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JP5367663B2 - Quantum information processing method and quantum information processing apparatus - Google Patents
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a waveform of an optical pulse most suitable for execution of population transfer based on STIRAP. <P>SOLUTION: According to one embodiment of the invention, a quantum information processing method and apparatus transfers a state of a physical system having two spin-down states ¾0&gt; and ¾1&gt; and one spin-down state ¾2&gt;, from ¾0&gt; to ¾1&gt; in a transfer time T by irradiating the physical system with two pulses (hereafter, a pulse 0 and a pulse 1) resonating with transition from ¾0&gt; to ¾2&gt; and transition from ¾1&gt; to ¾2&gt;. The pulses are temporally changed sufficiently more slowly than their Rabi frequencies and a quantum state is adiabatically changed in a center portion of the transfer time, and the quantum state is non-adiabatically changed properly in start and end portions of the transfer time, so that the probability of the existence of the spin-up state ¾2&gt; in the adiabatic change in the center portion can be minimized. <P>COPYRIGHT: (C)2012,JPO&amp;INPIT

Description

本発明の実施形態は、量子情報処理装置及び量子情報処理方法、特に光による物質の量子状態の操作方法に関する。 Embodiments of the present invention, quantum information processing apparatus and quantum information processing method, a method of particular quantum state of matter by light manipulation.

原子などの物理系の量子状態を光で操作する代表的な方法として、STIRAP(stimulated Raman adiabatic passage)と呼ばれる方法がある。   As a typical method for manipulating the quantum state of a physical system such as an atom with light, there is a method called STIRAP (stimulated Raman adiabatic passage).

STIRAPはアディアバティックパッセージという状態操作法に基づいているため、利用される光パルスの波形の詳細によらないという利点がある。また、励起状態を含まないエネルギー固有状態(ダーク状態と呼ばれる)を利用するため、励起状態の緩和によるデコヒーレンスの影響を受けにくいという利点も持っている。   Since STIRAP is based on the state manipulation method called adiabatic passage, there is an advantage that it does not depend on the details of the waveform of the optical pulse used. In addition, since an energy eigenstate that does not include an excited state (called a dark state) is used, there is an advantage that it is less susceptible to decoherence due to relaxation of the excited state.

STIRAPでは、理想的には無限に長い時間をかければ、または、無限に強い光を用いれば、励起状態の存在確率をいくらでも小さくできる。しかし、実際には有限の時間内に有限のパワーの光を用いてポピュレーション移動を実行するため、励起状態の存在確率はゼロではなく、その緩和の影響を完全に無視することはできない。この励起状態の存在確率は光パルスの波形に依存する。よって、励起状態の緩和の影響を最小限に留めたいと思ったら、利用する光パルスの波形を工夫しなければならない。   In STIRAP, the existence probability of an excited state can be reduced as much as possible by ideally taking an infinitely long time or using infinitely strong light. However, in practice, since population movement is performed using light of a finite power within a finite time, the existence probability of the excited state is not zero, and the influence of the relaxation cannot be completely ignored. The existence probability of this excited state depends on the waveform of the optical pulse. Therefore, if it is desired to minimize the influence of relaxation of the excited state, the waveform of the optical pulse to be used must be devised.

特開2005−134761号公報JP 2005-134761 A

K. Bergmann, H. Theuer, B. W. Shore, Rev. Mod. Phys. 70, 1003 (1998).K. Bergmann, H. Theuer, B. W. Shore, Rev. Mod. Phys. 70, 1003 (1998). H. Goto, K. Ichimura, Phys. Rev. A 70, 012305 (2004).H. Goto, K. Ichimura, Phys. Rev. A 70, 012305 (2004).

発明が解決しようとする課題は、STIRAPによるポピュレーション移動を実行するために最適な光パルスの波形を提供することにある。   The problem to be solved by the invention is to provide an optical pulse waveform that is optimal for performing population movement by STIRAP.

発明の一実施形態による量子情報処理方法及び装置は、下2状態|0>、|1>、上1状態|2>を有する物理系に対し、|0>‐|2>遷移、|1>‐|2>遷移に共鳴する2つのパルス(以下、それぞれパルス0、パルス1)を照射することによって、移動時間Tの間に前記物理系の状態を|0>から|1>へ変化させる量子情報処理方法等であって、

Figure 0005367663
を満たすことを特徴とする。 A quantum information processing method and apparatus according to an embodiment of the present invention provides a | 0>-| 2> transition, | 1> for a physical system having a lower two state | 0>, | 1>, and an upper one state | 2>. Quantum that changes the state of the physical system from | 0> to | 1> during the movement time T by irradiating two pulses (hereinafter, pulse 0 and pulse 1 respectively) that resonate with the transition. Information processing method, etc.
Figure 0005367663
It is characterized by satisfying.

