(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光子と前記第１の光子より波長が短い第２の光子を発生するための第１の光子発生源（１１）と，
前記第１の光子発生源（１１）から発生した前記第１の光子が入射する第１の非対称マッハツェンダー干渉計（１２）と，
前記第１の光子発生源（１１）から発生した前記第２の光子に対し，偏光に対応した時間遅延を与え，前記第２の光子に由来する第１の２連光子を得る第１の偏光・時間遅延付与装置（１３）と，
前記第１の光子と波長が等しい第３の光子と，前記第２の光子と波長が等しい第４の光子を発生するための第２の光子発生源（１４）と，
前記第２の光子発生源（１４）から発生した前記第３の光子が入射する第２の非対称マッハツェンダー干渉計（１５）と，
前記第２の光子発生源（１４）から発生した前記第４の光子に対し，偏光に対応した時間遅延を与え，前記第４の光子に由来する第２の２連光子を得る第２の偏光・時間遅延付与装置（１６）と，
前記第１の２連光子及び前記第２の２連光子をベル測定するベル測定装置（１７）と，
を含む，量子鍵配送システムであって，
前記第１の光子発生源（１１）は，近紫外領域又は可視領域の連続光を発生する第１の光源（２１）と，前記第１の光源（２１）からの連続光をダウンコンバージョンし，可視領域から赤外領域の光子を得るための第１の非線形光学結晶（２２）とを含み，
前記第２の光子発生源（１４）は，近紫外領域又は可視領域の連続光を発生する第２の光源（２３）と，前記第２の光源（２３）からの連続光をダウンコンバージョンし，可視領域から赤外領域の光子を得るための第２の非線形光学結晶（２４）とを含む，
量子鍵配送システム。
【請求項２】
前記第１の非対称マッハツェンダー干渉計（１２）は，
前記第１の光子が入射し，分岐する分岐部（３１）と，
前記分岐部（３１）で分離した一方の光子が伝搬する第１のアーム（３２）と，
前記分岐部（３１）で分離した残りの光子が伝搬するアームであって，前記第１のアーム（３２）とは光路長が異なり，これにより前記第１のアーム（３２）を伝搬した光子に対し，時間遅延を与えた光子を出力できる第２のアーム（３３）と，
を有する，
請求項１に記載の量子鍵配送システム。
【請求項３】
前記第１の偏光・時間遅延付与装置（１３）は，
前記第２の光子が入射する偏光調整器（４１）と，
前記偏光調整器（４１）からの光子を偏光面に応じて分離する第１の偏光ビームスプリッタ（４２）と，
前記第１の偏光ビームスプリッタ（４２）により偏光分離された残りの光子に，前記第１の偏光ビームスプリッタ（４２）により偏光分離された一方の光子に対して，時間遅延を与える第１の時間遅延付与装置（４５）と，
前記第１の偏光ビームスプリッタ（４２）により偏光分離された一方の光子と，前記第１の時間遅延付与装置（４５）を経た残りの光子とが入射する第２の偏光ビームスプリッタ（４３）と，
を含む，
請求項１に記載の量子鍵配送システム。
【請求項４】
前記ベル測定装置（１７）は，
前記第１の２連光子及び前記第２の２連光子が入射する光子分離装置と，
前記光子分離装置で分離された２連光子を測定する単一光子測定器と，
を有する，
請求項１に記載の量子鍵配送システム。
【請求項５】
前記ベル測定装置（１７）は，
前記第１の２連光子及び前記第２の２連光子が入射する狭帯域フィルタ（５１）と，
前記狭帯域フィルタを経た光子対が入射する光子分離装置（５２）と，
前記光子分離装置で分離された２連光子を測定する単一光子測定器（５３）と，
を有する，
請求項１に記載の量子鍵配送システム。
【請求項６】
前記第１の非対称マッハツェンダー干渉計（１２）により与えられる遅延時間，
前記第１の偏光・時間遅延付与装置（１３）により与えられる遅延時間，
前記第２の非対称マッハツェンダー干渉計（１５）により与えられる遅延時間，及び
前記第２の偏光・時間遅延付与装置（１６）により与えられる遅延時間は，
同じ値である，
請求項１に記載の量子鍵配送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，自由空間とファイバにおける量子鍵配送のネットワークを構築できる，縺れ光源のタイムビン偏光フォーマット変換技術を有する量子鍵配送システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開２００８−２０５９９３号公報（特許文献１）には，非対称マッハツェンダー干渉計（ＡＭＺＩ）を用いた量子暗号装置が開示されている。この量子暗号装置は，偏波モードとタイムビン（ｔｉｍｅ−ｂｉｎ）モードの最大縺れ状態を達成することができる（図４，段落［００４９］）。
【０００３】
