(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（600）が、偏光又は角運動量のような光子特性を保持する。本デバイス（600）は、入力光子状態を、入力光子状態における信号光子の特性の状態によって区別されるモードに分割するビームスプリッタ（610）と、モード毎に光子数を特定することなく、それらのモードにおける光子の総数を測定することができる非破壊測定系（620）と、非破壊検出系（620）からの出力後にモードを合成するように配置されるビーム結合器（630）とを備えている。【選択図】  図１
2007535679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光子状態を、その入力光子状態における信号光子の特性の状態によって区別されるモードに分割するビーム分割系（610）と、
前記モード毎に光子数を特定することなく、前記モードにおける光子の総数を測定することができる非破壊測定系（620）と、
前記非破壊検出系（620）からの出力後に、前記モードを合成するように配置されているビーム合成系（630）とを備えているデバイス。
【請求項２】
前記特性が、偏光状態、軌道角運動量の１つの軸への投影、前記信号光子が到着することに関する時間ビン、該信号光子の運動量からなる群より選択される請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記非破壊測定系（620）が、
それぞれが前記モードのうちの異なるモードを測定する複数の非破壊検出器（621、622）と、
前記非破壊検出器の出力信号を合成する量子コヒーレント系（624）とを備えている請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記非破壊検出器（621）のそれぞれが、
前記信号光子のそれぞれが第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び付けられるように、該第１のエネルギー準位及び該第２のエネルギー準位を有する物質系（651）と、
前記物質系（651）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び付けられる光子を含む第１のビームをもたらし、この第１のビームを前記物質系と相互作用するように誘導する第１のビーム源と、
前記物質系（651）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び付けられる光子を含む第２のビームをもたらし、その第２のビームを前記物質系と相互作用するように誘導する第２のビーム源（643）と、
前記第１のビーム及び前記第２のビームのうちの一方の変化を測定し、前記物質系（651）内の前記信号光子を検出するように構成されている測定系（662、664）を備えている請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記非破壊測定系（620）が、
前記モードのそれぞれの経路内にあり、かつプローブ光子状態の経路内に直列に存在する複数の物質系（641）と、
前記物質系（641）において引き起こされる前記プローブ光子状態の全変化を測定するように構成されている測定系からなる請求項１又は２に記載のデバイス。
【請求項６】
前記非破壊測定系（620）が、
前記モードのうちの第１のモードの経路内にある第１の物質系（641）と、
前記モードのうちの第２のモードの経路内にある第２の物質系（642）と、
前記第１の物質系（641）及び前記第２の物質系（642）にそれぞれ入力される第１のプローブ状態及び第２のプローブ状態の発生源と、
前記第１の物質系（641）及び前記第２の物質系（642）からそれぞれ出力された後の前記第１のプローブ状態及び前記第２のプローブ状態を受容する位相測定系（670）からなる請求項１又は２に記載のデバイス。
【請求項７】
信号状態における光子の数を検出する方法であって、
前記信号状態を、保持されるべき特性の値によって区別されるモードに分割し、
前記モード毎に光子数を特定することなく、前記モードにおける光子の総数を測定し、
前記光子の総数を測定した後に前記モードを合成することからなる方法。
【請求項８】
前記モードにおける光子の総数を測定することが、
前記モードをそれぞれのゲート内に誘導し、
それぞれが１つの光子状態であるプローブ状態を前記ゲート内に誘導し、
前記ゲートにおいて生じる前記プローブ状態の変化の蓄積を測定し、
測定された前記変化から前記信号状態における前記光子の総数を推定することからなる請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記モードにおける光子の総数を測定することが、
前記モードをそれぞれの物質系（641、642）内に並列に誘導し、
プローブ状態を前記物質系（641、642）を通して直列に誘導し、
前記物質系において生じる前記プローブ状態の蓄積された変化を測定し、
前記蓄積された変化から前記信号状態における前記光子の総数を推定することからなる請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記モードにおける光子の総数を測定することが、
前記モードをそれぞれの物質系（651、652）内に並列に誘導し、
複数のプローブ状態を前記物質系（651、652）をそれぞれ通して並列に誘導し、
前記物質系から出力された後の前記プローブ状態における位相の差を測定し、
前記位相の差から前記信号状態における前記光子の総数を推定することからなる請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力状態特性を保持する非破壊光子検出器に関する。
【０００２】
本特許出願は、2003年10月3日に出願の「Detecting One or More Photons from Their Interactions with Probe Photons in a Matter System」と題する米国特許出願第10/678,437号の一部継続出願であり、その特許出願の早期の出願日の利益を主張し、さらにその特許出願は、2003年4月11日に出願の「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、その特許出願の早期の出願日の利益を主張し、それらの特許出願はいずれも、参照することによりその全体を本明細書に取り入れることとする。
【背景技術】
【０００３】
［背景］
近年量子システムの開発に成功し、かつその技術の可能性に期待できるという理由から、量子情報処理への関心が劇的に高まっている。詳細には、実用的な量子暗号システムが開発されており、もし大型（多量子ビット）の量子コンピュータを構築することができるのであれば、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。たとえば数十又は数百量子ビットを有する量子プロセッサにより、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。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。
【０００４】
量子計算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かわかるにしても、個別の量子コンピュータを連結するために、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（光子量子ビットのような）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、量子計算の中には、非線形量子光学過程又は線形量子光学過程を利用して、光子量子ビットにおいて直に実行できるものもある。
【０００５】
光子状態を利用する量子情報システムの提案されているものは多くの場合に、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. Knill、R. Laflamme、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個、1個、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、量子情報の評価に誤りが生じる。そのような誤りは、許容できる場合にも、誤りを訂正する工夫を必要とし、誤りの訂正を実施するのにコストが嵩む可能性がある。
【０００６】