STIRAPの概念図。 STIRAPのための光パルスのラビ周波数の例を示す図。 図2の光パルスを用いたSTIRAPにおける各状態の確率振幅の計算結果を示す図。 μ0=μ1の場合の本発明と従来例の比較を表す図。 μ0=μ1の場合の本発明の

Figure 0005367663
の例を表す図。
μ0=μ1の場合の本発明の
Figure 0005367663
の例を表す図。
μ0=μ1の場合の本発明の励起状態の確率と非ダーク状態の確率の例を表す図。 μ0≠μ1の場合の本発明と従来例の比較を表す図。 実施例1で用いられる実験系を説明する図。 Pr3+:Y2SiO5のPr3+イオンのエネルギー準位とレーザーの周波数設定を説明する図。 Conceptual diagram of STIRAP. The figure which shows the example of the rabbi frequency of the optical pulse for STIRAP. The figure which shows the calculation result of the probability amplitude of each state in STIRAP using the optical pulse of FIG. The figure showing the comparison of this invention and a prior art example in the case of (micro | micron | mu) 0 = micro 1 . of the present invention when μ 0 = μ 1
Figure 0005367663
FIG.
of the present invention when μ 0 = μ 1
Figure 0005367663
FIG.
diagram illustrating an example of the probability of the probability and a non-dark state of the excited state of the present invention in the case of μ 0 = μ 1. diagram showing the comparison of the present invention and the conventional example when μ 0μ 1. 2 is a diagram illustrating an experimental system used in Example 1. FIG. Pr 3+: Y 2 energy levels and laser diagram illustrating the frequency setting of the Pr 3+ ions of SiO 5.

まず、STIRAPによるポピュレーション移動の原理を説明する。   First, the principle of population movement by STIRAP will be described.

図1のようなΛ型の3準位系を考える。始状態は|0>であるとし、STIRAPによって状態を|1>へ移すことを考える。それには、|0>-|2>遷移および|1>-|2>遷移に共鳴する光パルスを照射する。これらの光パルスのラビ周波数は図2のように設定される。まず|1>-|2>遷移に共鳴する光パルスが照射され、その途中で|0>-|2>遷移に共鳴する光パルスが照射される。(このように、初めポピュレーションがない状態に共鳴するパルスを先に照射するパルス順序をcounterintuitive orderと呼び、STIRAPの特徴の1つである。)
この系のハミルトニアンおよびその固有値・固有状態は次のようになる:

Figure 0005367663
Consider a Λ-type three-level system as shown in FIG. Assume that the starting state is | 0> and that the state is shifted to | 1> by STIRAP. For this purpose, an optical pulse resonating with the | 0>-| 2> transition and | 1>-| 2> transition is irradiated. The Rabi frequency of these light pulses is set as shown in FIG. First, an optical pulse that resonates with the | 1>-| 2> transition is emitted, and an optical pulse that resonates with the | 0>-| 2> transition is emitted along the way. (In this way, the pulse order in which the pulse that resonates in a state where there is no population at the beginning is first called a counterintuitive order is one of the features of STIRAP.)
The Hamiltonian of this system and its eigenvalues and eigenstates are as follows:
Figure 0005367663

上記のような2つの光パルスを用いた過程(STIRAP)では、初めダーク状態は始状態|0>に一致しており、その後ダーク状態は|0>から|1>へ変わる。光パルスの電場振幅の時間変化が十分遅ければ、系の状態は他の固有状態にほとんど移ることなく(断熱的過程)、ダーク状態に追随し、系の状態も|0>から|1>へ変わる(アディアバティックパッセージ)。これがSTIRAPによるポピュレーション移動である。   In the process using two optical pulses as described above (STIRAP), the dark state initially matches the initial state | 0>, and then the dark state changes from | 0> to | 1>. If the time variation of the electric field amplitude of the light pulse is sufficiently slow, the state of the system hardly changes to another eigenstate (adiabatic process), follows the dark state, and the state of the system also changes from | 0> to | 1>. Change (Adiabatic passage). This is population movement by STIRAP.

STIRAPの1つの利点は、利用される光パルスの波形の詳細によらないことである。STIRAPが成功するための光パルスの条件は、ダーク状態が|0>から|1>に変わること、また、振幅変化が十分遅いことであり、これらを満たせば基本的にはどんな波形の光パルスを用いてもよい。(図2はガウシアンパルスの例。)
STIRAPのもう1つの利点は、励起状態の緩和の影響を受けにくいことである。STIRAPの間、系の状態は常にダーク状態に非常に近い状態にある。ダーク状態は励起状態を含まないため、励起状態の緩和の影響が小さい。
One advantage of STIRAP is that it does not depend on the details of the optical pulse waveform utilized. The conditions of the optical pulse for STIRAP to succeed are that the dark state changes from | 0> to | 1>, and that the amplitude change is sufficiently slow. May be used. (Figure 2 shows an example of a Gaussian pulse.)
Another advantage of STIRAP is that it is less susceptible to excited state relaxation. During STIRAP, the state of the system is always very close to the dark state. Since the dark state does not include an excited state, the influence of relaxation of the excited state is small.

