(57)【要約】  本発明の種々の実施形態は偏光もつれ光子を生成するためのコンパクトなシステムを対象とする。本発明の一実施形態では、非縮退偏光もつれ光子源(800,1200)は、第１のポンプビーム、第２のビーム、及び第２のポンプビームを出力する半波長板(802,1202)を備え、第１のビームディスプレーサ(806,1204)が、第１のポンプビームを第１の伝送チャネル(824,1224)に誘導し、第２のポンプビームを第２の伝送チャネル(826,1226)に誘導する。ダウンコンバージョンデバイス(803,804,810,1208、1210)が、第１のポンプビームを第１の信号光子及び第１のアイドラ光子に変換し、第２のポンプビームを第２の信号光子及び第２のアイドラ光子に変換する。第２のビームディスプレーサ(808,1206)が、第１の信号光子及び第１のアイドラ光子と、第２の信号光子及び第２のアイドラ光子の両方を単一の伝送チャネルに誘導する。ダイクロイックミラー(812,1212)が、第１の信号光子及び第２の信号光子を第１の光ファイバ結合器に、第１のアイドラ光子及び第２のアイドラ光子を第２の光ファイバ結合器に誘導する。
2009545004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非縮退偏光もつれ光子源（８００、１２００）であって、
ポンプビーム源からポンプビーム（８２２、１２２２）を受けて、第１の偏光状態にある第１のポンプビーム及び第２の偏光状態にある第２のポンプビームの両方を出力する第１の半波長板（８０２、１２０２）と、
前記第１のポンプビーム及び前記第２のポンプビームの前記第１の偏光状態及び前記第２の偏光状態に基づいて、前記第１のポンプビームを第１の伝送チャネル（８２４、１２２４）中に誘導し、前記第２のポンプビームを第２の伝送チャネル（８２６、１２２６）中に誘導する第１のビームディスプレーサ（８０６、１２０４）と、
前記第１のポンプビームを受けて、前記第１の伝送チャネルにおいて第１の信号光子及び第１のアイドラ光子を出力し、前記第２のポンプビームを受けて、前記第２の伝送チャネルにおいて第２の信号光子及び第２のアイドラ光子を出力するダウンコンバージョンデバイス（８０３、８０４、８１０、１２０８、１２１０）と、
前記第１の伝送チャネルにおいて伝送された前記第１の信号光子及び前記第１のアイドラ光子、並びに前記第２の伝送チャネルにおいて伝送された前記第２の信号光子及び前記第２のアイドラ光子を、単一の出力伝送チャネル中に誘導する第２のビームディスプレーサ（８０８、１２０６）と、
前記出力伝送チャネルにおいて伝送された前記信号光子及び前記アイドラ光子を受けて、前記第１の信号光子及び前記第２の信号光子を第１の光ファイバ結合器（８１４、１２１４）へと誘導し、前記第１のアイドラ光子及び第２のアイドラ光子を第２の光ファイバ結合器（８１６、１２１６）へと誘導するダイクロイックミラー（８１２、１２１２）
とを備える、非縮退偏光もつれ光子源。
【請求項２】
前記ダウンコンバージョンデバイスが、
前記第２の偏光状態にある前記第２のポンプビームを受けて、前記第１の偏光状態にある前記第２のポンプビームを出力する第２の半波長板（８０３）と、
前記第１のポンプビームを受けて、いずれも前記第１の偏光状態にある前記第１の信号光子及び前記第１のアイドラ光子を出力し、前記第２のポンプビームを受けて、いずれも前記第１の偏光状態にある前記第２の信号光子及び前記第２のアイドラ光子を出力するタイプＩダウンコンバージョン結晶（８１０）と、
いずれも前記第１の偏光状態にある前記第１の信号光子及び前記第１のアイドラ光子を受けて、いずれも前記第２の偏光状態にある前記第１の信号光子及び前記第１のアイドラ光子を出力する第３の半波長板（８０４）
とをさらに備えることからなる、請求項１に記載のもつれ光子源。
【請求項３】
前記ダウンコンバージョンデバイスが、
前記第１のポンプビームを受けて、いずれも前記第２の偏光状態にある前記第１の信号光子及び前記第１のアイドラ光子を出力する第１のタイプＩダウンコンバージョン結晶（１２０８）と、
前記第２のポンプビームを受けて、いずれも前記第１の偏光状態にある前記第２の信号光子及び前記第２のアイドラ光子を出力する第２のタイプＩダウンコンバージョン結晶（１２１０）
とをさらに備えることからなる、請求項１に記載のもつれ光子源。
【請求項４】
前記第１のタイプＩダウンコンバージョン結晶（１２０８）を通り抜ける前記第１の伝送チャネルと前記第２のタイプＩダウンコンバージョン結晶（１２１０）を通り抜ける前記第２の伝送チャネルとが平行であり、前記第２のタイプＩダウンコンバージョン結晶は、前記第１のタイプＩダウンコンバージョン結晶の向きに対して、前記第２の伝送チャネルを中心にして９０度だけ回転している、請求項３に記載のもつれ光子源。
【請求項５】
前記第１の伝送チャネルと前記第２の伝送チャネルのいずれかに配置され、もたらされるチャネル依存性の位相差を調整する光学デバイス（９０２、１３０２）
を備え、さらに、
前記ダイクロイックミラーと前記光ファイバ結合器との間に配置され、前記第１の信号光子及び前記第２の信号光子の前記偏光状態を変更する半波長板（１１０２、１５０２）と、前記ダイクロイックミラーと前記第２の光ファイバ結合器との間に配置され、前記第１のアイドラ光子及び前記第２のアイドラ光子の前記偏光状態を変更する半波長板（１００２、１４０２）とのうちの一方を備える、請求項１に記載のもつれ光子源。
【請求項６】
縮退偏光もつれ光子源（１６００、２０００）であって、
ポンプビーム源からポンプビームを受けて、第１の偏光状態にある第１のポンプビーム及び第２の偏光状態にある第２のポンプビームの両方を出力する第１の半波長板（１６０１、２００１）と、
前記第１のポンプビーム及び前記第２のポンプビームの前記第１の偏光状態及び前記第２の偏光状態に基づいて、前記第１のポンプビームを第１の伝送チャネル中に誘導し、前記第２のポンプビームを第２の伝送チャネル中に誘導する第１のビームディスプレーサ（１６０６、２００４）と、
前記第１のポンプビームを受けて、前記第１の伝送チャネルにおいて第１の信号光子及び第１のアイドラ光子を出力し、前記第２のポンプビームを受けて、前記第２の伝送チャネルにおいて第２の信号光子及び第２のアイドラ光子を出力するダウンコンバージョンデバイス（１６０２、１６１０、１６０３、２００８、２０１０）と、
前記第１の信号光子及び前記第２の信号光子を前記第１の伝送チャネルへと誘導し、前記第１のアイドラ光子を第３の伝送チャネルへと誘導し、前記第２のアイドラを前記第２の伝送チャネルにおいて伝送する第２のビームディスプレーサ（１６０７、２００５）と、
前記第１の信号光子及び前記第２の信号光子を第１の光ファイバ結合器へと誘導するミラー（１６１８、２０１６）と、
前記第１のアイドラ光子及び前記第２のアイドラ光子を第２の光ファイバ結合器へと誘導する第３のビームディスプレーサ（１６０８、２００６）
とを備える、縮退偏光もつれ光子源。
【請求項７】
前記ダウンコンバージョンデバイスが、
前記第２の偏光状態にある前記第２のポンプビームを受けて、前記第１の偏光状態にある前記第２のポンプビームを出力する第２の半波長板（１６０２）と、
前記第１のポンプビームを受けて、前記第２の偏光を有する第１の信号光子と、前記第１の偏光を有する第１のアイドラ光子とを出力し、前記第２のポンプビームを受けて、前記第２の偏光を有する第２の信号光子と、前記第１の偏光を有する第２のアイドラ光子とを出力するタイプIIダウンコンバージョン結晶（１６１０）と、
前記第２の信号光子及び前記第２のアイドラ光子を受けて、前記第１の偏光を有する前記第２の信号光子と、前記第２の偏光を有する前記第２のアイドラ光子とを出力する第３の半波長板（１６０３）
とをさらに備えることからなる、請求項６に記載のもつれ光子源。
【請求項８】
前記第２のビームディスプレーサと前記第３のビームディスプレーサとの間に配置され、前記第１のアイドラ光子を受けて、前記第２の偏光状態にある前記第１のアイドラ光子を出力する第４の半波長板（１６０５）と、
前記第２のビームディスプレーサと前記第３のビームディスプレーサとの間に配置され、前記第２のアイドラ光子を受けて、前記第１の偏光状態にある前記第２のアイドラ光子を出力する第５の半波長板（１６０４）
とをさらに備える、請求項６に記載のもつれ光子源。
【請求項９】
前記ダウンコンバージョンデバイスが、
前記第１のポンプビームを受けて、いずれも前記第２の偏光状態にある前記第１の信号光子及び前記第１のアイドラ光子を出力する第１のタイプIIダウンコンバージョン結晶（２００８）と、
前記第２のポンプビームを受けて、いずれも前記第１の偏光状態にある前記第２の信号光子及び前記第２のアイドラ光子を出力する第２のタイプIIダウンコンバージョン結晶（２０１０）
とをさらに備え、
前記第１のタイプIIダウンコンバージョン結晶を通り抜ける前記第１の伝送チャネル及び前記第２のタイプIIダウンコンバージョン結晶を通り抜ける前記第２の伝送チャネルとは平行であり、前記第２のタイプIIダウンコンバージョン結晶は、前記第１のタイプIIダウンコンバージョン結晶の向きに対して、前記第２の伝送チャネルを中心にして９０度だけ回転していることからなる、請求項６に記載のもつれ光子源。
【請求項１０】
前記第２の伝送チャネルに配置され、もたらされるチャネル依存性の位相差を調整する光学デバイス（１７０２、２１０２）を備え、さらに、