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又は小さいかによる。光電効果では、金属、半導体、別の材料の表面上に入射する光子が、材料の原子から電子を解放する。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、増幅及び測定可能な電流として収集される。
【０００７】
単一の光子からの光電流は小さく、検出するのは困難である。最も性能が高い市販の可視光用光子検出器は、現在、単一の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の波長を有する単一の光子に対する検出器の効率は、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に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「暗計数」率（たとえば、光子が入射しないときの高い背景雑音）をもたらす。
【０００８】
大部分の現在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。したがって、光子検出器は、一連の過程の最後において、測定される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利用可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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、か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している。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、光子状態を利用できるようにし、したがって、資源のさらなる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】
【００１０】
［概要］
本発明の一実施形態によれば、非破壊光子検出器が、入力状態の偏光又は角運動量のような特性を変更することなく、入力状態の光子数を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
種々の図において同じ参照符号を使用して、同様又は同一の部品を示す。
【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利用して、プローブ状態の変化を引き起こし、その変化は、信号光子状態の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、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つ又はそれ以上の原子、分子、他の量子系を含む。光子と物質系との相互作用は、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電磁誘導透過（EIT）を引き起こす。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する。ホモダイン又はヘテロダイン測定系は、信号状態の光子の数（たとえば、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、光子ゲート110と、測定系120を備えている。測定を行うために、光子信号状態|SIN>及び光子プローブ状態|PIN>が光子ゲート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|SOUT>及び|POUT>として出力される。光子ゲート110は、光子ゲート110内で光子状態|SIN>及び|PIN>の相互作用により、プローブ状態|PIN>の位相がシフトし、導入された位相シフトが信号状態|SIN>内の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>と異なることがある。１つの代替実施形態では、光子ゲート110はプローブ状態|PIN>の一部に散乱を生じさせ、その散乱は信号状態|SIN>内の光子の数に依存する。
【００１４】
測定系120は、ホモダイン測定技法又はヘテロダイン測定技法を利用して、出力プローブ光子状態|POut>を測定し、光子ゲート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>は、光子ゲート120から出力され、したがってフォック状態、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あり、その場合には、その測定は入力及び出力信号状態が同じ光子数を有し、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あり、その場合には、その測定値は入力信号状態|SIN>を出力信号状態|SOUT>に陥らせる。
【００１５】
図１に示す光子ゲート110の具体的な実施形態は、電磁誘導透過（EIT）をもたらすのに適した物質系112及び制御場源114を利用する。EITは、特定の周波数の光子を標準的に吸収することになる原子、分子、他の凝縮物質系が、他の周波数を有する１つ又はそれ以上の電磁場を適用することによって、その特定の周波数の光子に対して透過性になる既知の現象である。EITは、一般的に、光子と相互作用す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つ又はそれ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、他の量子系を含み、信号状態|SIN>、制御場116、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び付けられるようにする角周波数ωa、ωb、ωcを有する。図２Ａは、角周波数ωa、ωb、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>、|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>に結び付ける。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>に結び付ける。
【００１７】
図２Ａに示す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は可能である。詳細には、図２Ａ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ことを示すが、これらのエネルギー準位の他の順序をもたらす物質系においても、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検出の時間枠内で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の光子の放出を禁止するような場合に、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光子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に示す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の離調の量を示す。
【００２０】
【数１】
2007535679.tif 000003
【００２１】
図２Ｂは、角周波数ωa、ωb、ωcの自由光子を有する物質系の積状態|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、Ｃはそれぞれ、角周波数ωa、ωb及びωcの光子の数を示す。例示するマニホールドは、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個の光子とを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>の系が単一の光子の自然放出によって状態|1,na,nb,nc>に遷移可能であるが、その物質系は単一の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>へ遷移し得ないことを示す。
【００２２】
