[发明专利]量子位读出装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及量子位(bit)读出装置和方法，其利用两侧共振器的共振器模与单一物质类(单一原子、单一离子等)的耦合类的反射光和透射光的强度，不管入射光强度是强还是弱都会随物质类的状态大幅地变化这一情况，通过检测足够强度的光的大幅的强度变化，分别读出共振器内所存在的多个由单一物质类构成的量子位。

背景技术

量子计算的结果大多表现为由单一原子、离子、光子等构成的量子位(在此，在量子计算中承载信息的物质类的量子状态和物质类本身都被称为量子位)的状态，因此，需要读出这些单一物质类的状态。在与光进行耦合的量子位的情况下，在量子位因对要读出的量子位进行的光照射，而与该量子位的状态对应地被激发、或不被激发时，观测所辐射出的光子或未辐射的光子的方法，其灵敏度高，是可实现的。此时，如果是电磁陷阱中的离子和原子这样的气体，则可利用严格的选择侧，通过激发仅弛豫(缓和)到原来状态的跃迁，而与量子位的状态对应地多次反复进行激发、弛豫，辐射出大量光子。

但是，在晶体中的离子的核自旋这样的固体中的量子位的情况下，各种各样的相互作用，使得能态的角运动量、自旋等相互混杂，没有严格的选择侧，一次激发出的量子位弛豫到何处的准稳定状态是概率性的。因此，读出时需要可靠地检测单一光子。反复进行使用绝热通道(adiabatic passage)、使量子位的状态可靠地转移到共振器模共振(共鸣)的能级后返回，限定此时辐射光子的空间模，并且设置多个检测光子的机会，由此可以降低光子检测的失败概率。但是，此时也同样需要检测单一光子。

近年来，有人发表了利用微弱光和光子计数来观测共振器中的单一原子的真空拉比(Rabi)分裂(也称为普通模分裂)的报告(参照例如非专利文献1)。另外，人们还提出了以下方案：利用使单一光子入射到单侧共振器的共振器模与单一或多个原子的耦合类时由原子状态所致的反射光子的相位差异，实行光子-原子间、原子-原子间(以光子为介质)的量子门。这样，对于共振器模与物质类的耦合类的光学响应，即使是与一个物质类的耦合，也会随该物质类的状态大幅地变化，因此可以用于观测单一物质类的状态。

[非专利文献1]Phys.Rev.Lett.93，233603(2004).

但是，人们不知道在读出单一共振器内存在的多个量子位时利用该共振器模与物质类的耦合类的响应的具体方法。

发明内容

本发明就是考虑上述情况而做出的，其目的是提供一种通过检测足够强度的光的大幅的强度变化来分别读出共振器内存在的多个由单一物质类(单一原子、单一离子等)构成的量子位的量子位读出装置和方法。

为了解决上述课题，本发明的量子位读出装置具有：具有共振器模的共振器；物质，包含于上述共振器的内部，内部包含多个物质类(物质类1、…物质类n(n是2以上的整数))，各物质类至少具有5个能态，在将各物质类i(i是n以下的自然数)具有的上述5个能态，从具有低能态的状态起依次表示为|0＞_i、|1＞_i、|g＞_i、|e1＞_i、|e2＞_i时，|g＞_i-|e1＞_i间跃迁与所有上述物质类中共同的共振器模共振，以|0＞_i和|1＞_i表现量子位；生成单元，生成分别与|g＞_i-|e2＞_i间跃迁、|1＞_i-|e2＞_i间跃迁共振的第一脉冲光、第二脉冲光；第一控制单元，进行控制，以便以从上述第一脉冲光的强度比上述第二脉冲光的强度强的状态转移到上述第二脉冲光的强度比上述第一脉冲光的强度强的状态的方式，使上述第一脉冲光与上述第二脉冲光在时间上重叠而生成第三光；第一照射单元，对上述物质类i照射上述第三光；入射单元，生成与上述共振器模耦合的观测光，并从上述共振器的外部向该共振器入射该观测光；读取单元，测定上述观测光的反射光和上述观测光的透射光中至少任意一者的强度，读取量子位；第二控制单元，在读取了上述量子位之后，进行控制，以便以从上述第二脉冲光的强度比上述第一脉冲光的强度强的状态转移到上述第一脉冲光的强度比上述第二脉冲光的强度强的状态的方式，使上述第一脉冲光与上述第二脉冲光在时间上重叠而生成第四光；以及第二照射单元，对上述物质类i照射上述第四光。