JP2017167489A - Quantum entanglement generation device, and method for improving quantum entanglement fidelity - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、量子もつれ合い生成装置と、量子もつれ合い忠実度向上方法に関する。 The present invention relates to a quantum entanglement generating device and a method of improving quantum entanglement fidelity.
量子暗号通信や量子計算では、プロトコルの資源として量子もつれ合いを用いる場合が多い。特に、距離的に離れた二つの物質系に量子もつれ合いを生成することで盗聴されない量子通信が実現される。量子もつれ合いの関係にある2つの粒子では相反する状態が重なり合っており、一方の粒子の状態を測定すると、瞬時に空間的に離れた他方の粒子の状態が決まる。 In quantum cryptography communication and quantum computation, quantum entanglement is often used as a protocol resource. In particular, quantum communication that is not wiretapped is realized by generating quantum entanglement in two matter systems that are separated from each other. Two particles in a quantum entanglement relationship overlap each other, and measuring the state of one particle instantly determines the state of the other particle that is spatially separated.
量子もつれ合いを生成する方法は、まず二つの物質系をそれぞれ光子と相互作用させ、次に必要に応じてそれらの光子を伝送し、最後に2光子干渉測定を行うことで結果的に二つの物質系の間の量子もつれ合いを生成する。 The method of generating entanglement involves first interacting two matter systems with photons, then transmitting those photons as needed, and finally performing two-photon interferometry, resulting in two matter systems. Generate entanglement between systems.
もつれ合いの生成に、非対称3準位(ラムダ)系のラマン散乱およびストークス光子のフォック基底を用いる方法が提案されている(たとえば、特許文献1及び非特許文献1参照)。ラムダ系として、非特許文献1では原子集団を使用し、特許文献1では結合量子ドットの集団を使用している。
A method using Raman scattering of an asymmetric three-level (lambda) system and Fock basis of Stokes photons has been proposed for the generation of entanglement (see, for example,
図1は、量子もつれ合いの生成に用いられる公知の装置構成を示す。非対称3準位(ラムダ)系αとβを用意し、ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子をそれぞれ光ファイバ等の光路107と108で伝送する。フィルタ109と111によりポンプ光を遮断して、ストークス光子を同時にビームスプリッタ125に入射する。
FIG. 1 shows a known device configuration used to generate entanglement. Asymmetric three-level (lambda) systems α and β are prepared, and Stokes photons due to Raman scattering when pump light is incident are transmitted through
各ストークス光子はビームスプリッタ125にて50対50の確率で透過または反射される。2つのラムダ系から1以下の確率振幅で入射するストークス光子の確率振幅が干渉して量子干渉が起きる。ビームスプリッタ125の出力(干渉結果)を2つの光子数検出器127、128(図中で「PND1」、「PND2」とも標記)で検出する。量子干渉で生じる状態の観測をBell(ベル)測定という。
Each Stokes photon is transmitted or reflected by the
ビームスプリッタ125の出力から、いずれか一方の光子数検出器127または128で1つだけ光子が検出されたときに、Bell測定が成功したことになる。このとき、2量子ビットの4つの状態のひとつが特定され、量子もつれ合いが生成されたことになる。
The Bell measurement is successful when only one photon is detected by either one of the
一般に、生成された量子もつれ合いの忠実度が高ければ高いほど、量子もつれ合いを用いたプロトコルの配送距離、処理速度、ノイズ耐性、盗聴に対する安全性が向上する。しかし、光子数検出器(PND)の性能は必ずしも一定または完全ではない。どの光子数検出器も限られた量子効率とノンゼロの暗計数率をもっており、光子数検出器によって特性がばらつく。 In general, the higher the fidelity of the generated entanglement, the better the protocol delivery distance, processing speed, noise immunity, and eavesdropping safety using the entanglement. However, the performance of a photon number detector (PND) is not necessarily constant or complete. Each photon number detector has a limited quantum efficiency and a non-zero dark count rate, and its characteristics vary depending on the photon number detector.
従来の方法では、光子数検出器の特性に合わせて忠実度を向上させる最適な条件が考慮されていない。すなわち、使用する光子数検出器の性能にかかわらず、第一段階で2光子状態を一定程度以上排除するために、十分低いポンプ光強度で物質系と光子とのもつれ合い生成を行っている。そのため、光子数検出器の性能が低い場合は可能限界よりも低い忠実度しか得られない。逆に光子数検出器の性能が高い場合は、それに見合ったもつれ合い生成レートを得る機会を失っている。 In the conventional method, the optimum condition for improving the fidelity according to the characteristics of the photon number detector is not considered. That is, regardless of the performance of the photon number detector used, in order to eliminate the two-photon state at a certain level or more in the first stage, the material system and the photon are entangled with a sufficiently low pump light intensity. Therefore, if the performance of the photon number detector is low, only fidelity lower than the possible limit can be obtained. Conversely, when the performance of the photon number detector is high, the opportunity to obtain the entanglement generation rate commensurate with it is lost.
本発明は光子数検出器の特性に合わせて忠実度を最大化する量子もつれ合い生成装置と忠実度向上方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a quantum entanglement generation device and a fidelity improvement method that maximize the fidelity according to the characteristics of the photon number detector.
