(57)【要約】【課題】  １つの非線形媒質により、最大もつれ状態の偏波もつれ光子対を発生する。【解決手段】  ポンプ光を出力するポンプ光源と、ポンプ光を入力し、互いの偏波に相関のあるシグナル光子及びアイドラ光子を出力する非線形媒質１０１と、非線形媒質１０１から出力された光子を、２経路に分岐するビームスプリッタ（ＢＳ）１０２と、２経路に分岐された光子を同一経路に合波して出力するＢＳ１０４と、ＢＳ１０２とＢＳ１０４との間の２経路のうちの一方の経路に挿入され、入力された光子の偏波状態を、入力状態と直交する状態に変換して出力する２分の１波長板（ＨＷＰ）１０３とを備えた。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ光を出力するポンプ光源と、
前記ポンプ光を入力し、互いの偏波に相関のあるシグナル光子及びアイドラ光子を出力する非線形媒質と、
該非線形媒質から出力された光子を、２経路に分岐する光分岐手段と、
前記２経路に分岐された光子を同一経路に合波して出力する光合波手段と、
前記光分岐手段と前記光合波手段との間の前記２経路のうちの一方の経路に挿入され、入力された光子の偏波状態を、入力状態と直交する状態に変換して出力する偏波回転手段と
を備えたことを特徴とする偏波もつれ光子対発生装置。
【請求項２】
ポンプ光を出力するポンプ光源と、
前記ポンプ光を入力し、互いの偏波に相関のあるシグナル光子及びアイドラ光子を出力する非線形媒質と、
該非線形媒質から出力された光子を２経路に分岐し、各々の経路に結合された鏡により反射された光子を同一経路に合波して出力する光合分波手段と、
前記２経路のうちの一方の経路に挿入され、入力された光子の偏波状態を、入力状態と直交する状態に変換して出力する偏波回転手段と
を備えたことを特徴とする偏波もつれ光子対発生装置。
【請求項３】
前記ポンプ光源は、連続光を出力し、
前記２経路における光伝搬時間の差が、前記シグナル光子及びアイドラ光子のコヒーレンス時間より大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の偏波もつれ光子対発生装置。
【請求項４】
前記ポンプ光源は、光パルス列を出力し、
前記２経路における光伝搬時間の差が、前記光パルス列の時間間隔に等しく設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の偏波もつれ光子対発生装置。
【請求項５】
前記２経路の少なくとも一方に、光の位相を調整する光位相調整手段を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の偏波もつれ光子対発生装置。
【請求項６】
前記非線形媒質は、非線形光学結晶からなる非線形導波路であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の偏波もつれ光子対発生装置。
【請求項７】
前記非線形媒質は、非線形光学効果を有する光ファイバであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の偏波もつれ光子対発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏波もつれ光子対発生装置に関し、より詳細には、偏波に関して量子力学的相関を有する光子対を発生する偏波もつれ光子対発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子暗号、量子テレポーテーション等の量子力学を利用した量子情報通信システムが提案されている。量子暗号とは、量子状態を変えずに物理量を観測することが一般にはできないことを利用して、共通鍵暗号方式における鍵配送を行う暗号方式であり、暗号鍵の安全性が量子力学の原理により保証された究極的に安全な暗号通信システムである。量子テレポーテーションとは、量子状態を転送するシステムであり、量子暗号における伝送距離の延長、量子計算機などの量子情報処理装置における信号転送に利用される。
【０００３】
量子力学的相関を有する光子対（量子もつれ光子対）は、以上のような量子情報通信システムにおける重要な要素である。光子の量子状態を量子テレポーテーションにより転送するためには、送信者と受信者の間で量子もつれ光子対を共有することが必要である。量子もつれ光子対を用いることにより、長距離伝送に適した量子暗号システムを実現することできる。
【０００４】
様々な物理量に関しての量子力学的相関を有する量子もつれ光子対が考えられるが、ここでは、偏波状態についての量子もつれ光子対（以下、偏波もつれ光子対という）を想定する。横方向の偏波（Ｈ偏波）を持つ単一の光子の状態を｜Ｈ＞とし、縦方向の偏波（Ｖ偏波）を持つ単一の光子の状態を｜Ｖ＞とする。偏波もつれ状態にある光子対の一方をシグナル光子、他方をアイドラ光子と呼ぶことにして、それぞれ添え字ｓ及びｉで表す。このとき、偏波もつれ光子対の状態は、例えば、次の式で表される。
