(57)【要約】【課題】安定的に動作し、コンパクトで持ち運びが可能で、アラインメントフリーな量子テレポーテーション光回路を提供すること。【解決手段】２個のスクイーズド光光源からの２本のスクイーズド光と、それとコヒーレントなレーザー光を量子テレポーテーション光回路に導入する。入力端ＳＱ１、ＳＱ２より導入された２つのスクイーズド光は、２つの出力の分岐比が５０：５０に設定されたマッハ・ツェンダー干渉計１０１−１に入射する。マッハ・ツェンダー干渉計１０１−１の２つの出力光はそれぞれ別のマッハ・ツェンダー干渉計１０１−２、１０２−１に入射する。マッハ・ツェンダー干渉計１０１−２〜１０１−５、１０２−１〜１０２−３を介して、量子力学的相関を有するスクイーズド光にコヒーレントなレーザー光を多段に合波していく構成となっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２個のスクイーズド光光源からの２本のスクイーズド光が入射され、量子力学的相関を有するように干渉させる第１の２入力２出力の合分波器と、
前記第１の２入力２出力の合分波器からの出力光の一方と前記スクイーズド光に対してコヒーレントな光とが入射される第２の２入力２出力の合分波器と、
前記第２の２入力２出力の合分波器の出力光の一方と前記スクイーズド光に対してコヒーレントな光とが入射される第３の２入力２出力の合分波器と、
前記第２の２入力２出力の合分波器の出力光の他方と前記スクイーズド光に対してコヒーレントな光とが入射される第４の２入力２出力の合分波器と、
前記第１の前記第１の２入力２出力の合分波器からの出力光の他方と前記スクイーズド光に対してコヒーレントな光とが入射される第５の２入力２出力の合分波器と、
前記第５の２入力２出力の合分波器の出力光の一方と前記スクイーズド光に対してコヒーレントな光とが入射される第６の２入力２出力の合分波器と、
前記第６の２入力２出力の合分波器の出力光の一方と前記スクイーズド光に対してコヒーレントな光とが入射される第７の２入力２出力の合分波器と、
前記第７の２入力２出力の合分波器の出力光の一方と前記スクイーズド光に対してコヒーレントな光とが入射される第８の２入力２出力の合分波器と、
を平面光回路基板上に形成したことを特徴とする量子テレポーテーション光回路。
【請求項２】
前記第１乃至第８の２入力２出力の合分波器は、２個の方向性結合器を含むマッハ・ツェンダー干渉計であることを特徴とする請求項１に記載の量子テレポーテーション光回路。
【請求項３】
前記マッハ・ツェンダー干渉計は、少なくとも前記マッハ・ツェンダー干渉計の片方のアームの光路長を調節する機構を有することを特徴とする請求項２に記載の量子テレポーテーション光回路。
【請求項４】
前記第１乃至第４、及び第８の２入力２出力の合分波器は、分岐比が５０：５０であり、
前記第５乃至第７の２入力２出力の合分波器は、分岐比が９９：１であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の量子テレポーテーション光回路。
【請求項５】
前記第５乃至第７の２入力２出力の合分波器の分岐割合が大きい方の出力光が、それぞれ前記第６乃至第８の２入力２出力の合分波器に入射していることを特徴とする請求項４に記載の量子テレポーテーション光回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子光通信システムに応用可能な量子テレポーテーション光回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光通信の通信容量が、その古典物理学的限界値に達し用としている。光は、光子の集合体と考えられるが、古典物理学的な光では光子間の相関が無く、光子がランダムに飛来する。そのため、ショットノイズと呼ばれる量子ノイズが存在し、それが通信容量を制限するためである。従って、高度情報化社会の更なる発展のためには、古典物理学的限界（ショットノイズ限界）を破った、光通信の通信容量向上の研究が必須である。
【０００３】
また、通信容量は単位エネルギー当たりに送信可能な情報量で定義されるので、通信容量が上がれば、単位情報当たりの伝送に必要なエネルギーが減る。従って、震災後の日本の将来を考えても、古典物理学的限界を破った、光通信の通信容量向上の研究が強く望まれる。つまり、超大容量＝超低消費エネルギー光通信の研究が望まれる。実際、光ファイバーネットワークには多数の中継器＝光ファイバーアンプが存在しているが、その消費エネルギーは膨大である。これもひとえに、ショットノイズに埋もれないレベルに信号光の強度を高め、Ｓ／Ｎ比を保つためである。光ファイバーアンプの数を減らし、究極的にはこれを無くしても、光通信のＳ／Ｎ比を十分保てる手法の確率は非常に重要である。