「Applications of Coherent Population Transfer to Information Processing」と題するR. Beausoleil、W. Munro、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号はさらに、光子量子ビットゲートの実施態様において、図２Ａ及び図２Ｂに示す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を開示し、これらの文献は、参照することによりその全体を本明細書に取り入れることとする。取り入れる参照文献は、図１の光子ゲート110として使用するのに適した２光子量子ビット位相ゲートの構造を特に記述する。
【００２３】
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、Beausoleilらの先に引用した論文に記載される条件下で、式２Ａによって与えられる形を有する、光学的に非線形のハミルトニアンHを有する。
【００２４】
【数２】
2007535679.tif 000004
【００２５】
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、νc、遷移に関連するラビ周波数Ωa、Ωb、Ωc、並びに物質系の具体的な特性に依存する。
【００２６】
【数３】
2007535679.tif 000005
【００２７】
より一般的、凝縮物質系は、検出器において利用す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及びωcの光子間に非線形相互作用をもたらすハミルトニアンの項のさらに一般的な表現を示す。
【００２８】
【数４】
2007535679.tif 000006
【００２９】
２つの個別のモード（たとえば、空間的に分離される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もたらす光学系又はゲートは、EIT系を利用して、又は利用することなく、一連の光ゲートから構成することができる。量子計算との関連では、参照することによって、その内容の全体が本明細書に取り入れることとする、Seth Lloyd及びSamuel L. Braunstein著「Quantum Computations over Continuous Variables」（Phys. Rev. Lett. 82, 1784 (1999)）が、単一光子モードの場合に任意の多項式ハミルトニアン
【００３０】
【数５】
2007535679.tif 000007
【００３１】
を生成する一連のゲートを構成することを記述する。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）スクイーザのような二次のデバイス、（３）カー効果ファイバ、光共振器内の原子、測定中に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つの個別のモードに対するそのような系を、１つ又はそれ以上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もたらし、モード間に所望の非線形相互作用
【００３２】
【数６】
2007535679.tif 000008
【００３３】
を生成する。
【００３４】
本明細書に記載する検出器100の１つの例示的な実施形態では、物質系112は、図２Ａに示すように、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つ又はそれ以上の４準位原子又は分子を含み、したがって、図２Ａにおいて与えられる形の交差カー非線形性をもたらす。図３は、物質系112の一実施形態を示す。例示する実施形態では、物質系112は、導波管312、314、316を含む基板310を備えている。導波管312、314、316はそれぞれ、角周波数ωa、ωb、ωcを有する光ビームを受光する。
【００３５】
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。各閉込め構造354を、４準位原子352の熱振動を減少させる分子鎖又は他の類似の構造とすることができ、１つの具体的な実施形態では、閉込め構造354は、４準位原子352を閉じ込めるように機能するカーボンフラーレンである。各原子352を、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もたらす任意の原子とすることができ、たとえば、原子352を、エルビウム（Er）又はプラセオジム（Pr）のようなランタノイド系金属、ルビジウム（Rb）又はセシウム（Cs）のようなアルカリ金属、アルカリ土類金属の原子とすることができる。一般的な系では、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。
【００３６】
導波管312、314、316に対する原子352の間隔は、原子352が導波管312、314、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光子バンドギャップ結晶を形成可能である。しかしながら、原子352と導波管312、316との間に欠陥又は他の構造を設け、原子352の角周波数ωcを有する、導波管316からの光子との相互作用が強くなるようにすることができる。
【００３７】
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である場合、すなわち角周波数ωaの光子を含まないか、１つの光子を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>の角周波数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を駆動し、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のエネルギー準位の間の遷移に相当する。プローブ状態|PIN>を、フォック状態、コヒーレント状態、容易に測定される数（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とすることができ、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、角周波数ωa及びωcの役割は、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。
【００３８】
以下に記載する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が一例として利用される。しかしながら、スクイーズド状態又はフォック状態のような他の形式の光子状態を、プローブ状態|PIN>として同様に使用することができる。
【００３９】
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を数学的に表現する。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の光子の数の期待値である。
【００４０】
【数７】
2007535679.tif 000009
【００４１】
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にしたがって時間に関して展開される。
【００４２】
【数８】
2007535679.tif 000010
【００４３】
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、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（又はそれ以上の）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の寸法は、信号状態|SIN>の光子の数nに、及び光子と４準位物質系とのカップリングχ及び相互作用時間tに直接に依存する。位相シフトの寸法を増加するために、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を一定とすることができ、かつ特定の系の場合に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>内の光子の数nが示される。
【００４４】
コヒーレント状態に対する値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使用して、プローブ状態|POUT>に対する
【００４５】
【数９】
2007535679.tif 000011
【００４６】
