JP3682266B2 - Single photon generator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、任意の時刻に光子一個からなる光パルスを発生することのできる単一光子発生素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、量子力学的重ね合わせ状態を利用して情報処理を行う、量子通信や量子計算機といった量子情報処理デバイスが盛んに研究されるようになった。現在一般的に用いられているデジタル情報処理デバイスにおいて、情報は0か1かの確定的なビットを基本構成要素として表される。これに対して、量子情報処理デバイスにおいては、状態0と状態1とが確率的にしか確定できない量子ビットを基本構成要素として用いる。この量子ビットの担体としては、そのロバスト性から、光子が最も有望視されている。しかし、光子を量子ビットの担体として利用するためには光子1粒1粒を、任意のタイミングで、周波数・射出方向を精度よく決定して、高い繰り返しレートで発生させる必要がある。
【0003】
A. Kuhnらは、上記の条件を満たす単一光子発生素子として、単一原子とこれに強く結合した光共振器及びレーザー光とマイクロ波を用いた以下のような方法を提案している(Appl. Phys. B69, 373(1999)参照)。図10にこの方法の概念図を示す。この方法において、単一原子は、二つの長寿命の基底準位|u>と|g>および励起準位|e>を有するΛ型三準位原子が仮定されている。この単一原子は単一の共鳴モードを有する光共振器内に置かれている。準位|g>と準位|e>との間の遷移はこの共鳴モードの共鳴周波数に対して近共鳴となっている(すなわちコヒーレントな振動を誘起する)。一方、準位|u>と準位|e>との間の遷移はこの共鳴モードの共鳴周波数に対して遠共鳴である(すなわちコヒーレントな振動を誘起しない)。また、図10の|0>及び|1>はこの共鳴モードに存在する光子数を表し、原子が共鳴モードに対して光子を放出すること、および共鳴モードから光子を吸収することによって、状態|e>と状態|g>との間を移り変わることを示している。
【0004】
上述した単一原子−光共振器結合系を初期状態|u,0>で用意する。単一光子発生のためには、この系に対して、準位|u,0>と準位|e,0>との間の遷移に近共鳴の発振周波数を持つレーザー光パルス(トリガパルス)を光共振器の対称軸に垂直な方向から照射すればよい。このとき、トリガパルスの立ち上がり時間が単一原子−光共振器結合系の断熱条件を満たすのに十分な程度遅く、レーザー光の発振周波数と光共振器の共鳴周波数との関係が原子のラマン共鳴条件を満たしていれば、単一原子−光共振器結合系は状態|u,0>から状態|g,1>へ断熱的に移行する。換言すれば、上記の条件を満たすトリガパルスの照射によって、原子の状態を|u>から|g>へ断熱的に遷移させ、光共振器の共鳴モードに一個の光子を生成することができる。
【0005】
共鳴モードに生成された単一光子は、その共鳴モードの減衰時間に相当する時間だけ光共振器内部に留まり、その後は光共振器外部へと放出される。つまり、共鳴モードに生成された単一光子は、その共鳴モードの減衰時間(共鳴モード寿命)程度の時間幅を持つ光パルス(単一光子パルス)として、光共振器外部へと射出される。また、この単一光子パルスのスペクトル幅は前述の共鳴モードのスペクトル幅と同等であり、射出方向は共鳴モードの対称軸方向に限定される。最初に述べたように、単一光子発生素子は実用上、任意のタイミングで、周波数・射出方向を精度よく決定して単一光子を発生する必要がある。そのためには、単一光子パルスの時間幅を狭くすることで単一光子発生のタイミングの確実性を上げ、スペクトル幅を狭くすることで周波数精度を上げ、空間モードパターンを限定することで射出方向の精度を上げなくてはならない。この方法の利点は、単一光子発生に関するそれら諸特性(時間幅・スペクトル幅・空間モードパターンなど)が主に光共振器の共鳴モード特性によって決定されるため、光共振器の性能を向上させれば、実用上有用な単一光子発生素子を構築できることにある。
【0006】
単一光子パルスを光共振器外部に出力した結果として、この光共振器内部に光子は存在しなくなる。つまり、単一原子−光共振器結合系は光子を失って|g,0>の状態へ遷移し、原子は光共振器の共鳴モードおよびレーザー光と相互作用しなくなる。このため、別の相互作用を生ずるような操作を施さない限り系はこの状態に留まるため、二個以上の光子を放出することはない。
【0007】
最近、M. Hennrichらは、レーザー冷却された85ルビジウム原子の超微細構造準位5S1/2;F=2、5S1/2;F=3および5P3/2;F=3からなるΛ型三準位系に対してこの方法を用いることで、光子群が発生することを確認している(Phys. Rev. Lett. 85, 4872 (2000))。彼らは、光共振器内に単一の原子ではなく複数個の原子を導入しているため、単一光子パルスの発生を直接確認したわけではないが、上述した過程によって、光共振器から光子が放出されることが確認されている。
【0008】
ところで、これまで述べたような単一光子パルス発生を、何度も繰り返し行うためには、終状態(単一光子パルス発生後の状態)|g,0>を初期状態|u,0>に戻し、同様の操作を繰り返し行えばよい。このような状態の復元のためには、マイクロ波照射による状態の遷移を用いることが提案されている。状態|g,0>と状態|u,0>との間の遷移周波数に共鳴する発振周波数を有するコヒーレントなマイクロ波を連続的に照射することで、系は状態|g,0>と状態|u,0>の間を振動する。したがって、この振動周期の半分に相当する時間だけマイクロ波をパルス的に照射することで(πパルス)、この系を終状態|g,0>から初期状態|u,0>へと完全に遷移させることができる。また、状態|g,0>と状態|u,0>の間の遷移周波数にラマン共鳴する、発振周波数の異なる二つのレーザー光をやはりπパルス的に照射することで、同様な状態の復元を行うことも提案されている。
【0009】
以上で述べた従来の方法によれば、単一原子−光共振器結合系に対してレーザー光パルスの照射を行うことで、このレーザー光パルスによってトリガリングされた単一光子パルスの発生が可能であり、単一光子パルス発生の後、適当な発振周波数のコヒーレントな電磁波のπパルス照射を行うことで状態を初期状態に復元し、この過程を繰り返し行うことで、任意のタイミングで繰り返し単一光子パルス(単一光子パルス列)の生成が可能であることがわかる。
【0010】
しかし、従来の方法では、状態の復元をコヒーレント電磁波のπパルス照射に依っているので、この電磁波パルスのピーク強度や時間幅などのパルス形状および発振周波数によって状態復元の確率に違いが生じる。これは、終状態|g,0>と初期状態|u,0>との間に誘起される振動の周期が、電磁波の強度や周波数に依存して変化するためである。したがって、確実に状態の復元を行うためには、電磁波パルスの形状および発振周波数を毎回精度よく制御しなければならない。また、トリガパルスとπパルスを生成するためには、二種類以上の異なる発振波長のコヒーレント電磁波源を用意しなければならない。しかも、単一光子パルス列生成のためには、これらの複数の電磁波源を適切なタイミングで同期制御しなければならない。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように従来の方法においては、単一光子パルスを繰り返し発生させる際に、トリガパルス生成用のコヒーレント電磁波源とは別に、単数もしくは複数のπパルス生成用のコヒーレント電磁波源を用意しなければならず、その制御が困難であり、装置構成も複雑になるという問題点があった。
【0012】
本発明の目的は、πパルス生成用のコヒーレント電磁波源を用いることなく、繰り返し単一光子パルスの発生が可能な単一光子発生素子を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る単一光子発生素子は、三準位以上のエネルギー準位を含むエネルギー準位構造を有し、前記エネルギー準位のうち所定の三つのエネルギー準位をエネルギーの低い方から順に第一の準位、第二の準位、第三の準位としたとき、第一の準位から第三の準位への光励起が可能であり、その光励起に対して一個の電子のみが励起される媒質と;前記媒質の第二の準位と第三の準位との間の遷移にラビ振動を誘起でき、かつ発生させるべき単一光子の周波数に対応する共鳴周波数の共鳴モードを有する光共振器と;前記媒質の第一の準位と第三の準位との間の遷移に結合する発振周波数を有するコヒーレント光源と;前記媒質の第一の準位と第二の準位との間の遷移にラビ振動を誘起できる共鳴周波数の共鳴モードを有する共振器とを具備する。
【0014】
本発明の他の態様に係る単一光子発生素子は、三準位以上のエネルギー準位を含むエネルギー準位構造を有し、前記エネルギー準位のうち所定の三つのエネルギー準位をエネルギーの低い方から順に第一の準位、第二の準位、第三の準位としたとき、第一の準位から第三の準位への光励起が可能であり、その光励起に対して一個の電子のみが励起される媒質と;前記媒質の第二の準位と第三の準位との間の遷移にラビ振動を誘起でき、かつ発生させるべき単一光子の周波数に対応する共鳴周波数の共鳴モードおよび前記媒質の第一の準位と第二の準位との間の遷移にラビ振動を誘起できる共鳴周波数の共鳴モードを有する光共振器と;前記媒質の第一の準位と第三の準位との間の遷移に結合する発振周波数を有するコヒーレント光源とを具備する。
【0015】
