(57)【要約】【課題】動作時間のかかる機械的駆動を採用せずに、すばやく効率よくエンタングルメントの結合を行い、長距離間のエンタングルメント生成を可能にする装置および方法を提供する。【解決手段】２つの物理系集団間にエンタングルメントを生成する操作、およびエンタングルメントで結ばれた物理系の組を複数結合して、エンタングルメントを生成する距離を延長する操作において、作動部を持たない受動素子と、能動素子ではあっても機械的作動部のない電気光学効果素子のような超高速動作可能な素子、および高速のパルス列を発生することが可能なレーザー光源または連続発振のレーザー光源のみを用いて、物理系のデコヒーレンス時間内にエンタングルメント生成および結合に必要な光照射と、発生光子の測定とを必要箇所で迅速に行う。【選択図】      図７
2004187274.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ複数の物理系を含むn個の集合体A(i)(i=1,2,3,...,n、nは2r、rは2以上の整数である)(ここで、前記複数の物理系のうち少なくとも１つの物理系は3つのエネルギー準位を有し、前記3つのエネルギー準位をエネルギーの低い方からそれぞれ第1の準位、第2の準位、第3の準位とし、前記第1と第2の準位のエネルギー差に相当する角周波数をω12として、第1の準位にある物理系は角周波数ω1のコヒーレントなパルス光の照射により角周波数ω1-ω12の第1の光子を発することができ、第2の準位にある物理系は角周波数ω2のコヒーレントなパルス光の照射により角周波数ω2+ω12の第2の光子を発することができる)と、
集合体A(1)に関する光学系であって、A(1)へのパルス光の光路に設けられた光シャッターS1(1)と、A(1)から発せられる光子の光路に設けられた、第1の光子を選択的に透過する光学フィルターF1(1)とを含む光学系と、
集合体A(n)に関する光学系であって、A(n)へのパルス光の光路に設けられた光シャッターS1(n)と、A(n)から発せられる光子の光路に設けられた、第1の光子を選択的に透過する光学フィルターF1(n)とを含む光学系と、
A(j)(j=2,3,4,...,n-1)に関する光学系であって、A(j)へのパルス光の光路に設けられた光シャッターS1(j)と、A(j)から発せられる光子の光路に設けられた、第1の光子および第2の光子の偏光を透過させる向きに設定された偏光ビームスプリッターT(j)と、偏光ビームスプリッターT(j)を透過した光子の光路に設けられた、第1の光子および第2の光子を透過させ、第2の光子の偏光方向を回転させる偏光子P1(j)と、偏光子P1(j)を透過した光子の光路に設けられた、第1の光子を透過させ、第2の光子を偏光子P1(j)の方向へ反射する光学フィルターF1(j)と、光学フィルターF1(j)を透過した光子の光路に設けられた、第1の光子の偏光を調整する偏光子P2(j)と、光学フィルターF1(j)によって反射され、再び偏光子P1(j)を透過し、偏光ビームスプリッターT(j)によって分岐光路へ反射される第2の光子の分岐光路に設けられ、第2の光子を選択的に透過する光学フィルターF2(j)とを含む光学系と、
光パルスが照射されるべき特定の組の集合体に対応する光学シャッターを選択的に開く制御回路と、
集合体A(2×k-1)で発生し光学フィルターF1(2×k-1)を透過した光子と、集合体A(2×k)で発生し光学フィルターF1(2×k)を透過した光子とを重ね合わせるビームスプリッターB1(k)と(ここで、k=1,2,3,...,n/2である)、
ビームスプリッターB1(k)から2方向へ出力される光子をそれぞれ検出する、対をなす光子検出器D1(2×k-1)およびD1(2×k)と、
集合体A(2×l)で発生し、偏光ビームスプリッターT(2×l)を透過し、偏光子P1(2×l)を透過し、光学フィルターF1(2×l)で反射され、再び偏光子P1(2×l)を透過し、偏光ビームスプリッターT(2×l)で分岐光路に反射され、光学フィルターF2(2×l)を透過した光子と、集合体A(2×l+1)で発生し、偏光ビームスプリッターT(2×l+1)を透過し、偏光子P1(2×l+1)を透過し、光学フィルターF1(2×l+1)で反射され、再び偏光子P1(2×l+1)を透過し、偏光ビームスプリッターT(2×l+1)で分岐光路に反射され、光学フィルターF2(2×l+1)を透過した光子とを重ね合わせるビームスプリッターB2(l)と(ここで、l=1,2,3,...,(n/2)-1である)、
ビームスプリッターB2(l)から2方向へ出力される光子をそれぞれ検出する、対をなす光子検出器D2(2×l)およびD2(2×l+1)と、
それぞれの対の光子検出器に接続され、特定の対の光子検出器のいずれか一方による光子検出に関与した2つの集合体に対応する2つの光シャッターを閉じる信号を発生させる信号処理回路と
を有することを特徴とする量子情報通信装置。
【請求項２】
前記第1の準位と第3の準位との間の光学遷移および前記第2の準位と第3の準位との間の光学遷移は許容され、前記第1の準位と第2の準位との間の光学遷移は実質的に禁止されていることを特徴とする請求項１に記載の量子情報通信装置。
【請求項３】
さらに、角周波数ω1のコヒーレントなパルス光を発する第1の光源と、角周波数ω2のコヒーレントなパルス光を発する第2の光源とを有することを特徴とする請求項１に記載の量子情報通信装置。
【請求項４】
さらに、角周波数ω3のコヒーレントなパルス光を発する単一の光源を有し、角周波数ω3のコヒーレントなパルス光を角周波数ω1のコヒーレントなパルス光および角周波数ω2のコヒーレントなパルス光として用いることを特徴とする請求項１に記載の量子情報通信装置。
【請求項５】
さらに、単一の光源とそれぞれの光シャッターとの間に、それぞれの光シャッターに対応して設置されたビームスプリッターを有することを特徴とする請求項４に記載の量子情報通信装置。
【請求項６】
前記光路の少なくとも一部が光ファイバーであることを特徴とする請求項１に記載の量子情報通信装置。
【請求項７】
前記光シャッターは、電気光学素子および音響光学素子からなる群より選択されることを特徴とする請求項１に記載の量子情報通信装置。
【請求項８】
