(57)【要約】  単一光子信号を効率的に検出することができるデバイスは、物質系（１１２）、第１のビーム及び第２のビームのビーム源（１１４及び６１０）、及び測定システム（４２０）を備える。物質系（１１２）は、信号光子が第１のエネルギー準位と第２のエネルギー準位との間の遷移に結合するような第１のエネルギー準位及び第２のエネルギー準位を有する。第１のビームは、物質系（１１２）の第２のエネルギー準位と第３のエネルギー準位との間の遷移に結合する光子を含み、第２のビームは、物質系（１１２）の第３のエネルギー準位と第４のエネルギー準位との間の遷移に結合する光子を含む。測定システム（４２０）は、第１のビーム又は第２のビームの変化を測定し、信号内の光子の不在、存在又は数を検出する。
2007507717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のエネルギー準位及び該第２のエネルギー準位を有し、これによって、信号光子が前記第１のエネルギー準位と前記第２のエネルギー準位との間の遷移に結合するようにする物質系（１１２）と、
前記物質系の前記第２のエネルギー準位と第３のエネルギー準位との間の遷移に結合する光子を含む第１のビームを与える第１のビーム源（１１４）であって、前記第１のビームを前記物質系（１１２）と相互作用するように誘導する、第１のビーム源（１１４）と、
前記物質系（１１２）の前記第３のエネルギー準位と第４のエネルギー準位との間の遷移に結合する光子を含む第２のビームを与える第２のビーム源（６１０）であって、前記第２のビームを前記物質系（１１２）と相互作用するように誘導する、第２のビーム源（６１０）と、
前記第１のビームと前記第２のビームのうちの一方の変化を測定して、前記物質系（１１２）内の信号光子を検出するように構成された測定システム（４２０）
を備える、装置。
【請求項２】
前記第１のビームのエネルギーと前記第２のビームのエネルギーとの比は０．１〜１０である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１のビームは、単一光子を含む状態のエネルギーの１００倍未満であるエネルギーを有する、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１のビーム及び前記第２のビームは、測定される信号光子状態のパルス幅を超えて延在する連続した持続時間を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記第２のビームは最初にコヒーレント状態にあり、信号光子が前記物質系内に存在するときは、前記第２のビームは、コヒーレント状態ではない状態で前記物質系（１１２）から出る、請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記物質系（１１２）は前記信号光子状態と前記プローブ光子状態との間に非線形相互作用を引き起こし、該非線形相互作用は前記物質系（１１２）において生成された電磁誘導透過から生じる、請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記物質系（１１２）は、前記信号光子と前記第１のビーム及び前記第２のビームとを相互作用させるように配置された一連の原子を含み、該原子は、エルビウム（Ｅｒ）、プラセオジム（Ｐｒ）、及び他のランタニド系金属、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）及び他のアルカリ金属、並びにアルカリ土類金属から成る群から選択される元素である、請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
ある信号状態にある光子の数を検出するための方法であって、
前記信号状態をゲート（１１０）に誘導するステップと、
プローブ状態を前記ゲート（１１０）に誘導するステップであって、前記プローブ状態は約１０未満の大きさの強度パラメータを有するコヒーレント光子状態であり、前記ゲート（１１０）は前記信号状態と前記プローブ状態との間に非線形相互作用を引き起こすことからなる、ステップと、
前記非線形相互作用から生じる前記プローブ状態の変化を測定するステップと、
前記プローブ状態の前記変化から前記信号状態にある光子の数を推定するステップ
を含む、方法。
【請求項９】
前記信号状態にある各光子は、前記ゲート（１１０）内の物質系（１１２）の第１のエネルギー準位と第２のエネルギー準位とを結合し、
前記プローブ状態にある各光子は、前記物質系の第３のエネルギー準位と第４のエネルギー準位とを結合する
ことからなる、請求項８に記載の方法であって、
前記物質系の前記第２のエネルギー準位と前記第３のエネルギー準位とを結合する光子を含む制御場（１１６）を加えるステップをさらに含む方法。
【請求項１０】
前記制御場（１１２）はコヒーレント光子状態を含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許出願は、２００３年４月１１日に出願された「Photon Number Resolving Systems and Methods」と題する米国特許出願第１０／４１２，０１９号の一部継続出願であり、その特許出願の出願日である早期の出願日の利益を主張するものである。当該特許出願全体の内容は参照により本明細書に組み込まれるものとする。
【背景技術】
【０００２】
［背景］
量子システムの開発に成功し、且つその技術能力に期待できるという理由から、ここ数年の間に量子情報処理への関心が劇的に高まっている。具体的には、実用的な量子暗号システムが開発されており、もし大型（多くの量子ビット。以下量子ビットをキュービットという）の量子コンピュータを構築することができるなら、量子コンピュータは、古典的なコンピュータよりも、はるかに効率的に数多くの処理タスクを実行することができるであろう。たとえば数十あるいは数百キュービットを有する量子プロセッサがあれば、いかなる古典的な機械でも達成することができない量子シミュレーションを実行することができるであろう。また、そのような量子プロセッサは、量子通信の作動距離及び適用性を広げる可能性もある。
【０００３】
量子コンピューティング用のハードウエアのための数多くの候補技術が現在研究されている。最終的にどの技術が最も実用的であるとわかったにしても、個別の量子コンピュータを結合するために、おそらく量子コヒーレント通信が必要になるであろう。光は、光ファイバ内を移動するにしても、自由空間の中を移動するにしても、長い距離にわたって量子情報を搬送することができるので、コヒーレントな電磁場（フォトニックキュービット（photonic qubit）等）は量子コンピュータ間の通信にとって、さらには一般的な量子通信にとって理想的であると考えられる。さらに、量子コンピューティングの中には、非線形又は線形量子光学プロセスを用いて、フォトニックキュービットにおいて直接的に実行できるものもある。
【０００４】
提案されている、光子状態を利用する量子情報システムは多くの場合に、１個又は数個の光子の存否を効率的に検出することができる検出器を必要とする。たとえば、Ｅ．ニル（E. Knill）、Ｒ．ラフラム（R. Laflamme）及びＧ．ミルバーン（G. Milburn）（Nature 409, 46 (2001)）によって提案されている１つの光量子計算アーキテクチャは、０、１又は２個の光子を含む量子状態を区別する際に９９．９９％よりも高い効率を有する高効率光子検出器を必要とする。光子の数を数え間違えることによって、又は光子の存在を検出するのに失敗することによって、光子状態の測定が不正確になり、量子情報に誤りが生じる。そのような誤りは、許容できるときでも、誤り訂正方式を必要とし、誤り訂正を実施するのにコストが嵩む可能性がある。
