微波光子控制装置、微波光子发射器、微波光子接收器、微波光子中继器及量子计算机

技术领域

本发明涉及微波光子控制装置、微波光子发射器、微波光子接收器、微波光子中继器及量子计算机。

背景技术

提出有如下的方法：利用微波光子(具有波长为几cm的微波区域的能量的光子)的传播来将安装有量子比特的芯片彼此连接，由此形成量子网络(例如，参照非专利文献1、2)。

在先技术文献

非专利文献

非专利文献1：M.Pechal,L.Huthmacher,C.Eichler,S.Zeytinoglu,A.A.Abdumalikov,Jr.,S.Berger,A.Wallraff,and S.Filipp"Microwave-controlledgeneration of shaped single photons in circuit quantum electrodynamics",Physical Review X 4,041010(2014)

非专利文献2：P.Kurpiers,P.Magnard,T.Walter,B.Royer,M.Pechal,J.Heinsoo,Y.Salathe,A.Akin,S.Storz,J.-C.Besse,S.Gasparinetti,A.Blais,A.Wallraff,"Deterministic Quantum State Transfer and Generation of Remote Entanglementusing Microwave Photons",Nature 558,264-267(2018)

非专利文献3：J.M.Chow,A.D.Corcoles,J.M.Gambetta,C.Rigetti,B.R.Johnson,J.A.Smolin,J.R.Rozen,G.A.Keefe,M.B.Rothwell,M.B.Ketchen,M.Steffen,"A simpleall-microwave entangling gate for fixed-frequency superconducting qubits",Phys.Rev.Lett.107,080502(2011)

非专利文献4：Y.Yin,Y.Chen,D.Sank,P.J.J.O'Malley,T.C.White,R.Barends,J.Kelly,E.Lucero,M.Mariantoni,A.Megrant,C.Neill,A.Vainsencher,J.Wenner,A.N.Korotkov,A.N.Cleland,and J.M.Martinis,"Catch and Release of MicrowavePhoton States",Phys.Rev.Lett.110,107001(2013)

非专利文献5：Y.Chen,C.Neill,P.Roushan,N.Leung,M.Fang,R.Barends,J.Kelly,B.Campbell,Z.Chen,B.Chiaro,A.Dunsworth,E.Jeffrey,A.Megrant,J.Y.Mutus,P.J.J.O'Malley,C.M.Quintana,D.Sank,A.Vainsencher,J.Wenner,T.C.White,MichaelR.Geller,A.N.Cleland,and J.M.Martinis"Qubit Architecture with High Coherenceand Fast Tunable Coupling"Phys.Rev.Lett.113,220502(2014)

发明内容

本发明要解决的问题

通过将量子比特在芯片上集成化地安装，由此能够形成宏观的量子电路。然而，能在一个芯片上安装的量子比特的数量存在界限。因此，提出了如下的方法：利用微波光子的传播来将芯片彼此量子化地连接，由此形成量子网络，从而增加量子比特的总数。以下，将在量子比特之间传输量子信息的微波光子称为“传播微波光子”。这种情况下，例如使用传播微波单一光子状态与真空状态的叠加状态来传达量子信息。此时，为了实现复杂的拓扑量子网络，需要控制传播微波光子的传播方向。作为实现这样的方向控制的设备的示例，已知有环形器(circulator)。其中，作为能适用于量子网络的环形器，有铁氧体环形器、超导型环形器。然而，这样的环形器存在如下的课题。

首先，铁氧体环形器由于利用磁场，因此难以接近超导量子比特所使用的超导电路设置。另外，铁氧体环形器的传播损失大，性能差。进而，铁氧体环形器的物理尺寸大，因此缺乏扩展性。另外，铁氧体环形器的传播方向是固定的，无法进行使传播方向时间性地发生变化的控制。因此，存在难以作为路由器来使用这样的缺点。

另一方面，超导型环形器由于使用超导电路，因此与超导量子比特的亲和性良好。然而，由于超导型环形器需要大量的微波源、微波布线，因此存在调节困难且缺乏扩展性的问题。进而，超导型环形器仅能在所使用的谐振器的线宽内实现环行动作，因此频带窄。