しかし、有限の時間・有限の光強度でSTIRAPを行う限り、実際にはある確率で励起状態が存在する。図3に図2のガウシアンパルスを用いた場合のSTIRAPのシミュレーション結果を示す(縦軸は確率振幅)。系の状態は期待通り|0>から|1>へ変わっているが、途中で励起状態の存在確率が上がっていることがわかる。この励起状態の存在確率Pe(t)を移動時間で積分した値Ieに緩和率をかけると、移動時間内に励起状態が緩和する確率となる。緩和が起こるとポピュレーション移動は失敗に終わるので、この緩和確率はポピュレーション移動の失敗確率と考えることができる。このように、STIRAPでは励起状態の緩和の影響が小さくできるが、緩和確率をゼロにすることはできず、その分移動効率が下がる。 However, as long as STIRAP is performed for a finite time and a finite light intensity, an excited state actually exists with a certain probability. FIG. 3 shows the STIRAP simulation results when the Gaussian pulse of FIG. 2 is used (the vertical axis is the probability amplitude). The state of the system has changed from | 0> to | 1> as expected, but it can be seen that the existence probability of the excited state increases along the way. When a relaxation rate is applied to a value I e obtained by integrating the existence probability P e (t) of the excited state with the movement time, the probability that the excited state is relaxed within the movement time is obtained. Since population movement ends in failure when relaxation occurs, this relaxation probability can be considered as failure probability of population movement. Thus, STIRAP can reduce the effect of relaxation of the excited state, but the relaxation probability cannot be reduced to zero, and the transfer efficiency decreases accordingly.

励起状態の存在確率Pe(t)は、利用する光パルスの波形に依存する。よって、励起状態の緩和確率を最小にし、ポピュレーション移動の効率を最大にするためには、光パルスの波形を工夫する必要がある。本発明は、この効率最大化に最も良い波形を提供する。 The existence probability P e (t) of the excited state depends on the waveform of the optical pulse to be used. Therefore, in order to minimize the relaxation probability of the excited state and maximize the efficiency of population movement, it is necessary to devise the waveform of the optical pulse. The present invention provides the best waveform for this efficiency maximization.

問題を明確にするために、今考えている問題を次のような最適化問題で言い換える。   In order to clarify the problem, we can paraphrase the problem we are thinking of as the following optimization problem.

STIRAPによるポピュレーション移動において、全光パワーIinと移動時間Tと各遷移の遷移双極子モーメントμ0, μ1が与えられたとき、励起状態の存在確率Pe(t)を移動時間で積分した値Ieを最小にするパルス波形を求めよ。 In population movement by STIRAP, when the total optical power I in , the movement time T, and the transition dipole moment μ 0 , μ 1 of each transition are given, the existence probability P e (t) of the excited state is integrated with the movement time. Find the pulse waveform that minimizes the measured value I e .

この最適化問題は、全光パワーと移動時間を拘束条件として励起状態の緩和確率(ポピュレーション移動のエラー確率)を最小にするものだが、見方を変えると、全光パワーとエラー確率を拘束条件とすれば移動時間が最短、移動時間とエラー確率を拘束条件とすればパワー効率が最大、という最適化にもなっている。   This optimization problem minimizes the relaxation probability of the excited state (population transfer error probability) with the total optical power and travel time as constraints, but from a different perspective, the total optical power and error probability are constraints. If so, the optimization is such that the travel time is the shortest, and the power efficiency is maximum if the travel time and the error probability are constrained.

この最適化問題を数学的に扱うと以下のようになる。   This optimization problem is handled mathematically as follows.

時刻tでの系の状態を、エネルギー固有状態を用いて

Figure 0005367663
を得る。 The state of the system at time t is expressed using the energy eigenstate
Figure 0005367663
Get.

STIRAPでは始状態はダーク状態に等しいため、初期条件は

Figure 0005367663
In STIRAP, the initial state is equal to the dark state, so the initial condition is
Figure 0005367663

また、STIRAPの最中、ダーク状態以外(以下、これを「非ダーク状態」と呼ぶ)にいる確率と励起状態にいる確率は(今の問題に適した条件下で)ほぼ等しくなるので(詳しくは後述)、励起状態の確率を非ダーク状態にいる確率で近似できる。以上の近似により、励起状態の存在確率Pe(t)は、

Figure 0005367663
Also, during STIRAP, the probability of being in a state other than the dark state (hereinafter referred to as the “non-dark state”) and the probability of being in the excited state are almost equal (under conditions suitable for the current problem) (details) Can be approximated by the probability of being in a non-dark state. From the above approximation, the existence probability P e (t) of the excited state is
Figure 0005367663

