CN101271244A - 量子位读出装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种量子位读出装置和方法，分别读出单一物质类构成的量子位。量子位读出装置具有：共振器(101)；物质(405)，包含于共振器，包含多个物质类，在将各物质类的5个能态从低能态依次表示为|0＞、|1＞、|g＞、|e1＞、|e2＞时，|g＞－|e1＞间跃迁与所有物质类共同的共振器模共振，以|0＞和|1＞表现量子位；生成与|g＞－|e2＞间跃迁、|1＞－|e2＞间跃迁共振的光的单元(401)；生成将|1＞转移至|g＞的光的单元(409)；生成与共振器模耦合的光，使该光入射到共振器的单元(201)；测定该光的来自共振器的反射光、透射光的强度的单元(201、202)，根据反射光和透射光的强度读取物质类(i)的量子位的单元(410)；生成使物质类(i)返回原来状态的光的单元(409)。

Description

量子位读出装置和方法
技术领域
本发明涉及量子位(bit)读出装置和方法，其利用两侧共振器的共振器模与单一物质类(单一原子、单一离子等)的耦合类的反射光和透射光的强度，不管入射光强度是强还是弱都会随物质类的状态大幅地变化这一情况，通过检测足够强度的光的大幅的强度变化，分别读出共振器内所存在的多个由单一物质类构成的量子位。
背景技术
量子计算的结果大多表现为由单一原子、离子、光子等构成的量子位(在此，在量子计算中承载信息的物质类的量子状态和物质类本身都被称为量子位)的状态，因此，需要读出这些单一物质类的状态。在与光进行耦合的量子位的情况下，在量子位因对要读出的量子位进行的光照射，而与该量子位的状态对应地被激发、或不被激发时，观测所辐射出的光子或未辐射的光子的方法，其灵敏度高，是可实现的。此时，如果是电磁陷阱中的离子和原子这样的气体，则可利用严格的选择侧，通过激发仅弛豫(缓和)到原来状态的跃迁，而与量子位的状态对应地多次反复进行激发、弛豫，辐射出大量光子。
但是，在晶体中的离子的核自旋这样的固体中的量子位的情况下，各种各样的相互作用，使得能态的角运动量、自旋等相互混杂，没有严格的选择侧，一次激发出的量子位弛豫到何处的准稳定状态是概率性的。因此，读出时需要可靠地检测单一光子。反复进行使用绝热通道(adiabatic passage)、使量子位的状态可靠地转移到共振器模共振(共鸣)的能级后返回，限定此时辐射光子的空间模，并且设置多个检测光子的机会，由此可以降低光子检测的失败概率。但是，此时也同样需要检测单一光子。
近年来，有人发表了利用微弱光和光子计数来观测共振器中的单一原子的真空拉比(Rabi)分裂(也称为普通模分裂)的报告(参照例如非专利文献1)。另外，人们还提出了以下方案：利用使单一光子入射到单侧共振器的共振器模与单一或多个原子的耦合类时由原子状态所致的反射光子的相位差异，实行光子-原子间、原子-原子间(以光子为介质)的量子门。这样，对于共振器模与物质类的耦合类的光学响应，即使是与一个物质类的耦合，也会随该物质类的状态大幅地变化，因此可以用于观测单一物质类的状态。
[非专利文献1]Phys.Rev.Lett.93，233603(2004).
但是，人们不知道在读出单一共振器内存在的多个量子位时利用该共振器模与物质类的耦合类的响应的具体方法。
发明内容
本发明就是考虑上述情况而做出的，其目的是提供一种通过检测足够强度的光的大幅的强度变化来分别读出共振器内存在的多个由单一物质类(单一原子、单一离子等)构成的量子位的量子位读出装置和方法。
为了解决上述课题，本发明的量子位读出装置具有：具有共振器模的共振器；物质，包含于上述共振器的内部，内部包含多个物质类(物质类1、…物质类n(n是2以上的整数))，各物质类至少具有5个能态，在将各物质类i(i是n以下的自然数)具有的上述5个能态，从具有低能态的状态起依次表示为|0＞i、|1＞i、|g＞i、|e1＞i、|e2＞i时，|g＞i-|e1＞i间跃迁与所有上述物质类中共同的共振器模共振，以|0＞i和|1＞i表现量子位；生成单元，生成分别与|g＞i-|e2＞i间跃迁、|1＞i-|e2＞i间跃迁共振的第一脉冲光、第二脉冲光；第一控制单元，进行控制，以便以从上述第一脉冲光的强度比上述第二脉冲光的强度强的状态转移到上述第二脉冲光的强度比上述第一脉冲光的强度强的状态的方式，使上述第一脉冲光与上述第二脉冲光在时间上重叠而生成第三光；第一照射单元，对上述物质类i照射上述第三光；入射单元，生成与上述共振器模耦合的观测光，并从上述共振器的外部向该共振器入射该观测光；读取单元，测定上述观测光的反射光和上述观测光的透射光中至少任意一者的强度，读取量子位；第二控制单元，在读取了上述量子位之后，进行控制，以便以从上述第二脉冲光的强度比上述第一脉冲光的强度强的状态转移到上述第一脉冲光的强度比上述第二脉冲光的强度强的状态的方式，使上述第一脉冲光与上述第二脉冲光在时间上重叠而生成第四光；以及第二照射单元，对上述物质类i照射上述第四光。
