(57)【要約】単一または多数の量子スイッチが暗共鳴相互作用に用いられる量子スイッチに基づく光子ロジックゲートシステム、方法及び装置であって、波長が異なる三つの光が非縮退４光波混合法によって三つの基底状態及び一つ以上の励起状態からなる４段または５段非線形光媒質と相互作用する。この光子ロジックメカニズムは、共通の励起状態を介しての光学遷移による三つの密接に離隔した基底状態の間で単一または多数の暗共鳴由来の２光子コヒーレンススワッピングの組合せに基づく。基底状態で引き起こされた２光子コヒーレンスは非縮退４光波混合法によって光学的に検出される。非縮退４光波混合発生は、暗共振または電磁気による透明化によって強化される。本発明の光子ロジックゲート法のゲートタイム及び帯域幅は緩和時間またはキャリアの寿命によって制限されなく、位相減衰時間によって制限される。
2008546043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一または多数の量子スイッチを使用する光子ロジックゲート方法であって、前記量子スイッチの非線形光学媒質は三つの密接に離隔した基底状態｜１＞、｜２＞及び｜３＞と励起状態｜４＞及び｜５＞とからなり、前記基底状態｜１＞、｜２＞及び｜３＞は基底状態間での遷移が双極子禁制（ｄｉｐｏｌｅ  ｆｏｒｂｉｄｄｅｎ）であるような基底状態であり、前記励起状態｜４＞及び｜５＞は励起状態｜４＞（及び前記｜５＞が実際エネルギー状態の場合は、前記励起状態｜５＞）を介しての前記基底状態｜１＞と｜３＞、｜２＞と｜３＞、｜１＞と｜２＞間の２光子遷移が許されるような励起状態であり、前記方法はつぎの段階を含むことを特徴とする方法。
ａ）前記基底状態｜１＞と前記励起状態｜４＞間の第１遷移に対応する周波数ωＡで光導波路または自由空間を介して入力ビーム（Ａ）として第１レーザービームを前記非線形光学媒質に印加する段階；
ｂ）前記基底状態｜２＞と前記励起状態｜４＞間の第２遷移に対応する周波数ωＣで光導波路または自由空間を介して第２レーザービーム（Ｃ）を印加する段階；
ｃ）前記基底状態｜３＞と前記励起状態｜４＞間の第３遷移に対応する周波数ωＳで光導波路または自由空間を介して第３レーザービーム（Ｓ）を印加する段階；
ｄ）前記基底状態｜３＞と前記励起状態｜５＞間の第４遷移に対応する周波数ωＲで光導波路または自由空間を介して第４レーザービーム（Ｒ）を印加する段階；
ｅ）前記第１レーザービーム（Ａ）、前記第２レーザービーム（Ｃ）、前記第３レーザービーム（Ｓ）及び前記第４レーザービーム（Ｒ）の強度を調整し、それぞれ２光子コヒーレンス誘導［Ｒｅρ２３］２または［Ｒｅρ１３］２に対応する周波数ωＱ１またはωＱ２での非縮退４光波混合信号（Ｑ１）または（Ｑ２）を生成する段階；
ｆ）前記非縮退４光波混合信号（Ｑ１）及び（Ｑ２）を物理的に分離された光導波路に連結する段階；
ｇ）前記（Ｓ）を共有する方式で二つ量子スイッチを連結し、光導波路または自由空間を介して前記非縮退４光波混合信号（Ｑ１）または（Ｑ２）をそれぞれ互いに結合する段階；
ｈ）一量子スイッチからの非縮退４光波混合信号（Ｑ１）及び他の非縮退４光波混合信号（Ｑ２）を結合する方式で二つの量子スイッチを連結する段階；
ｉ）前記第１量子スイッチの前記非縮退４光波混合信号（Ｑ１）または（Ｑ２）を光導波路または自由空間を介して第２量子スイッチの前記第３レーザービーム（Ｓ）に連結する段階；及び
ｊ）前記第１量子スイッチの非縮退４光波混合信号（Ｑ１）及び（Ｑ２）のそれぞれを光導波路または自由空間を介して前記第２及び第３量子スイッチの前記第３レーザービーム（Ｓ）にそれぞれ連結する段階。
【請求項２】
前記励起状態｜４＞は、そのエネルギー準位が前記基底状態｜１＞、｜２＞及び｜３＞のエネルギー準位より高いように選択されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記励起状態｜５＞は、そのエネルギー準位が前記励起状態｜４＞から離調（ｄｅｔｕｎｉｎｇ；Δ）だけ分離されるように選択され、前記離調（ｄｅｔｕｎｉｎｇ；Δ）は０、または前記第４レーザービーム（Ｒ）または第１レーザービーム（Ａ）の光ラビ（Ｒａｂｉ）周波数に近いことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１レーザービーム（Ａ）のラビ周波数（ΩＡ）は、前記第２レーザービーム（Ｃ）及び前記第３レーザービーム（Ｓ）のラビ周波数より大きいことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
Δ＝０の場合、前記第１レーザービーム（Ａ）、前記第２レーザービーム（Ｃ）、前記第３レーザービーム（Ｓ）及び前記第４レーザービーム（Ｒ）は同期化し、前記レーザービーム（Ａ）、（Ｃ）及び（Ｓ）が互いに時間的に重畳し、前記第４レーザービーム（Ｒ）は、前記三つの基底状態｜１＞、｜２＞及び｜３＞のうち、位相減衰時間（Ｔ２）より短いτだけ時間遅延されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
Δ≠０の場合、前記第２レーザービーム（Ｃ）及び前記第４レーザービーム（Ｒ）は常にＯＮに切り替えられており、前記第１レーザービーム（Ａ）及び前記第３レーザービーム（Ｓ）は時間的に同期化することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記離調（Δ）、つまり前記エネルギー状態｜４＞と｜５＞間のエネルギー分離は、量子スイッチの光ルーターの適用の場合に、前記第１レーザー（Ａ）のラビ周波数より高いかまたは同一であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