上述した単一光子発生素子は、単一光子パルスを繰り返し発生させるために媒質の状態を初期状態へと復元させる際に、πパルス生成用のコヒーレント電磁波源を用いることなく、媒質の第一の準位と第二の準位との間の遷移にラビ振動を誘起できる共鳴周波数の共鳴モードと媒質との間の相互作用によって媒質の状態を初期状態へと遷移させることができ、確実かつ簡便に任意のタイミングで単一光子パルスを繰り返し発生させることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態をより詳細に説明する。
本発明の実施形態に係る単一光子発生素子は、三準位以上のエネルギー準位を含むエネルギー準位構造を持つ媒質を有する。これは、媒質中の電子が三つ以上の異なるエネルギー固有値を有する量子状態を取り得ることを意味する。このような媒質において、所定の三つのエネルギー準位を選定し、単一光子発生に利用する。この媒質では、上記三つのエネルギー準位をエネルギーの低い方から順に第一の準位、第二の準位、第三の準位としたとき、第一の準位から第三の準位への光励起が可能であり、その光励起に対して一個の電子のみが励起される。この条件は、単一の電子のみをエネルギーの高い状態に励起し、その電子がエネルギーの低い状態に遷移する際に放出される単一の光子を利用するうえで必要となる。もし、ある励起に対して複数個の電子が励起されるならば、放出される光子の個数も複数になってしまう。
【0017】
単一の電子のみを光励起することができる媒質としては、単一の原子を挙げることができる。例えば、ナトリウム、ルビジウム、セシウムなどのアルカリ原子を一つだけ用意し、この原子に対して適当な波長のレーザー光を照射すると、その最外殻を構成するただ一つの電子を、基底状態からレーザー光の波長に応じた励起状態へと励起することができる。
【0018】
本発明の実施形態に係る単一光子発生素子は、上記のような媒質の第二の準位と第三の準位との間の遷移に結合し、かつ発生させるべき単一光子の周波数に対応する共鳴周波数の共鳴モードを持つ光共振器を有する。ある媒質の二つの準位に対して所定の伝播モードにあるコヒーレントな電磁場を照射することで、その媒質はその二準位間でコヒーレントな振動を行う場合がある。この場合、その媒質が伝播モードから光子エネルギーを吸収して上準位に遷移し、また、伝播モードに光子エネルギーを放出して下準位に遷移するという過程が繰り返される。これは媒質が光子を介して伝播モードとエネルギーの交換を行っている現象であり、発見者の名前をとってラビ振動と呼ばれる。このラビ振動は、媒質に対してコヒーレントな電磁波を照射しなくても、真空状態(共鳴モードに光子が存在しない状態)の共振器を用いて誘起することもできる。真空状態の共振器に、二準位構造を有する媒質を励起状態で導入すると、媒質はその共振器の共鳴モードに対して光子を放出し基底状態へと遷移する。その後、媒質はこの光子を吸収することで再度励起状態へと遷移し、この過程を繰り返す。つまり、媒質の所定の準位間に結合する共鳴周波数の共鳴モードとは、上記のようにそれらの準位に対してラビ振動を誘起し得る共鳴モードを指す。
【0019】
また、単一光子はこの光共振器を通じて、本発明の実施形態に係る単一光子発生素子の外部に放出される。いま、上記のようなラビ振動の過程で、媒質が光共振器の共鳴モードに光子を一つ放出し、この共鳴モード内に一つの光子が存在するものとする。このとき、もし何らかの方法で、この共鳴モードから光共振器の外部にこの単一光子を取り出すことができれば、このことは本発明の実施形態に係る単一光子発生素子から単一光子が発生したことを意味する。
【0020】
光共振器の外部に光子を取り出すには、例えば、有限の減衰時間を有する共鳴モードを用いることで可能となる。通常、光共振器は二枚以上の光学反射鏡によって構成されるが、共鳴モードの減衰時間(共鳴モード寿命)は主にこの光学反射鏡の反射損失によって決定される。光共振器内に光子が存在する場合、その光子は光学反射鏡の高い反射率によって光共振器内に閉じ込められる。これは幾何光学的に言えば、光線が二枚以上の高反射率の光学反射鏡間で反射されて何度も往復し、結果として長時間この光共振器内部に留まることを意味する。このとき、光学反射鏡に有限の反射損失が存在すれば、光線は光学反射鏡で反射される度にその反射損失によって徐々に共振器外部に漏れ出していく。量子力学的に光子を考える場合もこれと同様で、光共振器の共鳴モードにおける光子の存在確率は、共鳴モード寿命程度の時間で指数関数的に減衰し、共振器外部へと染み出していく(以下、「共鳴モードからの光子減衰」という場合がある)。つまり、共鳴モード寿命程度の時間で共振器外部に光子を取り出すことができる。さらに言えば、本発明の実施形態に係る単一光子発生素子は、共鳴モード寿命程度の時間精度で単一光子を発生できることを意味する。
【0021】
反射損失は主に光学反射鏡に有限の散乱率と透過率が存在することに起因する。散乱とは、光学反射鏡の反射面の細かな凹凸や、光学反射鏡内部の欠陥などによってランダムな方向に光が反射されることである。これに対して、透過とは光が反射鏡をすり抜けて、決まった方向に光が射出されることである。すなわち、散乱率に比べて透過率が十分高い光学反射鏡を用いることで、光共振器外部に光子を取り出す際に、あらかじめ決まった所定の方向に高い確率で光子を放出させることができる。
【0022】
光共振器外部へ放出される光子の周波数は、光共振器の共鳴モードの共鳴周波数によって決定されるため、発生させるべき単一光子の周波数に対応する共鳴周波数の共鳴モードを有する光共振器が用いられる。また、発生させるべき単一光子の周波数精度はこの共鳴モードのスペクトル幅と同等であるが、このスペクトル幅は共振器寿命の逆数に等しい。したがって、発生させるべき単一光子の周波数精度と時間精度はトレードオフの関係にあり、どちらを優先させるべきかを状況に応じて判断し、光共振器の特性を決定することが好ましい。
【0023】
なお、媒質の第二の準位と第三の準位との間の遷移に結合し、かつ発生させるべき単一光子の周波数に対応する共鳴周波数の共鳴モードは、結合の強度または共鳴モード自身の特性が可変になっていてもよい。これを実現するためには、光共振器に作用して、その共鳴モードと媒質との間の位置関係または共鳴モードの幾何学形状を変化させる手段を設けることが好ましい。具体的には、ピエゾ素子などを設けて光共振器を変位させるかまたは応力により変形させてもよいし、電熱線やペルチェ素子などを設けて光共振器の温度を制御してもよい。こうした共鳴モードの特性変化、とりわけ共鳴周波数の変化は、本発明の実施形態に係る単一光子発生素子より発生する単一光子の周波数を変化させる場合に重要になる。さらに、媒質との結合の強度や共鳴周波数の変化が可能であれば、これらを掃引することで、単一光子の発生確率が最大になる諸々のパラメータ値を実験的に見つけ出すこともできる。また、共鳴モードの空間パターンを変化させることが可能な光共振器を用いれば、光子が発生する位置を制御することもできる。
【0024】
本発明の実施形態に係る単一光子発生素子は、媒質の第一の準位と第三の準位との間の遷移に結合する発振周波数を持つコヒーレント光源を有する。単一光子発生前の初期状態において、媒質は第一の準位にある。単一光子を発生させる際には、上述したように、媒質を光共振器の共鳴モードと結合させ、この共鳴モードに光子を発生させるようにする。この共鳴モードは媒質の第二の準位と第三の準位との間の遷移に結合することを仮定しているため、媒質が第二の準位にあり、かつ共鳴モードに光子が一つ存在する状態を作り、その光子を光共振器外部へ取り出すことによって、単一光子発生を行う。換言すれば、コヒーレント光源を用いて、媒質の状態を第一の準位から第二の準位へと遷移させ、かつ光共振器の共鳴モードの光子数を0個から1個へと変化させる。
【0025】
このような媒質と光共振器の共鳴モードとの状態変化を起すためには、アディアバティック・パッセージ(adiabatic passage)と呼ばれる手法を用いることができる。図2(a)〜(c)を参照してこの手法について説明する。図2(a)に示すように、媒質における第一の準位に対応する状態を|u>、第二の準位に対応する状態を|g>、第三の準位に対応する状態を|e>とする。また、光共振器の共鳴モードの状態をその光子数を用いて|0>および|1>と表す。したがって、単一光子発生前の初期状態においては、前記の媒質−光共振器結合系の状態は、媒質と共鳴モードの状態を合わせて|u,0>と表すことができる。また、共鳴モードとの結合によるラビ振動によって、媒質は第二と第三の準位間で振動し、これに伴って共鳴モードに存在する光子数は1個と0個の間で振動するため、これら振動する二状態は|e,0>および|g,1>と表すことができる。
【0026】
この系に上述のコヒーレント光を照射する場合を考える。コヒーレント光の発振周波数が媒質−光共振器結合系に対して、ラマン共鳴条件を満たす場合、つまりこのコヒーレント光の発振周波数の|u>−|e>遷移に対する離調が、共鳴モードの共鳴周波数の|g>−|e>遷移に対する離調と同じである場合、この離調をΔとすると相互作用ハミルトニアンHは、下記(1)式で表すことができる。
【0027】
【数1】
【0028】
ただし、ここでは、基底ベクトルを媒質とコヒーレント光および共鳴モードの間に相互作用のない状態{|u,0>,|e,0>,|g,1>}にとり、共鳴モードの真空共鳴ラビ周波数を2g、コヒーレント光の共鳴ラビ周波数をΩTとした。このハミルトニアンの三つの固有状態は、それぞれ下記(2)式で表すことができる。
【0029】
【数2】
【0030】
ここで、(2)式中のΘとΦは、それぞれ下記(3)式の条件を満たす角である。
【0031】
【数3】
【0032】
コヒーレント光を照射する直前の系の固有状態の一つ|a0>は、ΩT=0であることから、系の初期状態|u,0>と等しい。また、コヒーレント光照射後の系の固有状態の一つ|a0>は、もし、ΩT≫2gであるならば、状態|g,1>に等しいことがわかる。
【0033】
