单一光子产生装置及量子位读取装置和方法

专利名称：单一光子产生装置及量子位读取装置和方法
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。发明内容依照本发明的一个方面，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^>。依照本发明的另一方面，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。


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，将详细描述根据本发明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，并将激发光施加于被放置为在空间上与共振 腔的空间模式重叠的双态体系。可以将外场(例如电场或磁场)施加 于该双态体系以便改变该双态体系的跃迁角频率(Wa)。只利用COa 的改变，可以在共振腔模式下从该双态体系发射光子，结果是不需要 在光子发射之后釆用使单一物理体系恢复到其初始状态的处理，并且 可以产生角频率(波长)不同于激发光的角频率(波长)的光子。现在参照图1，现在将描述根据所述实施方案的单一光子产生装置。所述实施方案的单一光子产生装置包括光学共振腔101、材料102、激光束发生器103、电场发生器104、电极105、光检测器106、 控制器107以及反射镜108。光学共振腔101具有角频率为COa的共振腔模式，并包含材料 102。光学共振腔101是包括具有基本为100%的反射率的单面反射镜 和具有约为99.9%的反射率的反面反射镜的单面共振腔。光学共振腔 101是例如Fabry-Perot型单面共振腔。材料102包括作为具有跃迁角频率(Oa的双态体系的材料。可以依照由电场发生器(electric field generator) 104产生的电场来改变跃迁角频率COa。激光束发生器103产生具有角频率(o,的光子的激光束。co,和(oc 设置为不同的值。经由反射镜108向材料102施加激光束。但是，反 射镜108不是必不可少的，而是可以直接向材料102施加激光束。电场发生器104连接到两个电极105并且在其间施加电压，从而 产生电场。该电场被施加于包含在光学共振腔101中的材料102。光检测器106检测由光学共振腔101产生的光子。控制器107控制激光束发生器103以引起其产生激光束或停止激
光束的产生。控制器107接收指示光检测器106是否已检测到光子的 信息。控制器107控制电场发生器104以控制施加于光学共振腔101 的电场的强度以便将双态体系的跃迁角频率(coa)变成预设值。稍后 将参照图2来描述由控制器107实现的双态体系的跃迁角频率(wa) 的改变。虽然在图1的情形中，通过向材料102施加电场来改变跃迁角频 率(COa),但是可以通过向材料102施加诸如磁场的另一外场来使其 改变。稍后将参照图5来描述向材料102施加磁场。在下文的描述中， 如果即使在将"电场"变成"磁场，，时也获得相同的结果，则这些场将共 同称为"外场"。然后参照图2和3，将详细描述产生光子的机制和方法。图2示出双态体系的跃迁角频率(C0a)、激光的光子角频率(03,)、 与对应于光学共振腔的共振腔模式的共振角频率((Oe)之间的关系。 CO,和COe设置为不同的值，并且可以通过施加外场来改变0)a。然后参照图3，将给出描述。假设最初，双态体系处于双态体系 不与激发光共振的低能态lg〉(图3中的第O状态)。如果双态体系不与激发光共振，则跃迁角频率O)a可以设置为任何值。更进一步地， 假设包含双态体系的光学共振腔的耗散常数(K)大于双态体系与共 振腔模式的耦合常数(g)(K>g)。在这种状态下，对双态体系相继 执行以下双阶段操作。