ブール（Ｂｏｏｌｅａｎ）代数ＮＯＴに対し単一量子スイッチが使用され、前記第１レーザービームは前記第３レーザービーム（Ｓ）を制御し、そのビームを反転させて前記出力（Ｑ１）に生成することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
ブール代数ＮＯＲに対し連続している二つの量子スイッチが使用され、前記第１非線形媒質の前記出力（Ｑ１）は前記第２非線形媒質に対して前記レーザービーム（Ｓ）として使用され、前記第１レーザービーム（Ａ）と前記第２非線形媒質の前記出力（Ｑ１）間の関係はブール代数ＮＯＲを満たすことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
ブール代数ＡＮＤに対し連続している二つの量子スイッチが使用され、前記第１非線形媒質の前記出力（Ｑ２）は前記第２非線形媒質に対して前記レーザービーム（Ｓ）として使用され、前記第１レーザービーム（Ａ）と前記第２非線形媒質の前記出力（Ｑ２）間の関係はブール代数ＡＮＤを満たすことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
ブール代数ＮＡＮＤ／ＯＲに対し平行な２量子スイッチが使用され、前記レーザービーム（Ｓ）は前記二つの非線形媒質が共有し、前記出力（Ｑ１）及び（Ｑ２）はそれぞれ結合されるので、前記各非線形媒質に印加される前記二つの第１レーザービーム（Ａ）と前記各結合出力（Ｑ１）及び（Ｑ２）間の関係はそれぞれブール代数ＮＡＮＤ及びＯＲを満たすことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
ブール代数ＮＯＲ／ＸＯＲ／ＡＮＤを満たすように、三つの量子スイッチが互いに連結され、前記第１量子スイッチの前記出力（Ｑ１）及び（Ｑ２）は平行な両量子スイッチとして使用され、前記平行な量子スイッチからの前記各出力（Ｑ２）及び（Ｑ１）はそれぞれ出力（Ｚ）に結合されるので、前記各非線形媒質に印加される前記三つのレーザービームと前記出力（Ｑ１）、（Ｑ２）及び（Ｚ）間の関係はそれぞれブール代数ＮＯＲ、ＡＮＤ及びＸＯＲを満たすことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
単一または多数の非線形光学媒質を使用する光子ロジックゲート装置であって、前記非線形光学媒質は三つの基底状態｜１＞、｜２＞及び｜３＞と励起状態｜４＞とからなり、前記基底状態｜１＞、｜２＞及び｜３＞は基底状態｜１＞と｜２＞、｜１＞と｜３＞、｜２＞と｜３＞間での遷移が双極子禁制（ｄｉｐｏｌｅ  ｆｏｒｂｉｄｄｅｎ）であるような基底状態であり、前記励起状態｜４＞は励起状態｜４＞を介しての前記基底状態｜１＞と｜２＞、｜１＞と｜３＞、｜２＞と｜３＞間の２光子遷移が許されるような励起状態であり、前記装置はつぎの要素を含むことを特徴とする装置。
ａ）前記基底状態｜１＞と前記励起状態｜４＞間の第１遷移に対応する周波数ωＡで前記非線形光学媒質を前記第１レーザービーム（Ａ）に印加するための第１レーザービーム；
ｂ）前記基底状態｜２＞と前記励起状態｜４＞間の第２遷移に対応する周波数ωＣで第２レーザービーム（Ｃ）を前記非線形光学媒質に印加するための第２レーザービームソース；
ｃ）前記基底状態｜３＞と前記励起状態｜４＞間の第３遷移に対応する周波数ωＳで第３ビーム（Ｓ）を前記非線形光学媒質に印加するための第３レーザービームソース；
ｄ）前記基底状態｜３＞と前記励起状態｜５＞間の第４遷移に対応する周波数ωＲで第４ビーム（Ｒ）を前記非線形光学媒質に印加するための第４レーザービームソース；
ｅ）前記基底状態｜３＞と前記励起状態｜４＞間の第３遷移に対応する周波数ωＳで前記各非線形光学媒質に印加するために、前記第３レーザービーム（Ｓ）を二つまたは多数のビームに分割するための手段；
ｆ）多数の非線形光学媒質から非縮退４光波混合信号（Ｑ１）及び（Ｑ２）をそれぞれ対応光チャネルに結合するための手段；
ｇ）前記第１ビーム、前記第２ビーム、前記第３ビーム及び前記第４ビームの強度及び周波数を調整して、前記基底状態｜１＞と｜２＞、｜１＞と｜３＞、及び｜２＞と｜３＞間のコヒーレント重畳を作るための手段；
ｈ）第１レーザービーム（Ａ）、第３レーザービーム（Ｓ）及び第４レーザービーム（Ｒ）を互いに同期化するか遅延させるための手段；及び
ｉ）第１レーザービーム（Ａ）、第２レーザービーム（Ｃ）、第３レーザービーム（Ｓ）及び第４レーザービーム（Ｒ）を非線形光学媒質内に空間的に重畳させるための手段。
【請求項１４】
前記非線形光学媒質は固体であることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記非線形光学媒質は多重結合半導体であることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記三つの基底状態｜１＞、｜２＞及び｜３＞と、前記励起状態｜４＞及び｜５＞は、前記多重結合半導体の伝導帯内で選択されることを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記非線形光学媒質は、光導波路、自由空間、またはプラズモン導波路を介して前記レーザービーム（Ａ）、（Ｃ）、（Ｓ）、（Ｒ）、（Ｑ１）及び／または（Ｑ２）に連結されることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項１８】
