(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンタングルメントした光子状態を生成する光学系であって、
ある時間間隔によって分離されている複数の同一光子を出力する非古典的光源である光子源と、
干渉計を通る第１の経路をたどるように複数の同一光子を方向付ける第１の方向付け要素と、前記第１の経路とは光子の進む向きが逆の経路であって前記干渉計を通る第２の経路をたどるように複数の同一光子を方向付ける第２の方向付け要素とを備える１つの干渉計と、
前記第１の経路をたどる複数の同一光子と前記第２の経路をたどる複数の同一光子との間の相対的位相偏移を変える位相変調器と、を備え、
前記第１の経路を通って移動する複数の同一光子が前記第２の経路を通って移動する複数の同一光子とは異なる偏光を有し、該第１の経路と該第２の経路との経路長の差は前記時間間隔に対応し、
前記第１の経路をたどった複数の同一光子を検出するための第１の検出器と、
前記第２の経路をたどった複数の同一光子を検出するための第２の検出器と、
前記光子状態でエンタングルされている複数の同一光子を選択するために、前記第１の検出器、及び第２の検出器の結果の間の相関を決定するプロセッサと、を更に備える光学系。
【請求項２】
前記第１の経路は並列に接続された複数のサブ経路を備え、前記第２の経路は前記複数のサブ経路の光子の進む向きが逆のサブ経路を備える請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
前記光子源は二光子を出力するように構成され、前記第１の方向付け要素は二光子を方向付け、前記第２の方向付け要素は二光子を方向付け、前記第１の検出器及び前記第２の検出器はそれぞれ二光子を検出する請求項１または請求項２に記載の光学系。
【請求項４】
前記光子源は、偏光においてエンタングルメント状態であって、垂直に偏光された光子と前記垂直に偏光された光子の第１の時間間隔後に放射された水平に偏光された光子とを有する第１の状態と、水平に偏光された光子と前記第１の時間間隔後に放射された垂直に偏光された光子とを有する第２の状態と、の重ね合わせである状態を生成する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項５】
前記光子源は非縮退エンタングルメント光子を放射する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項６】
前記１つの干渉計は、複数の前記同一光子のための第３の経路と、複数の同一光子のための第４の経路とを更に備え、前記第４の経路では前記第３の経路をたどる複数の同一光子への前記１つの干渉計を経由して反対方向に複数の同一光子は移動し、前記光学系は、前記第３の経路を通って移動する複数の同一光子が前記第４の経路を通って移動する光子とは異なる偏光を有し、前記第３の経路をたどる複数の同一光子と前記第４の経路をたどる複数の同一光子との間の相対的位相偏移を変える位相変調器とを更に備え、前記光学系は、光子の偏光に依存して前記光子を前記第１の経路または前記第３の経路のいずれかに方向付ける第１のスプリッタと、光子の偏光に依存して前記光子を前記第２の経路または前記第４の経路のいずれかに方向付ける第２のスプリッタと、を更に備える請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項７】
前記相対的位相偏移を変える要素は、複屈折要素、少なくとも１つの経路にサンプルを移動することが可能なように取り付けるマウント、または前記第１の経路と第２の経路のための移動性マウントを備える請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項８】
前記光学系は少なくとも２者間の量子通信のために構成されており、前記光学系は前記２者のうちの一方に配置されて、前記２者のうちの一方によって受け取られた光子の量子状態を判定するように構成された第１の検出システムを更に備えており、前記光学系は前記２者のうちの他方に配置されて、前記２者のうちの他方によって受け取られた光子の量子状態を判定するように構成された第２の検出システムを更に備えており、前記相対的位相偏移を適用する前記位相変調器は制御可能な複屈折位相変調器を備える請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項９】
前記第１の経路をたどったキャリアを前記第２者のうちの一方に方向付けるように構成された第１の通信要素と、前記第２の経路をたどったキャリアを前記２者のうちの他方に方向付けるように構成された第２の通信要素とを更に備える請求項８に記載の光学系。
【請求項１０】
前記位相変調器は前記第２者のうちの一方の制御下で動作する第１の位相変調器と前記２者のうちの他方の制御下で動作する第２の位相変調器とを備える請求項８に記載の光学系。
【請求項１１】
前記光学系は物体の調査または撮像を実行し、前記光学系は前記物体に作用するための第１の偏光を有する光子と前記物体を迂回するための第２の偏光を有する光子とを方向付ける前記第１の経路に配置された第１の偏光ビームスプリッタを備えており、ビームは前記物体に作用するための第１の偏光を有する光子と前記物体を迂回するための第２の偏光を有する光子とを方向付ける第２の偏光ビームスプリッタにおいて再結合される請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項１２】
前記光学系はジャイロスコープとして構成されており、光子は両者とも同一ポイントにおいて前記第１の経路、及び前記第２の経路に出入りし、位相変化は前記第１の経路、及び前記第２の経路の物理的動きによって達成される請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項１３】
前記光学系はエンタングルメント光子源を調べ、前記光学系は偏光エンタングルメント光子の光子源を備え、偏光エンタングルメントを位相エンタングルメントに変換するように構成されており、１対のエンタングルメント光子のうちから、一方の光子を前記第１の経路をたどるように方向付け、他方の光子を前記第２の経路をたどるように方向付け、前記位相変調器は前記光子源が十分にエンタングルメントしている場合に前記第１の経路、及び前記第２の経路からの前記光子の退出経路を予測することが可能であるように、位相差を導入するように構成された位相変調器である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項１４】
エンタングルメントした状態を生成するために複数の同一光子を干渉させる方法であって、
ある時間間隔によって分離されている複数の同一光子を出力する非古典的光源である光子源から、複数の同一光子を方向付けることと、
前記光子源によって出力される複数の前記同一光子を、１つの干渉計へ方向付けることと、該１つの干渉計は、第１の偏光を有する複数の同一光子を第１の経路をたどるように方向付け、また同時に第２の偏光を有する複数の同一光子を第２の経路をたどるように方向付け、前記第２の経路では、複数の同一光子が、前記第１の経路をたどる複数の同一光子への前記１つの干渉計を経由して反対の方向に移動し、該第１の経路と該第２の経路との経路長の差は前記時間間隔に対応し、
前記第１の経路をたどる光子と前記第２の経路をたどる光子との間の相対的位相偏移を変えることと、
前記第１の経路をたどった複数の同一光子を検出することと、
前記第２の経路をたどった複数の同一光子を検出することと、
前記状態でエンタングルされている複数の同一光子を選択するために、前記第１の経路、及び第２の経路から抜け出る複数の同一光子の相関を測定することと、を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光子間に干渉を生成するために使用される光学系の分野に関する。より特定的には本発明は、極めて多様な用途のために量子準位で光子の性質を利用するために光子を干渉させ得る光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
干渉法は、量子力学の最も反直感的特長の１つの、すなわち多粒子重ね合わせの利用を可能にする量子力学実験の主要部分である。重ね合わせの有名な例は、２つの粒子のうちの一方の粒子の測定が他方の粒子の状態を即座に決定する２つの粒子のエンタングルメント（絡み合い：entanglement）である。
【０００３】
しかしながら状態の重ね合わせを利用する多くの実験は、精確にバランスの取れた多数の干渉計を必要とし、これらの使用は温度変動、歪みなどによって引き起こされる干渉計の位置のドリフトといった古典的な物理現象によって妨げられる可能性がある。これらの問題は、可変遅延線、能動的安定化などによって対処されてきたが、このことは、余分な構成要素と、また時には複雑な作業手順を必要とする。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、少なくともある程度は上記の問題に対処しており、第１の態様では光子源と、光学系を通る第１の経路をたどるように光子を方向付けるように構成された第１の方向付け要素と、上記第１の経路とは逆の経路であって上記光学系を通る第２の経路をたどるように光子を方向付けるように構成された第２の方向付け要素と、第１の経路をたどる光子と第２の経路をたどる光子との間の相対的位相偏移を変える手段と、を備える光学系であって、第１の経路を通って移動する光子が第２の経路を通って移動する光子とは異なる偏光を有するように構成された光学系を提供する。
