高周波側）にずれる。 このＮＭＲ周波数のずれを利用すると、キュビットＮ＋１に電磁波７を照射することにより、キュビットＮのスピン状態に依存してキュビットＮ＋１の状態を、反転あるいは非反転させることができる。 【００２３】図３を用いてさらに詳しく説明する。 図３
は本発明の制御ＮＯＴ動作の原理を示す図である。 図３
（ａ）は対象キュビットＮ＋１の核スピンＩ _N+1の状態を示し、図３（ｂ），（ｃ），（ｄ）はＩ _N+1にＮＭＲ
を操作することを示す図であり、図３（ｂ），（ｃ），
（ｄ）の上段は制御キュビットＮの核スピンＩ _Nが上向きの場合を示し、下段は制御キュビットＮの核スピンＩ
_Nが下向きの場合を示す。 座標軸は静磁場（Ｈ（ｘ）＋
Ｈ _tr ）を消去する回転座表系である。 はじめに、図３
（ａ）に示す対象キュビットＮ＋１の核スピンＩ
_N+1に、ｙ−ｚ面内での９０°回転に相当する周波数の電磁波７を照射して、ｚ方向（磁場方向）に向いていた核スピンＩ _N+1をｘ−ｙ面内に倒すと、図３（ｂ）に示すように、核スピンＩ _N+1はｘ−ｙ面内で歳差運動する。 この際、例えば、図１（ｂ）に示すように、制御キュビットＮの核スピンＩ _Nが上向き状態であった場合、
有効磁場Ｈ _Tが小さいので、核スピンＩ _N+1の歳差運動は磁場Ｈ _SNが存在しない場合に比べて遅くなり、負方向（時計回り）に歳差運動する。 逆に、図１（ｃ）に示すように、制御キュビットＮの核スピンＩ _Nが下向き状態であった場合、有効磁場Ｈ _Tが大きいので、核スピンＩ
_N+1の歳差運動は磁場Ｈ _SNが存在しない場合に比べて速くなり、核スピンＩ _N+1は正方向（反時計回り）に歳差運動する。 この歳差運動のｘ−ｙ面内での回転角がｘ−
ｙ面内でそれぞれプラス９０度、マイナス９０度になった時に、さらに、図３（ｃ）に示すようにｘ−ｚ面内で核スピンＩ _N+1を９０°回転させる電磁波７を照射すると、結果として図３（ｄ）に示すように、制御キュビットＮの核スピンＩ _Nの状態に応じて、対象キュビットＮ
＋１の核スピンＩ _N+1が上向き、または、下向き状態に変化する。 すなわち、キュビットＮを制御キュビットとし、キュビットＮ＋１を対象キュビットとすれば、制御キュビットの状態によって対象キュビットを非反転、または反転させたことになり、すなわち、制御ＮＯＴ操作ができる。 制御ＮＯＴ操作終了後、マイクロ波４の照射を停止すると、３重項励起状態電子スピンは１重項基底状態に緩和され、マグノンが消滅し、キュビット間は再び遮断される。 本発明の制御ＮＯＴゲート操作は、上記のように、キュビットを選択でき、スイッチング可能であり、また、デカップリング操作を必要とせずに行うことができる。 【００２４】ところで、上記の構成によれば、多キュビット量子計算が原理的に可能であるが、１本の量子スピン鎖（１−Ｄ反強磁性媒体の原子の核スピンからなる鎖）で実現することは感度の点で困難である。 例えば、
量子計算結果を読み出す場合には、キュビット毎のＮＭ
Ｒ吸収線の測定を必要とするが、わずか一個の原子の核スピンによる吸収を観測することは、雑音に埋もれてしまい測定困難である。 本発明は、以下に示す構成で上記の課題を解決している。 【００２５】図４は、本発明の集積型の固体ＮＭＲ量子計算機の構成を示す図である。 図において、本発明の集積型固体ＮＭＲ量子計算機は、上記に説明した量子スピン鎖８を量子スピン鎖８間で相互作用が生じない程度離して互いに平行に配列して形成したフィルム９と、核スピンの無い²⁸ Ｓｉ単結晶１０とを交互に多段に積層して構成する。 同一の磁場強度に対応するキュビットが複数存在するようになるので、読み出し時の信号強度が大きくなり、容易に読み出せるようになる。 さらに、フィルム９をＳｉ単結晶１０で挟むことによって、フィルム９
上の全てのキュビットを初期化することが容易になる。
