(57)【要約】【課題】時間的にも空間的にも安定して量子もつれ光子対を発生させる。【解決手段】単一光子を発生できる単一光子発光素子（１０）と、この単一光子発光素子に一端の端面が隣接する２本の光ファイバー（２０ａ、２０ｂ）と、これら２本の光ファイバーの他端に結合され、２本の光ファイバーを伝搬してきた光子を重ね合わせる光カプラ（３０）とを設け、２本の光ファイバーの長さの差は、単一光子発光素子を励起する周期Ｔと前記光ファイバー内の光の速度ｖとの積の整数倍とした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一光子を発生できる単一光子発光素子と、
この単一光子発光素子に一端の端面が隣接する２本の光ファイバーと、
これら２本の光ファイバーの他端にそれぞれ結合され、前記２本の光ファイバーを伝搬してきた光子を重ね合わせるとともに重ね合わされた光子を分岐して出力する光カプラーと
を備え、
前記２本の光ファイバーは、互いに異なる長さを有し、その長さの差は、前記単一光子発光素子を励起する周期Ｔと前記光ファイバー内の光の速度ｖとの積の整数倍である
ことを特徴とする量子もつれ光子対発生素子。
【請求項２】
請求項１に記載された量子もつれ光子対発生素子において、
さらに前記光カプラーの２つの出力端からそれぞれ出力される光子を検出する検出器を備える
ことを特徴とする量子もつれ光子対発生素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載された量子もつれ光子対発生素子において、
前記単一光子発光素子は、外部より供給されるパルス状のレーザ光により励起され、
前記レーザ光のパルス幅は、前記単一光子発光素子の発光寿命の１／１０より短い
ことを特徴とする量子もつれ光子対発生素子。
【請求項４】
請求項１−３のいずれか１項に記載された量子もつれ光子対発生素子において、
前記単一光子発光素子は、前記２本の光ファイバーそれぞれの一端の端面によって挟持されている
ことを特徴とする量子もつれ光子対発生素子。
【請求項５】
２本の光ファイバーの端面に隣接し、単一光子を発生できる単一光子発光素子から、周期Ｔで発生する複数の光子を前記２本の光ファイバーに入力するステップと、
前記２本の光ファイバーの他端と結合された光カプラーによって前記２本の光ファイバーを伝搬してきた光子を重ね合わせるとともに重ね合わされた光子を分岐して出力するステップと
を備え、
前記２本の光ファイバーは、互いに異なる長さを有し、その長さの差は、前記単一光子発光素子を励起する周期Ｔと前記光ファイバー内の光の速度ｖとの積の整数倍である
ことを特徴とする量子もつれ光子対発生方法。
【請求項６】
請求項５に記載された量子もつれ光子対発生方法において、
さらに前記光カプラーの２つの出力端からそれぞれ同時に出力される２つの光子が検出されたときに当該２つの光子からなる光子対を選択する
ことを特徴とする量子もつれ光子対発生方法。
【請求項７】
請求項５または６に記載された量子もつれ光子対発生方法において、
前記単一光子発光素子は、外部より供給されるパルス状のレーザ光により励起され、
前記レーザ光のパルス幅は、前記単一光子発光素子の発光寿命の１／１０より短い
ことを特徴とする量子もつれ光子対発生方法。
【請求項８】
請求項５−７のいずれか１項に記載された量子もつれ光子対発生方法において、
前記単一光子発光素子は、前記２本の光ファイバーそれぞれの一端の端面によって挟持されている
ことを特徴とする量子もつれ光子対発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子もつれ状態の光子対を発生する量子もつれ光子対発生素子および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来に比べて格段に処理速度の速い量子情報処理や安全性の高い量子情報通信に用いるために、量子もつれ光子対を生成する技術が開発されてきている。ここで「量子もつれ光子対」は、各光子の状態の観測結果はランダムでありながら、２つの光子間に量子力学的な相関を持つ光子対である。
