KR20070015603A

KR20070015603A - 광자 수 검출 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20070015603A
Application number: KR1020067025100A
Authority: KR
Inventors: 레이몬드 지 뷰솔레일; 윌리엄 제이 먼로; 티모시 피 스필러; 네모토 가에; 신 바레트
Original assignee: 휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘 피
Priority date: 2004-04-29
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2007-02-05
Also published as: CN101006459B; US20040200952A1; CN101006459A; JP2007535679A; KR100891241B1; WO2005110021A2; JP4638486B2; EP1761887A2; EP1761887B1; WO2005110021A3; US7038188B2

Abstract

단일-광자 신호를 효과적으로 검출할 수 있는 장치(600)는 분극 또는 각 운동량과 같은 광자 특성을 보유한다. 장치(600)는 입력 광자 상태에서 신호 광자의 특성 상태에 의해 구별되는 모드로 입력 광자 상태를 분할하는 빔 분할기(610)와, 상기 모드 중 임의의 개별적인 모드에 대한 광자 수를 확인하지 않고도 상기 모드에서의 전체 광자 수를 측정할 수 있는 비파괴 측정 시스템(620)과, 상기 비파괴 측정 시스템(620)으로부터 출력된 이후 상기 모드를 결합하도록 위치한 빔 결합기(630)를 포함한다.

Description

광자 수 검출 방법 및 장치{NON-DEMOLITION PHOTON DETECTOR THAT PRESERVES INPUT STATE CHARACTERISTICS}

본 특허 문헌은 2003년 10월 3일에 출원된 "Detecting One or More Photons from Their Interactions with Probe Photons in a Matter System"라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 제10/678,437호의 일부 계속 출원으로서 그 출원의 최초 출원일의 이익을 주장하고, 2003년 4월 11일에 출원된 "Photon Number Resolving Systems and Methods"라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 제10/412,019호의 일부 계속 출원으로서 그 출원의 최초 출원일의 이익을 주장하며, 이들 출원은 전체가 참조로서 본 명세서에 인용되고 있다.

양자 정보 처리에 대한 관심은 최근의 양자 시스템 개발 성공과 그 기술의 예상되는 확장성 때문에 극적으로 증가하고 있다. 특히, 실용적인 양자 암호화 체계가 개발되고 있으며, 큰(큐비트(qubit)) 양자 컴퓨터가 구축될 수 있다면 양자 컴퓨터는 종래의 컴퓨터로 할 수 있는 것보다 훨씬 더 효율적으로 많은 프로세싱 업무를 수행할 것이다. 수십 또는 수백 큐비트를 가진 양자 프로세서는, 예를 들 어 임의의 종래 기계로는 도달할 수 없는 양자 시뮬레이션을 수행할 수 있을 것이다. 이러한 양자 프로세서는 또한 양자 통신의 작용 거리 및 응용성을 확장시킬 가능성을 갖는다.

양자 계산 하드웨어를 위한 많은 후보 기술이 현재 연구되고 있다. 어떤 기술이 가장 실용적인 것으로 밝혀지든, 개별적인 양자 컴퓨터를 연결하는 양자 간섭 통신이 필요하게 될 것이다. (광 큐비트로서의) 간섭 전자기장은 양자 컴퓨터 간의 통신 및 일반적인 양자 통신에 이상적인 것으로 보이는데, 이는 광섬유를 통과하거나 자유 공간을 통과하는 광이 넓은 거리에 걸쳐 양자 정보를 운반할 수 있기 때문이다. 또한, 몇몇 양자 계산은 비선형 또는 선형 양자 광학 프로세스를 이용하여 광 큐비트 상에서 직접 수행될 수 있다.

광자 상태를 이용하는 제안된 양자 정보 시스템은 흔히 하나 또는 몇 개의 광자의 존재 여부를 효과적으로 검출할 수 있는 검출기를 필요로 한다. E. Knill, R. Laflamme와 G. Milburn이 Nature 409, 46(2001년)에 제한한 한 가지 광학 양자 계산 아키텍처는, 예를 들어 0, 1 또는 2개의 광자를 포함하는 특징적인 양자 상태에서 99.99%보다 큰 효율성을 갖는 고효율 광자 검출기를 필요로 한다. 광자 수의 오산 또는 광자 존재의 검출 실패는 광자 상태의 부정확한 측정 및 양자 정보의 평가 오류를 야기한다. 이러한 에러는, 허용 가능한 경우, 구현하는 데 비용이 많이 들 수 있는 오차 보정 방식을 필요로 한다.

현재의 상업적 단일 광자 검출기는 일반적으로 더 크거나 더 적은 범위까지 광전기 효과에 의존한다. 광전기 효과를 이용하면, 금속, 반도체 또는 다른 재료 의 표면상에 입사되는 광자는 그 재료의 원자로부터 전자를 유리시킨다. 여기된 전자는 주변 공간 또는 전도대에 진입하는데, 이러한 주변 공간 또는 전도대 내에서는 전자가 증폭 및 측정될 수 있는 전류로 수집된다.

단일 광자로부터의 광전기 전류는 작고 검출하기가 곤란하다. 가시광을 위한 최상의 상업적 광자 검출기는 단일 광자를 검출하는 데 약 90%의 양자 효율을 가지며, 실제적으로 달성되는 효율은 훨씬 낮다. 현재, 1.3㎛ 내지 1.5㎛ 사이의 파장을 갖는 단일 광자용 검출기는 단지 약 30%의 효율성을 갖는다. 이러한 효율은 많은 광자 정보 시스템용으로는 너무 낮다. 또한, 가시 스펙트럼 광자 검출기를 위해 달성되는 최상의 효율은 검출기를 약 6°K까지 냉각시킬 것을 요구하며, 이러한 검출기는 여전히 비교적 높은 "다크 카운트(dark count)"율(예를 들어, 어떤 광자도 입사되지 않을 때의 높은 배경 잡음)을 제공한다.

가장 최근의 광자 검출기의 다른 단점은 검출기가 측정 또는 검출되는 광자를 흡수한다는 것이다. 따라서 광자 검출기는 측정 광자가 더 이상 요구되지 않는 경우 또는 결과로서 생성된 측정치가 시스템 조건을 제어하는 경우에 프로세스의 종료 시에만 사용될 수 있다.

이에 따라, 양자 정보 시스템은, 광자 검출에 매우 효율적이고 양자 신호에서 광자의 수를 정확하게 식별할 수 있는 광자 검출기를 필요로 한다. 이상적으로, 검출기는 비파괴적이며, 그에 따라 광자의 존재 또는 그 수가 추정된 후에도 광자 상태는 리소스를 더욱 효율적으로 사용하는 데에 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 비파괴 광자 검출기는 입력 상태의 분극화 또는 각 운동량(angular momentum)과 같은 특성을 변화시키지 않고도 그 입력 상태의 광자 수를 검출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수량 결정(number-solving) 광자 검출기의 블록도,

도 2a 및 도 2b는 각각 도 1의 광자 검출기에 사용하기 적합한 제재 시스템(matter system)에 대한 준고전 에너지 준위 및 양자 에너지 매니폴드(manifold)를 예시한 도면,

도 3은 도 1의 광자 검출기에 적합한 제재 시스템의 실시예를 예시한 도면,

도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d는 대안의 호모다인(homodyne) 또는 헤테로다인(heterodyne) 측정 기법을 이용하여 프로브 광자 상태의 변화를 측정하는 본 발명의 실시예에 따른 수량 결정 광자 검출기의 블록도,

도 5a 및 도 5b는 적용된 프로브 상태 및 제어 상태 동안에 저 강도 간섭 상태를 이용하는 검출기의 신호 대 잡음 비의 플롯도,

도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d는 입력 광자 신호 상태의 분극과 같은 특성을 유지하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 광자 검출기를 예시한 도면,

도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 단일 광자 소스의 블록도,

도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 N-광자 소스의 블록도.

상이한 도면에서 동일한 참조 기호를 사용하는 것은 유사하거나 동일한 항목을 나타낸다.

본 발명의 양상에 따르면, 비파괴 검출기는 프로브 상태 및 신호 상태와 제재 시스템과의 상호작용을 이용하여 신호 광자 상태에서의 광자 수에 의존하는 프로브 상태의 변경을 야기한다. 제재 시스템은 일반적으로 하나 이상의 원자, 분자, 또는 프로브 상태, 신호 상태 및 제어 필드에서의 광자 에너지에 각각 대응하는 에너지 준위 천이를 갖는 그 밖의 양자 시스템을 포함한다. 광자 및 제재 시스템의 상호 작용은 신호 광자를 파괴하지 않고서 프로브 상태의 폭 성분(Fock components)에 위상 변이를 유도하는 EIT(Electromagnetically Induced Transparency)를 야기한다. 일 실시예에서, 프로브 상태는 초기에 저 강도 간섭 상태에 있고, 제재 시스템은 프로브 상태를 간섭 상태에서 더 이상 간섭 상태가 아닌 상태로 변환한다. 호모다인 또는 헤테로다인 측정 시스템은 신호 상태에서의 광자 수의 판별(예를 들어, 신호 상태가 광자를 포함하지 않는지 또는 1개의 광자를 포함하는지)을 위해 프로브 상태에서의 변화를 측정할 수 있다.