直交成分＜X＞及び＜Y＞を測定することができる。系400Aのホモダイン測定は、発振器又はレーザ410を利用して、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が調整される。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において結果生じる電流の差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。
【００４７】
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に示すように、信号状態|SIN>の光子の数nに（及び、定数α、χ、tに）関連付けられる。
【００４８】
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準位原子や分子の数によって、及び/又は離調パラメータνa、νb、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を適切に制御する場合、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、かつ容易に識別されるシグネチャをもたらす。
【００４９】
相互作用時間tを、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に適用でき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の単一の光子の場合に約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＞の測定値は、約2αχtであり、信号雑音よりもはるかに大きくなり、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。
【００５０】
上記の測定過程はホモダイン測定を利用しており、非常に効率的ではあるが、一般的に強い局部発振器を利用する必要がある。図４Ｂは、50/50ビームスプリッタ421及び423と、反射板422及び424と、フォトダイオード427及び428を含むマッハ−ツェンダー干渉計を利用して、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。ただし、下付き文字X及びYは空間的に分離可能な経路を示す。１つのモード|α/√2>Xは光子ゲート110に入力され、そのモード|α√2>Xは、信号状態|SIN>内の角周波数ωaの光子の数nに依存する位相シフトeinχtを取得する。光子ゲート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、空間的に分離される検出器427及び428への経路を示す。
【００５１】
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、出力プローブ状態を|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を利用する第２のモード|inαχt/2>Yを直接測定することによって、光子密度(nαχt)2に比例する測定電流が得られる。フォトダイオード428を、単一の光子を0個又は2個の光子と区別することができない従来のデバイスとすることができるが、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が比較的大きいものと仮定すると、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、単一の光子を検出する効率が1に近いので、現在使用されている検出器よりもはるかに多い利点を有する。
【００５２】
信号状態|SIN>がフォック状態の重ね合わせであり、かつc0|0>a+c1|1>aの形を有する場合には、ビームスプリッタ及びEIT相互作用後の系全体の状態|Ψ’>は、式８に与えられる近似形を有することがわかる。フォトダイオード428が0以外の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。
【００５３】
式８：|Ψ’>=c0|0>a|α>bX|α>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、c0|0>a+c1|1>a+c2|2>aの形を有する場合には、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、したがって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において結果生じる電流の大きさが、成分状態|1>aから結果生じる位相シフトと、成分状態|2>aから結果生じる位相シフトを容易に区別する。先に言及したように、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。したがって、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。
【００５４】
測定系400Bの１つの動作モードでは、レーザがプローブ状態|PIN>に対する連続コヒーレント状態をもたらし、その間、制御場源114が物質系112を絶えずポンピングすることができる。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、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。
【００５５】
本発明の別の態様によれば、測定系400Bは、信号状態|SIN>に対するパリティ検出器として機能するように調整することができる。先に言及したように、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に等しいような光子ゲート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し、実効的には位相シフトを生じない。信号状態|SIN>の奇数の光子数nの光子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以外の電流として検出する。
【００５６】
測定系400Bの利点は、フォトダイオード428が、光子が信号状態にない場合には0の強度を有する（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にある。したがって、信号状態にある光子の存在は、特有の信号をもたらす。しかしながら、光子ゲート110の例示的な実施形態において利用するようなEIT系が常に、デコヒーレンス及び位相のずれから生じる限られた量の雑音を有する可能性がある。位相のずれはプローブ状態において小さな位相シフトを生じる可能性があり、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幾らかの量の光の流れを生じさせる。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、光子ゲート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。その際、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し、それは従来のフォトダイオードを使用して達成することができる。光子ゲート110が光子損失機構を使用して、プローブ光子状態を減衰させる場合には、その減衰は同じく、ダークポート信号と雑音とを区別するために最大にすることができる。
【００５７】
検出器400Bにおける雑音及び散逸の影響は、物質系110が図２ＡのEIT系である事例の場合に解析することができる。角周波数ωcのプローブ状態を使用して、角周波数ωaの光子を検出する場合には、プローブ状態において位相シフトを生じる主な誤差源のうちの１つは、物質系110の自然3-4遷移における位相のずれである。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に示すように、ランダムな位相シフトφに依存する。
【００５８】
式９：Ic=|c0|2(ξ/2)(1-cosφ)+|c1|2(ξ/2)(1-cos[φ+χt])
位相シフトφに対する分布は、物質系110の厳密な位相のずれの仕組みに依存する。例示するために、ここでは、-φ0〜φ0の範囲の矩形の分布が仮定するが、同様の答えがガウス分布又はポアソン分布の場合にも得られる。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、単一の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、位相シフトχtを、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。
