量子ビット読出装置および方法
【課題】単一物質系からなる量子ビットを個別に読み出す。
【解決手段】共振器１０１と、共振器に含まれ複数の物質系を含み各物質系の５つのエネルギー状態を低いエネルギー順に｜０＞、｜１＞、｜ｇ＞、｜ｅ１＞、｜ｅ２＞と表示すると｜ｇ＞−｜ｅ１＞間遷移が全物質系共通の共振器モードに共鳴し、｜０＞と｜１＞とで量子ビットを表現する物質４０５と、｜ｇ＞−｜ｅ２＞間遷移、｜１＞−｜ｅ２＞間遷移に共鳴する光を生成する手段４０１と、｜１＞を｜ｇ＞に移行する光を生成する手段４０９と、共振器モードに結合する光を生成しこの光を共振器へ入射する手段２０１と、この光の共振器からの反射光、透過光の強度を測定する手段２０１，２０２と、反射光、透過光の強度から物質系ｉの量子ビットを読み取る手段４１０と、物質系ｉを元の状態に戻す光を生成する手段４０９とを具備する。
【解決手段】共振器１０１と、共振器に含まれ複数の物質系を含み各物質系の５つのエネルギー状態を低いエネルギー順に｜０＞、｜１＞、｜ｇ＞、｜ｅ１＞、｜ｅ２＞と表示すると｜ｇ＞−｜ｅ１＞間遷移が全物質系共通の共振器モードに共鳴し、｜０＞と｜１＞とで量子ビットを表現する物質４０５と、｜ｇ＞−｜ｅ２＞間遷移、｜１＞−｜ｅ２＞間遷移に共鳴する光を生成する手段４０１と、｜１＞を｜ｇ＞に移行する光を生成する手段４０９と、共振器モードに結合する光を生成しこの光を共振器へ入射する手段２０１と、この光の共振器からの反射光、透過光の強度を測定する手段２０１，２０２と、反射光、透過光の強度から物質系ｉの量子ビットを読み取る手段４１０と、物質系ｉを元の状態に戻す光を生成する手段４０９とを具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、両側共振器の共振器モードと単一物質系（単一原子、単一イオン等）との結合系の反射光および透過光の強度が、物質系の状態により、入射光強度の強弱にかかわらず大きく変化することを利用して、共振器内に複数個存在する単一物質系からなる量子ビットを、十分な強度の光の大きな強度変化を検出することにより個別に読み出す量子ビット読出装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子計算の結果は、多くは単一の原子、イオン、光子などからなる量子ビット（ここでは、量子計算において情報を担う物理系の量子状態および物理系そのもののいずれも、量子ビットと呼ぶ）の状態として表されるため、それら単一物質系の状態を読み出す必要がある。光と結合する量子ビットの場合、読み出したい量子ビットへの光照射により、その量子ビットの状態に応じて量子ビットが励起されたりされなかったりする際に、放出されたりされなかったりする光子を観測する手法が高感度で現実的である。その際、電磁トラップ中のイオンや、原子のような気体ならば、厳密な選択側を利用して、元の状態にのみ緩和する遷移を励起することで、量子ビットの状態に応じて、何度でも励起、緩和を繰り返させ、多数の光子を放出させることが可能である。
【０００３】
しかし、結晶中のイオンの核スピンのような固体中の量子ビットの場合、様々な相互作用で、エネルギー状態の角運動量、スピン等が混ざり合い、厳密な選択則がなく、一度励起された量子ビットが、どこの準安定な状態に緩和するかは確率的である。したがって、読み出しには単一の光子を確実に検出する必要があった。アディアバティック・パッセージを用いて、共振器モードに共鳴する準位に確実に量子ビットの状態を移しては戻すということを繰り返し、その際に光子の放射される空間モードを限定しかつ光子検出の機会を複数設けることで、光子検出の失敗確率を下げることは可能だが、この場合もやはり単一光子検出が必要である。
【０００４】
近年、微弱光と光子計数を利用した共振器中の単一原子の真空ラビ分裂（ノーマルモード・スプリッティングとも呼ばれる）の観測が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。また、片側共振器の共振器モードと単一あるいは複数の原子との結合系に単一光子を入射する場合の、原子状態による反射光子の位相の違いを利用して、光子／原子間、原子／原子間（光子を媒介とする）の量子ゲートを実行する提案が行われている。このように、共振器モードと物質系との結合系の光学応答は、たとえ１個の物質系との結合であっても、その物質系の状態により大きく変化するため、単一物質系の状態を観測するために利用できる。
【非特許文献１】Phys. Rev. Lett. 93, 233603 (2004).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、この共振器モードと物質系との結合系の応答を、単一の共振器内に複数個存在する量子ビットの読み出しに利用する具体的方法は知られていない。
【０００６】
この発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、共振器内に複数個存在する単一物質系（単一原子、単一イオン等）からなる量子ビットを、十分な強度の光の大きな強度変化を検出することにより個別に読み出す量子ビット読出装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するため、本発明の量子ビット読出装置は、共振器モードを有する共振器と、前記共振器の内部に含まれ、内部に複数の物質系（物質系１、・・・、物質系ｎ（ｎは２以上の整数））を含んでいて、各物質系は少なくとも５つのエネルギー状態を有し、各物質系ｉ（ｉはｎ以下の自然数）が有する前記５つのエネルギー状態を、低いエネルギーを有する状態から順に｜０＞ｉ、｜１＞ｉ、｜ｇ＞ｉ、｜ｅ１＞ｉ、｜ｅ２＞ｉと表示すると、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ１＞ｉ間遷移が全ての前記物質系で共通の共振器モードに共鳴し、｜０＞ｉと｜１＞ｉとで量子ビットを表現する物質と、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移、｜１＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移にそれぞれ共鳴する第１パルス光、第２パルス光を生成する生成手段と、前記第１パルス光の強度が前記第２パルス光に対して強い状態から前記第２パルス光の強度が前記第１パルス光に対して強い状態に移行するように前記第１パルス光と前記第２パルス光とが時間的に重なるように制御して第３の光を生成する第１制御手段と、前記第３の光を前記物質系ｉに照射する第１照射手段と、前記共振器モードに結合する観測光を生成し該観測光を前記共振器の外部から該共振器へ入射する入射手段と、前記観測光の反射光および前記観測光の透過光の少なくともいずれか１つの強度を測定して量子ビットを読み取る読取手段と、前記量子ビットを読み取った後に、前記第２パルス光の強度が前記第１パルス光に対して強い状態から前記第１パルス光の強度が前記第２パルス光に対して強い状態に移行するように前記第１パルス光と前記第２パルス光とが時間的に重なるように制御して第４の光を生成する第２制御手段と、前記第４の光を前記物質系ｉに照射する第２照射手段と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の量子ビット読出装置および方法によれば、共振器内に複数個存在する単一物質系（単一原子、単一イオン等）からなる量子ビットを、十分な強度の光の大きな強度変化を検出することにより個別に読み出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る量子ビット読出装置および方法について詳細に説明する。なお、以下の実施形態中では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。
まず、本発明の実施形態に係る量子ビット読出装置および方法について詳細に説明する前に、共振器内に複数個存在する単一物質系からなる量子ビットを、十分な強度の光の大きな強度変化の検出により個別に読み出せるようになる機構を説明する。
本実施形態では、共振器モードと共振器内の物質系との結合により、共振器モードと物質系との結合系の反射スペクトルおよび透過スペクトルが大きく変化することを利用する。
【００１０】
共振器１０１内の原子（以下では原子、イオン、分子、量子ドットなどの物質系を代表して原子と呼ぶ）のエネルギー状態について図１を参照して説明する。図１はエネルギー状態についての模式的な図である。エネルギー状態はエネルギーの低い方から順に｜０＞、｜１＞、｜ｇ＞、｜ｅ１＞、｜ｅ２＞とし、｜ｇ＞−｜ｅ１＞間遷移が共振器モードに共鳴しているとする。共振器１０１は、共振器モードを有していて、例えば、共振器モードがＰｒ３＋イオンの３Ｈ４の電子状態が超微細構造分裂で分裂している状態の一つと、１Ｄ２の電子状態の一つが超微細構造分裂で分裂している状態の一つとの間の遷移（図１の例では｜ｇ＞−｜ｅ１＞間遷移が対応）に共鳴するように作られている。
【００１１】
次に、空の共振器の場合、共振器内の単一原子が｜ｇ＞の状態にある場合、および、共振器内の単一原子が｜０＞の状態あるいは｜１＞の状態にある場合の、共振器モードと原子との結合系（以下、共振器モード／原子結合系と略す）の反射スペクトルおよび透過スペクトルについてそれぞれ図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）を参照して説明する。
ビームスプリッター２０１は、光源からの光を透過させ、共振器１０１からの光を反射させ、光検出器２０２に導く。
光検出器２０２、２０３は、それぞれ共振器１０１からの反射光、共振器１０１からの透過光を検出する。
【００１２】
空の共振器の場合（図２（ａ））：共振器モードに共鳴する光（角周波数ωｃとする）を共振器モードに空間モードを合わせて共振器１０１に入射する。このとき、共振器１０１を構成するミラーの反射率と共振器長で決まる共鳴幅（減衰率）に対して、ミラーや（もしあれば）共振器内を満たしている媒質による吸収や散乱などに起因する損失の速度が小さい場合には、光は反射率ほぼ０でほとんど反射せず、透過率ほぼ１で透過する。入射光の周波数をωｃの近傍で掃引すると、図２（ａ）に示すように、反射スペクトルはωｃに反射率ほぼ０のディップを示し、透過スペクトルはωｃに透過率ほぼ１のピークを示す。なお、本実施形態での「周波数」という用語は、「角周波数」と明示してあるか、数値に明示的な「×２π」を含む場合は角周波数を、その他の場合は単なる周波数を表す。
【００１３】
原子の状態が｜ｇ＞の場合（図２（ｂ））：これは、共振器内の共振器モードと共鳴する場所にある単一の原子の状態が｜ｇ＞の場合、つまり、単一の原子の状態が共振器モードと共鳴する遷移に関わる状態である場合に対応する。角周波数ωｃの光を共振器モード／原子結合系に入射すると、光は透過率ほぼ０でほとんど透過せず、逆に反射率ほぼ１で反射するようになる。入射光の周波数をωｃの近傍で掃引すると、図２（ｂ）に示すように、透過スペクトルはωｃを中心に低周波数側と高周波側に分かれた２本のピークを示し、そのピークの分裂幅は共振器モードと原子との結合の大きさを示す結合定数ｇの２倍程度となる。この透過スペクトルのピークの分裂は、真空ラビ分裂あるいはノーマルモード・スプリッティングと呼ばれる。角周波数ωｃの光は、２本の透過ピークの真ん中の透過光強度が落ち込む周波数の光となり、ほとんど透過しない。また、入射光の周波数をωｃの近傍で掃引すると、図２（ｂ）に示すように、反射スペクトルはωｃを中心に低周波数側と高周波側に分かれた２つのディップを示し、そのディップの分裂幅は２×ｇ程度となる。角周波数ωｃの光は、２つのディップの真ん中の反射率の高い周波数の光となり、反射率ほぼ１で反射する。
【００１４】
原子の状態が｜０＞、｜１＞の場合（図２（ｃ））：これは、共振器内の共振器モードと共鳴する場所にある単一の原子の状態が｜０＞あるいは｜１＞の場合、つまり、単一の原子の状態が共振器モードと共鳴する遷移に関わる２つの状態ではない状態である場合に対応する。この場合、共振器モード／原子結合系は、図２（ｃ）に示すように、空の共振器の場合（図２（ａ））と同様な反射スペクトルおよび透過スペクトルを示す。
【００１５】
図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）を参照して説明したように、原子の状態が、｜ｇ＞であるか、｜０＞または｜１＞であるかによって反射スペクトルおよび透過スペクトルが劇的に変化することがわかる。
【００１６】