【０００５】
現在市販されている単一光子検出器は一般的に、光電効果の程度が大きいか、小さいかによる。光電効果では、金属、半導体又は別の材料の表面上に入射する光子が、材料の原子から、結合された電子を解放する。励起された電子は周囲の空間又は伝導帯に入り、その中で電子は、増幅及び測定することができる電流として収集される。
【０００６】
単一光子からの光電流は小さく、検出するのが難しい。最も性能が高い市販の可視光用光子検出器は、現在、単一光子を検出するために約９０％の量子効率を有し、実際に達成される効率は、それよりもはるかに低い。現時点では、１．３〜１．５μｍの波長を有する光子のための検出器の効率は、わずかに約３０％である。これらの効率は、多くの量子情報システムにとっては低すぎる。さらに、可視スペクトル光子検出器の場合に最大効率を達成するには、約６°Ｋまで検出器を冷却する必要があるが、そのような検出器でも依然として、相対的に高い「ダークカウント」率（たとえば、光子が入射しないときに高い背景雑音）を与える。
【０００７】
大部分の光子検出器の別の短所は、検出器が測定又は検出される光子を吸収することである。それゆえ、光子検出器は、一連の過程の最後において、測定された光子がもはや必要とされないときに、又は結果として得られた測定値がシステムの条件を制御するときにのみ用いることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、量子情報システムは、光子を検出する際に高い効率を有し、且つ量子信号内の光子の数を正確に識別することができる光子検出器を必要とする。それらの検出器は破壊的ではなく、光子の存在又は数が推定された後に、光子状態を用いることができるようにし、それゆえ、資源のさらに効率的な使用を提供することが理想的である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
［概要］
本発明の一実施形態によれば、光子信号を検出することができるデバイス（または装置）は、物質系と、第１のビーム及び第２のビームのビーム源と、測定系とを備える。物質系は、第１のエネルギー準位と第２のエネルギー準位とを有し、信号内の光子が第１のエネルギー準位と第２のエネルギー準位との間の遷移に結合するようにする。第１のビームは、物質系の第２のエネルギー準位と第３のエネルギー準位との間の遷移に結合する光子を含み、第２のビームは、物質系の第３のエネルギー準位と第４のエネルギー準位との間の遷移に結合する光子を含む。測定系は、第１のビーム及び第２のビームのうちの一方の変化を測定し、物質系内の信号光子の不在、存在又は数を検出する。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、ある信号状態にある光子の数を検出するための方法である。当該方法は、信号状態及びプローブ状態を、信号状態とプローブ状態との間に非線形な相互作用を引き起こすゲートに誘導することを含む。プローブ状態は、弱いコヒーレントな光子状態（たとえば、約１０未満の大きさの強度パラメータを有する光子状態）にすることができる。その信号状態における光子の不在、存在又は数を検出するために、当該方法は、非線形な相互作用から生じるプローブ状態の変化を測定し、その後、プローブ状態の変化からその信号状態における光子の数を推定する。
【００１１】
図面では、類似のまたは同じ要素には同じ参照符号が付されている。
【実施例】
【００１２】
［詳細な説明］
本発明の一態様によれば、非破壊光子検出器は、プローブ状態及び信号状態と物質系との相互作用を用いて、プローブ状態の変化を引き起こし、その変化は、その信号光子状態にある光子の数に依存する。その物質系は一般的に、プローブ状態、信号状態及び制御場内の光子のエネルギーにそれぞれ対応するエネルギー準位遷移を有する、１つ又は複数の原子、分子又は他の量子系を含む。光子と物質系との相互作用は、電磁誘導透過（ＥＩＴ）を引き起こし、それは、信号光子を破壊することなく、プローブ状態のフォック成分に位相シフトを導入する。一実施形態では、プローブ状態は最初に低強度コヒーレント状態にあり、物質系が、プローブ状態を、コヒーレント状態から、もはやコヒーレント状態ではない状態に変化させる。ホモダイン又はヘテロダイン測定系は、その信号状態にある光子の数（たとえば、その信号状態が光子を含まないか、又は１つの光子を含むか）を判定するために、プローブ状態の変化を測定することができる。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態による光子検出器１００を示す。光子検出器１００は、フォトニックゲート（光子ゲート）１１０と、測定系（測定システム）１２０とを備える。測定を行うために、フォトニック信号状態｜ＳＩＮ＞及びフォトニックプローブ状態｜ＰＩＮ＞がフォトニックゲート１１０に入力され、そこで光子状態が相互作用した後に、生成状態（または展開状態）｜ＳＯＵＴ＞及び｜ＰＯＵＴ＞として出力される。フォトニックゲート１１０は、フォトニックゲート１１０内で光子状態｜ＳＩＮ＞及び｜ＰＩＮ＞が相互作用することにより、プローブ状態｜ＰＩＮ＞の位相がシフトし、その導入された位相シフトが信号状態｜ＳＩＮ＞にある光子の数に依存するようにすることが好ましい。しかしながら、代替的には、出力プローブ状態｜ＰＯＵＴ＞は、強度又は他の測定可能な特性において、入力プローブ状態｜ＰＩＮ＞とは異なってもよい。別の一実施形態では、フォトニックゲート１１０はプローブ状態｜ＰＩＮ＞の一部に散乱を引き起こし、その散乱は信号状態｜ＳＩＮ＞にある光子の数に依存する。
【００１４】
測定系１２０は、ホモダイン又はヘテロダイン測定技法を用いて、出力プローブ光子状態｜ＰＯｕｔ＞を測定し、フォトニックゲート１１０において生じた変化を判定することができる。その後、信号状態｜ＳＯＵＴ＞の光子の数が、プローブ状態｜ＰＯＵＴ＞の測定から推定される。信号状態｜ＳＯＵＴ＞（これは、フォトニックゲート１２０から出力される）は、それゆえ、あるフォック状態、すなわち判定された光子数を有する量子状態にある。入力信号状態｜ＳＩＮ＞はもともとフォック状態にあることができ、その場合には、入力と出力の信号状態が同じであり、又は、入力信号状態｜ＳＩＮ＞は、フォック状態の重ね合わせである状態にあることができ、その場合には、測定により入力信号状態｜ＳＩＮ＞は出力信号状態｜ＳＯＵＴ＞に折り返される。
【００１５】
図１に示すフォトニックゲート１１０の具体的な実施形態は、電磁誘導透過（ＥＩＴ）を提供するのに適した物質系１１２及び制御場源１１４を用いる。ＥＩＴは、特定の周波数の光子を通常吸収することになる原子、分子又は他の凝縮物質系が、他の周波数を有する１つ又は複数の電磁場を加えることによって、その特定の周波数の光子に対して透過性になる周知の現象である。ＥＩＴは一般的に、光子と相互作用させるために利用することができる少なくとも３つの量子エネルギー準位を有する物質系を必要とする。
【００１６】
