JP2018132729A

JP2018132729A - Quantum memory device

Info

Publication number: JP2018132729A
Application number: JP2017028017A
Authority: JP
Inventors: 哲哉向井; Tetsuya Mukai; 謙介稲葉; Kensuke Inaba
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-02-17
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2018-08-23
Anticipated expiration: 2037-02-17
Also published as: JP6630302B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a quantum memory capable of solving such a secret safety problem that in a Ramsay interferometer type quantum memory based on conventional technology, pulse phase information of a writing π/2 pulse from leakage light is read out by a wiretapper, the wiretapper reproduces the phase information by a commercially available laser and data in a quantum memory are stolen.SOLUTION: A quantum memory device, after irradiating a target with a writing π/2 pulse, irradiates the target with an encoded π/2 pulse having random relation with a phase of the writing π/2 pulse. By irradiation of the encoded π/2 pulse, a state of applying a random phase to a stored quantum phase is created. When reading information, a decoded π/2 pulse having the same phase as the encoded π/2 pulse is irradiated to neutralize the applied random phase. A quantum phase initialized at the irradiation of the writing π/2 pulse is recovered by the irradiation of the decoded π/2 pulse and the information is read out.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、量子情報処理に利用される量子メモリに関する。より詳細には、量子メモリに記憶した情報の秘匿安全性を向上させる技術に関する。 The present invention relates to a quantum memory used for quantum information processing. More specifically, the present invention relates to a technique for improving the security of information stored in a quantum memory.

情報処理技術は目覚しい進歩を続けてきたが、その性能は原理的な限界に近づいているとも言われる。このような中、量子力学の原理に基づいた新しい情報処理方法によって、従来の古典的な情報処理技術に基づく性能限界を越えた超大容量の通信や超高性能のコンピュータの実現が期待されている。量子力学に基づく情報処理では、「０」か「１」かの決定的な状態ではなく、「０」でもあり「１」でもある「重ね合わせ」と呼ばれる確率的な状態を利用して、従来型のコンピュータよりも桁違いな高速演算や原理的に安全な暗号通信が実現できると言われている。上述の新しい情報処理技術の実現にあたっては、量子力学に特有の性質を利用した量子デバイスの開発が鍵を握っている。 Information processing technology has continued to make remarkable progress, but its performance is said to be approaching its fundamental limits. Under such circumstances, the realization of ultra-high-capacity communication and ultra-high-performance computers that exceed the performance limits based on conventional classical information processing technology is expected by new information processing methods based on the principles of quantum mechanics. . In information processing based on quantum mechanics, a probabilistic state called “superposition”, which is both “0” and “1”, is used instead of a definitive state of “0” or “1”. It is said that it can realize orders of magnitude higher-speed computation and in principle secure cryptographic communication than conventional computers. In realizing the new information processing technology described above, the development of quantum devices using properties unique to quantum mechanics is key.

量子デバイスの内の最も基本的で重要なものの１つに量子メモリがある。量子メモリは、長時間安定的に上述の確率的な量子状態を保持することが求められ、その量子状態を操作するための量子ゲートとともに、精力的な研究が行われている。量子メモリには、これまで様々なタイプのものが開発されており、例えば、光子（Ｐｈｏｔｏｎ）状態を記憶するものがある（非特許文献１〜３）。また、原子、超伝導量子回路、半導体量子ドットなどはいずれも、一般に量子ビットと考えられ、量子状態を記憶することが可能であって、量子メモリとして利用することができる。 One of the most basic and important of quantum devices is quantum memory. A quantum memory is required to hold the above-mentioned stochastic quantum state stably for a long time, and intensive research is being conducted together with a quantum gate for manipulating the quantum state. Various types of quantum memories have been developed so far, for example, there are those that store a photon state (Non-Patent Documents 1 to 3). In addition, atoms, superconducting quantum circuits, semiconductor quantum dots, and the like are generally considered to be qubits, can store quantum states, and can be used as quantum memories.

より具体的には、２つの安定な量子状態間を、共鳴する電磁波で結合することにより、量子状態の記憶（記録）・再生を行う量子メモリの研究が行われている（非特許文献４、非特許文献５）。上述のように、量子メモリが古典メモリと異なる最大の特徴は、量子重ね合わせ状態を記憶することにある。このような量子メモリの研究はまだ発展途上の段階ではあるが、従来の情報処理技術の場合と同様に、記憶された情報の秘匿安全性の向上は重要な研究課題の１つである。 More specifically, research on quantum memories that perform storage (recording) / reproduction of quantum states by coupling two stable quantum states with a resonating electromagnetic wave has been conducted (Non-Patent Document 4, Non-patent document 5). As described above, the biggest feature of the quantum memory that differs from the classical memory is that the quantum superposition state is stored. Although research on such a quantum memory is still in the developing stage, as in the case of conventional information processing technology, improvement of the security of stored information is one of the important research subjects.

Nicolas Gisin, et al.： Quantum storage of photonic entanglement in a crystal. Nature 469, 508-511 (2011年)Nicolas Gisin, et al .: Quantum storage of photonic entanglement in a crystal. Nature 469, 508-511 (2011) M. D. Lukin, et al.： Room-Temperature Quantum Bit Memory Exceeding One Second.Science 336, 1283-1286 (2012年)M. D. Lukin, et al .: Room-Temperature Quantum Bit Memory Exceeding One Second. Science 336, 1283-1286 (2012) Wolfgang Tittel, et al.： Broadband waveguide quantum memory for entangled photons. Nature 469, 512-515 (2011年)Wolfgang Tittel, et al .: Broadband waveguide quantum memory for entangled photons. Nature 469, 512-515 (2011) Alexander I. Lvovsky, Barry C. Sanders, and Wolfgang Tittel,： Optical quantum memory", Nature Photonics, DOI： 10.1038/NPHOTON.2009.231 (2009年)Alexander I. Lvovsky, Barry C. Sanders, and Wolfgang Tittel ,: Optical quantum memory ", Nature Photonics, DOI: 10.1038 / NPHOTON.2009.231 (2009) Simon Bernon, Helge Hattermann, et al.： Manipulation and coherence of ultra-cold atoms on a superconducting atom chip", Nature communications 4, DOI： 10.1038/ncomms3380 (2013年)Simon Bernon, Helge Hattermann, et al .: Manipulation and coherence of ultra-cold atoms on a superconducting atom chip ", Nature communications 4, DOI: 10.1038 / ncomms3380 (2013) 向井、今井：「永久電流アトムチップによるボース・アインシュタイン凝縮」, 2014年, NTT技術ジャーナル2014.6, p29-32Mukai, Imai: “Bose-Einstein condensation with persistent current atom chip”, 2014, NTT Technical Journal 2014.6, p29-32

量子メモリの構成には様々な方法が考えられるが、有望なものとして、発明者らはラムゼイ干渉計を基本動作原理とする量子メモリに着目した。ラムゼイ干渉計は、原子や分子等の２つの内部状態およびこれに共鳴する電磁場を用いて、安定で正確な振動を観測することを基本動作原理としている。ラムゼイ干渉計は、高精度の時計や、原子干渉計による重力、加速度などの物理量の高精度計測、量子状態の観測などの量子情報への応用などに既に利用されている。 Although various methods are conceivable for the configuration of the quantum memory, as promising, the inventors have focused on a quantum memory using a Ramsey interferometer as a basic operation principle. The Ramsey interferometer has a basic operation principle of observing stable and accurate vibrations using two internal states such as atoms and molecules and an electromagnetic field that resonates with them. Ramsey interferometers are already used for applications such as high-precision clocks, high-precision measurements of physical quantities such as gravity and acceleration using atomic interferometers, and quantum information such as observation of quantum states.

例えば非特許文献５にも開示されているように、ラムゼイ干渉計においては、第１のπ／２パルス（書き込み用π／２パルス）の照射から第２のπ／２パルス（読み出し用π／２パルス）の照射までに時間発展する量子位相に応じて、共鳴する２つの量子状態の占有率が変化することを利用して、情報を記憶する。２つの量子状態の「重ね合わせ」の状態を保持することによって量子メモリとして動作できると考えられている。より具体的には、ラムゼイ干渉計による量子メモリにおいては、まず２準位原子を基底状態に置く。その後、第１のπ／２パルスの照射によって原子の量子位相を初期化し、量子メモリを重ね合わせの量子状態に設定する。第１のπ／２パルスから所定のタイミングで第２のπ／２パルスを照射することによって、保存した量子状態を読み出すことが可能であり、量子状態の保存および量子ゲート操作を行うことができる。 For example, as disclosed in Non-Patent Document 5, in the Ramsey interferometer, the second π / 2 pulse (reading π / 2) from the irradiation of the first π / 2 pulse (writing π / 2 pulse) is used. Information is stored by utilizing the fact that the occupancy of two quantum states that resonate changes according to the quantum phase that evolves in time until the irradiation of two pulses. It is considered that a quantum memory can be operated by maintaining a “superposition” state of two quantum states. More specifically, in a quantum memory using a Ramsey interferometer, first, a two-level atom is placed in the ground state. Thereafter, the quantum phase of the atom is initialized by irradiation with the first π / 2 pulse, and the quantum memory is set to the superposed quantum state. By irradiating the second π / 2 pulse at a predetermined timing from the first π / 2 pulse, the stored quantum state can be read, and the quantum state can be stored and the quantum gate operation can be performed. .

ここでπ／２パルスとは、基底状態と励起状態と間のエネルギー差に共鳴する特定の強度（電場振幅）と持続時間を持った電磁波束であって、１／２の確率でいずれかの状態に量子状態を変化させることができる大きさ（パルス面積＝パルスの持続時間×パルスの電場振幅）を持ったものを意味する。すなわちπ／２パルスを加えることによって、１／２の確率で、基底状態から励起状態へ、または、励起状態から基底状態へと量子状態を変化させることができる。 Here, the π / 2 pulse is an electromagnetic wave bundle having a specific intensity (electric field amplitude) and duration that resonates with the energy difference between the ground state and the excited state, and has a probability of ½. This means that the quantum state can be changed to a state (pulse area = pulse duration × pulse electric field amplitude). That is, by applying a π / 2 pulse, the quantum state can be changed from the ground state to the excited state or from the excited state to the ground state with a probability of 1/2.

上述のようなラムゼイ干渉計型の量子メモリに記憶される量子位相は、書き込み用π／２パルスの照射時に初期化された量子位相で時間発展する。すなわち、書き込み用π／２パルスによって設定された量子位相を初期位相として、その初期位相を起点として時間とともに量子位相が変化してゆく。後述するように、読み出し用π／２パルスを所定のタイミングで照射すれば、量子メモリに保存した量子状態を再生することができる。 The quantum phase stored in the Ramsey interferometer type quantum memory as described above evolves in time with the quantum phase initialized at the time of irradiation with the writing π / 2 pulse. That is, with the quantum phase set by the writing π / 2 pulse as an initial phase, the quantum phase changes with time starting from the initial phase. As will be described later, the quantum state stored in the quantum memory can be reproduced by irradiating the readout π / 2 pulse at a predetermined timing.

しかしながら、従来技術の量子メモリでは、書き込み用π／２パルスの漏れ光からのパルスの位相情報を盗聴者によって読み取られる恐れがあった。一旦この位相情報が知られると、盗聴者は市販のレーザでこの位相情報を再現し、これを用いて量子メモリ内のデータが盗まれる可能性があった。したがって、従来技術のラムゼイ干渉計型の量子メモリにおいては、秘匿安全性が十分に高いとは言えなかった。このような量子メモリの脆弱性は、量子情報システムのセキュリティ上の問題であった。 However, in the conventional quantum memory, there is a fear that the phase information of the pulse from the leakage light of the writing π / 2 pulse may be read by an eavesdropper. Once this phase information is known, an eavesdropper can reproduce this phase information with a commercially available laser and use it to steal data in the quantum memory. Therefore, the conventional Ramsey interferometer type quantum memory cannot be said to be sufficiently secure. Such a vulnerability of the quantum memory has been a security problem of the quantum information system.