前記ミラーと前記第１の光ファイバ結合器との間に配置され、前記信号光子の偏光を変更する半波長板（１９０２、２３０２）と、前記第３のビームディスプレーサと前記第２の光ファイバ結合器との間に配置され、前記アイドラ光子の偏光を変更する半波長板（１６３２、２２０２）とのうちの一方を備える、請求項６に記載のもつれ光子源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明のシステムは光学デバイスに関し、詳細には、偏光もつれ状態にある光子を生成するためのコンパクトなシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子系ベースの新しい技術を生み出すために、現在、材料科学から量子物理にまでわたる種々の分野における最近の、そして有望な進歩が利用されている。具体的には、特定の量子系を用いて、量子情報を符号化し、送信することができる。「｜０＞」及び「｜１＞」によって表される２つの離散した状態だけを含む量子系を、量子情報符号化及び処理、光量子リソグラフィ、並びに計測学を含む、量子系ベースの種々の用途において潜在的に利用可能である。一般的に、２つの離散した状態を有する量子系は「キュービット系」と呼ばれ、「キュービット基底状態」と呼ばれる状態｜０＞及び｜１＞は、集合表記法において｛｜０＞，｜１＞｝と表すこともできる。垂直偏光した光子及び水平偏光した光子が、電磁放射に基づく２状態量子系の基底状態の例である。キュービット系は状態｜０＞で、状態｜１＞で、又は両方の状態｜０＞及び｜１＞を同時に含む無数の状態のうちの任意の状態で存在することができる。両方の状態｜０＞及び｜１＞を含むいずれの状態も、数学的には、次のように状態の線形重ね合わせとして表すことができる。
｜ψ＞＝α｜０＞＋β｜１＞
状態｜ψ＞は「キュービット」と呼ばれ、パラメータα及びβは以下の条件を満たす複素数値係数である。
｜α｜2＋｜β｜2＝１
【０００３】
量子系に関する測定を実行することは、数学的には、その量子系の状態を基底状態のうちの１つに射影することと等価であり、一般的には、量子系の状態を１つの基底状態に射影する確率は、その基底状態に関連する係数の二乗に等しい。たとえば、そのキュービット系の状態｜ψ＞が基底｛｜０＞，｜１＞｝において測定されるとき、状態｜０＞にある量子系を見つける確率は｜α｜2であり、状態｜１＞にある量子系を見つける確率は｜β｜2である。
【０００４】
キュービット系に関連付けられる無数の純粋状態は、「ブロッホ球」と呼ばれる、単位半径の３次元球によって次のように幾何学的に表すことができる。
｜ψ＞＝ｃｏｓ（θ／２）｜０＞＋ｅiφｓｉｎ（θ／２）｜１＞
式中、０≦θ＜πであり、０≦φ＜２πである。
図１はキュービット系のブロッホ球表現を示す。図１では、線１０１〜１０３はそれぞれ、直交するｘ、ｙ及びｚデカルト座標軸であり、ブロッホ球１０６が原点を中心にして位置する。ブロッホ球１０６上には無数の点があり、各点はキュービット系の１つの固有状態を表す。たとえば、ブロッホ球１０６上の点１０８はキュービット系の１つの固有状態を表しており、それは、部分的に状態｜０＞、及び部分的に状態｜１＞を同時に含む。しかしながら、キュービット系の状態が基底｛｜０＞，｜１＞｝において測定されると、キュービット系の状態は状態｜０＞１１０上に、又は状態｜１＞１１２上に射影される。
【０００５】
２つ以上のキュービット系を含む量子系の状態は、それぞれのキュービットがキュービット系のうちの１つに関連付けられる、複数のキュービットのテンソル積によって表される。たとえば、以下の状態によって表される、第１のキュービット系及び第２のキュービット系を含む量子系について考える。
｜ψ＞12＝｜ψ＞1｜ψ＞2
ただし、第１のキュービット系の状態は以下のとおりである。
｜ψ＞1＝（１／２1/2）（｜０＞1＋｜１＞1）
また、第２のキュービット系の状態は以下のとおりである。
｜ψ＞2＝（１／２1/2）（｜０＞2＋｜１＞2）
状態｜ψ＞12を、次のように状態の線形重ね合わせとして書き換えることもできる。
｜ψ＞12＝｜ψ＞1｜ψ＞2＝（１／２）（｜０＞1｜０＞2＋｜０＞1｜１＞2＋｜１＞1｜０＞2＋｜１＞1｜１＞2）
ただし、項｜０＞1｜０＞2、｜０＞1｜１＞2、｜１＞1｜０＞2及び｜１＞1｜１＞2はテンソル積空間の基底である。状態｜ψ＞12にある各積状態は、１／２という関連する係数を有し、それは、第１のキュービット系の状態が基底｛｜０＞1，｜１＞1｝において測定され、第２のキュービット系の状態が基底｛｜０＞2，｜１＞2｝において測定されるときに、合成されたキュービット系が積状態のうちのいずれか１つにおいて見い出される確率が１／４（｜１／２｜2）であることを示す。しかしながら、合成されたキュービット系の或る特定の状態は、関連するキュービットの積によって表すことができない。これらのキュービット系は「もつれた（または、エンタングルした）」と言われる。量子もつれは、量子系を空間的に分離することができる場合であっても、２つ以上の量子系の状態が相関するという量子力学の特性である。もつれた２キュービット系のもつれ状態表現の一例は、以下のとおりである。
｜ψ+＞12＝（１／２1/2）（｜０＞1｜１＞2＋｜１＞1｜０＞2）
もつれ状態｜ψ+＞12は、パラメータα1、β1、α2及びβ2をどのように選択しても、キュービットα1｜０＞1＋β1｜１＞1及びα2｜０＞2＋β2｜１＞2の積に分解することはできない。
【０００６】
もつれていない２キュービット系の状態は、以下のように、もつれた２キュービット系の状態から区別することができる。状態｜ψ＞12にあるもつれていない２キュービット系について考える。基底｛｜０＞1，｜１＞1｝にある第１のキュービット系について実行される測定が、第１のキュービット系の状態を状態｜０＞1上に射影するものと仮定する。状態｜ψ＞12によれば、測定した直後のもつれていない２キュービット系の状態は、状態（｜０＞1｜０＞2＋｜０＞1｜１＞2）／２1/2の線形重ね合わせである。同じ基準系において、第１の測定直後に、基底｛｜０＞2，｜１＞2｝にある第２のキュービット系について第２の測定が実行されるとき、第２のキュービット系の状態を状態｜０＞2上に射影する確率は１／２であり、第２のキュービット系の状態を状態｜１＞2上に射影する確率は１／２である。言い換えると、第２のキュービット系の状態は、第１のキュービット系の状態とは相関がない。
【０００７】
対照的に、もつれ状態｜ψ+＞12にある、もつれた２キュービット系について考える。同じく、基底｛｜０＞1，｜１＞1｝にある第１のキュービット系について実行される第１の測定が、第１のキュービット系の状態を状態｜０＞1上に射影するものと仮定する。もつれ状態｜ψ+＞12によれば、第１の測定後のもつれた２キュービット系の状態は積状態｜０＞1｜１＞2である。基底｛｜０＞2，｜１＞2｝にある第２のキュービット系について第２の測定が実行されるとき、第２のキュービット系の状態は、確実に｜１＞2である。言い換えると、第１のキュービット系の状態｜０＞1は、第２のキュービット系の状態｜１＞2と相関がある。
【０００８】
もつれた量子系は、量子コンピューティングから量子情報処理にまで及ぶ種々の分野において、数多くの異なる実用的な用途を有する。具体的には、量子情報処理、量子暗号技術、テレポーテーション、及び線形光学量子コンピューティングにおいて、偏光もつれ光子を用いることができる。用語「光子」は、電磁界モードの励起の単一量子を指している。電磁波は、電界成分
【０００９】
【数１】
2009545004.tif 000003
【００１０】
及び直交する磁界成分
【００１１】
【数２】
2009545004.tif 000004
【００１２】
の両方を含むことに留意されたい。しかしながら、磁界成分の振幅Ｂ0は電界成分の振幅Ｅ0よりも１／ｃだけ小さいので、電界成分が物質との電磁波相互作用の大部分を占める。ただし、ｃは自由空間内の光の速さを表す（ｃ＝３．０×１０8ｍ／ｓｅｃ）。結果として、電磁波の偏光状態は典型的には、電界成分だけによって表される。
【００１３】
図２Ａ及び図２Ｂはそれぞれ、垂直偏光した光子基底状態及び水平偏光した光子基底状態を示しており、これらは偏光もつれ光子のための基底状態として用いることができる。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、垂直偏光した光子及び水平偏光した光子はそれぞれ、ｚ座標軸２０２及び２０４に沿って伝搬している、振動する持続波によって表される。図２Ａに示すように、垂直偏光した光子｜Ｖ＞は、ｙｚ平面において振動する。ｘｙ平面２０８において方向を指示する矢印２０６は、｜Ｖ＞が完全に１波長だけｚ座標軸２０２に沿って進むときの完全な１振動サイクルを表す。図２Ｂでは、水平偏光した光子｜Ｈ＞が、ｘｚ平面において振動する。ｘｙ平面２１２において方向を指示する矢印２１０は、｜Ｈ＞が完全に１波長だけｚ座標軸２０４に沿って進むときの完全な１振動サイクルを表す。
【００１４】
以下のベル状態は、複数の異なるもつれ状態の用途において用いることができる偏光もつれ光子の例である。
｜ψー＞＝（１／２1/2）（｜Ｈ＞1｜Ｖ＞2−｜Ｖ＞1｜Ｈ＞2）、
｜ψ+＞＝（１／２1/2）（｜Ｈ＞1｜Ｖ＞2＋｜Ｖ＞1｜Ｈ＞2）、
｜φー＞＝（１／２1/2）（｜Ｈ＞1｜Ｈ＞2−｜Ｖ＞1｜Ｖ＞2）、及び
｜φ+＞＝（１／２1/2）（｜Ｈ＞1｜Ｈ＞2＋｜Ｖ＞1｜Ｖ＞2）
ただし、下付き文字「１」は、第１の伝送チャネルを表し、下付き文字「２」は、第２の伝送チャネルを表す。
【００１５】