したがって、コヒーレント光を照射する場合に、ΩTを断熱的に変化させることができれば、つまりコヒーレント光の強度を「ゆっくり」増加させることができれば、この系の状態は状態|e,0>を含んだ固有状態|a+>および|a->が混ざることなく、固有状態|a0>を保ったままコヒーレント光の強度に応じて状態|u,0>から状態|g,1>に遷移する。ここで「ゆっくり」とは、ΩTが変化する時間スケールをΔτとすると、この時間スケールが媒質と共鳴モードとの間の相互作用の時間スケールであるラビ周波数2gの逆数に対して十分長いことを示し、Δτ≫1/2gと表すことができる。したがって、このような条件を満たすコヒーレント光パルスによって、媒質を第一の準位から第三の準位への実励起を伴わずに第一の準位から第二の準位へ遷移させることができ、光共振器の共鳴モードに一つの光子が生成される。上述したコヒーレント光の強度変化を図2(b)に、状態|u,0>から状態|g,1>への遷移を図2(c)に示す。
【0034】
以上で説明したアディアバティック・パッセージの手法において、特に第三の準位(|e,0>)への実励起を避けている理由は、この準位からの自然放出によって光子エネルギーが失われ、光子発生確率が低下するのを防ぐためである。ただし、共鳴モードの真空共鳴ラビ周波数2g、およびこの共鳴モードの減衰レート(減衰時間の逆数)2κ1が、それぞれ、第三の準位の自然放出レート2γに比べて十分大きい場合、つまり2g,2κ1≫2γを満たす場合には、自然放出で失われるよりも十分早く共振器から光子を取り出すことができるため、アディアバティック・パッセージの手法を用いず、第三の準位への実励起が伴ってもかまわない。この場合には、コヒーレント光パルスを「ゆっくり」立ち上げる必要がないため、アディアバティック・パッセージの方法を用いる場合よりも高速に単一光子を発生することができる。
【0035】
このようにして光共振器の共鳴モードに生成された単一光子は、上で述べたように、媒質の第二の準位と第三の準位との間の遷移に結合し、かつ発生させるべき単一光子の周波数に対応する共鳴周波数の共鳴モードを有する光共振器を通じて、本発明の実施形態に係る単一光子発生素子から外部へと放出され、光共振器内に光子は存在しなくなる。つまり、前記の記号を用いて書き表せば、媒質−光共振器結合系の状態は|g,0>へ遷移する。
【0036】
以上で説明した過程を繰り返し行うことによって、任意の単一光子パルス列を生成するためには、媒質−光共振器結合系を状態|g,0>から状態|u,0>に遷移させ、初期状態に戻す必要がある。本発明の特徴はこの初期状態への状態の復元手段にある。本発明の実施形態に係る単一光子発生素子は、この状態復元のために、媒質の第一の準位と第二の準位との間の遷移に結合する共鳴周波数の共鳴モードを用いる。この共鳴モードは、たとえば上述した光共振器(媒質の第二の準位と第三の準位との間の遷移に結合し、かつ発生させるべき単一光子の周波数に対応する共鳴周波数の共鳴モードを有する)とは別の共振器、例えばマイクロ波共振器を用いて用意することができる。また、この共鳴モードは、第一の準位と第二の準位との間の遷移周波数が第二の準位と第三の準位との間の遷移周波数と同程度である場合には、上述した光共振器を兼用して、その異なる共鳴モードを用いることもできる。
【0037】
図3を参照して、媒質−共振器結合系を初期状態へ復元する手法を説明する。以下の説明においては、二つの共鳴モードの区別を容易にするために、媒質の第二の準位と第三の準位との間の遷移に結合し、かつ発生させるべき単一光子の周波数に対応する共鳴周波数の共鳴モードを共鳴モード1と呼び、媒質の第一の準位と第二の準位との間の遷移に結合する共鳴周波数の共鳴モードを共鳴モード2と呼ぶ。ここで、共鳴モード1に存在する光子数を|n1>で表し、共鳴モード2に存在する光子数を|n2>と表すと、媒質および二つの共鳴モードの状態を合わせて、例えば|g,n1,n2>と書き表すことができる。つまり、系の状態を表すこの記号において、一番左の記号は媒質の準位を表し、二番目の数は共鳴モード1の光子数を表し、三番目の数は共鳴モード2の光子数を表す。例えば単一光子を発生させた直後の系の状態は|g,0,0>であり、復元すべき系の初期状態は|u,0,0>である。
【0038】
共鳴モード2は状態|g>と状態|u>の遷移に結合し、状態|g,0,0>と状態|u,0,1>の間、および、状態|g,1,0>と状態|u,1,1>の間のラビ振動を誘起する。このとき、共鳴モード2が誘起するラビ振動の真空共鳴ラビ周波数2g2が、共鳴モード1の減衰レート2κ1に比べて十分小さい、つまりκ1≫g2である場合を考える。この条件が満たされれば、状態|g,1,0>に対しては、共鳴モード1からの光子の減衰による状態|g,0,0>への遷移が、共鳴モード2によって誘起されるラビ振動による状態|u,1,1>への遷移よりも支配的である。したがって、系は状態|g,1,0>から単一光子発生に伴って速やかに状態|g,0,0>に遷移する。
【0039】
系はその後、共鳴モード2によって誘起されるラビ振動によって状態|g,0,0>と状態|u,0,1>の間を振動する。このラビ振動に伴って共鳴モード2に発生した光子は、共鳴モード2が有限な減衰レート2κ2を有していれば、その減衰レート程度の早さで共振器外部へと放出され、系の状態は|u,0,0>へと遷移し、したがって初期状態が復元される。
【0040】
共鳴モード2、つまり媒質の第一の準位と第二の準位との間の遷移に結合する共鳴周波数の共鳴モードは、結合の強度または共鳴モード自身の特性が可変になっていてもよい。これを実現するためには、共振器(または光共振器)に作用して、その共鳴モードと媒質との間の位置関係または共鳴モードの幾何学形状を変化させる手段を設けることが好ましい。具体的には、ピエゾ素子などを設けて光共振器を変位させるかまたは応力により変形させてもよいし、電熱線やペルチェ素子などを設けて光共振器の温度を制御してもよい。単一光子発生素子において任意の単一光子パルス列を発生させる場合には、実用上、高速であればあるほど、つまりパルス列発生の繰り返し周波数が高いほど、有用であることは明白である。この繰り返し周波数を上げるためには、上述したように共鳴モード2と媒質との結合強度や共鳴モード自身の特性が可変になっていることが好ましい。以下にその理由を説明する。
【0041】
本発明の実施形態に係る単一光子発生素子において、パルス列発生の繰り返し周波数の上限を決めるのは、単一光子発生後に状態を復元するためにかかる時間である。この時間は共鳴モード2の誘起するラビ振動の真空共鳴ラビ周波数2g2および共鳴モード2の減衰レート2κ2によって決定される。共鳴モードの真空共鳴ラビ周波数は、主にその共鳴モードの占有する空間の体積(共鳴モード体積)によって決まり、この体積が小さいほど真空共鳴ラビ周波数が大きくなる。また、共鳴モードの減衰レートは、共振器に内在する様々な損失要因(共振器損失)によって決まり、この損失が小さいほど減衰レートも小さくなる。共鳴モード体積と共振器損失とは、それぞれ独立に決められるパラメータであるから、真空共鳴ラビ周波数と減衰レートもそれぞれ独立に決定することができる。
【0042】
ここで、共鳴モード2の真空共鳴ラビ周波数2g2および減衰レート2κ2は、第二の準位の自然放出レートを2γ2として、共鳴モード2が媒質の第一の準位と第二の準位との間のラビ振動を誘起するのに必要な強結合条件g2>κ2,γ2を満たさなければならない。また、状態復元のために共鳴モード2を用いることが有用であるためには、第二の準位の自然放出レートよりも共鳴モード2による状態復元のレートが早くなければならないので、g2,κ2>γ2である。この二つの条件をまとめて書けば、g2>κ2>γ2となる。したがって、単一光子パルス列発生の繰り返し周波数の上限はκ2によって決まることがわかる。繰り返し周波数を上げるためにκ2を大きくするには、前記の条件を満たすようにg2も大きくしなければならない。しかし、上述した通り、条件κ1≫g2があるために、g2の値をこの条件を超えて大きくすることはできず、繰り返し周波数を上げることは困難である。
【0043】
一方、共鳴モード2と媒質との結合強度や共鳴モード自身の特性が可変であれば、状況に応じてg2の値を上記の条件を超えて大きくとることができ、繰り返し周波数を上げることができる。例えば、単一光子発生前に系が状態|g,1,0>にいる間は、g2の値が条件κ1≫g2を満たすのに十分な程度小さくしておき、状態|u,1,1>への不要な遷移を抑制する。単一光子発生後に系が状態|g,0,0>に遷移した後は、g2が大きな値をとるように共鳴モード2と媒質との結合強度や共鳴モード自身の特性を変化させ、系を素早く初期状態|u,0,0>へと復元させる。こうして、単一光子パルス列発生の繰り返し周波数を上げることが可能である。このような状態復元を実現するには、コヒーレント光によるπパルス照射と同じように系の制御を必要とする。しかし、コヒーレント光によるπパルス照射の場合にはラビ振動に同期した制御が必要であったのに対し、共鳴モード2の変化はそのような同期制御を必要とせず格段に簡便な方法である。
【0044】
以上において、本発明の実施形態に係る単一光子発生素子の構成要素を順に説明した。以下、理解を助けるために、この単一光子発生素子を用いた単一光子の発生を経時的に説明する。図1(a)〜(d)に、本発明の実施形態に係る単一光子発生素子における、単一光子発生に関与する準位を示すとともに単一光子発生のタイミングチャートを示す。
【0045】
