(57)【要約】非縮退偏光量子もつれ光子対を効率よく簡便に生成する非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置（１）は、互いに周期が異なる周期分極反転構造（３ａ・３ｂ）をその内部に形成した単一の結晶を有する量子もつれ光子対生成体（２）と、周期分極反転構造（３ａ）を通過した後、周期分極反転構造（３ｂ）を通過する光を量子もつれ光子対生成体（２）に入射させる入射ユニット（４）とを備え、周期分極反転構造（３ａ）の周期と周期分極反転構造（３ｂ）の周期とは、周期分極反転構造（３ａ）に入射した光に基づいて出射される偏光光子の放出角と波長との関係を示す放物線と、周期分極反転構造（３ｂ）に入射した光に基づいて出射される偏光光子の放出角と波長との関係を示す放物線とが位相整合条件の許容する範囲内で接するように異なっている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに周期が異なる第１及び第２周期分極反転構造をその内部に形成した単一の結晶を有する量子もつれ光子対生成体と、
前記第１周期分極反転構造を通過した後、前記第２周期分極反転構造を通過する光を前記単一の結晶に入射させる入射手段とを備えたことを特徴とする非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置。
【請求項２】
前記第１周期分極反転構造の周期と前記第２周期分極反転構造の周期とは、前記第１周期分極反転構造に入射した光に基づいて出射される偏光光子の放出角と波長との関係を示す放物線と、前記第２周期分極反転構造に入射した光に基づいて出射される偏光光子の放出角と波長との関係を示す放物線とが位相整合条件の許容する範囲内で接するように異なっている請求項１記載の非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置。
【請求項３】
前記単一の結晶は、ニオブ酸リチウム結晶である請求項１記載の非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置。
【請求項４】
ポンプ光を得るための第３周期分極反転構造をさらに備えており、
前記入射手段は、前記第３周期分極反転構造を通過した後、前記第１及び第２周期分極反転構造を通過する光を前記第３周期分極反転構造に入射させる請求項１記載の非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置。
【請求項５】
前記第３周期分極反転構造は、前記単一の結晶の内部に形成されている請求項４記載の非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置。
【請求項６】
互いに周期が異なる第１及び第２周期分極反転構造をその内部に形成した単一の結晶の前記第１周期分極反転構造を通過した後、前記第２周期分極反転構造を通過する光を前記単一の結晶に入射させることを特徴とする非縮退偏光量子もつれ光子対生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非縮退偏光量子もつれの状態にある光子対を生成する非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置及び非縮退偏光量子もつれ光子対生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子商取引や電子メール等による情報通信技術の進展が著しく、これに伴い、情報伝送における暗号技術についても研究開発が行われている。該暗号技術として、最近注目を集めているものとして、量子暗号がある。【０００３】
量子暗号では、量子力学におけるハイゼンベルグの不確定性原理により、物理現象によって安全性が保証される。該不確定性原理では、観測によってその状態は変化するため、通信が盗聴(観測)されると、必ずそれが明らかになり、それに応じて通信を遮断するなどの処置が可能なため、盗聴が物理学的に不可能とされる。また、粒子を複製することも不確定性原理によって不可能である。【０００４】
量子暗号における重要な要素として量子テレポーテーションがあげられる。量子テレポーテーションは、粒子の量子的な情報だけを別の場所に移す技術である。該量子テレポーテーションは、量子の絡み合い（量子もつれ）を利用して、光子同士が情報をやり取りすることにより実現される。量子もつれの状態にある光子対は、一方の量子的状態が決まると、他方の量子状態も決まるという性質があり、この性質は、２光子間の距離に依存しない。【０００５】
上記量子テレポーテーションの技術では、量子もつれの状態にある光子対が必要不可欠である。【０００６】