前記物理系の集合体は、固体材料中に分散させた希土類イオンの集合体であることを特徴とする請求項１に記載の量子情報通信装置。
【請求項９】
前記物理系の集合体は、光ファイバー中に分散させた希土類イオンの集合体であることを特徴とする請求項１に記載の量子情報通信装置。
【請求項１０】
前記物理系の集合体は、密閉された空間に保持された気体であることを特徴とする請求項１に記載の量子情報通信装置。
【請求項１１】
前記物理系の集合体は、光共振器中に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の量子情報通信装置。
【請求項１２】
請求項１の量子情報通信装置を用いた量子情報通信方法であって、
前記集合体A(i)の物理系を第1の準位に準備し、
隣り合う2つの集合体A(2×k-1)とA(2×k)にエンタングルメントを生じさせる第1段階の操作として、全ての光シャッターS1(i)を開き、全ての集合体A(i)に角周波数ω1のコヒーレントなパルス光を照射する工程、集合体A(2×k-1)で発生し、光学フィルターF1(2×k-1)を透過した第1の光子と、集合体A(2×k)で発生し、光学フィルターF1(2×k)を透過した第1の光子とを、ビームスプリッターB1(k)で重ね合わせる工程、ならびに対をなす2つの光子検出器D1(2×k-1)とD1(2×k)のいずれかが、ビームスプリッターB1(k)から2方向へ出力される光子を検出したときに、光シャッターS1(2×k-1)およびS1(2×k)を閉じるようにし、開いていた全ての光シャッターを閉じる工程を含む操作を行い、
隣り合う4つの集合体を含む組のうち、両端の2つの集合体に新たなエンタングルメントを生じさせる第2段階の操作として、光シャッターS1(4×m-2)およびS1(4×m-1)(m=1,2,3,...,n/4)を開き、集合体A(4×m-2)およびA(4×m-1)に角周波数ω2のコヒーレントなパルス光を照射する工程、集合体A(4×m-2)で発生し、偏光ビームスプリッターT(4×m-2)を透過し、偏光子P1(4×m-2)を透過し、光学フィルターF1(4×m-2)で反射され、再び偏光子P1(4×m-2)を透過し、偏光ビームスプリッターT(4×m-2)で分岐光路へ反射され、光学フィルターF2(4×m-2)を透過した第2の光子と、集合体A(4×m-1)で発生し、偏光ビームスプリッターT(4×m-1)を透過し、偏光子P1(4×m-1)を透過し、光学フィルターF1(4×m-1)で反射され、再び偏光子P1(4×m-1)を透過し、偏光ビームスプリッターT(4×m-1)で分岐光路へ反射され、光学フィルターF2(4×m-1)を透過した第2の光子とをビームスプリッターB2(2×m-1)で重ね合わせる工程、ならびに対をなす2つの光子検出器D2(4×m-2)およびD2(4×m-1)のいずれかが、ビームスプリッターB2(2×m-1)から2方向へ出力される光子を検出したときに、光シャッターS1(4×m-2)およびS1(4×m-1)を閉じるようにし、開いていた全ての光シャッターを閉じる工程を含む操作を行い、
隣り合う、前段階の2倍の集合体を含む組のうち、両端の2つの集合体に新たなエンタングルメントを生じさせる第q段階の操作として、光シャッターS1(2q×mq-2q-1)およびS1(2q×mq-2q-1+1)(mq=1,2,3,...,n/2q)を開き、集合体A(2q×mq-2q-1)およびA(2q×mq-2q-1+1)に角周波数ω2のコヒーレントなパルス光を照射する工程、ならびに対をなす2つの光子検出器D2(2q×mq-2q-1)およびD2(2q×mq-2q-1+1)のいずれかが光子を検出したときに、光シャッターS1(2q×mq-2q-1)およびS1(2q×mq-2q-1+1)を閉じるようにし、開いていた全ての光シャッターを閉じる工程を含む操作を行い、
第q段階の操作に相当する後段階の操作を、第q+1段階から第r段階(r=log2n)まで繰り返して、全ての集合体のうち、両端の集合体A(1)と集合体A(n)にエンタングルメントを生成させる
ことを特徴とする量子情報通信方法。
【請求項１３】
前記角周波数ω1のコヒーレントなパルス光および角周波数ω2のコヒーレントなパルス光として、同一の角周波数ω3のコヒーレントなパルス光を用いることを特徴とする請求項１２に記載の量子情報通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子情報通信、例えば長距離間の量子テレポーテーション、量子暗号等の量子情報通信を可能にするために、デコヒーレンスが起こる前に、速やかに遠距離間にエンタングルメントを生成する装置およびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来提案されていた量子テレポーテーション、量子暗号等の量子情報通信では、一箇所で発生させた、エンタングルメント状態(量子力学的な絡まった状態)にある2つの光を発信側と受信側の双方に伝送し、その2つの光の間に存在する量子相関を利用して通信を行っている (A. Furusawa et al., Science, 282, 06, (1998); A. K. Ekert, Phys. Rev. Lett., 67(6), 661(1991))。しかし、量子状態は複製不可能なため、伝送中の増幅や中継ができず、通信距離は光の減衰距離程度以内に限られている。また、エンタングルメントを利用しない量子暗号 (C. H. Bennett et al., Scientific American, October, (1992)) においても、通常の増幅、中継によって通信距離を延ばすことができないという状況は同じである。このように通信距離を延ばすことができないということは、量子情報通信の実用化において、大きな共通の課題となっている。
【０００３】
近年、L. -M. Duanらは、離れた気体の原子集合体を光で結合し、原子集合体同士をエンタングルさせる方法を提案している（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