측정 시스템(120)은 호모다인 또는 헤테로다인 측정 기법을 이용하여 출력 프로브 광자 상태 |P_OUT>을 측정하고 광자 게이트(110)에서 발생한 변화를 판별할 수 있다. 그 후, 신호 상태 |S_OUT>에서의 광자 수는 프로브 상태 |P_OUT>의 측정치로부터 추정된다. 따라서 광학 게이트(110)로부터 출력된 신호 상태 |S_OUT>은 폭 상태, 즉 판정된 광자 수를 갖는 양자 상태이다. 입력 신호 상태 |S_IN>가 최초에는 폭 상태였을 수 있고, 그 경우에는 입력 및 출력 신호 상태는 동일한 광자 수를 가지며, 입력 신호 상태 |S_IN>가 폭 상태의 중첩인 상태였을 수 있고, 그 경우에는 측정은 입력 신호 상태 |S_IN>를 출력 신호 상태 |S_OUT>로 떨어뜨린다.

도 1에 예시한 광학 게이트(110)의 특정 실시예는 EIT를 제공하는 데 적합한 제어 필드 소스(114)와 제재 시스템(112)을 사용한다. EIT는 잘 알려진 현상으로서, 이 현상에서 원자, 분자 또는 통상 특정 주파수의 광자를 흡수할 기타의 응집된 제재 시스템은 그 특정 주파수와는 다른 주파수를 갖는 하나 이상의 전자기장의 애플리케이션을 통해 그 특정 주파수의 광자에 대해 투과성이 된다. EIT는 일반적으로 광자와 상호 작용할 수 있는 적어도 세 개의 양자 에너지 준위를 갖는 제재 시스템을 필요로 한다.

제 3 에너지 상태 |3>는 검출의 시간 비율 동안에 어떤 단일 광자의 일시적인 방출도 허용하지 않는다는 점에서 준 안정적이다. 이러한 준 안전성은, 예를 들어, 에너지 상태 |3>의 스핀/각 운동량 및 가용 저준위 에너지 상태(예를 들어, 상태 1|>)가 보존 법칙에 따라 제재 시스템이 에너지 상태 |3>로부터 더 낮은 에너지 상태로의 천이하는 동안에 단일 광자의 방출을 금지하는 경우에 초래될 수 있다. 제 4 에너지 상태 |4>로부터(예를 들어, 제 1 에너지 상태 |1> 또는 제 2 에너지 상태 |2>로)의 일시적인 천이는 제 4 에너지 상태 |4>가 준 안정적이 되는 제재 시스템을 선택함으로써, 또는 제 4 에너지 상태 |4>로부터의 천이에 대응하는 각 주파수를 갖는 광자의 전달을 허용하지 않는 광자 밴드갭 결정(photonic bandgap crystal)으로 4-준위 제재 시스템을 적어도 부분적으로 둘러쌈으로써 억제된다.

이조(detuning) 파라미터 ν_a, ν_b,ν_c는 수학식 1에 나타낸 바와 같이 제재 시스템의 에너지 준위 천이의 공진으로부터 각 주파수 ω_a, ω_b, ω_c의 각각의 이조량(amount of detuing)을 나타냈다. 수학식 1에서, 상태 |1>과 |2> 사이 및 |3>과 |4> 사이의 에너지 차이는 각각 ω₁₂, ω₃₂, ω₃₄이며, 은 감소된 플랭크 상수이다.

도 2b는 각 주파수 ω_a, ω_b, ω_c의 자유 광자를 갖는 제재 시스템의 적(product) 상태 |X, A, B, C>에 대응하는 매니폴드를 도시하고 있다. 적 상태 |X, A, B, C>에 있어서, X는 제재 시스템의 에너지 준위 1 내지 4를 나타내고, A, B 및 C는 각각 각 주파수 ω_a, ω_b, ω_c의 광자의 수를 나타낸다. 예시한 매니폴드는 에너지 면에서 각 주파수 ω_a의 n_a개의 광자, 각 주파수 ω_b의 n_b개의 광자 및 각 주파수 ω_c의 n_c개의 광자를 갖는 에너지 상태 |1>에서의 제재 시스템에 가장 근접한 상태를 포함한다. 시스템의 적 상태는 도 2b와 유사하되 자유 광자의 수는 상이한 일련의 매니폴드를 포함한다. 도 2b의 매니폴드는, 이조 파라미터가 작을 때, 상태 |2, n_a-1, n_b, n_c>에서의 시스템이 단일 광자의 자연적인 방출에 의해서 상태 |1, n_a, n_b, n_c>로 전이할 수 있지만, 제재 시스템은 단일 광자의 자연적인 방출에 의해 상태 |3, n_a-1, n_b+1, n_c 및 |4, n_a-1, n_b+1, n_c-1>로부터 상태 |1, n_a, n_b, n_c>로의 천이를 허용하지 않는다는 것을 보여준다.

R. Beausoleil, W. Munro와 T. Spiller의 "Applications of Coherent Population Transfer to Information Processing"이라는 명칭의 논문, "http://xxx.lanl.gov/abs/quantph/0302109" 및 "Quantum Information Processing Using Electromagnetically Induced Transparency"라는 명칭의 공동 소유된 미국 특허 출원 제10/364,987호는 모두 그 전체가 참조로서 본 명세서에서 인용되고 있으며, 광자 큐비트 게이트의 구현에 있어서 도 2a 및 도 2b에 예시한 바와 같은 에너지 준위 상태를 갖는 4-준위 제재 시스템의 사용을 기술하고 있다. 인용된 참조문헌은 특히 도 1의 광학 게이트(110)로서 사용하기에 적합한 2-큐비트 상 게이트의 구조를 기술하고 있다.

각 주파수 ω_b의 광자로 펌핑될 때의 도 2a의 4-준위 제재 시스템은 각 주파수 ω_a및 ω_c의 광자 사이의 상호작용을 중재한다. 결과적인 상호작용은 Beausoleil 등의 상기 인용된 논문에서 설명된 조건 하에서 수학식 2a에 주어진 공식의 광학적 비선형성을 갖는 해밀턴 H를 갖는다. 수학식 2a에서, 생성 연산자

및 소멸 연산자

는 각각 각 주파수 ω_a의 광자를 생성 및 소멸시키고, 생성 연산자

및 소멸 연산자

는 각각 각 주파수 ω_c의 광자를 생성 및 소멸시킨다. 상수 χ는 상호작용의 세기를 나타내며, 일반적으로 이조 파라미터 ν_a, ν_b 및 ν_c, 천이와 관련된 라비 주파수 ω_a, ω_b 및 ω_c, 그리고 제재 시스템의 특정한 특성에 의존한다.

응집 제재 시스템은 보다 일반적으로는 검출기에 사용하기 적합한 기타의 비선형 광자 상호작용을 일으킬 수 있다. 도 2b는, 예를 들어 각 주파수 ω_a, ω_b와 ω_c의 광자 간의 비선형 상호작용을 제공하는 해밀턴의 항에 대한 보다 일반적인 표현을 예시한다. 수학식 2b에서,

는 생성 및 소멸 연산자

및

의 함수이고,

은 생성 및 소멸 연산자

의 함수이다. 바람직하게는

는 광자 수 연산자

의 멱, 예를 들면 소정 상수 λ에 대한

로서, 각 주파수 ω_c의 광자 상태에 대한 상호작용의 효과는 각 주파수 ω_a의 광자수의 수에 직접적으로 의존하게 된다.

두 가지 별개의 모드(예를 들면, 공간 분리 모드 또는 별개의 각 주파수 모드 ω_a와 ω_c)에서의 광자 상태 사이에 일반적인 비선형 상호작용을 제공하는 광학 시스템 또는 게이트는 EIT 시스템을 이용하거나 또는 이용하지 않고서 광학 게이트의 시퀀스로부터 구축될 수 있다. 양자 계산의 의미에서 보면, 본 명세서에서 참조로서 인용되어 있는 Seth Lloyd와 Samuel L. Braunstein의 논문"Quantum Computations over Continuous Variables"(Phys. Rev. Lett. 82, 1784 (1999))에서는 단일 광자 모드 동안 임의의 다각형 해밀턴 (예를 들어

)을 생성하는 게이트 시퀀스의 구성을 기술하고 있다. 단일 모드 동안의 시퀀스 내의 기본 게이트는 (1) 빔 분할기 및 위상 변환기와 같은 선형 소자, (2) 압착기와 같은 2차 소자 및 (3) Kerr-효과 섬유, 광 캐비티 내의 원자 및 측정을 통해 생성되는 비선형성과 같은 제 3차 또는 그 이상의 비선형 소자를 포함한다. 두 가지 개별 모드 동안의 이러한 시스템은 하나 이상의 빔 분할기를 통해 결합되어, 교차 모드 상호작용을 제공하고 모드 간의 요구된 비선형 상호 작용

을 생성할 수 있다.

