JP4996407B2 - 単一光子発生装置、量子ビット読出装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、単一の光子を発生する簡便な単一光子発生装置、量子ビット読出装置および方法に関する。

単一光子源は、光子を利用した量子コンピュータや量子暗号などの量子情報処理技術にとって重要な位置を占める装置であり、所望のタイミングで特定の空間モードに対して単一光子を放出する必要がある。

単純かつ最も確実にこの要請を満たす方法の１つは、原理的には、共振器モードと結合した単一の原子、イオン、分子、量子ドット等の単一の２状態系をπパルス（π：円周率）のレーザーで励起し、その後、共振器モードとの結合（結合定数ｇ）で共振器モードに放出された光子が、さらに共振器外の特定の空間モードに共振器の減衰定数κ（＞ｇ）で放出されることを利用する方法である。この方法では、励起にπ／Ω、光子放出にπ／ｇ時間がかかるが、光子放出直後に２状態系は初期状態に戻り、次の光子放出サイクルを始められる。Ω＝２πＥ・μ／ｈ（Ｅ：レーザー電場、μ：遷移双極子モーメント）なので、強いレーザーを用いれば、単一光子発生の周期（間隔）π／Ω＋π／ｇはπ／ｇとなり、共振器モード利用の単一光子源としては最高の動作速度となる。しかしこの方法では、強い励起光の角周波数（波長）が、共振器モードの角周波数（波長）と一致し、迷光（ノイズ）となって利用しようとする単一光子に混入しやすい。

この問題を避けるためには、単一の３状態系を利用し、励起する遷移と、共振器モードと結合して光子を放出する遷移とを異なる遷移とする方法が考えられる。また、単一の３状態系を用いるが、上の状態への励起を利用しないアディアバティック・パッセージを用いた方法も提案されている。

しかしながら、これらの方法では、初期状態（例えば状態｜１＞）から光子発生までに最短でも１／ｇ程度の時間がかかり、さらに光子発生直後は初期状態に戻っておらず（例えば状態｜２＞にある）、一般に他の２つの遷移よりも寿命の長い｜２＞−｜１＞間遷移の自然放出により初期状態（｜１＞）に戻るのを待つか、２波長の光照射によるアディアバティック・パッセージにより戻すかする必要がある。したがって、両者とも戻りの分だけ繰り返し周波数が遅くなり、さらに後者では２波長光の光照射とその強度制御が必要で、しかも共振器モードの周波数と一致する光を照射することになり上記２状態の場合と同様の問題が生じてしまう。

｜２＞−｜１＞間遷移に共鳴するモードを持ち、かつ共振器の減衰定数がそのモードと｜２＞−｜１＞間遷移との結合定数よりも大きな共振器中に２状態系を入れ、その共振器モードと｜２＞−｜１＞間遷移との結合で、｜２＞−｜１＞間遷移を促進し、元の状態に早く戻す方法もある（例えば、特許文献１参照）。この方法では、戻りのプロセスに要する時間を短縮することができるが、新たに共振器を設ける必要がある。また、理想的にはエネルギー状態間での戻りのプロセスが必要ない方が望ましい。

また、最近では、マイクロ波領域の単一光子の発生方法として、クーパーペアー・ボックスと呼ばれる超伝導状態の２状態系と見なせる物理系の遷移周波数を、共振器モードを横切るように変化させ、共振器モードにマイクロ波光子を放出させる方法が研究されているが（例えば、非特許文献１参照）、マイクロ波領域の光子の放出過程の研究である。

さらに、２状態系をレーザー照射によるアディアバティック・パセージで励起し、単一光子光源として利用する方法もあるが、光子は様々なモード（方向）に放出され、特定のモードに放出する方法は明らかにされていない。
特許第３６８２２６６号公報 American Physical Society March Meeting 2007 発表番号H33-5

以上のような時間がかかる、あるいは複雑で場合によっては迷光を増やす戻りのプロセスを必要とする従来の方法とは異なる方法で、ｇ／π程度の繰り返し周波数が実現でき、かつ励起光と共振器モードすなわち放出する光子の周波数（波長）が異なる簡便な単一光子の発生方法は知られていない。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、光子放出後に単一物質系の状態を戻すプロセスを必要とせず、かつ励起光と異なる周波数（波長）の光子を発生させる単一光子発生装置、量子ビット読出装置および方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の単一光子発生装置は、共鳴角周波数ω_ｃの共振器モードを有する光共振器と、前記光共振器の中に含まれ、エネルギーの低い状態｜ｇ＞とエネルギーの高い状態｜ｅ＞を有し、外場によって変化する｜ｇ＞−｜ｅ＞間の遷移角周波数ω_ａを有する物質と、前記物質に、ω_ｃと異なる角周波数ω_ｌの光を照射する光源と、前記物質に外場を印加しω_ａを変化させて、ω_ａをω_ｌと共鳴させたりω_ｃと共鳴さたりする外場発生部と、前記光源により前記物質に角周波数ω_ｌの光を照射させ、前記外場発生部により遷移角周波数ω_ａをω_ｌと共鳴させて前記物質を状態｜ｅ＞にし、次に遷移角周波数ω_ａをω_ｃと共鳴させて前記物質を状態｜ｇ＞に戻す制御部と、を具備することを特徴とする。

本発明の単一光子発生装置、量子ビット読出装置および方法によれば、光子放出後に単一物質系の状態を戻すプロセスを必要とせず、かつ励起光と異なる周波数（波長）の光子を発生させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る単一光子発生装置、量子ビット読出装置および方法について詳細に説明する。なお、以下の実施形態中では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。