この方法では、離れた場所にある2つの原子集合体(AとBとする)にレーザーを照射し、それぞれから発生した光子を特殊な方法で観測することにより、AとBとをエンタングルさせる。このようにしてお互いにエンタングルした原子集合体のペアを複数個生成させる。ここで、原子集合体のペアをA(u)-B(u)と表す(ただし、u=1,2,3,...)。その後、ペアの片方ずつの原子集合体(例えば、A(1)-B(1)、A(2)-B(2)の各ペアにおける、B(1)とA(2))に光を作用させて、それぞれの原子集合体から発生した光子を特殊な方法で観測することにより、ペアの他の片方同士(すなわち、A(1)とB(2))を新たにエンタングルさせる。
【０００５】
このような二つの原子集合体間に生成されるエンタングルメントを複数結合すれば、光の減衰距離以上の長距離でエンタングルメント生成の可能性がある。また単一光子や原子ではない、原子集合体の量子状態であるため、ノイズに強いという利点がある。
【０００６】
このエンタングルメントを結合していくことによる長距離化では、何段階もの結合を如何に速やかに、全体のコヒーレンシーが保たれている時間内に達成できるかによって、最終的に量子情報通信が可能な距離が決まる。また、このような量子通信の手段を固体材料で構築することができれば、扱いやすく、小型化、素子化に有利である。この場合、一般に固体材料のデコヒーレンス時間は短いため、エンタングルメントの結合の達成時間短縮は、必須の課題となる。
【０００７】
しかしながら、従来、動作時間のかかる機械的駆動部分なしで、すばやくエンタングルメントの結合に必要な光を必要箇所に照射し、効率よく長距離間のエンタングルメントを生成する装置および方法は知られていない。
【非特許文献１】L. -M. Duan et al., Nature, 414, 413(2001).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、動作時間のかかる機械的駆動を採用せずに、すばやく効率よくエンタングルメントの結合を行い、長距離間のエンタングルメント生成を可能にする装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様に係る量子情報通信装置は、
それぞれ複数の物理系を含むn個の集合体A(i)(i=1,2,3,...,n、nは2r、rは2以上の整数である)(ここで、前記複数の物理系のうち少なくとも１つの物理系は3つのエネルギー準位を有し、前記3つのエネルギー準位をエネルギーの低い方からそれぞれ第1の準位、第2の準位、第3の準位とし、前記第1と第2の準位のエネルギー差に相当する角周波数をω12として、第1の準位にある物理系は角周波数ω1のコヒーレントなパルス光の照射により角周波数ω1-ω12の第1の光子を発することができ、第2の準位にある物理系は角周波数ω2のコヒーレントなパルス光の照射により角周波数ω2+ω12の第2の光子を発することができる)と、
集合体A(1)に関する光学系であって、A(1)へのパルス光の光路に設けられた光シャッターS1(1)と、A(1)から発せられる光子の光路に設けられた、第1の光子を選択的に透過する光学フィルターF1(1)とを含む光学系と、
集合体A(n)に関する光学系であって、A(n)へのパルス光の光路に設けられた光シャッターS1(n)と、A(n)から発せられる光子の光路に設けられた、第1の光子を選択的に透過する光学フィルターF1(n)とを含む光学系と、
A(j)(j=2,3,4,...,n-1)に関する光学系であって、A(j)へのパルス光の光路に設けられた光シャッターS1(j)と、A(j)から発せられる光子の光路に設けられた、第1の光子および第2の光子の偏光を透過させる向きに設定された偏光ビームスプリッターT(j)と、偏光ビームスプリッターT(j)を透過した光子の光路に設けられた、第1の光子および第2の光子を透過させ、第2の光子の偏光方向を回転させる偏光子P1(j)と、偏光子P1(j)を透過した光子の光路に設けられた、第1の光子を透過させ、第2の光子を偏光子P1(j)の方向へ反射する光学フィルターF1(j)と、光学フィルターF1(j)を透過した光子の光路に設けられた、第1の光子の偏光を調整する偏光子P2(j)と、光学フィルターF1(j)によって反射され、再び偏光子P1(j)を透過し、偏光ビームスプリッターT(j)によって分岐光路へ反射される第2の光子の分岐光路に設けられ、第2の光子を選択的に透過する光学フィルターF2(j)とを含む光学系と、
光パルスが照射されるべき特定の組の集合体に対応する光学シャッターを選択的に開く制御回路と、
集合体A(2×k-1)で発生し光学フィルターF1(2×k-1)を透過した光子と、集合体A(2×k)で発生し光学フィルターF1(2×k)を透過した光子とを重ね合わせるビームスプリッターB1(k)と(ここで、k=1,2,3,...,n/2である)、
ビームスプリッターB1(k)から2方向へ出力される光子をそれぞれ検出する、対をなす光子検出器D1(2×k-1)およびD1(2×k)と、
集合体A(2×l)で発生し、偏光ビームスプリッターT(2×l)を透過し、偏光子P1(2×l)を透過し、光学フィルターF1(2×l)で反射され、再び偏光子P1(2×l)を透過し、偏光ビームスプリッターT(2×l)で分岐光路に反射され、光学フィルターF2(2×l)を透過した光子と、集合体A(2×l+1)で発生し、偏光ビームスプリッターT(2×l+1)を透過し、偏光子P1(2×l+1)を透過し、光学フィルターF1(2×l+1)で反射され、再び偏光子P1(2×l+1)を透過し、偏光ビームスプリッターT(2×l+1)で分岐光路に反射され、光学フィルターF2(2×l+1)を透過した光子とを重ね合わせるビームスプリッターB2(l)と(ここで、l=1,2,3,...,(n/2)-1である)、
ビームスプリッターB2(l)から2方向へ出力される光子をそれぞれ検出する、対をなす光子検出器D2(2×l)およびD2(2×l+1)と、
それぞれの対の光子検出器に接続され、特定の対の光子検出器のいずれか一方による光子検出に関与した2つの集合体に対応する2つの光シャッターを閉じる信号を発生させる信号処理回路と
を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の他の態様に係る量子情報通信方法は、上記の量子情報通信装置を用いた量子情報通信方法であって、
前記集合体A(i)の物理系を第1の準位に準備し、