第一阶段向双态体系施加外场以使得跃迁角频率COa等于激发 光的角频率(O,,然后，在7l/il的时间段内停止电场的改变。这对应于向双态系统施加7T脉冲。因此，双态体系被激发到高能态le〉(图3中第l状态)。第二阶段改变施加于双态体系的外场以使得跃迁角频率(Oa等 于对应于共振腔模式的共振角频率COc，并随后在7T/g的时间段内停止 外场的改变。由于7T/g是通过共振腔模式与双态体系的耦合引起的真空拉比振荡的周期的一半，所以将双态体系从le〉变成lg〉，从而在共振腔模式下发射光子。在共振腔模式下发射的光子在约为1/K的时间
段内被立即发射到共振腔的外面(图3的第2状态)。在第一阶段，激发双态体系，在第二阶段，在共振腔模式下从双态体系发射光子并使双态体系去激。通过重复这两个操作(第一阶段操作和第二阶段操作)的组合，可以以；r/Xi+丌/g的规则间隔产生单一光子。由于ll-27tE.fi/h (E:激光电场；n:跃迁偶极矩；h:普朗克常量)，如果使用强激发光，则单一光子的产生周期可以设置为接近7T/g的值。即，如在"背景技术"一节中描述的使用双态体系的传统单一光子源中一样，实现了利用共 振腔模式时可以获取的最高重复频率。在以上方法中，在第一和第二阶段中执行的两个操作的组合的第 2次重复之后，当第二阶段结束时，双态体系恢复到其原始状态，包 括Oa的值。即，该方法不需要如"背景技术，，一节中描述的使用三态 体系的传统情形中所需的任何特定恢复处理。更进一步地，由于叫与(Oe相互不同，所以激发光不同于角频率下的发射光子。因此，强激发光的角频率(波长)不充当与单一光子相干涉的杂散光(噪声)。在参照图3所述的方法和机制中，在第一阶段中利用通过激发光 与双态体系的耦合而引起的拉比振荡，并在第二阶段中利用通过共振 腔模式与双态体系的耦合而引起的真空拉比振荡。在第一和第二阶 段，还可以利用由双态体系与激发光或共振腔模式的交互作用而引起 的绝热通道。参照图4，将给出使用绝热通道的方法的描述。当在第一阶段中使用绝热通道时，双态体系的高能态le〉的寿命 (Ig〉-le〉之间的跃迁的纵向松弛时间)设置为Ti。如果激发光的语 宽(角频率)小于1/L，则通过改变施加的外场来连续地改变具有为的谱宽的双态体系的跃迁角频率oa，以便从而在长于1/Q并短于 Ti的时间段内穿过激发光的角频率co"结果，通过由于双态体系与单 一光束的交互作用而引起的绝热通道从lg〉到le》激发双态体系(图4 的第一状态)。更具体地，通过改变(0a而将材料的状态变换到IO以 便在长于1/Q并短于L的时间段内跨越由co, - A/2和w + A/2所限定 的角频域(A是均匀加宽)。当第二阶段中使用绝热通道时，通过改变施加的外场来连续地改 变状态le〉下的双态体系的跃迁角频率wa，以便从而在长于1/g并短于T\的时间段内穿过与共振腔模式相应的共振角频率COe。结果，通过由于双态体系与共振腔模式的交互作用而引起的绝热通道在共振腔模式下从双态体系发射单一光子，从而将双态体系从le〉变换到lg〉(图4所示的第二状态)。更具体地，通过改变O)a而将材料的状态恢复到 &>以<更在长于1/g并短于L的时间段内跨越由C0c - A/2和coe + A/2所限定的角频域。在第一和第二阶段中使用绝热通道的情形中，coa(l) 、 coa(2)、(0a (3)和(0a (4)可以根据CO,和COe而具有任何值，其中(Da (1)、Oa (2) 、 0)a (3)和COa (4)分别是当第一阶段中开始绝热通道的使用时所采取的值、当第一阶段中结束绝热通道的使用时所采取的值、 当第二阶段中开始绝热通道的使用时所采取的值、和第二阶段中结束绝热通道的使用时所采取的值。但是，当Oa在从(0a (2)变换到0)a (3)期间穿过CO,或(Oe时，或者当(0a在从C0a (4)变换到(0a ( 1 )期 间穿过叫时，使得其在充分短于1/Q的时间段内穿过0),，并使得其在 充分短于1/g的时间段内穿过C0e，从而维持双态体系的状态(&>或|e>)。