JP3984240B2 - Optical quantum gate and operation method thereof - Google Patents

Optical quantum gate and operation method thereof Download PDF

Info

Publication number
JP3984240B2
JP3984240B2 JP2004147848A JP2004147848A JP3984240B2 JP 3984240 B2 JP3984240 B2 JP 3984240B2 JP 2004147848 A JP2004147848 A JP 2004147848A JP 2004147848 A JP2004147848 A JP 2004147848A JP 3984240 B2 JP3984240 B2 JP 3984240B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
angular frequency
physical system
intensity
transition
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.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2004147848A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2005331592A (en
Inventor
厚一 市村
隼人 後藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2004147848A priority Critical patent/JP3984240B2/en
Publication of JP2005331592A publication Critical patent/JP2005331592A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3984240B2 publication Critical patent/JP3984240B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

本発明は、微弱な制御光で微弱な被制御光の量子状態を大きく制御できる光量子ゲートおよびその動作方法に関する。   The present invention relates to a photon gate capable of greatly controlling the quantum state of weak controlled light with weak control light and an operation method thereof.

近年、量子力学的な重ね合わせの状態に情報を担わせて、情報処置や通信を行う量子情報処理が盛んに研究され、実用化のためのデバイスが開発されるようになってきている。量子情報を担う物理的実体として、光子などの電磁場や核スピンなどの物質系が用いられている。特に光子は、デコヒーレンスと呼ばれる量子状態の劣化を少なく抑えたまま、量子情報を長距離運ぶのに都合がよく、量子通信における情報媒体に最適と考えられている。また、光子を利用した量子コンピュータも提案されている。   2. Description of the Related Art In recent years, quantum information processing that performs information processing and communication by giving information to a quantum mechanical superposition state has been actively studied, and devices for practical use have been developed. As physical entities that carry quantum information, electromagnetic systems such as photons and matter systems such as nuclear spins are used. In particular, photons are convenient for carrying quantum information over long distances while suppressing deterioration of the quantum state called decoherence, and are considered to be optimal for information media in quantum communication. A quantum computer using photons has also been proposed.

これらの光子利用の量子情報処理では、第1の光によって、第2の光の量子状態を変化させる光量子ゲートが必要である。例えば第1の光の強度に応じて、第2の光の位相を変化させる量子位相ゲートなどである。しかし、光子を使った量子通信や量子計算では微弱な光で微弱な光(理想的には単一光子同士)の量子状態を制御する必要があり、そのためには巨大な非線形性を必要とするため、第2の光に必要十分な量子状態変化を誘起できる光量子ゲートの実現は極めて困難であった。   In the quantum information processing using these photons, a photon gate that changes the quantum state of the second light by the first light is necessary. For example, a quantum phase gate that changes the phase of the second light according to the intensity of the first light. However, in quantum communication and quantum computation using photons, it is necessary to control the quantum state of weak light (ideally, single photons) with weak light, which requires huge nonlinearity. Therefore, it has been extremely difficult to realize a photon gate capable of inducing a necessary and sufficient quantum state change in the second light.

こうした状況の下、電磁波誘起透明化(Electromagnetically induced transparency, EIT)と呼ばれる物理現象を利用して、吸収による損失を回避しつつ巨大な非線形性を誘起するいくつかの方法が提案された。それらの方法では、共鳴領域において、吸収に寄与する線形感受率がEITによる量子干渉で打ち消し合う一方、非線形感受率は強め合うまたは共鳴に起因する大きな値をとるという、EITが持つ、非線形過程の効率的利用に好都合な性質が活用されている。H. Schmidtらは、この性質を利用した光による量子位相ゲートを提案している(非特許文献1)。また、その後、Schmidtらの方法を改良した様々な方法が提案されている。   Under these circumstances, several methods have been proposed for inducing huge nonlinearities while avoiding losses due to absorption, using a physical phenomenon called electromagnetically induced transparency (EIT). In these methods, in the resonance region, the linear susceptibility that contributes to absorption cancels with quantum interference due to EIT, while the nonlinear susceptibility increases or takes a large value due to resonance. Properties that are advantageous for efficient use are utilized. H. Schmidt et al. Have proposed a light-based quantum phase gate utilizing this property (Non-patent Document 1). Thereafter, various methods improved from the method of Schmidt et al. Have been proposed.

しかし、これらの方法では、光にかかわるエネルギー状態を4つだけ考えればよい非常に単純な物質を想定している。実際には、物質は個々の物理系間でそれぞれ対応するエネルギー状態のエネルギー値が少しずつ異なる原子、イオン、分子などの物理系集団からなり、遷移エネルギーに不均一幅と呼ばれる幅を持つ分布が存在する。しかも、EITに関与するエネルギー状態の近傍に余計な他のエネルギー状態が存在することが多い。そのような余計な状態はEITを起こさずに吸収損失の原因となるため、損失のない量子ゲートの実現は、H. Schmidtらの提案のよっても、やはり困難であると考えられる。とりわけデバイス化に有利な固体材料では一般に不均一幅が大きく、エネルギー状態の構造も複雑であるため、損失のない量子ゲートの実現は大変困難であると考えられていた。   However, these methods assume a very simple substance that only needs to consider four energy states related to light. Actually, a substance consists of a group of physical systems such as atoms, ions, and molecules that have slightly different energy values corresponding to each physical system, and the distribution of transition energy has a width called a non-uniform width. Exists. In addition, there are many other energy states in the vicinity of the energy state involved in EIT. Since such an extra state causes absorption loss without causing EIT, it is still considered difficult to realize a quantum gate without loss according to the proposal of H. Schmidt et al. In particular, a solid material advantageous for device formation generally has a large non-uniform width and a complicated energy state structure. Therefore, it has been considered that it is very difficult to realize a quantum gate without loss.

一方、材料の非線形性に頼らず、線形光学素子のみを利用した光量子ゲートまたは量子コンピュータも提案され、最近では量子ビット数(量子ビットは量子情報処理において情報を表す単位である)に拡張性のある方法も提案され、基礎的な実験も行われている。しかしこの方法では、材料の非線形性を利用しない代わりに、いわば“人の手による非線形性”を導入するための高効率の光子検出器、速いフィードバック系などを必要とし、また、動作が確率的であるなどの技術的に困難な点を持つ。   On the other hand, optical quantum gates or quantum computers that use only linear optical elements without relying on the nonlinearity of materials have been proposed, and recently, the number of qubits (quantum bits are units representing information in quantum information processing) has been extended. Some methods have been proposed and basic experiments have been conducted. However, this method requires a high-efficiency photon detector, a fast feedback system, etc. to introduce “non-linearity by human hand” instead of using the nonlinearity of the material, and the operation is stochastic. It has technical difficulties such as.

このように、光量子ゲートを実現するための従来の方法には、現実の系で、吸収による損失なく、大きな非線形性を利用することが困難であるという問題点があり、これらの問題を解決する現実的な方法は従来知られていなかった。
H. Schmidt and A. Imamoglu, Opt. Lett. 21, 1936(1996).
As described above, the conventional method for realizing the optical quantum gate has a problem that it is difficult to use a large non-linearity without a loss due to absorption in an actual system, and solves these problems. No realistic method has been known in the past.
H. Schmidt and A. Imamoglu, Opt. Lett. 21, 1936 (1996).

本発明の目的は、不均一幅に起因してエネルギー状態間の遷移エネルギーが個々の間で異なる、光と相互作用する物理系(原子、イオン、分子など)の集団を用いるにもかかわらず、光の吸収による損失が抑制され、微弱な制御光で微弱な被制御光の量子状態を大きく制御できる光量子ゲートとその動作方法を提供することにある。   The purpose of the present invention is to use a group of physical systems (atoms, ions, molecules, etc.) that interact with light, where the transition energy between energy states differs between individuals due to non-uniform widths. An object of the present invention is to provide an optical quantum gate capable of suppressing loss due to light absorption and greatly controlling the quantum state of weak controlled light with weak control light, and an operation method thereof.

