JP2007524815A - 光子数決定システム及び方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】 図1
Description
量子システムの開発に成功していること、及びその技術の予想される潜在能力に起因して、ここ数年の間に量子情報処理への関心が劇的に高まっている。詳細には、実用的な量子暗号システムが開発されており、もし大型(多キュービット)の量子コンピュータを構築することができるなら、量子コンピュータは、古典的なコンピュータよりも、はるかに効率的に数多くの処理タスクを実行することができるであろう。たとえば数十又は数百キュービットを有する量子プロセッサがあれば、いかなる古典的な機械でも達成することができない量子シミュレーションを実行することができる。また、そのような量子プロセッサは、量子通信の実用的な距離及び適用性を広げる可能性もある。
本発明の一態様によれば、光子検出器は、測定されるターゲット光子状態のための第1の入力と、プローブ光子状態のための第2の入力とを有する光子ゲートを備えている。光子ゲートはプローブ光子状態の変化を引き起こし、その変化はターゲット光子状態の光子の数に依存する。その後、プローブ状態への影響が測定され、1つ又は複数の光子を含む、ターゲット光子状態の光子の数が判定される。
高効率で、非破壊的な量子光子検出器が、ターゲット状態及びプローブ状態がコヒーレントに相互作用する位相ゲートのような光子ゲートを利用して、ターゲット状態の光子の数を効率的に決定する。その相互作用は、ターゲット状態を破壊することなく、プローブ状態を変更する。その際、光子ゲートがプローブ状態に導入する変化のホモダイン測定又はヘテロダイン測定が、ターゲット状態の光子の存在及び/又は数を指示する。こうして、ターゲット状態の光子を破壊又は吸収する測定を必要とすることなく、ターゲット状態の光子の数を検出することができる。
式2A:H=χa†ac†c
式2B:H=χf(a†,a)・g(c†,c)
式4:|TOUT>|POUT>=exp{iχta†ac†c}|n>a|ξ>c=|n>a|ξeinχt>c
式5:<X>=2ξcos(nχt)
式6:<Y>=2ξsin(nχt)
式7:|POUT>X|POUT>Y=|(1+einχt)ξ/2>X|(1-einχt)ξ/2>Y
式8:|Ψ>=c0|0>a|ξ>bX|0>bY+c1|1>a|(1+eiχt)ξ/2>X|(1-eiχt)ξ/2>Y
Claims (10)
- ターゲット光子状態及びプローブ光子状態を受容可能なゲート(110)であって、前記プローブ光子状態において、前記ターゲット光子状態にある光子の数に依存する変化を引き起こすゲート(110)と、
前記プローブ光子状態の前記変化を測定し、前記ターゲット光子状態が1つ又は複数の光子を含むか否かを検出するように構成されている測定系(120)とからなるデバイス。 - 前記ゲート(110)が複数のエネルギー準位を有する物質系(112)を含み、前記ターゲット光子状態において利用される光子が、前記物質系(112)のエネルギー準位間の第1の遷移に対応するエネルギーを有し、前記プローブ光子状態の光子が前記物質系(112)のエネルギー準位間の第2の遷移に対応するエネルギーを有し、前記物質系が、前記ターゲット光子状態及び前記プローブ光子状態の光子が存在するときに、電磁誘導透過をもたらす請求項1に記載のデバイス。
- 前記測定系(120)が、
前記プローブ光子状態を第1の空間成分及び第2の空間成分に分割するように配置されている第1のビームスプリッタ(321)であって、前記第1の空間成分が前記ゲート(110)に向けられ、前記第2の空間成分が前記ゲート(110)を迂回するように向けられる第1のビームスプリッタ(321)と、
前記第1の空間成分が前記ゲート(110)を出た後に、前記第1の空間成分及び前記第2の空間成分を再結合するように配置されている第2のビームスプリッタ(323)と、
該第2のビームスプリッタ(323)からの光路に沿うフォトダイオード(328)とからなる請求項1又は2に記載のデバイス。 - 前記測定系(120)が、前記プローブ光子状態の前記変化を測定することによって、前記ターゲット光子状態の光子の数を測定する請求項1〜3のいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記変化が前記プローブ光子状態の位相シフトを含む請求項1〜4のいずれか1項に記載のデバイス。
- 前記プローブ光子状態の前記位相シフトが、前記ターゲット光子状態の光子の数のπ倍に等しく、前記デバイスが前記ターゲット光子状態のパリティを測定する請求項5に記載のデバイス。
- 前記ターゲット光子状態が0又は1つの光子を含む機会を有するように、前記ターゲット光子状態を生成する光子源(430)と、
前記測定系が、前記ターゲット光子状態が1つの光子を含むことを検出するのに応答して、前記ターゲット光子状態の前記光子を格納する光子格納系(112、440)とをさらに含む請求項1〜5のいずれか1項に記載のデバイス。 - ターゲット状態の光子の数を検出するための方法であって、
前記ターゲット状態及びプローブ状態を、当該ターゲット状態と当該プローブ状態との間に非線形の相互作用を引き起こすゲート(110)に向け、
前記非線形の相互作用から引き起こされる前記プローブ状態の変化を測定し、
前記プローブ状態の前記変化から、前記ターゲット状態の光子の数を推定することからなる方法。 - 前記プローブ状態の前記変化を測定することが、前記プローブ状態を基準ビームと干渉させることを含む請求項8に記載の方法。
- 前記プローブ状態の前記変化を測定することが、
前記プローブ状態の第1の空間成分が前記ターゲット状態と相互作用するように前記プローブ状態を分割し、
前記プローブ状態の前記第1の空間成分を前記プローブ状態の第2の空間成分と結合し、干渉を生じさせ、
前記干渉を測定して前記プローブ状態の前記変化を検出することを含む請求項8に記載の方法。
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