同样在第一阶段中使用拉比振荡并且第二阶段中使用绝热通道的情形中，当COa在从笫一阶段变换到第二阶段期间跨越CO,或(Oc时， 或者当COa在从第二阶段变换到第一阶段期间跨越CO,时，使得其在充 分短于1/Q的时间段内跨越C0p并使得其在充分短于1/g的时间段内跨越coc，从而维持双态体系的状态(Ig〉或le〉)。同样地，在第一阶段中使用绝热通道并且第二阶段中使用真空拉比振荡的情形中，当COa在从第一阶段变换到第二阶段期间跨越O),或 O)c时，或者当其在从第二阶段变换到第一阶段期间跨越(O,时，使得 其在充分短于1/Q的时间段内跨越(0，，并使得其在充分短于1/g的时间段内跨越o)c，从而维持双态体系的状态(Ig〉或le〉)。
如上所述，在四种情形的任何一种中，可以以约为7T/g或1/g的 规则间隔产生频率不同于激发光的频率的单一光子，在所述四种情形 中，i)第一阶段中使用拉比振荡并且第二阶段中使用真空拉比振荡，ii)第一阶段中使用拉比振荡并且第二阶段中使用绝热通道，m)第一阶段中使用绝热通道并且第二阶段中使用真空拉比振荡，以及iv )第一和第二阶段中均使用绝热通道。然后参照图5，将给出使用磁场作为用于所述实施方案的单一光子产生装置的外场的情形的描述。当使用磁场作为外场时，所述实施方案的单一光子产生装置包括光学共振腔101、材料102、激光束发生器103、磁场发生器501、两 个线圏502、光检测器106、控制器503、以及反射镜108。磁场发生器501引起电流流过两个线圏502以便从而产生特定方 向的磁场。该磁场被施加于光学共振腔101中的材料102。控制器503控制磁场发生器501以调节流过线圏502的电流的强 度以便从而调节磁场的强度。通过控制施加于光学共振腔101内部的 磁场的强度，控制器503将双态体系的跃迁角频率(o)a)变成预设值。 控制器503控制激光束发生器103以使其产生激光束或停止激光束的 产生。这类似于控制器107的功能。更进一步地，控制器503接收指 示光检测器106是否已检测到光子的信息。这也类似于控制器107的 另一个功能。参照图6，将给出从材料102读取量子位的情形的描述。 如图6所示，根据所述实施方案的量子位读取装置包括光学共振 腔101、激光束发生器103、电场发生器104、电极105、光检测器106、 反射镜108、强度调制声光效应元件601、频率设置声光效应元件602、 激光频率窄化系统603、控制器604、以及材料605。除上述双态体系的状态(即低能态lg〉和高能态le〉)之外，材料 605可以采取两种或更多种状态(|0>， |1>)。量子位使用两种状态|0> 和|1>来表示。强度调制声光效应元件601设置输入光的强度并输出所设强度 的输入光束。频率设置声光效应元件602设置输入光的频率，并输出 所设频率的光束。激光频率窄化系统603窄化输入光并输出被窄化的 光。使用射束分裂器和反射镜(未示出)来将从激光频率窄化系统 603输出的激光束分成三个激光束。频率设置声光效应元件602接收 各个激光束，设置各个射束的频率，并输出所设频率的激光束。强度 调制声光效应元件601接收包括在三个激光束中的两个激光束，即与 |g> - le〉之间的跃迁共振的激光束2和与|1> - |6>之间的跃迁共振的激 光束3，并设置接收到的激光束的强度。控制器604控制强度调制声光效应元件601以使得激光束2和3 暂时相互重叠以便将激光束2的强度高于激光束3的强度的状态变换 成激光束3的强度高于激光束2的强度的状态。作为此控制的结果， 使用绝热通道可以将状态|1>的概率幅度变成状态^>的概率幅度。如 果材料605处于状态|0>，则将其维持在状态IO〉。之后，控制器604引起电场发生器104改变电场以便使得跃迁角频率(Oa等于激发光的角频率c^ (第一操作)。