【０００５】
このようにして２つの別の干渉計とは対照的に、光子が同じ干渉計を通って反対方向に移動することを可能にすることによって、ドリフトによる問題は解消される。
【０００６】
光子源は好適には、非古典的光源、例えば専用の単一光子源、または量子情報を搬送できる減衰パルスを出力し得る減衰レーザーまたはＬＥＤである。後の場合ではパルスは、Ｎ＝０、１および２光子などの状態の統計的混合を有する。代替として光子源は、Ｆｏｃｋ（フォック）状態（ｎが少なくとも１という整数であるとしてｎ個の光子のグループ）を放射できる。
【０００７】
ある幾つかの実施形態では第１の経路は並列に接続された複数のサブ経路を備え、上記第２の経路はこれら複数のサブ経路の逆のサブ経路を備える。この複数のサブ経路はマッハ・ツェンダー干渉計を形成し得る。
【０００８】
もし光子が予め決められた時間間隔ｄｔで光子源によって放射されるならば、これらのサブ経路の一方を通って移動する光子を他方のサブ経路に関して時間ｄｔだけ遅らせることによって時間間隔ｄｔで放射された２つの光子を重ね合わせるために本システムを使用することが可能である。もし光子源によって放射されたこれらの光子が相等しければ、位置および時間における光子のエンタングルメントが発生する。
【０００９】
これら複数の経路を形成する２つのサブ経路が存在し得る。これは、一方の状態が一方のサブ経路を取る光子に対応し、他方の状態が他方のサブ経路を取る光子に対応する２つの状態の重ね合わせを各光子が占有するときに、キュービット（qubit）が形成されることを可能にする。
【００１０】
更なる一実施形態では、Ｎが少なくとも２という整数であるとして、Ｎ本のサブ経路が複数の経路を形成する。これは、Ｎ本の経路の各々に対応するＮ個の状態の重ね合わせである１つの状態を占める光子によってキューＮイット（quNits）が形成されることを可能にする。
【００１１】
好適にはＮ個のアームのうちの少なくともＮ−１個のアームは、偏光依存性位相偏移要素を有する。
【００１２】
本システムは、２光子を備える二光子（bi-photon）を取り扱うように構成され得る。このようなシステムでは、光子源は二光子を出力するように構成され、上記第１の方向付け要素は二光子を方向付けるように構成され、上記第２の方向付け要素は二光子を方向付けるように構成される。
【００１３】
また非縮退エンタングルメント光子（non-degenerate entangled photons）を放射するように構成された光子源も使用され得る。このシステムはそれから、光子を位相的に更にエンタングルメントさせるために、またはエンタングルメント光子源の完全性を検査するために使用され得る。
【００１４】
本システムは、位相状態を重ね合わせして光子をエンタングルメントさせるために使用され得る。一方の経路をたどる１つの偏光を有する光子と他方の経路をたどる異なる偏光を有する光子とを持つことが必要であるときに、ある特定の時間にある特定の経路をたどるある特定の偏光を有する光子と持つことが必要であるので、ある幾つかの光子はこのシステムでは使用されない可能性がある。本システムの効率は、偏光的にエンタングルメント状態であって、垂直に偏光された光子とこの垂直に偏光された光子の第１の時間間隔後に放射された水平に偏光された光子とを有する第１の状態と、水平に偏光された光子と第１の時間間隔後に放射された垂直に偏光された光子とを有する第２の状態と、の重ね合わせである状態を生成するように構成された光子源を使用することによって改善され得る。
【００１５】
本システムの効率を改善するためのもう１つの方法は、上記の光子のための第３の経路と上記第３の経路の逆の経路である光子のための第４の経路と上記第３の経路をたどる光子と上記第４の経路をたどる光子との間の相対的位相偏移を変える手段とを更に備えるシステムであって、上記第３の経路を通って移動する光子が上記第４の経路を通って移動する光子とは異なる偏光を有するように構成され、光子の偏光に依存して上記第１の経路または第３の経路のいずれかに沿って光子を方向付ける手段と光子の偏光に依存して上記第２の経路または第４の経路のいずれかに沿って光子を方向付ける手段とを更に備えるシステムを使用することである。
【００１６】
上記の構成は、そうでなければ光子が誤った偏光を有する第１の経路に到着しているので失われたであろう光子が第３の経路に沿って方向付けられることを可能にする。
【００１７】
上記のシステムは、少なくとも２者間の量子通信のために構成されることが可能であり、本システムは更に第１者に配置された第１の検出システムを備えており、この第１の検出システムは第１者によって受け取られた光子の量子状態を判定するように構成されており、本システムは更に第２者に配置された第２の検出システムを備えており、この第２の検出システムは第２者によって受け取られた光子の量子状態を判定するように構成されており、相対的位相偏移を加えるための上記手段は制御可能な複屈折位相変調器を備えている。
【００１８】
一実施形態では本システムは更に、上記第１の経路をたどったキャリアを上記第１者に方向付けるように構成された第１の通信手段と上記第２の経路をたどったキャリアを上記第２者に方向付けるように構成された第２の通信手段とを備える。このようにして両者は第１、第２の経路の外に留まる。
【００１９】
更なる実施形態では、第１、第２の経路は２者間で分割され、位相変化手段は第１者の制御下で動作する第１の位相変調器と第２者の制御下で動作する第２の位相変調器とを備える。
【００２０】
本システムはまた、物体の調査または撮像のために構成されることが可能であり、上記システムは上記物体に作用するための第１の偏光を有する光子と上記物体を迂回するための第２の偏光を有する光子とを方向付けるように構成された、上記第１の経路に配置された第１の偏光ビームスプリッタを備えており、上記ビームは上記物体に作用するための第１の偏光を有する光子と上記物体を迂回するための第２の偏光を有する光子とを方向付ける第２の偏光ビームスプリッタで再結合される。
【００２１】
本システムは、透過または反射における物体を撮像または調査するように構成され得る。
【００２２】
本システムはまた、光子が同一ポイントで第１、第２の経路に出入りし、また位相変化が第１、第２の経路の物理的回転によって達成されるジャイロスコープとして構成され得る。第１、第２の経路の物理的回転によってこれらの経路の光学的長さが変化し、それによって回転が検出され得る。
【００２３】
前述のように本発明は、エンタングルメント光子源を吟味するために使用されることが可能であり、上記システムは偏光エンタングルメント光子の光子源を備えており、上記偏光エンタングルメントを位相エンタングルメントに変換する手段のように構成され、１対のエンタングルメント光子のうちから一方の光子は第１の経路をたどるように方向付けられ、他方の光子は第２の経路をたどるように方向付けられ、上記位相変化手段は上記光子源が十分にエンタングルメントしている場合に第１、第２の経路から光子の退出経路を予測することが可能であるように、位相差を導入するように構成された位相変調器である。
【００２４】
要約すれば相対的位相偏移を変える手段の可能な例は、複屈折要素、例えばサンプルを撮像または調査するときに使用されるような少なくとも１つの経路にサンプルを移動可能に取り付ける手段、または例えばジャイロスコープとして動作するときに使用されるような第１の経路と第２の経路のための移動性マウント（取り付け具）である。
【００２５】
好適には本システムは、上記第１の経路をたどった光子を検出するための第１の検出器と、上記第２の経路をたどった光子を検出するための第２の検出器と、上記第１、第２の検出器の結果を相互に関連付ける手段と、を備える。この構成は、エンタングルメントが達成されたイベントが識別されることを可能にする。これらのイベントはそれから、分析時にポスト選択（post selected）され得る。
【００２６】
本システムで二重電子が使用される場合、検出イベントを登録するために二重電子検出器が使用される。
【００２７】
第２の態様では本発明は、第１の偏光を有する光子を第１の経路をたどるように方向付けることと、同時に第２の偏光を有する光子を上記第１の経路の逆の経路である第２の経路をたどるように方向付けることと、上記第１の経路をたどる光子と上記第２の経路をたどる光子との間の相対的位相偏移を変えることと、を備える、光子を干渉させる方法を提供する。
【００２８】
この方法は好適には更に、上記第１、第２の経路を退出する光子の相関関係を測定することを備える。
【００２９】
次に、本発明は、以下の図において非限定的な実施形態を参照しながら説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】位置および時間的エンタングルメントを説明するために使用された従来技術の干渉計の図である。
【図２】本発明の一実施形態による干渉計の図である。
【図３】図２のシステムにおける検出器間の相関関係を示す実験データのプロットである。
【図４】汎用入力状態から位相エンタングルメント状態を生成するために使用される本発明の一実施形態による干渉計の図である。
【図５】図４の干渉計についてエンタングルメント入力状態を生成するために使用されるシステムの図である。
【図６】入力状態が図５を参照しながら説明される異なる方法を使用して生成される干渉計の図である。
