JP6630302B2 - Quantum memory device - Google Patents

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

図1は、マイクロ波およびラジオ波を用いて結合可能なルビジウム原子の同位体87Rbの2つの量子状態および2状態間の遷移を説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating two quantum states of an isotope 87 Rb of a rubidium atom that can be coupled using microwaves and radio waves and a transition between the two states. 図2は、D1線の2波長を用いて誘導ラマン遷移により結合可能なルビジウム原子の同位体87Rbの2つの量子状態および2状態間の遷移を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating two quantum states of the isotope 87 Rb of a rubidium atom that can be coupled by stimulated Raman transition using two wavelengths of the D 1 line and transition between the two states. 図3は、本発明の量子メモリ装置の構成を示す概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing the configuration of the quantum memory device of the present invention. 図4は、本発明の量子メモリにおいて状態の占有率を計測するための87Rb原子の521/2−523/2間の状態遷移を説明する図である。Figure 4 is a diagram for explaining a state transition between the 5 2 S 1/2 -5 2 P 3/2 of 87 Rb atoms to measure the occupancy of states in the quantum memory of the present invention. 図5は、本発明の量子メモリ装置において、暗号化後に復号化せずに読み出しパルスを照射する手順を説明する図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a procedure for irradiating a read pulse without decryption after encryption in the quantum memory device of the present invention. 図6は、本発明の量子メモリ装置において復号化しない場合の状態占有率を示した図である。FIG. 6 is a diagram showing the state occupancy when decoding is not performed in the quantum memory device of the present invention. 図7は、本発明の量子メモリ装置において、暗号化後に復号化して読み出しパルスを照射する手順を説明する図である。FIG. 7 is a diagram for explaining a procedure of irradiating a read pulse with decryption after encryption in the quantum memory device of the present invention. 図8は、本発明の量子メモリ装置において復号化した場合の状態占有率を示した図である。FIG. 8 is a diagram showing the state occupancy when decoding is performed in the quantum memory device of the present invention.

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

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

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

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

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

図1は、マイクロ波およびラジオ波を用いて結合可能なルビジウム原子の同位体87Rbの2つの量子状態および2状態間の遷移を説明する図である。87Rb原子の基底状態は、スピン状態が521/2で核スピン3/2 を持つため、図1に示したように、F=1およびF=2の2つの超微細構造に分裂する。 FIG. 1 is a diagram illustrating two quantum states of the isotope 87 Rb of a rubidium atom that can be coupled using microwaves and radio waves, and a transition between the two states. The ground state of the 87 Rb atom splits into two hyperfine structures of F = 1 and F = 2 as shown in FIG. 1 because the spin state has a nuclear spin of 3/2 at 5 2 S 1/2 . I do.

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

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

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

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

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

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

ここで留意すべきことは、上述の各電磁波における各π/2パルスの位相関係である。D1線レーザの電磁波の位相は、2波長の間で揃っている。また、マイクロ波およびラジオ波の電磁波の位相も、2つの電磁波の間で揃っている。一方で、D1線レーザの電磁波の位相と、マイクロ波およびラジオ波の電磁波の位相との間には何ら関係が無く、互いに無相関でランダムな位相関係となっていることに留意されたい。言い換えると、書き込み用π/2パルスおよび読み出し用π/2パルスは、電磁波の位相において同位相の関係にあり、暗号化π/2パルスおよび復号化π/2パルスも、電磁波の位相において同位相の関係にあり、書き込み用π/2パルスおよび読み出し用π/2パルスの前記位相と、前記暗号化π/2パルスおよび前記復号化π/2パルスの前記位相との間には相関がないことになる。 What should be noted here is the phase relationship of each π / 2 pulse in each electromagnetic wave described above. The phase of the electromagnetic wave of the D 1 line laser is uniform between the two wavelengths. In addition, the phases of the electromagnetic waves of microwaves and radio waves are also aligned between the two electromagnetic waves. On the other hand, an electromagnetic wave of the phase of the D 1 line laser, without any relationship between the microwave and radio waves of the electromagnetic waves of the phase should be noted that has a random phase relationship uncorrelated. In other words, the π / 2 pulse for writing and the π / 2 pulse for reading have the same phase relationship in the phase of the electromagnetic wave, and the encrypted π / 2 pulse and the decrypted π / 2 pulse also have the same phase in the phase of the electromagnetic wave. And there is no correlation between the phases of the π / 2 pulse for writing and the π / 2 pulse for reading and the phases of the encrypted π / 2 pulse and the decrypted π / 2 pulse. become.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