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、秘匿性を向上させた量子メモリ、量子メモリ装置、量子メモリ装置で情報を記憶しまたは読み出す方法を提供するところにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a quantum memory with improved confidentiality, a quantum memory device, and a method for storing or reading information in the quantum memory device. There is a place to do.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、第１の量子状態および第２の量子状態を含む２つの量子状態を保持する記憶媒体と、前記２つの量子状態に共鳴して、前記２つの量子状態を結合させる１種類以上の第１の電磁波による第１のπ／２パルスを前記記憶媒体に照射して、情報の書き込みまたは読み出しを行う手段と、前記書き込みまたは読み出しを行う手段の前記第１の電磁波とは異なる１種類以上の第２の電磁波による、前記第１の電磁波とは異なる位相を持つ第２のπ／２パルスを前記記憶媒体に照射して、前記情報の書き込みまたは読み出しを行う手段によって書き込まれた前記情報の暗号化または復号化を行う手段とを備えたことを特徴とする量子メモリ装置である。 In order to achieve such an object, the present invention provides a storage medium that holds two quantum states including a first quantum state and a second quantum state, and the two Means for irradiating the storage medium with a first π / 2 pulse by one or more kinds of first electromagnetic waves that resonate with a quantum state and combine the two quantum states, and writing or reading information; Irradiating the storage medium with a second π / 2 pulse having a phase different from that of the first electromagnetic wave by one or more types of second electromagnetic waves different from the first electromagnetic wave of the writing or reading means. And a means for performing encryption or decryption of the information written by the means for writing or reading the information.

請求項２の発明は、請求項１の量子メモリ装置において、前記第１のπ／２パルスは、書き込み用π／２パルスおよび読み出し用π／２パルスを含み、前記第２のπ／２パルスは、暗号化π／２パルスおよび復号化π／２パルスを含み、前記２つの量子状態間の周波数換算のエネルギー差と、前記第２の電磁波のエネルギーの総和との差分を離調δ（２π×周波数）とするとき、前記復号化π／２パルスの照射開始のタイミングは、前記暗号化π／２パルスの照射終了から(２ｎ＋１) π／δ後(ｎは０以上の整数)であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the quantum memory device according to the first aspect, the first π / 2 pulse includes a write π / 2 pulse and a read π / 2 pulse, and the second π / 2 pulse. Includes an encrypted π / 2 pulse and a decrypted π / 2 pulse, and the difference between the energy difference in terms of frequency between the two quantum states and the total energy of the second electromagnetic wave is detuned δ (2π X frequency), the start timing of the irradiation of the decrypted π / 2 pulse is (2n + 1) π / δ after the end of the irradiation of the encrypted π / 2 pulse (n is an integer of 0 or more). It is characterized by.

請求項３の発明は、請求項１または２の量子メモリ装置において、前記書き込み用π／２パルスおよび前記読み出し用π／２パルスは、電磁波の位相において同位相の関係にあり、前記暗号化π／２パルスおよび前記復号化π／２パルスも、電磁波の位相において同位相の関係にあり、前記書き込み用π／２パルスおよび前記読み出し用π／２パルスの前記位相と、前記暗号化π／２パルスおよび前記復号化π／２パルスの前記位相との間には相関がないことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the quantum memory device according to the first or second aspect, the writing π / 2 pulse and the reading π / 2 pulse are in the same phase in the phase of electromagnetic waves, and the encryption π The / 2 pulse and the decrypted π / 2 pulse are also in the same phase in the phase of the electromagnetic wave, and the phase of the writing π / 2 pulse and the reading π / 2 pulse and the encrypted π / 2 There is no correlation between the pulse and the phase of the decoded π / 2 pulse.

請求項４の発明は、請求項１乃至３いずれかの量子メモリ装置において、前記記憶媒体は、極低温で捕捉された原子集団であって、前記原子集団を近傍に捕捉するアトムチップをさらに備え、前記第１の電磁波および前記第２の電磁波は、それぞれ、前記原子集団の原子の基底状態および励起状態に共鳴して前記基底状態および前記励起状態を結合させる電磁波であり、前記アトムチップの表面近傍において、磁気ポテンシャルが極小値となる磁束密度の空間分布が形成されており、前記基底状態および前記励起状態のエネルギー変化の差がほぼゼロに設定されていることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the quantum memory device according to any one of the first to third aspects, the storage medium further includes an atom chip that is captured at an extremely low temperature and captures the atomic group in the vicinity. The first electromagnetic wave and the second electromagnetic wave are electromagnetic waves that resonate with the ground state and the excited state of the atoms of the atomic group, respectively, and couple the ground state and the excited state, and the surface of the atom chip. In the vicinity, a spatial distribution of magnetic flux density at which the magnetic potential becomes a minimum value is formed, and the difference in energy change between the ground state and the excited state is set to be substantially zero.

請求項５の発明は、請求項４の量子メモリ装置において、前記原子集団の元素は、ルビジウム原子の同位体⁸⁷Ｒｂであり、前記第１の電磁波は、誘導ラマン遷移により前記基底状態および前記励起状態を結合可能なＤ₁線の２波であり、前記第２の電磁波は、マイクロ波（ｆｍ＝６．８ＧＨｚ）およびラジオ波（ｆｒ＝１．３ＭＨｚ）の組み合わせであり、前記アトムチップの近傍における磁場トラップの磁気ポテンシャル極小点での磁束密度の値として概ねＢ_min＝０．３２ｍＴを用いることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the quantum memory device according to the fourth aspect, the element of the atomic group is an isotope ⁸⁷ Rb of a rubidium atom, and the first electromagnetic wave is generated by the induced Raman transition and the ground state and the excitation. Two waves of the D ₁ line that can combine states, and the second electromagnetic wave is a combination of a microwave (fm = 6.8 GHz) and a radio wave (fr = 1.3 MHz), in the vicinity of the atom chip characterized by using a generally B _min = 0.32mT as the value of the magnetic flux density in magnetic potential minimum point of the magnetic field traps in.

請求項６の発明は、第１の量子状態および第２の量子状態を含む２つの量子状態を保持する記憶媒体を含む量子メモリ装置で、情報を記憶しまたは読み出す方法において、前記２つの量子状態に共鳴して、前記２つの量子状態を結合させる１種類以上の第１の電磁波による第１のπ／２パルスを前記記憶媒体に照射して、情報の書き込みを行うステップと、前記書き込みまたは読み出しを行うときの前記第１の電磁波とは異なる１種類以上の第２の電磁波による、前記第１の電磁波とは異なる位相を持つ第２のπ／２パルスを前記記憶媒体に照射して、前記情報の書き込みを行うステップによって書き込まれた前記情報の暗号化を行うステップと、前記第２のπ／２パルスを前記記憶媒体に照射して、前記暗号化を行うステップによって暗号化された前記暗号化された情報の復号化を行うステップと、前記第１のπ／２パルスを前記記憶媒体に照射して、前記情報の読み出しを行うステップとを備えることを特徴とする方法である。 The invention of claim 6 is a quantum memory device including a storage medium that holds two quantum states including a first quantum state and a second quantum state, and in the method for storing or reading information, the two quantum states Irradiating the storage medium with a first π / 2 pulse by one or more types of first electromagnetic waves that resonate with each other to couple the two quantum states, and writing or reading the information Irradiating the storage medium with a second π / 2 pulse having a phase different from that of the first electromagnetic wave due to one or more types of second electromagnetic waves different from the first electromagnetic wave when Encrypting the information written by the step of writing information, and encrypting the information by irradiating the storage medium with the second π / 2 pulse and performing the encryption A step of decrypting the encrypted information, and a step of irradiating the storage medium with the first π / 2 pulse to read the information. is there.

請求項７の発明は、請求項６の方法において、前記第１のπ／２パルスは、書き込み用π／２パルスおよび読み出し用π／２パルスを含み、前記第２のπ／２パルスは、暗号化π／２パルスおよび復号化π／２パルスを含み、前記２つの量子状態間の周波数換算のエネルギー差と、前記第２の電磁波のエネルギーの総和との差分を離調δ（２π×周波数）とするとき、前記復号化π／２パルスの照射開始のタイミングは、前記暗号化π／２パルスの照射終了から(２ｎ＋１) π／δ後 (ｎは０以上の整数)であることを特徴とする。 The invention of claim 7 is the method of claim 6, wherein the first π / 2 pulse includes a write π / 2 pulse and a read π / 2 pulse, and the second π / 2 pulse is The difference between the energy difference in terms of frequency between the two quantum states and the sum of the energy of the second electromagnetic wave including the encrypted π / 2 pulse and the decrypted π / 2 pulse is detuned δ (2π × frequency ), The timing of the start of irradiation of the decrypted π / 2 pulse is (2n + 1) π / δ after the end of irradiation of the encrypted π / 2 pulse (n is an integer of 0 or more). And

請求項８の発明は、請求項６または７の方法において、前記書き込み用π／２パルスおよび前記読み出し用π／２パルスは、電磁波の位相において同位相の関係にあり、前記暗号化π／２パルスおよび前記復号化π／２パルスも、電磁波の位相において同位相の関係にあり、前記書き込み用π／２パルスおよび前記読み出し用π／２パルスの前記位相と、前記暗号化π／２パルスおよび前記復号化π／２パルスの前記位相との間には相関がないことを特徴とする。 The invention of claim 8 is the method of claim 6 or 7, wherein the writing π / 2 pulse and the reading π / 2 pulse are in the same phase in the phase of the electromagnetic wave, and the encryption π / 2 The pulse and the decrypted π / 2 pulse are also in the same phase in the phase of the electromagnetic wave, the phase of the writing π / 2 pulse and the reading π / 2 pulse, the encrypted π / 2 pulse, and There is no correlation with the phase of the decoded π / 2 pulse.

上記方法において好ましくは、前記記憶媒体は、極低温で捕捉された原子集団であって、前記原子集団を近傍に捕捉するアトムチップをさらに備え、前記第１の電磁波および前記第２の電磁波は、それぞれ、前記原子集団の原子の基底状態および励起状態に共鳴して前記基底状態および前記励起状態を結合させる電磁波であり、前記アトムチップの表面近傍において、磁気ポテンシャルが極小値となる磁束密度の空間分布が形成されており、前記基底状態および前記励起状態のエネルギー変化の差がほぼゼロに設定されていることができる。 Preferably, in the above method, the storage medium is an atomic group captured at an extremely low temperature, and further includes an atom chip that captures the atomic group in the vicinity, wherein the first electromagnetic wave and the second electromagnetic wave are: Respectively electromagnetic waves that combine the ground state and the excited state in resonance with the ground state and excited state of the atoms of the atomic group, and a magnetic flux density space in which the magnetic potential becomes a minimum value near the surface of the atom tip. A distribution is formed, and a difference in energy change between the ground state and the excited state may be set to be substantially zero.