一つの態様では、量子もつれ合い生成装置は、
ポンプ光の照射によるラマン散乱で光子を出力する第1光源ユニット及び第2光源ユニットと、
前記第1光源ユニットと前記第2光源ユニットから出力される光子をビームスプリッタを通して検出する第1検出器及び第2検出器と、
前記第1検出器と前記第2検出器の少なくとも一方の特性測定のための単一光子源と、
前記単一光子源から前記第1検出器及び/または前記第2検出器までの第1光路と、前記第1光源ユニット及び前記第2光源ユニットから前記ビームスプリッタを通して前記第1検出器及び前記第2検出器に至る第2光路とを切り替える光学系と、
前記第1光路で前記第1検出器と前記第2検出器の少なくとも一方の特性値を特定し、前記第2光路で、前記特性値に応じたポンプ光の強度で前記第1検出器及び前記第2検出器の出力に基づいて量子もつれ合いを生成する制御部と、
を有する。
In one aspect, the quantum entanglement generating device comprises:
A first light source unit and a second light source unit for outputting photons by Raman scattering by irradiation of pump light;
A first detector and a second detector for detecting photons output from the first light source unit and the second light source unit through a beam splitter;
A single photon source for measuring characteristics of at least one of the first detector and the second detector;
A first optical path from the single photon source to the first detector and / or the second detector, the first light source unit and the second light source unit to the first detector and the second light source through the beam splitter; An optical system that switches between a second optical path leading to two detectors;
The characteristic value of at least one of the first detector and the second detector is specified in the first optical path, and the first detector and the intensity of pump light according to the characteristic value are determined in the second optical path. A controller that generates quantum entanglement based on the output of the second detector;
Have
1つの側面として、測定に用いる光子数検出器の特性に応じて、量子もつれ合いの忠実度を最大化することができる。 As one aspect, the entanglement fidelity can be maximized according to the characteristics of the photon number detector used for measurement.
本発明の実施形態を説明する前に、上述した技術課題をもう少し詳しく説明する。 Before describing the embodiment of the present invention, the above-described technical problems will be described in a little more detail.
基底状態|G>αにあるラムダ系αに、励起状態|E>αとのエネルギー差に非共鳴のポンプ光を照射すると、ポンプ光強度の二乗に比例するある確率振幅f1 αで、直ちにポンプ光よりも波長の長いストークス光子が一個発生し、1粒子励起準安定状態|S1>αに遷移する。ポンプ光の強度を調整することで、ポンプ光がラムダ系でラマン散乱される確率振幅f1 αが調整され、ラムダ系とストークス光子のもつれ合い状態が生成される。したがって、散乱後の波動関数は、近似的に式(1)で表される。 When the lambda system α in the ground state | G> α is irradiated with non-resonant pump light with respect to the energy difference from the excited state | E> α, the probability amplitude f 1 α proportional to the square of the pump light intensity is immediately obtained. One Stokes photon having a wavelength longer than that of the pump light is generated, and transitions to a one-particle excited metastable state | S 1 > α. By adjusting the intensity of the pump light, the probability amplitude f 1 α at which the pump light is Raman scattered in the lambda system is adjusted, and an entangled state between the lambda system and the Stokes photons is generated. Accordingly, the wave function after scattering is approximately represented by the equation (1).
同様に、もうひとつのラムダ系βにおける散乱後の波動関数は、近似的に式(2)で表される。 Similarly, the wave function after scattering in another lambda system β is approximately expressed by Expression (2).
ストークス光子を、光路a(たとえば図1の光路107)と光路b(たとえば図1の光路108)でBell測定器に導く。Bell測定器は、ビームスプリッタ125と2つの光子数検出器(PND)127、128を含む。2つのストークス光パルスのタイミングを合わせてビームスプリッタ125に入射して確率的Bell測定を行うことにより、一定の成功確率で、もとの2つのラムダ系の間に式(3)の量子もつれ合いが形成される。
The Stokes photons are guided to the Bell measuring device by the optical path a (for example,
ところが、ラマン散乱後のラムダ系とストークス光子の状態は、ポンプ光強度の4乗に比例する項も含んでいる。従って式(1)は、より正確には式(4)で表される。 However, the state of the lambda system and the Stokes photon after Raman scattering also includes a term proportional to the fourth power of the pump light intensity. Therefore, the expression (1) is more accurately expressed by the expression (4).
ポンプ光強度の4乗に比例する項を反映せずにポンプ光強度を調整してラマン散乱の確率振幅fを調整することは、光子数検出器の特性ばらつきと相まって、量子もつれ合いの忠実度を十分に向上できない要因になり得る。 Adjusting the pump light intensity without reflecting the term proportional to the fourth power of the pump light intensity to adjust the Raman scattering probability amplitude f, combined with the variation in the characteristics of the photon number detector, increases the fidelity of the entanglement. It can be a factor that cannot be improved sufficiently.
そこで、実施形態では、光子数検出器の特性に依らず、生成された量子もつれ合いの忠実度を最大化する構成と手法を提供する。
<装置構成>
図2は、実施形態の量子もつれ合い生成装置1の概略図である。量子もつれ合い生成装置1は、ポンプ光源11、12と、ポンプ光の強度を調整する強度変調器13、14と、光子を発生する物質系15、16と、ビームスプリッタ25と、光子数検出器27、28と、単一光子源31、32と、光子数検出器27、28への光路を切り替える光学系50と、光子数検出器27、28の出力に基づいて光子数検出器27、28の特性分析とポンプ光源の制御を行う制御部30を有する。単一光子源31、32は、光子数検出器27、28の性能測定のために用いられる。
Therefore, the embodiment provides a configuration and method for maximizing the fidelity of the generated quantum entanglement regardless of the characteristics of the photon number detector.