【０００４】
近年の研究から、受信側で量子力学的操作を用いれば、ショットノイズを回避し、古典物理学的限界値を超えて、光通信の通信容量を上げられることが分かってきている（非特許文献１参照）。ここで重要なことは、光ファイバー中で情報のキャリアとなる光として、レーザー光の利用が望まれることである。これは、レーザー光がコヒーレンスの高い光であって、光ファイバー中で損失を被ってもその状態を保つからであり、レーザーは現在最も安定した光源だからである。従って、レーザー光を変調して情報を載せ、受信側でこれに量子力学的操作を行い、古典物理学的限界を超えた情報を取り出すことが求められている。
【０００５】
そして、そのような量子力学的操作は、量子テレポーテーション光回路を基礎にして実現可能なことが知られている（非特許文献２参照）。ここで、量子テレポーテーション光回路とは、入出力状態の等しい恒等量子演算回路のことであるが、これを用いて万能量子ゲートを構成できる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Masahide Sasaki, et al., “A demonstration of superadditivity in the classical capacity of a quantum channel,” Physics Letters A, Volume 236, Issues 1-2, 1 December 1997, Pages 1-4
【非特許文献２】Jermy L. O’Brien, et al., “Photonic quantum technologies,” Nature Photonics, Vol. 3, December 2009, P. 687-695
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような量子テレポーテーション光回路を実現するためには、回路内の位相揺れや回路内での光の干渉ビジビリティを極限まで安定化する必要があるが、従来の量子テレポーテーション光回路はフリースペースに作られた光学系により組まれていたため、回路内の位相揺れや光の干渉ビジビリティの安定性には限界があり、量子テレポーテーション光回路として性能が低いという課題があった。
【０００８】
また、量子テレポーテーション光回路実現のためには、光を合波するビームスプリッターの分岐比を厳密に作り込み、かつ制御する必要があるが、フリースペースに作られた光学系では分岐比の安定化が困難であるという課題があった。
【０００９】
さらに、フリースペースに作られた光学系は容易に持ち運ぶことができず、アライメントは経時変化し、嵩も大きいという問題があった。従って、実地で用いることは実質的に不可能であった。
【００１０】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、安定的に動作し、コンパクトで持ち運びが可能で、アラインメントフリーな量子テレポーテーション光回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明は、量子テレポーテーション光回路であって、２個のスクイーズド光光源からの２本のスクイーズド光が入射され、量子力学的相関を有するように干渉させる第１の２入力２出力の合分波器と、前記第１の２入力２出力の合分波器からの出力光の一方と前記スクイーズド光に対してコヒーレントな光とが入射される第２の２入力２出力の合分波器と、前記第２の２入力２出力の合分波器の出力光の一方と前記スクイーズド光に対してコヒーレントな光とが入射される第３の２入力２出力の合分波器と、前記第２の２入力２出力の合分波器の出力光の他方と前記スクイーズド光に対してコヒーレントな光とが入射される第４の２入力２出力の合分波器と、前記第１の前記第１の２入力２出力の合分波器からの出力光の他方と前記スクイーズド光に対してコヒーレントな光とが入射される第５の２入力２出力の合分波器と、前記第５の２入力２出力の合分波器の出力光の一方と前記スクイーズド光に対してコヒーレントな光とが入