実施形態に係る単一光子発生装置、量子ビット読出装置および方法について説明する前に、本実施形態の単一光子を発生する機構を簡単に説明する。
本実施形態では、強度、角周波数（ω_ｌ）とも一定の励起光と、励起光の角周波数と異なる共振器モードの共鳴角周波数（ω_ｃ）を持つ光共振器を用意し、共振器の空間モードと空間的に重なる位置に置いた２状態系に対して励起光を照射する。この２状態系に対しては、外場（例えば、電場、磁場）が印加できるようになっており、外場により２状態系の遷移角周波数（ω_ａ）を変化させることができる。このω_ａの変化のみで２状態系の励起と２状態系から共振器モードへの光子放出を行うことで、光子放出後に単一物質系の状態を戻すプロセスを必要とせず、かつ励起光と異なる角周波数（波長）の光子を発生させることができる。

次に、本実施形態の単一光子発生装置について図１を参照して説明する。
本実施形態の単一光子発生装置は、光共振器１０１、物質１０２、レーザー発生装置１０３、電場発生装置１０４、電極１０５、光子検出器１０６、制御部１０７、ミラー１０８を含む。

光共振器１０１は、角周波数ω_ｃの共振器モードを有し、物質１０２を含んでいる。光共振器１０１は、片側のミラーの反射率はほぼ１００％、もう片方は９９．９％程度の片側共振器である。光共振器１０１は、例えば、ファブリペロー型の片側共振器である。

物質１０２は、２状態系の物質を含み、２状態系は遷移角周波数（ω_ａ）を有する。遷移角周波数（ω_ａ）は、電場発生装置１０４が発生する電場に応じて変更しうる。

レーザー発生装置１０３は、角周波数（ω_ｌ）の光子からなるレーザーを発生させる。ここで、ω_ｌはω_ｃと異なる値に設定する。レーザーはミラー１０８を介して物質１０２に照射される。なお、ミラー１０８は必須ではなく、レーザー発生装置１０３が直接物質１０２にレーザーを照射してもよい。

電場発生装置１０４は、電極１０５に接続し２つの電極１０５の間に電圧を印加し、２つの電極１０５の間に電場を発生させる。この電場は光共振器１０１内の物質１０２に印加される。

光子検出器１０６は、光共振器１０１から到来する光子を検出する。

制御部１０７は、レーザー発生装置１０３を制御し、レーザーを発生させたりレーザの発生を停止する。制御部１０７は、光子検出器１０６が光子を検出したかどうかの情報を受け取る。制御部１０７は、電場発生装置１０４を制御し、光共振器１０１内に印加される電場の強さを制御することによって、２状態系の遷移角周波数（ω_ａ）を所定の値に変化させる。制御部１０７が２状態系の遷移角周波数（ω_ａ）を変化させることについては後に図２を参照して説明する。

なお、図１では、物質１０２に電場を印加することによって遷移角周波数（ω_ａ）を変化させることについて説明したが、外場の他の例である磁場を物質１０２に印加することによって遷移角周波数（ω_ａ）を変化させることもできる。磁場を物質１０２に印加する場合については後に図５を参照して説明する。以下、「電場」と記載してある箇所を「磁場」に変更しても変更前と同様に正しい場合には、これらの場を総称して「外場」と記載する。

次に、光子発生の方法および機構の詳細について図２、図３を参照して説明する。
図２に２状態系の遷移角周波数（ω_ａ）とレーザーの光子角周波数（ω_ｌ）と光共振器の共振器モードの角周波数（ω_ｃ）との関係を示す。ω_ｌとω_ｃは異なる値に設定され、ω_ａは外場の印加により可変となっている。

次に図３を参照して説明する。最初、２状態系はエネルギーの低い状態｜ｇ＞にあり、励起光と共鳴していないとする（図３の第０の状態）。励起光と共鳴していなければ、ω_ａは最初どのような値をとってもかまわない。また、この２状態系を含む光共振器の減衰定数（κ）は２状態系と共振器モードとの結合定数（ｇとする）よりも大きいとする（κ＞ｇ）。この２状態系に対し、次の２段階の操作を続けて行う。

第１段階：この２状体系に外場を印加し、遷移角周波数ω_ａを励起光の角周波数ω_ｌに一致させた上でπ／Ωの間だけ外場変化を止める。これは、２状態系にπパルスを照射したことに相当する。したがって、２状態系はエネルギーの高い状態｜ｅ＞に励起される（図３の第１の状態）。

第２段階：２状態系に印加する外場を変化させ、遷移角周波数ω_ａを共振器モードの共鳴角周波数ω_ｃに一致させた上でπ／ｇの間だけ外場変化を止める。π／ｇは共振器モードと２状態系との結合による真空ラビ振動の半周期なので、２状態系は状態｜ｅ＞から状態｜ｇ＞へ変化し、共振器モードに光子を放出する。共振器モードに放出された光子は、１／κ程度の時間で速やかに共振器外へ放出される（図３の第２の状態）。

第１段階では２状態系の励起、第２段階では２状態系から共振器モードへの光子放出と２状態系の脱励起が起きる。

この第１段階と第２段階の２つの操作の組を続けて繰り返すことにより、単一光子をπ／Ω＋π／ｇの間隔で発生させることができる。「背景技術」で説明した２状態系を利用した単一光子源と同様、Ω＝２πＥ・μ／ｈ（Ｅ：励起光の電場、μ：遷移双極子モーメント、ｈ：プランク定数）なので、強い励起光を用いれば、単一光子発生の間隔をπ／ｇに近づけることが可能で、共振器モードを利用する場合の最も速い繰り返し周波数を実現できる。