特開２００７−３２９８６５号公報（特許文献２）には，量子情報中継装置が開示されている。量子情報中継装置は，量子状態としての信号を遠隔地まで高い忠実度で送信する技術である。量子情報中継装置は，エンタングルメントスワッピング（ＥＳ）によって互いに縺れ合った光子対であるＥＰＲ対の長さを伸張し，エンタングルメント純粋化プロトコル（ＥＰＰ）によって忠実度を回復する操作を繰り返す。これにより，量子情報中継装置は，ＥＰＲ対の長さを徐々に伸張しつつ，忠実度を確保する。すなわち，量子情報中継装置は，各中継地点において，ＥＰＲ対を発生させ，ＥＰＲ対の一方の光子を隣接する中継地点に送信する。これにより，隣り合った中継地点の間でＥＰＲ対が共有される。この後，エンタングルメントスワッピング（ＥＳ）によりＥＰＲ対をつなぎ合わせる。隣接する地点間でのＥＰＲ対の共有やＥＳ操作の際に忠実度が低下する。そして，低下した忠実度をエンタングルメント純粋化プロトコル（ＥＰＰ）により向上させる。そして，送信者（アリス）と受信者（ボブ）との間でＥＰＲ対が共有されるまでＥＳ及びＥＰＰを繰り返す。このようにすることで，ＥＰＲ対は送信者と受信者との間で共有される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２０５９９３号公報
【特許文献２】特開２００７−３２９８６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特開２００８−２０５９９３号公報（特許文献１）に開示された量子暗号装置は，主にタイムビンパルスの自由度に情報を載せてファイバなどの伝送路を伝搬させる。一方，自由空間を空間伝送する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムが計画されている。このような空間通信では，光子の偏光の自由度に情報を載せて自由空間を伝搬させることが想定されている。
【０００６】
すなわち，上記特開２００８−２０５９９３号公報に開示された量子暗号装置は，ファイバを経由したＱＫＤを達成することはできるものの，自由空間におけるＱＫＤに使用することはできない。
【０００７】
また，特開２００７−３２９８６５号公報（特許文献２）に開示される量子情報中継装置において，一般にファイバにおける伝送に適した波長を有する光子を用いてエンタングルメントスワッピング（ＥＳ）が行われる。このため，検出器による光子検出が非効率となり，量子鍵配送（ＱＫＤ）を実現できないという問題があった。 
【０００８】
そこで，本発明は，効率的な光子検出を行うことができ，光子対のスワッピングの効率を向上でき，長距離の量子鍵配送（ＱＫＤ）を達成できる，量子鍵配送システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の量子鍵配送システムは，波長の異なる２種の光子対を発生させ，それぞれを非対称マッハツェンダー干渉計に入射させてタイムビン（ｔｉｍｅ−ｂｉｎ）縺れ状態とする。そして，２種の波長を有する光子対は，それぞれ光ファイバ伝送に適した波長と，自由空間伝送及び光子検出に適した波長とする。本発明の量子鍵配送システムは，２種の波長を有する縺れ光子対を複数組用いて，スワッピングを行うことで，長距離間における量子鍵配送（ＱＫＤ）を達成することができるという知見に基づく。
【００１０】
本発明の第１の側面は，２つの縺れ光子対発生源とベル測定装置１７を有する。１つめの縺れ光子対発生源は，第１の光子発生源１１と，第１の非対称マッハツェンダー干渉計１２と，第１の偏光・時間遅延付与装置１３と，を有する。残りの縺れ光子対発生源は，第２の光子発生源１４と，第２の非対称マッハツェンダー干渉計１５と，第２の偏光・時間遅延付与装置１６とを有する。
【００１１】
第１の光子発生源１１は，近紫外領域又は可視領域の連続光を発生する第１の光源２１と，第１の光源２１からの連続光をダウンコンバージョンし，可視領域から赤外領域の光子を得るための第１の非線形光学結晶２２とを含む。そして，第１の光子発生源１１は，第１の光子と第１の光子より波長が短い第２の光子を発生する。
【００１２】
第１の非対称マッハツェンダー干渉計１２には，第１の光子発生源１１から発生した第１の光子が入射する。一方，第１の偏光・時間遅延付与装置１３は，第１の光子発生源１１から発生した第２の光子が入射する。そして，第１の偏光・時間遅延付与装置１３は，第２の光子に対し，偏光に対応した時間遅延を与え，第２の光子に由来する第１の２連光子を得る。
【００１３】
第２の光子発生源１４は，近紫外領域又は可視領域の連続光を発生する第２の光源２３と，第２の光源２３からの連続光をダウンコンバージョンし，可視領域から赤外領域の光子を得るための第２の非線形光学結晶２４とを含む。そして，第２の光子発生源１４は，第１の光子と波長が等しい第３の光子と，第２の光子と波長が等しい第４の光子を発生する。