さらに好ましくは、前記原子集団の元素は、ルビジウム原子の同位体⁸⁷Ｒｂであり、前記第１の電磁波は、誘導ラマン遷移により前記基底状態および前記励起状態を結合可能なＤ₁線の２波であり、前記第２の電磁波は、マイクロ波（ｆｍ＝６．８ＧＨｚ）およびラジオ波（ｆｒ＝１．３ＭＨｚ）の組み合わせであり、前記アトムチップの近傍における磁場トラップの磁気ポテンシャル極小点での磁束密度の値として概ねＢ_min＝０．３２ｍＴを用いることができる。 More preferably, the element of the atomic group is an isotope ⁸⁷ Rb of a rubidium atom, and the first electromagnetic wave is two waves of the D ₁ line that can couple the ground state and the excited state by induced Raman transition. The second electromagnetic wave is a combination of a microwave (fm = 6.8 GHz) and a radio wave (fr = 1.3 MHz), and the magnetic flux density at the magnetic potential minimum point of the magnetic field trap in the vicinity of the atom tip. generally B _min = 0.32mT as values can be used.

本発明により暗号化された量子メモリ装置では、量子メモリを読み出そうとする攻撃に対する秘匿安全性が大幅に向上される。 In the quantum memory device encrypted according to the present invention, the security of security against attacks that attempt to read the quantum memory is greatly improved.

図１は、マイクロ波およびラジオ波を用いて結合可能なルビジウム原子の同位体⁸⁷Ｒｂの２つの量子状態および２状態間の遷移を説明する図である。FIG. 1 is a diagram for explaining two quantum states and a transition between the two states of the isotope ⁸⁷ Rb of rubidium atoms that can be combined using microwaves and radio waves. 図２は、Ｄ₁線の２波長を用いて誘導ラマン遷移により結合可能なルビジウム原子の同位体⁸⁷Ｒｂの２つの量子状態および２状態間の遷移を説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the two quantum states and the transition between the two states of the isotope ⁸⁷ Rb of the rubidium atom that can be coupled by stimulated Raman transition using the two wavelengths of the D ₁ line. 図３は、本発明の量子メモリ装置の構成を示す概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing the configuration of the quantum memory device of the present invention. 図４は、本発明の量子メモリにおいて状態の占有率を計測するための⁸⁷Ｒｂ原子の５²Ｓ_1/2−５²Ｐ_3/2間の状態遷移を説明する図である。FIG. 4 is a diagram for explaining state transition between 5 ² S _1/2 -5 ² P _3/2 of ⁸⁷ Rb atoms for measuring the state occupancy in the quantum memory of the present invention. 図５は、本発明の量子メモリ装置において、暗号化後に復号化せずに読み出しパルスを照射する手順を説明する図である。FIG. 5 is a diagram for explaining a procedure for irradiating a read pulse without decrypting after encryption in the quantum memory device of the present invention. 図６は、本発明の量子メモリ装置において復号化しない場合の状態占有率を示した図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a state occupancy rate when decoding is not performed in the quantum memory device of the present invention. 図７は、本発明の量子メモリ装置において、暗号化後に復号化して読み出しパルスを照射する手順を説明する図である。FIG. 7 is a diagram for explaining the procedure for irradiating a read pulse after decryption in the quantum memory device of the present invention. 図８は、本発明の量子メモリ装置において復号化した場合の状態占有率を示した図である。FIG. 8 is a diagram showing a state occupancy rate when decoding is performed in the quantum memory device of the present invention.

本発明による量子メモリ装置は、書き込み用π／２パルスの照射後に、書き込み用π／２パルスの位相とはランダムな関係の位相を持つ暗号化π／２パルスを照射する。暗号化π／２パルスの照射によって、量子メモリに記憶された量子位相にランダムな位相を加えた状態を作り出す。ランダム化された量子位相を記憶することにより、従来技術の量子メモリと比べて秘匿安全性を大幅に向上させることができる。 The quantum memory device according to the present invention irradiates an encrypted π / 2 pulse having a phase that is randomly related to the phase of the writing π / 2 pulse after the writing π / 2 pulse. Irradiation with encrypted π / 2 pulses creates a state in which a random phase is added to the quantum phase stored in the quantum memory. By storing the randomized quantum phase, it is possible to significantly improve the security of confidentiality as compared with the quantum memory of the prior art.

情報の読み出しをするとき、暗号化π／２パルスと同じ位相を持つ復号化π／２パルスを照射することによって、暗号化π／２パルスが加えたランダムな位相を中和する。復号化π／２パルスの照射によって、書き込み用π／２パルスの照射時に初期化された量子位相を回復し、情報の読み出しを可能とする。 When information is read, the random phase added by the encrypted π / 2 pulse is neutralized by irradiating the decrypted π / 2 pulse having the same phase as the encrypted π / 2 pulse. By irradiation with the decoded π / 2 pulse, the quantum phase initialized at the time of irradiation with the writing π / 2 pulse is recovered, and information can be read out.

本発明により暗号化された量子メモリ装置は、暗号化π／２パルスの持つランダムな位相と同位相のπ／２パルスによって復号化しなければ、読み出し用π／２パルスを所定のタイミングで照射しても全くランダムな位相によって時間発展する情報しか取り出すことができない。このため、従来技術と比べて量子メモリを直接読み出そうとする攻撃に対する秘匿安全性を格段に向上させることができる。また本発明は、量子メモリ装置だけでなく、２つの量子状態を保持する記憶媒体を含む量子メモリ装置で情報を記憶しまたは読み出す方法としても実施できる。 The quantum memory device encrypted according to the present invention irradiates the read π / 2 pulse at a predetermined timing unless it is decrypted by the π / 2 pulse having the same phase as the random phase of the encrypted π / 2 pulse. However, only information that evolves in time with a completely random phase can be extracted. For this reason, it is possible to remarkably improve the secrecy security against an attack that attempts to read the quantum memory directly as compared with the prior art. The present invention can also be implemented as a method of storing or reading information not only in a quantum memory device but also in a quantum memory device including a storage medium that holds two quantum states.

以下、本発明の具体的な実施形態の一例として、量子メモリの記憶媒体に冷却原子集団を用いる場合を説明する。冷却原子集団を情報の記憶媒体として用いる場合は、後述するように媒体およびその媒体を保持する機構の他に、レーザ光源や電磁波の発生手段なども必要となる。したがって本発明は、記憶媒体としての量子メモリを含む量子メモリ装置として実施することができる。しかしながら、量子メモリは冷却原子集団を媒体として利用する以外の実現方法が可能であって、媒体と関連する構成要素をより一体化した形態の場合、後述する光源や電磁波発生器の一部を必要としない場合、光源や電磁波発生器とは異なる他の構成要素を含む場合などもあり得ることに留意されたい。 Hereinafter, as an example of a specific embodiment of the present invention, a case where a cooling atom group is used as a storage medium of a quantum memory will be described. When a cooling atom group is used as an information storage medium, a laser light source and electromagnetic wave generation means are required in addition to a medium and a mechanism for holding the medium as described later. Therefore, the present invention can be implemented as a quantum memory device including a quantum memory as a storage medium. However, the quantum memory can be realized in a way other than using the cooling atom group as a medium, and in the case where the components related to the medium are more integrated, a part of the light source and electromagnetic wave generator described later are required. If not, it should be noted that other components different from the light source and the electromagnetic wave generator may be included.

[実施形態]
本発明の量子メモリ装置では、固体素子に比べて周囲環境からのノイズの影響を受けにくい冷却した原子集合体（以下、冷却原子集団とする）を用いる。冷却原子集団の原子種としては、長時間の記憶保持を考慮して、空間的に安定に捕捉可能なルビジウム原子の同位体⁸⁷Ｒｂを考える。 [Embodiment]
In the quantum memory device of the present invention, a cooled atomic assembly (hereinafter referred to as a cooled atomic group) that is less susceptible to noise from the surrounding environment than a solid state element is used. As an atomic species of the cooling atom group, an isotope ⁸⁷ Rb of a rubidium atom that can be stably trapped in consideration of long-term memory retention is considered.

図１は、マイクロ波およびラジオ波を用いて結合可能なルビジウム原子の同位体⁸⁷Ｒｂの２つの量子状態および２状態間の遷移を説明する図である。⁸⁷Ｒｂ原子の基底状態は、スピン状態が５²Ｓ_1/2で核スピン３／２を持つため、図１に示したように、Ｆ＝１およびＦ＝２の２つの超微細構造に分裂する。 FIG. 1 is a diagram for explaining two quantum states and a transition between the two states of the isotope ⁸⁷ Rb of rubidium atoms that can be combined using microwaves and radio waves. ^Since the ground state of the ⁸⁷ Rb atom has a spin state of 5 ² S _1/2 and a nuclear spin of 3/2, it splits into two hyperfine structures with F = 1 and F = 2, as shown in FIG. To do.

さらに、磁場によるエネルギーシフト(ゼーマンシフト)を考慮すると、図１に示したように、磁場を印加することで縮退が解け、磁気量子数の違いによって、エネルギーレベルは分裂する。すなわち、Ｆ＝１の状態は磁気量子数ｍ_Fの異なる３つのスピン状態（ｍ_F＝−１、０、１）に分裂し、Ｆ＝２の状態は磁気量子数ｍ_Fの異なる５つのスピン状態（ｍ_F＝−２、−１、０、１、２）に分裂する。 Further, considering the energy shift (Zeeman shift) due to the magnetic field, as shown in FIG. 1, the degeneracy is solved by applying the magnetic field, and the energy level is divided by the difference in the magnetic quantum number. That, F = 1 state is split into three spin states of different magnetic quantum number _{_{m F (m F = -1,0,1)}} , F = 2 state five spins of different magnetic quantum numbers m _F Split into states (m _F = −2, −1, 0, 1, 2).

これらのスピン状態の内、太線で表示した｜Ｆ＝１，ｍ_F＝−１＞および｜Ｆ＝２，ｍ_F＝１＞の２つのスピン状態にある原子が、本発明の量子メモリ装置における媒体として利用される。これら２つのスピン状態は共に磁場の極小点に捕捉可能であり、かつ、磁束密度の値がＢ_min＝０．３２ｍＴの近傍においては、ゼーマンシフトが２次のオーダーまで同じ磁場依存性を示す特徴を持つ（非特許文献５を参照）。 Among these spin states, atoms in two spin states of | F = 1, m _F = −1> and | F = 2, m _F = 1> indicated by bold lines in the quantum memory device of the present invention. Used as a medium. Both of these two spin states can be captured at the minimum point of the magnetic field, and in the vicinity of the magnetic flux density value B _min = 0.32 mT, the Zeeman shift exhibits the same magnetic field dependency up to the second order. (See Non-Patent Document 5).

以下では簡単のため、これら２つのスピン状態を｜１＞＝｜Ｆ＝１，ｍ_F＝−１＞および｜２＞＝｜Ｆ＝２，ｍ_F＝１＞で表すことにする。｜１＞状態が基底状態に対応し、｜２＞状態が励起状態に対応する。図１において、縦軸方向は原子のエネルギーレベルを表している。Ｅ＝ｈν（ｈ：プランク定数、ν：周波数）の関係から、縦軸は周波数によって表すこともできる。 In the following, for the sake of simplicity, these two spin states will be represented by | 1> = | F = 1, m _F = −1> and | 2> = | F = 2, m _F = 1>. The | 1> state corresponds to the ground state, and the | 2> state corresponds to the excited state. In FIG. 1, the vertical axis represents the energy level of atoms. From the relationship of E = hν (h: Planck's constant, ν: frequency), the vertical axis can also be expressed by frequency.