ところで、共振器モードと原子との結合定数ｇと、共振器モードと共鳴した原子の遷移の位相緩和速度γ、共振器の減衰定数κが、
ｇ２／（κγ）＞１ （１）
を満たす場合、この原子の状態に依存した反射スペクトルおよび透過スペクトルの変化が明瞭に観測できると考えられる。ただし、ｇ＜κでかつ小さなγにより式（１）が満たされる場合には、図２（ｂ）の透過スペクトルに関しては、ピークの分裂というよりは山形の透過スペクトルの中心に細い透過率ほぼゼロにまで落ち込む穴があき、反射スペクトルに関しては、反射が落ちこむディップの中心に、細く、ピークがほぼ１に達する反射率のスパイクが生じると表現したほうがよい状況になると予想される。
【００１７】
このように、共振器モード／原子結合系では、原子が共振器モードと共鳴している遷移に関わる状態にあるかないかにより、たとえその原子が単一原子であってもある周波数の光に対する反射率や透過率が大きく変化するため、この変化を原子の状態つまり量子ビットの読み出しに利用できる可能性がある。また、その際に読み出しに利用する入射光を強くすることで、測定に十分な大きさの反射光や透過光の変化が得られる可能性がある。
【００１８】
一方、共振器モード／原子結合系にある角周波数の光を入射した場合の透過光強度のとり得る値は、原子が多数で、それらの原子が共振器モードと共鳴している遷移に関わる状態にあり、かつ入射光強度が強い場合には、多値をとる。その結果、光双安定性と呼ばれる現象を示すことが知られている（Phys. Rev. A 56, 3262 (1997)）。その場合、入射光強度が強すぎると、出力光強度の角周波数依存の解の一つとして、入射光の角周波数ωｃを中心に左右対称なピークが現れるだけの解が存在する。したがって、入射光強度が強すぎる場合、ωｃ近傍で入力光の角周波数を掃引しながら出力光強度を測定するなどした際、原子が共振器モードと共鳴している遷移に関わる状態にあるかないかの区別がωｃにおける反射光や透過光の大きな強度変化として現れない可能性がある。
【００１９】
しかし、単一原子の場合には、入射光強度が強くても分裂が見えることが示されている（Cavity Quantum Electrodynamics, edited by P. R. Berman (Academic Press, Inc., San Diego, 1994), pp396-399. ）。したがって、単一原子の量子状態つまり量子ビットの読み出しの場合には、強い光を利用しても、透過光や反射光の大きな強度変化として量子ビットの値を読み出すことが可能であると考えられる。
【００２０】
次に、原子の状態の変化について図３を参照して考察する。
角周波数ωｃの強い光を、原子が｜ｇ＞の状態にある共振器モード／原子結合系に入射する場合を考える。光は、共振器表面で大部分反射されるが、共振器内にもわずかに進入する。入射光強度が強ければ共振器内の光強度もそれに応じて強くなる。その際、原子が共振器モードと共鳴する遷移に関わる状態のうちの低い方のエネルギーの状態、すなわち原子が｜ｇ＞の状態にあれば、共振器内の光で原子が励起され、｜ｇ＞の状態にあった原子が｜ｅ１＞の状態に励起された後、｜０＞や｜１＞の状態に緩和することで原子の状態が変わる可能性がある。
【００２１】
本実施形態では、共振器モード／原子結合系に光を入射し、原子の状態を観測する際に、観測時間すなわち光を入射し続ける時間Ｔｍを、共振器モードと共鳴する遷移に関わる状態のうちの高い方のエネルギーの状態の寿命Ｔｅより短くし、結合定数ｇの２倍の逆数１／（２×ｇ）より長くする。つまり、次式の条件を満たすようにする。
１／（２×ｇ）＜Ｔｍ＜Ｔｅ （２）
｜ｇ＞の状態から｜ｅ１＞の状態への励起と、そこからの緩和による状態変化には、｜ｅ１＞の状態の寿命Ｔｅ程度より長い時間がかかるため、式（２）を満たせば、観測時間中に｜ｅ１＞の状態を経由する原子の状態変化を抑えられる。
また、結合定数ｇの２倍程度の周波数幅を持つ透過あるいは反射の変化を観測するには、１／（２×ｇ）程度以上の観測時間が必要であるが、式（２）はその条件も満たす。
【００２２】
すなわち、式（２）の条件を満たせば、原子の状態を変化させずに状態すなわち量子ビットの値を読み出すことができる。この場合に、原子の量子状態を変えずに読み出すことができるもう一つの理由は、最終的に量子ビットを読み出したい物質の状態が固有状態であり、その固有値を読み出す観測になるということである。換言すれば、最終的に量子ビットを読み出したい物質の状態が重ね合わせの状態（例えば、α｜０＞＋β｜１＞、α≠０かつβ≠０）ではなく、固有状態（例えば、α｜０＞だけ、β｜１＞だけの状態）であり、この固有値を読み出すということである。
【００２３】
次に、本実施形態の量子ビット読出方法により、共振器中に複数個の原子を量子ビットとして含む場合に、特にｉ番目の量子ビット（量子ビットｉ）を読み出す方法を図１や図３のエネルギー状態を取り得る原子を一例として説明する。
【００２４】
まず、量子ビットｉを表す原子の｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移、｜１＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移にそれぞれ共鳴するパルス光１とパルス光２とを、パルス光１の強度がパルス光２に対して強い状態からパルス光２の強度がパルス光１に対して強い状態に移行するようにパルスを時間的に重ねて原子ｉに照射する。なお、下付添え字のｉはｉ番目の原子であることを示す。また、ｉ番目の原子の選択的な操作は、空間的あるいは周波数的に他の原子と区別することで行う。すなわち、レーザーの照射位置や角周波数を調整して行う。なお、同じ種類の原子でも固体中の位置によって遷移エネルギーに多少のばらつきが生じるため、周波数的に他の原子と区別することができる。
【００２５】
この光照射によりアディアバティック・パッセージと呼ばれる物理過程が起こり、｜１＞ｉの状態が｜ｇ＞ｉに変化する。すなわち、物質系が｜１＞ｉの状態にあれば｜ｇ＞ｉの状態に変化するが、｜０＞ｉの状態にあれば変化しない。この変化の際、原子は｜１＞ｉと｜ｇ＞ｉの重ね合わせの状態（ダーク・ステートと呼ばれる）を保ったまま変化し、｜ｅ２＞ｉへ励起されることはない。この場合、このアディアバティック・パッセージの代わりに、｜ｅ２＞ｉへの励起を経由した光ポンピングによるポピュレーション移動を利用することはできない。光ポンピングの場合は十分に行ったとしても、｜ｅ２＞ｉから下準位への緩和の際、確実には｜ｇ＞ｉに変化せず、初期状態が｜１＞ｉなら｜０＞ｉへ、｜０＞ｉなら｜１＞ｉへ原子の状態が変化する可能性があるからである。
【００２６】
次に、共振器モードに共鳴する角周波数ωｃの光を共振器モードの空間モードに合わせて原子の｜ｅ１＞の寿命より短く、原子と共振器モードとの結合定数ｇの２倍の逆数１／（２×ｇ）よりも長い時間入射し、その反射光強度と透過光強度の片方あるいは両方を測定し、その測定値より、原子が｜ｇ＞ｉの状態であるかないかの情報を得る。
共振器を構成するミラーの反射率と共振器長で決まる共鳴幅（減衰率）に対して、ミラーや（もしあれば）共振器内を満たしている媒質による吸収や散乱などに起因する損失の速度が小さい場合には、反射率が約１、透過率が約０ならば、図２（ｂ）に示したように、原子は｜ｇ＞ｉの状態にあることが、反射率が約０、透過率が約１ならば、図２（ｃ）に示したように、原子は｜ｇ＞ｉの状態にないことがわかる。
【００２７】
｜ｇ＞ｉの状態にないことが観測されれば、原子ｉすなわち量子ビットｉの状態は｜０＞ｉであったことがわかる。すなわち、上述したアディアバティック・パッセージによって状態｜ｇ＞ｉに変化しない状態、状態｜０＞ｉであったことを示している。
また、｜ｇ＞ｉの状態にあることが観測されれば、量子ビットｉの状態は｜１＞ｉであったことがわかる。すなわち、アディアバティック・パッセージによって、状態｜１＞ｉが状態｜ｇ＞ｉに変化したことを示している。
【００２８】
このようにして、ｉ番目の量子ビットの値を読み出すことができる。すなわち、この例では、ｉ番目の量子ビットが状態｜０＞ｉなのか、状態｜１＞ｉなのかを読み出すことができる。
なお、上記とは別のアディアバティック・パッセージとして、｜１＞ｉの状態を｜ｇ＞ｉに変化させる操作の代わりに、｜０＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移に共鳴するパルス光をパルス光２として上記の操作を行い、｜ｇ＞ｉの状態にあれば、｜０＞ｉであったことがわかるようにしても、同様にｉ番目の量子ビットの値を読み出すことができる。
【００２９】
この読み出しの後、次の量子ビット読み出しの妨げにならないように、原子ｉの状態を共振器モードと共鳴する遷移に関わらない状態に変化させておく必要がある。そのために今度は、パルス光２の強度がパルス光１に対して強い状態から、パルス光１の強度がパルス光２に対して強い状態に移行するようにパルスを時間的に重ねて原子ｉに照射し、アディアバティック・パッセージにより、原子ｉが｜ｇ＞ｉの状態にあった場合には、｜ｇ＞ｉの状態から｜１＞ｉに変化させる。すなわち、ｉ番目の量子ビットｉを表す原子の状態を、ｉ番目の量子ビットの値を読み出す前の状態に戻す。このようにすれば、一度読み出した量子ビットを再び読み出したい場合にも対応することができる。
【００３０】
また、通常、一度読み出した量子ビットを再び読み出すことはないので、原子を必ずしももとの状態に戻す必要はない。この場合は、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間、｜０＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移にそれぞれ共鳴する２つのパルス光によるアディアバティック・パッセージで、｜ｇ＞ｉの状態を｜０＞ｉに変化させてもよいし、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間あるいは、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ１＞ｉ間遷移に共鳴する光を原子ｉに十分照射し、原子ｉが｜ｇ＞ｉの状態にあった場合には、｜ｅ２＞ｉあるいは｜ｅ１＞ｉへの励起と自然放出で、｜０＞ｉか｜１＞ｉのどちらかに変化させるという方法をとってもよい。
【００３１】
なお、アディアバティック・パッセージを行う際、上準位として状態｜ｅ１＞でなく状態｜ｅ２＞を利用するのは、共振器モードと共鳴する遷移に関わる状態のうちの高い方のエネルギーの状態｜ｅ１＞を利用した場合、原子の状態変化に伴って共振器モードとの強い結合で共振器モードが励起され共振器モードに光子が存在する状態になり、その光子を再吸収することで原子の状態が意図しない状態に変化することを避けるためである。
【００３２】
以上の一連の操作を原子ｉに施した後、同様にして、次のｉ＋１番目の原子を読み出し、以下同様にして順次量子ビットを読み出せば、本実施形態により、共振器内に複数個存在する単一物質系からなる量子ビットを、十分な強度の光の大きな強度変化の検出により個別に読み出すことが可能になる。
【００３３】
次に、以上に説明した量子ビット読出方法を実現する量子ビット読出装置について図４を参照して説明する。
本実施形態の量子ビット読出装置は、図４に示すように、光源１、光源２、コントローラー４０４、光検出器２０２、２０３、結晶４０５、クライオスタット４０６、超高反射率ミラー４０７、レーザー光制御部４０９、量子ビット判定部４１０を含んでいる。なお、光源２、光検出器４５１〜４５４は、後述する実施例で使用する。光検出器４５１〜４５４は、高効率の集光系を備えていて、共振器１０１から生じる微弱な単一光子を、高感度、高効率に検出する。光検出器４５１〜４５４は、光検出器２０２、２０３よりも高感度かつ高効率である。
【００３４】