【００１４】
第２の非対称マッハツェンダー干渉計１５には，第２の光子発生源１４から発生した第３の光子が入射する。第２の偏光・時間遅延付与装置１６には，第２の光子発生源１４から発生した第４の光子が入射する。第２の偏光・時間遅延付与装置１６は，第４の光子に対し，偏光に対応した時間遅延を与え，第４の光子に由来する第２の２連光子を得る。
【００１５】
ベル測定装置１７は，第１の２連光子及び第２の２連光子をベル測定する。
【００１６】
本発明の第１の側面の好ましい態様は，第１の非対称マッハツェンダー干渉計１２が，第１の光子が入射し，分岐する分岐部３１と，分岐部３１で分離した一方の光子が伝搬する第１のアーム３２と，分岐部３１で分離した残りの光子が伝搬するアームであって，第１のアーム３２とは光路長が異なり，これにより第１のアーム３２を伝搬した光子に対し，時間遅延を与えた光子を出力できる第２のアーム３３と，を有するものである。
【００１７】
この態様は，第２の非対称マッハツェンダー干渉計１５も，分岐部と，分岐部で分離した一方の光子が伝搬する第３のアームと，分岐部で分離した残りの光子が伝搬するアームであって，第３のアームとは光路長が異なり，これにより第３のアームを伝搬した光子に対し，時間遅延を与えた光子を出力できる第４のアームと，を有するものであることが好ましい。すなわち，第１の非対称マッハツェンダー干渉計１２と第２の非対称マッハツェンダー干渉計１５とが同じ構成を有しており，それにより同じ作用効果を奏するものが好ましい。
【００１８】
本発明の第１の側面の好ましい態様は，第１の偏光・時間遅延付与装置１３が，第２の光子が入射する偏光調整器４１と，偏光調整器４１からの光子を偏光面に応じて分離する第１の偏光ビームスプリッタ４２と，第１の偏光ビームスプリッタ４２により偏光分離された一方の光子と残りの光子とが入射する第２の偏光ビームスプリッタ４３と，第１の偏光ビームスプリッタ４２により偏光分離された残りの光子に，１の偏光ビームスプリッタ４２により偏光分離された一方の光子に対して，時間遅延を与える第１の時間遅延付与装置４５とを含むものである。
【００１９】
この態様は，第２の偏光・時間遅延付与装置１６も第１の偏光・時間遅延付与装置１３と同じ構成を有しており，それにより同じ作用効果を奏するものが好ましい。
【００２０】
本発明の第１の側面の好ましい態様は，第１の２連光子及び第２の２連光子が入射する光子分離装置と，光子分離装置で分離された光子を測定する単一光子測定器と，を有する。
【００２１】
本発明の第１の側面の好ましい態様は，ベル測定装置１７が，第１の２連光子及び第２の２連光子が入射する狭帯域フィルタと，狭帯域フィルタを経た光子対が入射する光子分離装置と，光子分離装置で分離された光子を測定する単一光子測定器と，を有する。
【００２２】
本発明の第１の側面の好ましい態様は，第１の非対称マッハツェンダー干渉計１２により与えられる遅延時間，第１の偏光・時間遅延付与装置１３により与えられる遅延時間，第２の非対称マッハツェンダー干渉計１５により与えられる遅延時間，及び第２の偏光・時間遅延付与装置１６により与えられる遅延時間が，同じ値である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば，効率的な光子検出を行うことができ，光子対のスワッピングの効率を向上でき，長距離の量子鍵配送（ＱＫＤ）を達成できる，量子鍵配送システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は，量子鍵配送システムを説明するためのブロック図である。
【図２】図２は，光子発生源の構成例を示す図である。
【図３】図３は，非対称マッハツェンダー干渉計の例を示す図である。
【図４】図４は，偏光・時間遅延付与装置を説明するためのブロック図である。
【図５】図５は，ベル測定装置の例を示すブロック図である。
【図６】図６（ａ）は，量子鍵配送システムを示すブロック図である。図６（ｂ）は，量子鍵配送システムの構成例を示す図である。
【図７】図７は，縺れ光子対発生源の例を示す図である。
【図８】図８は，光子対生成装置を示すブロック図である。
【図９】図９は，ポアンカレ球の概念図である。
【図１０】図１０は，偏光・時間遅延付与装置を示す。図１０（ａ）は，グランレーザープリズムを用いた偏光・時間遅延付与装置を示す。図１０（ｂ）は，偏光及び２つの偏光ビームスプリッタを用いた偏光・時間遅延付与装置を示す。図１０（ａ）の偏光・時間遅延付与装置と図１０（ｂ）の偏光・時間遅延付与装置とは光学的に等価な回路である。
