(57)【要約】【課題】  偏光状態が未知であるような、互いに異なる光経路上を進行する制御光子及び標的光子に対する量子位相シフトゲート操作を可能にする量子位相シフトゲート装置を提供する。【解決手段】  量子位相シフトゲート装置において、原子系１２が励起準位の場合に対しては位相をπだけ変えて光子を反射し、基底準位ｇの場合に対しては光子を透過する原子−共振器系と、前記透過した光子を反射する手段と、原子系の基底準位ｇと第一励起準位ｅ１間で回転操作を行うためのレーザーパルス生成装置と、光子のＸ偏光成分とＹ偏光成分を分離または合体させる偏光ビームスプリッター６，７と、光を全反射する反射鏡１４，１５とを備え、レーザーパルスを共振器軸方向から照射して、制御光子と標的光子を互いに異なる入出力部から処理する。【選択図】図１
2008275673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）原子系が励起準位の場合に対しては位相をπだけ変えて光子を反射し、基底準位の場合に対しては光子を透過する原子−共振器系と、
（ｂ）前記透過した光子を反射する手段と、
（ｃ）原子系の基底準位ｇと第一励起準位ｅ１間で回転操作を行うためのレーザーパルス生成装置と、
（ｄ）光子のＸ偏光成分とＹ偏光成分を分離または合体させる偏光ビームスプリッターと、
（ｅ）光を全反射する反射鏡とを備え、
（ｆ）レーザーパルスを共振器軸方向から照射して、制御光子と標的光子を互いに異なる入出力部から処理するようにしたことを特徴とする量子位相シフトゲート装置。
【請求項２】
（ａ）原子系が第一励起準位の場合に対しては基底準位の場合と比べて、位相をπだけ変えて光子を反射する原子−共振器系と、
（ｂ）原子系の基底準位ｇと第一励起準位ｅ１間で回転操作を行うためのレーザーパルス生成装置と、
（ｃ）光子のＸ偏光成分とＹ偏光成分を分離または合体させる偏光ビームスプリッターと、
（ｄ）標的光子Ｘ偏光成分の光経路を制御光子Ｘ偏光成分の光経路に変換し、また、その逆変換をする手段と、
（ｅ）光を全反射する反射鏡とを備え、
（ｆ）レーザーパルスを共振器軸方向から照射して、制御光子と標的光子を互いに異なる入出力部から処理するようにしたことを特徴とする量子位相シフトゲート装置。
【請求項３】
請求項１記載の量子位相シフトゲート装置において、前記原子−共振器系は、透過率の等しいミラーで構成された両側共振器を用い、左側のミラーの入出力場を制御光子の入出力部とし、右側のミラーを標的光子の入出力部として用いることを特徴とする量子位相シフトゲート装置。
【請求項４】
請求項１記載の量子位相シフトゲート装置において、前記量子位相シフトゲートの動作は、前記原子系の状態を（｜ｇ＞＋｜ｅ１＞）／√２とすることにより、入射光子の透過成分及び反射成分との間に量子もつれあい状態（｜ｇ＞｜透過成分＞−｜ｅ１＞｜反射成分＞）／√２を生成し、透過した光子を反射する手段によって、この状態をもつれ合っていない状態（｜ｇ＞−｜ｅ１＞）｜反射成分＞／√２に変換するようにしたことを特徴とする量子位相シフトゲート装置。
【請求項５】
請求項１又は２記載の量子位相シフトゲート装置において、前記原子−共振器系は、前記レーザーパルスを共振器の共振器軸方向から入射することにより前記原子系の状態を直接制御するために、基底準位ｇと第一励起準位ｅ１の間の遷移周波数がある一つの共振器モードの吸収スペクトラム幅内になるように、前記原子系と共振器軸長を選び、そして、前記共振器単一モードとそれらの準位間の結合（結合定数λ１）が弱結合領域になるように、前記共振器を構成するミラーの透過率を選ぶことにより、結合定数λ１をその共振器単一モードの緩和率κ′よりも小さくするようにしたことを特徴とする量子位相シフトゲート装置。
【請求項６】
請求項１又は２記載の量子位相シフトゲート装置において、これらの装置の全体の動作は、前記原子−共振器系における前記第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間と共振器単一モードとの結合が、弱結合領域であるか強結合領域であるかによらないことを特徴とする量子位相シフトゲート装置。
【請求項７】
請求項１又は２記載の量子位相シフトゲート装置において、ベル状態測定装置は、前記制御光子と前記標的光子の偏光状態が互いに同じか否かを判定するための偏光パリティ量子非破壊測定装置と、量子位相シフトゲートとアダマール変換ゲートとアダマール逆変換ゲートとにより構成された量子制御ＮＯＴゲートと、前記標的光子の偏光状態がＸ偏光の場合にＹ偏光に変換する手段とを備え、入力２光子偏光状態を４つのベル状態のうちの一つの状態に射影し、どの状態に射影されたかをこれらの光子の状態を破壊することなく判定するようにしたことを特徴とする量子位相シフトゲート装置。
【請求項８】
請求項７記載の量子位相シフトゲート装置において、前記ベル状態測定装置の全体の動作は、前記量子制御ＮＯＴゲートにより、前記制御光子と前記標的光子からなる合成系の偏光状態の基底を、４つのベル状態から４つの偏光固有状態｛｜Ｘ＞｜Ｘ＞、｜Ｘ＞｜Ｙ＞、｜Ｙ＞｜Ｘ＞、｜Ｙ＞｜Ｙ＞｝へ１対１で基底変換して、次に、前記偏光パリティ量子非破壊測定装置による射影測定により、偏光固有状態｛｜Ｘ＞｜Ｘ＞、｜Ｘ＞｜Ｙ＞｝を基底とする状態あるいは偏光固有状態｛｜Ｘ＞｜Ｙ＞、｜Ｙ＞｜Ｘ＞｝を基底とする状態に射影し、前記標的光子の偏光状態がＸ偏光の場合にＹ偏光に変換する手段により、前記偏光固有状態｛｜Ｘ＞｜Ｘ＞、｜Ｘ＞｜Ｙ＞｝を基底とする状態は｛｜Ｘ＞｜Ｙ＞、｜Ｘ＞｜Ｘ＞｝を基底とする状態へ、前記偏光固有状態｛｜Ｘ＞｜Ｙ＞、｜Ｙ＞｜Ｘ＞｝を基底とする状態は｛｜Ｘ＞｜Ｙ＞、｜Ｙ＞｜Ｙ＞｝を基底とする状態へ変換し、次に、前記偏光パリティ量子非破壊測定装置による射影測定により、４つのうち一つの偏光固有状態に射影することにより、最終的に観測者が知る偏光固有状態から、４つのベル状態のうちどのベル状態に射影されたのかを前記観測者が知るようにしたことを特徴とする量子位相シフトゲート装置。
【請求項９】
請求項７記載の量子位相シフトゲート装置において、前記偏光パリティ量子非破壊測定装置は、請求項１または請求項２に記載の量子位相シフトゲートとアダマール変換ゲートとアダマール逆変換ゲートとにより構成された量子制御ＮＯＴゲートと補助光子の偏光状態を測定するための手段とを備え、前記補助光子の偏光状態を測定することによって、互いに異なる光経路上を進行する制御光子と標的光子の偏光状態が互いに同じか否かを、これらの光子の状態を破壊することなく判定するようにしたことを特徴とする量子位相シフトゲート装置。
【請求項１０】
請求項９記載の量子位相シフトゲート装置において、前記偏光パリティ量子非破壊測定装置の全体の動作は、前記補助光子をアダマール変換した後、その補助光子と前記制御光子とを請求項１または請求項２に記載の量子位相シフトゲートの標的側入力部と制御側入力部とから各々入力し、続いて、出力された補助光子と標的光子を前記量子位相シフトゲートの標的側入力部と制御側入力部とから各々入力し、出力された補助光子をアダマール逆変換した後、その補助光子の偏光状態を測定し、その結果、前記補助光子の偏光状態の測定結果が初期偏光状態と同じである場合は、前記制御光子と前記標的光子の偏光状態は互いに同じであり、前記測定結果が初期偏光状態と異なる場合は前記制御光子と前記標的光子の偏光状態は互いに異なるようにしたことを特徴とする量子位相シフトゲート装置。
【請求項１１】
請求項１又は２記載の量子位相シフトゲート装置において、前記制御及び前記標的光子の中心周波数は、前記第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間の遷移周波数と同じとし、その周波数スペクトラム幅は、前記第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間の吸収スペクトラムの半値幅と同じか狭いようにしたことを特徴とする量子位相シフトゲート装置。
【請求項１２】
請求項１又は２記載の量子位相シフトゲート装置において、前記制御光子及び前記標的光子の光子波束の縦モード（進行方向）の波形は、関数ｅｘｐ［−Γ｜ｘ｜] で９０％以上の近似ができる波束を用い、Γは、前記第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間と共振器単一モードとの結合が弱結合領域の場合はこれらの準位間の（共振器軸方向から検出された）吸収スペクトラムの半値幅の半分以下で、強結合領域の場合は前記第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間と共鳴する共振器単一モードの緩和率以下であるようにしたことを特徴とする量子位相シフトゲート装置。
【請求項１３】
請求項１記載の量子位相シフトゲート装置において、前記透過した光子を反射する手段の構成要素である偏光フィルターは、光を全反射するための前記反射鏡と、Ｘ偏光を透過しＹ偏光を反射するための前記偏光ビームスプリッターと、直線偏光と円偏光とを相互に変換するためのλ／４波長板と、偏光の０度回転あるいは９０度回転を選択して行うための動的偏光回転子とからなり、該動的偏光回転子を用いて、偏光の０度回転と９０度回転を任意に行うことにより、前記Ｙ偏光成分は常に透過し、前記Ｘ偏光成分は反射と透過の選択を任意に行えるようにしたことを特徴とする量子位相シフトゲート装置。
【請求項１４】
請求項２記載の量子位相シフトゲート装置において、前記標的光子のＸ偏光成分の光経路を前記制御光子のＸ偏光成分の光経路に変換し、また、その逆変換をする手段は、前記標的光子のＸ偏光成分だけをＹ偏光に変換し、逆に、前記標的光子のＹ偏光成分だけをＸ偏光に変換する動的偏光回転子と、制御光子であるか標的光子であるかによらずＸ偏光成分をＹ偏光に変換し、逆にそれらのＹ偏光成分をＸ偏光に変換する静的偏光回転子とからなるようにしたことを特徴とする量子位相シフトゲート装置。
【請求項１５】
請求項９記載の量子位相シフトゲート装置において、前記偏光パリティ量子非破壊測定装置の構成要素の一つである進行方向切り替え手段は、動的偏光回転子と、偏光ビームスプリッターと、反射鏡と、静的偏光回転子とを含み、前記動的偏光回転子は、入射光の偏光を９０度回転または０度回転させることを選択的に行える回転子であり、前記偏光ビームスプリッターは、Ｘ偏光を反射し、Ｙ偏光を透過するものと、Ｘ偏光を透過し、Ｙ偏光を反射するものと両方が用いられ、前記反射鏡は光を全反射し、前記静的偏光回転子は、入射光の偏光を４５度回転させるようにして、前記偏光パリティ量子非破壊測定装置の補助光子検出器が反応したときだけ、入射光の偏光を９０度回転するように前記動的偏光回転子を設定することにより、前記補助光子検出器が反応しないときは前記制御光子及び前記標的光子を請求項１または請求項２記載の量子位相シフトゲートの入出力部に送り返すようにしたことを特徴とする量子位相シフトゲート装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光子の偏光状態を測定する装置に係り、特に、量子位相シフトゲート装置及びその応用としてのベル状態測定に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光や物質の量子力学的な状態を利用する量子情報技術は、安全性の高い暗号通信や、秘匿性の高い認証など、高度なセキュリティ技術を提供することができると期待されている。例えば、量子暗号通信では、量子力学的な２自由度を用いて表現される情報（以後、量子情報）を単一光子に乗せて伝送することで、通信路上での盗聴者の存在を確実に検知することができ、安全な秘密鍵の配布が可能になる。