射される第６の２入力２出力の合分波器と、前記第６の２入力２出力の合分波器の出力光の一方と前記スクイーズド光に対してコヒーレントな光とが入射される第７の２入力２出力の合分波器と、前記第７の２入力２出力の合分波器の出力光の一方と前記スクイーズド光に対してコヒーレントな光とが入射される第８の２入力２出力の合分波器と、を平面光回路基板上に形成したことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の量子テレポーテーション光回路において、前記第１乃至第８の２入力２出力の合分波器は、２個の方向性結合器を含むマッハ・ツェンダー干渉計であることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の量子テレポーテーション光回路において、前記マッハ・ツェンダー干渉計は、少なくとも前記マッハ・ツェンダー干渉計の片方のアームの光路長を調節する機構を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の量子テレポーテーション光回路において、前記第１乃至第４、及び第８の２入力２出力の合分波器は、分岐比が５０：５０であり、前記第５乃至第７の２入力２出力の合分波器は、分岐比が９９：１であることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の量子テレポーテーション光回路において、前記第５乃至第７の２入力２出力の合分波器の分岐割合が大きい方の出力光が、それぞれ前記第６乃至第８の２入力２出力の合分波器に入射していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、量子テレポーテーション光回路を、コンパクトで持ち運びが可能で、アラインメントフリーなものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る量子テレポーテーション光回路の概略図である。
【図２】本発明で用いるマッハ・ツェンダー干渉計の構成を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る量子テレポーテーション光回路の平面光回路（ＰＬＣ）チップおよび入出力部の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１９】
図１に、本発明の一実施形態に係る量子テレポーテーション光回路の概略図を示す。２個のスクイーズド光光源からの２本のスクイーズド光と、それとコヒーレントなレーザー光をそれぞれ別個の光ファイバーに導入し、それら光ファイバーと量子テレポーテーション光回路１００を結合することにより、スクイーズド光およびレーザー光を量子テレポーテーション光回路１００に導入する。
【００２０】
入力端ＳＱ１、ＳＱ２より導入された２つのスクイーズド光は、２つの出力の分岐比が５０：５０に設定されたマッハ・ツェンダー干渉計１０１−１に入射する。ここで、図２に、本発明で用いるマッハ・ツェンダー干渉計の構成を示す。マッハ・ツェンダー干渉計は、２個の２入力２出力の方向性結合器２０１−１、２０１−２と２本のアーム２０２−１、２０２−２からなり、片方のアーム２０１−１上にヒーター２０３が設置されている。ヒーター２０３に印加する電力を調整することにより、アーム２０１−１の光路長を調節し、アーム２０１−１、２０１−２の光路長差を調節することで、２つの分岐比を正確に設定することができる。これら２つの出力には量子力学的相関（量子エンタングルメント）があり、この量子力学的相関を用いて量子テレポーテーション光回路を動作させることになる。
【００２１】
マッハ・ツェンダー干渉計１０１−１の２つの出力光はそれぞれ別のマッハ・ツェンダー干渉計１０１−２、１０２−１に入射する。マッハ・ツェンダー干渉計１０１−２、１０２−１は、それぞれ出力光の分岐比が５０：５０、９９：１になるように調整されている。分岐比が５０：５０のマッハ・ツェンダー干渉計１０１−２では、入力端ＬＯ３から導入された光とマッハ・ツェンダー干渉計１０１−１から出力された量子力学的相関を有する光の片方が合波される。その２つの出力光がさらに、分岐比が５０：５０である２つのマッハ・ツェンダー干渉計１０１−３、１０１−４にそれぞれ入射し、マッハ・ツェンダー干渉計１０１−３、１０１−４にて入力端ＬＯ１、ＬＯ２から導入された光と合波され、光検出器群１０５の各光検出器によりそれぞれ強度測定される。