【図７】偏光されていない光子源と本発明の一実施形態による並列の２つの干渉計とを使用する干渉計の図である。
【図８】本発明の一実施形態による、偏光エンタングルメント状態を分析するために使用され得るシステムの図である。
【図９】本発明の一実施形態による多光子エンタングルメントシステムの図である。
【図１０】多光子エンタングルメントシステムを有する本発明の更なる一実施形態の図である。
【図１１】本発明の一実施形態によるキュートリット（qutrits）のために構成されている干渉計である。
【図１２】本発明の一実施形態による量子Ｎイット（quantum quＮits）のための干渉計である。（なお、「多数の量子ビット」は多くのキュービット（quBits）（すなわち１と０の重ね合わせ）を意味するが、これは単一のＮ量子ビット（quNit）が多数の状態で存在し得る「量子マルチビット」である）。
【図１３】エンタングルメント光子源を使用する量子暗号化システムの概念を示す図である。
【図１４】本発明の一実施形態による更なる量子暗号化システムを示す図である。
【図１５】本発明の一実施形態による更に別の量子暗号化システムを示す図である。
【図１６】本発明の一実施形態による更に別の量子暗号化システムを示す図である。
【図１７】本発明の一実施形態による量子干渉計を示す図である。
【図１８】（ａ）は、反射モードで物体を調べて表面高さをマップするために干渉計がどのように使用され得るかを示す図であり、（ｂ）は、透過モードで物体を調べて厚さをマップするために干渉計がどのように使用され得るかを示す図である。
【図１９】（ａ）は、多光子検出器の図であり、（ｂ）は、不平衡干渉計と単一光子検出器の図であって、この組合せは２つの光子が受け取られたかどうかを判定するために使用され得るものであり、（ｃ）は、２つの単一光子検出器と組み合わされた５０／５０ビームスプリッタの図である。
【図２０】本発明の更なる一実施形態による量子干渉計の図である。
【図２１】本発明の更なる一実施形態による２光子サニャック（sagnac）ジャイロスコープの図である。
【図２２】本発明の更なる一実施形態によるサニャックジャイロスコープの更なる変形例の図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１は、従来技術によるいわゆるＦｒａｎｓｏｎ（フランソン）タイプ干渉計の図である。フランソン干渉計は、Franson Phys Rev Lett 62 2205 to 2208 (1989)において詳細に説明されている。
【００３２】
フランソンの実験では光子源１は、短時間に連続して光子を出力するように構成されている。光子源１からの光子が第１の経路５または第２の経路７のいずれかに沿って方向付けられることを可能にするビームスプリッタ３が設けられている。ビームスプリッタ３は、無偏光（non-polarising）ビームスプリッタである。すなわち、これは、光子の偏光とは無関係に第１の経路５または第２の経路７のいずれかに光子をランダムに方向付ける。
【００３３】
第１の経路５を通る光子は、第１のマッハ・ツェンダー（Mach Zehnder）干渉計（ＭＺＩ）９内に方向付けられる。第１のＭＺＩ９は、無偏光ビームスプリッタ１１を備える。ビームスプリッタ１１は、光子を短いアーム１３または長いアーム１５のいずれかに沿って方向付ける。長いアーム１５は、このアームに沿って移動する光子にφａの位相変調を加える位相変調器１６を有する。次に、短いアーム１３と長いアーム１５の出力は、ビームスプリッタ１７において結合される。そして、光子は、第１の検出器Ａ１または第２の検出器Ａ２に方向付けられる。
【００３４】
同様に、第２のアーム７に方向付けられた光子は、第２のＭＺＩ２３に方向付けられる。第２のＭＺＩ２３は、光子を短いアーム２７または長いアーム２９のいずれかに方向付ける第１のビームスプリッタ２５を備える。長いアーム２９は、このアームに沿って移動する光子にφｂの位相偏移を加える第２の位相変調器３０を有する。次に、短いアーム２７と長いアーム２９の出力は、第２のビームスプリッタ３１において結合される。第２のビームスプリッタ３１は、光子を第１の検出器Ｂ１または第２の検出器Ｂ２のいずれかに方向付ける。
【００３５】
もし光子源１が２つの光子間で時間遅延ｄｔをもって相等しい光子を出力し、ｄｔが第１のＭＺＩ９の短いアーム１３と長いアーム１５との間を移動する光子における時間遅延と第２のＭＺＩ２３の短いアーム２７と長いアーム２９の時間遅延とに対応するならば、これらの２つの光子間には相関関係が存在することになる。この相関関係は、一方の光子が第１の干渉計を通るように方向付けられ、放射される次の光子が第２の干渉計を通るように方向付けられる（あるいは逆の場合も同様である）場合に発生する。この相関関係は、位相変調器１６および３０によって加えられた位相間の差に依存する。
【００３６】
もし２つの光子がシステムの反対側で、すなわちペア（Ａ１，Ｂ１）、（Ａ１，Ｂ２）、（Ａ２，Ｂ１）または（Ａ２，Ｂ２）において同時に検出されるならば、これら２つの光子はカプラー３から反対方向に出て行って、これらの光子はエンタングルメントを生成したＭＺＩ９および２３を通る経路を取ったということでなくてはならない。したがって２つの光子がこれらのペアにおいて同時に検出されるイベントだけを調べることによって、われわれはエンタングルメントが生成された「ポスト選択された（post-selected）」イベントを有する。
【００３７】
しかしながら上記システムの問題は、２つのＭＺＩ９および２３がこれらが与える遅延の点で同一である必要であり、またこれらが長時間にわたって安定であることが必要であるということである。これは、各ＭＺＩ９および２３の短いアームと長いアームとの間の経路差、したがって位相差に影響を及ぼすファイバ歪み／位置における熱的ドリフトと変化とが発生するので、困難である。
【００３８】
図２は、本発明の一実施形態による干渉計を示す。図２の干渉計は、図１の干渉計に基づいている。しかしながら、図２の干渉計では２つのＭＺＩ９および２３の代わりに単一のＭＺＩが設けられており、干渉すべきである光子は、この単一ＭＺＩを通って反対方向に送られる。Φ１はＨおよびＶに関して異なる位相偏移を加える。
【００３９】
図１に関して光子源１０１は、時間間隔ｄｔをもってＨ偏光された光子を出力する。これらの光子は、無偏光ビームスプリッタ１０３に通される。無偏光ビームスプリッタ１０３は、光子をアーム１０５またはアーム１０７のいずれかにランダムに送る。そしてアーム１０５内の光子は、偏光を垂直Ｖになるように９０°だけ回転させる偏光回転子１０８に入る。
【００４０】
次に、光子は、偏光ビームスプリッタ１０９に方向付けられる。偏光ビームスプリッタ１０９は、偏光Ｖを有するすべての光子をアーム１１１に沿って送る。これは、偏光Ｖを有する光子が次にＭＺＩ１１５に送り込まれることを意味する。ＭＺＩ１１５は、光子を長いアーム１１９または短いアーム１２１のいずれかにランダムに方向付ける無偏光ビームスプリッタ１１７を備える。そして長いアーム１１９または短いアーム１２１から出力された光子は、無偏光ビームスプリッタ１２３を使用して結合される。
【００４１】
長いアームには第１の変調器１２５が設けられている。これにより、短いアームを通って移動する光子に対する長いアームを通って移動する光子の位相の変化が導入される。光子が長いアームを通って移動するために要する時間対短いアーム１２１を通って移動する時間の変化は、ｄｔによって表される。
【００４２】
第２の接合部（ジャンクション）１２３に出力される光子はアーム１２７またはアーム１２９のいずれかを通るように方向付けられる。アーム１２７を通るように方向付けられた光子は垂直偏光を有し、偏光ビームスプリッタ１３１に作用する。これらの光子は送られるとき、検出器Ａ１に方向付けられる。アーム１２９を通るように再方向付けされた光子は、検出器Ａ２で測定される。したがって光子は、図１の経路５に基本的に相当する経路をたどる。
【００４３】
経路１０７をたどる光子は、偏光ビームスプリッタ１３１に作用し、Ｈ偏光光子はアーム１２７に方向付けられる。そして、Ｈ偏光を有する光子は、光子を干渉計１１５の長いアーム１１９または短いアーム１２１のいずれかに方向付けるように機能する無偏光ビームスプリッタ１２３に作用する。
【００４４】
次に、光子は、ビームスプリッタ１１７で結合され、検出器Ｂ２に向かってアーム１４１に再方向付けされるか、または光子が水平に偏光されると検出器Ｂ１に向かって方向付けされることになるアーム１４５へ方向付けされる。
【００４５】
第１の変調器１２５は、左から右に移動する光子によって経験された位相を右から左に移動する光子とは異なる量だけ変化させ得る複屈折要素である。これは、この複屈折要素が垂直に偏光された光子の位相を水平に偏光された光子の位相とは異なる量だけ変化させることから達成される。
【００４６】
干渉計の２つのアーム間の位相差における如何なるドリフトも、左方向および右方向に移動する光子の両方に自動的に等しく作用し、したがって無視され得る。検出器間の相関関係は、垂直に偏光された光子について位相変調器１２５によって加えられた位相変調と水平に偏光された光子について位相変調器１２５によって加えられた位相変調との間の差Δφとして変化する。下記の方程式は、位相差Δφの関数として検出器のある幾つかのペア間で一致が得られる確率を示す：
【数１】
0005591689.tif 000002