｜１＞状態および｜２＞状態は、２つのスピン状態間で磁気量子数ｍ_Fの差がΔｍ_F＝２であるため、２光子共鳴により結合が可能である。したがって図１に示したように、マイクロ波（ＭＷ：ｆ_m＝６．８ＧＨｚ）およびラジオ（無線）波（ＲＦ：ｆ_r＝１．３ＭＨｚ）を用いて、２つのスピン状態を誘導ラマン遷移により結合させることができる。図１において、｜１＞状態の近傍（上方）の点線のレベルは、基底状態から、後述するδだけ離れたエネルギーを示している。｜２＞状態の近傍（下方）の点線のレベルは、ラジオ波の周波数から想定される仮想準位を表している。｜１＞状態および｜２＞状態は、レーザ光によっても誘導ラマン遷移により結合させることができる。尚、以下では特定のマイクロ波（ｆ_m＝６．８ＧＨｚ）およびラジオ波（ｆ_r＝１．３ＭＨｚ）の組み合わせの例を用いて本発明の構成および動作を説明してゆくが、電磁波はこれだけに限定されない。すなわち図１から理解できる通り、磁場の極小点にトラップされる２つの量子準位の磁気量子数ｍ_Fの差が２なので、二光子共鳴により｜１＞状態および｜２＞状態を結合できる条件を満たす電磁波パルスであれば他の電磁波を利用することもできる。 The | 1> state and the | 2> state can be coupled by two-photon resonance because the difference of the magnetic quantum number m _F between the two spin states is Δm _F = 2. Thus, as shown in FIG. 1, a microwave (MW: f _m = 6.8 GHz) and radio (wireless) wave: using (RF f _r = 1.3 MHz), by stimulated Raman transition two spin states Can be combined. In FIG. 1, the dotted line level in the vicinity (upper) of the | 1> state indicates energy that is separated from the ground state by δ described later. The level of the dotted line in the vicinity (lower) of the | 2> state represents a virtual level assumed from the frequency of the radio wave. The | 1> state and the | 2> state can be coupled by a stimulated Raman transition even by a laser beam. In the following, the configuration and operation of the present invention will be described using an example of a combination of a specific microwave (f _m = 6.8 GHz) and a radio wave (f _r = 1.3 MHz). It is not limited to. That is, as can be understood from FIG. 1, since the difference between the magnetic quantum numbers m _F of the two quantum levels trapped at the minimum point of the magnetic field is 2, the condition that the | 1> state and the | 2> state can be coupled by two-photon resonance. Other electromagnetic waves can be used as long as the electromagnetic pulse satisfies the above.

図２は、Ｄ₁線の２波長を用いて誘導ラマン遷移により結合可能なルビジウム原子の同位体⁸⁷Ｒｂの２つの量子状態および２状態間の遷移を説明する図である。図２に示したようにＤ₁線の２波長（７９５ｎｍ）を１組として用いて、｜１＞状態および｜２＞状態の２つのスピン状態を誘導ラマン遷移により結合させることができる。図２中で、矢印３１は、誘導ラマン遷移を起こす仮想準位とＦ´＝１、ｍＦ´＝０準位とのエネルギー差を示している。 FIG. 2 is a diagram for explaining the two quantum states and the transition between the two states of the isotope ⁸⁷ Rb of the rubidium atom that can be coupled by stimulated Raman transition using the two wavelengths of the D ₁ line. As shown in FIG. 2, two spin states of | 1> state and | 2> state can be coupled by induced Raman transition using two wavelengths (795 nm) of the D ₁ line as a set. In FIG. 2, an arrow 31 indicates an energy difference between the virtual level causing the stimulated Raman transition and the F ′ = 1, mF ′ = 0 level.

本発明の量子メモリ装置では、ラムゼイ干渉型の量子メモリとして動作させる上で、量子状態の書き込みπ／２パルスおよび読み出し用π／２パルスとして、Ｄ₁線レーザを２波長１組とする誘導ラマン遷移を用いる（図２に対応）。また、暗号化π／２パルスおよび復号化用π／２パルスとして、マイクロ波（ＭＷ：ｆ_m＝６．８ＧＨｚ）およびラジオ波（ＲＦ：ｆ_r＝１．３ＭＨｚ）の組を用いた（図１に対応）。既に述べたように、これらのπ／２パルスは、上述の特定の種類の電磁波の組み合わせだけに限られない。図１および図２の、⁸⁷Ｒｂの２つの量子状態の例では、磁気量子数ｍ_Fが２つ遷移しているため、２光子遷移となって２つの電磁波のペアを利用している。しかし、ラムゼイ干渉計に使用する原子が⁸⁷Ｒｂ以外の他の原子の場合であって、１光子遷移で２つの量子状態を結合できるときには、１種類の電磁波を利用することもできる。本実施形態でも、２つの量子状態すなわち｜１＞状態および｜２＞状態を結合できる条件（２光子遷移）を満たし、エネルギー差に共鳴することのできる電磁波パルスであれば、Ｄ₁線レーザ以外の他の電磁波の組み合わせを利用することもできる。 In the quantum memory device of the present invention, when operated as a Ramsey interference type quantum memory, a stimulated Raman with a D ₁ line laser having two wavelengths as one set is used as a quantum state writing π / 2 pulse and a reading π / 2 pulse. Transition is used (corresponding to FIG. 2). Further, as an encryption [pi / 2 pulse and the decoding [pi / 2 pulses, microwave (MW: f _m = 6.8GHz) and radiofrequency: using a set of (RF f _r = 1.3MHz) (Fig. 1). As already mentioned, these π / 2 pulses are not limited to combinations of the specific types of electromagnetic waves described above. In the example of two quantum states of ⁸⁷ Rb in FIGS. 1 and 2, since the magnetic quantum number m _F has transitioned two, it becomes a two-photon transition and uses a pair of two electromagnetic waves. However, when the atoms used in the Ramsey interferometer are other atoms than ⁸⁷ Rb and two quantum states can be coupled by one-photon transition, one type of electromagnetic wave can be used. In the present embodiment, two quantum states i.e. | 1> state and | meet 2> state capable of binding conditions (2-photon transition), if the electromagnetic wave pulse which can be resonant with the energy difference, other than D ₁ line laser Other electromagnetic wave combinations can also be used.

ここで留意すべきことは、上述の各電磁波における各π／２パルスの位相関係である。Ｄ₁線レーザの電磁波の位相は、２波長の間で揃っている。また、マイクロ波およびラジオ波の電磁波の位相も、２つの電磁波の間で揃っている。一方で、Ｄ₁線レーザの電磁波の位相と、マイクロ波およびラジオ波の電磁波の位相との間には何ら関係が無く、互いに無相関でランダムな位相関係となっていることに留意されたい。言い換えると、書き込み用π／２パルスおよび読み出し用π／２パルスは、電磁波の位相において同位相の関係にあり、暗号化π／２パルスおよび復号化π／２パルスも、電磁波の位相において同位相の関係にあり、書き込み用π／２パルスおよび読み出し用π／２パルスの前記位相と、前記暗号化π／２パルスおよび前記復号化π／２パルスの前記位相との間には相関がないことになる。 What should be noted here is the phase relationship of each π / 2 pulse in each electromagnetic wave described above. The phase of the electromagnetic wave of the D ₁ line laser is aligned between two wavelengths. Moreover, the phase of the electromagnetic waves of microwaves and radio waves is also aligned between the two electromagnetic waves. On the other hand, it should be noted that there is no relationship between the phase of the electromagnetic wave of the D ₁ -line laser and the phase of the electromagnetic wave of the microwave and the radio wave, and the phases are uncorrelated and random. In other words, the writing π / 2 pulse and the reading π / 2 pulse have the same phase relationship in the phase of the electromagnetic wave, and the encrypted π / 2 pulse and the decrypted π / 2 pulse also have the same phase in the phase of the electromagnetic wave. And there is no correlation between the phase of the writing π / 2 pulse and the reading π / 2 pulse and the phase of the encrypted π / 2 pulse and the decrypted π / 2 pulse. become.

より具体的には、ここで言う電磁波の位相とは、電磁波をＥｃｏｓ（２πｆｔ＋φ）と表したときのφに対応する。ここでｆは電磁場の周波数、Ｅは電場振幅、ｔは時間である。Ｄ₁線の２波長については、２波長に対応する２つの周波数ｆ₁、ｆ₂を考え、各周波数の位相をφ₁、φ₂とすると、各電場はＥ₁ｃｏｓ(２πｆ₁ｔ＋φ₁)、および、Ｅ₂ｃｏｓ(２πｆ₂ｔ＋φ₂)と表すことができる。ここで、φ₁−φ₂＝定数１の関係が成り立つとき、２つの電磁波の位相が揃っていると言う。上述のマイクロ波およびラジオ波についても、同様にこれら２つの電磁波間の位相差が一定（定数２）の条件を満たしており、２つの電磁波間の位相は揃っている。一方で、Ｄ₁線の２波長の位相差（定数１）と、マイクロ波およびラジオ波間の位相差（定数２）との間の関係は、全くランダムである。 More specifically, the phase of the electromagnetic wave referred to here corresponds to φ when the electromagnetic wave is expressed as Ecos (2πft + φ). Here, f is the frequency of the electromagnetic field, E is the electric field amplitude, and t is time. Regarding the two wavelengths of the D ₁ line, if _two frequencies f ₁ and f ₂ corresponding to the two wavelengths are considered and the phases of the frequencies are φ ₁ and φ ₂ , each electric field is E ₁ cos (2πf ₁ t + φ ₁ ). And E ₂ cos (2πf ₂ t + φ ₂ ). Here, when the relationship of φ ₁ −φ ₂ = constant 1 holds, it is said that the phases of the two electromagnetic waves are aligned. Similarly for the above-described microwaves and radio waves, the phase difference between these two electromagnetic waves satisfies the constant (constant 2) condition, and the phases between the two electromagnetic waves are aligned. On the other hand, the relationship between the phase difference between the two wavelengths of the D ₁ line (constant 1) and the phase difference between the microwave and radio wave (constant 2) is completely random.

図３は、本発明の量子メモリ装置の構成を示す概念図である。図３においては、量子メモリ装置の構成要素を概念的に表しており、説明を簡単化するために一部の構成要素を省略したり、抽象化・シンボル化して表現したりしていることに留意されたい。量子メモリ装置１０は、真空領域８の中に置かれたアトムチップ１と、アトムチップ１の下面直下の近傍に捕捉された⁸⁷Ｒｂ原子集団２を備えている。さらに、真空領域８の内部にはラジオ（無線）波を原子集団へ照射するためのラジオ波発生用アンテナ３、真空領域８の外部にはマイクロ波を照射するためのマイクロ波発生用アンテナ４を備える。また図３には描かれていないが、原子集団へ２波長１組となったＤ₁線レーザ光５、吸収計測用レーザ光６、リパンプ用レーザ光７を供給するための光源をそれぞれ備える。図３ではアトムチップ１をシンボル的に示しており、実際の形状や動作などは後述する。また、１つの座標軸について、原子集団２をアトムチップ１の表面の近傍で捕捉するための磁場ポテンシャル曲線も概念的に描いてある。 FIG. 3 is a conceptual diagram showing the configuration of the quantum memory device of the present invention. In FIG. 3, the components of the quantum memory device are conceptually represented, and some components are omitted or expressed as abstraction / symbols to simplify the explanation. Please keep in mind. The quantum memory device 10 includes an atom chip 1 placed in a vacuum region 8 and an ⁸⁷ Rb atomic group 2 captured in the vicinity immediately below the lower surface of the atom chip 1. Furthermore, a radio wave generating antenna 3 for irradiating the atomic group with radio waves is provided inside the vacuum region 8, and a microwave generating antenna 4 for irradiating microwaves outside the vacuum region 8. Prepare. Although not depicted in FIG. 3, light sources are provided for supplying the D ₁ -line laser beam 5, the absorption measurement laser beam 6, and the re-pumping laser beam 7, which are one set of two wavelengths, to the atomic group. In FIG. 3, the atom chip 1 is shown symbolically, and the actual shape and operation will be described later. In addition, a magnetic field potential curve for capturing the atomic group 2 in the vicinity of the surface of the atom tip 1 with respect to one coordinate axis is conceptually drawn.

