JP4044453B2 - 量子メモリおよび量子メモリを用いた情報処理方法 - Google Patents
量子メモリおよび量子メモリを用いた情報処理方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子情報の移動を可能にした量子メモリ、および量子メモリを用いた情報処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物理系の量子状態で情報を表し、その量子状態を操作することで情報処理を行う、量子計算や量子情報通信などの量子情報処理技術では、量子状態の操作に適した物理系・構造と量子情報の保持に適した物理系・構造とが一般には異なる。そのため、量子情報の保持に主眼をおいた量子メモリの必要性が認識されるようになってきている。また量子通信において、光の量子状態が担っていた量子情報を、一旦静止した物質系の量子状態として保存し、必要なときに再生して利用するためにも、量子メモリは必要である。
【０００３】
こうした量子メモリには下記（１）〜（３）が要求される。（１）情報処理に十分なだけの時間にわたって量子状態を保持できること。（２）ノイズに強いこと。（３）メモリ内の記憶用に設定した任意のメモリセル間、またはメモリ内にあるそのようなメモリセルと演算を行うゲートにおいて量子ビットを表している物理系との間で、簡単な方法で、量子情報を壊さずに自由に量子情報を移動できること。しかし、これらの要求を満たす量子メモリは従来存在しなかった。
【０００４】
特に（３）の量子情報すなわち量子状態の移動については、一般の量子状態に対して、完全な量子情報を一旦読み出した後に別の量子ビットに書き込む操作を実施することは原理的に不可能である。これに対し、量子状態に関する情報を読み出さないまま、量子状態を丸ごと別の物理系に送る量子テレポーテーションと呼ばれる手法を利用すれば量子状態の移動が可能になる。しかし、任意の量子ビット間でのテレポーテーションを現実的な方法で実行できる量子メモリは従来存在しなかった。量子メモリ内での量子情報の移動や、演算部（ゲート部）から一時的に量子情報を量子メモリ部に移動させて必要なときに演算部へ戻すことは、効率的な量子情報処理にとって重要であると考えられる。
【０００５】
近年、古典的なレーザー光（コヒーレント状態の光）を原子集団に作用させ、透過レーザー光の偏光を観測するだけで、原子集団間にエンタングルメント（量子力学的に絡まった状態）を生成する方法が提案された（Duanら、非特許文献１参照）。また、２００１年９月にはその方法とほぼ同等の方法が実証されたという実験結果が発表された（Julsgaardら、非特許文献２参照）。
【０００６】
Duanらの方法では、古典的レーザー光を、原子集団１と２に対して串刺しするように照射し、透過光をホモダイン検出することで、原子集団にエンタングルメントを生成する。この方法は、単一の原子や光子ではなく、原子集団の量子状態を利用してエンタングルメントを生成するため、ノイズに強いという利点を有する。また、この方法は、自由空間にある原子を利用できるため高性能の光共振器などが不要であり、しかも古典的な強いレーザー光でエンタングルメントを生成できるため、エンタングルメント生成の簡便で実用的な方法と言える。
【０００７】
ところで、エンタングルメント生成は量子テレポーテーションの中心をなす重要な技術である。従って、このエンタングルメント生成法およびそれを利用した量子テレポーテーションが、量子メモリ内の自由な量子情報の移動に利用できれば、簡便で実用的な優れた量子情報移動の手段となり得ると考えられる。しかし、この方法によるエンタングルメント生成および量子テレポーテーションを利用して、量子メモリ内で自由に量子情報を移動させる方法は従来知られていなかった。
【０００８】
【非特許文献１】
Lu-Ming Duan et al., Phys. Rev. Lett., 85(26), 5643(2000)
【０００９】
【非特許文献２】
B. Julsgaard et al., Nature 413, 400(2001)
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、任意の２つのメモリセル間で他のメモリセルの干渉を受けることなく量子情報を自由に移動させることが可能な量子メモリ、およびそのような量子メモリを用いた情報処理方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る量子メモリは、全角運動量が磁気サブレベルを持つエネルギー状態を取ることができ全体の角運動量の量子状態で量子情報が表される物理系集団で１つのメモリセルが形成されている複数のメモリセルと、磁場を各メモリセルに印加する手段と、右偏光または左偏光の光で各メモリセルを照射する手段と、複数のメモリセルのうち、前記右偏光及び左偏光のうちの一方の向きに偏光した光が照射された第１のメモリセルを含んで、他方の向きに偏光した光が照射された第２のメモリセルを順次前記磁場の向きと垂直な方向の１本のレーザー光で同時に照射し、その後、前記第２のメモリセルの他に他方の向きに偏光した光が照射された第３のメモリセルを順次前記磁場の向きと垂直な方向の１本のレーザー光で同時に照射する手段と、２つのメモリセルを透過したレーザー光の偏光状態を測定する手段とを具備し、前記第２又は第３のメモリセルとして任意の１つの保存用メモリセルを選択し、前記第１のメモリセルとして移動用メモリセルを選択したとき、それらを結ぶ直線上には他のメモリセルが存在しないことを特徴とする。
【００１２】
したがって、複数のメモリセルのうち少なくとも１つを量子状態移動用のメモリセルとして、量子状態移動用メモリセル以外から任意の２つの保存用メモリセルの組を選択したとき、その組の２つの保存用メモリセルと１つの移動用メモリセルとを結ぶ２つの直線上には、それぞれ２つのメモリセルのみが存在するように、複数のメモリセルが配置されている。
【００１３】
本発明に他の態様に係る量子メモリは、全角運動量が磁気サブレベルを持つエネルギー状態を取ることができ、全体の角運動量の量子状態で量子情報が表される物理系集団を１つのメモリセルとする複数のメモリセルと、磁場を各メモリセルに印加する手段と、右偏光または左偏光の光を各メモリセルに照射する手段と、複数のメモリセルのうち、前記右偏光及び左偏光のうちの一方の向きに偏光した光が照射された第１のメモリセルを含んで、他方の向きに偏光した光が照射された第２のメモリセルを順次前記磁場の向きと垂直な方向の１本のレーザー光で同時に照射し、その後、前記第２のメモリセルの他に他方の向きに偏光した光が照射された第３のメモリセルを順次前記磁場の向きと垂直な方向の１本のレーザー光で同時に照射する手段と、２つのメモリセルを透過したレーザー光の偏光状態を測定する手段とを具備し、前記複数のメモリセルのうち、前記各１本のレーザー光の照射に沿った同一直線上に存在するものが２つのみであることを特徴とする。
【００１４】