본 명세서에서 설명한 검출기(100)의 예시적인 실시예에 있어서, 제재 시스템(112)은 도 2a에 예시한 바와 같은 광자 에너지와 관련된 양자 에너지 준위를 갖는 하나 이상의 4-준위 원자 또는 분자를 포함하며, 그에 따라 수학식 2a에 주어진 형태의 교차형-Kerr 비선형성을 제공한다. 도 3은 제재 시스템(112)의 실시예를 나타낸다. 도시한 실시예에서, 제재 시스템(112)은 도파관(312, 314, 316)을 포함하는 기판(310)을 포함한다. 도파관(312, 314, 316)은 각각 각 주파수 ω, ω_b 및 ω_c를 갖는 광 빔을 수신한다.

한정 구조체(354)는 일련의 4-준위 원자(352)를 중앙 도파관(314)에 부착한다. 각각의 한정 구조체(354)는 4-준위 원자(352)의 열적 진동을 감소시키는 분자 범위 또는 그 밖의 유사한 구조체일 수 있으며, 특정한 일 실시예에서, 한정 구조체(354)는 4-준위 원자(352)를 속박하도록 작용하는 탄소 풀러렌(carbon fullerenes)이다. 각각의 원자(352)는 전술한 관계를 갖는 4개의 액세스 가능한 에너지 준위를 제공하는 임의의 원자일 수 있으며, 원자(352)는, 예를 들어 에르 븀(Er) 또는 프라세오디뮴(Pr)과 같은 란탄 계열 금속의 원자, 루비듐(Rb) 또는 세슘(Cs)과 같은 알칼리 금속, 또는 알카라인 토금속일 수 있다. 일반적인 시스템에 있어서, 프로브 상태에서 요구된 위상 변이를 달성하는 데 수백 개의 원자(352)가 필요할 수 있다.

도파관(312, 314, 316)에 대한 원자(352)의 간격은 원자(352)가 도파관(312, 314, 316)을 둘러싸는 무한 필드와 상호작용하게 하는 것이다. 상호작용은 각 주파수 ω_c의 프로브 광자를 유발하는 위상 변이를 갖는 EIT를 초래한다. 원자(352) 주위의 물질(320)은 원자(352)의 제 4 에너지 준위로부터의 일시적인 방출에 대응하는 광자의 전달을 방지하는 광자 밴드갭 결정을 형성할 수 있다. 그러나 원자(352)와 도파관(312, 316) 사이의 결함 또는 다른 구조체가 제공되어, 각 주파수 ω_c를 갖는 도파관(316)으로부터의 광자와 원자(352)의 상호작용을 증가시킬 수 있다.

도 1의 검출기(100)의 예시적인 실시예는 신호 상태 |S_IN>이 폭(Fock) 상태 |0>_a 또는 |1>_a, 즉 각 주파수 ω_c의 광자를 포함하지 않거나 하나 포함하는 상태인 경우에 상태 |0>_a를 상태 |1>_a로부터 식별할 수 있다. 보다 일반적으로, 신호 상태 |S_IN>은 n개(n은 임의의 수)에 달하는 광자를 포함할 수 있으며, 검출기(100)는 광자의 수 n을 효율적으로 판별할 수 있다. 신호 상태 S|_IN>에서 각 주파수 ω_a의 광자 수를 판정하기 위해, 레이저 또는 그 밖의 제어 필드 소스(114)는 4-준위 원자 의 제 2 에너지 준위와 제 3 에너지 준위 사이의 천이에 대응하는 각 주파수 ω_b로 제어 필드(116)를 구동한다. 프로브 상태 |P_IN>은 폭 상태, 상관 상태, 또는 4-준위 원자의 제 3 에너지 준위와 제 4 에너지 준위 사이의 천이에 대응하는 각 주파수 ω_c의 용이하게 측정된 수(예를 들어, 10 내지 10⁵ 이상)의 광자를 포함하는 압착 상태일 수 있다. 대안으로, 각 주파수 ω_a 및 ω_c의 역할은 수학식 2a의 해밀턴 항의 대칭성 때문에 상호 변경될 수 있다.

후술되는 예시적인 일실시예에서, 프로브 상태 |P_IN>는 상관 상태 |α>_c이다. 상관 상태 |α>_c는 상관 상태가 레이저로부터의 출력에 의해 용이하게 생성(또는 근사화)되기 때문에 일례로서 사용된다. 그러나 압착 상태 또는 폭 상태와 같은 다른 유형의 광학 상태도 프로브 상태 |P_IN>로서 동일하게 채용될 수 있다.

수학식 3은 각 주파수 ω_c의 한정된 수의 광자를 갖는 폭 상태 |n>_c와 관련된 상관 상태 |α>_c를 수학적으로 표현한다. 수학식 3에서, α는 상태 진폭을 나타내고, 아래첨자 c는 그 상태가 각 주파수 ω_c의 광자를 포함하고 있음을 나타내며, |n>_c는 각 주파수 ω_c의 n개의 광자를 갖는 폭 상태이고, n_ν는 상관 상태 |α>_c에서의 광자 수의 예상값이다.

수학식 4는 각 주파수 ω_a의 광자가 신호 상태 |S_IN>에서 전혀 존재하지 않는 경우(n=0)에는 어떤 위상 변이도 일어나지 않음(eⁱⁿ ^χt=1)을 명확히 보여준다. 그러나 각 주파수 ω_a의 하나(또는 그 이상)의 광자가 신호 상태 |S_IN>에서 존재하는 경우에는 상관 상태 |α>_c는 |αeⁱⁿ ^χt>_c로 전개된다. 위상 변이 eⁱⁿ ^χt의 크기는 광자의 χ 및 상호작용 시간 t와 4-준위 제재 시스템과의 커플링 뿐 아니라 신호 상태 |S_IN>에서의 광자의 수 n에 직접적으로 의존한다. 위상 변이의 크기를 증가시키기 위해서, 상호작용 시간 t는, 상태 |S_IN> 및 |P_IN>과 상호작용하는 4-준위 원자 또는 분자의 수를 증가시킴으로써, 예를 들어 광자 상태 |S_IN> 및 |P_IN>의 광학 경로에서 상호작용하는 4-준위 원자의 수를 증가시킴으로써, 효과적으로 증가될 수 있다. χ와 상호작용 시간 t와의 커플링이 특정 시스템에 대해 고정 및 공지될 수 있기 때문에, 위상 변이의 측정치는 신호 상태 |S_IN>에서의 광자의 수 n을 나타낸다.

상관 상태에 대한 값 α가 초기에 실수(real)인 경우, 도 4a의 측정 시스템(400A)은 호모다인 측정 기술을 이용하여 프로브 상태 |P_OUT>에 대한 위치

및 운동량

의 구적 <X> 및 <Y>을 측정할 수 있다. 시스템(400A)에서의 호모다인 측정치는 발진기 또는 레이저(410)를 사용하여 프로브 상태 |P_OUT>에서 위상 각 θ만큼 벗어난 기준 빔 LO를 생성한다. 조절가능 지연 소자는 기준 빔 LO의 경로 내에 배치되어 위상 각 θ의 조절을 가능케 할 수 있다. 2개 빔의 교차부에서 50/50 빔 분할기(323)는 광 다이오드(427)에 대한 경로를 따라 기준 빔 LO를 프로브 상태 |P_OUT>으로부터 감산하고, 광 다이오드(428)에 대한 경로를 따라 기준 빔 LO를 프로브 상태 |P_OUT>에 더한다. 결과로서 생성된 광 다이오드(427, 428)의 전류의 차이 Id는 위상각 θ가 0일 때는 위치 구적 <X>에 비례하고, 위상각 θ가 π/2일 때는 운동량 구적 <Y>에 비례한다.

수학식 4를 기반으로, 측정된 구적 <X> 및 <Y>는 수학식 5 및 수학식 6에 각각 나타낸 바와 같이 신호 상태 |S_IN>에서의 광자 수 n (및 상수 α, π, t)에 관련된다.

각 주파수 ω_a의 광자가 전혀 존재하지 않는 경우(n=0), 측정된 위치 구적 <X>는 α의 2배 값이고, 측정된 운동량 구적 <Y>은 0이다. 각 주파수 ω_a의 광자가 하나 존재하는 경우(n=1), 상호작용 시간 t는 구적 <X>가 0이 되고 구적 <Y>가 2α가 되도록 제어될 수 있다. (상호작용 시간 t는, 예를 들어 제재 시스템(112)에서 4-준위 원자 또는 분자의 수를 통해, 및/또는 이조 파라미터 ν_a, ν_b 및 ν_c의 조절을 통해, 제어될 수 있다.) 따라서, 적절히 제어된 반작용 시간 t의 경우, 측정된 구적 <X>, <Y>은 광자의 존재여부를 나타내는 한정적이고 용이하게 식별되는 기호를 제공한다.