<Device configuration>
FIG. 2 is a schematic diagram of the quantum
ポンプ光源11、12は、たとえばポンプパルスを出射するレーザ光源である。ポンプパルスの強度は、制御部30からの制御信号に基づいて強度変調器13、14によって調整される。具体的には、生成された量子もつれ合いの忠実度が最大となるようにポンプパルスの強度が調整される。強度調整されたポンプパルスで対応する物質系15、16を照射することで、2光子状態を抑制しつつ、高い確率で1つのストークス光子を発生させることができる。光子発生のメカニズムについては後述する。
The pump
ポンプ光源11、強度変調器13、及びラムダ系15で、第1のストークス光源ユニット2を形成する。ポンプ光源12、強度変調器14、及びラムダ系16で、第2のストークス光源ユニット3を形成する。
The
ビームスプリッタ25は、2つの物質系15、16で発生した光子間に量子干渉を起こさせる。光子数検出器27、28は、量子干渉の結果を測定する。ビームスプリッタ25と光子数検出器27及び28で、Bell測定器5を形成する。
The
量子もつれ合い生成装置1はまた、物質系15、16から出力される光子を光学系50に導く光伝送路17、18と、フィルタ19、21を有する。フィルタ19、21は、ポンプ光を遮断して、ラマン散乱により生成された光子だけを通過させる。
The quantum
実施形態の特徴のひとつとして、光学系50において、
(a)光子数検出器27、28の性能測定の段階、
(b)光源強度とラマン散乱の確率振幅(適宜「ラマン振幅」と省略する)fの関係取得の段階、及び
(c)量子もつれ合い生成(本操作)の段階、
の各段階で光路が切り替えられ、量子もつれ合いの忠実度の最大化を実現する。
As one of the features of the embodiment, in the
(A) the stage of measuring the performance of the
(B) the stage of acquiring the relationship between the light source intensity and the probability amplitude of Raman scattering (abbreviated as “Raman amplitude” as appropriate) f; and (c) the stage of quantum entanglement generation (this operation)
At each stage, the optical path is switched to achieve the maximum fidelity of quantum entanglement.
光学系50は、ミラー51a、51b、52a、52b、53a、53b、55及び56を有し、少なくともこれらのミラーの一部は可動ミラーである。上述した各段階(a)、(b)、(c)に応じて、光学系50の可動ミラーが操作され、所定の光路を形成する。可動ミラーは、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーであってもよいし、圧電駆動方式のミラーであってもよい。
The
制御部30は、プロセッサ301とメモリ302を有する。制御部30は、光子数検出器27、28の性能測定の段階(a)では、単一光子源31、32を用いて測定された光子数検出器27、28の出力結果に基づいて、これらの検出器の特性、性能を特定する。
The
特性を表わすパラメータの例として、光子数検出器27と28の量子効率ηと暗計数率νを推定する。暗計数率νは、単位時間内で光子が入射していないにもかかわらず検出された確率である。光子数検出器27、28の量子効率ηと暗計数率νは、単一光子源31、32で直接光子数検出器27、28を照射することで測定できる。光子数検出器27、28の特性を精度良く測定するために、単一光子源31と32はできるだけ精度の高いものを用いるのが望ましい。たとえば均一な量子ドットにパルス幅を狭く絞った超短パルスを照射し、複数光子の同時発生を極力抑えて高純度で単一の光子を生成する単一光子源を用いる。特定された特性パラメータ値は、メモリ302に記録される。
As examples of parameters representing the characteristics, the quantum efficiency η and the dark count rate ν of the
制御部30はまた、特定された量子効率ηと暗計数率νのときに、量子もつれ合いの忠実度を最大にするラマン散乱の確率振幅fを算出する。この処理については後述する。
The
制御部30は、光源強度とラマン振幅fの関係を取得する段階(b)では、ポンプパルスの強度を変化させながら、光子数検出器27、28の出力結果を取得して、ポンプパルスの強度とラマン振幅の対応関係を特定する。この対応関係は、メモリ302に記録される。制御部30は、取得した対応関係に基づいて、量子もつれ合いの忠実度を最大にするラマン散乱の確率振幅fに対応するポンプ光の強度を決定する。
In the step (b) of acquiring the relationship between the light source intensity and the Raman amplitude f, the
制御部30は、本操作の段階(c)では、決定されたポンプ光の強度となるように強度変調器13、14を制御し、ビームスプリッタ25での量子干渉の結果を観測して量子もつれ合いを生成する。光子数検出器27、28のいずれか一方で1個の光子が検出されたときに、量子もつれ合いが形成されたものとしてこの光子を出力する。光子数検出器27と28をそれぞれ光子数検出器cとdとすると、量子ビットで「|0>c,|1>d」または「|1>c,|0>d」の状態となって、式(3)で表される4つのBell状態の中の1つの状態が特定される。
In the step (c) of this operation, the
図3は、光子数検出器27、28によるBell測定と量子もつれ合い生成の原理を説明する図である。たとえば、光子数検出器27のみで1個の光子が検出された場合、量子もつれ合い|Ψ+>α,βが形成される。光子数検出器28のみで1個の光子が検出された場合、量子もつれ合い|Ψ->α,βが形成される。制御部30は、形成された|Ψ+>α,βまたは|Ψ->α,βを出力する。図2の構成で、ポンプパルスの強度がラマン振幅を最適化する強度に調整されているので、制御部30で生成される量子もつれ合いの忠実度が最大化される。
<原理説明>
図4は、強度変調器13または14の出力パルスにより照射される物質系の模式図である。強度調整されたポンプバルスは、対応する物質系15または16に入射する。物質系の種類は特に限定されず、原子核のスピン状態と振動準位を利用する系など、任意の物質系を用いることができる。図2〜図4の例では、3つのエネルギー準位を使う3準位(ラムダ)系を用いる。具体的には、特許文献1のように、隣接するサイズの異なる2つの量子ドットによる結合量子ドットの状態遷移を用いてもよい。
FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of Bell measurement and quantum entanglement generation by the
<Principle explanation>
FIG. 4 is a schematic diagram of a substance system irradiated by the output pulse of the
強度調整されたポンプパルスの波長は、ラムダ系の基底状態|G>αと励起状態|E>αとのエネルギー差よりも小さい非共鳴波長とする。 The wavelength of the pump pulse whose intensity is adjusted is set to a non-resonant wavelength smaller than the energy difference between the ground state | G> α and the excited state | E> α of the lambda system.
