(57)【要約】【課題】  エンタングル状態を用いて、光速を超える信号伝達速度を実現する通信方法を提供すること。【解決手段】  受信者は、１／４波長遅相子と、２つの光経路のうち片方に等方的な非線形光学材料を配置したマッハ−ツェンダー干渉計を準備する。偏光方向がエンタングル状態にある２光子のうち、第１の光子を送信者に送付し、残りの第２の光子を受信者へ送付する。送信者は、送りたい情報に応じて垂直方向または４５度方向を選択し、時刻１に垂直偏光または４５度偏光を透過する偏光板を通過させた後で第１の光子の測定を行う。受信者は時刻１よりも後の時刻２に第２の光子を、上記１／４波長遅相子を通過させた後で上記マッハ−ツェンダー干渉計に入力し、上記マッハ−ツェンダー干渉計の２つの出力それぞれにおいて光子の測定を行う。このとき受信者は上記２つの出力のどちらで光子が検出されるかによって信号を判別する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信者は、１／４波長遅相子と、２つの光経路のうち片方に等方的な非線形光学材料が配置されたマッハ−ツェンダー干渉計を準備し、
受信者は、上記マッハ−ツェンダー干渉計において、上記等方的な非線形光学材料の非線形屈折率効果により、直線偏光の光子は第１出力にのみ光が出力され円偏光の光子は第２出力にのみ光が出力されるように、２つの光経路の光路長を設定しておき、
送信者と受信者は偏光方向がエンタングル状態にある２光子のうち、第１の光子を送信者に送付し、第２の光子を受信者へ送付し、
送信者は時刻１に、第１の信号レベルを送信する場合には、垂直偏光を透過する偏光板を通過させた後で第１の光子の測定を行い、
また送信者は、第２の信号レベルを送信する場合には、４５度偏光を透過する偏光板を通過させた後で第１の光子の測定を行い、
次に受信者は、時刻１よりも後の時刻２に第２の光子を、上記１／４波長遅相子を通過させた後で上記マッハ−ツェンダー干渉計に入力し、上記マッハ−ツェンダー干渉計の２つの出力において光子の測定を行い、
受信者は、上記マッハ−ツェンダー干渉計の第１出力で光子が検出された場合には第１の信号レベルであると判別し、
また受信者は、上記マッハ−ツェンダー干渉計の第２出力で光子が検出された場合には第２の信号レベルであると判別する、
以上の過程を含むことを特徴とした通信方法。
【請求項２】
請求項１において、
直線偏光と円偏光に対する上記等方的な非線形光学材料の屈折率の差をΔｎ、第２の光子の波長をΛとしたとき、上記等方的な非線形光学材料の長さＬを、
Δｎ×Ｌ／Λ＝１／２
を満たすように設定することを特徴とする通信方法。
【請求項３】
２つの光経路のうち片方に等方的な非線形光学材料が配置されたマッハ−ツェンダー干渉計において、
上記等方的な非線形光学材料の非線形屈折率効果により、直線偏光の光子は上記マッハ−ツェンダー干渉計の第１出力にのみ光が出力され、円偏光の光子は上記マッハ−ツェンダー干渉計の第２出力にのみ光が出力されるように、２つの光経路の光路長が設定され、
更に上記マッハ−ツェンダー干渉計の入力部の前に、１／４波長遅相子が配置され、
入力された光を、上記１／４波長遅相子を通過させた後に上記マッハ−ツェンダー干渉計に入力し、上記マッハ−ツェンダー干渉計の第１出力と第２出力において上記入力された光を検出する、
ことを特徴とする光受信装置。
【請求項４】
請求項３において、
直線偏光と円偏光に対する上記等方的な非線形光学材料の屈折率の差をΔｎ、第２の光子の波長をΛとしたとき、上記等方的な非線形光学材料の長さＬが、
Δｎ×Ｌ／Λ＝１／２
を満たすことを特徴とする光受信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子状態であるエンタングル状態を利用した通信方法に関し、特に等方的な非線形光学材料の非線形屈折率効果を利用する通信方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の通信技術は電気通信、電波通信または光ファイバー通信が広く実用化されている。この電気、電波または光を用いる通信では、信号伝達速度は光速以下となる。一方、基礎研究の分野では量子力学の原理を元にした、量子通信技術の研究が盛んに行われている。この量子通信技術の分野ではエンタングル状態（もつれた状態）を用いて、盗聴攻撃に強い量子暗号を開発する研究が行われている（例えば非特許文献１「工学系のための量子光学」、森北出版、第１０章、または特許文献１「特願平１１−７００号」参照）。また、エンタングル状態とベル測定と呼ばれる操作を用いて、コピー元の量子状態を別の系に再現させる量子テレポーテーションも研究されている（例えば非特許文献１「工学系のための量子光学」、森北出版、第１０章参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特願平１１−７００号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】井上  恭著「工学系のための量子光学」、森北出版
【非特許文献２】尾崎義治、朝倉利光訳「基本光工学１」、森北出版
【非特許文献３】尾崎義治、朝倉利光訳「基本光工学２」、森北出版
【非特許文献４】黒田和男著「非線形光学」、コロナ社
【非特許文献５】Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１２，５０７（１９６４）
【非特許文献６】「量子力学の発展」、サイエンス社
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらの量子暗号または量子テレポーテーションにおいても、実際に情報を伝達するには光速以下の速度での通信過程が必要とされており、信号伝達速度は光速以下となる。エンタングル状態に対する測定を行うと、波束の収縮（エンタングル状態の干渉性の消失）が瞬時に起こり、エンタングル状態の各部分系の測定結果に強い相関（１００％の相関）が生じる。しかし、エンタングル状態に対する個々の測定結果は全くランダムであり、測定結果を任意に選ぶことができないため、送信者が情報を送信することには利用できないと言われている（例えば非特許文献１「工学系のための量子光学」、森北出版、第９章参照）。
【０００６】
そこで本発明の目的は、エンタングル状態に対する測定結果のランダム性に起因した通信技術への応用の困難を克服して、光速を超える信号伝達速度を実現する通信方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面によれば、受信者は、１／４波長遅相子と、等方的な非線形光学材料を用いたマッハ−ツェンダー干渉計を準備する。上記マッハ−ツェンダー干渉計には、干渉計を構成する２つの光経路のうち片方に、上記等方的な非線形光学材料が配置されている。また、上記マッハ−ツェンダー干渉計の入力の前に上記１／４波長遅相子が設置される。
【０００８】
送信者と受信者は偏光方向がエンタングル状態にある２光子を準備する。そして、上記エンタングル状態の２光子のうち、第１の光子を送信者に送付し、残りの第２の光子を受信者へ送付する。
【０００９】
上記等方的な非線形光学材料は、その非線形光学効果（非線形屈折率効果）により、直線偏光の光子に対する屈折率と円偏光の光子に対する屈折率が異なる。そのため、直線偏光の光子は上記マッハ−ツェンダー干渉計の第１出力にのみ光が出力され、円偏光の光子は上記マッハ−ツェンダー干渉計の第２出力にのみ光が出力されるように、上記マッハ−ツェンダー干渉計を設定できる。
【００１０】
予め送信者と受信者間で決めておいた時刻１に、送信者は「１」を送信する場合は、垂直偏光を透過する偏光板を通過させた後で第１の光子の測定（光子の検出）を行う。また送信者は「０」を送信する場合は、４５度偏光を透過する偏光板を通過させた後で第１の光子の測定を行う。
【００１１】
次に受信者は時刻１よりも後の時刻２に、第２の光子を上記１／４波長遅相子を通過させる。その後、第２の光子を上記マッハ−ツェンダー干渉計に入力し、上記マッハ−ツェンダー干渉計の２つの出力それぞれにおいて光子の測定（光子の検出）を行う。このとき受信者は、「上記マッハ−ツェンダー干渉計の第１出力で光子が検出された場合」には信号「１」と判別する。また受信者は、「上記マッハ−ツェンダー干渉計の第２出力で光子が検出された場合」には信号「０」と判別する。
【００１２】
上記の方法では、送信者が第１の光子の偏光状態を垂直方向で測定するか４５度方向で測定するかの２選択を通信に用いる。つまり、測定結果自体を送信に用いるわけではないため、エンタングル状態の測定結果自体はランダムであっても構わない。測定によるエンタングル状態の波束の収縮（干渉性の消失）は極短い時間に瞬間的に起こるとされている。そのため上記時刻１と上記時刻２は、送信者と受信者がどのような距離離れていても極短い時間に設定できる。したがって原理的に光速以上の信号伝達速度を達成しうる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、エンタングル状態の測定結果のランダム性に起因した通信技術への応用の困難を克服して、光速を超える信号伝達速度を実現する通信方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１において、偏光板が垂直の場合の構成図。
【図２】実施例１において、偏光板が４５度の場合の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。
【実施例】
【００１６】
図１から図２を用いて実施例１を説明する。図１において光源１から偏光状態がエンタングルした（もつれた）第１の光子２と第２の光子３が、それぞれ反対方向へ放射される。図中、第１の光子２と第２の光子３の伝播方向を実線矢印で図示した。光子の垂直方向の偏光状態を｜Ｖ＞、水平偏光状態を｜Ｈ＞とすると、上記エンタングル状態は以下の（式１）で表される。
【００１７】
【数１】
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ここで添え字Ａは第１測定器５へ向かう第１の光子２を表し、添え字Ｂは第２測定器１２または第３測定器１３へ向かう第２の光子３を表す。したがって上記の（式１）は、第１の光子２と第２の光子３がともに水平偏光である状態と、第１の光子２と第２の光子３がともに垂直偏光である状態がエンタングルして（もつれて）いることを示している。特にこの（式１）であらわされる状態は、垂直方向と水平方向に限らず、任意の角度の偏光状態とそれに直交する偏光状態の組み合わせを用いても同様に表すことが出来る（例えば非特許文献１「工学系のための量子光学」、森北出版、第９章参照）。
【００１８】
図１において、第１の光子２は垂直偏光を透過する偏光板４により垂直偏光成分のみが第１測定器５へ向かう。図中、偏光板４を通過した第１の光子２を点線矢印で図示した。また偏光板４を通過した第１の光子２が垂直偏光成分であることを縦方向の両側矢印で図示した。ここで第１測定器５にて第１の光子２が検出されると、第１の光子２が垂直偏光であることが確定する。また第１測定器５にて第１の光子２が検出されなかった場合は第１の光子２が水平偏光であることが確定する（例えば非特許文献１「工学系のための量子光学」、森北出版、第９章参照）。
【００１９】
図１において、第１の光子２に対する上記測定により波束の収縮（干渉性の消失）が起こり、第２の光子３も第１の光子２と同じ偏光状態に確定する。これは上記エンタングル状態の特性である（例えば非特許文献１「工学系のための量子光学」、森北出版、第９章参照）。
【００２０】
上記第１の光子２に対する測定の後、第２の光子３は１／４波長遅相子６を通過する。このとき、一般に１／４波長遅相子６は速軸と遅延軸の２つの直交する結晶軸を持つが、上記偏光板４の垂直方向と１／４波長遅相子６の上記２つの結晶軸のうち１つを一致させておく。これにより、第２の光子３が垂直偏光または水平偏光である場合には、１／４波長遅相子６を通過する前後で第２の光子３は偏光状態を変えない（例えば非特許文献２「基本光工学１」、森北出版、第６章参照）。図１中、１／４波長遅相子６を通過した後の第２の光子３Ａを表す矢印に縦の両側矢印を図示することで、１／４波長遅相子６の前後で第２の光子３Ａの偏光状態が変わらない（直線偏光のままである）ことを示した。
【００２１】
次に第２の光子３Ａは、ハーフミラー７、ミラー８、ミラー９、ハーフミラー１０、等方的な非線形光学材料１１から構成されるマッハ−ツェンダー干渉計１４に入射する。上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の２つの出力には、第１出力に第２測定器１２が配置され、第２出力に第３測定器１３が配置される。上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の２つの光経路のうち１つに、上記等方的な非線形光学材料１１が配置される。上記等方的な非線形光学材料１１としては、非晶質または液体または気体などの等方的な媒質がある。例えば、二硫化炭素、ピリヂン、ブロモホルム、クロロホルムなどの液体がある（例えば非特許文献５「Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１２，５０７（１９６４）」参照）。上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の２つの光経路長を調整することにより、第２の光子３Ａが直線偏光である場合に、第２測定器１２でのみ第２の光子３Ａが検出されるように設定できる。これには、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の２つの光経路を通ってきた光が、第２測定器１２へ向かう経路では干渉により強めあい、第３測定器１３へ向かう経路では干渉により打ち消しあうようにする（例えば非特許文献６「量子力学の発展」、サイエンス社、１８８ページ参照）。図１中、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の出力部分に、第２測定器１２へ向かう矢印のみ図示することで、第２測定器１２でのみ第２の光子３Ａが検出される状況を示した。
【００２２】
ここで上記等方的な非線形光学材料１１は、第２の光子３が直線偏光であるか円偏光であるかに従って、その屈折率が異なる。これは上記等方的な非線形光学材料１１の非線形屈折率効果の一つである（例えば非特許文献４「非線形光学」、コロナ社、第６章章末問題１、または非特許文献５「Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１２，５０７（１９６４）」参照）。したがって第２の光子３Ａが円偏光である場合には、上記とは逆に第３測定器１３でのみ第２の光子３Ａが検出されるように設定することができる。このことは、直線偏光と円偏光に対する上記等方的な非線形光学材料１１の屈折率の差をΔｎ、第２の光子３Ａの波長をΛとしたとき、等方的な非線形光学材料１１の長さＬを
【００２３】
【数２】
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を満たすようにすることで実現可能である。（式２）の条件は、直線偏光と円偏光に対する上記等方的な非線形光学材料１１の屈折率の差Δｎが、波長Λの半分に相当する位相のずれを生じるための条件となっている。そのため、上記の直線偏光の場合とは逆に、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の２つの光経路を通ってきた光が、第２測定器１２へ向かう経路では干渉により打ち消しあい、第３測定器１３へ向かう経路では干渉により強めあうようになる。そのため第２の光子３Ａが円偏光である場合に、第３測定器１３でのみ第２の光子３Ａが検出される。
【００２４】
ここで上記等方的な非線形光学材料１１の非線形屈折率効果により、直線偏光であるか円偏光であるかに従って、その屈折率が異なる理由について説明する（例えば非特許文献４「非線形光学」、コロナ社、第６章章末問題１、または非特許文献５「Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１２，５０７（１９６４）」参照）。非晶質または液体または気体など等方的な非線形光学材料１１においては、３次の非線形光学効果が発現する。この３次の非線形光学効果において、屈折率に寄与する入射光と同じ周波数を持つ分極成分は、次の（式３）で与えられる。
【００２５】
【数３】
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ここで、ａとｂは定数、Ｅは入射光の複素電場ベクトル、Ｅ＊はＥの複素共役ベクトル、（Ｅ＊・Ｅ）または（Ｅ・Ｅ）はベクトルの内積、εは真空の誘電率を表す。また、上記（式３）では、時間と座標に依存して振動する部分は省略して電場の複素振幅のみを表示している。この（Ｅ＊・Ｅ）または（Ｅ・Ｅ）のベクトルの内積は、両者ともに直線偏光の場合は複素電場ベクトルＥの絶対値の２乗となる。一方、円偏光では（Ｅ・Ｅ）は０となり、（Ｅ＊・Ｅ）は複素電場ベクトルＥの絶対値の２乗となる。このため、直線偏光では（式３）の第１項と第２項の両方が屈折率に寄与するのに対して、円偏光では屈折率に寄与する分極成分が（式３）の第１項のみとなる。このことが直線偏光と円偏光の屈折率の差の原因となる。したがって、直線偏光と円偏光に対する上記等方的な非線形光学材料１１の屈折率の差Δｎは次の式で表される。
【００２６】
【数４】
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ここで（式３）と同じくｂは定数であり、｜Ｅ｜は入射光の複素電場ベクトルの振幅、ｎは非線形屈折率効果に起因するものではない非線形光学材料１１の本来の屈折率である。また（式３）と（式４）では上記非特許文献４「非線形光学」における表式に倣った。（非特許文献５「Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１２，５０７（１９６４）」では使用される単位系の違いで（式３）と（式４）は定数倍異なる表式となっている。）
【００２７】
図２に、第１の光子２が４５度偏光を透過する偏光板４を通った後で、第１測定器５において第１の光子２が測定される場合を示す。図２は偏光板４の角度が４５度であること以外は図１と同じ構成となっている。この場合、第１測定器５において第１の光子２が検出されると、第１の光子２と第２の光子３の偏光がともに４５度偏光に確定する。第１の光子２が検出されない場合は、第１の光子２と第２の光子３の偏光がともに−４５度偏光に確定する。これは、（式１）で表される上記エンタングル状態が、任意の角度の偏光状態とそれに直交する偏光状態の組み合わせを用いても同様に表すことが出来ることに起因している（例えば非特許文献１「工学系のための量子光学」、森北出版、第９章参照）。
【００２８】
そのため第２の光子３が１／４波長遅相子６へ入射する際、１／４波長遅相子６の速軸または遅延軸と第２の光子３の偏光方向が±４５度傾いている。このような場合、１／４波長遅相子６を通過した後の第２の光子３Ａは円偏光状態となる（例えば非特許文献２「基本光工学１」、森北出版、第６章参照）。図２中、１／４波長遅相子６を通過した後の第２の光子３Ａを表す矢印に円を図示することで、１／４波長遅相子６の後で第２の光子３Ａの偏光状態が円偏光になることを示した。
【００２９】
一方、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４は、第２の光子３Ａが円偏光である場合には、第３測定器１３でのみ第２の光子３Ａが検出されるように設定されていた。したがって、図２で１／４波長遅相子６を通過して円偏光となった第２の光子３Ａが上記マッハ−ツェンダー干渉計１４に入射すると、第３測定器１３でのみ第２の光子３Ａが検出される。図２中、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の出力部分に、第３測定器１３へ向かう矢印のみ図示することで、第３測定器１３でのみ第２の光子３Ａが検出される状況を示した。つまり、図２のように第２の光子３の偏光が±４５度であることを、上記１／４波長遅相子６での円偏光への変換と、上記等方的な非線形光学材料１１の非線形屈折率効果により判別することができる。
【００３０】
ここで上記の構成を通信に用いる方法を説明する。受信者は、１／４波長遅相子６と等方的な非線形光学材料１１を用いたマッハ−ツェンダー干渉計１４を準備する。上記マッハ−ツェンダー干渉計１４には、干渉計を構成する２つの光経路のうち片方に、上記等方的な非線形光学材料１１が配置されている。また、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の入力の前に上記１／４波長遅相子６が設置される。上記等方的な非線形光学材料１１は、その非線形光学効果（非線形屈折率効果）により、直線偏光の光子に対する屈折率と円偏光の光子に対する屈折率が異なる。そのため、直線偏光の光子は上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の第１出力である第２測定器１２にのみ光が出力され、円偏光の光子は上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の第２出力である第３測定器１３にのみ光が出力されるように、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４を設定できる。
【００３１】
送信者と受信者は偏光方向がエンタングル状態にある２光子を準備する。そして、上記エンタングル状態の２光子のうち、第１の光子２を送信者に送付し、残りの第２の光子３を受信者へ送付する。
【００３２】
予め送信者と受信者間で決めておいた時刻１に、送信者は「１」を送信する場合は、垂直偏光を透過する偏光板４を通過させた後で第１の光子２の測定（光子の検出）を行う。また送信者は「０」を送信する場合は、４５度偏光を透過する偏光板４を通過させた後で第１の光子２の測定を行う。
【００３３】
次に受信者は時刻１よりも後の時刻２に、第２の光子３を上記１／４波長遅相子６を通した後で上記マッハ−ツェンダー干渉計１４に入力し、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の２つの出力それぞれにおいて光子の測定（光子の検出）を行う。このとき受信者は、「上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の第１出力である第２測定器１２で光子が検出された場合」には信号「１」と判別する。また受信者は、「上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の第２出力である第３測定器１３で光子が検出された場合」には信号「０」と判別する。上記で説明したことから、この方法で第２の光子３の偏光状態を判別することが可能であることが分かる。
【００３４】
上記の方法では、送信者が第１の光子２の偏光状態を垂直方向で測定するか４５度方向で測定するかの２選択を通信に用いる。つまり、測定結果自体を送信に用いるわけではないため、エンタングル状態の測定結果自体はランダムであっても構わない。実際、送信者が第１の光子２の偏光状態を垂直方向で測定した場合には、測定結果は垂直偏光または水平偏光となる。また、送信者が第１の光子の偏光状態を４５度方向で測定した場合には、測定結果は±４５度偏光となる。このように測定結果自体はランダムである。しかし上記実施例１の方法によって受信者は、送信者が行った垂直方向または４５度方向の２選択を判別することができる。
【００３５】
測定によるエンタングル状態の波束の収縮（干渉性の消失）は極短い時間に瞬間的に起こるとされている。そのため時刻１と時刻２は送信者と受信者がどのような距離離れていても極短い時間に設定できる。したがって原理的に光速以上の信号伝達速度を達成しうる。
【００３６】
上記の実施例１では（式１）で表される偏光状態がエンタングルした（もつれた）２光子を用いたが、下記の（式５）または（式６）で表されるエンタングルした（もつれた）２光子を用いても良い。
【００３７】
【数５】
2011166250.tif 000007
（式５）のエンタングル状態は第１の光子２と第２の光子３の片方が垂直偏光、片方が水平偏光である２状態がエンタングルしたものになっている。（式６）は（式１）と第２項の符号のみが異なる（例えば非特許文献１「工学系のための量子光学」、森北出版、第９章参照）。（式５）または（式６）で表されるエンタングル状態でも、第１の光子２と第２の光子３が垂直偏光と水平偏光のどちらかであるか、または±４５度偏光のどちらかであるようにすることができる。これには上記実施例１と同様に、第１の光子２の偏光状態を垂直方向で測定するか４５度方向で測定するかの２選択を行えば良い。したがって、これらの場合にも上記実施例１と同じ通信方法を用いることが出来る。
【符号の説明】
【００３８】
１  光源
２  第１の光子
３  第２の光子
３Ａ  １／４波長遅相子を通過した後の第２の光子
４  偏光板
５  第１測定器
６  １／４波長遅相子
７  ハーフミラー
８  ミラー
９  ミラー
１０  ハーフミラー
１１  等方的な非線形光学材料
１２  第２測定器
１３  第３測定器
１４  マッハ−ツェンダー干渉計
【図１】
2011166250.tif 000008
【図２】
2011166250.tif 000009