상호작용 시간 t는 sin(nχt)이 일정하게 되도록 하는 데 필요하지 않다. 적 χt가 작은 각 근사화를 수학식 6에 적용할 정도로 충분히 작다면, 운동량 구적 <Y>은 신호 상태 |S_IN>에서의 각 운동량 ω_a의 단일 광자에 대해 대략 2αχt이다. 파라미터 α가 충분히 크다면, 약 2αχt인 구적 <Y>의 측정치는 신호 잡음보다 훨씬 클 것이며, 하나의 광 신호 상태는 어떤 광자도 포함하지 않는 신호 상태와 효율적으로 식별된다.

전술한 측정 과정은 호모다인 측정을 이용하는 것으로, 이 측정은 매우 효율적이지만 일반적으로는 강력한 국부 발진기의 사용을 필요로 한다. 도 4b는 50/50 빔 분할기(421, 423), 반사기(422, 424) 및 광 다이오드(427, 428)를 포함하는 Mach-Zehnder 간섭계를 사용하여 상관 프로브 광자 상태 |α>에서의 위상 변이를 측정하는 측정 시스템(400B)을 도시하고 있다. 시스템(400B)에서, 50/50 분할기(421)는 상관 상태 |α>를 2-모드 분리 가능 상태 |α/√2>_X|α/√2>_Y로 분할하며, 아래첨자 X 및 Y는 개별적으로 분리된 경로를 나타낸다. 제 1 모드 |α/√2>_X는 광자 게이트(110) 내로 입력되어 모드 |α/√2>_X는 신호 상태 |S_IN>에서의 각 주파수 _a의 광자 수 n에 의존하는 위상 변이 eⁱⁿ ^χt=1를 획득한다. 광자 게이트(110)로부터의 위상 변이 상태 |αeⁱⁿ ^χt/2>_X는 미러(424)로부터 50/50 빔 분할기(423) 상으로 반사되며, 이 50/50 빔 분할기(423)는 미러(422)를 통해서 위상 변이 상태 |αe^inχt/2>_X를 빔 분할기(421)로부터의 제 2 모드 |α>_Y와 결합시킨다. 빔 분할기(423) 뒤의 출력 프로브 상태는 수학식 7에 나타낸 바와 같은 2-모드 상태로서, 아래첨자 X 및 Y는 각각의 검출기(427, 428)로의 공간적으로 분리된 경로를 나타낸 다.

χt가 작은 경우, 출력 프로브 상태는 |α(1+inχt/2)>_X|intαχt2>_Y로 표현될 수 있으며, 광 다이오드(428)를 사용하는 제 2 모드 |inαχt/2>_Y의 직접적인 측정은 광 세기 (nαχt)²에 비례하는 측정 전류를 부과한다. 광 다이오드(428)는 하나의 광자를 0개 또는 2개의 광자와 구별할 수는 없는 통상적인 소자가 될 수 있지만, 광 다이오드(428)는 0의 광자와 다수의 광자를 식별할 수 있다. 적 αχt가 비교적 크다고 가정하면, 광 다이오드(428)는 출력 모드 |P_OUT>_Y가 0개의 광자를 갖는지 또는 대략 (αχt)²개의 광자를 갖는지의 여부를 효과적으로 식별할 수 있다. 따라서 시스템(400B)은 단일 광자를 검출하는 시스템(400B)의 효율성이 거의 일정하기 때문에 현재 사용되는 검출기에 비해 막대한 이점을 갖는다.

측정 시스템(400B)의 일 동작 모드에서, 레이저는 프로브 상태 |P_IN>에 연속적인 상관 상태를 제공할 수 있는 반면 제어 필드 소스(114)는 제재 시스템(112)을 연속적으로 펌핑한다. 제어 필드 및 프로브 상태가 연속적이면, 측정 시스템(400B)은 프로브 상태 |P_IN>와 신호 상태 |S_IN>의 동기화를 필요로 하지 않는다. 통상적인 신호 프로세서(429)는 광 다이오드(427, 428) 중 하나 또는 양측 모두로부터의 전류 신호를 분석하여, 신호 상태 |S_IN>에서의 광자 수를 모니터링하거나 또는 신호 상태 |S_IN>이 단일 광자 상태일 때를 판정할 수 있다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 측정 시스템(400B)은 신호 상태 |S_IN>에 대한 패리티(parity) 검출기로서 작용하도록 동조될 수 있다. 전술한 바와 같이, 광 다이오드(428)는 프로브 상태 |(1-eⁱⁿ ^χt)α/2>_Y를 측정한다. 광자 게이트(110)에서 양(quantity) χt가 π가 되면, 짝수개의 광자는 효과적으로 위상변이가 없는 2π의 배수인 위상 변이를 생성한다. 신호 상태 |S_IN>에서의 홀수 n 개의 광자는 위상 변이를 일으키고, 이에 광 다이오드(428)는 0이 아닌 전류로써 검출한다.

측정 시스템(400B)의 이점은 광 다이오드(428)가 "다크 포트(dark port)"를 통해 광을 측정하는 것으로, 다크 포트는 (잡음를 무시한다면) 광자가 신호 상태에 있지 않으면 0의 강도를 갖는다. 따라서 신호 상태에서의 광자의 존재는 명확히 구별되는 신호를 제공한다. 그러나 광자 게이트(110)의 예시적인 실시예에서 사용된 것과 같은 EIT 시스템은 항상 결깨짐(decoherence) 및 위상어긋남(dephasing)으로부터 생성된 제한된 양의 잡음을 가질 것이다. 위상어긋남은 프로브 상태에서 작은 위상 변이를 일으키고, 이로 인해, (예를 들어, 각 주파수 ω_a의) 신호 광자가 존재하지 않을 때조차 Mach-Zehnder의 다크 포트를 통해 약간의 광이 흐르게 된다. 그러나 광 다이오드(428)가 다크 포트에서 (광의 존재뿐만 아니라) 광량을 측정할 수 있으며, 광자 게이트(110)에서 야기되는 위상 변이를 적절히 조정함으로써 단일 신호 광자가 존재할 때의 다크 포트로부터의 광량에 비해 미미한 잡음을 생성할 수 있다. 이어서 광 다이오드(428)는 많은 광자로부터 몇 개의 광자를 식별하며, 이는 통상적인 광 다이오드를 사용하여 달성할 수 있다. 광자 게이트(110)가 광자 손실 메커니즘을 채용하여 프로브 광자 상태를 감쇄시키면, 유사하게 이러한 감쇄는 잡음으로부터 다크 포트 신호를 식별하도록 최대화될 수 있다.

검출기(400B)에서의 잡음과 분산의 효과는 제재 시스템(112)이 도 2a의 EIT 시스템인 경우에 대해 분석될 수 있다. 각 주파수 ω_c의 프로브 상태가 각 주파수 ω_a의 광자를 검출하는데 사용되면, 프로브 상태에서의 위상 변이의 주요 에러 소스 중의 하나는 제재 시스템(112)의 자연 발생적인 3-4 천이에서의 위상어긋남이 된다. 이러한 상관 프로브 상태

에서의 자연 발생적인 방출의 효과는 출력 프로브 상태

로 귀결되는 랜덤 위상 변이 φ의 도입이다. 신호 상태 |S_IN>가 중첩 c₀|0>+c₁|>이면, 검출기(427)가 측정한 전류 I_c는 수학식 9에 나타낸 바와 같이 랜덤 위상 변이 φ에 의존한다.

위상 변이 φ에 대한 분포는 제재 시스템(112)의 정확한 위상어긋남 메커니즘에 의존한다. 예시적인 목적으로 여기서는 -φ₀으로부터 φ₀에 이르는 스퀘어 프로파일(square profile)을 가정하지만 가우스 또는 푸아송(Poisson) 분포에 대해서도 유사한 답이 얻어진다. 이러한 위상 분포에 대한 I_c를 합하면 전류 I_c는 φ₀가 작은 범위에서 수학식 10의 형태가 된다. 따라서 단일 광자는 (1 cos[χt])가 φ₀ ²보다 훨씬 크기만 하다면 광자가 없는 것과는 구별될 수 있다. 기본적으로 이는 가능한 랜덤 위상 φ₀보다 더 큰 위상 변이 αχt를 선택할 것을 요구한다.

도 4c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 검출기(400C)를 나타낸다. 검출기(400C)에 대해, 레이저 또는 다른 빔 소스는 상관 상태에서 프로브 빔을 생성한다. 약한 빔 분할기(426)는 상관 상태의 작은 조각(예를 들어 5 내지 10%)을 쪼개어 입력 프로브 상태 |P_IN>를 형성하고 강한 국부 발진기 신호 LO를 남긴다. 바람직하게도, 입력 프로브 상태 |P_IN>는 대략 100보다 작은, 보다 바람직하게는 10에서 50에 이르는 광자 수의 기대치 |대략 100보다 작은, 보다 바람직하게는 10에서 50에 이르는 광자 수의 기대치 |α_c|²을 갖는 상관 상태 |α_c>이며, 신호 상태 |S_IN>는 폭 상태 또는 폭 상태의 중첩에 놓이며, 폭 상태는 0 또는 1개의 광자에 대응하는 광자 수 및 강도를 갖는다.

