单一光子产生装置及量子位读取装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了单一光子产生装置及量子位读取装置和方法。该方法包括：准备包括共振角频率ω↓［ｃ］的共振腔模式的光学共振腔；准备包含在光学共振腔中的材料，其包括低能态｜ｇ＞和高能态｜ｅ＞，并包括被外场所改变的｜ｇ＞－｜ｅ＞之间的跃迁角频率ω↓［ａ］；向所述材料施加角频率ω↓［ｌ］不同于共振角频率ω↓［ｃ］的光；以及向所述材料施加第一外场以改变跃迁角频率ω↓［ａ］以便与角频率ω↓［ｌ］共振，使得材料的状态被变换到高能态｜ｅ＞，并随后向材料施加第二外场以改变跃迁角频率ω↓［ａ］以便与共振角频率ω↓［ｃ］共振，使得材料的状态被变换到低能态｜ｇ＞。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于产生单一光子的易用单一光子产生装置，和量子 位读取装置和方法。
技术介绍
单一光子源是用于诸如利用光子的量子计算机或量子加密技术 的量子信息处理技术的重要装置，并且需要用以在特定空间模式下在 所需时序发射单一光子。存在用于最简单且最可靠地满足要求的方法，其中，在原理上，用71脉沖(7T:循环常数)激光来激发双态体系，诸如单一原子、离子、分子或量子点，并且与共振腔模式相应的频率的光子由于激光束 与共振腔模式的耦合(具有耦合常数g)而在该共振腔模式中被发射并在共振腔外部所设置的特定空间模式下以耗散常数K (>g)被进一 步发射。在此方法中，需要71/￡1的时间段以进行激发，并且需要7t/g 的时间段以进行光子发射。光子发射之后，双态体系立即被恢复到其初始状态，并且可以开始下一个光子发射周期。由于Q-27iE卞/h (E: 激光电场；n:跃迁偶极矩)，如果使用强激光束，则单一光子的产生周期(时间间隔)，即7T/Q+7T/g变成7T/g,其为对于利用共振腔模 式的单一光子源的最高操作速度。但是，在此模式下，强激发光的角频率(波长)等于与共振腔才莫式(resonator mode )相应的角频率(波 长)，并且光变成杂散光(噪声)并且易于与要使用的单一光子混合。　为了避免这个问题，考虑使用单一三态体系，其中，通过激光束 与共振腔模式的耦合来使得与激发相应的跃迁不同于与光子发射相应跃迁。更进一步地，存在使用绝热通道(adiabatic passage)而不 使用到更高状态的激发的另一种方法，尽管该方法利用单一物理体系 的三态体系。但是，在这些方法中，初始状态(例如|1>)之后，需要有至少 约为1/g的时间段直至产生光子，并且在光子产生之后，该状态没有 被立即恢复到初始状态(例如，其被保持在|2>)。因此，有必要等待 直到通常比其它两个跃迁长的|2>- |1>之间的自发跃迁使初始状态 (|1>)恢复，或者使用通过具有两个波长的光的施加而引起的绝热通 道来使状态恢复到初始状态。相应地，在两种情形中，将重复频率降 低了与使状态恢复到初始状态所需的时间相应的程度。另外，在后者 情形中，有必要施加两个波长的光并控制该光的强度。同样在这种情 形中，施加与共振腔模式的频率相同的频率的光，这不可避免地导致 与在使用双态体系的情形中相同的问题。还存在一种方法，其中，共振腔中包含双态体系，其具有以|2> -|1>之间的跃迁共振的模式，并且具有大于该模式的耦合常数的耗散 常数和在|2>_|1>之间的跃迁，并通过该模式与|2>- |1>之间的跃迁的 耦合来加速|2>- |1>之间的跃迁以<更快速地恢复初始状态(参见例如 曰本专利No. 3682266)。在这种方法中，可以减少恢复处理所需的 时间，但是有必要利用另一种共振腔。更进一步地，理想的是在不同 能态之间不需要恢复处理。更进一步地，最近已经开发了产生微波区域中的单一光子的方 法，其中，改变超导状态下(称为库柏对盒(Cooper pairs box))被 看作双态体系的物理系统的跃迁频率以便跨越共振腔模式以在共振 腔模式下发射微波光子(参见例如2007年美国物理学会三月会议， 公开No. H33國5，日本专利No. 3682266)。更进一步地，存在一种方法，其中，使用由激光束施加而引起的 绝热通道来激发双态体系，并将其用作单一光子源。但是，在这种方　 法中，在各种模式(方向)下发射光子，并且没有公开在特定^^莫式下 发射光子的方法。发射单一光子的简单方法不是已知的，其不同于需要很多时间、 或者复杂并且需要其中可能强化杂散光的恢复处理的传统方法，并且 其可以实现约g/7T的重复频率，并且其中，激发光在频率(波长)上 不同于共振腔模式，例如发射的光子。