本発明の実施形態に係る単一光子発生素子は、所定の三準位構造を有する媒質を用い、この媒質に二つの共鳴モードを結合し、コヒーレント光を照射することで、単一光子を繰り返し発生させる。図1(a)に示すように、発生させるべき単一光子の周波数に対応する共鳴周波数の共鳴モードを共鳴モード1とし、媒質の状態を復元するために用いる共鳴モードを共鳴モード2とする。媒質の準位をエネルギーの低い方から順に|u>,|g>,|e>、共鳴モード1の光子数を|n1>、共鳴モード2の光子数を|n2>とし、二つの共鳴モードに結合した媒質の状態を例えば|u,n1,n2>と表す。以下、図1(a)に記載した状態をより具体的に説明する。
状態|u,0,0>は、媒質が第一の準位にあり、共鳴モード1の光子数が0、共鳴モード2の光子数が0である状態を示す。
状態|u,1,1>は、媒質が第一の準位にあり、共鳴モード1の光子数が1、共鳴モード2の光子数が1である状態を示す。
状態|u,0,1>は、媒質が第一の準位にあり、共鳴モード1の光子数が0、共鳴モード2の光子数が1である状態を示す。
状態|g,1,0>は、媒質が第二の準位にあり、共鳴モード1の光子数が1、共鳴モード2の光子数が0である状態を示す。
状態|g,0,0>は、媒質が第二の準位にあり、共鳴モード1の光子数が0、共鳴モード2の光子数が0である状態を示す。
状態|e,0,0>は、媒質が第三の準位にあり、共鳴モード1の光子数が0、共鳴モード2の光子数が0である状態を示す。
【0046】
媒質−共振器結合系を初期状態|u,0,0>として用意し、この系に対して図1(b)のようなコヒーレント光パルスを照射する。媒質は媒質の第二の準位と第三の準位との間の遷移にラビ振動を誘起できる共鳴周波数の共鳴モード1と結合しているため、共鳴モード1とコヒーレント光の周波数が第一の準位|u>と第二の準位|g>の間の遷移に対してラマン共鳴条件を満たせば、媒質−共振器結合系は状態|g,1,0>へと遷移する。その後、状態|g,1,0>にある媒質−共振器結合系は共鳴モード1の減衰時間程度の幅を持つ単一光子パルスを発生し、状態|g,0,0>へと遷移する。ここで、状態|g,1,0>と状態|u,1,1>は、共鳴モード2によってラビ振動を起す可能性が考えられる。しかし、共鳴モード1の減衰は共鳴モード2によるラビ振動よりも十分速いため、この可能性は無視できるほど小さい。その後、媒質は媒質の第一の準位と第二の準位との間の遷移にラビ振動を誘起できる共鳴周波数の共鳴モード2と結合しているため、状態|g,0,0>と状態|u,0,1>の間でラビ振動を起すが、共鳴モード2からの光子の減衰によって初期状態|u,0,0>へと遷移する。図1(c)にこれらの状態変化の過程をまとめて示す。以上の操作を繰り返し行うことによって、任意のタイミングで図1(d)に示すような単一光子のパルスを繰り返し発生させることができ、任意の単一光子パルス列を生成させることができる。
【0047】
【実施例】
以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら説明する。
【0048】
(実施例1)
図4に本実施例における単一光子発生素子の構成を示す。この単一光子発生素子は、主要な構成部材として、真空装置11内に設けられたマイクロ波共振器12と、マイクロ波共振器12内に設けられた光共振器13と、光共振器13内に保持される媒質としての単一原子14と、単一原子14にレーザー光パルスを照射するコヒーレント光源としての半導体レーザー15を有する。
【0049】
本実施例では、媒質として単一の133Cs(133セシウム原子)を用いる。真空装置11内でセシウム原子群24を冷却用レーザービームによって捕獲・冷却して、原子の運動エネルギーを減少させる。この原子群24を自由落下させ、マイクロ波共振器12の上面に設けられた孔を通して光共振器13内に導入する。このとき、原子群24に対してレーザー冷却を施す時間を調整することで捕獲する原子の数を増減させ、光共振器内に導入する原子の数を制御することができる。本実施例では、冷却時間を0.1秒程度に設定することにより単一の原子を導入している。
【0050】
光共振器13内に導入された単一原子14を、原子の共鳴周波数に対して遠共鳴にチューンされた一対の光ポテンシャル形成用レーザービームによって、光共振器13内に静止させる。このレーザービームによって形成される光ポテンシャル形状は、単一原子14の静止位置が光共振器13の幾何学的中心付近となるように制御されている。
【0051】
光共振器13は一対の誘電体多層膜反射鏡を対向させたファブリ−ペロー型の構成になっている。一方の反射鏡の後端にはピエゾ素子23が取り付けられている。このピエゾ素子23への印加電圧によって光共振器13の長さを制御でき、共鳴周波数を変化させることができる。また、一対の反射鏡のうち一方は他方に比べて反射率が高く設計されており、光共振器13内に発生した光子を特定の一方向に選択的に放出できるようになっている。
【0052】
光共振器13の周囲には、ニオブ製のマイクロ波共振器12が構築されている。このマイクロ波共振器12は立方体形状をしており、TE011モードで共振する。また、マイクロ波共振器12の一つの面にはピエゾ素子22が取り付けられている。このピエゾ素子22への印加電圧によってマイクロ波共振器12に加える応力を変化させてマイクロ波共振器12共振器の幾何学形状を変形させることができ、共振周波数の調整が可能になっている。
【0053】
さらに、コヒーレント光源としての半導体レーザー15によって、ファブリ−ペロー型光共振器13の対称軸に直交する方向から、マイクロ波共振器12の側面に設けられた孔を通して光共振器13中に静止した単一原子14に対してレーザー光パルスが照射される。この半導体レーザー15は、回折格子を用いた外部共振器構造を有する。半導体レーザー15の注入電流、動作温度、外部共振器構造を制御することで、レーザー光パルスの発振周波数が制御される。また、この半導体レーザーから出力されるレーザー光は、音響光学素子(図示せず)を通過する。この音響光学素子に印加するラジオ波のパワーを制御することによって、レーザー光パルスの形状が制御される。
【0054】
図5に、単一光子発生に関与するセシウム原子の準位構造を示す。本実施例において用いられるのは、セシウム原子の超微細構造準位である6S1/2;F=3、6S1/2;F=4、および6P3/2;F=4の三つの準位である。以後、6S1/2;F=3を状態|u>、6S1/2;F=4を状態|g>、6P3/2;F=4を状態|e>と呼ぶ。
【0055】
光共振器13は状態|g>と状態|e>の間の遷移に対して近共鳴となるように共振器長が調整されている。マイクロ波共振器12は状態|u>と状態|g>の間の遷移に対して近共鳴となるように幾何学形状が制御されている。また、光共振器13とマイクロ波共振器12の各々の遷移に対する真空共鳴ラビ周波数はそれぞれ20MHzおよび5KHzであり、減衰レートはそれぞれ2MHzおよび3KHzである。
【0056】
上記の二つの共振器に結合した単一原子14に対して、パルス的にレーザー光を照射することにより、単一光子パルス列を生成させ、マイクロ波共振器12の側面に設けられた孔および真空装置11の側面に設けられた孔を通して取り出すことができる。図6に、単一光子パルス列の生成過程のタイミングチャートを示す。本実施例において用いたレーザー光パルスは、準位|u>と準位|e>の間の遷移に近共鳴であり、そのピーク強度における共鳴ラビ周波数は40MHzである。また、レーザー光パルスのパルス形状は半値全幅10マイクロ秒のガウス型であり、パルス照射間隔は5ミリ秒とした。図6のタイミングチャートから、レーザー光パルスの照射に同期して、単一光子パルスが繰り返し発生していることがわかる。
【0057】
(実施例2)
図7に本実施例における単一光子発生素子の構成を示す。この単一光子発生素子は、マイクロ波共振器を持たず、光ポテンシャル形成用レーザービームの代わりに磁気ポテンシャル形成用コイル16を設けている点で、実施例1(図4)の単一光子発生素子と異なる。この磁気ポテンシャル形成用コイル16は、一対のアンチヘルムホルツ配置のコイル、およびこの一対のコイルの対称軸に対して直交する軸を対称軸とするコイルからなる3コイル磁気トラップである。その他の構成は、実施例1の単一光子発生素子と同様である。
【0058】
また、本実施例では、媒質として単一の85Rb(85ルビジウム原子)を用いる。実施例1と同様に、真空装置11内でルビジウム原子群24を冷却用レーザービームによって捕獲・冷却して、原子の運動エネルギーを減少させる。この原子群24を自由落下させ、光共振器13内に導入する。本実施例では、冷却時間を0.05秒程度に設定することにより単一の原子を導入している。
【0059】
光共振器13内に導入された単一原子14を、磁気ポテンシャル形成用コイル(3コイル磁気トラップ)16の形成する磁気ポテンシャルによって、光共振器内に静止する。このコイルによって形成される磁気ポテンシャル形状は、単一原子14の静止位置が光共振器13の幾何学的中心付近となるように制御されている。
【0060】
光共振器13は、実施例1と同様に、一対の誘電体多層膜反射鏡を対向させたファブリ−ペロー型の構成になっており、一方の反射鏡の後端に取り付けられたピエゾ素子23によって共鳴周波数を変化させることができるとともに、一方の反射鏡は他方に比べて反射率が高く設計されており、光共振器13内に発生した光子を特定の一方向に選択的に放出できるようになっている。
【0061】
さらに、コヒーレント光源としての半導体レーザー15によって、ファブリ−ペロー型光共振器13の対称軸に直交する方向から、光共振器13中に静止した単一原子14に対してレーザー光パルスが照射される。この半導体レーザー15は回折格子を用いた外部共振器構造を有し、この半導体レーザー15から出射された種光は半導体光アンプ(図示せず)で増幅される。半導体レーザー15の注入電流、動作温度、外部共振器構造、および半導体光アンプの駆動電流を制御することで、レーザー光パルスの発振周波数およびパルス形状が制御される。
【0062】
