JP7218869B2 - photon generator - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 (1) 開催日 2018年11月26日~27日(公開日:2018年11月26日) 集会名、開催場所 第39回 量子情報技術研究会 主催:一般社団法人電子情報通信学会 量子情報技術特別研究専門委員会 共催:公益社団法人応用物理学会 量子エレクトロニクス研究会 国立大学法人東京大学 駒場リサーチキャンパス 先端科学技術研究センター (2) 開催日 2019年3月14日~17日(公開日:2019年3月16日) 集会名、開催場所 一般社団法人日本物理学会 第74回年次大会(2019年) 国立大学法人九州大学 伊都キャンパスApplication of Article 30,
本発明は、量子技術に関し、特に光子を生成する技術に関する。 The present invention relates to quantum technology, and more particularly to technology for generating photons.
近年、量子力学を計算に用いることによりこれまでにできなかったような高速な計算が可能になることが示されている。その量子情報処理において、光子は通信に用いることができる量子ビットとして重要な構成要素である。その光子を高確率に生成することが重要であり。これまでに以下のような光子生成法が知られている(例えば、非特許文献1参照。)。 In recent years, it has been shown that the use of quantum mechanics in calculations enables high-speed calculations that have never been possible before. In the quantum information processing, photons are important components as quantum bits that can be used for communication. It is important to generate the photons with high probability. The following photon generation methods have been known so far (see, for example, Non-Patent Document 1).
非特許文献1では、外部結合率まで含めた光子生成率の向上や、様々な結合領域での生成法が示されている。
Non-Patent
現実的には、光子のパルス長をある程度短くすることで、量子ゲートの時間を長くなり過ぎないように制御する。しかしながら、非特許文献1では、有限のパルス長に応じた生成率が示されておらず、どの程度のパルス長にすれば光子生成率をそれほど損なわず、パルス長を適度に短くできるかが示されていない。
In reality, the photon pulse length is shortened to some extent to control the quantum gate time so that it does not become too long. However, Non-Patent
本発明の目的は、光子のパルス長が有限である場合に従来よりも光子の生成を効率良く行うことができる光子生成装置を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a photon generator capable of generating photons more efficiently than before when the photon pulse length is finite.
この発明の第一の態様による光子生成装置は、制御光を発生する制御光発生部と、制御光を受けて初期状態から励起状態に励起し、励起状態から基底状態に遷移するときに光子を発生させる原子と、光子を閉じ込め、所定の外部結合率κexで外部に放出する共振器とを含むキャビティQED系部と、を含み、キャビティQED系部の内部損失率をκinとし、原子と光子の結合率をgとし、原子の誘起分極の減衰レートをγとし、Cin=g2/2κinγとし、光子の時間波形の変化率に関する量をΨiとして、外部結合率κexは、κex=κin(1+2Cin+Ψi)(1/2)を満たすように設定されている。 A photon generation device according to a first aspect of the present invention comprises a control light generator that generates control light, and a control light that excites an initial state to an excited state upon receiving the control light, and generates photons when transitioning from the excited state to the ground state. A cavity QED system including atoms to be generated and a resonator that confines photons and emits them to the outside at a predetermined external coupling rate κ ex , where κ in is the internal loss rate of the cavity QED system, and the atoms and Let g be the photon coupling rate, γ be the attenuation rate of the induced polarization of the atom, C in =g 2 /2κ in γ, and Ψ i be the rate of change of the photon time waveform, and the external coupling rate κ ex is , κ ex =κ in (1+2C in +Ψ i ) (1/2) .
この発明の第二の態様による光子生成装置は、制御光を発生する制御光発生部と、制御光を受けて初期状態から励起状態に励起し、励起状態から基底状態に遷移するときに光子を発生させる原子と、光子を閉じ込め、所定の外部結合率κexで外部に放出する共振器とを含むキャビティQED系部と、を含み、キャビティQED系部の内部損失率をκinとし、原子と光子の結合率をgとし、原子の誘起分極の減衰レートをγとし、Cin=g2/2κinγとして、外部結合率κexは、κex=κin((1+2Cin)(1+γ/κin))(1/2)を満たすように設定されている。 A photon generating device according to a second aspect of the present invention comprises a control light generator that generates control light, and a control light that excites an initial state to an excited state upon receiving the control light, and generates photons when transitioning from the excited state to the ground state. A cavity QED system including atoms to be generated and a resonator that confines photons and emits them to the outside at a predetermined external coupling rate κ ex , where κ in is the internal loss rate of the cavity QED system, and the atoms and Let g be the photon coupling rate, γ be the decay rate of the induced polarization of the atom, and C in =g 2 /2κ in γ, then the external coupling rate κ ex is κ ex =κ in ((1+2C in )( 1+γ/κ in )) (1/2) .