本发明鉴于这样的课题而作成，其目的在于，提供无需环形器地控制量子网络中的传播微波光子的传播方向的技术。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，本发明的一方案的微波光子控制装置具备与供微波光子传播的波导分别连接的第一量子比特和第二量子比特、以及第一量子比特与第二量子比特之间的直接耦合。第一量子比特与第二量子比特的间隔为微波光子的波长的(1/4+n/2)倍(n为0以上的整数)。在第一量子比特与第二量子比特之间形成量子纠缠状态。直接耦合消除第一量子比特与第二量子比特之间的经由波导进行的耦合。该微波光子控制装置通过对第一量子比特与第二量子比特的量子纠缠状态的相位以及/或者第一量子比特及第二量子比特与波导之间的耦合进行控制，由此切换第一动作模式、第二动作模式、第三动作模式地进行动作，其中，第一动作模式是向波导的一个方向放射微波光子的模式，第二动作模式是吸收从波导的一个方向传播来的微波光子的模式，第三动作模式是使从波导的一个方向传播来的微波光子透过而进行传播的模式。

本发明的另一方案涉及微波光子发射器。该微波光子发射器具备与供微波光子传播的波导分别连接的第一量子比特和第二量子比特、以及第一量子比特与第二量子比特之间的直接耦合。第一量子比特与第二量子比特的间隔为微波光子的波长的(1/4+n/2)倍(n为0以上的整数)。在第一量子比特与第二量子比特之间形成量子纠缠状态。直接耦合消除第一量子比特与第二量子比特之间的经由波导进行的耦合。该微波光子发射器通过对第一量子比特与第二量子比特的量子纠缠状态的相位以及/或者第一量子比特及第二量子比特与波导之间的耦合进行控制，由此向波导的一个方向放射微波光子。

本发明的又一方案涉及微波光子接收器。该微波光子接收器具备与供微波光子传播的波导分别连接的第一量子比特和第二量子比特、以及第一量子比特与第二量子比特之间的直接耦合。第一量子比特与第二量子比特的间隔为微波光子的波长的(1/4+n/2)倍(n为0以上的整数)。直接耦合消除第一量子比特与第二量子比特之间的经由波导进行的耦合。该微波光子接收器通过将第一量子比特及第二量子比特均设为基态来作为初始状态，由此吸收从波导的一个方向传播来的微波光子。

本发明的再一方案涉及微波光子中继器。该微波光子中继器具备与供微波光子传播的波导分别连接的第一量子比特和第二量子比特、以及第一量子比特与第二量子比特之间的直接耦合。第一量子比特与第二量子比特的间隔为微波光子的波长的(1/4+n/2)倍(n为0以上的整数)。直接耦合消除第一量子比特与第二量子比特之间的经由波导进行的耦合。该微波光子中继器通过关闭从第一量子比特及第二量子比特向波导的弛豫，由此使从波导的一个方向传播来的微波光子透过而进行传播。

本发明的再一方案涉及量子计算机。该量子计算机构成为，在搭载有多个超导量子比特的量子电路模块的端部配置多个权利要求1所述的微波光子控制装置，在量子电路模块之间收发量子状态。