前記第１レーザービーム（Ａ）は、前記第３レーザービーム（Ｓ）に作用してブール代数ＮＯＴに対する前記出力（Ｑ１）を作り出すことを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項１９】
前記非線形媒質は、前記第１非線形媒質の前記出力（Ｑ１）が前記第３レーザービーム（Ｓ）として前記第２非線形媒質に供給されるように連結され、前記各非線形媒質に印加される二つの第１レーザービーム（Ａ）と前記第２非線形媒質の前記出力（Ｑ１）間の関係はブール代数ＮＯＲを満たすことを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項２０】
前記非線形媒質は、前記第１非線形媒質の前記出力（Ｑ２）が前記第３レーザービーム（Ｓ）として前記第２非線形媒質に供給されるように連結され、前記各非線形媒質に印加される二つの第１レーザービーム（Ａ）と前記第２非線形媒質の前記出力（Ｑ２）間の関係はブール代数ＡＮＤを満たすことを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項２１】
前記第３レーザービーム（Ｓ）は二つの媒質が共有しており、前記各出力（Ｑ１）及び（Ｑ２）は互いに結合され、結果は各非線形媒質の前記二つの第１レーザービーム（Ａ）に対してブール代数ＮＡＮＤ及びＯＲを満たすことを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項２２】
三つの非線形媒質は、前記一つの非線形媒質からの両出力（Ｑ１）及び（Ｑ２）が前記残りの二つの非線形媒質の第３レーザー（Ｓ）に使用されるように連結され、前記出力（Ｑ１）及び（Ｑ２）は互いに結合されるので、三つの出力がそれぞれブール代数ＮＯＲ、ＸＯＲ及びＡＮＤを満たすことを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子スイッチを使用する光子ロジックゲート方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ロジックゲートは、単一出力を生成するために、一つ以上の論理入力を使用するデータ処理における論理演算に使用される。通常に、この論理は、ＮＯＴ、ＯＲ、ＮＯＲ、ＸＯＲ、ＸＮＯＲ、ＡＮＤ及びＮＡＮＤなどのブール論理（Ｂｏｏｌｅａｎ  ｌｏｇｉｃ）といわれる。電子中央演算処理装置において、ロジックゲートは演算作業を実行するための基本単位として作用する。ムーアの法則(Ｍｏｏｒｅ’ｓ  ｌａｗ）によれば、より速い情報処理が要求されることによって、ＣＰＵは、１９７０年代中盤以来、２００６年現在３．７ＧＨｚまで指数関数的に発展されてきた。しかし、ゲート幅に依存するスイッチング時間及び電磁波干渉制限操作の帯域幅のような方法の電子トランジスタに本質的限界であった。このような本質的限界を克服するため、最近の数十年間光ロジックゲートが研究されてきた。一方、電子キャリアの対応部として、光信号は、電磁波干渉及び大きさによる速度制限がない。また、並行処理は固有の利点である。最近、半導体光増幅器（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｏｐｔｉｃａｌ−ａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ＳＯＡ）及びエルビウム添加繊維増幅（ＥＤＦＡ）を使用して、多様なブール（Ｂｏｏｌｅａｎ）代数ＮＯＴ、ＯＲ、ＮＯＲ、ＡＮＤ、ＸＯＲ及びＮＡＮＤ用高速全光ロジックゲートが立証された。しかし、コンピュータ装置は、消費電力の低減、装置サイズの小型化、及び高速化などの特定の実用性条件を満たさなければならない。１９８０年以来、数種のブール代数に基づく光ロジックゲートが提案されて証明された。ミラー及びビームスプリッタなどの線形光学を利用する大きな光ロジックゲートが適用された。もちろん、光ゲートに基づくこの線形光学は、大きなサイズのために効率が低下する。
【０００３】
最近、非線形光学による光ロジックゲートが集中的に研究されている。この分野で、ＳＯＡは光ロジックゲートを形成するための最も有用な要素である。ＳＯＡを光ロジックゲートに導入することにより、装置のサイズ及び消費電力が非常に削減された。ＳＯＡによる光ロジックゲートの物理的過程は電流によって発生する屈折率変化を用いることである。従来の光スイッチング法において、屈折率変化に必要な時間はスイッチング時間に絶対的に制限される。ここで、屈折率変化はキャリアの再分配時間によって制限される。よって、従来の光スイッチング時間は根本的にキャリアの寿命によって制限され、この時間は数ｎｓ以下である。ＳＯＡが〜１００ｍＷの比較的低い電力を消耗すると言っても（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２３，ｐｐ．１２７１−３（１９９７））、ただ１００万個のＳＯＡからなる可能な光学ＣＰＵに対する評価された総電力及びサイズはそれぞれ数ｋＷ〜１００ｋＷ及び数平方メートルに至るが、これは決して現実的でない。ここで、最新の電子ＣＰＵはクロック速度３．７ＧＨｚに至り、およそ３億個のトランジスタを含み、約１００Ｗの消費電力が必要である（ｗｗｗ．ｉｎｔｅｌ．ｃｏｍ／ｒｅｓｅａｒｃｈ／ｓｉｌｉｃｏｎ／ｍｉｃｒｏｎ．ｈｔｍ）。