本発明によれば、光子のパルス長が有限な場合に従来よりも光子の生成を効率良く行うことができる。 According to the present invention, photons can be generated more efficiently than before when the pulse length of photons is finite.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面中において同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In the drawings, constituent parts having the same function are denoted by the same numbers, and redundant explanations are omitted.
光子生成装置は、制御光発生部1、キャビティQED系部2及び外部結合率制御部3を備えている。光子生成装置は、いわゆるCQED系(Cavity Quantum ElectroDynamics,共振器量子電気力学系)を利用して単一の光子を発生させる装置である。CQED系を利用した光子生成装置の詳細については、例えば非特許文献1及び参考文献1を参照のこと。
<参考文献1>早坂和弘, 「共振器量子電磁力学による決定論的単一光子生成」, レーザー研究, 2003年9月
The photon generator includes a
<
制御光発生部1は、キャビティQED系部2を制御するための制御光を発生させる。発生した制御光は、キャビティQED系部2の原子に入射される。
A
キャビティQED系部2は、制御光を受けて初期状態|u>から励起状態|e>に励起し、励起状態|e>から基底状態|g>に遷移するときに光子を発生させる原子と、光子を閉じ込め、所定の外部結合率κexで外部に放出する共振器21とを備えている。ここで、原子は、自然の原子でもよいし、量子ドット、超伝導量子ビット等の人工の原子であってもよい。原子から発生した光子は、共振器21内に強く閉じ込められ、原子と相互作用する。その後、光子は、外部結合率κexに応じて外部に放出される。
The cavity
図2は、キャビティQED系部2の状態遷移を説明するための図である。原子は、初期状態|u>、励起状態|e>及び基底状態|g>という3個の状態を少なくとも取り得る。
FIG. 2 is a diagram for explaining the state transition of the cavity
初期状態|u>にある原子は、制御光を受けて励起状態|e>に励起する。Ωは、制御光を与えることで発生する、初期状態|u>と励起状態|e>との間の遷移周波数である。Δeは励起状態|e>に対応する離調であり、例えばΔe=E|e>-E|g>-gである。E|e>は励起状態|e>のエネルギー準位であり、E|g>は基底状態|g>のエネルギー準位である。Δuは初期状態|u>に対応する離調であり、例えばΔu=Ω-(E|e>-E|u>-Δe)である。E|u>は初期状態|u>のエネルギー準位である。 Atoms in the initial state |u> are excited to the excited state |e> upon receiving the control light. Ω is the transition frequency between the initial state |u> and the excited state |e> generated by applying the control light. Δe is the detuning corresponding to the excited state |e>, eg Δe=E |e> −E |g> −g. E |e> is the energy level of the excited state |e>, and E |g> is the energy level of the ground state |g>. Δu is the detuning corresponding to the initial state |u>, eg Δu=Ω−(E |e> −E |u> −Δe). E |u> is the energy level of the initial state |u>.
励起状態|e>にある原子は、基底状態|g>に遷移するときに光子を発生させる。なお、励起状態|e>にある原子は、所定の自然減衰率γで減衰する。γは、誘起分極の減衰レートとも言える。gは、原子と光子の結合率である。 An atom in the excited state |e> generates a photon when transitioning to the ground state |g>. An atom in the excited state |e> decays with a predetermined natural decay rate γ. γ can also be said to be the decay rate of the induced polarization. g is the atomic-photon coupling rate.
発生した光子は、共振器21に閉じ込められる。共振器21は、例えば互いに対向する2枚の鏡である。この場合、外部結合率κexは、共振器21を構成する2枚の鏡の中の一方の鏡の透過率である。共振器21は、2枚の鏡ではなく、マイクロリング、マイクトロイド、微小球、フォトニック結晶共振器であってもよい。
The generated photons are confined in the
κinは、キャビティQED系部2の内部損失率であり、キャビティQED系部2内の光電場の減衰率とも言える。なお、κ=κex+κinである。
κ in is the internal loss factor of the
外部結合率制御部3は、外部結合率κexを制御する。共振器21が2枚の鏡である場合には、外部結合率制御部3は、例えば、鏡に張力又は熱を加えることで、鏡の透過率を変えることができ、これにより外部結合率κexを制御することができる。
The external
具体的には、外部結合率制御部3は、外部結合率κexがκex=κin(1+2Cin+Ψi)(1/2)を満たすように制御する。ここで、Cin=g2/2κinγである。ここで、Ψiは光子の時間波形の変化率に関する量であり、例えば、式(1)で定義される。
Specifically, the external coupling
ここで、ψ0(t)は光子の時間波形の振幅である。 where ψ 0 (t) is the amplitude of the photon time waveform.
光子の時間波形がガウス関数の場合、Ψiは、例えば、式(2)で定義される。 When the photon time waveform is a Gaussian function, Ψ i is defined by Equation (2), for example.