本发明的另一量子位读出装置，其特征在于，具有：具有共振器模的共振器；物质，包含于上述共振器的内部，内部包含多个物质类、即物质类1、…物质类n，各物质类至少具有5个能态，在将各物质类i具有的上述5个能态，从具有低能态的状态起依次表示为|0＞i、|1＞i、|g＞i、|e1＞i、|e2＞i时，|g＞i-|e1＞i间跃迁与所有上述物质类中共同的共振器模共振，以|0＞i和|1＞i表现量子位，其中，n是2以上的整数，i是n以下的自然数；生成单元，生成分别与|g＞i-|e2＞i间跃迁、|1＞i-|e2＞i间跃迁共振的第一脉冲光、第二脉冲光；第一控制单元，进行控制，以便以从上述第一脉冲光的强度比上述第二脉冲光的强度强的状态转移到上述第二脉冲光的强度比上述第一脉冲光的强度强的状态的方式，使上述第一脉冲光与上述第二脉冲光在时间上重叠而生成第三光；第一照射单元，对上述物质类i照射上述第三光；入射单元，生成与上述共振器模耦合的观测光，并从上述共振器的外部向该共振器入射该观测光；读取单元，测定上述观测光的反射光和上述观测光的透射光中至少任意一者的强度，读取量子位；以及第二照射单元，在读取了上述量子位之后，对上述物质类i照射与|g＞i-|e1＞i间跃迁和|g＞i-|e2＞i间跃迁中的任意一者共振的光。
本发明的量子位读出方法，其特征在于，准备具有共振器模的共振器；准备以下物质，该物质包含于上述共振器的内部，内部包含多个物质类、即物质类1、…物质类n，各物质类至少具有5个能态，在将各物质类i具有的上述5个能态，从具有低能态的状态起依次表示为|0＞i、|1＞i、|g＞i、|e1＞i、|e2＞i时，|g＞i-|e1＞i间跃迁与所有上述物质类中共同的共振器模共振，以|0＞i和|1＞i表现量子位，其中，n是2以上的整数，i是n以下的自然数；生成分别与|g＞i-|e2＞i间跃迁、|1＞i-|e2＞i间跃迁共振的第一脉冲光、第二脉冲光；进行控制，以便以从上述第一脉冲光的强度比上述第二脉冲光的强度强的状态转移到上述第二脉冲光的强度比上述第一脉冲光的强度强的状态的方式，使上述第一脉冲光与上述第二脉冲光在时间上重叠而生成第三光；对上述物质类i照射上述第三光；生成与上述共振器模耦合的观测光，并从上述共振器的外部向该共振器入射该观测光；测定上述观测光的反射光和上述观测光的透射光中至少任意一者的强度，读取量子位；在读取了上述量子位之后，进行控制，以便以从上述第二脉冲光的强度比上述第一脉冲光的强度强的状态转移到上述第一脉冲光的强度比上述第二脉冲光的强度强的状态的方式，使上述第一脉冲光与上述第二脉冲光在时间上重叠而生成第四光；以及对上述物质类i照射上述第四光。
本发明的另一量子位读出方法，其特征在于，准备具有共振器模的共振器；准备以下物质，该物质包含于上述共振器的内部，内部包含多个物质类、即物质类1、…物质类n，各物质类至少具有5个能态，在将各物质类i具有的上述5个能态，从具有低能态的状态起依次表示为|0＞i、|1＞i、|g＞i、|e1＞i、|e2＞i时，|g＞i-|e1＞i间跃迁与所有上述物质类中共同的共振器模共振，以|0＞i和|1＞i表现量子位，其中，n是2以上的整数，i是n以下的自然数；生成分别与|g＞i-|e2＞i间跃迁、|1＞i-|e2＞i间跃迁共振的第一脉冲光、第二脉冲光；进行控制，以便以从上述第一脉冲光的强度比上述第二脉冲光的强度强的状态转移到上述第二脉冲光的强度比上述第一脉冲光的强度强的状态的方式，使上述第一脉冲光与上述第二脉冲光在时间上重叠而生成第三光；对上述物质类i照射上述第三光；生成与上述共振器模耦合的观测光，并从上述共振器的外部向该共振器入射该观测光；测定上述观测光的反射光和上述观测光的透射光中至少任意一者的强度，读取量子位；以及在读取了上述量子位之后，对上述物质类i照射与|g＞i-|e1＞i间跃迁和|g＞i-|e2＞i间跃迁中的任意一者共振的光。
根据本发明的量子位读出装置和方法，通过检测足够强度的光的大幅的强度变化，可以分别检测共振器内所存在的多个由单一物质类(单一原子、单一离子等)构成的量子位。
附图说明
图1是用于说明共振器内的原子的能态和共振器模(mode)的图。
图2是表示共振器模-原子耦合类的状态变化所致的反射谱和透射谱的变化的图。
图3是用于说明原子状态因共振器模的光子而发生了变化的情况的图。
图4是本实施方式的量子位读出装置的框图。
图5是表示实施例中的Pr3+:Y2SiO5晶体中的Pr3+离子的能态的图。
图6是表示实施例中的由角频率为ω1、ω2、ω3的3束光选择出的离子的跃迁角频率的图。
图7是用于说明实施例中的量子位读出时所用的光和光检测器的图。
符号说明：101…共振器，201、421～429…分光器，202、203、451～454…光检测器，401…氩离子激光激发环色素激光器，402、403…谱宽狭窄化系统，404…控制器，405…晶体，406…低温恒温器，407、408…超高反射率反射镜，409…激光控制部，410…量子位判定部，411～419…反射镜，431～435…频率设定用声光效应元件，441～445…脉冲形成及时序控制用声光效应元件
具体实施方式
以下参照附图对本发明实施方式的量子位读出装置和方法进行详细说明。在以下的实施方式中，标注了同一符号的部分进行同样的动作，因而省略重复的说明。
首先，在对本发明实施方式的量子位读出装置和方法进行详细说明之前，说明通过检测足够强度的光的大幅的强度变化来分别读出共振器内存在的多个由单一物质类构成的量子位的机构。