需要说明的是，以上的构成要素的任意组合、将本发明的表述在装置、方法、系统、存储介质、计算机程序等之间变换所得的方案作为本发明的方案也是有效的。

发明效果

根据本发明，能够不使用环形器地控制量子网络中的传播微波光子的传播方向。

附图说明

图1是表示比较例的环形器的动作的示意图。

图2是第一实施方式的微波光子控制装置的示意图。

图3是表示第一动作模式下的图2的微波光子控制装置的动作的示意图。第一量子比特与第二量子比特的相位差为+π/2。

图4是表示第一动作模式下的图2的微波光子控制装置的动作的示意图。第一量子比特与第二量子比特的相位差为－π/2。

图5是表示第二动作模式下的图2的微波光子控制装置的动作的示意图。

图6是表示第二动作模式下的图2的微波光子控制装置的动作的示意图。

图7是表示第三动作模式下的图2的微波光子控制装置的动作的示意图。

图8是表示第三动作模式下的图2的微波光子控制装置的动作的示意图。

图9是第二实施方式的微波光子控制装置的示意图。

图10是表示图2的微波光子控制装置在第一动作模式下动作时的、基于谐振器间有无直接耦合而引起的光子放射的不同的模拟结果。

图11是第六实施方式的量子计算机的示意图。

具体实施方式

以下，基于优选的实施方式，一边参照附图一边说明本发明。实施方式不限定发明，仅是例示，实施方式中记述的所有的特征或其组合未必是发明的必要的技术特征或组合。对各附图所示的同一或同等的构成要素、构件、处理标注同一符号，并适当省略重复的说明。另外，各图所示的各部的比例尺或形状是为了容易说明而权宜设定的，只要没有特别言及，则不应被限定性地解释。另外，在本说明书或发明内容中使用“第一”、“第二”等用语的情况下，只要没有特别言及，则该用语也不表示任何的顺序、重要度，而仅是用于区分某结构与其他结构。另外，在各附图中，将在说明实施方式这方面不重要的构件的一部分省略示出。

[比较例：环形器]

在说明具体的实施方式之前，说明比较例。在图1中示意性地示出比较例的环形器的动作。在该例中，分别安装有量子比特的四个芯片C1、C2、C3、C4经由波导G1、G2、G3、G4而使用环形器来连接，整体上形成量子网络。其中，在图1中，用环形器10代表多个环形器中的一个而示出。环形器10具备三个端口P1、P2、P3。在端口P1及端口P3连接有安装在远程的芯片上的量子比特。在端口P2连接有安装在本地的芯片上的量子比特13。量子比特13由谐振器12封入。

当在波导中向右传播的传播微波光子M1向环形器10的端口P1入射时，朝向变为逆时针方向。之后，该传播微波光子作为传播微波光子M2而从环形器10的端口P2射出，向量子比特13入射。此时，传播微波光子M1既不从环形器10的端口P3向右射出到波导，也不从环形器10的端口P1向左射出到波导。即，这种情况下，向右传播而入射到环形器10中的传播微波光子M1全部被量子比特13吸收。

当从量子比特13向上射出了的传播微波光子M3向环形器10的端口P2入射时，朝向变为逆时针方向。之后，该传播微波光子作为传播微波光子M4而从环形器10的端口P3向右射出到波导。此时，传播微波光子M3既不从环形器10的端口P1向左射出，也不会被量子比特13再次吸收。即，这种情况下，从量子比特13放射的传播微波光子M3全部从环形器10的端口P3向右射出。

(为了避免图变得过于复杂，未图示)当在波导中向左传播的传播微波光子向环形器10的端口P3入射时，其在环形器10内直接向左行进。之后，该传播微波光子从环形器10的端口P1向左射出到波导。此时，传播微波光子既没有被量子比特13吸收，也没有从环形器10的端口P3向右射出。即，这种情况下，向左传播而入射到环形器10中的传播微波光子全部透过环形器10。

如以上说明的那样，环形器10以使传播微波光子的传播方向绕逆时针环行的方式进行控制。

[第一实施方式]

在图2中示意性地示出第一实施方式的微波光子控制装置1。微波光子控制装置1具备第一量子比特20、第二量子比特22、第一谐振器30、第二谐振器32以及第一谐振器30与第二谐振器32之间的直接耦合40。第一量子比特20经由第一谐振器30与波导90连接。第二量子比特22经由第二谐振器32与波导90连接。即，第一量子比特20及第二量子比特22分别经由第一谐振器30及第二谐振器32并列地连接于波导90。第一量子比特20与第一谐振器30之间的耦合是可变的。第二量子比特22与第二谐振器32之间的耦合是可变的。这样，在第一实施方式中，通过使各量子比特与谐振器之间的耦合可变，由此能够控制各量子比特向波导90的弛豫速率(relaxation rate)。第一谐振器30与第二谐振器32的间隔D为微波光子的波长λ的(1/4+n/2)倍。

即，如下式。

D＝(1/4+n/2)·λ···(1)