本発明に他の態様に係る量子メモリを用いた情報処理方法は、全角運動量が磁気サブレベルを持つエネルギー状態を取ることができ、全体の角運動量の量子状態で量子情報が表される物理系集団を１つのメモリセルとする複数のメモリセルを用意し、前記複数メモリセルのうち少なくとも１つを量子状態移動用の第１のメモリセルＡとし、量子状態移動用の第１のメモリセルＡ以外の任意の２つの第２のメモリセルＶおよび第３のメモリセルＢの組を選択して、第２のメモリセルＶの量子状態を第３のメモリセルＢに移動させて情報処理する方法であって、磁場を各メモリセルに印加するとともに、右偏光または左偏光の光を各メモリセルに照射し、これにより該右偏光及び左偏光のうちの一方の向きに偏光した光を前記第１のメモリセルＡに照射し、他方の向きに偏光した光を前記第２のメモリセルＶおよび前記第３のメモリセルＢに照射し、各メモリセルを形成する物理系集団全体の全角運動量が特定の値を持つエネルギー状態にし、前記磁場の向きと垂直な方向の１本のレーザー光で、前記第１のメモリセルＡおよび前記第３のメモリセルＢの２つのみを順次透過するように照射し、両メモリセル透過後のレーザー光の偏光状態を測定して、前記第１のメモリセルＡと前記第３のメモリセルＢのエンタングルメントを生成し、前記磁場の向きと垂直な方向の１本のレーザー光で、前記第１のメモリセルＡおよび前記第２のメモリセルＶの２つのみを順次透過するように照射し、両メモリセル透過後のレーザー光の偏光状態を測定して、前記第２のメモリセルＶの量子状態を、前記第１のメモリセルＡとの間でエンタングルメントを生成している前記第３のメモリセルＢへテレポーテーションさせることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る量子メモリにおいては、メモリセルは全角運動量が磁気サブレベルを持つエネルギー状態を取ることができ全体の角運動量の量子状態で量子情報が表される物理系集団で形成されており、複数のメモリセルを含んである。上記のような物理系集団としては、気体原子や、固体中の希土類イオンが用いられる。また、空間的に区切りなく一様に分布する物質への選択的な光照射によって集団としての角運動量を生じさせた一部の空間内に分布する物理系集団によってメモリセルを形成してもよい。このような物理系集団間にエンタングルメントを生成させた場合、ノイズに強いことが知られている。
【００１６】
磁場を各メモリセルに印加する手段としては、コイルや永久磁石が挙げられる。右偏光または左偏光の光で各メモリセルを照射する手段および複数のメモリセルのうち２つのメモリセルを１本のレーザー光で同時に照射する手段としては、レーザーが挙げられる。２つのメモリセルを透過したレーザー光の偏光状態を測定する手段としては、ホモダイン検出器が挙げられる。
【００１７】
まず、本発明の実施形態に係る量子メモリにおいて、メモリセル間の情報の移動に利用する量子テレポーテーションの機構を説明する。
【００１８】
ここで量子状態を表すために利用する物理量は、原子や分子などの物理系の集団において集団全体が持つ、集団としての角運動量の２つの成分、Ｊz（演算子）とＪy（演算子）とである。この２つの物理量は共役物理量であり、その交換関係は下記式
［Ｊz，Ｊy］＝ｉＪx または ［Ｊz／Ｊx 1/2，Ｊy／Ｊx 1/2］＝ｉ
で表される。またこの角運動量は、電子スピン、電子の軌道運動、核スピンからなり、磁気サブレベルを伴うものとする。
【００１９】
この２つの物理量のスクイージングの状態、すなわち不確定性関係を満たすそれぞれの変数の不確定さを表す量を、ある物理系集団から別の物理系集団（それぞれ物理系集団Ｖと物理系集団Ｂとする）に移すことができる。
【００２０】
最初に、２つの物理系集団（それぞれ物理系集団Ａと物理系集団Ｂとする）の間でエンタングルメントを生成する。そのための方法を、図１を参照して説明する。図１に示すように、ｘ軸方向に印加した磁場Ｂの中に、集団としての角運動量がそれぞれＪxA＝Ｊx、ＪxB＝−Ｊxである物理系集団Ａ、Ｂを用意する。次に、この２つの物理系集団に、ｘ軸方向に偏光した直線偏光のレーザー光（エンタングルメント生成用レーザー光）を照射する。このレーザー光によって、Ｊz（演算子）とＪy（演算子）とがエンタングルメントで結ばれる。一方、レーザー光については、レーザーパルスのストークス演算子をＳx、Ｓy、Ｓzとし、Ｓxをｘ方向とｙ方向の直線偏光の光子数の差、Ｓyを＋４５度方向と−４５度方向に偏光した光子数の差、Ｓzをｚ軸方向に進む光の左偏光と右偏光の光子数の差とした場合、その交換関係は下記式
［Ｓy，Ｓz］＝ｉＳx
で表され、ＳyとＳzとの間にエンタングルメントが生じる。
【００２１】
物理系集団に、光遷移に共鳴しないように選んだ波長で上記のレーザー光を照射した場合、透過してくる光のＳyで表される偏光状態Ｓy out(ｔ)は、入射レーザー光のＳyで表される偏光状態Ｓy in(ｔ)、物理集団の角運動量ＪzAB＝ＪzA＋ＪzB、ＪyAB＝ＪyA＋ＪyB、磁場印加によるＪz、ＪyのＬａｒｍｏｒ歳差運動の角周波数Ωを利用して、下記式
Ｓy out(ｔ)＝Ｓy in(ｔ)＋α[ＪzABｃｏｓ(Ωｔ)＋ＪyABｓｉｎ(Ωｔ)]
（αは定数）
で表される（非特許文献２参照）。
【００２２】
従って、物理系集団Ａ、Ｂを透過したレーザー光を偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）を通してホモダイン検出し、Ｓy out(ｔ)に相当する偏光状態のｃｏｓ(Ωｔ)成分とｓｉｎ(Ωｔ)成分を測定すれば、ＪzAB＝ＪzA＋ＪzBとＪyAB＝ＪyA＋ＪyBを同時に測定できる。さらに、複数回の測定でその分散を測定して、それらがゼロに近い値をとっていれば、物理系集団ＡとＢとの間のエンタングルメントを示す強い量子相関を確認できる。
【００２３】
上記のようにエンタングルメントで結ばれた物理系集団Ａ、Ｂに対し、物理系集団Ｖの量子状態を物理系集団Ｂに移したいとする。そのための方法を、図２を参照して説明する。この場合、物理系集団ＶとＡとの間でベル測定を行えば、物理系集団Ｖの量子状態を物理集団Ｂに移す（量子テレポーテーションを実行する）ことができる。ここでのベル測定は、物理系集団Ｖと物理系集団Ａとを区別せずに全体としての物理量ＪzAV＝ＪzA＋ＪzV、ＪyAV＝ＪyA＋ＪyVを測定することである。従って、物理系集団Ｖと物理系集団Ａを透過したレーザー光（テレポーテーション用レーザー光）に対して偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）を通してホモダイン検出を実行すれば、ベル測定を行ったことになり、量子状態を物理系集団ＶからＢへ移動することができる。
【００２４】
その際、物理系集団Ｂの量子状態は物理系集団Ｖのもとの量子状態に近い状態になるが、いつも全く同じになるわけではない。正確に同じ量子状態を再現したい場合は、適宜ベル測定の結果に応じて、Ｂに電磁場などを作用させて補正を加えればよい。以降の実施例においては、近い量子状態に移す場合を記載しているが、必要に応じて正確に同じ量子状態に移すための補正を加えてもよい。
【００２５】
以上で、物理系集団で量子状態を表し、それを量子テレポーテーションによってある物理系集団から他の物理系集団へ移す方法の機構について説明した。
【００２６】
次いで、上記のような物理系集団を複数個用意し、それぞれをメモリセルとして量子メモリを構成する場合に、メモリセル間で自由に量子情報（量子状態）を移動できるために必要な条件について以下に説明する。
【００２７】
いま、複数個のメモリセル（物理系集団）のうち任意のメモリセルＭ１（上記Ｖに相当する）から任意のメモリセルＭ２（上記Ｂに相当する）へ量子情報を移動させたいものとする。まず、任意のメモリセルＭ３（上記Ａに相当する）を移動用メモリセルとして設定する。このメモリセルＭ３は、基本的には量子状態保存用のメモリセルと区別し、移動時にのみ利用する移動専用のメモリセルとする。次に、メモリセルＭ２とＭ３の間にエンタングルメントを生成する。すなわち、メモリセルＭ２とＭ３の両方を順次透過するように同一のレーザー光を照射し、透過光に対してホモダイン検出を行い、メモリセルＭ２とＭ３にエンタングルメントを生成し、確認する。最後に、メモリセルＭ１とＭ３を順次透過するように同一のレーザー光を照射し、透過光に対してホモダイン検出を行い、メモリセルＭ１とＭ３にベル測定を行うことにより、メモリセルＭ１の量子情報をメモリセルＭ２に移動（テレポーテーション）させる。
【００２８】