１つの例示的な実施形態では、物質系１１２は、４つ以上のエネルギー準位を有する少なくとも１つの原子、分子又は他の量子系を含み、信号状態｜ＳＩＮ＞、制御場１１６及びプローブ状態｜ＰＩＮ＞はそれぞれ、光子が物質系１１２の量子エネルギー準位間の対応する遷移に結合するようにする角周波数ωａ、ωｂ及びωｃを有する。図２Ａは、角周波数ωａ、ωｂ及びωｃを有する光子のエネルギーに対する、４準位物質系のエネルギー状態｜１＞、｜２＞、｜３＞及び｜４＞のエネルギー準位を示す。図２Ａの物質系の場合、角周波数ωａの光子は原子のエネルギー状態｜１＞をエネルギー状態｜２＞に結合する。角周波数ωｂ及びωｃの光子は、準安定エネルギー状態｜３＞を、それぞれエネルギー状態｜２＞及び｜４＞に結合する。
【００１７】
図２Ａに示されるエネルギー準位の相対的な順序は単なる一例であり、より一般的には、エネルギー準位を並べ替えても、依然としてＥＩＴが可能になるであろう。具体的には、図２Ａでは、第４のエネルギー状態｜４＞が第２のエネルギー状態｜２＞よりも高いエネルギー状態にあり、第２の状態｜２＞が第３のエネルギー状態｜３＞よりも高いエネルギー状態にあり、第３のエネルギー状態｜３＞が第１のエネルギー状態｜１＞よりも高いエネルギー状態にあるものとして示されているが、これらのエネルギー準位の他の順序を与える物質系においても、ＥＩＴを引き起こすことができる。
【００１８】
第３のエネルギー状態｜３＞は、単一光子自然放出が許されないという点で準安定である。そのような準安定状態は、たとえば、エネルギー状態｜３＞及び利用可能なより低いエネルギー状態（たとえば状態｜１＞）のスピン／角運動量が、保存則がエネルギー状態｜３＞からより低いエネルギー状態への物質系の遷移中に単一光子の放出を禁止するようなスピン／角運動量である場合に、結果として生じることがある。第４のエネルギー状態｜４＞から（たとえば、第１のエネルギー状態｜１＞又は第２のエネルギー状態｜２＞へ）の自然遷移は、第４のエネルギー状態｜４＞が準安定である物質系を選択することによって、又は第４のエネルギー状態｜４＞からの遷移に対応する角周波数を有する光子の伝搬を許さないフォトニックバンドギャップ結晶で、その４準位物質系を少なくとも部分的に包囲することによって抑制される。
【００１９】
離調パラメータνａ、νｂ及びνｃはそれぞれ、式１に示されるような物質系のエネルギー準位遷移の共鳴からの角周波数ωａ、ωｂ及びωｃの離調の量を示した。式１では、状態｜１＞と｜２＞との間のエネルギー差、状態｜３＞と｜２＞との間のエネルギー差及び状態｜３＞と｜４＞との間のエネルギー差はそれぞれω１２、ω３２及びω３４である。
【００２０】
式１：ωａ＝（ω１２＋νａ）
：ωｂ＝（ω３２＋νｂ）
：ωｃ＝（ω３４＋νｃ）
図２Ｂは、角周波数ωａ、ωｂ及びωｃの自由光子を有する物質系の積状態（product state。混合状態ともいう）｜Ｘ，Ａ，Ｂ，Ｃ＞に対応するマニホールドを示す。積状態｜Ｘ，Ａ，Ｂ，Ｃ＞において、Ｘは物質系のエネルギー準位１〜４を示し、Ａ、Ｂ及びＣはそれぞれ、角周波数ωａ、ωｂ及びωｃの光子の数を示す。図示のマニホールドは、角周波数ωａのｎａ個の光子と、角周波数ωｂのｎｂ個の光子と、角周波数ωｃのｎｃ個の光子と有するエネルギー状態｜１＞の物質系に最も近いエネルギー状態を含む。その系の積状態は、図２Ｂに類似であるが、異なる数の自由光子を有する一連のマニホールドを含む。図２Ｂのマニホールドは、離調パラメータが小さいときに、状態｜２，ｎａ−１，ｎｂ，ｎｃ＞にある系が単一光子の自然放出によって状態｜１，ｎａ，ｎｂ，ｎｃ＞に遷移することができるが、その物質系は単一光子の自然放出によって状態｜３，ｎａ−１，ｎｂ＋１，ｎｃ＞及び｜４，ｎａ−１，ｎｂ＋１，ｎｃ−１＞から状態｜１，ｎａ，ｎｂ，ｎｃ＞への遷移を許さないことを示す。
【００２１】
参照によりその内容全体が本明細書に組み込まれるものとする、「Applications of Coherent Population Transfer to Information Processing」と題するＲ．ボーソレイユ（R. Beausoleil）、Ｗ．ムンロ（W. Munro）及びＴ．スピラー（T. Spiller）による論文（http://xxx.lanl.gov/abs/quant-ph/0302109）及び「Quantum Information Processing Using Electromagnetically Induced Transparency」と題する共同所有の米国特許出願第１０／３６４，９８７号にはさらに、フォトニックキュービットゲートの実施態様において、図２Ａ及び図２Ｂに示されるようなエネルギー準位状態を有する４準位物質系を使用することが記載されている。この組み込まれる文献には、図１のフォトニックゲート１１０として用いるのに適した２キュービット位相ゲートの構造が具体的に記載されている。
【００２２】
角周波数ωｂの光子でポンピングされるときの図２Ａの４準位物質系は、角周波数ωａ及びωｃの光子間の相互作用を媒介する。結果として得られる相互作用は、ボーソレイユ他の上記論文に記載された条件下で、式２Ａによって与えられる形を有する、光学的非線形性を備えたハミルトニアン（Hamiltonian）Ｈを有する。式２Ａでは、生成演算子
【００２３】
【数１】
2007507717.tif 000003
【００２４】
及び消滅演算子
【００２５】
【数２】
2007507717.tif 000004
【００２６】
はそれぞれ、角周波数ωａの光子を生成及び破壊し、生成演算子
【００２７】
【数３】
2007507717.tif 000005
【００２８】
及び消滅演算子
【００２９】
【数４】
2007507717.tif 000006
【００３０】
はそれぞれ、角周波数ωｃの光子を生成及び破壊する。定数χは、相互作用の強さを示しており、一般的に、離調パラメータνａ、νｂ及びνｃ、遷移に関連するラビ周波数Ωａ、Ωｂ及びΩｃ、並びに物質系の特定の特性に依存する。
【００３１】
【数５】
2007507717.tif 000007
【００３２】
より一般的には、凝縮物質系は、検出器において用いるのに適している他の非線形光子相互作用を引き起こすことができる。たとえば、式２Ｂは、角周波数ωａとωｃの光子間に非線形相互作用を与えるハミルトニアンの項のさらに一般的な表現を示す。式２Ｂでは、
【００３３】
【数６】
2007507717.tif 000008
【００３４】
は生成演算子
【００３５】
【数７】
2007507717.tif 000009
【００３６】
及び、消滅演算子
【００３７】
【数８】
2007507717.tif 000010
【００３８】
の関数であり、
【００３９】
【数９】
2007507717.tif 000011
【００４０】
は生成演算子
【００４１】
【数１０】
2007507717.tif 000012
【００４２】
及び、消滅演算子
【００４３】
【数１１】
2007507717.tif 000013
【００４４】
の関数である。
【００４５】
【数１２】
2007507717.tif 000014
【００４６】
は、光子数演算子
【００４７】
【数１３】
2007507717.tif 000015
【００４８】
の累乗であり、たとえば、ある定数λの場合に、
【００４９】
【数１４】
2007507717.tif 000016
【００５０】
であり、結果として、角周波数ωｃの光子の状態に対する相互作用の効果は、角周波数ωａの光子の数に直接的に依存することが好ましい。
【００５１】
【数１５】