这里，n为0以上的整数(以下，如无特别说明，则同样)。n的值没有特别的上限。但是，若n变得过大，则会出现延迟的影响，因此优选n为尽可能小的值。直接耦合40形成在第一谐振器30与第二谐振器32之间。

第一量子比特20及第二量子比特22是通过基态|g＞与激发状态|e＞这双态体系的叠加而形成的超导量子比特。这里，将第一量子比特处于激发状态且第二量子比特处于基态时的状态用|e，g＞表示。另外，将第一量子比特处于基态且第二量子比特处于激发状态时的状态用|g，e＞表示。进而，将第一量子比特及第二量子比特均处于基态时的状态用|g，g＞表示，将第一量子比特及第二量子比特均处于激发状态时的状态用|e，e＞表示。在第一量子比特20与第二量子比特22之间形成量子纠缠状态。

将该量子纠缠状态|Ψ＞用下式表示。

|Ψ＞＝(1/√2)(|e，g＞+exp(iφ)|g，e＞)···(2)

其中，φ表示第一量子比特20与第二量子比特22的量子纠缠状态的相位差。该量子纠缠状态例如能够通过从外部的微波发射器80向第一量子比特20及第二量子比特22照射微波来进行C－NOT门(例如参照非专利文献3)操作以及向各量子比特照射共振的微波来进行单量子比特门操作这两种操作的组合来实现。或者，通过将第一量子比特20及第二量子比特22中的任一方设为激发状态且使两量子比特共振来引起能量交换，由此也能够形成量子纠缠状态。另外，量子纠缠状态的相位差例如能够通过照射非共振的微波来调制任一方的量子比特的共振频率来进行控制。

通过形成在第一谐振器30与第二谐振器32之间的直接耦合40，由此能够消除第一量子比特20与第二量子比特22之间的经由波导90进行的耦合。以下，对该点进行说明。

通常，当将两个量子比特并列地连接于波导时，在两量子比特之间产生经由波导进行的耦合。尤其在像本实施方式那样两量子比特间的间隔D为(1/4+n/2)·λ的情况下，在该经由波导进行的耦合中两量子比特间的能量交换作用成为支配。由于该能量交换，使得两量子比特间的量子纠缠状态被破坏。若量子纠缠状态被破坏，则微波光子控制装置的性能降低。因此，要求消除经由波导进行的两量子比特间的耦合。

在本实施方式中，第一量子比特20及第二量子比特22分别经由第一谐振器30及第二谐振器32并列地连接于波导90。这种情况下，第一量子比特20与第二量子比特22之间的经由波导90进行的耦合成为第一谐振器30与第二谐振器32之间的经由波导90进行的耦合。若将第一谐振器30及第二谐振器32向波导90的弛豫速率设为γ，则第一谐振器30与第二谐振器32之间的经由波导90进行的耦合J可以如下表示。

J＝γ/2···(3)

这里，第一谐振器30及第二谐振器32向波导90的弛豫速率可以设为在时间上固定。因此，在第一谐振器30与第二谐振器32之间，例如使用电容耦合来形成直接耦合40，将该直接耦合40设为－J(即，大小与第一谐振器30和第二谐振器32之间的经由波导90进行的耦合J相同且符号相反的耦合)，由此能够消除第一谐振器30与第二谐振器32之间的经由波导90进行的耦合J。此时，应注意的是，由于第一谐振器30及第二谐振器32向波导90的弛豫速率γ在时间上固定，因此直接耦合40(－J)也能够设为在时间上固定。

微波光子控制装置1通过控制第一量子比特20及第二量子比特22的弛豫速率，由此切换第一动作模式、第二动作模式、第三动作模式地进行动作。作为量子比特的弛豫速率的控制方法的示例，可以举出如下的方法：根据从外部的微波发射器80照射的微波的强度来控制量子比特与谐振器之间的耦合的强度，从而控制量子比特经由谐振器而向波导的实际效果上的弛豫速率(例如参照非专利文献1)。以下，对这点进行说明。