【非特許文献１】Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２３，ｐｐ．１２７１−３（１９９７）
【０００４】
一方、物質の三つのエネルギー状態に二つの異なる波長の光を作用することで、物質に量子干渉で急激な屈折率が変化する非線形量子現像、即ち電磁波誘導透過化（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ：（ＥＩＴ））を用いることにより、光スイッチング効果を得ることができる（ハリス（Ｈａｒｒｉｓ）のＰｈｙｓｉｃｓ  Ｔｏｄａｙ，Ｖｏｌ．５０，ｐ．３６（１９９５））。共鳴する光媒質のエネルギー準位構造は、二つの密接に離隔した基底状態と一つの励起状態、二つの密接に離隔した励起状態と一つの基底状態、または任意に離隔した階段式システムを満たす。量子干渉による屈折率変化は密接に離隔した状態での強いスピンコヒーレンス励起及び吸収消失を引き起こす。急な吸収スペクトルの変化のために、共鳴周波数での急激な分散勾配によって遅い光現像が引き起こされる（トゥルキンら（Ｔｕｒｕｋｈｉｎ  ｅｔ  ａｌ．）のＰｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８８，ｐ０２３６０２（２００２））。
【非特許文献２】Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｔｏｄａｙ，Ｖｏｌ．５０，ｐ．３６（１９９５）
【非特許文献３】Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８８，ｐ０２３６０２（２００２）
【０００５】
ＥＩＴの場合、屈折率変化に必要な時間はキャリアの寿命または緩和時間によって制限されずに位相減衰時間によって決まる。ここで、位相減衰時間は普段は固体での緩和時間よりずっと短い。具体的には、位相減衰時間は、Ｐｒ３＋添加Ｙ２ＳｉＯ５などのほとんどのイオン添加結晶におけるキャリアの寿命より数百倍早いので、超高速の光学的処理が得られる：量子スイッチング（ハム（Ｈａｍ）の  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８５，ｐｐ．８９３−５（２００４））。密接に離隔した基底状態間の２光子励起は、非縮退４光波混合（ｎｏｎｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ  ｆｏｕｒ−ｗａｖｅ  ｍｉｘｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）の方法を用いて光学的に検出される。その結果として、非縮退４光波混合信号の強度は元の入力信号の強度より強くなることができる
【非特許文献４】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉ（ヘンメルら（Ｈｅｍｍｅｒ  ｅｔ  ａｌ．のＯｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２０，ｐｐ．９８２−４（１９９５））。ｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８５，ｐｐ．８９３−５（２００４）
【非特許文献５】Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２０，ｐｐ．９８２−４（１９９５）
【０００６】
二つの密接に離隔した基底状態が三つの密接に離隔した状態と切り替えられるとともに波長が異なる三つの光が当時に励起状態に共鳴印加される場合、量子スイッチング現像が得られる（ハム（Ｈａｍ）Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８４，ｐｐ．４０８０−３（２０００））。量子スイッチの物理的過程は光学的に制御可能なスピンコヒーレンススワッピングであり、光スイッチング時間は、従来の屈折率に基づく光スイッチよりずっと早い。この事実は、１００倍増加した光スイッチング時間に対してＰｒ３＋添加Ｙ２ＳｉＯ５（Ｐｒ：ＹＳＯ）を使用して実験的に証明された（ハム（Ｈａｍ）のＡｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８５，ｐｐ．８９３−５（２００４））。
【非特許文献６】Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８４，ｐｐ．４０８０−３（２０００）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の主目的は、量子スイッチング現像に基づく光子ロジックゲート方法及び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】
この発明は、単一または多数の量子スイッチを使用する光子ロジックゲート方法であって、前記量子スイッチの非線形光学媒質は三つの密接に離隔した基底状態｜１＞、｜２＞及び｜３＞と励起状態｜４＞及び｜５＞とからなり、前記基底状態｜１＞、｜２＞及び｜３＞は基底状態間での遷移が双極子禁制（ｄｉｐｏｌｅ  ｆｏｒｂｉｄｄｅｎ）であるような基底状態であり、前記励起状態｜４＞及び｜５＞は励起状態｜４＞（及び前記｜５＞が実際エネルギー状態の場合は、前記励起状態｜５＞）を介しての前記基底状態｜１＞と｜３＞、｜２＞と｜３＞、｜１＞と｜２＞間の２光子遷移が許されるような励起状態であり、前記方法はつぎの段階を含むことを特徴とする方法。