この最適化問題の一般解を求めるのは難しい。そこで、μ0=μ1という場合をまず考える。(実際μ0≒μ1であればここで求めた解をそのまま利用することができる。また、μ0≠μ1の場合の最適解は、ここで求めるμ0=μ1の場合の最適解の特徴を拡張することで得られる。これについては後述。)
全光パワーを無駄なく利用したほうが良いので、不等式(4)において等号が成り立つ場合を考える。さらにμ0=μ1の場合、2つの光パルスのラビ周波数の2乗の和が一定となり、

Figure 0005367663
となる。この場合に上記の最適化問題を書き直すと、次のようになる。
Figure 0005367663
It is difficult to find a general solution for this optimization problem. Therefore, first consider the case of μ 0 = μ 1 . (If μ 0 ≈μ 1 in fact, the solution obtained here can be used as it is. The optimum solution when μ 0 ≠ μ 1 is the optimum solution when μ 0 = μ 1 obtained here. (This will be obtained by extending the features of.)
Since it is better to use all the optical power without waste, let us consider a case where the equal sign holds in inequality (4). Furthermore, when μ 0 = μ 1 , the sum of the squares of the rabbi frequencies of the two optical pulses is constant,
Figure 0005367663
It becomes. In this case, the above optimization problem is rewritten as follows.
Figure 0005367663

ここで得られた解は両端の2点で不連続であるが、シュレディンガー方程式にはこの不連続性の影響はないため、

Figure 0005367663
The solution obtained here is discontinuous at the two ends, but the Schrodinger equation is not affected by this discontinuity.
Figure 0005367663

両端ではともに指数関数が加わった関数形となる。(指数関数は両端以外では無視できる。)
図4にμ0=μ1の場合の最適解の効果を示す。比較する従来例としては、幅とパルス間隔を最適な値に選んだ幅の等しい2つのガウシアンパルスを使った。(移動効率99.99%以上に限定し、その中でIeが最小になるものを選んだ。最適解の方の移動効率は

Figure 0005367663
では99.9999%以上。また、ガウシアンパルスはパワーの拘束条件である不等式(4)を満たしながら最適なパラメータを探すのが難しいため、2つのパルスのラビ周波数のピーク値がともに最大パワーの場合の値であるとした。不等式(4)をきちんと考えると、従来例は図4の結果よりも悪くなる。)Tが十分長いとき、最適解のIeは従来例の約半分に抑えられていることがわかる。これは速さにして2倍速くなることに相当する。 Both ends have a function form with an exponential function added. (The exponential function can be ignored except at both ends.)
FIG. 4 shows the effect of the optimal solution when μ 0 = μ 1 . As a conventional example to be compared, two Gaussian pulses having the same width and pulse width selected to be optimum values were used. (Movement efficiency was limited to 99.99% or more, and the one with the smallest I e was selected. The movement efficiency of the optimal solution is
Figure 0005367663
Then 99.9999% or more. In addition, since it is difficult for the Gaussian pulse to find the optimum parameter while satisfying the inequality (4) which is a power constraint condition, it is assumed that the peak values of the Rabi frequency of the two pulses are both the maximum power. Considering inequality (4) properly, the conventional example is worse than the result of FIG. ) It can be seen that when T is sufficiently long, I e of the optimal solution is suppressed to about half that of the conventional example. This corresponds to a speed increase of 2 times.

ここで、μ0=μ1の場合の最適解の特徴を説明する。

Figure 0005367663
中央では一定で、両端では大きく(指数関数的に)変化する。また、通常のSTIRAPでは、
Figure 0005367663
このように、最適解は、通常のSTIRAPからは到底予想できない特徴を持っている。
Here, the feature of the optimum solution when μ 0 = μ 1 will be described.
Figure 0005367663
It is constant at the center and varies greatly (exponentially) at both ends. In addition, in normal STIRAP,
Figure 0005367663
Thus, the optimal solution has characteristics that cannot be predicted from ordinary STIRAP.

以下、この最適解の奇妙な特徴がIeを最小にするのに巧妙に役立っていることを説明し、その物理的意味を明らかにする。 In the following, we explain that the strange feature of this optimal solution is cleverly used to minimize I e , and clarify its physical meaning.

図7に、図5の

Figure 0005367663
の場合の励起状態にいる確率と非ダーク状態にいる確率の計算結果を示す。この初めの部分を見ると、非ダーク状態はブライト状態から励起状態へと素早く変化している。これは、初めの
Figure 0005367663
が負から正へと素早く変わる部分が、非ダーク状態をブライト状態から励起状態へと変化させる役割をしていることを意味する。これがIeを最小にするのに重要な役割を果たしていることを説明するために、前述の確率振幅の近似解を、始状態が非ダーク状態を含む場合に拡張したものを考察する。(以下の式では、STIRAPの開始時刻0と区別するため、初期時刻をt0とする。これは時刻0に近く、t0<<T。)その場合、
Figure 0005367663
Figure 0005367663
のときに最小となる。これは、式(1)からわかるように、時刻t0での状態の非ダーク状態が励起状態のみである場合である。このように、Ieは初期状態に依存し、Ieを最小にする初期状態は非ダーク状態がブライト状態を含まず励起状態のみで式(8)のようになる場合である。 FIG.
Figure 0005367663
The calculation results of the probability of being in an excited state and the probability of being in a non-dark state are shown in FIG. Looking at this first part, the non-dark state is quickly changing from the bright state to the excited state. This is the first
Figure 0005367663
The part that changes quickly from negative to positive means that the non-dark state changes from the bright state to the excited state. In order to explain that this plays an important role in minimizing I e , consider an extension of the above-described approximate solution of the probability amplitude to the case where the starting state includes a non-dark state. (In the following equation, the initial time is t 0 to distinguish it from the start time 0 of STIRAP. This is close to time 0, t 0 << T.)
Figure 0005367663
Figure 0005367663
At the minimum. This is a case where the non-dark state of the state at time t 0 is only the excited state, as can be seen from Equation (1). As described above, I e depends on the initial state, and the initial state where I e is minimized is a case where the non-dark state does not include the bright state and only the excited state is represented by Equation (8).