2007507717.tif 000017
【００５２】
２つの個別のモード（たとえば、空間的に分離されたモード又は個別の角周波数のモードωａ及びωｃ）における光子状態間に一般的な非線形相互作用を与える光学系又はゲートは、ＥＩＴ系（ＥＩＴ装置ともいう。以下同じ）を用いて、又は用いることなく、一連の光ゲートから構成することができる。量子コンピューティングとの関連では、参照によりその内容全体が本明細書に組み込まれる、セス・ロイド（Seth Lloyd）及びサミュエル・Ｌ・ブラウンシュタイン（Samuel L. Braunstein）著「Quantum Computations over Continuous Variables」（Phys. Rev. Lett. 82, 1784 (1999)）には、単一光子モードの場合に任意の多項式ハミルトニアン（たとえば、ｆ（ａ†，ａ）又はｇ（ｃ†，ｃ））を生成する一連のゲートを構成することが記載されている。単一モードの場合の一連のゲート内の基本ゲートは、（１）ビームスプリッタ及び移相器のような線形デバイス、（２）スクイーザ（squeezer）のような二次のデバイス、及び（３）カー効果ファイバ、光共振器内の原子、及び測定により生成される非線形性のような３次以上の非線形デバイスを含む。２つの個別のモードのためのそのような系を、１つ又は複数のビームスプリッタを介して組み合わせて、交差モード相互作用を与え、モード間に所望の非線形相互作用ｆ（ａ†，ａ）・ｇ（ｃ†，ｃ）を生成することができる。
【００５３】
本明細書で説明する検出器１００の１つの例示的な実施形態では、物質系１１２は、図２Ａに示されるように、光子エネルギーに関連付けられる量子エネルギー準位を有する１つ又は複数の４準位原子又は分子を含み、それゆえ、図２Ａにおいて与えられる形の交差カー(crossed-Kerr)非線形性を与える。図３は、物質系１１２の一実施形態を示す。図示の実施形態では、物質系１１２は、導波管３１２、３１４及び３１６を含む基板３１０を備える。導波管３１２、３１４及び３１６はそれぞれ、角周波数ωａ、ωｂ及びωｃを有するビームを受光する。
【００５４】
閉込め構造３５４が、一連の４準位原子３５２を中央の導波管３１４に付着させる。閉込め構造３５４には、４準位原子３５２の熱振動を減少させる分子鎖（molecular tether）又は他の類似の構造を用いることができ、ある特定の実施形態では、閉込め構造３５４は、４準位原子３５２を閉じ込めるための役割を果たすカーボンフラーレン（carbon fullerene）である。各原子３５２には、上記の関係を有する４つの到達可能なエネルギー準位を与える任意の原子を用いることができ、たとえば、原子３５２には、エルビウム（Ｅｒ）又はプラセオジム（Ｐｒ）のようなランタニド系金属、ルビジウム（Ｒｂ）又はセシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属、あるいはアルカリ土類金属の原子を用いることができる。典型的な系では、プローブ状態において所望の位相シフトを達成するために、数百個の原子３５２が必要とされることもある。
【００５５】
導波管３１２、３１４及び３１６に対する原子３５２の間隔は、原子３５２が導波管３１２、３１４及び３１６を包囲するエバネッセント場と相互作用するような間隔である。その相互作用は位相シフトを伴うＥＩＴを引き起こし、結果として、角周波数ωｃのプローブ光子が生成される。原子３５２の周囲にある材料３２０は、原子３５２の第４のエネルギー準位からの自然放出に対応する光子の伝搬を防ぐフォトニックバンドギャップ結晶を形成することができる。しかしながら、原子３５２と導波管３１２及び３１６との間に欠陥又は他の構造を設けて、原子３５２と角周波数ωｃの光子とが相互作用できるようにすることができる。
【００５６】
図１の検出器１００の例示的な実施形態は、信号状態｜ＳＩＮ＞がフォック状態｜０＞ａ又は｜１＞ａである、すなわち角周波数ωａの光子を含まないか、または１つ含む状態にある場合には、状態｜０＞ａと状態｜１＞ａとを区別することができる。より一般的には、信号状態｜ＳＩＮ＞はｎ個までの光子を含むことができ（ただし、ｎは任意の数）、検出器１００は数ｎの光子を効率的に判定することができる。信号状態｜ＳＩＮ＞にある角周波数ωａの光子の数を判定するために、レーザ又は他の制御場源１１４が角周波数ωｂにおいて制御場１１６を駆動する。その角周波数ωｂは、４準位原子の第２のエネルギー準位と第３のエネルギー準位との間の遷移に対応する。プローブ状態｜ＰＩＮ＞は、フォック状態、コヒーレント状態、又は容易に測定された数（たとえば１０〜１０５又はそれ以上）の角周波数ωｃの光子を含むスクイーズド状態であることができる。角周波数ωｃは、４準位原子の第３のエネルギー準位と第４のエネルギー準位との間の遷移に相当する。代替的には、角周波数ωａとωｃの役割を、式２Ａのハミルトニアン項に対称性がある故に、入れ替えることができる。
【００５７】
以下で説明する１つの例示的な実施形態では、プローブ状態｜ＰＩＮ＞はコヒーレント状態｜α＞ｃである。コヒーレント状態｜α＞ｃはレーザからの出力によって容易に生成される（又は近似される）ので、コヒーレント状態｜α＞ｃが一例として用いられる。しかしながら、スクイーズ状態又はフォック状態のような他のタイプのフォトニック状態を、プローブ状態｜ＰＩＮ＞として同様に用いることができる。
【００５８】
式３は、角周波数ωｃの一定の数の光子を有するフォック状態｜ｎ＞ｃによってコヒーレント状態｜α＞ｃを数学的に表現している。式３では、αは確率振幅を表し、下付き文字ｃは、その状態が角周波数ωｃの光子を含むことを示し、｜ｎ＞ｃは角周波数ωｃのｎ個の光子を含むフォック状態であり、ｎＶはコヒーレント状態｜α＞ｃにある光子の数の期待値である。
【００５９】
【数１６】
2007507717.tif 000018
【００６０】
プローブ状態｜ＰＩＮ＞がコヒーレント状態｜α＞ｃであり、信号状態｜ＳＩＮ＞がｎ個の光子を含むフォック状態であるとき、検出器１００の初期状態｜ＳＩＮ＞｜ＰＩＮ＞は｜ｎ＞ａ｜α＞ｃである。ただし、下付き文字ａ及びｃはそれぞれ、角周波数ωａ及びωｃの光子を表す（この近似の場合、制御場源１１４は、４準位物質系１１２を角周波数ωｂの光子で古典的にポンピングする）。ここで、式２Ａの交差カー非線形性の効果によって、光子状態は、式４に従って時間に関して展開される。
【００６１】
【数１７】
2007507717.tif 000019
【００６２】
式４は、角周波数ωａの光子が信号状態｜ＳＩＮ＞内に存在しない（ｎ＝０）場合には、位相シフトが生じない（ｅｉｎχｔ＝１）ことを明確に示す。しかしながら、信号状態｜ＳＩＮ＞内に角周波数ωａの１つ（又は複数）の光子が存在する場合には、コヒーレント状態｜α＞ｃが｜αｅｉｎχｔ＞ｃに展開する。位相シフトｅｉｎχｔの大きさは、信号状態｜ＳＩＮ＞にある光子の数ｎに、及び光子と４準位物質系とのカップリング（結合）χ及び相互作用時間ｔに直接的に依存する。位相シフトの大きさを大きくするために、状態｜ＳＩＮ＞及び｜ＰＩＮ＞と相互作用する４準位原子又は分子の数を増やすことによって、たとえば、光子状態｜ＳＩＮ＞及び｜ＰＩＮ＞の光路内で相互作用する４準位原子の数を増やすことによって、相互作用時間ｔを実効的に長くすることができる。カップリングχ及び相互作用時間ｔは一定にすることができ、且つ具体的な系について知ることができるので、位相シフトを測定することにより、信号状態｜ＳＩＮ＞にある光子の数が示される。