本発明の一態様に係る光量子ゲートは、少なくとも4つのエネルギー状態(ここで前記4つのエネルギー状態をエネルギーの低い方から順に|1>、|2>、|3>、|4>とする)を有する物理系を含む物理系集団と、前記物理系集団の一部の物理系に関して|1>と|3>の間の遷移に共鳴する角周波数ωaの光Aおよび|2>と|3>の間の遷移に共鳴する角周波数ωcの光Cを発生する第1の光源系と、前記4つのエネルギー状態のうち2つからなるいずれの遷移にも共鳴しない角周波数ωbの制御光Bを発生する第2の光源系と、前記物理系集団に光C、前記光Aと同じ角周波数ωaを持つかまたは光Aの持つ角周波数帯に含まれる角周波数帯を持つ被制御光Sおよび制御光Bを照射し、被制御光Sに制御光Bを作用させてゲート動作を行う前に、前記物理系集団に光Aと光Cをこの順番で照射し、前記光Aと前記光Cの強度を制御する強度制御用回路を含む制御部とを有することを特徴とする。 The photon gate according to one embodiment of the present invention has at least four energy states (here, the four energy states are set as | 1>, | 2>, | 3>, | 4> in order from the lowest energy). A physical system group including a physical system and a light A having an angular frequency ω a that resonates with a transition between | 1> and | 3> and | 2> and | 3> A first light source system that generates light C having an angular frequency ω c that resonates with a transition between and a control light B having an angular frequency ω b that does not resonate with any of the two energy states. And the controlled light S having the same angular frequency ω a as the light C and the light A or having an angular frequency band included in the angular frequency band of the light A. And before irradiating the control light B and causing the control light B to act on the controlled light S and performing the gate operation, the physical system group is irradiated with the light A and the light C in this order, And a control unit including an intensity control circuit for controlling the intensity of the light A and the light C.

本発明の他の態様に係る光量子ゲートの動作方法は、少なくとも4つのエネルギー状態(ここで前記4つのエネルギー状態をエネルギーの低い方から順に|1>、|2>、|3>、|4>とする)を有する物理系を含む物理系集団に対し、その一部の物理系に関して|1>と|3>の間の遷移に共鳴する角周波数ωaの光Aと|2>と|3>の間の遷移に共鳴する角周波数ωcの光Cをこの順番で照射し、前記物理系集団に、光Cと、前記光Aと同じ角周波数ωaを持つかまたは光Aの持つ角周波数帯に含まれる角周波数帯を持つ被制御光Sと、前記4つのエネルギー状態のうち2つからなるいずれの遷移にも共鳴しない角周波数ωbの制御光Bとを照射し、被制御光Sに制御光Bを作用させてゲート動作を行うことを特徴とする。 The operation method of the photon gate according to another aspect of the present invention includes at least four energy states (where the four energy states are | 1>, | 2>, | 3>, | 4> in order from the lowest energy). For some physical systems, light A, | 2>, and | 3 with angular frequency ω a that resonates with the transition between | 1> and | 3> Are irradiated in this order with light C having an angular frequency ω c that resonates with a transition between> and the physical system group has the same angular frequency ω a as that of light C and light A, or the angle of light A Irradiating the controlled light S having an angular frequency band included in the frequency band and the control light B having the angular frequency ω b that does not resonate with any of the two energy states, the controlled light B A gate operation is performed by causing control light B to act on S.

本発明の実施形態において、「光Aと同じ角周波数ωaを持つかまたは光Aの持つ角周波数帯に含まれる角周波数帯を持つ被制御光S」とは、中心角周波数ωS(c)と角周波数幅ΔSがωa(c)-ΔA≦ωS(c)-ΔSかつωS(c)+ΔS≦ωa(c)+ΔA(ここで、ωa(c)、ΔAはそれぞれ光Aの中心角周波数と角周波数幅)の関係を満たす被制御光Sのことである。 In the embodiment of the present invention, “the controlled light S having the same angular frequency ω a as the light A or having an angular frequency band included in the angular frequency band of the light A” refers to the central angular frequency ω S (c ) And the angular frequency width ΔS is ω a (c) −ΔA ≦ ω S (c) −ΔS and ω S (c) + ΔS ≦ ω a (c) + ΔA (where ω a (c) and ΔA are Each of the controlled lights S satisfies the relationship between the central angular frequency and the angular frequency width of the light A).

本発明によれば、入射光に共鳴し光吸収による損失の原因となるエネルギー状態が多数存在する現実の物理系集団を利用した、光の吸収による損失がなく、微弱な制御光で微弱な被制御光の量子状態を大きく制御可能な光量子ゲートとその方法を提供することができる。   According to the present invention, there is no loss due to light absorption using a real physical system group that has many energy states that resonate with incident light and cause loss due to light absorption. An optical quantum gate capable of greatly controlling the quantum state of control light and a method thereof can be provided.

本発明の光量子ゲートについて説明する前に、まず、従来技術である、EITを利用しない量子ゲートと、SchmidtらによるEITを利用した光量子ゲートを説明する。   Before describing the optical quantum gate of the present invention, first, a quantum gate that does not use EIT and an optical quantum gate that uses EIT by Schmidt et al. Will be described.

図1に、EITを利用しない、光カー効果による従来の光量子ゲートのスキームを示す。このスキームでは、少なくとも3つのエネルギー状態(これらのエネルギー状態をエネルギーの低い方から順に|g>、|i>、|u>とする)を有する物理系を用い、カー効果(相互位相変調)を利用して、角周波数ωaの被制御光の位相を角周波数ωbの制御光によって制御する。カー効果にかかわる非線形性χ(3)の値を大きくするためには、状態|i>または状態|u>との離調Δωa、Δωbを小さくしたほうが有利であるが、吸収が増大するため離調をある程度以上小さくすることはできない。また、このままの構成では被制御光の自己位相変調が起こり、これも光量子ゲート動作の妨げになる。 FIG. 1 shows a conventional photon gate scheme based on the optical Kerr effect without using EIT. This scheme uses a physical system with at least three energy states (with these energy states in order from the lowest energy | g>, | i>, | u>), and the Kerr effect (cross-phase modulation). using controls the controlled light of the phase of the angular frequency omega a by the control light of angular frequency omega b. In order to increase the value of the nonlinearity χ (3) related to the Kerr effect, it is more advantageous to decrease the detuning Δω a and Δω b from the state | i> or the state | u>, but the absorption increases. Therefore, the detuning cannot be reduced to a certain extent. Further, in the configuration as it is, self-phase modulation of the controlled light occurs, which also hinders the photon gate operation.

図2に、Schmidtらが提案した、上記の問題点をEITの利用で回避するスキームを示す。このスキームでは、少なくとも4つのエネルギー状態(これらのエネルギー状態をエネルギーの低い方から順に|1>、|2>、|3>、|4>とする)を有する物理系(EIT媒質)を用い、状態|2>、|3>間を結ぶ角周波数ωcの光(カップリング光)と、状態|1>、|2>間を結ぶ角周波数ωaの被制御光とでEITを誘起させる。また、状態|2>、|4>間の遷移とΔωbの離調をもつ角周波数ωbの制御光を入射する。図2のΓ3、Γ4は、それぞれ状態|3>、|4>からの緩和速度である。このスキームでは、EITにより被制御光の吸収が消失しているので、媒質による1光子過程の損失がなく、媒質中の長い相互作用長による大きな位相シフトが可能になる。また、状態|1>、|2>間遷移の高次の非線形性が消失し、自己位相変調も回避できる。Schmidtらの計算によれば、このスキームで得られる被制御光の位相シフトφは式(1)のように表される。

Figure 0003984240
FIG. 2 shows a scheme proposed by Schmidt et al. For avoiding the above problems by using EIT. This scheme uses a physical system (EIT medium) that has at least four energy states (in order from the lowest energy | 1>, | 2>, | 3>, | 4>), EIT is induced by light (coupling light) having an angular frequency ω c connecting the states | 2> and | 3> and controlled light having an angular frequency ω a connecting the states | 1> and | 2>. Further, control light having an angular frequency ω b having a transition between the states | 2> and | 4> and a detuning of Δω b is incident. Γ 3 and Γ 4 in FIG. 2 are relaxation rates from states | 3> and | 4>, respectively. In this scheme, the absorption of the controlled light disappears due to EIT, so there is no loss of the one-photon process by the medium, and a large phase shift due to the long interaction length in the medium is possible. Further, the high-order nonlinearity of the transition between the states | 1> and | 2> disappears, and self-phase modulation can be avoided. According to the calculation by Schmidt et al., The phase shift φ of the controlled light obtained by this scheme is expressed as in equation (1).
Figure 0003984240

ただし、Lは媒質の長さ、Nは原子(媒質中で吸収を担う、原子、イオン、分子など)の密度、Ebは制御光の電場、μ13、μ24はそれぞれ状態|1>、|3>間、|2>、|4>間の遷移双極子モーメント、Ωcはカップリング光と原子との相互作用の大きさを表すラビ角周波数である。Ωcは、式(2)のように表される。

Figure 0003984240
Where L is the length of the medium, N is the density of atoms (atoms, ions, molecules, etc. responsible for absorption in the medium), E b is the electric field of the control light, μ 13 and μ 24 are the states | 1>, The transition dipole moment between | 3>, | 2>, and | 4>, Ω c is the Rabbi angular frequency representing the magnitude of the interaction between the coupling light and the atom. Ω c is expressed as in equation (2).
Figure 0003984240

ただし、Ecはカップリング光の電場、hはプランク定数である。 Where E c is the electric field of the coupling light, and h is the Planck constant.

