JP2020144163A - Photon generator - Google Patents
Photon generator Download PDFInfo
- Publication number
- JP2020144163A JP2020144163A JP2019038514A JP2019038514A JP2020144163A JP 2020144163 A JP2020144163 A JP 2020144163A JP 2019038514 A JP2019038514 A JP 2019038514A JP 2019038514 A JP2019038514 A JP 2019038514A JP 2020144163 A JP2020144163 A JP 2020144163A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- state
- photon
- rate
- control light
- photons
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Description
本発明は、量子技術に関し、特に光子を生成する技術に関する。 The present invention relates to quantum technology, and more particularly to technology for generating photons.
近年、量子力学を計算に用いることによりこれまでにできなかったような高速な計算が可能になることが示されている。その量子情報処理において、光子は通信に用いることができる量子ビットとして重要な構成要素である。その光子を高確率に生成することが重要であり。これまでに以下のような光子生成法が知られている(例えば、非特許文献1及び非特許文献2参照。)。
In recent years, it has been shown that the use of quantum mechanics in calculations enables high-speed calculations that have never been possible before. In the quantum information processing, photons are important components as qubits that can be used for communication. It is important to generate the photon with high probability. The following photon generation methods are known so far (see, for example, Non-Patent
非特許文献1では、共振器中に捕捉した原子を単一光子源として用いて光子を生成する方法が示されている。ここでは弱結合領域が使われている。
Non-Patent
また、非特許文献2では、共振器中に捕捉した原子を単一光子源として用いて強結合領域で光子を生成する方法が示されている。
Further, Non-Patent
しかし、非特許文献1及び非特許文献2では、共振器の外部結合率を考慮した光子生成率の向上が行われていない。
However, in
本発明の目的は、従来よりも光子の生成を効率良く行うことができる光子生成装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a photon generator capable of generating photons more efficiently than before.
この発明の一態様による光子生成装置は、制御光を発生する制御光発生部と、制御光を受けて初期状態から励起状態に励起し、励起状態から基底状態に遷移するときに光子を発生させる原子と、光子を閉じ込め、所定の外部結合率κexで外部に放出する共振器とを含むキャビティQED系部と、を含み、キャビティQED系部の内部損失率をκinとし、原子と光子の結合率をgとし、原子の誘起分極の減衰レートをγとし、Cin=g2/2κinγとし、所定の補正係数をαとして、外部結合率κexは、κex=ακin(1+2Cin)(1/2)を満たすように設定されている。 The photon generator according to one aspect of the present invention has a control light generator that generates control light, excites the excited state from the initial state by receiving the control light, and generates photons when transitioning from the excited state to the base state. A cavity QED system including an atom and a resonator that confine a photon and emit it to the outside at a predetermined external coupling rate κ ex , and the internal loss rate of the cavity QED system is κ in , and the atom and photon Let g be the bond rate, γ be the decay rate of the induced polarization of the atom, C in = g 2 / 2κ in γ, and α be the predetermined correction factor, and the outer bond rate κ ex is κ ex = ακ in (1). + 2C in ) (1/2) is set to be satisfied.
外部結合率を考慮することにより、従来よりも光子の生成を効率良く行うことができる。 By considering the outer coupling rate, photons can be generated more efficiently than before.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面中において同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In the drawings, the components having the same function are given the same number, and duplicate description is omitted.