次に、２光子の偏光量子もつれ状態を説明する。偏光を用いた２量子ビット（２光子）の量子もつれ状態として，以下の４つの状態が知られている。【０００７】
【数１】
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【０００８】
ここで，光子のモードｉを決定する物理量として、光子の光路や角周波数が考えられる。【０００９】
次に、２光子の生成方法（パラメトリック下方変換）について説明する。２光子状態を生成するための物理過程として、パラメトリック下方変換過程がしばしば用いられる。パラメトリック下方変換過程では、結晶中に入射した１つのポンプ光子（角周波数ωp、波数ベクトルｋｐ）がある確率でシグナル光子（角周波数ωs、波数ベクトルｋｓ）とアイドラー光子（角周波数ωi、波数ベクトルｋｉ）との光子対に変換される。この際、パラメトリック下方変換過程が引き起こされるためには位相整合条件【００１０】
【数２】
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【００１１】
を満足しなければならない。【００１２】
位相整合条件には、各々の光子の偏光によって以下の３種類が存在する。
１．ｔｙｐｅ−０の位相整合条件
ポンプ光子とシグナル光子とアイドラー光子との偏光が全て同一の場合である。
２．ｔｙｐｅ−Ｉの位相整合条件
シグナル光子とアイドラー光子とが同一の偏光を有し、ポンプ光子がこれらと直交した偏光状態を有する場合である。
３．ｔｙｐｅ−ＩＩの位相整合条件
シグナル光子とアイドラー光子との偏光が直交しており、ポンプ光子がどちらか一方の偏光を有する場合である。【００１３】
次に、擬似位相整合法について説明する。任意の波長において位相整合条件を満たす方法として、擬似位相整合法が知られている。擬似位相整合法では、周期的に２次の非線形感受率を変調することによって、位相整合条件を満たす。この際の上記位相整合条件（４）式は以下のように書き換えられる。【００１４】
【数３】
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【００１５】
この式において、Λは２次の非線形感受率の変調周期を表す。２次の非線形感受率の周期的な変調方法としては、結晶の持つ自発分極を周期的に反転させる「周期分極反転法」が実現されている。【００１６】
次に、既存の偏光量子もつれ状態の生成方法について説明する。２光子が同一の角周波数を持つ偏光量子もつれ状態の生成方法としては幾つかの手法が報告されている（例えば非特許文献１）。この方法では、２つの光子の角周波数は同一であり区別がつかないため、光子の光路によってモードを決定している。つまり、２つの光子は別々の光路に放出されなければならない。【００１７】
一方で、角周波数の違った２光子により偏光量子もつれ状態を生成する方法も提案されている。この方法では角周波数によって光子のモードを区別しているため、２つの光子が同一の光路上に存在していても良い。【００１８】
このような、角周波数の異なる２光子より構成される偏光量子もつれ光子対の生成方法としては、以下の方法が報告されている。【００１９】
１．ｔｙｐｅ−０もしくはｔｙｐｅ−Ｉのパラメトリック下方変換を利用する方法（非特許文献２）
この方法では、同一の偏光状態を有する２光子を発生させるｔｙｐｅ−０もしくはｔｙｐｅ−Ｉの位相整合条件の非線形光学結晶を、互いに９０度回転させて直列に並べる方法が実現されている。この場合、２つの結晶に同一のポンプ光源からの光を照射し、ポンプ光と同軸方向に角周波数の異なる２光子（ω１、ω２）を生成させる。【００２０】
２．単一の結晶中に２種類の周期分極反転構造を作製する方法（特許文献２）
この方法では、ｔｙｐｅ−０とｔｙｐｅ−Ｉという異なる位相整合条件を用いる。【００２１】
３．光ファイバー中で起こる３次の非線形光学現象である４光波混合過程を利用した方法（非特許文献３）
この方法では、光ファイバーを干渉計中に設置して偏光量子もつれ状態を生成する。【００２２】
また、半導体中の二光子共鳴励起過程を利用して非縮退偏光量子もつれ光子対を作り出す方法も知られている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００５−３０９０１２号公報（平成１７年１１月４日（2005.11.4）公開）
【特許文献２】特開２００７−１１４４６４号公報（平成１９年５月１０日（2007.5.10）公開）
【非特許文献１】“New high-intensity source of polarization-entangled photon pairs.” P.G. Kwiat et.al., Phys. Rev. Lett. 75, 4337 (1995).
