JP4638486B2 - 入力状態特性を保持する非破壊光子検出器 - Google Patents
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Description
近年量子システムの開発に成功し、かつその技術の可能性に期待できるという理由から、量子情報処理への関心が劇的に高まっている。詳細には、実用的な量子暗号システムが開発されており、もし大型(多量子ビット)の量子コンピュータを構築することができるのであれば、量子コンピュータは、古典的なコンピュータよりも、はるかに効率的に数多くの処理タスクを実行することができるであろう。たとえば数十又は数百量子ビットを有する量子プロセッサにより、いかなる古典的な機械でも達成することができない量子シミュレーションを実行することができる。また、そのような量子プロセッサは、量子通信の作動距離及び適用性を広げる可能性もある。
本発明の一実施形態によれば、非破壊光子検出器が、入力状態の偏光又は角運動量のような特性を変更することなく、入力状態の光子数を検出することができる。
本発明の一態様によれば、非破壊光子検出器は、プローブ状態及び信号状態と物質系との相互作用を利用して、プローブ状態の変化を引き起こし、その変化は、信号光子状態の光子の数に依存する。その物質系は、一般的に、プローブ状態、信号状態、制御場内の光子のエネルギーにそれぞれ対応するエネルギー準位遷移を有する、1つ又はそれ以上の原子、分子、他の量子系を含む。光子と物質系との相互作用は、信号光子を破壊することなく、プローブ状態のフォック成分に位相シフトを導入する電磁誘導透過(EIT)を引き起こす。一実施形態では、プローブ状態は最初に低強度コヒーレント状態にあり、物質系が、プローブ状態を、コヒーレント状態から、もはやコヒーレント状態ではない状態に変化する。ホモダイン又はヘテロダイン測定系は、信号状態の光子の数(たとえば、信号状態が光子を含まないか、又は1つの光子を含むか)を判定するために、プローブ状態の変化を測定することができる。
式6:<Y>=2αsin(nχt)
角周波数ωaの光子が存在しない(n=0)場合には、測定された位置直交成分<X>は値αの2倍に等しく、測定された運動量直交成分<Y>は0である。角周波数ωaの1つの光子が存在する(n=1)場合には、直交成分<X>が0であり、直交成分<Y>が2αになるように、相互作用時間tを制御することができる(相互作用時間tは、たとえば、物質系112内の4準位原子や分子の数によって、及び/又は離調パラメータνa、νb、νcを調整することによって制御することができる)。こうして、反応時間tを適切に制御する場合、測定された直交成分<X>及び<Y>は、光子の存否を示す、明確で、かつ容易に識別されるシグネチャをもたらす。
χtが小さい状況では、出力プローブ状態を|α(1+inχt/2)>X|inαχt/2>Yとして表すことができ、フォトダイオード428を利用する第2のモード|inαχt/2>Yを直接測定することによって、光子密度(nαχt)2に比例する測定電流が得られる。フォトダイオード428を、単一の光子を0個又は2個の光子と区別することができない従来のデバイスとすることができるが、フォトダイオード428は、0個の光子と多数の光子とを区別することができる。積αχtが比較的大きいものと仮定すると、フォトダイオード428は、出力モード|POUT>Yが光子を有さないか、約(αχt)2個の光子を有するかを効率的に識別することができる。こうして、系400Bは、単一の光子を検出する効率が1に近いので、現在使用されている検出器よりもはるかに多い利点を有する。
信号状態|SIN>がフォック状態の重ね合わせであり、c0|0>a+c1|1>a+c2|2>aの形を有する場合には、成分フォック状態|1>a及び|2>aはいずれも、角周波数ωaの光子を含み、したがって位相シフトを引き起こす。しかしながら、フォトダイオード428において結果生じる電流の大きさが、成分状態|1>aから結果生じる位相シフトと、成分状態|2>aから結果生じる位相シフトを容易に区別する。先に言及したように、χtが小さいとき、フォトダイオード428において測定される電流は、(nαχt)2に概ね比例する。したがって、フォトダイオード428が成分状態|2>aの場合に測定する電流は、成分状態|1>aの場合に測定される電流の約4倍である。
位相シフトφに対する分布は、物質系110の厳密な位相のずれの仕組みに依存する。例示するために、ここでは、-φ0〜φ0の範囲の矩形の分布が仮定するが、同様の答えがガウス分布又はポアソン分布の場合にも得られる。Icをこの位相分布にわたって積分すると、電流Icは、φ0が小さい極限において式10の形を有する。したがって、(1-cos[χt])がφ0 2よりもはるかに大きい限り、単一の光子と光子が存在しない場合とを区別することができる。基本的には、このために、位相シフトχtを、起こり得るランダムな位相φ0よりも大きくなるように選択する必要がある。
