(57)【要約】【課題】従来よりも光子の生成を効率良く行うことができる技術を提供する。【解決手段】光子生成装置は、制御光を発生する制御光発生部１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２１とを含むキャビティQED系部２と、を含み、キャビティQED系部２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、所定の補正係数をαとして、外部結合率κexは、κex=ακin(1+2Cin)(1/2)を満たすように設定されている。【選択図】図１
2020144163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御光を発生する制御光発生部と、
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、所定の補正係数をαとして、前記外部結合率κexは、κex=ακin(1+2Cin)(1/2)を満たすように設定されている、
光子生成装置。
【請求項２】
請求項１の光子生成装置であって、
前記外部結合率κexがκex=ακin(1+2Cin)(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。
【請求項３】
請求項１又は２の光子生成装置であって、
Tを所定の時間とし、前記原子が前記基底状態であり、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における重みをα2(t)とし、κ=κex+κinとし、前記キャビティQED系部内の光電場の減衰率をγとし、制御光を与えることで発生する、前記初期状態と前記励起状態との間の遷移周波数をΩとし、C=g2/(2κγ)として、以下の式を満たすように、Ωの増加率が制御されている、
【数５】
2020144163.tif 000007
光子生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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及び非特許文献２参照。）。
【０００３】
非特許文献１では、共振器中に捕捉した原子を単一光子源として用いて光子を生成する方法が示されている。ここでは弱結合領域が使われている。
【０００４】
また、非特許文献２では、共振器中に捕捉した原子を単一光子源として用いて強結合領域で光子を生成する方法が示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】C.K.Law, H.J.Kimble, "Deterministic generation of a bit-stream of single-photon pulses", Journal of Modern Optics, Volume 44, ,NO.11-12, p.0267-2074, 1997
【非特許文献２】A.Kuhn, M.Hennrich, T.Bondo, and G.Rempe, "Controlled generation of single photons from a strongly coupled atom-cavity system", Applied Physics B, Volume 69, Issue 5-6, p.373-377, 1999
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、非特許文献１及び非特許文献２では、共振器の外部結合率を考慮した光子生成率の向上が行われていない。
【０００７】
本発明の目的は、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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の一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、所定の補正係数をαとして、外部結合率κexは、κex=ακin(1+2Cin)(1/2)を満たすように設定されている。
【発明の効果】
【０００９】
外部結合率を考慮することにより、従来よりも光子の生成を効率良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、光子生成装置の機能構成の例を示す図である。
【図２】図２は、キャビティQED系部の状態遷移を説明するための図である。
【図３】図３は、キャビティQED系部の状態遷移を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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、例えば参考文献１及び参考文献２を参照のこと。
【００１３】
<参考文献１>Hayato Goto, Shota Mizukami, Yuuki Tokunaga, Takao Aoki, "Fundamental Limit on the Efficiency of Single-Photon Generation Based on Cavity Quantum Electrodynamics", arXiv:1808.10077, 2018年8月30日
<参考文献２>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
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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>は励起状態|u>のエネルギー準位である。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
具体的には、外部結合率制御部３は、外部結合率κexがκex=ακin(1+2Cin)(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、αは所定の実数である補正係数である。補正係数αは、所望の結果が得られるように適宜決定される。αは、例えば1/2<α<2である。理論的にはα=1であるが、実際には所望の結果が得られるようにκexの値を適宜調整する必要がある。αは、この調整を行うための補正係数である。外部結合率κex=ακin(1+2Cin)(1/2)とすることで、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、参考文献１参照。）。
【００２２】
光子の生成確率PSは、以下の式に従うことが知られている。
【００２３】
【数１】
2020144163.tif 000003
【００２４】
κ=κex+κinであり、C=g2/(2κγ)であることを考慮すると、κexが増加すると上記の式の第１項の値は増加し第２項の値は減少するため、Psの上限を最大化する適切なκexの値が存在することが想定される。発明者は、Psの上限を最大化する適切なκexの値がκex=ακin(1+2Cin)(1/2)であることを見出した。適切なκexの値がκex=ακin(1+2Cin)(1/2)となる理由の詳細については、例えば参考文献１を参照のこと。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
【数２】
2020144163.tif 000004
【００２９】
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。これにより、中間領域でも光子生成が可能となる（例えば、参考文献１参照。）。中間領域の定義については、後述する。
【００３０】
そのために、制御光発生部１は、Tを所定の時間として、以下の式（１）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。
【００３１】
【数３】
2020144163.tif 000005
【００３２】
非特許文献１では弱結合領域、非特許文献２では強結合領域における光子の生成が行われているが、中間領域における光子の生成は行われていなかった。ここで、弱結合領域とはg<<κとなる領域であり、強結合領域とはg>κ,γとなる領域である。中間領域は、g〜κとなる領域である。ここで、"〜"は大体同じ値であり、言い換えれば大きく離れていないことを意味する。例えば、"〜"の左辺の値と右辺の値が１桁離れている場合にはこれらの値は大体同じであると言えるが、これらの値が３桁離れている場合にはこれらの値は大体同じではないと言える。また、"<<"は、"<<"の左の値が、"<<"の右の値よりも十分小さいことを表す。
【００３３】
これに対して、制御光発生部１が上記の式（１）を満たすようにΩの増加率を制御することで、言い換えれば制御光の増加率を十分緩慢にすることで、中間領域でも光子生成が可能となる（例えば、参考文献１参照。）。
【００３４】
なお、制御光発生部１は、Tを所定の時間として、以下の式（２）を満たすように、Ωの増加率を制御してもよい。これにより、より安定的に中間領域での光子生成が可能となる。
【００３５】
【数４】
2020144163.tif 000006
【００３６】
[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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、κex=ακin(1+2Cin)(1/2)に初期設定されているとする。
【符号の説明】
【００３９】
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
【図１】
2020144163.tif 000008
【図２】
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【図３】
2020144163.tif 000010