作为此控制的结果，如果材料605的初始状 态是|1>并且已被绝热通道变换成&>,则将材料605从lg〉激发到le〉。 更进一步地，如果材料605的初始状态是|0>，则使其维持在|0>。其 后，控制器604引起电场发生器104改变电场以使得跃迁角频率coa 等于激发光的角频率COe(第二操作)。作为此控制的结果，如果材料 605的输出状态是le、则材料605在共振腔模式下发射单一光子并将 光子从光学共振腔101发射到其外面。更进一步地，如果材料605的 初始状态是|0>，则使其维持在|0>。如果材料605的初始状态是|0>，并且即使在由于控制器604的 控制而引起的绝热通道之后也维持在|0>，则即使控制器604引起电场 发生器104改变电场以便使得光学共振腔的跃迁角频率COa等于激发 光的角频率Co"也不从材料605发出光子并且因此没有光子发射到光 学共振腔101的外面。如上所述，在控制器604的控制下交替地执行第一和第二操作。
在此状态下，如果材料605的初始状态是|1>，无论何时执行第二操作， 从光学共振腔101发出光子。相反，如果材料605的初始状态是|0>， 则不从光学共振腔101发出光子。换言之，如果光检测器106在控制 器604的控制下检测到单一光子，则知道材料605的初始状态是|1>, 而如果光检测器106没有检测到任何光子，则知道材料605的初始状 态是|0>。即，图6的装置可以执行量子位读取。此外，如果材料605 的初始状态是|1>，则可以观察到重复发射的光子。因此，即使采用具 有小于100%的单一光子检测概率的检测器，也可以实现足够精确的 量子读取。参照图7，将给出用磁场作为图6的量子位读取装置中的外场的 情形的描述。当用磁场作为外场时，用磁场发生器501和线圏502代替图6 所示的电场发生器104和电极105。在这种情形中，如在图5的情形 中一样，可以通过控制施加于光学共振腔101内部的磁场的强度将双 态系统的跃迁角频率(coa)变成预设值。当将磁场施加于材料605时，状态&>、 |0>和|1>中的每一个具有 其松弛的退化状态并被分裂成多个状态。这时，如图7中所示选择与 状态lg、 |0>和|1>中的每一个相应的一个分裂状态。即，基于分裂状 态重新确定状态lg〉、 |0>和|1〉的水平。之后，除控制器控制磁场发生器501以通过控制施加于光学共振 腔内部的磁场的强度来改变COa之外，执行如参照图6所述的那些操 作相同的操作。结果，可以使用磁场作为外场来读取量子位。现在参照图8 10，将描述实施例。 (第一实施例)图9示出根据第一至第四实施例的单一光子产生装置。在第一实 施例中，第一阶段中使用拉比振荡，并且第二阶段中使用真空拉比振 荡。在第一实施例的单一光子产生装置和其中采用的方法中，用包含 在通过用P一+离子替换Y2SiOs晶体中10—5%的Y"离子而获得的Pr":Y2Si05晶体中的P一+离子作为双态体系。该Pr3+: Y2Si05晶体对 应于材料102。此晶体具有约为2mmx2mmx2mm的尺寸，并且在该 晶体的相对表面上形成超高反射率反射镜以便具有共振腔结构。 一个 反射镜设置为基本为100% (99.998%或以上)的反射率，而另一个 反射镜设置为99.924%的反射率，从而提供单面共振腔(对应于光学 共振腔101)。此共振腔的共振腔模式被制成跟比与Pr"离子的电子 接地状态3H4的核自旋的状态±|5/2>与Pr"离子的电子激发状态力2 的核自旋的状态±|5/2>之间的4f电子的f-f跃迁(下文中简称为"Pr" 离子的光学跃迁")相应的频率va (约494.7THz )高约4 MHz的频率 共振。更进一步地，模式腰半径设置为约lpm，并且耗散常数(k) (能量耗散常数)设置为约5MHz (频率))。晶体901被放置在低 温恒温器905中并维持在1.5K。