【０００３】
ここでいう量子情報とは、以下のように説明される。
【０００４】
例えば、｜０＞、｜１＞という量子力学的な２自由度を用いることにする。古典的な情報（古典ビット）との違いは、量子情報では｜０＞と｜１＞という２通りの状態だけでなく、それらの間の重ね合わせ、ａ｜０＞＋ｂ｜１＞という状態まで表現できる点である。ここで、ａとｂは、｜ａ｜2 ＋｜ｂ｜2 ＝１を満たす複素数である。これは、０、１という２通りの値しか表現できない古典的なビットと比較して、量子ビットと呼ばれている。
【０００５】
なお、量子ビットの情報処理には、量子位相シフトゲートなどの量子状態に対する条件付制御が不可欠である。量子位相シフトゲートとは、２つの量子ビット（制御ビットと標的ビット）からなる状態のうち、状態｜１＞｜１＞の場合についてだけ、その位相をπだけ変えて、状態ｅｘｐ［−ｉπ］｜１＞｜１＞に変換するゲートである。その他の状態、｜１＞｜０＞, ｜０＞｜０＞, ｜０＞｜１＞は、このゲートによって何ら変化を受けない。
【０００６】
光子を量子位相シフトゲートの入力量子ビットとして用いる場合は、主として、光子の偏光モードに量子情報が符号化される。例えば、水平偏光｜Ｈ＞と垂直偏光｜Ｖ＞という２自由度を、量子情報を表現するための基底として用いることができる。このことから、その他の直線偏光や円偏光も｜Ｈ＞と｜Ｖ＞の重ね合わせとして表現できるため、光子の偏光状態によって１量子ビットを完全に記述できる。
【０００７】
単一原子は、単一光子レベルの光に対して敏感に反応し、光子数に応じて、劇的にその光応答を変えることから、近年、光子に対する量子位相シフトゲートの実現に向けて、原子を用いた装置の研究が、実験と理論の両面で盛んに行われている。原子系と光子とを効率的に相互作用させるために、原子系の周りを共焦点型共振器で覆った、原子−共振器系が原子を用いた装置の主要部分である。共振器を構成しているミラーから入射する光に対する、原子−共振器系の光応答は、共振器の緩和率：κ、共振器を構成する左側（Ｍ１）と右側（Ｍ２）のミラーの透過率の比：（Ｍ１の透過率）／（Ｍ２の透過率）、原子系と共振器単一モードとの結合定数：λ、共振器単一モード場以外のすべてのモード場との結合による原子系の緩和率：γによって、特徴づけることができる。特に、量子位相シフトゲートのために原子−共振器系を用いるには、緩和率κと結合定数λとが緩和率γよりもずっと大きいことが必要条件である。その理由は、共振器単一モード場を介さない原子系の緩和は、光子を勝手な方向に放出してしまい、光子損失となるからである。
【０００８】
実験では、Ｔｕｒｃｈｅｔｔとその共同研究者たちが、原子を用いた装置による量子位相シフトゲートの提案とその原理検証を行った（下記非特許文献１）。
【０００９】
この実験において、原子−共振器系は、（共振器軸長と共振器モード断面積が各々、５６μｍと３５μｍである）共焦点型共振器の共振器軸に対して垂直方向から、共振器内に向けて、セシウム原子ビームを入射し、共振器内平均原子数を約１．0 にすることによって実現した。共振器の左側の球面ミラー（Ｍ１）の透過率が右側の球面ミラー（Ｍ２）のものよりもずっと小さく、実際の透過率の比は、（Ｍ２の透過率）／（Ｍ１の透過率）＝約３×１０2 であった。このようにミラーの透過率が互いに極端に異なる共振器のことを「片側共振器」と呼び、反対に、互いにほぼ同じである共振器を「両側共振器」とここでは呼ぶことにする。共振器のガウシアンモードが、セシウム原子の（６Ｓ1/2 、Ｆ＝４、ｍ＝４）→（６Ｐ3/2 、Ｆ′＝５、ｍ′＝５）遷移と強く結合しており、その結合定数λはλ＝２０ＭＨｚであった。共振器緩和率κと緩和率γは、各々、７５ＭＨｚと２．５ＭＨｚであった。また、原子が共振器を通過する時間は、Ｔ0 ＝２２４ｎｓであった。
【００１０】
彼らの提案する量子位相シフトゲートは、標的ビットに相当する微弱プローブ光と制御ビットに相当する微弱ポンプ光とを共振器軸方向から入射し、ポンプ光の右回り偏光成分と原子との相互作用によって、プローブ光の右回り偏光成分の位相を変調させる方法である。また、相互作用後、ポンプ光とプローブ光を分離できるように、これらの光は互いに中心周波数が異なっており、セシウム原子の遷移周波数からポンプ光の中心周波数は２０ＭＨｚ、プローブ光は３０ＭＨｚ離れた周波数になっていた。
【００１１】
この原理検証のために、ポンプ光とプローブ光とを共振器の左側のミラー（Ｍ１）から入射し、共振器内の平均光子数が１になるまでポンプ光の平均光子数を増加させたときのプローブ光の位相シフトを、共振器の透過側〔右側の球面ミラー（Ｍ２）の側〕に置かれたヘテロダイン検出器で測定した。結果として、１３〜１６度の位相変化を観測した。
【００１２】
しかしながら、彼らの提案とその実験では、量子位相シフトゲートに必要な、位相シフトをπにすると同時に、共振器を反射することによる光子損失をゼロにする方法までは検討されなかった。北大の研究グループは、これらの方法について検討し、原子を用いた装置の提案とその理論解析を行った（下記特許文献１及び非特許文献２）。
【００１３】
この提案における原子−共振器系は、Ｔｕｒｃｈｅｔｔｅらのものとよく似ている。異なる点は、制御ビットに相当するポンプ光子（制御光子）と標的ビットに相当するプローブ光子（標的光子）の中心周波数が、互いに同じで、かつ共振器のガウシアンモードの中心周波数と同じである点と、透過率の高い右側の球面ミラー（Ｍ２）側から光子を入射し、反射した光子をゲートの出力とする点である。ただし、この提案では、ポンプとプローブを分離するために、原子−共振器系を二つ必要とし、これらをマッハツェンダー型干渉計内の二つの光経路の各々に置く必要がある。その理論解析は、光子の波束幅を適切に選ぶことによって、位相をπ変化させることができ、かつ、ゲート操作における光子の損失がＴｕｒｃｈｅｔｔｅらの提案と比べてずっと小さくできることを示した。さらに、この解析によりわかったことは、制御光子と標的光子の右回り円偏光成分は、共振器内原子を介して、互いに非線形相互作用するため、これらの光子は時間的及び空間的に互いに量子的な相関を持つことである。そのため、ゲートから出力されたこれらの光子の波形は、偏光が互いに同じ場合と互いに違う場合とで異なる。
【００１４】
偏光状態に依存したこのような波形変化は、量子位相シフトゲートを量子制御ＮＯＴゲートとして用いる場合に問題となる。量子制御ＮＯＴゲートとは、制御量子ビットが１の場合だけ、標的量子ビットの値を反転させるゲートである。量子位相シフトゲートを量子制御ＮＯＴゲートとして用いる場合には、入力標的量子ビットの符号化基底を基底｛１／√２（｜０＞＋｜１＞）、1 ／√２（｜０＞−｜１＞）｝にとり、量子位相シフトゲートからの出力標的量子ビットの符号化基底を基底｛｜０＞、｜１＞｝にユニタリ変換する必要がある。したがって、偏光状態に量子ビット情報を符号化する場合、量子位相ゲートからの出力制御（標的）光子の波束波形は光子の偏光状態によらず同じであることが要求される。この要求が満たされないと、出力標的量子ビットに対する符号化基底の変換に失敗する。したがって、北大のグループの提案は、量子制御ＮＯＴゲートへの応用にとって最適ではない。
【００１５】
その要求を満たし、量子制御ＮＯＴゲートへの応用に最適な、原子を用いた新しい方法が提案されている（下記非特許文献３）。Ｔｕｒｃｈｅｔｔｅらと北大のグループが用いた、片側共振器による原子−共振器系は、弱結合領域（κ＞λ）であったが、この提案では、強結合領域（λ＞κ）の系を用いる。図１４に原子系のエネルギー準位を示す。原子系の第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間が共振器の単一モード（Ｔｕｒｃｈｅｔｔｅらの実験におけるガウシアンモードに相当する）と強く結合していて、基底準位ｇと第一励起準位ｅ１間は結合していない。入射光子の中心周波数は、共振器の単一モードと同じである。この原子−共振器系の光応答は次のようになっている。原子系が基底状態ｇになっているときは、透過率の高い右側の球面（図１５の５）ミラー側から入射した光子は、位相をπだけ変えて反射するが、第一励起準位状態ｅ１になっているときは、位相は変化しないで反射する。したがって、レーザーパルスを用いて、基底準位ｇと第一励起準位ｅ１の間で回転操作を行えば、入射光子の位相をπと０との間で自由に変えることができる。ここで、回転操作とは、基底準位の状態を｜ｇ＞、第一励起準位の状態を｜ｅ１＞、回転演算子をＲ（θ）と表すとき、基底状態に対しては、Ｒ（θ）｜ｇ＞＝Ｃｏｓ（θ／２）｜ｇ＞＋Ｓｉｎ（θ／２）｜ｅ１＞となり、第一励起状態に対しては、Ｒ（θ）｜ｅ１＞＝−Ｓｉｎ（θ／２）｜ｇ＞＋Ｃｏｓ（θ／２）｜ｅ１＞となる操作である。
【００１６】
図１５に、この共焦点型片側共振器を用いた量子位相シフトゲート装置を示す。量子ビットの情報は、光子の偏光状態に符号化される。符号化基底は、｛｜０＞、｜１＞｝とし、Ｘ偏光状態｜Ｘ＞を量子ビット固有状態｜１＞に、Ｙ偏光状態｜Ｙ＞を量子ビット固有状態｜０＞に対応させる。Ｘ偏光状態とＹ偏光状態は互いに直交している。制御光子Ｃと標的光子Ｔは、同一光経路上を偏光ビームスプリッター２に向かって進行する。これがこの量子位相シフトゲートの入出力部である。偏光ビームスプリッター２は、Ｘ偏光成分を透過し、Ｙ偏光成分を反射する。反射鏡１は、光を全反射する。このとき、この装置の１光子入力に対する応答をユニタリ演算子で表すと次のように表すことができる。Ｕj ＝Ｅｘｐ［−i π｜ｇ＞＜ｇ｜｜Ｘ＞j ＜Ｘ｜] 、ただし、制御光子の偏光状態に作用するとき、ｊ＝Ｃと表し、標的光子に作用するときは、ｊ＝Ｔと表す。この演算子は、原子系が基底状態の場合だけ、光子のＸ偏光成分の位相をπ変化させて入出力部に返す応答を表している。なお、図１５において、３は原子系、４，５は２枚の球面ミラーである。
【００１７】