隣り合う2つの集合体A(2×k-1)とA(2×k)にエンタングルメントを生じさせる第1段階の操作として、全ての光シャッターS1(i)を開き、全ての集合体A(i)に角周波数ω1のコヒーレントなパルス光を照射する工程、集合体A(2×k-1)で発生し、光学フィルターF1(2×k-1)を透過した第1の光子と、集合体A(2×k)で発生し、光学フィルターF1(2×k)を透過した第1の光子とを、ビームスプリッターB1(k)で重ね合わせる工程、ならびに対をなす2つの光子検出器D1(2×k-1)とD1(2×k)のいずれかが、ビームスプリッターB1(k)から2方向へ出力される光子を検出したときに、光シャッターS1(2×k-1)およびS1(2×k)を閉じるようにし、開いていた全ての光シャッターを閉じる工程を含む操作を行い、
隣り合う4つの集合体を含む組のうち、両端の2つの集合体に新たなエンタングルメントを生じさせる第2段階の操作として、光シャッターS1(4×m-2)およびS1(4×m-1)(m=1,2,3,...,n/4)を開き、集合体A(4×m-2)およびA(4×m-1)に角周波数ω2のコヒーレントなパルス光を照射する工程、集合体A(4×m-2)で発生し、偏光ビームスプリッターT(4×m-2)を透過し、偏光子P1(4×m-2)を透過し、光学フィルターF1(4×m-2)で反射され、再び偏光子P1(4×m-2)を透過し、偏光ビームスプリッターT(4×m-2)で分岐光路へ反射され、光学フィルターF2(4×m-2)を透過した第2の光子と、集合体A(4×m-1)で発生し、偏光ビームスプリッターT(4×m-1)を透過し、偏光子P1(4×m-1)を透過し、光学フィルターF1(4×m-1)で反射され、再び偏光子P1(4×m-1)を透過し、偏光ビームスプリッターT(4×m-1)で分岐光路へ反射され、光学フィルターF2(4×m-1)を透過した第2の光子とをビームスプリッターB2(2×m-1)で重ね合わせる工程、ならびに対をなす2つの光子検出器D2(4×m-2)およびD2(4×m-1)のいずれかが、ビームスプリッターB2(2×m-1)から2方向へ出力される光子を検出したときに、光シャッターS1(4×m-2)およびS1(4×m-1)を閉じるようにし、開いていた全ての光シャッターを閉じる工程を含む操作を行い、
隣り合う、前段階の2倍の集合体を含む組のうち、両端の2つの集合体に新たなエンタングルメントを生じさせる第q段階の操作として、光シャッターS1(2q×mq-2q-1)およびS1(2q×mq-2q-1+1)(mq=1,2,3,...,n/2q)を開き、集合体A(2q×mq-2q-1)およびA(2q×mq-2q-1+1)に角周波数ω2のコヒーレントなパルス光を照射する工程、ならびに対をなす2つの光子検出器D2(2q×mq-2q-1)およびD2(2q×mq-2q-1+1)のいずれかが光子を検出したときに、光シャッターS1(2q×mq-2q-1)およびS1(2q×mq-2q-1+1)を閉じるようにし、開いていた全ての光シャッターを閉じる工程を含む操作を行い、
第q段階の操作に相当する後段階の操作を、第q+1段階から第r段階(r=log2n)まで繰り返して、全ての集合体のうち、両端の集合体A(1)と集合体A(n)にエンタングルメントを生成させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、動作時間のかかる機械的駆動を採用せずに、すばやく効率よくエンタングルメントの結合を行い、長距離間のエンタングルメント生成を可能にする量子情報通信装置および量子情報通信方法を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
まず、本実施形態に係る量子情報通信方法の基礎となる理論について説明する。  
L. -M. Duanらは、2つの離れた場所にある物理系の集合体に対し、エンタングルメントを生成できる可能性のある方法を提案している (L. -M. Duan et al., Nature, 414, 413(2001))。以下その方法を説明する。
【００１３】
彼等の方法では、基底状態から見てエネルギー準位の低い順番に|1>、|2>、|3>の3つの状態を持つ物理系の集合体として気体の原子集合体を想定している。なお、|1>と|3>との間および|2>と|3>との間の光学遷移は許容され、|1>と|2>との間の光学遷移は実質的に禁止されているとする。このような原子集合体A(i)をn個用意し(i=1,2,3,...,n)、これらが図１に示すようにiの昇順に一列に並んでいるとする。以下、A(1)とA(n)との間にエンタングルメントを生成する場合を例に、Duanらの手法について説明する。
【００１４】
まず、A(1)とA(2)とに含まれる物理系を状態|1>にする。次に、図２に示すように、|1>と|3>との間の遷移に対して大きな離調Δをもつ角周波数ω1のレーザーを照射する。その際、準位|2>へのラマン遷移により、照射光と同じ向きに前方散乱されるストークスラマン散乱光の平均光子数が1より十分小さくなる程度の短パルス光を用いる。ストークスラマン光が1光子発生した場合、原子集合体の状態は、S†|0a>で表される。ただしSは対称な集団モードの励起を表す演算子であり、S≡2Na1/2Σi|1>ii<2|と表される。ここで、Naは原子集合体に含まれる原子数である。ここでは簡単のため、Naは全ての原子集合体で同数と考える。また、|0a>は、原子集合体の基底状態であり、次のように表すことができる。  
【数１】
2004187274.tif 000003
この場合、放出した光子まで含めた全体の状態|ψ>は、次の(1)のように表される。
【００１５】
|ψ> = |0a>|0p>+pc1/2S†a†|0a>|0p>+o(pc)   (1)
ただし|0p>は、発生するストークスラマン散乱光モードの真空の状態、a†はそのモードに発生する光子の消滅演算子、pcは小さな値をとる励起確率(光子発生の確率)、o(pc)は光子を2個以上発生する確率で、pc2以下の小さな値をとる。
【００１６】
図３および図４は、A(1)とA(2)との間でエンタングルメントを生成する装置の一部の例を示した図である。光路は、A(1)とA(2)とに同時に角周波数ω1レーザーを照射し光子が発生するとき、ちょうど同時刻にビームスプリッター4dに到達するように組まれている。ビームスプリッター4dは、両側から入射した光が混ざり合い、2つの方向に出力するように設置されている。