作为包含Pr3+离子的晶体901 ，通过观察由光输入引起的并与共 振腔模式耦合的真空拉比分裂来选择和使用这样的晶体，在该晶体中 只有单一 Pr"离子接近目标单一共振腔模式的空间中的模式腰而存 在。更进一步地，用于激发氩离子激光束的环型染料激光器902的频 谱被由基准共振腔、声光效应元件和光电效应元件形成的反馈激光频 率窄化系统603窄化至1 kHz，从而使其绝对频率稳定。控制器903 将频率窄化激光器的频率设置为比共振腔^t式频率vj氐2MHz的值v, =Vc —2，并将其施加于晶体901中的Pr"离子。电场发生器104的电极105连接到晶体901以便将电场施加于晶 体901。通过由控制器903来施加电场，可以^使得跃迁角频率Va与v,或Vc共振。在光学共振腔101的低反射率反射镜附近提供有光检测器106 作为单面共振腔，以检测在共振腔模式中发射到共振腔外面的光子。在本实施例中，共振腔模式与Pr"离子的光学跃迁的耦合常数 g/(2Ti)约为100 kHz,由激光器与Pr"离子的光学跃迁的耦合引起的 拉比频率Q/(27t)约为500 kHz,并且Pr"离子的电子激发状态力2的寿
命T约为200 ns。在第一实施例和后续实施例中，假设1.5k下Pr"离子的光学跃迁的均匀加宽(半宽)为AVh画。，Va-V,國AVh。m。的电场设为E(l)， Va =v,的电场设为E(2) ， va = 、 + Avhomo的电场设为E(3) ， va = Vc誦Avhomo的电场设为E(4)， Va-Ve的电场设为E(5)， Va-Ve + AVh。m。的电场设为E(6)。如图8所示，图8示出了Va、 v,和Vc之间的关系。在第一实施例中，首先向尚未向其施加任何电场的包含Pr"离子 的晶体施加电场E(2)，持续为与？r/Q对应的lps。随后，向该晶体施 加电场E(5)，持续为与；r/g对应的5ps。之后，交替地重复持续1 ns 的电场E(2)的施加和持续5ps的电场E(5)的施加，结果是光子以对应 于tt/Q + ;r/g的6ns的时间间隔被发射到单面共振腔的低反射率反射 镜侧。此状态可以由光检测器106来观察。 (第二实施例)在第二实施例中，第一和第二阶段中均使用绝热通道。 在第二实施例中，当向包含Pr"离子的晶体施加电场时，控制器 903首先向尚未向其施加任何电场的晶体施加电场E(l)，然后在10ns 内以预设的增加速率将电场E(l)增加到电场E(3)，然后在40ns内以 预设的增加速率将电场E(3)增加到电场E(4)，然后将电场E(^增加到 电场E(5)。其后，控制器903将晶体的状态恢复到未施加电场的初始 状态，然后采取上述电场施加和增加。通过重复此处理，约每50ns 向作为单面共振腔的光学共振腔101的低反射率反射镜侧发射光子。 此状态可以由光检测器106来观察。 (第三实施例)在第三实施例中，第一阶段中使用拉比振荡，并且第二阶段中使 用绝热通道。在第三实施例中，当向包含Pr"离子的晶体施加电场时，控制器 903首先向尚未向其施加任何电场的晶体施加电场E(2)，持续为与7r/Q 对应的lps，然后在40ns内以预设的增加速率将电场E(2)增加到电场 E(4)，然后将电场E(4)增加到电场E(6)。其后，控制器903将晶体的状态恢复到未施加电场的初始状态，然后采取上述电场量值的增加。通过重复此处理，约每40ns向作为单面共振腔的光学共振腔101的 低反射率反射镜侧发射光子。此状态可以由光检测器106来观察。 (第四实施例)在第四实施例中，第一阶段中使用绝热通道，并且第二阶段中使 用真空拉比振荡。在第四实施例中，当向包含Pr"离子的晶体施加电场时，控制器 903首先向尚未向其施加任何电场的晶体施加电场E(l),然后在lOps 内以恒定增加速率将电场E(l)增加到电场E(3)，然后在与7r/g对应的 5网内将电场E(3)增加到电场E(5)，并保持电场E(3)。