상관 상태 |α_b> 및 |α_c>의 전개는 폭 상태의 전개로부터 파생될 수 있다. 특히, n_a, n_b 및 n_c개의 광자를 갖는 폭 상태 성분 각각은 양자 시스템의 공명하는 4-준위 매니폴드의 세 개의 주파수 채널을 구동한다. 제재 시스템(112)이 광학 파장과 비교해서 작은 부피로 고정되고 유지되는 N개의 4-준위 원자를 포함하고, 폭 상태의 세 개의 펄스 엔벌로프(envelope) 함수의 지속시간이 원자 준위 2의 생존시간에 비해 길면, 수학식 11에 나타낸 바와 같이 교란되지 않은 개수 고유상태(unperturbed number eigenstate) |1, n_a, n_b 및 n_c>가 전개된다.

수학식 11에서 양 W는 일반적으로 제재 시스템과 각 주파수 ω_a, ω_b 및 ω_c의 특성에 의존한다. 수학식 12a 및 12b는 각 주파수 ω_a와 ω_b가 각각의 원자 천이 각 주파수 ω₁₂와 ω₃₂에 정확하게 동조되고, 위상어긋남이 무시할 정도이고, 원자 준위 2 및 4로부터의 자연 발생적인 방출 브랜칭(branching) 비율이 거의 일정한 경우에 양 W를 제공한다. 수학식 12a에서, N은 4-준위 원자의 개수이고, Ω_a, Ω_b 및 Ω_c는 수학식 12b에 주어진 바와 같은 효율적인 진공 라비 주파수이고, ν_c 는 이조 파라미터 (ω_c-ω₄₃)이고, γ₂ 및 γ₄는 자연 발생적인 방출 비 A₂₁ 및 A₄₃과 거의 동일하다. 수학식 12b에서, k는 값 a, b 및 c를 갖는 인덱스이고, 정의에 의하면 σ_k는 파장 λ_k 2π/ω_c에서의 공명 원자 흡수 교차 3λ_k ²/2π이고, 2π/w²는 효율적인 레이저 모드 교차 영역이고, A_k는 두 개의 대응하는 원자 준위 간의 자연 발생적인 방출 비율이고, ω_k는 고정된 원자를 갖는 펄스화된 레이저 필드의 단열 상호작용을 나타내는 프로파일 함수의 밴드폭이다.

수학식 12a는 주파수 ω_a의 광자의 잠재적인 흡수를 나타내는 4-준위 EIT 시스템에 대한 W가 복잡하다는 것을 나타낸다. 그러나 수학식 13의 불균형이 만족되는 파라미터 상황에서, 원자 중의 하나가 각 주파수 ω_a의 단일 광자를 스캐터링할 확률은 적어질 것이다. (수학식 13은 |φ_b|²|α_b|²/γ₂가 |φ_c|²|α_c|²/γ₄와 거의 같아질 때 ν_c/γ₄가 커져야 한다는 요구조건으로 단순화한다.) 이러한 상황에서 동 작하면, 상태 |1, n_a, n_b, n_c>는 단지 비선형 메커니즘으로부터 위상 변이를 획득한다. 이 위상변이는 고 효율 비파괴 검출기의 기초가 될 수 있다.

상관 상태를 포함하는 원자 필드 상태의 전개는 각각의 상관 상태를 나타내는 폭 상태에 대한 합을 사용하여 평가될 수 있다. 특히, 수학식 14는 a 채널에서의 n_a-광자 폭 상태와 각각 b 및 c 채널에서 α_b및 α_c에 의해 파라미터화된 약한 상관 상태와의 상호작용 동안에 N-원자 양자 상태의 시간 t 후의 전개를 나타낸다. 수학식 15는 위상 변이 φ를 정의한다. 수학식 14 및 15는 전개된 상태 |Ψ'(n_a)>가 본래의 b 채널 상관 상태의 파라미터 α_b의 크기가 크지 않는 한 두 개의 상관 상태와 폭 상태의 단순한 텐서(tensor) 적이 아님을 보여준다. 상기 본래의 b 채널 상관 상태의 파라미터 α_b의 크기가 클 경우에, 전개된 상태 |Ψ'(n_a)>는

와 거의 동일하다. 그러므로 커플링 필드 구동 채널 b가 고전적인 필드일 때만 EIT 제재 시스템은 정확한 교차형-Kerr 비선형성을 제공하고, 약한 상관 상태 입력 펄스에 대해서 제어 필드는 고전적인 필드로 작용하지 않는다.

전개된 상태 |Ψ'(n_a)>가 상관 상태가 될 수 없다 하더라도, 검출기(400C)는 구적 <X> 및/또는 <Y>의 측정을 통해 여전히 효율적으로 신호 상태에서의 광자의 개수 n_a를 판별할 수 있다. 수학식 16은 각 운동량 ω_c의 광자에 대한 생성 연산자

및 소멸 연산자

에 기초하여 구적 호모다인 연산자

를 정의한다. 구적 호모다인 연산자

는 0의 θ에 대한 위치 연산자 X와 π/2의 θ에 대한 운동량 연산자 Y와 동일하다. 구적 호모다인 연산자

의 기대치는 수학식 17을 산출하는 수학식 14의 전개된 상태에 대해 평가될 수 있다. 유사하게, 구적 호모다인 연산자

의 평균제곱은 평가되어 수학식 18을 산출할 수 있다.

계산된 기대치에 기초하여, 수학식 19는 검출기(400C)에서의 운동량 구적에 기초한 광자 검출기 측정치에 대한 신호 대 잡음비를 제공한다. 수학식 19에서, 함수 종속도 (1) 및 (0)은 기대치가 평가되는 상태에서의 각 주파수 ω_a의 광자의 수 n_a를 나타낸다. 광자 상태가 거의 상관되어 있기 때문에, 각 주파수 ω_a의 광자의 수 n_a가 1인 상태에 대한 긍정 오류 카운트(false positive count)의 확률은 수학식 20에서 주어진다.

도 5a는 ν_c/γ₂ = 30에 대한 상호작용 영역에서 국부화된 원자의 수와 프로브 상태 |P_IN>의 세 개의 서로 다른 세기 α_c의 함수로서 수학식 19에 의해 주어진 신호 대 잡음비를 보여준다. 도 5a의 곡선(510, 520, 530)은 각각 제어 필드(116)와 프로브 상태가 동일한 세기(예를 들어, |α_b|=α_c)를 가질 때 4, 5 및 6의 파라미터 α_c에 대응한다.

수학식 14의 파형함수가 상관 상태를 기술하였다면 도 15a에서 각각의 곡선은 2|α_b|sin(φ)으로 주어지고, 원자의 수 N이 대략 15π²|α_b|²일 때 최고값을 나타낼 것이다. 대신, 개수 n_b에 대한 수학식 14에서의 가수(summand)의 종속 때문에 곡선(510, 520, 530)의 최고값은 π/2보다 작은 위상 변이에 대응한다. 실제적으로는, 여기서 선택된 파라미터에 대해 a 채널에서 충분히 큰 트랜스퍼런시 윈도우(transparency window)를 생성하기 위해 값 |α_b|²은 약 8π 또는 약 25 보다 커야 한다. 따라서 긍정 오류 검출의 충분히 낮은 확률을 제공하는데 필요한 원자의 수는 도 5a 및 수학식 14로부터 결정될 수 있다. 특히, 제재 시스템에서 4-준위 원자가 대략 570개라면, 2.19의 SNR 값에 대응하는 0.24 라디안(radian)의 위상 변위를 달성할 수 있다. 이는 1-2 천이에서 0.8%의 광자 흡수 확률로 약 1%의 긍정 오류 검출 에러 확률을 유도한다. 이러한 특정 예는 드문 것이 아니다. 넓은 범위의 합리적인 파라미터는 이러한 에러 비율을 유도한다. 예를 들어, 크기 차수만큼 긍정 오류 검출 에러와 흡수 비율을 줄이길 원한다고 가정하라. 이 경우, (라인 폭 γ₄의 단위에서) 160의 이조 ν_c, 6900개의 원자, 약 10의 크기 α_b 및 α_c는 0.137의 위상 변이를 달성하고, 이는 0.08 퍼센트의 흡수율과 SNR = 2.66 (또는 0.08%의 오류 검출 확률)을 유도한다. 일반적으로 SNR 비를 증가시키는 것은 원자의 수를 증가시킬 것을 요구한다.

도 5a는 또한 ν_c/γ₄ 및 α_c의 주어진 값에 대해 원자의 수 N을 증가시키는 효과가 궁극적으로 신호 대 잡음비의 감소를 유도한다는 것을 나타낸다. 더 큰 원자 수 N이 사용된다면, 신호 대 잡음비의 감소를 피하는 한 가지 방법은 비율 ν_c/γ₄ 를 줄이는 것이다. 도 5b는 상호작용 영역에서 국부화된 1000개의 양자에 대한 비율 ν_c/γ₄ 함수로서 수학식 19에 의해 주어진 신호 대 잡음비를 보여준다. 도 5b의 곡선(540, 550, 560)은 제어 필드(116)와 프로브 상태가 동일한 세기 (예를 들어, |α_b|=α_c)를 가질 때 각각 4, 5, 6의 파라미터 α_c에 대응한다.