この方法では、第１段階と第２段階の２つの操作の組の繰り返しの２回目以降、第２段階終了後、２状態系はω_ａの値も含めてもとの状態に戻っており、「背景技術」で説明した３状態系を利用した場合のように、特別に戻りの過程を必要としない。また、ω_ｌとω_ｃが異なるため、励起光と放出光子の角周波数は異なる。したがって、強い励起光の角周波数（波長）が、迷光（ノイズ）となって利用しようとする単一光子に混入することはない。

図３を参照して説明した方法と機構は、第１段階には励起光と２状態系との結合によるラビ振動を、第２段階には共振器モードと２状態系との真空ラビ振動をそれぞれ利用する方法である。この第１段階と第２段階には、２状態系と励起光あるいは共振器モードとの相互作用によるアディアバティック・パッセージを用いることも可能である。

次に、アディアバティック・パッセージを使用する方法について図４を参照して説明する。
アディアバティック・パッセージを第１段階に用いる場合、２状態系のエネルギーの高い状態｜ｅ＞の寿命（｜ｇ＞−｜ｅ＞間の遷移の縦緩和時間）をＴ_１とし、励起光のスペクトル幅（角周波数）が１／Ｔ_１より小さい場合、印加する外場の変化によりスペクトル幅１／Ｔ_１を持つ２状態系の遷移角周波数ω_ａを連続的に変化させ、励起光の角周波数ω_ｌを１／Ωより長く、Ｔ_１より短い時間をかけて横切らせる。こうすることで、２状態系と１つの光によるアディアバティック・パッセージにより、２状態系の状態は｜ｇ＞から状態｜ｅ＞に励起される（図４の第１の状態）。より詳細には、均一幅をΔとした場合、ωａを変化させ、１／Ωより長くＴ_１より短い時間でω_ｌ−Δ／２とω_ｌ＋Δ／２とで挟まれる角周波数領域を横切らせて物質を状態｜ｅ＞にする。

アディアバティック・パッセージを第２段階に用いる場合、印加する外場の変化により状態｜ｅ＞にある２状態系のω_ａを連続的に変化させ、共振器モードの共鳴周波数ω_ｃを１／ｇより長く、Ｔ_１より短い時間をかけて横切らせる。こうすることで、２状態系と共振器モードによるアディアバティック・パッセージにより、２状態系から共振器モードに光子が１つ放出され、２状態系は状態｜ｅ＞から状態｜ｇ＞へ変化する（図４の第２の状態）。より詳細には、１／ｇより長くＴ_１より短い時間でω_ｃ−Δ／２とω_ｃ＋Δ／２とで挟まれる角周波数領域を横切らせて物質を状態｜ｇ＞に戻す。

第１段階、第２段階の両方にアディアバティク・パッセージを利用する場合、第１段階でアディアバティック・パッセージを始める時点でのω_ａの値をω_ａ（１）、アディアバティック・パッセージを終える時点での値をω_ａ（２）、第２段階でアディアバティック・パッセージを始める時点でのω_ａの値をω_ａ（３）、アディアバティック・パッセージを終える時点での値をω_ａ（４）とすると、ω_ａ（１）、ω_ａ（２）、ω_ａ（３）、ω_ａ（４）はω_ｌ、ω_ｃに応じてどのような値をとってもよいが、ω_ａ（２）からω_ａ（３）への移行の際にω_ｌあるいはω_ｃを横切る場合、あるいはω_ａ（４）からω_ａ（１）への移行の際にω_ｌを横切る場合には、ω_ｌに関しては１／Ωより十分短い時間で、ω_ｃに関しては１／ｇより十分短い時間で横切らせ、２状態系の状態（｜ｇ＞であるか｜ｅ＞であるか）が変わらないようにする。

第１段階はラビ振動、第２段階はアディアバティック・パッセージを用いる場合も同様、第１段階から第２段階に移行する際にω_ｌあるいはω_ｃを横切る場合、あるいは第２段階から第１段階に移行する際に、ω_ｌを横切る場合には、ω_ｌに関しては１／Ωより十分短い時間で、ω_ｃに関しては１／ｇより十分短い時間で横切らせ、２状態系の状態（｜ｇ＞であるか｜ｅ＞であるか）が変わらないようにする。

さらに、第１段階はアディアバティック・パッセージ、第２段階は真空ラビ振動を用いる場合も、第１段階から第２段階に移行する際にω_ｌあるいはω_ｃを横切る場合、あるいは第２段階から第１段階に移行する際に、ω_ｌを横切る場合には、ω_ｌに関しては１／Ωより十分速く、ω_ｃに関しては１／ｇより十分速く横切らせ、２状態系の状態（｜ｇ＞であるか｜ｅ＞であるか）が変わらないようにする。

以上のように第１段階および第２段階の操作を行うことで、第１段階にラビ振動あるいはアディアバティック・パッセージを用い、第２段階に真空ラビ振動あるいはアディアバティック・パッセージを用いる４通りの組み合わせのいずれでも、光子間隔π／ｇあるいは１／ｇ程度での、励起光と周波数の異なる単一光子の発生が可能になる。

次に、本実施形態の単一光子発生装置で外場として磁場を使用する場合について図５を参照して説明する。
外場に磁場を使用する場合の単一光子発生装置は、光共振器１０１、物質１０２、レーザー発生装置１０３、磁場発生装置５０１、コイル５０２、光子検出器１０６、制御部５０３、ミラー１０８を含んでいる。
磁場発生装置５０１は、２つのコイル５０２に電流を流し特定の向きの磁場を発生させる。この磁場は光共振器１０１内の物質１０２に印加される。
制御部５０３は、磁場発生装置５０１を制御して２つのコイル５０２に流す電流の大きさを調整して磁場の大きさを制御する。制御部５０３は、光共振器１０１内に印加される磁場の強さを制御することによって、２状態系の遷移角周波数（ω_ａ）を所定の値に変化させる。制御部５０３は、制御部１０７と同様に、レーザー発生装置１０３を制御し、レーザーを発生させたりレーザの発生を停止する。制御部５０３は、制御部１０７と同様に、光子検出器１０６が光子を検出したかどうかの情報を受け取る。