最適解の初めの部分で

Figure 0005367663
が負から正へと素早く変わる部分は、初めの短い時間t0で(非断熱的な過程によって)この適切な始状態(確率振幅が式(8)となる状態)の準備しているである。これによって、通常のダーク状態が始状態であるSTIRAPに比べてIeを小さくできる。この状態準備を成功させるために、通常のSTIRAPとは異なり、
Figure 0005367663
となる。これは、式(1)からわかるように、非ダーク状態は常に励起状態であることを意味し、非ダーク状態と励起状態を同一視できることを意味する。これが前述の「非ダーク状態の確率と励起状態にいる確率はほぼ等しくなる」の根拠である。この前提条件は、始状態が式(8)の適切な状態に準備されていることであり、そうでなければこれは成り立たない。しかし、この状態準備をせず通常のように始状態がダーク状態の場合は、上記のようにIeがおよそ2倍になってしまうため、適切な始状態の場合よりも悪くなると予想される(良くなったとしても大きな改善は期待できない)。 At the beginning of the optimal solution
Figure 0005367663
The part where changes quickly from negative to positive is the preparation of this appropriate initial state (with probability amplitude of equation (8)) in the first short time t 0 (by a non-adiabatic process). . As a result, I e can be made smaller than STIRAP where the normal dark state is the starting state. Unlike normal STIRAP, to make this state preparation successful,
Figure 0005367663
It becomes. As can be seen from equation (1), this means that the non-dark state is always an excited state, and the non-dark state and the excited state can be identified. This is the basis for the aforementioned “probability of non-dark state and probability of being in an excited state”. This precondition is that the starting state is set to the appropriate state of equation (8), otherwise this is not true. However, if this state is not prepared and the starting state is a dark state as usual, I e is approximately doubled as described above, so it is expected to be worse than the appropriate starting state. (Even if it gets better, we can't expect a big improvement).

初めの短い時間t0で適切な始状態が準備された場合、

Figure 0005367663
初めの部分と同様の非断熱的な過程によって効率を1にする(状態を完全に|1>にする)のが、この最後の部分の役割である。(時間が短いため、ここの部分のIeへの影響は無視できる。)この非断熱過程をうまく行うために、この最後の部分では、通常のSTIRAPとは異なり、
Figure 0005367663
If an appropriate start state is prepared in the first short time t 0 ,
Figure 0005367663
The role of this last part is to make the efficiency 1 (by making the state completely | 1>) by a non-adiabatic process similar to the first part. (Because of the short time, the influence of this part on I e is negligible.) In order to successfully perform this non-adiabatic process, this last part differs from normal STIRAP,
Figure 0005367663

以上をまとめると、μ0=μ1の場合の最適解の特徴とその役割は次のようになる。 In summary, the features and roles of the optimal solution when μ 0 = μ 1 are as follows.

初めの短い時間で、非断熱的な過程によって、適切な確率振幅で非ダーク状態をブライト状態から励起状態へと変化させる。そのために、通常のSTIRAPとは異なり

Figure 0005367663
In the first short time, a non-adiabatic process changes the non-dark state from the bright state to the excited state with an appropriate probability amplitude. Therefore, unlike normal STIRAP
Figure 0005367663

このように、最適解は、通常のSTIRAPからは全く想像できない巧妙なパルス波形によって、完全な移動効率と最小のIeを同時に実現する。 In this way, the optimal solution simultaneously realizes perfect movement efficiency and minimum I e by a clever pulse waveform that cannot be imagined from ordinary STIRAP.

以下、μ0≠μ1の場合を考える。上記のμ0=μ1の場合の最適解の特徴を、μ0≠μ1の場合へ拡張する。 Hereinafter, the case where μ 0 ≠ μ 1 is considered. The feature of the optimal solution when μ 0 = μ 1 is extended to the case of μ 0 ≠ μ 1 .

初めの短い時間t0で適切な状態を準備して、その後の励起状態の確率(近似的に非ダーク状態の確率)の積分値を最小にする。その積分値は近似的に次のようになる。

Figure 0005367663
である。これは、式(8)の自然な拡張になっている。(μ0=μ1の場合と同様、時刻t0における非ダーク状態は、励起状態のみでブライト状態を含まない。)よって、μ0=μ1の場合と同様の非断熱過程によって、初めの短い時間t0で式(9)を満たすように非ダーク状態をブライト状態から励起状態へ変化させればよい。
Figure 0005367663
Figure 0005367663
Figure 0005367663
An appropriate state is prepared in the first short time t 0 , and the integrated value of the probability of the subsequent excited state (approximate non-dark state probability) is minimized. The integral value is approximately as follows.
Figure 0005367663
It is. This is a natural extension of equation (8). (As in the case of μ 0 = μ 1 , the non-dark state at time t 0 is only the excited state and does not include the bright state.) Therefore, by the same non-adiabatic process as in the case of μ 0 = μ 1 , What is necessary is just to change a non-dark state from a bright state to an excited state so that Formula (9) may be satisfy | filled in short time t0.
Figure 0005367663
Figure 0005367663
Figure 0005367663

(例えば、移動効率99.99%以上となる中でIeが最小となるものを選ぶ。)こうして、移動時間の両端の短い時間を除いた中央部分での関数形が決まる。 (For example, the one with the minimum I e is selected when the movement efficiency is 99.99% or more.) In this way, the function form in the central portion excluding the short time at both ends of the movement time is determined.

最後に、非断熱過程によって状態を完全に|1>へ変化させるために、最後の短い時間で最後の

Figure 0005367663
を正から負へ変化させる。これも初めの非断熱過程と同様に、μ0=μ1の場合の関数形である式(7)を利用する。それが成功するように、
Figure 0005367663
は最後のその非断熱過程を行う際にほぼ一定であるようにする。この最後の非断熱過程にかかる時間は、
Figure 0005367663
Figure 0005367663
Figure 0005367663
Figure 0005367663
Finally, in order to change the state completely to | 1> by a non-adiabatic process,
Figure 0005367663
Is changed from positive to negative. As in the first non-adiabatic process, this also uses Equation (7), which is a function form when μ 0 = μ 1 . As it succeeds,
Figure 0005367663
Makes it almost constant during the last non-adiabatic process. The time required for this last non-adiabatic process is
Figure 0005367663
Figure 0005367663
Figure 0005367663
Figure 0005367663

この最適解の効果をシミュレーションで確認した。その結果を図8に示す。従来例としては、幅の等しいガウシアンパルスを使った。(図4と同様、移動効率99.99%以上に限定し、その中でIeが最小になる幅とパルス間隔を選んだ。また、ガウシアンパルスは2つのパルスのラビ周波数のピーク値がともに最大パワーの場合の値であるとした。不等式(4)をきちんと考えると、従来例は図8の結果よりも悪くなる。)図8からわかるように、最適解を用いることでガウシアンパルスに比べ約4倍の改善が得られた。 The effect of this optimal solution was confirmed by simulation. The result is shown in FIG. As a conventional example, Gaussian pulses having the same width were used. (Similar to Fig. 4, the movement efficiency was limited to 99.99% or more, and the width and pulse interval where I e was minimized were selected. In addition, the Gaussian pulse had the maximum power of both peak values of the rabbi frequency of the two pulses. If the inequality (4) is considered properly, the conventional example is worse than the result of FIG. 8. As can be seen from FIG. Double improvement was obtained.

最後に、一般的な最適解の特徴をまとめる。   Finally, the characteristics of general optimal solutions are summarized.

初めの短い時間で、非断熱的な過程によって、適切な確率振幅(式(9))で非ダーク状態をブライト状態から励起状態へと変化させる。

Figure 0005367663
Figure 0005367663
Figure 0005367663
以上が、本発明のパルス波形の特徴である。 In the first short time, the non-dark state is changed from the bright state to the excited state with an appropriate probability amplitude (Equation (9)) by a non-adiabatic process.
Figure 0005367663
Figure 0005367663
Figure 0005367663
The above is the feature of the pulse waveform of the present invention.

各特徴の役割は以下のようになっている。   The role of each feature is as follows.

1番目の特徴は本発明の特徴の中でも最大の特徴と言える。この役割は、非断熱的過程によって最初に適切な状態を準備することにより、ダーク状態から始める通常のSTIRAPに比べて緩和確率を小さくすることである。この状態準備を行う非断熱的過程を行うために、最初の部分で通常のSTIRAPの条件を満たさない。よって、この特徴は通常のSTIRAPからは全く想像できないものである。   The first feature is the greatest feature of the present invention. This role is to reduce the relaxation probability compared to normal STIRAP starting from the dark state by first preparing the appropriate state by a non-adiabatic process. In order to perform a non-adiabatic process to prepare this state, the first part does not satisfy the usual STIRAP conditions. Therefore, this feature cannot be imagined from ordinary STIRAP.

2番目の特徴の役割は、移動時間の両端を除く中央部分での励起状態の存在確率の時間積分を最小にし、その結果緩和確率を最小にすることである。

Figure 0005367663
The role of the second feature is to minimize the time integration of the existence probability of the excited state in the central portion excluding both ends of the moving time, and as a result, minimize the relaxation probability.
Figure 0005367663

3番目の特徴の役割は、最初の部分と似た非断熱過程によって、移動効率を1にする(状態を完全に|1>にする)ことである。このために、最初の部分と同様、最後の部分でも通常のSTIRAPの条件を満たさない。よって、この特徴も1番目と同様、通常のSTIRAPからは全く想像できないものである。   The role of the third feature is to make the transfer efficiency 1 (by making the state completely | 1>) by a non-adiabatic process similar to the first part. For this reason, as in the first part, the last part does not satisfy the normal STIRAP conditions. Therefore, this feature, like the first one, cannot be imagined from ordinary STIRAP.

なお、本発明において、関数形を指定することが効果にとって重要であるが、少し異なる関数形であっても、当業者から見て本発明の関数形に近い関数形であり、かつ、その効果が当業者から見て本発明と同程度である場合には、その関数形は本発明の関数形と本質的に同じであり、そのような関数形を用いても本発明の範疇に入るとする。   In the present invention, it is important for the effect to specify the function form, but even a slightly different function form is a function form that is close to the function form of the present invention as seen by those skilled in the art, and the effect. Is equivalent to the present invention from the viewpoint of a person skilled in the art, the function form is essentially the same as the function form of the present invention, and even if such a function form is used, it falls within the scope of the present invention. To do.

以上、本発明の実施形態によれば、ある強度の光源を用いてある時間内に実行されるSTIRAPによるポピュレーション移動において、励起状態の緩和確率を最小にすることができる。   As described above, according to the embodiment of the present invention, it is possible to minimize the relaxation probability of the excited state in population movement by STIRAP performed within a certain period of time using a light source having a certain intensity.

以下、本発明の実施例について説明する。   Examples of the present invention will be described below.

(実施例1)
固体中でのSTIRAPがPr3+:Y2SiO5(以下、Pr:YSO)のPr3+イオンの状態を用いて初めて実現された(H. Goto and K. Ichimura, Phys. Rev. A 74, 053410 (2006)参照)。本実施例でもターゲットとしてPr:YSOを利用する。(レーザー冷却された原子やイオンに対しても同様に実現できる。)上記の論文ではガウシアンパルスが用いられたが、本実施例では本発明のパルス波形を使う。
Example 1
STIRAP in a solid was first realized using the Pr 3+ ion state of Pr 3+ : Y 2 SiO 5 (hereinafter Pr: YSO) (H. Goto and K. Ichimura, Phys. Rev. A 74). , 053410 (2006)). In this embodiment, Pr: YSO is used as a target. (It can be similarly realized for laser-cooled atoms and ions.) Although the Gaussian pulse is used in the above paper, the pulse waveform of the present invention is used in this embodiment.

本実施例のための実験系を図9に示す。光源は周波数安定化されたCWリング色素レーザーである。上記の論文と同様、3つの周波数のレーザービームを用いる。Pr:YSOのPr3+イオンのエネルギー準位とレーザーの周波数設定を図10に示す。 An experimental system for this example is shown in FIG. The light source is a frequency stabilized CW ring dye laser. As in the above paper, a laser beam with three frequencies is used. FIG. 10 shows the energy level of Pr 3+ ions of Pr: YSO and the frequency setting of the laser.

初めにビームスプリッター501で2つに分け、そのうちの1つは音響光学効果素子(AOM)102に通され、クライオスタット801中の結晶に照射され、これはPr3+イオンの±5/2-±5/2遷移に共鳴し、リポンプの役割を果たす(図10および上記論文参照)。 First, the beam is split into two by a beam splitter 501, one of which is passed through an acousto-optic effect element (AOM) 102 and irradiated to a crystal in a cryostat 801, which is ± 5 / 2− ± of Pr 3+ ions. Resonates with the 5/2 transition and acts as a re-pump (see Figure 10 and the above paper).

残りの1本のレーザービームは、STIRAP用の2つのパルスの生成に使われる。上記の論文では、これを2つに分け、それぞれ独立に音響光学効果素子(AOM)によって強度をガウシアンパルスに整形することで2つのパルスを得た。しかし、これではレーザーのパワーを一部切り捨てることになる。一方、本実施例のパルス波形では、2つのパルスのパワーの和は常にほぼ一定なので、分ける段階でパルス整形するのが望ましい。そうすることで、レーザーパワーを最大限に生かせる。   The remaining one laser beam is used to generate two pulses for STIRAP. In the above paper, this was divided into two, and two pulses were obtained by shaping the intensity into Gaussian pulses independently by an acousto-optic effect element (AOM). However, this cuts off some of the laser power. On the other hand, in the pulse waveform of the present embodiment, the sum of the powers of the two pulses is always almost constant, so it is desirable to perform pulse shaping at the stage of division. By doing so, the laser power can be maximized.

そこで、電気光学効果素子(EOM)301を通して偏光を回し、偏光ビームスプリッター(PBS)401で2つに分ける。こうすれば好きな時刻に任意の比でパワーを分けることができ、パルス整形とレーザーの分割を同時にできる。本発明のパルスの基本構造はこうして得られる。端での微妙な波形を実現するために、偏光ビームスプリッター(PBS)401で分けられた2つのパルスをそれぞれAOM101と103に通す。これらのAOMは周波数差を図10のように設定するためにも用いられる。AOM102はリポンプ光の波形整形及び周波数設定のために用いられる。   Therefore, the polarized light is rotated through the electro-optic effect element (EOM) 301 and divided into two by the polarization beam splitter (PBS) 401. In this way, the power can be divided at an arbitrary ratio at any time, and pulse shaping and laser division can be performed simultaneously. The basic structure of the pulse of the invention is thus obtained. In order to realize a delicate waveform at the end, two pulses divided by a polarization beam splitter (PBS) 401 are passed through AOMs 101 and 103, respectively. These AOMs are also used to set the frequency difference as shown in FIG. The AOM 102 is used for waveform shaping and frequency setting of the re-pump light.

以上のEOMとAOMを用いた本発明のパルス整形およびその他の制御を実行するために、制御装置1101によってEOMとAOMを操作する。   In order to execute the pulse shaping and other controls of the present invention using the above EOM and AOM, the controller 1101 operates the EOM and AOM.

こうして得られた2つのパルスを、クライオスタット中で液体ヘリウム温度に冷やされたPr:YSOに照射し、本発明のSTIRAPを実行する。   The two pulses thus obtained are irradiated onto Pr: YSO cooled to liquid helium temperature in a cryostat, and the STIRAP of the present invention is executed.

101〜103・・・音響光学効果素子(AOM)
201〜205・・・高反射ミラー
301・・・電気光学効果素子(EOM)
401・・・偏光ビームスプリッター(PBS)
501・・・ビームスプリッター
601〜603・・・半波長板
701・・・CWリング色素レーザー
801・・・クライオスタット
901・・・Pr3+:Y2SiO5結晶
1001,1002・・・光検出器
1101・・・制御装置
101-103 ... Acousto-optic effect element (AOM)
201-205 ... High reflection mirror 301 ... Electro-optic effect element (EOM)
401... Polarizing beam splitter (PBS)
501 ... Beam splitters 601 to 603 ... Half wave plate 701 ... CW ring dye laser 801 ... Cryostat 901 ... Pr 3+ : Y 2 SiO 5 crystal 1001, 1002 ... Photodetector 1101... Control device

Claims (5)

下2状態|0>、|1>、上1状態|2>を有する物理系に対し、|0>‐|2>遷移、|1>‐|2>遷移に共鳴する2つのパルス(以下、それぞれパルス0、パルス1)を照射することによって、移動時間Tの間に前記物理系の状態を|0>から|1>へ変化させる量子情報処理方法であって、
Figure 0005367663
を満たすことを特徴とする量子情報処理方法。
For a physical system having the lower two states | 0>, | 1>, and the upper one state | 2>, two pulses that resonate with the | 0>-| 2> transition and | 1>-| 2> transition (hereinafter, A quantum information processing method for changing the state of the physical system from | 0> to | 1> during a movement time T by irradiating pulse 0 and pulse 1), respectively.
Figure 0005367663
The quantum information processing method characterized by satisfy | filling.
Figure 0005367663
を満たすことを特徴とする請求項1に記載の量子情報処理方法。
Figure 0005367663
The quantum information processing method according to claim 1, wherein:
Figure 0005367663
ことを特徴とする請求項1または2に記載の量子情報処理方法。
Figure 0005367663
The quantum information processing method according to claim 1 or 2.
Figure 0005367663
時刻tの指数関数に定数を加えた関数であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の量子情報処理方法。
Figure 0005367663
The quantum information processing method according to claim 1, wherein the quantum information processing method is a function obtained by adding a constant to an exponential function at time t.
電気光学効果素子、偏光ビームスプリッター及び音響光学効果素子を備えたSTIRAP用の複数のパルス波形を生成する手段と、前記生成された複数のパルスが照射されるターゲットとを有する量子情報処理装置において、
下記条件を満たすよう前記複数のパルス波形の生成を制御することを特徴とする量子情報処理装置。
Figure 0005367663
In a quantum information processing apparatus comprising: means for generating a plurality of pulse waveforms for STIRAP comprising an electro-optic effect element, a polarization beam splitter, and an acousto-optic effect element; and a target irradiated with the plurality of generated pulses.
A quantum information processing apparatus that controls generation of the plurality of pulse waveforms so as to satisfy the following condition.
Figure 0005367663
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