在本实施方式中，利用共振器模与物质类的耦合类的反射谱和透射谱因共振器模与共振器内的物质类的耦合而大幅变化这一情况。
参照图1说明共振器101内的原子(以下以原子来代表原子、离子、分子、量子位等物质类)的能态。图1是能态的示意图。从能量低的能态起将能态依次设为|0＞、|1＞、|g＞、|e1＞、|e2＞，并设|g＞-|e1＞间跃迁与共振器模共振。共振器101具有共振器模，例如，制作成：共振器模共振于Pr3+离子的3H4的电子状态因超微细构造分裂而发生了分裂的状态之一、和1D2的电子状态之一因超微细构造分裂而发生了分裂的状态之一之间的跃迁(在图1的例子中，对应|g＞-|e1＞间跃迁)。
接下来，参照图2(a)、图2(b)、图2(c)分别说明空共振器时、共振器内的单一原子处于|g＞状态时、以及共振器内的单一原子处于|0＞状态或|1＞状态时的共振器模与原子的耦合类(以下简称为共振器模-原子耦合类)的反射谱和透射谱。
分光器201使来自光源的光透过，而反射来自共振器101的光，并导入到光检测器202。
光检测器202、203分别检测来自共振器101的反射光、来自共振器101的透射光。
在空共振器的情况下(图2(a))：对于与共振器模共振的光(设角频率为ωc)，使空间模与共振器模一致地将其入射到共振器101。此时，对于由构成共振器101的反射镜的反射率和共振器长度决定的共振幅(衰减率)，因由反射镜和(如果有)充满共振器内的介质所致的吸收和散射等而引起的损耗的速度较小的情况下，光的反射率大致为0，几乎不反射，透射率大致为1，透射光。当在ωc的附近扫描入射光的频率时，如图2(a)所示，反射谱在ωc处呈现出反射率大致为0的谷(dip)，透射谱在ωc处呈现出透射率大致为1的峰(peak)。本实施方式中的术语“频率”明确表示为“角频率”，或者，在数值中包含明确表示的“×2π”的情况下，表示角频率，在其它情况下单纯表示频率。
原子状态为|g＞的情况(图2(b))：其对应于处于共振器内的与共振器模共振的部位的单一原子的状态为|g＞的情况，即、单一原子的状态为和与共振器模共振的跃迁相关的状态。当使角频率ωc的光入射到共振器模-原子耦合类时，光的透射率大致为0，几乎不透射光，相反，反射率大致为1，反射光。当在ωc的附近扫描入射光的频率时，如图2(b)所示，透射谱以ωc为中心在低频侧和高频侧呈现出分开的2个峰，其峰的分裂宽为表示共振器模与原子的耦合大小的耦合常数g的2倍左右。该透射谱的峰的分裂被称为真空拉比分裂或者普通模式分裂(normal mode splitting)。角频率为ωc的光成为2个透射峰正中的透射光强度下降的频率的光，几乎不透射。另外，当在ωc的附近扫描入射光的频率时，如图2(b)所示，反射谱以ωc为中心在低频侧和高频侧呈现出分开的2个谷，其谷的分裂宽为2×g左右。角频率为ωc的光成为2个谷正中的反射率较高的频率的光，以大致为1的反射率反射。
原子状态为|0＞、|1＞的情况(图2(c))：其对应于处于共振器内的与共振器模共振的部位的单一原子的状态为|0＞或|1＞的情况，即、单一原子的状态为不是和与共振器模共振的跃迁相关的2个状态的状态的情况。此时，共振器模-原子耦合类如图2(c)所示，呈现与空共振器时(图2(a))同样的反射谱和透射谱。
如参照图2(a)、图2(b)、图2(c)所说明的那样，发射谱和透射谱因原子状态为|g＞、|0＞或|1＞而急剧地变化。
但是，在共振器模与原子的耦合常数g、与共振器模共振的原子的跃迁的相位弛豫速度γ、共振器的衰减常数κ满足
g2/(κγ)＞1       (1)
的情况下，被认为可以明确地观测到依赖于该原子状态的反射谱和透射谱的变化。其中，在g＜κ且γ较小时满足式(1)的情况下，可以预测到以下状况：关于图2(b)的透射谱，与其说是峰的分裂，不如表现为在山形的透射谱的中心开了透射率下降到大致为0的细细的孔，关于反射谱，不如表现为：在反射下降的谷的中心，产生峰大致达到1的反射率的细细的尖峰。
这样，对于共振器模-原子耦合类而言，原子是否处于和与共振器模共振的跃迁相关的状态，使得即使该原子为单一原子，对某个频率的光的反射率和透射率也将大幅地变化，因此，存在读出原子状态、即量子位时可以利用该变化的可能性。另外，此时，存在以下可能性：通过增强读出时利用的入射光，在测定中得到充分大小的反射光和透射光的变化。
另一方面，使某个角频率的光入射到共振器模-原子耦合类时的透射光强度的取得值，在原子为多个，这些原子处于和与共振器共振的跃迁相关的状态，并且入射光强度较强的情况下，得到多值。其结果，呈现出被称为光双稳定性的现象，这已为人们所知(Phys.Rev.A56，3262(1997))。此时，如果入射光强度过强，则作为输出光强度的角频率依赖的一个解，存在只出现以入射光的角频率ωc为中心，左右对称的峰的解。因此，在入射光强度过强的情况下，边在ωc附近扫描入射光的角频率，边测定输出光强度等时，存在以下可能性：原子是否处于和与共振器模共振的跃迁相关的状态的区别，不表现为ωc处的反射光和透射光的大幅的强度变化。
但是，在单一原子的情况下，呈现出即使入射光强度较强，也可见到分裂(Cavity Quantum Electrodynamics，edited by P.R.Berman(Academic Press，Inc.，San Diego，1994)，pp396-399.)。因此，可以认为，在读出单一原子的量子状态、即量子位时，即使利用强光，由于透射光和反射光的大幅的强度变化，从而也可以读出量子位。