【００５９】
式１０：Ic≒|c0|(ξ2φ20/12)+|c1|2(ξ/2)(1-cos[χt])
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％）を分離し、入力プローブ状態|PIN>を形成し、強い局部発振器信号LOを残す。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個又は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。
【００６０】
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、古典的な電磁場よりも、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、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。
【００６１】
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。詳細には、それぞれna個、nb個、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て静止しているN個の４準位原子を含み、かつフォック状態の３つのパルス包絡線関数の持続時間が、原子の２準位の寿命と比較して長い場合には、非摂動数固有状態|1,na,nb,nc>が、式１１に示されるように展開する。
【００６２】
式１１：|1,na,nb,nc>→e-iWt|1,na,nb,nc>
式１１内の量Wは、一般的に、物質系の特性及び角周波数ωa、ωb、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に正確に調整され、位相のずれが無視でき、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、量Wを与える。式１２Ａでは、Nは４準位原子の数であり、Ωa、Ωb、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、cを有する指数であり、σkは、定義によって、波長λk、2πc/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、パルス状の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。
【００６３】
【数１０】
2007535679.tif 000012
【００６４】
式１２Ａは４準位EIT系に対するWが複素数であることを示し、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の単一の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、非線形機構からの位相シフトを取得する。この位相シフトは、高効率非破壊検出器の原理として利用することができる。
【００６５】
【数１１】
2007535679.tif 000013
【００６６】
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にわたる和を利用して評価することができる。詳細には、式１４は、ａチャネル内のna個の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チャネル及び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る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を画定する。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|Ψ’(na)>が、フォック状態と２つのコヒーレント状態との簡単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|Ψ’(na)>は概ね
【００６７】
【数１２】
2007535679.tif 000014
【００６８】
に等しい。したがって、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もたらし、弱いコヒーレント状態の入力パルスの場合、この制御場を古典的な場として扱うことは許されない。
【００６９】
【数１３】
2007535679.tif 000015
【００７０】
展開された状態|Ψ’(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、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。
【００７１】
【数１４】
2007535679.tif 000016
【００７２】
直交ホモダイン演算子
【００７３】
【数１５】
2007535679.tif 000017
【００７４】
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の展開された状態の場合に、直交ホモダイン演算子
【００７５】
【数１６】
2007535679.tif 000018
【００７６】
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
【００７７】
【数１７】
2007535679.tif 000019
【００７８】
の平均二乗を求めることができ、式１８が生成される。
【００７９】
【数１８】
2007535679.tif 000020
【００８０】
計算された期待値に基づいて、式１９は、検出器400C内の運動量直交成分に基づいて、光子検出器測定に対する信号対雑音比を与える。式１９では、関数従属性（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に等しい状態の場合のフォールスポジティブ数の確率は、式２０において与えられる。
【００８１】
【数１９】
2007535679.tif 000021
【００８２】
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、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、6に等しいパラメータαｃに対応する。
【００８３】
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。代わりに、プロット510、520、530のピークは、式１４の被加数が数nbに依存するため、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、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）から判定することができる。詳細には、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。この具体的な例は一意ではない。広い範囲の妥当なパラメータが、これらの誤り率を導く。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を単位として）の離調νc、6900原子、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％のフォールス検出の確率）が導かれる。一般的には、SNR比を高めるために、原子の数を増やす必要がある。
【００８４】
また図５Ａは、所与の値のνc/γ4及びαcの場合に、原子の数Nを増やす効果として、最終的に、信号対雑音比の低減に繋がることを示す。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生じる。さらに多くの数Nの原子を利用しようとする場合の、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、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、6に等しいパラメータαcに対応する。
【００８５】