【０００３】
このような量子もつれ光子対を生成する技術として、非線形光学媒質を用いてレーザ光をパラメトリック下方変換（ＰＤＣ: Parametric Down-Conversion）して光子対を生成する技術が開発されてきた。しかし、レーザ光をパラメトリック下方変換する方法には、光子対を発生するタイミングが制御できない；一度にただ１つの光子対だけを生成することができずに、必ずある確率で複数の光子対が生成されてしまう；光子対を生成する速度が遅い、という課題があった。
【０００４】
これに対し、非特許文献１には、１〜２ns程度時間的にずらした２つのレーザーパルス列で量子ドットを励起して発生した２つの光子を非対称マッハツェンダ干渉計に入射し、最初に発生した励起子発光による光子が長い光路対を進み、遅れて発生した光子が短い光路を進むことで光子対を発生する技術が開示されている。
この技術は、パラメトリック下方変換により確率的に量子もつれ光子対を生成する代わりに、２つの光子を重ね合わせることによって、量子もつれ光子対を生成するものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】David Fattal, et al.: "Entanglement Formation and Violation of Bell's Inequality with a Semiconductor Single Photon Source" Phys. Rev. Lett. 92, 037903 (2004)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この非特許文献１に開示された技術では、自由空間を進む二つの光子をビームスプリッタ部分で完全に重ね合わせて、二つの光子が識別できない状態にする必要があるが、光学位置の調整が微妙で難しいため、量子もつれの質が低下しやすいという課題がある。
また、必ずしも、最初に発生した励起子発光による光子が長い光路を進み、遅れて発生した光子が短い光路を進むとは限らず、例えば、最初に発生した光子が短い光路を進み、遅れて発生した光子が長い光路を進んでしまうという現象が発生する確率も同等にあるために、非対称マッハツェンダ干渉計からは、光子対以外に遅延時間の異なる光子の組み合わせも複数出力されてしまう。そのために、非特許文献１に開示された技術では、測定結果から光子対以外に遅延時間の異なる光子の組み合わせを取り除く「ポストセレクション」と呼ばれる操作を追加する必要も生じる。
【０００７】
そこで、本発明は、時間的にも空間的にも安定して量子もつれ光子対を発生させる量子もつれ光子対発生素子および量子もつれ光子対発生方法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】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明に係る量子もつれ光子対発生素子は、単一光子を発生できる単一光子発光素子と、この単一光子発光素子に一端の端面が隣接する２本の光ファイバーと、これら２本の光ファイバーの他端にそれぞれ結合され、前記２本の光ファイバーを伝搬してきた光子を重ね合わせるとともに重ね合わされた光子を分岐して出力する光カプラーとを備え、前記２本の光ファイバーは、互いに異なる長さを有し、その長さの差は、前記単一光子発光素子を励起する周期Ｔと前記光ファイバー内の光の速度ｖとの積の整数倍であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る量子もつれ光子対発生方法は、２本の光ファイバーの端面に隣接し、単一光子を発生できる単一光子発光素子から、周期Ｔで発生する複数の光子を前記２本の光ファイバーに入力するステップと、前記２本の光ファイバーの他端と結合された光カプラーによって前記２本の光ファイバーを伝搬してきた光子を重ね合わせるステップとを備え、前記２本の光ファイバーは、互いに異なる長さを有し、その長さの差は、前記単一光子発光素子を励起する周期Ｔと前記光ファイバー内の光の速度ｖとの積の整数倍であることを特徴とする。