在图3及图4中示出第一动作模式下的微波光子控制装置1的动作。微波光子控制装置1在第一动作模式下向波导的90的一个方向放射微波光子。

图3示出第一量子比特20与第二量子比特22的量子纠缠状态的相位差φ为+π/2时的微波光子控制装置1的动作。通过将量子纠缠状态的相位差φ设为+π/2或－π/2，由此能够根据相位差φ来使光子分别向反方向放射。在图3的示例中，从微波光子控制装置1放射出的光子仅在波导90中向右方向传播。即，从微波光子控制装置1放射出的光子既不在波导90中向左方向传播，也不被第一量子比特20及第二量子比特22再次吸收。

图4示出第一量子比特20与第二量子比特22的相位差φ为－π/2时的微波光子控制装置1的动作。在图4的示例中，从微波光子控制装置1放射出的光子与图3相反地在波导90中仅向左方向传播。即，从微波光子控制装置1放射出的光子既不在波导90中向右方向传播，也不被第一量子比特20及第二量子比特22再次吸收。

微波光子控制装置1在第一动作模式下仅向波导90的一个方向放射微波光子是由第一量子比特20与第二量子比特22的间隔为微波光子的波长的(1/4+n/2)倍来决定的。由此，在图3所示的例子中，从第一量子比特20和第二量子比特22放射出的光子中的在波导90中向左方向传播的光子因干涉而消失。另一方面，从第一量子比特20和第二量子比特22放射出的光子中的要被量子比特再次吸收的光子(即，受到两量子比特间经由波导进行的能量交换作用的影响的光子)因直接耦合40而消失。这样，仅是在波导90中向右方向传播的光子从量子比特完全地放射出去而进行传播。

在图5及图6中示出第二动作模式下的微波光子控制装置1的动作。微波光子控制装置1在第二动作模式下吸收从波导90的一个方向传播来的微波光子。在第二动作模式下，作为初始状态，预先准备第一量子比特20及第二量子比特22均处于基态时的状态|g，g＞。由此，入射到微波光子控制装置1的光子被量子比特吸收。其结果是，量子比特成为激发状态。

在图5的示例中，微波光子控制装置1将在波导90中向左方向传播来的光子全部吸收。即，入射到微波光子控制装置1中的光子既不透过微波光子控制装置1而在波导90中向左方向传播，也不被微波光子控制装置1反射而在波导90中向右方向传播。吸收了光子的结果是，第一量子比特20与第二量子比特22的量子纠缠状态的相位差φ成为+π/2。

在图6的示例中，微波光子控制装置1将在波导90中向右方向传播来的光子全部吸收。即，入射到微波光子控制装置1中的光子既不透过微波光子控制装置1而在波导90中向右方向传播，也不被微波光子控制装置1反射而在波导90中向左方向传播。吸收光子的结果是，第一量子比特20与第二量子比特22的量子纠缠状态的相位差φ成为－π/2。

微波光子控制装置1在第二动作模式下将在波导90中沿一个方向传播来的光子全部吸收是由第一量子比特20与第二量子比特22的间隔为微波光子的波长的(1/4+n/2)倍来决定的。由此，伴随着光子的吸收，从第一量子比特20和第二量子比特22放射出的光子因干涉而消失，将从波导90沿一个方向传播来的光子完全吸收。

在图7及图8中示出第三动作模式下的微波光子控制装置1的动作。微波光子控制装置1在第三动作模式下使从波导90的一个方向传播来的微波光子透过而进行传播。在第三动作模式下，作为初始状态，预先将第一量子比特20与第一谐振器30的耦合以及第二量子比特22与第二谐振器32的耦合都设为关闭。由此，光子既不被微波光子控制装置1反射也不被微波光子控制装置1吸收，而是完全透过微波光子控制装置1来进行传播。

在图7的示例中，微波光子控制装置1使在波导90中向左方向传播来的光子全部透过。即，入射到微波光子控制装置1中的光子既不被第一量子比特20及第二量子比特22吸收，也不被微波光子控制装置1反射而在波导90中向右方向传播。

在图8的示例中，微波光子控制装置1使在波导90中向右方向传播来的光子全部透过。即，入射到微波光子控制装置1中的光子既不被第一量子比特20及第二量子比特22吸收，也不被微波光子控制装置1反射而在波导90中向左方向传播。