検出器400Cの好ましい動作モード中に、信号状態|SIN>は、角周波数ωaの0個又は1個の光子を含み、かつEIT系の透過窓に合致す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、かつ信号状態|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はレーザを含み、結果生じる制御場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ている。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。局部発振器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>に誘導する。制御及びプローブビームが連続的である場合、検出器400Cを通過する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、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。
【００８６】
図４Ｄは、デュアルホモダイン（又はヘテロダイン）測定を利用する本発明の一実施形態による測定系400Dを示す。詳細には、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>の送信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、
【００８７】
【数２０】
2007535679.tif 000022
【００８８】
したがって、測定系400Dは、出力プローブ状態|POUT>に対する運動量及び位置直交成分についての情報を同時に得ることができる。
【００８９】
上記のような測定系400A、400B、400C、400Dは、信号光子を直接測定することも、また破壊することもなく、プローブ状態を測定することによって、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、出力信号状態|SOUT>は角周波数ωaの光子に関する明確な光子数を有し、測定後に、量子情報処理システムにおいて使用することができる。
【００９０】
上記の検出器は、明確な光子数を有する出力状態|SOUT>をもたらすが、偏光、軌道角運動量、時間ビンニング、光子の運動量のような他の特性は測定されなくても、未知であってもよい。一般的に、入力状態|SIN>とプローブ状態|PIN>の間の相互作用が所望の特性を保持するなら、出力状態|SOUT>の測定されない特性は入力状態|SIN>の特性と同じである。しかしながら、プローブ状態|PIN>と信号状態|SIN>との相互作用を、信号状態|SIN>の光子の吸収に、そして光子状態|SOUT>のその後の放出に対応させることができる。そのような吸収過程及び放出過程は、偏光又は軌道角運動量のような特定の光子特性を保存しない場合もある。さらに、EIT系において見られるような相互作用は非対称である（たとえば、優先軸を有する）可能性があり、そのように非対称であることによって、種々の特性を有する入力状態が、異なるように展開し、結果として、光子の偏光又は角運動量のような特性の変化が測定される可能性がある。
【００９１】
図６Ａは、入力信号|SIN>を測定し、入力信号状態|SIN>の１つ又はそれ以上の特性を保持しながら、既知の数の光子を含む出力信号状態|SOUT>を生成することができる検出器600を示す。一般的に、偏光、軌道角運動量、時間ビン、運動量のような異なる光子特性を保持するために、検出器600の異なる実施形態を構成することができる。一般的な場合には、検出器600は、ビーム分割系610と、非破壊測定系620と、ビーム合成系630とを含む。ビーム分割系610、非破壊測定系620、ビーム合成系630の具体的な実施態様は、保持される特性に依存する。
【００９２】
ビーム分割系610は、入力信号状態|SIN>を、保持される特性に対する明確な値を有する個別のモードに分割する。たとえば、偏光を保持する場合、ビーム分割系610は偏光ビームスプリッタであり、入力信号状態|SIN>を、明確な偏光を有する（たとえば、それぞれ水平偏光及び垂直偏光を有する）２つのモード|S1IN>及び|S2IN>に分割する。代替的には、角運動量を保持する場合、ビーム分割系610はホログラフィックフィルムを備え、異なる軌道角運動量を有する光子状態を分離する。時間ビンニングを保持する場合、ビーム分割系610は、個々の測定に対する異なる時間ビン中に受光される光子を空間的に分離することができる。同様に、局在波パケット内の光子を、個々の測定に対して運動量によって分離することができる。
【００９３】
測定系620は、１組の非破壊光子検出器621及び622と、量子コヒーレント信号加算器624とを備えている。図６Ａは、本発明の１つの例示的な実施形態を示しており、測定系620は２つの非破壊検出器621及び622を備え、それらの検出器は２つの個別の基底状態を有する偏光のような特性を保持するのに適している。さらに一般的には、系620内の非破壊検出器の数は、保持される特性に対して利用される個別の基底状態の数による。軌道角運動量、時間ビン、運動量を保持する場合、非破壊検出器の数は、入力状態において利用できる保持される特性の取り得る状態の数に依存する。以下の説明は、偏光を保持する具体例に焦点を当てているが、スピン状態、軌道角運動量、時間ビン、光子状態の運動量のような他の特性を保持するシステムへの一般化が、当業者には明らかになるであろう。
【００９４】
図６Ａでは、各検出器621又は622は、入力モード|S1IN>又は|S2IN>を測定し、出力モード|S1OUT>又は|S2OUT>における光子の数を求めることができ、各検出器621又は622は、測定された光子の数を指示する量子コヒーレント電子出力信号を与える上記の任意の非破壊検出器と概ね同じにすることができる。各検出器621又は622からの出力信号は、図４Ａ〜図４Ｄを参照しながら先に説明したものと同じとすることができ、たとえば、異なる信号Idが、ホモダイン位相測定から、又はヘテロダイン測定系内のダークポートから出力されるプローブ光子の強度を測定するフォトダイオードの出力信号から生じる。モード|S1IN>を測定するために検出器621が構成されるが、検出器621からの量子コヒーレント電子信号は、観測されることなく、量子コヒーレント加算器624に入力される。同様に、第２のモード|S2IN>を測定するために検出器622が構成され、検出器622からの量子コヒーレント電子信号は、観測されることなく、量子コヒーレント加算器624に入力される。
【００９５】
量子コヒーレント加算器624は、検出器621及び622からの電子信号を合成し、２つのモード|S1OUT>及び|S2OUT>における光子の総数を指示する出力信号NUMを生成する。光子状態がモードのうちの一方に崩壊するのを避けるために、検出器621、622及び加算器624の一部は十分に冷却され（たとえば、数m K°以下）、それによって、検出器621及び622内のフォトダイオードが量子コヒーレント電子状態を生成し、それらの電子状態が、現在の加算過程を介してコヒーレント状態を保持できる。加算過程は、たとえば、ワイヤードORを使用して、又はワイヤードORに接続されている出力端子を有する一対のダイオードを使用して実施することができる。したがって、出力信号NUMは、|S1OUT>又は|S2OUT>のどちらのモードが光子を含むかを指示することなく、２つのモード|S1OUT>及び|S2OUT>のうちの一方において光子が存在する時点を指示することができる。したがって、信号NUMは、偏光状態を変更することなく、光子数の測定値をもたらす。
【００９６】
光子偏光への検出器621及び622の影響は、モード|S1IN>及び|S2IN>における光子の特性（たとえば、偏光）の知識を利用して制御することができる。詳細には、検出器621及び622の優先軸（もしあるのであれば）を、検出器621及び622が個々のモード|S1IN>及び|S2IN>に同じ影響（たとえば、同じ位相シフト及び/又は偏光回転）を及ぼすように向ける（たとえば、モード|S1IN>及び|S2IN>のそれぞれの偏光方向と位置合わせする）ことができる。それに加えて、又は代替的には、検出器621及び622内の補正光学素子（図示せず）が、分離された光子状態の偏光又は位相を操作して、それによって、出力モード|S1OUT>及び|S2OUT>が入力モード|S1IN>及び|S2IN>と同じ相対偏光及び位相を有する。
【００９７】