図4は、本発明の量子メモリにおいて状態の占有率を計測するための87Rb原子の521/2−523/2間の状態遷移を説明する図である。量子メモリの状態を確定するため、状態|1>状態および|2>状態の占有率は次のように計測することができる。図4に示したように、まず|2>状態と、23/2:F=3状態との間に共鳴する吸収計測用レーザを原子集団に照射することで、その光の吸収量から|2>状態にある原子数を計測する。すなわち図3の本発明の量子メモリ装置10において、読出し用π/2パルス23を照射後の原子集団2に、吸収計測用レーザ光6を照射して、吸収量から|2>状態にある原子数を計測する。 FIG. 4 is a diagram for explaining a state transition between 5 2 S 1/2 −5 2 P 3/2 of 87 Rb atoms for measuring the state occupancy in the quantum memory of the present invention. To determine the state of the quantum memory, the occupancy of the states | 1> and | 2> can be measured as follows. As shown in FIG. 4, an atomic group is first irradiated with an absorption measurement laser that resonates between the | 2> state and the 2 P 3/2 : F = 3 state, so that the amount of light absorbed by the laser is measured. | 2> Count the number of atoms in the state. That is, in the quantum memory device 10 of the present invention shown in FIG. 3, the atomic group 2 after the irradiation with the reading π / 2 pulse 23 is irradiated with the laser beam 6 for absorption measurement, and the atoms in the state | 2> Count the number.

|2>状態の原子の数の計測後、吸収計測用レーザによって光の輻射圧を外力として|2>状態の原子を物理的にアトムチップ1のトラップ領域(観測領域)の外へ押し出し、吹き飛ばす。|2>状態の原子を吹き飛ばした後で、今度は|1>状態と、23/2:F=2状態との間で共鳴するリパンプ用レーザを原子集団へ照射する。すなわち図3の本発明の量子メモリ装置10において、|2>状態の原子を吹き飛ばした後の原子集団2に、リパンプ用レーザ光7を照射した後、上述の|2>状態の原子数の測定と同じ吸収計測用レーザを照射することで、|1>状態にある原子数を計測することができる。上述のようにして計測した|1>状態および|2>状態のそれぞれの原子数から、|1>状態および|2>状態の占有率を計算して、量子状態の占有率の計測が完了する。 After measuring the number of atoms in the | 2> state, the laser in the | 2> state is physically pushed out of the trap region (observation region) of the atom chip 1 and blown off using an absorption measurement laser with the radiation pressure of light as an external force. . | 2> after blowing off state of the atom, now | 1> and status, 2 P 3/2: the Ripanpu laser resonating between F = 2 state is irradiated to the atomic population. That is, in the quantum memory device 10 of the present invention shown in FIG. 3, after the atoms in the | 2> state are blown off, the atomic group 2 is irradiated with the laser beam 7 for repump, and the number of atoms in the | 2> state is measured. By irradiating the same laser for absorption measurement as described above, the number of atoms in the | 1> state can be measured. The occupancy of | 1> state and | 2> state is calculated from the number of atoms of | 1> state and | 2> state measured as described above, and the measurement of the occupancy of quantum state is completed. .

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

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

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

上述の実施形態では、87Rb原子の原子集団に対して、量子状態を設定するラムゼイ干渉計タイプの量子メモリ装置の例を示したが、原子集団を単一の原子に置き換えても本発明と同様の秘匿性能を向上させた量子メモリの暗号化・復号化が可能である。また、冷却原子として87Rb原子を例に説明をしたが、Li、Na、K、Cs、Ca、Sr、Ba、Yb、Cr、Dyなどについてもレーザ冷却を適用可能なため、ラムゼイ干渉のための適当なエネルギー準位があれば使用できる可能性がある。また、冷却原子以外であっても、量子2準位型の超伝導磁束量子や半導体量子ドットなど、ラムゼイ干渉が計測できるものに対しては、本発明における暗号化・復号化を適用できる可能性がある。
また本発明の量子メモリ装置では、書き込みπ/2パルス・読み出しπ/2パルス並びに暗号化π/2パルス・復号化π/2パルスの2段階の異なるパルスの照射を経て、情報の記憶・読み出しを行う。これをさらに3段階以上に増やすことも可能である。これによって、秘匿の性能をさらに高めることが可能となる。
In the above-described embodiment, an example of the Ramsey interferometer type quantum memory device that sets a quantum state for an atomic group of 87 Rb atoms has been described. A similar encryption / decryption of a quantum memory with improved concealment performance is possible. In addition, although 87 Rb atoms have been described as examples of cooling atoms, laser cooling can be applied to Li, Na, K, Cs, Ca, Sr, Ba, Yb, Cr, Dy, etc. May be used if there is an appropriate energy level. In addition, the possibility that the encryption / decryption of the present invention can be applied to other than the cooled atom, such as a quantum two-level type superconducting flux quantum or semiconductor quantum dot, which can measure Ramsey interference. There is.
Further, in the quantum memory device of the present invention, information is stored and read through irradiation of two different pulses of writing π / 2 pulse, reading π / 2 pulse and encryption π / 2 pulse / decoding π / 2 pulse. I do. This can be further increased to three or more stages. As a result, it is possible to further improve the performance of concealment.