其后，控制器 903将晶体的状态恢复到未施加电场的初始状态，然后采取上述电场 的施加和增加。通过重复此处理，约每15ns向作为单面共振腔的光 学共振腔IOI的低反射率反射镜侧发射光子。此状态可以由光检测器 106来观察。(第五实施例)图10示出根据第五实施例的单一光子产生装置。在第五实施例 中，将给出从晶体901读取量子位的情形的描述。在本实施例中，假设第一实施例中Pr"离子的电子接地状态3H4 的核自旋的状态±3/2>、 ±1/2>和±5/2>分别设置为状态|0>、 |1>和&>。 更进一步地，Pr"离子的电子激发状态力2的核自旋的状态士5/2〉设置 为le〉。从光源发出的激光束被射束分裂器分裂成激光束1、 2和3，并 且激光束1被用作第一实施例中所采用的激光束。除施加激光束2和 3之外，第五实施例的装置使用与第 一实施例中的那些相同的元件(激 光频率窄化系统603和氩离子激光束激发环型染料激光器902 )以便 执行与后者相同的操作。声光效应元件601和602可以执行激光束2和3的频移和强度调 制。控制器1001控制激光束2和3以具有分别与lg〉-lo之间的跃迁 和|1>-le〉之间的跃迁共振的频率，然后将激光束2和3定形为20ns
的半宽的高斯脉冲束，并使用通过施加激光束2和3而引起的绝热通 道将包含Pr"离子的晶体901的状态从|1>变换到|§>，使得激光束3 相对于激光束2延迟20jis。随后，控制器1001反复地向包含Pr"离子并位于向其施加激光 束1的如第一实施例中的光学共振腔101中的晶体901施加用于发射 光子的电场。这时，如果Pr"离子最初处于状态l1、则将其变换到状 态lg、并因此反复地产生光子。但是，如果Pi^+离子最初处于状态10， 则使其保持在状态|0>，并因此不产生光子。这样，根据光检测器106 是否反复地检测到光子，可以检测到？1*3+离子最初釆取状态|0>和|1> 中的哪一个。即，可以执行量子位读取。在上述实施方案和实施例中，利用具有恒定强度和频率的激发光 和设置为与激发光的频率不同的频率，并且将电场或磁场施加于共振 腔的内部以便改变包含在该共振腔内的单一双态体系的跃迁能。用这 种简单结构，激发了单一双态体系在共振腔模式下发射光子。结果， 在没有在发射光子之后将双态体系的状态恢复到其初始状态的任何 处理的情况下从双态体系发射频率(波长)不同于激发光的频率(波 长)的光子。本领域的技术人员将轻易地想到其它优点和修改。因此，本发明实施方案。因此，可以在不脱离所附权利要求及其等价物所定义的总 体发明概念的精神和范围的情况下进行各种修改。
权利要求
1. 一种产生单一光子的方法，其包括准备包括共振角频率ωc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ωa；向所述材料施加角频率ωl不同于共振角频率ωc的光；以及向所述材料施加第一外场以改变跃迁角频率ωa以便与角频率ωl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ωa以便与共振角频率ωc共振，使得材料的状态被恢复到低能态|g>。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，施加所述第一外场以使得跃迁角频率C0a在7T/Q的时间段内等于角频率(O,以便将材料的状态变 换到高能态le〉，并随后施加所述第二外场以使得跃迁角频率C0a在7T/g 的时间段内等于共振角频率COe以便使材料的状态恢复到低能态lg、 il是指示角频率的光与双态物理体系的耦合量值的拉比角频率，g 是指示共振腔模式与双态物理体系的耦合量值的耦合常数。