EIT誘起可能な媒質では状態|2>からの緩和速度Γ2は非常に小さいため、EIT誘起の条件であるΩc 2>Γ2Γ3という関係を満たしたまま、Ωcを非常に小さくすることができる。その結果、φを非常に大きくすることができる。 In the EIT-inducible medium, the relaxation rate Γ 2 from state | 2> is very small, so Ω c is made very small while satisfying the relationship of Ω c 2 > Γ 2 Γ 3 which is the condition for EIT induction. be able to. As a result, φ can be made very large.

このスキームで損失の原因となるのは、2光子吸収である。2光子過程による吸光度αLに対する位相シフトはこの光量子ゲートの性能指数となり、その値は式(3)で与えられる。

Figure 0003984240
The source of loss in this scheme is two-photon absorption. The phase shift with respect to the absorbance αL due to the two-photon process becomes the figure of merit of this photon gate, and its value is given by Equation (3).
Figure 0003984240

式(3)は性能指数が光強度によらないことを意味する。従って、性能指数とΩcは独立に設定できる。つまり非常に微弱な光でも、損失の割合を抑えたまま、所望の位相シフトが得られることになる。
さらに、このスキームをもとに、様々な改良スキームが提案されている。
Equation (3) means that the figure of merit does not depend on the light intensity. Therefore, the figure of merit and Ω c can be set independently. That is, even with very weak light, a desired phase shift can be obtained while suppressing the loss ratio.
Furthermore, various improved schemes have been proposed based on this scheme.

ところで、これらのEIT利用のスキームを実際のEIT媒質、特にデバイス化に有利な固体材料で実行しようとすると、EITだけでは、吸収による損失を完全に消失させることは難しい。これは、実際の物理系では多くの場合、EITを起こさない多数の余計なエネルギー状態が吸収に寄与しており、吸収損失がなくならないためである。   By the way, when trying to implement these EIT utilization schemes with actual EIT media, especially solid materials that are advantageous for device development, it is difficult to completely eliminate the loss due to absorption with EIT alone. This is because, in an actual physical system, in many cases, many extra energy states that do not cause EIT contribute to absorption, and absorption loss does not disappear.

以下では、固体で重ね合わせの状態が実現できEITが観測されている(K. Ichimura, K. Yamamoto, N. Gemma, Phys. Rev. A58, 4116(1998).)、希土類イオンPr3+を分散させた酸化物結晶Y2SiO5を例に、従来の方法では吸収損失が完全にはなくならない様子、および本発明によりその吸収が回避できる機構を説明する。 In the following, superposition of solids can be realized and EIT is observed (K. Ichimura, K. Yamamoto, N. Gemma, Phys. Rev. A58, 4116 (1998).), Rare earth ions Pr 3+ Taking the dispersed oxide crystal Y 2 SiO 5 as an example, the state in which absorption loss is not completely eliminated by the conventional method and the mechanism by which the present invention can avoid the absorption will be described.

図3に、Pr3+イオンを分散させたY2SiO5において、EITの観測に実際に利用されたエネルギー状態を示す。これらの状態で、Schmidtのスキームに従ってEITを実行する場合を考える。すなわち、これらの状態(の一部)は、図2におけるエネルギー状態|1>、|2>、|3>に相当する。 FIG. 3 shows energy states actually used for EIT observation in Y 2 SiO 5 in which Pr 3+ ions are dispersed. Consider the case where EIT is executed according to Schmidt's scheme in these states. That is, these states (a part of) correspond to the energy states | 1>, | 2>, and | 3> in FIG.

図3に示すように、光遷移で結ばれた上の3状態と下の3状態はそれぞれ超微細相互作用で3つずつに分裂している。その分裂の間隔は周波数にして数MHzから十数MHzである。また、図3には示していないが、この物質の上の3状態と下の3状態を結ぶ光遷移には不均一幅と呼ばれる遷移エネルギーのばらつきがあり、その分布の幅は約10GHzである。   As shown in FIG. 3, the upper three states and the lower three states connected by optical transition are each split into three by hyperfine interaction. The interval of the division is several MHz to several tens of MHz in frequency. In addition, although not shown in FIG. 3, the optical transition connecting the upper three states and the lower three states of this material has a variation in transition energy called non-uniform width, and the distribution width is about 10 GHz. .

EITを誘起するためには、図中に示したように、下の2つの状態と上の1つの状態を結ぶ2波長の光、すなわちカップリング光と被制御光を照射する。EITは、照射した2波長の光が2光子共鳴する場合に起きるので、カップリング光と被制御光の周波数差を下の3つの状態から選んだ2つの状態間のエネルギー差に相当する17.3MHzに設定して照射する場合を考える。以下では、図3に示したPr3+イオンの6つのエネルギー状態を、エネルギーの低い方から順番に状態|1>、|2>、|3>、|4>、|5>、|6>とする。 In order to induce EIT, as shown in the figure, two wavelengths of light connecting the lower two states and the upper one, that is, coupling light and controlled light are irradiated. Since EIT occurs when two-wavelength irradiated light undergoes two-photon resonance, the frequency difference between the coupling light and the controlled light is 17.3 MHz, which corresponds to the energy difference between the two states selected from the three states below. Consider the case of irradiation with setting. Below, the six energy states of the Pr 3+ ion shown in FIG. 3 are in order from the lowest energy | 1>, | 2>, | 3>, | 4>, | 5>, | 6> And

このような物質の場合、超微細相互作用で分裂した状態間のエネルギー差が、光学遷移の不均一幅より小さいことに注意する必要がある。いま、カップリング光および被制御光の周波数を図3の下の状態と上の状態を結ぶ光学遷移の周波数に合わせて(合わせたつもりで)照射する場合を考える。図3では、カップリング光と被制御光がそれぞれ状態|2>、|6>間の遷移および状態|1>、|6>間の遷移に共鳴するイオンを操作する場合を示してあるが、実際には、図4に示すように、それぞれ状態|2>、|6>間遷移および状態|1>、|6>間遷移に共鳴するイオンのほかに、それぞれ|2>、|5>間遷移、|1>、|5>間遷移に共鳴するイオンおよび|2>、|4>間遷移、|1>、|4>間遷移に共鳴するイオンも存在する(図4のイオン1、2、3)。これらは2光子共鳴の条件を満たすためEITを起こす。しかし、被制御光が|3>-|4>間遷移に共鳴し、カップリング光が共鳴する遷移がない(図4のイオン4)、または被制御光が|2>、|4>間遷移に共鳴し、カップリング光が共鳴する遷移がない(図4のイオン5)など、EITを起こさず被制御光の吸収に寄与するイオンも存在する。これらのイオンが存在するために、吸収はなくならない。   It should be noted that for such materials, the energy difference between states split by hyperfine interactions is less than the non-uniform width of the optical transition. Consider a case in which the frequency of the coupling light and the controlled light is irradiated in accordance with the frequency of the optical transition connecting the lower state and the upper state in FIG. FIG. 3 shows a case where the coupling light and the controlled light manipulate ions that resonate with the transition between the states | 2> and | 6> and the transition between the states | 1> and | 6>, respectively. In fact, as shown in Fig. 4, in addition to the ions that resonate with the transition between states | 2> and | 6> and the transition between states | 1> and | 6>, respectively, between | 2> and | 5> There are also ions that resonate between transitions, | 1>, | 5> transitions, and ions that resonate between | 2>, | 4> transitions, | 1>, | 4> transitions (ions 1, 2 in FIG. 4). , 3). These cause EIT to satisfy the two-photon resonance condition. However, the controlled light resonates with the transition between | 3>-| 4> and there is no transition where the coupling light resonates (ion 4 in FIG. 4), or the controlled light transitions between | 2> and | 4>. There are also ions that contribute to the absorption of controlled light without causing EIT, such as there is no transition in which the coupling light resonates (ion 5 in FIG. 4). Due to the presence of these ions, absorption does not go away.

上記の考察では、状態|1>、|2>、|3>の間の不均一幅、または状態|4>、|5>、|6>の間の不均一幅、光遷移の均一幅(個々のイオンが固有に持つ共鳴幅)、および照射光のスペクトル幅はこれらの状態間のエネルギー差に比べて十分小さく、またPr3+イオンの光照射前のポピュレーションは下の3状態に分布していると仮定している。この仮定は、液体ヘリウム温度(4K程度)に冷却したPr3+:Y2SiO5に狭帯域のリング色素レーザーからの光を照射するなどの方法により実際に満たすことが可能である。 From the above considerations, the non-uniform width between states | 1>, | 2>, | 3>, or the nonuniform width between states | 4>, | 5>, | 6>, the uniform width of light transitions ( The resonance width inherent to each ion) and the spectral width of the irradiated light are sufficiently small compared to the energy difference between these states, and the population of Pr 3+ ions before irradiation is distributed in the three states below. Is assumed. This assumption can be actually satisfied by a method such as irradiating light from a narrow band ring dye laser onto Pr 3+ : Y 2 SiO 5 cooled to liquid helium temperature (about 4K).

