(57)【要約】【課題】不均一幅に起因して入射光に共鳴し光吸収による損失の原因となる遷移を持つ多数の物理系を含む現実の物質を利用でき、光の吸収による損失が抑制され、微弱な制御光で微弱な被制御光の量子状態を大きく制御できる光量子ゲートを提供する。【解決手段】少なくとも4つのエネルギー状態（低い方から順に|1>、|2>、|3>、|4>）を有する物理系を含む物理系集団と、物理系集団の一部の物理系に関して|1>と|3>の間の遷移に共鳴する角周波数ωaの光Aおよび|2>と|3>の間の遷移に共鳴する角周波数ωcの光Cを発生する第1の光源系と、前記4つのエネルギー状態のうち2つからなるいずれの遷移にも共鳴しない角周波数ωbの制御光Bを発生する第2の光源系と、ゲート動作を行う前に前記物理系集団に光Aと光Cをこの順番で照射し、前記光Aと前記光Cの強度を制御する強度制御用回路を含む制御部とを有する光量子ゲート。【選択図】      図８
2005331592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも4つのエネルギー状態（ここで前記4つのエネルギー状態をエネルギーの低い方から順に|1>、|2>、|3>、|4>とする）を有する物理系を含む物理系集団と、
前記物理系集団の一部の物理系に関して|1>と|3>の間の遷移に共鳴する角周波数ωaの光Aおよび|2>と|3>の間の遷移に共鳴する角周波数ωcの光Cを発生する第1の光源系と、
前記4つのエネルギー状態のうち2つからなるいずれの遷移にも共鳴しない角周波数ωbの制御光Bを発生する第2の光源系と、
前記物理系集団に光C、前記光Aと同じ角周波数ωaを持つかまたは光Aの持つ角周波数帯に含まれる角周波数帯を持つ被制御光Sおよび制御光Bを照射し、被制御光Sに制御光Bを作用させてゲート動作を行う前に、前記物理系集団に光Aと光Cをこの順番で照射し、前記光Aと前記光Cの強度を制御する強度制御用回路を含む制御部と
を有することを特徴とする光量子ゲート。
【請求項２】
前記物理系は希土類イオンを分散させた酸化物結晶を有することを特徴とする請求項１に記載の光量子ゲート。
【請求項３】
少なくとも4つのエネルギー状態（ここで前記4つのエネルギー状態をエネルギーの低い方から順に|1>、|2>、|3>、|4>とする）を有する物理系を含む物理系集団に対し、その一部の物理系に関して|1>と|3>の間の遷移に共鳴する角周波数ωaの光Aと|2>と|3>の間の遷移に共鳴する角周波数ωcの光Cをこの順番で照射し、
前記物理系集団に、光Cと、前記光Aと同じ角周波数ωaを持つかまたは光Aの持つ角周波数帯に含まれる角周波数帯を持つ被制御光Sと、前記4つのエネルギー状態のうち2つからなるいずれの遷移にも共鳴しない角周波数ωbの制御光Bとを照射し、被制御光Sに制御光Bを作用させてゲート動作を行う
ことを特徴とする光量子ゲートの動作方法。
【請求項４】
前記物理系に前記光Aと前記光Cをこの順番で照射した後、前記光Cの強度を設定値Cgに設定し、前記被制御光Sの強度をゼロから設定値Sgまで連続的に増加させ、前記物理系集団のうち照射光と共鳴する物理系を、光Cを吸収しないエネルギー状態|1>と|2>との重ね合わせの状態にアディアバティックに保つことを特徴とする請求項３に記載の光量子ゲートの動作方法。
【請求項５】
前記被制御光Sの強度をゼロから設定値Sgまで連続的に増加させると同時に、あるいは増加させた後に、光Cの強度を前記設定値Cgからより低い設定値Cg1まで連続的に減少させることを特徴とする請求項４に記載の光量子ゲートの動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微弱な制御光で微弱な被制御光の量子状態を大きく制御できる光量子ゲートおよびその動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子力学的な重ね合わせの状態に情報を担わせて、情報処置や通信を行う量子情報処理が盛んに研究され、実用化のためのデバイスが開発されるようになってきている。量子情報を担う物理的実体として、光子などの電磁場や核スピンなどの物質系が用いられている。特に光子は、デコヒーレンスと呼ばれる量子状態の劣化を少なく抑えたまま、量子情報を長距離運ぶのに都合がよく、量子通信における情報媒体に最適と考えられている。また、光子を利用した量子コンピュータも提案されている。
【０００３】