光源１は、アルゴンイオンレーザー励起リング色素レーザー４０１が生成する光を、ビームスプリッター４２１、４２２、２０１、ミラー４１１〜４１４、狭窄化システム４０２により操作して、共振器１０１に導く。光源２は、アルゴンイオンレーザー励起リング色素レーザー４０１が生成する光を、ビームスプリッター４２１〜４２９、ミラー４１１、４１５〜４１９、狭窄化システム４０２，４０３により操作して、周波数設定用音響光学効果素子４３１〜４３５、パルス形成・タイミング制御用音響光学効果素子４４１〜４４５により操作して、共振器１０１に導く。ビームスプリッター４２１〜４２９は、透過光と反射光に分けあるいは透過光と反射光とを合わせて光を次段に導く。ミラー４１１〜４１９は、光を反射させて次段に光を導く。狭窄化システム４０２，４０３は、入射した光を狭窄化する。狭窄化システム４０２，４０３は、それぞれ光のスペクトル幅を１ｋＨｚ、１００ｋＨｚに狭窄化する。周波数設定用音響光学効果素子４３１〜４３５は、入射した光の周波数を設定する。パルス形成・タイミング制御用音響光学効果素子４４１は、入射光からパルス形成をしたり、入射光を出力するタイミングを制御する。コントローラー４０４は、周波数設定用音響光学効果素子４３１〜４３５、パルス形成・タイミング制御用音響光学効果素子４４１〜４４５を制御して、光源２から発する光を制御する。コントローラー４０４は、上述したアディアバティック・パッセージを行うためのパルス光を生成したり、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間あるいは、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ１＞ｉ間遷移に共鳴する光を生成するように制御する。
【００３５】
結晶４０５は、例えば、後述する実施例に記載のＰｒ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶であるが、本実施形態による作用効果が現れる物質であれば結晶に限定されない。
【００３６】
クライオスタット４０６は、その内部を超低温に保つためのものであり、後述の実施例では内部を１．５Ｋに保つ。超高反射率ミラー４０７は、極めて高い反射率で光を反射させる。
【００３７】
レーザー光制御部４０９は、光源１、光源２の源となる、共振器モードに共鳴する角周波数ωｃの光を生成するように制御する。
【００３８】
量子ビット判定部４１０は、光検出器２０２、２０３がそれぞれ検出した反射光と透過光から反射光強度と透過光強度とを測定し、事前に検出した、共振器１０１に入射する入射光強度を利用し、反射光強度と透過光強度と入射光強度から、反射率と透過率を計算し、量子ビットが状態｜０＞であるか状態｜１＞であるかを判定する。
【００３９】
図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）でのωｃの光は、光源１が発生する。リング色素レーザー４０１がレーザー光を生成し、ビームスプリッターがこのレーザー光を反射し、このレーザー光がミラー４１１によって反射され、狭窄化システムがこの反射光をスペクトル幅１ｋＨｚに狭窄化し、ビームスプリッター４２２が狭窄化されたビーム光を反射し、さらにミラー４１２，４１３，４１４がこの反射光をビームスプリッター２０１に導く。
【実施例】
【００４０】
以下に本発明の実施例を説明する。
（実施例１）
本実施例の量子ビット読出装置および方法では、量子ビットとして、Ｙ２ＳｉＯ５の１０−５％のＹ３＋イオンをＰｒ３＋イオンに置換したＰｒ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶中のＰｒ３＋イオンを利用する。結晶は１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍ程度の大きさで、表面に超高反射率のミラーが形成され、共振器構造になっている。またその共振器モードは、Ｐｒ３＋イオンの３Ｈ４−１Ｄ２間遷移（約４９４．７３×２πＴＨｚ）に共鳴するように作られ、モードウエスト半径が約１μｍとなっている。結晶は、クライオスタット中に設置され１．５Ｋに保たれる。
【００４１】
なお、Ｐｒ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶中のＰｒ３＋イオンのエネルギー状態は図５に示す通りである。３Ｈ４は、３つのエネルギー状態（低い方のエネルギー状態から順に、｜±５／２＞、｜±３／２＞、｜±１／２＞）を有し、１Ｄ２も、３つのエネルギー状態（低い方のエネルギー状態から順に、｜±１／２＞、｜±３／２＞、｜±５／２＞）を有している。以下、３Ｈ４の３つのエネルギー状態｜±５／２＞、｜±３／２＞、｜±１／２＞をそれぞれ｜０＞、｜１＞、｜ｇ＞とし、１Ｄ２の３つのエネルギー状態｜±１／２＞、｜±３／２＞、｜±５／２＞をそれぞれ｜ｅ１＞、｜ｅ２＞、｜ｅ３＞とする。
【００４２】
光源は図４の光源２を使用する。光源２では、アルゴンイオンレーザー励起のリング色素レーザー４０１からのレーザーを図には示していないが、参照用共振器と音響光学効果素子と電気光学効果素子によるフィードバック系による狭窄化システムで１００ｋＨｚに狭窄化し、絶対周波数を安定化した光を用い、そのレーザー光を分岐し音響光学効果素子４３３〜４３５で周波数をシフトさせることで、図６に示す次の角周波数を持つ３つの光を用意する。
ω１＝ωｃ＋４．６ＭＨｚ×２π
ω２＝ωｃ＋（１０．２ＭＨｚ＋４．６ＭＨｚ）×２π
ω３＝ωｃ＋（１０．２ＭＨｚ＋１７．３ＭＨｚ）×２π
ここで、ωｃは共振器モードの周波数であり、結晶中のＰｒ３＋イオンの３Ｈ４−１Ｄ２間遷移における不均一分布の端に位置する４９４．６８×２πＴＨｚ（約６０６．０３５ｎｍ）近傍のある決まった角周波数である。
【００４３】
さらに光源２では、アルゴンイオンレーザー励起のリング色素レーザー４０１を、図４には示していないが、参照用共振器と音響光学効果素子と電気光学効果素子によるフィードバック系で、狭窄化システム４０２が１ｋＨｚにスペクトルを狭窄化し絶対周波数を安定化し、レーザー光を分岐し音響光学効果素子４３１，４３２で周波数をシフトさせることで、スペクトル幅１ｋＨｚで角周波数ω１、ω２の近傍で角周波数を掃引できる２つの光を用意する。
【００４４】
まず、単一イオン系を設定するために、本実施例では、これらの共振器付きの結晶１０１と光源２を用いて、量子ビットとして利用するイオンの遷移角周波数を測定する。その方法と装置類は以下のとおりである。
結晶１０１の周囲に複数の光検出器４５１〜４５４を設置し、結晶中のＰｒ３＋イオンから放出される光子をなるべく効率よく検出できるようにする。
この状態で、スペクトル幅１００ｋＨｚの３つの光を、ω１、ω２の光は、それぞれパルス幅２μｓ、パルス間隔（周期）４μｓのパルス列にしてお互い位相をπずらし、ω３は連続光として同時に照射し、レーザースペクトル幅の精度内で図６に示すような遷移角周波数を持つイオン以外を、これら３つの角周波数の光のいずれとも相互作用しない状態に移す。この３つの光の照射直後に、スペクトル幅１００ｋＨｚのω１とω３の光を照射して図６に示す遷移角周波数を持つイオンを状態｜１＞に移す。
【００４５】
次に、スペクトル幅１ｋＨｚの角周波数ω２近傍の光を、ω２を中心に２００ｋＨｚの範囲に渡り５×１０６Ｈｚ／ｓの掃引速度で掃引する（第１の掃引とする）。第１の掃引中、４つの光検出器４５１〜４５４のいずれかが光子を検出した場合、検出時の照射光の角周波数ω２（ｔ１）を一時的に記録し、続けてスペクトル幅１ｋＨｚのω１近傍の光を、ω１を中心に２００ｋＨｚの範囲に渡り５×１０６Ｈｚ／ｓの掃引速度で掃引する（第２の掃引とする）。第２の掃引中、４つの光検出器４５１〜４５４のいずれかが光子を検出した場合、検出時の照射光の角周波数ω１（ｔ２）を一時的に記録する。次に再びスペクトル幅１ｋＨｚの角周波数ω２近傍の光を、ω２を中心に２００ｋＨｚの範囲に渡り５×１０６Ｈｚ／ｓの掃引速度で掃引する（第３の掃引とする）。第３の掃引中、４つの光検出器４５１〜４５４のいずれかが光子を検出した場合、検出時の照射光の角周波数ω２（ｔ３）を一時的に記録する。このときもし、ω２（ｔ１）＝ω２（ｔ３）であれば、角周波数ω２（１）＝ω２（ｔ１）＝ω２（ｔ３）、ω１（１）＝ω１（ｔ２）として、ある単一のイオンの遷移角周波数の値の組ω１（１）、ω２（１）を得るのでその値を記録する。ω２（ｔ１）とω２（ｔ３）が等しくない場合は、ω１、ω２、ω３の３つの光照射により、（レーザースペクトル幅の精度内で）図６に示す遷移角周波数を持つイオンを状態｜１＞に移す操作と、スペクトル幅１ｋＨｚのω１、ω２の光の周波数掃引によりある単一のイオンの遷移角周波数の値の組を得る操作を再び行う。この一連の操作を１つ目のイオンの遷移角周波数の組ω１（１）、ω２（１）が得られるまで行う。
【００４６】
１つ目のイオンの遷移角周波数の組が得られたら、再びω１、ω２、ω３の３つの光照射から始まる上記の一連の単一のイオンの遷移角周波数の値の組を得る操作を行い、２つ目のイオンの遷移角周波数の組を得る。このようにして、順次イオンの遷移角周波数の組を測定していく。ただし、新たなイオンの遷移角周波数の組の測定の際の第１の掃引では、前回までにイオンの遷移角周波数として確定した角周波数と異なる角周波数が得られた場合のみ一時的に記録し、第２の掃引に移る。
【００４７】
このようにして、複数のイオンに対する遷移角周波数の組を得る。その際、第１、第２、第３のいずれかの掃引で光子が検出できなかった場合は、３つの光照射による操作からやり直す。このようにして得られた複数のイオンに対する、１ｋＨｚの精度で得られた遷移角周波数の組を（ω１（ｊ），ω２（ｊ））とする。ただしｊは遷移角周波数の組が求められたｊ個目のイオンを表す。
【００４８】
本実施例では、イオンの量子状態操作に必要な時間を抑えるため、つまり、ある程度短いパルス光（パルス幅に応じてスペクトル幅の広がったパルス光）で操作を行うために、遷移角周波数が互いに５０ｋＨｚ以上離れた２つのイオンを量子ビットとして用いる。本実施例では角周波数がω１（１）とω２（１）の１個目のイオンと角周波数がω１（２）とω２（２）の２個目のイオンがその条件を満たすとして、それぞれ量子ビット１、量子ビット２として利用することにする。
【００４９】
以下で、本実施例の量子ビット読出装置および方法について説明する。
図７に示すように、遷移角周波数の値を１ｋＨｚの精度で調べたイオンを含む共振器付き結晶４０５の２つの対向するミラーの片側に面してビームスプリッター２０１を設置し、ビームスプリッター２０１を通して、上記スペクトル幅狭窄化システム４０２で１ｋＨｚに狭窄化したωｃの光を光源１から共振器付き結晶４０５に照射できるようになっている。また、共振器付き結晶４０５からの反射光強度を測定する光検出器２０２と透過光強度を検出する光検出器２０３が設置されている。また、上記の角周波数ω１、ω２、ω３の光を、ω３に関してはスペクトル幅１００ｋＨｚ、ω１、ω２に関しては、スペクトル幅１００ｋＨｚと１ｋＨｚで照射できる光源２が用意されている。
【００５０】
まず、ω１、ω２、ω３の３つの光照射により、図６に示す遷移角周波数をレーザーのスペクトル幅の範囲内で持つイオンを状態｜１＞に移す。
次に、ω１（２）とω２（２）の光を、それぞれパルス幅２μｓ、パルス間隔（周期）４μｓのパルス列にしてお互い位相をπずらして結晶４０５に照射し、量子ビット２の状態を｜１＞から状態｜０＞にする。状態｜０＞、状態｜１＞の２つの状態で量子ビットを表すとすると、量子ビット１は状態｜１＞、量子ビット２は状態｜０＞となる。これで、量子ビット１，２のエネルギー状態の設定が整った。以下に、本実施形態の量子ビット読出装置および方法によって、この量子ビット１，２の状態を読み出せることを示す。
【００５１】
次に、光源２から、半値全幅２０μｓのガウス型に整形した、上記角周波数ω１（１）の光とω２（１）の光を、ω１（１）の光に対してω２（１）の光が２０μｓ遅延するように照射し、アディアバティック・パッセージを用いて、量子ビット１の状態｜１＞を状態｜ｇ＞に変化させる。
【００５２】
この状態で、光源１から、角周波数ωｃの光の空間モードを共振器付き結晶４０５の共振器モードに合わせて共振器付き結晶４０５に入射し、反射光と透過光の強度をそれぞれ光検出器２０２、２０３で測定する。ただし、入射する光の継続時間を１０μｓとする。
この場合の入射光強度をＩｉｎ、測定された反射光強度をＩＲ（１）、測定された透過光強度をＩＴ（１）とすると、ＩＲ（１）／Ｉｉｎ≒１、ＩＴ（１）／Ｉｉｎ≒０となり、量子ビット１は｜１＞であることを読み取ることができる。
【００５３】
次に、光源２から、半値全幅２０μｓのガウス型に整形した、上記角周波数ω１（１）の光とω２（１）の光を、今度はω２（１）の光に対してω１（１）の光が２０μｓ遅延するように照射し、アディアバティック・パッセージを用いて、量子ビット１の状態の｜ｇ＞を状態｜１＞に変化させ、元の状態に戻す。
【００５４】
次に、光源２から、半値全幅２０μｓのガウス型に整形した、上記角周波数ω１（２）の光とω２（２）の光を、ω１（２）の光に対してω２（２）の光が２０μｓ遅延するように照射し、アディアバティック・パッセージを用いて、量子ビット２の状態｜１＞を状態｜ｇ＞に変化させる。
【００５５】