次に、どのような遷移エネルギー(遷移周波数)を持つイオンがEITを起こし、どのようなイオンがEITを起こさず吸収の原因となるのか、あるいは、光を吸収したイオンはどの状態に移るかなどを考察するために、2つの遷移の遷移周波数を2軸とする2次元の遷移周波数平面上でのPr3+イオンの分布を考える。 Next, what kind of transition energy (transition frequency) causes EIT, what kind of ion does not cause EIT and causes absorption, or what state the ion that absorbed light moves to, etc. Therefore , we consider the distribution of Pr 3+ ions on a two-dimensional transition frequency plane with two transition frequencies of two transitions.

EITは、共通の最もエネルギーの高い状態と下の2つの状態を結ぶ2つの遷移に共鳴する光照射により起こる。図5は、その遷移に共鳴する光を照射することによりEITが起こる2つの遷移の周波数のうち大きいほうの遷移周波数をx軸(横軸)、小さい方の遷移周波数をy軸(縦軸)にとり、Y2SiO5結晶内のPr3+イオンの分布する範囲を模式的に表した図である。状態|1>から|6>までを考えた場合、光照射によりEITを起こす遷移の組は、(|2>-|4>, |3>-|4>)、(|2>-|5>, |3>-|5>)、(|2>-|6>, |3>-|6>)、(|1>-|4>, |2>-|4>)、(|1>-|5>, |2>-|5>)、(|1>-|6>, |2>-|6>)、(|1>-|4>, |3>-|4>)、(|1>-|5>, |3>-|5>)、(|1>-|6>, |3>-|6>)の9組である。それぞれの括弧内には、左に遷移周波数のより大きい遷移を記してある。図5における重なり合った9つの楕円は、上記のそれぞれの遷移の組に対応する、遷移周波数平面上でのイオンの分布を模式的に示したものである。 EIT is caused by light irradiation that resonates with the two transitions that connect the two most common states with the highest energy state. FIG. 5 shows the larger transition frequency of two transition frequencies in which EIT occurs by irradiating light that resonates with the transition, on the x-axis (horizontal axis), and the smaller transition frequency on the y-axis (vertical axis). FIG. 3 is a diagram schematically showing a range in which Pr 3+ ions are distributed in a Y 2 SiO 5 crystal. When considering states | 1> to | 6>, the transition pairs that cause EIT by light irradiation are (| 2>-| 4>, | 3>-| 4>), (| 2>-| 5 >, | 3>-| 5>), (| 2>-| 6>, | 3>-| 6>), (| 1>-| 4>, | 2>-| 4>), (| 1 >-| 5>, | 2>-| 5>), (| 1>-| 6>, | 2>-| 6>), (| 1>-| 4>, | 3>-| 4>) , (| 1>-| 5>, | 3>-| 5>), (| 1>-| 6>, | 3>-| 6>). In each parenthesis, a transition with a larger transition frequency is marked on the left. Nine overlapping ellipses in FIG. 5 schematically show the distribution of ions on the transition frequency plane corresponding to each of the above-described transition sets.

それぞれの楕円のx軸方向の幅(分布)は、対応する遷移の組の左側の光学遷移の不均一幅に相当する。それぞれの楕円のy軸方向の幅は、対応する遷移の組の右側の光学遷移の不均一幅に相当する。また、それぞれの楕円の短軸方向の長さの21/2倍が、対応する遷移の組を構成する3つの状態のうち、光では結ばれない下2状態間の不均一幅に相当する。実際には、下2状態間の不均一幅は数十kHzであるのに対し、光学遷移の不均一幅は約10GHzであり、10万倍以上の差がある。しかし、図5では、楕円が重なっている様子を理解しやすくする目的で、分布を表す楕円の短軸方向を拡大し、長軸方向を縮小してある。 The width (distribution) of each ellipse in the x-axis direction corresponds to the non-uniform width of the optical transition on the left side of the corresponding transition set. The width of each ellipse in the y-axis direction corresponds to the non-uniform width of the optical transition on the right side of the corresponding transition set. In addition, 2 1/2 times the length of each ellipse in the minor axis direction corresponds to the non-uniform width between the lower two states that are not connected by light among the three states constituting the corresponding transition set. . Actually, the non-uniform width between the lower two states is several tens of kHz, whereas the non-uniform width of the optical transition is about 10 GHz, which is more than 100,000 times different. However, in FIG. 5, the short axis direction of the ellipse representing the distribution is enlarged and the long axis direction is reduced for easy understanding of the overlapping of the ellipses.

図6に、遷移周波数平面上でのイオンの分布と照射光との関係を模式的に示す。図6は、結晶に周波数νcのカップリング光と周波数νaの被制御光(νac=17.3MHz)を照射することを示している。図6の丸印で示したA〜Kの部分のうち、その部分に含まれるイオンがすべてEITにより透明になるのはEの部分のみで、その他の領域に存在するイオンの少なくとも一部は1波長の光を照射した場合と同様に相互作用する。特にD、F、I、J、Kのそれぞれの少なくとも一部のイオンは、被制御光を吸収することになる。 FIG. 6 schematically shows the relationship between the distribution of ions on the transition frequency plane and the irradiation light. FIG. 6 shows that the crystal is irradiated with coupling light having a frequency ν c and controlled light having a frequency ν aa −ν c = 17.3 MHz). Of the portions A to K indicated by the circles in FIG. 6, only the portion of E in which all the ions contained in the portion become transparent by EIT, and at least some of the ions existing in other regions are 1 It interacts in the same way as when irradiating light of a wavelength. In particular, at least some ions of each of D, F, I, J, and K will absorb the controlled light.

本発明では、まず、光量子ゲートを構成する物理系集団に、被制御光と同じ角周波数を持つか、または被制御光の角周波数帯を含む光Aを照射する。光Aの照射時間は上状態の寿命より長いことが望ましく、また光Aによるイオンの上状態へのパンプレート(1秒間の光照射による励起確率)と照射時間との積は1より大きいことが望ましい。光Aの照射により、D、E、F、I、J、Kに分布するイオンはそれぞれ、上状態を経由して状態|3>か|2>、|2>か|3>、|3>か|1>、|2>か|1>、|1>か|3>、|1>か|2>に移る。この光Aを照射した後、他に光を照射しなければ、下状態間の縦緩和時間程度の間、ポピュレーションの移動により、すべてのイオンに関して被制御光の吸収は消失するか極めて小さくなる。   In the present invention, first, the physical system group constituting the photon quantum gate is irradiated with light A having the same angular frequency as the controlled light or including the angular frequency band of the controlled light. It is desirable that the irradiation time of light A is longer than the lifetime of the upper state, and that the product of the pan plate (excitation probability due to light irradiation for 1 second) of the ion by light A and the irradiation time is greater than 1. desirable. By irradiation with light A, the ions distributed in D, E, F, I, J, and K go through the upper state to the state | 3> or | 2>, | 2> or | 3>, | 3> Or | 1>, | 2> or | 1>, | 1> or | 3>, | 1> or | 2>. After irradiation with this light A, if no other light is irradiated, the absorption of the controlled light disappears or becomes extremely small for all ions due to the movement of the population during the longitudinal relaxation time between the lower states. .

本発明では、光A照射の直後にカップリング光Cを照射する。これにより、A、B、C、G、E、Hに分布するイオンはそれぞれ、状態|3>か|2>、|2>か|3>、|3>か|1>、|2>か|1>、|1>か|3>、|1>か|2>に移る。このカップリング光Cの照射後の状態では、Eの領域のみに、カップリング光または被制御光を吸収する可能性のあるイオンが分布するようになる。   In the present invention, the coupling light C is irradiated immediately after the light A irradiation. As a result, the ions distributed in A, B, C, G, E, and H are the states | 3> or | 2>, | 2> or | 3>, | 3> or | 1>, or | 2>, respectively. Move to | 1>, | 1> or | 3>, | 1> or | 2>. In the state after the irradiation with the coupling light C, ions that may absorb the coupling light or the controlled light are distributed only in the region E.

つまり本発明の方法で、大きな不均一幅と余計な状態を持っている物理系集団が、下状態間の縦緩和時間程度の間、あたかもEの部分だけに物理系が分布し、EITによりほぼ完全に吸収を消失させるのが容易な、余計な状態を持たない、狭い不均一幅を持つ物理系のように振る舞うようになる。   In other words, in the method of the present invention, a physical system group having a large non-uniform width and an extra state is distributed as if only in the E part during the longitudinal relaxation time between the lower states, and almost by EIT. It behaves like a physical system with a narrow non-uniform width that does not have an extra state that is easy to completely eliminate absorption.