この演算子と回転演算子Ｒ（θ）を用いて、量子位相シフトゲートのための操作は、ＵQPG （｜ｇ＞＋｜ｅ１＞）／√２｜Ψ＞C ｜Φ＞T と表すことができる。ただし、ＵQPG ＝ＵC Ｒ（−π／２）ＵT Ｒ（π／２）ＵC であり、｜Ψ＞C ｜Φ＞T は各々、制御光子と標的光子の偏光状態である。演算子ＵQPG は、量子位相ゲートの演算Ｅｘｐ［−ｉπ｜Ｘ＞C ＜Ｘ｜｜Ｘ＞T ＜Ｘ｜］と等価である。この量子位相シフトゲート装置は、制御（標的）光子の波束幅を共振器緩和時間１／κよりも十分大きく選ぶことによって、出力波形は入力のものと比べてほとんど変化しなくできる。また、この提案における光子の損失は、北大のグループの提案と比べて遜色がない。したがって、量子制御ＮＯＴゲートとして用いるのに最適な提案といえる。
【００１８】
一方、量子位相シフトゲートを量子制御ＮＯＴゲートとして用いる場合の重要な応用の一つに、ベル状態測定がある（下記非特許文献４）。ベル状態とは、２つの量子ビットによって、（１／√２）（｜１＞｜１＞±｜０＞｜０＞）及び（１／√２）（｜１＞｜０＞±｜０＞｜１＞）と表される。また、２つの量子ビットの合成系の状態は、これらの状態を用いて完全に記述することができる。そして、ベル状態測定とは、これらの４つの状態のうちのどれかに、入力状態を射影し、どの状態へ射影されたかを判定する測定である。
【００１９】
この測定の実現は、長距離間で量子相関を共有するための量子中継システムの構築にとって不可欠である。このシステムは、二組の２光子ベル状態を用意し、個々のベル状態から１光子を取り出してきて、それら２つの光子に対してベル状態測定を行うと、残った光子の間に量子相関をつくることができる。これらの残った光子が互いにある程度遠く離れていれば、空間的に離れた二つのノードの間で、量子相関を共有したことになる。したがって、このシステムを複数用意すれば、量子相関の共有を長距離化することができる。
【特許文献１】特開２００４−０２０９７０号公報
【非特許文献１】Ｑ．Ａ．Ｔｕｒｃｈｅｔｔｅ，Ｃ．Ｊ．Ｈｏｏｄ，Ｗ．Ｌａｎｇｅ，Ｈ．Ｍａｂｕｃｈｉ，ａｎｄ  Ｈ．Ｊ．Ｋｉｍｂｌｅ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７５，４７１０（１９９５）．
【非特許文献２】Ｋ．Ｋｏｊｉｍａ，Ｈ．Ｆ．Ｈｏｆｍａｎｎ，Ｓ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ，Ｋ．Ｓａｓａｋｉ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ  ７０，０１３８１０（２００４）
【非特許文献３】Ｌ．−Ｍ．Ｄｕａｎ，ａｎｄ  Ｈ．Ｊ．Ｋｉｍｂｌｅ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９２，１２７９０２（２００４）．
【非特許文献４】Ｍ．Ａ．Ｎｉｅｌｓｅｎ，ａｎｄ  Ｉ．Ｌ．Ｃｈｕａｎｇ，Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，ｐ．２５（２０００）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
量子位相ゲートを量子制御ＮＯＴゲートとして用いる場合、原子を用いた装置による２光子間量子位相ゲートの提案のなかで、最適なものは、強結合領域の原子−共振器系を用いた提案であることを背景技術において述べたが、この提案には、量子中継システムにおけるベル状態測定への応用に向けて改善すべき問題点が二つある。
【００２１】
第一の改善すべき問題点は、この量子位相シフトゲートに入力する前に、制御光子および標的光子は、同一光経路上を同一方向に進行し、かつ、標的光子の波束は制御光子の波束と互いに重ね合わされないほどに遅延していなければならないという点である。
【００２２】
その理由は、量子中継システムではベル状態測定を行うために、制御光子と標的光子は、互いに異なる光経路を通って測定装置の場所までやってくるが、この装置内に配置された上述の量子位相シフトゲートの入力に際しては、同一の光経路上を同一方向に進行し、かつ、標的光子の波束が制御光子の波束と重ね合わされないように、光子の進行経路を予め変換しておかなければならないからである。特に、任意の偏光状態を持つこれらの光子の進行経路を上述のように変換することは大変困難であり、未解決問題である。
【００２３】
第二の改善すべき問題点は、回転操作のために、レーザーパルスを照射して、共振器内原子系の状態を制御しなければならない点である。
【００２４】
その理由は、量子中継システムは主に通信波長帯域（〜１．５μｍ）において用いられ、制御光子と標的光子の中心周波数がこの帯域に近づくにつれて、共振器長が数μｍとなり、共焦点型共振器の共振器軸の垂直方向からレーザーパルスを照射して原子系の状態を精確に制御することが、共振器によるレーザーの散乱などにより困難となるため、共振器軸方向からレーザーパルスを照射しなければならないが、この提案では、共振器軸方向からレーザーパルスを入射し、原子系の状態を制御する方法については検討されていないからである。
【００２５】
一方、量子ビットの情報を光子の偏光モードに符号化したとき、ベル状態測定において、量子位相シフトゲートの実現以外の部分で問題となる点は、制御光子と標的光子を直接測定する点である。その理由は、ベル状態測定の成功確率が、制御光子と標的光子を検出する際に、量子効率と暗係数率とによって特徴付けられた光検出器の性能によって制限されるからである。
【００２６】
本発明は、上記状況に鑑みて、偏光状態が未知であるような、互いに異なる光経路上を進行する制御光子及び標的光子に対する量子位相シフトゲート操作を可能にする量子位相シフトゲート装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕量子位相シフトゲート装置において、原子系が励起準位の場合に対しては位相をπだけ変えて光子を反射し、基底準位の場合に対しては光子を透過する原子−共振器系と、前記透過した光子を反射する手段と、原子系の基底準位ｇと第一励起準位ｅ１間で回転操作を行うためのレーザーパルス生成装置と、光子のＸ偏光成分とＹ偏光成分を分離または合体させる偏光ビームスプリッターと、光を全反射する反射鏡とを備え、レーザーパルスを共振器軸方向から照射して、制御光子と標的光子を互いに異なる入出力部から処理するようにしたことを特徴とする。
【００２８】
〔２〕量子位相シフトゲート装置において、原子系が第一励起準位の場合に対しては基底準位の場合と比べて、位相をπだけ変えて光子を反射する原子−共振器系と、原子系の基底準位ｇと第一励起準位ｅ１間で回転操作を行うためのレーザーパルス生成装置と、光子のＸ偏光成分とＹ偏光成分を分離または合体させる偏光ビームスプリッターと、標的光子Ｘ偏光成分の光経路を制御光子Ｘ偏光成分の光経路に変換し、また、その逆変換をする手段と、光を全反射する反射鏡とを備え、レーザーパルスを共振器軸方向から照射して、制御光子と標的光子を互いに異なる入出力部から処理するようにしたことを特徴とする。
【００２９】
〔３〕上記〔１〕記載の量子位相シフトゲート装置において、前記原子−共振器系は、透過率の等しいミラーで構成された両側共振器を用い、左側のミラーの入出力場を制御光子の入出力部とし、右側のミラーを標的光子の入出力部として用いることを特徴とする。
【００３０】
〔４〕上記〔１〕記載の量子位相シフトゲート装置において、前記量子位相シフトゲートの動作は、前記原子系の状態を（｜ｇ＞＋｜ｅ１＞）／√２とすることにより、入射光子の透過成分及び反射成分との間に量子もつれあい状態（｜ｇ＞｜透過成分＞−｜ｅ１＞｜反射成分＞）／√２を生成し、透過した光子を反射する手段によって、この状態をもつれ合っていない状態（｜ｇ＞−｜ｅ１＞）｜反射成分＞／√２に変換するようにしたことを特徴とする。
【００３１】
〔５〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子位相シフトゲート装置において、前記原子−共振器系は、前記レーザーパルスを共振器の共振器軸方向から入射することにより前記原子系の状態を直接制御するために、基底準位ｇと第一励起準位ｅ１の間の遷移周波数がある一つの共振器モードの吸収スペクトラム幅内になるように、前記原子系と共振器軸長を選び、そして、前記共振器単一モードとそれらの準位間の結合（結合定数λ１）が弱結合領域になるように、共振器を構成するミラーの透過率を選ぶことにより、結合定数λ１をその共振器単一モードの緩和率κ′よりも小さくするようにしたことを特徴とする。
【００３２】
〔６〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子位相シフトゲート装置において、これらの装置の全体の動作は、前記原子−共振器系における前記第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間と共振器単一モードとの結合が弱結合領域であるか強結合領域であるかによらないことを特徴とする。
【００３３】
〔７〕上記〔１〕記載の量子位相シフトゲート装置において、ベル状態測定装置は、前記制御光子と前記標的光子の偏光状態が互いに同じか否かを判定するための偏光パリティ量子非破壊測定装置と、量子位相シフトゲートとアダマール変換ゲートとアダマール逆変換ゲートとにより構成された量子制御ＮＯＴゲートと、前記標的光子の偏光状態がＸ偏光の場合にＹ偏光に変換する手段とを備え、入力２光子偏光状態を４つのベル状態のうちの一つの状態に射影し、どの状態に射影されたかをこれらの光子の状態を破壊することなく判定するようにしたことを特徴とする。
【００３４】
〔８〕上記〔７〕記載の量子位相シフトゲート装置において、前記ベル状態測定装置の全体の動作は、前記量子制御ＮＯＴゲートにより、前記制御光子と前記標的光子からなる合成系の偏光状態の基底を、４つのベル状態から４つの偏光固有状態｛｜Ｘ＞｜Ｘ＞、｜Ｘ＞｜Ｙ＞、｜Ｙ＞｜Ｘ＞、｜Ｙ＞｜Ｙ＞｝へ１対１で基底変換して、次に、前記偏光パリティ量子非破壊測定装置による射影測定により、偏光固有状態｛｜Ｘ＞｜Ｘ＞、｜Ｘ＞｜Ｙ＞｝を基底とする状態あるいは偏光固有状態｛｜Ｘ＞｜Ｙ＞、｜Ｙ＞｜Ｘ＞｝を基底とする状態に射影し、前記標的光子の偏光状態がＸ偏光の場合にＹ偏光に変換する手段により、前記偏光固有状態｛｜Ｘ＞｜Ｘ＞、｜Ｘ＞｜Ｙ＞｝を基底とする状態は｛｜Ｘ＞｜Ｙ＞、｜Ｘ＞｜Ｘ＞｝を基底とする状態へ、前記偏光固有状態｛｜Ｘ＞｜Ｙ＞、｜Ｙ＞｜Ｘ＞｝を基底とする状態は｛｜Ｘ＞｜Ｙ＞、｜Ｙ＞｜Ｙ＞｝を基底とする状態へ変換し、次に、前記偏光パリティ量子非破壊測定装置による射影測定により、４つのうち一つの偏光固有状態に射影することにより、最終的に観測者が知る偏光固有状態から、４つのベル状態のうちどのベル状態に射影されたのかを前記観測者が知るようにしたことを特徴とする。
【００３５】
〔９〕上記〔７〕記載の量子位相シフトゲート装置において、前記偏光パリティ量子非破壊測定装置は、請求項１または請求項２に記載の量子位相シフトゲートとアダマール変換ゲートとその逆変換ゲートとにより構成された量子制御ＮＯＴゲートと補助光子の偏光状態を測定するための手段とを備え、前記補助光子の偏光状態を測定することによって、互いに異なる光経路上を進行する制御光子と標的光子の偏光状態が互いに同じか否かを、これらの光子の状態を破壊することなく判定するようにしたことを特徴とする。