接下来，参照图3考察原子状态的变化。
考虑使角频率为ωc的强光入射到原子处于|g＞状态的共振器模-原子耦合类的情况。虽然光的大部分被共振器表面反射，但是也进入到共振器内一些。入射光强度越强，共振器内的光强度也相应地增强。此时，如果原子处于和与共振器模共振的跃迁相关的状态中的较低一者的能态、即原子处于|g＞状态，则存在以下可能性：原子被共振器内的光激发，处于|g＞状态的原子被激发为|e1＞状态，之后，弛豫到|0＞或|1＞的状态，由此原子状态发生变化。
在本实施方式中，在使光入射到共振器模-原子耦合类，并观测原子状态时，使观测时间、即持续入射光的时间Tm短于和与共振器模共振的跃迁相关的状态中较高能态的寿命Te，而长于耦合常数g的2倍的倒数1/(2×g)。即、满足下式的条件。
1/(2×g)＜Tm＜Te  (2)
当从|g＞状态激发到|e1＞状态时，由从此处开始的弛豫所引起的状态变化，将花费比|e1＞状态的寿命Te长的时间，因此，只要满足式(2)，即可抑制观测时间中经由|e1＞状态的原子的状态变化。
另外，在观测具有耦合常数g的2倍左右的频率宽度的透射或反射的变化时，需要1/(2×g)左右以上的观测时间，但式(2)也满足该条件。
即、只要满足式(2)的条件，即可在不使原子状态发生变化的情况下，读出状态、即量子位的值。此时，不改变原子的量子状态即可读出的另一个理由是，最终要读出量子位的物质状态为固有状态，从而成为读出其固有值的观测。换而言之，最终要读出量子位的物质状态并非是重合的状态(例如，α|0＞+β|1＞，α≠0且β≠0)，而是固有状态(例如，只是α|0＞、只是β|1＞的状态)，是读出其固有值。
接下来，以取得图1和图3的能态的原子为例，说明在共振器中作为量子位包含多个原子的情况下，利用本实施方式的量子位读出方法，特别是读出第i个量子位(量子位i)的方法。
首先，以以下方式在时间上重叠地对原子i照射脉冲：使分别与表示量子位的原子的|g＞i-|e2＞i间跃迁、|1＞i-|e2＞i间跃迁共振的脉冲光1和脉冲光2，从脉冲光1的强度强于脉冲光2的状态转移到脉冲光2的强度强于脉冲光1的状态。下标i表示是第i个原子。另外，第i个原子的选择性操作通过与其它原子在空间上或频率上进行区别来进行。即、调整激光的照射位置或角频率来进行。即使是相同种类的原子，跃迁能量也会因固体中的位置不同而产生一些差异，因此，能在频率上与其它原子相区别。
该光照射将引起被称为绝热通道的物理过程，|1＞i状态变化到|g＞i状态。即、如果物质类处于|1＞i状态，则将变化到|g＞i状态，但是，如果处于|0＞i状态，则不变化。在进行该变化时，原子在保持|1＞i和|g＞i叠合的状态(被称为“黑态”)的情况下进行变化，不会被激发到|e2＞i。此时，不能利用由光抽运(pumping)所致的总体移动来替代绝热通道，该光抽运是经由向|e2＞i的激发进行的。这是因为：在光抽运的情况下，即使充分地进行，在从|e2＞i向下一能级弛豫时，也确实存在以下可能性：初始状态如果是|1＞i，则原子状态向|0＞i变化，如果是|0＞i，则向|1＞i变化，而不变化到|g＞i。
接着，根据共振器模的空间模，使与共振器模共振的角频率ωc的光入射比原子的|e1＞i的寿命短、而比原子与共振器模的耦合常数g的2倍的倒数1(2×g)长的时间，测定其反射光强度和透射光强度的一方或双方，从其测定值获得原子是否是|g＞i状态的信息。
相对于由构成共振器的反射镜的反射率和共振器长度决定的共振幅(衰减率)，因由反射镜和(如果有)充满共振器内的介质所致的吸收和散射等而引起的损耗的速度小的情况下，如果反射率约为1，透射率约为0，则如图2(b)所示，可知原子处于|g＞i状态，如果反射率约为0，透射率约为1，则如图2(c)所示，可知原子不处于|g＞i状态。
如果观测到不处于|g＞i状态，则可知原子i、即量子位i的状态是|0＞i。即、表示：通过上述的绝热通道未变化到状态|g＞i，而是状态|0＞i。
另外，如果观测到处于|g＞i的状态，则可知量子位i的状态是|1＞i。即、表示：通过绝热通道，状态|1＞i变化到了状态|g＞i。
这样，能够读出第i个量子位的值。即、在该例子中，能够读出第i个量子位是状态|0＞i还是状态|1＞i。
另外，作为与上述不同的绝热通道，可以将与|0＞i-|e2＞i间跃迁共振的脉冲光作为脉冲光2进行上述操作，来代替使|1＞i状态变化到|g＞i的操作，如果处于|g＞i状态，则可知是|0＞i，即使这样也能同样地读出第i个量子位的值。
在该读出后，需要使原子i的状态变化到不和与共振器模共振的跃迁相关的状态，使得不妨碍下一量子位读出。为此，这一次，在时间上重叠地对原子i照射脉冲，使得从脉冲光2的强度强于脉冲光1的状态转移到脉冲光1的强度强于脉冲光2的状态，在原子i通过绝热通道而处于|g＞i状态的情况下，从|g＞i状态变化到|1＞i。即、使表示第i个量子位i的原子状态返回到读出第i个量子位的值之前的状态。这样，也可以应对想再次读出读出过一次的量子位的情况。
