(57)【要約】      （修正有）【課題】従来技術のラムゼイ干渉計型の量子メモリにおいては、書き込み用π／２パルスの漏れ光からのパルス位相情報が盗聴者に読み取られ、盗聴者が市販のレーザでこの位相情報を再現し、量子メモリ内のデータが盗まれてしまう。このような秘匿安全性の問題を解決する量子メモリを提供する。【解決手段】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パルス照射によって、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。情報の読み出し時、暗号化π／２パルスと同じ位相を持つ復号化π／２パルスを照射して、加えられたランダムな位相を中和する。復号化π／２パルス照射によって、書き込み用π／２パルス照射時に初期化された量子位相を回復し情報を読み出す。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
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。
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Nicolas Gisin, et al.： Quantum storage of photonic entanglement in a crystal. Nature 469, 508-511 (2011年)
【非特許文献２】M. D. Lukin, et al.： Room-Temperature Quantum Bit Memory Exceeding One Second.Science 336, 1283-1286 (2012年)
【非特許文献３】Wolfgang Tittel, et al.： Broadband waveguide quantum memory for entangled photons. Nature 469, 512-515 (2011年)
【非特許文献４】Alexander I. Lvovsky, Barry C. Sanders, and Wolfgang Tittel,： Optical quantum memory", Nature Photonics, DOI： 10.1038/NPHOTON.2009.231 (2009年)
【非特許文献５】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)
【非特許文献６】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, p29-32
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【発明の効果】
【００２２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】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。
【図２】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３】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４】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５2Ｓ1/2−５2Ｐ3/2間の状態遷移を説明する図である。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
[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。
【００２９】
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５2Ｓ1/2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。
【００３０】
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。
【００３１】
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）。
【００３２】
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。
【００３３】
｜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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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）。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
Ｄ1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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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）
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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５2Ｓ1/2−５2Ｐ3/2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、2Ｐ3/2：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。
【００５７】
｜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、2Ｐ3/2：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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
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。
【符号の説明】
【００６６】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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