次に、物質１０２に記録された量子ビットを読み出す場合について図６を参照して説明する。
本実施形態の量子ビット読出装置は、図６にしめすように、光共振器１０１、レーザー発生装置１０３、電場発生装置１０４、電極１０５、光子検出器１０６、ミラー１０８、強度変調用音響光学効果素子６０１、周波数設定用音響光学効果素子６０２、レーザー周波数狭窄化システム６０３、制御部６０４、物質６０５を含む。

物質６０５は、上述した２状態系の状態（エネルギーの低い状態｜ｇ＞とエネルギーの高い状態｜ｅ＞）以外に、さらに２つの状態（｜０＞、｜１＞）を有する。これら状態｜０＞、状態｜１＞の２つの状態で量子ビットを表す。

強度変調用音響光学効果素子６０１は、入力した光の強度を設定し設定した強度の光を出力する。周波数設定用音響光学効果素子６０２は、入力した光の周波数を設定し設定した周波数の光を出力する。レーザー周波数狭窄化システム６０３は、入力した光を狭窄化して狭窄化した光を出力する。

レーザー周波数狭窄化システム６０３で作成したレーザーを、ビームスプリッター、ミラー（いずれも図示せず）で３つに分け、周波数設定用音響光学効果素子６０２がそれぞれのレーザーを入力し周波数を設定し、強度変調用音響光学効果素子６０１が３つのレーザーのうちのレーザー２（｜ｇ＞−｜ｅ＞間遷移に共鳴する光）およびレーザー３（｜１＞−｜ｅ＞間遷移に共鳴する光）を入力し強度を設定する。

制御部６０４は、レーザー２の強度がレーザー３の強度よりも大きい状態から、レーザー３の強度がレーザー２の強度よりも大きい状態に移行するようにレーザー２とレーザー３とが時間的に重なるように強度変調用音響光学効果素子６０１を制御する。この制御によって、アディアバティック・パッセージにより、状態｜１＞の確率振幅を状態｜ｇ＞の確率振幅に変化させることができ、｜０＞の状態にある場合には｜０＞の状態に留まる。その後、制御部６０４が、電場発生装置１０４によって電場を変化させω_ａを励起光の角周波数ω_ｌに一致させる（第１操作）。この制御によって、物質６０５が元々｜１＞の状態にあり、アディアバティック・パッセージにより｜ｇ＞の状態に移っている場合には、物質６０５を状態｜ｇ＞から状態｜ｅ＞へ励起することになり、元々状態｜０＞にある場合には｜０＞の状態に留まる。その後、制御部６０４が、電場発生装置１０４によって電場を変化させω_ａを励起光の角周波数ω_ｃに一致させる（第２操作）。この制御によって、物質６０５が状態｜ｅ＞の場合には物質６０５が共振器モードに単一光子を放出し、その単一光子が光共振器１０１から光共振器１０１の外部に放出されることになり、元々状態｜０＞にある場合には｜０＞の状態に留まる。
物質６０５が元々｜０＞の状態にあり、制御部６０４の制御によるアディアバティック・パッセージ後も状態｜０＞に留まっている場合には、制御部６０４が電場発生装置１０４によって電場を変化させ光共振器のω_ｃにω_ａを励起光の角周波数ω_ｃに一致させても物質６０５から光子が放出されず、光共振器１０１から光共振器１０１の外部にも光子が放出されない。

制御部６０４が上述の第１操作と第２操作を交互に行うことによって、物質６０５が元々｜１＞の状態にある場合には、光共振器１０１から操作２の度に光子が放出され、物質６０５が元々｜０＞の状態にある場合には、光共振器１０１から光子が放出されることはない。このように制御部６０４の制御によって光子検出器１０６が単一光子の検出を試みることにより、単一光子が検出されれば、物質６０５が元々｜１＞の状態にあり、検出されなければ物質６０５が元々｜０＞の状態にあることを知ることができる。すなわち、図６の装置によって量子ビットの読み出しを行うことができる。しかも、元々｜１＞の状態にある場合には、繰り返し放出される光子を観測することが可能なため、単一光子の検出確率が１００％に満たない検出器を用いても、十分な精度で状態を読み取ることができる。

次に、図６の量子ビット読出装置で外場として磁場を使用する場合について図７を参照して説明する。
外場として磁場を使用する場合には、図６での電場発生装置１０４および電極１０５を、それぞれ磁場発生装置５０１およびコイル５０２に取り替える。図５を参照して説明したように、光共振器１０１内に印加される磁場の強さを制御することによって、２状態系の遷移角周波数（ωａ）を所定の値に変化させることができる。

磁場が物質６０５に印加されると、状態｜ｇ＞、状態｜０＞、状態｜１＞はそれぞれ縮退が解けそれぞれ複数の状態に***する。このとき、図７で示すように、それぞれの複数の状態から１つの状態を選択する。すなわち、***後の複数の状態から新たに状態｜ｇ＞、状態｜０＞、状態｜１＞の準位を決める。

この他は、制御部が磁場発生装置５０１を制御して光共振器１０１内に印加される磁場の強さを制御することによってωａを変化させること以外は、制御部の動作は図６を参照して説明した場合と同様の動作を行う。この動作により外場として磁場を使用する場合でも量子ビットを読み出すことができる。