偏光保持検出器では偏光ビームスプリッタ632にすることができるビーム合成系630は、出力モード|S1OUT>及び|S2OUT>から出力状態|SOUT>を構成する。随意的に、検出器621及び622がそれぞれのモード|S1IN>及び|S2IN>に対して異なる影響、又は予測できない影響を及ぼす場合、系630は、１つ又はそれ以上の補正光学素子634を含むことができ、出力モード|S1OUT>及び|S2OUT>が入力モード|S1IN>及び|S2IN>に対して同じ相対的な特性を有する。本発明の例示的な実施形態では、成分モード|S1OUT>及び|S2OUT>が状態|SIN>の成分モード|S1IN>及び|S2IN>と同じ相対偏光及び位相を有するので、出力状態|SOUT>は状態|SIN>と同じ偏光状態を有する。したがって、所望の偏光を有する単一光子（又はN光子）状態|SOUT>を、明確な数の光子を有さないこともあるが、所望の偏光を有する入力状態|SIN>から構成することができる。
【００９８】
さらに一般的には、角運動量のような特性を保持するとき、３つ又はそれ以上のモードに対する総光子数を、それらのモードのうちの１つに対応する明確な状態に崩壊することなく、測定することができ、３つ又はそれ以上のモードを合成し直して、明確な光子数及び元の特性状態を有する状態を生成することができる。入力状態|SIN>の保持される特性（たとえば、偏光又は角運動量状態）が量子情報（たとえば、量子ビット又は量子ディット）を表す場合、保持される特性が表すことができる量子情報を破壊することなく、入力状態における光子の数を測定することができる。詳細には、所望の量子情報を表し、測定された数の光子を有する光子状態を構成することができる。
【００９９】
図６Ｂは、本発明の別の実施形態による偏光保持検出器602を示す。検出器602は、ビームスプリッタ610と、一対のEIT物質系641及び624と、ビーム結合器632とを備えている。ビームスプリッタ610は偏光ビームスプリッタであり、入力信号状態|SIN>を、偏光に応じてモード|S1IN>及び|S2IN>に分割し、それらのモードはそれぞれの物質系641及び642の中にそれぞれ並列に誘導される。また物質系641及び642は、光子プローブ状態|PIN>の経路内では、直列に配置されており、プローブ状態として、容易に検出することができる光子数期待値（たとえば、10〜100、又はそれ以上の光子）を有するフォック状態、コヒーレント状態、スクイーズド状態を利用することができる。
【０１００】
本発明の１つの例示的な実施形態では、各物質系641又は642は、図２Ａに示すようなエネルギー準位を有する１つ又はそれ以上の４準位原子又は分子を含む。入力状態|SIN>は、角周波数ωaを有する光子の状態であり、プローブ状態|PIN>は周波数ωcを有する光子の状態である。レーザ643及び644が、それぞれの物質系641及び642に周波数ωbの光子を照射する。結果として、物質系641は、物質系641からの出力モード|S1OUT>における光子の数に依存する量だけプローブ状態|PIN>の位相を変更し、物質系642は、物質系642からの出力モード|S2OUT>における光子の数に依存する量だけプローブ状態|PIN>の位相を変更する。ビーム結合器632は、物質系641及び642からのモード|S1OUT>及び|S2OUT>を合成して、出力信号状態|SOUT>を生成する。
【０１０１】
出力プローブ状態|POUT>の位相は、物質系641及び642の両方における位相変化に依存し、上記のようなホモダイン技法又はヘテロダイン技法を利用して測定することができる。結果として生成される測定値は、出力信号状態|SOUT>における光子の数を指示する。その測定値は物質系641又は642における個々の位相変化についての情報をもたらさないので、出力信号状態|SOUT>は、状態|S1OUT>及び|S2OUT>の和である。モード|S1IN>及び|S2IN>の偏光に対する物質系641及び642の向き、並びに/あるいは物質系641及び642内の補正光学素子（図示せず）を利用して、モード|S1OUT>及び|S2OUT>の相対位相及び偏光が、モード|S1OUT>及び|S2OUT>の相対位相及び偏光と同じであることを確実にすることができる。結果として、出力信号状態|SOUT>は、入力信号状態|SIN>と同じ偏光を有する。
【０１０２】
図６Ｃは、本発明のさらに別の実施形態による偏光保持検出器604を示す。検出器604は、ビームスプリッタ610及び615と、一対のEIT物質系651及び652と、ビーム結合器632とを含む。１つの例示的な実施形態では、ビームスプリッタ610は偏光ビームスプリッタであり、入力信号状態|SIN>を、偏光に応じてモード|S1IN>及び|S2IN>に分割し、それらのモードはそれぞれの物質系651及び652の中にそれぞれ並列に誘導される。ビームスプリッタ615は、非偏光50-50ビームスプリッタであることが好ましく、状態|PIN>を空間的に分離されたプローブ状態|P1IN>及び|P2IN>に分割し、それらのプローブ状態はそれぞれ、物質系651及び652に適用される。プローブ状態|PIN>（及び個別のプローブ状態|P1IN>及び|P2IN>）を、容易に検出することができる光子数期待値（たとえば、10〜100、又はそれ以上の光子）を有するフォック状態、コヒーレント状態、スクイーズド状態とすることができる。同じ状態|PIN>から分割される入力プローブ状態|P1IN>及び|P2IN>は、明確な位相関係を有する（たとえば、同じ位相を有する）。
【０１０３】
物質系651及び652からの出力プローブ状態|P1OUT>及び|P2OUT>は、それぞれのモード|S1IN>及び|S2IN>における光子の数に応じて変化する位相を有する。出力プローブ状態|P1OUT>及び|P2OUT>の相対位相を比較して、出力信号モード|S1IN>及び|S2IN>における光子の総数を、したがって、ビーム結合器632からの出力状態|SOUT>における光子の数を求めることができる。１つの例示的な実施形態では、物質系651及び652は、N個の光子がモード|S1OUT>にあるときの|P1IN>の位相の変化が、N個の光子がモード|S2OUT>にあるときの|P2IN>の位相の変化の加法的逆元になるようにする。相対的な位相差を測定する場合、検出器604は、非偏光50-50ビームスプリッタ660を備え、物質系651及び652からのプローブビームを合成して、プローブ状態|P1OUT>及び|P2OUT>の和及び差を生成し、フォトダイオード662及び664が、その和及び差の強度を測定する。先に説明したように、ダークポートからの光強度を測定するフォトダイオード662は、出力信号状態|SOUT>における光子の存在を指示可能である。
【０１０４】
図６Ｄは、プローブ状態|P1OUT>及び|P2OUT>のホモダイン位相測定を利用して、出力信号状態|SOUT>における光子の総数を求める、本発明の一実施形態による偏光保持光子検出器606を示す。検出器606は、ビームスプリッタ610と、一対のEIT物質系641及び642と、ビーム結合器632と、ホモダイン測定系670とを含む。先に説明したように、ビームスプリッタ610は、角周波数ωaを有する入力信号状態|SIN>を、それぞれの物質系641及び642内に誘導されるモード|S1IN>及び|S2IN>に分割する。同時に、レーザ643及び644が、周波数ωaを有する制御場を誘導し、１つ又はそれ以上のレーザもしくは他の光源が、角周波数ωcを有するプローブ状態|P1IN>及び|P2IN>を、それぞれの物質系641及び642内に誘導する。物質系641及び642は、モード|S1OUT>において単一の光子が存在する場合に、プローブ状態|P1IN>の位相において、モード|S2OUT>において単一の光子が存在する場合に結果生じるプローブ状態|P2IN>の位相の変化に等しい変化を引き起こすことが好ましい。
【０１０５】
ホモダイン測定系670はビームスプリッタ671及び672を含み、それぞれプローブ状態|P1OUT>及び|P2OUT>を、局部発振器LOからの成分と干渉する成分に分割する。フォトダイオード674が、ビームスプリッタ671及び672から反射されるプローブ状態|P1OUT>及び|P2OUT>と、ビームスプリッタ671及び672を透過する局部発振器の成分とを合成した部分の強度を測定する。フォトダイオード676が、ビームスプリッタ671及び672を透過するプローブ状態|P1OUT>及び|P2OUT>と、ビームスプリッタ671及び672から反射される局部発振器の成分とを合成した部分の強度を測定する。フォトダイオード674及び676、並びにビームスプリッタ671及び672からの成分のアライメントは、フォトダイオード674及び676からの出力電流が、検出される光子がプローブ状態|P1OUT>からもたらされるか、|P2OUT>からもたらされるかの指示を与えないようにすることが好ましい。フォトダイオード674及び676に接続されている差動増幅器678からの信号を利用して、光子がモード|S1OUT>にあったか、|S2OUT>にあったかを判定することなく、プローブ状態|P1OUT>及び|P2OUT>のうちの少なくとも一方が、モード|S1OUT>及び|S2OUT>の一方における光子の存在を指示する位相の変化を受けたか否かを判定することができる。したがって、ビーム結合器632を含むビーム合成系が、入力信号状態|SIN>と同じ偏光を有する出力状態|SOUT>を構成することができる。