図8に、単一光子発生に関与するルビジウム原子の準位構造を示す。本実施例において用いられるのは、ルビジウム原子の超微細構造準位である5S1/2;F=2、5P3/2;F=3、および5D5/2;F=4の三つの準位である。以後、5S1/2;F=2を状態|u>、5P3/2;F=3を状態|g>、5D5/2;F=4を状態|e>と呼ぶ。
【0063】
光共振器13はそのTEM00モードが状態|g>と状態|e>の間の遷移に対して近共鳴、TEM02モードが状態|u>と状態|g>の間の遷移に対して近共鳴となるように共振器長が調整されている。つまり、本実施例では、同じ光共振器の異なる二つの横モードを用いて、単一光子発生と状態復元を行う。また、TME00モードとTEM02モードの各々の遷移に対する真空共鳴ラビ周波数はそれぞれ400MHzおよび20MHzであり、減衰レートはそれぞれ100MHzおよび10MHzである。
【0064】
上記の二つの共鳴モードに結合した単一原子14に対して、パルス的にレーザー光を照射することにより、単一光子パルス列を生成させ、真空装置11の側面に設けられた孔を通して取り出すことができる。図9に、単一光子パルス列の生成過程のタイミングチャートを示す。本実施例において用いたレーザー光パルスは、準位|u>と準位|e>の間の遷移に対して二光子共鳴する周波数にチューンされ、そのピーク強度における二光子共鳴ラビ周波数は800MHzである。また、レーザー光パルスのパルス形状は半値全幅100ナノ秒のガウス型であり、パルス照射間隔は500ナノ秒とした。図9のタイミングチャートから、レーザー光パルスの照射に同期して、単一光子パルスが繰り返し発生していることがわかる。
【0065】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、πパルス生成用のコヒーレント電磁波源を用いることなく、真空状態の共鳴モードと媒質との相互作用によって状態が復元され、一つのコヒーレント光源を用いるだけで、繰り返し単一光子パルスを発生することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る単一光子発生素子における、単一光子発生に関与する準位、および単一光子発生のタイミングチャートを示す図。
【図2】アディアバティック・パッセージによる状態遷移の手法を説明する図。
【図3】本発明の実施形態に係る単一光子発生素子における、共振器の共鳴モードを用いて系を初期状態へと復元する手法を説明する図。
【図4】実施例1の単一光子発生素子の構成を示す図。
【図5】実施例1の単一光子発生素子に用いられる媒質の準位構造を示す図。
【図6】実施例1の単一光子発生素子における単一光子パルス列発生のタイミングチャートを示す図。
【図7】実施例2の単一光子発生素子の構成を示す図。
【図8】実施例2の単一光子発生素子に用いられる媒質の準位構造を示す図。
【図9】実施例2の単一光子発生素子における単一光子パルス列発生のタイミングチャートを示す図。
【図10】従来の単一光子発生素子の動作原理を示す図。
【符号の説明】
11…真空装置
12…マイクロ波共振器
22…ピエゾ素子
13…光共振器
23…ピエゾ素子
14…単一原子
24…原子群
15…半導体レーザー
16…磁気ポテンシャル形成用コイル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a single photon generating element capable of generating an optical pulse consisting of one photon at an arbitrary time.
[0002]
[Prior art]
In recent years, quantum information processing devices such as quantum communication and quantum computers that perform information processing using quantum mechanical superposition states have been actively studied. In digital information processing devices that are generally used at present, information is represented by a definite bit of 0 or 1 as a basic component. On the other hand, in the quantum information processing device, qubits in which
[0003]
A. Kuhn et al. Proposed the following method using a single atom, an optical resonator strongly coupled to the single atom, and laser light and microwave as a single photon generating element satisfying the above conditions ( Appl. Phys. B69, 373 (1999)). FIG. 10 shows a conceptual diagram of this method. In this method, a single atom is assumed to be a Λ-type three-level atom having two long-lived ground levels | u> and | g> and an excited level | e>. This single atom is placed in an optical resonator having a single resonance mode. The transition between the level | g> and the level | e> is close to the resonance frequency of this resonance mode (ie, induces coherent vibration). On the other hand, the transition between the level | u> and the level | e> is far resonance with respect to the resonance frequency of this resonance mode (that is, it does not induce coherent vibration). Also, | 0> and | 1> in FIG. 10 represent the number of photons present in this resonance mode, and the state emits the photon from the resonance mode and absorbs the photon from the resonance mode. It shows the transition between e> and state | g>.
[0004]
The single atom-optical resonator coupling system described above is prepared in the initial state | u, 0>. In order to generate a single photon, a laser light pulse (trigger pulse) having a near-resonant oscillation frequency at the transition between the level | u, 0> and the level | e, 0> for this system. May be irradiated from a direction perpendicular to the axis of symmetry of the optical resonator. At this time, the rise time of the trigger pulse is slow enough to satisfy the adiabatic condition of the single atom-optical resonator coupled system, and the relationship between the oscillation frequency of the laser beam and the resonant frequency of the optical resonator is the Raman resonance of the atom. If the condition is satisfied, the single atom-optical resonator coupled system adiabatically shifts from the state | u, 0> to the state | g, 1>. In other words, by irradiation with a trigger pulse that satisfies the above conditions, the atomic state can be adiabatically changed from | u> to | g>, and one photon can be generated in the resonance mode of the optical resonator.