검출기(400C)의 바람직한 동작 모드 동안에, 신호 상태 |S_IN>는 각 주파수 ω_a의 0 또는 하나의 광자를 포함하고 EIT 시스템의 트랜스퍼런시 윈도우를 통해 충분히 길게 적합화되는 펄스폭을 갖는 파형 패킷에 대응한다. 신호의 펄스 폭 동안에, 제어 필드 소스는 신호 상태 |S_IN>의 10 내지 100배의 전력 또는 에너지와 상관 상태를 갖는 연속하는 빔을 생성한다. 제어 필드 소스(114)는 빔 경로에 감쇄기 또는 빔 분할기를 갖는 레이저를 포함할 수 있는데, 이로 인해 결과적인 제어 필드(116)가 요구된 에너지를 갖게 된다. 바람직하게, 프로브 상태 |P_IN>는 유사하게 제어 필드의 그것과 거의 동일한 신호 펄스 폭 동안의 에너지 또는 전력을 갖는 연속하는 빔에 대응한다. 프로브 상태 |P_IN>에 대응하는 빔을 국부 발진기 LO에 대응하는 빔으로부터 분리하는 빔 분할기(426)는 레이저로부터의 빔 전력 중 10%보다 적은 양을 프로브 상태 |P_IN>에 전달할 수 있다. 제어 및 프로브 빔이 연속한다면, 검출기(400C)를 통과하는 광자의 존재는 광 다이오드(427, 428)의 측정에 변동을 일으킬 것이고, 신호 프로세서(429)는 신호 광자의 존재를 검출하기 위해 분석할 수 있다.

도 4d는 듀얼 호모다인 (또는 헤테로다인) 측정을 사용하는 본 발명의 실시예에 따른 측정 시스템(400D)을 나타낸다. 특히, 측정 시스템(400D)은 출력 프로브 상태 |P_OUT>의 일부를 제 1 호모다인 검출기(420)로 전달하고 출력 프로브 상태 |P_OUT>의 다른 일부를 제 2 호모다인 검출기(430)로 전달하는 빔 분할기(434)를 포함한다. 진공 상태 |0>(즉, 입력이 없음)은 빔 분할기(434)의 다른 입력에 존재한다. 빔 분할기(434)가 출력 프로브 상태 |P_OUT>의 전송되고 반사된 부분 사이에 위상차를 도입한 결과, 호모다인 검출기(420)는 각 θ에 대한 호모다인 연산자

의 기대치

를 측정하고 호모다인 검출기(430)는 각 θ+π/2에 대한 호모다인 연산자

의 기대치

를 측정한다. 따라서 측정 시스템(400D)은 출력 프로브 상태 |P_OUT>에 대한 위치 구적과 운동량에 관한 동시 정보를 구할 수 있다.

전술한 바와 같이 측정 시스템(400A, 400B, 400C, 400D)은 신호 광자를 직접 적으로 측정하고 파괴하지 않고도 프로브 상태를 측정함으로써 신호 상태에서의 광자의 존재 유무를 추정할 수 있다. 따라서 출력 신호 상태 |S_OUT>는 각 주파수 ω_a의 광자에 대해 한정된 광자 수를 가지며, 측정 후에 양자 정보 처리 시스템에서 사용될 수 있다.

전술한 검출기는 한정된 광자 수를 갖는 출력 상태 |S_OUT>를 제공하지만, 분극, 궤도 각 운동량, 타임 비닝(binning) 또는 광자의 운동량과 같은 다른 특성은 측정되지도 않고 알려지지도 않을 것이다. 일반적으로, 출력 상태 |S_OUT>의 측정되지 않은 특성은 입력 상태 |S_IN>와 프로브 상태 |P_IN> 간의 상호 작용이 요구된 특성을 유지한다면 입력 상태 |S_IN>의 그것과 같을 것이다. 그러나 프로브 상태 |P_IN>와 신호 상태 |S_IN>의 상호작용은 신호 상태 |S_IN>의 광자의 흡수와 광자 상태 |S_OUT>의 이어지는 방출에 대응할 수 있다. 그러한 흡수 및 방출 과정은 분극 또는 궤도 각 운동량과 같은 특별한 광자 특성을 보유하지 않을 것이다. 또한, EIT 시스템에서 발견된 것과 같은 상호작용은 비대칭적일 수 있으며(예를 들어, 바람직한 축(axis)을 가짐), 이러한 비대칭성은 입력 상태가 다르게 전개되는 서로 다른 전개 특성을 갖게 만들며, 그에 따라 광자의 각 운동량 또는 분극과 같은 특성의 변화가 측정될 것이다.

도 6a는 입력 신호 상태 |S_IN>의 하나 이상의 특성을 보유하면서도 입력 신호 |S_IN>를 측정하고 알려진 개수의 광자를 갖는 출력 신호 상태 |S_OUT>를 생성할 수 있는 검출기(600)를 나타낸다. 일반적으로, 검출기(600)의 다른 실시예는 분극, 궤도 각 운동량, 타임 빈(bin) 또는 운동량과 같은 다른 광자 특성을 보유하도록 구성될 수 있다. 일반적인 경우에 있어서, 검출기(600)는 빔 분할 시스템(610), 비파괴 측정 시스템(620) 그리고 빔 결합 시스템(630)을 포함한다. 빔 분할 시스템(610), 측정 시스템(620) 그리고 빔 결합 시스템(630)의 특정 구현 예는 보유된 특성에 의존할 것이다.

빔 분할 시스템(610)은 입력 신호 상태 |S_IN>를 보유된 특성에 대해 한정된 값을 갖는 별개의 모드로 분할한다. 분극 보유를 위해, 예를 들어, 빔 분할 시스템(610)은 입력 신호 상태 |S_IN>를 한정된 분극을 갖는 (예를 들어, 각각 수평 분극 및 수직 분극을 갖는) 두 개의 모드 |S1_IN>와 |S2_IN>로 분할하는 분극 빔 분할기이다. 대안으로, 각 운동량 보유를 위해, 빔 분할 시스템(610)은 서로 다른 궤도 각 운동량을 갖는 광자 상태를 분리하는 홀로그래픽(holographic) 필름을 포함할 수 있다. 타임 비닝의 보유를 위해, 빔 분할 시스템(610)은 별도의 측정을 위한 서로 다른 타임 빈 동안에 수신된 광자를 공간적으로 분리할 수도 있다. 유사하게, 국부화된 파형 패킷 내의 광자는 별도의 측정을 위한 운동량에 따라 분리될 수 있다.

측정 시스템(620)은 광자 상관 신호 가산기(624)와 비파괴 광자 검출기(621, 622)의 세트를 포함한다. 도 6a는 측정 시스템(620)이 두 개의 독립적인 기반 상태를 갖는 분극과 같은 특성을 보유하기에 적합한 두 개의 비파괴 검출기(621, 622)를 포함하는 본 발명의 예시적인 실시예를 보여준다. 보다 일반적으로, 시스 템(620) 내의 비파괴 검출기의 수는 특성을 보존하는데 사용되는 독립적인 기반 상태의 수에 의존한다. 궤도 각 운동량, 타임 빈 또는 운동량을 보유하기 위해, 비파괴 검출기의 수는 입력 상태에 사용될 수 있는 보존 특성의 사용가능한 상태의 수에 의존한다. 후속하는 기술은 분극 보유의 특정 예에 집중되지만 광자 상태의 운동량, 타임 빈, 궤도 각 운동량 또는 스핀 상태와 같은 다른 특성을 보유하는 시스템에 대한 일반화는 당업자에게 명백할 것이다.

도 6a에서, 각각의 검출기(621 또는 622)는 입력 모드 |S1_IN> 또는 |S2_IN>를 측정하여 출력 모드 |S1_OUT> 또는 |S2_OUT>에서의 광자 수를 결정할 수 있고 각각의 검출기(621 또는 622)는 측정된 광자 수를 나타내는 양자 상관 전자 출력신호를 제공하는 전술한 비파괴 검출기 중의 어느 것과도 거의 동일할 수 있다. 각각의 검출기(621 또는 622)로부터의 출력신호는 도 4a 내지 4d를 참조하여 전술한 바와 같이 예를 들어, 호모다인 위상 측정의 결과인 차이 신호 Id 또는 헤테로다인 측정 시스템 내의 다크 포트로부터 출력된 프로브 광자의 강도를 측정하는 광 다이오드의 출력신호가 될 수 있다. 검출기(621)는 모드 |S1_IN>을 측정하기 위해 마련되었지만 검출기(621)로부터 출력된 양자 상관 전자신호는 관찰됨이 없이 양자 상관 가산기(624)로 입력된다. 유사하게, 검출기(622)는 제 2 모드 |S2_IN>를 측정하기 위해 마련되었고 검출기(622)로부터 출력된 양자 상관 전자신호는 관찰됨이 없이 양자 상관 가산기(624)로 입력된다.