【００１７】
ビームスプリッター4dから出力された光子は、光子検出器4aまたは4bによって検出される。ここで、光子検出器4aが検出する光子は、ビームスプリッター4dで混合され光子検出器4aの方に出力された光子である。いま、A(1)へのレーザー照射により発生した光子の消滅演算子をa(1)、A(2)へのレーザー照射により発生した光子の消滅演算子をa(2)とする。このとき、光子検出器4aの方へ向かう光子の消滅演算子a+は、次のように表現される。
【００１８】
a+ = 2-1/2{a(1)+eiφa(2)}   (2)
ここで、φはA(1)とA(2)とからの光の位相シフトの差を示している。
【００１９】
従って、光子検出器4aで光子を検出した場合、検出後の状態は、式(1)で表される光子検出前の状態に、光子検出器4aへ向かう光子が消滅したことを表す演算子a+を作用させれば得られる。すなわち、次の式(3)のように表現される。
【００２０】
|Ψφ>+ = a+|ψ> = 
2-1/2{S(1)†+eiφS(2)†}|0a(1)>|0a(2)>   (3)
ここで、S(1)、S(2)、|0a(1)>、|0a(2)>の(1)、(2)は、それぞれA(1)、A(2)に対するSおよび|0a>であることを示す。
【００２１】
同様に、光子検出器4bで光子を検出した場合、当該光子検出器4bへ向かう光子の消滅演算子は、次の式(4)のように表現される。
【００２２】
a- = 2-1/2{a(1)-eiφa(2)}   (4)
従って、光子検出器4bで光子を検出した場合、検出後の状態は、次の式(5)によって表される。
【００２３】
|Ψφ>- = a-|ψ> = 
2-1/2{S(1)†-eiφS(2)†}|0a(1)>|0a(2)>   (5)
これらの式(3)および(5)に示す状態|Ψφ>+、|Ψφ>-では、|0a(1)>と|0a(2)>との間、すなわちA(1)とA(2)との間にエンタングルメントが生成されている。
【００２４】
以下、光子検出器4aで光子が検出された場合について説明する。|Ψφ>+で表される状態は、ノイズのある場合には次のように表される。
【００２５】
ρ(1,2)(c0,φ) = 
{1/(c0+1)}(c0|0a(1)>|0a(2)><0a(2)|<0a(1)|+|Ψφ>++<Ψφ|)   (6)
ここで、c0は、光子検出器4bのダークカウントの頻度により決まる値である。
【００２６】
次に、A(3)とA(4)との間にも、同様のエンタングルメントを生成する。すると、A(1)、A(2)、A(3)、A(4)からなる物理系は、式(6)を利用して、次のように表すことができる。
【数２】
2004187274.tif 000004
【００２７】
次に、A(2)とA(3)とに、状態|2>と状態|3>との間の遷移に対して近共鳴の角周波数ω2(図２参照)を持つレーザーを照射する。図５に示すように、この照射によりA(2)とA(3)とから放出される各光子を、ビームスプリッター5aのそれぞれ異なる面から入射させ、混合させる。光子検出器5bまたは光子検出器5cのどちらかが光子を検出した場合に、A(1)とA(4)との間に新たなエンタングルメントが生成される。この新たなエンタングルメント生成は、光子が原子集合体の量子状態に関する情報を運び、その光子を介してS±†S±に相当する量を観測したことに対応する。S±は、次の式(7)で表現される。
【００２８】
S± = 2-1/2{S(2)±S(3)}    (7)
ここで、A(1)とA(4)との間のエンタングルメントの位相項は、φ1+φ2となる。
【００２９】
いま、n=2r(rは2以上の整数)個の原子集合体A(i)(i=1,2,3,...,n)があるとする。これらの原子集合体に対して、第1段階として、上記ω1の光を照射する方法でA(2×k-1)とA(2×k)との間(ただし、k=1,2,3,...,n/2)にエンタングルメントを生成する。次に、第2段階として、上記ω2の光を照射する方法で、A(4×m-2)とA(4×m-1)との間(ただし、m=1,2,3,...,n/4)にエンタングルメントを生成する。続いて、第3段階以降は、ω2の光を照射する方法を繰り返し、第q段階では、A(2q×(mq-1)+1)とA(2q×mq)との間(ただし、mq=1,2,3,...,n/2q)にエンタングルメントを生成することができる。
【００３０】
従って、A(2×k-1)とA(2×k)との間の距離(k=1,2,3,...,n/2)をLとし、A(2×l)とA(2×l+1)との間の距離は近接していると仮定すると、第q段階では、図６に示すように、距離として(2q-1)L離れた原子集合体間でエンタングルメントを生成することができる。
【００３１】
このDuanらの方法を実現し実用化するためには、上述した各操作を高速に行う必要がある。これは、例えば次の二つの理由による。
【００３２】
第1に、上述した各操作は、原子集合体のコヒーレンシーが失われる前に行わなければならないからである。すなわち、当該方法では、各段階において、異なる組み合わせの原子集合体に光を照射し、そこから発生する光子をビームスプリッターで合わせる必要がある。また、各原子集合体に光を照射した場合に発生する光子を、原子集合体を透過してきた照射光や余計な散乱光から分離しなければならない。さらに、この分離すべき光子の角周波数(波長)は、第1段階と第2段階以降とでは異なる。これらの操作を、原子集合体のコヒーレンシーが保たれている時間(デコヒーレンス時間)内に実行しなければ、空間的に離れた二つの物理系に対して、エンタングルメントを生成させることができない(言い換えれば、量子情報通信ができる距離は、デコヒーレンス時間内に、どれくらい上記の操作ができるかに依存する)。
【００３３】
一般に、デコヒーレンス時間は、長いと考えられている原子気体の核スピンの準位を利用した場合でも1ms程度である。素子化に向いている固体材料では、液体He温度に冷やした場合でもさらに短いと考えられている。従って、上述した各操作の高速化は、装置実現のための具体的課題である。
【００３４】