3. 如权利要求1所述的方法，其中，施加所迷第一外场以改变 跃迁角频率(Oa以便在长于1/il并短于T的时间段内跨越(0广A/2与0),+ A/2之间的角频域以便将材料的状态变换到高能态le、并随后施加所述第二外场以改变跃迁角频率(Oa以便在长于1/g并短于T的时间段内跨越0)e - A/2与coc + A/2之间的角频域以便使材料的状态恢复到低能态lg、 Q是指示角频率w的光与双态物理体系的耦合量值的拉比 角频率，g是指示共振腔模式与双态物理体系的耦合量值的耦合常数，T是lg〉- le〉之间的跃迁的纵向松弛时间，A是均匀加宽。
4. 如权利要求1所述的方法，其中，施加所述第一外场以使得 　跃迁角频率O)a在7t/H的时间段内等于角频率CO,以便将材料的状态变 换到高能态le、并随后施加所述第二外场以改变跃迁角频率COa以便 在长于1/g并短于T的时间段内跨越Oe-A/2与coc +A/2之间的角频 域以便使材料的状态恢复到低能态lg、Q是指示角频率co,的光与双态物理体系的耦合量值的拉比角频率，g是指示共振腔模式与双态物理体系的耦合量值的耦合常数，T是lg〉-le〉之间的跃迁的纵向松弛时 间，A是均匀加宽。
5. 如权利要求1所述的方法，其中，施加所迷第一外场以改变 跃迁角频率wa以便在长于1/il并短于T的时间段内跨越(o, - A/2与co, + A/2之间的角频域以便将材料的状态变换到高能态le、并随后施加所述第二外场以使得跃迁角频率C0a在7T/g的时间段内等于共振角频率 C)e以便使材料的状态恢复到低能态lg、 ！2是指示角频率0),的光与双态物理体系的耦合量值的拉比角频率，g是指示共振腔模式与双态物理体系的耦合量值的耦合常数，T是lg〉-|0之间的跃迁的纵向松弛 时间，A是均匀加宽。
6. 如权利要求1所述的方法，其中，所述光学共振腔是单面 Fabry-Perot共振腔。
7. 如权利要求1所述的方法，其中，所述材料是包含在晶体中 的稀土离子，|g>-le〉之间的跃迁对应于稀土离子的f-f跃迁，并且所 述外场是电场或磁场。
8. —种读取量子位的方法，其包括 准备包括共振角频率(0e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lg、高能态le〉，以及两个能态|0>和|1>，并且包括被外场所改变的lg〉-le〉之间 的跃迁角频率toa;　 产生分别使lg〉- >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暂时地相互重叠以便将其中第一 脉冲束的第一强度高于第二脉冲束的第二强度的第一状态变换到其 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；向所述材料施加第三脉冲束；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COa以便与角频率w共振，然后在向所迷材料施加第二外场以改变跃迁角频率O)a以便与角频率(Oe共振，并根据是否检测到从光 学共振腔发射的光子来读取量子位。
9. 一种单一光子产生装置，其包括包括共振角频率。e的共振腔模式的光学共振腔；包含在所述光学共振腔中的材料，其包括低能态lg〉和高能态le、 并包括被外场所改变的&>- le〉之间的跃迁角频率(oa;光源，其被配置为向所述材料施加角频率w不同于共振角频率 coc的光；外场发生单元，其被配置为向所述材料施加外场以改变跃迁角频率O)a以便与角频率CO,和共振角频率(Oe中的一个共振；以及控制器，其被配置为控制光源以向所述材料施加角频率w的光，并控制外场发生单元使得跃迁角频率COa与共振角频率(Oc共振以便将 所述材料的状态变换到高能态le、并随后控制外场发生单元以使跃迁角频率(Oa与共振角频率O)e共振以便使所述材料的状态恢复到低能态|g>。