【００４７】
ここでγは２つの光子の波動関数間の弁別不能度を表す。
【００４８】
図２の例では、ＨおよびＶ光子の偏光だけを保存する偏光保持ファイバが使用される。なお、複屈折を除去するために使用される偏光コントローラと通常の単一モードファイバとを使用するシステムを実現することができる。
【００４９】
図３は、図２に示された干渉計を使用して得られた実験データを示す４つのプロットである。遠隔の検出器のペアが同時に光子を数える同時発生イベントが複屈折要素１２５によって導入された位相差の関数として示されている。
【００５０】
光子源としてマイクロピラーに埋め込まれたＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットが使用された。Ｈ偏光光子を実験だけに渡すためにサンプル上の線形偏光子が使用された。これは、弁別不可能な単一光子を生成した。干渉計によって生成された位相差の関数として４つの検出器間の相関関係が記録された。不平衡ビームスプリッタ反射および透過係数と光子の弁別不能度が１００％未満であることとによって振動の有限可視性が決定される。それにもかかわらず、観測された相関関係の度合いにおける明らかな振動は、高い度合いのエンタングルメントを示している。実験結果が検出器間の相関関係に関する上記の方程式と一致していることがわかる。
【００５１】
図２において光子源は、ＭＺＩにおける時間遅延に等しい時間遅延ｄｔだけ離された２つの弁別不能な光子、例えば同じ偏光と同じエネルギーとを送達する。一方の光子が一方の方向に移動し、他方の光子が時間ｄｔ（ここでｄｔはＭＺＩにおける時間遅延に等しい）だけ遅れて反対方向に移動する状態を検出がポスト選択（post-select）するときに干渉が発生する。
【００５２】
図２のシステムは、光子源がＶまたはＨの偏光を有する光子を出力し、この光子源上に線形偏光子が設けられ、これらの光子が無偏光ビームスプリッタ１０３といった受動的構成要素に出力される場合に、１／８の成功確率で動作できる。確率１／８は、第１の光子が偏光子を介して送られ得る偏光で放射される確率５０％と、次の光子が同じ偏光で放射される可能性５０％と、光子が同じアーム内の移動とは反対に反対のアーム内を移動するという可能性５０％とが存在することから得られる。
【００５３】
しかしながら、状態：
【数２】
0005591689.tif 000003
【００５４】
（Ｉ）
を生成する光子源を構成することも可能であり得る。このような状態は、偏光において既にエンタングルメントしており、垂直に偏光された光子とこの垂直に偏光された光子の時間ｄｔ後に放射された水平に偏光された光子とを有する状態と、水平に偏光された光子と時間ｄｔ後に放射された垂直に偏光された光子とを有する状態と、との重ね合わせである。この状態を使用して、垂直に偏光された光子は左手アーム（１）１０５に沿って方向付けられ、水平に偏光された光子は右手アーム１０７に沿って方向付けられ得る。
【００５５】
そして、このような状態は、図４にも示された干渉計１１５に送られ得る。不必要な繰り返しを避けるために、同様の特徴を表すために同様の参照番号が使用される。
【００５６】
図５は、図４の干渉計および検出器と上記の入力状態（Ｉ）２０１を生成するために使用され得る装置との図を示す。不必要な繰り返しを避けるために、同様の特徴を表すために同様の参照番号が使用される。
【００５７】
装置２０１は、自然発生的パラメトリック下方変換によって光子対を生成するために使用され得る非線形結晶２０５を備える。エネルギーＥのポンプ光子２０３は、時間ｄｔ＝０だけ離されたＥ／２のエネルギーを有する２つの光子を生成する結晶２０５によって分割される。これらの光子は同じ偏光を有することになるので、第２のアーム２０６内を移動する光子から偏光を変えるために第１のアーム２０４には偏光回転子２０７が必要とされる。干渉計１１５では、時間ｄｔは０にセットされ、言い換えれば長いアーム１１９と短いアーム１２１は同じ長さである。これは、これらの光子が正確に同じ時刻に、したがってｄｔ＝０で結晶２０５から放射されるからである。
【００５８】
図６は、図４の干渉計と、上記の入力状態（Ｉ）を生成するように構成された装置２２１との図である。如何なる不必要な繰り返しも避けるために、同様の特徴を表すために同様の参照番号が使用される。
【００５９】
装置２２１は、図５の装置２０１とは異なるように構成される。しかしながらこれは、同じエンタングルメント入力状態を生成する。
【００６０】
図６の装置２２１は、単一光子を光子源干渉計２３３に出力する単一光子源２３１を備える。光子源２３１は、状態：
【数３】
0005591689.tif 000004
【００６１】
（ＩＩ）
を有する光子を生成する。言い換えれば２つの水平光子が同時に生成されるか、２つの垂直に偏光された光子が同時に生成されるかのいずれかである。
【００６２】
光子源干渉計２３３は、偏光ビームスプリッタ２３５を備え、図６に示された構成の偏光ビームスプリッタ２３５は、垂直偏光を有する光子をアーム２３７に沿って方向付けて位相変調器２３９を通し、水平偏光を有する光子を位相変調器が存在しないアーム２４１に沿って方向付ける。位相変調器２３９によって加えられた位相を変えることによって、光子のペアが位相変調器を離れて反対方向に移動することが可能である。Ｎが整数であるとして、もし加えられた位相が：
【数４】
0005591689.tif 000005
【００６３】
であれば、光子は反対方向にカプラーＣ０２４３を離れる。アーム２４５および２４７内を移動する光子は同じ偏光を有する。したがって２４５上を通過する光子のうちの１つの光子の偏光を変えるために偏光回転子２４９が使用される。
【００６４】
これらの光子は同時に出力され、したがってこれらはｄｔ＝０の相対的遅延を有する。干渉計１１５が光子を位置的および時間的にエンタングルメントさせるために干渉計の時間遅延（すなわち２つのアーム間の経路差）は０にセットされる。
【００６５】
図２の干渉計において光子の多くは、もしこれらが正しい入力状態で生成されなければ廃棄される。しかしながら、無偏光光子源を使用することによって、より高い効率を得ることも可能である。このような構成は図７に示されている。
【００６６】
図７において光子源３０１は、水平または垂直偏光のいずれかを有する光子を生成する。次にこれらの光子は、無偏光ビームスプリッタ３０３を通されて、アーム３０５またはアーム３０７のいずれかに沿って方向付けられる。アーム３０５に沿って移動する光子は最初に、これら光子の偏光を偏光回転子３０９によって９０°だけ回転させられる。光子は次に、偏光ビームスプリッタ３１１を通される。偏光ビームスプリッタ３１１は、垂直偏光を有する光子をアーム３１３に沿って送り、水平偏光を有する光子をアーム３１５に沿って反射させる。
【００６７】
次に、アーム３１３に沿って送られた光子は、図２を参照しながら説明されたタイプの上部ＭＺＩ３１７を通され、アーム３１５に沿って送られた光子は下部ＭＺＩ３１９に送られる。したがって図２の例とは対照的に、ビームスプリッタ３１１において如何なる光子も失われない。
【００６８】
同様に、アーム３０７に沿って移動する光子は、第２の偏光ビームスプリッタ３２１に遭遇する。水平偏光を有する光子は上部ＭＺＩ３１７を通るように方向付けられ、垂直偏光を有する光子は下部ＭＺＩ３１９を通して送られる。
【００６９】
上部ＭＺＩ３１７内を左から右に移動する垂直に偏光された光子は、検出器Ａ１またはＡ２のいずれかに方向付けられる。検出器Ａ１に方向付けられた光子は、第２の偏光ビームスプリッタ３２１と第３の偏光ビームスプリッタ３２３とを通過する。上部ＭＺＩ３１７内を右から左に移動する水平に偏光された光子は、検出器Ｂ１またはＢ２のいずれかに方向付けられる。検出器Ｂ１に出力された光子は、第１の偏光ビームスプリッタ３１１と第４の偏光ビームスプリッタ３２５とを通過しなくてはならない。下部ＭＺＩ３１９内を左から右に移動する水平に偏光された光子は検出器Ａ３またはＡ４のいずれかに出力される。更に、右から左に移動し、垂直に偏光された光子は、下部ＭＺＩ３１９を通過し、検出器Ｂ３またはＢ４のいずれかに出力される。
【００７０】
もし光子が上部ＭＺＩ３１７を通って異なる方向に移動しているならば、上記の検出器のうちのどのペアが光子を検出するかは、上部ＭＺＩ３１７を通って移動している垂直および水平に偏光された光子によって経験された位相の差に依存する。更にもし光子が下部ＭＺＩ３１９を通って移動するならば、上記の検出器のどのペアが光子を検出するかは、下部ＭＺＩ３１９を通って移動する垂直および水平に偏光された光子によって経験された位相の差に依存する。複数の光子が所望の経路を取ると、そのペアのうちの一方の光子の測定により他方の光子の波動関数の崩壊を招き、これにより、これの正確な検出の位置と時間とが判定される。
【００７１】
一般に干渉は、同じエネルギーを有する光子間でのみ見られる。大抵の量子ドットにおいて中性励起子状態から放射されたＨおよびＶ光子は異なるエネルギーを有し、したがって干渉は光子源がＨ光子を放射し、それからＨ光子またはＶ光子を、そしてそれからＶ光子を放射するときにだけ観測されるはずである。干渉は光子源がＨ光子を放射し、その後にＶ光子を放射する時には観測される見込みはなく、その逆の場合も同様である。したがって大抵の場合、図７のシステムの効率は図２のシステムの効率のちょうど２倍である。しかしながら、約８８５ナノメートルを放射する或る幾つかの量子ドットにおいては、ＨおよびＶ状態からの放射はエネルギーが等しいので、すべての組合せが干渉し、図７のシステムの効率は図２のシステムの効率の４倍になる。