これらの光子利用の量子情報処理では、第1の光によって、第2の光の量子状態を変化させる光量子ゲートが必要である。例えば第1の光の強度に応じて、第2の光の位相を変化させる量子位相ゲートなどである。しかし、光子を使った量子通信や量子計算では微弱な光で微弱な光（理想的には単一光子同士）の量子状態を制御する必要があり、そのためには巨大な非線形性を必要とするため、第2の光に必要十分な量子状態変化を誘起できる光量子ゲートの実現は極めて困難であった。
【０００４】
こうした状況の下、電磁波誘起透明化（Electromagnetically induced transparency, EIT）と呼ばれる物理現象を利用して、吸収による損失を回避しつつ巨大な非線形性を誘起するいくつかの方法が提案された。それらの方法では、共鳴領域において、吸収に寄与する線形感受率がEITによる量子干渉で打ち消し合う一方、非線形感受率は強め合うまたは共鳴に起因する大きな値をとるという、EITが持つ、非線形過程の効率的利用に好都合な性質が活用されている。H. Schmidtらは、この性質を利用した光による量子位相ゲートを提案している（非特許文献１）。また、その後、Schmidtらの方法を改良した様々な方法が提案されている。
【０００５】
しかし、これらの方法では、光にかかわるエネルギー状態を4つだけ考えればよい非常に単純な物質を想定している。実際には、物質は個々の物理系間でそれぞれ対応するエネルギー状態のエネルギー値が少しずつ異なる原子、イオン、分子などの物理系集団からなり、遷移エネルギーに不均一幅と呼ばれる幅を持つ分布が存在する。しかも、EITに関与するエネルギー状態の近傍に余計な他のエネルギー状態が存在することが多い。そのような余計な状態はEITを起こさずに吸収損失の原因となるため、損失のない量子ゲートの実現は、H. Schmidtらの提案のよっても、やはり困難であると考えられる。とりわけデバイス化に有利な固体材料では一般に不均一幅が大きく、エネルギー状態の構造も複雑であるため、損失のない量子ゲートの実現は大変困難であると考えられていた。
【０００６】
一方、材料の非線形性に頼らず、線形光学素子のみを利用した光量子ゲートまたは量子コンピュータも提案され、最近では量子ビット数（量子ビットは量子情報処理において情報を表す単位である）に拡張性のある方法も提案され、基礎的な実験も行われている。しかしこの方法では、材料の非線形性を利用しない代わりに、いわば“人の手による非線形性”を導入するための高効率の光子検出器、速いフィードバック系などを必要とし、また、動作が確率的であるなどの技術的に困難な点を持つ。
【０００７】
このように、光量子ゲートを実現するための従来の方法には、現実の系で、吸収による損失なく、大きな非線形性を利用することが困難であるという問題点があり、これらの問題を解決する現実的な方法は従来知られていなかった。
【非特許文献１】H. Schmidt and A. Imamoglu, Opt. Lett. 21, 1936(1996).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、不均一幅に起因してエネルギー状態間の遷移エネルギーが個々の間で異なる、光と相互作用する物理系（原子、イオン、分子など）の集団を用いるにもかかわらず、光の吸収による損失が抑制され、微弱な制御光で微弱な被制御光の量子状態を大きく制御できる光量子ゲートとその動作方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様に係る光量子ゲートは、少なくとも4つのエネルギー状態（ここで前記4つのエネルギー状態をエネルギーの低い方から順に|1>、|2>、|3>、|4>とする）を有する物理系を含む物理系集団と、前記物理系集団の一部の物理系に関して|1>と|3>の間の遷移に共鳴する角周波数ωaの光Aおよび|2>と|3>の間の遷移に共鳴する角周波数ωcの光Cを発生する第1の光源系と、前記4つのエネルギー状態のうち2つからなるいずれの遷移にも共鳴しない角周波数ωbの制御光Bを発生する第2の光源系と、前記物理系集団に光C、前記光Aと同じ角周波数ωaを持つかまたは光Aの持つ角周波数帯に含まれる角周波数帯を持つ被制御光Sおよび制御光Bを照射し、被制御光Sに制御光Bを作用させてゲート動作を行う前に、前記物理系集団に光Aと光Cをこの順番で照射し、前記光Aと前記光Cの強度を制御する強度制御用回路を含む制御部とを有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の他の態様に係る光量子ゲートの動作方法は、少なくとも4つのエネルギー状態（ここで前記4つのエネルギー状態をエネルギーの低い方から順に|1>、|2>、|3>、|4>とする）を有する物理系を含む物理系集団に対し、その一部の物理系に関して|1>と|3>の間の遷移に共鳴する角周波数ωaの光Aと|2>と|3>の間の遷移に共鳴する角周波数ωcの光Cをこの順番で照射し、前記物理系集団に、光Cと、前記光Aと同じ角周波数ωaを持つかまたは光Aの持つ角周波数帯に含まれる角周波数帯を持つ被制御光Sと、前記4つのエネルギー状態のうち2つからなるいずれの遷移にも共鳴しない角周波数ωbの制御光Bとを照射し、被制御光Sに制御光Bを作用させてゲート動作を行うことを特徴とする。