【０００５】
【数１】
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【０００６】
このシグナル−アイドラ光子対を分離して、互いに離れた観測者ＡおよびＢにそれぞれ送り、両者がそれぞれの光子に対して偏波測定を行うとする。式（１）の意味するところは、観測者ＡがＨ偏波｜Ｈ＞を観測すれば、それと対になる光子について観測者Ｂも必ず｜Ｈ＞を観測する。同様に、観測者Ａが偏波｜Ｖ＞を観測すれば、それと対になる光子について観測者Ｂも必ず｜Ｖ＞を観測する。また、式（１）は、Ｈ−Ｖ偏波の基底を用いているが、これを別の基底、例えば右回り円偏波｜Ｒ＞と左回り円偏波｜Ｌ＞を用いた基底で書き直しても、２光子の偏波に関する相関は保持される。
【０００７】
式（１）のように、２つの積状態間の位相差がゼロ又はπであるような量子もつれ状態は、上述した量子力学的相関を最も顕著に観測できるので、“maximally entangled state”（最大もつれ状態）と呼ばれる。以上に述べた、２光子間の量子力学的偏波相関を巧みに用いることにより、量子暗号や、量子テレポーテーションを実現することができる。
【０００８】
上述の偏波もつれ光子対を発生する手段としては、非線形光学効果を利用する方法がある。２次の非線形光学媒質に、周波数ｆｐのポンプ光が入力すると、  
ｆp＝ｆｓ＋ｆi                                  （２）
を満たす周波数ｆsのシグナル光子と周波数ｆiのアイドラ光子を同時に発生する。この現象は、ＰＤＣ（parametric down conversion）と呼ばれている。このとき、ポンプ光子、シグナル光子、アイドラ光子の位相φｐ，φs，φiの間には、次の関係が成り立つ。  
φｐ＝φｓ＋φi                        （３）
【０００９】
また、光ファイバなど３次の非線形光学媒質に、周波数ｆpのポンプ光を入力すると、ポンプ光が縮退した自然放出四光波混合（ＳＦＷＭ：spontaneous four-wave mixing）により、  
２fｐ＝fｓ＋fi                        （４）
を満たす周波数ｆｓのシグナル光子と周波数ｆiのアイドラ光子を同時に発生する。ポンプ光子、シグナル光子、アイドラ光子の位相の間には次式の関係が成り立つ。  
２φp＝φｓ＋φi                      （５）
ある種の非線形媒質を用いると、直線偏波のポンプ光を入力した場合、ＰＤＣやＳＦＷＭ過程を介して、ポンプ光と同じ直線偏波のシグナル−アイドラ光子対を発生することができる。例えば、Ｈ偏波のポンプ光を入力すると、｜Ｈ＞ｓ、｜Ｈ＞iで表される光子対が発生する。
【００１０】
図１に、従来の偏波もつれ光子対発生装置の動作原理を示す。ＰＤＣを用いて偏波もつれを得るには、ある特定の軸方向の直線偏波のポンプ光入力に対して、ポンプ光と同一偏波のシグナル−アイドラ光子対を発生し、特定の軸方向と直交する偏波のポンプ光入力に対して、光子対を発生しない非線形媒質を２つ用意する（例えば、非特許文献１参照）。この非線形媒質を、結晶軸を互いに９０°傾けて直列に配置する。第１の非線形媒質１１は、０°の直線偏波（Ｈ偏波）のポンプ光入力に対して、シグナル−アイドラ光子対を発生し、９０°の直線偏波（Ｖ偏波）に対して、何も発生しないように軸方向を調整して配置されている。一方、第２の非線形媒質１２は、９０°の直線偏波のポンプ光入力に対して、シグナル-アイドラ光子対を発生し、０°の直線偏波に対して、何も発生しないように配置されている。
【００１１】
この非線形媒質に対し、４５°の直線偏波のポンプ光を入力する。４５°直線偏波の光は、０°の直線偏波と、９０°の直線偏波の２成分に分解することができる。この２成分のうち、０°の直線偏波成分は、第１の非線形媒質において｜Ｈ＞s｜Ｈ＞iで表されるＨ偏波のシグナル−アイドラ光子対を発生し、９０°の成分は｜Ｖ＞s｜Ｖ＞iで表されるＶ偏波のシグナル−アイドラ光子対を発生する。
【００１２】
ここで、ポンプ光の強度を十分小さくして、Ｈ偏波の光子対とＶ偏波の光子対とが同時に発生する確率が十分小さくなるようにする。このとき、出力において得られる光子対がＨ偏波であるか、Ｖ偏波であるかは、測定するまで不明である。よって、出力状態は、｜Ｈ＞s｜Ｈ＞iと｜Ｖ＞s｜Ｖ＞iの重ね合わせ状態、すなわち式（１）で表される偏波もつれ状態になっている。
【００１３】