ａ）前記基底状態｜１＞と前記励起状態｜４＞間の第１遷移に対応する周波数ωＡで光導波路または自由空間を介して入力ビーム（Ａ）として第１レーザービームを前記非線形光学媒質に印加する段階；
ｂ）前記基底状態｜２＞と前記励起状態｜４＞間の第２遷移に対応する周波数ωＣで光導波路または自由空間を介して第２レーザービーム（Ｃ）を印加する段階；
ｃ）前記基底状態｜３＞と前記励起状態｜４＞間の第３遷移に対応する周波数ωＳで光導波路または自由空間を介して第３レーザービーム（Ｓ）を印加する段階；
ｄ）前記基底状態｜３＞と前記励起状態｜５＞間の第４遷移に対応する周波数ωＲで光導波路または自由空間を介して第４レーザービーム（Ｒ）を印加する段階；
ｅ）前記第１レーザービーム（Ａ）、前記第２レーザービーム（Ｃ）、前記第３レーザービーム（Ｓ）及び前記第４レーザービーム（Ｒ）の強度を調整し、それぞれ２光子コヒーレンス誘導［Ｒｅρ２３］２または［Ｒｅρ１３］２に対応する周波数ωＱ１またはωＱ２での非縮退４光波混合信号（Ｑ１）または（Ｑ２）を生成する段階；
ｆ）前記非縮退４光波混合信号（Ｑ１）及び（Ｑ２）を物理的に分離された光導波路に連結する段階；
ｇ）前記（Ｓ）を共有する方式で二つ量子スイッチを連結し、光導波路または自由空間を介して前記非縮退４光波混合信号（Ｑ１）または（Ｑ２）をそれぞれ互いに結合する段階；
ｈ）一量子スイッチからの非縮退４光波混合信号（Ｑ１）及び他の非縮退４光波混合信号（Ｑ２）を結合する方式で二つの量子スイッチを連結する段階；
ｉ）前記第１量子スイッチの前記非縮退４光波混合信号（Ｑ１）または（Ｑ２）を光導波路または自由空間を介して第２量子スイッチの前記第３レーザービーム（Ｓ）に連結する段階；及び
ｊ）前記第１量子スイッチの非縮退４光波混合信号（Ｑ１）及び（Ｑ２）のそれぞれを光導波路または自由空間を介して前記第２及び第３量子スイッチの前記第３レーザービーム（Ｓ）にそれぞれ連結する段階。
【発明の効果】
【０００９】
この光子ロジックゲートは、動作速度及びサイズにおいて従来の光ロジックゲートの限界を克服すべきである。光子ロジックゲートの主な特徴は、光導波路または自由空間を介して非線形光学媒質と相互作用する波長が異なる三つ及び四つのレーザービームからなる単一の物理的ゲートで多重ゲート機能のために量子スイッチ及びＥＩＴの量子光学を用いることである。量子スイッチ（ハム（Ｈａｍ）の米合衆国特許第６６２８４５３号）に示されているように、本光子ロジックゲートの動作帯域幅は緩和時間またはキャリア寿命に制限されない。本発明の主な利点は、すべての光デジタル処理だけでなく量子コンピュータからなる量子ネットワークでの量子インターフェースにも適用可能なことである。略述すれば、本発明の光子ロジックゲートのシステムは、非線形光学媒質及び少なくとも四つのコヒーレントレーザービームからなる単一または多重に連結された量子スイッチによって提供される。量子スイッチの非線形光学媒質は少なくとも４エネルギー準位でできている。このエネルギー準位のうち、三つのエネルギー準位は基底状態に密接に離隔しており、最終のエネルギー準位は励起状態でなければならない。Ａ、Ｃ及びＳのレーザービームの周波数はそれぞれ非線形光学媒質の三つの基底状態｜１＞、｜２＞及び｜３＞から励起状態｜４＞への遷移に共鳴する（図１及び図２参照）。レーザービーム（Ｒ）は出力（Ｑ１）または（Ｑ２）を発生するための非縮退４光波混合のプローブとして使用される。非縮退４光波混合出力（Ｑ１）及び／または（Ｑ２）は光子ロジックゲートを構成するために第２／第３非線形媒質に対する入力として使用可能である。出力（Ｑ１）及び（Ｑ２）の出力方向は物理的に分離されるので、量子スイッチは光学ルータとして作用する（ハム（Ｈａｍ）のＡｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．８５，ｐｐ．８９３−８９５（２００４））。各レーザービームは、ヘテロ構造の量子井戸、光子バンドギャップ結晶、絶縁体上のシリコン、または表面プラズモンでできている光導波路によって案内できる。光導波路は本発明の部分ではない。二つの量子スイッチを直列でまたは並列で連結することにより、ブール論理、つまりＮＯＴ、ＮＡＮＤ、ＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲ及びＮＯＲを実行する。光ロジックゲートは光導波路によって拡張の目的で延長可能であり、二つの光子ロジックゲート間の移動時間は無視してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、単一または多数の量子スイッチが暗共鳴（ｄａｒｋ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）相互作用に用いられる量子スイッチに基づく光子ロジックゲートシステム、方法及び装置であって、波長が異なる三つの光が非縮退４光波混合法によって三つの基底状態及び一つ以上の励起状態からなる４段または５段非線形光媒質と相互作用する。この光子ロジックメカニズムは、共通の励起状態を介しての光学遷移による三つの密接に離隔した基底状態の間で単一または多数の暗共鳴由来の２光子コヒーレンススワッピングの組合せに基づく。基底状態で引き起こされた２光子コヒーレンスは非縮退４光波混合法によって光学的に検出される。非縮退４光波混合発生は、暗共振または電磁気による透明化によって強化される。本発明の光子ロジックゲート法のゲートタイム及び帯域幅は緩和時間またはキャリアの寿命によって制限されなく、位相減衰時間によって制限される。ここで、位相減衰時間は一般に固体または半導体での減衰時間より非常に早い。