【００１１】
本発明の実施形態において、「光Aと同じ角周波数ωaを持つかまたは光Aの持つ角周波数帯に含まれる角周波数帯を持つ被制御光S」とは、中心角周波数ωS(c)と角周波数幅ΔSがωa(c)-ΔA≦ωS(c)-ΔSかつωS(c)+ΔS≦ωa(c)+ΔA（ここで、ωa(c)、ΔAはそれぞれ光Aの中心角周波数と角周波数幅）の関係を満たす被制御光Sのことである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、入射光に共鳴し光吸収による損失の原因となるエネルギー状態が多数存在する現実の物理系集団を利用した、光の吸収による損失がなく、微弱な制御光で微弱な被制御光の量子状態を大きく制御可能な光量子ゲートとその方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の光量子ゲートについて説明する前に、まず、従来技術である、EITを利用しない量子ゲートと、SchmidtらによるEITを利用した光量子ゲートを説明する。
【００１４】
図１に、EITを利用しない、光カー効果による従来の光量子ゲートのスキームを示す。このスキームでは、少なくとも3つのエネルギー状態（これらのエネルギー状態をエネルギーの低い方から順に|g>、|i>、|u>とする）を有する物理系を用い、カー効果（相互位相変調）を利用して、角周波数ωaの被制御光の位相を角周波数ωbの制御光によって制御する。カー効果にかかわる非線形性χ(3)の値を大きくするためには、状態|i>または状態|u>との離調Δωa、Δωbを小さくしたほうが有利であるが、吸収が増大するため離調をある程度以上小さくすることはできない。また、このままの構成では被制御光の自己位相変調が起こり、これも光量子ゲート動作の妨げになる。
【００１５】
図２に、Schmidtらが提案した、上記の問題点をEITの利用で回避するスキームを示す。このスキームでは、少なくとも4つのエネルギー状態（これらのエネルギー状態をエネルギーの低い方から順に|1>、|2>、|3>、|4>とする）を有する物理系（EIT媒質）を用い、状態|2>、|3>間を結ぶ角周波数ωcの光（カップリング光）と、状態|1>、|2>間を結ぶ角周波数ωaの被制御光とでEITを誘起させる。また、状態|2>、|4>間の遷移とΔωbの離調をもつ角周波数ωbの制御光を入射する。図２のΓ3、Γ4は、それぞれ状態|3>、|4>からの緩和速度である。このスキームでは、EITにより被制御光の吸収が消失しているので、媒質による1光子過程の損失がなく、媒質中の長い相互作用長による大きな位相シフトが可能になる。また、状態|1>、|2>間遷移の高次の非線形性が消失し、自己位相変調も回避できる。Schmidtらの計算によれば、このスキームで得られる被制御光の位相シフトφは式(1)のように表される。
【数１】
2005331592.tif 000003
【００１６】
ただし、Lは媒質の長さ、Nは原子（媒質中で吸収を担う、原子、イオン、分子など）の密度、Ebは制御光の電場、μ13、μ24はそれぞれ状態|1>、|3>間、|2>、|4>間の遷移双極子モーメント、Ωcはカップリング光と原子との相互作用の大きさを表すラビ角周波数である。Ωcは、式(2)のように表される。
【数２】
2005331592.tif 000004
【００１７】
ただし、Ecはカップリング光の電場、hはプランク定数である。
【００１８】
EIT誘起可能な媒質では状態|2>からの緩和速度Γ2は非常に小さいため、EIT誘起の条件であるΩc2＞Γ2Γ3という関係を満たしたまま、Ωcを非常に小さくすることができる。その結果、φを非常に大きくすることができる。
【００１９】
このスキームで損失の原因となるのは、2光子吸収である。2光子過程による吸光度αLに対する位相シフトはこの光量子ゲートの性能指数となり、その値は式(3)で与えられる。
【数３】
2005331592.tif 000005
【００２０】
式(3)は性能指数が光強度によらないことを意味する。従って、性能指数とΩcは独立に設定できる。つまり非常に微弱な光でも、損失の割合を抑えたまま、所望の位相シフトが得られることになる。  