微波光子控制装置1在第三动作模式下使在波导90中沿一个方向传播来的光子全部透过而进行传播是由第一谐振器30与第二谐振器32的间隔为微波光子的波长的(1/4+n/2)倍来决定的。由此，伴随着光子的传播，被第一谐振器30和第二谐振器32反射的光子因干涉而消失，使从波导90沿一个方向传播来的光子完全透过。

根据本实施方式，无需使用环形器就能够控制量子网络中的传播微波光子的传播方向。尤其是，由于直接耦合40能够设为在时间上固定，因此无需格外的时间的控制，能够简单地实现直接耦合40。进而，微波光子控制装置1能够切换第一、第二及第三动作模式来利用，因此作为路由器也是适合的。

[第二实施方式]

在图9中示意性地示出第二实施方式的微波光子控制装置2。微波光子控制装置2具备第一量子比特20、第二量子比特22以及第一量子比特20与第二量子比特22之间的直接耦合42。第一量子比特20及第二量子比特22并列地与波导90直接连接。与第一实施方式同样，第一量子比特20与第二量子比特22的间隔D为微波光子的波长λ的(1/4+n/2)倍。如图示那样，直接耦合42直接形成在第一量子比特20与第二量子比特22之间。微波光子控制装置2的其他结构及动作与微波光子控制装置1共通。

与微波光子控制装置1不同的是，在微波光子控制装置2中，第一量子比特20和第二量子比特22不经由谐振器地与波导90直接连接。这种情况下，第一量子比特20及第二量子比特22向波导90的弛豫速率γ随时间发生变化。即，如下式。

γ＝γ(t)···(4)

此时的弛豫速率的控制例如能够通过利用SQUID(超导量子干涉仪)的电感调制来实现(例如参照非专利文献4)。

在本实施方式中，在第一量子比特20与量子比特22之间产生经由波导90进行的耦合。由于两量子比特间的间隔D为(1/4+n/2)·λ，因此在该经由波导进行的耦合中两量子比特间的能量交换成为支配，由此，使得两量子比特间的量子纠缠状态被破坏。因此，要求消除两量子比特间经由波导进行的耦合。

这里，第一量子比特20与第二量子比特22之间的经由波导90进行的耦合J是随时间发生变化的J(t)，如下表示。

J(t)＝γ(t)/2···(5)

即，通过在量子比特20与第二量子比特22之间形成直接耦合42且使该直接耦合42以成为－J(t)(即，大小与第一谐振器30和第二谐振器32之间的经由波导90进行的耦合J相同且符号相反的耦合)的方式发生时间变化，由此能够消除第一量子比特20与第二量子比特22之间的经由波导90进行的耦合J。

作为对直接耦合在时间上进行控制的方法，可以利用SQUID的电感调制(例如参照非专利文献5)。或者，通过在直接耦合42上设置谐振器并使该谐振器的频率随时间发生变化，由此能够对直接耦合42在时间上进行控制。进而，也还可以使用电容耦合来形成直接耦合42并直接对其在时间上进行控制。

根据本实施方式，仍然能够不使用环形器地控制量子网络中的传播微波光子的传播方向。相对于第一实施方式而言，需要对直接耦合42在时间上进行控制，但另一方面，由于不需要谐振器，因此能够削减部件件数。

第一及第二实施方式的微波光子控制装置还可以具备耦合控制部和量子纠缠状态生成部。该耦合控制部对第一量子比特与波导的耦合以及第二量子比特22与波导的耦合进行控制。该量子纠缠状态生成部用于生成第一量子比特与第二量子比特之间的量子纠缠状态。这样，微波光子控制装置在内部具备耦合控制部和量子纠缠状态生成部，由此能够提高设计的自由度。

[第三实施方式]