另外，通常情况下，不会再次读出读出过一次的量子位，因此不必必须使原子返回到原来的状态。此时，可以使|g＞i状态通过由分别与|g＞i-|e2＞i间跃迁、|0＞i-|e2＞i间跃迁共振的2个光所致的绝热通道变化到|0＞i的状态，也可以采用以下方法：对原子i充分照射与|g＞i-|e2＞i间跃迁、或|g＞i-|e1＞i间跃迁共振的光，在原子i处于|g＞i状态的情况下，通过向|e2＞i或|e1＞i的激发和自然辐射，使其变化到|0＞i或|1＞i之一。
另外，在建立绝热通道时，作为上一能级利用状态|e2＞i而不利用状态|e1＞i是为了避免：在利用了和与共振器模共振的跃迁相关的状态中的较高能态|e1＞i的情况下，随着原子的状态变化，与共振器模的强烈耦合使得共振器模被激发，变成共振器模中存在光子的状态，原子的状态因再次吸收该光子而变化到不想达到的状态。
在对原子i实施了以上的一系列操作后，同样地读出下一第i+1个原子，如果以下同样地依次读出量子位，则根据本实施方式，可以通过检测足够强度的光的大幅的强度变化来分别读出在共振器内存在的多个由单一物质构成的量子位。
接下来，参照图4说明实现以上说明的量子位读出方法的量子位读出装置。
本实施方式的量子位读出装置如图4所示，包括：光源1、光源2、控制器404、光检测器202、203、晶体405、低温恒温器406、超高反射率反射镜407、激光控制部409、量子位判定部410。其中，光源2、光检测器451～454在后述的实施例中使用。光检测器451～454具有高效率的聚光系统，高灵敏度、高效率地检测共振器101产生的微弱的单一光子。光检测器451～454与光检测器202、203相比，灵敏度高，且效率高。
光源1通过分光器421、422、201、反射镜411～414、狭窄化系统402来操作氩离子激光激发环色素激光器401生成的光，并导入到共振器101。光源2通过分光器421～429、反射镜411、415～419、狭窄化系统402、403来操作氩离子激光激发环色素激光器401生成的光，并通过频率设定用声光效应元件431～435、脉冲形成及时序控制用声光效应元件441～445对其进行操作，然后导入到共振器101。分光器421～429将光分成透射光和反射光，或者将透射光和反射光合在一起导入到下一级。反射镜411～419反射光并把光导入到下一级。狭窄化系统402、403使所入射的光狭窄化。狭窄化系统402、403分别将光的谱宽狭窄化为1KHz、100KHz。频率设定用声光效应元件431～435设定所入射的光的频率。脉冲形成及时序控制用声光效应元件441从入射光形成脉冲，或控制输出入射光的时序。控制器404控制频率设定用声光效应元件431～435、脉冲形成及时序控制用声光效应元件441～445，而控制从光源2发出的光。控制器404控制生成用于建立上述绝热通道的脉冲光，或者生成与|g＞i-|e2＞i间跃迁或|g＞i-|e1＞i间跃迁共振的光。
晶体405例如是后述的实施例中所记载的Pr3+:Y2Si05晶体，但是只要是表现出本实施方式的作用效果的物质即可，而不限于晶体。
低温恒温器406用于将其内部保持为保持超低温，在后述的实施例中将内部保持为1.5K。超高反射率反射镜407以极高的反射率反射光。
激光控制部409进行控制，以便生成成为光源1、光源2的源的、与共振器模共振的角频率ωc的光。
量子位判定部410根据由光检测器202、203分别检测出的反射光和透射光，测定反射光强度和透射光强度，利用预先检测出的入射到共振器101的入射光强度，根据反射光强度和透射光强度以及入射光强度来计算反射率和透射率，判定量子位是状态|0＞i还是状态|1＞i。
图2(a)、图2(b)、图2(c)中的ωc的光是光源1产生的。环色素激光器401生成激光，分光器反射该激光，然后该激光被反射镜411反射，再由狭窄化系统将该反射光的谱宽狭窄化为1KHz，并由分光器422反射狭窄化后的光束，进而反射镜412、413、414将该反射光导入到分光器201。
[实施例]
以下说明本发明的实施例。
(实施例1)
对于本实施例的量子位读出装置和方法，作为量子位利用将Y2SiO5的10-5％的Y3+离子置换为Pr3+离子后的Pr3+:Y2SiO5晶体中的Pr3+离子。晶体为10mm×10mm×10mm左右的大小，表面形成有超高反射率的反射镜，为共振器构造。另外，其共振器模被制作成与Pr3+离子的3H4-1D2间跃迁(约494.73×2πTHz)共振，模腰半径约1μm。晶体设置在低温恒温器中，被保持为1.5K。
而且，Pr3+:Y2SiO5晶体中的Pr3+离子的能态如图5所示。3H4具有3个能态(从低能态起依次为|±5/2＞、|±3/2＞、|±1/2＞)，1D2也具有3个能态(从低能态起依次为|±1/2＞、|±3/2＞、|±5/2＞)。以下，设3H4的3个能态|±5/2＞、|±3/2＞、|±1/2＞分别为|0＞、|1＞、|g＞，1D2的3个能态|±1/2＞、|±3/2＞、|±5/2＞分别为e1＞、|e2＞、|e3＞。
光源使用图4的光源2。对于光源2，在图中未示出来自氩离子激光激发的环色素激光器401的激光，但是，由基于反馈系统的狭窄化系统狭窄化为100KHz，使用使绝对频率稳定化了的光，并使该激光分支，然后由声光效应元件433～435使频率偏移，由此准备具有图6所示的下一角频率的3个光，其中，反馈系统由参照用共振器、声光效应元件和电光效应元件构成，。