第2に、いかに早くエンタングルメントを生成できるかが、単位時間あたりに送信できる情報量を決めるからである。すなわち、エンタングルメントを利用した情報通信では、送信側と受信側の間でエンタングルメントを生成し、その量子相関を利用して情報を送るが、1回のエンタングルメント生成で送信できる情報は限られている(1ビット程度)。従って、情報通信の観点からは、エンタングルメントの生成のみが問題ではなく、その回数が量子情報通信の実用化における具体的課題である。
【００３５】
本発明の実施形態に係る量子情報通信装置および量子情報通信方法は、これらの具体的課題を解決し得るものである。本発明の実施形態は、上述したDuanらによる多段のエンタングルメント結合を、光学系の組替え、位置の移動、あるいは素子の機械的動作を伴わない手法により実現するものである。具体的には、作動部を持たない受動素子と、能動素子ではあっても機械的作動部のない電気光学効果素子のような超高速動作可能な素子、および高速のパルス列を発生することが可能なレーザー光源のみを用いて実行できる構成となっている。以下、図面を参照しながら詳細を説明する。
【００３６】
なお、本実施形態では、基底状態から見てエネルギー準位の低い順番に|1>、|2>、|3>の3つの状態を持つ物理系の集合体を想定している。また、各集合体において、|1>と|3>との間および|2>と|3>との間は、光学的に遷移可能であり、|1>と|2>との間は、光学的遷移が実質的に不可能であるとする。このような集合体A(i)をn個用意し(i=1,2,3,...,n)、図１に示すようにiの昇順に並んでいるとする。以下、A(1)とA(n)との間にエンタングルメントを生成する場合を例に、本実施形態に係る量子情報通信方法について説明する。
【００３７】
図７は、本発明の一実施形態に係る量子情報通信装置の概略構成を説明するための図である。  
物理系の集合体A(i)は、n=2r(rは2以上の整数)個設けられている。各物理系の集合体A(i)は、セルの中の気体、結晶中に分散させたイオン、光ファイバー中に分散させたイオンや原子、光導波路近傍に保持され、光導波路中を伝播する光のエバネッセント場と相互作用する気体や固体、液体材料などから構成される原子集合体である。このA(i)は、光と相互作用可能な系であれば、どのような形態でもよい。
【００３８】
各々の物理系の集合体A(i)に対して光シャッターS1(i)(ただし、i=1〜nの整数)が設けられている。光シャッターS1(i)としては、電気光電効果素子、音響光学効果素子等から構成される高速応答が可能なものが用いられる。特定の光シャッターS1(i)を開いて、それに対応する集合体A(i)に角周波数ω1またはω2の光パルス列を照射する。
【００３９】
第1段階での角周波数選択用の光学フィルターF1(i)(図７では、F1(1)〜F1(4)を図示している)は、原子集合体A(i)を透過してきた角周波数ω1の光およびその他の余計な散乱光と、原子集合体A(i)からの角周波数ω1-ω12のストークス前方散乱光とを区別するため、ストークス前方散乱光が進む光路上に設置されている。この光学フィルターF1(i)は、角周波数ω1-ω12の光子（第1の光子）を選択的に透過し、後述する第2段階以降で角周波数ω2の光を照射したときに発生する角周波数ω2+ω12の光子（第2の光子）を反射する特性を持つ。光学フィルターF1(i)としては、干渉フィルター、光共振器などが利用できる。
【００４０】
ビームスプリッターB1(k)(ただしk=1,2,3,...,n/2)(図７では、B1(1)、B1(2)を図示している)は、その両面へ同時に入射した光子を混合し、光子検出器D1(2k-1)およびD1(2k)に向けて２方向へ光子を出射する。
【００４１】
光子検出器D1(i)(図７では、D1(1)〜D1(4)を図示している)は、ビームスプリッターB1(k)で混合された後に出射される光子を検出する。
【００４２】
偏光ビームスプリッターT(j)(ただしj=2,3,4,...,n-1)(図７では、T(2)、T(3)、T(4)を図示している)は、原子集合体A(j)と光学フィルターF1(j)との間に挿入される。この偏光ビームスプリッターT(j)は、A(j)で発生した角周波数ω1-ω12の光子およびω2+ω12の光子の偏光に対して、それを透過する向きに設置されている。言い換えれば、角周波数ω1およびω2の光は、原子集合体A(j)にて発生した角周波数ω1-ω12の光子および角周波数ω2+ω12の光子が、T(j)を透過する偏光にて照射される。
【００４３】
偏光子P1(j)は偏光ビームスプリッターT(j)を透過した光子の光路に設けられる。偏光子P1(j)は、角周波数ω1-ω12の光子および角周波数ω2+ω12の光子を透過させるが、このとき角周波数ω2+ω12の光子の偏光方向を回転させる。
【００４４】
偏光ビームスプリッターT(j)を透過した角周波数ω1-ω12の光子は、光学フィルターF1(j)を透過し、ビームスプリッターB1(k)へ入射される。
【００４５】
一方、偏光ビームスプリッターT(j)を透過した角周波数ω2+ω12の光子は、偏光子P1(j)を透過する際に偏光方向が回転され、光学フィルターF1(j)によって反射され、再び偏光子P1(j)を透過する際にさらに偏光方向が回転され、偏光ビームスプリッターT(j)によって、これまでに述べた光路とは別の光路として設けられた分岐光路へ反射される。
【００４６】
第2段階以降での角周波数選択用の光学フィルターF2(j)はこの分岐光路に設けられている。この光学フィルターF2(j)は、角周波数ω2+ω12の光子を選択的に透過する特性を持つ。光学フィルターF2(j)を透過した角周波数ω2+ω12の光子はビームスプリッターB2(l)へ入射される。
【００４７】
ビームスプリッターB2(l)(ただしl=1,2,3,...,(n/2)-1)(図７ではB2(1)、B2(2)を図示している)は、その両面へ同時に入射した角周波数ω2+ω12の光子を混合し、光子検出器D2(2l)およびD2(2l+1)に向けて２方向へ光子を出射する。ビームスプリッターB2(l)の両面への角周波数ω1+ω12の光子の入射タイミングは、角周波数ω2の光パルス列の照射タイミング、およびビームスプリッターB2(l)までの光路長により調節される。
【００４８】