本発明の実施形態においては、メモリセルＭ２とＭ３にエンタングルメントを生成させる際に照射するレーザー光（エンタングルメント生成用レーザー光）、およびメモリセルＭ１とＭ３でベル測定を行ってテレポーテーションを行う際に照射するレーザー光（テレポーテーション用レーザー光）が、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３以外の量子状態保存用または量子状態移動用メモリセルと相互作用しないようにする。
【００２９】
そのためには、量子状態保存用として選択された任意の２つのメモリセル（Ｍ１、Ｍ２）の組について、その組のそれぞれのメモリセル（Ｍ１およびＭ２のそれぞれ）と１つの移動用メモリセル（Ｍ３）とを結ぶ直線上（直線Ｍ１−Ｍ３上および直線Ｍ２−Ｍ３上）にメモリセルが２つのみ存在し、３つ以上は存在しないように、複数のメモリセルを配置する。
【００３０】
例えば、図３に示すように、６つのメモリセルを用意し、各メモリセルを同一円周上に配置し、１つのメモリセルを移動用メモリセル（Ｍ３）とし、他の５つのメモリセルを保存用メモリセルとする。
【００３１】
また、図４に示すように、６つのメモリセルを用意し、５つの保存用メモリセルを一直線上に配置し、１つの移動用メモリセル（Ｍ３）を保存用メモリセルが配置されている直線からはずして配置する。
【００３２】
また、実施例において後述するように、複数のメモリセルを同一平面上でかつ奇数個の頂点をもつ正多角形の頂点およびその正多角形の中心に配置し、正多角形の中心に位置するメモリセルを移動用メモリセル（Ｍ３）としてもよい。これは、複数のメモリセルのうち同一直線上に存在するものが２つのみである例でもある。
【００３３】
複数のメモリセルを上記のように配置した場合、任意に選択された２つの保存用メモリセルの組に対して、その組のそれぞれのメモリセル（Ｍ１およびＭ２のそれぞれ）と１つの移動用メモリセル（Ｍ３）とを結ぶ直線上（直線Ｍ１−Ｍ３上および直線Ｍ２−Ｍ３上）にメモリセルが２つのみ存在するので、任意の量子状態保存用の量子ビット間で、他のメモリセルとの干渉なしに量子情報を移動できる。なお、これらのメモリセルは、量子ゲートにおいて量子ビットを表す物理系集団からなるものでもよい。
【００３４】
一方、例えば図５に示したように、複数のメモリセルをマトリックス状に整列して配置した量子メモリにおいて、移動用メモリセルＭ３および保存用メモリセルＭ１，Ｍ２を図示したように選択した場合、直線Ｍ２−Ｍ３上に他のメモリセルＭｘが存在するため、エンタングルメント生成用レーザー光がメモリセルＭｘと相互作用してテレポーテーションの障害となる。図５で選択した保存用メモリセルＭ１，Ｍ２に対しては、他のどのメモリセルを移動用メモリセルに設定しても他のメモリセルとの干渉が起きる。
【００３５】
ただし、上述した図３および図４のメモリセルの配置はよいが、図５のメモリセルの配置はよくないという議論は、エンタングルメント生成用レーザー光およびテレポーテーション用レーザー光を２つのメモリセルを串刺しするようにして照射する際、１つ目のメモリセルを通過した後のレーザー光を、反射鏡などを用いて２つ目のメモリセルを通過する前にその進行方向を積極的に大きく変化させることをしないことを前提としたものである。これに対して、例えばメモリセルが配置されている平面に対して、その平面の上方にレーザーを配置するとともにその平面の下方に反射鏡を配置して、レーザー光の照射方法を工夫し、１本のレーザー光の光路には常に２つのメモリセルのみが存在するようにすれば、図５のメモリセルの配置でも原理的には他のメモリセルとの干渉なしに任意の２つのメモリセル間で量子情報を移動できる。
【００３６】
【実施例】
（実施例１）
図６を参照して本実施例の量子メモリを説明する。
セシウムの原子気体を半径１ｃｍ、高さ３ｃｍの円筒状のガラスセルに充填したメモリセル１１を６個用意し、これらのメモリセル１１をステージ１０上の同一平面上に並べた。６個のメモリセル１１のうち、１つを量子状態移動用メモリセル（ＭＥ３）、残りの５つを量子状態保存用メモリセルとする。この場合、５つの量子状態保存用メモリセルは同一直線上に配置され、量子状態移動用メモリセルＭＥ３は量子状態保存用メモリセルが配置されている直線からはずして配置されている。
【００３７】
ステージ１０の上方および下方にコイル１２、１２が設けられ、全てのメモリセル１１に対し垂直上向きの０．９Ｇの磁場が印加される。
【００３８】
ステージ１０の下方に第１のレーザー１３が設けられ、全てのメモリセル１１に対し、第１のレーザー光Ｌ１が照射される。この第１のレーザー光は、６Ｓ1/2から６Ｐ3/2への遷移に共鳴する波長８５２ｎｍの円偏光である。音響光学素子（図示せず）のＯＮ／ＯＦＦによって第１のレーザー光Ｌ１をパルス照射できるようになっている。
【００３９】
ステージ１０の側方に第２のレーザー１４が設けられ、量子状態移動用メモリセルＭＥ３と、任意の１つの量子状態保存用メモリセルとを串刺しにして第２レーザー光Ｌ２が照射される。この第２のレーザー光は、６Ｓ1/2から６Ｐ3/2への遷移から７００ＭＨｚだけ短波長側にずらした直線偏光である。音響光学素子（図示せず）のＯＮ／ＯＦＦによって第２のレーザー光Ｌ２をパルス照射できるようになっている。
【００４０】
第２のレーザー１４から量子状態移動用メモリセルＭＥ３と各々の量子状態保存用メモリセルとの通過する直線の延長線上には、それぞれ５つのホモダイン検出器１５が設けられている。これらのホモダイン検出器１５は２つのメモリセルを透過したレーザー光を偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）で分岐し、それぞれの光を検出して差をとり、ロックインアンプで印加磁場中のセシウム原子のラーモア歳差運動角周波数でのｓｉｎ成分とｃｏｓ成分を測定するものである。
【００４１】
上記のような構成を有する量子メモリにおいて量子状態を移動させる方法について説明する。ここでは、５つの保存用メモリセルから任意の２つ（図６のＭＥ１とＭＥ２）を選択して、ＭＥ１からＭＥ２へ量子状態を移動させる場合について説明する。
【００４２】
まず、磁場Ｂを印加した状態で、ＭＥ１とＭＥ２に右円偏光のレーザー光Ｌ１を、ＭＥ３に左円偏光のレーザー光Ｌ１を照射した。この結果、各メモリセルに含まれるセシウム原子気体の全角運動量が設定したい磁気サブレベルの状態になる。次に、ＭＥ３とＭＥ２にレーザー光Ｌ２を０．４５ｍｓ照射し、透過光をホモダイン検出した。さらに、レーザー光Ｌ２の照射から０．３ｍｓ後に、ＭＥ３とＭＥ１にレーザー光Ｌ２を０．４５ｍｓ照射し、透過レーザー光をホモダイン検出した。これによりＭＥ１の量子状態をＭＥ２に移動（テレポーテーション）することができた。
【００４３】
（実施例２）
図７を参照して本実施例の量子メモリを説明する。
セシウムの原子気体を充填した半径２０ｃｍ、高さ３ｃｍの円筒状のガラスセル２０を用意し、このガラスセル２０を実施例１におけるステージおよび複数のメモリセルの代わりとして設置した。
【００４４】
ガラスセル２０の下方からセル中の３箇所に対して実施例１における第１のレーザー光Ｌ１に相当する光を照射することにより、それらの部分をそれぞれメモリセルＭＥ４、ＭＥ５、ＭＥ６として選択した。メモリセルＭＥ４、ＭＥ５は量子情報保存用であり、メモリセルＭＥ６は量子情報移動用である。それぞれのメモリセルに対し、実施例１で施したのと同様の光照射、ホモダイン検出を行うことにより、ＭＥ４の量子状態をＭＥ５に移動することができた。
【００４５】
本実施例のように、メモリセル間を隔壁（またはメモリとなる媒質の存在しない空間）で区切ることなく、空間的に区切りなく一様に分布する物質への選択的な光照射によってその部分の物理系集団をメモリセルとして利用することができ、空間的に区切りなく一様に分布する物質中に複数のメモリセルを含ませることができる。
【００４６】
（実施例３）