【００１０】
本発明においては、さらに前記光カプラーの２つの出力端からそれぞれ出力される２つの光子を検出する検出器を設けてもよい。また、前記光カプラーの２つの出力端からそれぞれ同時に出力される２つの光子が検出されたときに当該２つの光子からなる光子対を選択してもよい。
【００１１】
また、本発明においては、前記単一光子発光素子を、外部より供給されるパルス状のレーザ光により励起してもよく、このときの前記レーザ光のパルス幅は、前記単一光子発光素子の発光寿命の１／１０より短くしてもよい。
【００１２】
また、本発明においては、前記単一光子発光素子を、前記２本の光ファイバーそれぞれの一端の端面によって挟持してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、２本の光ファイバーを伝搬してきた発生時期の異なる２つの光子を光カプラーによって重ね合わせるので、時間的にも空間的にも安定して量子もつれ光子対を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る量子もつれ光子対発生素子の構成を説明する図である。
【図２】図２は、第１の実施の形態に係る量子もつれ光子対発生素子の構成を説明する図である。
【図３】図３は、第１の実施の形態における量子もつれ光子対の発生プロセスを説明する図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施の形態に係る量子もつれ光子対発生素子の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
１．第１の実施の形態
１−１．量子もつれ光子対発生素子の構成
本発明の第１の実施の形態に係る量子もつれ光子対発生素子１は、図１に示すように、単一光子を発生できる単一光子発光素子１０と、２本の光ファイバー２０ａ、２０ｂと、これら２本の光ファイバーと結合された光ファイバーカプラー３０とを備えている。
【００１７】
図２は、単一光子発光素子１０と光ファイバー２０ａ、２０ｂとの接続部分を拡大した図である。
図２に示すように、２本の光ファイバー２０ａ、２０ｂそれぞれの一端の端面は、この単一光子発光素子１０に隣接している。
単一光子発光素子１０としては、半導体量子ドットを内部に含む半導体小片や、半導体ナノワイヤ（半導体微小円柱構造）、窒素欠陥(NV)センターを含むダイヤモンド小片などを使用することができる。図２は、半導体ナノワイヤによる半導体微小円柱構造の例である。本実施の形態において用いる単一光子発光素子１０は、第１半導体層１０１と、第１半導体層１０１の上に形成された第２半導体層１０２と、第２半導体層１０２の上に形成された第３半導体層１０３とからなる半導体微小円柱構造である。第１半導体層１０１と第３半導体層１０３は、第２半導体層１０２より大きなエネルギーギャップ幅を有するバリア層であり、これらのバリア層より小さなエネルギーギャップ幅を有する第２半導体層１０２は量子ドット発光層である。このような半導体素子は、例えば、外部からパルス状のレーザ光を照射して励起することによって単一の光子を発生することができる。
【００１８】
単一光子発光素子１０において発生した光子が光ファイバー内を伝搬するように、単一光子発光素子１０と光ファイバー２０ａ、２０ｂの端面とは近接していることが望ましい。図２においては、説明の便宜から、単一光子発光素子１０と光ファイバー２０ａ、２０ｂの端面が離間しているように描かれているが、本実施の形態においては、互いに対向する光ファイバー２０ａ、２０ｂの端面によって単一光子発光素子１０を挟持した構造を有するものとする。
【００１９】
２本の光ファイバー２０ａ、２０ｂは、互いに異なる長さを有している。光ファイバー２０ａと光ファイバー２０ｂとの長さの差は、単一光子発光素子１０を励起する周期Ｔと光ファイバー２０ａ、２０ｂ内の光の速度ｖとの積の整数倍とする。本実施の形態においては、第１の光ファイバー２０ａが第２の光ファイバー２０ｂよりもＴ×ｖだけ長く形成されている。
なお、２本の光ファイバー２０ａ、２０ｂとしては、単一モードの光ファイバーを用いることができる。
【００２０】
光ファイバーカプラー３０は、２×２（２入力２出力）の偏光無依存ファイバーカプラーである。この光ファイバーカプラー３０は、２つの入力ポート３０−ｉａ、３０−ｉｂと２つの出力ポート３０−ｏａ、３０−ｏｂとを有する。このような光ファイバーカプラー３０は、入力ポート３０−ｉａ、３０−ｉｂにそれぞれ同時に入力された２つ光子を重ね合わせるとともに重ね合わされた光子を分岐して、出力ポート３０−ｏａ、３０−ｏｂからそれぞれ１個の光子を出力するものである。
【００２１】
光ファイバーカプラー３０の入力ポート３０−ｉａ、３０−ｉｂは、それぞれ光ファイバー２０ａ、２０ｂの他端と、偏光制御器４０ａ、４０ｂを介して結合されている。偏光制御器４０ａ、４０ｂは、２本の光ファイバー２０ａ、２０ｂからそれぞれ出力される光子の偏光を（Ｖ、Ｈ）（縦偏光と水平偏光）、（Ｒ、Ｌ）（右円偏光と左円偏光）の組み合わせになるように制御する。このような偏光制御器として、例えば、半波長板（ＨＷＰ：Half-wave plate)等を用いることができる。
このように偏光制御器４０ａ、４０ｂを介して光ファイバー２０ａ、２０ｂと結合することにより、例えば、光ファイバーカプラー３０の第１の入力ポート３０−ｉａには垂直（Ｖ）偏光（または右円偏光）の光子が入力され、第２の入力ポート３０−ｉｂには水平（Ｈ）偏光（または左円偏光）の光子が入力されることとなる。したがって、２本の光ファイバー２０ａ、２０ｂを伝搬してきた光子が上述した偏光板４０ａ、４０ｂを介して光ファイバーカプラー３０に同時に入力されると、互いに異なる偏光の光子が光ファイバーカプラー３０によって互いに重ね合わされる。光ファイバーカプラー３０の出力ポート３０−ｏａ、３０−ｏｂからそれぞれ出力される光子を観測すると、各光子の偏光の状態はランダムでありながら、２つの光子間に量子力学的な相関を持つ光子対を得ることができる。
【００２２】
１−２．量子もつれ光子対の発生方法
次に図３を参照しながら、上述した量子もつれ光子対発生素子１を用いた量子もつれ光子対の発生方法について説明する。
【００２３】
（１）光子の発生および入力
まず、２本の光ファイバー２０ａ、２０ｂの端面に隣接した単一光子発光素子１０に光子を発生させ、光ファイバー２０ａ、２０ｂの一端に入力する。
本実施の形態においては、図示しない外部のレーザ装置から得られるパルス状のレーザ光を光ファイバー２０ｃを介して単一光子発光素子１０に照射することによって単一光子発光素子１０を励起して光子を発生させる。このとき、単一光子発光素子１０を励起するパルス状のレーザ光（励起レーザパルス）のパルス幅は、この単一光子発光素子１０の発光寿命の１／１０より短くする。例えば、半導体量子ドットの典型的な発光寿命は１ｎｓ程度であるので、励起レーザのパルス幅は１００ｐｓ以下とすることが望ましい。
【００２４】
また、所定の時間間隔（Ｔ）で励起レーザパルスを発生させ、周期Ｔの励起レーザパルス列を単一光子発光素子１０に照射することによって、単一光子発光素子１０に一定の時間周期Ｔで光子を発生させる。
単一光子発光素子１０が周期Ｔで周期的に発生した複数の光子は、それぞれ隣接する光ファイバー２０ａ、２０ｂのいずれか一方に、基本的には１／２の確率で順次入力されると考えることができる。
【００２５】
（２）光子の伝搬
光ファイバー２０ａまたは２０ｂの一端から入力された光子は、速度ｖで光ファイバー内を伝搬して他端から出力される。
ここで、２本の光ファイバー２０ａ、２０ｂは、互いに異なる長さを有し、その長さの差は、光子の発生周期Ｔと光ファイバー内の光の速度ｖとの積に等しくなるように予め設定しておく。したがって、本実施の形態においては、光子が第１の光ファイバー２０ａを伝搬する時間は、第１の光ファイバー２０ａよりも短い第２の光ファイバー２０ｂを伝搬する時間よりも周期Ｔだけ長くなり、その分だけ第１の光ファイバー２０ａから光子列が遅れて出力される。
その結果、あるタイミングで第１の光ファイバー２０ａに入力された光子と、その光子よりも１周期分（周期Ｔ）遅れて第２の光ファイバー２０ｂに入力された光子とが同時に出力される。すなわち、本実施の形態においては、図３に示すように、２本の光ファイバー２０ａ、２０ｂにそれぞれ入力された光子列のうち、第１の光ファイバー２０ａに入力された光子ｐ１と、その光子の１周期Ｔ後に第２の光ファイバー２０ｂに入力された光子ｐ２が同時に出力されることになる。
【００２６】
（３）光子の重ね合わせと量子もつれ光子対の確認
２本の光ファイバー２０ａ、２０ｂからそれぞれ出力される光子は、偏光制御器４０ａ、４０ｂによってその偏光が制御された後、光ファイバーカプラー３０の入力ポート３０−ｉａ、３０−ｉｂに入力される。２本の光ファイバー２０ａ、２０ｂからそれぞれ同時に出力された２つ光子は、光ファイバーカプラー３０を通過する過程で重ね合わされ、２つの出力ポート３０−ｏａ、３０−ｏｂからそれぞれ１つずつ出力されて、量子もつれ光子対が生成される。
【００２７】
１−３．第１の実施の形態の効果
本実施の形態に係る量子もつれ光子対発生素子は、半導体量子ドットなど単一光子発光素子を２本の光ファイバーに結合するとともに、発生するパルス光子列の周期に対応するだけ２本の光ファイバーの長さに違いを持たせ、出力された光子対を光ファイバーカプラーを通過させることにより量子もつれ光子対を出力するものである。このように、自由空間を進むのではなく、２本の光ファイバーを伝搬した発生時期の異なる２つの光子を光ファバーカプラーによって重ね合わせるので、時間的にも空間的にも重ねあわせのズレが起こる余地が少なく、したがって、安定して良質の量子もつれ光子対を発生させることができる。
【００２８】
また、本実施の形態に係る量子もつれ光子対発生素子では、単一光子発光素子を周期Ｔで周期的に励起するとともに、単一光子発光素子に結合する２本の光ファイバーの長さの差を励起パルスの繰り返し周期Ｔに合わせてあるので、繰り返し周期Ｔ以外に余分な光子対組み合わせを検出することが無い。したがって、非特許文献１に開示された量子もつれ光子対発生装置では必要とされるポストセレクションの操作が不要となる。
また、単一光子発光素子１０を光ファイバー間に締め付けた構造となるので、時間的に安定で，長期に安定な光子対源を低コストで実現することができる。
【００２９】
なお、本実施の形態においては、２本の光ファイバー２０ａ、２０ｂの長さの差は、単一光子発光素子１０を励起する周期Ｔと光ファイバー内の光の速度ｖとの積に等しいものとして説明したが、２本の光ファイバー２０ａ、２０ｂの長さの差を、単一光子発光素子１０を励起する周期Ｔと光ファイバー内の光の速度ｖとの積の整数倍としても、同様の効果を得ることができる。
【００３０】
＜関連技術との比較＞
一方、人造原子ともいわれる半導体量子ドットの量子準位を使って、伝導帯、価電子帯の量子準位にそれぞれ２つの電子、２つの正孔を分布させ、一度のプロセスにおいてただ１つの光子対を生成する技術も研究されている。このような半導体量子ドットの量子準位を用いた光子対の生成メカニズムは、半導体が励起されて生成された電子と正孔とがクーロン力で結合した励起子が２個で互いに相関を持ったペア、すなわち、励起子分子を用いるものである。
【００３１】
しかし、上述した半導体量子ドットの量子準位による光子対発光プロセスでは、まず励起子分子発光による光子が発生し、次に励起子発光による光子が遅れて発生する。この場合、光子対を構成する２つの光子間には励起子発光寿命程度（約１ｎｓ）の時間差があり、しかも光子対ごとにその時間差に揺らぎが生じるため、時間的なタイミングを取るのが難しい。また、励起子分子発光の寿命は励起子発光寿命の半分程度の値を取り、両者で時間的な波束の広がりが異なるため、両者を完全に時間的に重ねあわせることが困難であるとともに、励起子分子発光による光子と励起子発光による光子は時間的にずれているために、両者の間で時間的コヒーレンスが完全でないために、量子もつれの質が低下してしまう課題がある。
【００３２】
これに対し、本実施の形態に係る量子もつれ光子対発生素子においては、単一光子発光素子に結合する２本の光ファイバーの長さの差を励起パルスの繰り返し周期Ｔに合わせ、これらの２本の光ファイバーを伝搬した発生時期の異なる２つの光子を光ファバーカプラーによって重ね合わせることによって光子対を同時に得るので、上述したような課題は生じない。
【００３３】
２．第２の実施の形態
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図４に示すように、第２の実施の形態に係る量子もつれ光子対発生素子１’は、上述した第１の実施の形態に係る量子もつれ光子対発生素子に、さらに、２本の光ファイバー２０ａ、２０ｂから出力された光子が光ファイバーカプラー３０に入力されるタイミングを調節するタイミング制御素子５０と、光ファイバーカプラー３０の２つの出力ポート３０−ｏａ、３０−ｏｂにそれぞれ結合し、光ファイバーカプラー３０から出力される光子を検出する検出器６０ａ、６０ｂを設けたものである。
【００３４】
ここで、タイミング制御素子５０は、２本の光ファイバー２０ａ、２０ｂの長さの差が、単一光子発光素子を励起する周期Ｔと前記光ファイバー内の光の速度ｖとの積の整数倍と完全に一致していない場合に、２本の光ファイバー２０ａ、２０ｂの少なくとも一方（本実施の形態においては、第２の光ファイバー２０ｂ）と光ファイバーカプラー３０との間に設けられる光学素子である。
このようなタイミング制御素子５０は、例えば、所定の屈折率と厚さを有する光学素子であり、その屈折率と厚さを適当に選択することによってこの素子を光子が通過する時間を調節し、光ファイバーカプラー３０において二つの光子がほぼ完全に時間的に重なるように、２本の光ファイバー２０ａ、２０ｂ間の長さの差の誤差によって生じる光ファイバーカプラー３０への光子の入力タイミングのずれを修正する。
【００３５】
また、光ファイバーカプラー３０の２つの出力ポート３０−ｏａ、３０−ｏｂにそれぞれ結合した検出器６０ａ、６０ｂによって、光ファイバーカプラー３０の２つの出力ポート３０−ｏａ、３０−ｏｂから出力される光子を検出し、検出器６０ａ、６０ｂの両者が同時に光子を検出したときだけ、検出信号（同時計数カウント）を出力することによって、自動的に光ファイバーカプラー３０の２本の出力ポート３０−ｏａ、３０−ｏｂからそれぞれ同時に出力された２つの光子からなる光子対だけを選択する。このような光子対を選択することにより、量子もつれ光子対の発生が確認できる。
【００３６】
なお、その他の構成要素については、第１の実施の形態に係る量子もつれ光子対発生素子１と同一の符号を用いて表すこととし、その詳細な説明は省略する。
【００３７】
以上のように、本実施の形態によれば、検出器６０ａ、６０ｂによって光子対の発生を検出できるので、量子もつれ光子対を一度に一対発生する半導体発光素子を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、量子情報通信で用いられる単一光子対光源など、量子情報処理の基盤技術として利用できる。
【符号の説明】
【００３９】
１０…単一光子発光素子、２０ａ、２０ｂ…光ファイバー、３０…光ファイバーカプラー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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