図7は、光Aを照射し、次いでカップリング光Cを照射している最中またはカップリング光の照射を一度やめた後に下状態間の縦緩和時間以内に再びカップリング光を照射している最中であって、被制御光Sを入射する前の時点で、領域Eに分布するイオンのうち状態|1>にあるもののエネルギー状態と光との関係を示したものである。領域Eには状態|2>にあるイオンはなく、状態|3>にあるものは照射光との相互作用を無視できる。したがって、ゲート動作を議論する際には、状態|1>にあるイオンだけを考えればよい。   In FIG. 7, the light A is irradiated and then the coupling light C is irradiated or the coupling light is irradiated again within the longitudinal relaxation time between the lower states after the coupling light irradiation is stopped once. The relationship between the energy state of the ions in the state | 1> among the ions distributed in the region E and the light before the controlled light S is incident is shown. There is no ion in the state | 2> in the region E, and those in the state | 3> can ignore the interaction with the irradiation light. Therefore, when discussing the gate operation, only ions in the state | 1> need be considered.

カップリング光Cが照射され、イオンが状態|1>にある物理系の状態は、EITの状態(ダークステート、またはポピュレーション・トラッピングステートなどと呼ばれる)の特別な場合になっている。EITの状態は、一般に以下のように表される。

Figure 0003984240
The state of the physical system in which the coupling light C is irradiated and the ions are in the state | 1> is a special case of an EIT state (called a dark state or a population trapping state). The state of EIT is generally expressed as follows.
Figure 0003984240

ここで、Ωc1(t)、Ωs(t)はそれぞれカップリング光および被制御光とイオンとの相互作用の強さを表すラビ角周波数であり、次式(5)で与えられる。

Figure 0003984240
Here, Ω c1 (t) and Ω s (t) are Rabbi angular frequencies representing the strength of interaction between the coupling light and the controlled light and the ions, respectively, and are given by the following equation (5).
Figure 0003984240

ただし、μ2u、μ1uはそれぞれ状態|2>、|1>と上状態間の遷移双極子モーメント、Ec1、Esはそれぞれカップリング光、被制御光の電場を表す。 However, mu 2u, mu 1u each state | 2>, | 1> and the transition dipole moment between the upper state, E c1, E s, respectively coupling light represents the electric field of the controlled light.

図7で表される物理系の状態は、式(4)で表されるEITの状態のうち、被制御光強度がゼロ(Ωs(t)=0)である特別な場合とみなすことができる。従って、被制御光を入射する際に、Ωs(t)をゼロからアディアバティック(adiabatic)に変化させることで、(カップリング光の強度、位相に注意を払うことなく)最初から終わりまでEITの状態を保ったままゲート動作を行うことができる(J. R. Kuklinski, U. Gaubatz, F. T. Hioe, and K. Bergmann, Phys. Rev. A40(11), 6741(1989). N. T. Vitanov and S. Stenholm, Opt. Commun. 135, 394(1997).)。従って、物理系は一度も状態|3>に励起されることなく、EITが誘起されるまでの吸収損失も回避したゲート動作が可能になる。一般の始状態にあるイオンの場合、ゼロから立ち上がる被制御光を照射しつつ、系をEITの状態に保ったまま所望のカップリング光強度、被制御光強度のEITの状態にアディアバティックに移行させるのは強度、位相制御の点から事実上不可能で、所望のカップリング光強度、被制御光強度のEITの状態に移行するまでに、吸収による損失が生じる。これに対して、本発明の方法では、被制御光照射前に、カップリング光によって、関係するイオンを状態|1>に準備する。これにより、被制御光強度がゼロである入力前の状態を(特に光強度、位相に注意を払うことなく)自動的にEITの状態にすることができるので、その状態からゲート動作を開始し、アディアバティックな過程(adiabatic passage)によって終始吸収損失のないゲート動作が可能になる。 The state of the physical system shown in FIG. 7 can be regarded as a special case in which the controlled light intensity is zero (Ω s (t) = 0) among the EIT states expressed by Equation (4). it can. Therefore, by changing the Ω s (t) from zero to adiabatic when the controlled light is incident, EIT from the beginning to the end (without paying attention to the intensity and phase of the coupling light) The gate operation can be performed while maintaining this state (JR Kuklinski, U. Gaubatz, FT Hioe, and K. Bergmann, Phys. Rev. A40 (11), 6741 (1989). NT Vitanov and S. Stenholm, Opt. Commun. 135, 394 (1997).). Therefore, the physical system is never excited to the state | 3>, and the gate operation that avoids the absorption loss until the EIT is induced becomes possible. In the case of ions in the general starting state, the controlled light rising from zero is irradiated, and the system is maintained in the EIT state, and the desired coupling light intensity and controlled light intensity EIT state are transferred to the adiabatic state. It is practically impossible from the viewpoint of intensity and phase control, and a loss due to absorption occurs until the state shifts to an EIT state of desired coupling light intensity and controlled light intensity. On the other hand, in the method of the present invention, the related ions are prepared in the state | 1> by the coupling light before the controlled light irradiation. As a result, the state before the input when the controlled light intensity is zero can be automatically set to the EIT state (without paying attention to the light intensity and phase in particular), so the gate operation is started from that state. The adiabatic passage allows gate operation without absorption loss throughout.

入射する非制御光がパルスの場合、非制御光が物理系集団に入射後、カップリング光強度をより強度に徐々に変化させると、非制御光が減速し、長い相互作用時間により同じ制御光強度でもより大きな位相変化を非制御光に誘起することができる。   When the incident non-control light is a pulse, if the coupling light intensity is gradually changed after the non-control light is incident on the physical system group, the non-control light is decelerated, and the same control light is caused by a long interaction time. Even with intensity, a larger phase change can be induced in the uncontrolled light.

以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
(実施例1)
図8は本実施例に係る光量子ゲートのブロック図である。本実施例では、O.O5%のY3+イオンをPr3+に置換したPr3+:Y2SiO5結晶1を、光量子ゲートを構成する固体材料として利用する。結晶中の一部のPr3+イオンを物理系として用い、少なくとも4つのエネルギー状態を利用して量子ゲート動作のための非線形性を発現させる。結晶中には多数のPr3+イオンが含まれるので、物理系集団が形成されている。この結晶1は、光学窓付きのクライオスタット2中に設置され、液体ヘリウム温度に保たれる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
Example 1
FIG. 8 is a block diagram of the photon gate according to the present embodiment. In this embodiment, substituted Pr 3+ to O.O5% of Y 3+ ions in Pr 3+: Y 2 a SiO 5 crystal 1 is used as a solid material constituting the quantum gates. Some Pr 3+ ions in the crystal are used as a physical system, and nonlinearity for quantum gate operation is developed using at least four energy states. Since a large number of Pr 3+ ions are contained in the crystal, a physical system group is formed. This crystal 1 is placed in a cryostat 2 with an optical window and is kept at the liquid helium temperature.

光量子ゲートを初期化するための光源(第1の光源)としてアルゴンイオンレーザー11によって励起されるリング色素レーザー12を用意し、出力されるレーザー光の線幅を、中心周波数のジッターを抑制する安定化フィードバック系13により100kHz以内に狭窄化する。このレーザー光は50/50のビームスプリッター14で2つに分離され、片方のレーザー光は直進して第1の光路を通過し、もう片方のレーザー光はミラー15に反射されて第2の光路を通過する。   A ring dye laser 12 excited by an argon ion laser 11 is prepared as a light source (first light source) for initializing the photon gate, and the line width of the output laser light is stabilized to suppress jitter at the center frequency. It is narrowed within 100kHz by the integrated feedback system 13. This laser beam is separated into two by a 50/50 beam splitter 14, one laser beam goes straight and passes through the first optical path, and the other laser beam is reflected by the mirror 15 and reflected in the second optical path. Pass through.

第1の光路のレーザー光は強度制御用および周波数シフト用の音響光学素子16aにより強度と中心周波数(波長)を調整され、レーザー光AとしてPr3+:Y2SiO5結晶1に照射される。レーザー光Aの中心周波数(波長)は後述する被制御光の中心周波数(波長)とレーザー線幅の範囲内で一致する605.98nm近傍に設定される。この周波数νaは結晶中の一部のPr3+イオンに関して|1>と|3>の間の光学遷移に共鳴する。 The intensity and the center frequency (wavelength) of the laser light in the first optical path are adjusted by the intensity control and frequency shift acoustooptic elements 16a, and the Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal 1 is irradiated as laser light A . The center frequency (wavelength) of the laser light A is set in the vicinity of 605.98 nm which coincides with the center frequency (wavelength) of the controlled light described later within the range of the laser line width. This frequency ν a resonates with an optical transition between | 1> and | 3> for some Pr 3+ ions in the crystal.