【００３６】
〔１０〕上記〔９〕記載の量子位相シフトゲート装置において、前記偏光パリティ量子非破壊測定装置の全体の動作は、前記補助光子をアダマール変換した後、その補助光子と前記制御光子とを請求項１または請求項２に記載の量子位相シフトゲートの標的側入力部と制御側入力部とから各々入力し、続いて、出力された補助光子と前記標的光子を前記量子位相シフトゲートの標的側入力部と制御側入力部とから各々入力し、出力された補助光子をアダマール逆変換した後、その補助光子の偏光状態を測定し、その結果、前記補助光子の偏光状態の測定結果が初期偏光状態と同じである場合は、前記制御光子と前記標的光子の偏光状態は互いに同じであり、前記測定結果が初期偏光状態と異なる場合は前記制御光子と前記標的光子の偏光状態は互いに異なるようにしたことを特徴とする。
【００３７】
〔１１〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子位相シフトゲート装置において、前記制御光子及び前記標的光子の中心周波数は、前記第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間の遷移周波数と同じとし、その周波数スペクトラム幅は、前記第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間の吸収スペクトラムの半値幅と同じか狭いようにしたことを特徴とする。
【００３８】
〔１２〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子位相シフトゲート装置において、前記制御光子及び前記標的光子の光子波束の縦モード（進行方向）の波形は、関数ｅｘｐ［−Γ｜ｘ｜] で９０％以上の近似ができる波束を用い、Γは、前記第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間と共振器単一モードとの結合が弱結合領域の場合はこれらの準位間の（共振器軸方向から検出された）吸収スペクトラムの半値幅の半分以下で、強結合領域の場合は前記第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間と共鳴する共振器単一モードの緩和率以下であるようにしたことを特徴とする。
【００３９】
〔１３〕上記〔１〕記載の量子位相シフトゲート装置において、前記透過した光子を反射する手段の構成要素である偏光フィルターは、光を全反射するための前記反射鏡と、Ｘ偏光を透過しＹ偏光を反射するための前記偏光ビームスプリッターと、直線偏光と円偏光とを相互に変換するための前記λ／４波長板と、偏光の０度回転あるいは９０度回転を選択して行うための動的偏光回転子とからなり、前記動的偏光回転子を用いて、偏光の０度回転と９０度回転を任意に行うことにより、前記Ｙ偏光成分は常に透過し、前記Ｘ偏光成分は反射と透過の選択を任意に行えるようにしたことを特徴とする。
【００４０】
〔１４〕上記〔２〕記載の量子位相シフトゲート装置において、前記標的光子のＸ偏光成分の光経路を前記制御光子のＸ偏光成分の光経路に変換し、また、その逆変換をする手段は、前記標的光子のＸ偏光成分だけをＹ偏光に変換し、逆に、前記標的光子のＹ偏光成分だけをＸ偏光に変換する動的偏光回転子と、制御光子であるか標的光子であるかによらずＸ偏光成分をＹ偏光に変換し、逆にそれらのＹ偏光成分をＸ偏光に変換する静的偏光回転子とからなるようにしたことを特徴とする。
【００４１】
〔１５〕上記〔９〕記載の量子位相シフトゲート装置において、前記偏光パリティ量子非破壊測定装置の構成要素の一つである進行方向切り替え手段は、動的偏光回転子と、偏光ビームスプリッターと、反射鏡と、静的偏光回転子とを含み、前記動的偏光回転子は、入射光の偏光を９０度回転または０度回転させることを選択的に行える回転子であり、前記偏光ビームスプリッターは、Ｘ偏光を反射し、Ｙ偏光を透過するものと、Ｘ偏光を透過し、Ｙ偏光を反射するものと両方が用いられ、前記反射鏡は光を全反射し、前記静的偏光回転子は、入射光の偏光を４５度回転させるようにして、前記偏光パリティ量子非破壊測定装置の補助光子検出器が反応したときだけ、入射光の偏光を９０度回転するように前記動的偏光回転子を設定することにより、その補助光子検出器が反応しないときは前記制御光子及び前記標的光子を請求項１または請求項２記載の量子位相シフトゲートの入出力部に送り返すようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００４３】
（１）偏光状態が未知であるような、互いに異なる光経路上を進行する制御光子及び標的光子に対する量子位相シフトゲート操作ができる。
【００４４】
第一の理由は、両側共振器の二つの入出力場の各々を制御光子の入出力部と標的光子の入出力部として用い、ゲート処理ができるためである。
【００４５】
第二の理由は、標的光子のＸ偏光成分の光経路を制御光子のＸ偏光成分の光経路に変換し、また、その逆変換をする手段により、共振器の入出力場が一つしかない場合において、制御光子と標的光子を互いに異なる入出力部からゲート処理ができるためである。
【００４６】
（２）制御光子と標的光子の偏光状態を破壊することのないベル状態測定ができる。
【００４７】
その理由は、偏光パリティ量子非破壊測定装置を２回又は３回用いて、出力された補助光子の偏光についての情報を集計することにより、４つのベル状態のうちどの状態に射影されたかを判定できるためである。
【００４８】
（３）互いに異なる光経路上を進行する制御光子と標的光子の偏光が互いに同じであるか異なるかをこれらの光子を破壊することなく判定できる。
【００４９】
その理由は、本発明による量子位相シフトゲートを用いた量子制御ＮＯＴゲートを２つ用いて、制御光子と標的光子の偏光が互いに同じであるか異なるかに応じて、これらの光子の偏光状態を変えないで、補助光子の偏光状態を変えることができることと、制御光子と標的光子に対する繰り返し測定ができることのためである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
本発明の量子位相シフトゲート装置は、原子系が励起準位の場合に対しては位相をπだけ変えて光子を反射し、基底準位の場合に対しては光子を透過する原子−共振器系と、前記透過した光子を反射する手段と、原子系の基底準位ｇと第一励起準位ｅ１間で回転操作を行うためのレーザーパルス生成装置と、光子のＸ偏光成分とＹ偏光成分を分離または合体させる偏光ビームスプリッターと、光を全反射する反射鏡とを備え、レーザーパルスを共振器軸方向から照射して、制御光子と標的光子を互いに異なる入出力部から処理するようにした。
【実施例】
【００５１】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
〔第一の実施形態〕
図１は本発明の第一の実施形態である両側共振器を用いた量子位相シフトゲートの構成要素とそれらの関係を示す模式図、図２は本発明の第一の実施形態の全体の動作のブロック図である。
【００５２】
図１に示すように、本発明の第一の実施形態である両側共振器を用いた量子位相シフトゲートは、原子−共振器系（ミラー１０，１１及び原子系１２）と、共振器を透過した光子を反射する装置（偏光フィルター８，９及び偏光方向切り替えスイッチ１３）と、制御（標的）光子波束を分波及び合波する装置（偏光ビームスプリッター６，７及び反射鏡１４，１５）と、共振器内の原子系１２の状態を制御するためのレーザーパルス生成装置４２，４３とから構成されている。
【００５３】
原子−共振器系は、前述の図１４に示されるような準位構造をもった原子系１２と、透過率の等しい二つのミラー１０，１１により構成された両側共振器とを含む。原子系の第一励起準位ｅ１と第二励起準位ｅ２間は、制御（標的）光子によって励起された共振器単一モードと共鳴するが、基底準位ｇと第一励起準位ｅ１間は共鳴しない。
【００５４】
次に、入力１光子に対する原子−共振器系（図１及び図２参照）の応答の概略を説明する。
【００５５】
この共振器は両側共振器であるため、光子をミラー１０側から入力してもミラー１１側から入力しても同じ応答を示す。原子系の第一励起準位ｅ１と基底準位ｇの間で回転操作を行うことによって、1 光子入力に対するこの共振器の透過率および反射率を任意に選ぶことができる。ここで、回転操作とは、基底準位の状態を｜ｇ＞、第一励起準位の状態を｜ｅ１＞、回転演算子をＲ（θ）と表すとき、基底状態に対しては、Ｒ（θ）｜ｇ＞＝Ｃｏｓ（θ／２）｜ｇ＞＋Ｓｉｎ（θ／２）｜ｅ１＞となり、第一励起状態に対しては、Ｒ（θ）｜ｅ１＞＝−Ｓｉｎ（θ／２）｜ｇ＞＋Ｃｏｓ（θ／２）｜ｅ１＞となる操作である。例えば、原子系の状態がＣｏｓ（θ／２）｜ｇ＞＋Ｓｉｎ（θ／２）｜ｅ１＞ならば、透過率は（Ｃｏｓ（θ／２））2 で反射率は（Ｓｉｎ（θ／２））2 となる。また、透過した光子と反射した光子の位相差はπになる。そして、反射した光子と第一励起準位とが互いに相関し、透過した光子と基底状態が互いに相関した、原子系と光子のもつれ合い状態を生成する。例えば、原子系の状態が、Ｃｏｓ（θ／２）｜ｇ＞＋Ｓｉｎ（θ／２）｜ｅ１＞の場合、もつれ合い状態Ｃｏｓ（θ／２）｜ｇ＞｜透過した光子の状態＞−Ｓｉｎ（θ／２）｜ｅ１＞｜反射した光子の状態＞を生成する。  
【００５６】
共振器を透過した光子を反射する装置は、偏光フィルター８，９と、偏光方向切り替えスイッチ１３とを含み、１光子入力に対してそれぞれ概略次のように応答する。
【００５７】
偏光フィルター８，９は、直交する二つの偏光をＸ偏光、Ｙ偏光と表すとき、一方の偏光成分を透過し、他方を反射する装置である。いずれの偏光成分を透過し反射するかは任意に選ぶことができる。
【００５８】
偏光方向切り替えスイッチ１３は、制御（標的）光子波束の位置と時間情報をもとに、偏光フィルター８，９を透過する偏光成分を選択する装置である。
【００５９】
制御（標的）光子波束を分波及び合波する装置は、偏光ビームスプリッター６，７と反射鏡１４，１５とを含む。
【００６０】
この偏光ビームスプリッター６，７は、光子波束のＸ偏光成分を反射し、Ｙ偏光成分を透過する装置であり、反射鏡１４，１５は、光を全反射する装置である。
【００６１】
また、レーザーパルス生成装置４２，４３は、基底準位ｇと第一励起準位ｅ１との間における原子系１２の状態の回転操作を、ラビ振動によって行うための装置である。但し、これを行うために、Ｙ偏光共振器単一モードと、基底状態と第一励起状態の間との結合は、共振器緩和率κよりも小さくなければならない、また、基底状態と第一励起状態の間の遷移周波数が２κで決まる共振器の吸収スペクトラム幅内に入っていなければならない。
【００６２】
次に、図２を参照して本実施の形態の全体の動作について詳細に説明する。