光子生成装置は、制御光発生部1、キャビティQED系部2及び外部結合率制御部3を備えている。光子生成装置は、いわゆるCQED系(Cavity Quantum ElectroDynamics,共振器量子電気力学系)を利用して単一の光子を発生させる装置である。CQED系を利用した光子生成装置の詳細については、例えば参考文献1及び参考文献2を参照のこと。
The photon generator includes a control
<参考文献1>Hayato Goto, Shota Mizukami, Yuuki Tokunaga, Takao Aoki, "Fundamental Limit on the Efficiency of Single-Photon Generation Based on Cavity Quantum Electrodynamics", arXiv:1808.10077, 2018年8月30日
<参考文献2>早坂和弘, 「共振器量子電磁力学による決定論的単一光子生成」, レーザー研究, 2003年9月
制御光発生部1は、キャビティQED系部2を制御するための制御光を発生させる。発生した制御光は、キャビティQED系部2の原子に入射される。
<
<
キャビティQED系部2は、制御光を受けて初期状態|u>から励起状態|e>に励起し、励起状態|e>から基底状態|g>に遷移するときに光子を発生させる原子と、光子を閉じ込め、所定の外部結合率κexで外部に放出する共振器21とを備えている。ここで、原子は、自然の原子でもよいし、量子ドット、超伝導量子ビット等の人工の原子であってもよい。原子から発生した光子は、共振器21内に強く閉じ込められ、原子と相互作用する。その後、光子は、外部結合率κexに応じて外部に放出される。
Cavity
図2は、キャビティQED系部2の状態遷移を説明するための図である。原子は、初期状態|u>、励起状態|e>及び基底状態|g>という3個の状態を少なくとも取り得る。
FIG. 2 is a diagram for explaining the state transition of the cavity
初期状態|u>にある原子は、制御光を受けて励起状態|e>に励起する。Ωは、制御光を与えることで発生する、初期状態|u>と励起状態|e>との間の遷移周波数である。Δeは励起状態|e>に対応する離調であり、例えばΔe=E|e>-E|g>-gである。E|e>は励起状態|e>のエネルギー準位であり、E|g>は基底状態|g>のエネルギー準位である。Δuは初期状態|u>に対応する離調であり、例えばΔu=Ω-(E|e>-E|u>-Δe)である。E|u>は励起状態|u>のエネルギー準位である。 Atoms in the initial state | u> are excited to the excited state | e> by receiving control light. Ω is the transition frequency between the initial state | u> and the excited state | e>, which is generated by applying the control light. Δe is the detuning corresponding to the excited state | e>, for example Δe = E | e> -E | g> -g. E | e> is the energy level of the excited state | e>, and E | g> is the energy level of the ground state | g>. Δu is the detuning corresponding to the initial state | u>, for example, Δu = Ω-(E | e> -E | u> -Δe). E | u> is the energy level of the excited state | u>.
励起状態|e>にある原子は、基底状態|g>に遷移するときに光子を発生させる。なお、励起状態|e>にある原子は、所定の自然減衰率γで減衰する。γは、誘起分極の減衰レートとも言える。gは、原子と光子の結合率である。 Atoms in the excited state | e> generate photons when transitioning to the ground state | g>. Atoms in the excited state | e> are attenuated at a predetermined natural attenuation factor γ. γ can also be said to be the decay rate of induced polarization. g is the bond rate between the atom and the photon.
発生した光子は、共振器21に閉じ込められる。共振器21は、例えば互いに対向する2枚の鏡である。この場合、外部結合率κexは、共振器21を構成する2枚の鏡の中の一方の鏡の透過率である。共振器21は、2枚の鏡ではなく、マイクロリング、マイクトロイド、微小球、フォトニック結晶共振器であってもよい。 The generated photons are confined in the resonator 21. The resonator 21 is, for example, two mirrors facing each other. In this case, the outer coupling ratio κ ex is the transmittance of one of the two mirrors constituting the resonator 21. The resonator 21 may be a micro ring, a microphone toroid, a microsphere, or a photonic crystal resonator instead of the two mirrors.
κinは、キャビティQED系部2の内部損失率であり、キャビティQED系部2内の光電場の減衰率とも言える。なお、κ=κex+κinである。
κ in is the internal loss rate of the cavity
外部結合率制御部3は、外部結合率κexを制御する。共振器21が2枚の鏡である場合には、外部結合率制御部3は、例えば、鏡に張力又は熱を加えることで、鏡の透過率を変えることができ、これにより外部結合率κexを制御することができる。
The outer bond
具体的には、外部結合率制御部3は、外部結合率κexがκex=ακin(1+2Cin)(1/2)を満たすように制御する。ここで、Cin=g2/2κinγである。ここで、αは所定の実数である補正係数である。補正係数αは、所望の結果が得られるように適宜決定される。αは、例えば1/2<α<2である。理論的にはα=1であるが、実際には所望の結果が得られるようにκexの値を適宜調整する必要がある。αは、この調整を行うための補正係数である。外部結合率κex=ακin(1+2Cin)(1/2)とすることで、従来よりも光子の生成を効率良く行うことができる(例えば、参考文献1参照。)。
Specifically, the outer bond
光子の生成確率PSは、以下の式に従うことが知られている。 It is known that the photon generation probability P S follows the following equation.