【実施例】
【００１１】
添付図面は本発明のいくつかの実施例を例証するもので、詳細な説明とともに本発明の原理を説明するに役立つ。添付図面は本発明の好ましい実施例を例証するばかりで、本発明を限定するものと解釈されてはいけない。
【００１２】
さらなる理解を得るために、本発明の好ましい実施例を図解する図面を参照する。図１は、単一量子スイッチを使用する光子ロジックゲートを説明する。文字Ｒ、Ｓ、Ｃ、Ａ、Ｑ１及びＱ２はそれぞれωＲ、ωＳ、ωＣ、ωＡ、ωＱ１及びωＱ２を意味する。符号１０１ないし１０６はレーザービーム及びこのレーザービーム用光導波路を意味する。符号１０７は非線形光学媒質を意味する。量子論（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ．Ｖｏｌ．８４，ｐｐ．４０８０−４０８３（２０００），ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７８，ｐｐ．３３８２−３３８４（２００１）；Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８５，ｐｐ．８９３−８９５（２００４）；米合衆国特許第６６２８４５３号（２００３））によれば、論理入力ビーム（Ａ）１０２がＯＮに切り替えられるときは、出力（Ｑ１）１０４がいつでもＯＦＦであり、その逆の場合も同じである。ここで、離調（ｄｅｔｕｎｉｎｇ）Δが０でなければ、レーザービームＣ、Ｒは連続的であることが分かる（離調Δは図２に示す）。離調Δが０であれば、レーザービーム（Ｃ）１０３及び（Ｒ）１０６が連続的でなく、パルス化して制御ビーム（Ｃ）（１０２）に同期化しなければならない。表１は、図１の結果としてのブール代数を表す。
【００１３】
【表１】
2008546043.tif 000003
【００１４】
ここで、励起されたエネルギー状態｜５＞は仮想または実際のものである。離調Δが０でない｜５＞の実際状態に対しては、パルス化非縮退（ｐｕｌｓｅｄ  ｎｏｎｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ）４光波混合を立証した（ハム（Ｈａｍ）のＯｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２４，ｐｐ．８６−８８（１９９９））
【００１５】
図２は、図１の非線形光学媒質のエネルギー準位図を示す。一般に、この種のエネルギー準位構造は、Ｙ２ＳｉＯ５（ＹＳＯ）添加Ｐｒ３＋などの希土類イオン添加結晶に典型的である。ここで、下側の三つのエネルギー準位は、希土類イオン添加結晶での超微細分裂に起因するものである。また、図２のエネルギー準位構造は、半導体量子井戸または量子ドットを多重に結合させることにより、人工的に得ることができる。図１の非線形光学媒質１０７は、四つのエネルギー状態、｜１＞、｜２＞、｜３＞及び｜４＞または五つのエネルギー状態、｜１＞、｜２＞、｜３＞、｜４＞及び｜５＞を有する。図２の状態｜４＞はエネルギーが｜１＞、｜２＞及び｜３＞より高い。実際に、図１の非線形光学媒質は五つのエネルギー準位を有することができるが、図２に示す前述したエネルギー準位のみが本発明の光子ロジック機構に貢献する。図２の離調（ｄｅｔｕｎｉｎｇ）Δは、状態｜３＞から｜４＞までの共鳴周波数からωＲでのレーザービームＲのオフセット量である（すなわち、Δ＝ω４３−ωＲ、ここでω４３＝ω４−ω３）。周波数ωＱ１でのレーザービームＱ１は非縮退４光波混合によって発生する。ここで、Ｃ、Ｓ及びＲの三つのレーザー相互作用はそれぞれ周波数ωＣ、ωＳ及びωＲで非線形光学媒質と関係する。同様に、周波数ωＱ２でのレーザー出力Ｑ２はそれぞれωＡ、ωＳ及びωＲでのＡ、Ｓ及びＲの三つの相互作用を伴う非縮退４光波混合によって発生する。図２の非縮退４光波混合信号Ｑ１及びＱ２の伝播方向ｋＱ１及びｋＱ２はそれぞれ位相整合条件：ｋＱ２＝ｋＡ−ｋＳ＋ｋＲ；ｋＱ１＝ｋＣ−ｋＳ＋ｋＲによって決められる。ここで、非縮退４光波混合発生は暗共鳴（ｄａｒｋ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）またはＥＩＴによって強く強化される。このような４光波混合の強化を理解するために、より詳細な説明を以下に提示する。
【００１６】
非縮退４光波混合はハリス（Ｈａｒｒｉｓ）が提案し（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．６４，ｐｐ．１１０７−１１１０（１９９１））、ジェーンらが原子ガス内で実験的に立証し（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．１８，ｐｐ．９８−１０１（１９９３））、ハム（Ｈａｍ）らがイオン添加された固体内で実験的に立証した（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．２２，ｐｐ．１１３８−１１４０（１９９７））。また、非縮退４光波混合法に対する信号増幅及び高変換効率もヘンメル（Ｈｅｍｍｅｒ）らが実験的に立証し（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２０，ｐｐ．９８２−９８４（１９９５））、ジェーンらが実験的に立証した（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７７，ｐｐ．４３２６−４３２９（１９９６））。また、非縮退４光波混合法の高変換効率もハム（Ｈａｍ）らがイオン添加された固体内で実験的に立証した（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ａ，  Ｖｏｌ．５９，ｐｐ．Ｒ２５８３−２５８６（１９９９））。非縮退４光波混合法の強化は、破壊的及び建設的量子干渉によって１次線形感受率が減少し３次非線形感受率が向上することに基づく。