ポンプパルスの照射により、基底状態|G>αにあるラムダ系αの物質が、励起状態|E>αに励起され、ある確率振幅(ラマン振幅)f1 αでポンプパルス波長よりも長い波長のストークス光子を1個発生(ラマン散乱)して、1粒子励起準安定状態|S1>αに遷移する。別の確率振幅(ラマン振幅)f2 αで、ストークス光子を2つ発生して2粒子励起準安定状態|S2>αに遷移する。 By the irradiation of the pump pulse, the substance of the lambda system α in the ground state | G> α is excited to the excited state | E> α, and has a certain probability amplitude (Raman amplitude) f 1 α and a wavelength longer than the pump pulse wavelength. One Stokes photon is generated (Raman scattering) and transitions to a one-particle excited metastable state | S1> α. At another probability amplitude (Raman amplitude) f 2 α , two Stokes photons are generated and a transition is made to the two-particle excited metastable state | S2> α.
ラマン散乱後の光路aでのストークス光子の状態は、ストークス光子が出力されていない|0>a、ストークス光子が1個出力される|1>a、ストークス光子が2個出力される|2>aを含む。ラマン散乱後のラムダ系αとストークス光子の状態(波動関数Ψ)は、式(5)で記述される。 The state of the Stokes photon in the optical path a after Raman scattering is that no Stokes photon is output | 0> a, one Stokes photon is output | 1> a, and two Stokes photons are output | 2>. Includes a. The state (wave function Ψ) of the lambda system α and the Stokes photon after Raman scattering is described by Expression (5).
|Ψ>α,a=|G>α|0>a + f1 α|S1>α|1>a +f2 α|S2>α|2>a (5)
右辺の第3項は、ポンプパルスの強度の4乗に比例する項であり、2光子励起に起因する項である。2ストークス光子状態があると、光子数検出器27、28での判定に誤りが含まれやすい。したがって、できるだけ第3項の影響を小さくしたい。
| Ψ> α, a = | G> α | 0> a + f 1 α | S1> α | 1> a + f 2 α | S2> α | 2> a (5)
The third term on the right side is a term proportional to the fourth power of the intensity of the pump pulse, and is a term resulting from two-photon excitation. If there is a two-Stokes photon state, the determination by the
しかし、f2 αを小さくするために強度変調器13(または14)でポンプ光の強度を下げると、1光子励起の確率振幅f1 αも小さくなり、量子効率が悪くなる。f1 αとf2 αはトレードオフの関係にあるため、量子もつれ合いの生成にとって最適なレベルにポンプ光強度を制御したい。 However, if the intensity of the pump light is lowered by the intensity modulator 13 (or 14) in order to reduce f 2 α , the probability amplitude f 1 α of one-photon excitation is also reduced, and the quantum efficiency is deteriorated. Since f 1 α and f 2 α are in a trade-off relationship, it is desired to control the pump light intensity to an optimal level for the generation of quantum entanglement.
発明者は、ポンプ光強度の最適条件は、光子数検出器27、28の性能に依存することを見出し、この知見に基づいてポンプ光強度を調整して量子もつれ合いの忠実度を最大化する。すなわち、光子数検出器27、28の特性または性能を評価して最適動作点を決定する。一方で、ポンプパルスの強度を変えながら発生するストークス光子の統計を評価して強度とラマン散乱の確率振幅との対応関係を取得するとともに、光子数検出器27、28の特性に応じて忠実度を最大にする最適な確率振幅を算出する。算出された確率振幅になるように強度が調整されたポンプパルスで物質系を照射して量子もつれ合いを生成することで、忠実度を最大化する。
The inventor finds that the optimum condition of the pump light intensity depends on the performance of the
図5のグラフ(a)は、確率振幅(ラマン振幅)fと量子もつれ合いの忠実度Fの関係を、暗計数率νをパラメータとしてプロットした図、グラフ(b)は、確率振幅fと忠実度Fの関係を量子効率ηをパラメータとしてプロットした図である。グラフ(a)では量子効率ηを0.9に固定して、暗計数率νを変化させている。グラフ(b)では暗計数率νを10-3に固定して、量子効率ηを変化させている。量子効率ηも暗計数率νも、光子数検出器27、28の性能または特性によって異なる。
The graph (a) in FIG. 5 is a diagram in which the relationship between the probability amplitude (Raman amplitude) f and the fidelity F of the entanglement is plotted with the dark count rate ν as a parameter, and the graph (b) is the probability amplitude f and the fidelity. It is the figure which plotted the relationship of F by using quantum efficiency (eta) as a parameter. In graph (a), the quantum efficiency η is fixed at 0.9, and the dark count rate ν is changed. In the graph (b), the dark count rate ν is fixed to 10 −3 and the quantum efficiency η is changed. Both the quantum efficiency η and the dark count rate ν depend on the performance or characteristics of the
グラフの極大点すなわち最大の忠実度Fを与える確率振幅fをfmax(η,ν)とする。光子数検出器27、28の性能を測定して量子効率ηと暗計数率νがわかれば、その値でのfmax(η,ν)を求めることができる。
The probability amplitude f giving the maximum point of the graph, that is, the maximum fidelity F is defined as fmax (η, ν). If the quantum efficiency η and the dark count rate ν are known by measuring the performance of the
次に、fmax(η,ν)の算出について説明する。fmax(η,ν)は、次式で算出される。 Next, calculation of fmax (η, ν) will be described. fmax (η, ν) is calculated by the following equation.