【００２２】
分岐比が９９：１のマッハ・ツェンダー干渉計１０２−１には量子力学的相関を有する光が片方の入力端に入射するだけで、もう片方の入力端に光は入射しない。そしてマッハ・ツェンダー干渉計１０２−１の２つの出力光のうち分岐割合が「１」側の出力は、外部出力用導波路１０４を介して光回路１００の外部へ出力される。分岐割合が「９９」側の出力光は、分岐比９９：１のマッハ・ツェンダー干渉計１０２−２に入射する。
【００２３】
さらに、分岐比９９：１のマッハ・ツェンダー干渉計１０２−２の分岐割合が「９９」側の出力光は、分岐比９９：１のマッハ・ツェンダー干渉計１０２−３に入射する。分岐割合が「９９」側の出力光は、マッハ・ツェンダー干渉計１０２−２、１０２−３で入力端ＬＯ５、ＬＯ６から導入された光とそれぞれ合波される。マッハ・ツェンダー干渉計１０２−２、１０２−３のいずれにおいても、２つの出力光のうち分岐割合が「１」側の出力光は外部出力用導波路１０４から光回路外部へ出力される。
【００２４】
マッハ・ツェンダー干渉計１０２−３の分岐割合が「９９」側の出力光は、分岐比５０：５０のマッハ・ツェンダー干渉計１０１−５に入射し、入力端ＬＯ４からの光と合波された後、光検出器群１０５の各光検出器によりそれぞれ強度測定される。
【００２５】
さらに、図１に示す実施形態では、量子テレポーテーション光回路１００と複数の光ファイバーとの調芯のために利用する調芯用導波路１０３−１、１０３−２が設けてある。調芯用導波路１０３−１、１０３−２は必須ではないが、調芯を容易にするために設けておくことが望ましい。
【００２６】
以上のようにして、入出力状態が同じ恒等量子演算回路である量子テレポーテーション光回路を構成する。
【００２７】
図３に、本発明の一実施形態に係る量子テレポーテーション光回路の平面光回路（ＰＬＣ）チップおよび入出力部の概略図を示す。図３に示す量子テレポーテーション光回路１００のＰＬＣチップは、図１に示す量子テレポーテーション光回路１００を平面光回路（ＰＬＣ）基板上に形成したものである。
【００２８】
図１に示すように、量子テレポーテーション光回路１００の入力は１０本あるため、それらに接続する１０本の光ファイバーからなるファイバアレイ３０１をＶ溝付きガラスブロック３０２に固定する。量子テレポーテーション回路１００のＰＬＣチップは２本の調芯用導波路１０３−１、１０３−２を備えているため、ガラスブロック３０２と量子テレポーテーション光回路１００のＰＬＣチップを接続することで一度に調芯が可能となっている。
【００２９】
また、量子テレポーテーション光回路１００のＰＬＣチップの途中から９９：１の分岐比で分岐されたモニタ出力光は、調芯用導波路１０３−１、１０３−２と一緒に導波路端（図３中の下方）に導かれ、調芯用導波路１０３−１、１０３−２からの光と一緒にガラスブロック３０３に固定されたモニタ用ファイバアレイ３０４に結合される。
【００３０】
また、量子テレポーテーション回路１００の主たる出力（６本）はそれぞれ光検出器群１０５の各光検出器に導かれ、それぞれ電気信号に変換される。この際、導波路端からの回折光が漏れなく光検出器群１０５の各光検出器の受光面に到達するよう、また、各光検出器の帯域を考慮し、受光面の大きさや導波路端から光検出器群１０５の各光検出器までの距離を適切に設計することが望ましい。
【００３１】
量子テレポーテーション光回路１００が上述した物理的な構造をとることにより、従来、１ｍ×１ｍ程度の面積を有する光学定盤上で行なっていた量子テレポーテーション実験を１０ｃｍ×１０ｃｍ（面積比１００分の１）の大きさで実行が可能になる。しかも、量子テレポーテーション光回路１００がシリコン基板上にモノリシック形成されており、振動や温度変化等による動作不安定性が全くなく、極めて良好な特性をえることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１００  量子テレポーテーション光回路
１０１、１０２  マッハ・ツェンダー干渉計
１０３  調芯用導波路
１０４  外部出力用導波路
１０５  光検出器群
２０１  方向性結合器
２０２  アーム
２０３  ヒーター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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