プラズモン波束を用いたCNOT（条件付き符号反転）ゲートの構成

プラズモン波束を用いたCNOT（条件付き符号反転）ゲートの構成は、量子計算における最大の難所の一つです。通常、光子同士は互いに通り抜けてしまうため相互作用しませんが、プラズモンは「電子の揺らぎ」を伴うため、材料の非線形性を利用して強力な相互作用を引き出すことができます。

グラフェンなどのナノ材料を用いた、具体的な構成方法と高忠実度化のメカニズムを解説します。

1. 構成の基本：プラズモン・ナノ導波路の干渉計

CNOTゲートは、制御ビット（Control）の状態に応じて、標的ビット（Target）の状態を反転させる操作です。これをプラズモンで行うには、**マッハ・ツェンダー干渉計（MZI）**をベースにした構造が使われます。

スプリッター: 入力されたプラズモン波束を2つのパスに分けます。
相互作用領域: 2つの導波路を極限（数ナノメートル）まで近づけたエリアを作ります。
非線形フェーズシフト: ここが核心です。制御パスにプラズモンがいるときだけ、標的パスのプラズモンの位相（波のタイミング）をπ（180度）ずらします。

2. 高忠実度を実現する「非線形性」の引き出し方

プラズモン波束でCNOTゲートの忠実度を高めるには、**「1つのプラズモンがもう1つに与える影響」**をいかに大きく、かつ正確にするかが鍵となります。

① グラフェンの巨大な非線形性

グラフェン中の電子は、外部電場に対して非線形に応答しやすい性質を持っています。プラズモンをナノサイズの「ホットスポット」に閉じ込めると、電場強度が劇的に高まり、隣接する導波路を通る別のプラズモンに対して、非常に強い位相シフトを誘起できます。

② ゲート電圧による「共鳴」の利用

グラフェンのフェルミ準位を外部電圧で調整することで、プラズモンの共鳴条件を精密に制御できます。これにより、特定の条件下でだけ相互作用が最大になるようにチューニングでき、演算ミス（エラー）を減らして忠実度を向上させます。

3. 具体的なCNOTゲートの動作フロー

手順	物理的な現象	量子状態の変化
1. 入力	2つのプラズモン波束が導波路に進入。	$
2. 干渉・相互作用	制御側プラズモンの電場が、標的側の屈折率を変化させる。	制御が「1」の時のみ標的の位相が反転。
3. 合流・干渉	分岐していた波束を再結合させる。	位相差が「0/1」の反転として現れる。
4. 出力	演算結果がプラズモンの存在/不在として出力。	$

4. 高忠実度化への課題：散乱とデコヒーレンス

理論上は完璧でも、実際には以下の要因が忠実度を下げます。

モードミスマッチ: 2つの波束の形が少しでも違うと、干渉が不完全になります。これを防ぐために、ナノ加工精度を原子レベルまで高める必要があります。
熱ノイズ: グラフェン周囲の熱振動が位相を乱します。前述の「hBNカプセル化」は、このデコヒーレンスを防ぐためにも不可欠です。

出典：Google Gemini

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