ω1＝ωc+4.6MHz×2π
ω2＝ωc+(10.2MHz+4.6MHz)×2
ω3＝ωc+(10.2MHz+17.3MHz)×2
在此，ωc是共振器模的频率，是位于晶体中的Pr3+离子的3H4-1D2间跃迁中的不均匀分布的端部的、494.68×2πTHz(约606.035nm)附近的某个决定了的角频率。
另外，对于光源2，在图4中未示出氩离子激光激发的环色素激光器401，但是，狭窄化系统402利用参照用共振器、声光效应元件和电光效应元件构成的反馈系统将光谱狭窄化为1KHz，使绝对频率稳定化，并使激光分支，然后由声光效应元件431、432使频率偏移，由此准备能以谱宽1KHz在角频率ω1、ω2附近扫描角频率的2个光。
首先，为了设定单一离子类，在本实施例中，使用这些带共振器的晶体101和光源2，测定作为量子位来利用的离子的跃迁角频率。其方法和装置类如下。
在晶体101的周围设置多个光检测器451～454，使得能尽可能高效地检测从晶体中的Pr3+离子辐射出的光子。
在该状态下，对于谱宽100KHz的3个光，使ω1、ω2的光分别为脉冲宽2μs、脉冲间隔(周期)4μs的脉冲串，并使相位彼此错开π，同时作为连续光，照射ω3，除了在激光谱宽的精度内具有图6所示的跃迁角频率的离子以外，这3个角频率的光都转移到不相互作用的状态。在这3个光照射之后，立刻照射谱宽100KHz的ω1和ω3的光，并使具有图6所示的跃迁角频率的离子转移到状态|1＞。
接着，以ω2为中心在200KHz的范围内，以5×106Hz/s的扫描速度扫描谱宽1KHZ的角频率ω2附近的光(作为第一扫描)。在第一扫描中，4个光检测器451～454中的任意一个检测出光子的情况下，暂时记录检测时的照射光的角频率ω2(t1)，接着，以ω1为中心，在200KHz的范围内，以5×106Hz/s的扫描速度扫描谱宽1KHZ的ω1附近的光(作为第二扫描)。在第二扫描中，4个光检测器451～454中的任意一个检测出光子的情况下，暂时记录检测时的照射光的角频率ω1(t2)。接下来，再次以ω2为中心在200KHz的范围内，以5×106Hz/s的扫描速度扫描谱宽1KHZ的角频率ω2附近的光(作为第三扫描)。在第三扫描中，4个光检测器451～454中的任意一个检测出光子的情况下，暂时记录检测时的照射光的角频率ω2(t3)。此时，如果ω2(t1)＝ω2(t3)，则作为角频率ω2(1)＝ω2(t1)＝ω2(t3)，ω1(1)＝ω1(t2)，得到某个单一离子的跃迁角频率的值的组ω1(1)、ω2(1)，因此，记录该值。在ω2(t1)与ω2(t3)不相等的情况下，再次进行以下操作：照射ω1、ω2、ω3这3个光，使具有(在激光谱宽的精度内)图6所示的跃迁角频率的离子转移到状态|1＞的操作，以及利用谱宽1KHz的ω1、ω2的光的频率扫描得到某个单一离子的跃迁角频率的值的组的操作。进行这一连串的操作，直到得到第1个离子的跃迁角频率的组ω1(1)、ω2(1)为止。
得到第1个离子的跃迁角频率的组后，再次进行从照射ω1、ω2、ω3这3个光开始的、得到上述一连串的单一离子的跃迁角频率的值的组的操作，得到第2个离子的跃迁角频率的组。像这样，依次测定离子的跃迁角频率的组。其中，在测定新的离子的跃迁角频率的组时的第一扫描中，只在得到与到前一次为止作为离子的跃迁角频率所确定的角频率不同的角频率时进行暂时记录，并转移到第二扫描。
由此，得到针对多个离子的跃迁角频率的组。此时，在第一、第二、第三扫描中的任意一次扫描中不能检测出光子的情况下，从照射3个光的操作起重新进行。将针对这样得到的多个离子的、以1KHz的精度得到的跃迁角频率的组作为(ω1(j)，ω2(j))。其中，j表示求出了跃迁角频率的组的第j个离子。
在本实施例中，为了抑制离子的量子状态操作所需的时间，即、为了以某种程度的短脉冲光(谱宽随脉冲宽度变宽的脉冲光)进行操作，将跃迁角频率彼此离开50KHz以上的2个离子作为量子位使用。在本实施例中，假定角频率为ω1(1)和ω2(1)的第1个离子、以及角频率为ω1(2)和ω2(2)的第2个离子满足该条件，分别作为量子位1、量子位2进行利用。
以下，对本实施例的量子位读出装置和方法进行说明。
如图7所示，面向包含离子的带共振器的晶体405的2个相对的反射镜的一侧，设置分光镜201，该带共振器的晶体405以1KHz的精度调查跃迁角频率的值，通过分光镜201，可以将由上述谱宽狭窄化系统402狭窄化为1KHz的ωc的光，从光源1照射到带共振器的晶体405。另外，设置有测定来自带共振器的晶体405的反射光强度的光检测器202和检测透射光强度的光检测器203。对于上述的角频率ω1、ω2、ω3的光而准备了光源2，对于ω3，该光源2能以谱宽100KHz进行照射，对于ω1、ω2，该光源2能以谱宽100KHz和1KHz进行照射。
首先，通过照射ω1、ω2、ω3这3个光，使在激光的谱宽的范围内具有图6所示的跃迁角频率的离子转移到状态|1＞。