【図１１】図１１（ａ）は量子鍵配送２者同時計数（コインシデンスカウント）の遅延時間依存性を示すグラフである。図１１（ｂ）は量子鍵配送２者同時計数の干渉計動作温度依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は，量子鍵配送システムを説明するためのブロック図である。図１に示されるように，この量子鍵配送システムは，２つの縺れ光子対発生源と，ベル測定装置１７を有する。この量子鍵配送システムを複数配置して，スワッピングを繰り返し行うことで，量子鍵配送（ＱＫＤ）の配布距離を飛躍的に向上させることができる。
【００２６】
量子鍵配送（ＱＫＤ）システムは，量子暗号通信などの情報通信において広く知られているシステムである。本発明のシステムは，ＱＫＤシステムにおいて既に知られた構成を適宜採用することができる。
【００２７】
図１に示されるように，１つめの縺れ光子対発生源は，第１の光子発生源１１と，第１の非対称マッハツェンダー干渉計１２と，第１の偏光・時間遅延付与装置１３と，を有する。残りの縺れ光子対発生源は，第２の光子発生源１４と，第２の非対称マッハツェンダー干渉計１５と，第２の偏光・時間遅延付与装置１６とを有する。
【００２８】
図２は，光子発生源の構成例である。図２に示されるように，第１の光子発生源１１は，近紫外領域又は可視領域の連続光を発生する第１の光源２１と，第１の光源２１からの連続光をダウンコンバージョンし，可視領域から赤外領域の光子を得るための第１の非線形光学結晶２２とを含む。そして，第１の光子発生源１１は，第１の光子と第１の光子より波長が短い第２の光子を発生する。
【００２９】
第１の光子は，ファイバ伝送に適した可視領域又は近赤外領域の光子であることが好ましい。このような光子の波長の例は１５５０ｎｍ又は１５６３ｎｍである。第１の光子の波長は，８００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
第２の光子は，空間伝送に適した可視領域の光子であることが好ましい。このような光子の波長の例は７９５ｎｍ又は８１０ｎｍである。第２の光子の波長は，５００ｎｍ以上１０００ｎｍであることが好ましい。
【００３１】
光源２１の例は，Ｎｄ：ＹＬＦレーザー又はＹＡＧレーザーを用いた連続光光源である。光源２１が出力する近紫外領域又は可視領域の連続光の波長の例は５２７ｎｍ又は５３２ｎｍである。５２７ｎｍの波長を有する光は，Ｎｄ：ＹＬＦレーザーの第２高調波として発生させることができる。光源２１が出力する近紫外領域又は可視領域の連続光の波長は，１００ｎｍ以上６００ｎｍ以下があげられる。光源２１が出力する連続光の強度の例は，１０μＷ以上１ｍＷ以下である。光源２１は，パルス光源であっても良い。光源２１としてパルス光源を用いる場合，パルス光源のコヒーレンス長を，非対称マッハツェンダー干渉計１２の遅延時間より長く設定する。
【００３２】
非線形光学結晶２２は，光学素子として既に知られている。よって，本発明においても既に知られた方法に従って，非線形光学結晶を設計することができる。非線形光学結晶２２の例は，周期分極反転ニオブ酸リチウムである。
【００３３】
光源２１からの光が非線形光学結晶２２に入射する。すると，第１の光子と第２の光子とが発生する。５２７ｎｍの波長を有する光を光源として用いた場合，７９５ｎｍの波長の光子と，１５６３ｎｍの波長の光子とを得ることができる。１５６３ｎｍの波長を有する光子は，ファイバ内でのロスが比較的小さいため，長距離伝播に適している。一方７９５ｎｍは中性原子ＲｂのＤ１線とよばれる５Ｓ1/2→５Ｐ1/2遷移波長に相当する。このため，７９５ｎｍの波長を有する光子を発生させることで，Ｒｂ原子気体の電磁誘導透明化を利用した量子メモリ（Ａ．  Ｈｅｉｆｅｔｚ，  Ａ．  Ａｇａｒｗａｌ，  Ｇ．Ｃ．  Ｃａｒｄｏｓｏ，  Ｖ．  Ｇｏｐａｌ，  Ｐ．  Ｋｕｍａｒ，  ａｎｄ  Ｍ．  Ｓ.  Ｓｈａｈｉａｒ，  “Ｓｕｐｅｒ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｆｉｌｔｅｒ  ｆｏｒ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｍｅｍｏｒｙ  ｕｓｉｎｇ  ａｔｏｍｉｃ  ｅｎｓｅｍｂｌｅｓ  ｉｎ  ａ  ｖａｐｏｒ”，  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ２３２，  ２８９（２００４）．）への適用を容易にすると考えられる。中継点に設置される量子メモリは，原子と原子を収容するマイクロキャビティとを含むものがあげられる。これらの光子を分離装置２５で分離する。分離装置２５の例はダイクロイックミラーである。ビームスプリッタと光学フィルタを用いても，分離装置２５を構築することができる。
【００３４】
第２の光子発生源１４は，近紫外領域又は可視領域の連続光を発生する第２の光源２３と，第２の光源２３からの連続光をダウンコンバージョンし，可視領域から赤外領域の光子を得るための第２の非線形光学結晶２４とを含む。そして，第２の光子発生源１４は，第１の光子と波長が等しい第３の光子と，第２の光子と波長が等しい第４の光子を発生する。第２の光子発生源１４は，第１の光子発生源１１と同様の構成を有し，同様に機能するものが好ましい。
【００３５】
図３は，非対称マッハツェンダー干渉計の例を示す図である。図３に示されるように，第１の非対称マッハツェンダー干渉計は，入射した光を分岐する分岐部３１と，第１のアーム３２と，第２のアーム３３とを有する。すなわち，この非対称マッハツェンダー干渉計１２は，分岐部３１で分離した一方の光が伝搬する第１のアーム３２と，分岐部３１で分離した残りの光が伝搬する第２のアーム３２とを有する。第１のアーム３２及び第２のアーム３３には，図示しない電極が設けられており，これにより伝搬する光の位相を制御できるようにしても良い。非対称マッハツェンダー干渉計１２は，平面光学回路（ＰＬＣ）上に実装されるものが好ましい。
【００３６】
第１のアーム３２と第２のアーム３３とは長さが異なっている。これにより，第１のアーム３２を伝搬する光子が合波部３４に到達する時間に比べて，第２のアーム３３を伝搬する光子が合波部３４に到達する時間が所定時間遅くなる。このようにして，この非対称マッハツェンダー干渉計１２は，光子に時間遅延を与え，光子対を得ることができる。第１のアーム３２と第２のアーム３３との光路長差は，公知であるため，既に知られた光路長差に基づいて第１のアーム３２と第２のアーム３３とを設計すればよい。
【００３７】
図３に示す非対称マッハツェンダー干渉計は，４つの光子検出器３５〜３８を有する。すなわち，この非対称マッハツェンダー干渉計は，第１のアーム３２と接続された第１の光子検出器３５，第２のアーム３３と接続された第２の光子検出器３６，及び合波部３４と接続された第３の光子検出器３７，及び第４の光子検出器３８を有する。
【００３８】
すなわち，図３に示す第１の非対称マッハツェンダー干渉計は，第１の光子が分岐部３１に入射し，分岐される。分岐部３１で分離した一方の光子が第１のアーム３２を伝搬する。分岐部３１で分離した残りの光子が第２のアーム３３を伝搬する。第２のアーム３３は，第１のアーム３２より光路長が長い。よって，第２のアーム３３を伝搬した光子は，第１のアーム３２を伝搬した光子に対し，時間遅延が与えられる。
【００３９】
第２の非対称マッハツェンダー干渉計１５には，第２の光子発生源１４から発生した第３の光子が入射する。特に図示しないが，第２の非対称マッハツェンダー干渉計１５も，分岐部と，分岐部で分離した一方の光子が伝搬する第３のアームと，分岐部で分離した残りの光子が伝搬するアームであって，第３のアームとは光路長が異なり，これにより第３のアームを伝搬した光子に対し，時間遅延を与えた光子を出力できる第４のアームと，を有するものであることが好ましい。すなわち，第１の非対称マッハツェンダー干渉計１２と第２の非対称マッハツェンダー干渉計１５とが同じ構成を有しており，それにより同じ作用効果を奏するものが好ましい。
【００４０】
図４は，偏光・時間遅延付与装置を説明するためのブロック図である。第１の偏光・時間遅延付与装置１３は，第２の光子（たとえば，波長が７９５ｎｍの光子）に対し，偏光に対応した時間遅延を与えるための装置である。図４に示される偏光・時間遅延付与装置１３は，偏光調整器４１と，第１の偏光ビームスプリッタ４２と，第２の偏光ビームスプリッタ４３とを有する。
【００４１】
第１の偏光ビームスプリッタ４２と第２の偏光ビームスプリッタ４３とは，第１のパス４４及び第２のパス４５を介して，光学的に接続されている。一方，第１のパス４４と第２のパス４５とは，光路長が異なっている。すなわち，第１の偏光ビームスプリッタ４２と第２の偏光ビームスプリッタ４３とを含む部分は，非対称マッハツェンダー干渉計４６を構成する。第１のパス４４の光路長は，第１の偏光ビームスプリッタ４２と第２の偏光ビームスプリッタ４３との距離を調整することにより，調整することができる。第２のパス４５の光路長は，図示しないミラーの位置を調整することにより調整することができる。このように，第１のパス４４の光路長と第２のパス４５の光路長との差は，適宜調整することができる。
【００４２】
第２の光子が偏光調整器４１に入射する。すると，偏光調整器４１により，第２の光子の偏光面が調整される。偏光調整器４１から出力された光子は，第１の偏光ビームスプリッタ４２に入射し，偏光面に応じて分離される。第１の偏光ビームスプリッタ４２により偏光分離された一方の光子は，第１のパス４４を介して第２の偏光ビームスプリッタ４３へ入射する。第１の偏光ビームスプリッタ４２により偏光分離された残りの光子は，第２のパス４５を介して第２の偏光ビームスプリッタ４３へ入射する。第２のパスの方が第１のパスに比べて光路長が長い。これにより，第２のパス４５を経た光子に時間遅延を与えることができる。すると，第２の偏光ビームスプリッタ４３には，第１のパス４４を経た光子と，第２のパス４５を経た光子の光子対が生成することとなる。そして，この光子対を構成する２つの光子は，それぞれ偏光状態が異なっている。このようにして，タイムビンモードに偏光モードを載せることができる。すなわち，偏光・時間遅延付与装置４６は，タイムビンモード光子対に偏光情報を重畳できるため，ハイブリッド量子縺れ光源として機能する。
【００４３】
第２の偏光・時間遅延付与装置１６は，第２の光子発生源１４から発生した第４の光子に対し，偏光に対応した時間遅延を与え，第４の光子に由来する第２の２連光子を得るための装置である。特に図示しないが，第２の偏光・時間遅延付与装置１６も第１の偏光・時間遅延付与装置１３と同じ構成を有しており，それにより同じ作用効果を奏する。
【００４４】
本発明の第１の側面の好ましい態様は，第１の非対称マッハツェンダー干渉計１２により与えられる遅延時間，第１の偏光・時間遅延付与装置１３により与えられる遅延時間，第２の非対称マッハツェンダー干渉計１５により与えられる遅延時間，及び第２の偏光・時間遅延付与装置１６により与えられる遅延時間が，同じ値である。ここで遅延時間の例は，１００ピコ秒以上１００ナノ秒以下である。
【００４５】
ベル測定装置１７は，第１の２連光子及び第２の２連光子をベル測定する。ベル測定装置１７は，第１の２連光子及び第２の２連光子が入射する光子分離装置と，光子分離装置で分離された光子を測定する単一光子測定器と，を有するものであってもよい。図５は，ベル測定装置の例を示すブロック図である。図５に示されるように，ベル測定装置１７は，第１の２連光子及び第２の２連光子が入射する狭帯域フィルタ５１と，狭帯域フィルタを経た２連光子が入射する光子分離装置５２と，光子分離装置で分離された２連光子を測定する単一光子測定器５３と，を有するものであってもよい。ベル測定装置１７を用いてベル測定を行うことで，光子の個数和−位相差を測ることができる。狭帯域フィルタ５１は，第１の２連光子及び第２の２連光子が含まれる波長帯域の光を透過するフィルタがあげられる。光子分離装置５２の例は，ビームスプリッタ又は偏光ビームスプリッタである。単一光子測定器５３の例は，ＳｉＡＰＤなどのＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）である。本発明では，光子の線幅を狭く，コヒーレンス長を長くすることができるので容易に入手できる単一光子検出器を用いても適切にベル測定を行うことができる。
【００４６】
ベル測定を行うことで，量子縺れ状態を隣接する中継点間に形成し，スワッピング操作により，空間的に離れた中継点に量子縺れ状態をテレポーテーションすることができることとなる。複数個所の中継点を有する場合は，量子縺れ光子対を一斉に発生させ，各中継点でベル測定を行って，量子縺れスワッピングを複数個所にて行えばよい。
【実施例１】
【００４７】
図６（ａ）は，量子鍵配送システムを示すブロック図である。図６（ｂ）は，量子鍵配送システムの構成例を示す図である。図６（ａ）に示されるように，量子鍵配送システムは，アリス（送信者）及びボブ（受信者）とそれらをつなぐ光源配置地点を有する。この光源配置地点には，光源とベル測定装置が設置されている。なお，以下の実験では，図６（ｂ）に描画された縺れ光子対発生源とは別の縺れ光子対発生源を用いて，縺れ光子対発生源の特性を評価した。
【００４８】
図７は，縺れ光子対発生源の例を示す図である。先に説明したとおり，本発明の量子鍵配送システムは，対となる縺れ光子対発生源により量子中継を行う。そこで，縺れ光子対発生源の例について説明する。
【００４９】
図８は，本実施例で用いた光子対生成装置を示すブロック図である。光源は，ＹＡＧレーザーの第２高調波を用いた。ＹＡＧレーザーからの５３２ｎｍの連続光を，その強度が１６０μＷとなるように調整した。この連続光を３０ｍｍの長さの非線形光学結晶（ＰＰＬＮ）に導いた。このＰＰＬＮ（ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  ｐｏｌｅｄ  ｌｉｔｈｉｕｍ  ｎｉｏｂａｔｅ）は，生成される８１０ｎｍと１５５０ｎｍの光が，互いにエンタングルメント状態となるように調整されたものである。ポンプ光として，５３２ｎｍの波長を有する光を用いた。ポンプ光，８１０ｎｍの光，１５５０ｎｍの光のモード直径はシングルモードファイバに適合するように，それぞれ８４μｍ，８４μｍ，１０４μｍとなるように最適化した。図８に示される装置を用いて，５３２ｎｍの光をダウンコンバージョンし，８１０ｎｍと１５５０ｎｍの光子を得た。
【００５０】
ダイクロイックミラーを用いて８１０ｎｍの光子と１５５０ｎｍの光子を分離した。なお，漏れ出す光子を軽減するため長波長用パスフィルタを用いた。ダウンコンバージョン後，１５５０ｎｍの光子をボブのディテクターへと導いた。ディテクターは，シリコン基板上に設けられた２入力４出力形の非対称マッハツェンダー干渉計を有していた。非対称マッハツェンダー干渉計は，５０ｃｍのスパイラル型のパターンが形成されており，これにより２．５ナノ秒の遅延時間を与えることができるものであった。
【００５１】
ディテクターにより観測される出力光子は，｜０＞，｜０＞−｜１＞，｜０＞＋｜１＞，及び｜１＞のポアンカレ球への射影を示す。図９は，ポアンカレ球の概念図である。ここで，｜１＞は第１のタイムビンにおける光子（すなわち，短い方のアームを経た光子）をあらわし，｜０＞は第２のタイムビンにおける光子（すなわち，長い方のアームを経た光子）をあらわす。｜０＞と｜１＞は，極状態（ｚ軸）にマッピングされ，｜０＞−｜１＞及び｜０＞＋｜１＞は，赤道状態（ｘ軸）にマッピングされる。１５５０ｎｍの光子を１０％の検出率を有するガイガーモードのＩｎＧａＡｓベースのアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤｓ）を用いて検出した。
【００５２】
アリス側のシリコンベースのＡＰＤｓ（パーキンエルマー社製単一光子測定モジュールＳＰＣＭｓ）での観測に基づいて，遅延生成器を介して，ＩｎＧａＡｓベースのＡＰＤｓ用の検出トリガーを得た。ＳＰＣＭの８１０ｎｍの光子測定効率は，約５５％であった。
【００５３】
以下，偏光情報を載せたタイムビンエンタングルメントのハイブリダイゼイションについて説明する。
【００５４】
アリスへ送信される８１０ｎｍの光子対をフォーマット変換機（偏光・時間遅延付与装置）に入力した。図１０は，偏光・時間遅延付与装置を示す。図１０（ａ）は，グランレーザープリズムを用いた偏光・時間遅延付与装置を示す。図１０（ｂ）は，偏光及び２つの偏光ビームスプリッタを用いた偏光・時間遅延付与装置を示す。図１０（ａ）の偏光・時間遅延付与装置と図１０（ｂ）の偏光・時間遅延付与装置とは光学的に等価な回路である。図１０（ｂ）の偏光・時間遅延付与装置は，非対称マッハツェンダー干渉計を有するものである。
【００５５】
図１０（ａ）の偏光・時間遅延付与装置は，偏波分岐比５０ｄＢのグランレーザープリズムと偏波保持ファイバ（ＰＭＦ）および偏光を有する。遅延時間は遅延用ファイバ入射端に接続されたマイクロメータにより調整できる。ＰＭＦで反射端から導かれた光は，２．５ナノ秒の遅延が与えられ，グランレーザープリズムのもう一方の端面に入射される。このフォーマット変換機中の損失は約１．５ｄＢである。偏光・時間遅延付与装置は，発生時刻ｔ＝０の光子と発生時刻ｔ＝−タウの光子の重ね合わせによる縺れ状態を
【数１】
0005487426.tif 000002
から，
【数２】
0005487426.tif 000003
へと変換する。
【００５６】
ここで｜Ｈ＞と｜Ｖ＞は，それぞれ水平及び垂直偏光状態を示す。またＡとＢはそれぞれアリス（Ａｌｉｃｅ）とボブ（Ｂｏｂ）を表現する。シータ（ｔ）は相対位相差を示す。なお，相対位相差であるシータ（ｔ）は，タウに関連して定義される。
【００５７】
フォーマット変換後，空間を伝搬させアリスで受光する。アリスの受光装置は，ビームスプリッタ（ＢＳ）と偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）および半波長板のみで構成できる。極状態（ｚ軸）すなわち，｜０＞と｜１＞とは，｜Ｈ＞と｜Ｖ＞とにフォーマット変換されているので，ＰＢＳを用いて容易に区別できる。一方，赤道状態（ｘ軸）の｜０＞−｜１＞及び｜０＞＋｜１＞は，２２．５°に設定された半波長板を経由させた後に，観測することができる。
【００５８】
発生時刻ｔ＝０の光子対と発生時刻ｔ＝−タウの光子対の重ね合わせによる縺れ状態は，以下の式のように表すことができる。
【数３】
0005487426.tif 000004
【００５９】
ここで，｜−＞Ａ及び｜＋＞Ａは，それぞれ，以下のとおりである。
【数４】
0005487426.tif 000005
【００６０】
上記の式は，赤道状態（ｘ軸）を示しており，これがＰＢＳとＳＰＣＭを用いて測定できることを明確に示している。
【００６１】
エンタングルメントが存在することを示すため，適切なタイムウィンドウ（４０ｎ秒）における８１０ｎｍと１５５０ｎｍの光子測定における同時現象を測定した。アリス側のＳＰＣＭｓからの検出出力のＯＲをゲートパルスのトリガーとし，遅延生成機を介して，ボブ側のＡＰＤｓに与えた。
【００６２】
Ｂｏｂ側（１５５０ｎｍ側）のパルス位置縺れはＡｌｉｃｅ側（８１０ｎｍ側）の初段のＢＳを通過後ＰＢＳに向かう基底でのＨ，Ｖの縺れに相当する。またパルス間位相差の縺れは初段のＢＳ後半波長板により偏波を４５度回転後ＰＢＳに向かう基底での測定となる。このＡｌｉｃｅ側の光学系は干渉計を必要とせずＢＳ，ＰＢＳ及び半波長板で構成されており，非常に簡便な構造となっている。
【００６３】
図１１（ａ）は量子鍵配送２者同時計数（コインシデンスカウント）の遅延時間依存性を示すグラフである。図１１（ａ）はＺ基底でのエンタングル光子対生成モジュールとフォーマット変換機を用い８１０ｎｍおよび１５５０ｎｍの光子の同時計数のトリガー遅延時間依存性を示す。図中１点は１０秒間でのカウント数を示す。カウントレートはＺ基底で８２０ｃ／ｓ，Ｘ基底では９５０ｃ／ｓであった。光検出器としては８１０ｎｍにＳｉ  ＡＰＤ，１５５０ｎｍ用にはＩｎＧａＡｓ  ＡＰＤを用いた。測定は１基底ごとに行い，図７でアリス側でのＢＳを省いた系で行った。ディテクターＺ０（Ｚ１）は，Ｚ軸の０（１）信号を検出するディテクターを示す。Ｚ０（アリス）−Ｚ０（ボブ）とＺ１（アリス）−Ｚ１（ボブ）の同時事象は，同じ遅延時間後に測定される必要がある。図１１（ｂ）は量子鍵配送２者同時計数の干渉計動作温度依存性を示すグラフである。図１１（ｂ）はＸ基底でのエンタングル光子対生成モジュールとフォーマット変換機を用い８１０ｎｍおよび１５５０ｎｍの光子の同時計数の１５５０ｎｍＰＬＣの温度依存性を示す。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）から，Ｚ基底で９８％超，Ｘ基底で８８％超の明瞭度を得たことがわかる。なお，Ｘ基底の明瞭度の劣化はフォーマット変換機での過度な遅延時間が発生し，干渉性の劣化が起こったためと考えられる。
【００６４】
よって，本実施例における縺れ光子対発生源は，波長の異なる２種の光子対を発生させ，それぞれを非対称マッハツェンダー干渉計に入射させてタイムビン縺れ状態とすることができる。そして，２種の波長を有する光子対は，それぞれ光ファイバ伝送に適した波長と，自由空間伝送及び光子検出に適した波長であった。本発明の量子鍵配送システムは，２つの縺れ光子対発生源と，ベル測定装置を有するものである。よって，本発明の量子鍵配送システムを複数配置して，スワッピングを繰り返し行うことで，量子鍵配送（ＱＫＤ）の配布距離を飛躍的に向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は，情報コミュニケーション通信の分野において利用されうる。
【符号の説明】
【００６６】
１１  第１の光子発生源
１２  第１の非対称マッハツェンダー干渉計
１３  第１の偏光・時間遅延付与装置
１４  第２の光子発生源
１４  第２の非対称マッハツェンダー干渉計
１６  第２の偏光・時間遅延付与装置
１７  ベル測定装置
２１  第１の連続光光源
２２  第１の非線形光学結晶
２３  第２の連続光光源
２４  第２の非線形光学結晶
３１  分岐部
３２  第１のアーム
３３  第２のアーム
３４  合波部
４１  偏光調整器
４２  第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
４３  第２の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
４４  第１のパス
４５  第１の時間遅延付与装置（第２のパス）
４６  偏光・時間遅延付与装置
５１  狭帯域フィルタ
５２  光子分離装置
５３  単一光子測定器
【図１】
0005487426.tif 000006
【図２】
0005487426.tif 000007
【図３】
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【図４】
0005487426.tif 000009
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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