Ｐｒ3+イオンを０．０５％添加した（Ｙ3+イオンのうち０．０５％をＰｒ3+イオンで置換した）半径１ｍｍ、高さ２ｍｍの円筒状のＹ2ＳｉＯ5結晶を６個用意し、これらの結晶を実施例１におけるセシウム原子の入ったガラスセルの代わりにステージ上に設置してメモリセルとして使用した。ステージを含めてＹ2ＳｉＯ5結晶からなる６個のメモリセルの全体を光学窓付きのクライオスタット中に入れ、３．８Ｋに冷却した。
【００４７】
実施例１の第１のレーザー光Ｌ１の代わりに、第３のレーザー光Ｌ３を用いた。このレーザー光Ｌ３は、Ｐｒ3+イオンの3Ｈ4から1Ｄ2への遷移に共鳴する波長６０６ｎｍの円偏光である。
【００４８】
実施例１の第２のレーザー光Ｌ２の代わりに、第４のレーザー光Ｌ４を用いた。このレーザー光Ｌ４は、Ｐｒ3+イオンの3Ｈ4から1Ｄ2への遷移から２０ＧＨｚ短波長側へシフトさせた周波数に設定した直線偏光である。
【００４９】
上記の構成を有する量子メモリに対して、実施例１と同様の操作を行ったところ、量子状態保存用メモリセルに相当する任意の２つの結晶間で、結晶中の希土類イオン集団の量子状態を移動させることができた。
【００５０】
（実施例４）
図８を参照して本実施例の量子メモリを説明する。
メモリセルとして、Ｐｒ3+イオンを０．０５％添加した（Ｙ3+イオンのうち０．０５％をＰｒ3+イオンで置換した）半径０．２５ｍｍ、高さ０．５ｍｍの円筒状のＹ2ＳｉＯ5結晶を６個用意した。これらのメモリセル３１を回転ステージ３０上に設置した。このとき、６個のメモリセル３１を正五角形の頂点と正五角形の中心にそれぞれ設置し、中心の一個を量子状態移動用メモリセル、周りの５個を量子状態保存用メモリセルとした。回転ステージ３０を回転させると、保存用メモリセルは移動用および保存用メモリセルが分布する平面内において移動用メモリセルを中心として回転することになる。回転ステージ３０を含めてＹ2ＳｉＯ5結晶からなる６個のメモリセル３１の全体を光学窓付きのクライオスタット（図示せず）中に入れ、３．８Ｋに冷却した。ステージ３０の上方および下方にコイル３２、３２が設けられ、全てのメモリセル３１に対し垂直上向きの磁場Ｂが印加される。
【００５１】
本実施例では、常に図８に図示した１つの直線上（回転ステージ３０の直径に相当する）でエンタングルメント生成およびテレポーテーションを実行するようにし、各操作の間で回転ステージ３０を回転させて保存用メモリセルの位置を移動させる。図示されている中心の移動用メモリセルの位置と所定の円周上の一点に移動した１つの保存用メモリセルの位置を「操作位置」という。
【００５２】
回転ステージ３０の下方、具体的には操作位置の移動用メモリセルと保存用メモリセルの下方に、実施例３において説明した第３のレーザー光Ｌ３を照射する第３のレーザー３３が設けられている。回転ステージ３０の側方に、操作位置にある移動用メモリセルと保存用メモリセルを串刺しするように実施例３において説明した第４のレーザー光Ｌ４を照射する第４のレーザー３４が設けられている。第４のレーザー３４から操作位置にある移動用メモリセルと保存用メモリセルとの通過する直線の延長線上に、ホモダイン検出器３５が設けられている。
【００５３】
このような構成を有する量子メモリにおいて、移動用メモリセルと１つの保存用メモリセルに第４のレーザー光を照射してエンタングルメント生成を実行した後、回転ステージ３０を回転させて別の保存用メモリセルを操作位置に移動させ第４のレーザー光を照射してベル測定を実行することにより、任意の保存用メモリセル間で量子テレポーテーションが可能になった。したがって、図６または図７の量子メモリと比較してレーザーおよびホモダイン検出器を減らすことができ、装置構成が簡単になった。
【００５４】
（実施例５）
実施例１における６個のセシウム原子入りガラスセルの代わりとして１０個のセシウム原子入りガラスセルをメモリセルとして用い、これらのメモリセルを同一円周上に並べて量子メモリを作製した。
【００５５】
この場合、量子情報保存用に利用していないメモリセルが１つでもあれば、それを移動用メモリセルに設定し、任意の２つのメモリセル間での量子情報の移動を実行することが可能であり、２つ以上の量子情報の移動を同時に実行することも可能であった。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、任意の２つのメモリセル間で他のメモリセルの干渉を受けることなく量子情報を自由に移動させることが可能な量子メモリおよびそのような量子メモリを用いた情報処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】物理系集団間にエンタングルメントを生成する方法を説明する図。
【図２】物理系集団間での量子テレポーテーションを説明する図。
【図３】任意の量子状態保存用メモリセル間で量子情報の移動が可能であるメモリセルの配置例を示す図。
【図４】任意の量子状態保存用メモリセル間で量子情報の移動が可能であるメモリセルの配置例を示す図。
【図５】量子状態保存用メモリセル間での量子情報の移動に際して、他のメモリセルとの干渉が生じるメモリセル配置例を示す図。
【図６】本発明の実施例１における量子メモリの概略構成を示す図。
【図７】本発明の実施例２における量子メモリの概略構成を示す図。
【図８】本発明の実施例４における量子メモリの概略構成を示す図。
【符号の説明】
１０…ステージ、１１…メモリセル、１２…コイル、１３…第１のレーザー、１４…第２のレーザー、１５…ホモダイン検出器、２０…ガラスセル、３０…回転ステージ、３１…メモリセル、３２…コイル、３３…第３のレーザー、３４…第４のレーザー、３５…ホモダイン検出器。
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子情報の移動を可能にした量子メモリ、および量子メモリを用いた情報処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物理系の量子状態で情報を表し、その量子状態を操作することで情報処理を行う、量子計算や量子情報通信などの量子情報処理技術では、量子状態の操作に適した物理系・構造と量子情報の保持に適した物理系・構造とが一般には異なる。そのため、量子情報の保持に主眼をおいた量子メモリの必要性が認識されるようになってきている。また量子通信において、光の量子状態が担っていた量子情報を、一旦静止した物質系の量子状態として保存し、必要なときに再生して利用するためにも、量子メモリは必要である。
【０００３】
こうした量子メモリには下記（１）〜（３）が要求される。（１）情報処理に十分なだけの時間にわたって量子状態を保持できること。（２）ノイズに強いこと。（３）メモリ内の記憶用に設定した任意のメモリセル間、またはメモリ内にあるそのようなメモリセルと演算を行うゲートにおいて量子ビットを表している物理系との間で、簡単な方法で、量子情報を壊さずに自由に量子情報を移動できること。しかし、これらの要求を満たす量子メモリは従来存在しなかった。
【０００４】
特に（３）の量子情報すなわち量子状態の移動については、一般の量子状態に対して、完全な量子情報を一旦読み出した後に別の量子ビットに書き込む操作を実施することは原理的に不可能である。これに対し、量子状態に関する情報を読み出さないまま、量子状態を丸ごと別の物理系に送る量子テレポーテーションと呼ばれる手法を利用すれば量子状態の移動が可能になる。しかし、任意の量子ビット間でのテレポーテーションを現実的な方法で実行できる量子メモリは従来存在しなかった。量子メモリ内での量子情報の移動や、演算部（ゲート部）から一時的に量子情報を量子メモリ部に移動させて必要なときに演算部へ戻すことは、効率的な量子情報処理にとって重要であると考えられる。
【０００５】