【００７２】
図８は、偏光エンタングルメント状態を分析するために使用され得る干渉計を備えるシステムである。このシステムは、エンタングルメント光子源の完全性を検査するために使用され得る。これはまた、後に図１６を参照しながら述べる量子暗号化における用途を有する。
【００７３】
図８において、光子源４０１は、量子ドットタイプ単一光子源である。最近、量子ドット（R. Stevenson et al, Nature 439, (2006) 179およびR. Young et al, New Journal of Physics, 8 (2006) 29）は、カスケード「二重励起子（biexciton）→励起子→空」から偏光的にエンタングルメントしている光子を放射できることが示された。ファイバにおける複屈折からデコヒーレンスに対してこのエンタングルメントを保存するために、このエンタングルメント状態は位相エンタングルメント状態に変換され得る。光子源４０１によって出力された状態は：
【数５】
0005591689.tif 000006
【００７４】
（ＩＩＩ）
であり、ここでＸは励起子光子を表し、ＸＸは二重励起子光子を表す。次に、この状態は光子源干渉計４０５の開始点である偏光ビームスプリッタ４０３に移る。光子源干渉計４０５は長いアーム４０７を備えており、この長いアーム４０７は位相変調器４０９と偏光回転子４０８とを有する。この干渉計はまた、短いアーム４１１も備える。偏光ビームスプリッタ４０３は、長いアーム４０７を通して垂直に偏光された光子を送出し、短いアーム４１１を通して水平に偏光された光子を送出するように構成される。
【００７５】
光子源からの垂直に偏光された光子は、偏光ビームスプリッタ４０３によって長いアーム４０７に方向付けられ、そこでこれらの光子は４０８によってＨ偏光に回転されて時間ｄｔだけ遅延させられる。水平に偏光された光子は、偏光ビームスプリッタ４０３によって短いアーム４０５に方向付けられる。次にこれら２つ経路は、カプラー４１１で再結合される。このようにして、偏光的にエンタングルメントした光子状態は、今度は２つの別のタイムビン（time bins）にエンタングルメントさせられて：
【数６】
0005591689.tif 000007
【００７６】
（ＩＶ）
を与える。この状態はファイバ複屈折に対してロバストである。
【００７７】
次に、この状態は、励起子遷移から発生する光子Ｘをアーム４１５に送り、二重励起子遷移から発生する光子ＸＸをアーム４１７に送る分光計４１３に渡される。Ｘ光子とＸＸ光子は同じ偏光を有するので、Ｘ光子の偏光を変えるためにアーム４１５には偏光回転子４１４が設けられる。それから光子は、図２を参照しながら説明されたタイプのＭＺＩ１１５に通される。如何なる繰り返しも避けるために、同様の特徴を表すために同様の参照番号が使用される。
【００７８】
ＭＺＩ１１５における位相変調器の適切な値を選択することによって、状態が十分にエンタングルメントしている場合にどの検出器（Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２）が起動（fire）すべきであるかを決定することが可能である。
【００７９】
図９は、多光子エンタングルメントを達成することができるシステムの図である。図９において光子源４０１は、図８を参照しながら説明されたタイプである。光子源４０１は、カスケード「二重励起子（biexciton）→励起子→空」から偏光的にエンタングルメントしている光子を放射する。次に、この光子源の出力は、垂直偏光を有する光子をアーム５０１に沿って、また水平偏光を有する光子をアーム５０３に沿って方向付ける偏光ビームスプリッタ４０３を通される。
【００８０】
しかしながら図８のシステムとは対照的に、アーム５０１またはアーム５０３のいずれかに方向付けられた単一光子の代わりに１つのＸ光子と１つのＸＸ光子とからなる二光子（biphoton）が各アームに方向付けられる。この光子源は、時間ゼロで１つの二光子を、時間ｄｔ後に第２の光子を放射するように構成される。
【００８１】
今度はシステムを通って移動する二光子が存在するので、前に示された単一光子検出器は、今度は二光子検出器Ａ１、Ａ２、Ｂ１およびＢ２に置き換えられる。二光子の有効波長は、個別の光子の有効波長の半分である。したがって、ｃｏｓ（Δφ）として変化する二光子検出器間の相関関係よりもむしろ、これらの相関関係は、今度はｃｏｓ（２Δφ）＞として変化する。したがって：
【数７】
0005591689.tif 000008
【００８２】
（Ｖ）
である。関連している４つの光子（すなわち２つのＸ光子と２つのＸＸ光子）はそれから、エンタングルメントした４光子状態になる。したがって多数の位置間に、例えば量子暗号化における４者間に光子を配布することが可能である。
【００８３】
図１０は、図９のシステムの更なる変形例を示す。図１０で光子源５５１は、入力状態：
【数８】
0005591689.tif 000009
【００８４】
を生成する。この入力状態は、光子をアーム５５５またはアーム５５７にランダムに方向付けるビームスプリッタ５５３に供給される。
【００８５】
１つの二光子がアーム５５５を通り、この二光子は水平または垂直いずれかに偏光され得る。もしこれが垂直に偏光されれば、これは偏光ビームスプリッタ５６１を介して上部ＭＺＩ５５９に通される。もしこれが水平に偏光されれば、これは偏光ビームスプリッタ５６１を介して下部ＭＺＩ５６３に通される。同様にアーム５５７を通る二光子は、もし水平に偏光されればビームスプリッタ５６５によって上部ＭＺＩ５５９に方向付けられ、もし垂直に偏光されればビームスプリッタ５６５によって下部ＭＺＩ５６３に方向付けられる。
【００８６】
したがって、もしある二光子が１つの偏光をもって、例えば垂直に偏光されてアーム５５５に方向付けられ、第２の二光子が反対の偏光をもって（例えば水平に偏光されて）経路５５７に方向付けられるならば、これらの二光子は両方とも上部ＭＺＩ５５９で干渉してエンタングルメントさせられる。同様にもしこれらの光子が逆の偏光を有するならば、これらは下部ＭＺＩ５６３によってエンタングルメントさせられる。
【００８７】
２つの光子は、時間ｄｔだけ離されていれば４光子エンタングルメント状態を生成する。上記の２つのスキームに関して、ｄｔだけ離された２つの「二光子」は二光子検出器にとって弁別不可能に見えなくてはならない、言い換えればＸおよびＸＸ光子の両者は時間・帯域幅制限されていなくてはならない。これは、ＸおよびＸＸ状態の両方を包含するために十分広いモードを有する、高いパーセル（Purcell）係数を取得するために対応して低いモードボリュームを有する、低Ｑ空洞を使用することによって達成され得る。
【００８８】
図１１は、３つの経路を有する干渉計の図である。図２の干渉計では光子は、２つの経路の１つ、すなわち長いアームまたは短いアームを取り得る。図１１では光子は、干渉計を通る３つの経路の１つを取り得る。
【００８９】
図１１の例では光子源６０１は水平に偏光された光子の源であり、これらの光子はそれからアーム６０５またはアーム６０７をたどるように無偏光ビームスプリッタ６０３を介して分割される。アーム６０５に沿って移動する光子は、それらの偏光を偏光回転子６０９によって９０°だけ回転させられる。これは、垂直に偏光された光子という結果をもたらす。垂直に偏光された光子はそれから、偏光ビームスプリッタ６１１に通され、それから無偏光３３／３３／３３°ビームスプリッタ６１３に通される。このタイプの３方向ビームスプリッタは、トリッタ（tritter）として知られている。
【００９０】
それから光子は、干渉計６１５を通る３つの経路のうちの１つをたどり得る。これら３つの経路は、短いアーム６１７、φ１の位相差が生成される長いアーム６１９、およびφ２の位相差が生成される中間アーム６２１を通る。光子が３つの経路を取り得ることは、各粒子が３つの可能な状態を占め得るキュートリット（qutrits）が生成されることを可能にする。このような状態は、量子通信アプリケーションにおいて改善されたセキュリティを与え、ベル（Bell）の不等式のテストにおいてより強い非ローカル相関関係を与えることが示されている。
【００９１】
長いアーム６０７に沿って方向付けられた光子は、水平に偏光されて、ビームスプリッタ６２３を介して干渉計６１５に方向付けられる。それからこれらの光子は、光子を３つの経路６１７、６１９および６２１のうちの１つに沿って方向付け得るトリッタ６２５に遭遇する。アーム６１９および６２１における位相変調器においてセットされた位相に依存してＡ１、Ａ２およびＡ３における光子検出イベントは、Ｂ１、Ｂ２およびＢ３における光子検出イベントと相互に関係付けられる。
【００９２】
図１１の考えの拡張が図１２に示されており、ここでは３つの経路の代わりに干渉計はＮ本の経路に拡張されるので、これはキューＮイット（quNits）のための干渉計である。
【００９３】
不必要な繰り返しを避けるために、図１１を参照しながら説明された特徴を説明するために同様の参照番号が使用される。図１１のトリッタ６１３および６２５は、Ｎ方向ビームスプリッタ６５１および６５３に置き換えられている。Ｎ方向ビームスプリッタ６５１は、φＮの位相差を有する経路６５５０、６５５１からφＮの位相差を有する経路６５５ｎまでのいずれかの経路に光子をランダムに方向付けることができる。これは、本システムを通り抜ける各粒子が図１１を参照しながら説明されたセキュリティに関して量子通信のためにより多くの利益を有するＮ経路重ね合わせに置かれることを可能にする。