より詳細に説明すると、ラマン散乱後のラムダ系αとβの状態は次式で表される。 More specifically, the states of lambda systems α and β after Raman scattering are expressed by the following equations.
図5のグラフ(a)から明らかなように、忠実度は暗計数率νに対して敏感である。量子効率ηを1とすると(η=1)、忠実度は As is apparent from the graph (a) in FIG. 5, the fidelity is sensitive to the dark count rate ν. If the quantum efficiency η is 1 (η = 1), the fidelity is
また、理想状態であるν=0が得られるとしたら、忠実度Fは If the ideal state ν = 0 is obtained, the fidelity F is
図5のグラフ(a)で、量子効率η=0.9とすると、暗計数率νを10-3から10-1に増大させた場合(光子数検出器の性能が劣化した場合)、ラマン散乱の確率振幅fを0.1から0.6に向上しなければならない。逆に、暗計数率νが非常に小さい場合は、忠実度を最大にするために、ラマン散乱の確率振幅fを0.1近傍に維持するのが望ましい。 In the graph (a) of FIG. 5, assuming that the quantum efficiency η = 0.9, when the dark count rate ν is increased from 10 −3 to 10 −1 (when the performance of the photon number detector is deteriorated), Raman The probability amplitude f of scattering must be improved from 0.1 to 0.6. On the other hand, when the dark count rate ν is very small, it is desirable to maintain the Raman scattering probability amplitude f near 0.1 in order to maximize the fidelity.
このように、光子数検出器の特性に応じてもつれ合い生成率が大きく影響されることが実証される。
<量子もつれ合い忠実度の最大化>
図6は、量子もつれ合い忠実度の最大化のフローチャートである。まず、量子もつれ合い生成(Bell測定)に使用する光子数検出器27、28の特性を特定する(S11)。実施形態では、光子数検出器の特性として量子効率ηと暗計数率νを測定するが、応答速度やジッタ等のその他のパラメータを測定してもよい。上述のように、光子数検出器27、28の特性測定に、高性能の単一光子源31、32を用いる。
Thus, it is demonstrated that the entanglement generation rate is greatly influenced according to the characteristics of the photon number detector.
<Maximization of entanglement fidelity>
FIG. 6 is a flowchart of maximizing entanglement fidelity. First, the characteristics of the
図7は、図6のステップS11を実施する際の量子もつれ合い生成装置1の光学系50の状態を示す。ストークス光源ユニット2及び3はOFF状態であり、ミラー53aと53bが光路から外される。単一光子源31から出力される光子は、ミラー51aで反射されて、直接光子数検出器27に入射する。単一光子源32から出力される光子は、ミラー51bで反射されて、直接光子数検出器28に入射する。ストークス光源ユニット2及び3がOFFなので、その他のミラー52a、52b、55、56は単一光子の測定に影響しない。ビームスプリッタ25も測定に影響しない。
FIG. 7 shows the state of the
制御部30は、光子数検出器27、28でのカウント値に基づいて量子効率ηと暗計数率νを特定し、特定結果をメモリ302に記録する。
The
図6に戻って、ポンプ光源11、12の強度とラマン散乱の確率振幅fの関係を事前に測定する(S12)。この場合、単一光子源31、32をOFFにして、ポンプ光源11、12からの出力光を、ビームスプリッタ25を通さずに、直接光子数検出器27、28で検出する。
Returning to FIG. 6, the relationship between the intensity of the pump
図8は、図6のステップS12の実施する際の量子もつれ合い生成装置1の光学系50の状態を示す。単一光子源31、32の出力をOFFにし、光路から外されていたミラー53aと53bを初期位置に戻す。
FIG. 8 shows the state of the
強度変調器13、14を制御してポンプ光源11、12から出力されたポンプパルスの強度を少しずつ変えながら、発生するストークス光子の数を光子数検出器27、28でカウントする。制御部30は、カウント値に基づいて、ラマン散乱により1個のストークス光子及び/または2個のストークス光子が光路に出力された確率振幅fを計算し、ポンプ光源の強度レベルと対応付けてメモリ302に記録する。なお、ステップS11とステップS12の順番は逆であってもよい。
The number of generated Stokes photons is counted by the
図6に戻って、理論式(A)、(B)を用いて、特定された量子効率η及び暗計数率νで忠実度Fを最大にするラマン散乱の確率振幅fmaxを算出する(S13)。このプロセスで、制御部30のプロセッサ301が、メモリ302から理論式(A)、(B)と、測定された量子効率η及び暗計数率νを読み出して、fmaxを算出する。
Returning to FIG. 6, using the theoretical formulas (A) and (B), the Raman scattering probability amplitude fmax that maximizes the fidelity F with the specified quantum efficiency η and dark count rate ν is calculated (S13). . In this process, the
次に、制御部30は、メモリに記録されたポンプ光強度とラマン散乱の確率振幅の関係を参照して、最大の確率振幅fmaxが得られるポンプ光の強度を特定し、強度変調器13,14を制御して、ラムダ系15、16への入射ポンプ光の強度を調整する(S14)。
Next, the
最後に、強度が最適化されたポンプ光でラムダ系15、16を照射してBell測定を行い量子もつれ合いを生成する(S15)。
Finally, the
図9は、図6のS15(本操作)のときの量子もつれ合い生成装置1の光学系50の状態を示す。ミラー51a、51b、52a、52bを光路から外す。単一光子源31、32はOFFにされ、ミラー53a、53bは光路に影響しないので挿入しておいてもよいが、除外してもよい。これにより、使用する光子数検出器27、28の特性に応じて最適化されたポンプ光強度でラムダ系15、16を照射して、量子もつれ合いの忠実度を最大にする。
FIG. 9 shows the state of the