次に実施例について図８から図１０を参照して説明する。

（第１実施例）
図９に本実施例の単一光子発生装置を示す。本実施例は、第１段階にラビ振動を用い、第２段階に真空ラビ振動を用いる場合である。
本実施例の単一光子発生装置および方法では、２状態系として、Ｙ_２ＳｉＯ_５結晶の１０^−５％のＹ^３＋イオンをＰｒ^３＋イオンに置換したＰｒ^３＋：Ｙ_２ＳｉＯ_５結晶中のＰｒ^３＋イオンを利用する。Ｐｒ^３＋：Ｙ_２ＳｉＯ_５結晶が物質１０２に対応する。結晶は２ｍｍ×２ｍｍ×２ｍｍ程度の大きさで、対向する表面に超高反射率のミラーが形成され、共振器構造になっている。片側のミラーの反射率はほぼ１００％（９９．９９８％以上）、もう片方は９９．９２４％の片側共振器（光共振器１０１に対応）とし、またその共振器モードは、Ｐｒ^３＋イオンの電子基底状態^３Ｈ_４の核スピンの状態±｜５／２＞と、電子励起状態^１Ｄ_２の核スピンの状態±｜５／２＞との間の４ｆ電子のｆ−ｆ遷移（以降では単にＰｒ^３＋イオンの光遷移と呼ぶ）の周波数ν_ａ（約４９４．７ＴＨｚ（周波数））より約４ＭＨｚ高い周波数に共鳴するように作られ、モードウエスト半径が約１μｍとなっている。また共振器の減衰定数（κ）（エネルギーの減衰定数）は約５ＭＨｚ（周波数）とする。結晶９０１は、クライオスタット９０５の中に設置され１．５Ｋに保たれる。

Ｐｒ^３＋イオンを含む結晶９０１は、共振器モードに結合するように入射した光による真空ラビ***の観測により、着目している単一の共振器モードの空間的な広がりの中に存在するＰｒ^３＋イオンが、モードウエスト近傍に１つだけであるものを選択し利用する。

また、アルゴンイオンレーザー励起のリング色素レーザー９０２を、参照用共振器と音響光学効果素子および電気光学効果素子によるフィードバック系でレーザー周波数狭窄化システム６０３によって、１ｋＨｚにスペクトル狭窄化し絶対周波数を安定化し、さらに音響光学効果素子で周波数可変にした光源を用意する。制御部９０３は、その狭窄化したレーザーの周波数を共振器モードの周波数ν_ｃから２ＭＨｚ低周波数側のν_ｌ＝ν_ｃ−２ＭＨｚに設定し、結晶９０１の中のＰｒ^３＋に照射する。

結晶９０１には電場発生装置１０４の電極１０５が取り付けられており、結晶９０１に電場が印加できるようになっている。制御部９０３による電場の印加により、遷移角周波数ν_ａを、ν_ｌに共鳴させたりν_ｃに共鳴させたりできるようになっている。

片側共振器である光共振器１０１の反射率の低いミラーの側には光子検出器１０６が設置され、共振器モードから共振器外部に放出された光子を検出できるようになっている。

本実施例おける共振器モードとＰｒ^３＋イオンの光遷移との結合定数ｇ／（２π）は約１００ｋＨｚ、レーザーとＰｒ^３＋イオンの光遷移との結合によるラビ周波数Ω／（２π）は約５００ｋＨｚ、Ｐｒ^３＋イオンの電子励起状態^１Ｄ_２の寿命Ｔは約２００μｓである。

なお、本実施例および以下の実施例では、図８に示すように、Ｐｒ^３＋イオンの光遷移の１．５Ｋにおける均一幅（半値全幅）をΔν_ｈｏｍｏとした場合、ν_ａ＝ν_ｌ−Δν_ｈｏｍｏとなる電場をＥ（１）、ν_ａ＝ν_ｌとなる電場をＥ（２）、ν_ａ＝ν_ｌ＋Δν_ｈｏｍｏとなる電場をＥ（３）、ν_ａ＝ν_ｃ−Δν_ｈｏｍｏとなる電場をＥ（４）、ν_ａ＝ν_ｃとなる電場をＥ（５）、ν_ａ＝ν_ｃ＋Δν_ｈｏｍｏとなる電場をＥ（６）とする。図８に、ν_ａとν_ｌおよびν_ｃの関係を示す。

本実施例では、Ｐｒ^３＋イオンを含む結晶に対して、電場を印加しない状態にあったものに、Ｅ（２）の電場を印加しその状態にπ／Ωに相当する１μｓ留め、次いでＥ（５）の電場を印加しπ／ｇに相当する５μｓその状態に留める。あとは１μｓのＥ（２）の電場印加と５μｓのＥ（５）の電場印加を交互に繰り返すことにより、片側共振器の反射率の低いミラーの側に光子がπ／Ω＋π／ｇに相当する６μｓごとに放出される。この様子は、光子検出器１０６で観測することができる。

（第２実施例）
図９に本実施例の単一光子発生装置を示す。本実施例は、第１段階にアディアバティック・パッセージを用い、第２段階にもアディアバティック・パッセージを用いる場合である。
この実施例では、制御部９０３が、第１実施例においてＰｒ^３＋イオンを含む結晶に電場を印加する際に、電場を印加しない状態からＥ（１）にまず増大させ、Ｅ（１）からＥ（３）に一定の増加率で１０μｓかけて電場増大を行い、次いでＥ（３）からＥ（４）に電場増大を行い、さらにＥ（４）からＥ（６）に一定の増加率で４０μｓかけて電場増大を行う。次に、制御部９０３が、電場を印加しない状態に戻して、再び上記方法による印加電場増大を行う。この操作を繰り返すことにより、片側共振器である光共振器１０１の反射率の低いミラーの側に光子が約５０μｓごとに放出される。この様子は、光子検出器１０６で観測することができる。