【００９４】
図１３は、エンタングルメント光子源を使用する量子暗号化の原理の図を示す。エンタングルメント光子源６８１は、エンタングルメント光子対のうちの一方の光子をＡｌｉｃｅ（アリス）６８３に送り、同じエンタングルメント光子対のうちの他方の光子をＢｏｂ（ボブ）６８５に送る。Ａｌｉｃｅが彼女の光子に測定を行うと、Ｂｏｂの光子の波動関数は崩壊し、それによってＡｌｉｃｅがＢｏｂ６８５に情報を送ることを可能にする。
【００９５】
エカート（Ekert）プロトコルとＢＢ８４スキームの２粒子アナログとを含む、エンタングルメント光子対に基づく多くのプロトコルが存在する。後者の場合、各光子対（例えば水平／垂直および対角線／反対角線）からランダムに選択された２つの基底のうちの任意の１つに同じ偏光を持つようにエンタングルメントさせられた光子を放射するために光子源が使用され得る。ＡｌｉｃｅとＢｏｂは各々、これらの光子の１つを受け取ることができ、いずれかの基底においてこれをランダムに測定できる。これらの測定後に光子源は、各光子対のためにどの基底を使用したかを公表することができ、それからＡｌｉｃｅとＢｏｂは両者が光子源と同じ基底で測定されたときの測定値からのデータだけを保存する。
【００９６】
図１４。エンタングルメント光子源７０１は、図２の干渉計に基づいている。光子源７０３は、後で無偏光ビームスプリッタ７０５に通される水平に偏光された光子を生成する。ビームスプリッタ７０５は、光子をアーム７０７またはアーム７０９のいずれかに沿って方向付けることができる。水平偏光のアーム７０７に沿って方向付けられた光子は、偏光回転子７１１によって垂直偏光に変えられる。垂直に偏光された光子はそれから、偏光ビームスプリッタ７１３に通されて、図２を参照しながら説明された干渉計と同じである干渉計に通される。
【００９７】
アーム７０９を通る水平に偏光された光子はそれから、ビームスプリッタ７１７に、それから干渉計７１５に方向付けられる。左から右の方向に干渉計７１５を通って移動する垂直に偏光された光子は、右から左に干渉計７１５を通って移動する水平に偏光された光子と位置的および時間的にエンタングルメントさせられる。
【００９８】
左から右へ干渉計を通って移動する垂直に偏光された光子は、この干渉計を出て、それらの偏光をＨに変換する偏光回転子７２５へのアーム７２３に沿って、あるいはアーム７２７に沿って光子を方向付ける無偏光ビームスプリッタ７２１を通り抜ける。それからこれら２つの経路（７２３および７２７）は、偏光ビームスプリッタ７２８で再結合され、経路７４１に沿って方向付けられる。このようにして、干渉計７１５によって加えられた変調は偏光変調に変換される：経路７２３および７２７を取った両成分は、同時に、しかし直交する偏光をもって経路７４１に沿って移動する。
【００９９】
右から左へ干渉計７１５を通って移動する光子は、光子をアーム７３３および光子の偏光をＶに変換する偏光回転子７３５に、またはアーム７３７のいずれかに方向付けるビームスプリッタ７３１に作用する。これら２つの経路（７３３および７３７）はそれから、偏光ビームスプリッタ７３８で再結合されて経路７５１に沿って方向付けられる。この仕方で偏光エンタングルメント光子は、下記に説明される図１３に示された（従来技術の）量子暗号化システムに使用され得る装置７０１によって生成される。
【０１００】
量子暗号法を実行するためにＣｈａｒｌｉｅは、放射される各光子のためにランダムに選択された２つの基底（例えば水平／垂直または対角線／反対角線）の１つにおいて光子を符号化するように２つの波長板７３９および７２９を使用しなくてはならない。このプロトコルがどのように進行するかの理解を容易にすることは、位相変調器７１５が０度にセットされて両波長板７３９および７２９が各光子に関してランダムに一致して動かされることを仮定する。この処置は、ファイバ内を移動する２つのエンタングルメント光子がＣｈａｒｌｉｅにだけ知られた基底において等しい偏光であることを保証する。Ａｌｉｃｅの装置は、Ａｌｉｃｅの測定基底として機能する０°または４５°いずれかの変調を彼女が加えることを可能にする波長板７４５を備える。Ａｌｉｃｅは、各光子の間でランダムに測定を変える。それから光子は、後で光子を検出器Ａ１または検出器Ａ２に方向付ける偏光ビームスプリッタ７４７に通される。
【０１０１】
同様に、右から左へ干渉計７１５を通り抜けた光子はそれから、ケーブル７５１を通ってＢｏｂ７５３に方向付けられる。Ｂｏｂはまた、彼が各光子の間でランダムに０°基底と４５°との間で偏光を変化させるために使用する波長板７５５を有する。それから光子は、後で光子を検出器Ｂ１または検出器Ｂ２に方向付けるビームスプリッタ７５７に通される。ＡｌｉｃｅとＢｏｂが彼らの測定を行った後にＣｈａｒｌｉｅは、彼が各光子を符号化するためにどの基底を使用したかを公表する。
【０１０２】
彼らの波長板７４５および７５５によって定義されたような基底において彼らのシステムにおける測定を行うＡｌｉｃｅまたはＢｏｂは、他の受け手における光子の波動関数を崩壊させ、これによって彼らが同じ基底を使用した場合にＡｌｉｃｅとＢｏｂの結果の間には相関関係が存在する。それからＡｌｉｃｅとＢｏｂは、彼らが整合性のある基底を使用したときからのデータだけを保持する。
【０１０３】
上記の説明では位相変調器７１５は０°にセットされ、両波長板７３９および７２９は一致して動かされる（すなわち相関付けられる）が、各光子に関してランダムにセットされる。このようにして、光子が偏光において相関付けられる（しかし各光子に関する波長板のセッティングではない）という事実は、エンタングルメント光子の配布に先立ってＣｈａｒｌｉｅによって公表されることが可能であり、それからこのプロトコルは従来技術で指定されたように進行する（例えば、Quantum Cryptography, N. Gisin et al, Review in Modern Physics, VoI 74 (2002) page 153）。この処置は、ファイバ７４１および７５１内を移動する２つのエンタングルメント光子がＣｈａｒｌｉｅにだけ知られた基底において等しい偏光であることを保証する。
【０１０４】
しかしながらＡｌｉｃｅとＢｏｂの光子が相関付けられるか反相関付けられるかどうかは、位相変調器７１５によって加えられた位相変調と波長板７３９および７２９が何にセットされたかとの両方に依存する：例えばもし位相変調器７１５がπにセットされて波長板がなお一致して動いたならば、ＡｌｉｃｅとＢｏｂとによる光子検出イベントは反相関付けられる：もしＡｌｉｃｅが彼女の装置でＨ光子を測定するならばＢｏｂは垂直に偏光された光子を受け取る、などといったことである。したがってもし位相変調器７１５と波長板７３９および７２９が相関付けられるか反相関付けられるどうかとが各量子キーの配布時に変えられたならば、各光子対が相関付けされるべきか反相関付けられるべきかに付いての情報も、ＡｌｉｃｅとＢｏｂがキーを首尾よく復号するためにＣｈａｒｌｉｅによって公表される必要がある。
【０１０５】
図１５は、本発明の一実施形態による量子暗号化システムの更なる変形例を示す。
【０１０６】
図１５でＢｏｂ８０３は、Ａｌｉｃｅ８０１にキーを伝達する。ＡｌｉｃｅとＢｏｂが有する装置は基本的に、ＡｌｉｃｅとＢｏｂとの間に広げられた、図２を参照しながら説明された干渉計である。この特定の実施形態ではＢｏｂは、水平に偏光された光子を生成し得る光子源８０５を有する。ビームスプリッタ８０７は、光子をアーム８０９またはアーム８１１のいずれかに方向付ける。アーム８０９に方向付けられた水平に偏光された光子は、光子の偏光を垂直偏光に変換する偏光回転子８１３を通り抜ける。垂直に偏光された光子はそれから、垂直に偏光された光子を干渉計８１９の開始点である無偏光ビームスプリッタ８１７に後で方向付ける偏光ビームスプリッタ８１５を通過する。干渉計８１９は、ＡｌｉｃｅとＢｏｂとの間で分割される。干渉計８１９は、長いアーム８２１と短いアーム８２３とを備える。長いアーム８２１にはＢｏｂ８０３によって制御される第１の位相変調器８２５が存在する。この特定の例では長いアームと短いアーム８２３の両者ともＢｏｂからＡｌｉｃｅ８０１へ延びている。長いアームには第２の位相変調器８２７も設けられているが、この第２の位相変調器はＡｌｉｃｅの制御下にある。それから長いアーム８２１と短いアーム８２３は、Ａｌｉｃｅ側の無偏光ビームスプリッタ８２９で結合される。それから光子は、彼女の位相変調器８２７を使用するＡｌｉｃｅと彼の位相変調器８２５を使用するＢｏｂとの両者によって加えられた位相変調に依存してＡｌｉｃｅの検出器Ａ１またはＡｌｉｃｅの検出器Ａ２のいずれかに方向付けられる。アーム８１１を通る水平に偏光された光子は、直接Ａｌｉｃｅに伝達されて、偏光ビームスプリッタ８３１を通り、それからＡｌｉｃｅ８０１とＢｏｂ８０３両者の間に広げられた干渉計８１９を通る。ＡｌｉｃｅからＢｏｂに移動する光子はそれから、無偏光ビームスプリッタ８１７に作用し、ＡｌｉｃｅとＢｏｂの両者によって加えられた位相変調に依存してＢｏｂの検出器Ｂ１またはＢ２のいずれかに入る。
【０１０７】
ＡｌｉｃｅとＢｏｂが装置を通過する各光子対に関して彼らの位相変調器を０とπとの間でランダムに変えるが、彼らが彼らの位相変調器のセッティングを秘密にしておく例を考える。すべての光子が測定された後にＡｌｉｃｅは、彼女が各光子に関してどのセッティングを使用したかを公表できる。それからＢｏｂは、位相変調器９２５および９２７によって導入された全位相（０、πまたは２π）を知り、その結果として各光子対が相関付けされるべきであるか（全位相＝０または２π）、あるいは反相関付けられるべきであるか（全位相＝π）どうかを知る。Ｂｏｂはまた、各光子がどこで検出されたか（Ｂ１またはＢ２）を知っているので、すべてのエンタングルメント光子対に関して彼はＡｌｉｃｅが彼女の光子をどこ（Ａ１またはＡ２）で検出したかを判定できる。この情報は、秘密キーを形成する。Ａｌｉｃｅは、彼女の光子がメッセージを符号化するためにどこで検出されたかについての彼女の秘密の知識を使用できる。
【０１０８】
この装置では光子源８０５は、干渉計における遅延だけ時間的に離された弁別不可能な光子対を放射する。Ａｌｉｃｅはまた、取り外し可能な光子源８４１を有する。ＡｌｉｃｅとＢｏｂが同時に彼らの測定を行うことは重要である。したがってＢｏｂは、Ａｌｉｃｅが彼女の光子を測定する前に彼の光子を測定すべきではない。この例ではＡｌｉｃｅは、検出器Ａ１およびＡ２の前の光ファイバループによって与えられた量子メモリ８４３に彼女の光子を保存できる。
【０１０９】
図１６は、図８および１５に基づく暗号化システムを示す。如何なる不必要な繰り返しも避けるために、同様の特徴を示すために同様の参照番号が使用される。図８を参照しながら説明されたように、光子源４０１は、「二重励起子→励起子→空」カスケードから１対の偏光エンタングルメント光子を放射する。光子源干渉計４０５と分光計４１３は、これらの光子を、両方がＨ偏光を有し、タイムビンズ（time-bins）においてエンタングルメント光子対に変換する。分光計４１３は、一方の光子（二重励起子）が、その偏光が偏光回転子４５３によって垂直偏光に回転させられるアーム４５１に沿って左方向に移動して、他方の光子（励起子）がアーム４５５に沿って右方向に移動することを保証する。これら２つの光子はそれから、図１５と同様な仕方でＡｌｉｃｅ４５９とＢｏｂ４６１とによって共有される干渉計４５７に供給される。
【０１１０】
アーム４５１に沿って移動する光子は、Ａｌｉｃｅ４５９に方向付けられる。この光子は最初に、アーム４６５に沿って光子を方向付けるＡｌｉｃｅの偏光ビームスプリッタ４６３を通して送られる。それから光子は、干渉計４５７に入る。この干渉計は、図１５を参照しながら説明されたタイプであって、同様の特徴を説明するために同様の参照番号が使用される。
【０１１１】
アーム４５５に沿って移動する光子は、Ｂｏｂに方向付けられて、偏光ビームスプリッタ４６７によってアーム４６５に沿って反射される。それから光子は干渉計４５７に入る。
【０１１２】
Ａｌｉｃｅ４５９とＢｏｂ４６１が装置を通過する各光子対に関して彼らの位相変調器を０とπとの間でランダムに変えるが、彼らが彼らの位相変調器８２５、８２７のセッティングを秘密にしておく例を考える。すべての光子が測定された後にＡｌｉｃｅは、各光子に関して彼女がどのセッティングを使用したかを公表できる。それからＢｏｂは、位相変調器８２５および８２７によって導入された全位相（０、πまたは２π）を知り、その結果として各光子対が相関付けされるべきであるか（全位相＝または２π）、あるいは反相関付けられるべきであるか（全位相＝π）どうかを知る。Ｂｏｂはまた、各光子がどこ（Ｂ１またはＢ２）で検出されたかを知っているので、すべてのエンタングルメント光子対に関して彼はＡｌｉｃｅが彼女の光子をどこ（Ａ１またはＡ２）で検出したかを判定できる。この情報は、秘密キーを形成する。Ａｌｉｃｅは、彼女の光子がメッセージを符号化するためにどこで検出されたかについての彼女の秘密の知識を使用できる。
【０１１３】
図１７は、量子干渉法または量子撮像のために使用され得る本発明の一実施形態の図である。この干渉計の構成は、図２を参照しながら説明されたものに類似している。光子対は、光子源９０１によって生成され、この特定の例では水平偏光を有する光子を通す偏光ビームスプリッタ９０３を通り抜ける。水平に偏光された光子対はそれから、光子をアーム９０７またはアーム９０９にランダムに方向付ける無偏光ビームスプリッタ９０５に通される。このシステムは、１対の光子がアーム９０７に通される、あるいは１対の光子がアーム９０７に通される、いずれかのときに干渉計として、あるいは撮像するために、使用され得る。
【０１１４】
干渉計９１３は、そのアームの１つにおいて与えられた（２ｎ+１）π（ここでｎは整数である）にセットされた固定位相偏移φ１を有する。これは、９１３に関してこのセッティングを選択することによって９０５から干渉計に入るときに反対の経路を取った２つの光子が両方とも９０５に戻るように方向付けられることはないことを保証するので、重要なビットである。もし１つの左方向に移動する光子が経路９２０で検出されれば、右方向に移動する光子はアーム９２３になければならず、またもし１つの左方向に移動する光子が経路９２１で検出されれば、右方向に移動する光子はアーム９２２になければならない。したがって２つの二光子検出器が二光子を検出できる唯一の方法は、最初に干渉計に供給された２つの光子が同じ方向に無偏光ビームスプリッタ９０３を離れる場合である。今後は、これらの二光子を参照しながらこの実施形態について述べることが容易になる。
【０１１５】
二光子は２つの経路のうちの１つをたどることができる。もしこれが経路９０７をたどるならば、これの偏光は、垂直に偏光されるように９１１によって回転させられる。垂直に偏光された二光子はそれから、干渉計に方向付けられる。この特定の例でわれわれは、φｘが水平に偏光された二光子にだけ作用することを仮定する。したがって垂直に偏光された二光子は、位相変調器９１５を変更されないまま通り抜けてビームスプリッタ９０５に作用する。
【０１１６】
他の二光子状態は、ビームスプリッタ９０５に入って水平に偏光されて、経路９０９に方向付けられる。経路９０９に方向付けられた二光子は、可変位相変調器φｘ９１５を通り抜ける。可変位相変調器は水平偏光を有する二光子を変調するので、この二光子の位相は変調される。それからこれらの光子は、右から左へ移動して干渉計９１３を通り抜ける。それから二光子は、干渉計９１３を出て、水平に偏光された二光子をビームスプリッタ９０５に作用する垂直に偏光された二光子に変換する偏光回転子９１１に入る。
【０１１７】
変調器９１５によって加えられた位相変化に依存して二光子のこれら２つの成分は、これらがビームスプリッタ９０５に到達したときに干渉する。それからこれらは、複屈折要素９１５に依存して二光子検出器Ａ１またはＡ２のいずれかに方向付けられる。
【０１１８】
二光子によって経験された如何なる位相変化も単一光子波長の半分だけ変化する高速検出（detection at rate）Ａ１の変動という結果をもたらす。このようにしてこのシステムは、単一光子を使用して動作する干渉計の解像度を２倍にしている。
【０１１９】
二光子状態で動作する干渉法システムは、Edamatsu et al Phys. Rev. Lett 89 pages 213601-1 to 213601-4 (2002)によって提案されている。しかしながら図１５のシステムは、二光子が同じ経路を通って（異なる方向にではあるが）移動することにおいて特に有利であり、このことは、二光子状態の２つの部分が必要性の変わり得る遅延線に関して、またはＥｄａｍａｔｓｕによって提案されたタイプのアクティブな安定化に関して同じ時刻に中心のビームスプリッタ９０５に自動的に入射することを意味する。
【０１２０】
上記のように図１７のシステムは、量子撮像のために使用され得る。このシステムは、撮像されるべき物体を偏光依存位相偏移要素φｘとすることによって量子撮像のために使用され得る。
【０１２１】
φｘは、液晶の位相変調特性に関して電圧の関数を変える液晶であり得る。これは、複屈折結晶（例えば水晶）の或る構成であり得る。これは光ファイバ部品であり得る。
【０１２２】
サンプルの高さを表現することは、位相偏移要素に関して撮像するために有用であろう。これの可能な実現形態は、図１７の複屈折位相変調器９１５を置き換え得る図１８ａに示されている。図１８ａにおいて偏光ビームスプリッタ９３１は、光子を経路９３３または経路９３５に方向付ける。図１７の偏光要件にしたがってビームスプリッタ９３１は、水平偏光を有する光子を経路９３３に沿って、またｘｙステージに置かれたサンプル上に方向付ける。それからこれらの光子は、経路９３３と９３５とを結合する第２のビームスプリッタ９３９に反射される。このようにして経路９３３を取ったこれらの光子は、サンプル高さ９１７によって決定された可変位相偏移を経験する。
【０１２３】
サンプル厚さを表現することは、位相偏移要素に関して撮像するために有用であろう。図１８ｂでは再び、偏光ビームスプリッタであって、水平偏光を有する光子をアーム９４３に方向付け、垂直偏光を有する光子をアーム９４５に方向付けるビームスプリッタ９４１が設けられている。アーム９４３に通された光子は、再びｘｙステージに配置されたサンプル９４７を通り抜ける。サンプル９４７を通る光子の透過は、光子の位相変化を引き起こす。経路９４３および９４５は、結合器として機能する偏光ビームスプリッタ９４９で再結合される。このようにして図１８ａまたは１８ｂの構成を使用すれば、図１７の構成を使用してサンプルを調べることが可能である。
【０１２４】
図９、１０および１７の装置は、単一光子イベントから２光子イベントを決定できる必要がある。したがって単一光子イベントと２光子イベントとの間を弁別できる検出器が必要とされる。図１９は、ある幾つかの可能な検出器を示す。図１９ａでは、光子数決定検出器、例えば超伝導熱量計９５１が使用される。図１９ｂには、不平衡である干渉計、すなわち一方のアームが他方のアームより長い干渉計が単一光子検出器Ａ２ ９５５の前に設けられた２光子検出器のもう１つの可能な例が示されている。もし干渉計９５３において時間遅延だけ時間的に離された２つの光子が検出されるならば、２光子状態が検出されていなければならない。
【０１２５】
最後に、その出力を検出器Ａ１またはＡ２のいずれにも等しく方向付ける無偏光スプリッタ９５７によって２光子検出器の更なる例が与えられている。もしこれら２つの検出器が同時に起動（fire）するならば、２光子状態が選択されたことは明らかである。これらの考えの変形例および組合せも考えられ得る。上記はまさに、２光子検出器の可能な例を表している。
【０１２６】
図２０は、図１７の量子撮像／干渉計の更なる変形例である。図２０では弁別不可能な光子を放射する水平偏光光子源１０１１が使用される。この水平偏光光子源１０１１は、時間ｄｔだけ離された光子を不平衡ＭＺＩ１０１３に出力する。
【０１２７】
マッハ・ツェンダー干渉計１０１３は、光子を短いアーム１０１７または長いアーム１０１９のいずれかに方向付ける５０／５０ビームスプリッタ１０１５を有する。短いアーム１０１７と長いアーム１０１９は、時間遅延ｄｔに相当する経路差、すなわち光子源１０１１を離れる光子間の間隔を有する。したがってもし第１の光子が長いアーム１０１９を取り、第２の光子が短いアーム１０１７を取るならば、これらの光子はビームスプリッタ１０２１に同時に作用して、２光子干渉が発生する。これは、ビームスプリッタ１０２１が二光子（両方の光子）をアーム１０２３、または二光子をアーム１０２５のいずれかに方向付けることを意味する。これは、アーム１０２５をたどり、それから特定の偏光の光子、例えば水平に偏光された光子にだけ作用するように構成された可変位相変調器１０２９を通り抜けて水平に偏光された光子によって１つの状態が表される重ね合わせを形成する。それからこの二光子は二光子を垂直偏光に変換するための偏光回転子１０２７に通される。
【０１２８】
二光子状態の第２の成分は、その偏光を偏光回転子１０２７を使用して垂直にまで回転させるアーム１０２３を通る。垂直に偏光された光子はそれから、垂直に偏光された光子の位相を変調しない可変位相変調器１０２９に通される。そしてこれらの光子はそれから、ループを回り続ける。二光子の時計回りおよび反時計回り両方の成分はそれから、無偏光ビームスプリッタ１０２１に同時に入射して同じ垂直偏光を持つ。
【０１２９】
複屈折位相変調器１０２９によって加えられた位相に依存して二光子は、干渉計１０１３の短いアーム１０１７または干渉計１０１９の長いアーム１０１９のいずれかに沿って方向付けられる。短いアーム１０１７に沿って方向付けられた二光子は垂直偏光を持ち、偏光ビームスプリッタ１０３１によって二光子検出器Ａ１に方向付けられる。長いアーム１０１９に沿って方向付けられた二光子もまた垂直偏光を持ち、ビームスプリッタ１０３３によって二光子検出器Ａ２に方向付けられる。
【０１３０】
図２０の装置は、図１７の装置と同じ仕方で動作する。二光子によって経験された如何なる位相変化も高速検出（detection at rate）Ａ１の変動という結果をもたらすが、単一光子波長の半分だけ変化する。このようにしてこのシステムは、単一光子を使用して動作する干渉計の解像度を２倍にしている。
【０１３１】
光ファイバジャイロスコープは、それらの可動成分の欠如と高い精度と小型サイズとによって航空・宇宙の用途において非常に重要である。次に来るジャイロスコープは、回転運動が測定され得る精度を２倍にするためにわれわれの前の図２に基づいている。
【０１３２】
図２１は、本発明の一実施形態によるジャイロスコープである。これは、図１７のシステムの密接な類似物であって、同じ説明が当てはまる。図１７では複屈折位相変調器９１５が、左からビームスプリッタ９０５に入射する二光子と右から入射する二光子との間に位相偏移を導入する。これに代わって図２１では、ファイバループの回転速度が二光子の時計回りに移動する成分と反時計回りに移動する成分との間に位相偏移を導入する。
【０１３３】
古典的サニャック干渉計では、光のビームは１つの領域を取り囲む同じリングまたは経路の周りで２つの異なる方向に分割されて方向付けられる。入射点に戻ると光は、干渉計を出ることを許されて、干渉計パターンが取得される。もし干渉計が回転プラットホーム上に置かれれば、干渉計パターンのラインはプラットホームが回転していない干渉計パターンの位置と比較して横にずらされる。これは、プラットホームが回転しているときに入射／射出のポイントが光の通過時間中に動くからである。これは、一方のビームが干渉計の他方の経路を移動するビームより短い距離をカバーしたことを意味する。これは、この動きによって引き起こされた経路の変化が干渉計パターンに偏移を再現するということである。したがってプラットホームの各角速度で取得された干渉パターンは、その角速度に特有の異なる位相偏移を特徴付ける。
【０１３４】
図２１において、光子は光子源１０５１によって生成され、これらの光子はそれから、この特定の例では水平偏光を有する光子を通すように構成された偏光ビームスプリッタ１０５３を通り抜ける。それから光子は、サニャック干渉計１０５７のための入射点であるビームスプリッタ１０５５に入る。サニャック干渉計は、半径Ｒを有するＮ個のループを備える。このシステムのファイバのＮ個のループの付加は、大きな空間を占めることなくファイバループの長さを増加させることによってジャイロスコープの感度を増加させる。
【０１３５】
光子は、これらの光子が経路１０５９に沿って移動する第１の状態を占めることができる。この第１の状態では光子は、これらの光子の偏光をこのシステムへの入口で回転子１０６３によって９０°だけ回転させられる。第２の状態で光子は、経路１０６１に沿って移動する。両方の状態で光子は干渉計１０６５に入る。干渉計１０６５は、干渉計１０６５の２つのアーム間にｄｔという遅延時間を有する不平衡干渉計である。遅延時間ｄｔは、光子源１０５１から放射された光子間の時間間隔に対応する。干渉計１０６５は、そのアームの１つにおいて与えられる（２ｎ＋１）π（ここでｎは整数である）にセットされた固定位相偏移Φ１を有する。これは、１０６５に関してこのセッティングを選択することによって１０５５から干渉計に入るときに反対の経路を取った２つの光子が両方とも１０５５に戻るように方向付けられることはないことが保証されるので、重要なビットである。したがって２つの二光子検出器が１つの二光子を検出できる唯一の方法は、最初に干渉計に供給された２つの光子が同じ方向に無偏光ビームスプリッタ１０５５を離れる場合である。
【０１３６】
二光子状態の２つの成分（時計回りおよび反時計回り）はそれから、ビーム結合器１０５５で再結合される。干渉計の回転によって引き起こされた位相差に依存して光子は、検出器Ａ１または検出器Ａ２のいずれかに方向付けられる。二光子によって経験された如何なる位相変化も、単一光子波長の半分だけ変化する光束検出Ａ１の変動という結果をもたらす。したがって２光子サニャック干渉計の使用は、回転または動きが検出される精度を２倍にできる。
【０１３７】
図２２は、図２０に示されたシステムに基づいている。図２０では複屈折位相変調器１０２９が、左からビームスプリッタ１０２１に入射する二光子と右から入射する二光子との間に位相偏移を導入する。これに代わって図２１では、ファイバループ１１２３の回転速度が二光子の時計回りに移動する成分と反時計回りに移動する成分との間に位相偏移を導入する。
【０１３８】
詳細には、光子源１１１１によって弁別不可能な水平に偏光された光子が生成される。これらの光子はそれから、不平衡マッハ・ツェンダー干渉計１１１３に供給される。干渉計１１１３は、短いアーム１１１７と長いアーム１１１９とを有する不平衡干渉計である。したがってもし第１の光子が長いアーム１１１３を取り、第２の光子が短いアーム１１１７を取るならば、これらの光子は同時にビームスプリッタ１１１２１に作用して、２光子干渉が発生する。これは、ビームスプリッタ１１２１が二光子（両方の光子）をアーム１１２５または二光子をアーム１０２７のいずれかに方向付けることを意味する。サニャック干渉計１１２３内の光子は、２つの状態の重ね合わせを有しており、第１の状態ではこれらの光子は経路１１２７をたどってループの周りを反時計回りに進行し、それから偏光回転子１１２９に入り、光子が出口点１１２１に達するときには垂直に偏光された回転を持っている。時計回り方向に干渉計の周りを移動する光子は、経路１１２１に入って先ず偏光回転子１１２９を通り抜ける。これらの光子はまた、ビーム結合器／スプリッタ１１２１を経由して干渉計１１２３を退出する。この点における光子は、垂直偏光を有し、サニャック干渉計１１２３において導入された位相差に依存して二光子検出器Ａ１またはＡ２のいずれかに到達する。
【０１３９】
このようにして、上記の２光子サニャック干渉計は、回転運動が検出される精度を２倍にする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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