さらに、このスキームをもとに、様々な改良スキームが提案されている。
【００２１】
ところで、これらのEIT利用のスキームを実際のEIT媒質、特にデバイス化に有利な固体材料で実行しようとすると、EITだけでは、吸収による損失を完全に消失させることは難しい。これは、実際の物理系では多くの場合、EITを起こさない多数の余計なエネルギー状態が吸収に寄与しており、吸収損失がなくならないためである。
【００２２】
以下では、固体で重ね合わせの状態が実現できEITが観測されている（K. Ichimura, K. Yamamoto, N. Gemma, Phys. Rev. A58, 4116(1998).）、希土類イオンPr3+を分散させた酸化物結晶Y2SiO5を例に、従来の方法では吸収損失が完全にはなくならない様子、および本発明によりその吸収が回避できる機構を説明する。
【００２３】
図３に、Pr3+イオンを分散させたY2SiO5において、EITの観測に実際に利用されたエネルギー状態を示す。これらの状態で、Schmidtのスキームに従ってEITを実行する場合を考える。すなわち、これらの状態（の一部）は、図２におけるエネルギー状態|1>、|2>、|3>に相当する。
【００２４】
図３に示すように、光遷移で結ばれた上の3状態と下の3状態はそれぞれ超微細相互作用で3つずつに分裂している。その分裂の間隔は周波数にして数MHzから十数MHzである。また、図３には示していないが、この物質の上の3状態と下の3状態を結ぶ光遷移には不均一幅と呼ばれる遷移エネルギーのばらつきがあり、その分布の幅は約10GHzである。
【００２５】
EITを誘起するためには、図中に示したように、下の2つの状態と上の1つの状態を結ぶ2波長の光、すなわちカップリング光と被制御光を照射する。EITは、照射した2波長の光が2光子共鳴する場合に起きるので、カップリング光と被制御光の周波数差を下の3つの状態から選んだ2つの状態間のエネルギー差に相当する17.3MHzに設定して照射する場合を考える。以下では、図３に示したPr3+イオンの6つのエネルギー状態を、エネルギーの低い方から順番に状態|1>、|2>、|3>、|4>、|5>、|6>とする。
【００２６】
このような物質の場合、超微細相互作用で分裂した状態間のエネルギー差が、光学遷移の不均一幅より小さいことに注意する必要がある。いま、カップリング光および被制御光の周波数を図３の下の状態と上の状態を結ぶ光学遷移の周波数に合わせて（合わせたつもりで）照射する場合を考える。図３では、カップリング光と被制御光がそれぞれ状態|2>、|6>間の遷移および状態|1>、|6>間の遷移に共鳴するイオンを操作する場合を示してあるが、実際には、図４に示すように、それぞれ状態|2>、|6>間遷移および状態|1>、|6>間遷移に共鳴するイオンのほかに、それぞれ|2>、|5>間遷移、|1>、|5>間遷移に共鳴するイオンおよび|2>、|4>間遷移、|1>、|4>間遷移に共鳴するイオンも存在する（図４のイオン1、2、3）。これらは2光子共鳴の条件を満たすためEITを起こす。しかし、被制御光が|3>-|4>間遷移に共鳴し、カップリング光が共鳴する遷移がない（図４のイオン4）、または被制御光が|2>、|4>間遷移に共鳴し、カップリング光が共鳴する遷移がない（図４のイオン5）など、EITを起こさず被制御光の吸収に寄与するイオンも存在する。これらのイオンが存在するために、吸収はなくならない。
【００２７】
上記の考察では、状態|1>、|2>、|3>の間の不均一幅、または状態|4>、|5>、|6>の間の不均一幅、光遷移の均一幅（個々のイオンが固有に持つ共鳴幅）、および照射光のスペクトル幅はこれらの状態間のエネルギー差に比べて十分小さく、またPr3+イオンの光照射前のポピュレーションは下の3状態に分布していると仮定している。この仮定は、液体ヘリウム温度(4K程度)に冷却したPr3+:Y2SiO5に狭帯域のリング色素レーザーからの光を照射するなどの方法により実際に満たすことが可能である。
【００２８】
次に、どのような遷移エネルギー(遷移周波数)を持つイオンがEITを起こし、どのようなイオンがEITを起こさず吸収の原因となるのか、あるいは、光を吸収したイオンはどの状態に移るかなどを考察するために、2つの遷移の遷移周波数を2軸とする2次元の遷移周波数平面上でのPr3+イオンの分布を考える。
【００２９】