【非特許文献１】P.G.Kwiat, et, al., “Ultrabright source of polarization-entangled photons”, Physical Review A, Vol.60, No.2, pp.R773-R776, 1999
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来の偏波もつれ光子対発生装置は、偏波もつれ光子対を得るために、同一の特性を有する非線形媒質を２個用意する必要がある。また、以下の理由により、長波長帯（１．３μｍ帯又は１．５５μｍ帯）における偏波もつれ光子対の発生が困難であるという問題があった。
【００１５】
光子対を発生させるためには、非線形媒質内でポンプ光、シグナル光子、アイドラ光子の位相速度を整合させる必要がある。光ファイバ網上でこのような偏波もつれ光子対を用いた量子情報通信を行うことを想定すると、光子対の波長帯は長波長帯であることが望ましいが、従来のバルク型非線形媒質では、長波長帯において位相整合条件を満たすことは困難である。
【００１６】
これを解決するために、周期分極反転構造を有する導波路型非線形素子により、長波長帯において擬似位相整合を満たし、効率の良い光子対発生を行う方法が考えられる。この導波路型非線形素子を互いに９０°傾けて直列に配置すれば、図１で説明した手法により偏波もつれ光子対を発生することが、原理的には可能である。このとき、第１及び第２の非線形媒質における光子対の発生率が等しくなることが必要である。
【００１７】
光子対の発生率を等しくするためには、両導波路にポンプ光を等しく基本導波モードとして入力する必要があるが、軸方向が直交している２個の導波路に対してこの条件を満たすのは実際には困難である。従って、導波路型非線形素子を図１で示した手法に適用して、長波長帯の偏波もつれ光子対を得ることは困難である。
【００１８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、１つの非線形媒質により、最大もつれ状態の偏波もつれ光子対を発生する偏波もつれ光子対発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ポンプ光を出力するポンプ光源と、前記ポンプ光を入力し、互いの偏波に相関のあるシグナル光子及びアイドラ光子を出力する非線形媒質と、該非線形媒質から出力された光子を、２経路に分岐する光分岐手段と、前記２経路に分岐された光子を同一経路に合波して出力する光合波手段と、前記光分岐手段と前記光合波手段との間の前記２経路のうちの一方の経路に挿入され、入力された光子の偏波状態を、入力状態と直交する状態に変換して出力する偏波回転手段とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、ポンプ光を出力するポンプ光源と、前記ポンプ光を入力し、互いの偏波に相関のあるシグナル光子及びアイドラ光子を出力する非線形媒質と、該非線形媒質から出力された光子を２経路に分岐し、各々の経路に結合された鏡により反射された光子を同一経路に合波して出力する光合分波手段と、前記２経路のうちの一方の経路に挿入され、入力された光子の偏波状態を、入力状態と直交する状態に変換して出力する偏波回転手段とを備えたことを特徴とする。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記ポンプ光源は、連続光を出力し、前記２経路における光伝搬時間の差が、前記シグナル光子及びアイドラ光子のコヒーレンス時間より大きくなるように設定されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記ポンプ光源は、光パルス列を出力し、前記２経路における光伝搬時間の差が、前記光パルス列の時間間隔に等しく設定されていることを特徴とする。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の偏波もつれ光子対発生装置において、前記２経路の少なくとも一方に、光の位相を調整する光位相調整手段を備えることを特徴とする。
【００２４】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の前記非線形媒質は、非線形光学結晶からなる非線形導波路であることを特徴とする。
【００２５】
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の前記非線形媒質は、非線形光学効果を有する光ファイバであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように、本発明によれば、１つの非線形媒質とマッハツェンダ干渉計またはマイケルソン干渉計に設けられた偏波回転手段という簡易な構成により、最大もつれ状態の偏波もつれ光子対を発生することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。  
【実施例１】
【００２８】
図２に、本発明の実施例１にかかる偏波もつれ光子対発生装置を示す。コヒーレンス時間がτpで表されるＶ偏波の連続するポンプ光を非線形媒質１０１に入力する。非線形媒質１０１は、導波路型非線形素子や、光ファイバ等を用いることができる。非線形媒質１０１から、｜ｔ，Ｖ＞s及び｜ｔ，Ｖ＞iで表される光子対が出力される。ただし、｜ｔ，Ｘ＞において、ｔは光子対発生時刻、Ｘ（＝Ｖ，Ｈ）は偏波状態を表す。
【００２９】
得られた光子対は、２個のビームスプリッタ（ＢＳ）１０２，１０４と、２個の鏡１０５，１０６と、２分の１波長板（ＨＷＰ）１０３とから構成されるマッハツェンダ（ＭＺ）干渉計に入力される。ＢＳ１０２、鏡１０５，１０６及びＢＳ１０４の光路と、ＢＳ１０２、ＨＷＰ１０３及びＢＳ１０４の光路との光伝搬時間にはτの差がある。伝搬時間差τは、τpと、シグナル光子およびアイドラ光子のコヒーレント時間τcに対して次の条件を満たすように設定されている。  
τc＜τ＜τp                        （６）
【００３０】
上記の条件に加え、測定に使用する光子計数器の時間分解能は、τcより小さくなければならない。また、非線形媒質１０１において、シグナル−アイドラ光子のコヒーレント時間τc内に、２対以上の光子対が発生する確率は十分小さく、無視できるとする。
【００３１】
ＭＺ干渉計の一方の光路には、２分の１波長板（ＨＷＰ）１０３が挿入されている。ＨＷＰ１０３においては、入力されたＶ偏波の光は、Ｈ偏波に変換されて出力される。ＭＺ干渉計に｜ｔ，Ｖ＞で表されるシグナル光子またはアイドラ光子を入力すると、出力ではある時刻ｔ′において次のような重ね合わせ状態が得られる。
【００３２】
【数２】
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【００３３】
ただし、δx＝ωxτであり、ωxは、シグナル光子ｘ＝ｓまたはアイドラ光子ｘ＝ｉで表される光子の角周波数である。また、全項に共通する振幅項は、簡単のため省略している（以下同様）。第１項は、ＭＺ干渉計のＨＷＰ１０３を含む光路、第２項は、鏡１０５，１０６を含む光路を、それぞれ通って出力された成分を示す。このとき、干渉計から時刻ｔ′において出力される光子対の状態は次式で表される。
【００３４】
【数３】
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【００３５】
量子暗号、量子テレポーテーションにおいて、偏波もつれ光子対は、互いに離れた２人の観測者によって、それぞれの光子が受信される（同時計数）。従って、式（８）のうち、同時計数に寄与しない第３，４項は無視できる。よって、時刻ｔ′における同時計数により第１項と第２項のみが残り、次に示す偏波もつれ状態｜Ψ′(t′)＞を得る。
【００３６】
【数４】
2006091170.tif 000006
【００３７】
ここで、量子力学的偏波相関が観測可能であるためには、式（９）の２つの積状態間の相対位相差δs＋δiのゆらぎが小さくなければならない。以下の理由により、式（６）の条件を満たせば、相対位相差のゆらぎは小さくなり、安定した偏波もつれ状態を得ることができる。
【００３８】
相対位相差δs＋δiは、（ωs＋ωi)τと書き換えられる。ポンプ光の角周波数をωpとすると、シグナル−アイドラ光子対発生の非線形効果としてＰＤＣを用いた場合及びＳＦＷＭを用いた場合には、式（２），（３）より相対位相差は、それぞれ次のように表すことができる。
δs＋δi＝ωｐτ  （ＰＤＣ）                  （１０）
＝２ωｐτ（ＳＦＷＭ）                （１１）
式（６）の条件の下では、ポンプ光の周波数ゆらぎはコヒーレント時間τ内では十分小さいとみなせるから、相対位相差δs＋δiのゆらぎは小さい。
【実施例２】
【００３９】
図３に、本発明の実施例２にかかる偏波もつれ光子対発生装置を示す。実施例２の構成は、ＨＷＰ２０３を備えたＭＺ干渉計であり、実施例１と同じ構成である。ポンプ光として、ＭＺ干渉計の２経路の伝搬時間差に等しい時間間隔τを有するパルス列を用いる。ポンプ光のコヒーレント時間τp、シグナル光子又はアイドラ光子のコヒーレント時間τcとτとの間には式（６）の関係が成り立っている。また、実施例１の場合と同様、非線形媒質２０１において、シグナル−アイドラ光子のコヒーレント時間τc内に、２対以上の光子対が発生する確率は十分小さく、無視できるとする。
【００４０】
ｋをパルス的に発生するシグナル−アイドラ光子対のタイムスロットの番号とする。このとき、ＭＺ干渉計の鏡２０５，２０６を含む光路を通ったｋ番目の光子対パルスと、ＨＷＰ２０３を含む光路を通ったｋ−１番目の光子対パルスとは、出力として同一のタイムスロットに出力される。このタイムスロットの番号をｍとする。
【００４１】
非線形媒質から出力されたｋ番目のタイムスロットの光子対を｜ｋ，Ｖ＞s及び｜ｋ，Ｖ＞iとする。ここで、｜ｋ，Ｘ＞（Ｘ＝Ｖ，Ｈ）におけるｋは、光子対が発生したタイムスロットを表す。ＭＺ干渉計により、｜ｋ，Ｖ＞xは、
【００４２】
【数５】
2006091170.tif 000007
【００４３】
に変換される。ただし、ｘ＝ｓ，ｉであり、δx＝ωxτである。これを用いると、ｍ番目のスロットにおけるＭＺ干渉計の出力は、
【００４４】
【数６】
2006091170.tif 000008
【００４５】
となる。式（９）と同様の議論から、ＭＺ干渉計出力のｍ番目のスロットでの同時計数により次の偏波もつれ状態｜Ψ'm＞を得る。
【００４６】
【数７】
2006091170.tif 000009
【００４７】
実施例２においては、連続パルスのポンプ光の使用を想定したが、２連続パルスのポンプ光を用いても、偏波もつれ光子対を発生することができる。
【実施例３】
【００４８】
式（９），（１３）においては、２つの積状態（式（９）における｜ｔ，Ｈ＞s｜ｔ，Ｈ＞iと｜ｔ−τ，Ｖ＞s｜ｔ−τ，Ｖ＞i、式（１３）における｜ｋ，Ｈ＞s｜ｋ，Ｈ＞iと｜ｋ−１，Ｖ＞s｜ｋ−１，Ｖ＞i）の間に、相対位相差δs＋δiがあり、式（１）で示した理想的な偏波もつれ状態とは一般には異なる。理想的な偏波もつれ状態にするためには、相対位相差が０又はπとなるように、ＭＺ干渉計の２光路において生じる位相差を調整する必要がある。
【００４９】
図４に、本発明の実施例３にかかる偏波もつれ光子対発生装置を示す。実施例３においては、Ｖ偏波成分の光路に調整可能な位相シフトΔθを与える位相シフタ３０７を、ＭＺ干渉計に挿入する。実施例３は、実施例１の構成に対して、位相シフタ３０７を加えた場合を示すが、実施例２及び後述する実施例４に対して位相シフタ３０７を加えることもできる。
【００５０】
位相シフタ３０７により、δs＋δi＋Δθ＝０となるように、Δθの値を調整する。これにより、式（１）に示すような理想的な偏波もつれ状態を得ることができる。
【実施例４】
【００５１】
図５に、本発明の実施例４にかかる偏波もつれ光子対発生装置を示す。図２に示した実施例１のＭＺ干渉計を、マイケルソン干渉計に置き換えた構成になっている。マイケルソン干渉計は、ＢＳ４０２と、鏡４０５，４０６と、４分の１波長板（ＱＷＰ）４０７とにより構成される。鏡４０５を含む往復の光路と、鏡４０６及びＱＷＰ４０７を含む往復の光路の光伝搬時間の差は、式（６）のτを満たすように設定されている。
【００５２】
干渉計の光路の一方には、４分の１波長板（ＱＷＰ）４０７が挿入されている。入力されたＶ偏波のシグナル−アイドラ光子対は、光路を一往復し、ＱＷＰ４０７を２回通過してＢＳ４０２に戻ると、Ｈ偏波に変換される。この構成によれば、実施例１と同様に、式（６）の条件を満たせば、相対位相差のゆらぎは小さくなり、安定した偏波もつれ状態を得ることができる。
【００５３】
なお、干渉計に挿入する偏波変換手段として、入力された偏波状態を４５度回転して出力するファラデー回転素子を使用することもできる。また、実施例２と同様に、ポンプ光としてパルス列を入力することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】従来の偏波もつれ光子対発生装置の動作原理を示す図である。
【図２】本発明の実施例１にかかる偏波もつれ光子対発生装置を示す図である。
【図３】本発明の実施例２にかかる偏波もつれ光子対発生装置を示す図である。
【図４】本発明の実施例３にかかる偏波もつれ光子対発生装置を示す図である。
【図５】本発明の実施例４にかかる偏波もつれ光子対発生装置を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０１，２０１，３０１，４０１  非線形媒質
１０２，１０４，２０２，２０４，３０２，３０４，４０２  ビームスプリッタ（ＢＳ）
１０３，２０３，３０３  ２分の１波長板（ＨＷＰ）
１０５，１０６，２０５，２０６，３０５，３０６，４０５，４０６  鏡
３０７  位相シフタ
４０７  ４分の１波長板（ＱＷＰ）
【図１】
2006091170.tif 000010
【図２】
2006091170.tif 000011
【図３】
2006091170.tif 000012
【図４】
2006091170.tif 000013
【図５】
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