[发明专利]单一光子产生装置及量子位读取装置和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求于2007年9月27日提交的在先日本专利申请No.2007-250457的优先权，这里通过引用将其全部内容并入本文。

技术领域

本发明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。

背景技术

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π脉冲(π：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κ(＞g)被进一步发射。在此方法中，需要π/Ω的时间段以进行激发，并且需要π/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Ω＝2πE·μ/h(E：激光电场；μ：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π/Ω+π/g变成π/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)等于与共振腔模式(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＞之间的跃迁以便快速地恢复初始状态(参见例如日本专利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.H33-5，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模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/π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。

发明内容