この状態で、光源１から、角周波数ωｃの光の空間モードを共振器付き結晶４０５の共振器モードに合わせて共振器付き結晶４０５に入射し、反射光と透過光の強度をそれぞれ光検出器２０２、２０３で測定する。ただし、入射する光の継続時間を１０μｓとする。この場合の入射光強度をＩｉｎ、測定された反射光強度をＩＲ（２）、測定された透過光強度をＩＴ（２）とすると、ＩＲ（２）／Ｉｉｎ≪ＩＲ（１）／Ｉｉｎ、ＩＴ（２）／Ｉｉｎ≫ＩＴ（１）／Ｉｉｎとなり、量子ビット２は状態｜１＞ではなく、状態｜０＞であることを読み取ることができる。
【００５６】
上記の一連の読み出しの操作は、イオンの電子基底状態の核スピンの状態（｜±５／２＞、｜±３／２＞、｜±１／２＞）間の縦緩和時間より短い時間、例えば１００ｍｓ以内で行われる。
【００５７】
本実施例の条件では、結合定数（約７５０ｋＨｚ（角周波数））、測定時間（１０μｓ）、イオンの上準位の寿命（約２００μｓ）が式（２）を満たし、単一イオンからなる量子ビットであるにもかかわらず、量子ビットの値に応じて大きな反射光および透過光の強度変化が起こり、読み出しが容易になっていることが示されている。また、量子ビットを読み出した後、量子ビットの状態の共振器モードに共鳴する遷移に関わる状態を関わらない状態に変化させることにより、次の量子ビットが正しく読み出せる、すなわち複数の量子ビットを読み出せることが示されている。
【００５８】
（実施例２）
実施例１と同様の共振器付き結晶４０５と装置類を利用する。ただし、角周波数ωｃの光を共振器付き結晶４０５に入射し、反射光と透過光の強度をそれぞれ測定して量子ビットを読み出した後、量子ビット１の状態の｜ｇ＞を他の状態に変化させる際、実施例１のように２波長の光によるアディアバティック・パッセージを利用する代わりに、光源２からω１（１）の光を十分照射し、｜ｅ２＞への励起と｜０＞または｜１＞への緩和を利用して、｜ｇ＞を他の状態に変化させる。本実施例の方法でも、量子ビット２を正しく読み出すことを示すことができる。
【００５９】
以上に示した実施形態によれば、両側共振器の共振器モードと単一物質系（単一原子、単一イオン等）との結合系の反射率および透過率が、物質系の状態により、入射光強度の強弱にかかわらず大きく変化すること等を利用して、共振器内に複数個存在する単一物質系からなる量子ビットを、十分な強度の光の大きな強度変化を検出することにより個別に読み出すことが可能になる。
【００６０】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】共振器内の原子のエネルギー状態と共振器モードを説明するための図。
【図２】共振器モード／原子結合系の状態変化による反射スペクトルおよび透過スペクトルの変化を示す図。
【図３】共振器モードの光子により原子の状態が変わってしまう場合を説明するための図。
【図４】本実施形態の量子ビット読出装置のブロック図。
【図５】実施例でのＰｒ３＋:Ｙ２ＳｉＯ５結晶中のＰｒ３＋イオンのエネルギー状態を示す図。
【図６】実施例での角周波数ω１、ω２、ω３の３つの光で選択されたイオンの遷移角周波数を示す図。
【図７】実施例での量子ビット読み出しの際に用いる光と光検出器を説明するための図。
【符号の説明】
【００６２】
１０１・・・共振器、２０１、４２１〜４２９・・・ビームスプリッター、２０２、２０３、４５１〜４５４・・・光検出器、４０１・・・アルゴンイオンレーザー励起リング色素レーザー、４０２，４０３・・・スペクトル幅狭窄化システム、４０４・・・コントローラー、４０５・・・結晶、４０６・・・クライオスタット、４０７、４０８・・・超高反射率ミラー、４０９・・・レーザー光制御部、４１０・・・量子ビット判定部、４１１〜４１９・・・ミラー、４３１〜４３５・・・周波数設定用音響光学効果素子、４４１〜４４５・・・パルス形成・タイミング制御用音響光学効果素子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、両側共振器の共振器モードと単一物質系（単一原子、単一イオン等）との結合系の反射光および透過光の強度が、物質系の状態により、入射光強度の強弱にかかわらず大きく変化することを利用して、共振器内に複数個存在する単一物質系からなる量子ビットを、十分な強度の光の大きな強度変化を検出することにより個別に読み出す量子ビット読出装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子計算の結果は、多くは単一の原子、イオン、光子などからなる量子ビット（ここでは、量子計算において情報を担う物理系の量子状態および物理系そのもののいずれも、量子ビットと呼ぶ）の状態として表されるため、それら単一物質系の状態を読み出す必要がある。光と結合する量子ビットの場合、読み出したい量子ビットへの光照射により、その量子ビットの状態に応じて量子ビットが励起されたりされなかったりする際に、放出されたりされなかったりする光子を観測する手法が高感度で現実的である。その際、電磁トラップ中のイオンや、原子のような気体ならば、厳密な選択側を利用して、元の状態にのみ緩和する遷移を励起することで、量子ビットの状態に応じて、何度でも励起、緩和を繰り返させ、多数の光子を放出させることが可能である。
【０００３】
しかし、結晶中のイオンの核スピンのような固体中の量子ビットの場合、様々な相互作用で、エネルギー状態の角運動量、スピン等が混ざり合い、厳密な選択則がなく、一度励起された量子ビットが、どこの準安定な状態に緩和するかは確率的である。したがって、読み出しには単一の光子を確実に検出する必要があった。アディアバティック・パッセージを用いて、共振器モードに共鳴する準位に確実に量子ビットの状態を移しては戻すということを繰り返し、その際に光子の放射される空間モードを限定しかつ光子検出の機会を複数設けることで、光子検出の失敗確率を下げることは可能だが、この場合もやはり単一光子検出が必要である。
【０００４】
近年、微弱光と光子計数を利用した共振器中の単一原子の真空ラビ分裂（ノーマルモード・スプリッティングとも呼ばれる）の観測が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。また、片側共振器の共振器モードと単一あるいは複数の原子との結合系に単一光子を入射する場合の、原子状態による反射光子の位相の違いを利用して、光子／原子間、原子／原子間（光子を媒介とする）の量子ゲートを実行する提案が行われている。このように、共振器モードと物質系との結合系の光学応答は、たとえ１個の物質系との結合であっても、その物質系の状態により大きく変化するため、単一物質系の状態を観測するために利用できる。
【非特許文献１】Phys. Rev. Lett. 93, 233603 (2004).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、この共振器モードと物質系との結合系の応答を、単一の共振器内に複数個存在する量子ビットの読み出しに利用する具体的方法は知られていない。
【０００６】
この発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、共振器内に複数個存在する単一物質系（単一原子、単一イオン等）からなる量子ビットを、十分な強度の光の大きな強度変化を検出することにより個別に読み出す量子ビット読出装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するため、本発明の量子ビット読出装置は、共振器モードを有する共振器と、前記共振器の内部に含まれ、内部に複数の物質系（物質系１、・・・、物質系ｎ（ｎは２以上の整数））を含んでいて、各物質系は少なくとも５つのエネルギー状態を有し、各物質系ｉ（ｉはｎ以下の自然数）が有する前記５つのエネルギー状態を、低いエネルギーを有する状態から順に｜０＞ｉ、｜１＞ｉ、｜ｇ＞ｉ、｜ｅ１＞ｉ、｜ｅ２＞ｉと表示すると、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ１＞ｉ間遷移が全ての前記物質系で共通の共振器モードに共鳴し、｜０＞ｉと｜１＞ｉとで量子ビットを表現する物質と、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移、｜１＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移にそれぞれ共鳴する第１パルス光、第２パルス光を生成する生成手段と、前記第１パルス光の強度が前記第２パルス光に対して強い状態から前記第２パルス光の強度が前記第１パルス光に対して強い状態に移行するように前記第１パルス光と前記第２パルス光とが時間的に重なるように制御して第３の光を生成する第１制御手段と、前記第３の光を前記物質系ｉに照射する第１照射手段と、前記共振器モードに結合する観測光を生成し該観測光を前記共振器の外部から該共振器へ入射する入射手段と、前記観測光の反射光および前記観測光の透過光の少なくともいずれか１つの強度を測定して量子ビットを読み取る読取手段と、前記量子ビットを読み取った後に、前記第２パルス光の強度が前記第１パルス光に対して強い状態から前記第１パルス光の強度が前記第２パルス光に対して強い状態に移行するように前記第１パルス光と前記第２パルス光とが時間的に重なるように制御して第４の光を生成する第２制御手段と、前記第４の光を前記物質系ｉに照射する第２照射手段と、を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の量子ビット読出装置および方法によれば、共振器内に複数個存在する単一物質系（単一原子、単一イオン等）からなる量子ビットを、十分な強度の光の大きな強度変化を検出することにより個別に読み出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る量子ビット読出装置および方法について詳細に説明する。なお、以下の実施形態中では、同一の番号を付した部分については同様の動作を行うものとして、重ねての説明を省略する。
まず、本発明の実施形態に係る量子ビット読出装置および方法について詳細に説明する前に、共振器内に複数個存在する単一物質系からなる量子ビットを、十分な強度の光の大きな強度変化の検出により個別に読み出せるようになる機構を説明する。
本実施形態では、共振器モードと共振器内の物質系との結合により、共振器モードと物質系との結合系の反射スペクトルおよび透過スペクトルが大きく変化することを利用する。
【００１０】
共振器１０１内の原子（以下では原子、イオン、分子、量子ドットなどの物質系を代表して原子と呼ぶ）のエネルギー状態について図１を参照して説明する。図１はエネルギー状態についての模式的な図である。エネルギー状態はエネルギーの低い方から順に｜０＞、｜１＞、｜ｇ＞、｜ｅ１＞、｜ｅ２＞とし、｜ｇ＞−｜ｅ１＞間遷移が共振器モードに共鳴しているとする。共振器１０１は、共振器モードを有していて、例えば、共振器モードがＰｒ３＋イオンの３Ｈ４の電子状態が超微細構造分裂で分裂している状態の一つと、１Ｄ２の電子状態の一つが超微細構造分裂で分裂している状態の一つとの間の遷移（図１の例では｜ｇ＞−｜ｅ１＞間遷移が対応）に共鳴するように作られている。
【００１１】
次に、空の共振器の場合、共振器内の単一原子が｜ｇ＞の状態にある場合、および、共振器内の単一原子が｜０＞の状態あるいは｜１＞の状態にある場合の、共振器モードと原子との結合系（以下、共振器モード／原子結合系と略す）の反射スペクトルおよび透過スペクトルについてそれぞれ図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）を参照して説明する。
ビームスプリッター２０１は、光源からの光を透過させ、共振器１０１からの光を反射させ、光検出器２０２に導く。
光検出器２０２、２０３は、それぞれ共振器１０１からの反射光、共振器１０１からの透過光を検出する。
【００１２】
空の共振器の場合（図２（ａ））：共振器モードに共鳴する光（角周波数ωｃとする）を共振器モードに空間モードを合わせて共振器１０１に入射する。このとき、共振器１０１を構成するミラーの反射率と共振器長で決まる共鳴幅（減衰率）に対して、ミラーや（もしあれば）共振器内を満たしている媒質による吸収や散乱などに起因する損失の速度が小さい場合には、光は反射率ほぼ０でほとんど反射せず、透過率ほぼ１で透過する。入射光の周波数をωｃの近傍で掃引すると、図２（ａ）に示すように、反射スペクトルはωｃに反射率ほぼ０のディップを示し、透過スペクトルはωｃに透過率ほぼ１のピークを示す。なお、本実施形態での「周波数」という用語は、「角周波数」と明示してあるか、数値に明示的な「×２π」を含む場合は角周波数を、その他の場合は単なる周波数を表す。
【００１３】