양자 상관 가산기(624)는 검출기(621, 622)로부터의 전자신호를 결합하여 두 개의 모드 |S1_OUT>와 |S2_OUT>에서의 전체 광자 수를 나타내는 출력신호 NUM을 생성한다. 광자 상태가 두 개의 모드 중의 하나로 붕괴되는 것을 피하기 위해, 가산기(624)와 검출기(621, 622)의 일부분이 충분히 차갑게(예를 들어, 몇 mK° 이하로) 유지될 수 있으며, 그에 따라 검출기(621, 622) 내의 광 다이오드는 양자 상관 전자 상태를 생성하고 전자 상태는 전류 가산 과정을 통해 상관관계를 유지한다. 가산 과정은 예를 들어 유선 OR 또는 출력단이 유선 OR에 연결된 한 쌍의 다이오드를 사용하여 실행될 수 있다. 이에 출력신호 NUM은 두 개의 모드 |S1_OUT>와 |S2_OUT> 중 어느 것이 광자를 포함하는 지를 나타내지 않으면서 두 개의 모드 |S1_OUT>와 |S2_OUT> 중의 하나에 광자가 존재할 때를 나타낼 수 있다. 그러므로 신호 NUM은 분극 상태를 변화시키지 않으면서 광자 수를 측정한다.

보다 일반적으로, 각 운동량과 같은 특성을 유지할 때, 세 개 이상의 모드에 대한 전체 광자 수는 그 모드 중의 하나에 대응하는 한정된 상태로 붕괴됨이 없이 측정될 수 있고, 세 개 이상의 모드는 재결합되어 한정된 광자 수와 본래의 특성 상태를 갖는 상태를 생성할 수 있다. 입력 상태 |S_IN>의 보유 특성(예를 들어, 분극 또는 각 운동량 상태)이 양자 정보(예를 들어, 큐비트 또는 큐디트(qudit))를 나타내는 경우에, 입력 상태에서의 광자 수는 보유 특성이 나타낼 수 있는 양자 정보를 파괴함이 없이 측정될 수 있다. 특히, 요구된 양자 정보를 나타내고 측정된 광자 수를 갖는 광자 상태가 구성될 수 있다.

도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분극-보유 검출기(602)를 도시하고 있다. 검출기(602)는 빔 분할기(610), 한 쌍의 EIT 제재 시스템(641, 642) 그리고 빔 결합기(630)를 포함한다. 빔 분할기(610)는 분극에 따라 입력 신호 상태 |S_IN>를 각각이 병렬적으로 각각의 제재 시스템(641, 642)에 대응하는 모드 |S1_IN> 및 |S2_IN>로 분할하는 분극용 빔 분할기이다. 제재 시스템(641, 642)은 쉽게 검출 가능한 광자 수 기대치(예를 들어, 10 내지 100 또는 그 이상의 광자)를 갖는 응집 상태, 상관 상태 또는 폭 상태가 될 수 있는 광자 프로브 상태 |P_IN>의 경로에 직렬로 정렬될 수도 있다.

본 발명의 예시적인 실시예에서, 각각의 제재 시스템(641 또는 642)은 하나 이상의 4-준위 원자 또는 도 2a에 도시한 바와 같은 에너지 준위를 갖는 분자를 포함한다. 입력 상태 |S_IN>는 각 주파수 ω_a를 갖는 광자의 상태이고, 프로브 상태 |P_IN>는 주파수 ω_c를 갖는 광자의 상태이다. 레이저(643, 644)는 주파수 ω_b의 광자로 대응하는 각각의 제재 시스템(641, 642)을 비춘다. 그 결과, 제재 시스템(641)은 프로브 상태 |P_IN>의 위상을 제재 시스템(641)으로부터의 출력 모드 |S1_OUT>에서의 광자 수에 의존하는 양만큼 변화시키고, 제재 시스템(642)은 프로브 상태 |P_IN>의 위상을 제재 시스템(642)으로부터의 출력 모드 |S2_OUT>에서의 광자 수에 의존하는 양만큼 변화시킨다. 빔 결합기(630)는 제재 시스템(641, 642)으로부터의 모드 |S1_OUT> 및 |S2_OUT>를 출력 신호 상태 |S_OUT>로 결합한다.

도 6d는 출력 신호 상태 |S_OUT>에서의 전체 광자 수를 결정하기 위해 프로브 상태 |P1_OUT> 및 |P2_OUT>의 호모다인 위상 측정을 사용하는 본 발명의 실시예에 따른 분극-보유 광자 검출기(606)를 도시하고 있다. 검출기(606)는 빔 분할기(610), 한 쌍의 EIT 제재 시스템(641, 642), 빔 결합기(630) 그리고 호모다인 측정 시스템(670)을 포함한다. 전술한 바와 같이, 빔 분할기(610)는 각 주파수 ω_a를 갖는 입력 신호 상태 |S_IN>를 각각이 제재 시스템(641, 642)에게 주어진 모드 |S1_IN> 및 |S2_IN>로 분할한다. 동시에, 레이저(643, 644)는 주파수 ω_a를 갖는 제어 필드를 대응하는 각각의 제재 시스템(641, 642)으로 보내고, 하나 이상의 레이저 또는 다른 광 소스는 각 주파수 ω_c를 갖는 프로브 상태 |P1_IN>와 |P2_IN>을 대응하는 각각의 제재 시스템(641, 642)으로 보낸다. 바람직하게 제재 시스템(641, 642)은 모드 |S1_OUT>에서의 단일 광자의 존재가 단일 광자가 모드 |S2_OUT>에 존재할 때 초래되는 프로브 상태 |P2_IN>의 위상 변화와 동일한 프로브 상태 |P1_IN>의 위상 변화를 생성하 게 한다.

호모다인 측정 시스템(670)은 각각이 프로브 상태 |P1_OUT> 및 |P2_OUT>을 국부 발진기 LO로부터의 성분과 간섭하는 성분으로 분할하는 빔 분할기(671, 672)를 포함한다. 광 다이오드(674)는 빔 분할기(671, 672)를 통해 전송된 국부 발진기의 성분과 빔 분할기(671, 672)로부터 반사된 프로브 상태 |P1_OUT> 및 |P2_OUT>의 결합된 부분의 세기를 측정한다. 광 다이오드(674, 676)와 빔 분할기(671, 672)로부터의 성분의 정렬은 바람직하게 광 다이오드(674, 676)로부터의 출력 전류가 프로브 상태 |P1_OUT> 및 |P2_OUT>으로부터 광자가 검출되었는지를 나타내지 않도록 한다. 광 다이오드(674, 676)에 연결된 차동 증폭기(678)는 모드 |S1_OUT> 또는 |S2_OUT>에 광자가 존재했는지를 결정하지 않고도 모드 |S1_OUT>와 |S2_OUT> 중의 하나에서의 광자의 존재를 나타내는 위상 변화를 경험하였다. 따라서 빔 결합기(630)를 포함하는 빔 결합 시스템은 입력 신호 상태 |S_IN>와 동일한 분극을 갖는 출력 상태 |S_OUT>를 구성할 수 있다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 비파괴 광자 검출기는 산발적으로 또는 믿을 수 없이 단일 광자를 방출하기도 하는 종래의 비결정적 광자 소스를 요구받으면 단일 광자를 방출하는 결정적 광자 소스로 변환할 수 있다. 결정적 당일 광자 소스는 종래의 광자 소스, 비파괴 광자 검출기 그리고 광장 저장 시스템을 포함한다. 광자 검출기가 EIT 시스템을 구비할 때, EIT 시스템은 신호 측정을 위해 프로브 상태에 위상 변이를 도입하고 그 이후의 방출을 위해 신호 광자를 저장할 수 있다. 동작에서, 비파괴 광자 검출기는 종래의 광자 소스로부터 출력된 상태에 대한 광자 수를 측정한다. 만약 측정된 출력 상태가 단일 광자가 아니면, 종래의 광자 소스로부터의 다른 출력 광자 상태가 측정된다. 만약 측정된 광자 상태가 단일 광자를 포함하면, 측정된 상태는 광자 저장 시스템에 저장되고, 광자 저장 시스템으로부터 단일 광자 상태가 요구받으면 방출된다. 만약 비파괴 검출기가 종래의 광자 소스로부터의 광자의 각 운동량 또는 분극과 같은 특성을 보유하고 있으면, 저장된 광자 상태는 입력 광자와 동일한 특성을 갖게 될 것이다.

도 7a는 본 발명의 특정 실시예에 따른 결정적 단일 광자 소스(700)를 도시하고 있다. 광자 소스(700)는 광자 게이트(110), 측정 시스템(420), 비결정적 광자 소스(730) 그리고 광자 저장 시스템(740)을 포함한다.

비결정적 광자 소스(730)는 때때로 각 주파수 ω_a의 단일 광자를 방출하지만 대부분의 시간에는 진공만을 방출한다. 그러한 소스는 예를 들어 전기적으로 트리거(trigger)된 양자점 또는 매우 감쇄된 레이저가 될 수 있다. 광자 소스(730)의 출력은 측정하여 소스(730)가 광자를 방출하는 지를 판별한다.