すなわち、量子計算を開始する前に、Ｓｉ１０のバンドギャップエネルギーに相当する円偏光、例えば円偏光レーザーを集積型の固体ＮＭＲ量子計算機全体に照射する。 円偏光によって励起されたＳｉ１０の自由電子は円偏光の回転方向に依存した特定の方向のスピン偏極を有し、このスピンが、フィルム９の量子スピン鎖の核スピンに転写される（文献：Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．
２０（１９６８）４９１、Ｆ． Ｍｅｉｅｒａｎｄ Ｂ．
Ｐ． Ｚａｋｈａｒｃｈｅｎｙａ ｅｄ． “Ｏｐｔｉｃａ
ｌ Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ”，Ｍｏｄｅｒｎ Ｐｒｏ
ｂｌｅｍｓ ｉｎ Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ Ｍａｔｔｅｒ
Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃ
ｅＰｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ１９８
４． 参照）。 円偏光の照射を停止すれば、Ｓｉ１０の自由電子は速やかに価電子帯に緩和し、Ｓｉ１０中のスピンは消滅するので、量子計算中のＳｉ１０はいわば「静かな傍観者」となり、量子計算に影響を及ぼすことがない。 このようにして、本発明の集積型の固体ＮＭＲ量子計算機は、同一の磁場強度に対応するキュビットが複数存在するので、感度を高くすることができ、また、円偏光励起による自由電子スピンの偏極を転写するので、全てのキュビットの全ての核スピンを容易に初期化できる。 【００２６】なお、上記説明では、 ²⁸ Ｓｉ単結晶を例にとって説明したが、核磁気スピンを有さない他の半導体であっても良い。 【００２７】 【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発明によれば、以下の有利な作用効果を奏する。 キュビット間の相互作用にＳｕｈｌ−Ｎａｋａｍｕｒａ相互作用を用いるのでキュビット間の距離を離すことができ、磁場勾配中のキュビット毎に任意の回転ゲート操作ができる。 また、量子多体効果によるスピンギャップを用いて選択的にマグノンを励起するので、特定の制御ＮＯＴゲートをスイッチング可能に操作できる。 キュビット間に不用な相互作用が無く、デカップリング操作を必要としないから、量子計算機の実用性が高くなる。 量子スピン鎖を集積したフィルムを用いるので、同一キュビットに対応する核スピンが多数存在するようになり、高感度に読み出しができる。 さらに、円偏光励起による半導体自由電子スピン偏極を転写するから、キュビットの初期化が容易になる。 従って、本発明によれば、実用的な多キュビット量子計算機が実現できる。

【図面の簡単な説明】 【図１】この発明のマグノン媒介型固体核磁気共鳴量子計算機の動作原理を示す図である。 【図２】磁場勾配中の１−Ｄ反強磁性媒体のマグノンの励起エネルギー状態を示す図である。 【図３】本発明の制御ＮＯＴ動作の原理を示す図である。 【図４】本発明の集積型の固体ＮＭＲ量子計算機の構成を示す図である。 【符号の説明】 １ １−Ｄ反強磁性媒体２ 電子系３ 原子４ マイクロ波５ マグノン６ スピンギャップ７ 電磁波８ 量子スピン鎖９ フィルム１０ ²⁸ Ｓｉ Ｉ，Ｉ _N ，Ｉ _N+1核スピンベクトルＨ（ｘ） 磁場勾配

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清水 禎 茨城県つくば市千現一丁目２番１号 独立 行政法人物質・材料研究機構内(72)発明者 端 健二郎 茨城県つくば市千現一丁目２番１号 独立 行政法人物質・材料研究機構内(72)発明者 北澤 英明 茨城県つくば市千現一丁目２番１号 独立 行政法人物質・材料研究機構内