接着，使ω1(2)和ω2(2)的光分别成为脉冲宽2μs、脉冲间隔(周期)4μs的脉冲串，并使相位彼此错开π而照射到晶体405，使量子位2的状态从|1＞变成状态|0＞。设以状态|0＞、状态|1＞这两个状态表示量子位时，量子位1为状态|1＞，量子位2为状态|0＞。由此，量子位1、2的能态的设定完成。以下，说明利用本实施方式的量子位读出装置和方法，读出该量子位1、2的状态。
接着，从光源2照射被整形为半值全宽20μs的高斯型的上述角频率ω1(1)的光和ω2(1)的光，使得ω2(1)的光比ω1(1)的光延迟20μs，并使用绝热通道使量子位1的状态|1＞变化为状态|g＞。
在该状态下，使角频率ωc的光的空间模与带共振器的晶体405的共振器模一致地从光源1入射到带共振器的晶体405，并分别利用光检测器202、203测定反射光和透射光的强度。其中，使入射的光的持续时间为10μs。
当设此时的入射光强度为Iin，所测定的反射光强度为IR(1)，所测定的透射光强度为IT(1)时，IR(1)/Iin≈1，IT(1)/Iin≈0，可以读取出量子位1为|1＞。
接着，从光源2照射被整形为半值全宽20μs的高斯型的上述角频率ω1(1)的光和ω2(1)的光，这一次使得ω1(1)的光比ω2(1)的光延迟20μs，并使用绝热通道使量子位1的状态|g＞变化为状态|1＞，从而返回原来的状态。
接着，从光源2照射被整形为半值全宽20μs的高斯型的上述角频率ω1(2)的光和ω2(2)的光，使得ω2(2)的光比ω1(2)的光延迟20μs，并使用绝热通道使量子位2的状态|1＞变化为状态|g＞。
在该状态下，使角频率ωc的光的空间模与带共振器的晶体405的共振器模一致地从光源1入射到带共振器的晶体405，分别利用光检测器202、203测定反射光和透射光的强度。其中，使入射的光的持续时间为10μs。当设此时的入射光强度为Iin，所测定的反射光强度为IR(2)，所测定的透射光强度为IT(2)时，IR(2)/Iin＜＜IR(1)/Iin，IT(2)/Iin＞＞IT(1)/Iin，可以读取出量子位2为状态|0＞，而不是状态|1＞。
上述一连串的读出操作是在比离子的电子基态的核自旋的状态(|±5/2＞、|±3/2＞、|±1/2＞)间的纵弛豫时间短的时间、例如100ms以内进行的。
本实施例的条件，耦合常数(约750KHz(角频率))、测定时间(10μs)、离子的上一能级的寿命(约200μs)满足式(2)，不管是否是由单一离子构成的量子位，都将随量子位的值产生大幅的反射光和透射光的强度变化，而容易读出。另外，通过在读出量子位之后，使作为量子位的状态的和与共振器模共振的跃迁相关的状态变化到不相关的状态，能准确地读出下一量子位，即读出多个量子位。
(实施例2)
利用与实施例1相同的带共振器的晶体405和装置类。其中，使角频率ωc的光入射到带共振器的晶体405，分别测定反射光和透射光的强度，读出量子位，然后，在使量子位1的状态|g＞变化到其它状态时，从光源2充分照射ω1(1)的光，利用向|e2＞的激发和向|0＞或|1＞的弛豫，使|g＞变化到其它状态，而不是像实施例1那样，利用基于2个波长的光的绝热通道。根据本实施例的方法，也可以准确地读出量子位2。
根据以上所示的实施方式，利用两侧共振器的共振器模与单一物质类(单一原子、单一离子等)的耦合类的反射率和透射率，不管入射光强度是强还是弱，都随物质类的状态而大幅变化等情况，而通过检测足够强度的光的大幅的强度变化，来分别读出在共振器内存在的多个由单一物质类构成的量子位。
另外，本发明并不限于上述实施方式，在实施阶段，在不脱离其要旨的范围内可以对构成要素进行变形而具体化。另外，通过上述实施方式所公开的多个构成要素的适当组合，可以实现各种发明。例如，也可以从实施方式所示的全部构成要素中删除几个构成要素。另外，也可以对不同实施方式中的构成要素进行适当组合。

Claims (8)

1.一种量子位读出装置，其特征在于，具有：
具有共振器模的共振器；
物质，包含于上述共振器的内部，内部包含多个物质类、即物质类1、…物质类n，各物质类至少具有5个能态，在将各物质类i具有的上述5个能态，从具有低能态的状态起依次表示为|0＞i、|1＞i、|g＞i、|e1＞i、|e2＞i时，|g＞i-|e1＞i间跃迁与所有上述物质类中共同的共振器模共振，以|0＞i和|1＞i表现量子位，其中，n是2以上的整数，i是n以下的自然数；
生成单元，生成分别与|g＞i-|e2＞i间跃迁、|1＞i-|e2＞i间跃迁共振的第一脉冲光、第二脉冲光；
第一控制单元，进行控制，以便以从上述第一脉冲光的强度比上述第二脉冲光的强度强的状态转移到上述第二脉冲光的强度比上述第一脉冲光的强度强的状态的方式，使上述第一脉冲光与上述第二脉冲光在时间上重叠而生成第三光；
第一照射单元，对上述物质类i照射上述第三光；
入射单元，生成与上述共振器模耦合的观测光，并从上述共振器的外部向该共振器入射该观测光；
读取单元，测定上述观测光的反射光和上述观测光的透射光中至少任意一者的强度，读取量子位；
第二控制单元，在读取了上述量子位之后，进行控制，以便以从上述第二脉冲光的强度比上述第一脉冲光的强度强的状态转移到上述第一脉冲光的强度比上述第二脉冲光的强度强的状态的方式，使上述第一脉冲光与上述第二脉冲光在时间上重叠而生成第四光；以及
第二照射单元，对上述物质类i照射上述第四光。
2.一种量子位读出装置，其特征在于，具有：
具有共振器模的共振器；