10. 如权利要求9所述的装置，其中，所述控制器控制外场发生单元使得跃迁角频率COa在7T/Q的时间段内等于角频率(O,以便将所述材料的状态变换到高能态le、并随后控制外场发生单元使得跃迁角频率(Oa在7T/g的时间段内等于共振角频率COc以便使所述材料恢复到低 能态lg、Q是指示角频率W的光与双态物理体系的耦合量值的拉比角 频率，g是指示共振腔模式与双态物理体系的耦合量值的耦合常数。
11. 如权利要求9所述的装置，其中，所述控制器控制外场发生 单元改变跃迁角频率coa以便在长于1/Q并短于T的时间段内跨越(0,画 A/2与(0, + A/2之间的角频域以便将材料的状态变换到高能态le、并 随后控制外场发生单元改变跃迁角频率C0a以便在长于1/g并短于T 的时间段内跨越wc - A/2与0)c + A/2之间的角频域以便使材料的状态 恢复到低能态I g> ， Q是指示角频率co,的光与双态物理体系的耦合量值 的拉比角频率，g是指示共振腔模式与双态物理体系的耦合量值的耦 合常数，T是lg〉-le〉之间的跃迁的纵向松弛时间，A是均匀加宽。
12. 如权利要求9所述的装置，其中，所述控制器控制外场发生单元使得跃迁角频率COa在7T/Q的时间段内等于角频率W以便将材料的状态变换到高能态le、并随后控制外场发生单元改变跃迁角频率 coa以便在长于1/g并短于T的时间段内跨越coc - A/2与coe + A/2之间 的角频域以便使材料的状态恢复到低能态|g>， Q是指示角频率co,的光 与双态物理体系的耦合量值的拉比角频率，g是指示共振腔模式与双 态物理体系的耦合量值的耦合常数，T是lg〉-le〉之间的跃迁的纵向 木>弛时间，A是均匀加宽。
13. 如权利要求9所述的装置，其中，所述控制器控制外场发生 单元改变跃迁角频率coa以便在长于1/12并短于T的时间段内跨越(o,-A/2与co, + A/2之间的角频域以便将材料的状态变换到高能态le〉，并随后控制外场发生单元使得跃迁角频率C0a在7T/g的时间段内等于共振 角频率(Oe以便使材料的状态恢复到低能态lg、 il是指示角频率O),的光与双态物理体系的耦合量值的拉比角频率，g是指示共振腔模式与双态物理体系的耦合量值的耦合常数，T是^>-|0之间的跃迁的纵 向松弛时间，A是均匀加宽。
14. 如权利要求9所述的装置，其中，所述光学共振腔是单面 Fabry-Perot共振腔。
15. 如权利要求9所述的装置，其中，所述材料是包含在晶体中 的稀土离子，Ig〉-le〉之间的跃迁对应于稀土离子的f-f跃迁，并且所 述外场发生单元向所述材料施加诸如电场或磁场的外场。
16. —种量子位读取装置，其包括如权利要求9所述的单一光子产生装置，其釆用包括两个状态|0> 和|1>以及低能态^>和高能态|6>的材料；发生单元，其被配置为产生分别使&> - le〉之间的跃迁和|1> - |e> 之间的跃迁共振的第一脉冲束和第二脉冲束；控制器，其被配置为控制第一脉沖束和第二脉冲束暂时地相互重 叠以便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 第一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；施加单元，其被配置为向所述材料施加第三脉冲束；以及 控制器，其被配置为控制外场发生单元在施加单元施加第三脉冲束之后使得跃迁角频率(Oa与角频率(O,共振，然后控制外场发生单元使得跃迁角频率(Oa与共振角频率(Oe共振，并根据是否检测到从光学 共振腔发射的光子来读取量子位。
全文摘要
本发明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＞。
文档编号H01S3/00GK101399425SQ200810215748
公开日2009年4月1日 申请日期2008年9月9日 优先权日2007年9月27日
发明者后藤隼人, 市村厚一 申请人:株式会社东芝