アトムチップは、電子デバイスのように基板上に微細な電極などを作製して、電場、磁場または光を用いて極低温原子をガイドおよび操作する原子光学デバイスとして知られている。レーザ冷却およびボース・アインシュタイン凝縮（ＢＥＣ）の実現によって、１μＫ以下の極低温の原子の生成および操作が可能となり、アトムチップにおいて特定の量子状態を実現できる。アトムチップの具体的な構成には様々なものが適用可能であるが、以下、超伝導を用いた構成の一例を説明する（非特許文献６を参照）。 An atom chip is known as an atomic optical device that, like an electronic device, produces fine electrodes on a substrate and guides and manipulates cryogenic atoms using an electric field, a magnetic field, or light. Realization of laser cooling and Bose-Einstein condensation (BEC) enables the generation and manipulation of cryogenic atoms of 1 μK or less, and the realization of specific quantum states in atom chips. Various configurations of the atom chip can be applied, but an example of a configuration using superconductivity will be described below (see Non-Patent Document 6).

アトムチップ１は、石英基板上に超伝導薄膜（ＭｇＢ₂）の配線パターンが描かれている。具体的には、基板上に、基本形状が概略一辺約９ｍｍの正方形の閉回路のパターンを持っている。この閉回路のパターンは、さらに概略正方形の閉回路のパターンの１つの角が、数ｍｍ角だけ内側に凹んだ形状をしている。１つの角の凹んだ形状によって、局所的にＺ形の電線パターンが形成されており、この近傍に原子集団が捕捉される。 The atom chip 1 has a superconducting thin film (MgB ₂ ) wiring pattern drawn on a quartz substrate. Specifically, a square closed circuit pattern having a basic shape of approximately 9 mm on a side is provided on the substrate. This closed circuit pattern has a shape in which one corner of the substantially square closed circuit pattern is recessed inward by several mm square. A Z-shaped electric wire pattern is locally formed by the concave shape of one corner, and an atomic group is captured in the vicinity thereof.

上述の閉回路に電流を流して磁場を発生させるには、超伝導の性質を利用する。超伝導体の特徴として、超伝導に転移する時に閉回路を貫いていた磁束が保存される性質（マイスナー効果）がある。この性質を利用して、まず超伝導転移温度よりも高温の時に、閉回路に垂直な方向に外から磁場を加え、そのままの状態で超伝導体を超伝導転移温度以下まで冷却する。その後は、外から加えた磁場を遮断しても閉回路を貫く磁束が保存するように永久電流が流れる。電流の周りにはビオ・サバールの法則で記述されるような磁場が発生するので、この磁場が原子の捕捉に利用される。実際にはアトムチップの磁場だけでは原子を捕捉できないので、アトムチップ１の外からも補助磁場を加えて「アトムチップの磁場＋補助磁場」で磁場の極小点を作る。この磁場の極小点に、⁸⁷Ｒｂ原子を捕捉する。⁸⁷Ｒｂ原子は、アトムチップ１の表面から概ね１０〜１００μｍ程度離れた位置に捕捉される。外部から加える補助磁場の強さによって、アトムチップ１の表面からの⁸⁷Ｒｂ原子を捕捉する位置を制御することができる。 In order to generate a magnetic field by passing a current through the above closed circuit, the property of superconductivity is used. As a feature of superconductors, there is a property (Meissner effect) in which magnetic flux that has penetrated a closed circuit is preserved when transitioning to superconductivity. Utilizing this property, first, when the temperature is higher than the superconducting transition temperature, a magnetic field is applied from the outside in the direction perpendicular to the closed circuit, and the superconductor is cooled to the superconducting transition temperature or lower in the state as it is. After that, a permanent current flows so that the magnetic flux passing through the closed circuit is preserved even if the magnetic field applied from the outside is cut off. Since a magnetic field as described by Bio-Savart's law is generated around the current, this magnetic field is used to capture atoms. Actually, atoms cannot be captured only by the atom tip magnetic field, so an auxiliary magnetic field is also applied from outside the atom tip 1 to create a local minimum of the magnetic field by “atom tip magnetic field + auxiliary magnetic field”. ⁸⁷ Rb atoms are captured at the minimum point of this magnetic field. ⁸⁷ Rb atoms are captured at a position approximately 10 to 100 μm away from the surface of the atom tip 1. The position of capturing ⁸⁷ Rb atoms from the surface of the atom tip 1 can be controlled by the strength of the auxiliary magnetic field applied from the outside.

捕捉する⁸⁷Ｒｂ原子は、アトムチップ１の外から供給される。⁸⁷Ｒｂ原子の元は金属のＲｂ原子であって、加熱により単原子のガス状態で真空領域８内の真空中を漂っている。このＲｂ原子は、真空領域８内であって、アトムチップ１から概ね１ｍほど離れた場所にある。個々の原子は、室温においては、ピストルの弾丸程度の初速度（約１０００ｋｍ/ｈ）で飛んでいる。この高速の⁸⁷Ｒｂ原子を光の輻射圧（光子の持つ運動量変化による力）で秒速数センチメートル程度まで減速し、上述の磁場の極小点の近くに持ってくると、上述の磁場によって⁸⁷Ｒｂ原子は捕捉される。図３においては、アトムチップ１の周辺の、原子捕捉動作に必要な冷却装置、磁場発生装置、冷却用レーザ等は描かれていないことに留意されたい。尚、原子捕捉動作に必要な冷却装置、磁場発生装置および冷却用レーザなどは、その必要性も含めてアトムチップの具体的な構成や原子捕捉の原理によって様々なバリエーションがあることにも留意されたい。 The ⁸⁷ Rb atoms to be captured are supplied from outside the atom chip 1. The origin of the ⁸⁷ Rb atom is a metal Rb atom, which floats in the vacuum in the vacuum region 8 in a gas state of a single atom by heating. The Rb atoms are located in the vacuum region 8 at a location approximately 1 m away from the atom tip 1. Each atom flies at room temperature at an initial velocity (about 1000 km / h) similar to a pistol bullet. When this high-speed ⁸⁷ Rb atom is decelerated to a few centimeters per second by the light radiation pressure (force due to the change in momentum of the photon) and brought close to the minimum point of the magnetic field, ⁸⁷ Rb is generated by the magnetic field. Atoms are trapped. In FIG. 3, it should be noted that a cooling device, a magnetic field generation device, a cooling laser, and the like necessary for the atom capturing operation around the atom tip 1 are not drawn. It should be noted that there are various variations in the cooling device, magnetic field generator, and cooling laser necessary for the atom capture operation depending on the specific configuration of the atom tip and the principle of atom capture, including the necessity. I want.

Ｄ₁線レーザ光のレーザパルス、マイクロ波およびラジオ波を照射する対象となる⁸⁷Ｒｂ原子は、原子捕捉用の磁場ポテンシャルを使用して上述のアトムチップ１によって、捕捉される。すなわち図３のポテンシャル曲線で概念的に示したように、磁場発生装置によって磁場の極小点における磁束密度の値をＢ_min＝０．３２ｍＴに調整した磁場トラップ中に、⁸⁷Ｒｂ原子を｜１＞状態（基底状態）で捕捉し、蒸発冷却によりボース凝縮させておく。ただし、原子間衝突の影響を抑えるため、原子密度は比較的低い値（１０¹³ｃｍ^-3程度）に設定される。 ⁸⁷ Rb atoms to be irradiated with laser pulses, microwaves, and radio waves of D ₁ -line laser light are captured by the above-described atom chip 1 using a magnetic field potential for capturing atoms. That is, as conceptually shown in the potential curve of FIG. 3, ⁸⁷ Rb atoms are | 1> in a magnetic field trap in which the magnetic flux density value is adjusted to B _min = 0.32 mT by the magnetic field generator. Captured in the state (ground state) and bose condensed by evaporative cooling. However, the atomic density is set to a relatively low value (about 10 ¹³ cm ⁻³ ) in order to suppress the influence of interatomic collision.

真空領域８内では磁場によって原子の捕捉をしなければ、原子は重力により自由落下してしまう。原子を捕捉するためには、上述のように極小点を持つ磁場ポテンシャルを用いる。図３の磁場ポテンシャルの曲線は模式的に描いたものであって、曲線における横軸が空間、縦軸が磁場によるエネルギーシフト量に相当する。例えば横軸をｘ軸とすれば、ｘ軸上のある点において磁場が極小、すなわちエネルギーシフト量が最小となるため、その点に向かって原子は力を受け捕捉される。ｙ軸およびｚ軸に関しても同様の磁場極小の点を設定することで、原子は３次元空間の一点に向かって力を受けることになり、磁場極小の点に原子が捕捉される。ここで、原子が磁場の極小点に向かって力を受け捕捉されることは、トラップの中心（すなわち磁場の極小点）と、その周辺との間で、原子のエネルギーシフト（ゼーマンシフト）量が微妙に違うことを意味する。したがって、捕捉される原始の数が増えて原子集団の空間的な広がりが大きくなると、原子によって量子位相の時間変化のバラつきが大きくなる。 If the atoms are not captured by the magnetic field in the vacuum region 8, the atoms will fall free by gravity. In order to capture atoms, a magnetic field potential having a minimum point as described above is used. The magnetic field potential curve of FIG. 3 is schematically drawn, and the horizontal axis in the curve corresponds to space, and the vertical axis corresponds to the amount of energy shift due to the magnetic field. For example, if the horizontal axis is the x-axis, the magnetic field is minimal at a certain point on the x-axis, that is, the amount of energy shift is minimized, so atoms are received and captured toward that point. By setting a similar magnetic field minimum point for the y-axis and the z-axis, the atom receives a force toward one point in the three-dimensional space, and the atom is captured at the magnetic field minimum point. Here, when an atom receives a force toward the local minimum point of the magnetic field and is captured, the amount of energy shift (Zeeman shift) of the atom between the center of the trap (that is, the local minimum point of the magnetic field) and its periphery It means a slightly different thing. Therefore, when the number of primitives to be captured increases and the spatial spread of the atomic group increases, the variation in the temporal change of the quantum phase increases by the atoms.

さらに、基底状態および励起状態の間でエネルギーシフトが異なれば、基底状態および励起状態の間で量子位相の時間変化のバラつきがより大きくなり、Ｎ個の集団平均をとると、量子位相は互いに打ち消し合って干渉縞が見えなくなる、すなわちコヒーレンスが失われてしまう。 Furthermore, if the energy shift is different between the ground state and the excited state, the variation in the temporal change of the quantum phase between the ground state and the excited state becomes larger, and when the N collective averages are taken, the quantum phases cancel each other. As a result, the interference fringes disappear, that is, the coherence is lost.