第三实施方式的微波光子发射器具备并列地与供微波光子传播的波导分别连接的第一量子比特和第二量子比特、以及第一量子比特与第二量子比特之间的直接耦合。第一量子比特与第二量子比特的间隔为微波光子的波长的(1/4+n/2)倍。在第一量子比特与第二量子比特之间形成量子纠缠状态。上述的直接耦合消除第一量子比特与第二量子比特之间的经由波导进行的耦合，通过控制第一量子比特及第二量子比特的弛豫速率以及量子纠缠状态的相位，由此向波导的一个方向放射微波光子。即，本实施方式是从第二实施方式的微波光子控制装置中提取出第一动作模式来构成微波光子发射器的实施方式。

根据本实施方式，能够提供仅向波导的一个方向放射微波光子的微波光子发射器。

微波光子发射器可以还具备第一谐振器和第二谐振器。此时，第一量子比特及第二量子比特分别经由第一谐振器及第二谐振器与波导连接。直接耦合形成在所述第一谐振器与所述第二谐振器之间。直接耦合在时间上固定。第一量子比特及第二量子比特与波导之间的耦合的控制是第一量子比特与第一谐振器之间的耦合以及第二量子比特与第二谐振器之间的耦合的控制。

[第四实施方式]

第四实施方式的微波光子接收器具备并列地与供微波光子传播的波导分别连接的第一量子比特和第二量子比特、以及第一量子比特与第二量子比特之间的直接耦合。第一量子比特与第二量子比特的间隔为微波光子的波长的(1/4+n/2)倍。在第一量子比特与第二量子比特之间形成量子纠缠状态。上述的直接耦合消除第一量子比特与第二量子比特之间的经由波导进行的耦合，通过对第一量子比特及第二量子比特的弛豫速率以及量子纠缠状态的相位进行控制，由此吸收从波导的一个方向传播来的微波光子。即，本实施方式是从第二实施方式的微波光子控制装置中提取出第二动作模式来构成微波光子接收器的实施方式。

根据本实施方式，能够提供将在波导中沿一个方向传播来的光子全部吸收的微波光子接收器。

微波光子接收器可以还具备第一谐振器和第二谐振器。此时，第一量子比特及第二量子比特分别经由第一谐振器及第二谐振器与波导连接。直接耦合形成在第一谐振器与第二谐振器之间。直接耦合在时间上固定。

[第五实施方式]

第五实施方式的微波光子中继器具备并列地与供微波光子传播的波导分别连接的第一量子比特和第二量子比特、以及第一量子比特与第二量子比特之间的直接耦合。第一量子比特与第二量子比特的间隔为微波光子的波长的(1/4+n/2)倍。在第一量子比特与第二量子比特之间形成量子纠缠状态。上述的直接耦合消除第一量子比特与第二量子比特之间的经由波导进行的耦合，通过对第一量子比特及第二量子比特的弛豫速率以及量子纠缠状态的相位进行控制，由此使在波导中沿一个方向传播来的光子全部透过而进行传播。即，本实施方式是从第二实施方式的微波光子控制装置中提取出第三动作模式来构成微波光子发射器的实施方式。

根据本实施方式，能够使在波导中沿一个方向传播的光子的量子纠缠状态不破坏而进行中继。

微波光子中继器可以还具备第一谐振器和第二谐振器。此时，第一量子比特及第二量子比特分别经由第一谐振器及第二谐振器与波导连接。直接耦合形成在第一谐振器与第二谐振器之间。直接耦合在时间上固定。

在第一实施方式中，第一量子比特及第二量子比特的弛豫速率以及量子纠缠状态的相位的控制通过从外部的微波发射器发射来的微波来进行。另外，在第二实施方式中，弛豫速率的控制利用SQUID的电感调制来进行。然而，并不局限于此，这些控制也可以用任意的合适的方法进行。

在前述的实施方式中，量子比特为超导量子比特。但并不局限于此，量子比特也可以为例如冷离子量子比特等、任意的合适的量子比特。

在前述的实施方式中，说明了使用传播的单一微光子来作为传播微波光子的示例。但并不局限于此，传播微波光子也可以是真空状态与单一微光子状态的叠加状态、单一微波光子的时间多模的叠加状态等。