第2の光路のレーザー光も強度および周波数制御用の音響光学素子16cにより強度と中心周波数(波長)を調整され、レーザー光CとしてPr3+:Y2SiO5結晶1に照射される。レーザー光Cの中心周波数(波長)はレーザー光Aの中心周波数(波長)に対して17.3MHz低周波数側に設定される。この周波数νcは結晶中の一部のPr3+イオンに関して|2>と|3>の間の光学遷移に共鳴する。 The intensity and center frequency (wavelength) of the laser light in the second optical path are adjusted by the acoustooptic device 16c for controlling the intensity and frequency, and the Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal 1 is irradiated as the laser light C. The center frequency (wavelength) of the laser beam C is set to the 17.3 MHz lower frequency side than the center frequency (wavelength) of the laser beam A. This frequency ν c resonates with an optical transition between | 2> and | 3> for some Pr 3+ ions in the crystal.

音響光学素子16a、16cは、ゲート操作前およびゲート操作中に、所定のタイミングおよび強度でレーザー光Aとレーザー光CをPr3+:Y2SiO5結晶1に照射させるように、制御部17の強度制御用回路18に接続されている。 The acousto-optic elements 16a and 16c are configured so that the Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal 1 is irradiated with the laser light A and the laser light C at a predetermined timing and intensity before and during the gate operation. Is connected to the intensity control circuit 18.

Pr3+:Y2SiO5結晶1中では、レーザー光Cがレーザー光Aを空間的に含むように第2の光路からのレーザー光をより太くし、かつレーザー光Cとレーザー光Aが5度以内の小さい角度で交わるように調整されている。レーザー光Cは結晶通過後、フォトントラップ19でトラップされる。 In the Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal 1, the laser light from the second optical path is made thicker so that the laser light C spatially includes the laser light A, and the laser light C and the laser light A are 5 It is adjusted to meet at a small angle within a degree. The laser beam C is trapped by the photon trap 19 after passing through the crystal.

なお、結晶1の光入射面または光出射面は、それぞれ出射または入射する光に対する反射防止コーティングが施されている。また、第1の光路には、外部からの被制御光を、結晶1中のレーザー光Aが照射される領域に導くために、反射率99%、透過率1%のビームスプリッター20が設けられている。ここまでで説明した部分が、図8において破線で囲んだ部分にほぼ相当する。   It should be noted that the light incident surface or the light exit surface of the crystal 1 is provided with an antireflection coating for light emitted or incident, respectively. The first optical path is provided with a beam splitter 20 having a reflectivity of 99% and a transmittance of 1% in order to guide the controlled light from the outside to the region irradiated with the laser light A in the crystal 1. ing. The portion described so far substantially corresponds to the portion surrounded by a broken line in FIG.

被制御光用の光源としてアルゴンイオンレーザー21によって励起されるリング色素レーザー22を用意し、出力されるレーザー光の線幅を、中心周波数のジッターを抑制する安定化フィードバック系23により100kHz以内に狭窄化する。このレーザー光は強度および周波数制御用の音響光学素子24により強度と中心角周波数(波長)を調整され、その中心角周波数(波長)はレーザー光Aとレーザー線幅の範囲内で同じになるように設定される。このレーザー光は50/50ビームスプリッター25で2つに分離され、片方は遅延路26を通し参照光として利用され、もう片方は被制御光Sとしてビームスプリッター20を経由してPr3+:Y2SiO5結晶1に照射される。 A ring dye laser 22 excited by an argon ion laser 21 is prepared as a light source for controlled light, and the line width of the output laser light is narrowed within 100 kHz by a stabilizing feedback system 23 that suppresses jitter at the center frequency. Turn into. The intensity and central angular frequency (wavelength) of this laser light are adjusted by the acousto-optic element 24 for controlling the intensity and frequency, and the central angular frequency (wavelength) is the same within the range of the laser light A and the laser line width. Set to This laser light is separated into two by a 50/50 beam splitter 25, one is used as a reference light through a delay path 26, and the other is Pr 3+ : Y via a beam splitter 20 as controlled light S. 2 Irradiation to SiO 5 crystal 1.

制御光用の光源(第2の光源)としてアルゴンイオンレーザー31によって励起されるリング色素レーザー32を用意し、出力されるレーザー光の線幅を、中心周波数のジッターを抑制する安定化フィードバック系33により100kHz以内に狭窄化する。このレーザー光は強度および周波数制御用の音響光学素子34により強度と中心周波数(波長)を調整され、ミラー35、36によって反射され、制御光BとしてPr3+:Y2SiO5結晶1に照射される。制御光Bの中心周波数(波長)は、被制御光Sより300GHz高く設定される。この周波数νbは、量子ゲート動作に利用するPr3+イオンの4つのエネルギー状態のうち2つからなるいずれの遷移にも共鳴しない。 A ring dye laser 32 excited by an argon ion laser 31 is prepared as a control light source (second light source), and the line width of the output laser light is stabilized and a stabilized feedback system 33 that suppresses jitter at the center frequency. It narrows within 100kHz. This laser light is adjusted in intensity and center frequency (wavelength) by the acoustooptic element 34 for intensity and frequency control, reflected by the mirrors 35 and 36, and irradiated to the Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal 1 as the control light B Is done. The center frequency (wavelength) of the control light B is set 300 GHz higher than the controlled light S. This frequency ν b does not resonate with any transition consisting of two of the four energy states of the Pr 3+ ion used for quantum gate operation.

Pr3+:Y2SiO5結晶1中では、制御光Bが被制御光Sを空間的に含むように制御光Bを被制御光Sより太くし、かつ制御光Bと被制御光Sが5度以内の小さい角度で交わるように調整されている。制御光Bは結晶通過後、フォトントラップ37でトラップされる。 In the Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal 1, the control light B is made thicker than the control light S so that the control light B spatially includes the control light S, and the control light B and the control light S are It is adjusted to meet at a small angle within 5 degrees. The control light B is trapped by the photon trap 37 after passing through the crystal.

Pr3+:Y2SiO5結晶1を透過した被制御光Sはミラー41で反射され、50/50のビームスプリッター42で参照光と重ね合わされ、光検出器43で重ね合わされた後の強度を検出することにより、被制御光Sの位相変化を検出できるようになっている。 The controlled light S transmitted through the Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal 1 is reflected by the mirror 41, superimposed on the reference light by the 50/50 beam splitter 42, and the intensity after being superimposed by the photodetector 43. By detecting, the phase change of the controlled light S can be detected.

図9を参照して、本実施例における光量子ゲートの光照射強度の時間変化を説明する。まず、Pr3+:Y2SiO5結晶1に、ビーム径を100μmに絞った50W/cm2のレーザー光Aを1ms照射した後、ビーム径を1mmに絞った50W/cm2のレーザー光Cを1ms照射した。レーザー光Cの照射終了後1msたってから、Pr3+:Y2SiO5結晶1に、ビーム径を1mmに絞った設定値Cg=2W/cm2のレーザー光Cと、ビーム径を100μmに絞り音響光学素子24で強度を落とした微弱な被制御光S(強度設定値Sg)を同時に照射した。レーザー光Cおよび被制御光Sの照射が始まる際の光強度の立ち上がり時間はいずれも100nsであった。この状態で被制御光Sの照射後500μsの時点Trで光検出器43の出力を記録し、レーザー光Aの照射から始まり光検出器43の出力を記録するまでの1連の作業を遅延路26の設定を少しずつ変えながら繰り返し、光検出器43からの出力が最大になる位置に遅延路26を固定した。 With reference to FIG. 9, the time change of the light irradiation intensity | strength of the photon gate in a present Example is demonstrated. First, the Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal 1 was irradiated with 50 W / cm 2 laser light A with a beam diameter reduced to 100 μm for 1 ms, and then 50 W / cm 2 laser light C with a beam diameter reduced to 1 mm. Was irradiated for 1 ms. 1 ms after the end of the irradiation of laser beam C, Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal 1, laser beam C with set value C g = 2 W / cm 2 with the beam diameter reduced to 1 mm, and beam diameter of 100 μm The weakly controlled light S (intensity set value S g ) whose intensity was reduced by the aperture acoustooptic device 24 was simultaneously irradiated. The rise time of the light intensity at the start of irradiation with the laser light C and the controlled light S was 100 ns. Delaying the work of a series of up to record the output of the photodetector 43 at time T r of the irradiation after 500μs of the controlled light S, and records the output of the start photodetector 43 from the irradiation of the laser beam A in this state The delay path 26 was fixed at a position where the output from the photodetector 43 was maximized by repeatedly changing the setting of the path 26 little by little.