原子集団が捕捉されている空間は、原子を捕捉するために磁束密度の極小点を設定し、必然的に不均一な磁場でポテンシャルを形成している。前述のように、磁束密度の値がＢ_min＝０．３２ｍＴの近傍では、ゼーマンシフトが２次のオーダーまで同じ磁場依存性を示す特徴を持つことから、｜１＞状態および｜２＞状態間のエネルギー変化の差はほぼゼロである。したがって、磁場トラップに捕捉された原子集団の量子位相は均一に時間発展する。すなわち、空間的にある程度の広がりを持つ原子集団は、その各地点にある原子の量子位相が、ほぼ同じ大きさで時間変化する。これによって量子位相の時間ばらつきが抑えられるため、コヒーレンス時間を長く伸ばすことができ、量子メモリとして長い記憶時間が実現可能となる。 In the space where the atomic group is captured, the minimum point of the magnetic flux density is set in order to capture the atom, and a potential is inevitably formed by a non-uniform magnetic field. As described above, when the value of the magnetic flux density is in the vicinity of B _min = 0.32 mT, the Zeeman shift has the same magnetic field dependency up to the second order, and therefore, between the | 1> state and the | 2> state The difference in energy change is almost zero. Therefore, the quantum phase of the atomic group trapped in the magnetic field trap develops uniformly over time. That is, in an atomic group having a certain extent in space, the quantum phase of atoms at each point changes with time at substantially the same magnitude. This suppresses the time variation of the quantum phase, so that the coherence time can be extended and a long storage time can be realized as a quantum memory.

次に、図３に示した構成の量子メモリ装置において、本発明に特有の量子状態の暗号化・復号化を含む量子メモリの動作を、復号化の処理がある場合とない場合の各状態を対比させながらさらに説明する。 Next, in the quantum memory device having the configuration shown in FIG. 3, the operation of the quantum memory including the encryption / decryption of the quantum state peculiar to the present invention is shown for each state with and without the decryption process. Further explanation will be given while comparing.

量子メモリに量子状態を記憶する場合、アトムチップ１の近傍に準備をした基底状態の原子集団２に、まず、Ｄ₁線レーザの組による書き込み用π／２パルス５を照射して、量子メモリの量子位相を初期化する。Ｄ₁線レーザの組による⁸⁷Ｒｂの２つの量子状態および２状態間の遷移は、図２に示した通りである。書き込み用π／２パルスを照射することで、捕捉された原子集団のＮ個の原子の内、Ｎ／２個の原子は励起状態に励起され、残りのＮ／２個の原子は基底状態となる。周知のように、この段階ではどの原子が励起されているのかは不明であって、Ｎ個の原子の内１個だけに着目すると、その原子は基底状態とも励起状態とも確定しておらず、いわゆる２つの状態の重ね合わせ状態になっている。このような２つの状態の重ね合わせという非古典的な状態が、本発明の量子メモリに記憶される。すなわち基底状態および励起状態の重ね合わせ状態の原子がＮ個ある状態になる。 When the quantum state is stored in the quantum memory, first, the ground state atomic group 2 prepared in the vicinity of the atom chip 1 is irradiated with a writing π / 2 pulse 5 by a set of D ₁ -line lasers. Initialize the quantum phase of. The two quantum states of ⁸⁷ Rb and the transition between the two states by the set of D ₁ -line lasers are as shown in FIG. By irradiating the writing π / 2 pulse, N / 2 atoms out of N atoms in the trapped atomic group are excited to an excited state, and the remaining N / 2 atoms are in the ground state. Become. As is well known, it is unclear which atom is excited at this stage, and focusing on only one of the N atoms, the atom is not defined in either the ground state or the excited state, This is a so-called overlapping state of two states. Such a non-classical state of superposition of two states is stored in the quantum memory of the present invention. That is, there are N superposed atoms in the ground state and the excited state.

従って本発明の量子メモリ装置は、第１の量子状態および第２の量子状態を含む２つの量子状態を保持する記憶媒体２と、前記２つの量子状態に共鳴して、前記２つの量子状態を結合させる１種類以上の第１の電磁波による第１のπ／２パルスを前記記憶媒体に照射して、情報の書き込みまたは読み出しを行う手段と、前記書き込みまたは読み出しを行う手段の前記第１の電磁波とは異なる１種類以上の第２の電磁波による、前記第１の電磁波とは異なる位相を持つ第２のπ／２パルスを前記記憶媒体に照射して、前記情報の書き込みまたは読み出しを行う手段によって書き込まれた前記情報の暗号化または復号化を行う手段とを備えたものとして実施できる。ここで、前記第１のπ／２パルスは、書き込み用π／２パルスおよび読み出し用π／２パルスを含み、前記第２のπ／２パルスは、暗号化π／２パルスおよび復号化π／２パルスを含む。前記記憶媒体は、極低温で捕捉された原子集団であって、前記原子集団を近傍に捕捉するアトムチップをさらに備え、前記第１の電磁波および前記第２の電磁波は、それぞれ、前記原子集団の原子の基底状態および励起状態に共鳴して前記基底状態および前記励起状態を結合させる電磁波であり、前記アトムチップの表面近傍において、磁気ポテンシャルが極小値となる磁束密度の空間分布が形成されており、前記基底状態および前記励起状態のエネルギー変化の差がほぼゼロに設定されている。さらに、前記原子集団の元素は、ルビジウム原子の同位体⁸⁷Ｒｂであり、前記第１の電磁波は、誘導ラマン遷移により前記基底状態および前記励起状態を結合可能なＤ₁線の２波であり、前記第２の電磁波は、マイクロ波（ｆｍ＝６．８ＧＨｚ）およびラジオ波（ｆｒ＝１．３ＭＨｚ）の組み合わせであり、前記アトムチップの近傍における磁場トラップの磁気ポテンシャル極小点での磁束密度の値として概ねＢ_min＝０．３２ｍＴを用いることができる。 Therefore, the quantum memory device of the present invention includes the storage medium 2 that holds two quantum states including the first quantum state and the second quantum state, and the two quantum states that resonate with the two quantum states. The storage medium is irradiated with a first π / 2 pulse of one or more types of first electromagnetic waves to be coupled to write or read information, and the first electromagnetic waves of the writing or reading means By means of irradiating the storage medium with a second π / 2 pulse having a phase different from that of the first electromagnetic wave by one or more types of second electromagnetic waves different from the above, and writing or reading the information The information can be implemented as a unit that encrypts or decrypts the written information. Here, the first π / 2 pulse includes a writing π / 2 pulse and a reading π / 2 pulse, and the second π / 2 pulse includes an encrypted π / 2 pulse and a decrypted π / 2 pulse. Includes 2 pulses. The storage medium is an atomic group captured at an extremely low temperature, and further includes an atom chip that captures the atomic group in the vicinity, and the first electromagnetic wave and the second electromagnetic wave are each of the atomic group. An electromagnetic wave that resonates with the ground state and excited state of an atom to combine the ground state and the excited state, and a spatial distribution of magnetic flux density is formed in the vicinity of the surface of the atom tip, at which the magnetic potential is minimized. The difference in energy change between the ground state and the excited state is set to almost zero. Further, the element of the atomic group is an isotope ⁸⁷ Rb of a rubidium atom, and the first electromagnetic wave is two waves of a D ₁ line that can couple the ground state and the excited state by induced Raman transition, The second electromagnetic wave is a combination of a microwave (fm = 6.8 GHz) and a radio wave (fr = 1.3 MHz), and a magnetic flux density value at a magnetic potential minimum point of a magnetic field trap in the vicinity of the atom tip. As a general rule, B _min = 0.32 mT can be used.

図５は、本発明の量子メモリ装置において、暗号化後に復号化をせずに読み出しパルスを照射する手順を説明する図である。また図７は、本発明の量子メモリ装置において、暗号化後に復号化をして読み出しパルスを照射する手順を説明する図である。図５を参照すれば、所定の電場強度で所定のパルス時間Ｔ_dの書き込み用π／２パルス２１が照射される。既に述べたように、Ｄ₁線の２波長１組のレーザ光については、２つの電磁波の位相差（φ₁−φ₂）が定数となっており、２つのレーザ光の間で特定の位相差を持っており、２つの電磁波の位相が揃っていることに留意されたい。 FIG. 5 is a diagram for explaining a procedure for irradiating a read pulse without decryption after encryption in the quantum memory device of the present invention. FIG. 7 is a diagram for explaining a procedure for irradiating a read pulse after decryption in the quantum memory device of the present invention. Referring to FIG. 5, a writing π / 2 pulse 21 having a predetermined pulse time _Td is irradiated with a predetermined electric field intensity. As described above, for a pair of two-wavelength laser beams of the D ₁ line, the phase difference (φ ₁ −φ ₂ ) of the _two electromagnetic waves is a constant, and a specific position is determined between the two laser beams. Note that there is a phase difference and the two electromagnetic waves are in phase.

次に、本発明の量子メモリ装置では、マイクロ波発生用アンテナ３からマイクロ波を、および、ラジオ波発生用アンテナ４からラジオ（無線）波を同時に発生させ、マイクロ波およびラジオ波による、所定のパルス時間Ｔ_mの暗号化π／２パルス２２を原子集団２に照射して、量子位相にランダムな位相を加えることで暗号化を行う。マイクロ波およびラジオ波による⁸⁷Ｒｂの２つの量子状態間の遷移は、図１に示した通りである。マイクロ波およびラジオ波の２つの電磁波の間の位相差は定数であって、２つの電磁波の間には特定の位相差を持っており、２つの電磁波の位相は揃っていることに留意されたい。 Next, in the quantum memory device of the present invention, a microwave is generated from the microwave generating antenna 3 and a radio (radio) wave is simultaneously generated from the radio wave generating antenna 4. Encryption π / 2 with a pulse time T _m A pulse 22 is irradiated onto the atomic group 2 and encryption is performed by adding a random phase to the quantum phase. The transition between the two quantum states of ⁸⁷ Rb by microwaves and radio waves is as shown in FIG. Note that the phase difference between the two electromagnetic waves of microwave and radio wave is a constant, there is a specific phase difference between the two electromagnetic waves, and the phases of the two electromagnetic waves are aligned. .

さらに、暗号化π／２パルスのマイクロ波およびラジオ波は、上述のＤ₁線の２波長１組のレーザ光とはランダムな位相関係を持つことが重要である。ここでランダムな位相関係を持つとは、Ｄ₁線の２波長１組のレーザ光の２つの電磁波の位相差（定数１）と、マイクロ波およびラジオ波の２つの電磁波の位相差（定数２）とが無相間であって、全く無関係でランダムな関係にあることを言う。このように、暗号化π／２パルス２２を照射するとともに、暗号化π／２パルス２２における電磁波の位相差が書き込みπ／２パルス２１における電磁波間の位相差に対してランダムに設定されることで、従来技術と比べて量子メモリの秘匿安全性が大幅に向上した状態になっている。 Furthermore, it is important that the microwaves and radio waves of the encrypted π / 2 pulse have a random phase relationship with the above-mentioned two-wavelength one-set laser light of the D ₁ line. Here, with random phase relationship, the phase difference between the two electromagnetic waves of two wavelengths pair of laser light D ₁ line and (constant 1), the phase difference between two waves of microwaves and radio waves (constant 2 ) Is a non-phase, completely irrelevant and random relationship. In this way, the encrypted π / 2 pulse 22 is irradiated, and the phase difference of the electromagnetic wave in the encrypted π / 2 pulse 22 is set randomly with respect to the phase difference between the electromagnetic waves in the write π / 2 pulse 21. Thus, the confidentiality of the quantum memory is greatly improved as compared with the prior art.