【００１７】
レーザー入力と非縮退４光波混合出力信号間のより詳細な関係を表すために、コヒーレンススワッピング（ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  ｓｗａｐｐｉｎｇ）を理解しなければならない。図２において、コヒーレンススワッピングを調べるために、密度行列ρを検討すべきである。密度行列はシステムの巨視的なアンサンブルであった（ｑｕａｎｔｕｍ  ｏｐｔｉｃｓ，ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｐｒｅｓｓ，ｎｅｗ  ｙｏｒｋ，ｎ．ｙ．（１９９７），スカリー（ｓｃｕｌｌｙ）及びズバイリ（ｚｕｂａｉｒｙ）編集）。図２において、二つのレーザービームＣ及びＳは励起状態｜４＞を介して遷移｜２＞−｜３＞に２光子コヒーレンスρ２３を引き起こす。同様に、二つのレーザービームＡ及びＳも励起状態｜４＞を介して基底状態遷移｜１＞−｜３＞に２光子コヒーレンスρ１３を引き起こす。特に、暗共鳴（ｄａｒｋ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）またはＥＩＴを伴う場合、２光子コヒーレンスが強く促進される。ここで、暗共鳴（ｄａｒｋ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）またはＥＩＴは同じ物理的現像であるが、ＥＩＴという用語は吸収消失に起因するので、共鳴電磁界は何の吸収も経験せずに光学的に厚い媒質を通過することができる。
【００１８】
図３はＰｒ３＋を用いる量子スイッチング（ルーティング）の理論データ及び実験データを示す：離調（ｄｅｔｕｎｉｎｇ）Δ＝０に対し、図２に基づくＹＳＯ：Δは遷移｜１＞＝｜４＞の共鳴周波数からのレーザービームの離調（ｄｅｔｕｎｉｎｇ）を意味する。図３に見られるように、２光子コヒーレンスＲｅρ１３及びＲｅρ２３の強度はＡのレーザー作用によって互いにスワップされる：２光子コヒーレンスはレーザービームＲを使用して光学的に検出することができ、結果として非縮退４光波混合信号Ｑ１またはＱ２が発生する。図３ａ及び図３ｂの非縮退４光波混合信号の実験データは、理論的に計算された２光子コヒーレンス強度［Ｒｅρ１２］とよく一致している（ハムら（Ｈａｍ  ｅｔ  ａｌ）のＰｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ａ，Ｖｏｌ．５９，Ｒ２５８３−Ｒ２５８６（１９９９），Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ．Ｖｏｌ．８４，ｐｐ．  ４０８０−４０８３（２０００），ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７８，ｐｐ．３３８２−３３８４（２００１）；Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８５，ｐｐ．８９３−８９５（２００４）；米合衆国特許第６６２８４５３号（２００３））。
【００１９】
図４は二つの量子スイッチが直列で連結された光子ロジックゲートＮＯＲを説明する。ここで、左側（第１）量子スイッチ（ＱＳ１）４１２の出力（Ｑ１）４１０は入力として右側（第２）量子スイッチ（ＱＳ２）４１３に供給される（図１のＳ参照）。ＱＳ１からの論理的入力レーザービーム（Ａ）４０２及びＱＳ２からの論理的入力レーザービーム（Ｂ）４０４は光学的論理入力を実行し、結果として出力（Ｘ）４０６でブール代数ＮＯＲとなる。前述したように、Δ≠０であると、各量子スイッチに印加されるレーザービーム（Ｒ）４０８、４１１は連続波となり得る。Δ＝０であると、Ｒがパルス化し入力ロジックレーザー（Ａ）４０２と同期化しなければならない。入力レーザービーム（Ａ）４０２及び（Ｂ）４０４の両者も同期化しなければならない。表２は二つの論理入力（Ａ）４０２及び（Ｂ）４０４の組合せによって出力（Ｘ）４０６となるＮＯＲのブール代数を表す。
【００２０】
【表２】
2008546043.tif 000004
【００２１】
図５は直列で連結された二つの量子スイッチからなる光子ロジックゲートＡＮＤを示す。ここで、左側量子スイッチ（ＱＳ１）５１２の出力（Ｑ２）５０９は入力（Ｓ）として右側量子スイッチ（ＱＳ２）５１３に供給される（図１のＳ参照）。ＱＳ１からの論理入力ビーム（Ａ）５０２及びＱＳ２からの（Ｂ）５０４の組合せによって、出力（Ｙ）５０７にブール代数ＡＮＤが作られる。前述したように、Δ≠０であると、各量子スイッチに印加されるレーザービーム（Ｒ）５１１、５０８は連続波となり得る。しかし、Δ＝０であると、Ｒがパルス化し入力ロジックレーザー（Ａ）５０２と同期化しなければならない。入力レーザービーム（Ａ）５０２及び（Ｂ）５０４の両者も同期化しなければならない。表３は二つの論理入力（Ａ）５０２及び（Ｂ）５０４によって出力（Ｙ）５０７で現れる結果としてのブール代数ＡＮＤを表す。