【００６３】
コヒーレント状態の場合の値αが最初に実数である場合には、図４Ａの測定系４００Ａは、ホモダイン測定技法を用いて、プローブ状態｜ＰＯＵＴ＞についての位置
【００６４】
【数１８】
2007507717.tif 000020
【００６５】
及び、運動量
【００６６】
【数１９】
2007507717.tif 000021
【００６７】
の直交成分（quadrature）＜Ｘ＞及び＜Ｙ＞を測定することができる。系４００Ａにおけるホモダイン測定は、発振器又はレーザ４１０を用いて、プローブ状態｜ＰＯＵＴ＞に対して位相角θだけ位相がずれている基準ビームＬＯを生成する。基準ビームＬＯの経路内に調整可能な遅延素子を配置して、位相角θを調整できるようにする。２つのビームが交差する場所にある５０／５０ビームスプリッタ４２３によって、フォトダイオード４２７への経路に沿って、基準ビームＬＯがプローブ状態｜ＰＯＵＴ＞から減算され、フォトダイオード４２８への経路に沿って、基準ビームＬＯがプローブ状態｜ＰＯＵＴ＞に加算される。フォトダイオード４２７及び４２８において結果として生成される電流の差Ｉｄが、位相角θが０であるときに位置直交成分＜Ｘ＞に比例し、位相角θがπ／２であるときに運動量直交成分＜Ｙ＞に比例する。
【００６８】
式４に基づいて、測定された直交成分＜Ｘ＞及び＜Ｙ＞は、それぞれ式５及び式６に示されるように、信号状態｜ＳＩＮ＞の光子の数ｎに（及び、定数α、χ及びｔに）関連付けられる。
【００６９】
式５：＜Ｘ＞＝２αｃｏｓ（ｎχｔ）
式６：＜Ｙ＞＝２αｓｉｎ（ｎχｔ）
角周波数ωａの光子が存在しない（ｎ＝０）場合には、測定された位置直交成分＜Ｘ＞は値αの２倍に等しく、測定された運動量直交成分＜Ｙ＞は０である。角周波数ωａの１つの光子が存在する（ｎ＝１）場合には、直交成分＜Ｘ＞が０であり、直交成分＜Ｙ＞が２αになるように、相互作用時間ｔを制御することができる（相互作用時間ｔは、たとえば、物質系１１２内の４準位原子又は分子の数によって、且つ／又は離調パラメータνａ、νｂ及びνｃを調整することによって制御することができる）。こうして、反応時間ｔが適切に制御されると、測定された直交成分＜Ｘ＞及び＜Ｙ＞は、光子の存否を示す、明確で、且つ容易に識別されるシグネチャ（情報）を与える。
【００７０】
相互作用時間ｔは、ｓｉｎ（ｎχｔ）が１になるようにする必要はない。積χｔが、小さな角度の近似が式６に当てはまるほど十分に小さい場合には、運動量直交成分＜Ｙ＞は、信号状態｜ＳＩＮ＞における角運動量ωａの単一光子の場合に約２αχｔである。パラメータαが十分に大きい場合には、直交成分＜Ｙ＞の測定値（これは、約２αχｔである）は、信号雑音よりもはるかに大きく、単一光子信号状態は、光子を含まない信号状態から効率的に区別される。
【００７１】
上記の測定プロセスはホモダイン測定を用いており、非常に効率的ではあるが、一般的に強い局所発振器を用いる必要がある。図４Ｂは、５０／５０ビームスプリッタ４２１及び４２３と、反射器４２２及び４２４と、フォトダイオード４２７及び４２８とを含むマッハ−ツェンダー干渉計を用いて、コヒーレントプローブ光子状態｜α＞内の位相シフトを測定する測定系４００Ｂを示す。系４００Ｂでは、５０／５０ビームスプリッタ４２１がコヒーレント状態｜α＞を２モードの分離可能な状態｜α／√２＞Ｘ｜α／√２＞Ｙに分割する（ここで、√２は、２の平方根を意味する）。ただし、下付き文字Ｘ及びＹは空間的に分離された経路を示す。一方のモード｜α／√２＞Ｘはフォトニックゲート１１０に入力され、そのモード｜α√２＞Ｘは、信号状態｜ＳＩＮ＞における角周波数ωａの光子の数ｎに依存する位相シフトｅｉｎχｔを取得する。フォトニックゲート１１０からの位相シフトされた状態｜αｅｉｎχｔ／２＞Ｘはミラー４２４から５０／５０ビームスプリッタ４２３上に反射し、そこで、位相シフトされた状態｜αｅｉｎχｔ／２＞Ｘは、ミラー４２２を経由したビームスプリッタ４２１からの第２のモード｜α／√２＞Ｙと合成される。ビームスプリッタ４２３後の出力プローブ状態は、式７に示されるような２モード状態である。ただし、下付き文字Ｘ及びＹはそれぞれ、空間的に分離された、検出器４２７及び４２８への経路を示す。
【００７２】
式７：｜ＰＯＵＴ＞Ｘ｜ＰＯＵＴ＞Ｙ＝｜（１＋ｅｉｎχｔ）α／２＞Ｘ｜（１−ｅｉｎχｔ）α／２＞Ｙ
χｔが小さい状況では、出力プローブ状態は｜α（１＋ｉｎχｔ／２）＞Ｘ｜ｉｎαχｔ／２＞Ｙとして表すことができ、フォトダイオード４２８を用いる第２のモード｜ｉｎαχｔ／２＞Ｙを直接測定することによって、光子強度（ｎαχｔ）２に比例する測定電流が与えられる。フォトダイオード４２８には、単一の光子を０又は２個の光子と区別することができない従来のデバイスを用いることができるが、フォトダイオード４２８は、０個の光子と多数の光子とを区別することができる。積αχｔが比較的大きいと仮定すると、フォトダイオード４２８は、出力モード｜ＰＯＵＴ＞Ｙが光子を有さないか、約（αχｔ）２個の光子を有するかを効率的に識別することができる。こうして、系４００Ｂは、単一光子を検出する効率が１に近いので、現在用いられている検出器に対しておおきな利点を有する。
【００７３】
信号状態｜ＳＩＮ＞がフォック状態の重ね合わせであり、且つ形式ｃ０｜０＞ａ＋ｃ１｜１＞ａを有する場合には、ビームスプリッタを経由し及びＥＩＴ相互作用をした後の系全体の状態｜Φ’＞は、式８で与えられる近似形を有することがわかっている。フォトダイオード４２８が０でない電流を測定する場合には、式８は、信号状態｜ＳＯＵＴ＞が角周波数ωａの１つの光子を含むことを示す。
【００７４】
式８：｜Φ’＞＝ｃ０｜０＞ａ｜α＞ｂＸ｜０＞ｂＹ＋ｃ１｜１＞ａ｜（１＋ｅｉχｔ）α／２＞Ｘ｜（１−ｅｉχｔ）α／２＞Ｙ
信号状態｜ＳＩＮ＞がフォック状態の重ね合わせであり、形式ｃ０｜０＞ａ＋ｃ１｜１＞ａ＋ｃ２｜２＞ａを有する場合には、成分フォック状態｜１＞ａ及び｜２＞ａはいずれも、角周波数ωａの光子を含み、それゆえ位相シフトを引き起こす。しかしながら、フォトダイオード４２８において結果として生成される電流の大きさが、成分状態｜１＞ａから生じる位相シフトと、成分状態｜２＞ａから生じる位相シフトとを容易に区別する。上述したように、χｔが小さいとき、フォトダイオード４２８において測定される電流は、（ｎαχｔ）２に概ね比例する。それゆえ、フォトダイオード４２８が成分状態｜２＞ａの場合に測定する電流は、成分状態｜１＞ａの場合に測定される電流の約４倍である。
【００７５】
測定系４００Ｂの１つの動作モードでは、レーザは、プローブ状態｜ＰＩＮ＞に連続的なコヒーレント状態を与えることができ、その間、制御場源１１４が物質系１１２を絶えずポンピングする。制御場及びプローブ状態が連続的である場合、測定系４００Ｂは、プローブ状態｜ＰＩＮ＞及び信号状態｜ＳＩＮ＞の同期を必要としない。従来のシグナルプロセッサ４２９が、フォトダイオード４２７及び４２８の一方又は両方からの電流信号を解析して、信号状態｜ＳＩＮ＞の光子の数をモニタするか、又は信号状態｜ＳＩＮ＞が単一光子状態である時点を判定することができる。
【００７６】
本発明の別の態様によれば、測定系４００Ｂを、信号状態｜ＳＩＮ＞についてのパリティ検出器としての役割を果たすように調整することができる。上述したように、フォトダイオード４２８は、プローブ状態｜（１−ｅｉｎχｔ）α／２＞Ｙを測定する。量χｔがπに等しいようなフォトニックゲート１１０である場合には、偶数の光子数が２πの倍数である位相シフトを引き起こすが、これは、実効的には位相シフトを生じない。信号状態｜ＳＩＮ＞にある光子のうち奇数個ｎの光子数だけが位相シフトを引き起こし、それをフォトダイオード４２８が０でない電流として検出する。