上述の暗号化π／２パルス２２によって暗号化された量子状態の復号化には、図７に示したように、暗号化π／２パルス２２と位相の揃った復号化π／２パルス２４を照射する。暗号化時と同じマイクロ波およびラジオ波による復号化π／２パルス２４によって、量子位相に加えたランダムな位相を中和することで、初期の量子位相を回復する。復号化π／２パルス２４のマイクロ波およびラジオ波は、２つの電磁波の間で暗号化π／２パルス２２と同じ位相差を持ったものでなければならない。またこの時、復号化π／２パルス２４を照射するタイミング（図７のＴ₂）は、暗号化π／２パルス２２の照射からＴ₂＝（２ｎ＋１）π／δ（ただしｎは整数とし、δは図１のエネルギー差）とする必要がある。ここで図１を再び参照すれば、縦軸の状態のエネルギーを周波数の単位で表した場合、エネルギー差δは次式（１）で表される。
δ＝２π×[（｜１＞状態および｜２＞状態間のエネルギー差[周波数単位]）
−（マイクロ波周波数＋ラジオ波周波数）] 式（１） For decryption of the quantum state encrypted by the above-described encrypted π / 2 pulse 22, as shown in FIG. 7, a decrypted π / 2 pulse 24 in phase with the encrypted π / 2 pulse 22 is used. Irradiate. The initial quantum phase is recovered by neutralizing the random phase added to the quantum phase by the decryption π / 2 pulse 24 by the same microwave and radio wave as in the encryption. The microwaves and radio waves of the decrypted π / 2 pulse 24 must have the same phase difference as the encrypted π / 2 pulse 22 between the two electromagnetic waves. At this time, the timing of irradiating the decrypted π / 2 pulse 24 (T _{2 in} FIG. 7) is T ₂ = (2n + 1) π / δ from the irradiation of the encrypted π / 2 pulse 22 (where n is an integer, δ must be the energy difference in FIG. Here, referring to FIG. 1 again, when the energy in the state of the vertical axis is expressed in units of frequency, the energy difference δ is expressed by the following equation (1).
δ = 2π × [(| 1> state and | 2> energy difference between states [frequency unit])
− (Microwave frequency + radio wave frequency)] Equation (1)

尚このエネルギー差δは、離調とも呼ばれる。したがって上記の復号化π／２パルス２４を照射するタイミング条件は、２つの量子状態間の周波数換算のエネルギー差と、暗号化・復号化のπ／２パルスにおける（第２の）電磁波のエネルギーの総和との差分を離調δ（２π×周波数）とするとき、復号化π／２パルスの照射開始のタイミングは、暗号化π／２パルスの照射終了から(２ｎ＋１) π／δ (ｎは０以上の整数)後であると言うことができる。 This energy difference δ is also called detuning. Therefore, the timing condition for irradiating the decrypted π / 2 pulse 24 is that the energy difference in terms of frequency between the two quantum states and the energy of the (second) electromagnetic wave in the π / 2 pulse for encryption / decryption. When the difference from the sum is detuning δ (2π × frequency), the irradiation start timing of the decrypted π / 2 pulse is (2n + 1) π / δ (n is 0) from the end of the irradiation of the encrypted π / 2 pulse. It can be said that it is an integer later).

復号化π／２パルス２４を照射して復号化をした後で、図７に示したように、Ｄ₁線の２波長１組のレーザ光による読み出し用π／２パルス２３を照射することで、量子位相の時間発展に応じた｜１＞状態および｜２＞状態の占有率を実現する。 After decoding by irradiating the decoding π / 2 pulse 24, as shown in FIG. 7, by irradiating the reading π / 2 pulse 23 by a pair of laser beams of two wavelengths of the D ₁ line. The occupancy of the | 1> state and the | 2> state corresponding to the time evolution of the quantum phase is realized.

図４は、本発明の量子メモリにおいて状態の占有率を計測するための⁸⁷Ｒｂ原子の５²Ｓ_1/2−５²Ｐ_3/2間の状態遷移を説明する図である。量子メモリの状態を確定するため、状態｜１＞状態および｜２＞状態の占有率は次のように計測することができる。図４に示したように、まず｜２＞状態と、²Ｐ_3/2：Ｆ＝３状態との間に共鳴する吸収計測用レーザを原子集団に照射することで、その光の吸収量から｜２＞状態にある原子数を計測する。すなわち図３の本発明の量子メモリ装置１０において、読出し用π／２パルス２３を照射後の原子集団２に、吸収計測用レーザ光６を照射して、吸収量から｜２＞状態にある原子数を計測する。 FIG. 4 is a diagram for explaining state transition between 5 ² S _1/2 -5 ² P _3/2 of ⁸⁷ Rb atoms for measuring the state occupancy in the quantum memory of the present invention. In order to determine the state of the quantum memory, the occupancy of the state | 1> state and the | 2> state can be measured as follows. As shown in FIG. 4, by first irradiating an atomic group with an absorption measurement laser that resonates between the | 2> state and the ² P _3/2 : F = 3 state, | 2> The number of atoms in the state is measured. That is, in the quantum memory device 10 of the present invention shown in FIG. 3, the atomic measurement group 2 after being irradiated with the reading π / 2 pulse 23 is irradiated with the absorption measurement laser beam 6 and the atoms in the | 2> state from the absorption amount. Measure the number.

｜２＞状態の原子の数の計測後、吸収計測用レーザによって光の輻射圧を外力として｜２＞状態の原子を物理的にアトムチップ１のトラップ領域（観測領域）の外へ押し出し、吹き飛ばす。｜２＞状態の原子を吹き飛ばした後で、今度は｜１＞状態と、²Ｐ_3/2：Ｆ＝２状態との間で共鳴するリパンプ用レーザを原子集団へ照射する。すなわち図３の本発明の量子メモリ装置１０において、｜２＞状態の原子を吹き飛ばした後の原子集団２に、リパンプ用レーザ光７を照射した後、上述の｜２＞状態の原子数の測定と同じ吸収計測用レーザを照射することで、｜１＞状態にある原子数を計測することができる。上述のようにして計測した｜１＞状態および｜２＞状態のそれぞれの原子数から、｜１＞状態および｜２＞状態の占有率を計算して、量子状態の占有率の計測が完了する。 | 2> After measuring the number of atoms in the state, the absorption pressure laser uses the radiation pressure of the light as an external force to physically push the atoms in the | 2> state out of the trap region (observation region) of the atom chip 1 and blow them off. . After the atoms in the | 2> state are blown off, the atomic group is irradiated with a re-pumping laser that resonates between the | 1> state and the ² P _3/2 : F = 2 state. That is, in the quantum memory device 10 of the present invention shown in FIG. 3, the atom group 2 after the atoms in the | 2> state are blown off is irradiated with the re-pumping laser beam 7, and then the number of atoms in the above-described | 2> state is measured. The number of atoms in the | 1> state can be measured by irradiating the same absorption measurement laser. The occupancy of the | 1> state and | 2> state is calculated from the number of atoms of the | 1> state and | 2> state measured as described above, and the measurement of the occupancy of the quantum state is completed. .

図６は、本発明の量子メモリ装置において暗号化した後に復号化を行わずに読み出した場合の｜２＞状態の占有率の測定結果を示した図である。図５に示した各π／２パルスを照射する手順で、暗号化π／２パルスの後に「復号化π／２パルスを照射しないで」、読み出し用π／２パルス２３を照射して読み出した量子状態に対応する。すなわち、暗号化π／２パルス２２の照射の終了時点から読み出し用π／２パルス２３の照射開始までの待ち時間Ｔ₂を変化させて、同条件で捕捉を行った原子集団に対して各状態の占有率の計測を繰り返した。量子メモリから読み出した｜２＞状態の占有率は、待ち時間Ｔ₂に対して、ランダムに変化しており、暗号化されていることが確認できた。 FIG. 6 is a diagram showing a measurement result of the occupancy ratio in the | 2> state when reading is performed without decryption after encryption in the quantum memory device of the present invention. In the procedure of irradiating each π / 2 pulse shown in FIG. 5, “Do not irradiate the decrypted π / 2 pulse” after the encrypted π / 2 pulse, and read by reading the π / 2 pulse 23 for reading. Corresponds to the quantum state. That is, the waiting time T ₂ from the end of irradiation of the encrypted π / 2 pulse 22 to the start of irradiation of the reading π / 2 pulse 23 is changed, and each state for each atomic group captured under the same conditions is changed. The occupancy rate measurement was repeated. The | 2> state occupancy read from the quantum memory changes randomly with respect to the waiting time T ₂ , confirming that it is encrypted.

図８は、本発明の量子メモリ装置において暗号化した後に復号化を行って読み出した場合の｜２＞状態の占有率の測定結果を示した図である。図７に示した各π／２パルスを照射する手順で、暗号化π／２パルスの後に「復号化π／２パルスを照射して」、その後に読み出し用π／２パルス２３を照射して読み出した量子状態に対応する。すなわち、復号化π／２パルス２４の照射の終了時点から読み出し用π／２パルス２３の照射開始までの待ち時間Ｔ₃を変化させて、同条件で捕捉を行った原子集団に対して各状態の占有率の計測を繰り返した。復号化を行うことで、書き込み用π／２パルスで初期化された量子位相が復活し、通常のラムゼイ干渉と同様に、待ち時間Ｔ₃に対して、状態占有率のコヒーレントな振動が確認できた。ラムゼイ干渉計の励起率は、δ／（２π）の周波数で振動する。図８の場合、書き込みパルス（Ｄ₁線）のδをδ＝２π×１２０Ｈｚとしているため、およそ１２０Ｈｚの周波数で占有率が振動する。図８における状態占有率のコヒーレントな振動から、量子情報が記憶されていることが確認できた。 FIG. 8 is a diagram showing a measurement result of the occupancy ratio in the | 2> state when reading is performed after decryption in the quantum memory device of the present invention. In the procedure of irradiating each π / 2 pulse shown in FIG. 7, “irradiate decrypted π / 2 pulse” after encrypted π / 2 pulse, and then irradiate read π / 2 pulse 23. Corresponds to the read quantum state. That is, the waiting time T ₃ from the end of irradiation of the decoded π / 2 pulse 24 to the start of irradiation of the reading π / 2 pulse 23 is changed, and each state for each atomic group captured under the same conditions is changed. The occupancy rate measurement was repeated. By decoding, the quantum phase initialized with the writing π / 2 pulse is restored, and the coherent oscillation of the state occupancy can be confirmed with respect to the waiting time T _{3 in the same way} as normal Ramsey interference. It was. The excitation rate of the Ramsey interferometer oscillates at a frequency of δ / (2π). For Figure 8, since the [delta] of the write pulse (D ₁ line) and [delta] = 2 [pi × 120Hz, occupancy vibrates at approximately 120Hz frequency. From the coherent oscillation of the state occupancy in FIG. 8, it was confirmed that quantum information was stored.

本発明の量子メモリ装置において、各π／２パルスの具体例を挙げれば、書き込み用π／２パルスのパルス幅はＴ_d＝０．３ｍｓ、復号化π／２パルスのパルス幅はＴ_m＝１．４８ｍｓである。また電場強度は、この電場を照射したときのラビ周波数で記述すると、Ｄ₁線レーザのラビ周波数＝８３０Ｈｚ、マイクロ波＋ラジオ波のラビ周波数＝１６９Ｈｚである。したがって、本発明の量子メモリ装置によれば、暗号化π／２パルスおよび復号化π／２パルスを所定の待ち時間を空けて照射することで、従来技術よりもはるかに秘匿性能を向上させた量子メモリを実現できる。 In the quantum memory device of the present invention, if a specific example of each π / 2 pulse is given, the pulse width of the write π / 2 pulse is T _d = 0.3 ms, and the pulse width of the decoded π / 2 pulse is T _m = 1.48 ms. Further, the electric field intensity is described by the rabbi frequency when the electric field is irradiated, the rabbi frequency of the D ₁ line laser = 830 Hz, and the rabbi frequency of microwave + radio wave = 169 Hz. Therefore, according to the quantum memory device of the present invention, the encryption performance is improved much more than the conventional technique by irradiating the encrypted π / 2 pulse and the decrypted π / 2 pulse with a predetermined waiting time. A quantum memory can be realized.