【００２２】
【表３】
2008546043.tif 000005
【００２３】
図６は光子ロジックゲート、ＮＡＮＤ／ＯＲを示す。このシステムは、直列で連結された二つの量子スイッチからなり、ソースレーザー（Ｓ）６０１を共有している。上側量子スイッチ（ＱＳ１）６１３からの出力Ｑ１及び下側量子スイッチ（ＱＳ２）６１４からの出力Ｑ３が互いに結合して論理出力（Ｙ）６０５となる。読み取られたレーザービーム（Ｒ）６０９、６０６は、離調（ｄｅｔｕｎｉｎｇ）Δが０でなければ、アイドラーとして連続波であり、あるいは離調（ｄｅｔｕｎｉｎｇ）Δが０であれば、パルスとして論理入力レーザービーム（Ａ）６０２及び（Ｂ）６０７に同期化する。ソースレーザービーム（Ｓ）６０１はＹブランチまたはビームスプリッタなどの光スプリッタ／コンバイナ６１０、６１１、６１２を通じて二つの成分に分割される。二つの入力（Ａ）６０２及び（Ｂ）６０７の作用下で、出力ロジックレーザービーム（Ｘ）６０４及び（Ｙ）６０５はそれぞれブールロジック演算ＮＡＮＤまたはＯＲを実行する（表４参照）。
【００２４】
【表４】
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【００２５】
図７は光子ロジックゲート、ＮＯＲ／ＸＯＲ／ＡＮＤを示す。このシステムは三つの量子スイッチからなるが、このうち二つは最終のものに連結されている。量子スイッチ（ＱＳ１）７１６の各出力（Ｑ１）７１２及び（Ｑ２）７１０はそれぞれ量子スイッチ（ＱＳ２）７１８及び（ＱＳ３）７１７に対する入力として使用される。出力（Ｐ１）７０６は論理出力Ｘとして使用される。出力（Ｐ２）及び（Ｐ３）は互いに結合し（７１９）、論理出力（Ｚ）７０７となる。出力（Ｐ４）７０８は論理出力（Ｙ）として使用される。二つの論理入力（Ａ）７０２及び（Ｂ）７０４、７１５が与えられ、ここで、ＡはＱＳ１に対するものであり、ＢはＱＳ２及びＱＳ３に対するものである。（Ｒ）７１１、７１３、１９７及び（Ｃ）７０３、７０５、７１４の機能は前述したようである。表５に見られるように、二つの論理入力（Ａ）及び（Ｂ）は、出力（Ｘ）でブール代数ＮＯＲを、出力（Ｚ）でブール代数ＸＯＲを、出力（Ｙ）でブール代数ＡＮＤを同時に実行する。
【００２６】
【表５】
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【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、すべての光デジタル処理だけでなく量子コンピュータからなる量子ネットワークでの量子インターフェースにも適用可能なことである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の光子ロジックゲートＮＯＴのブロック図を示す。図１は量子スイッチ（米合衆国特許第６６２８４５３号）と非常に類似している。
【図２】図１の非線形光学媒質１０７のエネルギー準位図を示すもので、基底状態間の周波数差は基底状態と励起状態間の遷移周波数よりずっと小さい。励起エネルギー状態｜５＞は周波数離調（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｄｅｔｕｎｉｎｇ）Δの値によって仮想、実際あるいは状態｜４＞と同一であることができる。文字Ｒ、Ｓ、Ｃ、Ａ、Ｑ１及びＱ２は、それぞれωＲ、ωＳ、ωＣ、ωＡ、ωＱ１及びωＱ２の周波数でのレーザービームを意味する。
【図３】図２の実験データ（ａ、ｂ）及び理論データ（ｃ、ｄ）を示す（量子スイッチング（ルーティング））。出力ビーム（Ｑ１）及び（Ｑ２）の空間方向はレーザービームの移相整合条件によって決まり、空間方向は互いに同一であるか異なる。
【図４】本発明の光子ロジックゲートＮＯＲの概略図を示す。文字ＱＳは図１のレーザービームＲ、Ｓ、Ｃ、Ａ、Ｑ１（またはＸ）、及びＱ２（またはＹ）に使用される光導波路によって連結される非線形光学媒質１０７からなる量子スイッチを意味し、図２を満たす。
【図５】本発明の光子ロジックゲートＡＮＤの概略図を示す。文字ＱＳは図１のレーザービームＲ、Ｓ、Ｃ、Ａ、Ｑ１（またはＸ）、及びＱ２（またはＹ）に使用される光導波路によって連結される非線形光学媒質１０７からなる量子スイッチを意味し、図２を満たす。
【図６】本発明の光子ロジックゲートＮＡＮＤ／ＯＲの概略図を示す。文字ＱＳは量子スイッチを意味するもので、レーザービームＲ、Ｓ、Ｃ、Ａ、Ｂ、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｘ及びＹに使用される光導波路によって連結された非線形光学媒質からなる。
【図７】本発明の光子ロジックゲートＮＯＲ／ＸＯＲ／ＡＮＤの概略図を示す。文字ＱＳはレーザービームＲ、Ｓ、Ｃ、Ａ、Ｂ、Ｑ１、Ｑ２、Ｘ、Ｙ及びＺに使用される光導波路によって連結された非線形光学媒質からなる量子スイッチを意味する。
【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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【国際調査報告】
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