κ=κex+κinであり、C=g2/(2κγ)であることを考慮すると、κexが増加すると上記の式の第1項の値は増加し第2項の値は減少するため、Psの上限を最大化する適切なκexの値が存在することが想定される。発明者は、Psの上限を最大化する適切なκexの値がκex=ακin(1+2Cin)(1/2)であることを見出した。適切なκexの値がκex=ακin(1+2Cin)(1/2)となる理由の詳細については、例えば参考文献1を参照のこと。
Considering that κ = κ ex + κ in and C = g 2 / (2κγ), as κ ex increases, the value of the first term of the above equation increases and the value of the second term decreases. Therefore, it is assumed that there is an appropriate value of κ ex that maximizes the upper limit of P s . The inventors have found that the appropriate value of kappa ex that maximizes the upper limit of P s is κ ex = ακ in (1 + 2C in) (1/2). See
なお、キャビティQED系部内の状態遷移は、例えば図3のようにも記述することができる。状態|φ0>は、|φ0>=|u>|0>であり、原子が初期状態|u>であり、かつ、共振器21内に光子が存在しない状態である。状態|φ1>は、|φ1>=|e>|0>であり、原子が励起状態|e>であり、かつ、共振器21内に光子が存在しない状態である。状態|φ2>は、|φ2>=|g>|1>であり、原子が基底状態|g>であり、かつ、共振器21内に光子が存在する状態である。状態|φ3>は、|φ3>=|g>|0>であり、原子が基底状態|g>であり、かつ、光子が共振器21の外部に出て行ってしまった結果共振器21内に光子が存在しない状態である。状態|φ0>及び状態|φ1>は可逆である。同様に、状態|φ1>及び状態|φ2>は可逆である。一方、状態|φ2>及び状態|φ3>は非可逆である。言い換えれば、状態|φ2>から状態|φ3>に遷移することはできるが、状態|φ3>から状態|φ2>に遷移することはできない。 The state transition in the cavity QED system can also be described as shown in FIG. 3, for example. The state | φ 0 > is | φ 0 > = | u> | 0>, the atom is in the initial state | u>, and there is no photon in the resonator 21. The state | φ 1 > is | φ 1 > = | e> | 0>, the atom is in the excited state | e>, and there are no photons in the resonator 21. The state | φ 2 > is | φ 2 > = | g> | 1>, the atom is in the ground state | g>, and the photon is present in the resonator 21. The state | φ 3 > is | φ 3 > = | g> | 0>, the atom is the ground state | g>, and the photon has gone out of the resonator 21. There are no photons in 21. The state | φ 0 > and the state | φ 1 > are reversible. Similarly, the state | φ 1 > and the state | φ 2 > are reversible. On the other hand, the state | φ 2 > and the state | φ 3 > are irreversible. In other words, it is possible to transition from state | φ 2 > to state | φ 3 >, but not from state | φ 3 > to state | φ 2 >.
なお、共振器21内の全体の状態を|ψ>=α0|φ0>+α1|φ1>+α2|φ2>と表記する。α0は状態|φ0>に対応する重みであり、α1は状態|φ1>に対応する重みであり、α2は状態|φ2>に対応する重みである。ここで、重みは、状態に対応する複素振幅である。 The overall state inside the resonator 21 is expressed as | ψ> = α 0 | φ 0 > + α 1 | φ 1 > + α 2 | φ 2 >. α 0 is the weight corresponding to the state | φ 0 >, α 1 is the weight corresponding to the state | φ 1 >, and α 2 is the weight corresponding to the state | φ 2 >. Here, the weight is a complex amplitude corresponding to the state.
この場合、重みα0,α1,α2の変化率は以下のように記述することができる。ここで、iは虚数単位である。 In this case, the rate of change of the weights α 0 , α 1 and α 2 can be described as follows. Where i is an imaginary unit.
ここで、Ωの増加率が小さいと、初期状態|u>から基底状態|g>への遷移が損失が少なく行われる。これにより、中間領域でも光子生成が可能となる(例えば、参考文献1参照。)。中間領域の定義については、後述する。 Here, when the rate of increase of Ω is small, the transition from the initial state | u> to the ground state | g> is performed with little loss. This enables photon generation even in the intermediate region (see, for example, Reference 1). The definition of the intermediate region will be described later.