原子の状態が｜ｇ＞の場合（図２（ｂ））：これは、共振器内の共振器モードと共鳴する場所にある単一の原子の状態が｜ｇ＞の場合、つまり、単一の原子の状態が共振器モードと共鳴する遷移に関わる状態である場合に対応する。角周波数ωｃの光を共振器モード／原子結合系に入射すると、光は透過率ほぼ０でほとんど透過せず、逆に反射率ほぼ１で反射するようになる。入射光の周波数をωｃの近傍で掃引すると、図２（ｂ）に示すように、透過スペクトルはωｃを中心に低周波数側と高周波側に分かれた２本のピークを示し、そのピークの分裂幅は共振器モードと原子との結合の大きさを示す結合定数ｇの２倍程度となる。この透過スペクトルのピークの分裂は、真空ラビ分裂あるいはノーマルモード・スプリッティングと呼ばれる。角周波数ωｃの光は、２本の透過ピークの真ん中の透過光強度が落ち込む周波数の光となり、ほとんど透過しない。また、入射光の周波数をωｃの近傍で掃引すると、図２（ｂ）に示すように、反射スペクトルはωｃを中心に低周波数側と高周波側に分かれた２つのディップを示し、そのディップの分裂幅は２×ｇ程度となる。角周波数ωｃの光は、２つのディップの真ん中の反射率の高い周波数の光となり、反射率ほぼ１で反射する。
【００１４】
原子の状態が｜０＞、｜１＞の場合（図２（ｃ））：これは、共振器内の共振器モードと共鳴する場所にある単一の原子の状態が｜０＞あるいは｜１＞の場合、つまり、単一の原子の状態が共振器モードと共鳴する遷移に関わる２つの状態ではない状態である場合に対応する。この場合、共振器モード／原子結合系は、図２（ｃ）に示すように、空の共振器の場合（図２（ａ））と同様な反射スペクトルおよび透過スペクトルを示す。
【００１５】
図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）を参照して説明したように、原子の状態が、｜ｇ＞であるか、｜０＞または｜１＞であるかによって反射スペクトルおよび透過スペクトルが劇的に変化することがわかる。
【００１６】
ところで、共振器モードと原子との結合定数ｇと、共振器モードと共鳴した原子の遷移の位相緩和速度γ、共振器の減衰定数κが、
ｇ２／（κγ）＞１ （１）
を満たす場合、この原子の状態に依存した反射スペクトルおよび透過スペクトルの変化が明瞭に観測できると考えられる。ただし、ｇ＜κでかつ小さなγにより式（１）が満たされる場合には、図２（ｂ）の透過スペクトルに関しては、ピークの分裂というよりは山形の透過スペクトルの中心に細い透過率ほぼゼロにまで落ち込む穴があき、反射スペクトルに関しては、反射が落ちこむディップの中心に、細く、ピークがほぼ１に達する反射率のスパイクが生じると表現したほうがよい状況になると予想される。
【００１７】
このように、共振器モード／原子結合系では、原子が共振器モードと共鳴している遷移に関わる状態にあるかないかにより、たとえその原子が単一原子であってもある周波数の光に対する反射率や透過率が大きく変化するため、この変化を原子の状態つまり量子ビットの読み出しに利用できる可能性がある。また、その際に読み出しに利用する入射光を強くすることで、測定に十分な大きさの反射光や透過光の変化が得られる可能性がある。
【００１８】
一方、共振器モード／原子結合系にある角周波数の光を入射した場合の透過光強度のとり得る値は、原子が多数で、それらの原子が共振器モードと共鳴している遷移に関わる状態にあり、かつ入射光強度が強い場合には、多値をとる。その結果、光双安定性と呼ばれる現象を示すことが知られている（Phys. Rev. A 56, 3262 (1997)）。その場合、入射光強度が強すぎると、出力光強度の角周波数依存の解の一つとして、入射光の角周波数ωｃを中心に左右対称なピークが現れるだけの解が存在する。したがって、入射光強度が強すぎる場合、ωｃ近傍で入力光の角周波数を掃引しながら出力光強度を測定するなどした際、原子が共振器モードと共鳴している遷移に関わる状態にあるかないかの区別がωｃにおける反射光や透過光の大きな強度変化として現れない可能性がある。
【００１９】
しかし、単一原子の場合には、入射光強度が強くても分裂が見えることが示されている（Cavity Quantum Electrodynamics, edited by P. R. Berman (Academic Press, Inc., San Diego, 1994), pp396-399. ）。したがって、単一原子の量子状態つまり量子ビットの読み出しの場合には、強い光を利用しても、透過光や反射光の大きな強度変化として量子ビットの値を読み出すことが可能であると考えられる。
【００２０】
次に、原子の状態の変化について図３を参照して考察する。
角周波数ωｃの強い光を、原子が｜ｇ＞の状態にある共振器モード／原子結合系に入射する場合を考える。光は、共振器表面で大部分反射されるが、共振器内にもわずかに進入する。入射光強度が強ければ共振器内の光強度もそれに応じて強くなる。その際、原子が共振器モードと共鳴する遷移に関わる状態のうちの低い方のエネルギーの状態、すなわち原子が｜ｇ＞の状態にあれば、共振器内の光で原子が励起され、｜ｇ＞の状態にあった原子が｜ｅ１＞の状態に励起された後、｜０＞や｜１＞の状態に緩和することで原子の状態が変わる可能性がある。
【００２１】
本実施形態では、共振器モード／原子結合系に光を入射し、原子の状態を観測する際に、観測時間すなわち光を入射し続ける時間Ｔｍを、共振器モードと共鳴する遷移に関わる状態のうちの高い方のエネルギーの状態の寿命Ｔｅより短くし、結合定数ｇの２倍の逆数１／（２×ｇ）より長くする。つまり、次式の条件を満たすようにする。
１／（２×ｇ）＜Ｔｍ＜Ｔｅ （２）
｜ｇ＞の状態から｜ｅ１＞の状態への励起と、そこからの緩和による状態変化には、｜ｅ１＞の状態の寿命Ｔｅ程度より長い時間がかかるため、式（２）を満たせば、観測時間中に｜ｅ１＞の状態を経由する原子の状態変化を抑えられる。
また、結合定数ｇの２倍程度の周波数幅を持つ透過あるいは反射の変化を観測するには、１／（２×ｇ）程度以上の観測時間が必要であるが、式（２）はその条件も満たす。
【００２２】
すなわち、式（２）の条件を満たせば、原子の状態を変化させずに状態すなわち量子ビットの値を読み出すことができる。この場合に、原子の量子状態を変えずに読み出すことができるもう一つの理由は、最終的に量子ビットを読み出したい物質の状態が固有状態であり、その固有値を読み出す観測になるということである。換言すれば、最終的に量子ビットを読み出したい物質の状態が重ね合わせの状態（例えば、α｜０＞＋β｜１＞、α≠０かつβ≠０）ではなく、固有状態（例えば、α｜０＞だけ、β｜１＞だけの状態）であり、この固有値を読み出すということである。
【００２３】
次に、本実施形態の量子ビット読出方法により、共振器中に複数個の原子を量子ビットとして含む場合に、特にｉ番目の量子ビット（量子ビットｉ）を読み出す方法を図１や図３のエネルギー状態を取り得る原子を一例として説明する。
【００２４】
まず、量子ビットｉを表す原子の｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移、｜１＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移にそれぞれ共鳴するパルス光１とパルス光２とを、パルス光１の強度がパルス光２に対して強い状態からパルス光２の強度がパルス光１に対して強い状態に移行するようにパルスを時間的に重ねて原子ｉに照射する。なお、下付添え字のｉはｉ番目の原子であることを示す。また、ｉ番目の原子の選択的な操作は、空間的あるいは周波数的に他の原子と区別することで行う。すなわち、レーザーの照射位置や角周波数を調整して行う。なお、同じ種類の原子でも固体中の位置によって遷移エネルギーに多少のばらつきが生じるため、周波数的に他の原子と区別することができる。
【００２５】
この光照射によりアディアバティック・パッセージと呼ばれる物理過程が起こり、｜１＞ｉの状態が｜ｇ＞ｉに変化する。すなわち、物質系が｜１＞ｉの状態にあれば｜ｇ＞ｉの状態に変化するが、｜０＞ｉの状態にあれば変化しない。この変化の際、原子は｜１＞ｉと｜ｇ＞ｉの重ね合わせの状態（ダーク・ステートと呼ばれる）を保ったまま変化し、｜ｅ２＞ｉへ励起されることはない。この場合、このアディアバティック・パッセージの代わりに、｜ｅ２＞ｉへの励起を経由した光ポンピングによるポピュレーション移動を利用することはできない。光ポンピングの場合は十分に行ったとしても、｜ｅ２＞ｉから下準位への緩和の際、確実には｜ｇ＞ｉに変化せず、初期状態が｜１＞ｉなら｜０＞ｉへ、｜０＞ｉなら｜１＞ｉへ原子の状態が変化する可能性があるからである。
【００２６】
次に、共振器モードに共鳴する角周波数ωｃの光を共振器モードの空間モードに合わせて原子の｜ｅ１＞の寿命より短く、原子と共振器モードとの結合定数ｇの２倍の逆数１／（２×ｇ）よりも長い時間入射し、その反射光強度と透過光強度の片方あるいは両方を測定し、その測定値より、原子が｜ｇ＞ｉの状態であるかないかの情報を得る。
共振器を構成するミラーの反射率と共振器長で決まる共鳴幅（減衰率）に対して、ミラーや（もしあれば）共振器内を満たしている媒質による吸収や散乱などに起因する損失の速度が小さい場合には、反射率が約１、透過率が約０ならば、図２（ｂ）に示したように、原子は｜ｇ＞ｉの状態にあることが、反射率が約０、透過率が約１ならば、図２（ｃ）に示したように、原子は｜ｇ＞ｉの状態にないことがわかる。
【００２７】
｜ｇ＞ｉの状態にないことが観測されれば、原子ｉすなわち量子ビットｉの状態は｜０＞ｉであったことがわかる。すなわち、上述したアディアバティック・パッセージによって状態｜ｇ＞ｉに変化しない状態、状態｜０＞ｉであったことを示している。
また、｜ｇ＞ｉの状態にあることが観測されれば、量子ビットｉの状態は｜１＞ｉであったことがわかる。すなわち、アディアバティック・パッセージによって、状態｜１＞ｉが状態｜ｇ＞ｉに変化したことを示している。
【００２８】
このようにして、ｉ番目の量子ビットの値を読み出すことができる。すなわち、この例では、ｉ番目の量子ビットが状態｜０＞ｉなのか、状態｜１＞ｉなのかを読み出すことができる。
なお、上記とは別のアディアバティック・パッセージとして、｜１＞ｉの状態を｜ｇ＞ｉに変化させる操作の代わりに、｜０＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移に共鳴するパルス光をパルス光２として上記の操作を行い、｜ｇ＞ｉの状態にあれば、｜０＞ｉであったことがわかるようにしても、同様にｉ番目の量子ビットの値を読み出すことができる。
【００２９】
この読み出しの後、次の量子ビット読み出しの妨げにならないように、原子ｉの状態を共振器モードと共鳴する遷移に関わらない状態に変化させておく必要がある。そのために今度は、パルス光２の強度がパルス光１に対して強い状態から、パルス光１の強度がパルス光２に対して強い状態に移行するようにパルスを時間的に重ねて原子ｉに照射し、アディアバティック・パッセージにより、原子ｉが｜ｇ＞ｉの状態にあった場合には、｜ｇ＞ｉの状態から｜１＞ｉに変化させる。すなわち、ｉ番目の量子ビットｉを表す原子の状態を、ｉ番目の量子ビットの値を読み出す前の状態に戻す。このようにすれば、一度読み出した量子ビットを再び読み出したい場合にも対応することができる。
【００３０】
また、通常、一度読み出した量子ビットを再び読み出すことはないので、原子を必ずしももとの状態に戻す必要はない。この場合は、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間、｜０＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移にそれぞれ共鳴する２つのパルス光によるアディアバティック・パッセージで、｜ｇ＞ｉの状態を｜０＞ｉに変化させてもよいし、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間あるいは、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ１＞ｉ間遷移に共鳴する光を原子ｉに十分照射し、原子ｉが｜ｇ＞ｉの状態にあった場合には、｜ｅ２＞ｉあるいは｜ｅ１＞ｉへの励起と自然放出で、｜０＞ｉか｜１＞ｉのどちらかに変化させるという方法をとってもよい。
【００３１】
なお、アディアバティック・パッセージを行う際、上準位として状態｜ｅ１＞でなく状態｜ｅ２＞を利用するのは、共振器モードと共鳴する遷移に関わる状態のうちの高い方のエネルギーの状態｜ｅ１＞を利用した場合、原子の状態変化に伴って共振器モードとの強い結合で共振器モードが励起され共振器モードに光子が存在する状態になり、その光子を再吸収することで原子の状態が意図しない状態に変化することを避けるためである。