【００６３】
まず、原子系１２の初期状態を、（｜ｇ＞＋｜ｅ１＞）／√２にする（ステップＳ１）。
【００６４】
次に、制御光子波束を分波及び合波する装置により、入力制御光子波束をＸ偏光成分とＹ偏光成分とに分波する（ステップＳ２）。さらに、制御光子Ｘ偏光成分をミラー１０から入射し、原子−共振器系と相互作用させる（ステップＳ３）。そして、共振器を透過した光子を反射する装置を用いて、透過した制御光子Ｘ偏光成分を図１のミラー１０側に戻す（ステップＳ４）。その後、レーザーパルス生成装置４２を用いて、原子系１２に回転演算子Ｒ（θ＝−π／２）で表される回転操作を行う（ステップＳ５）。さらに、制御光子波束を分波及び合波する装置により、制御光子のＹ偏光成分とＸ偏光成分を合波する（ステップＳ６）。
【００６５】
次に、標的光子波束を分波及び合波する装置により、入力標的光子波束をＸ偏光成分とＹ偏光成分とに分波する（ステップＳ７）。さらに、標的光子Ｘ偏光成分をミラー１１から入射し、原子−共振器系と相互作用させる（ステップＳ８）。そして、共振器を透過した光子を反射する装置を用いて、透過した制御光子Ｘ偏光成分を図１のミラー１１側に戻す（ステップＳ９）。その後、レーザーパルス生成装置を用いて、原子系１２に回転演算子Ｒ（θ＝π／２）で表される回転操作を行う（ステップＳ１０）。さらに、標的光子波束を分波及び合波する装置により、標的光子のＹ偏光成分とＸ偏光成分を合波する（ステップＳ１１）。
【００６６】
そこで、再度、制御光子波束を分波及び合波する装置により、入力制御光子波束をＸ偏光成分とＹ偏光成分とに分波する（ステップＳ１２）。さらに、制御光子Ｘ偏光成分をミラー１０から入射し、原子−共振器系と相互作用させる（ステップＳ１３）。そして、共振器を透過した光子を反射する装置を用いて、透過した制御光子のＸ偏光成分を図１のミラー１０側に戻す（ステップＳ１４）。最後に、制御光子波束を分波及び合波する装置により、制御光子のＹ偏光成分とＸ偏光成分を合波する（ステップＳ１５）。以上で、本実施形態の全体の動作は完了する。
【００６７】
次に、上述の全体の動作を定式化する。
【００６８】
制御（標的）１光子入力に対する図１の装置全体の応答は、ユニタリ演算子で表すと、Ｕj ＝Ｅｘｐ［−i π｜ｅ１＞＜ｅ１｜｜Ｘ＞j ＜Ｘ｜］、但し、制御光子の偏光状態に作用するときは、ｊ＝Ｃと表し、標的光子に作用するときは、ｊ＝Ｔと表す。このとき、本実施形態の全体の動作は、ＵQPG （｜ｇ＞＋｜ｅ１＞）／√２｜Ψ＞C ｜Φ＞T と書ける。但し、ＵQPG ＝ＵC Ｒ（π／２）ＵT Ｒ（−π／２）ＵC であり、｜Ψ＞C と｜Φ＞T は各々、制御光子と標的光子の偏光状態である。演算子ＵQPG は、量子位相ゲートの演算子Ｅｘｐ［−ｉπ｜Ｘ＞C ＜Ｘ｜｜Ｘ＞T ＜Ｘ｜］と同等である。
【００６９】
次に、本実施の形態の効果について説明する。
【００７０】
本実施の形態では、光子の入出力部を二つ持つように構成されているため、互いに異なる光経路を進行する偏光状態が未知の２つの光子をゲート処理することができる。また、本実施の形態では、共振器軸方向からレーザーパルスを原子系に照射し、その状態を制御するように構成されているため、通信波長帯域の共振器内においても原子系の状態を精確に制御することができる。
（実施例１）
以下、第一の実施形態の具体的な実施例を述べる。
【００７１】
図３は本発明の第一の実施形態である量子位相シフトゲートの実施例を示す図、図４は本発明の第一の実施形態である両側共振器を用いた量子位相シフトゲートの実施例で用いられるＶ型３準位原子系の準位構造を示す図、図５は偏光フィルターの構成図である。
【００７２】
本実施例では、図３に示すように、原子−共振器系（球面ミラー１０ｒ、１１ｒ及び原子系１２ｒ）と、偏光ビームスプリッター６ｒ，７ｒ，４５と、偏光フィルター８ｒ，９ｒと、反射鏡１４ｒ，１５ｒと、偏光方向切り替えスイッチ１３ｒと、Ｙ偏光レーザーパルス４２ｒ，４３ｒと、静的偏光回転子４１と、光検出器４４とを備えた両側共振器を用いた量子位相シフトゲートである。但し、偏光ビームスプリッター、反射鏡、偏光フィルターが与える固有の位相シフトは、これらの光学要素に適切なコーティングを施すことによって回避でき、また、光学距離を調整することによっても回避できる問題であるため、以下では考慮されない。
【００７３】
原子−共振器系は、原子系１２ｒと、透過率の等しい二つの球面ミラー１０ｒ，１１ｒにより構成された共焦点型両側共振器とを含む。原子系１２ｒは、セシウム原子のＶ型三準位原子系を用いる。図４はそのＶ型三準位原子系の準位構造を示す。セシウム原子の場合、図４の第一励起準位ｅ１は（６Ｓ1/2 、Ｆ＝４、ｍ＝４）が対応し、同様にして、第二励起準位ｅ２は（６Ｐ3/2 、Ｆ′＝５、ｍ′＝５）が、基底準位ｇは（６Ｐ3/2 Ｆ′＝５、ｍ′＝３）が対応する。このとき、第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間の遷移周波数と基底準位ｇ及び第一励起準位間の遷移周波数は約３．５×１０14Ｈｚとなる。振動子強度は、第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間が基底準位ｇ及び第一励起準位ｅ１間の約４５倍となる。また、第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間は、共振器の右回り円偏光ＴＥＭ00モードと強く共鳴し、基底準位ｇ及び第一励起準位ｅ１間は、左回り円偏光ＴＥＭ00モードと強く共鳴する。
【００７４】
この両側共振器のフィネスＦは約１．８×１０4 である。このとき、共振器軸長は約５６μｍ、球面ミラー１０ｒ，１１ｒの曲率半径は約４５ｃｍ〜約１００ｃｍとなり、その透過率は約１．８×１０-4で、透過損失は５×１０-5以下となる。以上の条件の下で、この共振器のＴＥＭ00モードのビームウエイストは約３６μｍとなる。但し、回折損失を減らすため、球面ミラー１０ｒ、１１ｒの曲率半径は、約４５ｃｍ〜約１００ｃｍの範囲で互いに異なる場合もある。
【００７５】
以上の条件の下で、共振器の減衰率κは約８０ＭＨｚ、共振器の右回り円偏光ＴＥＭ00モードと原子系との結合定数λ+ は約２０ＭＨｚ、左回り円偏光ＴＥＭ00モードと原子系との結合定数λ- はλ+ ／√４５＝約３．０ＭＨｚとなる。したがって、弱結合領域（κ／４≧λ+ 、λ- ）であることから、共振器軸方向への原子輻射緩和率は、それぞれ、λ+ 2 ／κ＝約５．３ＭＨｚ、λ- 2 ／κ＝約０．１２ＭＨｚとなる。
【００７６】
セシウム原子は、オーブンから放出され、速度選択装置に入る。この速度選択装置を通過したセシウム原子は光ポンピングにより第一励起状態に準備され、その後、共振器軸方向と垂直な方向から共振器に入射する。速度選択を行うことによって、共振器内での相互作用時間を制御する。
【００７７】
ゲート処理にかかる時間は、約２μｓ〔＝（原子共振器系との相互作用時間〜０．１μｓ）×光子数×１０〕あればよいので、原子が共振器を横切るのにかかる時間は、約２０μｓであればよい。したがって、セシウム原子の速度は、（ビームウエイスト）／（ゲート処理時間×１０）＝３６μｍ／２０μｓ＝１．８ｍ／ｓ以下であることが望ましい。但し、ゲート処理時間には、制御光子と標的光子の間の遅延時間は含めていない。その理由は、この時間間隔において原子状態は、第一励起準位ｅ１になっており、この場合、Ｖ型三準位のうちもっとも緩和時間の長い（〜５０μｓ）安定した準位であるからである。
【００７８】
偏光ビームスプリッター６ｒ，７ｒ，４５は、光損失を減らすために、例えば、レーザーライン用キューブタイプ偏光ビームスプリッター（透過率９９％以上）を用いる。このレーザーライン用キューブタイプ偏光ビームスプリッターは、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する。したがって、実施例では、Ｘ偏光をＳ偏光、Ｙ偏光をＰ偏光として扱う。また、反射鏡１４ｒ，１５ｒは、光を全反射する。例えば、光損失を減らすために、誘電対全反射ミラー（反射率９９％以上）を用いる。
【００７９】
偏光フィルター８ｒ，９ｒは、図５に示すように、反射鏡４７，６３，６４と偏光ビームスプリッター４８，６２とλ／４波長板４９と動的偏光回転子４６とを含む。λ／４波長板４９は、Ｘ偏光成分を右回り円偏光に変換およびその逆変換をするために、Ｘ偏光方向に対して結晶軸を４５度傾けて配置される。例えば、光損失を減らすために、水晶波長板（透過率９９％以上）を用いる。動的偏光回転子４６は、例えば、光損失を減らすために、ＫＤ* Ｐ製ポッケルスセル（透過率９９％以上のものが望ましい）を用いる。Ｘ偏光成分をＹ偏光成分に変換およびその逆変換をするために、Ｘ偏光方向に対して結晶軸を４５％傾けて配置される。偏光ビームスプリッター４８，６２は、Ｘ偏光を透過し、Ｙ偏光を反射するビームスプリッターである。このような構成を採用し、Ｙ偏光成分は常に透過するが、Ｘ偏光成分は、動的偏光回転子４６により透過と反射を任意に行えるようにした。
【００８０】
図３の偏光方向切り替えスイッチ１３ｒは、光子波束の位置と時間ついての情報をもとに、偏光フィルター８ｒ，９ｒを透過する偏光成分を自動的に選択する装置である。これは、例えば、ポッケルスセルを図５の動的偏光回転子４６として用いる場合、ポッケルスセルに電圧をパルス的に印加するように指令を送るための装置である。
【００８１】
制御光子をゲート処理する際には、図３の偏光フィルター８ｒはＸ偏光成分を透過する設定になっており、偏光フィルター９ｒはＸ偏光成分を反射する設定になっている。
【００８２】
一方、標的光子をゲート処理する際には、偏光フィルター９ｒはＸ偏光成分を透過する設定になっており、偏光フィルター８ｒはＸ偏光成分を反射する設定になっている。
【００８３】
レーザーパルス生成装置４２ｒは、共振器内の原子系１２ｒを制御するためと、原子が共振器内の適切な位置に存在することを確認するために用いられる。この確認のために、微弱光を原子系１２ｒに照射し、この原子系１２ｒからの輻射を光検出器４４で観測する。静的偏光回転子４１と、偏光ビームスプリッター４５は、この輻射を、図３のレーザーパルス生成装置４３ｒから分離するために用いられる。例えば、原子寿命（約１０μｓ）よりもずっと短時間に原子系１２ｒの状態を変えるために、約１００ナノ秒の矩形π／２パルス生成装置を用いる。
【００８４】
制御（標的）光子の中心周波数は、第一の励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間の遷移周波数ω１と同じとし、その周波数スペクトラム幅は、第一の励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間の吸収スペクトラムの半値幅（約４０ＭＨｚ）と同じか狭いとする。光子波束の縦モード（進行方向）の波形は、原子系の吸収に起因した波形変化の影響が小さいという点で、関数ｅｘｐ［−Γ｜ｘ｜] で近似できる波束を用いることが望ましい。ただし、ｘは光子の時間位置を表し、Γは共振器軸方向への緩和率を表す。この場合、緩和率Γは、第一の励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間の吸収スペクトラムの半値幅（約２０ＭＨｚ）以下であればよい。量子ビットの情報は制御及び標的光子の直交する二つの偏光、Ｘ偏光とＹ偏光とに符号化される。