そのために、制御光発生部1は、Tを所定の時間として、以下の式(1)を満たすように、Ωの増加率を制御してもよい。α2(t)は、原子が基底状態|e>であり、かつ、共振器21内に光子が存在する状態に対応する、時刻tにおける重みである。
Therefore, the control
非特許文献1では弱結合領域、非特許文献2では強結合領域における光子の生成が行われているが、中間領域における光子の生成は行われていなかった。ここで、弱結合領域とはg<<κとなる領域であり、強結合領域とはg>κ,γとなる領域である。中間領域は、g〜κとなる領域である。ここで、"〜"は大体同じ値であり、言い換えれば大きく離れていないことを意味する。例えば、"〜"の左辺の値と右辺の値が1桁離れている場合にはこれらの値は大体同じであると言えるが、これらの値が3桁離れている場合にはこれらの値は大体同じではないと言える。また、"<<"は、"<<"の左の値が、"<<"の右の値よりも十分小さいことを表す。
In
これに対して、制御光発生部1が上記の式(1)を満たすようにΩの増加率を制御することで、言い換えれば制御光の増加率を十分緩慢にすることで、中間領域でも光子生成が可能となる(例えば、参考文献1参照。)。
On the other hand, by controlling the increase rate of Ω so that the control
なお、制御光発生部1は、Tを所定の時間として、以下の式(2)を満たすように、Ωの増加率を制御してもよい。これにより、より安定的に中間領域での光子生成が可能となる。
The control
[変形例]
以上、本発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、これらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計の変更等があっても、本発明に含まれることはいうまでもない。
[Modification example]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the specific configuration is not limited to these embodiments, and even if the design is appropriately changed without departing from the spirit of the present invention, the specific configuration is not limited to these embodiments. Needless to say, it is included in the present invention.
実施の形態において説明した各種の処理は、記載の順に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。 The various processes described in the embodiments are not only executed in chronological order according to the order described, but may also be executed in parallel or individually as required by the processing capacity of the device that executes the processes.
例えば、光子生成装置は、外部結合率制御部3を備えていなくてもよい。この場合、外部結合率κexは、κex=ακin(1+2Cin)(1/2)に初期設定されているとする。
For example, the photon generator does not have to include the outer coupling
1 制御光発生部
2 キャビティQED系部
21 共振器
3 外部結合率制御部
1 Control
Claims (3)
前記制御光を受けて初期状態から励起状態に励起し、前記励起状態から基底状態に遷移するときに光子を発生させる原子と、前記光子を閉じ込め、所定の外部結合率κexで外部に放出する共振器とを含むキャビティQED系部と、
を含み、
前記キャビティQED系部の内部損失率をκinとし、前記原子と前記光子の結合率をgとし、前記原子の誘起分極の減衰レートをγとし、Cin=g2/2κinγとし、所定の補正係数をαとして、前記外部結合率κexは、κex=ακin(1+2Cin)(1/2)を満たすように設定されている、
光子生成装置。 A control light generator that generates control light,
It excites from the initial state to the excited state by receiving the control light, traps the atom that generates a photon when transitioning from the excited state to the ground state, and the photon, and emits it to the outside with a predetermined external coupling rate κ ex. Cavity QED system including resonator and
Including
Wherein the internal loss factor kappa in cavity QED systems unit, the coupling ratio of the said atoms photons and g, the attenuation rate of the induced polarization of the atoms and gamma, and C in = g 2 / 2κ in γ, predetermined The outer coupling rate κ ex is set to satisfy κ ex = ακ in (1 + 2C in ) (1/2) , where α is the correction coefficient of.
Photon generator.
前記外部結合率κexがκex=ακin(1+2Cin)(1/2)を満たすように制御する外部結合率制御部、
を更に含む光子生成装置。 The photon generator according to claim 1.
External coupling ratio control unit that the external coupling factor kappa ex is controlled to satisfy the κ ex = ακ in (1 + 2C in) (1/2),
A photon generator that further comprises.