ここで、σはガウス関数の標準偏差である。なお、制御光発生部1が発生する制御光の波形を制御することにより、所望の光子の時間波形を実現することができる。光子の時間波形の制御方法については、例えば参考文献2を参照のこと。
<参考文献2>V., Genko S., D. Ljunggren, and A. Kuhn, "Single photons made-to-measure," New Journal of Physics 12, 063024 (2010)
where σ is the standard deviation of the Gaussian function. By controlling the waveform of the control light generated by the
<
外部結合率κex=κin(1+2Cin+Ψi)(1/2)とすることで、光子のパルス長が有限である場合に従来よりも光子の生成を効率良く行うことができる(例えば、非特許文献1参照。)。 By setting the external coupling rate κ ex =κ in (1+2C in +Ψ i ) (1/2) , photons can be generated more efficiently than before when the photon pulse length is finite. (For example, see Non-Patent Document 1).
非特許文献1に記載された光子生成手法では、光子の生成確率の最大値PSは、式(3)に従うことが知られている。
In the photon generation method described in
式(1)と式(3)から、光子の時間波形がガウス関数の場合、光子生成効率Psを最大化するためには、光子の時間幅の指標である標準偏差σを、式(4)とする必要があることがわかる。この条件は生成する光子の時間幅を決定する際に利用できる。 From equations (1) and (3), when the photon time waveform is a Gaussian function, in order to maximize the photon generation efficiency P s , the standard deviation σ, which is an index of the photon time width, is expressed by equation (4 ). This condition can be used to determine the duration of photons to be generated.
なお、キャビティQED系部内の状態遷移は、例えば図3のようにも記述することができる。状態|φ0>は、|φ0>=|u>|0>であり、原子が初期状態|u>であり、かつ、共振器21内に光子が存在しない状態である。状態|φ1>は、|φ1>=|e>|0>であり、原子が励起状態|e>であり、かつ、共振器21内に光子が存在しない状態である。状態|φ2>は、|φ2>=|g>|1>であり、原子が基底状態|g>であり、かつ、共振器21内に光子が存在する状態である。状態|φ3>は、|φ3>=|g>|0>であり、原子が基底状態|g>であり、かつ、光子が共振器21の外部に出て行ってしまった結果共振器21内に光子が存在しない状態である。状態|φ0>及び状態|φ1>は可逆である。同様に、状態|φ1>及び状態|φ2>は可逆である。一方、状態|φ2>及び状態|φ3>は非可逆である。言い換えれば、状態|φ2>から状態|φ3>に遷移することはできるが、状態|φ3>から状態|φ2>に遷移することはできない。
The state transition in the cavity QED system can also be described as shown in FIG. 3, for example. The state |φ 0 > is a state in which |φ 0 >=|u>|0>, atoms are in the initial state |u>, and no photons exist in the
なお、共振器21内の全体の状態を|ψ>=α0|φ0>+α1|φ1>+α2|φ2>と表記する。α0は状態|φ0>に対応する重みであり、α1は状態|φ1>に対応する重みであり、α2は状態|φ2>に対応する重みである。ここで、重みは、状態に対応する複素振幅である。
The entire state inside the
この場合、重みα0,α1,α2の変化率は以下のように記述することができる。ここで、iは虚数単位である。 In this case, the rate of change of weights α 0 , α 1 , α 2 can be described as follows. where i is the imaginary unit.
ここで、Ωの増加率が小さいと、初期状態|u>から基底状態|g>への遷移が損失が少なく行われる。 Here, when the rate of increase of Ω is small, the transition from the initial state |u> to the ground state |g> is performed with little loss.
制御光発生部1は、Tを所定の時間として、以下の式(5)を満たすように、Ωの増加率を制御してもよい。α2(t)は、原子が基底状態|e>であり、かつ、共振器21内に光子が存在する状態に対応する、時刻tにおける重みである。
The
非特許文献1には3準位原子系を用いた光子生成手法が記載されているが、単一光子生成手法には、参考文献3に記載されている2準位原子系を用いた光子生成手法も存在する。
<参考文献3>G. Cui and M. G. Raymer, "Quantum efficiency of single-photon sources in the cavity-QED strong-coupling regime," OPTICS EXPRESS Vol. 13, No. 24 (2005)
<
2準位原子系を用いる場合には、光子の生成確率の最大値PSは、式(6)に従うことが知られている。 It is known that when a two-level atomic system is used, the maximum value P S of the photon generation probability follows equation (6).