（第３実施例）
図９に本実施例の単一光子発生装置を示す。本実施例は、第１段階にラビ振動を用い、第２段階にアディアバティック・パッセージを用いる場合である。
この実施例では、制御部９０３が、第１実施例においてＰｒ^３＋イオンを含む結晶に電場を印加する際に、電場を印加しない状態から、Ｅ（２）の電場を印加しその状態にπ／Ωに相当する１μｓ留め、次いで、制御部９０３が、Ｅ（４）に電場を増大し、さらにＥ（４）からＥ（６）に一定の増加率で４０μｓかけて電場増大を行う。次に、制御部９０３が、電場を印加しない状態に戻して、再び上記方法による印加電場増大を行う。この操作を繰り返すことにより、片側共振器である光共振器１０１の反射率の低いミラーの側に光子が約４０μｓごとに放出される。この様子は、光子検出器１０６で観測することができる。

（第４実施例）
図９に本実施例の単一光子発生装置を示す。本実施例は、第１段階にアディアバティック・パッセージを用い、第２段階に真空ラビ振動を用いる場合である。
この実施例では、制御部９０３が、第１実施例においてＰｒ^３＋イオンを含む結晶に電場を印加する際に、電場を印加しない状態からＥ（１）にまず増大させ、Ｅ（１）からＥ（３）に一定の増加率で１０μｓかけて電場増大を行い、次いでＥ（３）からＥ（５）に電場を増大し、π／ｇに相当する５μｓその状態に留める。次に電場を印加しない状態に戻して、再び上記方法による印加電場増大を行う。この操作を繰り返すことにより、片側共振器の反射率の低いミラーの側に光子が約１５μｓごとに放出される。この様子は、光子検出器で観測することができる。

（第５実施例）
図１０に本実施例の単一光子発生装置を示す。本実施例では、結晶９０１に記録された量子ビットを読み出す場合の一例を示す。
この実施例では、第１実施例におけるＰｒ^３＋イオンの電子基底状態^３Ｈ_４の核スピンの状態±｜３／２＞を状態｜０＞、状態±｜１／２＞を状態｜１＞、状態±｜５／２＞を状態｜ｇ＞とする。また、電子励起状態^１Ｄ_２の核スピンの状態±｜５／２＞を状態｜ｅ＞とする。

光源からのレーザーをビームスプリッターで３つに分け、それぞれレーザー１、レーザー２、レーザー３とし、レーザー１を第１実施例におけるレーザーとして使う。レーザー２とレーザー３の照射を行う以外は、第１実施例と同様の装置（レーザー周波数狭窄化システム６０３、アルゴンイオンレーザー励起リング色素レーザー９０２）を利用し、同様の操作を行う。

レーザー２とレーザー３は、それぞれ音響光学効果素子６０１，６０２で周波数シフトと強度変調ができるようになっている。制御部１００１が、このレーザー２とレーザー３をそれぞれ｜ｇ＞−｜ｅ＞間遷移、｜１＞−｜ｅ＞間遷移に共鳴する周波数に合わせ、それぞれを半値全幅２０μｓのガウス型パルスに整形し、レーザー３がレーザー２に対して２０μｓ遅延するようにＰｒ^３＋イオンを含む結晶に照射することによるアディアバティック・パッセージで状態｜１＞を状態｜ｇ＞に移す。

次いで、制御部１００１が、第１実施例と同様に光共振器１０１の中に設置され、レーザー１が照射されているＰｒ^３＋イオンを含む結晶９０１に、電場発生装置１０４が光子発生のための電場印加を繰り返し行う。その際、もし最初にＰｒ^３＋イオンが｜１＞の状態にあれば、｜ｇ＞の状態に移されるので、繰り返し光子が発生する。しかしもし最初にＰｒ^３＋イオンが｜０＞の状態にあれば、｜０＞の状態に留まるので、光子は発生しない。したがって、光子検出器１０６で繰り返し光子が検出されるかどうかによって、最初にＰｒ^３＋が状態｜０＞と状態｜１＞のいずれの状態にあったかがわかる。つまり量子ビットの読出しができる。

以上に示した実施形態によれば、強度、周波数共に一定の励起光と、励起光の周波数と異なる周波数に設定した共振器モードとを利用し、電場印加または磁場印加によって単一の２状態系の遷移エネルギーを変化させるだけで２状態系の励起と共振器モードへの光子放出を行うことで、光子放出後に単一物質系の状態を戻すプロセスを必要とせず、かつ励起光と異なる周波数（波長）の光子を発生させることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本実施形態の単一光子発生装置のブロック図。 ２状態系の遷移角周波数、レーザーの光子角周波数、光共振器のモードの角周波数の関係を示す図。 πパルス照射による光子発生を説明するための２状態系の時間変化を示す図。 アディアバティック・パッセージを利用することによる光子発生を説明するための２状態系の時間変化を示す図。 本実施形態の単一光子発生装置で外場として磁場を使用する場合のブロック図。 本実施形態の量子ビット読出装置のブロック図。 図６の量子ビット読出装置で外場として磁場を使用する場合を説明するための図。 Ｙ_２ＳｉＯ_５結晶中のＰｒ^３＋イオンの遷移周波数と、レーザー光子周波数と光共振器のモード周波数の関係を示す図。 第１実施例から第４実施例の単一光子発生装置のブロック図。 第５実施例の量子ビット読出装置のブロック図。

符号の説明

１０１・・・光共振器、１０２、６０５・・・物質、１０３・・・レーザー発生装置、１０４・・・電場発生装置、１０５・・・電極、１０６・・・光子検出器、１０７、５０３、６０４、９０３、１００１・・・制御部、１０８、９０４・・・ミラー、５０１・・・磁場発生装置、５０２・・・コイル、６０１・・・強度変調用音響光学効果素子、６０２・・・周波数設定用音響光学効果素子、６０３・・・レーザー周波数狭窄化システム、９０１・・・Ｐｒ^３＋：Ｙ_２ＳｉＯ_５結晶、９０２・・・アルゴンイオンレーザー励起リング色素レーザー、９０５・・・クライオスタット。