[0005]
The single photon generated in the resonance mode stays inside the optical resonator for a time corresponding to the decay time of the resonance mode, and is then emitted to the outside of the optical resonator. That is, the single photon generated in the resonance mode is emitted outside the optical resonator as an optical pulse (single photon pulse) having a time width approximately equal to the decay time (resonance mode lifetime) of the resonance mode. Further, the spectrum width of the single photon pulse is equal to the spectrum width of the resonance mode described above, and the emission direction is limited to the symmetry axis direction of the resonance mode. As described above, a single photon generating element is practically required to generate a single photon by accurately determining a frequency and an emission direction at an arbitrary timing. For that purpose, the single photon pulse time width is narrowed to increase the reliability of single photon generation timing, the spectral width is narrowed to increase the frequency accuracy, and the spatial mode pattern is limited to the emission direction. It is necessary to improve the accuracy. The advantage of this method is that the characteristics of the single photon generation (time width, spectral width, spatial mode pattern, etc.) are mainly determined by the resonant mode characteristics of the optical resonator, thus improving the performance of the optical resonator. Thus, a practically useful single photon generating element can be constructed.
[0006]
As a result of outputting a single photon pulse to the outside of the optical resonator, no photons are present inside the optical resonator. That is, the single atom-optical resonator coupled system loses a photon and transitions to a state of | g, 0>, and the atom does not interact with the resonance mode of the optical resonator and the laser beam. For this reason, the system remains in this state unless an operation that causes another interaction is performed, so that two or more photons are not emitted.
[0007]
Recently, M. Hennrich et al. Described the ultrafine structure level 5S of laser-cooled 85 rubidium atoms.1/2F = 2, 5S1/2F = 3 and 5P3/2It has been confirmed that a photon group is generated by using this method for a Λ-type three-level system with F = 3 (Phys. Rev. Lett. 85, 4872 (2000)). Since they introduced multiple atoms instead of a single atom in the optical resonator, they did not directly confirm the generation of a single photon pulse. Has been confirmed to be released.
[0008]
By the way, in order to repeat the single photon pulse generation as described above many times, the final state (the state after the single photon pulse generation) | g, 0> is changed to the initial state | u, 0>. Return and repeat the same operation. In order to restore such a state, it has been proposed to use state transition by microwave irradiation. By continuously irradiating a coherent microwave having an oscillation frequency that resonates with a transition frequency between a state | g, 0> and a state | u, 0>, the system is in a state | g, 0> and a state | vibrates between u, 0>. Therefore, by irradiating the microwave in a pulse manner for a time corresponding to half of this oscillation period (π pulse), the system is completely transitioned from the final state | g, 0> to the initial state | u, 0>. Can be made. In addition, two laser beams having different oscillation frequencies that are Raman-resonated at the transition frequency between the state | g, 0> and the state | u, 0> are also irradiated in a π-pulse manner to restore the same state. It has also been proposed to do.
[0009]
According to the conventional method described above, it is possible to generate a single photon pulse triggered by the laser light pulse by irradiating the laser light pulse to the single atom-optical resonator coupled system. After the generation of a single photon pulse, the state is restored to the initial state by irradiating a coherent electromagnetic wave with an appropriate oscillation frequency, and this process is repeated, so that it can be repeated at any timing. It can be seen that generation of photon pulses (single photon pulse train) is possible.
[0010]
However, in the conventional method, since the state restoration depends on the π pulse irradiation of the coherent electromagnetic wave, the state restoration probability varies depending on the pulse shape such as the peak intensity and the time width of the electromagnetic wave pulse and the oscillation frequency. This is because the period of vibration induced between the final state | g, 0> and the initial state | u, 0> changes depending on the intensity and frequency of the electromagnetic wave. Therefore, in order to reliably restore the state, the shape of the electromagnetic wave pulse and the oscillation frequency must be accurately controlled every time. In order to generate the trigger pulse and the π pulse, two or more types of coherent electromagnetic wave sources having different oscillation wavelengths must be prepared. In addition, in order to generate a single photon pulse train, these plural electromagnetic wave sources must be synchronously controlled at an appropriate timing.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional method, when a single photon pulse is repeatedly generated, a coherent electromagnetic wave source for generating one or a plurality of π pulses must be prepared separately from the coherent electromagnetic wave source for generating a trigger pulse. In addition, there is a problem that the control is difficult and the apparatus configuration is complicated.
[0012]
An object of the present invention is to provide a single photon generating element capable of repeatedly generating a single photon pulse without using a coherent electromagnetic wave source for generating a π pulse.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The single photon generating element according to one embodiment of the present invention has an energy level structure including energy levels of three or more levels, and the predetermined three energy levels of the energy levels are lower in energy. When the first level, second level, and third level are set in order, photoexcitation from the first level to the third level is possible, and one electron is used for the photoexcitation. Medium in which only is excited; on the transition between the second and third levels of said mediumRabi vibration can be inducedAnd an optical resonator having a resonant mode with a resonant frequency corresponding to the frequency of a single photon to be generated; and an oscillation frequency coupled to a transition between the first level and the third level of the medium A coherent light source having a transition between a first level and a second level of the medium;Rabi vibration can be inducedAnd a resonator having a resonance mode having a resonance frequency.
[0014]
A single photon generating element according to another aspect of the present invention has an energy level structure including energy levels of three or more levels, and the predetermined three energy levels among the energy levels are low in energy. When the first level, the second level, and the third level are set in this order, photoexcitation from the first level to the third level is possible. A medium in which only electrons are excited; and a transition between the second level and the third level of the medium.Rabi vibration can be inducedAnd a resonance mode at a resonance frequency corresponding to the frequency of a single photon to be generated and a transition between the first level and the second level of the medium.Rabi vibration can be inducedAn optical resonator having a resonant mode of a resonant frequency; and a coherent light source having an oscillation frequency coupled to a transition between a first level and a third level of the medium.
[0015]
The single-photon generating element described above does not use a coherent electromagnetic wave source for generating a π pulse when restoring the state of the medium to an initial state in order to repeatedly generate a single-photon pulse. On the transition between the level and the second levelRabi vibration can be inducedThe state of the medium can be shifted to the initial state by the interaction between the resonance mode of the resonance frequency and the medium, and a single photon pulse can be repeatedly generated reliably and simply at an arbitrary timing.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail.
The single photon generating element according to the embodiment of the present invention has a medium having an energy level structure including energy levels of three levels or more. This means that an electron in the medium can take a quantum state having three or more different energy eigenvalues. In such a medium, three predetermined energy levels are selected and used for single photon generation. In this medium, when the three energy levels are the first level, the second level, and the third level in order from the lowest energy, the first level to the third level. Can be photoexcited, and only one electron is excited for the photoexcitation. This condition is necessary to excite only a single electron into a high energy state and to use a single photon emitted when the electron transitions to a low energy state. If a plurality of electrons are excited for a certain excitation, the number of emitted photons is also a plurality.
[0017]
As a medium capable of photoexciting only a single electron, a single atom can be exemplified. For example, if you prepare only one alkali atom such as sodium, rubidium, cesium, etc. and irradiate this atom with a laser beam of an appropriate wavelength, only one electron that constitutes the outermost shell will be emitted from the ground state. It can be excited to an excited state corresponding to the wavelength of light.
[0018]
The single photon generating element according to the embodiment of the present invention is coupled to the transition between the second level and the third level of the medium as described above, and at the frequency of the single photon to be generated. An optical resonator having a resonance mode with a corresponding resonance frequency is included. By irradiating two levels of a medium with a coherent electromagnetic field in a predetermined propagation mode, the medium may vibrate coherently between the two levels. In this case, the process is repeated in which the medium absorbs photon energy from the propagation mode and transitions to the upper level, and emits photon energy to the propagation mode and transitions to the lower level. This is a phenomenon in which the medium exchanges energy with the propagation mode via photons, and it is called Rabbi vibration in the name of the discoverer. This Rabi vibration can be induced using a resonator in a vacuum state (a state in which no photons are present in the resonance mode) without irradiating the medium with a coherent electromagnetic wave. When a medium having a two-level structure is introduced into a resonator in a vacuum state in an excited state, the medium emits photons with respect to the resonance mode of the resonator and transitions to the ground state. Thereafter, the medium absorbs this photon and changes to the excited state again, and this process is repeated. In other words, the resonance mode of the resonance frequency that is coupled between the predetermined levels of the medium refers to a resonance mode that can induce Rabi oscillation with respect to those levels as described above.