EITは、共通の最もエネルギーの高い状態と下の2つの状態を結ぶ2つの遷移に共鳴する光照射により起こる。図５は、その遷移に共鳴する光を照射することによりEITが起こる2つの遷移の周波数のうち大きいほうの遷移周波数をx軸（横軸）、小さい方の遷移周波数をy軸（縦軸）にとり、Y2SiO5結晶内のPr3+イオンの分布する範囲を模式的に表した図である。状態|1>から|6>までを考えた場合、光照射によりEITを起こす遷移の組は、(|2>-|4>, |3>-|4>）、(|2>-|5>, |3>-|5>）、(|2>-|6>, |3>-|6>）、(|1>-|4>, |2>-|4>）、(|1>-|5>, |2>-|5>）、(|1>-|6>, |2>-|6>）、(|1>-|4>, |3>-|4>）、(|1>-|5>, |3>-|5>）、(|1>-|6>, |3>-|6>）の9組である。それぞれの括弧内には、左に遷移周波数のより大きい遷移を記してある。図５における重なり合った9つの楕円は、上記のそれぞれの遷移の組に対応する、遷移周波数平面上でのイオンの分布を模式的に示したものである。
【００３０】
それぞれの楕円のx軸方向の幅（分布）は、対応する遷移の組の左側の光学遷移の不均一幅に相当する。それぞれの楕円のy軸方向の幅は、対応する遷移の組の右側の光学遷移の不均一幅に相当する。また、それぞれの楕円の短軸方向の長さの２1/2倍が、対応する遷移の組を構成する3つの状態のうち、光では結ばれない下2状態間の不均一幅に相当する。実際には、下2状態間の不均一幅は数十kHzであるのに対し、光学遷移の不均一幅は約10GHzであり、10万倍以上の差がある。しかし、図５では、楕円が重なっている様子を理解しやすくする目的で、分布を表す楕円の短軸方向を拡大し、長軸方向を縮小してある。
【００３１】
図６に、遷移周波数平面上でのイオンの分布と照射光との関係を模式的に示す。図６は、結晶に周波数νcのカップリング光と周波数νaの被制御光（νa-νc=17.3MHz）を照射することを示している。図６の丸印で示したA〜Kの部分のうち、その部分に含まれるイオンがすべてEITにより透明になるのはEの部分のみで、その他の領域に存在するイオンの少なくとも一部は1波長の光を照射した場合と同様に相互作用する。特にD、F、I、J、Kのそれぞれの少なくとも一部のイオンは、被制御光を吸収することになる。
【００３２】
本発明では、まず、光量子ゲートを構成する物理系集団に、被制御光と同じ角周波数を持つか、または被制御光の角周波数帯を含む光Aを照射する。光Aの照射時間は上状態の寿命より長いことが望ましく、また光Aによるイオンの上状態へのパンプレート（1秒間の光照射による励起確率）と照射時間との積は1より大きいことが望ましい。光Aの照射により、D、E、F、I、J、Kに分布するイオンはそれぞれ、上状態を経由して状態|3>か|2>、|2>か|3>、|3>か|1>、|2>か|1>、|1>か|3>、|1>か|2>に移る。この光Aを照射した後、他に光を照射しなければ、下状態間の縦緩和時間程度の間、ポピュレーションの移動により、すべてのイオンに関して被制御光の吸収は消失するか極めて小さくなる。
【００３３】
本発明では、光A照射の直後にカップリング光Cを照射する。これにより、A、B、C、G、E、Hに分布するイオンはそれぞれ、状態|3>か|2>、|2>か|3>、|3>か|1>、|2>か|1>、|1>か|3>、|1>か|2>に移る。このカップリング光Cの照射後の状態では、Eの領域のみに、カップリング光または被制御光を吸収する可能性のあるイオンが分布するようになる。
【００３４】
つまり本発明の方法で、大きな不均一幅と余計な状態を持っている物理系集団が、下状態間の縦緩和時間程度の間、あたかもEの部分だけに物理系が分布し、EITによりほぼ完全に吸収を消失させるのが容易な、余計な状態を持たない、狭い不均一幅を持つ物理系のように振る舞うようになる。
【００３５】
図７は、光Aを照射し、次いでカップリング光Cを照射している最中またはカップリング光の照射を一度やめた後に下状態間の縦緩和時間以内に再びカップリング光を照射している最中であって、被制御光Sを入射する前の時点で、領域Eに分布するイオンのうち状態|1>にあるもののエネルギー状態と光との関係を示したものである。領域Eには状態|2>にあるイオンはなく、状態|3>にあるものは照射光との相互作用を無視できる。したがって、ゲート動作を議論する際には、状態|1>にあるイオンだけを考えればよい。
【００３６】
カップリング光Cが照射され、イオンが状態|1>にある物理系の状態は、EITの状態（ダークステート、またはポピュレーション・トラッピングステートなどと呼ばれる）の特別な場合になっている。EITの状態は、一般に以下のように表される。
【数４】
2005331592.tif 000006
【００３７】