偏光もつれ光子は多数の潜在的に有用な用途を有するが、典型的には、多種多様なもつれ状態の用途において、偏光もつれ光子源を実際に実現することはできない。たとえば、非特許文献１において、Kwiatは、持続電磁波の場合に機能するが、電磁波パルスの場合には機能しない偏光もつれ光子ベル状態の高輝度光子源について説明している。さらに、特定の方向に放射された光子だけにもつれが生じる。結果として、限られた数のベル状態しか生成することができない。非特許文献２において、Kwiatは、偏光もつれ光子対の光子源についても説明している。しかしながら、良好なもつれを得るために、薄い結晶及び持続波ポンプが用いられなければならない。非特許文献３及び非特許文献４において、Kim及びFiorentinoはいずれも、ベル状態偏光もつれ光子の超高輝度パラメトリックダウンコンバージョン光子源について説明している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Kwiat他著「New High-Intensity Source of Polarization-Entangled Photon Pairs」（Physical Review Letters, vol. 75, 4337, 1995）
【非特許文献２】Kwiat他著「Ultrabright source of polarization-entangled photons」（Physical Review A, vol. 60, R773, 1999）
【非特許文献３】Taehyun Kim他著「Phase-stable source of polarization-entangled photons using a polarization Sagnac interferometer」（Physical Review A, vol. 73, 012316, 2006）
【非特許文献４】Fiorentino他著「Generation of ultrabright tunable polarization entanglement without spatial, spectral, or temporal constraints」（Physical Review A, vol. 69, 041801(R), 2004）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、これらの偏光もつれ光子源は、マイクロスケールの用途において使用できない上に、製造するのに費用がかかり、定期的な調整を必要とする。物理学者、コンピュータ科学者及びもつれ状態の使用者は、持続波及びパルスポンプ源の両方に適合すると共に、マイクロスケールデバイス内に実装するために光ファイバ結合器に結合することができる偏光もつれ光子源が必要とされていることを認識している。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の種々の実施形態は偏光もつれ光子を生成するためのコンパクトなシステムに関連する。本発明の一実施形態では、非縮退偏光もつれ光子源が、ポンプビーム源からポンプビームを受光すると共に、第１の偏光状態にある第１のポンプビーム及び第２の偏光状態にある第２のポンプビームの両方を出力する半波長板を備える。第１のビームディスプレーサが、第１のポンプビーム及び第２のポンプビームの第１の偏光状態及び第２の偏光状態に基づいて、第１のポンプビームを第１の伝送チャネルの中に誘導し、第２のポンプビームを第２の伝送チャネルの中に誘導する。もつれ光子源は、第１のポンプビームを受光して、第１の伝送チャネルにおいて第１の信号光子及び第１のアイドラ光子を出力し、第２のポンプビームを受光して、第２の伝送チャネルにおいて第２の信号光子及び第２のアイドラ光子を出力するダウンコンバージョンデバイスも備えることができる。第２のビームディスプレーサを、第１の伝送チャネルにおいて伝送される第１の信号光子及び第１のアイドラ光子、並びに第２の伝送チャネルにおいて伝送される第２の信号光子及び第２のアイドラ光子を、単一の出力伝送チャネルの中に誘導するように備えることができる。ダイクロイックミラーが、第１の信号光子及び第２の信号光子を第１の光ファイバ結合器に誘導し、第１のアイドラ光子及び第２のアイドラ光子を第２の光ファイバ結合器に誘導する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】キュービット系のブロッホ球表現を示す図である。
【図２Ａ】垂直偏光した光子基底状態を示す図である。
【図２Ｂ】水平偏光した光子基底状態を示す図である。
【図３Ａ】半波長板に起因する偏光状態変化を示す図である。
【図３Ｂ】半波長板に起因する偏光状態変化を示す図である。
【図４】垂直偏光した電磁波と水平偏光した電磁波とを区別する仮想的なビームディスプレーサの斜視図である。
【図５】ポンプビームを信号及びアイドラビーム対に分割する複屈折非線形結晶を示す図である。
【図６Ａ】タイプＩダウンコンバージョンの一例を示す図である。
【図６Ｂ】タイプＩダウンコンバージョンの一例を示す図である。
【図６Ｃ】タイプIIダウンコンバージョンの一例を示す図である。
【図７Ａ】信号ビーム強度のプロットである。
【図７Ｂ】仮想的な周期分極反転ダウンコンバージョン結晶を示す図である。
【図７Ｃ】３つの異なる非線形結晶を通って伝搬している、強力なポンプによって生成された信号電力のプロットである。
【図８】本発明の一実施形態を表す、第１の非縮退偏光もつれ光子源の概略的な平面図である。
【図９】本発明の一実施形態を表す、経路依存位相差を除去するための光学デバイスを含む、図８に示す第１の非縮退偏光もつれ光子源の概略的な平面図である。
【図１０】本発明の一実施形態を表す、アイドラビーム伝送チャネル内に半波長板を含む、図９に示す第１の非縮退偏光もつれ光子源の概略的な平面図である。
【図１１】本発明の一実施形態を表す、信号ビーム伝送チャネル内に半波長板を含む、図９に示す第１の非縮退偏光もつれ光子源の概略的な平面図である。
【図１２】本発明の一実施形態を表す、第２の非縮退偏光もつれ光子源の概略的な平面図である。
【図１３】本発明の一実施形態を表す、経路依存位相差を除去するための光学デバイスを含む、図１２に示す第２の非縮退偏光もつれ光子源の概略的な平面図である。
【図１４】本発明の一実施形態を表す、アイドラビーム伝送チャネル内に半波長板を含む、図１３に示す第２の非縮退偏光もつれ光子源の概略的な平面図である。
【図１５】本発明の一実施形態を表す、信号ビーム伝送チャネル内に半波長板を含む、図１３に示す第２の非縮退偏光もつれ光子源の概略的な平面図である。
【図１６】本発明の一実施形態を表す、第１の縮退偏光もつれ光子源の概略的な平面図である。
【図１７】本発明の一実施形態を表す、経路依存位相差を除去するための光学デバイスを含む、図１６に示す第１の縮退偏光もつれ光子源の概略的な平面図である。
【図１８】本発明の一実施形態を表す、アイドラビーム伝送チャネル内に半波長板を含む、図１７に示す第１の縮退偏光もつれ光子源の概略的な平面図である。
【図１９】本発明の一実施形態を表す、信号ビーム伝送チャネル内に半波長板を含む、図１７に示す第１の縮退偏光もつれ光子源の概略的な平面図である。
【図２０】本発明の一実施形態を表す、第２の縮退偏光もつれ光子源の概略的な平面図である。
【図２１】本発明の一実施形態を表す、経路依存位相差を除去するための光学デバイスを含む、図２０に示す第２の縮退偏光もつれ光子源の概略的な平面図である。
【図２２】本発明の一実施形態を表す、アイドラビーム伝送チャネル内に半波長板を含む、図２０に示す第２の縮退偏光もつれ光子源の概略的な平面図である。
【図２３】本発明の一実施形態を表す、信号ビーム伝送チャネル内に半波長板を含む、図２０に示す第２の縮退偏光もつれ光子源の概略的な平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の種々の実施形態は、偏光もつれ光子を生成するためのコンパクトなシステムを対象とする。具体的には、本発明のいくつかのシステムの実施形態を用いて、ベル状態にある偏光もつれ光子を生成することができる。本発明の種々の実施形態の説明を理解する上で読者を助けるために、第１のサブセクションにおいて、半波長板、ビームディスプレーサ、自発的パラメトリックダウンコンバージョン、及び周期分極反転について概説する。第２のサブセクションにおいて、本発明の種々のシステムの実施形態が提供される。
【００２１】
半波長板、ビームディスプレーサ、自発的パラメトリックダウンコンバージョン及び周期分極反転
半波長板（「ＨＷＰ」）は、入射偏光と半波長板軸とによって形成される角度の２倍の角度だけ、直線偏光した入射光子の偏光を回転させる。たとえば、その軸が水平方向に対して４５度の角度を形成するＨＷＰは、垂直偏光した入射光子を回転させて、水平偏光した光子にし、水平偏光した入射光子を回転させて、垂直偏光した光子にする。図３Ａ及び図３Ｂはそれぞれ、そのようなＨＷＰ上に入射する垂直偏光した光子及び水平偏光した光子の偏光状態の変化を示す。図３Ａでは、垂直偏光した光子｜Ｖ＞３０２が、ｚ座標軸３０４に沿って伝搬し、ＨＷＰ３０６の前面に突き当たる。垂直偏光した光子｜Ｖ＞３０２がＨＷＰ３０６を通り抜けるときに、ＨＷＰ３０６の反対側から水平偏光した光子｜Ｈ＞３０８が現れる。図３Ｂでは、水平偏光した光子｜Ｈ＞３１０が、ｚ座標軸３０４に沿って、同じＨＷＰ３０６の前面まで伝搬する。水平偏光した光子｜Ｈ＞３１０がＨＷＰ３０６を通り抜けるときに、ＨＷＰ３０６の反対側から垂直偏光した光子｜Ｖ＞３１２が現れる。