【００８５】
以上、このような構成を採用した量子位相シフトゲートの動作は実施形態１の全体の動作と同じである。但し、全体の動作を開始する前に、レーザーパルス生成装置４２ｒにより、微弱光を共振器に照射し、原子が共振器内の適切な位置に存在することを、光検出器４４による共振器の透過率測定によって確認する必要がある。実際には、その透過率が１から１０-2以下に変化したら、ゲート処理を開始する。
〔第二の実施形態〕
本発明の第二の実施形態として、偏光パリティ量子非破壊測定装置について説明する。
【００８６】
偏光パリティ量子非破壊測定装置は、補助光子の偏光状態を測定することによって、制御光子と標的光子の偏光状態が互いに同じか否かを、これらの光子の状態を破壊することなく判定する装置である。
【００８７】
図６は本発明の第二の実施形態である偏光パリティ量子非破壊測定装置の構成要素とそれらの関係を示す模式図、図７は本発明の第二の実施形態の全体の動作のブロック図である。
【００８８】
図６に示されるように、本発明の第二の実施形態の偏光パリティ量子非破壊測定装置は、アダマール変換ゲート２３と、アダマール逆変換ゲート２２と、本発明による量子位相シフトゲート２４，２５と、補助光子検出手段（進行方向切り替え手段１６，１７と、偏光ビームスプリッター２１と、光検出器１９，２０と、信号検出器１８）とから構成されている。
【００８９】
アダマール変換ゲート２３はＸ偏光状態｜Ｘ＞を（｜Ｘ＞＋｜Ｙ＞）／√２に変換し、Ｙ偏光状態｜Ｙ＞を−（｜Ｘ＞−｜Ｙ＞）／√２に変換する装置である。一方、アダマール逆変換ゲート２２はアダマール変換ゲート２３とは逆の変換を行う装置である。
【００９０】
量子位相シフトゲート２４，２５は、本発明の第一の実施形態において説明した装置である。
【００９１】
また、補助光子検出手段は、進行方向切り替え手段１６，１７と、偏光ビームスプリッター２１と、光検出器１９，２０と、信号検出器１８とを含む。進行方向切り替え手段１６，１７は、信号検出器１８が信号を検知した場合、制御光子と標的光子を通過させ、検知しなかった場合、制御光子と標的光子を各々の入力部に送り返す。光検出器１９，２０とＸ偏光を反射しＹ偏光を透過する偏光ビームスプリッター２１は、補助光子の偏光状態を検出するために用いる。
【００９２】
次に、図７を参照して、本実施の形態の全体の動作について詳細に説明する。
【００９３】
まず、補助光子を直交する二つの偏光、Ｘ偏光とＹ偏光のうち、Ｘ偏光にする（ステップＳ１）。次に、Ｘ偏光補助光子をアダマール変換ゲート２３に入れる（ステップＳ２）。さらに、上述のアダマール変換ゲート２３から出力された補助光子と制御光子を量子位相シフトゲート２５の各入力部に入れる（ステップＳ３）。また、出力された補助光子と標的光子を量子位相シフトゲート２４の各入力部に入れる（ステップＳ４）。そして、出力部からの補助光子をアダマール逆変換ゲート２２に入れる（ステップＳ５）。ここで、制御光子と標的光子の偏光が共にＸ偏光あるいはＹ偏光である場合は、補助光子はＸ偏光となり、偏光が互いに異なる場合は、Ｙ偏光となる。次に、補助光子の偏光がＸ偏光とＹ偏光のいずれであるかを偏光ビームスプリッター２１と光検出器１９，２０を用いた測定によって判定する（ステップＳ６）。Ｘ偏光の補助光子は、光検出器１９に向かい、Ｙ偏光の補助光子は、光検出器２０に向かう。光検出器１９における検出は、制御光子と標的光子の偏光が互いに同じであることを意味し、光検出器２０における検出は、制御光子と標的光子の偏光が互いに異なることを意味する。測定に失敗した場合、すなわち、信号検知器１８が反応しなかった場合は、新規に補助光子を用意し、進行方向切り替え手段１６、１７を用いて、制御及び標的光子をこの装置の入力部に戻す。
【００９４】
以上で、本実施形態の全体の動作は完了する。
【００９５】
次に、本実施の形態の効果について説明する。本実施の形態では、補助光子の偏光状態を破壊する代わりに、制御光子と標的光子の偏光状態を破壊することなく、これらの光子の偏光が互いに同じか否かを判定するよう構成されているため、制御光子と標的光子の偏光状態を、補助光子を用いて繰り返し測定することにより、理想的な検出器がなくても漸近的に成功確率１００％の判定ができる。
（実施例２）
以下、第二の実施形態の具体的な実施例を述べる。
【００９６】
量子位相シフトゲートの実施例は実施例１または後述の実施例４と同じである。
【００９７】
アダマール変換ゲート２３とアダマール逆変換ゲート２２は、偏光を４５度回転させるファラデー回転素子によって達成できる。この時、光損失を減らすために、透過率９９％以上のファラデー回転素子が望ましい。
【００９８】
図８は、図６に示す進行方向切り替え手段１６，１７の実施例を示す図である。
【００９９】
この進行方向切り替え手段１６，１７は、動的偏光回転子５０，５１と、偏光ビームスプリッター５２，５８，５９，６０と、反射鏡５３，５４，５５，５６と、ファラデー回転素子５７，６１とを含む。
【０１００】
動的偏光回転子５０，５１は、入射光の偏光を９０度回転または０度回転させることを選択的に行える回転子である。光損失を減らすために、例えば、ＫＤ* Ｐポッケルスセルを用いる。偏光ビームスプリッター５２，５８，５９は、Ｘ偏光を反射し、Ｙ偏光を透過する。一方、偏光ビームスプリッター６０はＸ偏光を透過し、Ｙ偏光を反射する。反射鏡５３，５４，５５，５６は、光を全反射する。ファラデー回転素子５７，６１は、入射光の偏光を４５度回転させる。このような構成を採用して、図６に示す信号検知器１８が反応したときだけ、入射光の偏光を９０度回転するように動的偏光回転子５０，５１を設定することにより、図６に示す信号検知器１８が反応しないときは、制御光子及び標的光子を量子位相シフトゲート２４，２５の入力部に送り返すことができる。
【０１０１】
図６に示す光検出器１９，２０は、理想的な検出器（量子効率１００％；暗計数率０％）である必要はないが、量子効率が高く、暗計数率が低いほど、制御光子と標的光子に対する繰り返し測定の回数が少なくできるため、理想的な検出器に近いほうが望ましい。
【０１０２】
以上、このような構成を採用した偏光パリティ量子非破壊測定装置の動作は、第二の実施形態の全体の動作と同じである。
〔第三の実施形態〕
本発明の第３の実施形態として、ベル状態測定装置について説明する。
【０１０３】
ベル状態測定装置は、制御光子と標的光子の合成系の偏光状態が４つのベル状態のうちどの状態であるかを判定する測定装置である。
【０１０４】
図９は本発明の第三の実施形態であるベル状態測定装置の構成要素とそれらの関係を示す模式図であり、図１０は本発明の第三の実施形態の全体の動作のブロック図である。
【０１０５】
図９に示すように、本発明の第三の実施形態であるベル状態測定装置は、第一の実施形態で説明した量子位相シフトゲート２９と、第二の実施形態で説明した偏光パリティ量子非破壊測定装置２７，２８と、アダマール変換ゲート３０，８１とアダマール逆変換ゲート３１と、Ｘ→Ｙ変換装置２６とを含む。Ｘ→Ｙ変換装置２６は、Ｘ偏光成分をＹ偏光に変換する装置である。
【０１０６】
次に、図１０を参照して、本実施の形態の全体の動作を詳細に説明する。
【０１０７】
まず、標的光子をアダマール変換ゲート３０に入れる（ステップＳ１）。次に、制御光子を量子位相シフトゲート２９の入力部に、アダマール変換ゲート３０から出力された標的光子を量子位相シフトゲート２９の入力部に入れる（ステップＳ２）。さらに、量子位相シフトゲート２９から出力された標的光子をアダマール逆変換ゲート３１に入れ、出力された制御光子をアダマール変換ゲート８１に入れる（ステップＳ３）。ここで、入力２光子の偏光状態がベル状態１／√２（｜Ｘ＞｜Ｘ＞＋｜Ｙ＞｜Ｙ＞）であった場合、出力された制御及び標的光子の合成系の偏光状態は、偏光状態｜Ｙ＞｜Ｙ＞に変換され、ベル状態１／√２（｜Ｘ＞｜Ｘ＞−｜Ｙ＞｜Ｙ＞）の場合、偏光状態｜Ｘ＞｜Ｙ＞に変換される。同様にして、１／√２（｜Ｘ＞｜Ｙ＞＋｜Ｙ＞｜Ｘ＞）は、偏光状態｜Ｙ＞｜Ｘ＞に、１／√２（｜Ｘ＞｜Ｙ＞−｜Ｙ＞｜Ｘ＞）は、偏光状態｜Ｘ＞｜Ｘ＞に変換される。次に、制御光子と標的光子と補助光子を偏光パリティ量子非破壊測定装置２７に入れ、制御光子と標的光子の偏光が互いに同じか否かを判定する（ステップＳ４）。さらに、標的光子のＸ偏光成分をＸ→Ｙ変換装置２６によりＹ偏光に変える（ステップＳ５）。次いで、制御光子と標的光子を偏光パリティ量子非破壊測定装置２８に入れ、制御光子と標的光子の偏光が互いに同じか否かを判定する（ステップＳ６）。
【０１０８】
偏光パリティ量子非破壊測定装置２７において、偏光が互いに同じと判定され、偏光パリティ量子非破壊測定装置２８においても互いに同じと判定された場合、偏光パリティ量子非破壊測定装置２７に入る直前の制御光子と標的光子との合成系の偏光状態は、偏光状態｜Ｙ＞｜Ｙ＞であり、したがって、ベル状態測定装置は、この装置に入る直前の入力制御光子及び標的光子の偏光状態をベル状態１／√２（｜Ｘ＞｜Ｘ＞＋｜Ｙ＞｜Ｙ＞）に射影する。同様にして、偏光パリティ量子非破壊測定装置２７において、偏光が互いに同じと判定され、偏光パリティ量子非破壊測定装置２８において互いに異なると判定された場合、偏光状態｜Ｘ＞｜Ｘ＞であり、したがって、ベル状態測定装置は、ベル状態１／√２（｜Ｘ＞｜Ｙ＞−｜Ｙ＞｜Ｘ＞）に射影する。偏光パリティ量子非破壊測定装置２７において、偏光が互いに異なると判定され、偏光パリティ量子非破壊測定装置２８において偏光が互いに同じと判定された場合、偏光状態｜Ｙ＞｜Ｘ＞であり、したがって、ベル状態１／√２（｜Ｘ＞｜Ｙ＞＋｜Ｙ＞｜Ｘ＞）に射影する。偏光パリティ量子非破壊測定装置２７において、偏光が互いに異なると判定され、偏光パリティ量子非破壊測定装置２８においても互いに異なると判定された場合、偏光状態｜Ｘ＞｜Ｙ＞であり、したがって、ベル状態１／√２（｜Ｘ＞｜Ｘ＞−｜Ｙ＞｜Ｙ＞）に射影する。
【０１０９】
以上で、本実施形態の全体の動作は完了する。
【０１１０】
次に、本実施の形態の効果について説明する。
【０１１１】
本実施の形態では、偏光パリティ量子非破壊測定装置を用いることにより、制御光子と標的光子の偏光状態を破壊することなく、これらの光子の偏光状態が４つのベル状態のうちの一つに射影されるように構成されているため、漸近的に成功確率１００％でベル状態の判定ができる。
（実施例３）
以下、第三の実施形態の具体的な実施例を述べる。
【０１１２】
図１１は本発明の第三の実施形態であるベル状態測定装置の実施例を示す図である。