【００７７】
測定系４００Ｂの利点は、フォトダイオード４２８が、光子がその信号状態にない場合には０の強度を有する（ただし、雑音が無視される場合）「ダークポート」を通して光を測定することである。したがって、その信号状態にある光子の存在は、特有の信号を与える。しかしながら、フォトニックゲート１１０の例示的な実施形態において用いられるようなＥＩＴ系は、常に、デコヒーレンス及び位相はずれ（ディフェージング）から生じる限られた量の雑音を有する可能性がある。位相はずれは、プローブ状態において小さな位相シフトを引き起こす可能性があり、それは、信号（たとえば角周波数ωａの）光子が存在しないときでも、マッハ−ツェンダー干渉計のダークポートを通してある量の光の流れを引き起こすであろう。しかしながら、フォトダイオード４２８がダークポートにおいて光の量（光の存在だけでなく）を測定することができ、フォトニックゲート１１０において引き起こされる位相シフトを適切に調整することによって、単一信号光子が存在するときのダークポートからの光の量と比べて、雑音を無視できる程度にすることができる。この場合、フォトダイオード４２８は、数個の光子と多数の光子とを区別するが、これは、従来のフォトダイオードを用いて達成することができる。フォトニックゲート１１０が、光子損失機構を用いて、プローブ光子状態を減衰させる場合には、ダークポート信号と雑音とを区別するために、その減衰を同様に最大にすることができる。
【００７８】
検出器４００Ｂにおける雑音及び散逸の影響を、物質系１１０が図２ＡのＥＩＴ系である場合について解析することができる。角周波数ωｃのプローブ状態を用いて、角周波数ωａの光子を検出する場合には、そのプローブ状態における位相シフトの主な誤差源のうちの１つは、物質系１１０の自然３‐４遷移における位相はずれである。この自然放出のコヒーレントプローブ状態｜ξ／√２＞への影響は、ランダムな位相シフトφを導入し、結果として出力プローブ状態｜ξｅｉφ／√２＞が生じることである。信号状態｜ＳＩＮ＞が重ね合わせｃ０｜０＞＋ｃ１｜１＞である場合には、検出器４２７が測定する電流Ｉｃは、式９に示されるように、ランダムな位相シフトφに依存する。
【００７９】
【数２０】
2007507717.tif 000022
【００８０】
位相シフトφについての分布は、物質系１１０の厳密な位相はずれの仕組みに依存する。例示のために、ここでは、−φ０〜φ０の範囲の矩形（または正方形）のプロファイルを仮定するが、同様の応答がガウス又はポアソン分布の場合も得られる。電流Ｉｃをこの位相分布にわたって積分すると、電流Ｉｃは、φ０が小さい極限において式１０の形を有する。したがって、（１−ｃｏｓ［χｔ］）がφ０２よりもはるかに大きい限り、単一光子と光子が存在しない場合とを区別することができる。基本的には、このためには、位相シフトχｔが、起こり得るランダムな位相φ０よりも大きくなるように選択する必要がある。
【００８１】
【数２１】
2007507717.tif 000023
【００８２】
図４Ｃは、本発明のさらに別の実施形態による検出器４００Ｃを示す。検出器４００Ｃの場合、レーザ又は他のビーム源が、コヒーレント状態のプローブビームを生成する。弱いビームスプリッタ４２６が、コヒーレント状態のうちのわずかな部分（たとえば５〜１０％）分離し、入力プローブ状態｜ＰＩＮ＞を形成し、強い局所発振器信号ＬＯを維持する。入力プローブ状態｜ＰＩＮ＞は、約１００未満、より好ましくは１０〜５０の範囲内の光子数期待値｜αｃ｜２を有するコヒーレント状態｜αｃ＞であることが好ましく、一方、信号状態｜ＳＩＮ＞は、０又は１個の光子に対応する光子数及び強度を有するフォック状態又はフォック状態の重ね合わせである。
【００８３】
制御場源１１４は、出力角周波数ωｂを有するレーザ生成光であることが好ましい。したがって、制御場は、古典的な電磁場としてではなく、コヒーレント光子状態｜αｂ＞としてより正確に記述される。コヒーレント状態｜αｂ＞の特性又は挙動は、特に、状態｜αｂ＞が約１００未満（たとえば、１０〜５０の範囲内）である光子数期待値｜αｂ｜２を有するときには、古典的な電磁場の特性又は挙動とは異なる可能性がある。
【００８４】
コヒーレント状態｜αｂ＞及び｜αｃ＞の展開は、フォック状態の展開から導出することができる。具体的には、それぞれｎａ、ｎｂ及びｎｃ個の光子を含むフォック状態成分は、量子系の共鳴４準位マニホールドの３つの周波数チャネルを駆動する。物質系１１０が、光学波長に比べて小さな体積内に固定され、静止しているＮ個の４準位原子を含み、且つフォック状態の３つのパルス包絡関数の持続時間が、原子の準位２の寿命よりも長い場合には、非摂動数固有状態(unperturbed number eigenstate)｜１，ｎａ，ｎｂ，ｎｃ＞が、式１１に示されるように展開する。
【００８５】
式１１：｜１，ｎａ，ｎｂ，ｎｃ＞→ｅ−ｉＷｔ｜１，ｎａ，ｎｂ，ｎｃ＞
式１１内の量Ｗは一般的に、物質系の特性並びに角周波数ωａ、ωｂ及びωｃに依存する。式１２Ａ及び式１２Ｂは、角周波数ωａ及びωｂが個々の原子遷移角周波数ω１２及びω３２に正確に合わせられ、位相はずれが無視でき、原子準位２及び４からの自然放出の分岐比が概ね１である場合における量Ｗを与える。式１２Ａでは、Ｎは４準位原子の数であり、Ωａ、Ωｂ及びΩｃは式１２Ｂにおいて与えられるような実効的な真空ラビ周波数であり、νｃは離調パラメータ（ωｃ−ω４３）であり、γ２及びγ４は自然放出率Ａ２１及びＡ４３に概ね等しい。式１２Ｂでは、ｋは値ａ、ｂ及びｃを有する指数であり、σｋは、定義により、波長λｋ（または、λｋ２πｃ／ωｃ）における共鳴原子吸収断面積３λｋ２／２πであり、πｗ２は、実効レーザモード断面積であり、Ａｋは２つの対応する原子準位間の自然放出率であり、ωｋは、パルス駆動されるレーザ場と静止した原子との断熱相互作用を記述するプロファイル関数の帯域幅である。
【００８６】
【数２２】
2007507717.tif 000024
【００８７】
式１２Ａは４準位ＥＩＴ系についてのＷが複素数であることを示しており、周波数ωａの光子の潜在的な吸収を示す。しかしながら、式１３の不等式が満たされるパラメータ状況では、原子のうちの１つが角周波数ωａの単一光子を散乱することになる確率は小さくなる（式１３は、｜Ωｂ｜２｜αｂ｜２／γ２が｜Ωｃ｜２｜αｃ｜２／γ４に概ね等しいときに、νｃ／γ４が大きいという要件に簡略化する）。この状況において進めると、状態｜１，ｎａ，ｎｂ，ｎｃ＞は純粋に、非線形機構から位相シフトを取得する。この位相シフトを、高効率非破壊検出器の基礎とすることができる。
【００８８】
【数２３】
2007507717.tif 000025
【００８９】
コヒーレント状態を含む原子場状態の展開は、各コヒーレント状態を表すフォック状態全体の和を用いて評価することができる。具体的には、式１４は、ａチャネル内のｎａ光子のフォック状態との相互作用中のＮ原子量子状態、並びにｂ及びｃチャネル内のそれぞれαｂ及びαｃによってパラメータ化された弱いコヒーレント状態の時間ｔ後の展開を示す。式１５は位相シフトφを定義する。式１４及び式１５は、元のｂチャネルコヒーレント状態のパラメータαｂの大きさが大きくない場合には、展開された状態｜Φ’（ｎａ）＞が、フォック状態と２つのコヒーレント状態との単純なテンソル積ではないことを示しており、その場合には、展開された状態｜Φ’（ｎａ）＞は概ね