図10は、操作段階に応じた光学系50の光学素子の配置状態を示す図である。図10(a)では、光子数検出器27、28の特性測定時(S11)に、ミラー51a、51bだけを挿入して、あとは除外する。ビームスプリッタ25は、単一光子源31、32の光路に影響しないので、図10(b)に示すように、挿入しておいてもよい。あるいは、図7に示すように、ストークス光源ユニット2及び3をOFFにすることで、ミラー52a、52b、53a、53bを挿入しておいてもよい。
FIG. 10 is a diagram illustrating an arrangement state of the optical elements of the
図10(a)で、ポンプ光強度とラマン振幅の関係を測定するときは(S12)、ミラー51a、51b、52a、52b、53a、53bを除外してもよい。この場合は、光子数検出器27、28の入射面を光伝送路17、18の出射光路に向ける。あるいは図10(b)に示すように、すべての光学素子を挿入しておいてもよい。これは、図8の構成と一致する。
In FIG. 10A, when measuring the relationship between the pump light intensity and the Raman amplitude (S12), the
本操作時は、図10(a)、図10(b)で、ビームスプリッタ25だけを挿入して、ミラー51a、51b、52a、52b、53a、53bを除外する。もっとも、単一光子源31、32をOFFにすることで、図9のように、ミラー53a、53bを挿入しておいてもよい。
In this operation, only the
図11は、ミラーの回動を示す図である。図11(a)のように、使用時にはミラーMをZ方向に立て、不使用のときはX−Y面内に倒す構成としてもよい。または、図11(b)のように、X−Y面内で回動する構成とし、使用時に光路内に挿入してもよい。 FIG. 11 is a diagram illustrating the rotation of the mirror. As shown in FIG. 11A, the mirror M may be raised in the Z direction when in use, and tilted in the XY plane when not in use. Alternatively, as shown in FIG. 11B, it may be configured to rotate in the XY plane and inserted into the optical path when used.
このような構成を有する量子もつれ合い生成装置1を用いることで、実際に使用される光子数検出器27、28の特性に応じて、量子もつれ合いの忠実度を理論上可能な最大の値に設定することができる。その結果、得られた量子もつれ合いを利用した量子情報処理や量子暗号通信装置の処理速度、処理効率、セキュリティ上の安全性を最適化できる。ひいては装置資源が効率化され、初期コストやランニングコストの低減にもつながる。
By using the quantum
光子数検出器の特性は、使っている間にも徐々に劣化あるいは変化していく。量子もつれ合い生成装置1で随時動作点の最適化の手順を行うことによって、常に装置の性能を最適に維持することができる。
The characteristics of the photon number detector gradually deteriorate or change during use. By performing the procedure for optimizing the operating point at any time in the quantum
実施形態では、ストークスラマン散乱により照射光の波長よりも長い波長のストークス光子を発生させていたが、反ストークスラマン散乱により、照射光の波長よりも短い波長を有するアンチストークス光子を発生させる反ストークス光源ユニットを用いてもよい。この場合は物質系の初期状態が準安定状態であり、アンチストークス光子の放出により基底状態に遷移する。この構成によっても、光子数検出器の性能に応じて最適化された強度のポンプパルスで照射するので、忠実度を最大にする確率振幅fmaxで、1つのアンチストークス光子が出力される。 In the embodiment, the Stokes Raman scattering generates a Stokes photon having a wavelength longer than the wavelength of the irradiation light. However, the anti-Stokes Raman scattering generates an anti-Stokes photon having a wavelength shorter than the wavelength of the irradiation light. A light source unit may be used. In this case, the initial state of the material system is a metastable state, and transitions to the ground state by the emission of anti-Stokes photons. Also with this configuration, since irradiation is performed with a pump pulse having an intensity optimized in accordance with the performance of the photon number detector, one anti-Stokes photon is output with a probability amplitude fmax that maximizes fidelity.
実施形態では、式(5)に基づいて、1ストークス光子発生と2ストークス光子発生の両方を用いてストークス光子の統計を評価したが、1ストークス光子発生の確率振幅と、2ストークス光子発生の確率振幅のいずれか一方を用いてポンプ光強度との対応関係を取得してもよい。この場合も、対応関係から忠実度を最大にするfmaxを与えるポンプ光強度を決定することができる。 In the embodiment, the Stokes photon statistics are evaluated using both the 1-Stokes photon generation and the 2-Stokes photon generation based on the expression (5). However, the probability amplitude of the 1-Stokes photon generation and the probability of the 2-Stokes photon generation are described. The correspondence with the pump light intensity may be acquired using either one of the amplitudes. Also in this case, it is possible to determine the pump light intensity that gives fmax that maximizes the fidelity from the correspondence.