【非特許文献２】“Bright, single-spatial-mode source of frequency non-degenerate, polarization-entangled photon pairs using periodically poled KTP.” M. Pelton et. al., Opt. Express 12, 3573 (2004).
【非特許文献３】“Generation of polarization-entangled photon pairs and violation of Bell’s inequality using spontaneous four-wave mixing in a fiber loop,” H. Takesue and Kyo Inoue, Phys. Rev. A 70, 031802 (2004).
【発明の開示】
【００２３】
しかしながら、上記非特許文献２に記載の方法では、同一の性質を持つ２つの結晶を用意し、精密に並べなければならないという複雑さを伴う。
【００２４】
上記特許文献２に記載の方法では、ｔｙｐｅ−０とｔｙｐｅ−Ｉという異なる位相整合条件を用いるため、各々の位相整合条件に対応する周期分極反転構造において発生する２光子の生成効率のバランスを取りにくいという欠点を持つ。各々の周期分極反転構造からの２光子の生成効率のバランスが悪いと、量子もつれの度合いが低下するという問題を招く。
【００２５】
上記非特許文献３に記載の方法では、偏光量子もつれ状態を生成するために光ファイバーを干渉計中に設置しなければならないため、装置を構成するにあたり複雑さを伴う。
【００２６】
上記特許文献１に記載の方法では、半導体中の共鳴準位を用いるため，入射するポンプ光の角周波数が限定される。そのため、生成される非縮退偏光量子もつれ光子対の周波数帯域も狭い範囲に限定される。
【００２７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、非縮退偏光量子もつれ光子対を簡便に生成することができ、非縮退偏光量子もつれ光子対の生成効率を高めることができる非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置を実現することにある。
【００２８】
本発明に係る非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置は、上記課題を解決するために、互いに周期が異なる第１及び第２周期分極反転構造をその内部に形成した単一の結晶を有する量子もつれ光子対生成体と、前記第１周期分極反転構造を通過した後、前記第２周期分極反転構造を通過する光を前記単一の結晶に入射させる入射手段とを備えたことを特徴としている。
【００２９】
上記の特徴によれば、非縮退偏光量子もつれ光子対を生成するための第１周期分極反転構造及び第２周期分極反転構造を単一の結晶の内部に形成するので、非縮退偏光量子もつれ光子対を簡便に生成することができ、非縮退偏光量子もつれ光子対の生成効率を高めることができる。
【００３０】
また、本発明は物質中の共鳴準位を利用しないため、入射するポンプ光の角周波数に対する制限が緩い。そのため、広帯域にわたる非縮退偏光量子もつれ光子対の生成が可能になる。
【００３１】
本発明に係る非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置では、前記第１周期分極反転構造の周期と前記第２周期分極反転構造の周期とは、前記第１周期分極反転構造に入射した光に基づいて出射される偏光光子の放出角と波長との関係を示す放物線と、前記第２周期分極反転構造に入射した光に基づいて出射される偏光光子の放出角と波長との関係を示す放物線とが位相整合条件の許容する範囲内で接するように異なっていることが好ましい。
【００３２】
上記構成によれば、ポンプ光の進行方向と同軸方向に角周波数ω１と角周波数ω２の互いの偏光が直交した光子対が発生するｔｙｐｅ−ＩＩの位相整合条件になるように分極反転周期を調整することができる。
【００３３】
本発明に係る非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置では、前記単一の結晶は、ニオブ酸リチウム結晶を用いることができる。
【００３４】
上記構成によれば、非縮退偏光量子もつれ光子対を生成するための第１周期分極反転構造及び第２周期分極反転構造を容易に形成することができる。
【００３５】
本発明に係る非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置では、ポンプ光を得るための第３周期分極反転構造をさらに備えており、前記入射手段は、前記第３周期分極反転構造を通過した後、前記第１及び第２周期分極反転構造を通過する光を前記第３周期分極反転構造に入射させることが好ましい。
【００３６】
上記構成によれば、入射手段からの光は、第３周期分極反転構造に入射してポンプ光に変換され、このポンプ光が第１及び第２周期分極反転構造に入射することにより、非縮退偏光量子もつれ光子対が生成される。
【００３７】
本発明に係る非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置では、前記第３周期分極反転構造は、前記単一の結晶の内部に形成されていることが好ましい。
【００３８】
上記構成によれば、ポンプ光を得る為の結晶を別に用意する必要がなくなるので、非縮退偏光量子もつれ光子対を生成するための構成が簡単になる。
【００３９】
本発明に係る非縮退偏光量子もつれ光子対生成方法は、上記課題を解決するために、互いに周期が異なる第１及び第２周期分極反転構造をその内部に形成した単一の結晶の前記第１周期分極反転構造を通過した後、前記第２周期分極反転構造を通過する光を前記単一の結晶に入射させることを特徴とする。
【００４０】
上記の特徴によれば、非縮退偏光量子もつれ光子対を生成するための第１周期分極反転構造及び第２周期分極反転構造が単一の結晶の内部に形成されるので、非縮退偏光量子もつれ光子対を簡便に生成することができ、非縮退偏光量子もつれ光子対の生成効率を高めることができる。
【００４１】
本発明に係る非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置は、以上のように、互いに周期が異なる第１及び第２周期分極反転構造をその内部に形成した単一の結晶を有する量子もつれ光子対生成体を備えているので、非縮退偏光量子もつれ光子対を簡便に生成することができ、非縮退偏光量子もつれ光子対の生成効率を高めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施の形態に係る非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置の構成を示す模式図である。
【図２】実施の形態に係る他の非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置の構成を示す模式図である。
【図３】上記非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置の実施例を示す模式図である。
【図４】上記非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置に設けられた第１周期分極反転構造に入射した光に基づいて出射される偏光光子の放出角と波長との関係を示すグラフである。
【図５】上記非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置に設けられた第２周期分極反転構造に入射した光に基づいて出射される偏光光子の放出角と波長との関係を示すグラフである。
【図６】図４に示すグラフと図５に示すグラフとを重ね合わせたグラフである。
【図７】上記他の非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置の実施例を示す模式図である。
【図８】上記非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置の実施例を示す模式図である。
【図９】上記実施例のパラメトリック蛍光のスペクトル温度依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１    非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置
２    量子もつれ光子対生成体
３ａ  周期分極反転構造（第１周期分極反転構造）
３ｂ  周期分極反転構造（第２周期分極反転構造）
３ｃ  周期分極反転構造（第３周期分極反転構造）
４    入射ユニット（入射手段）
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
本発明の一実施形態について図１ないし図７に基づいて説明すると以下の通りである。【００４５】
本実施の形態は、互いの偏光が直交した２光子を発生させるｔｙｐｅ−ＩＩの位相整合条件のもとで、異なる周期分極反転構造を単一の結晶中に作製する。この際、一方の周期分極反転構造からは、ω1の角周波数を持つ光子が第１偏光を有し、角周波数ω2を持つ光子が第２偏光を有するように分極反転周期を調整する。また、もう一方の周期分極反転構造からはω1の角周波数を持つ光子が第２偏光を有し，角周波数ω2を持つ光子が第１偏光を有するように分極反転周期を調整する。この構造により、周波数モードを利用した非縮退波長の偏光量子もつれ状態を単一の結晶から生成する。この発明ではどちらの周期分極反転構造にもｔｙｐｅ−ＩＩの位相整合条件を利用するため、各々の周期分極反転構造間における２光子生成効率のバランスを取りやすい。さらに、付加的な干渉計を必要としないため、装置の構成が非常に簡便になるという効果を奏する。【００４６】
図１は、実施の形態に係る非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置１の構成を示す模式図である。非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置１は、量子もつれ光子対生成体２を備えている。量子もつれ光子対生成体２は、互いに周期が異なる周期分極反転構造３ａ・３ｂをその内部に形成した単一の結晶によって構成されている。この単一の結晶は、ニオブ酸リチウム結晶により形成されている。非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置１には、周期分極反転構造３ａを通過した後、周期分極反転構造３ｂを通過する光を光子対生成体２（単一の結晶）に入射させる入射ユニット４が設けられている。【００４７】
本実施の形態では、単一の結晶（光子対生成体２）中に周期の異なる周期分極反転構造３ａ・３ｂを作製する（図１）。ここでは、角周波数ω３、波数ベクトルｋ３のポンプ光の入射に対し、ポンプ光の進行方向と同軸方向に角周波数ω１（波数ベクトルｋ１）と角周波数ω２（波数ベクトルｋ２）の互いの偏光が直交した光子対が発生するｔｙｐｅ−ＩＩの位相整合条件になるように分極反転周期を調整する。ここで、周期分極反転構造を用いた擬似位相整合では、各々の光の角周波数と波数ベクトルとは位相整合条件より、以下の関係式によって結び付けられる。【００４８】
【数４】
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【００４９】
ここで，Λｉは分極反転の周期を表す。このとき、第１の周期分極反転構造３ａでは角周波数ω１の光子が第１偏光を有し、角周波数ω２の光子が第２偏光を有する光子対が発生するように分極反転の周期Λ１を調整する。第１の周期分極反転構造３ａには、結晶が持つ本来の自発分極領域と自発分極を反転させた領域とが、光子の進行方向に沿って交互に配置されている。分極反転の周期Λ１は、自発分極領域と自発分極を反転させた領域とを１周期とした場合の周期を表している。また、第２の周期分極反転構造３ｂでは角周波数ω１の光子が第２偏光を有し、角周波数ω２の光子が第１偏光を有する光子対を発生するように分極反転の周期Λ２を調整する。第２の周期分極反転構造３ｂには、結晶が持つ本来の自発分極領域と自発分極を反転させた領域とが、光子の進行方向に沿って交互に配置されている。分極反転の周期Λ２は、自発分極領域と自発分極を反転させた領域とを１周期とした場合の周期を表している。【００５０】
この様な擬似位相整合素子に同一のポンプ光を入射した場合、生成された２光子状態は、周期分極反転構造３ａにより作製された２光子状態【００５１】
【数５】
2009093391.tif 000007
【００５２】
と周期分極反転構造３ｂにより作製された２光子状態【００５３】
【数６】
2009093391.tif 000008
【００５４】
との線形重ねあわせ状態【００５５】
【数７】
2009093391.tif 000009
【００５６】
を形成する。ここで、φは２つの周期分極反転構造３ａ・３ｂから発生した２光子状態の位相差を表す。この状態は、周波数モードを利用した偏光量子もつれ状態である。【００５７】
図２は、実施の形態に係る他の非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置１ａの構成を示す模式図である。さらに、角周波数ω３のポンプ光を作り出すためにも周期分極反転構造による擬似位相整合を利用して第２高調波発生を行なう。つまり、第０の周期として下記を満たす周期分極反転構造３ｃを作製する（図２）。【００５８】
【数８】
2009093391.tif 000010
【００５９】
ここで、ω０とｋ０は、第２高調波発生の基本波の角周波数と波数ベクトルを表す。この構造により、角周波数ω０を持つ光の入射により角周波数ω１とω２を持つ２光子の偏光量子もつれ状態の生成が単一の結晶のみで可能になる。【００６０】
周期分極反転構造３ｃには、自発分極領域と自発分極を反転させた領域とが、光子の進行方向に沿って交互に配置されている。分極反転の周期Λ０は、自発分極領域と自発分極を反転させた領域とを１周期とした場合の周期を表している。【００６１】
従来の方法では結晶を２つ用いるか、もしくは干渉計を利用する必要があった。それらに対し、本実施の形態の方法は干渉計を必要としないため、非縮退の偏光量子もつれ光子対を単一の結晶のみで簡便に作り出せるという利点を持つ。また、従来の手法では、生成させる２光子の周波数帯によっては、ポンプ光を得るために第２高調波発生を行い、そのために別の結晶を用意する必要があった。しかしながら、本実施の形態ではポンプ光を得る為の第２高調波発生も、２光子状態を生成するためのパラメトリック下方変換も全て単一の結晶で行なう。【００６２】
図３は、非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置１の実施例を示す模式図である。ここでは，周期分極反転構造３ａ・３ｂを作製する結晶としてニオブ酸リチウム結晶（ＬｉＮｂＯ３）を考える。まず、波長の異なる非縮退の２光子を生成するための第１の周期分極反転構造３ａとして周期Λ１＝９．１μｍの構造を作製する。この周期分極反転構造に対し、結晶のｘ軸に沿ってｙ軸方向に偏光した波長７７５ｎｍのポンプ光を入射する（図３）。【００６３】
このとき、この周期分極反転構造から出射されるｙ軸方向に偏光した光子とｚ軸方向に偏光した光子の放出角と波長との間の関係をシミュレーションにより求めたグラフを図４に示す。【００６４】
このグラフから、波長１５８０ｎｍのｙ軸方向に偏光した光子と波長１５２０ｎｍのｚ軸方向に偏光した光子とがポンプ光と同軸（０ｒａｄ．）方向に発生することが分かる。【００６５】
次に、第２周期として周期Λ２＝９．３μｍの構造を作製する。この構造に，第１周期の構造に用いたものと同一のポンプ光が入射した場合のｙ軸方向に偏光した光子とｚ軸方向に偏光した光子の放出角と波長の間の関係をシミュレーションにより求めたグラフを図５に示す。このグラフから波長１５８０ｎｍのｚ軸方向に偏光した光子と波長１５２０ｎｍのｙ軸方向に偏光した光子とがポンプ光と同軸（０ｒａｄ．）方向に発生すること分かる。【００６６】
図４のグラフと図５のグラフとを重ねたグラフを図６に示す。このグラフから、波長１５２０ｎｍと１５８０ｎｍにおいて位相整合条件の許容する範囲内で放物線が接しており、接している放物線に従う光子の偏光は互いに直交していることがわかる。つまり、２つの周期分極反転構造３ａ・３ｂを同一の結晶中に作製し、ｘ軸に沿ってｙ軸方向に偏光した波長７７５ｎｍのポンプ光を入射すると、ポンプ光と同軸方向へ第１の周期構造３ａより波長１５８０ｎｍのｙ軸方向に偏光した光子と波長１５２０ｎｍのｚ軸方向に偏光した２光子【００６７】
【数９】
2009093391.tif 000011
【００６８】
が出射され、第２の周期構造３ｂから波長１５８０ｎｍのｚ軸方向に偏光した光子と波長１５２０ｎｍのｙ軸方向に偏光した２光子【００６９】
【数１０】
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【００７０】
が出射される。ここで、どちらの構造に対してもポンプ光は同一のものを用いるため、出力される２光子状態は結果としてその線形結合状態【００７１】
【数１１】
2009093391.tif 000013
【００７２】
となり、ｙ軸方向の偏光を第１偏光とし、ｚ軸方向の偏光を第２偏光とすれば、式（１）と同一の周波数モードを利用した非縮退の偏光量子もつれ状態が生成されることが分かる。【００７３】
図７は、非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置１ａの実施例を示す模式図である。さらに、これらの周期分極反転構造３ａ・３ｂの（光の進行方向に対して）手前側に第０の周期分極反転構造３ｃとしてΛ０＝１６．１μｍの分極反転構造を作製すると、ｙ軸方向に偏光した波長１５５０ｎｍの光の入射に対し、ｙ軸方向に偏光した波長７７５ｎｍのポンプ光を得ることができる。この構造（周期分極反転構造３ｃ）を付加することにより、波長１５５０ｎｍの入射によりこの波長を中心とした２光子の偏光量子もつれ光子対を得ることができる。【００７４】
図３の構造により得られる偏光量子もつれ状態は、波長１５８０ｎｍと１５２０ｎｍに限られるものではない。分極反転周期を調整することにより、様々な２波長における偏光量子もつれ状態を得ることができる。例えば、Λ１＝３．９μｍとΛ２＝４．９μｍの周期分極反転構造を作製し、結晶のｘ軸に沿ってｙ軸方向に偏光した波長５３２ｎｍのポンプ光を入射すると、波長８１０ｎｍと１５５０ｎｍを持つ以下の偏光量子もつれ状態を得ることができる。【００７５】
【数１２】
2009093391.tif 000014
【００７６】
また、図３の構造により得られる偏光量子もつれ状態は、ニオブ酸リチウム結晶だけでなく、例えば、周期分極反転構造を作製することが可能なＫＴＰ結晶（ＫＴｉＯＰＯ４）中に，周期Λ１＝４９．８μｍ，周期Λ２＝４４．８μｍの周期分極反転構造を作製することによっても式（９）と同一の波長１５８０ｎｍと１５２０ｎｍを持つ非縮退の偏光量子もつれ状態を得ることが可能である。【００７７】
また、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶以外の周期分極反転可能な代表的結晶としては、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）結晶、チタン酸リン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ４）結晶が知られている。ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）も分極反転が可能である。【００７８】
図８は、非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置１の実施例を示す模式図であり、２つの異なる周期分極反転構造を持つＰＰＬＮ結晶を簡略的に示している。パラメトリック下方変換（ＰＤＣ）過程を利用した非縮退偏光量子もつれ光子対の生成方法がいくつか報告されているが、これらの光子対は波長が異なるため、ミラーで簡便かつ効率よく分けることができ、また片方を通信波長帯にすることにより遠くに情報を伝達することができ、他方を手元で操作することが可能である。本実施例では、一つのＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）結晶に二つの異なる周期を持つｔｙｐｅ−ＩＩ擬似位相整合素子を構成し、通信波長帯の２波長にピークを持つパラメトリック蛍光のスペクトルを観測した。【００７９】
非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置１ｃは、量子もつれ光子対生成体２ｃを備えている。量子もつれ光子対生成体２ｃは、周期Λ１＝９．２５μｍ（相互作用長：２０ｍｍ）の周期分極反転構造３ｄと、周期Λ２＝９．５０μｍ（相互作用長：２０ｍｍ）の周期分極反転構造３ｅとをその内部に形成した単一の結晶によって構成されている。この単一の結晶は、ニオブ酸リチウム結晶により形成されている。非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置１ｃには、周期分極反転構造３ｄを通過した後、周期分極反転構造３ｅを通過する光を光子対生成体２ｃ（単一の結晶）に入射させる入射ユニット４が設けられている。【００８０】
量子もつれ光子対生成体２ｃは、結晶温度１１９．５℃において７７５ｎｍのポンプ光と同軸方向に沿って、周期Λ１の領域からｅ−ｒａｙ（１．５９μｍ帯）／ｏ−ｒａｙ（１．５１μｍ帯）の光子対と、周期Λ２の領域からｅ−ｒａｙ（１．５１μｍ帯）／ｏ−ｒａｙ（１．５９μｍ帯）の光子対とが生成するように構成されている。【００８１】
図９は、上記実施例のパラメトリック蛍光のスペクトル温度依存性を示すグラフである。結晶温度１０８．９℃においては、周期Λ１の領域および周期Λ２の領域から生成された偏光の異なるパラメトリック蛍光スペクトルのピークは、４つに分離している。結晶温度１１９．５℃においては、それぞれのピークは、１．５１μｍ帯と１．５９μｍ帯とで二つに重なりあっている（縮退）。さらに、結晶温度を１３４．０℃に上昇させた場合、二つに縮退していたピークは、再び４つのピークに分離する。結晶温度１１９．５℃における２波長の光をダイクロイックミラーで分離することにより、事後選択を要しない非縮退偏光量子もつれ光子対を生成することができる。【００８２】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明は、非縮退偏光量子もつれの状態にある光子対を生成する非縮退偏光量子もつれ光子対生成装置及び非縮退偏光量子もつれ光子対生成方法に適用することができる。
【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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【国際調査報告】
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