Tを所定の時間とし、前記原子が前記基底状態であり、かつ、共振器21内に光子が存在する状態に対応する、時刻tにおける重みをα2(t)とし、κ=κex+κinとし、前記キャビティQED系部内の光電場の減衰率をγとし、制御光を与えることで発生する、前記初期状態と前記励起状態との間の遷移周波数をΩとし、C=g2/(2κγ)として、以下の式を満たすように、Ωの増加率が制御されている、
Let T be a predetermined time, let α 2 (t) be the weight at time t corresponding to the state where the atom is in the ground state and the photon exists in the resonator 21, and κ = κ ex + κ. In, the attenuation factor of the photoelectric field in the cavity QED system is γ, the transition frequency between the initial state and the excited state generated by applying control light is Ω, and C = g 2 / ( As 2κγ), the rate of increase in Ω is controlled so as to satisfy the following equation.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019038514A JP7141640B2 (en) | 2019-03-04 | 2019-03-04 | photon generator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019038514A JP7141640B2 (en) | 2019-03-04 | 2019-03-04 | photon generator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020144163A true JP2020144163A (en) | 2020-09-10 |
JP7141640B2 JP7141640B2 (en) | 2022-09-26 |
Family
ID=72354114
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019038514A Active JP7141640B2 (en) | 2019-03-04 | 2019-03-04 | photon generator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7141640B2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021056434A (en) * | 2019-10-01 | 2021-04-08 | 日本電信電話株式会社 | Photon generation device |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008064407A1 (en) * | 2006-11-28 | 2008-06-05 | Uniquest Pty Limited | Single photon source |
JP2008243915A (en) * | 2007-03-26 | 2008-10-09 | Japan Science & Technology Agency | Light-emitting element |
JP2009080311A (en) * | 2007-09-26 | 2009-04-16 | Toshiba Corp | Optical resonator |
JP2009081322A (en) * | 2007-09-27 | 2009-04-16 | Toshiba Corp | Single-photon generation apparatus, and quantum bit reading apparatus and method |
-
2019
- 2019-03-04 JP JP2019038514A patent/JP7141640B2/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008064407A1 (en) * | 2006-11-28 | 2008-06-05 | Uniquest Pty Limited | Single photon source |
JP2008243915A (en) * | 2007-03-26 | 2008-10-09 | Japan Science & Technology Agency | Light-emitting element |
JP2009080311A (en) * | 2007-09-26 | 2009-04-16 | Toshiba Corp | Optical resonator |
JP2009081322A (en) * | 2007-09-27 | 2009-04-16 | Toshiba Corp | Single-photon generation apparatus, and quantum bit reading apparatus and method |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021056434A (en) * | 2019-10-01 | 2021-04-08 | 日本電信電話株式会社 | Photon generation device |
JP7218869B2 (en) | 2019-10-01 | 2023-02-07 | 日本電信電話株式会社 | photon generator |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP7141640B2 (en) | 2022-09-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101399425B (en) | Single-photon generation apparatus and quantum bit reading apparatus and method | |
Afzelius et al. | Quantum memory for photons | |
Covey et al. | Telecom-band quantum optics with ytterbium atoms and silicon nanophotonics | |
Vivoli et al. | Proposal for an optomechanical bell test | |
Cao et al. | Concentrating partially entangled W-class states on nonlocal atoms using low-Q optical cavity and linear optical elements | |
EP3469594A1 (en) | Quantum memory device | |
Vogell et al. | Deterministic quantum state transfer between remote qubits in cavities | |
Neuwirth et al. | Quantum dot technology for quantum repeaters: from entangled photon generation toward the integration with quantum memories | |
Kumar et al. | Towards long-distance quantum networks with superconducting processors and optical links | |
Gonţa et al. | Dynamical entanglement purification using chains of atoms and optical cavities | |
Xia et al. | Controllable optical bistability of an asymmetric cavity containing a single two-level atom | |
Shahriar et al. | Connecting processing-capable quantum memories over telecommunication links via quantum frequency conversion | |
Vernon et al. | Quantum frequency conversion and strong coupling of photonic modes using four-wave mixing in integrated microresonators | |
Ruiz et al. | Relativistic ponderomotive Hamiltonian of a Dirac particle in a vacuum laser field | |
JP2020144163A (en) | Photon generator | |
Thornton et al. | Coherent diffusive photon gun for generating nonclassical states | |
JP7218869B2 (en) | photon generator | |
Tan | High-fidelity entangling gates with trapped-ions | |
Giannelli et al. | Weak coherent pulses for single-photon quantum memories | |
Lu et al. | Shortcuts to adiabatic passage for the generation of maximally entangle states in a distributed atom-cavity system | |
Akat’ev et al. | Optical parametric oscillator with quantum memory for quantum repeaters | |
Li et al. | Entanglement for excitons in two quantum dots placed in two separate single-mode cavities | |
Gu et al. | Hybrid Quantum Repeaters with Ensemble-based Quantum Memories and Single-spin Photon Transducers | |
WO2022091382A1 (en) | Optical computer | |
Schimpf et al. | Quantum dots as potential sources of strongly entangled photons for quantum networks |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20190305 |
|
A80 | Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80 Effective date: 20190328 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210408 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20220228 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220308 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220428 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20220830 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20220831 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7141640 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |