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特表2024-509691二色のエンタングルメントソースを使用して量子遠距離通信を実行するためのシステムおよび方法

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-03-05

(54)【発明の名称】二色のエンタングルメントソースを使用して量子遠距離通信を実行するためのシステムおよび方法

(51)【国際特許分類】

G02F 1/355 20060101AFI20240227BHJP

B82Y 10/00 20110101ALI20240227BHJP

B82Y 20/00 20110101ALI20240227BHJP

G06N 10/40 20220101ALI20240227BHJP

H04B 10/70 20130101ALN20240227BHJP

【ＦＩ】

G02F1/355

B82Y10/00

B82Y20/00

G06N10/40

H04B10/70

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023546336

(86)(22)【出願日】2022-01-28

(85)【翻訳文提出日】2023-08-29

(86)【国際出願番号】 US2022014250

(87)【国際公開番号】W WO2022165134

(87)【国際公開日】2022-08-04

(31)【優先権主張番号】63/143,740

(32)【優先日】2021-01-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523033051

【氏名又は名称】クネクトインコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＱＵＮＮＥＣＴ，ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田博宣

(74)【代理人】

【識別番号】100142907

【弁理士】

【氏名又は名称】本田淳

(72)【発明者】

【氏名】セケルスキー、ローク

(72)【発明者】

【氏名】リチャードソン、アニタ

(72)【発明者】

【氏名】ナマジ、メディ

(72)【発明者】

【氏名】フラメント、マエル

(72)【発明者】

【氏名】ワン、ヤン

(72)【発明者】

【氏名】クラドック、アレクサンダー

【テーマコード（参考）】

2K102

5K102

【Ｆターム（参考）】

2K102AA09

2K102AA37

2K102BA01

2K102BB05

2K102BC01

2K102BD04

2K102DA06

2K102DB03

2K102DD10

2K102EB02

2K102EB10

2K102EB12

2K102EB20

2K102EB30

5K102AB11

5K102AK02

5K102PB11

5K102PC11

5K102PH22

5K102PH24

5K102PH31

5K102PH49

5K102RB02

5K102RB04

5K102RB06

(57)【要約】

二色のエンタングルされた光子対を生成するためのシステムおよび方法が記載されている。システムは、第１および第２のレーザビームのビーム経路内に配置された原子種の原子を含む原子蒸気セルを含む。第１および第２のレーザビームは、第１および第２のレーザビームが原子蒸気セル内で四光波混合プロセスを生じさせるように、原子種の第１および第２の原子遷移に共鳴する第１および第２の波長に調整される。四光波混合プロセスの結果として、第３および第４の波長を有するエンタングルされた光子対が生成され、原子蒸気セルから出力される。第１および第２の波長は、原子蒸気セル内に電磁誘起透過（ＥＩＴ）を形成するように選択され得、ＥＩＴは、第３の波長において原子蒸気セル内に透過媒体を形成して、スペクトル輝度および／または光子線幅を向上させる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンタングルされた光子の対を生成するためのデバイスであって、
第１のレーザビームおよび第２のレーザビームのビーム経路内に配置された第１の原子蒸気セルを備え、前記第１の原子蒸気セルは、前記第１のレーザビームおよび前記第２のレーザビームの光子によって生じる励起に応答して前記エンタングルされた光子の対を生成するように構成された原子種の原子を含んでおり、
前記原子種は、第１の原子遷移および第２の原子遷移を含んでおり、
前記第１のレーザビームは第１の波長を有しており、前記第１の波長は前記第１の原子遷移と共鳴するように調整されており、
前記第２のレーザビームは第２の波長を有しており、前記第２の波長は前記第１の波長とは異なり、かつ前記第２の原子遷移と共鳴するように調整されており、
前記第１および第２の波長は、前記第１の原子蒸気セルにおける四光波混合プロセスに関する条件を満たしている、デバイス。

【請求項2】

前記エンタングルされた光子の対の光子は、１０ＭＨｚ～５００ＭＨｚの範囲の光子線幅を有する、請求項１に記載のデバイス。

【請求項3】

前記デバイスは、２０ｓ^－１／ＭＨｚ～２００ｓ^－１／ＭＨｚの範囲のスペクトル輝度を有する前記エンタングルされた光子の対を生成するように構成される、請求項１に記載のデバイス。

【請求項4】

前記エンタングルされた光子の対は、第１の光子および第２の光子を含んでおり、前記デバイスは、前記第１の光子および／または前記第２の光子のビーム経路内に配置されたファブリーペローエタロンをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項5】

前記エンタングルされた光子の対は、第１の光子および第２の光子を含んでおり、前記デバイスは、前記第１の光子および／または前記第２の光子のビーム経路内に配置されたダイクロイックミラーをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項6】

前記第１のレーザビームを生成するように構成された第１のレーザと、
前記第２のレーザビームを生成するように構成された第２のレーザと、をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項7】

前記第１のレーザビームおよび前記第２のレーザビームは、前記第１の原子蒸気セル内の位置において交差する請求項１に記載のデバイス。

【請求項8】

前記第１のレーザビームは、前記第１の原子蒸気セルの面に垂直な第１の方向に沿って前記第１の原子蒸気セルに入射するように配置されており、
前記第２のレーザビームは、第２の方向に沿って前記第１の原子蒸気セルに入射するように配置されており、前記第２の方向は、前記第１の方向と前記第２の方向との間の０°より大きく、かつ５°以下の角度によって規定されている、請求項７に記載のデバイス。

【請求項9】

第１および第２のレーザと前記第１の原子蒸気セルとの間に配置された少なくとも１つの音響光学偏向器（以下、ＡＯＤとする）をさらに備え、前記少なくとも１つのＡＯＤは、前記第１および第２のレーザビームを偏向させて、少なくとも１つの軸に沿って空間パターンを形成するように構成されている、請求項１に記載のデバイス。

【請求項10】

前記エンタングルされた光子の対は、第３の波長を有する第１の光子と、第４の波長を有する第２の光子とを含んでいる、請求項１に記載のデバイス。

【請求項11】

前記第３の波長は、７５０ｎｍ～８５０ｎｍの範囲内であり、
前記第４の波長は、１３００ｎｍ～１６００ｎｍの範囲である、請求項１０に記載のデバイス。

【請求項12】

前記第３の波長は、約７９５ｎｍであり、
前記第４の波長は、約１３２４ｎｍまたは約１４７６ｎｍである、請求項１１に記載のデバイス。

【請求項13】

前記第３の波長は、約７８０ｎｍであり、
前記第４の波長は、約１３６７ｎｍまたは約１５２９ｎｍである、請求項１１に記載のデバイス。

【請求項14】

前記第３の波長および前記第４の波長は、７５０ｎｍ～８５０ｎｍの範囲内にある、請求項１０に記載のデバイス。

【請求項15】

前記第３の波長は、約７９５ｎｍであり、
前記第４の波長は、約７６２ｎｍである、請求項１４に記載のデバイス。

【請求項16】

前記第３の波長は、約７８０ｎｍであり、
前記第４の波長は、約７７６ｎｍである、請求項１４に記載のデバイス。

【請求項17】

前記第３の波長は、７５０ｎｍ～８５０ｎｍの範囲内であり、
前記第４の波長は、４５０ｎｍ～５５０ｎｍの範囲である、請求項１０に記載のデバイス。

【請求項18】

前記第３の波長は、約７９５ｎｍであり、
前記第４の波長は、約４７５ｎｍである、請求項１７に記載のデバイス。

【請求項19】

前記第３の波長は、約７８０ｎｍであり、
前記第４の波長は、約４８０ｎｍである、請求項１７に記載のデバイス。

【請求項20】

前記原子種がルビジウムを含んでいる、請求項１に記載のデバイス。

【請求項21】

第１のレーザの出力を前記第１の波長にロックし、第２のレーザの出力を前記第２の波長にロックするためのロックデバイスをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項22】

前記ロックデバイスは、
前記第１のレーザの出力に結合された第１のレーザ入力ポートと、
前記第２のレーザの出力に結合された第２のレーザ入力ポートと、
前記第１のレーザ入力ポートに入力された前記第１のレーザビームの一部を受け取り、前記第２のレーザ入力ポートに入力された前記第２のレーザビームの一部を受け取るように配置された第２の原子蒸気セルと、
前記第１のレーザビームの一部が前記第２の原子蒸気セルを通過した後に、前記第１のレーザビームの一部を受け取るように構成された第１の光検出器と、
前記第２のレーザビームの一部が前記第２の原子蒸気セルを通過した後に、前記第２のレーザビームの一部を受け取るように構成された第２の光検出器と、を含む、請求項２１に記載のデバイス。

【請求項23】

前記ロックデバイスは、ダイクロイックミラーをさらに備え、前記ダイクロイックミラーは、
前記第１のレーザビームの一部が前記第２の原子蒸気セルを通過した後に、前記第１のレーザビームの一部を前記第１の光検出器に反射し、
前記第２のレーザビームの一部を透過させるように構成されている、請求項２２に記載のデバイス。

【請求項24】

前記ロックデバイスは、１つまたは複数のビームスプリッタ部品をさらに含んでおり、前記１つまたは複数のビームスプリッタ部品は、
前記第１のレーザビームの一部を第１のビーム及び第２のビームに分割し、
前記第１のビームを前記第２の原子蒸気セルの第１の領域にダイレクトし、
前記第２のビームを前記第２の原子蒸気セルの第２の領域にダイレクトするように構成されている、請求項２２に記載のデバイス。

【請求項25】

前記ロックデバイスは、前記第２のビームが前記第２の原子蒸気セルの前記第２の領域を通過した後に、前記第２のビームを前記第２の光検出器にダイレクトするように構成された１つまたは複数のミラーをさらに含んでいる、請求項２４に記載のデバイス。

【請求項26】

前記１つまたは複数のビームスプリッタ部品は、前記第１のビームが前記第２の原子蒸気セルの前記第１の領域を通過した後に、前記第１のビームを前記第１の光検出器にダイレクトするようにさらに構成される、請求項２４に記載のデバイス。

【請求項27】

前記第２の原子蒸気セルは、
前記第２の原子蒸気セルの第１の領域および前記第２の原子蒸気セルの第２の領域において前記第１のレーザビームの一部を受け取り、
前記第２の原子蒸気セルの前記第１の領域において前記第２のレーザビームの一部を受け取るが、前記第２の原子蒸気セルの前記第２の領域において前記第２のレーザビームの一部を受け取らないように配置されている、請求項２２に記載のデバイス。

【請求項28】

前記第２の原子蒸気セルがルビジウム原子を含んでいる、請求項２２に記載のデバイス。

【請求項29】

前記第２の原子蒸気セルを加熱するように構成された少なくとも１つの加熱要素をさらに備える、請求項２２に記載のデバイス。

【請求項30】

エンタングルされた光子の対を生成するためのデバイスであって、
第１のレーザビームおよび第２のレーザビームのビーム経路内に配置された第１の原子蒸気セルを備え、前記第１の原子蒸気セルは、前記第１のレーザビームおよび前記第２のレーザビームの光子によって生じる励起に応答して前記エンタングルされた光子の対を生成するように構成された原子種の原子を含んでおり、
前記第１のレーザビームは第１の波長を有しており、
前記第２のレーザビームは第２の波長を有し、前記第２の波長は前記第１の波長とは異なっており、
前記エンタングルされた光子の対は、第３の波長を有する第１の光子と、第４の波長を有する第２の光子とを含んでおり、
前記第３の波長は、約７９５ｎｍであり、
前記第４の波長は、約１３２４ｎｍまたは約１４７６ｎｍであり、
前記第１の波長および前記第２の波長は、前記第１の原子蒸気セル内に電磁誘起透過（以下、ＥＩＴとする）を形成するための条件を満たしており、前記ＥＩＴは、前記第３の波長において前記第１の原子蒸気セル内に透過媒体を形成する、デバイス。

【請求項31】

前記原子種は、第１の原子遷移および第２の原子遷移を含んでおり、
前記第１の波長は、前記第１の原子遷移と共鳴するように調整されており、
前記第２の波長は、前記第２の原子遷移と共鳴するように調整されている、請求項３０に記載のデバイス。

【請求項32】

前記エンタングルされた光子の対の光子は、１０ＭＨｚ～５００ＭＨｚの範囲の光子線幅を有する、請求項３０に記載のデバイス。

【請求項33】

前記デバイスは、２０ｓ^－１／ＭＨｚ～２００ｓ^－１／ＭＨｚの範囲のスペクトル輝度を有する前記エンタングルされた光子の対を生成するように構成される、請求項３０に記載のデバイス。

【請求項34】

前記エンタングルされた光子の対は、第１の光子および第２の光子を含んでおり、前記デバイスは、前記第１の光子および／または前記第２の光子のビーム経路内に配置されたファブリーペローエタロンをさらに備える、請求項３０に記載のデバイス。

【請求項35】

前記エンタングルされた光子の対は、第１の光子および第２の光子を含んでおり、前記デバイスは、前記第１の光子および／または前記第２の光子のビーム経路内に配置されたダイクロイックミラーをさらに備える、請求項３０に記載のデバイス。

【請求項36】

前記第１のレーザビームを生成するように構成された第１のレーザと、
前記第２のレーザビームを生成するように構成された第２のレーザと、をさらに備える、請求項３０に記載のデバイス。

【請求項37】

前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームは、前記第１の原子蒸気セル内の位置において交差する、請求項３０に記載のデバイス。

【請求項38】

【請求項39】

第１および第２のレーザと前記第１の原子蒸気セルとの間に配置された少なくとも１つの音響光学偏向器（以下、ＡＯＤとする）をさらに備え、前記少なくとも１つのＡＯＤは、前記第１および第２のレーザビームを偏向させて、少なくとも１つの軸に沿って空間パターンを形成するように構成されている、請求項３０に記載のデバイス。

【請求項40】

前記原子種がルビジウムを含んでいる、請求項３０に記載のデバイス。

【請求項41】

第１のレーザの出力を前記第１の波長にロックし、第２のレーザの出力を前記第２の波長にロックするためのロックデバイスをさらに備える、請求項３０に記載のデバイス。

【請求項42】

前記ロックデバイスは、
前記第１のレーザの出力に結合された第１のレーザ入力ポートと、
前記第２のレーザの出力に結合された第２のレーザ入力ポートと、
前記第１のレーザ入力ポートに入力された前記第１のレーザビームの一部を受け取り、かつ前記第２のレーザ入力ポートに入力された前記第２のレーザビームの一部を受け取るように配置された第２の原子蒸気セルと、
前記第１のレーザビームの一部が前記第２の原子蒸気セルを通過した後に、前記第１のレーザビームの一部を受け取るように構成された第１の光検出器と、
前記第２のレーザビームの一部が前記第２の原子蒸気セルを通過した後に、前記第２のレーザビームの一部を受け取るように構成された第２の光検出器と、を含む、請求項４１に記載のデバイス。

【請求項43】

前記ロックデバイスは、
前記第１のレーザビームの一部が前記第２の原子蒸気セルを通過した後に、前記第１のレーザビームの一部を前記第１の光検出器に反射し、
前記第２のレーザビームの一部を透過させるように構成されたダイクロイックミラーをさらに含んでいる、請求項４２に記載のデバイス。

【請求項44】

【請求項45】

前記ロックデバイスは、前記第２のビームが前記第２の原子蒸気セルの前記第２の領域を通過した後に、前記第２のビームを前記第２の光検出器にダイレクトするように構成された１つまたは複数のミラーをさらに含んでいる、請求項４４に記載のデバイス。

【請求項46】

前記１つまたは複数のビームスプリッタ部品は、前記第１のビームが前記第２の原子蒸気セルの前記第１の領域を通過した後に、前記第１のビームを前記第１の光検出器にダイレクトするようにさらに構成される、請求項４４に記載のデバイス。

【請求項47】

【請求項48】

前記第２の原子蒸気セルがルビジウム原子を含んでいる、請求項４２に記載のデバイス。

【請求項49】

前記第２の原子蒸気セルを加熱するように構成された少なくとも１つの加熱要素をさらに備える、請求項４２に記載のデバイス。

【請求項50】

エンタングルされた光子の対を生成する方法であって、
第１のレーザを使用して、第１の波長を有する第１のレーザビームを生成するステップと、
第２のレーザを使用して、前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２のレーザビームを生成するステップと、
前記第１のレーザビームおよび前記第２のレーザビームを、原子種の原子蒸気を含む第１の原子蒸気セルを通過させることによって、前記第１の原子蒸気セル内に四光波混合プロセスを生じさせるステップと、
前記四光波混合プロセスの結果として、前記エンタングルされた光子の対を生成するステップと、を含み、
前記エンタングルされた光子の対を生成するステップは、第３の波長を有する第１の光子および第４の波長を有する第２の光子を生成することを含んでおり、前記第１の波長は約７９５ｎｍであり、前記第２の波長は約１３２４ｎｍまたは約１４４９ｎｍである、方法。

【請求項51】

前記原子種は、第１の原子遷移および第２の原子遷移を含んでおり、
前記第１の波長は、前記第１の原子遷移と共鳴するように調整されており、
前記第２の波長は、前記第２の原子遷移と共鳴するように調整されている、請求項５０に記載の方法。

【請求項52】

前記第１のレーザビームを生成するステップは、約７８０ｎｍである前記第１の波長を有する前記第１のレーザビームを生成することを含んでおり、
前記第２のレーザビームを生成するステップは、約１３６７ｎｍまたは約１５２９ｎｍである前記第２の波長を有する前記第２のレーザビームを生成することを含んでいる、請求項５１に記載の方法。

【請求項53】

前記エンタングルされた光子の対を生成するステップは、１０ＭＨｚ～１００ＧＨｚの範囲の光子線幅を有するエンタングルされた光子の対を生成することを含んでいる、請求項５０に記載の方法。

【請求項54】

前記エンタングルされた光子の対を生成するステップは、２０ｓ^－１／ＭＨｚ～２００ｓ^－１／ＭＨｚの範囲のスペクトル輝度を有するエンタングルされた光子の複数の対を生成することを含んでいる、請求項５０に記載の方法。

【請求項55】

前記原子種の前記第１の原子遷移が、前記第１の原子蒸気セル内の原子の基底状態から第１の励起状態への励起を含んでおり、
前記原子種の前記第２の原子遷移が、前記第１の原子蒸気セル内の原子の前記第１の励起状態から第２の励起状態への励起を含んでいる、請求項５１に記載の方法。

【請求項56】

前記原子種がルビジウムを含んでいる、請求項５０に記載の方法。

【請求項57】

前記第１のレーザビームおよび前記第２のレーザビームを前記第１の原子蒸気セルを通過させるステップは、
前記第１のレーザビームを、前記第１の原子蒸気セルの面に垂直な第１の方向に沿って前記第１の原子蒸気セルを通過させること、
前記第２のレーザビームを第２の方向に沿って前記第１の原子蒸気セルを通過させることを含んでおり、前記第２の方向は、前記第１の方向と前記第２の方向との間の０°より大きく、かつ５°以下の角度によって規定されている、請求項５０に記載の方法。

【請求項58】

少なくとも１つのファブリーペローエタロンを使用して、前記エンタングルされた光子の対の光子をフィルタリングするステップをさらに含む、請求項５０に記載の方法。

【請求項59】

前記第１のレーザビームからの光の一部を第２の原子蒸気セルを通過させて第１の光検出器および第２の光検出器にダイレクトすること、
前記第２のレーザビームからの光の一部を前記第２の原子蒸気セルを通過するようにダイレクトすること、
前記第２の原子蒸気セルの原子による特性遷移周波数での前記第１のレーザビームからの前記光の一部の減衰量を示す、前記第１の光検出器によって生成された信号に基づいて、前記第１の波長において前記第１のレーザビームをロックすること、
前記第２の原子蒸気セルの原子による前記特性遷移周波数での前記第１のレーザビームからの前記光の一部の減衰量を示す、前記第２の光検出器によって生成された信号に基づいて、前記第２の波長において前記第２のレーザビームをロックすることによって、前記第１のレーザビームを前記第１の波長にロックし、前記第２のレーザビームを前記第２の波長にロックするステップをさらに含む、請求項５０に記載の方法。

【請求項60】

前記第１の波長において前記第１のレーザビームをロックすることは、前記第１のレーザに入力される電圧を変調すること、前記第１の光検出器によって生成された前記信号に基づいて生成された第１の誤差信号を測定することを含んでいる、請求項５９に記載の方法。

【請求項61】

前記第２の波長において前記第２のレーザビームをロックすることは、前記第２の光検出器によって生成される前記信号のより大きな減衰を生じさせる前記第２のレーザに入力される電圧を識別することを含む、請求項６０に記載の方法。

【請求項62】

前記第１のレーザビームからの光の一部は非偏光であり、前記第２のレーザビームからの光の一部は非偏光である、請求項５９に記載の方法。

【請求項63】

前記第２のレーザビームからの光の一部は、前記第１または第２の光検出器のいずれにも入射されない、請求項５９に記載の方法。

【請求項64】

前記第１のレーザビームからの光の一部は、前記第２の原子蒸気セルの第１および第２の領域を通過するようにダイレクトされ、前記第２のレーザビームからの光の一部は、前記第２の原子蒸気セルの前記第２の領域ではなく前記第１の領域を通過するようにダイレクトされる、請求項５９に記載の方法。

【請求項65】

前記第２の原子蒸気セルがルビジウム原子を含んでいる、請求項６４に記載の方法。

【請求項66】

エンタングルされた光子対を生成するためのデバイスであって、
第１の波長を有する第１のレーザビームを出力するように構成された第１のレーザと、
第２の波長を有する第２のレーザビームを出力するように構成された第２のレーザと、
前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームを受け取るように構成された干渉計と、
前記干渉計のビーム経路内に配置され、かつ前記エンタングルされた光子対を生成するように構成された原子蒸気セルと、を備えるデバイス。

【請求項67】

前記エンタングルされた光子対は、第２の光子とエンタングルされた第１の光子を含んでおり、前記第１の光子は前記第１の波長を有しており、前記第２の光子は前記第２の波長を有している、請求項６６に記載のデバイス。

【請求項68】

前記第１の波長は、１２６０ｎｍ～１６７５ｎｍの範囲の遠距離通信波長を含んでいる、請求項６７に記載のデバイス。

【請求項69】

前記第１の波長は、約１３２４ｎｍであり、前記第２の波長は、約７９５ｎｍである、請求項６７に記載のデバイス。

【請求項70】

前記第１の波長および前記第２の波長は、前記原子蒸気セル内の原子蒸気の原子遷移準位に調整される、請求項６７に記載のデバイス。

【請求項71】

前記干渉計は、前記第１のレーザビームおよび前記第２のレーザビームを使用して、反対方向に伝搬する水平偏光および垂直偏光のレーザビームを生成するように構成される、請求項６６に記載のデバイス。

【請求項72】

前記原子蒸気セルは、前記干渉計によって生成された反対方向に伝搬するレーザビームを使用して、前記エンタングルされた光子対を生成するように構成される、請求項７１に記載のデバイス。

【請求項73】

前記原子蒸気セルは、四光波混合を使用して、前記エンタングルされた光子対を生成するように構成される、請求項７２に記載のデバイス。

【請求項74】

前記第１および第２のレーザと前記干渉計との間にあるレンズをさらに備え、前記レンズは、前記第１のレーザビームおよび前記第２のレーザビームを前記干渉計内の焦点に集束させるように構成される、請求項６６に記載のデバイス。

【請求項75】

前記原子蒸気セルは、前記焦点に配置される、請求項７４に記載のデバイス。

【請求項76】

前記第１および第２のレーザと前記レンズとの間に配置された少なくとも１つの音響光学偏向器（ＡＯＤ）をさらに備え、前記少なくとも１つのＡＯＤは、前記第１および第２のレーザビームを偏向させて、少なくとも１つの軸に沿って空間パターンを形成するように構成されている、請求項７４に記載のデバイス。

【請求項77】

前記少なくとも１つのＡＯＤは、前記第１および第２のレーザビームを偏向させて２つの軸に沿って空間パターンを形成するように構成された２つのＡＯＤを含んでいる、請求項７６に記載のデバイス。

【請求項78】

前記干渉計は、
第１の偏光ビームスプリッタであって、前記第１の偏光ビームスプリッタの直交面に入射する前記第１および第２のレーザビームを受け取るように配置され、かつ同じ光路に沿って共伝搬するように前記第１および第２のレーザビームを結合するように構成されている、前記第１の偏光ビームスプリッタと、
第２の偏光ビームスプリッタであって、前記第２の偏光ビームスプリッタの同じ面に入射する共伝搬する第１および第２のレーザビームを受け取るように配置され、かつ前記第２の偏光ビームスプリッタの２つの直交面から前記第１および第２のレーザビームの水平偏光成分または垂直偏光成分を含む別々のレーザビームを出力するように構成されている、前記第２の偏光ビームスプリッタと、を含んでおり、
前記ビーム経路は、前記別々のレーザビームを同じ長さの光路を進行させることによって前記第２のビームスプリッタに帰還させるように構成された循環光路である、請求項６６に記載のデバイス。

【請求項79】

前記干渉計は、サニャック干渉計を含んでいる、請求項６６に記載のデバイス。

【請求項80】

前記原子蒸気セルは、気密セルおよび光学的に透明な壁を含む、請求項６６に記載のデバイス。

【請求項81】

前記原子蒸気セルは、１つまたは複数の真空部品および／または冷却部品に結合されており、前記原子蒸気セルは、閉じ込められた蒸気領域内に原子集団を光学的にトラップするように構成されており、前記原子蒸気セルは、前記原子蒸気セルを介した光の多方向通過を可能にするように構成された複数のポートを含んでいる、請求項６６に記載のデバイス。

【請求項82】

前記原子蒸気セル内に配置された原子集団の原子が、導波路を備えるチップ上に配置されるか、または中空光ファイバ内に配置される、請求項６６に記載のデバイス。

【請求項83】

量子ネットワーキングを実行する方法であって、
第１の位置にある第１のデバイスを使用して第１の二色のエンタングルされた光子対を生成するステップと、
前記第１の位置とは異なる第２の位置に配置された第２のデバイスを使用して第２の二色のエンタングルされた光子対を生成するステップと、
前記第１および第２の二色のエンタングルされた光子対の各々の第１の光子を、前記第１および第２の位置にそれぞれある個別の量子メモリデバイスに保存するステップと、
前記第１および第２の二色のエンタングルされた光子対の各々からの第２の光子を、前記第１および第２の位置とは異なる第３の位置に配置された第１の二光子干渉測定デバイスに伝送するステップと、
伝送された前記第２の光子および前記第１の二光子干渉測定デバイスにおいて二光子干渉測定を実行することによって、前記第１及び第２の位置に保存された前記第１の光子の状態をエンタングルして、新たにエンタングルされた光子対を形成するステップと、を含む方法。

【請求項84】

前記第１および第２の二色のエンタングルされた光子対の各々を生成することは、
第１の波長を有する第１のレーザビームと、第２の波長を有する第２のレーザビームとを、原子蒸気を含む原子蒸気セルを通過させることによって、前記原子蒸気セル内に四光波混合プロセスを生じさせることを含んでおり、前記第１の波長は、前記原子蒸気の第１の原子遷移の周波数に対応しており、前記第２の波長は、前記原子蒸気の第２の原子遷移の周波数に対応している、請求項８３に記載の方法。

【請求項85】

前記第１の光子は、前記第１の波長を有しており、
前記第２の光子は、前記第２の波長を有しており、
前記第１の波長は、近赤外波長であり、
前記第２の波長は、赤外波長である、請求項８４に記載の方法。

【請求項86】

前記第１の波長は、７９５ｎｍであり、前記第２の波長は、１３２４ｎｍである、請求項８５に記載の方法。

【請求項87】

前記第２の光子を伝送することは、ＧＰＳ同期デバイスからタイミング信号を受信した後に行われる、請求項８３に記載の方法。

【請求項88】

前記第２の光子は、光ファイバを介して前記第１の二光子干渉測定デバイスに伝送される、請求項８３に記載の方法。

【請求項89】

第１のエンタングルされた光子対の保存された前記第１の光子のうちの１つを第２の二光子干渉測定デバイスに伝送するステップと、
第２のエンタングルされた光子対の保存された第１光子を前記第２の二光子干渉測定デバイスに伝送するステップと、
前記第２の二光子干渉測定デバイス及び伝送された前記第１の光子を使用して二光子干渉測定を実行することによって、前記第１のエンタングルされた光子対の他の保存された第１の光子を前記第２のエンタングルされた光子対の別の保存された第１の光子とエンタングルさせるステップと、をさらに含む、請求項８３に記載の方法。

【請求項90】

量子情報を伝送する方法であって、
複数の二色のエンタングルされた光子対を生成するステップと、前記複数の二色のエンタングルされた光子対の各々は、異なる位置に配置され、かつ第１の周波数を有する第１の光子と第２の周波数を有する第２の光子とを含んでおり、
個別の異なる位置において各二色のエンタングルされた光子対の前記第１の光子を保存するステップと、
各二色のエンタングルされた光子対の前記第２の光子を第１の中間位置に伝送するステップと、各第１の中間位置が２つの第２の光子を受け取り、
前記第１の中間位置の各々において、第１の二光子干渉測定デバイスを使用して、受け取られた前記第２の光子の二光子干渉測定を実行するステップと、
前記第１の二光子干渉測定デバイスによる二光子干渉測定が成功裏に実行された場合に、保存された第１の光子の対の間に新たにエンタングルされた状態を形成するステップと、を含む方法。

【請求項91】

前記第１の光子の一部を第２の中間位置に伝送するステップと、各第２の中間位置が２つの第１の光子を受け取り、
前記第２の中間位置の各々において、第２の二光子干渉測定デバイスを使用して、受け取られた前記第１の光子の二光子干渉測定を実行するステップと、
前記第２の二光子干渉測定デバイスによる二光子干渉測定が成功裏に実行された場合に、保存された異なる第１の光子対の間に新たにエンタングルされた状態を形成するステップと、をさらに含む、請求項９０に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

量子ネットワークは、物理的に分離された量子プロセッサまたは他の量子デバイス（例えば、量子センサ）間の量子ビット（「キュービット（ｑｕｂｉｔ）」）の形態での情報の伝送を可能にする。量子ネットワークは、長距離にわたる光学量子通信を可能にするために使用され得、かつ情報が（例えば、偏光で）符号化される単一光子の伝送を通して、標準遠距離通信（ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）光ファイバを介して実施されることができる。任意の距離にわたる量子情報の信頼性のある伝送を可能にするために、追加の構成要素が必要とされ得る。

【発明の概要】

【0002】

以下は、本出願の一部の実施形態の非限定的な概要である。本出願の一部の態様は、エンタングルされた（ｅｎｔａｎｇｌｅｄ）光子の対を生成するためのデバイスに関する。デバイスは、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームのビーム経路内に配置された第１の原子蒸気セルを備えており、第１の原子蒸気セルは、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームの光子によって生じる励起に応答してエンタングルされた光子の対を生成するように構成された原子種の原子を含んでおり、原子種は、第１の原子遷移および第２の原子遷移を含んでおり、第１のレーザビームは、第１の波長を有しており、第１の波長は、第１の原子遷移と共鳴するように調整されており、第２のレーザビームは、第２の波長を有しており、第２の波長は、第１の波長とは異なり、かつ第２の原子遷移と共鳴するように調整されており、第１および第２の波長は、第１の原子蒸気セルにおける四光波混合（ｆｏｕｒ－ｗａｖｅｍｉｘｉｎｇ）プロセスに関する条件を満たしている。

【0003】

本出願の一部の態様は、エンタングルされた光子の対を生成するためのデバイスに関する。デバイスは、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームのビーム経路内に配置された第１の原子蒸気セルを備えており、第１の原子蒸気セルは、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームの光子によって生じる励起に応答してエンタングルされた光子の対を生成するように構成された原子種の原子を含んでおり、第１のレーザビームは、第１の波長を有しており、第２のレーザビームは、第２の波長を有しており、第２の波長は、第１の波長とは異なっており、エンタングルされた光子の対は、第３の波長を有する第１の光子と、第４の波長を有する第２の光子とを含んでおり、第３の波長は、約７９５ｎｍであり、第４の波長は、約１３２４ｎｍまたは約１４７６ｎｍであり、第１の波長および第２の波長は、第１の原子蒸気セル内に電磁誘起透過（ＥＩＴ：ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ－ｉｎｄｕｃｅｄｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）を形成するための条件を満たしており、ＥＩＴは、第３の波長において第１の原子蒸気セル内に透過媒体を形成する。

【0004】

一部の実施形態では、エンタングルされた光子の対の光子は、１０ＭＨｚ～５００ＭＨｚの範囲の光子線幅を有する。一部の実施形態では、エンタングルされた光子の対の光子は、１０ＭＨｚ～１００ＧＨｚの範囲の光子線幅を有する。

【0005】

一部の実施形態では、デバイスは、２０ｓ^－１／ＭＨｚ～２００ｓ^－１／ＭＨｚの範囲のスペクトル輝度を有するエンタングルされた光子の対を生成するように構成される。
一部の実施形態では、エンタングルされた光子の対は、第１の光子および第２の光子を含んでおり、デバイスは、第１の光子および／または第２の光子のビーム経路内に配置されたファブリーペローエタロンをさらに備える。

【0006】

一部の実施形態では、エンタングルされた光子の対は、第１の光子および第２の光子を含んでおり、デバイスは、第１の光子および／または第２の光子のビーム経路内に配置されたダイクロイックミラーをさらに備える。

【0007】

一部の実施形態では、デバイスは、第１のレーザビームを生成するように構成された第１のレーザと、第２のレーザビームを生成するように構成された第２のレーザと、をさらに備える。

【0008】

一部の実施形態では、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームは、第１の原子蒸気セル内の位置において交差する。一部の実施形態では、第１のレーザビームは、第１の原子蒸気セルの面に垂直な第１の方向に沿って第１の原子蒸気セルに入射するように配置されており、第２のレーザビームは、第２の方向に沿って第１の原子蒸気セルに入射するように配置されており、第２の方向は、第１の方向と第２の方向との間の０°より大きく、かつ５°以下の角度によって規定されている。

【0009】

一部の実施形態では、デバイスは、第１および第２のレーザと第１の原子蒸気セルとの間に配置された少なくとも１つの音響光学偏向器（ＡＯＤ：ａｃｏｕｓｔｉｃｏｐｔｉｃａｌｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）をさらに備え、少なくとも１つのＡＯＤは、第１および第２のレーザビームを偏向させて、少なくとも１つの軸に沿って空間パターンを形成するように構成されている。

【0010】

一部の実施形態では、エンタングルされた光子の対は、第３の波長を有する第１の光子と、第４の波長を有する第２の光子とを含む。
一部の実施形態では、第３の波長は、７５０ｎｍ～８５０ｎｍの範囲内であり、第４の波長は、１３００ｎｍ～１６００ｎｍの範囲内である。一部の実施形態では、第３の波長は、約７９５ｎｍであり、第４の波長は、約１３２４ｎｍまたは約１４７６ｎｍである。一部の実施形態では、第３の波長は、約７８０ｎｍであり、第４の波長は、約１３６７ｎｍまたは約１５２９ｎｍである。

【0011】

一部の実施形態では、第３の波長および第４の波長は、７５０ｎｍ～８５０ｎｍの範囲内にある。一部の実施形態では、第３の波長は、約７９５ｎｍであり、第４の波長は、約７６２ｎｍである。一部の実施形態では、第３の波長は、約７８０ｎｍであり、第４の波長は、約７７６ｎｍである。

【0012】

一部の実施形態では、第３の波長は、７５０ｎｍ～８５０ｎｍの範囲内であり、第４の波長は、４５０ｎｍ～５５０ｎｍの範囲内である。一部の実施形態では、第３の波長は、約７９５ｎｍであり、第４の波長は、約４７５ｎｍである。一部の実施形態では、第３の波長は、約７８０ｎｍであり、第４の波長は、約４８０ｎｍである。

【0013】

一部の実施形態では、原子種はルビジウムを含む。
一部の実施形態では、デバイスは、第１のレーザの出力を第１の波長にロックし、第２のレーザの出力を第２の波長にロックするためのロックデバイスをさらに備える。

【0014】

一部の実施形態では、ロックデバイスは、第１のレーザの出力に結合された第１のレーザ入力ポートと、第２のレーザの出力に結合された第２のレーザ入力ポートと、第１のレーザ入力ポートに入力された第１のレーザビームの一部を受け取り、かつ第２のレーザ入力ポートに入力された第２のレーザビームの一部を受け取るように構成された第２の原子蒸気セルと、第１のレーザビームの一部が第２の原子蒸気セルを通過した後に第１のレーザビームの一部を受け取るように構成された第１の光検出器と、第２のレーザビームの一部が第２の原子蒸気セルを通過した後に第２のレーザビームの一部を受け取るように構成された第２の光検出器と、を含む。

【0015】

一部の実施形態では、ロックデバイスは、第１のレーザビームの一部が第２の原子蒸気セルを通過した後に、第１のレーザビームの一部を第１の光検出器上に反射し、第２のレーザビームの一部を透過させるように構成されたダイクロイックミラーをさらに含む。

【0016】

一部の実施形態では、ロックデバイスは、第１のレーザビームの一部を第１のビームおよび第２のビームに分割し、第１のビームを第２の原子蒸気セルの第１の領域にダイレクトし（ｄｉｒｅｃｔ）、第２のビームを第２の原子蒸気セルの第２の領域にダイレクトするように構成された１つまたは複数のビームスプリッタ部品をさらに含む。

【0017】

一部の実施形態では、ロックデバイスは、第２のビームが第２の原子蒸気セルの第２の領域を通過した後に、第２のビームを第２の光検出器にダイレクトするように構成された１つまたは複数のミラーをさらに含む。

【0018】

一部の実施形態では、１つまたは複数のビームスプリッタ部品は、第１のビームが第２の原子蒸気セルの第１の領域を通過した後に、第１のビームを第１の光検出器にダイレクトするようにさらに構成される。

【0019】

一部の実施形態では、第２の原子蒸気セルは、第２の原子蒸気セルの第１の領域および第２の原子蒸気セルの第２の領域において第１のレーザビームの一部を受け取り、かつ第２の原子蒸気セルの第１の領域において第２のレーザビームの一部を受け取るが、第２の原子蒸気セルの第２の領域において第２のレーザビームの一部を受け取らないように配置されている。

【0020】

一部の実施形態では、第２の原子蒸気セルはルビジウム原子を含む。
一部の実施形態では、ロックデバイスは、第２の原子蒸気セルを加熱するように構成された少なくとも１つの加熱要素を含む。

【0021】

本出願の一部の態様は、エンタングルされた光子の対を生成する方法に関する。方法は、第１のレーザを用いて第１の波長を有する第１のレーザビームを生成するステップと、第２のレーザを用いて第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２のレーザビームを生成するステップと、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームを原子種の原子蒸気を含む第１の原子蒸気セルを通過させることによって、第１原子蒸気セル内に四光波混合プロセスを生じさせるステップと、四光波混合プロセスの結果として、エンタングルされた光子の対を生成するステップと、を含んでおり、エンタングルされた光子の対を生成するステップは、第３の波長を有する第１の光子と、第４の波長を有する第２の光子とを生成することを含んでおり、第１の波長は、約７９５ｎｍであり、第２の波長は、約１３２４ｎｍまたは約１４４９ｎｍである。

【0022】

一部の実施形態では、原子種は、第１の原子遷移および第２の原子遷移を含んでおり、第１の波長は、第１の原子遷移と共鳴するように調整され、第２の波長は、第２の原子遷移と共鳴するように調整される。

【0023】

一部の実施形態では、第１のレーザビームを生成するステップは、約７８０ｎｍである第１の波長を有する第１のレーザビームを生成することを含んでおり、第２のレーザビームを生成するステップは、約１３６７ｎｍまたは約１５２９ｎｍである第２の波長を有する第２のレーザビームを生成するステップを含んでいる。

【0024】

一部の実施形態では、エンタングルされた光子の対を生成するステップは、１０ＭＨｚ～１００ＧＨｚの範囲の光子線幅を有するエンタングルされた光子の対を生成することを含んでいる。一部の実施形態では、エンタングルされた光子の対を生成するステップは、１０ＭＨｚ～５００ＭＨｚの範囲の光子線幅を有するエンタングルされた光子の対を生成することを含んでいる。

【0025】

一部の実施形態では、エンタングルされた光子の対を生成するステップは、２０ｓ^－１／ＭＨｚ～２００ｓ^－１／ＭＨｚの範囲のスペクトル輝度を有するエンタングルされた光子の複数の対を生成することを含んでいる。

【0026】

一部の実施形態では、原子種の第１の原子遷移は、第１の原子蒸気セル内の原子の基底状態から第１の励起状態への励起を含んでおり、原子種の第２の原子遷移は、第１の原子蒸気セル内の原子の第１の励起状態から第２の励起状態への励起を含んでいる。

【0027】

一部の実施形態では、原子種はルビジウムを含む。
一部の実施形態では、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームを第１の原子蒸気セルを通過させることは、第１のレーザビームを第１の原子蒸気セルの面に垂直な第１の方向に沿って第１の原子蒸気セルを通過させること、および第２のレーザビームを第２の方向に沿って第１の原子蒸気セルを通過させることを含んでおり、第２の方向は、第１の方向と第２の方向との間の０°より大きく、かつ５°以下の角度によって規定されている。

【0028】

一部の実施形態では、方法は、少なくとも１つのファブリーペローエタロンを使用して、エンタングルされた光子の対の光子をフィルタリングするステップを含む。
一部の実施形態では、方法は、第１のレーザビームからの光の一部を第２の原子蒸気セルを通過させて第１の光検出器および第２の光検出器上にダイレクトすること、第２のレーザビームからの光の一部を第２の原子蒸気セルを通過するようにダイレクトすること、第２の原子蒸気セルの原子による特性遷移周波数での第１のレーザビームからの光の一部の減衰量を示す、第１の光検出器によって生成された信号に基づいて、第１の波長において第１のレーザビームをロックすること、第２の原子蒸気セルの原子による特性遷移周波数での第１のレーザビームからの光の一部の減衰量を示す、第２の光検出器によって生成された信号に基づいて、第２の波長において第２のレーザビームをロックすることによって、第１のレーザビームを第１の波長にロックし、第２のレーザビームを第２の波長にロックするステップをさらに含む。

【0029】

一部の実施形態では、第１の波長において第１のレーザビームをロックすることは、第１のレーザに入力される電圧を変調すること、第１の光検出器によって生成された信号に基づいて生成された第１の誤差信号を測定することを含んでいる。

【0030】

一部の実施形態では、第２の波長において第２のレーザビームをロックすることは、第２の光検出器によって生成される信号のより大きな減衰を生じさせる第２のレーザに入力される電圧を識別することを含んでいる。

【0031】

一部の実施形態では、第１のレーザビームからの光の一部は非偏光であり、第２のレーザビームからの光の一部は非偏光である。
一部の実施形態では、第２のレーザビームからの光の一部は、第１または第２の光検出器のいずれにも入射されない。

【0032】

一部の実施形態では、第１のレーザビームからの光の一部は、第２の原子蒸気セルの第１および第２の領域を通してダイレクトされ、第２のレーザビームからの光の一部は、第２の原子蒸気セルの第２の領域ではなく、第１の領域を通過するようにダイレクトされる。

【0033】

一部の実施形態では、第２の原子蒸気セルはルビジウム原子を含む。
本出願の一部の態様は、エンタングルされた光子対を生成するためのデバイスに関する。デバイスは、第１の波長を有する第１のビームを出力するように構成された第１のレーザと、第２の波長を有する第２のビームを出力するように構成された第２のレーザと、第１のビームおよび第２のビームを受け取るように構成された干渉計と、干渉計のビーム経路内に配置され、かつエンタングルされた光子対を生成するように構成された原子蒸気セルとを備える。

【0034】

一部の実施形態では、二色のエンタングルされた光子対は、第１の光子とエンタングルされた第１の光子を含み、第１の光子は第１の波長を有しており、第２の光子は第２の波長を有している。

【0035】

一部の実施形態では、第１の波長は、１２６０ｎｍ～１６７５ｎｍの範囲内の遠距離通信（ｔｅｌｅｃｏｍ）波長を含んでいる。
一部の実施形態では、第１の波長は、約１３２４ｎｍであり、第２の波長は、約７９５ｎｍである。

【0036】

一部の実施形態では、第１の波長および第２の波長は、原子蒸気セル内の原子蒸気の原子遷移準位に調整される。
一部の実施形態では、干渉計は、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームを使用して、反対方向に伝搬する（ｃｏｕｎｔｅｒ－ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ）水平偏光および垂直偏光のレーザビームを生成するように構成される。

【0037】

一部の実施形態では、原子蒸気セルは、干渉計によって生成された反対方向に伝搬するレーザビームを使用してエンタングルされた光子対を生成するように構成される。
一部の実施形態では、原子蒸気セルは、四光波混合を使用して、エンタングルされた光子対を生成するように構成される。

【0038】

一部の実施形態では、デバイスは、第１および第２のレーザと干渉計との間にあるレンズをさらに備え、レンズは、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームを干渉計内の焦点に集束させるように構成される。一部の実施形態では、原子蒸気セルは焦点に配置される。

【0039】

一部の実施形態では、デバイスは、第１および第２のレーザとレンズとの間に配置された少なくとも１つの音響光学偏向器（ＡＯＤ）をさらに備え、少なくとも１つのＡＯＤは、第１および第２のレーザビームを偏向させて、少なくとも１つの軸に沿って空間パターンを形成するように構成されている。一部の実施形態では、少なくとも１つのＡＯＤは、第１および第２のレーザビームを偏向させて２つの軸に沿って空間パターンを形成するように構成された２つのＡＯＤを含んでいる。

【0040】

一部の実施形態では、干渉計は、第１の偏光ビームスプリッタであって、第１の偏光ビームスプリッタの直交面に入射する第１および第２のレーザビームを受け取るように配置され、かつ同じ光路に沿って共伝搬するように第１および第２のレーザビームを結合するように構成された第１の偏光ビームスプリッタと、第２の偏光ビームスプリッタであって、第２の偏光ビームスプリッタの同じ面に入射する共伝搬する第１および第２のレーザビームを受け取るように配置され、かつ第２の偏光ビームスプリッタの２つの直交面から第１および第２のレーザビームの水平偏光成分または垂直偏光成分を含む別々のレーザビームを出力するように構成された第２の偏光ビームスプリッタと、を含んでおり、ビーム経路は、別々のレーザビームを同じ長さの光路を進行させることによって第２のビームスプリッタに帰還させるように構成された循環光路である。

【0041】

一部の実施形態では、干渉計は、サニャック干渉計を含んでいる。
一部の実施形態では、原子蒸気セルは、気密セルおよび光学的に透明な壁を含んでいる。

【0042】

一部の実施形態では、原子蒸気セルは、１つまたは複数の真空部品および／または冷却部品に結合されており、原子蒸気セルは、閉じ込められた蒸気領域内に原子集団（ａｔｏｍｉｃｃｌｏｕｄ）を光学的にトラップするように構成されており、原子蒸気セルは、原子蒸気セルを介した光の多方向通過を可能にするように構成されたポートを含んでいる。

【0043】

一部の実施形態では、原子蒸気セル内に配置された原子集団の原子は、導波路を備えるチップ上に配置されるか、または中空光ファイバ内に配置される。
本出願の一部の態様は、量子ネットワーキングを実行する方法に関する。方法は、第１の位置にある第１のデバイスを使用して第１の二色のエンタングルされた光子対を生成するステップと、第１の位置とは異なる第２の位置に配置された第２のデバイスを使用して第２の二色のエンタングルされた光子対を生成するステップと、第１および第２の二色のエンタングルされた光子対の各々の第１の光子を、第１および第２の位置にそれぞれある個別の量子メモリデバイスに保存するステップと、第１および第２の二色のエンタングルされた光子対の各々からの第２の光子を、第１および第２の位置とは異なる第３の位置に配置された第１の二光子干渉測定デバイスに伝送するステップと、伝送された第２の光子および第１の二光子干渉測定デバイスにおいて二光子干渉測定を実行することによって、第１および第２の位置に保存された第１の光子の状態をエンタングルして、新たにエンタングルされた光子対を形成するステップと、を含む。

【0044】

一部の実施形態では、第１および第２の二色のエンタングルされた光子対の各々を生成することは、第１の波長を有する第１のレーザビームと、第２の波長を有する第２のレーザビームとを、原子蒸気を含む原子蒸気セルを通過させることによって、原子蒸気セル内に四光波混合プロセスを生じさせることを含んでおり、第１の波長は、原子蒸気の第１の原子遷移の周波数に対応しており、第２の波長は、原子蒸気の第２の原子遷移の周波数に対応している。

【0045】

一部の実施形態において、第１の光子は第１の波長を有しており、第２の光子は第２の波長を有しており、第１の波長は、近赤外波長であり、第２の波長は、赤外波長である。
一部の実施形態では、第１の波長は、７９５ｎｍであり、第２の波長は、１３２４ｎｍである。

【0046】

一部の実施形態では、第２の光子を伝送することは、ＧＰＳ同期デバイスからタイミング信号を受信した後に行われる。
一部の実施形態では、第２の光子は、光ファイバを介して第１の二光子干渉測定デバイスに伝送される。

【0047】

一部の実施形態では、方法は、第１のエンタングルされた光子対の保存された第１の光子のうちの１つを第２の二光子干渉測定デバイスに伝送するステップと、第２のエンタングルされた光子対の保存された第１の光子を第２の二光子干渉測定デバイスに伝送するステップと、第２の二光子干渉測定デバイスおよび伝送された第１の光子を使用して二光子干渉測定を実行することによって、第１のエンタングルされた光子対の他の保存された第１の光子を第２のエンタングルされた光子対の別の保存された第１の光子とエンタングルさせるステップとをさらに含む。

【0048】

本出願の一部の態様は、量子情報を伝送する方法に関する。方法は、複数の二色のエンタングルされた光子対を生成するステップと、複数の二色のエンタングルされた光子対の各々は、異なる位置に配置され、かつ第１の周波数を有する第１の光子と第２の周波数を有する第２の光子とを含んでおり、個別の異なる位置において各二色のエンタングルされた光子対の第１の光子を保存するステップと、各二色のエンタングルされた光子対の第２の光子を第１の中間位置に伝送するステップと、各第１の中間位置が２つの第２の光子を受け取り、第１の中間位置の各々において、第１の二光子干渉測定デバイスを使用して、受け取られた第２の光子の二光子干渉測定を実行するステップと、第１の二光子干渉測定デバイスによる二光子干渉測定が成功裏に実行された場合に、保存された第１の光子の対の間に新たにエンタングルされた状態を形成するステップとを含む。

【0049】

一部の実施形態では、方法は、第１の光子の一部を第２の中間位置に伝送するステップと、各第２の中間位置が２つの第１の光子を受け取り、第２の中間位置の各々において、第２の二光子干渉測定デバイスを使用して、受け取られた第１の光子の二光子干渉測定を実行するステップと、第２の二光子干渉測定デバイスによる二光子干渉測定が成功裏に実行された場合に、保存された異なる第１の光子の対の間に新たにエンタングルされた状態を形成するステップとをさらに含む。

【図面の簡単な説明】

【0050】

添付の図面は、一定の縮尺で描かれることを意図していない。図面では、様々な図に示される同一またはほぼ同一の構成要素はそれぞれ、同様の数字によって表される。明確にするために、全ての図面において全ての構成要素に符号が付されているわけではない。図面は以下の通りである。

【図1】本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、二色のエンタングルされた光子対を生成するように構成され、かつ干渉計を含む二色の光子源（ｂｉｃｈｒｏｍａｔｉｃｐｈｏｔｏｎｓｏｕｒｃｅ）１００の概略図である。

【図2A-2B】本明細書に記載される技術の一部の実施形態による、生成された二色のエンタングルされた光子対の例示的な軌道を示す図である。

【図3A】本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、例示的な二光子崩壊経路を有するルビジウムの例示的なエネルギー準位図である。

【図3B-3D】本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、例示的な二光子崩壊経路を有するルビジウムの例示的なエネルギー準位図である。

【図4】本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、干渉計を含み、かつ多重化された二色のエンタングルされた光子対を生成するように構成された二色の光子源４００の概略図である。

【図5A】本明細書で説明される技術の一部の実施形態による、干渉計を有しておらず、かつ二色のエンタングルされた光子対を生成するように構成された別の二色の光子源５００の概略図である。

【図5B】本明細書に記載される技術の一部の実施形態による、ラックマウント型ハウジング内に配置された二色の光子源５００の説明図である。

【図6】生成された共鳴光子に対する原子蒸気セルによって生じるフィルタリングの効果を示す例示的なプロットを示す図である。

【図7】本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、二光子崩壊経路を有する原子種の別の例示的なエネルギー準位図である。

【図8】本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、共鳴時に原子蒸気セルの原子をポンピングすることによって開かれた透過窓を示す例示的なプロットを示す図である。

【図9A】本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、原子蒸気セルの原子が共鳴時にポンピングされる二色の光子源に対する光子線幅の調整可能な機能を示す例示的なシミュレーションプロットを示す図である。

【図9B】本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、原子蒸気セルの原子が共鳴時にポンピングされる二色の光子源に対する光子線幅の調整可能な機能を示す例示的な実験プロットを示す図である。

【図10】本明細書に説明される技術の一部の実施形態による、異なる光ポンプ出力に対する生成された光子の測定された同時発生（ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）を示す例示的な実験プロットを示す図である。

【図11A-11B】本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、二色の光子源の２つの出力光子アームに対して測定された二次自己相関関数（ｓｅｃｏｎｄ－ｏｒｄｅｒａｕｔｏ－ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｓ）を示すプロットを示す図である。

【図12A-12B】本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、出力光子のベル状態を確認する、二色の光子源の２つの出力光子アームに対して測定された同時発生を各アーム上に配置された偏光子の回転角に対して示すプロットを示す図である。

【図13】本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、エンタングルされた光子の対を生成するためのプロセス１３００を説明するフローチャートである。

【図14】本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、レーザの波長を安定化させるためのシステム１４００の概略図である。

【図15】本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、２つの異なるレーザを２つの異なる周波数にロックするための例示的なデバイス１５００の概略図である。

【図16A】本明細書に記載される技術の一部の実施形態による、ルビジウムの原子励起を示す図である。

【図16B】本明細書に説明される技術の一部の実施形態による、光検出器によって受信される信号の減衰を示す図である。

【図17A-17B】本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、例示的なロックデバイス１７００を示す図である。

【図18A-18B】本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、二色の光子源および量子メモリの概略ブロック図と、二色のエンタングルされた光子を生成し、対の光子を保存および伝送する例示的なプロセスとを示す図である。

【図19A-19B】本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、量子ネットワーク１９００の概略ブロック図、および量子ネットワーク１９００内に保存された光子をエンタングルする例示的なプロセスを示す図である。

【図19C】本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、量子ネットワーク１９００の概略ブロック図、および量子ネットワーク１９００内に保存された光子をエンタングルする例示的なプロセスを示す図である。

【図20A】本明細書に記載される技術の一部の実施形態による、複数のストレージノードを有する量子ネットワーク２０００の概略ブロック図、および量子ネットワーク２０００のエンドノードにおいて保存された光子をエンタングルする例示的なプロセスを示す図である。

【図20B-20C】本明細書に記載される技術の一部の実施形態による、複数のストレージノードを有する量子ネットワーク２０００の概略ブロック図、および量子ネットワーク２０００のエンドノードにおいて保存された光子をエンタングルする例示的なプロセスを示す図である。

【図20D】本明細書に記載される技術の一部の実施形態による、複数のストレージノードを有する量子ネットワーク２０００の概略ブロック図、および量子ネットワーク２０００のエンドノードにおいて保存された光子をエンタングルする例示的なプロセスを示す図である。

【図21】本明細書で説明される技術の一部の実施形態による、量子ネットワーク２１００の例証的な例を示す図である。

【図22】本明細書で説明される技術の一部の実施形態による、量子ネットワーキングを実行するためのプロセス２２００を説明するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0051】

本明細書では、二色のエンタングルされた光子対を生成し、前記二色のエンタングルされた光子対を使用して、遠距離通信ネットワークを介して量子情報を伝送するための技法について説明する。これらの技術は、原子蒸気の２つの原子遷移に調整された周波数を有するレーザビームの使用を含む。レーザビームは、原子蒸気の原子と相互作用し、四光波混合プロセスを介して、二色のエンタングルされた光子対を原子蒸気セルから放出させ、対の光子はそれぞれ異なる周波数を有する。次いで、二色のエンタングルされた光子対は、第１のノードおよび第２のノードにおいてそのような対を生成し、対の第１の光子を量子メモリに保存し、対の第２の光子を光ファイバを介して伝送し、受信した第２の光子の二光子干渉測定を実行して保存された第１の光子のエンタングルメントを生じさせ、それによって量子情報を第１のノードから第２のノードに転送することによって、量子情報を伝送するために使用され得る。

【0052】

量子通信は、情報の符号化、処理および転送を指数関数的に向上させるために、量子力学の特別な特性を活用する。最終目標が、量子コンピュータを接続すること、超精密センシング測定を実行すること、または量子保護通信ネットワークを形成することであるかどうかにかかわらず、全て、異種量子デバイスの接続に依存するであろう。そのようなデバイスは、多くの場合、本質的に通信互換性がなく、例えば、それらは、異なる周波数または空間モードを使用して動作し得る（例えば、自由空間または光ファイバを介して伝送する）。例えば、原子磁力計（ＡＭ：ａｔｏｍｉｃｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）は、ルビジウム（Ｒｂ）原子を使用して、Ｒｂ原子と相互作用する磁場の偏光状態の変化を検出することによって１０ｆＴ／√Ｈｚよりも良好な感度で磁場を測定する。ＡＭのアレイを偏光エンタングルされた光子源とネットワーク化することは、量子リピータに基づく長基線望遠鏡に対して提案されているものと同様に、測定感度を向上させるために望ましい。多くのアプリケーションは、分散センシング問題に対処するために共同で動作する複数のセンサを必要とする。

【0053】

しかしながら、ＡＭおよび他の原子ベースのセンサは、典型的には、光ファイバ通信のために一般的に使用される１３００ｎｍおよび／または１５５０ｎｍの代わりに、約７８０～７９５ｎｍの波長で動作するため、この実現は依然として困難なままである。同じ課題は、Ｒｂ原子を使用する室温量子メモリ、ならびに量子シミュレータおよびフォトニック位相変調器などの多くの他の原子技術でも直面している。量子デバイス間の通信は、量子技術が静的量子デバイスからモバイル量子デバイス（例えば、空中または海上量子ノード）に移行するにつれて、さらに複雑になる。これらのモバイルノードを互いに効率的に接続するために、近赤外（ＮＩＲ）波長（７８０～７９５ｎｍ）を有する光子は、光ファイバに適合する波長（例えば、赤外線波長）の光子と比較して、大気損失および外乱が低減されることが示されている。量子セキュアネットワークにおいてクロスデバイス周波数互換性を可能にするデバイスに対する重要で満たされていないニーズが存在する。

【0054】

加えて、周波数変換器は、量子デバイスと遠距離通信インフラストラクチャとの間の波長不整合に対処するために使用され得るが、周波数変換器は、典型的には、非線形結晶源に依存して、適切な波長の光子を生成する。非線形結晶によって生成されたこれらの光子は、それらの大きな線幅のために、原子モジュール、イオンモジュールまたは他の光子モジュールとインタフェースするために依然として適合しない可能性がある。例えば、非線形結晶によって生成された光子は、通常、１０ＴＨｚ程度の線幅を有し、これは、量子バッファ、シミュレータ、および原子プロセッサなどの原子デバイスまたはイオンデバイスによって使用される任意の線幅よりも著しく広い。量子コンピュータおよび量子センサは、典型的には、数ＭＨｚから数十ＭＨｚの線幅を有する光子と相互作用する。今日まで、このような狭い線幅は、商業的なエンタングルメントソースでは利用可能ではない。

【0055】

本発明者らは、特定の複数の原子種における原子遷移の複数の対を使用して、複数の遠距離通信波長および複数の自由空間通信波長において対応するエンタングルされた複数の光子対を生成し得ることを認識した。従って、本発明者らは、^８７Ｒｂおよび^８５Ｒｂ原子を使用する二色の光子源であって、二色のエンタングルされた光子対を生成するように構成された二色の光子源を開発した。これらの二色のエンタングルされた光子対は、偏光空間においてエンタングルされた光子を含むが、二色のエンタングルされた光子対の各光子は、異なる波長を有する。例えば、二色のエンタングルされた光子対の一方の光子は近赤外（ＮＩＲ）波長を有し、他方の光子は赤外波長を有する。二色の光子源は、２つの古典的なポンプ場からの（例えば、第１および第２のポンプレーザからの）光子を、互いにエンタングルされている２つの異なる波長の単一光子の対に変換するために、高温（ｗａｒｍ）原子蒸気セルにおける自発四光波混合（ＳＦＷＭ：ＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＦｏｕｒ－ＷａｖｅＭｉｘｉｎｇ）のプロセスを利用する。二色の光子源は、例えば、ファイバ伝送のための遠距離通信Ｏ、Ｓ、およびＣ帯域、ならびに量子バッファリング、処理、およびセンシングのためのＮＩＲを含む、広範囲の波長にアクセスするために、よく特徴付けられた（ｗｅｌｌ－ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ）Ｒｂ蒸気の原子遷移を使用し得る。

【0056】

一部の実施形態では、二色の光子源は、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームのビーム経路内に配置された原子蒸気セルを含む。第１の原子蒸気セルは、原子蒸気中に原子種（例えば、Ｒｂ、Ｃｓ、または任意の他の適切なアルカリ金属）の原子を含む。原子種の原子は、第１の原子遷移および第２の原子遷移を有し、かつ第１のレーザビームおよび第２のレーザビームの光子によって生じる光励起に応答してエンタングルされた光子の対を生成するように構成される。

【0057】

本発明者らはさらに、原子種の原子遷移と共鳴するようにポンプレーザの波長を調整することにより、原子蒸気セルのフィルタリング効果を軽減することができ、それによって、より狭い光子線幅を可能にすることを認識し、かつ理解した。例えば、ポンプレーザが、原子蒸気の原子共鳴波長ではないが、それに近い波長で動作されるとき、原子蒸気セルの原子は、フィルタとして機能して、二色のエンタングルされた光子対の出力および品質を低減させ得る。特に、ポンプレーザが、原子蒸気の原子共鳴波長に近いが、その波長ではない波長（例えば、約１～２ＧＨｚに対応するエネルギーだけ異なる）で動作されるとき、二色の光子対は、個別の共鳴に近い波長で放出される。しかしながら、原子蒸気は、近共鳴光子に対して光学的に厚く、従って、生成された光子は、原子蒸気セル内の原子によって複数回吸収および再放出され得る。この効果は、生成された光子のエンベロープ内に追加のノイズを発生させ、かつ生成される二色のエンタングルされた光子対の数を低減する。

【0058】

本発明者らはさらに、原子種の原子遷移と共鳴してポンプレーザを動作させることにより、光子線幅のカスタマイズが可能になることを認識し、かつ理解した。特に、生成された二色のエンタングルされた光子対の線幅は、ポンプレーザの出力（例えば、ＮＩＲポンプレーザの出力）に基づいて調整され得る。このようにして、光子線幅は、１０ＭＨｚ～１００ＧＨｚの範囲または１０ＭＨｚ～５００ＭＨｚの範囲でカスタマイズ可能であり得る。従って、一部の実施形態では、第１のレーザビームは、原子蒸気セル内の原子種の第１の原子遷移と共鳴するように調整された第１の波長を有し、第２のレーザビームは、原子蒸気セル内の原子種の第２の原子遷移と共鳴するように調整された第１の波長とは異なる第２の波長を有する。

【0059】

本発明者らはさらに、原子種の原子遷移と共鳴する波長でポンプレーザを動作させることが、原子蒸気セル内にＶ型の電磁誘起透過（ＥＩＴ）を形成するための条件を満たすことができることを認識、かつ理解した。このＥＩＴは、生成された二色のエンタングルされた光子対の第１の光子の波長において原子蒸気セル内に透過媒体を形成する。このＶ型のＥＩＴは、二色の光子源のスペクトル輝度を増加させるために利用することができる。例えば、本発明者らは、ポンプレーザの第１の波長および第２の波長が第１の原子蒸気セル内でＥＩＴを形成するための条件を満たす二色の光子源を動作させる技術を開発した。ＥＩＴは、二色の光子源のスペクトル輝度を２０～２００ｓ^－１ＭＨｚ^－１の範囲内で増加させることができるように、二色のエンタングルされた光子対の一方の光子の波長において第１の原子蒸気セル内に透過媒体を形成する。

【0060】

一部の実施形態では、エンタングルメントソースは、（例えば、２つの異なる周波数を有する２つのレーザビームからの）コヒーレント二光子ポンピングが、非相関ポンプ光子を偏光エンタングルされた二色の光子対に変換することができるように、干渉計の光路に配置されたＲｂ蒸気セルを含み、対の光子は２つの異なる周波数を有する。エンタングルメントソースは、光ファイバ伝送のための遠距離通信ＯおよびＣ帯域、量子保存／バッファリングのためのＮＩＲ、ならびにトラップされたイオンキュービットおよびリュードベリ（Ｒｙｄｂｅｒｇ）励起のための近ＵＶを含む広範囲の波長にアクセスするために、よく特徴付けられたＲｂ蒸気の原子遷移を使用する。生成された光子対は、一部の実施形態では、量子情報の伝送のために、または代替的に、伝令付き単一光子用途（例えば、量子鍵配信またはＱＫＤ）のために使用され得る。

【0061】

一部の実施形態では、原子蒸気または原子集団は、真空下で磁気光学トラップによって閉じ込められ得る。トラップ装置は、（例えば、２つの異なる周波数を有する２つのレーザビームからの）コヒーレント二光子ポンピングが、無相関ポンプ光子を、光子対の光子が２つの異なる周波数を有する偏光エンタングルされた二色の光子対に変換することができるように、干渉計の光路内に配置され得る。この構成では、ソースによって生成されるエンタングルされた光子は、磁気光学トラップ内の原子のレーザ冷却に起因するドップラー広がりの緩和により、著しく狭い線幅を有する。

【0062】

一部の実施形態では、干渉計は、第１のビームおよび第２のビームを使用して、原子蒸気セルにダイレクトされる反対方向に伝搬する水平偏光および垂直偏光のビームを生成するように構成され得る。原子蒸気セルは、反対方向に伝搬するビームを使用して二色のエンタングルされた光子対を生成するように構成され得る。一部の実施形態では、原子蒸気セルは、四光波混合および共伝搬ビームを使用して二色のエンタングルされた光子対を生成するように構成される。

【0063】

一部の実施形態では、干渉計は、第１の偏光ビームスプリッタおよび第２の偏光ビームスプリッタを備える。第１の偏光ビームスプリッタは、第１の偏光ビームスプリッタの直交面に入射する第１および第２のビームを受け取るように配置され、同じ光路に沿って共伝搬するように第１および第２のビームを結合するように構成され得る。第２の偏光ビームスプリッタは、第２の偏光ビームスプリッタの同じ面に入射する共伝搬する第１および第２のビームを受け取るように配置され、第２の偏光ビームスプリッタの２つの直交面から第１および第２のビームの水平偏光成分または垂直偏光成分を含む別々のビームを出力するように構成され得る。ビーム経路は、別々のビームを同じ長さの光路を移行することによって第２のビームスプリッタに帰還させるように構成された循環光路であり得る。一部の実施形態では、干渉計は、機械的ノイズ（例えば熱膨張）の影響に対して特に堅牢なサニャック干渉計を含む。

【0064】

一部の実施形態では、エンタングルメントソースは、第１及び第２のレーザと干渉計との間にあるレンズを含み得る。レンズは、第１のビームおよび第２のビームを干渉計内の焦点に集束させるように構成され得る。一部の実施形態では、原子蒸気セルは、焦点に配置され得る。

【0065】

一部の実施形態において、エンタングルメントソースは、第１及び第２のレーザとレンズとの間に配置された少なくとも１つの音響光学偏向器（ＡＯＤ）を含み得る。少なくとも１つのＡＯＤは、第１および第２のビームを偏向させて、少なくとも１つの軸に沿って空間パターンを形成する（例えば、多重化を提供する）ように構成され得る。一部の実施形態では、少なくとも１つのＡＯＤは、第１および第２のビームを偏向させて２つの軸に沿って空間パターンを形成するように構成された２つのＡＯＤを含む。代替的に、一部の実施形態では、ＡＯＤの代わりに空間光変調器（ＳＬＭ（ｓｐａｔｉａｌｌｉｇｈｔｍｏｄｕｌａｔｏｒ）、図示せず）を使用して、第１および第２のビームを偏向させて、少なくとも１つの軸に沿って空間パターンを形成し得る。

【0066】

本発明者らは、二色のエンタングルメントソースを使用して量子ネットワーキングを実行するための方法をさらに開発した。一部の実施形態では、本方法は、第１の位置にある第１のデバイスを使用して第１の二色のエンタングルされた光子対を生成するステップと、第１の位置とは異なる第２の位置に配置された第２のデバイスを使用して第２の二色のエンタングルされた光子対を生成するステップとを含む。方法は、第１および第２の二色のエンタングルされた光子対の各々の第１の光子を、第１および第２の位置にある個別の量子メモリデバイスにそれぞれ保存するステップと、第１および第２の二色のエンタングルされた光子対の各々からの第２の光子を、第１および第２の位置とは異なる第３の位置に配置された第１の二光子干渉測定デバイスに伝送するステップとをさらに含む。さらに、方法は、伝送された第２の光子および第１の二光子干渉測定デバイスにおいて二光子干渉測定を実行することによって、第１および第２の位置に保存された第１の光子の状態をエンタングルして新たにエンタングルされた光子対を形成するステップを含む。

【0067】

以下は、量子遠距離通信システムのための動的偏光ドリフト補正を実施するための技法に関する種々の概念および実施形態のより詳細な説明である。本明細書で説明する様々な態様は、多数の方法のいずれかで実施され得ることを理解されたい。特定の実施形態の例は、説明のためのみに本明細書で提供される。加えて、以下の実施形態で説明される様々な態様は、単独で、または任意の組み合わせで使用されてもよく、本明細書で明示的に説明される組み合わせに限定されない。

【0068】

Ｉ．二色のエンタングルされた光子源
図１は、本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、二色のエンタングルされた光子対を生成するためのデバイス１００の概略図である。デバイス１００は、干渉計１３０によって受信されるレーザビームを出力するように構成された第１のレーザ１１０および第２のレーザ１２０を含む。また、第１のレーザ１１０及び第２のレーザ１２０は、それぞれ異なる周波数を有するレーザビームを出力するように構成されている。例えば、第１のレーザ１１０および第２のレーザ１２０は、干渉計内のビーム経路内に位置する原子蒸気セル１３６内に保存された原子蒸気の２つの原子遷移に調整された周波数を有するレーザビームを出力し得る。

【0069】

一部の実施形態では、第１のレーザ１１０は、原子蒸気セル１３６内の原子蒸気を形成する原子種の原子の第１の原子遷移エネルギーに一致するように選択された波長を有する第１のレーザビーム１１１を出力するように構成され得る。例えば、周波数は、赤外線周波数（例えば、１２６０ｎｍ～１６７５ｎｍの範囲内の波長）に対応し得る。一部の実施形態では、第１のレーザ１１０は、１３２４ｎｍまたは１３６７ｎｍの波長を有する第１のレーザビーム１１１を出力するように構成され得る。一部の実施形態では、波長は、Ｒｂ原子の５Ｐ_１／２から６Ｓ_１／２への遷移の励起エネルギーに一致するように選択され得る。

【0070】

一部の実施形態では、第２のレーザ１２０は、原子蒸気セル１３６の原子蒸気内の第２の原子遷移エネルギーに一致するように選択された波長を有する第２のレーザビーム１２１を出力するように構成され得る。例えば、波長は、近赤外線（ＮＩＲ）周波数（例えば、７５０ｎｍ～１０００ｎｍの範囲内の波長）に対応し得る。一部の実施形態では、第２のレーザ１２０は、７９５ｎｍまたは７８０ｎｍの波長を有する第２のレーザビーム１２１を出力するように構成され得る。一部の実施形態では、周波数は、Ｒｂ原子の５Ｓ_１／２から５Ｐ_１／２への遷移の励起エネルギーに一致するように選択され得る。

【0071】

一部の実施形態では、第１のレーザ１１０および第２のレーザ１２０からのレーザビーム１１１、１２１は、干渉計１３０に入射する前に１つまたは複数の光学部品を通過し得る。図１の例は、レーザビーム１１１、１２１の両方が波長板１０２と、レーザビームを同じ光路に沿って共伝搬させるように構成された偏光ビームスプリッタ１０４と、干渉計１３０に入射する前の半波長板１０６とを通過することを示す。いくつかの光学部品は、任意選択的であり得、かつ／または図１の例に示されていないものであり得ることを理解されたい。例えば、（例えば、本明細書の図４の例に示されるように）原子蒸気セル１３６がレンズの焦点に配置されるように、半波長板１０６の後かつ干渉計１３０の前の光路にあるレンズが含まれ得る。代替的または追加的に、干渉計１３０の前のこれらの光学部品のいくつかは、干渉計１３０に含まれ得る。例えば、偏光ビームスプリッタ１０４、および偏光ビームスプリッタ１０４と干渉計の偏光ビームスプリッタ１３２との間の任意の光学部品は、図１の例に示されるような外部ではなく、干渉計内に収容され得る。

【0072】

一部の実施形態では、干渉計１３０は、偏光ビームスプリッタ１３２、ミラー１３４、および遮蔽１３８によって包囲された原子蒸気セル１３６を含み得る。偏光ビームスプリッタ１３２は、第１のレーザ１１０および第２のレーザ１２０からの入射レーザビームを分割するように構成され得る。偏光ビームスプリッタ１３２を出射する分割されたビームは、水平方向および垂直方向（それぞれ、｜Ｈ＞および｜Ｖ＞によって示される）に沿って偏光され得る。

【0073】

一部の実施形態では、偏光ビームスプリッタを出射するレーザビームは、ミラー１３４によって原子蒸気セル１３６に向かってダイレクトされる。原子蒸気セル１３６は、原子蒸気の原子を原子蒸気セル１３６内に閉じ込めるように構成された磁気光学トラップを支持するハウジングを含み得る。原子蒸気セル１３６のハウジングは、汚染を防止するために気密封止され得、かつ光が原子蒸気セル１３６に入射し、かつ／または出射することを可能にするために１つまたは複数の光学的に透明な窓を含み得る。原子蒸気セル１３６は、高温原子蒸気または低温原子集団を閉じ込めるように構成され得る。一部の実施形態では、原子蒸気または原子集団は、導波路を備えるチップ上に配置されるか、または中空光ファイバ内に配置され得る。一部の実施形態では、原子蒸気セル１３６は、磁場および／または電場が原子蒸気セル１３６内の原子蒸気に影響を及ぼすことを防止するために、遮蔽１３８によって包囲され得る。例えば、遮蔽１３８は、原子蒸気を外部磁場から遮蔽するためにミューメタルで形成され得る。

【0074】

一部の実施形態では、原子蒸気セル１３６は、反対方向に伝搬するポンプ場（例えば、レーザビーム）を受信すると、ある周波数の受信光子を吸収し、２段階励起および減衰プロセスを経て、エンタングルされた偏光状態を有する光子を再放出し得る原子を含む原子蒸気を含有し得る。例えば、原子蒸気セル１３６は、Ｒｂ（例えば、^８７Ｒｂ、^８５Ｒｂ、または任意の他の適切な同位体）の原子蒸気を含有し得る。代替的に、一部の実施形態では、原子蒸気セル１３６は、別のアルカリ金属の原子蒸気を含有し得る。例えば、アルカリ金属は、Ｃｓの同位体（例えば、^１３３Ｃｓ、または任意の他の適切な同位体）を含み得る。

【0075】

一部の実施形態では、原子蒸気は、２つの所望の波長でエンタングルされた光子対の生成を可能にする二光子共鳴を示し得る。例えば、図３Ａに示されるように、^８７Ｒｂは、遷移５Ｓ_１／２－５Ｐ_１／２－６Ｓ_１／２に沿った二光子共鳴（または四光波混合プロセス）を示し、これは、約７８０ｎｍおよび約１３６７ｎｍの波長を有する受信光による励起に応答して、約７９５ｎｍおよび約１３２４ｎｍの波長を有するエンタングルされた光子を生成することができる。この例示的な遷移サイクルは、光子が自然に基底状態に減衰するための経路をほとんど提供せず、より高いエンタングルメント率および非相関の光子のより少ない出力を提供する。他の類似の二光子共鳴が、Ｒｂの他の同位体または他の原子系に存在し得ることを理解されたい。

【0076】

本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、Ｒｂにおける追加の二光子共鳴の例が、図３Ｂ～図３Ｄに示されている。図３Ｂ～図３Ｄの追加の例は、ＮＩＲ、Ｏ、Ｃ、および／またはＳ帯域における波長のスペクトルを生成するために使用され得るＲｂの柔軟性を示す。これらの特定の帯域は、量子通信および量子計算にわたる広範囲の用途を有する。例えば、波長１３２４ｎｍ、１４７６ｎｍ、及び１５２９ｎｍは、それぞれＯ、Ｓ、及びＣの遠距離通信帯域に対応し、かつ長距離にわたる光ファイバ通信に適した波長である。さらに、波長７９５ｎｍおよび７８０ｎｍは量子バッファおよびセンサに一般的に使用され、波長７７６ｎｍおよび７６２ｎｍは自由空間通信に適している。最後に、４８０ｎｍおよび４７５ｎｍの波長は、中性量子コンピュータおよびセンサ等のいくつかのリュードベリ技術およびイオン技術とインタフェースするために使用されることができる。本明細書に記載の二色の光子源（例えば、光源１００、４００、および／または５００）と共に使用され得るレーザ波長対及び入力レーザ波長対の例は、本明細書の表１に提供されている。

【0077】

表１に提供されるレーザ波長対および入力レーザ波長対の特定の例は、本明細書で説明される技術の態様がこの点において限定されないことから、使用または生成され得る唯一の波長ではないことを理解されたい。例えば、一部の実施形態では、レーザ波長対および／またはエンタングルされた光子波長対は、７５０ｎｍ～８５０ｎｍの範囲および１３００ｎｍ～１６００ｎｍの範囲、または７５０ｎｍ～８５０ｎｍの範囲および４５０ｎｍ～５５０ｎｍの範囲であり得る。原子種の所望の原子遷移エネルギーに対応する任意の適切な波長は、これらの範囲内から選択され得る。

【0078】

【表1】

【0079】

第１のレーザ１１０および第２のレーザ１２０の周波数を原子蒸気内の原子のポンプ周波数に調整することによって、対応する二光子共鳴を使用して、励起された原子状態の減衰時に二色のエンタングルされた光子対を生成し得る。一部の実施形態では、原子蒸気セル１３６は、図２Ａおよび図２Ｂの例に示すように、受信レーザビームの軸線に対して軸外の方向に二色のエンタングルされた光子対の光子を生成して出力し得る。

【0080】

図１に戻ると、一部の実施形態では、二色のエンタングルされた光子対の生成された光子は、破線によって示される光路をたどる。生成された光子は、ミラー１３４および偏光ビームスプリッタ１３２を使用して、原子蒸気セル１３６から干渉計の外へ伝送され得る。生成された光子は、次いで、ミラー１４２、波長板１４４、および周波数フィルタ１４６を含む光学部品によって、ノード１４８においてエンタングルメントソース１００から出力され得る。次いで、出力光子は、必要に応じて、エンタングルメントソース１００によって保存または伝送され得る。

【0081】

図４は、本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、多重化された二色のエンタングルされた光子対を生成するための別の二色の光子源４００の概略図である。デバイス４００は、生成された二色のエンタングルされた光子対の空間多重化を提供するように構成され得る。空間多重化によって、入力レーザビームが原子蒸気セル１３６内の複数の原子領域を同時にアクセスすることが可能となるため、エンタングルメントソースの輝度及びヘラルディング（ｈｅｒａｌｄｉｎｇ）効率が増加し得る。

【0082】

一部の実施形態では、多重化は、１つまたは複数の音響光学偏向器４０８（ＡＯＤ）によって提供され得る。ＡＯＤ４０８は、第１のレーザ１１０および第２のレーザ１２０からの共伝搬レーザビーム１１１、１２１を１つまたは複数の軸に沿って偏向させ得る。例えば、ＡＯＤ４０８は、レーザビーム１１１、１２１を水平軸に沿って偏向させて、水平軸に沿った空間パターンを形成し得る。代替的または追加的に、ＡＯＤ４０８は、レーザビーム１１１、１２１を垂直軸に沿って偏向させて、水平軸および垂直軸によって規定される平面内に２次元空間パターンを形成し得る。

【0083】

一部の実施形態では、レンズ４０９は、レーザビームをさらに偏向させて、レーザビームを干渉計１３０内の平行光路に沿って共伝搬させ得る。原子蒸気セル１３６は、レンズ４０９の焦点に配置され得、共伝搬レーザビームは、図１の例に関連して説明したのと同様に、干渉計１３０内の原子蒸気セル１３６にダイレクトされ得る。レーザビームの光子を受信して吸収すると、原子蒸気セル１３６は、互いに反対方向に進行する破線によって示されるように、二色のエンタングルされた光子対を出力し得る。一部の実施形態では、生成された二色のエンタングルされた光子対は、次いで、干渉計を出射し、収集のためにＡＯＤ４０８にダイレクトされ、さらなる保存または伝送のために出力ノード１４８を介して出力され得る。

【0084】

図５Ａは、本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、二色のエンタングルされた光子対を生成するように構成された別の二色の光子源５００の概略図である。二色の光子源５００は、二色の光子源１００および４００とは対照的に、干渉計を含んでいない。詳しくは、図５Ａの例に示されるように、二色の光子源５００は、第１のレーザビーム１１１を生成するように構成された第１のレーザ１１０と、第２のレーザビーム１２１を生成するように構成された第２のレーザ１２０とを含む。一部の実施形態では、第１のレーザ１１０および第２のレーザ１２０は、二色の光子源５００に含まれなくてもよく、二色の光子源５００は、適切な入力ポート（図示せず）を通して第１のレーザビーム１１１および第２のレーザビーム１２１を受信し得ることを理解されたい。

【0085】

一部の実施形態では、第１のレーザビーム１１１および第２のレーザビーム１２１は、任意選択的に、ビームスプリッタ５０２（例えば、５０：５０ビームスプリッタ）を最初に通過し得る。ビームスプリッタ５０２は、第１のレーザビーム１１１の一部及び第２のレーザビーム１２１の一部が出力５０３にダイレクトされるように、第１のレーザビーム１１１及び第２のレーザビーム１２１を分割し得る。出力５０３は、第１のレーザ１１０および第２のレーザ１２０の出力を所望の第１および第２の波長にロックするように構成された１つまたは複数のロックデバイスに光学的に結合され得る。第１のレーザ１１０および第２のレーザ１２０の両方の出力をロックするように構成されたロックデバイスの例は、本明細書の図１４～図１７Ｂに関連して説明される。

【0086】

一部の実施形態では、第１のレーザビーム１１１および第２のレーザビーム１２１は、次いで、半波長板１０６および偏光ビームスプリッタ１０４を通過し得る。１つまたは複数のミラー１４２は、その後、第１のレーザビーム１１１および第２のレーザビーム１２１を原子蒸気セル１３６内にダイレクトし得る。図５Ａの例では、第１のレーザビーム１１１および第２のレーザビーム１２１の各々に対して２つのミラー１４２が示されているが、本技術の態様はこの点において限定されないことから、任意の適切な数のミラー１４２を使用して第１および第２のレーザビーム１１１、１２１をダイレクトし得ることを理解されたい。

【0087】

一部の実施形態では、二色の光子源５００は、第１および第２のレーザ１１０、１２０と第１の原子蒸気セル１３６との間に配置された音響光学偏向器（ＡＯＤ、図示せず）を含み得る。少なくとも１つのＡＯＤは、第１および第２のレーザビーム１１１、１２１を偏向させて、少なくとも１つの軸に沿った空間パターンを形成して、（例えば、本明細書において図４の例に関連して説明したように）生成されたエンタングルされた光子対の多重化を可能にするように構成され得る。

【0088】

一部の実施形態において、第１のレーザビーム１１１は、第１の方向に沿って原子蒸気セル１３６に入射し、第２のレーザビーム１２１は、第１の方向とは異なる第２の方向に沿って原子蒸気セル１３６に入射し得る。例えば、図５Ａに示すように、第２のレーザビーム１２１は、原子蒸気セル１３６の面に垂直な方向に沿って原子蒸気セル１３６に入射し得る。第１のレーザビーム１１１は、第１のレーザビーム１１１が原子蒸気セル１３６の面に対して平行でも垂直でもない角度で原子蒸気セル１３６に入射するように、第２の方向に対する角度θによって規定される第１の方向に沿って原子蒸気セル１３６に入射し得る。

【0089】

一部の実施形態では、角度θを設定することは、二色の光子源５００の出力における不所望のノイズを低減するために使用され得る。第１のレーザビーム１１１と第２のレーザビーム１２１との間の相対角度θを調整することにより、原子蒸気セル１３６に入力されるレーザビームを、生成された光子から空間的に分離させることができる。例えば、角度θは、Ｘ度からＹ度の範囲内の任意の適切な角度であり得る。一部の実施形態では、角度θは約２．７°であり得る。

【0090】

一部の実施形態では、二色の光子源５００は、第１のレーザビーム１１１および第２のレーザビーム１２１のビーム経路内に配置された原子蒸気セル１３６を含む。第１のレーザビーム１１１及び第２のレーザビーム１２１は、原子蒸気セル１３６内の位置で交差するように配置され得る。二色の光子源１００および４００に関連して説明したように、原子蒸気セル１３６は、原子蒸気の形態の原子を含み得る。原子は、第１の原子遷移および第２の原子遷移を有する原子種であり得る。例えば、原子種は、ルビジウムまたはルビジウムの任意の他の適切な同位体もしくは別のアルカリ金属であり得る。

【0091】

一部の実施形態では、原子蒸気セル１３６内の原子は、第１のレーザビーム１１１および第２のレーザビーム１２１によって励起されて、本明細書で説明されるような四光波混合プロセが生じる。第１のレーザビーム１１１は第１の波長を有し、第２のレーザビーム１２１は、第１の波長とは異なる第２の波長を有し得る。二色の光子源１００および４００に関連して説明したように、第１の波長および第２の波長は、原子蒸気セル１３６内に配置された原子種の原子遷移のエネルギーに対応するように選択され得る。例えば、一部の実施形態では、第１の波長は、７５０ｎｍ～８５０ｎｍの範囲内であり得、第２の波長は、１３００ｎｍ～１６００ｎｍの範囲内または４５０ｎｍ～５５０ｎｍの範囲内であり得る。一部の実施形態では、第１の波長および第２の波長は、本明細書の表１に記載された値を有し得る。

【0092】

一部の実施形態では、四光波混合プロセスは、二色のエンタングルされた光子対の生成を生じさせ得る。二色のエンタングルされた光子対の光子は、図５Ａの例に示すように、第１のビーム経路１３５および第２のビーム経路１３７に沿って原子蒸気セル１３６から出射し得る。また、原子蒸気セル１３６の原子によって吸収されない第１のレーザビーム１１１および第２のレーザビーム１２１の一部は原子蒸気セル１３６を出射して、例えば、ビームトラップ５０４または他の光吸収媒体によって吸収され得る。

【0093】

一部の実施形態では、二色のエンタングルされた光子対の光子は第１の光子および第２の光子を含み得、第１の光子は第３の波長を有し、第２の光子は第３の波長とは異なる第４の波長を有する。第３の波長および第４の波長は、原子種の二光子崩壊経路における原子遷移のエネルギーに対応し得る。例えば、第３の波長は、７５０ｎｍ～８５０ｎｍの範囲内であり得、第４の波長は、１３００ｎｍ～１６００ｎｍの範囲内、７５０ｎｍ～８５０ｎｍの範囲内、または４５０ｎｍ～５５０ｎｍの範囲内であり得る。ルビジウム原子を含有する原子蒸気セルに対して利用可能な波長のさらなる例が、本明細書の表１に提供されている。しかしながら、他の特定の波長が他の適切な原子種（例えば、他のアルカリ金属）によって生成され得ることから、表１に提供される例は、非限定的かつ非網羅的であることを理解されたい。

【0094】

一部の実施形態では、二色のエンタングルされた光子対の光子は、ダイクロイックミラー５０６ａおよび５０６ｂに入射し得る。ダイクロイックミラー５０６ａおよび５０６ｂは、二色のエンタングルされた光子対の生成された光子の波長またはその付近の波長を有する光を反射するように構成され得る。また、ダイクロイックミラー５０６ａおよび５０６ｂは、不所望の波長の光がビーム経路１３５、１３７の残り部分に沿って伝送され得ないように、生成された光子の波長またはその付近の波長以外の波長を有する光を透過するように構成され得る。

【0095】

一部の実施形態では、追加のミラー１４２が、二色のエンタングルされた光子対の光子をビーム経路１３５、１３７に沿ってさらに誘導し得る。一部の実施形態では、二色のエンタングルされた光子対の光子は、その後、追加のフィルタ５０８を通過し得る。フィルタ５０８は、例えば、広帯域フィルタ（例えば、干渉フィルタ、体積型ブラッグ格子（ｖｏｌｕｍｅＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓ））、または代替的に、狭帯域フィルタ（例えば、ファブリーペローエタロン（Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔｅｔａｌｏｎｓ））を含み得る。そのような狭帯域フィルタを使用することにより、１００程度の出力信号対ノイズ比を提供することができる。フィルタリングされた後、光子は、二色の光子源５００から出力され得る。

【0096】

本発明者らはさらに、二色の光子源１００、４００、および／または５００のいずれかの小型化が、向上した大量生産、低減されたフォームファクタ、ならびに既存の遠距離通信インフラストラクチャとの互換性および統合の容易さに対して有利であることを認識し、かつ理解した。一例として、図５Ｂは、本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、ラックマウント型ハウジング５４０内に配置された二色の光子源５００の説明図を示す。図５Ｂのラックマウント型ハウジングは、６インチ（１５．２４センチメートル）×１５インチ（３８．１センチメートル）×２インチ（５．０８センチメートル）以下の設置面積サイズを有して、モジュールが、種々の場所および実験において使用されること、ならびに展開可能なラックマウントユニットに統合されることができることを確実にするようになっている。

【0097】

一部の実施形態では、ラックマウント型ハウジング５４０は、図５Ａに関連して説明したように、第１および第２のレーザ１１０、１２０に光学的に結合され得る入力を含み得る。前述したように、第１のレーザビーム１１１および第２のレーザビーム１２１は、ミラー１４２によって原子蒸気セル１３６内に誘導される前に、半波長板１０６および偏光ビームスプリッタ１０４を通過し得、四光波混合プロセスによって、二色のエンタングルされた光子の対の生成が生じる。次に、生成された二色のエンタングルされた光子の光子の対は、二色ミラー５０６ａ、５０６ｂ及び追加のミラー１４２によってラックマウント型ハウジング５４０の出力に向けて誘導され、二色の光子源５００から出力される前にフィルタ５０８を通過する。その後、出力された二色のエンタングルされた光子対は、遠距離通信、量子計算、または本明細書で説明されるような他の量子情報デバイスとインタフェースするために使用され得る。

【0098】

本発明者らはさらに、ポンプレーザ（例えば、第１および第２のレーザ１１０、１２０）が、原子蒸気の原子共鳴波長ではないが、それに近い波長で動作される場合に、原子蒸気セルの原子は、フィルタとして機能して、二色のエンタングルされた光子対の出力および品質を低下させ得ることを認識した。特に、ポンプレーザが、原子蒸気の原子共鳴波長ではないが、それに近い波長（例えば、約１～２ＧＨｚだけずれている場合、このオフ共鳴動作は図３ＡにおいてΔで示される）で動作される場合、二色の光子対は、それぞれの共鳴波長に近い波長で放出される。しかしながら、四光波混合セルは、近共鳴（ｎｅａｒ－ｒｅｓｏｎａｎｔ）光子に対して光学的に厚い（ｏｐｔｉｃａｌｌｙｔｈｉｃｋ）ため、生成される光子は、原子蒸気セル内で複数回吸収され、再放出され得る。この効果は、近赤外光子のエンベロープ内に追加のノイズを発生させ、生成される二色のエンタングルされた光子対の数を減少させる。

【0099】

図６は、ポンプレーザがオフ共鳴で動作される場合に、原子蒸気セルによって生じるフィルタリング効果を示す。図６は、光子確率対周波数を示す曲線６０２を示し、原子共鳴は線６０４によって示されている。曲線６０２は、単一光子のローレンツパルスから原子蒸気セルをガウスフィルタリングすることによって生じる長いガウステールを含む。ガウステールは大きな線幅を有しているため、共鳴状態のローレンツパルスに対して原子蒸気セル内での吸収が少なくなり、ガウステールが光子のエンベロープを支配するようになる。従って、これらのフィルタリングされた光子は、非常に大きい線幅（例えば、１００ＭＨｚより大きく、最大数十ＧＨｚ）を有する可能性があり、多くの量子デバイス（例えば、狭い線幅を必要とする原子メモリまたは他のデバイス）とインタフェースすることができなくなる。

【0100】

本発明者らは、原子蒸気セル内の原子種の原子遷移と共鳴するようにポンプレーザ（例えば、第１および第２のレーザ１１０、１２０）を調整することにより、これらのフィルタリング効果を軽減することができることを認識し、かつ理解した。加えて、本発明者らは、ポンプレーザをそのような共鳴周波数で動作させることにより、原子蒸気セル内にＶ型の電磁誘起透過（ＥＩＴ）を形成するための条件を満たすことができ、ＥＩＴは、生成された二色のエンタングルされた光子対の一方の光子のＮＩＲ波長（例えば、７９５ｎｍ）に対して原子蒸気セル内に透過媒体を形成することを認識し、かつ理解した。Ｖ型のＥＩＴは、７９５ｎｍで生成される光子の線幅を減少させるために利用することができるため、二色の光子源を、厳密な線幅許容基準を有する他の原子デバイス（例えば、量子メモリ）に結合する有効性が増加する。より一般的には、線幅の関数としての輝度、または二色の光子源のスペクトル輝度は、ＥＩＴによって増加する。

【0101】

図７は、本明細書に記載される技術の一部の実施形態による、ルビジウムの原子遷移と共鳴するように調整されたポンプ波長および対応する二光子崩壊経路を有する例示的なエネルギー準位図を示す。エネルギー準位図は、図中の超微細分裂を含む。図７の例では、ポンプ波長７８０ｎｍおよび１３６７ｎｍは、５Ｓ_１／２状態と５Ｐ_３／２状態との間の原子遷移、および５Ｐ_３／２状態と６Ｓ_１／２状態との間の原子遷移にそれぞれ対応する。二色のエンタングルされた光子対の生成された光子は、６Ｓ_１／２状態と５Ｐ_１／２状態との間の原子遷移、および５Ｐ_１／２状態と５Ｓ_１／２状態との間の原子遷移にそれぞれ対応する１３２４ｎｍおよび７９５ｎｍの波長を有する。

【0102】

原子蒸気セルによって生成される１３２４ｎｍの光子は、５Ｐ_１／２中間状態にある集団が無視できるほどであるため、０に近い減衰で原子蒸気セルを通過して伝搬することができる。しかしながら、弱駆動制限では、原子蒸気セル内の大部分の原子は５Ｓ_１／２状態にある。このような原子蒸気セルにおける典型的な大きな光学的密度では、７９５ｎｍの光子が原子蒸気セルを通過する過程でもって再吸収および散乱され得るため、これは、７９５ｎｍの光子について大きな損失をもたらす。７８０ｎｍのポンプレーザの出力および周波数を調整することによって、Ｖ型のＥＩＴ効果が、生成された７９５ｎｍ光子と７８０ｎｍポンプレーザとの間に誘起され得る。Ｖ型のＥＩＴ効果によって、７９５ｎｍ光子のための光透過窓が開いて、光子が原子蒸気セルから比較的邪魔されずに伝搬することが可能となるため、原子蒸気セルによって出力される二色のエンタングルされた光子対の数が増加する。図８は、典型的な温度および光出力における原子蒸気のシミュレーションである一例に対する曲線８０２を示す。

【0103】

図８は、本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、共鳴時に原子蒸気セルの原子をポンピングすることによって開かれたＥＩＴ誘起された透過窓のシミュレーションを示す例示的なプロットである。曲線８０２は、出力光子の共鳴周波数（例えば、７９５ｎｍ）付近の光子に対する透過係数の増加を示す。この周波数では、出力光子は、通常１００ｄＢ以上の損失の代わりに、半分の損失になる。

【0104】

その結果、ポンプレーザ（例えば、第１および第２のレーザ１１０、１２０）によって生成される波長を、原子蒸気セル内の原子の原子遷移と共鳴するように調整することによって、原子蒸気セルから成功裏に出力される使用可能な二色のエンタングルされた光子対の数が著しく増加する。しかしながら、光子の線幅に対する影響を考慮することなく、大きな輝度値がほとんどの場合に実現されることから、高レートの（「明るい」）エンタングルメントソースのみでは、量子デバイスとのインタフェースには十分ではない。例えば、全ての現在利用可能なエンタングルメントソースは、約１～１００ＴＨｚの範囲の線幅を有する光子を生成するが、ほとんどの量子コンピューティング及びセンシングアーキテクチャをカバーする原子ベースのデバイスは、典型的には、数十ＭＨｚよりも広くない線幅を有する光子を受け入れる。これは、ソースが有するレートの高さにかかわらず、約１０，０００，０００対ごとに１対のみがこれらの量子デバイスとインタフェースすることができることを意味する。

【0105】

従って、注目すべきより信頼性のある測定基準は、スペクトル輝度であり、これは、単位線幅当たりの単位時間当たりの光子の割合（本明細書ではｓ^－１ＭＨｚ^－１）である。スペクトル輝度のより高い値は、より狭い線幅の光子のより高い出力率を示す。本発明者らは、二色の光子源５００などのデバイスを使用して、２０～２００ｓ^－１ＭＨｚ^－１の範囲のスペクトル輝度を観察しており、理論的には２０～８００，０００ｓ^－１ＭＨｚ^－１の範囲のスペクトル輝度が実現可能である。これらの値は、他の大半の市販のエンタングルメントソースで測定されたスペクトル輝度を桁違いにはるかに上回る。

【0106】

本発明者らはさらに、共鳴状態のポンプレーザによって誘起されるＶ型のＥＩＴが、出力光子の線幅の調整を可能にすることを認識し、かつ理解した。特に、二色のエンタングルされた光子対のスペクトル線幅は、原子蒸気セルを光学的にポンピングするために使用されるレーザ出力に大きく依存する。一例として、図９Ａは、予測光子線幅と入力ポンプレーザ出力との間の関係を示すシミュレートされたプロットであり、曲線９０４は点９０２にフィットしている。

【0107】

この効果は、より高い出力の光ポンプがより大きなラビ周波数を有するという観察によって説明することができる。これらのより大きなラビ周波数は、より高出力の光ポンプを原子蒸気内のより多数の速度クラス（ｖｅｌｏｃｉｔｙｃｌａｓｓｅｓ）と相互作用させて、結果的に、放出される光子対に対するスペクトル幅がドップラー効果の影響でより広くなる。この効果の実験的確認が図９Ｂに示されており、図９Ｂは、測定された光子線幅対入力ポンプ出力のプロットであり、曲線９０８は測定された点９０６にフィットしている。この実験では、１３６７ｎｍ励起出力を固定した状態で、７８０ｎｍ励起出力を変化させた。次いで、二次強度自己相関関数（ｓｅｃｏｎｄ－ｏｒｄｅｒｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｕｔｏ－ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎ）の幅を、出力７９５ｎｍの光子に対して監視した。この値は、光子線幅に直接相関する。図９Ａおよび図９Ｂの両方において、出力光子線幅に対する√Ｐ７８０スケーリングが観察され、ここで、Ｐ７８０は７８０ｎｍのポンプレーザの出力であり、光子線幅と７８０ｎｍのポンプのラビ周波数との間に予想される直線的なスケーリング関係があることが検証される。

【0108】

本発明者らは、ポンプレーザ（例えば、第１および第２のレーザ１１０、１２０）の共鳴状態（ｏｎ－ｒｅｓｏｎａｎｔ）動作によって可能にされる、この容易に調整可能な光子線幅が、約１０ＭＨｚから約１００ＧＨｚの範囲内、または約１０ＭＨｚから約５００ＭＨｚの範囲内の出力光子線幅およびスペクトル輝度のカスタマイズを可能にすることを認識し、かつ理解した。そのようなカスタマイズ可能性は、本明細書で説明される二色の光子源（例えば、二色の光子源１００、４００、および／または５００）が、異なる線幅要件および／またはスペクトル輝度要件を有する複数の量子技術に柔軟かつ汎用的に結合することを可能にする。例えば、超狭線幅領域（例えば、１００ＭＨｚ未満）では、光子線幅は、ポンプレーザ出力を変更することによって調整され得る。この領域を超えて、約５００ＭＨｚまでの線幅は、二色の光子源１００、４００、および／または５００を使用して、ポンプレーザを適切に離調することによって（例えば、原子蒸気の原子遷移エネルギーに対応する波長ではなく、その波長付近（例えば、約１～２ＧＨｚ離れている）でポンプレーザを動作させることによって）実現可能である。

【0109】

この線幅の調整可能性は、ｇ^（２）関数の時間的な幅の測定、または測定された同時発生によって実験的に検証された。この測定の例が図１０に示されており、ｇ^（２）値が異なる時間ビンτに対して示されている。曲線１００２は１ｍＷの７８０ｎｍポンプ出力を用いて収集されたものであり、曲線１００４は１０ｍＷの７８０ｎｍポンプ出力を用いて収集されたものである。曲線１００４は、曲線１００２よりも時間的に著しく狭く、これは、７８０ｎｍポンプ出力を調整することによる生成される二色のエンタングルされた光子対に対する効果を示す。

【0110】

本発明者らは、本明細書に記載される二色の光子源の熱的性質を確認した。図１１Ａおよび図１１Ｂは、本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、二色の光子源の２つの出力アームに対してハンブリー・ブラウン－ツインズ（ＨａｎｂｕｒｙＢｒｏｗｎ－Ｔｗｉｓｓ）測定を使用して測定された二次自己相関関数ｇ^（２）を示す。二次強度自己相関関数１１０２及び１１０４は、各出力光子アームが約４ＭＨｚの半値全幅（ＦＷＨＭ）のキャビティ（例えば、走査ファブリーペローキャビティ）を通過した後に測定された。図１１Ａ及び図１１Ｂに見られるように、両方の出力光子アームに関して、ｇ^（２）は、τ＝０の周囲での集まり（バンチング（ｂｕｎｃｈｉｎｇ））を示す。検出器の時間的な線幅を考慮に入れると、両方の出力光子アームは、純粋な熱光源に対するｇ^（２）（０）の期待値２と一致する。

【0111】

この時間的な相関は、コーシー－シュワルツ（Ｃａｕｃｈｙ－Ｓｃｈｗａｒｔｚ）の不等式によって設定された古典的な限界が破られている。古典的には、ポンプレーザの二次自己相関関数は以下のように記述することができる。

【0112】

【数1】

【0113】

ここで、下付き文字ＳおよびＩは、ストークス（Ｓｔｏｋｅｓ）レーザ光源およびアイドラ（ｉｄｌｅｒ）レーザ光源を示し、Ｉ（ｔ）は強度を示し、＜＞は時間平均量を取ることを示す。コーシー－シュワルツの不等式は以下の通りである。

【0114】

【数2】

【0115】

この不等式から、以下を導出することができる。

【0116】

【数3】

【0117】

二色の光子源５００のような二色の光子源から取得された実験データの場合、この測定値は以下の通りである。

【0118】

【数4】

【0119】

この値は、コーシー－シュワルツの不等式が明らかに破られており、この光子源が非古典的に時間的に相関していることを実証している。
しかしながら、光子対源は、必ずしもエンタングルされない非古典的な時間的に相関する光子を生成することができる。従って、本発明者らは、本明細書に記載の二色の光子源によって生成された二色のエンタングルされた光子対を含む光子のエンタングルされた性質をさらに確認した。二色の光子源が、同一の偏光を有する２つの直線偏光ポンプレーザ（例えば、両方のポンプレーザがＨ偏光されている）で駆動される場合、５Ｓ_１／２から５Ｐ_３／２および５Ｐ_３／２から６Ｓ_１／２への二光子遷移は、磁気量子数においてゼロシフトをもたらす（例えば、Δｍｆ＝０）。占有されている上方の励起状態の各々に対する分岐比は、Δｍｆ＝０およびΔｍｆ＝±１の遷移に対して正確に１／３分割である。全二光子カスケード減衰がΔｍｆ＝０でなければならないとすると、二光子の状態がＨ偏光状態及びＶ偏光状態に射影された場合、出力されたエンタングルされた対の状態は、以下の形の偏光を有する。

【0120】

【数5】

【0121】

この偏光を確認するために、二色の光子源の各出力アーム上に偏光子が配置される。次に、偏光子を回転させながら同時発生が測定される。図１２Ａおよび図１２Ｂは、二色の光子源の７９５ｎｍの出力光子アームに対するこれらの測定された同時発生を、７９５ｎｍの出力アーム上に配置された偏光子の回転角に対して示す。曲線１２０２、１２０４、１２０６、および１２０８は、１３２４ｎｍの出力光子アーム上の異なる偏光子の角度（例えば、それぞれ、２３２°、２７７°、２５４．５°、および２９９．５°）で取得された測定値に対する正弦関数のフィットである。正弦関数の曲線は、出力光子のベル状態を確認する。

【0122】

これらの測定値は、一般的なベルの不等式であるＣＨＳＨの不等式が破られていることを示すためにも使用することができる。パラメータＣ（ａ、ｂ）を定義すると以下のようになる。

【0123】

【数6】

【0124】

ここで、Ｎ±±（ａ，ｂ）は、半波長板の角度ａおよびｂに対する検出器Ａ±およびＢ±（即ち、二光子源の２つのアーム）間の同時発生を表し、古典的に以下のように示すことができる。

【0125】

【数7】

【0126】

本明細書に記載される二色の光子源から取得された測定値から、以下のことが実証された。

【0127】

【数8】

【0128】

これは、ＣＨＳＨの不等式が破られており、二色の光子源がエンタングルされた光子の対を生成しているという明確な証拠を提供している。
図１３は、本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、エンタングルされた光子の対（例えば、二色のエンタングルされた光子の対）を生成するためのプロセス１３００を示すフローチャートである。プロセスは、本明細書で説明されるような二色の光子源１００、４００、および／または５００のうちのいずれか１つ、またはそれらの任意の適切な代替構成を使用して実行され得る。プロセス１３００は、任意選択的に、動作１３０２から開始し得、ここでは、第１のレーザビームが第１のレーザを使用して生成され、第１のレーザビームが第１の波長を有している。一部の実施形態では、第１のレーザは、二色の光子源から離れて（例えば、第１の原子蒸気源に対して異なる部屋、異なる建物、および／または異なる施設内に）配置され得る。一部の実施形態では、第１のレーザは、二色の光子源と同じ場所に（例えば、第１の原子蒸気源と同じ部屋、同じハウジング、同じラックマウント型ハウジング内に）配置され得る。

【0129】

プロセス１３０２の後、プロセス１３００は任意選択的にプロセス１３０４に移行し得る。ここでは、第２のレーザビームが第２のレーザを使用して生成され、第２のレーザビームが第１の波長とは異なる第２の波長を有している。一部の実施形態では、第２のレーザは、二色の光子源から離れて（例えば、第１の原子蒸気源に対して異なる部屋、異なる建物、および／または異なる施設内に）配置され得る。一部の実施形態では、第２のレーザは、二色の光子源と同じ場所に（例えば、第１の原子蒸気源と同じ部屋、同じハウジング、同じラックウント型ハウジング内に）配置され得る。

【0130】

一部の実施形態では、第１および第２のレーザビームを生成することは、本明細書に説明されるような（例えば、表１に説明されるような）任意の適切な波長値に調整された第１および第２の波長を有するレーザビームを生成することを含み得る。一部の実施形態では、第１および第２のレーザビームを生成することは、７５０ｎｍ～８５０ｎｍの範囲内の波長値に調整された第１のレーザビームを生成すること、および４５０ｎｍ～５５０ｎｍ、７５０ｎｍ～８５０ｎｍ、および／または１３００ｎｍ～１６００ｎｍの範囲内の波長値に調整された第２のレーザビームを生成することを含み得る。

【0131】

動作１３０４の後、プロセス１３００は動作１３０６に移行し得る。ここでは、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームを第１の原子蒸気セルを通過させることによって、第１の原子蒸気セル内に四光波混合プロセスを生じさせる。一部の実施形態では、第１のレーザビームを第１の原子蒸気セルを通過させることは、第１の原子蒸気セルの面に垂直な第１の方向に沿って第１のレーザビームをダイレクトすることによって行われる。第２のレーザビームを第１の原子蒸気セルを通過させることは、第１の方向と第２の方向との間の角度θによって規定される第２の方向に沿って第２のレーザビームをダイレクトすることによって実行され得る。角度θは、生成されるエンタングルされた光子対におけるノイズを低減するように選択され得る。従って、本明細書で説明するように、角度θは、０°より大きく５°以下であり得るか、または一部の実施形態では、２．７°であり得る。一部の実施形態では、第１のレーザビームおよび第２のレーザビームは、角度θが０°より大きく、かつ１８０°以下であり得るように、反対方向に伝搬する態様で配置され得る。

【0132】

一部の実施形態では、第１の原子蒸気セルは、原子種の原子を含有し、原子は原子蒸気の形態である。例えば、一部の実施形態では、原子種はルビジウムであり得る。代替的に、一部の実施形態では、原子種は、ルビジウムの１つまたは複数の同位体であり得るか、または任意の他の適切なアルカリ金属（例えば、セシウム）の１つまたは複数の同位体であり得る。原子種は、第１の原子遷移および第２の原子遷移を有し得る。一部の実施形態では、第１の原子遷移は、基底状態から第１の励起状態への遷移であり得、第２の原子遷移は、第１の励起状態から第２の励起状態への遷移であり得る。

【0133】

一部の実施形態では、第１および第２のレーザビームの第１の波長および第２の波長は、第１の原子蒸気セル内の原子種の第１の原子遷移および第２の原子遷移と共鳴するように調整され得る。例えば、第１の波長は、ルビジウムの５Ｓ_１／２から５Ｐ_３／２への原子遷移と共鳴する約７８０ｎｍの第１の波長に調整され得る。次に、第２の波長は、ルビジウムの５Ｐ_３／２から６Ｓ_１／２への原子遷移と共鳴する約１３２４ｎｍの第２の波長に調整され得る。本明細書で説明されるように、原子蒸気を共鳴状態にポンピングすることによって、Ｖ型のＥＩＴ効果が第１の原子蒸気セル内で誘起されて、スペクトル輝度が増加し、かつ生成されたエンタングルされた光子対の光子線幅の調整可能性が与えられる。結果として、生成されたエンタングルされた光子は、約１０ＭＨｚから約１００ＧＨｚまでの範囲内、または約１０ＭＨｚから約５００ＭＨｚまでの範囲内の光子線幅、および／または２０ｓ^－１／ＭＨｚから２００ｓ^－１／ＭＨｚまでの範囲内のスペクトル輝度を有し得る。

【0134】

一部の実施形態では、動作１３０６の後、プロセス１３００は動作１３０８に移行し得る。動作１３０８において、エンタングルされた光子の対は、四光波混合プロセスの結果として生成され得る。一部の実施形態では、エンタングルされた光子の対は、第３の波長を有する第１の光子と、第４の波長を有する第２の光子とを含み得る。例えば、第３の波長は、７５０ｎｍ～８５０ｎｍの範囲内であり得、第４の波長は、１３００ｎｍ～１６００ｎｍ、７５０ｎｍ～８５０ｎｍ、または４５０ｎｍ～５５０ｎｍの範囲内であり得る。一部の実施形態では、第３の波長および第４の波長は、（例えば、本明細書の表１に関連して）本明細書に説明される任意の適切な値であり得る。例えば、第３の波長は約７９５ｎｍであり得、第４の波長は約１３２４ｎｍであり得るか、または一部の実施形態では、約１４４９ｎｍであり得る。

【0135】

エンタングルされた光子の対が生成された後、それらは第１の原子蒸気セルおよび二色の光子源から出力され得る。一部の実施形態では、生成されたエンタングルされた光子の対は、光ファイバカプラを介して二色の光子源から出力され得る。一部の実施形態では、エンタングルされた光子の対が第１の原子蒸気セルから出力された後、かつ二色の光子源から出力される前に、エンタングルされた光子の対はフィルタリングされ得る。例えば、光子は、広帯域フィルタ（例えば、干渉フィルタ、体積型ブラッグ格子）、または代替的に、狭帯域フィルタ（例えば、ファブリーペローエタロン）を使用してフィルタリングされ得る。

【0136】

一部の実施形態では、プロセス１３００は、任意選択的に、第１のレーザビームを第１の波長にロックし、第２のレーザビームを第２の波長にロックすることを含む。ロックは、ロックデバイスを使用して行われ得る。ロックデバイスの付加的態様は、図１４～図１７Ｂに関連して本明細書において説明される。

【0137】

一部の実施形態では、第１および第２のレーザビームを第１および第２の波長にロックすることは、第１のレーザビームからの光の一部を、第２の原子蒸気セルを通過して第１の光検出器および第２の光検出器にダイレクトすることを含む。また、ロックすることは、第２のレーザビームからの光の一部を第２の原子蒸気セルを通過するようにダイレクトすることを含む。第１のレーザビームからの光の一部は、第２の原子蒸気セルの第１および第２の領域を通過するようにダイレクトされ得、一方、第２のレーザビームからの光の一部は、第２の原子蒸気セルの第２の領域ではなく、第１の領域を通過するようにダイレクトされ得る。第２のレーザビームからの光の一部は、第１または第２の光検出器のいずれにも入射しなくてもよい。一部の実施形態では、第１のレーザビームからの光の一部および第２のレーザビームからの光の一部は、それぞれ非偏光である。

【0138】

一部の実施形態では、第２の原子蒸気セルは、第１の原子蒸気セル内に含有されるものと同じ原子種を含み得る。例えば、第１および第２の原子蒸気セルは両方ともルビジウム原子を含有し得る。代替的に、第１および第２の原子蒸気セルは両方とも、他の適切な同位体および／またはアルカリ金属原子を含有し得る。一部の実施形態では、第１の原子蒸気セルは、同位体的に純粋な原子蒸気セルであり得、第２の原子蒸気セルは、天然に存在する同位体の混合物を含み得る。

【0139】

一部の実施形態では、第１のレーザビームは、第１の光検出器によって生成される信号（例えば、電気信号）に基づいて、第１の波長にロックされ得る。第１の光検出器によって生成された信号は、第２の原子蒸気セルの原子による第２の原子蒸気セル内の原子種の特性遷移周波数での第１のレーザビームからの光の一部の減衰量を示し得る。例えば、第１のレーザビームを第１の波長にロックすることは、第１のレーザに入力される電圧を変調し、第１の光検出器によって生成された信号に基づいて生成された第１の誤差信号を測定することによって実行され得る。

【0140】

一部の実施形態では、第２のレーザビームを第２の波長にロックすることは、第２の光検出器によって生成される信号（例えば、電気信号）に基づいて実行され得る。第２の光検出器によって生成された信号は、第２の原子蒸気セルの原子による特性遷移周波数での第１のレーザビームからの光の一部の減衰量を示し得る。例えば、第２のレーザビームを第２の波長にロックすることは、第２の光検出器によって生成された信号のより大きな減衰を生じさせる第２のレーザに入力される電圧を識別することによって実行され得る。

【0141】

ＩＩ．レーザの波長ロック
多くの原子ベースの量子技術では、原子ベースの量子技術は、レーザによる特定の原子遷移（単数または複数）の刺激に依存する。従って、レーザ生成光の波長は、所望の原子遷移を効果的に刺激するために特定の値に調整される必要があり得、かつ所望の波長に安定して維持される必要があり得る。例えば、本明細書において二色の光子源１００、４００、および／または５００に関連して説明したようにルビジウム原子を用いて動作させる場合、第１のレーザを７８０ｎｍのビームに安定化させることが望ましい。光ファイバおよび遠距離通信用途のために、より高い波長で第２のレーザを動作させることが望ましい。しかしながら、ルビジウムなどの材料の室温蒸気における励起状態の原子数が不足するため、光を遠距離通信周波数に安定化させることは困難である。

【0142】

本発明者らは、異なる波長を有する複数のレーザを安定化させるための技術、および二色の光子源（例えば、本明細書における二色の光子源１００、４００、および／または５００のいずれか）と組み合わせてこれらの安定化技術の使用を認識し、かつ理解した。一部の実施形態では、１つの波長は、遠距離通信または量子計算において一般に使用される波長であり得る。原子蒸気セル内の原子は、２つの異なる励起状態に励起され得、これらの状態は、飽和分光法を介して検出され得る。特に、第１のレーザからの光は、複数のビームに分割され、これらのビームは、原子蒸気セルの２つの異なる領域を通して、２つの異なる光検出器にダイレクトされる。この光は、セルの各領域内の原子を第１の励起状態に励起し得る。第１のレーザからのさらなる光は、どの程度まで光が減衰されているかを検出するために励起された原子を通過し得、それによって、第１のレーザが励起に対応する第１の周波数に適切に調整されているかどうかを検出し得る。原子の密度を考慮すると、光が最大限に減衰されない場合、これは、第１のレーザが正しい周波数に調整されず、従って所望の励起を生成しないことを意味する。さらに、第２のレーザからの光は、セルの２つの領域のうちの一方のみにダイレクトされて、第１の励起状態から第２のより高い励起状態へのさらなる励起を生じさせ得る。第１のレーザからのさらなる光は、どの程度まで光が減衰されているかを検出するためにこれらの励起された原子を通過し得、それによって、第２のレーザからの光が、より高い励起に対応する第２の周波数に適切に調整されるかどうかを検出し得る。結果として、第１のレーザからの光の前述の吸収からの信号を測定する２つの光検出器は、両方のレーザの周波数をロックするために使用され得る信号を生成し得る。

【0143】

一部の実施形態による、レーザの出力波長を安定化させる概略的なプロセスが図１４に示されている。システム１４００は、実験に使用される（例えば、原子ベースの量子系などの量子系にダイレクトされる）レーザ１４１０を含む。レーザ１４１０からの光は、レーザ１４１０の周波数がどの程度まで所望の周波数で駆動されているかを示す１つまたは複数の信号を生成することができるデバイスであるロック参照デバイス１４１２にもダイレクトされる。ロック参照は、様々な技術を利用して現在のレーザ周波数を示す誤差信号を生成することができ、誤差信号は、レーザを駆動する制御ユニット１４１４に提供される。例えば、誤差信号は、所望の周波数からのレーザの偏差に比例する電子信号であり得る。

【0144】

一部の実施形態では、制御ユニットは、現在のレーザ周波数に対する所望の周波数からの偏差を示す誤差信号を生成するために、小さい範囲の周波数にわたって（例えば、数百ＴＨｚで動作するレーザに対して数百ＭＨｚにわたって）レーザの周波数および／または振幅を繰り返し変調し得る。典型的には、誤差信号は、誤差信号の値からレーザ周波数が所望の周波数よりも高いかまたは低いかを知ることができるように構成されており、レーザの周波数を増加または減少させる（例えば、レーザに入力される電圧を増加または減少させる）ために制御ユニットがレーザ制御をどのように調整すべきかを示すフィードバックを制御ユニットに提供する。従って、適切なロック参照デバイスを使用することによって、上述のフィードバックループは、レーザを所望の周波数に安定して維持することができ、これは、レーザの「ロック」と呼称することもできる。

【0145】

図１５は、本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、２つの異なるレーザを２つの異なる波長にロックするための例示的なデバイス１５００の概略図である。図１５の例では、システム１５００は、第１のレーザ１５０１（近赤外範囲、例えば、７８０ｎｍまたはその付近の公称波長を有し得る）と、第２のレーザ１５０２（遠距離通信に典型的に使用される範囲、例えば、１３６７ｎｍまたはその付近の公称波長を有し得る）とを含む。システム１５００は、以下のプロセスを使用して、２つのレーザ（例えば、第１のレーザ１１０および第２のレーザ１２０）の出力波長を安定化（「ロック」）するように構成される。

【0146】

システム１５００においてレーザ１１０および１２０からの光がたどる経路を最初に説明するために、レーザ１１０からの光は、入力１５０１においてシステム１５００に入り、かつ５０：５０ビームスプリッタ１５０８に入射する。レーザ１１０からの光の一部は分割され、次に５０：５０ビームスプリッタ１５０９、減衰器１５１０、および原子蒸気セル１５３６の上側部分を通過する。レーザ１１０が、蒸気セル１５３６内の原子の原子遷移に対応する波長に適切に調整される場合、この光は、ビーム経路内の原子をより高いエネルギーレベルに励起し得る。そのようなエネルギー準位の例示的な例が、ルビジウムの場合に図１６Ａに示されており、第１の励起１６１０が、基底状態エネルギー準位１６０１と第１の励起状態１６０２との間に示されている。ルビジウムの場合、この励起エネルギー１６１０は、約７８０ｎｍの波長に対応している。従って、この波長に調整され、かつ基底状態にあるルビジウム原子にダイレクトされたレーザは、これらの原子の一部を励起状態１６０２に励起する。

【0147】

次に、蒸気セル１５３６を通過したレーザ１１０からの光は、ショートパスミラー１５０６（例えば、比較的低い波長を透過し、比較的高い波長を反射するように構成されたダイクロイックミラー）を通過してフォトダイオード１５１４に到達する。フォトダイオード１５１４からの信号を利用してレーザ１２０をロックし得る方法を以下に説明する。

【0148】

５０：５０ビームスプリッタ１５０８によって５０：５０ビームスプリッタ１５０９に反射されなかったレーザ１１０からの他の光は、５０：５０ビームスプリッタ１５０８によって原子蒸気セル１５３６の下側部分に反射される。蒸気セル内の原子は、この光によって励起されてもよく、次いで、光は、ＮＤフィルタ部品１５１０（これもまた、光を減衰させる）によって反射される。次いで、光は、蒸気セル１５３６を通って戻り、５０：５０ビームスプリッタ１５０８を通ってフォトダイオード１５１２上に移行する。反射された光は、減衰され、かつ蒸気セル１５３６の左側部分に入射する初期光に対して反対方向に伝搬し、初期光がどの程度まで蒸気セル内の原子を励起したかに基づいて減衰され得る。次いで、この光はフォトダイオード１５１２に入射する。フォトダイオード１５１２からの信号は、以下で説明されるように、第１のレーザ１１０をロックするために利用され得る。

【0149】

第２のレーザ１２０からの光も、ミラー１５２４およびショートパスミラー１５０６を介して蒸気セル１５３６の上側部分に反射される。第２のレーザ１２０が、蒸気セル１５３６内の原子の原子遷移に対応する周波数に適切に調整される場合、この光は、これらの原子をより高いエネルギーレベルに励起し得る。特に、第２のレーザ１２０は、望ましくは、上述のようにレーザ１１０によって第１のエネルギー準位に励起された原子が、レーザ１２０からの光によってより高いエネルギー準位にさらに励起され得るように調整され得る。図１６Ａの図に戻ると、ルビジウムの場合、例えば、第１の励起状態１６０２に励起された原子は、第２の励起１６１１を介して状態１６０３にさらに励起され得る。ルビジウムの場合、この励起エネルギー１６１１は約１３６７ｎｍに対応しているため、この波長に調整され、かつ第１の励起状態１６０２にあるルビジウム原子にダイレクトされたレーザは、これらの原子の一部を励起状態１６０３に励起する。

【0150】

図示されたもの以外の部品がシステム１５００において利用され得ることが理解されよう。例えば、ショートパスミラー１５０６の代わりに、ビームスプリッタを用いて２つの入射ビームを結合することができる。

【0151】

以上の構成により、以下のような効果が得られる。第１に、フォトダイオード１５１２に入射する光は、レーザ１１０からの光が励起１６１０に対応する波長に調整された場合に、より大きな減衰を示す。この効果は図１６Ｂに示されており、図１６Ｂは、レーザに入力される電圧（レーザの周波数と等価であると考えられ得る）対フォトダイオードによって測定された電圧（レーザの測定振幅と等価であると考えられ得る）を示す。線１６２１（「遠距離通信なし」）に注目すると、特定の入力電圧（波長）において、フォトダイオード１５１２によって生成されるフォトダイオード信号が減衰されていることが分かる。この効果は、レーザ波長が原子遷移のエネルギーと一致していることによって生じる。この状況では、レーザは原子をより高いエネルギー状態に励起し、蒸気セルを透過する光の量が減少する。この効果に基づいて、レーザ１１０は、図１４に関連して説明した方法または他の方法によって原子遷移の波長にロックされ得る。例えば、レーザ入力電圧は、小さい範囲の値にわたって掃引されてもよく、フォトダイオードは、これらの入力電圧に対する減衰量を示す値を生成し得る。対象となる特定の電圧範囲内（例えば、図１６Ｂに示す異なる減衰のうちの特定の１つの付近）のフォトダイオード信号の最大減衰に対応する適切な電圧にレーザを駆動することができるように、適切な誤差信号を生成することができる。

【0152】

システム１５００によって生成される追加の効果は、レーザ１２０からの光が励起１６１１に対応する波長に調整される場合、フォトダイオード１５１４に入射する光がより少ない減衰を示すことである。上述したように、フォトダイオード１５１４に入射する光は、蒸気セル１５３６の上側部分を通過し、かつ両方のレーザ１１０および１２０からの光は、その部分にダイレクトされる。その結果、レーザ１１０が励起１６１０に対応する波長にロックされている場合、蒸気セルの上側部分の原子の一部は第１の励起状態１６０２に励起される。さらに、レーザ１２０が励起１６１１に対応する波長にロックされる場合、第１の励起状態の原子のいくつかは、第２の励起状態１６０３にさらに励起される。原子蒸気セル１５３６を通過するレーザ１１０からの光は、原子蒸気セル内の原子がどの程度まで第１の励起状態にあるかに基づいて減衰されるため、これらの原子の一部を第２の励起状態にさらに励起すると、レーザ１１０からの光が受ける減衰量が減少する。この効果は図１６Ｂにも示されており、図１６Ｂは、曲線１６２２（「遠距離通信あり」）において、強調された減衰領域におけるフォトダイオード１５１４の信号を示しており、レーザ１２０によって生じた蒸気コール内の原子に対する効果により、フォトダイオード１５１２の信号の場合よりも減衰量が減少した（即ち、フォトダイオード電圧が量１６２３だけ高い）ことを示している。

【0153】

これらの効果の結果として、レーザ１１０および１２０の両方は、原子遷移１６１０および１６１１に対応する所望の波長にロックされ得る。レーザ１１０は、フォトダイオード１５１２からの出力を使用して、上述したように、図１６Ｂに示されるスペクトルの減衰領域の位置を検索することによって、原子遷移１６１０に対応する波長にロックされ得る。レーザ１２０は、フォトダイオード１５１４からの出力を使用して、スペクトルの減衰領域内の信号１６２３の低減された減衰の存在を識別することによって、原子遷移１６１１に対応する波長にロックされ得る。

【0154】

上述したこのプロセスの１つの利点は、本技術がレーザ１１０またはレーザ１２０のいずれかからの光の偏光状態によって制限されないことであり得る。従って、光の偏光状態が実験において（例えば、量子情報を符号化するために）使用される場合、システム１５００は光の偏光状態に依存せず、かつ光の偏光状態によって影響を受けないので、上述のロックシステムは、成功裏に実施され得る。従って、一部の実施形態では、レーザ１１０および／またはレーザ１２０の各々は、非偏光光をシステム１５００に入力し得る。一部の実施形態では、システム１５００は、光学素子を含まなくてもよく、その光学素子は、光学素子に入射する光の偏光状態に依存するものである。

【0155】

さらに、ルビジウムの例示的な例は一例として提供されているに過ぎず、ルビジウムにおける代替的な７９５ｎｍの遷移および１３２４ｎｍの遷移、本明細書に記載されるルビジウム、任意の適切なアルカリ原子、または任意の他の適切な原子における任意の他の代替的な遷移を含む、任意の他の原子ラダーシステムを用いた他のポンピングスキームが想定され得ることが理解されよう。従って、本明細書に記載される技法は、対象となる原子または波長に関係なく、原子ラダースキームのために使用することができる。

【0156】

一部の実施形態によれば、図１５に示す単一の蒸気セル１５３６の代わりに、２つの別個の原子蒸気セルを使用することができる。例えば、原子蒸気セルの２つの別々の領域に説明したように光をダイレクトする代わりに、２つの異なる蒸気セルを使用して、光を各セルに別々にダイレクトすることができる。一部の実施形態によれば、蒸気セル１５３６は、（例えば、約４０℃に）加熱されるか、または室温で保持され得る。

【0157】

図１７Ａ～図１７Ｂは、本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、ラックマント可能なハウジング内に配置された例示的なロックデバイス１７００を示す。図１７Ａ～図１７Ｂの例では、同じデバイスが示されているが、説明のために異なる光路が強調されている。デバイス１７００は、別個の光入力（例えば、レーザ光入力、レーザ１１０および１２０からの光の一部）のための２つの入力ポート１７１１および１７１２を含むユニットである。デバイス１７００はまた、光検出器１７２１および１７２２を含み、これらは両方とも、第１の入力ポートからの光を受け取るが、この光は、以下で説明するように、デバイスの光学部品を通してダイレクトされた後のものである。入力ポート１７１２に入力された光は、光検出器１７２１または１７２２のいずれにも直接入射せず（または全く入射せず）、かつレーザ１２０が蒸気セル１５３６内の原子を励起するためのみに使用される図１５の例のように、蒸気セル１７１５内の原子を励起するためのみに使用される。

【0158】

図１７Ａに示すように、デバイス１７００において、入力ポート１７１１を介して入力された光は、最も右側のビームスプリッタ１７０１によって分割される。次いで、光の一部は、蒸気セル１７１５を上方に向かって通過し、減衰器１７０６を通過し、ミラー１７０２によって反射され、最も右側のビームスプリッタ１７０１によって光検出器１７２１上に反射される。その結果、光検出器１７２１は、入力ポート１７１１への光入力が、蒸気セル１７１５内の原子の励起に対応する所望の波長にどの程度までロックされているかを示す信号を生成する。入力ポート１７１１に入力された他方の光は、減衰器１７０７および蒸気セル１７１５を通過するようにダイレクトされ、次にミラー１７０３および１７０４によって反射される。次に、この光は、ダイクロイックミラー１７０５に入射し、ダイクロイックミラー１７０５は、より低い波長の光（例えば、ポート１７１１に入力されると予想される光）を反射し、より高い周波数の光（例えば、ポート１７１２に入力されると予想される光）を透過するように構成されている。これにより、この光は光検出器１７２２に反射される。

【0159】

図１７Ｂに示されるように、入力ポート１７１２を通過して入力される光は、ダイクロイックミラー１７０５を通過して伝送され、ミラー１７０４および１７０３によって反射され、次いで、蒸気セル１７１５を通過して伝送される。蒸気セルの他方の側に到達する任意の光は、減衰器１７０７によって減衰され、かつ／またはデバイスの壁に向かってダイレクトされる。この光は、図１５に関連して上述したように、蒸気セル１７１５内の原子をさらに励起することができる。

【0160】

一部の実施形態によれば、デバイス４００は、光検出器１７２１および１７２２に入射する光の量を示す信号（例えば、各光検出器の電圧信号）を生成する１つまたは複数の出力ポートを備え得る。

【0161】

一部の実施形態によれば、デバイス１７００は、蒸気セル１７１５を加熱するように構成された１つまたは複数の加熱要素を備え得る。一部の実施形態では、デバイスはまた、蒸気セルの温度を固定温度に自動的に調節するための回路を備え得る。一部の実施形態では、デバイスは、蒸気セル１７１５の温度を示す出力と、デバイス１７００の外部のデバイスまたはシステムが蒸気セル１７１５の温度を調節し得るように、１つまたは複数の加熱要素を駆動する入力とを含み得る。一部の実施形態では、蒸気セル１７１５は、１つまたは複数の光学的に透明な窓を備え得る。窓は、互いに平行であってもよく、または互いに対して斜めであり得る。

【0162】

ＩＩＩ．量子遠距離通信における応用
２つ以上のエンタングルメントソース間でエンタングルメントを「スワッピング（ｓｗａｐｐｉｎｇ）」することによって、遠隔光子をエンタングルすることが可能である。エンタングルメントスワッピングプロセスは、光ファイバに沿って生じる指数関数的な損失に対処するための最もレート効率の良い手法であるため、エンタングルメント分布は、ユニバーサル量子ネットワーキングにとって重要である。スワッピングプロセスを可能にし、かつサポートする全てのデバイス量子エンタングルメントソース、量子バッファ、およびエンタングルメントスワッピングノードの組合せは、量子リピータとして知られている。これらの構成要素の組合せは、通信およびセンシングにおける多くの用途に使用することができ、新しい機能を可能にする技術主導の機会も提供する。改良された量子リピータ技術は、高データレートの長距離量子通信ネットワークの実施を推進し、ファイバ損失によって課される現在の制限を超えたエンタングルメントおよび量子情報の同期配信を可能にする。

【0163】

従来、量子リピータの各量子デバイスは、それらの動作波長にかかわらず、個別に配備される（例えば、量子エンタングルメントソース、量子バッファ、およびエンタングルメントスワッピングノードは全て、異なる波長で動作し得る）。次いで、量子周波数変換器は、光ファイバおよび量子リピータの量子デバイスとインタフェースするために光子の波長を変化させるために使用される。例えば、多くのエンタングルメントソースは、非線形結晶を使用して、光ファイバとのインタフェースに適した波長で複数の光子対を生成する。光子対が光ファイバの他端に到達すると、光子は、例えば、原子ベースの量子バッファを使用して同期されるべくＮＩＲ波長に変換される必要がある。理論的には可能であるが、実際にはこのようなアプローチにはいくつかの問題がある。

【0164】

第１に、周波数変換器は、特に室温で損失が大きい。周波数変換器を含むシステムの全体的な光子変換および伝送は、約１０％を超える可能性は低い。第２に、周波数変換器は、典型的には、ポンプレーザの残留効果を除去するために強力なポンプレーザおよび／または複雑なフィルタリングシステムを必要とするため、最もコスト効率の良い解決策ではない。最後に、周波数変換器は、波長不整合によって生じる問題に対処することができるが、非線形結晶源によって生成される光子は、それらの大きい線幅により、原子モジュール、イオンモジュール、または他の光子モジュールとインタフェースするために依然として互換性がない可能性がある。例えば、非線形結晶によって生成された光子は、通常、１０ＴＨｚ程度の線幅を有し、これは、量子バッファ、シミュレータ、および原子プロセッサなどの原子デバイスまたはイオンデバイスによって使用される任意の許容可能な線幅よりも著しく広い。量子コンピュータおよび量子センサは、典型的には、数ＭＨｚから数十ＭＨｚの線幅を有する光子と相互作用する。

【0165】

従って、本発明者らは、周波数変換器およびヘラルディング量子メモリの必要性を排除しながら、各ノードにおいて光子をバッファリングおよび同期させることによって、強化されたエンタングルメント分布速度を提供する二色の光子源（例えば、本明細書に記載される二色の光子源１００、４００、および／または５００）を使用する量子反復手法を開発した。さらに、この手法は、ファイバ線から原子バッファを除去することによって、遠距離通信経路を完全に透過に保持する。

【0166】

図１８Ａおよび図１８Ｂは、本明細書に記載の技術の一部の実施形態による、エンタングルメントソースおよび量子メモリの概略ブロック図と、二色のエンタングルされた光子対を生成し、対の光子を保存および伝送する例示的なプロセスとを示す。エンタングルメントソース１８０２は、二色の光子源１００、４００、または５００、またはそれらの任意の適切な変形のうちのいずれか１つであってもよく、かつ本明細書に記載される二色の光子を生成するように構成され得る。二色のエンタングルされた光子対は、第１の周波数を有する第１の光子１８０４と、第２の周波数を有する第２の光子１８０６とを含み得る。例えば、第１の光子１８０４は赤外帯域の周波数を有し、第２の光子１８０６はＮＩＲ帯域の周波数を有し得る。第１の光子１８０４と第２の光子１８０６とのエンタングルメントは、リンクＥによって示される。

【0167】

図１８Ａは、エンタングルメントソース１８０２からの第１の光子１８０４および第２の光子１８０６の出力を示す。第２の光子１８０６は、量子メモリ１８０８にダイレクトされ得る。一部の実施形態において、量子メモリ１８０８は、高温蒸気（例えば、高温ルビジウム蒸気）ベースの量子メモリであり得る。しかしながら、本明細書で説明されるアーキテクチャは、高温蒸気ベースの量子メモリに限定されないことを理解されたい。

【0168】

一部の実施形態では、第２の光子１８０６が量子メモリ１８０８に保存されると、量子メモリ１８０８の状態は、図１８Ｂの例におけるリンクＥによって示されるように、第１の光子１８０４と新たにエンタングルされ得る。次いで、第１の光子１８０４は、量子メモリ１８０８とのエンタングルメントを維持しながら、エンタングルメントソース１８０２から離れて伝送され得る。

【0169】

この機能は、エンタングルメントスワッピングを介して遠隔量子状態をリンクするために使用し得る。例えば、図１９Ａ、図１９Ｂ、および図１９Ｃは、本明細書で説明される技術の一部の実施形態による、量子ネットワーク１９００の概略ブロック図、および量子ネットワーク１９００内に保存された光子をエンタングルする例示的なプロセスを示す。図１９Ａの例に示すように、エンタングルメントソース１８０２の対及び量子メモリの対は、位置間の物理的距離を有する２つの異なる位置に配置されている。

【0170】

一部の実施形態では、複数のエンタングルメントソース１８０２は、次いで、図１９Ｂに示されるように、二色のエンタングルされた光子の複数の対を生成し得る。一部の実施形態において、複数のエンタングルメントソース１８０２は、ＧＰＳ同期信号に応答して二色のエンタングルされた光子の複数の対を生成し得る。二色のエンタングルされた光子の複数の対を生成した後、第１の光子１８０４は、光ファイバ１９１０を介して伝送され、第２の光子１８０６は、量子メモリ１８０８に保存され得る。

【0171】

一部の実施形態では、第１の光子１８０４は、中間位置にある二光子干渉測定デバイス１９１２に伝送され得る。二光子干渉測定デバイス１９１２は、送信された光子の受信時に二光子干渉測定を実行するように構成され得る。例えば、二光子干渉測定デバイスは、伝送された光子の受信時にベル状態測定を実行するように構成されたベル状態測定デバイスであり得る。二光子干渉測定の実行および通知が成功すると、図１９Ｃの例におけるリンクＥによって示されるように、量子メモリ１８０８間に新しいエンタングルメントが形成され得る。このようにして、量子情報は、二色のエンタングルされた光子対を使用して、ある距離にわたって伝送され得る。

【0172】

量子情報が伝送され得る距離を増加させるために、追加のノードが量子ネットワークに追加され得る。図２０Ａ、図２０Ｂ、図２０Ｃ、および図２０Ｄは、本明細書に記載される技術の一部の実施形態による、複数のストレージノードを有する量子ネットワーク２０００の概略ブロック図、および量子ネットワーク２０００のエンドノードにおいて保存された光子をエンタングルする例示的なプロセスを示す図である。図２０Ａに示すように、各エンタングルメントソースは、二色のエンタングルされた光子対を生成し、第１の光子１８０４が光ファイバを介して伝送され、第２の光子１８０６（図示せず）が量子メモリ１８０８に保存される。一部の実施形態では、中間ノードに配置された２つのエンタングルメントソース１８０２は、（例えば、図４の例に示すように）多重化技術を用いて２つ以上のエンタングルされた二色の光子対を生成するように構成された単一のエンタングルメントソースに置き換えられ得る。

【0173】

一部の実施形態では、送信された第１の光子１８０４の二光子干渉測定デバイス１９１２での受信時に、二光子干渉測定が実行され得る。二光子干渉測定の結果の通知によって、図２０ＢのリンクＥによって示されるように、量子メモリ１８０８間の新たなエンタングルメントが生じ得る。

【0174】

その後、一部の実施形態では、図２０Ｃの例に示すように、中間の第２の光子１８０６が別の二光子干渉デバイス２０１４に伝送され得る。一部の実施形態２の光子１８０６は、一部の実施形態では、自由空間にわたって伝送され得る。次いで、二光子干渉デバイス２０１４は、図２０Ｄに示されるように、二光子干渉測定を実行して、ネットワーク２０００のエンドノードにおける量子メモリ間のエンタングルメントを生じさせ得る。

【0175】

図２１は、本明細書で説明される技術の一部の実施形態による、量子ネットワーク２１００の実施の例示的な例を示す。図２１の例では、青色部品は光ファイバを介した通信を示し、赤色部品は自由空間リンクを介した通信を示す。

【0176】

一部の実施形態では、量子ネットワーク２１００は、異なる位置にある複数のノードを含み、各ノードはエンタングルメントソースおよび量子メモリを有する。エンタングルメントソースは、本明細書に記載されるような二色のエンタングルされた光子対を生成するように構成され得る。第１の光子は、（例えば、図２０Ｂの例に示されるように）量子メモリの一部の状態をエンタングルするために、エンタングルメントソースからベル状態測定デバイスに送信され得る。次いで、ネットワーク２１００のエンドノードにおける量子メモリのエンタングルメントは、自由空間を介して別のベル状態測定デバイス（例えば、図２１の例に示されるように、衛星などのモバイルノードにある）に第２の光子を送信することによって実行され得る。

【0177】

図２２は、本明細書で説明される技術の一部の実施形態による、量子ネットワーキングを実行するためのプロセス２２００を説明するフローチャートである。プロセス２２０は、一部の実施形態では、動作２２０２において開始し得る。動作２２０２において、複数の二色のエンタングルされた光子対が生成され得る。例えば、二色のエンタングルされた光子対は、本明細書に記載の二色の光子源１００、４００、および／または５００を含む任意の適切な二色の光子源を使用して生成され得る。

【0178】

一部の実施形態では、複数の二色のエンタングルされた光子対エンタングルされた光子対を生成することは、第１の位置に配置された第１のデバイスを使用して第１の二色のエンタングルされた光子対を生成すること、および第１の位置とは異なる第２の位置に配置された第２のデバイスを使用して第２の二色の光子を生成することを含む。例えば、第１の二色のエンタングルされた光子対源は、位置Ａにおいて第１の二色のエンタングルされた光子対を生成し、第２の二色の光子源は、位置Ｂにおいて第２の二色の光子を生成し得る。位置Ａは、位置Ｂからある距離（例えば、数キロメートル）離れて位置し得る。二色のエンタングルされた光子対の生成は、位置Ｃ、Ｄ、Ｅ等において繰り返され得る。

【0179】

一部の実施形態では、動作２２０２の後、プロセス２２００は動作２２０４に移行し得る。動作２２０４において、各二色の光子対の第１の光子は、個別の位置に保存され得る。例えば、第１の二色のエンタングルされた光子対の第１の光子は、位置Ａにある量子メモリに保存され、第２の二色のエンタングルされた光子対の第１の光子は、位置Ｂにえる量子メモリに保存され得る。適切な量子メモリデバイスのさらなる態様は、２０２１年１０月１日に出願された「量子ネットワークデバイス、システムおよび方法（ＱｕａｎｔｕｍＮｅｔｗｏｒｋＤｅｖｉｃｅｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄＭｅｔｈｏｄｓ）」という名称の米国特許出願公開第２０２０／０１０５１３５号明細書に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【0180】

一部の実施形態では、動作２２０４の後、プロセス２２００は動作２２０６に移行し得る。動作２２０６において、各二色のエンタングルされた光子対の第２の光子が第１の中間位置に伝送され得る。第１の中間位置は、複数の二色のエンタングルされた光子対を生成するために使用される二色の光子源の位置（例えば、位置Ａ、Ｂ、Ｃなど）から空間的に分離されている。例えば、本明細書の図２１に示すように、各二色のエンタングルされた光子対の第２の光子は、光ファイバを介して第１の中間位置に伝送され得る。一部の実施形態では、第２の光子は、量子ノードがＧＰＳ同期デバイスからタイミング信号を受信した後に伝送され得る。

【0181】

一部の実施形態では、動作２２０６の後、プロセス２２００は動作２２０８に移行し得る。動作２２０８において、第１の中間位置の各々において二光子干渉測定が実行され得る。二光子干渉測定は、二光子干渉測定デバイスを用いて実行され得る。例えば、二光子干渉測定は、ベル状態測定デバイスによって実行されるベル状態測定であり得る。

【0182】

一部の実施形態では、動作２２０８の後、プロセス２２００は動作２２１０に移行し得る。動作２２１０において、保存された第１の光子の対の状態がエンタングルされて、新たにエンタングルされた光子対が形成され得る。保存された第１の光子の対は、第１の中間位置に伝送された第２の光子に対する二光子干渉測定の実行の成功によってエンタングルされ得る。このようにして、エンタングルメントは、第１の光子と第２の光子の対の間から、量子メモリに保存された第１の光子の対の間に「スワップ」され得る。

【0183】

一部の実施形態では、プロセス２２００は、第１の光子のエンタングルされた複数の対の保存された複数の第１の光子のうちの１つを、第２の中間位置および第２の中間位置にある第２の二光子干渉測定デバイスに伝送することをさらに含み得る。第２の中間位置の各々において、受信した第１の光子および第２の二光子干渉測定デバイスを使用して、二光子干渉測定が実行され得る。第２の二光子干渉測定の実行に成功すると、保存された第１の光子の異なる対の間に新たにエンタングルされた状態が形成され得る。このようにして、量子エンタングルメントは、第１の光子の第１の対（例えば、最も近い隣接位置に配置された第１の光子の対）から第１の光子の第２の対（例えば、次に最も近い隣接位置に配置された第１の光子の対）にスワップされ得る。

【0184】

技法が回路実行可能命令および／またはコンピュータ実行可能命令において実施される実施形態が説明されてきた。一部の実施形態は、少なくとも１つの例が提供された方法の形態であり得ることを理解されたい。方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法で順序付けられ得る。従って、例示的な実施形態では連続した動作として示されているが、いくつかの動作を同時に実行することを含み得る、図示されたものとは異なる順序で動作が実行される実施形態が構築され得る。

【0185】

上述の実施形態の様々な態様は、単独で、組み合わせて、または前述の実施形態で具体的に説明されていない様々な構成で使用することができ、従って、その適用において、前述の説明に記載された、または図面に示された構成要素の詳細および構成に限定されない。例えば、一実施形態に記載された態様は、他の実施形態に記載された態様と任意の方法で組み合わせることができる。

【0186】

また、説明したように、一部の態様は、１つまたは複数の方法として具現化され得る。方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法で順序付けられ得る。従って、例示的な実施形態では連続した動作として示されているが、いくつかの動作を同時に実行することを含み得る、図示されたものとは異なる順序で動作が実行される実施形態が構築され得る。

【0187】

本明細書で定義され、使用される全ての定義は、辞書の定義、参照により組み込まれる文書における定義、および／または定義された用語の通常の意味を優先するものとして理解されるべきである。

【0188】

本明細書及び特許請求の範囲で使用される不定冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、明確に反対の指示がない限り、「少なくとも１つ」を意味すると理解されるべきである。
本明細書および特許請求の範囲で使用される「および／または」という句は、そのように結合された要素の「いずれかまたは両方」、即ち、ある場合には結合的に存在し、他の場合には選言的に存在する要素を意味すると理解されるべきである。「および／または」と共に列挙された複数の要素は、同様に解釈されるべきであり、即ち、そのように結合された要素の「１つまたは複数」である。「および／または」節によって具体的に識別される要素以外の他の要素が、具体的に識別されるそれらの要素に関連するかまたは関連しないかにかかわらず、任意選択的に存在し得る。従って、非限定的な例として、「Ａおよび／またはＢ」への言及は、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などのオープンエンド言語と併せて使用される場合、一実施形態では、Ａのみ（任意選択的にＢ以外の要素を含む）、別の実施形態では、Ｂのみ（任意選択的にＡ以外の要素を含む）、さらに別の実施形態では、ＡおよびＢの両方（任意選択的に他の要素を含む）などを指すことができる。

【0189】

本明細書および特許請求の範囲で使用される場合、１つまたは複数の要素のリストに関して「少なくとも１つ」という句は、要素のリスト内の要素のうちの任意の１つまたは複数から選択される少なくとも１つの要素を意味するが、必ずしも要素のリスト内に具体的に列挙された各要素および全ての要素のうちの少なくとも１つを含むわけではなく、要素のリスト内の要素の任意の組合せを除外するわけではないことを理解されたい。この定義はまた、「少なくとも１つ」という語句が言及する要素のリスト内で具体的に識別された要素以外の要素が、具体的に識別されたそれらの要素に関連するか関連しないかにかかわらず、任意選択的に存在し得ることを可能にする。従って、非限定的な例として、「ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ」（または同等に、「ＡまたはＢのうちの少なくとも１つ」、または同等に、「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも１つ」）は、一実施形態では、少なくとも１つ、任意選択的に２つ以上のＡを含み、Ｂが存在しない（および任意選択的にＢ以外の要素を含む）こと、別の実施形態では、少なくとも１つ、任意選択的に２つ以上のＢを含み、Ａが存在しない（および任意選択的にＡ以外の要素を含む）こと、さらに別の実施形態では、少なくとも１つ、任意選択的に２つ以上のＡを含み、および少なくとも１つ、任意選択的に２つ以上のＢを含む（および任意選択的に他の要素を含む）ことなどを指すことができる。

【0190】

特許請求の範囲において請求項の要素を修飾するための請求項における「第１」、「第２」、「第３」などの序数用語の使用は、それ自体では、ある請求項の要素の別の請求項の要素に対する任意の優先度、優先順位、もしくは順序、または方法の動作が実行される時間的順序を暗示するものではなく、単に、ある名前を有するある請求項の要素を、同じ名前を有する別の要素（序数用語の使用を除く）から区別するためのラベルとして使用される。

【0191】

特許請求の範囲ならびに上記の明細書において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「搬送する（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「伴う（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「保持する（ｈｏｌｄｉｎｇ）」、「から構成される（ｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆ）」などの全ての移行句は、オープンエンドである、即ち、含むが限定されないことを意味するものと理解されるべきである。「からなる」および「本質的にからなる」という移行句のみが、それぞれクローズドまたはセミクローズドの移行句であるものとする。「例示的」という語は、本明細書では、例、事例、または例示として機能することを意味するものとして使用される。従って、例示的なものとして本明細書で説明される任意の実施形態、実装形態、プロセス、特徴などは、説明のための例であると理解されるべきであり、別段の指示がない限り、好ましいか、または有利な例であると理解されるべきではない。

【0192】

「およそ」および「約」という用語は、一部の実施形態において目標値の±２０％以内、一部の実施形態において目標値の±１０％以内、一部の実施形態において目標値の±５％以内、および／または一部の実施形態において目標値の±２％以内を意味するものとして使用され得る。用語「およそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」および「約（ａｂｏｕｔ）」は、目標値を含み得る。

【0193】

少なくとも１つの実施形態の一部の態様をこのように説明してきたが、様々な変更、修正、および改良が当業者に容易に想起されることを理解されたい。そのような変更、修正、および改良は、本開示の一部であることが意図され、本明細書で説明される原理の趣旨および範囲内にあることが意図される。従って、前述の説明および図面は、例示にすぎない。

【図1】