ここで、Ωc1(t)、Ωs(t)はそれぞれカップリング光および被制御光とイオンとの相互作用の強さを表すラビ角周波数であり、次式(5)で与えられる。
【数５】
2005331592.tif 000007
【００３８】
ただし、μ2u、μ1uはそれぞれ状態|2>、|1>と上状態間の遷移双極子モーメント、Ec1、Esはそれぞれカップリング光、被制御光の電場を表す。
【００３９】
図７で表される物理系の状態は、式(4)で表されるEITの状態のうち、被制御光強度がゼロ（Ωs(t)=0）である特別な場合とみなすことができる。従って、被制御光を入射する際に、Ωs(t)をゼロからアディアバティック（adiabatic）に変化させることで、（カップリング光の強度、位相に注意を払うことなく）最初から終わりまでEITの状態を保ったままゲート動作を行うことができる（J. R. Kuklinski, U. Gaubatz, F. T. Hioe, and K. Bergmann, Phys. Rev. A40(11), 6741(1989).  N. T. Vitanov and S. Stenholm, Opt. Commun. 135, 394(1997).）。従って、物理系は一度も状態|3>に励起されることなく、EITが誘起されるまでの吸収損失も回避したゲート動作が可能になる。一般の始状態にあるイオンの場合、ゼロから立ち上がる被制御光を照射しつつ、系をEITの状態に保ったまま所望のカップリング光強度、被制御光強度のEITの状態にアディアバティックに移行させるのは強度、位相制御の点から事実上不可能で、所望のカップリング光強度、被制御光強度のEITの状態に移行するまでに、吸収による損失が生じる。これに対して、本発明の方法では、被制御光照射前に、カップリング光によって、関係するイオンを状態|1>に準備する。これにより、被制御光強度がゼロである入力前の状態を（特に光強度、位相に注意を払うことなく）自動的にEITの状態にすることができるので、その状態からゲート動作を開始し、アディアバティックな過程（adiabatic passage）によって終始吸収損失のないゲート動作が可能になる。
【００４０】
入射する非制御光がパルスの場合、非制御光が物理系集団に入射後、カップリング光強度をより強度に徐々に変化させると、非制御光が減速し、長い相互作用時間により同じ制御光強度でもより大きな位相変化を非制御光に誘起することができる。
【実施例】
【００４１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。  
（実施例１）
図８は本実施例に係る光量子ゲートのブロック図である。本実施例では、O.O5％のY3+イオンをPr3+に置換したPr3+:Y2SiO5結晶1を、光量子ゲートを構成する固体材料として利用する。結晶中の一部のPr3+イオンを物理系として用い、少なくとも4つのエネルギー状態を利用して量子ゲート動作のための非線形性を発現させる。結晶中には多数のPr3+イオンが含まれるので、物理系集団が形成されている。この結晶1は、光学窓付きのクライオスタット2中に設置され、液体ヘリウム温度に保たれる。
【００４２】
光量子ゲートを初期化するための光源（第1の光源）としてアルゴンイオンレーザー11によって励起されるリング色素レーザー12を用意し、出力されるレーザー光の線幅を、中心周波数のジッターを抑制する安定化フィードバック系13により100kHz以内に狭窄化する。このレーザー光は50/50のビームスプリッター14で2つに分離され、片方のレーザー光は直進して第1の光路を通過し、もう片方のレーザー光はミラー15に反射されて第2の光路を通過する。
【００４３】
第1の光路のレーザー光は強度制御用および周波数シフト用の音響光学素子16aにより強度と中心周波数（波長）を調整され、レーザー光AとしてPr3+:Y2SiO5結晶1に照射される。レーザー光Aの中心周波数（波長）は後述する被制御光の中心周波数（波長）とレーザー線幅の範囲内で一致する605.98nm近傍に設定される。この周波数νaは結晶中の一部のPr3+イオンに関して|1>と|3>の間の光学遷移に共鳴する。
【００４４】
第2の光路のレーザー光も強度および周波数制御用の音響光学素子16cにより強度と中心周波数（波長）を調整され、レーザー光CとしてPr3+:Y2SiO5結晶1に照射される。レーザー光Cの中心周波数（波長）はレーザー光Aの中心周波数（波長）に対して17.3MHz低周波数側に設定される。この周波数νcは結晶中の一部のPr3+イオンに関して|2>と|3>の間の光学遷移に共鳴する。
【００４５】