【００３２】
以上の一連の操作を原子ｉに施した後、同様にして、次のｉ＋１番目の原子を読み出し、以下同様にして順次量子ビットを読み出せば、本実施形態により、共振器内に複数個存在する単一物質系からなる量子ビットを、十分な強度の光の大きな強度変化の検出により個別に読み出すことが可能になる。
【００３３】
次に、以上に説明した量子ビット読出方法を実現する量子ビット読出装置について図４を参照して説明する。
本実施形態の量子ビット読出装置は、図４に示すように、光源１、光源２、コントローラー４０４、光検出器２０２、２０３、結晶４０５、クライオスタット４０６、超高反射率ミラー４０７、レーザー光制御部４０９、量子ビット判定部４１０を含んでいる。なお、光源２、光検出器４５１〜４５４は、後述する実施例で使用する。光検出器４５１〜４５４は、高効率の集光系を備えていて、共振器１０１から生じる微弱な単一光子を、高感度、高効率に検出する。光検出器４５１〜４５４は、光検出器２０２、２０３よりも高感度かつ高効率である。
【００３４】
光源１は、アルゴンイオンレーザー励起リング色素レーザー４０１が生成する光を、ビームスプリッター４２１、４２２、２０１、ミラー４１１〜４１４、狭窄化システム４０２により操作して、共振器１０１に導く。光源２は、アルゴンイオンレーザー励起リング色素レーザー４０１が生成する光を、ビームスプリッター４２１〜４２９、ミラー４１１、４１５〜４１９、狭窄化システム４０２，４０３により操作して、周波数設定用音響光学効果素子４３１〜４３５、パルス形成・タイミング制御用音響光学効果素子４４１〜４４５により操作して、共振器１０１に導く。ビームスプリッター４２１〜４２９は、透過光と反射光に分けあるいは透過光と反射光とを合わせて光を次段に導く。ミラー４１１〜４１９は、光を反射させて次段に光を導く。狭窄化システム４０２，４０３は、入射した光を狭窄化する。狭窄化システム４０２，４０３は、それぞれ光のスペクトル幅を１ｋＨｚ、１００ｋＨｚに狭窄化する。周波数設定用音響光学効果素子４３１〜４３５は、入射した光の周波数を設定する。パルス形成・タイミング制御用音響光学効果素子４４１は、入射光からパルス形成をしたり、入射光を出力するタイミングを制御する。コントローラー４０４は、周波数設定用音響光学効果素子４３１〜４３５、パルス形成・タイミング制御用音響光学効果素子４４１〜４４５を制御して、光源２から発する光を制御する。コントローラー４０４は、上述したアディアバティック・パッセージを行うためのパルス光を生成したり、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間あるいは、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ１＞ｉ間遷移に共鳴する光を生成するように制御する。
【００３５】
結晶４０５は、例えば、後述する実施例に記載のＰｒ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶であるが、本実施形態による作用効果が現れる物質であれば結晶に限定されない。
【００３６】
クライオスタット４０６は、その内部を超低温に保つためのものであり、後述の実施例では内部を１．５Ｋに保つ。超高反射率ミラー４０７は、極めて高い反射率で光を反射させる。
【００３７】
レーザー光制御部４０９は、光源１、光源２の源となる、共振器モードに共鳴する角周波数ωｃの光を生成するように制御する。
【００３８】
量子ビット判定部４１０は、光検出器２０２、２０３がそれぞれ検出した反射光と透過光から反射光強度と透過光強度とを測定し、事前に検出した、共振器１０１に入射する入射光強度を利用し、反射光強度と透過光強度と入射光強度から、反射率と透過率を計算し、量子ビットが状態｜０＞であるか状態｜１＞であるかを判定する。
【００３９】
図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）でのωｃの光は、光源１が発生する。リング色素レーザー４０１がレーザー光を生成し、ビームスプリッターがこのレーザー光を反射し、このレーザー光がミラー４１１によって反射され、狭窄化システムがこの反射光をスペクトル幅１ｋＨｚに狭窄化し、ビームスプリッター４２２が狭窄化されたビーム光を反射し、さらにミラー４１２，４１３，４１４がこの反射光をビームスプリッター２０１に導く。
【実施例】
【００４０】
以下に本発明の実施例を説明する。
（実施例１）
本実施例の量子ビット読出装置および方法では、量子ビットとして、Ｙ２ＳｉＯ５の１０−５％のＹ３＋イオンをＰｒ３＋イオンに置換したＰｒ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶中のＰｒ３＋イオンを利用する。結晶は１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍ程度の大きさで、表面に超高反射率のミラーが形成され、共振器構造になっている。またその共振器モードは、Ｐｒ３＋イオンの３Ｈ４−１Ｄ２間遷移（約４９４．７３×２πＴＨｚ）に共鳴するように作られ、モードウエスト半径が約１μｍとなっている。結晶は、クライオスタット中に設置され１．５Ｋに保たれる。
【００４１】
なお、Ｐｒ３＋：Ｙ２ＳｉＯ５結晶中のＰｒ３＋イオンのエネルギー状態は図５に示す通りである。３Ｈ４は、３つのエネルギー状態（低い方のエネルギー状態から順に、｜±５／２＞、｜±３／２＞、｜±１／２＞）を有し、１Ｄ２も、３つのエネルギー状態（低い方のエネルギー状態から順に、｜±１／２＞、｜±３／２＞、｜±５／２＞）を有している。以下、３Ｈ４の３つのエネルギー状態｜±５／２＞、｜±３／２＞、｜±１／２＞をそれぞれ｜０＞、｜１＞、｜ｇ＞とし、１Ｄ２の３つのエネルギー状態｜±１／２＞、｜±３／２＞、｜±５／２＞をそれぞれ｜ｅ１＞、｜ｅ２＞、｜ｅ３＞とする。
【００４２】
光源は図４の光源２を使用する。光源２では、アルゴンイオンレーザー励起のリング色素レーザー４０１からのレーザーを図には示していないが、参照用共振器と音響光学効果素子と電気光学効果素子によるフィードバック系による狭窄化システムで１００ｋＨｚに狭窄化し、絶対周波数を安定化した光を用い、そのレーザー光を分岐し音響光学効果素子４３３〜４３５で周波数をシフトさせることで、図６に示す次の角周波数を持つ３つの光を用意する。
ω１＝ωｃ＋４．６ＭＨｚ×２π
ω２＝ωｃ＋（１０．２ＭＨｚ＋４．６ＭＨｚ）×２π
ω３＝ωｃ＋（１０．２ＭＨｚ＋１７．３ＭＨｚ）×２π
ここで、ωｃは共振器モードの周波数であり、結晶中のＰｒ３＋イオンの３Ｈ４−１Ｄ２間遷移における不均一分布の端に位置する４９４．６８×２πＴＨｚ（約６０６．０３５ｎｍ）近傍のある決まった角周波数である。
【００４３】
さらに光源２では、アルゴンイオンレーザー励起のリング色素レーザー４０１を、図４には示していないが、参照用共振器と音響光学効果素子と電気光学効果素子によるフィードバック系で、狭窄化システム４０２が１ｋＨｚにスペクトルを狭窄化し絶対周波数を安定化し、レーザー光を分岐し音響光学効果素子４３１，４３２で周波数をシフトさせることで、スペクトル幅１ｋＨｚで角周波数ω１、ω２の近傍で角周波数を掃引できる２つの光を用意する。
【００４４】
まず、単一イオン系を設定するために、本実施例では、これらの共振器付きの結晶１０１と光源２を用いて、量子ビットとして利用するイオンの遷移角周波数を測定する。その方法と装置類は以下のとおりである。
結晶１０１の周囲に複数の光検出器４５１〜４５４を設置し、結晶中のＰｒ３＋イオンから放出される光子をなるべく効率よく検出できるようにする。
この状態で、スペクトル幅１００ｋＨｚの３つの光を、ω１、ω２の光は、それぞれパルス幅２μｓ、パルス間隔（周期）４μｓのパルス列にしてお互い位相をπずらし、ω３は連続光として同時に照射し、レーザースペクトル幅の精度内で図６に示すような遷移角周波数を持つイオン以外を、これら３つの角周波数の光のいずれとも相互作用しない状態に移す。この３つの光の照射直後に、スペクトル幅１００ｋＨｚのω１とω３の光を照射して図６に示す遷移角周波数を持つイオンを状態｜１＞に移す。
【００４５】
次に、スペクトル幅１ｋＨｚの角周波数ω２近傍の光を、ω２を中心に２００ｋＨｚの範囲に渡り５×１０６Ｈｚ／ｓの掃引速度で掃引する（第１の掃引とする）。第１の掃引中、４つの光検出器４５１〜４５４のいずれかが光子を検出した場合、検出時の照射光の角周波数ω２（ｔ１）を一時的に記録し、続けてスペクトル幅１ｋＨｚのω１近傍の光を、ω１を中心に２００ｋＨｚの範囲に渡り５×１０６Ｈｚ／ｓの掃引速度で掃引する（第２の掃引とする）。第２の掃引中、４つの光検出器４５１〜４５４のいずれかが光子を検出した場合、検出時の照射光の角周波数ω１（ｔ２）を一時的に記録する。次に再びスペクトル幅１ｋＨｚの角周波数ω２近傍の光を、ω２を中心に２００ｋＨｚの範囲に渡り５×１０６Ｈｚ／ｓの掃引速度で掃引する（第３の掃引とする）。第３の掃引中、４つの光検出器４５１〜４５４のいずれかが光子を検出した場合、検出時の照射光の角周波数ω２（ｔ３）を一時的に記録する。このときもし、ω２（ｔ１）＝ω２（ｔ３）であれば、角周波数ω２（１）＝ω２（ｔ１）＝ω２（ｔ３）、ω１（１）＝ω１（ｔ２）として、ある単一のイオンの遷移角周波数の値の組ω１（１）、ω２（１）を得るのでその値を記録する。ω２（ｔ１）とω２（ｔ３）が等しくない場合は、ω１、ω２、ω３の３つの光照射により、（レーザースペクトル幅の精度内で）図６に示す遷移角周波数を持つイオンを状態｜１＞に移す操作と、スペクトル幅１ｋＨｚのω１、ω２の光の周波数掃引によりある単一のイオンの遷移角周波数の値の組を得る操作を再び行う。この一連の操作を１つ目のイオンの遷移角周波数の組ω１（１）、ω２（１）が得られるまで行う。
【００４６】
１つ目のイオンの遷移角周波数の組が得られたら、再びω１、ω２、ω３の３つの光照射から始まる上記の一連の単一のイオンの遷移角周波数の値の組を得る操作を行い、２つ目のイオンの遷移角周波数の組を得る。このようにして、順次イオンの遷移角周波数の組を測定していく。ただし、新たなイオンの遷移角周波数の組の測定の際の第１の掃引では、前回までにイオンの遷移角周波数として確定した角周波数と異なる角周波数が得られた場合のみ一時的に記録し、第２の掃引に移る。
【００４７】
このようにして、複数のイオンに対する遷移角周波数の組を得る。その際、第１、第２、第３のいずれかの掃引で光子が検出できなかった場合は、３つの光照射による操作からやり直す。このようにして得られた複数のイオンに対する、１ｋＨｚの精度で得られた遷移角周波数の組を（ω１（ｊ），ω２（ｊ））とする。ただしｊは遷移角周波数の組が求められたｊ個目のイオンを表す。
【００４８】
本実施例では、イオンの量子状態操作に必要な時間を抑えるため、つまり、ある程度短いパルス光（パルス幅に応じてスペクトル幅の広がったパルス光）で操作を行うために、遷移角周波数が互いに５０ｋＨｚ以上離れた２つのイオンを量子ビットとして用いる。本実施例では角周波数がω１（１）とω２（１）の１個目のイオンと角周波数がω１（２）とω２（２）の２個目のイオンがその条件を満たすとして、それぞれ量子ビット１、量子ビット２として利用することにする。
【００４９】
以下で、本実施例の量子ビット読出装置および方法について説明する。
図７に示すように、遷移角周波数の値を１ｋＨｚの精度で調べたイオンを含む共振器付き結晶４０５の２つの対向するミラーの片側に面してビームスプリッター２０１を設置し、ビームスプリッター２０１を通して、上記スペクトル幅狭窄化システム４０２で１ｋＨｚに狭窄化したωｃの光を光源１から共振器付き結晶４０５に照射できるようになっている。また、共振器付き結晶４０５からの反射光強度を測定する光検出器２０２と透過光強度を検出する光検出器２０３が設置されている。また、上記の角周波数ω１、ω２、ω３の光を、ω３に関してはスペクトル幅１００ｋＨｚ、ω１、ω２に関しては、スペクトル幅１００ｋＨｚと１ｋＨｚで照射できる光源２が用意されている。
【００５０】
まず、ω１、ω２、ω３の３つの光照射により、図６に示す遷移角周波数をレーザーのスペクトル幅の範囲内で持つイオンを状態｜１＞に移す。
次に、ω１（２）とω２（２）の光を、それぞれパルス幅２μｓ、パルス間隔（周期）４μｓのパルス列にしてお互い位相をπずらして結晶４０５に照射し、量子ビット２の状態を｜１＞から状態｜０＞にする。状態｜０＞、状態｜１＞の２つの状態で量子ビットを表すとすると、量子ビット１は状態｜１＞、量子ビット２は状態｜０＞となる。これで、量子ビット１，２のエネルギー状態の設定が整った。以下に、本実施形態の量子ビット読出装置および方法によって、この量子ビット１，２の状態を読み出せることを示す。