Claims (16)

1. 共鳴角周波数ω_ｃの共振器モードを有する光共振器を用意し、
   前記光共振器の中に含まれ、エネルギーの低い状態｜ｇ＞とエネルギーの高い状態｜ｅ＞を有し、外場によって変化する｜ｇ＞−｜ｅ＞間の遷移角周波数ω_ａを有する物質を用意し、
   前記物質に、ω_ｃと異なる角周波数ω_ｌの光を照射する光源を用意し、
   前記光源により前記物質に角周波数ω_ｌの光を照射させ、前記物質に外場を印加しω_ａを変化させ、遷移角周波数ω_ａをω_ｌと共鳴させて前記物質を状態｜ｅ＞にし、次に前記物質に外場を印加しω_ａを変化させ、遷移角周波数ω_ａをω_ｃと共鳴させて前記物質を状態｜ｇ＞に戻すことを特徴とする単一光子発生方法。
2. 前記物質を状態｜ｅ＞にし次に状態｜ｇ＞に戻すことは、角周波数ω_ｌの光と物質の２状態との結合の大きさを表すラビ角周波数をΩ、共振器モードと物質の２状態との結合の大きさを表す結合定数をｇとした場合に、前記外場発生部によりπ／Ωの時間だけω_ａをω_ｌに一致させて物質を状態｜ｅ＞にし、次に前記外場発生部によりπ／ｇの時間だけω_ａをω_ｃに一致させることで物質を｜ｇ＞に戻すことであることを特徴とする請求項１に記載の単一光子発生方法。
3. 前記物質を状態｜ｅ＞にし次に状態｜ｇ＞に戻すことは、角周波数ω_ｌの光と物質の２状態との結合の大きさを表すラビ角周波数をΩ、共振器モードと物質の２状態との結合の大きさを表す結合定数をｇ、｜ｇ＞−｜ｅ＞間の遷移の縦緩和時間をＴ、均一幅をΔとした場合に、前記外場発生部によりω_ａを変化させ、１／Ωより長くＴより短い時間でω_ｌ−Δ／２とω_ｌ＋Δ／２とで挟まれる角周波数領域を横切らせて物質を状態｜ｅ＞にし、次に１／ｇより長くＴより短い時間でω_ｃ−Δ／２とω_ｃ＋Δ／２とで挟まれる角周波数領域を横切らせて物質を状態｜ｇ＞に戻すことであることを特徴とする請求項１に記載の単一光子発生方法。
4. 前記物質を状態｜ｅ＞にし次に状態｜ｇ＞に戻すことは、角周波数ω_ｌの光と物質の２状態との結合の大きさを表すラビ角周波数をΩ、共振器モードと物質の２状態との結合の大きさを表す結合定数をｇ、｜ｇ＞−｜ｅ＞間の遷移の縦緩和時間をＴ、均一幅をΔとした場合に、前記外場発生部によりπ／Ωの時間だけω_ａをω_ｌに一致させて物質を状態｜ｅ＞にし、次に１／ｇより長くＴより短い時間でω_ｃ−Δ／２とω_ｃ＋Δ／２とで挟まれる角周波数領域を横切らせて物質を状態｜ｇ＞に戻すことであることを特徴とする請求項１に記載の単一光子発生方法。
5. 前記物質を状態｜ｅ＞にし次に状態｜ｇ＞に戻すことは、角周波数ω_ｌの光と物質の２状態との結合の大きさを表すラビ角周波数をΩ、共振器モードと物質の２状態との結合の大きさを表す結合定数をｇ、｜ｇ＞−｜ｅ＞間の遷移の縦緩和時間をＴ、均一幅をΔとした場合に、前記外場発生部によりω_ａを変化させ、１／Ωより長くＴより短い時間でω_ｌ−Δ／２とω_ｌ＋Δ／２とで挟まれる角周波数領域を横切らせて物質を状態｜ｅ＞にし、次に前記外場発生部によりπ／ｇの時間だけω_ａをω_ｃに一致させることで物質を状態｜ｇ＞に戻すことであることを特徴とする請求項１に記載の単一光子発生方法。
6. 前記光共振器は、ファブリペロー型の片側共振器であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の単一光子発生方法。
7. 前記物質は結晶中の希土類イオンであり、前記状態｜ｇ＞と前記状態｜ｅ＞が希土類イオンのｆ−ｆ遷移で結ばれていて、前記外場は、電場または磁場であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の単一光子発生方法。
8. 共鳴角周波数ω_ｃの共振器モードを有する光共振器を用意し、
   前記光共振器の中に含まれ、エネルギーの低い状態｜ｇ＞とエネルギーの高い状態｜ｅ＞および状態｜ｇ＞と状態｜ｅ＞以外に２つの状態｜０＞と状態｜１＞を有し、外場によって変化する｜ｇ＞−｜ｅ＞間の遷移角周波数ω_ａを有する物質を用意し、
   ｜ｇ＞−｜ｅ＞間遷移、｜１＞−｜ｅ＞間遷移にそれぞれ共鳴する第１パルス光、第２パルス光を生成し、
   前記第１パルス光の強度が前記第２パルス光に対して強い状態から前記第２パルス光の強度が前記第１パルス光に対して強い状態に移行するように前記第１パルス光と前記第２パルス光とが時間的に重なるように制御して第３の光を生成し、
   前記第３の光を前記物質に照射し、
   前記第３の光を照射した後に、前記物質に外場を印加しω_ａを変化させ、遷移角周波数ω_ａをω _ｃ と異なる角周波数ω_ｌと共鳴させて、次に前記物質に外場を印加しω_ａを変化させ、遷移角周波数ω_ａをω_ｃと共鳴させた場合に、前記光共振器から放出される光子を検出するか否かにより量子ビットを読み取ることを特徴とする量子ビット読出方法。