【００９０】
【数２４】
2007507717.tif 000026
【００９１】
に等しい。それゆえ、チャネルｂを駆動する結合場が古典的な場であるときにのみ、ＥＩＴ物質系は、厳密な交差カー非線形性を与える。弱いコヒーレント状態の場合、この制御場を古典的な場として扱う入力パルスは許容されない。
【００９２】
【数２５】
2007507717.tif 000027
【００９３】
展開された状態｜Φ’（ｎａ）＞がコヒーレント状態でない場合であっても、検出器４００Ｃは依然として、直交成分＜Ｘ＞及び／又は＜Ｙ＞の測定を通して、その信号状態における光子の数ｎａを効率的に判定することができる。式１６は、角運動量ωｃの光子についての生成演算子
【００９４】
【数２６】
2007507717.tif 000028
【００９５】
及び、消滅演算子
【００９６】
【数２７】
2007507717.tif 000029
【００９７】
によって直交ホモダイン演算子
【００９８】
【数２８】
2007507717.tif 000030
【００９９】
を定義する。直交ホモダイン演算子
【０１００】
【数２９】
2007507717.tif 000031
【０１０１】
は、θが０に等しい場合に位置演算子Ｘに等しく、θがπ／２に等しい場合に運動量演算子Ｙに等しい。式１４の展開された状態について、直交ホモダイン演算子
【０１０２】
【数３０】
2007507717.tif 000032
【０１０３】
の期待値を求めることができ、式１７が生成される。同様に、直交ホモダイン演算子
【０１０４】
【数３１】
2007507717.tif 000033
【０１０５】
の平均平方を求めることができ、式１８が生成される。
【０１０６】
【数３２】
2007507717.tif 000034
【０１０７】
計算された期待値に基づいて、式１９は、検出器４００Ｃにおける運動量直交成分に基づいて、光子検出器測定のための信号対雑音比を与える。式１９では、関数依存性（または関数的従属性）（１）及び（０）は、期待値が計算される状態における角周波数ωａの光子の数ｎａを示す。光子状態が概ねコヒーレントであるので、角周波数ωａの数ｎａが１に等しい状態についてのフォールスポジティブカウント（false positive count。または誤検出)の確率は、式２０において与えられる。
【０１０８】
【数３３】
2007507717.tif 000035
【０１０９】
図５Ａは、νｃ／γ２＝３０の場合の相互作用領域内に局在する原子の数、及びプローブ状態｜ＰＩＮ＞の３つの異なる強さαｃの関数として、式１９によって与えられる信号対雑音比を示す。図５Ａのプロット５１０、５２０及び５３０はそれぞれ、制御場１１６及びプローブ状態が同じ強さ（たとえば、｜αｂ｜＝αｃ）を有するときの４、５及び６に等しいパラメータαｃに対応する。
【０１１０】
式１４の波動関数がコヒーレント状態を記述している場合には、図５Ａ内の各曲線は２｜αｂ｜ｓｉｎ（φ）によって与えられることになり、原子の数Ｎが約１５π２｜αｂ｜２であるときにピークを示すであろう。しかしながら、プロット５１０、５２０及び５３０のピークは、式１４の被加数が数ｎｂに依存するために、π／２よりも小さい位相シフトに対応する。実際には、ここで選択されたパラメータの場合にａチャネル内に十分に大きな透過窓を作り出すためには、値｜αｂ｜２は約８π又は約２５よりも大きくなければならない。したがって、フォールスポジティブ検出の確率を十分に低くするために必要とされる原子の数は、図５Ａ及び式（１４）から決定することができる。具体的には、物質系内に約５７０個の４準位原子がある場合、２．１９のＳＮＲ値に対応する０．２４ラジアンの位相シフトを達成することができる。この結果、１−２遷移における光子の吸収の確率が０．８％で、フォールスポジティブ検出誤り確率が約１パーセントになる。この具体的な例は特殊なものではない。広い範囲の適度なパラメータが、これらの誤り率をもたらす。たとえば、フォールスポジティブ検出誤り及び吸収率を一桁下げたいものと仮定する。この場合、１６０（線幅γ４の単位）の離調νｃ、６９００原子、及び概ね１０に等しい振幅αｂ及びαｃによって、０．１３７の位相シフトが達成され、それにより０．０８パーセントの吸収率で、ＳＮＲ＝２．６６（又は０．０８％のフォールス検出確率）になる。一般的には、ＳＮＲ比を高めるためには、原子の数を増やす必要がある。
【０１１１】
また図５Ａは、所与の値のνｃ／γ４及びαｃの場合に、原子の数Ｎを増やす結果として、最終的には、信号対雑音比の減少に繋がることも示す。これは、あまりにも大きな位相シフトを生成することからの帰結である。さらに多くの数Ｎの原子を利用しようとする場合には、信号対雑音比の低下を避けるための１つの方法は、比νｃ／γ４を下げることである。図５Ｂは、相互作用領域内に１０００個の原子が局在する場合に、比νｃ／γ４の関数として、式１９によって与えられる信号対雑音比を示す。図５Ｂのプロット５４０、５５０及び５６０はそれぞれ、制御場１１６及びプローブ状態が同じ強さ（たとえば、｜αｂ｜＝αｃ）を有するときの４、５及び６に等しいパラメータαｃに対応する。
【０１１２】
検出器４００Ｃの好ましい動作モードにおいて、信号状態｜ＳＩＮ＞は、角周波数ωａの０又は１つの光子を含み、且つＥＩＴ系の透過窓をなんとか通り抜けるだけの十分に長いパルス幅を有する波束に対応する。信号のパルス幅中に、制御場源が、コヒーレント状態を有し、且つ信号状態｜ＳＩＮ＞の約１０〜１００倍の電力又はエネルギーを有する連続ビームを生成する。制御場源１１４はレーザを含むことができ、結果として生成される制御場１１６が所望のエネルギーを有するようにビーム経路内に減衰器又はビームスプリッタを備える。プローブ状態｜ＰＩＮ＞は、制御場と概ね同じである信号パルス幅中に、同じように、エネルギー又は電力を有する連続ビームに対応することが好ましい。局所発振器ＬＯに対応するビームからプローブ状態｜ＰＩＮ＞に対応するビームを分離するビームスプリッタ４２６は、レーザからのビーム電力の１０％未満をプローブ状態｜ＰＩＮ＞に向けて送ることができる。制御及びプローブビームが連続的である場合、検出器４００Ｃを通る１つの光子が存在する結果として、フォトダイオード４２７及び４２８の測定値に変動が生じることになり、その測定値をシグナルプロセッサ４２９が解析して、信号光子の存在を検出することができる。
【０１１３】
図４Ｄは、デュアルホモダイン(dual homodyne)（又はヘテロダイン）測定を用いる本発明の一実施形態による測定系４００Ｄを示す。具体的には、測定系４００Ｄは、出力プローブ状態｜ＰＯＵＴ＞の一部を第１のホモダイン検出器４２０に誘導し、出力プローブ状態｜ＰＯＵＴ＞の別の部分を第２のホモダイン検出器４３０に誘導するビームスプリッタ４３４を含む。真空状態｜０＞（すなわち入力がない状態）が、ビームスプリッタ４３４への他方の入力に存在する。ビームスプリッタ４３４によって、出力プローブ状態｜ＰＯＵＴ＞の透過される部分と反射される部分との間に位相差が導入される結果として、ホモダイン検出器４２０は、角度θの場合のホモダイン演算子
【０１１４】
【数３４】
2007507717.tif 000036
【０１１５】
の期待値
【０１１６】
【数３５】
2007507717.tif 000037