これを実現するには、外部結合率制御部3は、外部結合率κexがκex=κin((1+2Cin)(1+γ/κin))(1/2)を満たすように制御する。2準位原子系ではおよそκ+γによって光子のパルス長が定まり、光子の時間波形を制御することはできないが、光子のパルス長は有限となるため、従来よりも光子の生成を効率良く行うことができる。
To achieve this, the external coupling
[変形例]
以上、本発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、これらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計の変更等があっても、本発明に含まれることはいうまでもない。
[Variation]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the specific configuration is not limited to these embodiments. Needless to say, it is included in the present invention.
実施の形態において説明した各種の処理は、記載の順に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。 The various processes described in the embodiments are not only executed in chronological order according to the described order, but may also be executed in parallel or individually according to the processing capacity of the device that executes the processes or as necessary.
例えば、光子生成装置は、外部結合率制御部3を備えていなくてもよい。この場合、外部結合率κexは、3準位原子系を用いる場合にはκex=κin(1+2Cin+Ψi)(1/2)に、2準位原子系を用いる場合にはκex=κin((1+2Cin)(1+γ/κin))(1/2)に、初期設定されているとする。
For example, the photon generator does not have to include the external
1 制御光発生部
2 キャビティQED系部
21 共振器
3 外部結合率制御部
1 Control
Claims (5)
前記制御光を受けて初期状態から励起状態に励起し、前記励起状態から基底状態に遷移するときに光子を発生させる原子と、前記光子を閉じ込め、所定の外部結合率κexで外部に放出する共振器とを含むキャビティQED系部と、
を含み、
前記キャビティQED系部の内部損失率をκinとし、前記原子と前記光子の結合率をgとし、前記原子の誘起分極の減衰レートをγとし、Cin=g2/2κinγとし、前記光子の時間波形の変化率に関する量をΨiとして、前記外部結合率κexは、κex=κin(1+2Cin+Ψi)(1/2)を満たすように設定されている、
光子生成装置。 a control light generator that generates control light;
Atoms that receive the control light and are excited from an initial state to an excited state, generate photons when transitioning from the excited state to the ground state, confine the photons, and emit the photons to the outside at a predetermined external coupling rate κ ex a cavity QED system including a resonator;
including
Let κin be the internal loss rate of the cavity QED system, g be the coupling rate between the atoms and the photons, γ be the decay rate of the induced polarization of the atoms, Cin = g 2 / 2κin γ , and The external coupling rate κ ex is set so as to satisfy κ ex =κ in (1+2C in +Ψ i ) (1/2) , where Ψ i is the amount related to the rate of change of the photon time waveform.
Photon generator.
前記外部結合率κexがκex=κin(1+2Cin+Ψi)(1/2)を満たすように制御する外部結合率制御部、
を更に含む光子生成装置。 The photon generator of claim 1, comprising:
an external coupling rate control unit that controls the external coupling rate κ ex to satisfy κ ex =κ in (1+2C in +Ψ i ) (1/2) ;
a photon generator, further comprising:
前記変化率に関する量Ψiは、前記光子の時間波形の振幅をψ0(t)として、次式で定義される、
光子生成装置。 The photon generator of claim 1 or 2,
The amount Ψ i related to the rate of change is defined by the following equation, where the amplitude of the photon time waveform is ψ 0 (t),
Photon generator.
前記光子の時間波形は、ガウス関数であり、
前記変化率に関する量Ψiは、前記ガウス関数の標準偏差をσとして、Ψi=1/(2σ2κin 2)で定義される、
光子生成装置。 The photon generator of claim 1 or 2,
The photon time waveform is a Gaussian function,
The quantity Ψ i related to the rate of change is defined as Ψ i =1/(2σ 2 κ in 2 ), where σ is the standard deviation of the Gaussian function.
Photon generator.
前記制御光を受けて初期状態から励起状態に励起し、前記励起状態から基底状態に遷移するときに光子を発生させる原子と、前記光子を閉じ込め、所定の外部結合率κexで外部に放出する共振器とを含むキャビティQED系部と、
を含み、
前記キャビティQED系部の内部損失率をκinとし、前記原子と前記光子の結合率をgとし、前記原子の誘起分極の減衰レートをγとし、Cin=g2/2κinγとして、前記外部結合率κexは、κex=κin((1+2Cin)(1+γ/κin))(1/2)を満たすように設定されている、
光子生成装置。 a control light generator that generates control light;
Atoms that receive the control light and are excited from an initial state to an excited state, generate photons when transitioning from the excited state to the ground state, confine the photons, and emit the photons to the outside at a predetermined external coupling rate κ ex a cavity QED system including a resonator;
including
Let κin be the internal loss rate of the cavity QED system, g be the coupling rate between the atoms and the photons, and γ be the attenuation rate of the induced polarization of the atoms, and Cin = g 2 / 2κin γ . The external coupling ratio κ ex is set to satisfy κ ex =κ in ((1+2C in )(1+γ/κ in )) (1/2) ,
Photon generator.
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