[0019]
The single photon is emitted to the outside of the single photon generating element according to the embodiment of the present invention through this optical resonator. Now, in the process of Rabi oscillation as described above, it is assumed that the medium emits one photon in the resonance mode of the optical resonator, and one photon exists in this resonance mode. At this time, if the single photon can be extracted from the resonance mode to the outside of the optical resonator by any method, this means that a single photon is generated from the single photon generating element according to the embodiment of the present invention. Means that.
[0020]
In order to extract photons outside the optical resonator, for example, a resonance mode having a finite decay time can be used. Usually, an optical resonator is composed of two or more optical reflectors, but the decay time (resonance mode lifetime) of the resonance mode is mainly determined by the reflection loss of the optical reflector. When a photon is present in the optical resonator, the photon is confined in the optical resonator by the high reflectivity of the optical reflector. In terms of geometric optics, this means that the light beam is reflected between two or more high-reflectance optical reflectors and reciprocates many times, and as a result, stays in the optical resonator for a long time. At this time, if a finite reflection loss exists in the optical reflecting mirror, the light beam gradually leaks out of the resonator by the reflection loss every time it is reflected by the optical reflecting mirror. The same applies to photons in terms of quantum mechanics. The photon existence probability in the resonant mode of the optical resonator decays exponentially in the time of the resonance mode lifetime and oozes out of the resonator. (Hereinafter, it may be referred to as “photon attenuation from the resonance mode”).That is, photons can be extracted outside the resonator in a time that is about the resonance mode lifetime. Furthermore, it means that the single photon generating element according to the embodiment of the present invention can generate a single photon with time accuracy about the resonance mode lifetime.
[0021]
The reflection loss is mainly due to the existence of finite scattering rate and transmittance in the optical reflector. Scattering means that light is reflected in a random direction due to fine irregularities on the reflecting surface of the optical reflector or defects inside the optical reflector. On the other hand, transmission means that light passes through the reflecting mirror and is emitted in a predetermined direction. That is, by using an optical reflector that has a sufficiently high transmittance compared to the scattering rate, photons can be emitted with high probability in a predetermined direction when taking out photons outside the optical resonator.
[0022]
Since the frequency of the photon emitted to the outside of the optical resonator is determined by the resonance frequency of the resonance mode of the optical resonator, the optical resonator having the resonance mode of the resonance frequency corresponding to the frequency of the single photon to be generated Used. Also, the frequency accuracy of a single photon to be generated is equivalent to the spectral width of this resonance mode, but this spectral width is equal to the reciprocal of the resonator lifetime. Therefore, the frequency accuracy and time accuracy of a single photon to be generated are in a trade-off relationship, and it is preferable to determine which one should be prioritized according to the situation and determine the characteristics of the optical resonator.
[0023]
Note that the resonance mode of the resonance frequency corresponding to the frequency of the single photon to be generated and coupled to the transition between the second level and the third level of the medium is the intensity of the coupling or the resonance mode itself. The characteristics may be variable. In order to realize this, it is preferable to provide means for acting on the optical resonator to change the positional relationship between the resonance mode and the medium or the geometric shape of the resonance mode. Specifically, a piezo element or the like may be provided to displace the optical resonator or be deformed by stress, or a heating wire or a Peltier element may be provided to control the temperature of the optical resonator. Such a change in resonance mode characteristics, particularly a change in resonance frequency, is important when changing the frequency of a single photon generated from a single photon generating element according to an embodiment of the present invention. Furthermore, if it is possible to change the strength of the coupling with the medium and the resonance frequency, various parameter values that maximize the probability of single photon generation can be found experimentally by sweeping them. Further, if an optical resonator capable of changing the spatial pattern of the resonance mode is used, the position where the photon is generated can be controlled.
[0024]
A single photon generating element according to an embodiment of the present invention includes a coherent light source having an oscillation frequency that couples to a transition between a first level and a third level of a medium. In the initial state before single photon generation, the medium is in the first level. When generating a single photon, as described above, the medium is coupled with the resonance mode of the optical resonator, and a photon is generated in this resonance mode. Since it is assumed that this resonance mode is coupled to the transition between the second level and the third level of the medium, the medium is at the second level and the photon is equal to the resonance mode. One photon is generated by creating two existing states and extracting the photons to the outside of the optical resonator. In other words, using a coherent light source, the state of the medium is changed from the first level to the second level, and the number of photons in the resonance mode of the optical resonator is changed from 0 to 1. .
[0025]
In order to cause the state change between the medium and the resonance mode of the optical resonator, a technique called adiabatic passage can be used. This method will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 2A, the state corresponding to the first level in the medium is | u>, the state corresponding to the second level is | g>, and the state corresponding to the third level is | E>. Also, the resonance mode states of the optical resonator are expressed as | 0> and | 1> using the number of photons. Therefore, in the initial state before the generation of a single photon, the state of the medium-optical resonator coupled system can be expressed as | u, 0> by combining the state of the medium and the resonance mode. In addition, the medium vibrates between the second and third levels due to Rabi oscillation due to coupling with the resonance mode, and accordingly, the number of photons existing in the resonance mode vibrates between 1 and 0. These two vibrating states can be expressed as | e, 0> and | g, 1>.
[0026]
Consider a case where the above-described coherent light is irradiated to this system. When the oscillation frequency of the coherent light satisfies the Raman resonance condition for the medium-optical resonator coupled system, that is, the detuning with respect to the | u> − | e> transition of the oscillation frequency of the coherent light is the resonance frequency of the resonance mode. If the detuning is the same as the detuning with respect to the | g>-| e> transition, the interaction Hamiltonian H can be expressed by the following equation (1).
[0027]
[Expression 1]
[0028]
However, in this case, the basis vector is set to a state {| u, 0>, | e, 0>, | g, 1>} in which there is no interaction between the medium, the coherent light, and the resonance mode, and the resonance mode vacuum resonance rabbi The frequency is 2g and the resonance Rabi frequency of coherent light is Ω.TIt was. The three eigenstates of the Hamiltonian can be expressed by the following equation (2).
[0029]
[Expression 2]
[0030]
Here, Θ and Φ in the equation (2) are angles that satisfy the condition of the following equation (3).
[0031]
[Equation 3]
[0032]
One of the eigenstates of the system immediately before irradiating coherent light | a0> Is ΩTSince = 0, it is equal to the initial state of the system | u, 0>. One of the eigenstates of the system after irradiation with coherent light | a0> If ΩTIf 2g, it can be seen that it is equal to the state | g, 1>.
[0033]
Therefore, when irradiating coherent light, ΩTCan be changed adiabatically, that is, if the intensity of the coherent light can be increased "slowly", the state of this system is the eigenstate | a including the state | e, 0>.+> And | a-> Is not mixed, eigenstate | a0The state transitions from the state | u, 0> to the state | g, 1> according to the intensity of the coherent light while maintaining>. Here, “slow” means ΩTIs a time scale at which Δt changes, this time scale is sufficiently long with respect to the reciprocal of the
[0034]
The reason for avoiding actual excitation to the third level (| e, 0>) in the method of the adiabatic passage described above is that the photon energy is lost due to spontaneous emission from this level, This is to prevent a decrease in the photon generation probability. However, the vacuum
[0035]
A single photon generated in the resonant mode of the optical resonator in this way is coupled to and generated by the transition between the second and third levels of the medium, as described above. Through the optical resonator having the resonance mode of the resonance frequency corresponding to the frequency of the single photon to be emitted, the single photon generating element according to the embodiment of the present invention is emitted to the outside, and the photon exists in the optical resonator. Disappear. That is, if written using the above symbols, the state of the medium-optical resonator coupled system transitions to | g, 0>.
[0036]
In order to generate an arbitrary single photon pulse train by repeating the above-described process, the medium-optical resonator coupling system is changed from the state | g, 0> to the state | u, 0> It is necessary to return to the state. The feature of the present invention resides in this state restoring means to the initial state. The single photon generating element according to the embodiment of the present invention uses a resonance mode having a resonance frequency coupled to a transition between the first level and the second level of the medium to restore the state. This resonance mode is for example the optical resonator described above (resonance at the resonance frequency coupled to the transition between the second and third levels of the medium and corresponding to the frequency of the single photon to be generated. It can be prepared using a resonator different from that having a mode, for example, a microwave resonator. This resonance mode is also used when the transition frequency between the first level and the second level is the same as the transition frequency between the second level and the third level. The different resonance modes can also be used in combination with the optical resonator described above.
[0037]
A method for restoring the medium-resonator coupling system to the initial state will be described with reference to FIG. In the following description, the frequency of a single photon to be coupled to and generated in the transition between the second and third levels of the medium in order to facilitate the distinction between the two resonance modes. The resonance mode of the resonance frequency corresponding to is called the
[0038]
[0039]
The system then oscillates between the state | g, 0, 0> and the state | u, 0, 1> by Rabi oscillation induced by
[0040]
In the
[0041]
In the single photon generation element according to the embodiment of the present invention, the upper limit of the repetition frequency of pulse train generation is determined by the time taken to restore the state after single photon generation. This time is the vacuum
[0042]
Here, the vacuum
[0043]
On the other hand, if the coupling strength between the
[0044]
In the above, the component of the single photon generating element which concerns on embodiment of this invention was demonstrated in order. Hereinafter, in order to help understanding, generation of single photons using this single photon generating element will be described over time. FIGS. 1A to 1D show levels involved in single photon generation and a timing chart of single photon generation in the single photon generation element according to the embodiment of the present invention.