次に、遅延路26をこの状態に固定したまま、遅延路26の設定変更を除いた上記のレーザー光Aの照射から始まる一連の操作を、ビーム径を1mmに絞り音響光学素子34で強度を調整した微弱な制御光Bを照射しながら繰り返し行った。その繰り返しの際、制御光Bの強度をゼロから始めて徐々に高くすると、光検出器43からの出力が徐々に弱くなり、さらに制御光Bの強度を増すと再び増加した。これは制御光Bの強度に依存して被制御光Sの位相が変化したためと考えられる。また、光検出器43の出力記録時のPr3+:Y2SiO5結晶1に対する被制御光Sの透過率は90%以上であった。このことから、EITを起こさないイオンによる吸収が抑制された位相ゲートを実現できたことがわかる。 Next, with the delay path 26 fixed in this state, the series of operations starting from the irradiation of the laser beam A, excluding the setting change of the delay path 26, is performed by reducing the beam diameter to 1 mm and increasing the intensity with the acoustooptic device 34. The test was repeated while irradiating the adjusted weak control light B. During the repetition, when the intensity of the control light B was gradually increased from zero, the output from the photodetector 43 gradually decreased, and increased again when the intensity of the control light B was further increased. This is presumably because the phase of the controlled light S changes depending on the intensity of the control light B. Further, the transmittance of the controlled light S with respect to the Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal 1 at the time of output recording of the photodetector 43 was 90% or more. This indicates that a phase gate in which absorption by ions that do not cause EIT is suppressed can be realized.

(実施例2)
光量子ゲートへの光照射の仕方を変更した実施例を説明する。図10を参照して、本実施例における光量子ゲートの光照射の強度変化を説明する。まず、Pr3+:Y2SiO5結晶1にビーム径を100μmに絞った50W/cm2のレーザー光Aを1ms照射した後、ビーム径を1mmに絞った50W/cm2のレーザー光Cを1ms照射した。レーザー光Cの照射終了後1msたってから、Pr3+:Y2SiO5結晶1に、ビーム径を1mmに絞った設定値Cg=2W/cm2のレーザー光C(光強度の立ち上がり時間は100ns)を照射するとともに、ビーム径を100μmに絞り音響光学素子24で強度を落とした微弱な被制御光Sを強度ゼロから始めて500μsをかけて図9(実施例1)と同じ強度(設定値Sg)になるまで徐々に強度を上げるようにして照射した。この時点Trでの光検出器43の出力を記録し、その後は実施例1と同様の操作を行った。その結果、実施例1と同様に、光検出器43からの出力は制御光Bの強度に対して減少および増加することが認められた。また、光検出器43の出力記録時のPr3+:Y2SiO5結晶1に対する被制御光Sの透過率は90%以上であった。
(Example 2)
An embodiment in which the method of light irradiation to the photon gate is changed will be described. With reference to FIG. 10, the intensity change of the light irradiation of the photon quantum gate in a present Example is demonstrated. First, the Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal 1 was irradiated with 50 W / cm 2 of laser light A with a beam diameter reduced to 100 μm for 1 ms, and then with 50 W / cm 2 of laser light C with a beam diameter reduced to 1 mm. Irradiated for 1 ms. 1 ms after the end of irradiation with laser beam C, laser beam C with a set value C g = 2 W / cm 2 with a beam diameter reduced to 1 mm on Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal 1 (the rise time of the light intensity is 100 ns), the beam diameter is reduced to 100 μm, and the weakly controlled light S whose intensity is reduced by the acoustooptic device 24 is started from zero intensity and applied for 500 μs, and the same intensity (set value) as in FIG. 9 (Example 1) Irradiation was performed by gradually increasing the intensity until S g ). The output of the photodetector 43 at this time Tr was recorded, and thereafter the same operation as in Example 1 was performed. As a result, as in Example 1, it was confirmed that the output from the photodetector 43 decreased and increased with respect to the intensity of the control light B. Further, the transmittance of the controlled light S with respect to the Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal 1 at the time of output recording of the photodetector 43 was 90% or more.

さらに、光検出器43の出力記録時Trまでに結晶を透過してきた被制御光Sの積分強度を測定し、実施例1の場合と比較した。その結果、本実施例での積分強度の透過率は、実施例1よりも増加していることが観測された。これは以下のような理由によると考えられる。すなわち、実施例1では、被制御光Sの照射直後の時点でレーザー光Cおよび被制御光Sに対してイオンがEITを起こす状態になく、EITの状態に移行するまでの間、吸収による損失が生じる。これに対し、本実施例では、被制御光Sの照射直前から照射後500μsの測定開始時まで終始Pr3+イオンがアディアバティックにEITの状態を保っており、EITが起こるまでの吸収による損失が軽減される。 Further, the integrated intensity of the controlled light S transmitted through the crystal by the output recording time Tr of the photodetector 43 was measured and compared with the case of Example 1. As a result, it was observed that the transmittance of the integrated intensity in this example was higher than that in Example 1. This is considered to be due to the following reasons. That is, in Example 1, the loss due to absorption until the transition to the EIT state is made in the state where the ions are not in the state of causing EIT for the laser light C and the controlled light S immediately after the irradiation of the controlled light S. Occurs. On the other hand, in this example, Pr 3+ ions are kept in an EIT state from the time immediately before irradiation of the controlled light S until the start of measurement of 500 μs after irradiation, and the loss due to absorption until EIT occurs. Is reduced.

なお、被制御光Sの強度をゼロから設定値Sgまで連続的に増加させると同時に、あるいは増加させた後に、光Cの強度を設定値Cgからより低い設定値Cg1まで連続的に減少させるようにしてもよい。非制御光Sがパルスの場合、パルスがPr3+:Y2SiO5結晶1に入射した後、光Cの強度を徐々に設定値Cgからより低い設定値Cg1まで連続的に減少させることにより、非制御光をPr3+:Y2SiO5結晶1の中で減速させてゆっくり進ませることで、結晶から出てきた被制御光Sに同じ制御光強度でより大きな位相シフトを引き起こすことができた。 Incidentally, after the same time, or increases when the continuously increasing the intensity of the control light S from zero to a set value S g, a lower set value C g1 to continuously the intensity of the light C from the set value C g You may make it reduce. When the non-control light S is a pulse, after the pulse is incident on the Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal 1, the intensity of the light C is gradually decreased from the set value C g to the lower set value C g1 continuously. As a result, the uncontrolled light is decelerated and slowly advanced in the Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal 1, thereby causing a larger phase shift in the controlled light S coming out of the crystal with the same control light intensity. I was able to.

EITを利用しない従来の光量子ゲートのスキームを説明するための図。The figure for demonstrating the scheme of the conventional optical quantum gate which does not utilize EIT. EITを利用した従来の光量子ゲートのスキームを説明するための図。The figure for demonstrating the scheme of the conventional optical quantum gate using EIT. Pr3+:Y2SiO5結晶において、EITの観測に利用されるエネルギー状態を示す図。Pr 3+: in Y 2 SiO 5 crystal, shows an energy state that is used to observe the EIT. 不均一幅に起因して、照射光に対して結晶中のイオンの様々な状態間を結ぶ遷移が共鳴する様子を表す図。The figure showing a mode that the transition which connects between the various states of the ion in a crystal | crystallization resonates with irradiation light due to non-uniform width. 遷移周波数平面上でのイオンの分布を模式的に示す図。The figure which shows typically distribution of the ion on a transition frequency plane. 遷移周波数平面上でのイオンの分布と照射光との関係を模式的に示す図。The figure which shows typically the relationship between the distribution of ion on a transition frequency plane, and irradiation light. 本発明の光量子ゲートについて、ゲート動作を行う前の時点における、光量子ゲートに関与するイオンのエネルギーの状態を説明するための図。The figure for demonstrating the state of the energy of the ion involved in a photon gate in the time before performing gate operation | movement about the photon gate of this invention. 本発明の実施例1の光量子ゲートを示すブロック図。1 is a block diagram illustrating a photon gate according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施例1におけるレーザー照射強度の時間変化を示す図。The figure which shows the time change of the laser irradiation intensity | strength in Example 1 of this invention. 本発明の実施例2におけるレーザー照射強度の時間変化を示す図。The figure which shows the time change of the laser irradiation intensity | strength in Example 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…Pr3+:Y2SiO5結晶、2…クライオスタット、11…アルゴンイオンレーザー、12…リング色素レーザー、13…安定化フィードバック系、14…ビームスプリッター、15…ミラー、16a、16c…音響光学素子、17…制御部、18…強度制御用回路、19…フォトントラップ、20…ビームスプリッター、21…アルゴンイオンレーザー、22…リング色素レーザー、23…安定化フィードバック系、24…音響光学素子、25…ビームスプリッター、26…遅延路、31…アルゴンイオンレーザー、32…リング色素レーザー、33…安定化フィードバック系、34…音響光学素子、35、36…ミラー、37…フォトントラップ、41…ミラー、42…ビームスプリッター、43…光検出器。 1 ... Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal, 2 ... cryostat, 11 ... argon ion laser, 12 ... ring dye laser, 13 ... stabilized feedback system, 14 ... beam splitter, 15 ... mirror, 16a, 16c ... acoustic optics Element, 17 ... Control unit, 18 ... Intensity control circuit, 19 ... Photon trap, 20 ... Beam splitter, 21 ... Argon ion laser, 22 ... Ring dye laser, 23 ... Stabilized feedback system, 24 ... Acoustic optical element, 25 ... Beam splitter, 26 ... Delay path, 31 ... Argon ion laser, 32 ... Ring dye laser, 33 ... Stabilized feedback system, 34 ... Acousto-optic element, 35, 36 ... Mirror, 37 ... Photon trap, 41 ... Mirror, 42 ... beam splitter, 43 ... photodetector.