接着，通过模拟来验证在微波光子控制装置以第一动作模式进行动作的情况下，在谐振器间有直接耦合时和没有直接耦合时，光子放射有何不同。在图10中示出对图2的微波光子控制装置1在第一动作模式下进行动作时的、基于谐振器间有无直接耦合40而引起的光子放射的不同进行模拟所得的结果。其中，微波光子控制装置1设计成以向波导90的右侧放射光子的方式调整相位。

图10的上段表示第一量子比特20及第二量子比特22中的量子比特的占有率的时间变化。图10的下段表示从第一量子比特20及第二量子比特22放射出的光子的通量的时间变化。在上段中，将量子比特20用Q1表示，将量子比特22用Q2表示。另外，将有直接耦合40的情况用实线表示，将没有直接耦合40的情况用虚线表示。即，在上段中，

Q1(c.ON)表示有直接耦合40时的量子比特20，

Q2(c.ON)表示有直接耦合40时的量子比特22，

Q1(c.OFF)表示没有直接耦合40时的量子比特20，

Q2(c.OFF)表示没有直接耦合40时的量子比特22。

在下段中，下角标L表示向左侧放射的光子，下角标R表示向右侧放射的光子。即，在下段中，

P

P

P

P

P

在下段的图中虽未示出，但在理想的条件下向左侧放射的通量(相当于P

如在上段中图示那样，在有直接耦合40时，第一量子比特20及第二量子比特22均是在光子放射前为占有率50％，但在光子放射后变为0％。即，可知在有直接耦合40时，光子完全被在波导90中向右侧放射。相对于此，在没有直接耦合40时，在光子放射后，在第一量子比特20中仍残留有几％左右的光子，在第二量子比特22中仍残留有20％左右的光子。即，可知在没有直接耦合40时，光子没有完全被在波导90中向右侧放射，向左侧放射的光子达20％以上。

如在下段中图示那样，从量子比特放射出的光子的通量的随时间变化的波形成为以t

根据以上的模拟结果可知，通过在第一谐振器30与第二谐振器32之间具有直接耦合40，由此能够消除经由波导90进行的耦合，实现大致理想的向一个方向的光子放射。

[第六实施方式]

在图11中示意性地示出第六实施方式的量子计算机3。量子计算机3构成为，在搭载有多个超导量子比特50的量子电路模块60的端部配置多个前述的微波光子控制装置11来在量子电路模块60之间发送、接收量子状态。

向量子状态的超导量子比特的写入以及从超导量子比特的读出通过向超导量子比特照射微波来进行。因此，每量子比特需要两根～四根左右的电缆。进而，为了使量子比特在极低温下动作，需要将搭载了超导量子比特的电路收纳在冷冻机内。因此，将大量的量子比特搭载于一片基板上的操作在物理上是困难的。即，不容易利用一片基板实现大规模的量子计算机。相对于此，考虑如下方案：将实现量子计算机所需的超导量子比特组分割为几十比特左右的模块单位，构成由搭载了该模块单位的基板组成的量子电路模块，在此基础上，将这些量子电路模块之间进行量子化连接而形成网络，通过该网络来实现量子计算机。此时，若是量子电路模块之间的量子连接使用环形器等，则存在装置大型化这样的问题。因此，在本实施方式中，在量子电路模块的端部搭载多个前述的微波控制装置(超导量子比特对)来将量子电路模块之间进行量子化连接。由此，能够容易地实现将在量子电路模块内生成的量子状态作为微波光子来向其他的量子电路模块发送或者反之接收。这样，根据本实施方式，能够高效地构成量子计算机。

以上，基于实施方式对本发明进行了说明。对本领域技术人员来说，应当理解的是，上述的实施方式为例示，上述的各构成要素、各处理流程的组合可以有各种变形例且这样的变形例也包含在本发明的范围内。

工业实用性

本发明能够利用于微波光子控制装置、微波光子发射器、微波光子接收器及微波光子中继器。

符号说明

1···微波光子控制装置

2···微波光子控制装置

3···量子计算机

11···微波光子控制装置

20···第一量子比特

22···第二量子比特

30···第一谐振器

32···第二谐振器

40···直接耦合

50···超导量子比特

60···量子电路模块

80···微波发射器

90···波导