【００５１】
次に、光源２から、半値全幅２０μｓのガウス型に整形した、上記角周波数ω１（１）の光とω２（１）の光を、ω１（１）の光に対してω２（１）の光が２０μｓ遅延するように照射し、アディアバティック・パッセージを用いて、量子ビット１の状態｜１＞を状態｜ｇ＞に変化させる。
【００５２】
この状態で、光源１から、角周波数ωｃの光の空間モードを共振器付き結晶４０５の共振器モードに合わせて共振器付き結晶４０５に入射し、反射光と透過光の強度をそれぞれ光検出器２０２、２０３で測定する。ただし、入射する光の継続時間を１０μｓとする。
この場合の入射光強度をＩｉｎ、測定された反射光強度をＩＲ（１）、測定された透過光強度をＩＴ（１）とすると、ＩＲ（１）／Ｉｉｎ≒１、ＩＴ（１）／Ｉｉｎ≒０となり、量子ビット１は｜１＞であることを読み取ることができる。
【００５３】
次に、光源２から、半値全幅２０μｓのガウス型に整形した、上記角周波数ω１（１）の光とω２（１）の光を、今度はω２（１）の光に対してω１（１）の光が２０μｓ遅延するように照射し、アディアバティック・パッセージを用いて、量子ビット１の状態の｜ｇ＞を状態｜１＞に変化させ、元の状態に戻す。
【００５４】
次に、光源２から、半値全幅２０μｓのガウス型に整形した、上記角周波数ω１（２）の光とω２（２）の光を、ω１（２）の光に対してω２（２）の光が２０μｓ遅延するように照射し、アディアバティック・パッセージを用いて、量子ビット２の状態｜１＞を状態｜ｇ＞に変化させる。
【００５５】
この状態で、光源１から、角周波数ωｃの光の空間モードを共振器付き結晶４０５の共振器モードに合わせて共振器付き結晶４０５に入射し、反射光と透過光の強度をそれぞれ光検出器２０２、２０３で測定する。ただし、入射する光の継続時間を１０μｓとする。この場合の入射光強度をＩｉｎ、測定された反射光強度をＩＲ（２）、測定された透過光強度をＩＴ（２）とすると、ＩＲ（２）／Ｉｉｎ≪ＩＲ（１）／Ｉｉｎ、ＩＴ（２）／Ｉｉｎ≫ＩＴ（１）／Ｉｉｎとなり、量子ビット２は状態｜１＞ではなく、状態｜０＞であることを読み取ることができる。
【００５６】
上記の一連の読み出しの操作は、イオンの電子基底状態の核スピンの状態（｜±５／２＞、｜±３／２＞、｜±１／２＞）間の縦緩和時間より短い時間、例えば１００ｍｓ以内で行われる。
【００５７】
本実施例の条件では、結合定数（約７５０ｋＨｚ（角周波数））、測定時間（１０μｓ）、イオンの上準位の寿命（約２００μｓ）が式（２）を満たし、単一イオンからなる量子ビットであるにもかかわらず、量子ビットの値に応じて大きな反射光および透過光の強度変化が起こり、読み出しが容易になっていることが示されている。また、量子ビットを読み出した後、量子ビットの状態の共振器モードに共鳴する遷移に関わる状態を関わらない状態に変化させることにより、次の量子ビットが正しく読み出せる、すなわち複数の量子ビットを読み出せることが示されている。
【００５８】
（実施例２）
実施例１と同様の共振器付き結晶４０５と装置類を利用する。ただし、角周波数ωｃの光を共振器付き結晶４０５に入射し、反射光と透過光の強度をそれぞれ測定して量子ビットを読み出した後、量子ビット１の状態の｜ｇ＞を他の状態に変化させる際、実施例１のように２波長の光によるアディアバティック・パッセージを利用する代わりに、光源２からω１（１）の光を十分照射し、｜ｅ２＞への励起と｜０＞または｜１＞への緩和を利用して、｜ｇ＞を他の状態に変化させる。本実施例の方法でも、量子ビット２を正しく読み出すことを示すことができる。
【００５９】
以上に示した実施形態によれば、両側共振器の共振器モードと単一物質系（単一原子、単一イオン等）との結合系の反射率および透過率が、物質系の状態により、入射光強度の強弱にかかわらず大きく変化すること等を利用して、共振器内に複数個存在する単一物質系からなる量子ビットを、十分な強度の光の大きな強度変化を検出することにより個別に読み出すことが可能になる。
【００６０】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】共振器内の原子のエネルギー状態と共振器モードを説明するための図。
【図２】共振器モード／原子結合系の状態変化による反射スペクトルおよび透過スペクトルの変化を示す図。
【図３】共振器モードの光子により原子の状態が変わってしまう場合を説明するための図。
【図４】本実施形態の量子ビット読出装置のブロック図。
【図５】実施例でのＰｒ３＋:Ｙ２ＳｉＯ５結晶中のＰｒ３＋イオンのエネルギー状態を示す図。
【図６】実施例での角周波数ω１、ω２、ω３の３つの光で選択されたイオンの遷移角周波数を示す図。
【図７】実施例での量子ビット読み出しの際に用いる光と光検出器を説明するための図。
【符号の説明】
【００６２】
１０１・・・共振器、２０１、４２１〜４２９・・・ビームスプリッター、２０２、２０３、４５１〜４５４・・・光検出器、４０１・・・アルゴンイオンレーザー励起リング色素レーザー、４０２，４０３・・・スペクトル幅狭窄化システム、４０４・・・コントローラー、４０５・・・結晶、４０６・・・クライオスタット、４０７、４０８・・・超高反射率ミラー、４０９・・・レーザー光制御部、４１０・・・量子ビット判定部、４１１〜４１９・・・ミラー、４３１〜４３５・・・周波数設定用音響光学効果素子、４４１〜４４５・・・パルス形成・タイミング制御用音響光学効果素子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器モードを有する共振器と、
前記共振器の内部に含まれ、内部に複数の物質系（物質系１、・・・、物質系ｎ（ｎは２以上の整数））を含んでいて、各物質系は少なくとも５つのエネルギー状態を有し、各物質系ｉ（ｉはｎ以下の自然数）が有する前記５つのエネルギー状態を、低いエネルギーを有する状態から順に｜０＞ｉ、｜１＞ｉ、｜ｇ＞ｉ、｜ｅ１＞ｉ、｜ｅ２＞ｉと表示すると、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ１＞ｉ間遷移が全ての前記物質系で共通の共振器モードに共鳴し、｜０＞ｉと｜１＞ｉとで量子ビットを表現する物質と、
｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移、｜１＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移にそれぞれ共鳴する第１パルス光、第２パルス光を生成する生成手段と、
前記第１パルス光の強度が前記第２パルス光に対して強い状態から前記第２パルス光の強度が前記第１パルス光に対して強い状態に移行するように前記第１パルス光と前記第２パルス光とが時間的に重なるように制御して第３の光を生成する第１制御手段と、
前記第３の光を前記物質系ｉに照射する第１照射手段と、
前記共振器モードに結合する観測光を生成し該観測光を前記共振器の外部から該共振器へ入射する入射手段と、
前記観測光の反射光および前記観測光の透過光の少なくともいずれか１つの強度を測定して量子ビットを読み取る読取手段と、
前記量子ビットを読み取った後に、前記第２パルス光の強度が前記第１パルス光に対して強い状態から前記第１パルス光の強度が前記第２パルス光に対して強い状態に移行するように前記第１パルス光と前記第２パルス光とが時間的に重なるように制御して第４の光を生成する第２制御手段と、
前記第４の光を前記物質系ｉに照射する第２照射手段と、を具備することを特徴とする量子ビット読出装置。
【請求項２】
共振器モードを有する共振器と、
前記共振器の内部に含まれ、内部に複数の物質系（物質系１、・・・、物質系ｎ（ｎは２以上の整数））を含んでいて、各物質系は少なくとも５つのエネルギー状態を有し、各物質系ｉ（ｉはｎ以下の自然数）が有する前記５つのエネルギー状態を、低いエネルギーを有する状態から順に｜０＞ｉ、｜１＞ｉ、｜ｇ＞ｉ、｜ｅ１＞ｉ、｜ｅ２＞ｉと表示すると、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ１＞ｉ間遷移が全ての前記物質系で共通の共振器モードに共鳴し、｜０＞ｉと｜１＞ｉとで量子ビットを表現する物質と、
｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移、｜１＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移にそれぞれ共鳴する第１パルス光、第２パルス光を生成する生成手段と、
前記第１パルス光の強度が前記第２パルス光に対して強い状態から前記第２パルス光の強度が前記第１パルス光に対して強い状態に移行するように前記第１パルス光と前記第２パルス光とが時間的に重なるように制御して第３の光を生成する第１制御手段と、
前記第３の光を前記物質系ｉに照射する第１照射手段と、
前記共振器モードに結合する観測光を生成し該観測光を前記共振器の外部から該共振器へ入射する入射手段と、
前記観測光の反射光および前記観測光の透過光の少なくともいずれか１つの強度を測定して量子ビットを読み取る読取手段と、
前記量子ビットを読み取った後に、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ１＞ｉ間遷移、および、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移のうちのいずれか１つの遷移に共鳴する光を前記物質系ｉに照射する第２照射手段と、を具備することを特徴とする量子ビット読出装置。
【請求項３】
前記測定手段は、前記観測光の反射光および前記観測光の透過光の少なくともいずれか１つの強度を測定する場合に、その測定時間Ｔｍが、共振器モードと物質系との結合定数の２倍の逆数Ｔｇ＝１／（２×ｇ）、物質系の励起状態｜ｅ１＞の寿命Ｔｅに対して、
Ｔｇ ＜ Ｔｍ ＜ Ｔｅを満たすように測定時間Ｔｍを調整することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の量子ビット読出装置。
【請求項４】
内部を一定の温度に保つクライオスタットをさらに具備し、
前記共振器、および、前記物質は、前記クライオスタットの内部に含まれていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の量子ビット読出装置。
【請求項５】
共振器モードを有する共振器を用意し、
前記共振器の内部に含まれ、内部に複数の物質系（物質系１、・・・、物質系ｎ（ｎは２以上の整数））を含んでいて、各物質系は少なくとも５つのエネルギー状態を有し、各物質系ｉ（ｉはｎ以下の自然数）が有する前記５つのエネルギー状態を、低いエネルギーを有する状態から順に｜０＞ｉ、｜１＞ｉ、｜ｇ＞ｉ、｜ｅ１＞ｉ、｜ｅ２＞ｉと表示すると、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ１＞ｉ間遷移が全ての前記物質系で共通の共振器モードに共鳴し、｜０＞ｉと｜１＞ｉとで量子ビットを表現する物質を用意し、
｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移、｜１＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移にそれぞれ共鳴する第１パルス光、第２パルス光を生成し、
前記第１パルス光の強度が前記第２パルス光に対して強い状態から前記第２パルス光の強度が前記第１パルス光に対して強い状態に移行するように前記第１パルス光と前記第２パルス光とが時間的に重なるように制御して第３の光を生成し、
前記第３の光を前記物質系ｉに照射し、
前記共振器モードに結合する観測光を生成し該観測光を前記共振器の外部から該共振器へ入射し、
前記観測光の反射光および前記観測光の透過光の少なくともいずれか１つの強度を測定して量子ビットを読み取り、
前記量子ビットを読み取った後に、前記第２パルス光の強度が前記第１パルス光に対して強い状態から前記第１パルス光の強度が前記第２パルス光に対して強い状態に移行するように前記第１パルス光と前記第２パルス光とが時間的に重なるように制御して第４の光を生成し、
前記第４の光を前記物質系ｉに照射することを特徴とする量子ビット読出方法。
【請求項６】
共振器モードを有する共振器を用意し、