また、光子数検出器27、28のいずれか一方の量子効率ηと暗計数率νを用いてfmaxを求めてもよいし、2つの検出器の特性値の平均を用いてもよい。あるいは、1つの単一光子源31または32を用いて、光子数検出器27、28のいずれか一方または両方の特性値を取得してもよい。この場合も、特定された特性値と用いて、忠実度を最大にするfmaxを算出することができる。
Further, fmax may be obtained using the quantum efficiency η and the dark count rate ν of any one of the
以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
(付記1)
ポンプ光の照射によるラマン散乱で光子を出力する第1光源ユニット及び第2光源ユニットと、
前記第1光源ユニットと前記第2光源ユニットから出力される光子をビームスプリッタを通して検出する第1検出器及び第2検出器と、
前記第1検出器と前記第2検出器の少なくとも一方の特性測定のための単一光子源と、
前記単一光子源から前記第1検出器及び/または前記第2検出器までの第1光路と、前記第1光源ユニット及び前記第2光源ユニットから前記ビームスプリッタを通して前記第1検出器及び前記第2検出器に至る第2光路とを切り替える光学系と、
前記第1光路で前記第1検出器と前記第2検出器の少なくとも一方の特性値を特定し、前記第2光路で、前記特性値に応じたポンプ光の強度で前記第1検出器及び前記第2検出器の出力に基づいて量子もつれ合いを生成する制御部と、
を有することを特徴とする量子もつれ合い生成装置。
(付記2)
前記制御部は、前記第1光路で、前記単一光子源により照射される前記第1検出器と前記第2検出器の少なくとも一方の出力に基づいて、前記第1検出器と前記第2検出器の量子効率(η)と暗計数率(ν)を特定することを特徴とする付記1に記載の量子もつれ合い生成装置。
(付記3)
前記光学系は、前記第1光源ユニット及び前記第2光源ユニットから、前記ビームスプリッタを通さないで前記第1検出器及び前記第2検出器に至る第3光路に切り替え可能であり、
前記制御部は、前記第3光路で、前記第1光源ユニット及び前記第2光源ユニットのポンプ光の強度とラマン散乱の確率振幅との対応関係を取得することを特徴とする付記1または2に記載の量子もつれ合い生成装置。
(付記4)
前記制御部は、前記ポンプ光の強度を変えながら、前記第1検出器及び前記第2検出器で検出される光子の統計を評価することで、前記対応関係を取得することを特徴とする付記3に記載の量子もつれ合い生成装置。
(付記5)
前記制御部は、1光子発生の確率振幅と2光子発生の確率振幅の少なくとも一方と、前記ポンプ光の強度との対応関係を取得することを特徴とする付記4に記載の量子もつれ合い生成装置。
(付記6)
前記制御部は、前記特性値を用いて、生成された量子もつれ合いの忠実度を最大にする最適な確率振幅を算出し、前記対応関係から前記最適な確率振幅を与える最適強度を特定し、前記ポンプ光の強度を前記最適強度になるように調整することを特徴とする付記3に記載の量子もつれ合い生成装置。
(付記7)
前記制御部は、前記量子もつれ合いの忠実度を表わす理論式
(付記8)
前記第1光源ユニットは、第1ポンプ光源と、前記第1ポンプ光源の強度を調整する第1強度変調器と、強度変調された前記ポンプ光の入射により光子を出力する3準位の第1物質系を有し、
前記第2光源ユニットは、第2ポンプ光源と、前記第2ポンプ光源の強度を調整する第2強度変調器と、強度変調された前記ポンプ光の入射により光子を出力する3準位の第2物質系を有し、
前記制御部は、前記第1強度変調器と前記第2強度変調器を制御して、前記ポンプ光の強度を調整することを特徴とする付記6に記載の量子もつれ合い生成装置。
(付記9)
ラマン散乱で生成される光子の量子干渉を測定することにより量子もつれ合いを生成する量子もつれ合い生成装置において、単一光子源を用いて前記光子を検出する検出器の特性値を特定し、
前記量子もつれ合い生成装置のポンプ光強度とラマン散乱の確率振幅との対応関係をあらかじめ取得し、
前記特性値を用いて、量子もつれ合いの忠実度を最大にする最適な確率振幅を算出し、
前記対応関係に基づいて、前記最適な確率振幅を与えるポンプ光強度に調整し、
前記調整されたポンプ光強度で前記量子もつれ合いを生成する、
ことを特徴とする量子もつれ合い忠実度向上方法。
(付記10)
前記検出器の特性の特定と、前記対応関係の取得と、前記量子もつれ合いの生成で、前記検出器に至る光路を切り替えることを特徴とする付記9に記載の量子もつれ合い忠実度向上方法。
The following notes are presented for the above explanation.
(Appendix 1)
A first light source unit and a second light source unit for outputting photons by Raman scattering by irradiation of pump light;
A first detector and a second detector for detecting photons output from the first light source unit and the second light source unit through a beam splitter;
A single photon source for measuring characteristics of at least one of the first detector and the second detector;
A first optical path from the single photon source to the first detector and / or the second detector, the first light source unit and the second light source unit to the first detector and the second light source through the beam splitter; An optical system that switches between a second optical path leading to two detectors;
The characteristic value of at least one of the first detector and the second detector is specified in the first optical path, and the first detector and the intensity of pump light according to the characteristic value are determined in the second optical path. A controller that generates quantum entanglement based on the output of the second detector;
A quantum entanglement generating device characterized by comprising:
(Appendix 2)
The control unit includes the first detector and the second detection based on an output of at least one of the first detector and the second detector irradiated by the single photon source in the first optical path. The quantum entanglement generating device according to
(Appendix 3)
The optical system is switchable to a third optical path from the first light source unit and the second light source unit to the first detector and the second detector without passing through the beam splitter,
The
(Appendix 4)
The control unit acquires the correspondence relationship by evaluating statistics of photons detected by the first detector and the second detector while changing the intensity of the pump light. 3. The quantum entanglement generating device according to 3.
(Appendix 5)
The quantum entanglement generating device according to appendix 4, wherein the control unit acquires a correspondence relationship between at least one of the probability amplitude of one-photon generation and the probability amplitude of two-photon generation and the intensity of the pump light.