【００２２】
ビームディスプレーサ（「ＢＤ」）は、２つの異なる屈折率を示す複屈折結晶である。この結晶は、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）、電気石、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮａＯ3）及びαホウ酸バリウム（α−ＢＢＯ）から構成することができる。各屈折率は、入射光子の偏光状態、及び入射光子の伝搬方向に対するＢＤの向きに依存する。ＢＤを用いて、水平偏光した電磁波と垂直偏光した電磁波とを区別することができる。図４は、仮想的なＢＤ４０２の斜視図を示す。ｘ座標軸４０４に対して４５度に偏光した入射光子が、方向指示の矢印４０８によって特定される方向に、ｚ方向において第１の伝送チャネル４０６に沿ってＢＤ４０２まで伝搬する。入射光子は数学的には、以下のように、垂直偏光した状態と水平偏光した状態とのコヒーレントな線形重ね合わせによって表すことができる。
｜４５°＞＝（１／２1/2）（｜Ｈ＞＋｜Ｖ＞）
ただし、｜Ｈ＞はＢＤ４０２のｘｚ平面内にある水平偏光した光子４１０を表し、｜Ｖ＞はＢＤ４０２のｙｚ平面内にある垂直偏光した光子４１２を表す。図４に示すように、水平偏光した光子｜Ｈ＞４１０は、ＢＤ４０２内で偏ることなくそれを通り抜けて、第１の伝送チャネル４０６に沿って伝搬し続けるのに対して、垂直偏光した光子｜Ｖ＞４１２は、ＢＤ４０２内で偏って、第２の伝送チャネル上４１４に現れる。光子のコヒーレントな線形重ね合わせを得るために、ＢＤを用いて、垂直偏光した光子と水平偏光した光子とを合成することもできる。たとえば、水平偏光した光子｜Ｈ＞４１０及び垂直偏光した光子｜Ｖ＞４１２の伝搬方向を逆にすることによって、方向指示の矢印４１６によって特定される方向に伝搬する、４５度偏光した光子｜４５°＞が生成される。
【００２３】
自発的パラメトリックダウンコンバージョン（「ＳＰＤＣ」）では、複屈折非線形結晶が、「ポンプビーム」と呼ばれる電磁放射の入射ビームを、「信号ビーム」及び「アイドラビーム」と呼ばれる一対のビームに分割する。図５は、ポンプビームを信号ビーム及びアイドラビーム対に分割する複屈折非線形結晶を示す。図５において、周波数ωp及び波数ｋpを有するポンプビーム５０２が、長さＬの非線形結晶５０４に入射する。ポンプビームは、非線形結晶５０４内で非直線偏光を生成する。非直線偏光波は、周波数ωiで振動する第１の成分と、周波数ωsで振動する第２の成分とを有する。２つの非直線偏光波及び初期ポンプ波の相対的な位相が強め合うように加えられるときは、偏光した電磁放射のビームは、周波数ωs及びωi、並びに対応する波数ｋs及びｋiで出力され、それぞれ「信号ビーム」５０８及び「アイドラビーム」５０６と呼ばれる。
【００２４】
用語「信号」及び「アイドラ」は特別な意味を有しない。結果として、ビームのラベル（表示）の選択は任意である。ダウンコンバージョンプロセスにおいて、非線形結晶の量子状態は変化しない。言い換えると、非線形結晶５０４の最初の量子力学的状態と最後の量子力学的状態は同じである。非線形結晶５０４から出力される異なる信号ビーム５０８及びアイドラビーム５０６は、非線形性及び複屈折性の結果である。言い換えると、非線形結晶の屈折率は、入射電磁波の偏光の方向に依存する。
【００２５】
２つのタイプのダウンコンバージョンプロセスがある。信号ビームとアイドラビームが同じ偏光を有するときは、タイプＩダウンコンバージョンが生じ、信号ビームとアイドラビームが直交する偏光を有するときは、タイプIIダウンコンバージョンが生じる。図６Ａ及び図６Ｂは、タイプＩダウンコンバージョンの２つの例を示す。図６Ａでは、第１のタイプＩダウンコンバージョン結晶（「ＤＣＣ」）６０２は、垂直偏光したポンプビーム｜Ｖ＞p６０４を受光し、垂直偏光した信号光子｜Ｖ＞s６０６及び垂直偏光したアイドラ光子｜Ｖ＞i６０８の両方を出力する。図６Ｂでは、第２のタイプＩ  ＤＣＣ６１０は、水平偏光したポンプビーム｜Ｈ＞p６１２を受光し、垂直偏光した信号光子｜Ｖ＞s６１４及び垂直偏光したアイドラ光子｜Ｖ＞i６１６の両方を出力する。図６Ｃは、タイプIIダウンコンバージョンの一例を示す。タイプII  ＤＣＣ６１８は、垂直偏光したポンプビーム｜Ｖ＞p６２０を受光し、垂直偏光した信号光子｜Ｖ＞s６２２及び水平偏光したアイドラ光子｜Ｈ＞i６２４の両方を同時に出力する。
【００２６】
非線形結晶の効率は、信号ビーム及びアイドラビームの強度を調べることによって評価することができる。信号ビーム及びアイドラビームの強度はそれぞれ、以下のように書くことができる。
Ｉs＝Ｉs（ｍａｘ）（（ｓｉｎ（ΔｋＬ／２））／（ΔｋＬ／２））2、及び
Ｉi＝Ｉi（ｍａｘ）（（ｓｉｎ（ΔｋＬ／２））／（ΔｋＬ／２））2
ただし、Ｉs（ｍａｘ）及びＩi（ｍａｘ）は非線形結晶から出力される最大信号ビーム強度及び最大アイドラビーム強度であり、Ｌは非線形結晶の長さであり、Δｋ＝ｋp−ｋs−ｋiは、「波数ベクトル不整合又は運動量不整合」と呼ばれる。
【００２７】
図７Ａは、信号ビーム強度Ｉs対ΔｋＬ／２のプロットである。図７Ａに示されるように、横軸７０２はΔｋＬ／２値の範囲に対応し、縦軸７０４は信号ビーム強度に対応し、曲線７０６は信号ビーム強度をΔｋＬ／２の関数として表している。曲線７０６は、Δｋが０に等しいときに、最大効率又は強度を示す。また、曲線７０６は、｜Δｋ｜Ｌが増加するのに応じて、非線形結晶の効率が低下することも示している。結果として、信号ビーム及びアイドラビームからポンプビーム中へと逆方向に電力が流れることがある。ダウンコンバージョンプロセスに関わる電磁波を位相整合することによって、それらが順方向において強め合うように足し合わせられるときに、最大効率（Δｋ＝０）が達成される。アイドラビームの場合にも、０に等しい波数ベクトル不整合Δｋを中心に配置される同じような形状の強度曲線Ｉiをプロットすることができることに留意されたい。
【００２８】
位相整合条件（Δｋ＝０）は多くの場合に、ポンプビーム、信号ビーム及びアイドラビームのそれぞれに関連する屈折率を注意深く制御することによって得ることができる。典型的には、位相整合は、角度調節又は温度調節のいずれかによって達成され、これらはいずれもよく知られている位相整合技法である。しかしながら、角度調節技法及び温度調節技法が、位相整合条件を保持するのに適していない状況がある。たとえば、或る特定の非線形結晶は、広い波長範囲にわたって線形屈折率のばらつきを補償するのに十分でない複屈折を有することがあり、他の非線形結晶では、電磁放射の波長が徐々に短くなると、信号ビームに関連する屈折率が、アイドラビームの屈折率に近づくものがある。正常な位相整合を実現できないときには、準位相整合を用いることができる。
【００２９】
準位相整合は、周期分極反転ダウンコンバージョン結晶を用いて達成される。図７Ｂは、仮想的な周期分極反転ダウンコンバージョン結晶７１０を示す。ダウンコンバージョン結晶７１０は、同じ複屈折材料から成る６つの交互層７１１〜７１６を含む。層７１１、７１３及び７１５の結晶格子は、下向きの矢印７１８のような下向きの矢印によって示されるように、全て同じ方向に向けられている。これとは対照的に、層７１２、７１４及び７１６の結晶格子は、上向きの矢印７２０のような上向きの矢印によって示されるように、全て層７１１、７１３及び７１５とは反対の方向に向けられている。交互層の周期はΛによって表される。非線形結晶を周期的に分極反転するための方法は、当該技術分野においてよく知られている。
【００３０】
以下に、３つの異なる非線形結晶の特性によって信号の電力がどのように変わるかを調べることによって、周期分極反転が、０でない波数ベクトル不整合Δｋをどのように補償することができるかを説明する。図７Ｃは、それぞれが異なる非線形結晶を通って伝搬する信号に関連付けられる、３つの信号電力のプロットである。図７Ｃに示されるように、横軸７２２は、非線形結晶内の伝搬距離に対応し、縦軸７２４は、強力なポンプフィールド（ポンプ場）が存在する状態で非線形結晶を通って伝搬している信号フィールドの電力に対応する。曲線７２６は、単一の非線形結晶と完全に位相整合した相互作用（Δｋ＝０）の場合に、信号電力が、伝搬距離ｚと共に線形に増加することを示している。これとは対照的に、曲線７２８も単一の非線形結晶に関連付けられるが、波数ベクトル不整合が０でないことに起因して、フィールド電力は振動する。結果として、非線形結晶の伝搬距離にわたる平均フィールド電力は０である。曲線７３０は周期分極反転非線形結晶に関連付けられる。曲線７３０は、準位相整合を用いることによって、波数ベクトル不整合の結果として信号の電力が減少しようとしているときに、周期Λの終わりにおいて反転が生じ、それにより電力が単調に増加できるようになることを示している。同様の考察を、アイドラビームにも適用することができる。
【００３１】
周期分極反転非線形結晶の場合の波数ベクトル不整合は、以下の式によって与えられる。
ΔｋQ＝ｋp−ｋs−ｋi±２π／Λ
そして、その最適な周期は以下のとおりである。
Λ＝±（２π／（ｋp−ｋs−ｋi））
【００３２】
本発明の実施形態
図８は、本発明の一実施形態を表す、第１の非縮退偏光もつれ光子源８００の概略的な平面図を示す。もつれ光子源８００は３つのＨＷＰ８０２〜８０４と、２つのＢＤ８０６及び８０８と、タイプＩ  ＤＣＣ８１０と、ダイクロイックミラー８１２と、第１の光ファイバ結合器８１４と、第２の光ファイバ結合器８１６とを備える。ライン８２０のようなラインは、自由空間内のビーム伝送チャネルを表す。もつれ光子源８００は、ポンプビーム源（図示せず）から水平偏光したポンプビーム｜Ｈα＞p８２２を受光する。ポンプビーム｜Ｈα＞p８２２として、持続電磁波又は電磁波パルスを用いることができる。ダイクロイックミラー８１２は、「ｓ」（信号）とラベル付けされた光子を、信号ビーム伝送チャネル８３０を介して、第１の光ファイバ結合器８１４へと反射し、「ｉ」（アイドラ）とラベル付けされた光子を、アイドラビーム伝送チャネル８３２を介して、第２の光ファイバ結合器８１６へと透過させる。用語「信号」及び「アイドラ」は、タイプＩ  ＤＣＣ８１０から出力される２つのタイプの偏光した光子を特定するために用いられる恣意的なラベルであることに留意されたい。もつれ光子源８００は、以下の状態にある偏光もつれ光子を出力する。
｜φ＞＝（１／２1/2）（｜Ｈ＞s｜Ｈ＞i＋ｅiθ｜Ｖ＞s｜Ｖ＞i）
ただし、｜Ｈ＞s及び｜Ｖ＞sはそれぞれ、信号ビーム伝送チャネル８３０において第１の光ファイバ結合器８１４まで伝送される、水平偏光した信号及び垂直偏光した信号と呼ばれる光子を表し、｜Ｈ＞i及び｜Ｖ＞iはそれぞれ、アイドラビーム伝送チャネル８３２において第２の光ファイバ結合器８１６まで伝送される、水平偏光したアイドラ及び垂直偏光したアイドラと呼ばれる光子を表し、θは、ＢＤ８０８から放射される水平偏光した光子と垂直偏光した光子との間の相対的な位相差である。光ファイバ結合器８１４及び８１６は、量子コンピュータ、量子情報プロセッサ、量子暗号デバイス、量子テレポーテーションデバイス、又は他の光学ベースのデバイス若しくはネットワークに接続することができる。
【００３３】
以下に、状態｜φ＞にある偏光もつれ光子を生成するためのもつれ光子源８００の動作について説明する。ＨＷＰ８０２は、ポンプビーム｜Ｈα＞p８２２を受光し、もつれ光子源８００の平面に対して４５度偏光した光子のポンプビームを出力する。４５度偏光したポンプビーム光子は、数学的には、以下のように、水平偏光した光子基底状態と垂直偏光した光子基底状態とのコヒーレントな線形重ね合わせによって表すことができる。
｜４５°＞＝（１／２1/2）（｜Ｈ＞p＋｜Ｖ＞p）
ただし、｜Ｈ＞p及び｜Ｖ＞pはそれぞれ、水平偏光したポンプビーム基底状態及び垂直偏光したポンプビーム基底状態を表す。水平偏光したポンプビーム｜Ｈ＞pの偏光方向はもつれ光子源８００の平面に対して平行であり、垂直偏光したポンプビーム｜Ｖ＞pの偏光方向はもつれ光子源８００の平面に対して垂直であることに留意されたい。
【００３４】
ＢＤ８０６はポンプビーム｜４５°＞を受光し、垂直偏光したポンプビーム｜Ｖ＞pの方向を第１の伝送チャネル８２４中へと変更し、水平偏光したポンプビーム｜Ｈ＞pを第２の伝送チャネル８２６の中へとそのまま透過させる。垂直偏光した光子及び水平偏光した光子がＢＤ８０６によって表された（すなわち、ＢＤ８０６を通過した）後は、偏光したポンプビームは、伝送チャネルに依存する。言い換えると、光子の状態は、以下のような状態のコヒーレントな線形重ね合わせによって表すことができる。
（１／２1/2）（｜Ｈ＞2p＋｜Ｖ＞1p）
ただし、下付き文字「１」は、第１の伝送チャネル８２４を特定し、下付き文字「２」は、第２の伝送チャネル８２６を特定する。
【００３５】
ＨＷＰ８０３は、第２の伝送チャネル８２６中を伝送した、水平偏光したポンプビーム｜Ｈ＞2pを受光し、垂直偏光したポンプビーム｜Ｖ＞2pを出力する。ＨＷＰ８０３の後は、偏光したポンプビームは、以下のような状態のコヒーレントな線形重ね合わせによって表される。
（１／２1/2）（｜Ｖ＞1p＋｜Ｖ＞2p）
【００３６】
タイプＩ  ＤＣＣ８１０は、周期分極反転結晶であり、以下のように、第１の伝送チャネル８２４において伝送された垂直偏光した光子｜Ｖ＞1pを、さらに長い波長の垂直偏光した信号光子及びアイドラ光子に変換する。
【００３７】
【数３】
2009545004.tif 000005
【００３８】
タイプＩ  ＤＣＣ８１０は、以下のように、第２の伝送チャネル８２６において伝送された垂直偏光した光子｜Ｖ＞2pも、さらに長い波長の垂直偏光した信号光子及びアイドラ光子に変換する。
【００３９】
【数４】
2009545004.tif 000006
【００４０】
ＨＷＰ８０４は、第１の伝送チャネル８２４において伝送される垂直偏光した信号光子及びアイドラ光子｜Ｖ＞1s｜Ｖ＞1iを受光し、水平偏光した信号光子及びアイドラ光子｜Ｈ＞1s｜Ｈ＞1iを出力する。ＢＤ８０８の長さは、水平偏光した信号光子及びアイドラ光子｜Ｈ＞1s｜Ｈ＞1iをそのまま透過させること、及び垂直偏光した光子｜Ｖ＞1s｜Ｖ＞1iの方向を単一の出力伝送チャネル８２８へと変更することの両方によって、偏光した信号光子及びアイドラ光子から経路依存性を除去するように選択される。出力伝送チャネル８２８において伝送された、垂直偏光及び水平偏光した信号光子及びアイドラ光子の状態は｜φ＞である。伝送チャネルの長さが異なる結果として、又はタイプＩ  ＤＣＣ８１０並びにＢＤ８０６及び８０８結晶の形状にわずかな欠陥がある結果として、位相差θが生じることがある。たとえば、第１の伝送チャネル８２４の経路長は、第２の伝送チャネル８２８の経路長よりもわずかに長いことがある。
【００４１】
ダイクロイックミラー８１２は、波長に応じて非縮退信号光子及びアイドラ光子を分離するために用いられる複屈折ミラーである。ダイクロイックミラーは、しきい値波長λtよりも短い波長を有する電磁波を反射すると共に、しきい値波長よりも長い波長を有する電磁波を透過させる半透過性（または半透明）のバンドパスフィルタである。たとえば、図８に示すように、波長が「ｉ」（アイドラ）とラベル付けされた光子よりも短い光子を特定するために、「ｓ」（信号）というラベルが割り当てられており、ダイクロイックミラー８１２が、条件 
λs＜λt＜λi
を満たすしきい値波長で作製されているものと仮定すると、ダイクロイックミラー８１２は、偏光状態｜Ｈ＞s及び｜Ｖ＞sにある信号光子を第１の光ファイバ結合器８１４へと反射し、偏光状態｜Ｈ＞i及び｜Ｖ＞iにあるアイドラ光子を第２の光ファイバ結合器８１６へと透過させる。
【００４２】
本発明の代替の実施形態では、第１の伝送チャネル８２４又は第２の伝送チャネル８２６のいずれかの中に光学デバイスを挿入することによって、第１の伝送チャネル８２４及び第２の伝送チャネル８２６において伝送される光子間の位相差θを調整することができる。光学デバイスとして、伝搬している電磁波において遅延を引き起こすように傾けられる一片の薄いガラスを用いることができる。図９は、本発明の一実施形態を表す、経路依存位相差θを除去するための光学デバイス９０２を含む、第１の非縮退偏光もつれ光子源９００の概略的な平面図を示す。もつれ光子源９００は、図８に示すもつれ光子源８００と、光学デバイス９０２が伝送チャネル８２６に挿入されている点を除いて同じである。光学デバイス９０２は、第２の伝送チャネル８２６に、数学的に以下の式によって表される位相調整を導入するように作製又は調節することができる。
【００４３】
【数５】
2009545004.tif 000007
【００４４】
ただし、ｎ＝０、±１／２、±１、±３／２、±２、．．．は位相調整パラメータであり、光学デバイス９０２を製造する際に決定することができる。
伝送チャネル８２６内の光学デバイス９０２の動作は数学的に以下の式によって表すことができる。
【００４５】
【数６】
2009545004.tif 000008
【００４６】
ｎの値が整数となるように光学デバイス９０２が作製されているときは、光ファイバ結合器８１４及び８１６に出力される偏光もつれ光子状態は以下のベル状態である。
｜φ+＞＝（１／２1/2）（｜Ｈ＞s｜Ｈ＞i＋｜Ｖ＞s｜Ｖ＞i）
ｎの値が半整数となるように光学デバイス９０２が作製されているときは、光ファイバ結合器８１４及び８１６に出力される偏光もつれ光子状態は以下のベル状態である。
｜φー＞＝（１／２1/2）（｜Ｈ＞s｜Ｈ＞i−｜Ｖ＞s｜Ｖ＞i）
【００４７】
本発明の代替の実施形態では、偏光もつれ光子ベル状態｜ψ+＞及び｜ψ-＞は、もつれ光子源９００のアイドラビーム伝送チャネル８３２にＨＷＰを挿入することによって生成することができる。図１０は、本発明の一実施形態を表す、図９に示されるもつれ光子源９００のアイドラビーム伝送チャネル８３２内にＨＷＰ１００２を含む、第１の非縮退偏光もつれ光子源１０００の概略的な平面図を示す。ｎの値が整数であるように光学デバイス９０２が製造されているときは、ＨＷＰ１００２は、ベル状態｜φ+＞にあるアイドラ光子に作用して、以下のベル状態にある偏光もつれ光子を与える。
【００４８】
【数７】
2009545004.tif 000009
【００４９】
ｎの値が半整数であるように光学デバイス９０２が作製されているときは、ＨＷＰ１００２は、ベル状態｜φ-＞にあるアイドラ光子に作用して、以下のベル状態にある偏光もつれ光子を与える。
【００５０】
【数８】
2009545004.tif 000010
【００５１】
本発明の代替の実施形態では、もつれ光子偏光状態｜ψ+＞及び｜ψ-＞は、もつれ光子源９００の信号ビーム伝送チャネル８３０の中にＨＷＰを挿入することによって生成することもできる。図１１は、本発明の一実施形態を表す、図９に示すもつれ光子源９００の信号ビーム伝送チャネル８３０内にＨＷＰ１２０２を含む、第１の非縮退偏光もつれ光子源１１００の概略的な平面図を示す。ｎの値が整数であるように光学デバイス９０２が作製されているときは、ＨＷＰ１００２は、ベル状態｜φ+＞にある信号光子に作用して、以下のベル状態にある偏光もつれ光子を与える。
【００５２】
【数９】
2009545004.tif 000011
【００５３】
ｎの値が半整数であるように光学デバイス９０２が作製されているときは、ＨＷＰ１００２は、ベル状態｜φ-＞にある信号光子に対して次のように作用する。
【００５４】
【数１０】
2009545004.tif 000012
【００５５】
図１２は、本発明の一実施形態を表す、第２の非縮退偏光もつれ光子源１２００の概略的な平面図を示す。もつれ光子源１２００は、ＨＷＰ１２０２と、２つのＢＤ１２０４及び１２０６と、第１のタイプＩ  ＤＣＣ１２０８と、第２のタイプＩ  ＤＣＣ１２１０と、ダイクロイックミラー１２１２と、第１の光ファイバ結合器１２１４と、第２の光ファイバ結合器１２１６とを備える。ライン１２１８のようなラインは、ビーム伝送チャネルを表す。図８を参照して上述したように、もつれ光子源１２００は、ポンプビーム源（図示せず）から水平偏光したポンプビーム｜Ｈα＞p１２２２を受光し、状態｜φ＞にある偏光もつれ光子を出力する。ダイクロイックミラー１２１２は、波長が短い方の「ｓ」（信号）とラベル付けされた光子を、信号ビーム伝送チャネル１２３０を介して、第１の光ファイバ結合器１２１４へと反射し、波長が長い方の「ｉ」（アイドラ）とラベル付けされた光子を、アイドラビーム伝送チャネル１２３２を介して、第２の光ファイバ結合器１２１６へと透過させる。光ファイバ結合器１２１４及び１２１６は、量子コンピュータ、量子情報プロセッサ、量子暗号デバイス、量子テレポーテーションデバイス、又は他の光学ベースのデバイス若しくはネットワークに接続することができる。
【００５６】
図８を参照して上述したように、ＨＷＰ１２０２は、ポンプビーム｜Ｈα＞p１２２２を受光し、偏光状態｜４５°＞にあるポンプビームを出力する。ＢＤ１２０４は、偏光状態｜４５°＞にあるポンプビームを受光し、第１の伝送チャネル１２２４に沿って、垂直偏光したポンプビーム｜Ｖ＞pを出力し、第２の伝送チャネル１２２６に沿って、水平偏光したポンプビーム｜Ｈ＞pをそのまま出力する。偏光したポンプの状態は、次のように、伝送路に依存する、状態のコヒーレントな線形重ね合わせによって表すことができる。
（１／２1/2）（｜Ｈ＞2p＋｜Ｖ＞1p）
ただし、下付き文字「１」は、第１の伝送チャネル１２２４を特定し、下付き文字「２」は、第２の伝送チャネル１２２６を特定する。
【００５７】
第１のタイプＩ  ＤＣＣ１２０８及び第２のタイプＩ  ＤＣＣ１２１０はそれぞれ、平行な伝送チャネル１２２４及び１２２６を有する同じ周期分極反転結晶である。しかしながら、第２のタイプＩ  ＤＣＣ１２１０は、第２の伝送チャネル１２２６を中心にして、第１のタイプＩ  ＤＣＣ１２０８の向きから９０度だけ回転している。第１のタイプＩ  ＤＣＣ１２０８は、以下のように、第１の伝送チャネル１２２４に沿って伝送された、垂直偏光した入射光子｜Ｖ＞1pが、水平偏光した信号光子及びアイドラ光子に変換されるように配向される。
【００５８】
【数１１】
2009545004.tif 000013
【００５９】
第２のタイプＩ  ＤＣＣ１２１０は、以下のように、第２の伝送チャネル１２２６に沿って伝送された、水平偏光した入射光子｜Ｈ＞2pが、垂直偏光した信号光子及びアイドラ光子に変換されるように配向される。
【００６０】
【数１２】
2009545004.tif 000014
【００６１】
ＢＤ１２０６は、水平偏光した信号光子及びアイドラ光子｜Ｈ＞1s｜Ｈ＞1iをそのまま単一の伝送チャネル１２２８へと透過させ、垂直偏光した光子｜Ｖ＞1s｜Ｖ＞1iを単一の伝送チャネル１２２８へと誘導することによって、タイプＩ  ＤＣＣ１２０８及び１２１０から出力される偏光した信号光子及びアイドラ光子から経路依存性を除去する。単一の出力伝送チャネル１２２８において伝送される垂直偏光及び水平偏光した信号光子及びアイドラ光子の状態は｜φ＞である。
【００６２】
ダイクロイックミラー１２１２は、図８を参照して上述したように、波長に応じて、非縮退信号光子とアイドラ光子とを分離する。図１２に示すように、ダイクロイックミラー８１２は信号光子を第１の光ファイバ結合器１２１４へと反射し、アイドラ光子を第２の光ファイバ結合器１２１６へと透過させる。
【００６３】
本発明の代替の実施形態では、図９を参照して上述したように、伝送チャネル１２２４又は伝送チャネル１２２６中に光学デバイスを挿入することによって、ＢＤ１２０６によって放射される水平偏光した光子と垂直偏光した光子との間の位相差θを調整することができる。図１３は、本発明の一実施形態を表す、経路依存位相差θを除去するための光学デバイス１３０２を含む、第２の非縮退偏光もつれ光子源１３００の概略的な平面図を示す。もつれ光子源１３００は、図１２に示すもつれ光子源１２００と、伝送チャネル１２２６に光学デバイス１３０２が挿入されている点を除いて同じである。光学デバイス１３０２は、図９を参照して上述したように、出力伝送チャネル１２２８内の偏光もつれ光子が状態｜φ(n)＞にあるように、位相調整を導入するために作製又は調節することができる。ｎの値が整数であるように光学デバイス１３０２が作製されているときは、偏光もつれ光子はベル状態｜φ+＞にあり、ｎの値が半整数であるように光学デバイス１３０２が作製されているときは、偏光もつれ光子はベル状態｜φ-＞にある。
【００６４】
本発明の代替の実施形態では、ベル状態｜ψ+＞及び｜ψ-＞にある偏光もつれ光子は、もつれ光子源１３００のアイドラビーム伝送チャネル１２３２にＨＷＰを挿入することによって生成することができる。図１４は、本発明の一実施形態を表す、図１３に示すもつれ光子源１３００のアイドラビーム伝送チャネル１３３２内にＨＷＰ１４０２を含む、第２の非縮退偏光もつれ光子源１４００の概略的な平面図を示す。ｎの値が整数であるように光学デバイス１３０２が作製されているときは、ＨＷＰ１４０２は、ベル状態｜φ+＞にあるアイドラビーム光子に作用して、ベル状態｜ψ+＞にある偏光もつれ光子を生成し、ｎの値が半整数であるように光学デバイス１３０２が作製されているときは、ＨＷＰ１４０２は、ベル状態｜φ-＞にあるアイドラビーム光子に作用して、ベル状態｜ψ-＞にある偏光もつれ光子を生成する。
【００６５】
本発明の代替の実施形態では、もつれ光子偏光状態｜ψ+＞及び｜ψ-＞は、もつれ光子源１３００の信号ビーム伝送チャネル１２３０にＨＷＰを挿入することによって生成することもできる。図１５は、本発明の一実施形態を表す、図１３に示すもつれ光子源１３００の信号ビーム伝送チャネル１２３０内にＨＷＰ１５０２を含む、第２の非縮退偏光もつれ光子源１５００の概略的な平面図を示す。ｎの値が整数であるように光学デバイス１３０２が作製されているときは、ＨＷＰ１５０２は、ベル状態｜φ+＞にあるアイドラビーム光子に作用して、ベル状態｜ψ+＞にある偏光もつれ光子を生成し、ｎの値が半整数であるように光学デバイス１３０２が作製されているときは、ＨＷＰ１５０２は、ベル状態｜φ-＞にあるアイドラビーム光子に作用して、ベル状態−｜ψ-＞にある偏光もつれ光子を生成する。
【００６６】
図１６は、本発明の一実施形態を表す、第１の縮退偏光もつれ光子源１６００の概略的な平面図を示す。もつれ光子源１６００は、５つのＨＷＰ１６０１〜１６０５と、３つのＢＤ１６０６〜１６０８と、タイプII  ＤＣＣ１６１０と、第１の光ファイバ結合器１６１２と、第２の光ファイバ結合器１６１４と、ミラー１６１８とを備える。ライン１６２０のようなラインは、自由空間におけるビーム伝送チャネルを表す。図８を参照して上述したように、もつれ光子源１６００は、ポンプビーム源（図示せず）から水平偏光したポンプビーム｜Ｈα＞p１６２２を受光し、状態｜φ＞にある偏光もつれ光子を光ファイバ結合器１６１２及び１６１４に出力する。光ファイバ結合器１６１２及び１６１４は、量子コンピュータ、量子情報プロセッサ、量子暗号デバイス、量子テレポーテーションデバイス、又は他の光学ベースのデバイス若しくはネットワークに接続することができる。
【００６７】
図８を参照して上述したように、ＨＷＰ１６０１は、ポンプビーム｜Ｈα＞p１６２２を受光し、４５度偏光したポンプビーム｜４５°＞を出力する。ＢＤ１６０６は、偏光したポンプビーム｜４５°＞を受光して、次のように状態のコヒーレントな線形重ね合わせによって表される水平偏光及び垂直偏光した光子を出力する。
（１／２1/2）（｜Ｈ＞2p＋｜Ｖ＞1p）
ただし、下付き文字「１」は、第１の伝送チャネル１６２４を特定し、下付き文字「２」は、第２の伝送チャネル１６２６を特定する。ＨＷＰ１６０２は、次のように状態のコヒーレントな線形重ね合わせにある偏光したポンプビームを得るために、第１の伝送チャネル１６２４に沿って伝送された垂直偏光したポンプビーム｜Ｖ＞1pを受光し、水平偏光したポンプビーム｜Ｈ＞1pを出力する。
（１／２1/2）（｜Ｈ＞1p＋｜Ｈ＞2p）
【００６８】
タイプII  ＤＣＣ１６１０は、周期分極反転結晶であり、以下のように、水平偏光したポンプビーム｜Ｈ＞1pと｜Ｈ＞2pの両方を、より長い波長の水平偏光した信号光子及び垂直偏光したアイドラ光子に変換する。
【００６９】
【数１３】
2009545004.tif 000015
【００７０】
タイプII  ＤＣＣ１６１０は、縮退した、すなわち同一波長の信号光子及びアイドラ光子を生成する。
【００７１】
ＨＷＰ１６０３は、状態｜Ｈ＞2s｜Ｖ＞2iにある水平偏光及び垂直偏光した信号光子及びアイドラ光子を受光し、状態｜Ｖ＞2s｜Ｈ＞2iにある、垂直偏光した信号光子及び水平偏光したアイドラ光子を出力する。
【００７２】
ＢＤ１６０７は、水平偏光した信号光子及びアイドラ光子｜Ｈ＞1s及び｜Ｈ＞2iを、それぞれ伝送チャネル１６２４及び１６２６へとそのまま透過させる。しかしながら、ＢＤ１６０７は、第２の伝送チャネル１６２６からの垂直偏光した信号光子｜Ｖ＞2sの向きを、状態｜Ｖ＞1sによって表される、第１の伝送チャネル１６２４中へと変更し、第１の伝送チャネル１６２４からの垂直偏光したアイドラ光子｜Ｖ＞1iの向きを、状態｜Ｖ＞3iによって表される、第３の伝送チャネル１６２８中へと変更する。
【００７３】
ミラー１６１８は、伝送チャネル１６２４中を伝送した水平偏光及び垂直偏光した信号光子｜Ｈ＞1i及び｜Ｖ＞1sの向きを、信号ビーム伝送チャネル１６３０を介して、第１の光ファイバ結合器１６１２へと変更する。
【００７４】
ＨＷＰ１６０４は、水平偏光したアイドラ光子｜Ｈ＞2iの偏光状態を垂直偏光したアイドラ光子｜Ｖ＞2iに変更し、ＨＷＰ１６０５は、垂直偏光したアイドラ光子｜Ｖ＞3iの偏光状態を水平偏光したアイドラ光子｜Ｈ＞3iに変更する。ＢＤ１６０８は、水平偏光したアイドラ光子｜Ｈ＞3iを第３の伝送チャネル１６２８へとそのまま透過させ、垂直偏光したアイドラ光子｜Ｖ＞2iの向きをアイドラビーム伝送チャネル１６３２へと変更する。水平偏光したアイドラ光子｜Ｈ＞3i及び垂直偏光したアイドラ光子｜Ｖ＞2iは、アイドラビーム伝送チャネル１６３２を介して、第２の光ファイバ結合器１６１４へと伝送される。
【００７５】
垂直偏光した信号光子及び水平偏光した信号光子はいずれも信号ビーム伝送チャネル１６３０において伝送され、垂直偏光したアイドラ光子及び水平偏光したアイドラ光子はいずれもアイドラビーム伝送チャネル１６３２において伝送されるので、伝送チャネルを特定する下付き数字は省くことができ、光ファイバ結合器１６１２及び１６１４に達する前の垂直偏光及び水平偏光したもつれ信号光子及びアイドラ光子の状態は、以下の式によって表すことができる。
｜φ＞＝（１／２1/2）（｜Ｈ＞s｜Ｈ＞i＋ｅiθ｜Ｖ＞s｜Ｖ＞i）
ただし、｜Ｈ＞s及び｜Ｖ＞sは信号ビーム伝送チャネル１６３０に沿って第１の光ファイバ結合器１６１２へと伝送され、｜Ｈ＞i及び｜Ｖ＞iはアイドラビーム伝送チャネル１６３２に沿って第２の光ファイバ結合器１６１４へと伝送され、θは経路依存性の相対位相差である。位相差θは、図８を参照して上述したように生じる可能性がある。
【００７６】
本発明の代替の実施形態では、伝送チャネルのうちの１つに光学デバイスを挿入することによって、位相差θを調整することができる。図１７は、本発明の一実施形態を表す、経路依存位相差θを除去するための光学デバイス１７０２を含む、第２の縮退偏光もつれ光子源１７００の概略的な平面図を示す。もつれ光子源１７００は、図１６に示すもつれ光子源１６００と、第１の伝送チャネル１６２４中に光学デバイス１７０２が挿入されている点を除いて同じである。光学デバイス１７０２は、図９を参照して上述したように、第１の伝送チャネル１６２４に位相調整を導入するように作製又は調節することができる。結果として、光ファイバ結合器１６１２及び１６１４に出力される偏光もつれ光子状態は｜φ(n)＞である。位相調整パラメータｎの値が整数であるように光学デバイス１７０２が作製されているときは、光ファイバ結合器１６１２及び１６１４に出力される偏光もつれ光子はベル状態｜φ+＞にあり、位相調整パラメータｎの値が半整数であるように光学デバイス１７０２が作製されているときは、光ファイバ結合器１６１２及び１６１４に出力される偏光もつれ光子はベル状態｜φ-＞にある。
【００７７】
本発明の代替の実施形態では、偏光もつれ光子ベル状態｜ψ+＞及び｜ψ-＞は、もつれ光子源１７００のアイドラビーム伝送チャネル１６３２にＨＷＰを挿入することによって生成することができる。図１８は、本発明の一実施形態を表す、図１７に示すもつれ光子源１７００のアイドラビーム伝送チャネル１６３２内にＨＷＰ１８０２を含む、第２の縮退偏光もつれ光子源１８００の概略的な平面図を示す。ｎの値が整数であるように光学デバイス１７０２が作製されているときは、ＨＷＰ１８０２は、ベル状態｜φ+＞にあるアイドラビーム光子に作用して、ベル状態｜ψ+＞にある偏光もつれ光子を生成し、ｎの値が半整数であるように光学デバイス１７０２が作製されているときは、ＨＷＰ１８０２は、ベル状態｜φ-＞にあるアイドラビーム光子に作用して、ベル状態｜ψ-＞にある偏光もつれ光子を生成する。
【００７８】
本発明の代替の実施形態では、もつれ光子偏光状態｜ψ+＞及び｜ψ-＞は、もつれ光子源１７００の信号ビーム出力伝送チャネルにＨＷＰを挿入することによって生成することもできる。図１９は、本発明の一実施形態を表す、図１７に示すもつれ光子源１７００の信号ビーム伝送チャネル１６３０内にＨＷＰ１９０２を含む、第２の縮退偏光もつれ光子源１９００の概略的な平面図を示す。ｎの値が整数であるように光学デバイス１７０２が作製されているときは、ＨＷＰ１９０２は、ベル状態｜φ+＞にある信号ビーム光子に作用して、ベル状態｜ψ+＞にある偏光もつれ光子を生成し、ｎの値が半整数であるように光学デバイス１７０２が作製されているときは、ＨＷＰ１９０２は、ベル状態｜φ-＞にある信号ビーム光子に作用して、ベル状態−｜ψ-＞にある偏光もつれ光子を生成する。
【００７９】
図２０は、本発明の一実施形態を表す、第２の縮退偏光もつれ光子源２０００の概略的な平面図を示す。もつれ光子源２０００は、３つのＨＷＰ２００１〜２００３と、３つのＢＤ２００４〜２００６と、第１のタイプII  ＤＣＣ２００８と、第２のタイプII  ＤＣＣ２０１０と、第１の光ファイバ結合器２０１２と、第２の光ファイバ結合器２０１４と、ミラー２０１６とを備える。ライン２０２０のようなラインは、自由空間におけるビーム伝送チャネルを表す。もつれ光子源２０００は、ポンプビーム源（図示せず）から水平偏光したポンプビーム｜Ｈα＞p２０２２を受光し、状態｜φ＞にある偏光もつれ光子を光ファイバ結合器２０１２及び２０１４に出力する。ポンプビーム｜Ｈα＞p２０２２として、持続電磁波又は電磁波パルスを用いることができる。光ファイバ結合器２０１２及び２０１４は、量子コンピュータ、量子情報プロセッサ、量子暗号デバイス、量子テレポーテーションデバイス、又は他の光学ベースのデバイス若しくはネットワークに接続することができる。
【００８０】
図８を参照して上述したように、ＨＷＰ２００１は、ポンプビーム｜Ｈα＞p２０２２を受光し、４５度偏光したポンプビーム｜４５°＞を出力する。ＢＤ２００４は、偏光したポンプビーム｜４５°＞を受光し、次のような状態のコヒーレントな線形重ね合わせによって表される、経路依存性の垂直及び水平偏光したポンプビームを出力する。
（１／２1/2）（｜Ｈ＞2p＋｜Ｖ＞1p）
ただし、下付き文字「１」は第１の伝送チャネル２０２４を特定し、下付き文字「２」は第２の伝送チャネル２０２６を特定する。
【００８１】
垂直偏光したポンプビーム｜Ｖ＞1pは第１のタイプII  ＤＣＣ２００８へと伝送され、水平偏光したポンプビーム｜Ｈ＞2pは第２のタイプII  ＤＣＣ２０１０へと伝送される。第１のタイプII  ＤＣＣ２００８及び第２のタイプII  ＤＣＣ２０１０はそれぞれ、平行な伝送チャネル２０２４及び２０２６を有する同じ周期分極反転結晶である。しかしながら、第２のタイプII  ＤＣＣ２０１０は、第２の伝送チャネル２０２６を中心にして、第１のタイプII  ＤＣＣ２００８の向きから９０度だけ回転している。第１のタイプII  ＤＣＣ２００８は、以下のように、垂直偏光した入射ポンプビーム｜Ｖ＞1pが水平偏光した信号光子及び垂直偏光したアイドラ光子に変換されるように配向されている。
【００８２】
【数１４】
2009545004.tif 000016
【００８３】
第２のタイプII  ＤＣＣ２０１０は、以下のように、水平偏光した入射ポンプビーム｜Ｈ＞2pが垂直偏光した信号光子及び水平偏光したアイドラ光子に変換されるように配向されている。
【００８４】
【数１５】
2009545004.tif 000017
【００８５】
第１のタイプII  ＤＣＣ２００８及び第２のタイプII  ＤＣＣ２０１０はいずれも、縮退した、すなわち同一波長を有する信号光子及びアイドラ光子を生成する。
【００８６】
ＢＤ２００５は、水平偏光した信号及びアイドラ光子｜Ｈ＞1s及び｜Ｈ＞2iを、それぞれ伝送チャネル２０２４及び２０２６に沿ってそのまま透過させる。ＢＤ２００５は、第２の伝送チャネル２０２６からの垂直偏光した信号光子｜Ｖ＞2sの向きを、状態｜Ｖ＞1sによって表される、第１の伝送チャネル２０２４へと変更し、第１の伝送チャネル２０２４からの垂直偏光したアイドラ光子｜Ｖ＞1iの向きを、状態｜Ｖ＞3iによって表される、第３の伝送チャネル２０２８へと変更する。
【００８７】
ミラー２０１６は、第１の伝送チャネル２０２４に沿って伝送された水平偏光及び垂直偏光した信号光子｜Ｈ＞1i及び｜Ｖ＞1sの向きを、信号ビーム伝送チャネル２０３０を介して、第１の光ファイバ結合器２０１２へと変更する。
【００８８】
ＨＷＰ２００２は、水平偏光したアイドラ光子｜Ｈ＞2iの偏光状態を垂直偏光したアイドラ光子｜Ｖ＞2iに変更し、ＨＷＰ２００３は、垂直偏光したアイドラ光子｜Ｖ＞3iの偏光状態を水平偏光したアイドラ光子｜Ｈ＞3iに変更する。ＢＤ２００６は、水平偏光したアイドラ光子｜Ｈ＞3iを第３の伝送チャネル２０２８へとそのまま透過させ、垂直偏光したアイドラ光子｜Ｖ＞2iの向きをアイドラビーム伝送チャネル１６３２へと変更する。水平偏光したアイドラ光子｜Ｈ＞3i及び垂直偏光したアイドラ光子｜Ｖ＞2iは、アイドラビーム伝送チャネル２０３２を介して、第２の光ファイバ結合器２０１４へと伝送される。
【００８９】
垂直偏光した信号光子及び水平偏光した信号光子はいずれも信号ビーム伝送チャネル２０３０において伝送され、垂直偏光したアイドラ光子及び水平偏光したアイドラ光子はいずれもアイドラビーム伝送チャネル２０３２において伝送されるので、伝送チャネルを特定する下付き数字は省くことができ、光ファイバ結合器１６１２及び１６１４に達する前の垂直偏光及び水平偏光した信号光子及びアイドラ光子の状態は、状態｜φ＞にある。状態｜φ＞に含まれる位相差θは、図８を参照して上述したように生じることがある。
【００９０】
本発明の代替の実施形態では、伝送チャネルのうちの１つに光学デバイスを挿入することによって、位相差θを調整することができる。図２１は、本発明の一実施形態を表す、経路依存位相差θを除去するための光学デバイス２１０２を含む、第２の縮退偏光もつれ光子源２１００の概略的な平面図を示す。もつれ光子源２１００は、図１６に示すもつれ光子源２０００と、第１の伝送チャネル２０２４中に光学デバイス２１０２が挿入されている点を除いて同じである。図９を参照して上述したように、光ファイバ結合器１６１２及び１６１４に出力される偏光もつれ光子状態は｜φ(n)＞である。位相調整パラメータｎの値が整数であるように光学デバイス２１０２が作製されているときは、光ファイバ結合器２０１２及び２０１４に出力される偏光もつれ光子はベル状態｜φ+＞にあり、位相調整パラメータｎの値が半整数であるように光学デバイス２１０２が作製されているときは、光ファイバ結合器２０１２及び２０１４に出力される偏光もつれ光子はベル状態｜φ-＞にある。
【００９１】
本発明の代替の実施形態では、もつれ光子偏光ベル状態｜ψ+＞及び｜ψ-＞は、もつれ光子源２１００のアイドラビーム伝送チャネル２０３２にＨＷＰを挿入することによって生成することができる。図２２は、本発明の一実施形態を表す、図２１に示すもつれ光子源２１００のアイドラビーム伝送チャネル２０２８内にＨＷＰ２２０２を含む、第２の縮退偏光もつれ光子源２２００の概略的な平面図を示す。ｎの値が整数であるように光学デバイス２１０２が作製されているときは、ＨＷＰ２２０２は、ベル状態｜φ+＞にあるアイドラ光子に作用して、ベル状態｜ψ+＞にある偏光もつれ光子を生成し、ｎの値が半整数であるように光学デバイス２１０２が作製されているときは、ＨＷＰ２２０２は、ベル状態｜ψ-＞にある偏光もつれ光子を生成する。
【００９２】
本発明の代替の実施形態では、もつれ光子偏光状態｜ψ+＞及び｜ψ-＞は、もつれ光子源２１００の信号ビーム伝送チャネル２０３０にＨＷＰを挿入することによって生成することもできる。図２３は、本発明の一実施形態を表す、図２１に示すもつれ光子源２１００の信号ビーム伝送チャネル２０３０内にＨＷＰ２３０２を含む、第２の縮退偏光もつれ光子源２３００の概略的な平面図を示す。ｎの値が整数であるように光学デバイス２１０２が作製されているときは、ＨＷＰ２３０２は、ベル状態｜φ+＞にある信号光子に作用して、ベル状態｜ψ+＞にある偏光もつれ光子を生成し、ｎの値が半整数であるように光学デバイス２１０２が作製されているときは、ＨＷＰ２３０２は、ベル状態−｜ψ-＞にある偏光もつれ光子を生成する。
【００９３】
本発明を特定の実施形態に関して説明したが、本発明をこれらの実施形態に限定することは意図していない。本発明の思想内にある変更が当業者には明らかであろう。たとえば、本発明の代替の実施形態では、ＢＤ又はダウンコンバージョン結晶のいずれかを傾けることによって、位相差θを補正することもできる。本発明の代替の実施形態では、化学的に異なるタイプＩ  ＤＣＣ及びタイプII  ＤＣＣを用いることができる。たとえば、本発明の代替の実施形態では、図８に示すもつれ光子源８００のタイプＩ  ＤＣＣ８１０として、約７．７３μｍの分極反転周期を有する周期分極反転ニオブ酸リチウム−酸化マグネシウム結晶を用いることができる。ポンプビーム源（図示せず）を用いて、約５３２ｎｍの波長を有する水平偏光したポンプビーム｜Ｈα＞pを生成することができる。もつれ光子源８００は、８１０ｎｍ及び１５５０ｎｍの波長を有する非縮退信号光子及びアイドラ光子を出力する。本発明の代替の実施形態では、図１６に示す、もつれ光子源１６００のタイプII  ＤＣＣ１６１０として、酸化マグネシウム（「ＭｇＯ」）をドープされ、約１９．４８ｎｍの分極反転周期を有する、周期分極反転ニオブ酸リチウム（「ＬｉＮｂＯ3」）結晶を用いることができる。約７８０ｎｍの波長を有する水平偏光したポンプビーム｜Ｈα＞pをポンプビーム源（図示せず）からもつれ光子源１６００に入力することによって、いずれも約１５６０ｎｍの波長を有する縮退した信号光子及びアイドラ光子が生成される。本発明の代替の実施形態では、図１６に示すもつれ光子源１６００のタイプII  ＤＣＣ１６１０として、約７．８５μｍの分極反転周期を有する、周期分極反転チタンリン酸カリウム（「ＰＰＫＴＰ」）結晶を用いることができる。約３８０ｎｍの波長を有する水平偏光したポンプビーム｜Ｈα＞pをポンプビーム源（図示せず）から入力することによって、もつれ光子源１６００は、いずれも約７８０ｎｍの波長を有する縮退した信号光子及びアイドラ光子を生成する。本発明の代替の実施形態では、図１６に示すもつれ光子源１６００のタイプII  ＤＣＣ１６１０として、約６０ｎｍの分極反転周期を有するＰＰＫＴＰ結晶を用いることができる。約６５５ｎｍの波長を有する水平偏光したポンプビーム｜Ｈα＞pをポンプビーム源（図示せず）からもつれ光子源１６００に入力することによって、いずれも約１３１０ｎｍの波長を有する縮退した信号光子及びアイドラ光子が生成される。本発明の代替の実施形態では、上述したＨＷＰ８０２、１２０２、１６０１及び２００１を、水平偏光したポンプビーム及び垂直偏光したポンプビームが、次のような状態のコヒーレントな線形重ね合わせにあるように作製することができる。
α｜Ｈ＞p＋β｜Ｖ＞p
ただし、α及びβは以下の条件を満たす複素数値の振幅である。
｜α｜2＋｜β｜2＝１
結果として、もつれ光子源８００、１２００、１６００及び２０００内の第１の光ファイバ結合器及び第２の光ファイバ結合器に達する前の垂直偏光及び水平偏光したもつれ信号光子及びアイドラ光子の状態は、以下の式によって表すことができる。
｜φ＞＝α｜Ｈ＞s｜Ｈ＞i＋βｅiθ｜Ｖ＞s｜Ｖ＞i
【００９４】
以上の説明では、説明の便宜上、本発明を完全に理解できるようにするために特定の用語を使用した。しかしながら、本発明を実施するために、特定の細部が必要とされないことは当業者には明らかであろう。本発明の特定の実施形態についての以上の記述は、例示及び説明の目的で提示されたものである。それらは、本発明を網羅すること、又は本発明を開示した形態そのものに限定することを意図したものではない。上記の教示に照らして、数多くの変更及び変形が可能であることは明らかである。それらの実施形態は、本発明の原理及びその実用的な用途を最もわかりやすく説明し、それによって、当業者が、本発明及び様々な実施形態を、意図した特定の用途に適合するように様々な変更を加えて最大限に利用できるようにするために図示及び説明されている。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその等価物によって画定されることが意図されている。
【図１】
2009545004.tif 000018
【図２Ａ】
2009545004.tif 000019
【図２Ｂ】
2009545004.tif 000020
【図３Ａ】
2009545004.tif 000021
【図３Ｂ】
2009545004.tif 000022
【図４】
2009545004.tif 000023
【図５】
2009545004.tif 000024
【図６Ａ】
2009545004.tif 000025
【図６Ｂ】
2009545004.tif 000026
【図６Ｃ】
2009545004.tif 000027
【図７Ａ】
2009545004.tif 000028
【図７Ｂ】
2009545004.tif 000029
【図７Ｃ】
2009545004.tif 000030
【図８】
2009545004.tif 000031
【図９】
2009545004.tif 000032
【図１０】
2009545004.tif 000033
【図１１】
2009545004.tif 000034
【図１２】
2009545004.tif 000035
【図１３】
2009545004.tif 000036
【図１４】
2009545004.tif 000037
【図１５】
2009545004.tif 000038
【図１６】
2009545004.tif 000039
【図１７】
2009545004.tif 000040
【図１８】
2009545004.tif 000041
【図１９】
2009545004.tif 000042
【図２０】
2009545004.tif 000043
【図２１】
2009545004.tif 000044
【図２２】
2009545004.tif 000045
【図２３】
2009545004.tif 000046
【国際調査報告】
2009545004.tif 000047
2009545004.tif 000048
2009545004.tif 000049