측정을 위해, 소스(730)의 출력 상태는 측정을 위해 광자 게이트(110)로 입력되는 신호 상태 |S_IN>가 된다. 레이저 또는 다른 프로브 소스(710)는 동시에 분할된 각 주파수 ω_c의 광자를 포함하는 상관 상태 |α_c>와 같은 프로브 상태를 생성 하여 하나의 공간적 성분이 신호 상태 |S_IN>를 갖는 광자 게이트(110)로 입력되는 프로브 상태 |P_IN>를 형성하게 한다. 이어서 광 다이오드(427, 428)와 신호 프로세서(429)는 신호 상태 |S_IN>가 전술한 기법을 사용하는 단일 광자 상태를 포함하는 지를 판별한다.

초기에 신호 상태 |S_IN>에 광자가 존재하지 않는다면, 소스(730)는 단일 광자가 검출될 때까지 활성상태로 남는다. 광 다이오드(428)로부터의 측정된 전류가 신호 상태 |S_IN>가 단일 광자를 포함하고 있음을 확인할 때, 광자는 광자 저장 시스템(740)에 저장되고 게이트(735)는 광자 소스(730)로부터의 추가 출력을 차단한다. 광자 저장 시스템(740)은 저장된 광자에 대응하는 양자 상관 광자 상태를 방출할 수 있는 EIT 시스템 또는 섬유 루프(fiber loop)와 같은 장치가 될 수 있다. 저장된 광자는 요구받으면 단일 광자 상태를 결정적으로 제공하기 위해 광자 저장 시스템(740)으로부터 방출될 수 있다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 프로브 상태에서 요구된 위상 변이를 일으키는 광자 게이트(110)에 사용된 EIT 기반 정렬은 신호 상태의 단일 광자를 저장할 수도 있다. 특히, 프로브 상태의 지속시간은 출력 광자가 필요할 때까지 제재 시스템(112)을 통한 신호 광자의 전달을 효과적으로 더디게 하거나 멈추기 위해 확장될 수 있다. 따라서 제재 시스템(112)이 신호 광자를 저장한다면 별도의 광자 저장 장치(740)는 필요 없어질 수 있다.

이러한 종류의 N 개의 의존가능한 단일 광자 소스의 어레이는 N 개의 광자를 저장하고 요구받으면 사용자가 선택한 개수(예를 들어, 0 내지 N)의 광자를 방출할 수 있다. 도 7b는 사용자가 선택한 개수의 광자를 포함하는 광자 상태를 생성하기 위해 함께 사용될 수 있는 다수개의 결정적 광자 소스(700-1 내지 700-N)를 구비한 N-광자 소스(750)를 도시한다. 단일 광자 소스(700-1 내지 700-N) 각각은 단일 광자를 검출하고 저장하기 위해 도 7a의 광자 소스(700)와 같은 방식으로 동작한다. 광자 소스(700-1 내지 700-N)가 모두 단일 광자를 저장하고 있을 때, 임의의 또는 모든 광자 소스(700-1 내지 700-N)는 사용자가 선택한 개수의 광자를 갖는 광자 상태를 생성하기 위해 저장된 광자를 방출하도록 요구받을 수 있다.

본 발명이 비록 특정 실시예를 참조하여 기술되고 있지만, 기술된 내용은 단지 본 발명의 응용 예이므로 한정적으로 여겨져서 안 된다. 기술된 실시예의 특징을 다양하게 적용하고 조합하는 것은 후속하는 청구항에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 범주 내에서 이루어진다.

Claims

입력 광자 상태에서 신호 광자의 특성 상태에 의해 구별되는 모드로 입력 광자 상태를 분할하는 빔 분할 시스템(610)과,

상기 모드 중 임의의 개별적인 모드에 대한 광자 수를 확인하지 않고도 상기 모드에서의 전체 광자 수를 측정할 수 있는 비파괴 측정 시스템(620)과,

상기 비파괴 측정 시스템(620)으로부터 출력된 이후 상기 모드를 결합하도록 위치한 빔 결합 시스템(630)을 포함하는

장치.
제 1 항에 있어서,

상기 특성이 분극 상태, 축 상으로의 궤도 각 운동량의 돌출, 상기 신호 광자의 도착에 대한 타임 빈 그리고 상기 신호 광자의 운동량으로 구성된 그룹으로부터 선택되는

장치.
제 1 항에 있어서,

상기 비파괴 측정 시스템(620)이,

각각 상기 모드 중의 상이한 모드를 측정하는 복수 개의 비파괴 검출기(621, 622)와,

상기 비파괴 검출기의 출력 신호를 결합하는 양자 상관 시스템(624)을 포함하는

장치.
제 3 항에 있어서,

상기 비파괴 검출기(621) 각각이,

제 1 에너지 준위와 제 2 에너지 준위를 가짐으로써 상기 신호 광자 각각이 상기 제 1 에너지 준위와 상기 제 2 에너지 준위 간의 천이에 연결되도록 하는 제재 시스템(651)과,

상기 제재 시스템(651)의 제 2 에너지 준위와 제 3 에너지 준위 간의 천이에 연결되는 광자를 포함하는 제 1 빔을 제공하며, 상기 제재 시스템과 상호 동작하도록 제 1 빔을 유도하는 제 1 소스와,

상기 제재 시스템(651)의 제 3 에너지 준위와 제 4 에너지 준위 간의 천이에 연결되는 광자를 포함하는 제 2 빔을 제공하며, 상기 제재 시스템과 상호 동작하도록 제 2 빔을 유도하는 제 2 소스와,

상기 제재 시스템(651)에서의 상기 신호 광자를 검출하기 위해 상기 제 1 빔과 제 2 빔 중의 하나에서의 변화를 측정하도록 정렬된 측정 시스템(662, 664)을 포함하는

장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 비파괴 측정 시스템(620)이,

상기 모드 중의 대응하는 경로에 존재하고 프로브 광자 상태의 경로에서 직렬로 위치하는 복수개의 제재 시스템(641)과,

상기 제재 시스템(641)에서 발생된 상기 프로브 광자 상태에서의 전체 변화를 측정하도록 정렬된 측정 시스템을 포함하는

장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 비파괴 측정 시스템(620)이,

상기 모드 중의 첫 번째 모드의 경로에 있는 제 1 제재 시스템(641)과,

상기 모드 중의 두 번째 모드의 경로에 있는 제 2 제재 시스템(642)과,

각각 상기 제 1 제재 시스템(641)과 제 2 제재 시스템(642)으로 입력되는 제 1 프로브 상태와 제 2 프로브 상태의 소스와,

각각 상기 제 1 제재 시스템(641)과 제 2 제재 시스템(642)으로부터 출력된 후의 상기 제 1 프로브 상태와 제 2 프로브 상태를 수신하는 위상 측정 시스템(670)을 포함하는

장치.
신호 상태에서의 광자 수를 검출하기 위한 방법에 있어서,

보유할 특성 값에 의해 구별되는 모드로 상기 신호 상태를 분할하는 단계와,

상기 모드 중의 임의의 개별 모드에 대한 광자 수를 확인하지 않고도 상기 모드에서의 전체 광자 수를 측정하는 단계와,

상기 전체 광자 수를 측정한 후 상기 모드를 결합하는 단계를 포함하는

광자 수 검출 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 모드에서의 전체 광자 수를 측정하는 단계가,

상기 모드를 각각의 대응하는 게이트로 유도하는 단계와,

각각이 광자 상태인 프로브 상태를 상기 게이트로 유도하는 단계와,

상기 게이트에서 발생하는 상기 프로브 상태에서의 변화의 축적을 측정하는 단계와,

측정된 변화로부터 상기 신호 상태에서의 전체 광자 수를 추정하는 단계를 포함하는

광자 수 검출 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 모드에서의 전체 광자 수를 측정하는 단계가,

상기 모드를 각각의 대응하는 제재 시스템(641, 642)으로 병렬로 유도하는 단계와,

상기 제재 시스템(641, 642)을 통해 직렬로 프로브 상태를 유도하는 단계와,

상기 제재 시스템에서 발생하는 상기 프로브 상태에서의 축적된 변화를 측정하는 단계와,

상기 축적된 변화로부터 상기 신호 상태에서의 전체 광자 수를 추정하는 단계를 포함하는

광자 수 검출 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 모드에서의 전체 광자 수를 측정하는 단계가,

상기 모드를 각각의 대응하는 제재 시스템(651, 652)으로 병렬로 유도하는 단계와,

복수 개의 프로브 상태를 상기 제재 시스템(651, 652)을 통해 각각 병렬로 유도하는 단계와,

상기 제재 시스템으로부터 출력된 후의 상기 프로브 상태에서의 위상차를 측정하는 단계와,

상기 위상차로부터 상기 신호 상태에서의 전체 광자 수를 추정하는 단계를 포함하는

광자 수 검출 방법.