[0045]
The single photon generating element according to the embodiment of the present invention uses a medium having a predetermined three-level structure, couples two resonance modes to the medium, and irradiates coherent light, thereby repeatedly repeating single photons. generate. As shown in FIG. 1A, a resonance mode having a resonance frequency corresponding to the frequency of a single photon to be generated is a
State | u, 0, 0> indicates a state where the medium is at the first level, the number of photons in
State | u, 1,1> indicates a state where the medium is at the first level, the number of photons in
State | u, 0, 1> indicates a state in which the medium is at the first level, the number of photons in
State | g, 1,0> indicates a state in which the medium is at the second level, the number of photons in
State | g, 0, 0> indicates a state where the medium is in the second level, the number of photons in
State | e, 0, 0> indicates a state where the medium is at the third level, the number of photons in
[0046]
A medium-resonator coupled system is prepared as an initial state | u, 0, 0>, and this system is irradiated with a coherent light pulse as shown in FIG. MediumResonance frequency that can induce Rabi oscillation at the transition between the second and third levels of the medium.Since it is coupled with
[0047]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0048]
Example 1
FIG. 4 shows the configuration of a single photon generating element in this embodiment. This single photon generating element includes, as main components, a microwave resonator 12 provided in the
[0049]
In this embodiment, a single medium is used.133Cs (133 cesium atoms) is used. The
[0050]
The
[0051]
The optical resonator 13 has a Fabry-Perot type configuration in which a pair of dielectric multilayer film reflecting mirrors are opposed to each other. A
[0052]
A niobium microwave resonator 12 is constructed around the optical resonator 13. The microwave resonator 12 has a cubic shape, and TE011Resonates in mode. A piezoelectric element 22 is attached to one surface of the microwave resonator 12. The geometrical shape of the microwave resonator 12 resonator can be changed by changing the stress applied to the microwave resonator 12 by the voltage applied to the piezo element 22, and the resonance frequency can be adjusted.
[0053]
Further, the
[0054]
FIG. 5 shows the level structure of the cesium atom involved in single photon generation. In this example, 6S which is a hyperfine structure level of a cesium atom is used.1/2F = 3, 6S1/2F = 4 and 6P3/2; Three levels of F = 4. After that, 6S1/2F = 3 is the state | u>, 6S1/2F = 4 is the state | g>, 6P3/2F = 4 is referred to as state | e>.
[0055]
The resonator length of the optical resonator 13 is adjusted so as to be near resonance with respect to the transition between the state | g> and the state | e>. The geometry of the microwave resonator 12 is controlled so as to be near resonance with respect to the transition between the state | u> and the state | g>. The vacuum resonance Rabi frequencies for the transitions of the optical resonator 13 and the microwave resonator 12 are 20 MHz and 5 KHz, respectively, and the attenuation rates are 2 MHz and 3 KHz, respectively.
[0056]
A single photon pulse train is generated by irradiating laser light in a pulsed manner to the
[0057]
(Example 2)
FIG. 7 shows the configuration of a single photon generating element in this embodiment. This single photon generating element does not have a microwave resonator, and is provided with a magnetic potential forming coil 16 instead of the optical potential forming laser beam. Different from the element. The magnetic potential forming coil 16 is a three-coil magnetic trap comprising a pair of anti-helmholtz-arranged coils and a coil having an axis orthogonal to the symmetry axis of the pair of coils. Other configurations are the same as those of the single photon generating element of the first embodiment.
[0058]
In this embodiment, a single medium is used.85Rb (85 rubidium atoms) is used. Similar to the first embodiment, the
[0059]
The
[0060]
As in the first embodiment, the optical resonator 13 has a Fabry-Perot configuration in which a pair of dielectric multilayer film reflecting mirrors are opposed to each other, and a
[0061]
Further, a laser beam pulse is applied to a
[0062]
FIG. 8 shows the level structure of the rubidium atom involved in single photon generation. In this example, 5S which is the hyperfine structure level of the rubidium atom is used.1/2F = 2, 5P3/2F = 3 and 5D5/2; Three levels of F = 4. After that, 5S1/2; F = 2 state | u>, 5P3/2; F = 3 in the state | g>, 5D5/2F = 4 is referred to as state | e>.
[0063]
The optical resonator 13 has its TEM00Near resonance, TEM for mode transition between state | g> and state | e>02The resonator length is adjusted so that the mode becomes near resonance with respect to the transition between the state | u> and the state | g>. That is, in this embodiment, single photon generation and state restoration are performed using two different transverse modes of the same optical resonator. TME00Mode and TEM02The vacuum resonance Rabi frequency for each transition of the mode is 400 MHz and 20 MHz, respectively, and the attenuation rate is 100 MHz and 10 MHz, respectively.
[0064]
A single photon pulse train is generated by irradiating laser light in a pulsed manner to the
[0065]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, without using a coherent electromagnetic wave source for generating a π pulse, the state is restored by the interaction between the resonance mode in the vacuum state and the medium, and only one coherent light source is used. It is possible to generate a single photon pulse repeatedly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a level involved in single photon generation and a timing chart of single photon generation in a single photon generation element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining a state transition method based on an adiabatic passage.
FIG. 3 is a diagram for explaining a method of restoring a system to an initial state using a resonance mode of a resonator in a single photon generation element according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing a configuration of a single photon generating element of Example 1. FIG.
5 is a diagram showing a level structure of a medium used in the single photon generating element of Example 1. FIG.
6 is a timing chart of single photon pulse train generation in the single photon generating element of Example 1. FIG.
7 is a diagram showing a configuration of a single photon generating element of Example 2. FIG.
8 is a diagram showing a level structure of a medium used in the single photon generating element of Example 2. FIG.
FIG. 9 is a timing chart of single photon pulse train generation in the single photon generation element of Example 2.
FIG. 10 is a diagram showing an operation principle of a conventional single photon generating element.
[Explanation of symbols]
11 ... Vacuum device
12 ... Microwave resonator
22 ... Piezo element
13: Optical resonator
23 ... Piezo element
14 ... single atom
24 ... Atom group
15 ... Semiconductor laser
16 ... Coil for forming magnetic potential
Claims (5)
前記媒質の第二の準位と第三の準位との間の遷移にラビ振動を誘起でき、かつ発生させるべき単一光子の周波数に対応する共鳴周波数の共鳴モードを有する光共振器と、
前記媒質の第一の準位と第三の準位との間の遷移に結合する発振周波数を有するコヒーレント光源と、
前記媒質の第一の準位と第二の準位との間の遷移にラビ振動を誘起できる共鳴周波数の共鳴モードを有する共振器と
を具備したことを特徴とする単一光子発生素子。It has an energy level structure including energy levels of three or more levels, and the predetermined three energy levels among the energy levels, the first level, the second level in order from the lowest energy, When the third level, it is possible to photoexcitation from the first level to the third level, only a single electron is excited for the optical excitation,
An optical resonator capable of inducing a Rabbi oscillation at a transition between the second level and the third level of the medium and having a resonance mode of a resonance frequency corresponding to the frequency of a single photon to be generated;
A coherent light source having an oscillation frequency coupled to a transition between a first level and a third level of the medium;
A single photon generating element comprising: a resonator having a resonance mode having a resonance frequency capable of inducing Rabi oscillation in a transition between a first level and a second level of the medium.
前記媒質の第二の準位と第三の準位との間の遷移にラビ振動を誘起でき、かつ発生させるべき単一光子の周波数に対応する共鳴周波数の共鳴モードおよび前記媒質の第一の準位と第二の準位との間の遷移にラビ振動を誘起できる共鳴周波数の共鳴モードを有する光共振器と、
前記媒質の第一の準位と第三の準位との間の遷移に結合する発振周波数を有するコヒーレント光源と
を具備したことを特徴とする単一光子発生素子。It has an energy level structure including energy levels of three or more levels, and the predetermined three energy levels among the energy levels, the first level, the second level in order from the lowest energy, When the third level, it is possible to photoexcitation from the first level to the third level, only a single electron is excited for the optical excitation,
Rabi oscillation can be induced at the transition between the second level and the third level of the medium, and the resonance mode of the resonance frequency corresponding to the frequency of the single photon to be generated and the first level of the medium An optical resonator having a resonance mode of a resonance frequency capable of inducing a Rabi oscillation at a transition between the level and the second level;
A single photon generating device comprising: a coherent light source having an oscillation frequency coupled to a transition between a first level and a third level of the medium.
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