音響光学素子16a、16cは、ゲート操作前およびゲート操作中に、所定のタイミングおよび強度でレーザー光Aとレーザー光CをPr3+:Y2SiO5結晶1に照射させるように、制御部17の強度制御用回路18に接続されている。
【００４６】
Pr3+:Y2SiO5結晶1中では、レーザー光Cがレーザー光Aを空間的に含むように第2の光路からのレーザー光をより太くし、かつレーザー光Cとレーザー光Aが5度以内の小さい角度で交わるように調整されている。レーザー光Cは結晶通過後、フォトントラップ19でトラップされる。
【００４７】
なお、結晶1の光入射面または光出射面は、それぞれ出射または入射する光に対する反射防止コーティングが施されている。また、第1の光路には、外部からの被制御光を、結晶1中のレーザー光Aが照射される領域に導くために、反射率99%、透過率1%のビームスプリッター20が設けられている。ここまでで説明した部分が、図８において破線で囲んだ部分にほぼ相当する。
【００４８】
被制御光用の光源としてアルゴンイオンレーザー21によって励起されるリング色素レーザー22を用意し、出力されるレーザー光の線幅を、中心周波数のジッターを抑制する安定化フィードバック系23により100kHz以内に狭窄化する。このレーザー光は強度および周波数制御用の音響光学素子24により強度と中心角周波数（波長）を調整され、その中心角周波数（波長）はレーザー光Aとレーザー線幅の範囲内で同じになるように設定される。このレーザー光は50/50ビームスプリッター25で2つに分離され、片方は遅延路26を通し参照光として利用され、もう片方は被制御光Sとしてビームスプリッター20を経由してPr3+:Y2SiO5結晶1に照射される。
【００４９】
制御光用の光源（第2の光源）としてアルゴンイオンレーザー31によって励起されるリング色素レーザー32を用意し、出力されるレーザー光の線幅を、中心周波数のジッターを抑制する安定化フィードバック系33により100kHz以内に狭窄化する。このレーザー光は強度および周波数制御用の音響光学素子34により強度と中心周波数（波長）を調整され、ミラー35、36によって反射され、制御光BとしてPr3+:Y2SiO5結晶1に照射される。制御光Bの中心周波数（波長）は、被制御光Sより300GHz高く設定される。この周波数νbは、量子ゲート動作に利用するPr3+イオンの4つのエネルギー状態のうち2つからなるいずれの遷移にも共鳴しない。
【００５０】
Pr3+:Y2SiO5結晶1中では、制御光Bが被制御光Sを空間的に含むように制御光Bを被制御光Sより太くし、かつ制御光Bと被制御光Sが5度以内の小さい角度で交わるように調整されている。制御光Bは結晶通過後、フォトントラップ37でトラップされる。
【００５１】
Pr3+:Y2SiO5結晶1を透過した被制御光Sはミラー41で反射され、50/50のビームスプリッター42で参照光と重ね合わされ、光検出器43で重ね合わされた後の強度を検出することにより、被制御光Sの位相変化を検出できるようになっている。
【００５２】
図９を参照して、本実施例における光量子ゲートの光照射強度の時間変化を説明する。まず、Pr3+:Y2SiO5結晶1に、ビーム径を100μmに絞った50W/cm2のレーザー光Aを1ms照射した後、ビーム径を1mmに絞った50W/cm2のレーザー光Cを1ms照射した。レーザー光Cの照射終了後1msたってから、Pr3+:Y2SiO5結晶1に、ビーム径を1mmに絞った設定値Cg=2W/cm2のレーザー光Cと、ビーム径を100μmに絞り音響光学素子24で強度を落とした微弱な被制御光S（強度設定値Sg）を同時に照射した。レーザー光Cおよび被制御光Sの照射が始まる際の光強度の立ち上がり時間はいずれも100nsであった。この状態で被制御光Sの照射後500μsの時点Trで光検出器43の出力を記録し、レーザー光Aの照射から始まり光検出器43の出力を記録するまでの1連の作業を遅延路26の設定を少しずつ変えながら繰り返し、光検出器43からの出力が最大になる位置に遅延路26を固定した。
【００５３】
次に、遅延路26をこの状態に固定したまま、遅延路26の設定変更を除いた上記のレーザー光Aの照射から始まる一連の操作を、ビーム径を1mmに絞り音響光学素子34で強度を調整した微弱な制御光Bを照射しながら繰り返し行った。その繰り返しの際、制御光Bの強度をゼロから始めて徐々に高くすると、光検出器43からの出力が徐々に弱くなり、さらに制御光Bの強度を増すと再び増加した。これは制御光Bの強度に依存して被制御光Sの位相が変化したためと考えられる。また、光検出器43の出力記録時のPr3+:Y2SiO5結晶1に対する被制御光Sの透過率は90%以上であった。このことから、EITを起こさないイオンによる吸収が抑制された位相ゲートを実現できたことがわかる。