次に、本実施形態に係る量子情報通信装置の動作について説明する。まず、各原子集合体A(i)に対して、冷却、または所定の光照射により、種々の準位にある原子の状態を、励起状態を介して状態|1>に遷移させる。
【００４９】
このように各原子を、状態|1>に遷移させた後、原子集合体A(2×k-1)とA(2×k)との間にエンタングルメントを生成させる第1段階の操作を行う。各原子集合体A(i)に対して、高速光シャッターS1(i)を通して、角周波数ω1の光パルス列を照射する。この照射を高速に実現するためには、例えば、ω1のパルス列を絶えず高速光シャッターS1(i)に入射させ、当該高速光シャッターS1(i)の開閉により照射の有無を制御する方法を採用することができる。また、制御時間に余裕のある場合には、他の方法として、図示していないレーザー光源等のON、OFF制御により、光パルス列照射の有無を制御してもよい。後者の場合には、高速光シャッターS1(i)は、光源そのものに組み込まれる構成となる。
【００５０】
この照射は、隣り合う集合体(図７では、A(1)とA(2)、A(3)とA(4))が発生する光子を各ビームスプリッター(図７では、B1(1)、B1(2))で重ね合わせて観測する際、それぞれの原子集合体から発生した光子が各ビームスプリッターに同時に到達するようなタイミングで実行される。また、この角周波数ω1の光パルス列のパルス幅は、1回のパルス照射で、それぞれの原子集合体から発生する平均光子数が1より十分小さくなるように調整される。なお、光子のモードと原子集合体との結合を増強するために、各集合体A(i)を共振器中に設置する構成であってもよい。
【００５１】
角周波数ω1の光パルスが各原子集合体A(i)に照射されると、ラマン遷移によってストークス前方散乱光(照射した光パルスと同じ方向に発生する長波長側にシフトした散乱光)が発生する。このストークス前方散乱光の角周波数は、ω1-ω12となる。ここで、ω12とは、状態|1>から状態|2>への遷移角周波数である(同様に、ω13を状態|1>から状態|3>への遷移角周波数、ω23を状態|2>から状態|3>への遷移角周波数と定義する)。
【００５２】
次に、A(j)(j=2,3,...,n-1)で発生したストークス前方散乱光を含む光が、偏光ビームスプリッターT(j)に入射する。偏光ビームスプリッターT(j)は、角周波数ω1-ω12の光と角周波数ω2+ω12の光との偏光に対応した向きに設置されている。従って、偏光ビームスプリッターT(j)は、角周波数ω1-ω12の光子とω2+ω12の光子を透過させる。
【００５３】
偏光ビームスプリッターT(j)を透過した光は、偏光子P1(j)を透過し、光学フィルターF1(j)へ入射する。光学フィルターF1(j)では、原子集合体A(j)を透過してきた角周波数ω1の光およびその他の余計な散乱光と、ストークス前方散乱光とが区別される。その結果、角周波数ω1-ω12の光子のみ偏光ビームスプリッターB1(k)へ入射する。
【００５４】
またA(1)とA(n)で発生した光子はF1(1)とF1(n)で角周波数ω1-ω12の光子が分離されて、それぞれビームスプリッターB1(1)、B1(n)へ入射する。
【００５５】
ビームスプリッターB1(k)は、その両面へ同時に入射した角周波数ω1-ω12の光を混合し、光子検出器D1(2×k-1)およびD1(2×k)へ向けて２方向へ光子を出射する。ビームスプリッターB1(k)の両面への角周波数ω1-ω12の光子の入射タイミングは、角周波数ω1の光パルス列の照射タイミング、およびビームスプリッターB1(k)までの光路長により調節することができる。
【００５６】
ビームスプリッターB1(k)で混合された光子を、光子検出器D1(2×k-1)と光子検出器D1(2×k)とのどちらかが検出すると、当該検出と連動して高速光シャッターS1(2×k-1)とS1(2×k)とを速やかに閉じる。この光子検出と連動した光シャッターの閉鎖は、それぞれの光子検出器D1(2×k-1)と光子検出器D1(2×k)とを、高速光シャッターS1(2×k-1)とS1(2×k)とに付属して設置された信号処理回路によって自動的に行なわれる。この光シャッターS1(2×k-1)とS1(2×k)との閉鎖により、その光子検出に関与したA(2×k-1)とA(2×k)とには光パルスが照射されなくなる。
【００５７】
光子検出器D1(2×k-1)と光子検出器D1(2×k)とのどちらかによる光子の検出と、光シャッターS1(2×k-1)とS1(2×k)との閉鎖とが、k=1,2,...,n/2の全ての組に対して完了すると、隣り合う全てのA(2×k-1)とA(2×k)との間で、エンタングルメントを生成させることができる。
【００５８】
以上で説明した第1段階でのエンタングルメント生成を効率的にする観点から、隣り合う全てのA(2×k-1)、A(2×k)への光照射、光子検出器D1(2×k-1)、光子検出器D1(2×k)による光子検出、および高速光シャッターS1(2×k-1)、S1(2×k)の閉鎖は、k=1,2,...,n/2の全ての組に対して平行して行うのが望ましい。
【００５９】
次に、第2段階の操作を行い、原子集合体A(4×m-3)とA(4×m)との間のエンタングルメントを生成させる。すなわち、まず、各原子集合体A(4×m-2)、A(4×m-1)に対して、高速光シャッターS1(4×m-2)、S1(4×m-1)を通して、角周波数ω2の光パルス列を照射する。
【００６０】
角周波数ω2の光パルスが各原子集合体A(4×m-2)、A(4×m-1)に照射されると、ラマン遷移が起こり、角周波数ω2+ω12の光子が発生する。
【００６１】
次に、角周波数ω2+ω12の光子を含む光が、偏光ビームスプリッターT(4×m-2)、T(4×m-1)に入射する。偏光ビームスプリッターT(4×m-2)、T(4×m-1)は、角周波数ω2+ω12の光を透過させる。
【００６２】
次に、偏光ビームスプリッターT(4×m-2)、T(4×m-1)を透過した光は、後段に設置された偏光子P1(4×m-2)、P1(4×m-1)に入射する。原子集合体A(4×m-2)、A(4×m-1)で発生し偏光ビームスプリッターT(4×m-2)、T(4×m-1)に入射する角周波数ω2+ω12の光子の偏光方向は、偏光ビームスプリッターT(4×m-2)、T(4×m-1)に対して透過する向きであるP偏光になるように設定されている。