近年、古典的なレーザー光（コヒーレント状態の光）を原子集団に作用させ、透過レーザー光の偏光を観測するだけで、原子集団間にエンタングルメント（量子力学的に絡まった状態）を生成する方法が提案された（Duanら、非特許文献１参照）。また、２００１年９月にはその方法とほぼ同等の方法が実証されたという実験結果が発表された（Julsgaardら、非特許文献２参照）。
【０００６】
Duanらの方法では、古典的レーザー光を、原子集団１と２に対して串刺しするように照射し、透過光をホモダイン検出することで、原子集団にエンタングルメントを生成する。この方法は、単一の原子や光子ではなく、原子集団の量子状態を利用してエンタングルメントを生成するため、ノイズに強いという利点を有する。また、この方法は、自由空間にある原子を利用できるため高性能の光共振器などが不要であり、しかも古典的な強いレーザー光でエンタングルメントを生成できるため、エンタングルメント生成の簡便で実用的な方法と言える。
【０００７】
ところで、エンタングルメント生成は量子テレポーテーションの中心をなす重要な技術である。従って、このエンタングルメント生成法およびそれを利用した量子テレポーテーションが、量子メモリ内の自由な量子情報の移動に利用できれば、簡便で実用的な優れた量子情報移動の手段となり得ると考えられる。しかし、この方法によるエンタングルメント生成および量子テレポーテーションを利用して、量子メモリ内で自由に量子情報を移動させる方法は従来知られていなかった。
【０００８】
【非特許文献１】
Lu-Ming Duan et al., Phys. Rev. Lett., 85(26), 5643(2000)
【０００９】
【非特許文献２】
B. Julsgaard et al., Nature 413, 400(2001)
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、任意の２つのメモリセル間で他のメモリセルの干渉を受けることなく量子情報を自由に移動させることが可能な量子メモリ、およびそのような量子メモリを用いた情報処理方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る量子メモリは、全角運動量が磁気サブレベルを持つエネルギー状態を取ることができ全体の角運動量の量子状態で量子情報が表される物理系集団で１つのメモリセルが形成されている複数のメモリセルと、磁場を各メモリセルに印加する手段と、右偏光または左偏光の光で各メモリセルを照射する手段と、複数のメモリセルのうち、前記右偏光及び左偏光のうちの一方の向きに偏光した光が照射された第１のメモリセルを含んで、他方の向きに偏光した光が照射された第２のメモリセルを順次前記磁場の向きと垂直な方向の１本のレーザー光で同時に照射し、その後、前記第２のメモリセルの他に他方の向きに偏光した光が照射された第３のメモリセルを順次前記磁場の向きと垂直な方向の１本のレーザー光で同時に照射する手段と、２つのメモリセルを透過したレーザー光の偏光状態を測定する手段とを具備し、前記第２又は第３のメモリセルとして任意の１つの保存用メモリセルを選択し、前記第１のメモリセルとして移動用メモリセルを選択したとき、それらを結ぶ直線上には他のメモリセルが存在しないことを特徴とする。
【００１２】
したがって、複数のメモリセルのうち少なくとも１つを量子状態移動用のメモリセルとして、量子状態移動用メモリセル以外から任意の２つの保存用メモリセルの組を選択したとき、その組の２つの保存用メモリセルと１つの移動用メモリセルとを結ぶ２つの直線上には、それぞれ２つのメモリセルのみが存在するように、複数のメモリセルが配置されている。
【００１３】
本発明に他の態様に係る量子メモリは、全角運動量が磁気サブレベルを持つエネルギー状態を取ることができ、全体の角運動量の量子状態で量子情報が表される物理系集団を１つのメモリセルとする複数のメモリセルと、磁場を各メモリセルに印加する手段と、右偏光または左偏光の光を各メモリセルに照射する手段と、複数のメモリセルのうち、前記右偏光及び左偏光のうちの一方の向きに偏光した光が照射された第１のメモリセルを含んで、他方の向きに偏光した光が照射された第２のメモリセルを順次前記磁場の向きと垂直な方向の１本のレーザー光で同時に照射し、その後、前記第２のメモリセルの他に他方の向きに偏光した光が照射された第３のメモリセルを順次前記磁場の向きと垂直な方向の１本のレーザー光で同時に照射する手段と、２つのメモリセルを透過したレーザー光の偏光状態を測定する手段とを具備し、前記複数のメモリセルのうち、前記各１本のレーザー光の照射に沿った同一直線上に存在するものが２つのみであることを特徴とする。
【００１４】
本発明に他の態様に係る量子メモリを用いた情報処理方法は、全角運動量が磁気サブレベルを持つエネルギー状態を取ることができ、全体の角運動量の量子状態で量子情報が表される物理系集団を１つのメモリセルとする複数のメモリセルを用意し、前記複数メモリセルのうち少なくとも１つを量子状態移動用の第１のメモリセルＡとし、量子状態移動用の第１のメモリセルＡ以外の任意の２つの第２のメモリセルＶおよび第３のメモリセルＢの組を選択して、第２のメモリセルＶの量子状態を第３のメモリセルＢに移動させて情報処理する方法であって、磁場を各メモリセルに印加するとともに、右偏光または左偏光の光を各メモリセルに照射し、これにより該右偏光及び左偏光のうちの一方の向きに偏光した光を前記第１のメモリセルＡに照射し、他方の向きに偏光した光を前記第２のメモリセルＶおよび前記第３のメモリセルＢに照射し、各メモリセルを形成する物理系集団全体の全角運動量が特定の値を持つエネルギー状態にし、前記磁場の向きと垂直な方向の１本のレーザー光で、前記第１のメモリセルＡおよび前記第３のメモリセルＢの２つのみを順次透過するように照射し、両メモリセル透過後のレーザー光の偏光状態を測定して、前記第１のメモリセルＡと前記第３のメモリセルＢのエンタングルメントを生成し、前記磁場の向きと垂直な方向の１本のレーザー光で、前記第１のメモリセルＡおよび前記第２のメモリセルＶの２つのみを順次透過するように照射し、両メモリセル透過後のレーザー光の偏光状態を測定して、前記第２のメモリセルＶの量子状態を、前記第１のメモリセルＡとの間でエンタングルメントを生成している前記第３のメモリセルＢへテレポーテーションさせることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る量子メモリにおいては、メモリセルは全角運動量が磁気サブレベルを持つエネルギー状態を取ることができ全体の角運動量の量子状態で量子情報が表される物理系集団で形成されており、複数のメモリセルを含んである。上記のような物理系集団としては、気体原子や、固体中の希土類イオンが用いられる。また、空間的に区切りなく一様に分布する物質への選択的な光照射によって集団としての角運動量を生じさせた一部の空間内に分布する物理系集団によってメモリセルを形成してもよい。このような物理系集団間にエンタングルメントを生成させた場合、ノイズに強いことが知られている。
【００１６】
磁場を各メモリセルに印加する手段としては、コイルや永久磁石が挙げられる。右偏光または左偏光の光で各メモリセルを照射する手段および複数のメモリセルのうち２つのメモリセルを１本のレーザー光で同時に照射する手段としては、レーザーが挙げられる。２つのメモリセルを透過したレーザー光の偏光状態を測定する手段としては、ホモダイン検出器が挙げられる。
【００１７】
まず、本発明の実施形態に係る量子メモリにおいて、メモリセル間の情報の移動に利用する量子テレポーテーションの機構を説明する。
【００１８】
ここで量子状態を表すために利用する物理量は、原子や分子などの物理系の集団において集団全体が持つ、集団としての角運動量の２つの成分、Ｊz（演算子）とＪy（演算子）とである。この２つの物理量は共役物理量であり、その交換関係は下記式
［Ｊz，Ｊy］＝ｉＪx または ［Ｊz／Ｊx 1/2，Ｊy／Ｊx 1/2］＝ｉ