技术实现思路
依照本专利技术的一个方面，提供了产生单一光子的方法，其包括 准备具有共振角频率为coe的共振腔模式的光学共振腔；准备包含在 光学共振腔中的材料，其具有低能态lg〉和高能态le、并具有被外场 改变的lg〉 _ le〉之间的跃迁角频率oa;向该材料施加角频率co,不同于 共振角频率(Oc的光；并向该材料施加第一外场以改变跃迁角频率o)a 以便与角频率co,共振，使得该材料被变换到高能态le〉，并且随后向该材料施加第二外场以改变跃迁角频率Oa以便与共振角频率COc共振，使得该材料被恢复到低能态^>。依照本专利技术的另一方面，提供了读取量子位的方法，其包括准 备包括共振角频率为0)e的共振腔模式的光学共振腔；准备包含在光 学共振腔中的材料，其包括低能态&>、高能态le〉、以及两个状态|0> 和|1>，并包括被外场所改变的lg〉-le〉之间的跃迁角频率(oa;产生分 别使^>- |0之间的跃迁和|1> - le〉之间的跃迁共振的第一脉冲束和 第二脉冲束；控制第一脉冲束和第二脉冲束以便使其暂时相互重叠以 将其中第一脉冲束的第一强度高于第二脉冲束的第二强度的状态变 换到其中第二强度高于第一强度的第二状态，以便产生第 三脉冲束； 将第三脉冲束施加于所述材料；以及在向所述材料施加第三脉冲束之 后向其施加第一外场，以改变跃迁角频率(Oa以便与角频率co,共振， 然后，向所述材料施加第二外场以改变跃迁角频率COa以便与共振角 频率o)e共振，并根据是否检测到从光学共振器发射的光子来读取量子位。附图说明图l是示出了根据一个实施方案的单一光子产生装置的方框图；图2是示出了双态体系的跃迁角频率、激光器的光子角频率、与 光学共振器的模式的角频率之间的关系的视图；图3是示出了双态体系中随时间而发生的改变的视图，并且可用 于说明由7T脉冲辐射实现的光子的产生；图4是示出了双态体系中随时间而发生的改变的视图，并且可用 于说明使用绝热通道的光子的产生；图5是可用于说明所述实施方案的单一光子产生装置将磁场用 作外场的情形的方框图；图6是示出了根据所述实施方案的量子位读取装置的方框图；图7是可用于说明其中图6的量子位读取装置使用磁场作为外场 的情形的视图；图8是示出了 Y2SiOs晶体中Pr"离子的跃迁频率、激光光子频 率、与光学共振腔的模式频率之间的关系的视图；图9是示出了根据第一至第四实施例的单一光子产生装置的方 框图；以及图IO是示出了根据第五实施例的量子位读取装置的方框图。具体实施方式参照附图，将详细描述根据本专利技术的实施方案的单一光子产生装 置和量子位读取装置。在其实施方案和实施例中，类似的附图标记表 示类似的组成部分，并将避免说明的重复。根据所述实施方案的单一光子产生装置和量子位读取装置、及该 装置中采用的方法不需要在发射光子之后将单一物理体系恢复到初 始状态的处理，并且可以产生频率(波长)不同于激发光的频率(波 长)的光子。在描述根据所述实施例的单一光子产生装置和量子位读取装置、及该装置中采用的方法之前，将简要地描述所述实施方案中采用的产生单一光子的机制。在所述实施方案中，准备具有恒定强度和角频率(叫)的激发光 和具有与不同于激发光的角频率的共振腔模式频率相应的共振角频率(0)e)的光学共振腔，并将激发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生单一光子的方法，其包括：　准备包括共振角频率ω↓［ｃ］的共振腔模式的光学共振腔；　准备包含在所述光学共振腔中的材料，其包括低能态｜ｇ＞和高能态｜ｅ＞，并且包括被外场所改变的｜ｇ＞－｜ｅ＞之间的跃迁角频率ω↓［ａ］；　向所述材料施加角频率ω↓［ｌ］不同于共振角频率ω↓［ｃ］的光；以及　向所述材料施加第一外场以改变跃迁角频率ω↓［ａ］以便与角频率ω↓［ｌ］共振，使得材料的状态被变换到高能态｜ｅ＞，并随后向材料施加第二外场以改变跃迁角频率ω↓［ａ］以便与共振角频率ω↓［ｃ］共振，使得材料的状态被恢复到低能态｜ｇ＞。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：市村厚一，后藤隼人，
申请(专利权)人：株式会社东芝，
类型：发明
国别省市：JP[日本]