【０１０６】
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、単一の光子を散発的に、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、要求に応じて単一の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、光子蓄積系とを備える。光子検出器がEIT系を含むとき、そのEIT系は、信号測定に対してプローブ状態に位相シフトを導入し、信号光子を蓄積し、後に放出することができる。動作時に、非破壊光子検出器は、従来の光子源から出力される状態に関する光子数を測定する。測定された出力状態が単一の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。測定された出力状態が単一の光子を含む場合には、測定された光子状態が光子蓄積系に蓄積され、そこから、単一光子状態を、要求に応じて放出可能である。非破壊検出器が、従来の光子源からの光子の偏光又は角運動量のような特性を保持する場合には、蓄積された光子状態は、入力光子と同じ特性を有するであろう。
【０１０７】
図７Ａは、本発明の１つの具体的な実施形態による確定的な単一光子源700を示す。光子源700は、光子ゲート110と、測定系720と、非確定的な光子源730と、光子蓄積系740とを備えている。
【０１０８】
非確定的な光子源730は、角周波数ωaの単一の光子を放出するが、その時間の大部分は真空だけを放出することがある。そのような光子源を、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とすることができる。光子源730の出力が、光子源730が光子を放出したか否かを判定するために測定される。
【０１０９】
測定する場合、光子源730の出力状態は信号状態|SIN>になり、それが測定用の光子ゲート110に入力される。レーザ又は他のプローブ源710が同時に、角周波数ωcの光子を含むコヒーレント状態|αc>のようなプローブ状態を生成し、それは分割されて、１つの空間成分がプローブ状態|PIN>を形成するようになり、それは信号状態|SIN>とともに光子ゲート110に入力される。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、上記の技法を利用して、信号状態|SIN>が単一光子状態を含むか否かを判定する。
【０１１０】
信号状態|SIN>において最初に光子が存在しない場合、光子源730は、単一の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>が単一の光子を含むことが確認されるとき、その光子は光子蓄積740に蓄積され、ゲート735が、光子源730からのそれ以降の出力を遮断する。光子蓄積740には、蓄積された光子に一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利用することができる。蓄積された光子を光子蓄積740から放出し、要求に応じて単一光子状態を確定的にもたらすことができる。
【０１１１】
本発明の別の態様によれば、光子ゲート110において利用されるEITに基づく装置が、プローブ状態において所望の位相シフトを引き起こし、信号状態の単一の光子を蓄積することもできる。詳細には、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内の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が信号光子を蓄積するための機能を果たす場合には、個別の光子蓄積デバイス740を排除することができる。
【０１１２】
この形式のN個の信頼性のある単一光子源のアレイが、N個の光子を蓄積し、要求に応じて、ユーザが選択した数（たとえば、0〜N個）の光子を放出することができる。図７Ｂは、ユーザが選択した数の光子を含む光子状態を生成するために、ともに使用することができる複数の確定的な光子源700-1〜700-Nを含むN光子源750を示す。単一光子源700-1〜700-Nはそれぞれ、図７Ａの光子源700と同じように動作し、単一の光子を検出し、蓄積する。光子源700-1〜700-Nが全て、単一の光子を蓄積するとき、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ために、光子源700-1〜700-Nの任意のもの、又は全てに対して、蓄積された光子を放出するように命じることができる。
【０１１３】
特定の実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、その説明は、本発明の応用形態の一例に過ぎず、制限するものと見なされるべきではない。開示される実施形態の特徴の種々の改変及び組み合わせが、添付の特許請求の範囲によって画定されるような本発明の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の一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２Ａ】図１の光子検出器において利用するのに適した物質系に対する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利用するのに適した物質系に対する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利用して、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利用して、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利用して、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利用して、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対して低強度コヒーレント状態を利用する検出器に対する信号対雑音比のグラフを示す。
【図５Ｂ】適用されたプローブ状態及び制御状態に対して低強度コヒーレント状態を利用する検出器に対する信号対雑音比のグラフを示す。
【図６Ａ】入力光子信号状態の偏光のような特性を保持する、本発明の代替的な実施形態による非破壊光子検出器を示す図である。
【図６Ｂ】入力光子信号状態の偏光のような特性を保持する、本発明の代替的な実施形態による非破壊光子検出器を示す図である。
【図６Ｃ】入力光子信号状態の偏光のような特性を保持する、本発明の代替的な実施形態による非破壊光子検出器を示す図である。
【図６Ｄ】入力光子信号状態の偏光のような特性を保持する、本発明の代替的な実施形態による非破壊光子検出器を示す図である。
【図７Ａ】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７Ｂ】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】
2007535679.tif 000023
【図２Ａ】
2007535679.tif 000024
【図２Ｂ】
2007535679.tif 000025
【図３】
2007535679.tif 000026
【図４Ａ】
2007535679.tif 000027
【図４Ｂ】
2007535679.tif 000028
【図４Ｃ】
2007535679.tif 000029
【図４Ｄ】
2007535679.tif 000030
【図５Ａ】
2007535679.tif 000031
【図５Ｂ】
2007535679.tif 000032
【図６Ａ】
2007535679.tif 000033
【図６Ｂ】
2007535679.tif 000034
【図６Ｃ】
2007535679.tif 000035
【図６Ｄ】
2007535679.tif 000036
【図７Ａ】
2007535679.tif 000037
【図７Ｂ】
2007535679.tif 000038
【国際調査報告】
2007535679.tif 000039
2007535679.tif 000040