で表される。またこの角運動量は、電子スピン、電子の軌道運動、核スピンからなり、磁気サブレベルを伴うものとする。
【００１９】
この２つの物理量のスクイージングの状態、すなわち不確定性関係を満たすそれぞれの変数の不確定さを表す量を、ある物理系集団から別の物理系集団（それぞれ物理系集団Ｖと物理系集団Ｂとする）に移すことができる。
【００２０】
最初に、２つの物理系集団（それぞれ物理系集団Ａと物理系集団Ｂとする）の間でエンタングルメントを生成する。そのための方法を、図１を参照して説明する。図１に示すように、ｘ軸方向に印加した磁場Ｂの中に、集団としての角運動量がそれぞれＪxA＝Ｊx、ＪxB＝−Ｊxである物理系集団Ａ、Ｂを用意する。次に、この２つの物理系集団に、ｘ軸方向に偏光した直線偏光のレーザー光（エンタングルメント生成用レーザー光）を照射する。このレーザー光によって、Ｊz（演算子）とＪy（演算子）とがエンタングルメントで結ばれる。一方、レーザー光については、レーザーパルスのストークス演算子をＳx、Ｓy、Ｓzとし、Ｓxをｘ方向とｙ方向の直線偏光の光子数の差、Ｓyを＋４５度方向と−４５度方向に偏光した光子数の差、Ｓzをｚ軸方向に進む光の左偏光と右偏光の光子数の差とした場合、その交換関係は下記式
［Ｓy，Ｓz］＝ｉＳx
で表され、ＳyとＳzとの間にエンタングルメントが生じる。
【００２１】
物理系集団に、光遷移に共鳴しないように選んだ波長で上記のレーザー光を照射した場合、透過してくる光のＳyで表される偏光状態Ｓy out(ｔ)は、入射レーザー光のＳyで表される偏光状態Ｓy in(ｔ)、物理集団の角運動量ＪzAB＝ＪzA＋ＪzB、ＪyAB＝ＪyA＋ＪyB、磁場印加によるＪz、ＪyのＬａｒｍｏｒ歳差運動の角周波数Ωを利用して、下記式
Ｓy out(ｔ)＝Ｓy in(ｔ)＋α[ＪzABｃｏｓ(Ωｔ)＋ＪyABｓｉｎ(Ωｔ)]
（αは定数）
で表される（非特許文献２参照）。
【００２２】
従って、物理系集団Ａ、Ｂを透過したレーザー光を偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）を通してホモダイン検出し、Ｓy out(ｔ)に相当する偏光状態のｃｏｓ(Ωｔ)成分とｓｉｎ(Ωｔ)成分を測定すれば、ＪzAB＝ＪzA＋ＪzBとＪyAB＝ＪyA＋ＪyBを同時に測定できる。さらに、複数回の測定でその分散を測定して、それらがゼロに近い値をとっていれば、物理系集団ＡとＢとの間のエンタングルメントを示す強い量子相関を確認できる。
【００２３】
上記のようにエンタングルメントで結ばれた物理系集団Ａ、Ｂに対し、物理系集団Ｖの量子状態を物理系集団Ｂに移したいとする。そのための方法を、図２を参照して説明する。この場合、物理系集団ＶとＡとの間でベル測定を行えば、物理系集団Ｖの量子状態を物理集団Ｂに移す（量子テレポーテーションを実行する）ことができる。ここでのベル測定は、物理系集団Ｖと物理系集団Ａとを区別せずに全体としての物理量ＪzAV＝ＪzA＋ＪzV、ＪyAV＝ＪyA＋ＪyVを測定することである。従って、物理系集団Ｖと物理系集団Ａを透過したレーザー光（テレポーテーション用レーザー光）に対して偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）を通してホモダイン検出を実行すれば、ベル測定を行ったことになり、量子状態を物理系集団ＶからＢへ移動することができる。
【００２４】
その際、物理系集団Ｂの量子状態は物理系集団Ｖのもとの量子状態に近い状態になるが、いつも全く同じになるわけではない。正確に同じ量子状態を再現したい場合は、適宜ベル測定の結果に応じて、Ｂに電磁場などを作用させて補正を加えればよい。以降の実施例においては、近い量子状態に移す場合を記載しているが、必要に応じて正確に同じ量子状態に移すための補正を加えてもよい。
【００２５】
以上で、物理系集団で量子状態を表し、それを量子テレポーテーションによってある物理系集団から他の物理系集団へ移す方法の機構について説明した。
【００２６】
次いで、上記のような物理系集団を複数個用意し、それぞれをメモリセルとして量子メモリを構成する場合に、メモリセル間で自由に量子情報（量子状態）を移動できるために必要な条件について以下に説明する。
【００２７】
いま、複数個のメモリセル（物理系集団）のうち任意のメモリセルＭ１（上記Ｖに相当する）から任意のメモリセルＭ２（上記Ｂに相当する）へ量子情報を移動させたいものとする。まず、任意のメモリセルＭ３（上記Ａに相当する）を移動用メモリセルとして設定する。このメモリセルＭ３は、基本的には量子状態保存用のメモリセルと区別し、移動時にのみ利用する移動専用のメモリセルとする。次に、メモリセルＭ２とＭ３の間にエンタングルメントを生成する。すなわち、メモリセルＭ２とＭ３の両方を順次透過するように同一のレーザー光を照射し、透過光に対してホモダイン検出を行い、メモリセルＭ２とＭ３にエンタングルメントを生成し、確認する。最後に、メモリセルＭ１とＭ３を順次透過するように同一のレーザー光を照射し、透過光に対してホモダイン検出を行い、メモリセルＭ１とＭ３にベル測定を行うことにより、メモリセルＭ１の量子情報をメモリセルＭ２に移動（テレポーテーション）させる。
【００２８】
本発明の実施形態においては、メモリセルＭ２とＭ３にエンタングルメントを生成させる際に照射するレーザー光（エンタングルメント生成用レーザー光）、およびメモリセルＭ１とＭ３でベル測定を行ってテレポーテーションを行う際に照射するレーザー光（テレポーテーション用レーザー光）が、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３以外の量子状態保存用または量子状態移動用メモリセルと相互作用しないようにする。
【００２９】
そのためには、量子状態保存用として選択された任意の２つのメモリセル（Ｍ１、Ｍ２）の組について、その組のそれぞれのメモリセル（Ｍ１およびＭ２のそれぞれ）と１つの移動用メモリセル（Ｍ３）とを結ぶ直線上（直線Ｍ１−Ｍ３上および直線Ｍ２−Ｍ３上）にメモリセルが２つのみ存在し、３つ以上は存在しないように、複数のメモリセルを配置する。
【００３０】
例えば、図３に示すように、６つのメモリセルを用意し、各メモリセルを同一円周上に配置し、１つのメモリセルを移動用メモリセル（Ｍ３）とし、他の５つのメモリセルを保存用メモリセルとする。
【００３１】
また、図４に示すように、６つのメモリセルを用意し、５つの保存用メモリセルを一直線上に配置し、１つの移動用メモリセル（Ｍ３）を保存用メモリセルが配置されている直線からはずして配置する。
【００３２】
また、実施例において後述するように、複数のメモリセルを同一平面上でかつ奇数個の頂点をもつ正多角形の頂点およびその正多角形の中心に配置し、正多角形の中心に位置するメモリセルを移動用メモリセル（Ｍ３）としてもよい。これは、複数のメモリセルのうち同一直線上に存在するものが２つのみである例でもある。
【００３３】
複数のメモリセルを上記のように配置した場合、任意に選択された２つの保存用メモリセルの組に対して、その組のそれぞれのメモリセル（Ｍ１およびＭ２のそれぞれ）と１つの移動用メモリセル（Ｍ３）とを結ぶ直線上（直線Ｍ１−Ｍ３上および直線Ｍ２−Ｍ３上）にメモリセルが２つのみ存在するので、任意の量子状態保存用の量子ビット間で、他のメモリセルとの干渉なしに量子情報を移動できる。なお、これらのメモリセルは、量子ゲートにおいて量子ビットを表す物理系集団からなるものでもよい。
【００３４】
一方、例えば図５に示したように、複数のメモリセルをマトリックス状に整列して配置した量子メモリにおいて、移動用メモリセルＭ３および保存用メモリセルＭ１，Ｍ２を図示したように選択した場合、直線Ｍ２−Ｍ３上に他のメモリセルＭｘが存在するため、エンタングルメント生成用レーザー光がメモリセルＭｘと相互作用してテレポーテーションの障害となる。図５で選択した保存用メモリセルＭ１，Ｍ２に対しては、他のどのメモリセルを移動用メモリセルに設定しても他のメモリセルとの干渉が起きる。