上述の実施形態では、⁸⁷Ｒｂ原子の原子集団に対して、量子状態を設定するラムゼイ干渉計タイプの量子メモリ装置の例を示したが、原子集団を単一の原子に置き換えても本発明と同様の秘匿性能を向上させた量子メモリの暗号化・復号化が可能である。また、冷却原子として⁸⁷Ｒｂ原子を例に説明をしたが、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｙｂ、Ｃｒ、Ｄｙなどについてもレーザ冷却を適用可能なため、ラムゼイ干渉のための適当なエネルギー準位があれば使用できる可能性がある。また、冷却原子以外であっても、量子２準位型の超伝導磁束量子や半導体量子ドットなど、ラムゼイ干渉が計測できるものに対しては、本発明における暗号化・復号化を適用できる可能性がある。
また本発明の量子メモリ装置では、書き込みπ／２パルス・読み出しπ／２パルス並びに暗号化π／２パルス・復号化π／２パルスの２段階の異なるパルスの照射を経て、情報の記憶・読み出しを行う。これをさらに３段階以上に増やすことも可能である。これによって、秘匿の性能をさらに高めることが可能となる。 In the above-described embodiment, an example of a Ramsey interferometer type quantum memory device that sets a quantum state with respect to an atomic group of ⁸⁷ Rb atoms is shown. However, even if the atomic group is replaced with a single atom, the present invention It is possible to encrypt / decrypt a quantum memory with improved confidentiality. In addition, although ⁸⁷ Rb atoms have been described as examples of cooling atoms, laser cooling can be applied to Li, Na, K, Cs, Ca, Sr, Ba, Yb, Cr, Dy, etc. If there is an appropriate energy level, there is a possibility that it can be used. Moreover, even if it is not a cooling atom, the possibility that the encryption / decryption in the present invention can be applied to those that can measure Ramsey interference, such as a quantum two-level superconducting magnetic flux quantum and a semiconductor quantum dot There is.
In the quantum memory device of the present invention, information is stored and read through irradiation with two different pulses of writing π / 2 pulse / reading π / 2 pulse and encrypted π / 2 pulse / decoding π / 2 pulse. I do. This can be further increased to three or more stages. This makes it possible to further improve the concealment performance.

本発明の量子メモリ装置では、Ｄ₁線レーザの２波長間の電磁波の位相差が定数であって位相が揃っており、かつ、マイクロ波およびラジオ波の２つの電磁波間でも、位相差が定数であって位相が揃っている。一方で、Ｄ₁線レーザの２波長間の電磁波の位相と、マイクロ波およびラジオ波の電磁波の位相は、互いに無相関でランダムな位相となっている点が、本発明の量子メモリ装置を実施する上で重要である。これによって、本発明により実施された量子メモリの情報を読み取ろうとする盗聴者は、２組の２つの電磁波ペアの各位相差（２つの定数）を知っている必要があり、さらに、暗号化π／２パルス２２の照射から復号化π／２パルス２２の照射までのタイミングも、エネルギー差δで決まる所定の関係を満たすタイミングに限定される。したがって、従来技術よりもはるかに秘匿性能を向上させた量子メモリを実現できる。 In the quantum memory device of the present invention, the phase difference of the electromagnetic wave between the two wavelengths of the D ₁ line laser is constant and the phase is uniform, and the phase difference is constant between the two electromagnetic waves of microwave and radio wave. And the phase is aligned. On the other hand, the phase of the electromagnetic wave between the two wavelengths of the D ₁ line laser and the phase of the electromagnetic wave of the microwave and the radio wave are uncorrelated and random phases, and the quantum memory device of the present invention is implemented. It is important to do. Accordingly, an eavesdropper trying to read information in the quantum memory implemented according to the present invention needs to know each phase difference (two constants) of two pairs of electromagnetic waves, and further, encryption π / The timing from the irradiation of the two pulses 22 to the irradiation of the decoded π / 2 pulse 22 is also limited to a timing satisfying a predetermined relationship determined by the energy difference δ. Therefore, it is possible to realize a quantum memory having a much higher secrecy performance than the prior art.

また、磁場トラップの極小点での磁束密度の値としてＢ_min＝０．３２ｍＴ近傍を用いることで、｜１＞状態および｜２＞状態間のエネルギー変化の差をほぼゼロとし、磁場トラップに捕捉された原子集団の量子位相の時間発展を均一化することで、長時間の量子メモリを実現することができる。本発明によれば、概ね数秒程度のメモリの保持時間を実現できる。量子コンピュータへの応用を考えると、数秒の間に１０００回程度は量子状態を変える演算が可能であり、量子コンピュータへの適用が可能である。 Also, by using the vicinity of B _min = 0.32 mT as the magnetic flux density value at the minimum point of the magnetic field trap, the difference in energy change between the | 1> state and the | 2> state is made substantially zero and trapped by the magnetic field trap. By uniformizing the time evolution of the quantum phase of the atomic group, a long-time quantum memory can be realized. According to the present invention, a memory retention time of about several seconds can be realized. Considering application to a quantum computer, operations that change the quantum state can be performed about 1000 times within a few seconds, and application to a quantum computer is possible.

本発明の量子メモリ装置は、汎用的に利用可能である。これに限定されないが例えば期待される応用には、書き込みπ／２パルス・読み出しπ／２パルスを第１の鍵とし、暗号化π／２パルス・復号化π／２パルスを第２の鍵と考えて、それぞれの鍵の所有者を２者に分けることで、２人が協力した場合のみに記憶した情報を読み出す秘密共有（シークレットシェアリング）などの技術分野にも適用可能である。
以上詳細に述べたように、本発明により暗号化された量子メモリ装置では、量子メモリを読み出そうとする攻撃に対する秘匿安全性が大幅に向上される。 The quantum memory device of the present invention can be used for general purposes. For example, but not limited to this, an expected application includes a write π / 2 pulse / read π / 2 pulse as a first key, and an encrypted π / 2 pulse / decryption π / 2 pulse as a second key. Considering this, by dividing the owner of each key into two, it is also applicable to technical fields such as secret sharing (secret sharing) for reading information stored only when the two cooperate.
As described above in detail, in the quantum memory device encrypted according to the present invention, the security of security against attacks that attempt to read the quantum memory is greatly improved.

本発明は、情報処理技術に利用できる。特に、高速・大容量のコンピュータや通信に利用することができる。 The present invention can be used for information processing technology. In particular, it can be used for high-speed and large-capacity computers and communications.

１アトムチップ
２Ｒｂ原子
３ラジオ波発生用アンテナ
４マイクロ波発生用アンテナ
５Ｄ₁線レーザ
６吸収計測用レーザ光
７リパンプ用レーザ光
８真空領域
１０量子メモリ装置
２１書き込み用π／２パルス
２２読み出し用π／２パルス
２３暗号化π／２パルス
２４復号化π／２パルス
３１誘導ラマン遷移を起こす仮想準位とＦ´＝１、ｍＦ´＝０準位とのエネルギー差 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Atom chip 2 Rb atom 3 Antenna for radio wave generation 4 Antenna for microwave generation 5 D ₁ line laser 6 Laser beam for absorption measurement 7 Laser beam for re-pump 8 Vacuum region
10 Quantum memory device 21 π / 2 pulse for writing 22 π / 2 pulse for reading 23 Encryption π / 2 pulse 24 Decoding π / 2 pulse 31 Virtual level causing induced Raman transition and F ′ = 1, mF ′ = Energy difference from zero level

Claims

A storage medium that holds two quantum states including a first quantum state and a second quantum state;
Information is written or read by irradiating the storage medium with a first π / 2 pulse by one or more types of first electromagnetic waves that resonate with the two quantum states and combine the two quantum states. Means,
Irradiating the storage medium with a second π / 2 pulse having a phase different from that of the first electromagnetic wave by one or more types of second electromagnetic waves different from the first electromagnetic wave of the writing or reading means. And a means for encrypting or decrypting the information written by the means for writing or reading the information.

The first π / 2 pulse includes a writing π / 2 pulse and a reading π / 2 pulse,
The second π / 2 pulse includes an encrypted π / 2 pulse and a decrypted π / 2 pulse,
When the difference between the energy difference in terms of frequency between the two quantum states and the total energy of the second electromagnetic wave is detuned δ (2π × frequency), the irradiation start of the decoded π / 2 pulse is started. 2. The quantum memory device according to claim 1, wherein the timing is (2n + 1) π / δ (n is an integer of 0 or more) after the end of irradiation of the encrypted π / 2 pulse.

The writing π / 2 pulse and the reading π / 2 pulse are in the same phase in the phase of the electromagnetic wave,
The encrypted π / 2 pulse and the decrypted π / 2 pulse are also in the same phase in the phase of the electromagnetic wave,
There is no correlation between the phase of the write π / 2 pulse and the read π / 2 pulse and the phase of the encrypted π / 2 pulse and the decrypted π / 2 pulse. The quantum memory device according to claim 1 or 2.

The storage medium is an atomic group captured at a cryogenic temperature, further comprising an atom chip that captures the atomic group in the vicinity,
The first electromagnetic wave and the second electromagnetic wave are electromagnetic waves that resonate with the ground state and the excited state of atoms of the atomic group, respectively, and combine the ground state and the excited state;
Near the surface of the atom tip, a spatial distribution of magnetic flux density at which the magnetic potential is a minimum value is formed, and the difference in energy change between the ground state and the excited state is set to be substantially zero. The quantum memory device according to claim 1.

The element of the atomic group is an isotope ⁸⁷ Rb of a rubidium atom,
The first electromagnetic wave is two waves of a D ₁ line that can couple the ground state and the excited state by induced Raman transition,
The second electromagnetic wave is a combination of a microwave (fm = 6.8 GHz) and a radio wave (fr = 1.3 MHz),
5. The quantum memory device according to claim 4, wherein approximately B _min = 0.32 mT is used as a value of magnetic flux density at a magnetic potential minimum point of the magnetic field trap in the vicinity of the atom tip.

In a method of storing or reading information in a quantum memory device including a storage medium that holds two quantum states including a first quantum state and a second quantum state,
Irradiating the storage medium with a first π / 2 pulse of one or more types of first electromagnetic waves that resonate with the two quantum states and combine the two quantum states, and writing information; ,
Irradiating the storage medium with a second π / 2 pulse having a phase different from that of the first electromagnetic wave due to one or more types of second electromagnetic waves different from the first electromagnetic wave at the time of writing or reading. And encrypting the information written by the step of writing the information;
Irradiating the storage medium with the second π / 2 pulse, decrypting the encrypted information encrypted by the encrypting step, and applying the first π / 2 pulse Irradiating the storage medium and reading the information.

The first π / 2 pulse includes a writing π / 2 pulse and a reading π / 2 pulse,
The second π / 2 pulse includes an encrypted π / 2 pulse and a decrypted π / 2 pulse,
When the difference between the energy difference in terms of frequency between the two quantum states and the total energy of the second electromagnetic wave is detuned δ (2π × frequency), the irradiation start of the decoded π / 2 pulse is started. The method according to claim 6, wherein the timing is (2n + 1) π / δ (n is an integer of 0 or more) after the end of irradiation of the encrypted π / 2 pulse.

The writing π / 2 pulse and the reading π / 2 pulse are in the same phase in the phase of the electromagnetic wave,
The encrypted π / 2 pulse and the decrypted π / 2 pulse are also in the same phase in the phase of the electromagnetic wave,
There is no correlation between the phase of the writing π / 2 pulse and the reading π / 2 pulse and the phase of the encrypted π / 2 pulse and the decrypted π / 2 pulse. The method according to claim 6 or 7.