図4Cは、本発明のさらに別の実施形態による検出器400Cを示す。検出器400Cの場合、レーザ又は他のビーム源が、コヒーレント状態のプローブビームを生成する。弱いビームスプリッタ426が、コヒーレント状態のうちのわずかな部分(たとえば5〜10%)を分離し、入力プローブ状態|PIN>を形成し、強い局部発振器信号LOを残す。入力プローブ状態|PIN>は、約100未満、より好ましくは10〜50の範囲内の光子数期待値|αc|2を有するコヒーレント状態|αc>であることが好ましく、一方、信号状態|SIN>は、0個又は1個の光子に対応する光子数及び強度を有するフォック状態又はフォック状態の重ね合わせである。
式11内の量Wは、一般的に、物質系の特性及び角周波数ωa、ωb、ωcに依存する。式12A及び式12Bは、角周波数ωa及びωbが個々の原子遷移角周波数ω12及びω32に正確に調整され、位相のずれが無視でき、原子準位2及び4からの自然放出の分岐比が概ね1である場合に、量Wを与える。式12Aでは、Nは4準位原子の数であり、Ωa、Ωb、Ωcは式12Bにおいて与えられるような実効的な真空ラビ周波数であり、νcは離調パラメータ(ωc-ω43)であり、γ2及びγ4は自然放出率A21及びA43に概ね等しい。式12Bでは、kは値a、b、cを有する指数であり、σkは、定義によって、波長λk、2πc/ωcにおける共鳴原子吸収断面積3λk 2/2πであり、πw2は、実効レーザモード断面積であり、Akは2つの対応する原子準位間の自然放出率であり、ωkは、パルス状のレーザ場と静止した原子との断熱相互作用を記述するプロファイル関数の帯域幅である。
Claims (3)
- 入力光子状態を、該入力光子状態における信号光子の特性の状態によって区別される複数モードに分割するビーム分割系(610)と、
前記複数モードのうちの任意の個々のモードごとに光子数を特定することなく、前記複数モードにおける光子の総数を測定することができる非破壊測定系(620)と、
前記非破壊測定系(620)からの出力後の前記モードを合成するために配置されているビーム合成系(630)
とを備えるデバイスであって、
前記非破壊測定系(620)が、
前記複数モードのうちの第1のモードの経路内にある第1の物質系(641)と、
前記複数モードのうちの第2のモードの経路内にある第2の物質系(642)と、
前記第1の物質系(641)及び前記第2の物質系(642)にそれぞれ入力される、第1のプローブ状態及び第2のプローブ状態の発生源と、
前記第1の物質系(641)及び前記第2の物質系(642)からそれぞれ出力された後の前記第1のプローブ状態及び前記第2のプローブ状態を受容する位相測定系(670)
とを含み、
前記位相測定系(670)は、第1及び第2のビームスプリッタからそれぞれ反射した前記第1のプローブ状態及び前記第2のプローブ状態と、該第1及び第2のビームスプリッタをそれぞれ透過した局部発振器からの信号成分とを合成することにより、第1の光強度を測定し、該第1及び第2のビームスプリッタをそれぞれ透過した前記第1のプローブ状態及び第2のプローブ状態と、該第1及び第2のビームスプリッタからそれぞれ反射した該局部発振器からの前記信号成分とを合成することにより、第2の光強度を測定し、及び、該第1の光強度と該第2の光強度との差分を決定し、及び、
前記差分から、前記第1及び第2のプローブ状態のうちの少なくとも一方が位相変化を受けたか否かを判定することを、前記複数モードにおける光子の前記総数を測定することが含むことからなる、デバイス。 - 前記特性が、偏光状態と、1つの軸上への軌道角運動量の投影と、前記信号光子が到来する時間区間と、前記信号光子の運動量とからなる群より選択されることからなる、請求項1に記載のデバイス。
- ある信号状態における光子の数を検出するための方法であって、
前記信号状態を、保持されるべき特性の値によって区別される複数モードに分割し、
前記複数モードのうちの任意の個々のモードごとの光子数を特定することなく、前記複数モードにおける光子の総数を測定し、及び、
光子の前記総数を測定した後に前記複数モードを合成する
ことを含み、
前記複数モードにおける光子の前記総数を測定することが、
前記複数モードを、それぞれの物質系(651、652)内に並列に導き、
第1及び第2のプローブ状態を、前記物質系(651、652)をそれぞれ通して並列に導き、
前記物質系からそれぞれ出力された後の前記第1のプローブ状態と前記第2のプローブ状態との位相差を測定し、及び、
前記位相差から前記信号状態における光子の前記総数を推定する
ことを含み、
第1及び第2のビームスプリッタからそれぞれ反射した前記第1のプローブ状態及び前記第2のプローブ状態と、該第1及び第2のビームスプリッタをそれぞれ透過した局部発振器からの信号成分とを合成することにより、第1の光強度を測定し、該第1及び第2のビームスプリッタをそれぞれ透過した前記第1のプローブ状態及び第2のプローブ状態と、該第1及び第2のビームスプリッタからそれぞれ反射した該局部発振器からの信号成分とを合成することにより、第2の光強度を測定し、及び、該第1の光強度と該第2の光強度との差分を決定する、ということを前記位相差を測定することが含み、及び、
前記第1の光強度と前記第2の光強度との前記差分から、前記第1及び第2のプローブ状態のうちの少なくとも一方が位相変化を受けたか否かを判定することを、光子の前記総数を推定することが含むことからなる、方法。
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