【００３５】
ただし、上述した図３および図４のメモリセルの配置はよいが、図５のメモリセルの配置はよくないという議論は、エンタングルメント生成用レーザー光およびテレポーテーション用レーザー光を２つのメモリセルを串刺しするようにして照射する際、１つ目のメモリセルを通過した後のレーザー光を、反射鏡などを用いて２つ目のメモリセルを通過する前にその進行方向を積極的に大きく変化させることをしないことを前提としたものである。これに対して、例えばメモリセルが配置されている平面に対して、その平面の上方にレーザーを配置するとともにその平面の下方に反射鏡を配置して、レーザー光の照射方法を工夫し、１本のレーザー光の光路には常に２つのメモリセルのみが存在するようにすれば、図５のメモリセルの配置でも原理的には他のメモリセルとの干渉なしに任意の２つのメモリセル間で量子情報を移動できる。
【００３６】
【実施例】
（実施例１）
図６を参照して本実施例の量子メモリを説明する。
セシウムの原子気体を半径１ｃｍ、高さ３ｃｍの円筒状のガラスセルに充填したメモリセル１１を６個用意し、これらのメモリセル１１をステージ１０上の同一平面上に並べた。６個のメモリセル１１のうち、１つを量子状態移動用メモリセル（ＭＥ３）、残りの５つを量子状態保存用メモリセルとする。この場合、５つの量子状態保存用メモリセルは同一直線上に配置され、量子状態移動用メモリセルＭＥ３は量子状態保存用メモリセルが配置されている直線からはずして配置されている。
【００３７】
ステージ１０の上方および下方にコイル１２、１２が設けられ、全てのメモリセル１１に対し垂直上向きの０．９Ｇの磁場が印加される。
【００３８】
ステージ１０の下方に第１のレーザー１３が設けられ、全てのメモリセル１１に対し、第１のレーザー光Ｌ１が照射される。この第１のレーザー光は、６Ｓ1/2から６Ｐ3/2への遷移に共鳴する波長８５２ｎｍの円偏光である。音響光学素子（図示せず）のＯＮ／ＯＦＦによって第１のレーザー光Ｌ１をパルス照射できるようになっている。
【００３９】
ステージ１０の側方に第２のレーザー１４が設けられ、量子状態移動用メモリセルＭＥ３と、任意の１つの量子状態保存用メモリセルとを串刺しにして第２レーザー光Ｌ２が照射される。この第２のレーザー光は、６Ｓ1/2から６Ｐ3/2への遷移から７００ＭＨｚだけ短波長側にずらした直線偏光である。音響光学素子（図示せず）のＯＮ／ＯＦＦによって第２のレーザー光Ｌ２をパルス照射できるようになっている。
【００４０】
第２のレーザー１４から量子状態移動用メモリセルＭＥ３と各々の量子状態保存用メモリセルとの通過する直線の延長線上には、それぞれ５つのホモダイン検出器１５が設けられている。これらのホモダイン検出器１５は２つのメモリセルを透過したレーザー光を偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）で分岐し、それぞれの光を検出して差をとり、ロックインアンプで印加磁場中のセシウム原子のラーモア歳差運動角周波数でのｓｉｎ成分とｃｏｓ成分を測定するものである。
【００４１】
上記のような構成を有する量子メモリにおいて量子状態を移動させる方法について説明する。ここでは、５つの保存用メモリセルから任意の２つ（図６のＭＥ１とＭＥ２）を選択して、ＭＥ１からＭＥ２へ量子状態を移動させる場合について説明する。
【００４２】
まず、磁場Ｂを印加した状態で、ＭＥ１とＭＥ２に右円偏光のレーザー光Ｌ１を、ＭＥ３に左円偏光のレーザー光Ｌ１を照射した。この結果、各メモリセルに含まれるセシウム原子気体の全角運動量が設定したい磁気サブレベルの状態になる。次に、ＭＥ３とＭＥ２にレーザー光Ｌ２を０．４５ｍｓ照射し、透過光をホモダイン検出した。さらに、レーザー光Ｌ２の照射から０．３ｍｓ後に、ＭＥ３とＭＥ１にレーザー光Ｌ２を０．４５ｍｓ照射し、透過レーザー光をホモダイン検出した。これによりＭＥ１の量子状態をＭＥ２に移動（テレポーテーション）することができた。
【００４３】
（実施例２）
図７を参照して本実施例の量子メモリを説明する。
セシウムの原子気体を充填した半径２０ｃｍ、高さ３ｃｍの円筒状のガラスセル２０を用意し、このガラスセル２０を実施例１におけるステージおよび複数のメモリセルの代わりとして設置した。
【００４４】
ガラスセル２０の下方からセル中の３箇所に対して実施例１における第１のレーザー光Ｌ１に相当する光を照射することにより、それらの部分をそれぞれメモリセルＭＥ４、ＭＥ５、ＭＥ６として選択した。メモリセルＭＥ４、ＭＥ５は量子情報保存用であり、メモリセルＭＥ６は量子情報移動用である。それぞれのメモリセルに対し、実施例１で施したのと同様の光照射、ホモダイン検出を行うことにより、ＭＥ４の量子状態をＭＥ５に移動することができた。
【００４５】
本実施例のように、メモリセル間を隔壁（またはメモリとなる媒質の存在しない空間）で区切ることなく、空間的に区切りなく一様に分布する物質への選択的な光照射によってその部分の物理系集団をメモリセルとして利用することができ、空間的に区切りなく一様に分布する物質中に複数のメモリセルを含ませることができる。
【００４６】
（実施例３）
Ｐｒ3+イオンを０．０５％添加した（Ｙ3+イオンのうち０．０５％をＰｒ3+イオンで置換した）半径１ｍｍ、高さ２ｍｍの円筒状のＹ2ＳｉＯ5結晶を６個用意し、これらの結晶を実施例１におけるセシウム原子の入ったガラスセルの代わりにステージ上に設置してメモリセルとして使用した。ステージを含めてＹ2ＳｉＯ5結晶からなる６個のメモリセルの全体を光学窓付きのクライオスタット中に入れ、３．８Ｋに冷却した。
【００４７】
実施例１の第１のレーザー光Ｌ１の代わりに、第３のレーザー光Ｌ３を用いた。このレーザー光Ｌ３は、Ｐｒ3+イオンの3Ｈ4から1Ｄ2への遷移に共鳴する波長６０６ｎｍの円偏光である。
【００４８】
実施例１の第２のレーザー光Ｌ２の代わりに、第４のレーザー光Ｌ４を用いた。このレーザー光Ｌ４は、Ｐｒ3+イオンの3Ｈ4から1Ｄ2への遷移から２０ＧＨｚ短波長側へシフトさせた周波数に設定した直線偏光である。
【００４９】
上記の構成を有する量子メモリに対して、実施例１と同様の操作を行ったところ、量子状態保存用メモリセルに相当する任意の２つの結晶間で、結晶中の希土類イオン集団の量子状態を移動させることができた。
【００５０】
（実施例４）
図８を参照して本実施例の量子メモリを説明する。
メモリセルとして、Ｐｒ3+イオンを０．０５％添加した（Ｙ3+イオンのうち０．０５％をＰｒ3+イオンで置換した）半径０．２５ｍｍ、高さ０．５ｍｍの円筒状のＹ2ＳｉＯ5結晶を６個用意した。これらのメモリセル３１を回転ステージ３０上に設置した。このとき、６個のメモリセル３１を正五角形の頂点と正五角形の中心にそれぞれ設置し、中心の一個を量子状態移動用メモリセル、周りの５個を量子状態保存用メモリセルとした。回転ステージ３０を回転させると、保存用メモリセルは移動用および保存用メモリセルが分布する平面内において移動用メモリセルを中心として回転することになる。回転ステージ３０を含めてＹ2ＳｉＯ5結晶からなる６個のメモリセル３１の全体を光学窓付きのクライオスタット（図示せず）中に入れ、３．８Ｋに冷却した。ステージ３０の上方および下方にコイル３２、３２が設けられ、全てのメモリセル３１に対し垂直上向きの磁場Ｂが印加される。
【００５１】
本実施例では、常に図８に図示した１つの直線上（回転ステージ３０の直径に相当する）でエンタングルメント生成およびテレポーテーションを実行するようにし、各操作の間で回転ステージ３０を回転させて保存用メモリセルの位置を移動させる。図示されている中心の移動用メモリセルの位置と所定の円周上の一点に移動した１つの保存用メモリセルの位置を「操作位置」という。