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

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

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

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

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

Claims (8)

第1の量子状態および第2の量子状態を含む2つの量子状態を保持する記憶媒体と、
前記2つの量子状態に共鳴して、前記2つの量子状態を結合させる1種類以上の第1の電磁波による第1のπ/2パルスを前記記憶媒体に照射して、情報の書き込みまたは読み出しを行う手段と、
前記書き込みまたは読み出しを行う手段の前記第1の電磁波とは異なる1種類以上の第2の電磁波による、前記第1の電磁波とは異なる位相を持つ第2のπ/2パルスを前記記憶媒体に照射して、前記情報の書き込みまたは読み出しを行う手段によって書き込まれた前記情報の暗号化または復号化を行う手段と
を備えたことを特徴とする量子メモリ装置。
A storage medium for holding two quantum states including a first quantum state and a second quantum state;
Writing or reading information is performed by irradiating the storage medium with a first π / 2 pulse of one or more types of first electromagnetic waves that resonate with the two quantum states and couple the two quantum states. Means,
Irradiating the storage medium with a second π / 2 pulse having a phase different from that of the first electromagnetic wave due to at least one type of second electromagnetic wave different from the first electromagnetic wave of the means for writing or reading. And a means for encrypting or decrypting the information written by the means for writing or reading the information.
前記第1のπ/2パルスは、書き込み用π/2パルスおよび読み出し用π/2パルスを含み、
前記第2のπ/2パルスは、暗号化π/2パルスおよび復号化π/2パルスを含み、
前記2つの量子状態間の周波数換算のエネルギー差と、前記第2の電磁波のエネルギーの総和との差分を離調δ(2π×周波数)とするとき、前記復号化π/2パルスの照射開始のタイミングは、前記暗号化π/2パルスの照射終了から(2n+1) π/δ (nは0以上の整数)後であること
を特徴とする請求項1に記載の量子メモリ装置。
The first π / 2 pulse includes a π / 2 pulse for writing and a π / 2 pulse for reading,
The second π / 2 pulse includes an encrypted π / 2 pulse and a decrypted π / 2 pulse;
When the difference between the frequency-converted energy difference between the two quantum states and the sum total of the energy of the second electromagnetic wave is detuned δ (2π × frequency), the irradiation start of the decoding π / 2 pulse is started. 2. The quantum memory device according to claim 1, wherein the timing is (2n + 1) π / δ (n is an integer of 0 or more) after the end of irradiation of the encrypted π / 2 pulse. 3.
前記書き込み用π/2パルスおよび前記読み出し用π/2パルスは、電磁波の位相において同位相の関係にあり、
前記暗号化π/2パルスおよび前記復号化π/2パルスも、電磁波の位相において同位相の関係にあり、
前記書き込み用π/2パルスおよび前記読み出し用π/2パルスの前記位相と、前記暗号化π/2パルスおよび前記復号化π/2パルスの前記位相との間には相関がないこと
を特徴とする請求項1または2に記載の量子メモリ装置。
The writing π / 2 pulse and the reading π / 2 pulse have the same phase relationship in the phase of the electromagnetic wave,
The encrypted π / 2 pulse and the decrypted π / 2 pulse also have the same phase relationship in the phase of the electromagnetic wave,
There is no correlation between the phases of the writing π / 2 pulse and the reading π / 2 pulse and the phases of the encrypted π / 2 pulse and the decrypted π / 2 pulse. The quantum memory device according to claim 1 or 2, wherein:
前記記憶媒体は、極低温で捕捉された原子集団であって、前記原子集団を近傍に捕捉するアトムチップをさらに備え、
前記第1の電磁波および前記第2の電磁波は、それぞれ、前記原子集団の原子の基底状態および励起状態に共鳴して前記基底状態および前記励起状態を結合させる電磁波であり、
前記アトムチップの表面近傍において、磁気ポテンシャルが極小値となる磁束密度の空間分布が形成されており、前記基底状態および前記励起状態のエネルギー変化の差がほぼゼロに設定されていること
を特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の量子メモリ装置。
The storage medium is an atomic group captured at a cryogenic temperature, further comprising an atom chip that captures the atomic group in the vicinity,
The first electromagnetic wave and the second electromagnetic wave are electromagnetic waves that resonate with a ground state and an excited state of the atoms of the atomic group and combine the ground state and the excited state, respectively.
In the vicinity of the surface of the atom tip, a spatial distribution of the magnetic flux density at which the magnetic potential has a minimum value is formed, and the difference in energy change between the ground state and the excited state is set to substantially zero. The quantum memory device according to claim 1.