Claims (5)

少なくとも4つのエネルギー状態(ここで前記4つのエネルギー状態をエネルギーの低い方から順に|1>、|2>、|3>、|4>とする)を有する物理系を含む物理系集団と、
前記物理系集団の一部の物理系に関して|1>と|3>の間の遷移に共鳴する角周波数ωaの光Aおよび|2>と|3>の間の遷移に共鳴する角周波数ωcの光Cを発生する第1の光源系と、
前記4つのエネルギー状態のうち2つからなるいずれの遷移にも共鳴しない角周波数ωbの制御光Bを発生する第2の光源系と、
前記物理系集団に光C、前記光Aと同じ角周波数ωaを持つかまたは光Aの持つ角周波数帯に含まれる角周波数帯を持つ被制御光Sおよび制御光Bを照射し、被制御光Sに制御光Bを作用させてゲート動作を行う前に、前記物理系集団に光Aと光Cをこの順番で照射し、前記光Aと前記光Cの強度を制御する強度制御用回路を含む制御部と
を有することを特徴とする光量子ゲート。
A physical system group including a physical system having at least four energy states (here, the four energy states are set as | 1>, | 2>, | 3>, | 4> in order from the lowest energy);
Light A of angular frequency ω a that resonates with the transition between | 1> and | 3> and angular frequency ω that resonates with the transition between | 2> and | 3> with respect to a part of the physical system. a first light source system that generates light C of c ;
A second light source system that generates the control light B of the angular frequency ω b that does not resonate with any transition consisting of two of the four energy states;
The physical system group is irradiated with controlled light S and control light B having the same angular frequency ω a as the light C or the light A or having an angular frequency band included in the angular frequency band of the light A, and controlled An intensity control circuit that controls the intensity of the light A and the light C by irradiating the physical system group with the light A and the light C in this order before performing the gate operation by causing the control light B to act on the light S. And a control unit including the optical quantum gate.
前記物理系は希土類イオンを分散させた酸化物結晶を有することを特徴とする請求項1に記載の光量子ゲート。   The photonic gate according to claim 1, wherein the physical system has an oxide crystal in which rare earth ions are dispersed. 少なくとも4つのエネルギー状態(ここで前記4つのエネルギー状態をエネルギーの低い方から順に|1>、|2>、|3>、|4>とする)を有する物理系を含む物理系集団に対し、その一部の物理系に関して|1>と|3>の間の遷移に共鳴する角周波数ωaの光Aと|2>と|3>の間の遷移に共鳴する角周波数ωcの光Cをこの順番で照射し、
前記物理系集団に、光Cと、前記光Aと同じ角周波数ωaを持つかまたは光Aの持つ角周波数帯に含まれる角周波数帯を持つ被制御光Sと、前記4つのエネルギー状態のうち2つからなるいずれの遷移にも共鳴しない角周波数ωbの制御光Bとを照射し、被制御光Sに制御光Bを作用させてゲート動作を行う
ことを特徴とする光量子ゲートの動作方法。
For a physical system group including a physical system having at least four energy states (where the four energy states are set as | 1>, | 2>, | 3>, | 4> in order from the lowest energy) Light A of angular frequency ω a that resonates with the transition between | 1> and | 3> and light C with angular frequency ω c that resonates with the transition between | 2> and | 3> for some physical systems In this order,
In the physical system group, the light C, the controlled light S having the same angular frequency ω a as the light A or the angular frequency band included in the angular frequency band of the light A, and the four energy states Operation of a photon gate characterized by irradiating the control light B with an angular frequency ω b that does not resonate with any of the two transitions and performing the gate operation by causing the control light B to act on the controlled light S Method.
前記物理系に前記光Aと前記光Cをこの順番で照射した後、前記光Cの強度を設定値Cgに設定し、前記被制御光Sの強度をゼロから設定値Sgまで連続的に増加させ、前記物理系集団のうち照射光と共鳴する物理系を、光Cを吸収しないエネルギー状態|1>と|2>との重ね合わせの状態にアディアバティックに保つことを特徴とする請求項3に記載の光量子ゲートの動作方法。 After irradiation with the light C and the light A in this order to the physical system, set the intensity of the light C to the set value C g, continuously the intensity of the controlled light S from zero to a set value S g The physical system that resonates with the irradiation light in the physical system group is maintained in an adiabatic state in which the energy states | 1> and | 2> that do not absorb the light C are superimposed. Item 4. A method of operating a photon gate according to Item 3. 前記被制御光Sの強度をゼロから設定値Sgまで連続的に増加させると同時に、あるいは増加させた後に、光Cの強度を前記設定値Cgからより低い設定値Cg1まで連続的に減少させることを特徴とする請求項4に記載の光量子ゲートの動作方法。 Wherein after simultaneously or increased when the continuously increasing intensities of the controlled light S from zero to the set value S g, continuously the intensity of light C to a lower set value C g1 from the set value C g 5. The method of operating an optical quantum gate according to claim 4, wherein the number is reduced.
JP2004147848A 2004-05-18 2004-05-18 Optical quantum gate and operation method thereof Expired - Fee Related JP3984240B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004147848A JP3984240B2 (en) 2004-05-18 2004-05-18 Optical quantum gate and operation method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004147848A JP3984240B2 (en) 2004-05-18 2004-05-18 Optical quantum gate and operation method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005331592A JP2005331592A (en) 2005-12-02
JP3984240B2 true JP3984240B2 (en) 2007-10-03

Family

ID=35486315

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004147848A Expired - Fee Related JP3984240B2 (en) 2004-05-18 2004-05-18 Optical quantum gate and operation method thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3984240B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5234890B2 (en) * 2007-04-25 2013-07-10 独立行政法人科学技術振興機構 Quantum phase shift gate device
US11556829B2 (en) * 2018-07-20 2023-01-17 University Of Maryland, College Park Multi-qubit control with acousto-optic modulators

Also Published As

Publication number Publication date
JP2005331592A (en) 2005-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wu et al. High-harmonic generation from Bloch electrons in solids
Matsko et al. Slow, ultraslow, stored, and frozen light
André et al. Nonlinear optics with stationary pulses of light
Jang et al. Writing and erasing of temporal cavity solitons by direct phase modulation of the cavity driving field
US8106717B2 (en) Quantum gate method and apparatus
US20080291946A1 (en) Fast quantum gates with ultrafast chirped pulses
JP5354861B2 (en) Quantum computer and quantum calculation method
US8094367B2 (en) Optically locked photon echo apparatus and method
US8264759B2 (en) Fast all-optical switch
US7952796B2 (en) Quantum optical data storage
Dawes et al. Transverse optical patterns for ultra‐low‐light‐level all‐optical switching
Ginsberg et al. Enhanced harmonic generation in gases using an all-dielectric metasurface
Sivan et al. Femtosecond-scale switching based on excited free-carriers
Appel et al. Raman adiabatic transfer of optical states in multilevel atoms
Zhou et al. Decay of a single photon in a cavity with atomic mirrors
JP3984240B2 (en) Optical quantum gate and operation method thereof
Zhang et al. Performance analysis of double-amplitude population gratings by non-overlapping unipolar pulses
Kevin et al. Controllable Hartman effect by vortex beam in a one dimensional photonic crystal doped by graphene quantum dots
Moiseev et al. Generation of entangled lights with temporally reversed photon wave packets
Sun et al. Optical beam steering based on electromagnetically induced transparency
Wei et al. Memory-based optical polarization conversion in a double-Λ atomic system with degenerate Zeeman states
Jisha et al. Variational approach to spatial optical solitons in bulk cubic-quintic media stabilized by self-induced multiphoton ionization
Stock et al. Third harmonic generation and microscopy, enhanced by a bias harmonic field
Rozanov Dissipative optical solitons
Tian et al. Dynamics of broadband accumulated spectral gratings in Tm 3+: YAG

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050907

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: 20070703

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20070705

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100713

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100713

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110713

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120713

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130713

Year of fee payment: 6

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees