(57)【要約】【課題】通信波長帯において狭いスペクトル線幅をもつもつれ光子対を発生させることができる長距離量子通信用量子もつれ光源を提供する。【解決手段】長距離量子通信用量子もつれ光源は、量子通信に用いられる量子もつれ光源であって、非線形結晶と、共振器とを備える。前記非線形結晶は、前記量子通信の伝送路の減衰特性に応じた波長をもつもつれ光子対を発生させる。前記共振器は、前記もつれ光子対を所定の平均周回数以上周回させ、周回させたもつれ光子対を出射させる。【選択図】図２
2019035892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子通信に用いられる量子もつれ光源であって、
前記量子通信の伝送路の減衰特性に応じた波長をもつもつれ光子対を発生させる非線形結晶と、
前記もつれ光子対を所定の平均周回数以上周回させ、周回させた前記もつれ光子対を出射させる共振器と
を備える長距離量子通信用量子もつれ光源。
【請求項２】
前記所定の平均周回数は、前記量子もつれ光源が出射させる前記もつれ光子対を吸収する量子メモリーの吸収波長帯に基づく狭線幅に基づく
請求項１に記載の長距離量子通信用量子もつれ光源。
【請求項３】
前記共振器は、前記もつれ光子対が周回する経路が交差する光路を有する
請求項１または請求項２に記載の長距離量子通信用量子もつれ光源。
【請求項４】
前記非線形結晶に入射させる入射光を発生させる入射光源をさらに備え、
前記入射光源は、
第１の波長をもつ光を発生させる励起レーザと、
前記第１の波長を吸収波長帯に含む気体が封入された気体セルと、
前記気体セルを用いて波長が安定化された前記光の波長を前記第１の波長から第２の波長へと変換する波長変換素子と、
を備える
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の長距離量子通信用量子もつれ光源。
【請求項５】
前記気体セルに用いられる前記気体とは、アセチレンである
請求項４に記載の長距離量子通信用量子もつれ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長距離量子通信用量子もつれ光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子通信とは、光子を用いた通信技術である。量子通信は、インターネット通信や独自のネットワークを用いた通信に用いられる、乱数ビット列である暗号鍵の効率的な生成や、クラウド量子計算への応用が可能である。現在の通信において用いられる暗号化技術は、暗号解読に膨大な計算が必要であるため実質的に解読不可能という意味において安全性を有している。一方、量子通信を用いた暗号化技術は完全な情報セキュリティを保証する。
【０００３】
量子通信では、ネットワークを構成する離れたノード間において量子状態が通信される。ノード間は、光ファイバーなどのチャンネルを用いて接続される。チャネンルを伝搬する光子の吸収及び偏光の解消が起こる確率は、光ファイバーの長さに応じて指数関数的に増大してしまう。ネットワークを構成する離れたノード間において量子通信を実現するために、ノードを接続するチャンネルの長さが長くなるにつれてエラーが起こる確率が増大することが課題となっていた。量子通信の実用化を目指し、任意の長距離に渡りエラーに耐え得るもつれ対を生成する方法が提案されている（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｈ．−Ｊ．Ｂｒｉｅｇｅｌ，Ｗ．Ｄｕｒ，Ｊ．Ｉ．Ｃｉｒａｃ，ａｎｄ  Ｐ．Ｚｏｌｌｅｒ、“Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｒｅｐｅａｔｅｒｓ：Ｔｈｅ  Ｒｏｌｅ  ｏｆ  Ｉｍｐｅｒｆｅｃｔ  Ｌｏｃａｌ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ”、ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ、１９９８年１２月２８日、Ｖｏｌｕｍｅ  ８１、Ｎｕｍｂｅｒ  ２６、ｐ．５９３２‐５９３５
【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、量子通信を実用化するためには、通信波長帯において、量子メモリーの吸収波長帯から要求される狭いスペクトル線幅をもつもつれ光子対を発生させることが求められている。非特許文献１に記載のもつれ光子対の生成方法では、通信波長帯において量子メモリーの吸収波長帯から要求される狭いスペクトル線幅をもつもつれ光子対を生成することまでは考慮されておらず、量子通信の実用化に課題を残している。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、通信波長帯において狭いスペクトル線幅をもつもつれ光子対を発生させることができる長距離量子通信用量子もつれ光源を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の一態様は、量子通信に用いられる量子もつれ光源であって、前記量子通信の伝送路の減衰特性に応じた波長をもつもつれ光子対を発生させる非線形結晶と、前記もつれ光子対を所定の平均周回数以上周回させ、周回させた前記もつれ光子対を出射させる共振器とを備える長距離量子通信用量子もつれ光源である。
【０００８】
また、本発明の一態様は、上記の長距離量子通信用量子もつれ光源において、前記所定の平均周回数は、前記量子もつれ光源が出射させる前記もつれ光子対を吸収する量子メモリーの吸収波長帯に基づく狭線幅に基づく。
【０００９】
また、本発明の一態様は、上記の長距離量子通信用量子もつれ光源において、前記共振器は、前記もつれ光子対が周回する経路が交差する光路を有する。
【００１０】
また、本発明の一態様は、上記の長距離量子通信用量子もつれ光源において、前記非線形結晶に入射させる入射光を発生させる入射光源をさらに備え、前記入射光源は、第１の波長をもつ光を発生させる励起レーザと、前記第１の波長を吸収波長帯に含む気体が封入された気体セルとを備える。
【００１１】
また、本発明の一態様は、上記の長距離量子通信用量子もつれ光源において、前記気体セルに用いられる前記気体とは、アセチレンである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、通信波長帯において狭いスペクトル線幅をもつ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】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る通信システムの一例を示す概念図である。
【図２】本実施形態に係る量子もつれ光源の実施形態の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。図１は、本実施形態に係る量子通信システムＳ１の一例を示す図である。量子通信システムＳ１は、ノードＡ１と、中継器Ｂと、ノードＡ２とを備える。ノードＡ１とノードＡ２とは、中継器Ｂを介して量子通信を行う。ノードＡ１と中継器Ｂとは光ファイバーＦ１を通じて接続され、中継器ＢとノードＡ２とは光ファイバーＦ２を通じて接続されている。
【００１５】
ノードＡ１に備えられた量子もつれ光源Ａ１１は、通信波長帯である１．５マイクロメートルの波長をもつもつれ光子対を発生させる。量子もつれ光源Ａ１１が発生させたもつれ光子対の一方である光ＬＴ１−１は、波長変換素子Ａ１２により量子メモリーＡ１３のメモリー物質の吸収波長帯の波長をもつ光ＬＴ１−３へと変換される。光ＬＴ１−３は、量子メモリーＡ１３のメモリー物質に吸収され保存される。
ノードＡ２に備えられた量子もつれ光源Ａ２１は、通信波長帯である１．５マイクロメートルの波長をもつもつれ光子対を発生させる。量子もつれ光源Ａ２１が発生させたもつれ光子対の一方である光ＬＴ２−１は、波長変換素子Ａ２２により量子メモリーＡ２３のメモリー物質の吸収波長帯の波長をもつ光ＬＴ２−３へと変換される。光ＬＴ２−３は、量子メモリーＡ２３のメモリー物質に吸収され保存される。
【００１６】
量子もつれ光源Ａ１１が発生させたもつれ光子対のうち光ＬＴ１−１でない方である光ＬＴ１−２は、光ファイバーＦ１を通じて光ＬＴ１−２として中継器Ｂへと伝送される。量子もつれ光源Ａ２１が発生させたもつれ光子対のうち光ＬＴ２−１でない方である光ＬＴ２−２は、光ファイバーＦ２を通じて光ＬＴ２−２として中継器Ｂへと伝送される。中継器Ｂへと伝送されたもつれ光子である光ＬＴ１−２は、中継器Ｂに備えられた波長変換素子Ｂ１によりメモリー物質の吸収波長帯の波長をもつ光ＬＴ１−４へと変換される。波長変換素子Ｂ１により波長を変換されたもつれ光子は、量子メモリーＢ２のメモリー物質に吸収され保存される。中継器Ｂへと伝送されたもつれ光子である光ＬＴ２−２は、中継器Ｂに備えられた波長変換素子Ｂ４によりメモリー物質の吸収波長帯の波長をもつ光ＬＴ２−４へと変換される。波長変換素子Ｂ４により波長を変換されたもつれ光子は、量子メモリーＢ３のメモリー物質に吸収され保存される。
ノードＡ１とノードＡ２とは、中継器Ｂによる中継を介して量子もつれを新たに共有し、互いの状態が完全に相関し、暗号化プロトコルを用いれば互いに共通のビット情報を生成することができる。
【００１７】
従来、量子通信は数百キロメートル以下の短距離の通信においてのみ実証されてきた。量子通信の実用化に向けて、数百キロメートル以上の長距離における量子通信を実現する技術が求められている。また、量子通信の実用化に向けて、通信速度の高速化が求められている。量子通信の長距離化及び高速化の課題を解決するために、量子通信において送信機と受信機とを中継する量子中継技術の開発が求められている。
【００１８】
しかしながら、量子中継技術は理論的な提案がなされているのみであり、実証されていなかった。量子中継技術の実証を困難にしていたのは、中継に必要な量子光源や量子メモリーが非効率であったり、量子光源や量子メモリーが効率的に接続されていなかったりしたためである。つまり、量子中継技術を実証するために、量子光源及び量子メモリーの効率化と、量子光源と量子メモリーとの効率的な接続が必要とされている。
量子中継技術を実証するために量子中継技術として、多重化量子メモリー中継技術の導入や、量子光源として狭線幅２光子源（２光子コム）の導入についての技術が知られている。
【００１９】
多重化量子メモリー中継技術では、光ファイバー伝送において、異なる波長の光は多重される（波長分割多重）。ここで、異なる波長の光を多重するとは、異なる波長の光を同時に送信することである。また異なる時刻の光を多重することも可能であり時分割多重と呼ばれる。多重化量子メモリー中継技術では、これら方式により光が多重されている分だけ、通信速度を高速化することができる。また、多重化量子メモリー中継技術では、中継により遠距離において量子もつれを共有するため、長距離の伝送が可能となる。
【００２０】
量子光源として２光子コムの導入する技術では、２光子コムを用いることにより、多重化量子メモリーが光子の吸収を行うために必要となる条件を満たす、通信波長帯に波長をもつ２個の光子が得られる。ここで、多重化量子メモリーが光子の吸収を行うために必要となる条件とは、光子が多重化量子メモリーを構成する物質の吸収波長帯に含まれるだけの狭いスペクトル線幅をもつことである。また、通信波長帯とは、光ファイバーによる長距離の伝送に適した波長帯であり、１．５５マイクロメートル付近の波長を指す。
以下では、本実施形態に係る量子もつれ光源Ａ１１について詳しく説明する。量子もつれ光源Ａ２１の構成は量子もつれ光源Ａ１１と同様である。
【００２１】
図２は、本実施形態に係る量子もつれ光源Ａ１１の実施形態の一例を示す図である。量子もつれ光源Ａ１１は、入射光源１と、ボウタイ型共振器２とを備える。
入射光源１は、励起レーザ１０と、波長変換素子１１と、安定化気体セル１２と、プローブ光生成用反射鏡１３と、光検出器１４とを備える。
【００２２】
励起レーザ１０は、通信波長帯の波長の光ＬＴ１を出力する。光ＬＴ１の波長は、１．５マイクロメートルである。通信波長帯である波長１．５マイクロメートルの付近には、多くの原子や分子の吸収波長が存在する。励起レーザ１０は、外部共振器型の半導体レーザである。
【００２３】
励起レーザ１０が発生させた光ＬＴ１は、第１ビームスプリッターＳＰ１に入射する。光ＬＴ１の一部は、第１ビームスプリッターＳＰ１を透過し光ＬＴ１１として出射する。光ＬＴ１の一部は、第１ビームスプリッターＳＰ１において反射され光ＬＴ１２として出射する。
【００２４】
光ＬＴ１２は、第２ビームスプリッターＳＰ２に入射する。光ＬＴ１２に一部は、第２ビームスプリッターＳＰ２を透過し光ＬＴ１２１として出射する。光ＬＴ１２の一部は、第２ビームスプリッターＳＰ２において反射され光ＬＴ１２２として出射する。光ＬＴ１２２は、ボウタイ型共振器に入射する。
【００２５】
光ＬＴ１２１は、安定化気体セル１２に入射する。安定化気体セル１２に入射した光ＬＴ１２１は、励起光として一部が安定化気体セル１２の気体セルに吸収され、安定化気体セル１２の気体セルに吸収されなかった一部が励起光ＬＴ１２３として安定化気体セル１２から出射する。
安定化気体セル１２は、励起レーザ１０が出力する光ＬＴ１の波長の狭線幅を所定の値以下にして安定化させるために備えられる。ここで、所定の値とは周波数にして数メガヘルツである。
安定化気体セル１２には、一例としてアセチレンガスが封入される。アセチレンは、通信波長帯である波長１．５マイクロメートルの付近に豊富な数の吸収線スペクトルをもつ。つまり、安定化気体セル１２には、通信波長帯である波長１．５マイクロメートルの波長を吸収波長帯に含む気体が封入されている。安定化気体セル１２に入射する励起光である光ＬＴ１２１の波長が、アセチレンの吸収線スペクトルの中心に一致する場合、波長の狭線幅において光ＬＴ１２１の吸収が飽和し、光ＬＴ１２１が安定化気体セル１２のアセチレンに吸収される割合が減少する。
なお、安定化気体セル１２の気体セルに封入される気体は、シアンガスでもよい。
【００２６】
安定化気体セル１２から出射した励起光ＬＴ１２３は、プローブ光生成用反射鏡１３において反射され、プローブ光ＬＴ１２４として安定化気体セル１２に入射する。安定化気体セル１２に入射したプローブ光ＬＴ１２４は、安定化気体セル１２の気体セルに吸収されなかった一部が、プローブ光ＬＴ１３として安定化気体セル１２から出射される。
光検出器１４は、安定化気体セル１２から出射するプローブ光ＬＴ１３を検出する。光検出器１４は、プローブ光ＬＴ１３を検出すると、信号ＳＧ１を生成し励起レーザ１０に出力する。
励起レーザ１０が出力する光ＬＴ１の波長が、アセチレンの吸収線スペクトルの中心に一致する場合、光ＬＴ１２１が安定化気体セル１２のアセチレンに吸収される割合が減少する。光検出器１４は、光ＬＴ１２１が安定化気体セル１２のアセチレンに吸収される割合に基づいて信号ＳＧ１を生成する。光検出器１４は、光ＬＴ１２１が安定化気体セル１２のアセチレンに吸収される割合が減少する吸収線スペクトルの中心において信号ＳＧ１の電圧をゼロとし、吸収線スペクトルの中心からずれる場合において信号ＳＧ１の電圧を正または負の値とする。励起レーザ１０は、信号ＳＧ１の割合の変化をモニタし、信号ＳＧ１の電圧の値がゼロとなるように、励起レーザ１０が出力する光ＬＴ１の波長を調整する。励起レーザ１０は、通信波長帯である波長１．５マイクロメートル付近において、光ＬＴ１の波長を、周波数にして数メガヘルツ程度の幅にまで安定化させる。
【００２７】
第１ビームスプリッターＳＰ１を透過した光ＬＴ１１は、波長変換素子１１に入射する。波長変換素子１１は、光ＬＴ１１の波長を、通信波長帯である波長１．５マイクロメートルから７５０ナノメートルへと変換する。
波長変換素子１１は、一例として周期的分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ：Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  ｐｏｌｅｄ  ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｏｂａｔｅ）である。周期的分極反転ニオブ酸リチウムは、高い非線形性を有する光学結晶であり、第二高調波発生（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）により、入射した光ＬＴ１１の波長の半分の波長をもつ光ＬＴ２を発生させる。つまり、波長変換素子１１は、７５０ナノメートルの波長をもつ光ＬＴ２を発生させる。
波長変換素子１１が発生させた光ＬＴ２はボウタイ型共振器２へと入射する。
【００２８】
入射光源１は、７５０ナノメートルの波長をもつ光ＬＴ２を生成するが、波長の線幅を狭くするためには、外部共振器付き半導体レーザー（通信波長帯である１．５マイクロメートルの波長の光）を用いる。入射光源１は、通信波長帯である１．５マイクロメートルの波長において安定化気体セル１２を用いて励起レーザ１０が生成する光の波長を安定化する。入射光源１は、１．５マイクロメートルにおいて、生成する光の波長の安定化をした後に、波長の安定化をした光を、波長変換素子１１により７５０ナノメートルの波長の光へと変換する。
７５０ナノメートルの波長では、安定化気体セルに封入すべき気体として７５０ナノメートルの波長を吸収波長帯に含む適切な気体が知られていない。一方、入射光源１では、通信波長帯である１．５マイクロメートルの波長を吸収波長帯に含むアセチレンガスを安定化気体セル１２に封入し、光の波長の安定化するために用いることができる。
【００２９】
ボウタイ型共振器２は、第１球面鏡２０と、非線形結晶２１と、第２球面鏡２２と、第１平面鏡２３と、第２平面鏡２４と、積層ピエゾ素子２５と、バンドパスフィルター２６と、集光レンズ２７とを備える。ボウタイ型共振器２は、非線形結晶２１が発生させたもつれ光子対を所定の周回長以上周回させ、通信波長帯である１．５マイクロメートルの波長の狭線幅もつれ光子対を出射させる大型の共振器である。ここで所定の周回長とは、一例として６０センチである。
【００３０】
集光レンズ２７は、入射する光ＬＴ２を集光し光ＬＴ２０とし、第１球面鏡２０に入射させる。
第１球面鏡２０は、入射する光ＬＴ２０を集光しＬＴ２１とする。光ＬＴ２１は、非線形結晶２１に入射する。第１球面鏡２０により、非線形結晶２１には集光された光ＬＴ２１が入射する。第１球面鏡２０は、第２平面鏡２４により反射されたもつれ光子対ＥＰ４をもつれ光子対ＥＰ５として反射する。
第２球面鏡２２は、非線形結晶２１が発生させたもつれ光子対ＥＰ１をもつれ光子対ＥＰ２として反射する。第２球面鏡２２は、非線形結晶２１を透過した光ＬＴ２２を、透過または反射する。光ＬＴ２２の波長はボウタイ型共振器を構成する鏡に高い透過率を示すため、光ＬＴ２２が第２球面鏡２２により反射される割合は小さく、光ＬＴ２２は減衰する。
第１球面鏡２０及び第２球面鏡２２は、球面の反射面を有する。
【００３１】
第１平面鏡２３は、第２球面鏡２２が反射したもつれ光子対ＥＰ２をもつれ光子対ＥＰ３として反射する。
第２平面鏡２４は、第１平面鏡２３が反射したもつれ光子対ＥＰ３をもつれ光子対ＥＰ４として反射する。第２平面鏡２４に入射するもつれ光子対ＥＰ３の中には、もつれ光子対ＥＰ６として出射するものがある。
第１平面鏡２３及び第２平面鏡２４は、平面の反射面を有する。
第１球面鏡２０、第２球面鏡２２、及び第１平面鏡２３の反射率は、１．５マイクロメートルの光に対して９９．９パーセント以上である。第２平面鏡２４の反射率は、１．５マイクロメートルの光に対して９５パーセント以上である。
【００３２】
積層ピエゾ素子２５は、第１平面鏡２３の位置を調整する。ボウタイ型共振器２にはＬＴ１２２が入射し、入射したＬＴ１２２の反射もしくは透過光をみることにより、積層ピエゾ素子２５の制御に用いられる。光ＬＴ１２２の波長は１．５マイクロメートルであり、励起レーザ１０により安定化気体セル１２を用いて波長の安定度は周波数にして数メガヘルツ以下にまで狭められている。積層ピエゾ素子２５は、光ＬＴ１２２の波長１．５マイクロメートルに、ボウタイ型共振器２を周回するもつれ光子対が共振するように第１平面鏡２３の位置を調整する。
積層ピエゾ素子２５は、電圧が印加されることにより厚みが変化する。積層ピエゾ素子２５には、第１平面鏡２３が張り付けられており、積層ピエゾ素子２５の厚みが変化することにより第１平面鏡２３の位置が調整される。
【００３３】
非線形結晶２１は、入射した光ＬＴ２１の一部からもつれ光子対ＥＰ１を生成する。もつれ光子対ＥＰ１の波長は、光ＬＴ２１の波長７５０ナノメートルの２倍である１．５マイクロメートルである。
非線形結晶２１は、一例として周期的分極反転ニオブ酸リチウムである。非線形結晶２１は、パラメトリック下方変換（ＰＤＣ：Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  ｄｏｗｎ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）により、入射した光ＬＴ２１の２倍の波長をもつもつれ光子対ＥＰ１を生成する。
入射した光ＬＴ２１の一部は、非線形結晶２１を光ＬＴ２１として透過する。第１球面鏡２０により反射されたもつれ光子対ＥＰ５は、非線形結晶２１をもつれ光子対ＥＰ１として透過する。
【００３４】
バンドパスフィルター２６は、通信波長帯である１．５マイクロメートル付近の波長をもつ光を透過させ、１．５マイクロメートル付近以外の波長をもつ光を減衰させる。第２平面鏡２４を透過したもつれ光子対ＥＰ６は、バンドパスフィルター２６に入射する。バンドパスフィルター２６は、入射するもつれ光子対ＥＰ６を光ＬＴ１−１及び光ＬＴ１−２として透過させる。光ＬＴ１−１及び光ＬＴ１−２はもつれ光子対である。
【００３５】
ボウタイ型共振器２では、ボウタイ型の共振器である。つまり、ボウタイ型共振器２は、もつれ光子対が周回する経路が交差する光路を有している。ボウタイ型共振器２はボウタイ型であるため、光ＬＴ２１及びもつれ光子対ＥＰ５は、第１球面鏡２０から第２球面鏡２２の向きへと非線形結晶２１に入射する。ボウタイ型共振器２では、ファブリー・ペロー共振器などとは異なり、ビームが共振器内を周回するときに、一方向からしか非線形結晶２１に入射しない。ボウタイ型共振器２では、戻り光が励起レーザ１０に戻り周波数安定化を困難にすることなどを抑制することができる。
ボウタイ型共振器２では、光ＬＴ２１は集光レンズ２７及び第１球面鏡２０により集光されるため、絞られたビームを非線形結晶２１に入射することができる。
【００３６】
ボウタイ型共振器２では、周回長および平均周回数は、量子もつれ光源Ａ１１が出射させるもつれ光子対である光ＬＴ１−１及び光ＬＴ１−２を吸収する量子メモリーの吸収波長帯に基づく線幅に基づいて決められる。ここで、もつれ光子対である光ＬＴ１−１及び光ＬＴ１−２を吸収する量子メモリーの吸収波長帯に基づく狭線幅とは、数メガヘルツ以下である。
出射されるビーム波長の線幅は、一般に共振器内を周回するビームの寿命に反比例する。共振器内を周回するビームの寿命は、共振器の周回長に比例するため、出射されるビームの波長の線幅は、共振器の周回長に反比例する。一方、共振器の周回長を長くし過ぎると、回折によるビームの損失や、非線形結晶２１を通過することによるビームの損失などのために、共振器から出射できるビームの量が減ってしまう。ボウタイ型共振器２では、光子対の周回長が例えば６０センチメートルにされている。これにより、ボウタイ型共振器２は、量子メモリーの吸収波長帯に基づく狭線幅をもつもつれ光を出射することを可能にしている。
ボウタイ型共振器２は、共振器としては大型であるが、ボウタイ型共振器２ボウタイ型であるため、同じ長さの周回長をもつリング型の共振器に比べ、占有する面積が小さくて済む。
【００３７】
以上に説明したように、本実施形態に係る量子もつれ光源Ａ１１は、量子通信に用いられる量子もつれ光源であって、非線形結晶２１と、ボウタイ型共振器２とを備える。
非線形結晶２１は、量子通信の伝送路の減衰特性に応じた波長をもつもつれ光子対ＥＰ１を発生させる。
ボウタイ型共振器２は、もつれ光子対を所定の周回長以上周回させ、周回させたもつれ光子対を出射させる。
【００３８】
この構成により、本実施形態に係る量子もつれ光源Ａ１１は、生成したもつれ光子対のうち共振器の共振波長に合うものだけを取り出すことができるため、通信波長帯において狭いスペクトル線幅をもつもつれ光子対を発生させることができる。
【００３９】
また、本実施形態に係る量子もつれ光源Ａ１１では、所定の周回長および平均周回数は、量子もつれ光源Ａ１１が出射させるもつれ光子対を吸収する量子メモリーの吸収波長帯に基づく狭線幅に基づく。
この構成により、本実施形態に係る量子もつれ光源Ａ１１は、通信波長帯において、量子もつれ光源Ａ１１が出射させるもつれ光子対を吸収する量子メモリーの吸収波長帯に基づく狭線幅をもつもつれ光子対を発生させることができる。
【００４０】
また、本実施形態に係る量子もつれ光源Ａ１１では、共振器（ボウタイ型共振器２）は、もつれ光子対が周回する経路が交差する光路を有する。
この構成により、量子もつれ光源Ａ１１では、非線形結晶２１に入射する入射光の進行方向とは逆向きに進む光がないため、入射光源１側に戻る光がボウタイ型でない共振器の場合に比べて非常に少なく、量子もつれ光源Ａ１１の動作が不安定になることを避けることができる。
【００４１】
また、本実施形態に係る量子もつれ光源Ａ１１は、非線形結晶２１に入射させる入射光を発生させる入射光源１をさらに備える。入射光源１は、励起レーザ１０と、気体セル（安定化気体セル１２）と、波長変換素子１１とを備える。
励起レーザ１０は、第１の波長をもつ光を発生させる。
気体セル（安定化気体セル１２）は、第１の波長を吸収波長帯に含む気体（アセチレンガス）が封入されている。
波長変換素子１１は、気体セル（安定化気体セル１２）を用いて波長が安定化された光の波長を第１の波長から第２の波長へと変換する。
この構成により、量子もつれ光源Ａ１１では、気体セル（安定化気体セル１２）を用いて第１の波長において入射光の波長の安定化をすることができるため、非線形結晶２１に入射する入射光の波長を安定化することができる。
【００４２】
また、本実施形態に係る量子もつれ光源Ａ１１では、気体セル（安定化気体セル１２）に用いられる気体とは、アセチレンである。
この構成により、量子もつれ光源Ａ１１では、通信波長帯である１．５マイクロメートルの波長をもつ光の波長を安定化することができる。
【００４３】
なお、上記の本実施形態においては、量子もつれ光源Ａ１１が量子中継に用いられる場合について説明したが、量子もつれ光源Ａ１１の用途は量子中継のみに限られない。量子もつれ光源Ａ１１は、量子中継を必要としない量子通信に用いられてもよい。量子もつれ光源Ａ１１は、光ファイバーを用いた通信において、通信波長帯の波長の光を、周波数にして数メガヘルツ以下の狭線幅以下にするために用いられてもよい。
【００４４】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
Ｓ１…量子通信システム、Ａ１、Ａ２…ノード、Ａ１１、Ａ２１…量子もつれ光源、Ａ１２、Ｂ１、Ｂ４、Ａ２２…波長変換素子、Ａ１３、Ｂ２、Ｂ３、Ａ２３…量子メモリー、Ｆ１、Ｆ２…光ファイバー、１…入射光源、１０…励起レーザ、１１…波長変換素子、１２…安定化気体セル、１３…プローブ光生成用反射鏡、１４…光検出器、ＳＰ１…第１ビームスプリッター、ＳＰ２…第２ビームスプリッター、２…ボウタイ型共振器、２０…第１球面鏡、２１…非線形結晶、２２…第２球面鏡、２３…第１平面鏡、２４…第２平面鏡、２５…積層ピエゾ素子、２６…バンドパスフィルター、２７…集光レンズ、ＬＴ１、ＬＴ１１、ＬＴ１２、ＬＴ１２１、ＬＴ１２２、ＬＴ２、ＬＴ２０、ＬＴ２１、ＬＴ２２、ＬＴ１−１、ＬＴ１−２、ＬＴ１−３、ＬＴ１−４、ＬＴ２−１、ＬＴ２−２、ＬＴ２−３、ＬＴ２−４…光、ＬＴ１２３…励起光、ＬＴ１３、ＬＴ１２４…プローブ光、ＳＧ１…信号、ＥＰ１、ＥＰ２、ＥＰ３、ＥＰ４、ＥＰ５、ＥＰ６…もつれ光子対
【図１】
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【図２】
2019035892.tif 000004