【０１１３】
図１１に示すように、ベル状態測定装置は、第一実施形態で説明した量子位相シフトゲート３７と、偏光ビームスプリッター３８と、偏光パリティ量子非破壊測定装置３２，３３，３４と、アダマール変換ゲート３５，８２とアダマール逆変換ゲート３６と、Ｘ→Ｙ変換装置（偏光ビームスプリッター３９と、静的偏光回転子４０）とを備えている。
【０１１４】
このベル状態測定装置における各構成要素（量子位相シフトゲート３７；偏光パリティ量子非破壊測定装置３２，３３，３４；アダマール変換ゲート３５，８２；アダマール逆変換ゲート３６；偏光ビームスプリッター３８，３９）の実施例は、実施例１及び２と同じである。
【０１１５】
本実施例は、本実施形態と比べ、偏光パリティ量子非破壊測定装置が一つ多いせいで、測定者の行う判定方法が少し複雑になっている。
【０１１６】
以下に本実施例の判定方法を述べる。
【０１１７】
偏光パリティ量子非破壊測定装置３２がこの装置に入る直前の制御光子と標的光子の偏光状態が互いに同じであると判定し、偏光パリティ量子非破壊測定装置３４がこの装置に入る直前の制御光子と標的光子の偏光状態が互いに異なると判定したとき、ベル状態測定装置は、この装置に入る直前の状態をベル状態１／√２（｜Ｘ＞｜Ｙ＞−｜Ｙ＞｜Ｘ＞）に射影する。同様にして、偏光パリティ量子非破壊測定装置３２がこの装置に入る直前の制御光子と標的光子の偏光状態が互いに同じであると判定し、偏光パリティ量子非破壊測定装置３４がこの装置に入る直前の制御光子と標的光子の偏光状態が互いに同じであると判定し、さらに、偏光パリティ量子非破壊測定装置３３がこの装置に入る直前の制御光子と標的光子の偏光状態が互いに同じであると判定したとき、ベル状態測定装置は、この装置に入る直前の状態をベル状態１／√２（｜Ｘ＞｜Ｘ＞＋｜Ｙ＞｜Ｙ＞）に射影する。偏光パリティ量子非破壊測定装置３２がこの装置に入る直前の制御光子と標的光子の偏光状態が互いに異なると判定し、偏光パリティ量子非破壊測定装置３４がこの装置に入る直前の制御光子と標的光子の偏光状態が互いに同じであると判定し、さらに、偏光パリティ量子非破壊測定装置３３がこの装置に入る直前の制御光子と標的光子の偏光状態が互いに同じであると判定したとき、ベル状態測定装置は、この装置に入る直前の状態をベル状態１／√２（｜Ｘ＞｜Ｙ＞＋｜Ｙ＞｜Ｘ＞）に射影する。偏光パリティ量子非破壊測定装置３２がこの装置に入る直前の制御光子と標的光子の偏光状態が互いに異なると判定し、偏光パリティ量子非破壊測定装置３４がこの装置に入る直前の制御光子と標的光子の偏光状態が互いに異なると判定し、さらに、偏光パリティ量子非破壊測定装置３３がこの装置に入る直前の制御光子と標的光子の偏光状態が互いに同じであると判定したとき、ベル状態測定装置は、この装置に入る直前の状態をベル状態１／√２（｜Ｘ＞｜Ｘ＞−｜Ｙ＞｜Ｙ＞）に射影する。
〔他の発明を実施するための最良の形態〕
次に、本発明の第２の発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【０１１８】
図１２は本発明の第２の発明を実施するための最良の形態を示す図である。
【０１１９】
図１２を参照すると、本発明の第２の発明を実施するための最良の形態は、原子−共振器系（原子系６５及びミラー６６，６７）と、偏光ビームスプリッター７０，７１，７２と、動的偏光回転子６９と、静的偏光回転子６８と、全反射鏡７３，７４と、レーザーパルス生成装置７５と、原子系６５の応答を確認する手段（ビームスプリッター７７，７８，７９、反射鏡８１及び光検出器７６，８０）とから構成されている。
【０１２０】
原子−共振器系（原子系６５及びミラー６６，６７）は、図４に示すＶ型３準位原子系と、ミラー６６，６７とから構成された片側共振器（ミラー６６の透過率は、ミラー６７の透過率よりもずっと小さい。）とを含む。原子系の第一励起準位ｅ１と第二励起準位ｅ２間は、制御（標的）光子によって励起された共振器単一モードと共鳴するが、基底準位ｇと第一励起準位ｅ１間は共鳴しない。この原子−共振器系は概略次のように動作する。
【０１２１】
ミラー６７側から光子が入射すると、原子系６５の状態が第一励起状態（ｅ１）の場合、基底状態（ｇ）の場合と比べて光子の位相を相対的にπだけ変えてその光子を反射する。従って、原子系６５の状態が、Ｃｏｓ（θ／２）｜ｇ＞＋Ｓｉｎ（θ／２）｜ｅ１＞の場合、ミラー６７側から光子が入射すると、状態（Ｃｏｓ（θ／２）｜ｇ＞−Ｓｉｎ（θ／２）｜ｅ１＞）｜反射した光子の状態＞を生成する。
【０１２２】
偏光ビームスプリッター７０は、互いに直交する偏光Ｘと偏光Ｙのうち、Ｙ偏光を反射し、Ｘ偏光を透過するビームスプリッターで、偏光ビームスプリッター７１，７２は、Ｘ偏光を反射し、Ｙ偏光を透過するビームスプリッターである。
【０１２３】
動的偏光回転子６９は、標的光子の偏光状態を９０度回転させる装置であって、標的光子がこの装置にＸ偏光状態で入射した場合は、Ｙ偏光状態に変換し、逆にＹ偏光状態で入射した場合は、Ｘ偏光状態に変換する。
【０１２４】
静的偏光回転子６８は、光子の偏光状態を９０度回転させる装置であって、光子がこの装置にＸ偏光状態で入射した場合は、Ｙ偏光状態に変換し、逆にＹ偏光状態で入射した場合は、Ｘ偏光状態に変換する。この静的偏光回転子６８は、標的光子と制御光子とを区別しない点で、動的偏光回転子６９と異なる。
【０１２５】
全反射鏡７３，７４は、偏光ビームスプリッター７１，７２を透過したＹ偏光成分を全反射する装置である。
【０１２６】
レーザーパルス生成装置７５は、Ｖ型３準位原子系の第一励起準位ｅ１と基底準位ｇとの間における遷移と共鳴するＹ偏光レーザーパルスを生成する装置であって、この原子系６５の状態を第一励起準位ｅ１と基底準位ｇとの間で制御するためと、原子系６５の共振器内での位置を確認するために用いられる。但し、これらを行うために、Ｙ偏光共振器単一モードと、基底準位ｇと第一励起準位ｅ１間における遷移との結合は、共振器緩和率κよりも小さくなければならない、また、基底状態と第一励起状態の間の遷移周波数が２κで決まる共振器の吸収スペクトラム幅内に入っていなければならない。
【０１２７】
原子系６５の応答を確認する手段（ミラー７７，７８，７９及び光検出器７６，８０）は、ミラー７８により、レーザーパルス生成装置７５から生成されたパルスの一部を反射し、その反射光を参照光とし、原子−共振器系から偏光ビームスプリッター７０を経由して戻ってきた光をミラー７９で一部反射し、その反射光を信号光とし、ミラー７７でその参照光とその信号光とを干渉させることにより、原子系６５の共振器内での位置を、光検出器７６，８０を用いて確認する手段である。
【０１２８】
次に、図１３のフローチャートを参照して、本実施の形態の全体の動作について詳細に説明する。
【０１２９】
まず、原子系６５の初期状態を（｜ｇ＞＋｜ｅ１＞）／√２にする（ステップＳ１）。次に、制御光子波束を偏光ビームスプリッター７１により、Ｘ偏光成分とＹ偏光成分とに分波する（ステップＳ２）。さらに、制御光子Ｘ偏光成分をミラー６７から入射し、原子−共振器系と相互作用させる（ステップＳ３）。その後、レーザーパルス生成装置を用いて、原子系６５に回転演算子Ｒ（θ＝−π／２）で表される回転操作を行う（ステップＳ４）。ここで、回転操作とは、基底準位の状態を｜ｇ＞、第一励起準位の状態を｜ｅ１＞、回転演算子をＲ（θ）と表すとき、基底状態に対しては、Ｒ（θ）｜ｇ＞＝Ｃｏｓ（θ／２）｜ｇ＞＋Ｓｉｎ（θ／２）｜ｅ１＞となり、第一励起状態に対しては、Ｒ（θ）｜ｅ１＞＝−Ｓｉｎ（θ／２）｜ｇ＞＋Ｃｏｓ（θ／２）｜ｅ１＞となる操作である。その後偏光ビームスプリッター７１により、制御光子のＹ偏光成分とＸ偏光成分を合波する（ステップＳ５）。
【０１３０】
次に、標的光子波束を偏光ビームスプリッター７２により、Ｘ偏光成分とＹ偏光成分とに分波する（ステップＳ６）。さらに、標的光子Ｘ偏光成分を静的偏光回転子６８によりＹ偏光に変換し、偏光ビームスプリッター７１を透過させる（ステップＳ７）。その後、動的偏光回転子６９により、再びＸ偏光に変換する（ステップＳ８）。標的光子Ｘ偏光成分をミラー６７から入射し、原子−共振器系と相互作用させる（ステップＳ９）。次に、レーザーパルス生成装置を用いて、原子系６５に回転演算子Ｒ（θ＝π／２）で表される回転操作を行う（ステップＳ１０）。標的光子Ｘ偏光成分を動的偏光回転子６９によりＹ偏光に変換し、偏光ビームスプリッター７１を透過させる（ステップＳ１１）。その透過した標的光子Ｙ偏光成分を静的偏光回転子６８により、再びＸ偏光に変換する（ステップＳ１２）。そして、偏光ビームスプリッター７２により、標的光子のＹ偏光成分とＸ偏光成分を合波する（ステップＳ１３）。
【０１３１】
その後、再度、偏光ビームスプリッター７１により、入力制御光子波束をＸ偏光成分とＹ偏光成分とに分波する（ステップＳ１４）。さらに、制御光子Ｘ偏光成分をミラー６７から入射し、原子−共振器系と相互作用させる（ステップＳ１５）。最後に、制御光子波束を偏光ビームスプリッター７１により、Ｙ偏光成分とＸ偏光成分を合波する（ステップＳ１６）。
【０１３２】
以上で、本実施形態の全体の動作は完了する。
【０１３３】
次に、上述の全体の動作を定式化する。
【０１３４】
制御（標的）１光子入力に対する図１２の装置全体の応答は、ユニタリ演算子で表すと、Ｕj ＝Ｅｘｐ［−i π｜ｅ１＞＜ｅ１｜｜Ｘ＞j ＜Ｘ｜] 、ただし、制御光子の偏光状態に作用するときは、ｊ＝Ｃと表し、標的光子の偏光状態に作用するときは、ｊ＝Ｔと表す。このとき、本実施形態の全体の動作は、ＵQPG （｜ｇ＞＋｜ｅ１＞）／√２｜Ψ＞C ｜Φ＞T と示すことができる。ただし、ＵQPG ＝ＵC Ｒ（π／２）ＵT Ｒ（−π／２）ＵC であり、｜Ψ＞C と｜Φ＞T は各々、制御光子と標的光子の偏光状態である。演算子ＵQPG は、量子位相シフトゲートの演算子Ｅｘｐ［−ｉπ｜Ｘ＞C ＜Ｘ｜｜Ｘ＞T ＜Ｘ｜］と同等である。
【０１３５】
次に、本実施の形態の効果について説明する。
【０１３６】
本実施の形態では、制御光子のＸ偏光成分と標的光子のＸ偏光成分を同一の光経路を進行するように変換し、逆に、同一の光経路上の制御光子Ｘ偏光成分と標的光子Ｘ偏光成分を互いに異なる光経路上を進行するよう変換するように構成されているため、互いに異なる光経路を進行する偏光状態が未知の２つの光子をゲート処理することができる。また、本実施の形態では、共振器軸方向からレーザーパルスを原子系に照射し、その状態を制御するように構成されているため、通信波長帯域の共振器内においても原子系の状態を精確に制御することができる。
（実施例４）
以下、本発明を実施するための最良の形態の具体的な実施例を述べる。
【０１３７】