9. 共鳴角周波数ω_ｃの共振器モードを有する光共振器と、
   前記光共振器の中に含まれ、エネルギーの低い状態｜ｇ＞とエネルギーの高い状態｜ｅ＞を有し、外場によって変化する｜ｇ＞−｜ｅ＞間の遷移角周波数ω_ａを有する物質と、
   前記物質に、ω_ｃと異なる角周波数ω_ｌの光を照射する光源と、
   前記物質に外場を印加しω_ａを変化させて、ω_ａをω_ｌと共鳴させたりω_ｃと共鳴さたりする外場発生部と、
   前記光源により前記物質に角周波数ω_ｌの光を照射させ、前記外場発生部により遷移角周波数ω_ａをω_ｌと共鳴させて前記物質を状態｜ｅ＞にし、次に遷移角周波数ω_ａをω_ｃと共鳴させて前記物質を状態｜ｇ＞に戻す制御部と、を具備することを特徴とする単一光子発生装置。
10. 前記制御部は、角周波数ω_ｌの光と物質の２状態との結合の大きさを表すラビ角周波数をΩ、共振器モードと物質の２状態との結合の大きさを表す結合定数をｇとした場合に、前記外場発生部によりπ／Ωの時間だけω_ａをω_ｌに一致させて物質を状態｜ｅ＞にし、次に前記外場発生部によりπ／ｇの時間だけω_ａをω_ｃに一致させることで物質を｜ｇ＞に戻すことを特徴とする請求項９に記載の単一光子発生装置。
11. 前記制御部は、角周波数ω_ｌの光と物質の２状態との結合の大きさを表すラビ角周波数をΩ、共振器モードと物質の２状態との結合の大きさを表す結合定数をｇ、｜ｇ＞−｜ｅ＞間の遷移の縦緩和時間をＴ、均一幅をΔとした場合に、前記外場発生部によりω_ａを変化させ、１／Ωより長くＴより短い時間でω_ｌ−Δ／２とω_ｌ＋Δ／２とで挟まれる角周波数領域を横切らせて物質を状態｜ｅ＞にし、次に１／ｇより長くＴより短い時間でω_ｃ−Δ／２とω_ｃ＋Δ／２とで挟まれる角周波数領域を横切らせて物質を状態｜ｇ＞に戻すことを特徴とする請求項９に記載の単一光子発生装置。
12. 前記制御部は、角周波数ω_ｌの光と物質の２状態との結合の大きさを表すラビ角周波数をΩ、共振器モードと物質の２状態との結合の大きさを表す結合定数をｇ、｜ｇ＞−｜ｅ＞間の遷移の縦緩和時間をＴ、均一幅をΔとした場合に、前記外場発生部によりπ／Ωの時間だけω_ａをω_ｌに一致させて物質を状態｜ｅ＞にし、次に１／ｇより長くＴより短い時間でω_ｃ−Δ／２とω_ｃ＋Δ／２とで挟まれる角周波数領域を横切らせて物質を状態｜ｇ＞に戻すことを特徴とする請求項９に記載の単一光子発生装置。
13. 前記制御部は、角周波数ω_ｌの光と物質の２状態との結合の大きさを表すラビ角周波数をΩ、共振器モードと物質の２状態との結合の大きさを表す結合定数をｇ、｜ｇ＞−｜ｅ＞間の遷移の縦緩和時間をＴ、均一幅をΔとした場合に、前記外場発生部によりω_ａを変化させ、１／Ωより長くＴより短い時間でω_ｌ−Δ／２とω_ｌ＋Δ／２とで挟まれる角周波数領域を横切らせて物質を状態｜ｅ＞にし、次に前記外場発生部によりπ／ｇの時間だけω_ａをω_ｃに一致させることで物質を状態｜ｇ＞に戻すことを特徴とする請求項９に記載の単一光子発生装置。
14. 前記光共振器は、ファブリペロー型の片側共振器であることを特徴とする請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
15. 前記物質は結晶中の希土類イオンであり、前記状態｜ｇ＞と前記状態｜ｅ＞が希土類イオンのｆ−ｆ遷移で結ばれていて、
    前記外場発生部は、前記物質に外場として電場または磁場を印加することを特徴とする請求項９から請求項１４のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
16. 物質は、エネルギーの低い状態｜ｇ＞とエネルギーの高い状態｜ｅ＞以外に２つの状態｜０＞と状態｜１＞を有している請求項９から請求項１４のいずれか１項に記載の単一光子発生装置と、
    ｜ｇ＞−｜ｅ＞間遷移、｜１＞−｜ｅ＞間遷移にそれぞれ共鳴する第１パルス光、第２パルス光を生成する生成手段と、
    前記第１パルス光の強度が前記第２パルス光に対して強い状態から前記第２パルス光の強度が前記第１パルス光に対して強い状態に移行するように前記第１パルス光と前記第２パルス光とが時間的に重なるように制御して第３の光を生成する制御手段と、
    前記第３の光を前記物質に照射する照射手段と、
    前記照射手段が前記第３の光を照射した後に、前記制御部が前記外場発生部により遷移角周波数ω_ａをω_ｌと共鳴させて、次に遷移角周波数ω_ａをω_ｃと共鳴させた場合に、前記光共振器から放出される光子を検出するか否かにより量子ビットを読み取る読取手段と、を具備することを特徴とする量子ビット読出装置。

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