【０１１７】
の測定値を与え、ホモダイン検出器４３０は、角度θ＋π／２の場合のホモダイン演算子
【０１１８】
【数３６】
2007507717.tif 000038
【０１１９】
の期待値
【０１２０】
【数３７】
2007507717.tif 000039
【０１２１】
の測定値を与える。したがって、測定系４００Ｄは、出力プローブ状態｜ＰＯＵＴ＞についての運動量及び位置の直交成分に関する情報を同時に得ることができる。
【０１２２】
上記のような測定系４００Ａ、４００Ｂ、４００Ｃ及び４００Ｄは、信号光子を直接的に測定することなく、且つ破壊することなく、プローブ状態を測定することにより、ある信号状態における光子の存否を推定することができる。したがって、その信号状態からの光子を、測定後に用いることができる。
【０１２３】
本発明の別の態様によれば、本発明の一実施形態による非破壊光子検出器は、単一光子を散発的に、又は信頼性がなく放出する可能性がある従来の非確定的な光子源を、要求に応じて単一光子を放出する確定的な光子源に変えることができる。確定的な単一光子源は、従来の光子源と、非破壊光子検出器と、光子格納系（光子格納部ともいう。以下同じ）とを備える。非破壊光子検出器は、従来の光子源から出力されるある状態の光子数を測定する。測定された出力状態が単一光子でない場合には、従来の光子源からの別の出力光子状態が測定される。測定された光子状態が単一光子を含む場合には、測定された光子状態が光子格納系に格納され、そこから単一光子状態を要求に応じて放出することができる。光子検出器が、ＥＩＴ系を含むフォトニックゲートを備えるているときは、そのＥＩＴ系は、プローブ状態に位相シフトを導入し、後で放出するために信号光子を格納することができる。このタイプのＮ個の信頼性がある単一光子源のアレイが、Ｎ個の光子を格納することができ、要求に応じて、ユーザによって選択された数（たとえば０〜Ｎ）の光子を放出することができる。
【０１２４】
図６は、本発明の特定の実施形態による確定的な単一光子源６００を示す。その光子源６００は、フォトニックゲート１１０と、測定系６２０と、非確定的な光子源６３０と、光子格納系６４０とを備える。
【０１２５】
非確定的な光子源６３０は、時には角周波数ωａの単一光子を放出するが、ほとんどの時間は真空状態だけを放出する（すなわち、何も放出しない）。そのような光子源には、たとえば、電気的にトリガされる量子ドット、又は大きく減衰したレーザを用いることができる。光子源６３０の出力が、光子源６３０が光子を放出したか否かを判定するために測定される。
【０１２６】
測定のために、光子源６３０の出力状態は信号状態｜ＳＩＮ＞になり、それが測定のためにフォトニックゲート１１０に入力される。レーザ又は他のプローブ源６１０が同時に、角周波数ωｃの光子を含むコヒーレントプローブ状態｜αｃ＞を生成し、それは分割され、これにより、１つの空間成分が、信号状態｜ＳＩＮ＞とともにフォトニックゲート１１０に入力されるプローブ状態｜ＰＩＮ＞を形成するようにする。その後、フォトダイオード４２７及び４２８並びにシグナルプロセッサ４２９が、上記の技法を用いて、信号状態｜ＳＩＮ＞が単一光子状態を含むか否かを判定する。
【０１２７】
信号状態｜ＳＩＮ＞において最初に光子が存在しない場合には、光子源６３０は、単一光子が検出されるまで動作し続ける。フォトダイオード４２８からの測定電流によって、信号状態｜ＳＩＮ＞が単一光子を含むことが確認されると、その光子は光子格納系６４０に格納され、ゲート６３５が、光子源６３０からのそれ以降の出力を遮断する。光子格納系６４０には、格納された光子に合致する量子コヒーレント光子状態を放出することができる、ファイバループ又はＥＩＴ系のようなデバイスを用いることができる。格納された光子を光子格納系６４０から放出して、要求に応じて単一光子状態を確定的に与えることができる。
【０１２８】
本発明の別の態様によれば、フォトニックゲート１１０（これは、プローブ状態において所望の位相シフトを引き起こす）において用いられるＥＩＴベースの装置が、その信号状態の単一光子を格納することもできる。具体的には、プローブ状態の持続時間を延長して、出力光子が必要とされるまで、物質系１１２を通る信号光子の伝搬を実効的に遅らせるか、又は停止することができる。したがって、物質系１１２が信号光子を格納するための役割を果たす場合には、個別の光子格納デバイス６４０をなくすことができる。
【０１２９】
図６に示されるような複数の確定的光子源を共に用いて、ユーザが選択した数の光子を含む光子状態を生成することができる。図７は、Ｎ個の単一光子源６００−１〜６００−Ｎを含むＮ光子源の一例７００を示す。各単一光子源６００−１〜６００−Ｎは、図６の光子源６００と同じように動作して、単一光子を検出し、格納する。光子源６００−１〜６００−Ｎが全て、単一光子を格納するとき、光子源６００−１〜６００−Ｎのうちの任意の、又は全ての光子源に、格納された光子を放出し、ユーザが選択した数の光子を有する光子状態を生成するように指示することができる。
【０１３０】
特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、そのような説明は、本発明の応用形態の一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。開示した実施形態の特徴的構成の種々の改変及び組み合わせは、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】本発明の一実施形態による、数決定(number-resolving)光子検出器のブロック図である。
【図２Ａ】図１の光子検出器において用いるのに適した物質系のための準古典的なエネルギー準位を示す図である。
【図２Ｂ】図１の光子検出器において用いるのに適した物質系のための量子エネルギーマニホールドを示す図である。
【図３】図１の光子検出器に適した物質系の１つの例示的な実施形態を示す図である。
【図４Ａ】選択的にホモダイン測定技法又はヘテロダイン測定技法を用いて、プローブ光子状態の変化を測定する、本発明の実施形態による数決定光子検出器のブロック図である。
【図４Ｂ】選択的にホモダイン測定技法又はヘテロダイン測定技法を用いて、プローブ光子状態の変化を測定する、本発明の実施形態による数決定光子検出器のブロック図である。
【図４Ｃ】選択的にホモダイン測定技法又はヘテロダイン測定技法を用いて、プローブ光子状態の変化を測定する、本発明の実施形態による数決定光子検出器のブロック図である。
【図４Ｄ】選択的にホモダイン測定技法又はヘテロダイン測定技法を用いて、プローブ光子状態の変化を測定する、本発明の実施形態による数決定光子検出器のブロック図である。
【図５Ａ】適用されたプローブ状態及び制御状態について低強度コヒーレント状態を用いる検出器の信号対雑音比のグラフである。
【図５Ｂ】適用されたプローブ状態及び制御状態について低強度コヒーレント状態を用いる検出器の信号対雑音比のグラフである。
【図６】本発明の一実施形態による単一光子源のブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態によるＮ光子源のブロック図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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