(Appendix 6)
The control unit calculates an optimal probability amplitude that maximizes the fidelity of the generated quantum entanglement using the characteristic value, specifies an optimal intensity that gives the optimal probability amplitude from the correspondence relationship, and 4. The quantum entanglement generating device according to
(Appendix 7)
The control unit is a theoretical formula representing fidelity of the entanglement.
(Appendix 8)
The first light source unit includes a first pump light source, a first intensity modulator that adjusts the intensity of the first pump light source, and a three-level first that outputs photons upon incidence of the intensity-modulated pump light. Have a material system,
The second light source unit includes a second pump light source, a second intensity modulator that adjusts the intensity of the second pump light source, and a second three-level output that outputs a photon upon incidence of the intensity-modulated pump light. Have a material system,
The quantum entanglement generating apparatus according to appendix 6, wherein the control unit controls the first intensity modulator and the second intensity modulator to adjust the intensity of the pump light.
(Appendix 9)
In a quantum entanglement generator that generates quantum entanglement by measuring quantum interference of photons generated by Raman scattering, a characteristic value of a detector that detects the photon using a single photon source is specified,
Obtaining in advance the correspondence between the pump light intensity of the quantum entanglement generator and the probability amplitude of Raman scattering,
Using the characteristic value, the optimal probability amplitude that maximizes the fidelity of the entanglement is calculated,
Based on the correspondence, adjust the pump light intensity to give the optimal probability amplitude,
Generating the quantum entanglement with the adjusted pump light intensity;
Quantum entanglement fidelity improvement method characterized by this.
(Appendix 10)
The quantum entanglement fidelity improvement method according to appendix 9, wherein the optical path to the detector is switched by specifying the characteristics of the detector, acquiring the correspondence, and generating the quantum entanglement.
1 量子もつれ合い生成装置
2、3ストークス光源ユニット
5 Bell測定器(量子干渉測定器)
11、12 ポンプ光源
13、14 強度変調器
15、16 物質系(3準位系)
17、18 光伝送路
19、21 フィルタ
25 ビームスプリッタ
27、28 光子数検出器(検出器)
30 制御部
31、32 単一光子源
50 光学系
51a、51b、52a、52b、53a、53b、55、56 ミラー
301 プロセッサ
302 メモリ
1
11, 12 Pump
17, 18
30
Claims (6)
前記第1光源ユニットと前記第2光源ユニットから出力される光子をビームスプリッタを通して検出する第1検出器及び第2検出器と、
前記第1検出器と前記第2検出器の少なくとも一方の特性測定のための単一光子源と、
前記単一光子源から前記第1検出器及び/または前記第2検出器までの第1光路と、前記第1光源ユニット及び前記第2光源ユニットから前記ビームスプリッタを通して前記第1検出器及び前記第2検出器に至る第2光路とを切り替える光学系と、
前記第1光路で前記第1検出器と前記第2検出器の少なくとも一方の特性値を特定し、前記第2光路で、前記特性値に応じたポンプ光の強度で前記第1検出器及び前記第2検出器の出力に基づいて量子もつれ合いを生成する制御部と、
を有することを特徴とする量子もつれ合い生成装置。 A first light source unit and a second light source unit for outputting photons by Raman scattering by irradiation of pump light;
A first detector and a second detector for detecting photons output from the first light source unit and the second light source unit through a beam splitter;
A single photon source for measuring characteristics of at least one of the first detector and the second detector;
A first optical path from the single photon source to the first detector and / or the second detector, the first light source unit and the second light source unit to the first detector and the second light source through the beam splitter; An optical system that switches between a second optical path leading to two detectors;
The characteristic value of at least one of the first detector and the second detector is specified in the first optical path, and the first detector and the intensity of pump light according to the characteristic value are determined in the second optical path. A controller that generates quantum entanglement based on the output of the second detector;
A quantum entanglement generating device characterized by comprising:
前記制御部は、前記第3光路で、前記第1光源ユニット及び前記第2光源ユニットのポンプ光の強度とラマン散乱の確率振幅との対応関係を取得することを特徴とする請求項1または2に記載の量子もつれ合い生成装置。 The optical system is switchable to a third optical path from the first light source unit and the second light source unit to the first detector and the second detector without passing through the beam splitter,
The said control part acquires the correspondence of the intensity | strength of the pump light of a said 1st light source unit and a said 2nd light source unit, and the probability amplitude of a Raman scattering by a said 3rd optical path, The said 1 or 2 characterized by the above-mentioned. Quantum entanglement generator described in 1.
前記量子もつれ合い生成装置のポンプ光強度とラマン散乱の確率振幅との対応関係をあらかじめ取得し、
前記特性値を用いて、量子もつれ合いの忠実度を最大にする最適な確率振幅を算出し、
前記対応関係に基づいて、前記最適な確率振幅を与えるポンプ光強度に調整し、
前記調整されたポンプ光強度で前記量子もつれ合いを生成する、
ことを特徴とする量子もつれ合い忠実度向上方法。 In a quantum entanglement generator that generates quantum entanglement by measuring quantum interference of photons generated by Raman scattering, a characteristic value of a detector that detects the photon using a single photon source is specified,
Obtaining in advance the correspondence between the pump light intensity of the quantum entanglement generator and the probability amplitude of Raman scattering,
Using the characteristic value, the optimal probability amplitude that maximizes the fidelity of the entanglement is calculated,
Based on the correspondence, adjust the pump light intensity to give the optimal probability amplitude,
Generating the quantum entanglement with the adjusted pump light intensity;
Quantum entanglement fidelity improvement method characterized by this.
6. The method of improving quantum entanglement fidelity according to claim 5, wherein the optical path to the detector is switched by specifying the characteristics of the detector, acquiring the correspondence relationship, and generating the quantum entanglement.
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