図１２に示すように、原子−共振器系は、原子系６５と、透過率の異なる二つの球面ミラー６６，６７により構成された共焦点型片側共振器とを含む。原子系６５は、前述の図４に示すセシウム原子のＶ型三準位原子系を用いる。セシウム原子の場合、図４の第一励起準位ｅ１は（６Ｓ1/2 、Ｆ＝４、ｍ＝４）が対応し、同様にして、第二励起準位ｅ２は（６Ｐ3/2 、Ｆ′＝５、ｍ′＝５）が、基底準位ｇは（６Ｐ3/2 、Ｆ′＝５、ｍ′＝３）が対応する。このとき、第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間の遷移周波数と基底準位ｇ及び第一励起準位ｅ１間の遷移周波数は約３．５×１０14Ｈｚとなる。振動子強度は、第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間が基底準位ｇ及び第一励起準位ｅ１間の約４５倍となる。第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間は、共振器の右回り円偏光ＴＥＭ00モードと強く共鳴し、基底準位ｇ及び第一励起準位ｅ１間は、左回り円偏光ＴＥＭ00モードと強く共鳴する。
【０１３８】
この片側共振器のフィネスＦは約１．８×１０4 である。このとき、共振器軸長は、約５６μｍ、球面ミラー６６，６７の曲率半径は約４５ｃｍ〜約１００ｃｍとなり、その透過率はミラー６６が約１．０×１０-6でミラー６７が約３．５×１０-4、透過損失は５×１０-5以下となる。
【０１３９】
以上の条件の下で、この共振器のＴＥＭ00モードのビームウエイストは約３６μｍとなる。ただし、回折損失を減らすため、球面ミラー６６，６７の曲率半径は、約４５ｃｍ〜約１００ｃｍの範囲で互いに異なる場合もある。
【０１４０】
また、共振器の減衰率κは約８０ＭＨｚ、共振器の右回り円偏光ＴＥＭ00モードと原子系との結合定数λ+ は約２０ＭＨｚ、左回り円偏光ＴＥＭ00モードと原子系との結合定数λ- はλ+ ／√４５＝約３．０ＭＨｚとなる。したがって、弱結合領域（κ／４≧λ+ 、λ- ）であることから、共振器軸方向への原子輻射緩和率は、それぞれ、λ+ 2 ／κ＝約５．３ＭＨｚ、λ- 2 ／κ＝約０．１２ＭＨｚとなる。
【０１４１】
セシウム原子は、オーブンから放出され、速度選択装置に入る。この装置を通過した原子は光ポンピングにより第一励起状態に準備され、その後、共振器軸方向と垂直な方向から共振器に入射する。速度選択を行うことによって、共振器内での相互作用時間を制御する。
【０１４２】
ゲート処理にかかる時間は、約２μｓ〔＝（原子−共振器系との相互作用時間〜0.１μｓ）×光子数×１０〕あればよいので、原子が共振器を横切るのにかかる時間は、約２０μｓであればよい。従って、セシウム原子の速度は、（ビームウエイスト）／（ゲート処理時間×１０）＝３６μｍ／２０μｓ＝１．８ｍ／ｓ以下であることが望ましい。ただし、ゲート処理時間には、制御光子と標的光子の間の遅延時間は含めていない。その理由は、この時間間隔においての原子状態は第一励起準位ｅ１になっており、この場合、Ｖ型三準位のうちもっとも緩和時間の長い（〜５０μｓ）安定した準位であるからである。
【０１４３】
偏光ビームスプリッター７１，７２は、光損失を減らすために、例えば、レーザーライン用キューブタイプ偏光ビームスプリッター（透過率９９％以上）を用いる。このレーザーライン用キューブタイプ偏光ビームスプリッターは、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する。従って、実施例では、Ｘ偏光をＳ偏光、Ｙ偏光をＰ偏光として扱う。
【０１４４】
全反射鏡７３，７４は、光を全反射する。光損失を減らすために、例えば、誘電対全反射ミラー（反射率９９％以上）を用いる。
【０１４５】
動的偏光回転子６９は、光損失を減らすために、例えば、ＫＤ* Ｐ製ポッケルスセル（透過率９９％以上のものが望ましい）を用いる。Ｘ偏光成分をＹ偏光成分に変換およびその逆変換をするために、Ｘ偏光方向に対して結晶軸を４５度傾けて配置される。
【０１４６】
偏光ビームスプリッター７０は、Ｘ偏光を透過し、Ｙ偏光を反射するビームスプリッターである。例えば、レーザーライン用キューブタイプ偏光ビームスプリッター（透過率９９％以上）を用いる。
【０１４７】
レーザーパルス生成装置７５は、共振器内の原子系６５の状態を制御するためと、原子系が共振器内の適切な位置に存在することを確認するために用いられる。この確認のために、微弱光を原子−共振器系（原子系６５及びミラー６６，６７）に照射し、原子系６５の応答を確認する手段（ミラー７７，７８，７９及び光検出器７６，８０）で、原子−共振器系からの戻り光と参照光の干渉を観測する。例えば、原子寿命（約１０μｓ）よりもずっと短時間に原子系６５の状態を変えるために、約１００ナノ秒の矩形π／２パルス生成装置を用いる。
【０１４８】
また、原子系６５の応答を確認する手段におけるミラー７７，７８，７９の反射率は１０分の１以下でよい。
【０１４９】
静的偏光回転子６８は、制御光子と標的光子を区別することなく、Ｘ偏光成分はＹ偏光に、逆にＹ偏光成分はＸ偏光に変換する。例えば、透過率９９％以上のファラデー回転子を用いることが望ましい。
【０１５０】
制御（標的）光子の中心周波数は、第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間の遷移周波数ω１と同じとし、その周波数スペクトラム幅は、第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間の吸収スペクトラムの半値幅（約４０ＭＨｚ）と同じか狭いとする。光子波束の縦モード（進行方向）の波形は、原子系の吸収に起因した波形変化の影響が小さいという点で、関数ｅｘｐ［−Γ｜ｘ｜] で近似できる波束を用いることが望ましい。但し、ｘは光子の時間位置を表し、Γは共振器軸方向への緩和率を表す。この場合、緩和率Γは、第一励起準位ｅ１及び第二励起準位ｅ２間の吸収スペクトラムの半値幅（約２０ＭＨｚ）以下であればよい。量子ビットの情報は制御及び標的光子の直交する二つの偏光、Ｘ偏光とＹ偏光とに符号化される。
【０１５１】
以上、このような構成を採用した量子位相シフトゲートの動作は、本発明の第２の発明の全体の動作と同じである。但し、全体の動作を開始する前に、レーザーパルス生成装置７５により、微弱光を原子−共振器系に照射し、原子−共振器系からの戻り光とミラー７８で分離した参照光の干渉を観測し、原子系６５が共振器内の適切な位置に存在することを確認する必要がある。
【０１５２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１５３】
本発明の量子位相シフトゲートは、安全性の高い暗号通信や、秘匿性の高い認証など、高度なセキュリティ技術として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】本発明の第一の実施形態である両側共振器を用いた量子位相シフトゲートの構成要素とそれらの関係を示す模式図である。
【図２】本発明の第一の実施形態の全体の動作のブロック図である。
【図３】本発明の第一の実施形態である両側共振器を用いた量子位相シフトゲートの実施例を示す図である。
【図４】本発明の第一の実施形態である両側共振器を用いた量子位相シフトゲートの実施例で用いられるＶ型３準位原子系の準位構造を示す図である。
【図５】偏光フィルターの構成図である。
【図６】本発明の第二の実施形態である偏光パリティ量子非破壊測定装置の構成要素とそれらの関係を示す模式図である。
【図７】本発明の第二の実施形態の全体の動作のブロック図である。
【図８】図６に示す進行方向切り替え手段の実施例を示す図である。
【図９】本発明の第三の実施形態であるベル状態測定装置の構成要素とそれらの関係を示す模式図である。
【図１０】本発明の第三の実施形態の全体の動作のブロック図である。
【図１１】本発明の第三の実施形態であるベル状態測定装置の実施例を示す図である。
【図１２】本発明の第２の発明を実施するための最良の形態を示す図である。
【図１３】本発明の第２の発明を実施するための最良の形態の全体動作のブロック図である。
【図１４】従来の非特許文献３に記載されている原子系のエネルギー準位を示す図である。
【図１５】従来の非特許文献３に記載されている共焦点型片側共振器を用いた量子位相シフトゲートの模式図である。
【符号の説明】
【０１５５】
６，６ｒ，７，７ｒ，２１，３８，３９，４５，５２，５８，５９，７１、７２    偏光ビームスプリッター（Ｘ偏光成分を反射し、Ｙ偏光成分を透過）
８，８ｒ，９，９ｒ    偏光フィルター（Ｘ偏光の光が透過するとき、Ｙ偏光の光を反射、逆にＸ偏光の光が反射するとき、Ｙ偏光の光を透過）
１０，１０ｒ，１１，１１ｒ    両側共振器を構成するミラー
１２，１２ｒ，６５    共振器内の原子系
１３，１３ｒ    偏光方向切り替えスイッチ（光子のＸ偏光成分を偏光フィルタで透過させるか反射させるかを制御するためのスイッチ）
１４，１４ｒ，１５，１５ｒ，４７，５３，５４，５５，５６，６３，６４，７３，７４，８１    反射鏡
１６，１７    進行方向切り替え手段
１８    信号検出器
１９，２０，４４，７６，８０    光検出器
２２，３１，３６    アダマール逆変換ゲート
２３，３０，３５，８１，８２    アダマール変換ゲート
２４，２５，２９，３７    量子位相シフトゲート
２６    Ｘ→Ｙ変換装置
２７，２８，３２，３３，３４    偏光パリティ量子非破壊測定装置
４２，４２ｒ，４３，４３ｒ，７５    原子系の状態を制御するためのレーザーパルス生成装置
４０，４１，４６，５０，５１，６９    動的偏光回転子（例えば、ポッケルスセル、Ｘ偏光をＹ偏光に、Ｙ偏光をＸ偏光に変換する素子）
４８，６０，６２，７０    偏光ビームスプリッター（Ｘ偏光成分を透過し、Ｙ偏光成分を反射）
４９    λ／４波長板（直線偏光を円偏光に、円偏光を直線偏光に変換する素子）
５７，６１，６８    静的偏光回転子（例えば、ファラデー回転子）
６６，６７    片側共振器を構成するミラー（ミラー６６の透過率はミラー６７の透過率よりずっとと小さい）
７７，７８，７９    ビームスプリッター（反射率が１０分の１以下）
【図１】
2008275673.tif 000003
【図２】
2008275673.tif 000004
【図３】
2008275673.tif 000005
【図５】
2008275673.tif 000006
【図６】
2008275673.tif 000007
【図７】
2008275673.tif 000008
【図８】
2008275673.tif 000009
【図９】
2008275673.tif 000010
【図１０】
2008275673.tif 000011
【図１１】
2008275673.tif 000012
【図１２】
2008275673.tif 000013
【図１３】
2008275673.tif 000014
【図４】
2008275673.tif 000015
【図１４】
2008275673.tif 000016
【図１５】
2008275673.tif 000017