前記共振器の内部に含まれ、内部に複数の物質系（物質系１、・・・、物質系ｎ（ｎは２以上の整数））を含んでいて、各物質系は少なくとも５つのエネルギー状態を有し、各物質系ｉ（ｉはｎ以下の自然数）が有する前記５つのエネルギー状態を、低いエネルギーを有する状態から順に｜０＞ｉ、｜１＞ｉ、｜ｇ＞ｉ、｜ｅ１＞ｉ、｜ｅ２＞ｉと表示すると、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ１＞ｉ間遷移が全ての前記物質系で共通の共振器モードに共鳴し、｜０＞ｉと｜１＞ｉとで量子ビットを表現する物質を用意し、
｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移、｜１＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移にそれぞれ共鳴する第１パルス光、第２パルス光を生成し、
前記第１パルス光の強度が前記第２パルス光に対して強い状態から前記第２パルス光の強度が前記第１パルス光に対して強い状態に移行するように前記第１パルス光と前記第２パルス光とが時間的に重なるように制御して第３の光を生成し、
前記第３の光を前記物質系ｉに照射し、
前記共振器モードに結合する観測光を生成し該観測光を前記共振器の外部から該共振器へ入射し、
前記観測光の反射光および前記観測光の透過光の少なくともいずれか１つの強度を測定して量子ビットを読み取り、
前記量子ビットを読み取った後に、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ１＞ｉ間遷移、および、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移のうちのいずれか１つの遷移に共鳴する光を前記物質系ｉに照射することを特徴とする量子ビット読出方法。
【請求項７】
前記観測光の反射光および前記観測光の透過光の少なくともいずれか１つの強度を測定する場合に、その測定時間Ｔｍが、共振器モードと物質系との結合定数の２倍の逆数Ｔｇ＝１／（２×ｇ）、物質系の励起状態｜ｅ１＞の寿命Ｔｅに対して、
Ｔｇ ＜ Ｔｍ ＜ Ｔｅを満たすように測定時間Ｔｍを調整することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の量子ビット読出方法。
【請求項８】
内部を一定の温度に保つクライオスタットを用意し、
前記共振器、および、前記物質は、前記クライオスタットの内部に含まれていることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の量子ビット読出方法。
【請求項１】
共振器モードを有する共振器と、
前記共振器の内部に含まれ、内部に複数の物質系（物質系１、・・・、物質系ｎ（ｎは２以上の整数））を含んでいて、各物質系は少なくとも５つのエネルギー状態を有し、各物質系ｉ（ｉはｎ以下の自然数）が有する前記５つのエネルギー状態を、低いエネルギーを有する状態から順に｜０＞ｉ、｜１＞ｉ、｜ｇ＞ｉ、｜ｅ１＞ｉ、｜ｅ２＞ｉと表示すると、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ１＞ｉ間遷移が全ての前記物質系で共通の共振器モードに共鳴し、｜０＞ｉと｜１＞ｉとで量子ビットを表現する物質と、
｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移、｜１＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移にそれぞれ共鳴する第１パルス光、第２パルス光を生成する生成手段と、
前記第１パルス光の強度が前記第２パルス光に対して強い状態から前記第２パルス光の強度が前記第１パルス光に対して強い状態に移行するように前記第１パルス光と前記第２パルス光とが時間的に重なるように制御して第３の光を生成する第１制御手段と、
前記第３の光を前記物質系ｉに照射する第１照射手段と、
前記共振器モードに結合する観測光を生成し該観測光を前記共振器の外部から該共振器へ入射する入射手段と、
前記観測光の反射光および前記観測光の透過光の少なくともいずれか１つの強度を測定して量子ビットを読み取る読取手段と、
前記量子ビットを読み取った後に、前記第２パルス光の強度が前記第１パルス光に対して強い状態から前記第１パルス光の強度が前記第２パルス光に対して強い状態に移行するように前記第１パルス光と前記第２パルス光とが時間的に重なるように制御して第４の光を生成する第２制御手段と、
前記第４の光を前記物質系ｉに照射する第２照射手段と、を具備することを特徴とする量子ビット読出装置。
【請求項２】
共振器モードを有する共振器と、
前記共振器の内部に含まれ、内部に複数の物質系（物質系１、・・・、物質系ｎ（ｎは２以上の整数））を含んでいて、各物質系は少なくとも５つのエネルギー状態を有し、各物質系ｉ（ｉはｎ以下の自然数）が有する前記５つのエネルギー状態を、低いエネルギーを有する状態から順に｜０＞ｉ、｜１＞ｉ、｜ｇ＞ｉ、｜ｅ１＞ｉ、｜ｅ２＞ｉと表示すると、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ１＞ｉ間遷移が全ての前記物質系で共通の共振器モードに共鳴し、｜０＞ｉと｜１＞ｉとで量子ビットを表現する物質と、
｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移、｜１＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移にそれぞれ共鳴する第１パルス光、第２パルス光を生成する生成手段と、
前記第１パルス光の強度が前記第２パルス光に対して強い状態から前記第２パルス光の強度が前記第１パルス光に対して強い状態に移行するように前記第１パルス光と前記第２パルス光とが時間的に重なるように制御して第３の光を生成する第１制御手段と、
前記第３の光を前記物質系ｉに照射する第１照射手段と、
前記共振器モードに結合する観測光を生成し該観測光を前記共振器の外部から該共振器へ入射する入射手段と、
前記観測光の反射光および前記観測光の透過光の少なくともいずれか１つの強度を測定して量子ビットを読み取る読取手段と、
前記量子ビットを読み取った後に、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ１＞ｉ間遷移、および、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移のうちのいずれか１つの遷移に共鳴する光を前記物質系ｉに照射する第２照射手段と、を具備することを特徴とする量子ビット読出装置。
【請求項３】
前記測定手段は、前記観測光の反射光および前記観測光の透過光の少なくともいずれか１つの強度を測定する場合に、その測定時間Ｔｍが、共振器モードと物質系との結合定数の２倍の逆数Ｔｇ＝１／（２×ｇ）、物質系の励起状態｜ｅ１＞の寿命Ｔｅに対して、
Ｔｇ ＜ Ｔｍ ＜ Ｔｅを満たすように測定時間Ｔｍを調整することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の量子ビット読出装置。
【請求項４】
内部を一定の温度に保つクライオスタットをさらに具備し、
前記共振器、および、前記物質は、前記クライオスタットの内部に含まれていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の量子ビット読出装置。
【請求項５】
共振器モードを有する共振器を用意し、
前記共振器の内部に含まれ、内部に複数の物質系（物質系１、・・・、物質系ｎ（ｎは２以上の整数））を含んでいて、各物質系は少なくとも５つのエネルギー状態を有し、各物質系ｉ（ｉはｎ以下の自然数）が有する前記５つのエネルギー状態を、低いエネルギーを有する状態から順に｜０＞ｉ、｜１＞ｉ、｜ｇ＞ｉ、｜ｅ１＞ｉ、｜ｅ２＞ｉと表示すると、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ１＞ｉ間遷移が全ての前記物質系で共通の共振器モードに共鳴し、｜０＞ｉと｜１＞ｉとで量子ビットを表現する物質を用意し、
｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移、｜１＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移にそれぞれ共鳴する第１パルス光、第２パルス光を生成し、
前記第１パルス光の強度が前記第２パルス光に対して強い状態から前記第２パルス光の強度が前記第１パルス光に対して強い状態に移行するように前記第１パルス光と前記第２パルス光とが時間的に重なるように制御して第３の光を生成し、
前記第３の光を前記物質系ｉに照射し、
前記共振器モードに結合する観測光を生成し該観測光を前記共振器の外部から該共振器へ入射し、
前記観測光の反射光および前記観測光の透過光の少なくともいずれか１つの強度を測定して量子ビットを読み取り、
前記量子ビットを読み取った後に、前記第２パルス光の強度が前記第１パルス光に対して強い状態から前記第１パルス光の強度が前記第２パルス光に対して強い状態に移行するように前記第１パルス光と前記第２パルス光とが時間的に重なるように制御して第４の光を生成し、
前記第４の光を前記物質系ｉに照射することを特徴とする量子ビット読出方法。
【請求項６】
共振器モードを有する共振器を用意し、
前記共振器の内部に含まれ、内部に複数の物質系（物質系１、・・・、物質系ｎ（ｎは２以上の整数））を含んでいて、各物質系は少なくとも５つのエネルギー状態を有し、各物質系ｉ（ｉはｎ以下の自然数）が有する前記５つのエネルギー状態を、低いエネルギーを有する状態から順に｜０＞ｉ、｜１＞ｉ、｜ｇ＞ｉ、｜ｅ１＞ｉ、｜ｅ２＞ｉと表示すると、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ１＞ｉ間遷移が全ての前記物質系で共通の共振器モードに共鳴し、｜０＞ｉと｜１＞ｉとで量子ビットを表現する物質を用意し、
｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移、｜１＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移にそれぞれ共鳴する第１パルス光、第２パルス光を生成し、
前記第１パルス光の強度が前記第２パルス光に対して強い状態から前記第２パルス光の強度が前記第１パルス光に対して強い状態に移行するように前記第１パルス光と前記第２パルス光とが時間的に重なるように制御して第３の光を生成し、
前記第３の光を前記物質系ｉに照射し、
前記共振器モードに結合する観測光を生成し該観測光を前記共振器の外部から該共振器へ入射し、
前記観測光の反射光および前記観測光の透過光の少なくともいずれか１つの強度を測定して量子ビットを読み取り、
前記量子ビットを読み取った後に、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ１＞ｉ間遷移、および、｜ｇ＞ｉ−｜ｅ２＞ｉ間遷移のうちのいずれか１つの遷移に共鳴する光を前記物質系ｉに照射することを特徴とする量子ビット読出方法。
【請求項７】
前記観測光の反射光および前記観測光の透過光の少なくともいずれか１つの強度を測定する場合に、その測定時間Ｔｍが、共振器モードと物質系との結合定数の２倍の逆数Ｔｇ＝１／（２×ｇ）、物質系の励起状態｜ｅ１＞の寿命Ｔｅに対して、
Ｔｇ ＜ Ｔｍ ＜ Ｔｅを満たすように測定時間Ｔｍを調整することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の量子ビット読出方法。
【請求項８】
内部を一定の温度に保つクライオスタットを用意し、
前記共振器、および、前記物質は、前記クライオスタットの内部に含まれていることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の量子ビット読出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−２３３３８８（Ｐ２００８−２３３３８８Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７１０８７（Ｐ２００７−７１０８７）
【出願日】平成１９年３月１９日（２００７．３．１９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月１９日（２００７．３．１９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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