【００５２】
回転ステージ３０の下方、具体的には操作位置の移動用メモリセルと保存用メモリセルの下方に、実施例３において説明した第３のレーザー光Ｌ３を照射する第３のレーザー３３が設けられている。回転ステージ３０の側方に、操作位置にある移動用メモリセルと保存用メモリセルを串刺しするように実施例３において説明した第４のレーザー光Ｌ４を照射する第４のレーザー３４が設けられている。第４のレーザー３４から操作位置にある移動用メモリセルと保存用メモリセルとの通過する直線の延長線上に、ホモダイン検出器３５が設けられている。
【００５３】
このような構成を有する量子メモリにおいて、移動用メモリセルと１つの保存用メモリセルに第４のレーザー光を照射してエンタングルメント生成を実行した後、回転ステージ３０を回転させて別の保存用メモリセルを操作位置に移動させ第４のレーザー光を照射してベル測定を実行することにより、任意の保存用メモリセル間で量子テレポーテーションが可能になった。したがって、図６または図７の量子メモリと比較してレーザーおよびホモダイン検出器を減らすことができ、装置構成が簡単になった。
【００５４】
（実施例５）
実施例１における６個のセシウム原子入りガラスセルの代わりとして１０個のセシウム原子入りガラスセルをメモリセルとして用い、これらのメモリセルを同一円周上に並べて量子メモリを作製した。
【００５５】
この場合、量子情報保存用に利用していないメモリセルが１つでもあれば、それを移動用メモリセルに設定し、任意の２つのメモリセル間での量子情報の移動を実行することが可能であり、２つ以上の量子情報の移動を同時に実行することも可能であった。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、任意の２つのメモリセル間で他のメモリセルの干渉を受けることなく量子情報を自由に移動させることが可能な量子メモリおよびそのような量子メモリを用いた情報処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】物理系集団間にエンタングルメントを生成する方法を説明する図。
【図２】物理系集団間での量子テレポーテーションを説明する図。
【図３】任意の量子状態保存用メモリセル間で量子情報の移動が可能であるメモリセルの配置例を示す図。
【図４】任意の量子状態保存用メモリセル間で量子情報の移動が可能であるメモリセルの配置例を示す図。
【図５】量子状態保存用メモリセル間での量子情報の移動に際して、他のメモリセルとの干渉が生じるメモリセル配置例を示す図。
【図６】本発明の実施例１における量子メモリの概略構成を示す図。
【図７】本発明の実施例２における量子メモリの概略構成を示す図。
【図８】本発明の実施例４における量子メモリの概略構成を示す図。
【符号の説明】
１０…ステージ、１１…メモリセル、１２…コイル、１３…第１のレーザー、１４…第２のレーザー、１５…ホモダイン検出器、２０…ガラスセル、３０…回転ステージ、３１…メモリセル、３２…コイル、３３…第３のレーザー、３４…第４のレーザー、３５…ホモダイン検出器。
Claims (7)
- 全角運動量が磁気サブレベルを持つエネルギー状態を取ることができ全体の角運動量の量子状態で量子情報が表される物理系集団で１つのメモリセルが形成されている複数のメモリセルと、
磁場を各メモリセルに印加する手段と、
右偏光または左偏光の光で各メモリセルを照射する手段と、
複数のメモリセルのうち、前記右偏光及び左偏光のうちの一方の向きに偏光した光が照射された第１のメモリセルを含んで、他方の向きに偏光した光が照射された第２のメモリセルを順次前記磁場の向きと垂直な方向の１本のレーザー光で同時に照射し、その後、前記第２のメモリセルの他に他方の向きに偏光した光が照射された第３のメモリセルを順次前記磁場の向きと垂直な方向の１本のレーザー光で同時に照射する手段と、
２つのメモリセルを透過したレーザー光の偏光状態を測定する手段とを具備し、
前記第２又は第３のメモリセルとして任意の１つの保存用メモリセルを選択し、前記第１のメモリセルとして移動用メモリセルを選択したとき、それらを結ぶ直線上には他のメモリセルが存在しないことを特徴とする量子メモリ。 - 前記メモリセルは空間的に区切りなく一様に分布する物質への選択的な光照射によって集団としての角運動量を生じさせた一部の空間内に分布する物理系集団からなり、前記空間的に区切りなく一様に分布する物質中に複数のメモリセルが含まれることを特徴とする請求項１の量子メモリ。
- 前記物理系集団が気体原子からなることを特徴とする請求項１または２に記載の量子メモリ。
- 前記物理系集団が固体中の希土類イオンからなることを特徴とする請求項１または２に記載の量子メモリ。
- 前記複数のメモリセルが同一平面上でかつ奇数個の頂点をもつ正多角形の頂点およびその正多角形の中心に位置し、正多角形の中心に位置するメモリセルを量子状態移動用のメモリセルとすることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の量子メモリ。
- 全角運動量が磁気サブレベルを持つエネルギー状態を取ることができ、全体の角運動量の量子状態で量子情報が表される物理系集団を１つのメモリセルとする複数のメモリセルと、
磁場を各メモリセルに印加する手段と、
右偏光または左偏光の光を各メモリセルに照射する手段と、
複数のメモリセルのうち、前記右偏光及び左偏光のうちの一方の向きに偏光した光が照射された第１のメモリセルを含んで、他方の向きに偏光した光が照射された第２のメモリセルを順次前記磁場の向きと垂直な方向の１本のレーザー光で同時に照射し、その後、前記第２のメモリセルの他に他方の向きに偏光した光が照射された第３のメモリセルを順次前記磁場の向きと垂直な方向の１本のレーザー光で同時に照射する手段と、
２つのメモリセルを透過したレーザー光の偏光状態を測定する手段とを具備し、
前記複数のメモリセルのうち、前記各１本のレーザー光の照射に沿った同一直線上に存在するものが２つのみであることを特徴とする量子メモリ。 - 全角運動量が磁気サブレベルを持つエネルギー状態を取ることができ、全体の角運動量の量子状態で量子情報が表される物理系集団を１つのメモリセルとする複数のメモリセルを用意し、前記複数メモリセルのうち少なくとも１つを量子状態移動用の第１のメモリセルＡとし、量子状態移動用の第１のメモリセルＡ以外の任意の２つの第２のメモリセルＶおよび第３のメモリセルＢの組を選択して、第２のメモリセルＶの量子状態を第３のメモリセルＢに移動させて情報処理する方法であって、
磁場を各メモリセルに印加するとともに、右偏光または左偏光の光を各メモリセルに照射し、これにより該右偏光及び左偏光のうちの一方の向きに偏光した光を前記第１のメモリセルＡに照射し、他方の向きに偏光した光を前記第２のメモリセルＶおよび前記第３のメモリセルＢに照射し、各メモリセルを形成する物理系集団全体の全角運動量が特定の値を持つエネルギー状態にし、
前記磁場の向きと垂直な方向の１本のレーザー光で、前記第１のメモリセルＡおよび前記第３のメモリセルＢの２つのみを順次透過するように照射し、両メモリセル透過後のレーザー光の偏光状態を測定して、前記第１のメモリセルＡと前記第３のメモリセルＢのエンタングルメントを生成し、
前記磁場の向きと垂直な方向の１本のレーザー光で、前記第１のメモリセルＡおよび前記第２のメモリセルＶの２つのみを順次透過するように照射し、両メモリセル透過後のレーザー光の偏光状態を測定して、前記第２のメモリセルＶの量子状態を、前記第１のメモリセルＡとの間でエンタングルメントを生成している前記第３のメモリセルＢへテレポーテーションさせる
ことを特徴とする量子メモリを用いた情報処理方法。
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