物质，包含于上述共振器的内部，内部包含多个物质类、即物质类1、…物质类n，各物质类至少具有5个能态，在将各物质类i具有的上述5个能态，从具有低能态的状态起依次表示为|0＞i、|1＞i、|g＞i、|e1＞i、|e2＞i时，|g＞i-|e1＞i间跃迁与所有上述物质类中共同的共振器模共振，以|0＞i和|1＞i表现量子位，其中，n是2以上的整数，i是n以下的自然数；
生成单元，生成分别与|g＞i-|e2＞i间跃迁、|1＞i-|e2＞i间跃迁共振的第一脉冲光、第二脉冲光；
第一控制单元，进行控制，以便以从上述第一脉冲光的强度比上述第二脉冲光的强度强的状态转移到上述第二脉冲光的强度比上述第一脉冲光的强度强的状态的方式，使上述第一脉冲光与上述第二脉冲光在时间上重叠而生成第三光；
第一照射单元，对上述物质类i照射上述第三光；
入射单元，生成与上述共振器模耦合的观测光，并从上述共振器的外部向该共振器入射该观测光；
读取单元，测定上述观测光的反射光和上述观测光的透射光中至少任意一者的强度，读取量子位；以及
第二照射单元，在读取了上述量子位之后，对上述物质类i照射与|g＞i-|e1＞i间跃迁和|g＞i-|e2＞i间跃迁中的任意一者共振的光。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的量子位读出装置，其特征在于，上述读取单元，在测定上述观测光的反射光和上述观测光的透射光中至少任意一者的强度时，调整测定时间Tm以使得该测定时间Tm、共振器模与物质类的耦合常数的2倍的倒数Tg＝1/(2×g)、物质类的激发状态|e1＞的寿命Te满足Tg＜Tm＜Te。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的量子位读出装置，其特征在于，还具有将内部保持于一定温度的低温恒温器，
上述共振器和上述物质包含于上述低温恒温器的内部。
5.一种量子位读出方法，其特征在于，
准备具有共振器模的共振器；
准备以下物质，该物质包含于上述共振器的内部，内部包含多个物质类、即物质类1、…物质类n，各物质类至少具有5个能态，在将各物质类i具有的上述5个能态，从具有低能态的状态起依次表示为|0＞i、|1＞i、|g＞i、|e1＞i、|e2＞i时，|g＞i-|e1＞i间跃迁与所有上述物质类中共同的共振器模共振，以|0＞i和|1＞i表现量子位，其中，n是2以上的整数，i是n以下的自然数；
生成分别与|g＞i-|e2＞i间跃迁、|1＞i-|e2＞i间跃迁共振的第一脉冲光、第二脉冲光；
进行控制，以便以从上述第一脉冲光的强度比上述第二脉冲光的强度强的状态转移到上述第二脉冲光的强度比上述第一脉冲光的强度强的状态的方式，使上述第一脉冲光与上述第二脉冲光在时间上重叠而生成第三光；
对上述物质类i照射上述第三光；
生成与上述共振器模耦合的观测光，并从上述共振器的外部向该共振器入射该观测光；
测定上述观测光的反射光和上述观测光的透射光中至少任意一者的强度，读取量子位；
在读取了上述量子位之后，进行控制，以便以从上述第二脉冲光的强度比上述第一脉冲光的强度强的状态转移到上述第一脉冲光的强度比上述第二脉冲光的强度强的状态的方式，使上述第一脉冲光与上述第二脉冲光在时间上重叠而生成第四光；以及
对上述物质类i照射上述第四光。
6.一种量子位读出方法，其特征在于，
准备具有共振器模的共振器；
准备以下物质，该物质包含于上述共振器的内部，内部包含多个物质类、即物质类1、…物质类n，各物质类至少具有5个能态，在将各物质类i具有的上述5个能态，从具有低能态的状态起依次表示为|0＞i、|1＞i、|g＞i、|e1＞i、|e2＞i时，|g＞i-|e1＞i间跃迁与所有上述物质类中共同的共振器模共振，以|0＞i和|1＞i表现量子位，其中，n是2以上的整数，i是n以下的自然数；
生成分别与|g＞i-|e2＞i间跃迁、|1＞i-|e2＞i间跃迁共振的第一脉冲光、第二脉冲光；
进行控制，以便以从上述第一脉冲光的强度比上述第二脉冲光的强度强的状态转移到上述第二脉冲光的强度比上述第一脉冲光的强度强的状态的方式，使上述第一脉冲光与上述第二脉冲光在时间上重叠而生成第三光；
对上述物质类i照射上述第三光；
生成与上述共振器模耦合的观测光，并从上述共振器的外部向该共振器入射该观测光；
测定上述观测光的反射光和上述观测光的透射光中至少任意一者的强度，读取量子位；以及
在读取了上述量子位之后，对上述物质类i照射与|g＞i-|e1＞i间跃迁和|g＞i-|e2＞i间跃迁中的任意一者共振的光。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的量子位读出方法，其特征在于，在测定上述观测光的反射光和上述观测光的透射光中至少任意一者的强度时，调整测定时间Tm使得该测定时间Tm、共振器模与物质类的耦合常数的2倍的倒数Tg＝1/(2×g)、物质类的激发状态|e1＞的寿命Te满足Tg＜Tm＜Te。
8.根据权利要求5或权利要求6所述的量子位读出方法，其特征在于，准备将内部保持于一定温度的低温恒温器；
上述共振器和上述物质包含于上述低温恒温器的内部。
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