前記原子集団の元素は、ルビジウム原子の同位体87Rbであり、
前記第1の電磁波は、誘導ラマン遷移により前記基底状態および前記励起状態を結合可能なD1線の2波であり、
前記第2の電磁波は、マイクロ波(fm=6.8GHz)およびラジオ波(fr=1.3MHz)の組み合わせであり、
前記アトムチップの近傍における磁場トラップの磁気ポテンシャル極小点での磁束密度の値として概ねBmin=0.32mTを用いること
を特徴とする請求項4に記載の量子メモリ装置。
The element of the atomic population is the isotope 87 Rb of rubidium atoms,
It said first electromagnetic wave is a two-wave of the ground state and the excited state capable of binding D 1 line by stimulated Raman transition,
The second electromagnetic wave is a combination of a microwave (fm = 6.8 GHz) and a radio wave (fr = 1.3 MHz),
Quantum memory device according to claim 4, characterized by using a generally B min = 0.32mT as the value of the magnetic flux density in magnetic potential minimum point of the magnetic field traps in the vicinity of the atom chip.
第1の量子状態および第2の量子状態を含む2つの量子状態を保持する記憶媒体を含む量子メモリ装置で、情報を記憶しまたは読み出す方法において、
前記2つの量子状態に共鳴して、前記2つの量子状態を結合させる1種類以上の第1の電磁波による第1のπ/2パルスを前記記憶媒体に照射して、情報の書き込みを行うステップと、
前記書き込みまたは読み出しを行うときの前記第1の電磁波とは異なる1種類以上の第2の電磁波による、前記第1の電磁波とは異なる位相を持つ第2のπ/2パルスを前記記憶媒体に照射して、前記情報の書き込みを行うステップによって書き込まれた前記情報の暗号化を行うステップと、
前記第2のπ/2パルスを前記記憶媒体に照射して、前記暗号化を行うステップによって暗号化された前記暗号化された情報の復号化を行うステップと
前記第1のπ/2パルスを前記記憶媒体に照射して、前記情報の読み出しを行うステップと
を備えることを特徴とする方法。
A method for storing or reading information in a quantum memory device including a storage medium that holds two quantum states including a first quantum state and a second quantum state,
Writing information by irradiating the storage medium with a first π / 2 pulse of one or more types of first electromagnetic waves that resonate with the two quantum states and couple the two quantum states; ,
The storage medium is irradiated with a second π / 2 pulse having a phase different from that of the first electromagnetic wave due to at least one type of second electromagnetic wave different from the first electromagnetic wave when performing the writing or reading. And encrypting the information written by the step of writing the information,
Irradiating the second π / 2 pulse to the storage medium to decrypt the encrypted information encrypted by the encrypting step; and transmitting the first π / 2 pulse to the storage medium. Irradiating the storage medium to read the information.
前記第1のπ/2パルスは、書き込み用π/2パルスおよび読み出し用π/2パルスを含み、
前記第2のπ/2パルスは、暗号化π/2パルスおよび復号化π/2パルスを含み、
前記2つの量子状態間の周波数換算のエネルギー差と、前記第2の電磁波のエネルギーの総和との差分を離調δ(2π×周波数)とするとき、前記復号化π/2パルスの照射開始のタイミングは、前記暗号化π/2パルスの照射終了から(2n+1) π/δ (nは0以上の整数)後であること
を特徴とする請求項6に記載の方法。
The first π / 2 pulse includes a π / 2 pulse for writing and a π / 2 pulse for reading,
The second π / 2 pulse includes an encrypted π / 2 pulse and a decrypted π / 2 pulse;
When the difference between the frequency-converted energy difference between the two quantum states and the sum total of the energy of the second electromagnetic wave is detuned δ (2π × frequency), the irradiation start of the decoding π / 2 pulse is started. The method according to claim 6, wherein the timing is (2n + 1) π / δ (n is an integer of 0 or more) after the end of irradiation of the encrypted π / 2 pulse.
前記書き込み用π/2パルスおよび前記読み出し用π/2パルスは、電磁波の位相において同位相の関係にあり、
前記暗号化π/2パルスおよび前記復号化π/2パルスも、電磁波の位相において同位相の関係にあり、
前記書き込み用π/2パルスおよび前記読み出し用π/2パルスの前記位相と、前記暗号化π/2パルスおよび前記復号化π/2パルスの前記位相との間には相関がないこと
を特徴とする請求項6または7に記載の方法。
The writing π / 2 pulse and the reading π / 2 pulse have the same phase relationship in the phase of the electromagnetic wave,
The encrypted π / 2 pulse and the decrypted π / 2 pulse also have the same phase relationship in the phase of the electromagnetic wave,
There is no correlation between the phase of the writing π / 2 pulse and the reading π / 2 pulse and the phase of the encrypted π / 2 pulse and the decrypted π / 2 pulse. The method according to claim 6 or 7, wherein
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