【００５４】
（実施例２）
光量子ゲートへの光照射の仕方を変更した実施例を説明する。図１０を参照して、本実施例における光量子ゲートの光照射の強度変化を説明する。まず、Pr3+:Y2SiO5結晶1にビーム径を100μmに絞った50W/cm2のレーザー光Aを1ms照射した後、ビーム径を1mmに絞った50W/cm2のレーザー光Cを1ms照射した。レーザー光Cの照射終了後1msたってから、Pr3+:Y2SiO5結晶1に、ビーム径を1mmに絞った設定値Cg=2W/cm2のレーザー光C（光強度の立ち上がり時間は100ns）を照射するとともに、ビーム径を100μmに絞り音響光学素子24で強度を落とした微弱な被制御光Sを強度ゼロから始めて500μsをかけて図９（実施例１）と同じ強度（設定値Sg）になるまで徐々に強度を上げるようにして照射した。この時点Trでの光検出器43の出力を記録し、その後は実施例１と同様の操作を行った。その結果、実施例１と同様に、光検出器43からの出力は制御光Bの強度に対して減少および増加することが認められた。また、光検出器43の出力記録時のPr3+:Y2SiO5結晶1に対する被制御光Sの透過率は90%以上であった。
【００５５】
さらに、光検出器43の出力記録時Trまでに結晶を透過してきた被制御光Sの積分強度を測定し、実施例１の場合と比較した。その結果、本実施例での積分強度の透過率は、実施例１よりも増加していることが観測された。これは以下のような理由によると考えられる。すなわち、実施例１では、被制御光Sの照射直後の時点でレーザー光Cおよび被制御光Sに対してイオンがEITを起こす状態になく、EITの状態に移行するまでの間、吸収による損失が生じる。これに対し、本実施例では、被制御光Sの照射直前から照射後500μsの測定開始時まで終始Pr3+イオンがアディアバティックにEITの状態を保っており、EITが起こるまでの吸収による損失が軽減される。
【００５６】
なお、被制御光Sの強度をゼロから設定値Sgまで連続的に増加させると同時に、あるいは増加させた後に、光Cの強度を設定値Cgからより低い設定値Cg1まで連続的に減少させるようにしてもよい。非制御光Sがパルスの場合、パルスがPr3+:Y2SiO5結晶1に入射した後、光Cの強度を徐々に設定値Cgからより低い設定値Cg1まで連続的に減少させることにより、非制御光をPr3+:Y2SiO5結晶1の中で減速させてゆっくり進ませることで、結晶から出てきた被制御光Sに同じ制御光強度でより大きな位相シフトを引き起こすことができた。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】EITを利用しない従来の光量子ゲートのスキームを説明するための図。
【図２】EITを利用した従来の光量子ゲートのスキームを説明するための図。
【図３】Pr3+:Y2SiO5結晶において、EITの観測に利用されるエネルギー状態を示す図。
【図４】不均一幅に起因して、照射光に対して結晶中のイオンの様々な状態間を結ぶ遷移が共鳴する様子を表す図。
【図５】遷移周波数平面上でのイオンの分布を模式的に示す図。
【図６】遷移周波数平面上でのイオンの分布と照射光との関係を模式的に示す図。
【図７】本発明の光量子ゲートについて、ゲート動作を行う前の時点における、光量子ゲートに関与するイオンのエネルギーの状態を説明するための図。
【図８】本発明の実施例１の光量子ゲートを示すブロック図。
【図９】本発明の実施例１におけるレーザー照射強度の時間変化を示す図。
【図１０】本発明の実施例２におけるレーザー照射強度の時間変化を示す図。
【符号の説明】
【００５８】
1…Pr3+:Y2SiO5結晶、2…クライオスタット、11…アルゴンイオンレーザー、12…リング色素レーザー、13…安定化フィードバック系、14…ビームスプリッター、15…ミラー、16a、16c…音響光学素子、17…制御部、18…強度制御用回路、19…フォトントラップ、20…ビームスプリッター、21…アルゴンイオンレーザー、22…リング色素レーザー、23…安定化フィードバック系、24…音響光学素子、25…ビームスプリッター、26…遅延路、31…アルゴンイオンレーザー、32…リング色素レーザー、33…安定化フィードバック系、34…音響光学素子、35、36…ミラー、37…フォトントラップ、41…ミラー、42…ビームスプリッター、43…光検出器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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