【００６３】
偏光ビームスプリッターT(4×m-2)、T(4×m-1)を透過した角周波数ω2+ω12の光子は、光学フィルターF1(4×m-2)、F1(4×m-1)に向かう途中と、当該光学フィルターF1(4×m-2)、F1(4×m-1)で反射され偏光ビームスプリッターT(4×m-2)、T(4×m-1)まで戻る途中とで偏光子P1(i)の作用を受ける。全体の作用として、偏光子P1(4×m-2)、P1(4×m-1)から偏光ビームスプリッターT(4×m-2)、T(4×m-1)に向かう際には、角周波数ω2+ω12の光子の偏光が、偏光ビームスプリッターT(4×m-2)、T(4×m-1)に対して反射される偏光になるようにしてある。
【００６４】
偏光子P1(4×m-2)、P1(4×m-1)としてはλ/4板を利用することができる。λ/4板の光学軸の向きは、偏光ビームスプリッターT(4×m-2)、T(4×m-1)を透過してきた偏光の方向に対して45度に設定されている。従って、偏光ビームスプリッターT(4×m-2)、T(4×m-1)を透過してきた角周波数ω2+ω12の光の偏光は、偏光子P1(4×m-2)、P1(4×m-1)を通過して光学フィルターF1(4×m-2)、F1(4×m-1)で反射され、再び偏光子P1(4×m-2)、P1(4×m-1)を通過することにより90度回転する。
【００６５】
偏光子P1(4×m-2)、P1(4×m-1)を通過し再び当該偏光子P1(4×m-2)、P1(4×m-1)側から偏光ビームスプリッターT(4×m-2)、T(4×m-1)に入射する光子は、偏光ビームスプリッターT(4×m-2)、T(4×m-1)に対してS偏光になっているため、偏光ビームスプリッターT(4×m-2)、T(4×m-1)によって、これまで述べた光路とは別に設けられた分岐光路へ反射される。この偏光ビームスプリッターT(4×m-2)、T(4×m-1)によって反射された光子は、分岐光路に設けられた光学フィルターF2(4×m-2)、F2(4×m-1)に入射する。光学フィルターF2(4×m-2)、F2(4×m-1)は、角周波数ω2の光等の余計な光を取り除き、角周波数ω2+ω12の光子のみを透過させる。
【００６６】
このような構成をとることにより、原子集合体A(i)からみて光学フィルターF1(i)より先へは、角周波数ω1の光パルスを原子集合体A(i)に照射する際に生じる角周波数ω1-ω12の光子のみが進むようにすることができる。一方、原子集合体A(j)からみて光学フィルターF2(j)より先へは、角周波数ω2の光パルスを原子集合体A(j)に照射する際に生じる角周波数ω2+ω12の光子のみが進むようにすることができる。
【００６７】
ビームスプリッターB2(2×m-1)は、その両面へ同時に入射した角周波数ω2+ω12の光子を混合し、光子検出器D2(4×m-2)とD2(4×m-1)に向けて２方向へ光子を出射する。ビームスプリッターB2(2×m-1)の両面への角周波数ω1+ω12の光子の入射タイミングは、角周波数ω2の光パルス列の照射タイミング、およびビームスプリッターB2(2×m-1)までの光路長により調節することができる。
【００６８】
ビームスプリッターB2(2×m-1)で混合された光子を、光子検出器D2(4×m-2)と光子検出器D2(4×m-1)とのどちらかが検出すると、当該検出と連動して高速光シャッターS1(4×m-2)とS1(4×m-1)とを速やかに閉じる。こうして、光子検出器D2(4×m-2)と光子検出器D2(4×m-1)とのどちらかによる光子の検出と、高速光シャッターS1(4×m-2)とS1(4×m-1)との閉鎖とが、m=1,2,...,n/4の全ての組に対して完了すると、A(4×m-3)とA(4×m)との間で、エンタングルメントを生成させることができる。
【００６９】
以上で説明した第2段階でのエンタングルメント生成を効率的にする観点から、全てのA(×m-2)、A(4×m-1)への光照射、D2(4×m-2)とD2(4×m-1)とによる光子検出、および高速光シャッターS1(4×m-2)、S1(4×m-1)の閉鎖は、m=1,2,...,n/4の全ての組に対して平行して行うのが望ましい。
【００７０】
第3段階以降は、第2段階と同様の操作を繰り返すので、一般化された第q段階として説明する。高速光シャッターS1(2q×mq-2q-1)、S1(2q×mq-2q-1+1)を開き、角周波数ω2の光を原子集合体A(2q×mq-2q-1)とA(2q×mq-2q-1+1)に照射する(ただし、mq=1,2,3,...,n/2q)。そして、光子検出器D2(2q×mq-2q-1)、D2(2q×mq-2q-1+1)のどちらかが光子を検出したら、その検出と連動して、高速光シャッターS1(2q×mq-2q-1)、S1(2q×mq-2q-1+1)を速やかに閉じる。これにより、光子検出に関与した原子集合体A(2q×mq-2q-1)とA(2q×mq-2q-1+1)には光パルスが照射されないようにする。その結果A(2q×(mq-1)+1)とA(2q×mq)との間にエンタングルメントが生成する。検出器D2(2q×mq-2q-1)と検出器D2(2q×mq-2q-1+1)の組による光子検出とそれによるS1(2q×mq-2q-1)とS1(2q×mq-2q-1+1)の閉鎖が、mq=1,2,3,...,n/2qの全ての組に対して完了した時点で、mq=1,2,3,...,n/2qの全てのA(2q×(mq-1)+1)とA(2q×mq)の組にエンタングルメントが生じる。この操作を、第r段階(ただし、r=log2n)まで実行することにより、A(1)とA(n)との間にエンタングルメントを生成することができる。
【００７１】
以上述べた構成によれば、以下の効果を得ることができる。まず、本実施形態では、光子検出器による光子検出に連動して高速光シャッターを開閉するだけで、空間的に離れた物理的集合体の間にエンタングルメントを生成することができる。すなわち、作動部を持たない受動素子と、能動素子ではあっても機械的作動部のない電気光学効果素子のような超高速動作可能な素子、および高速のパルス列を発生することが可能なレーザー光源、あるいは連続発振のレーザー光源のみが用いられる。従って、物理系の集合体のデコヒーレンス時間内に多段のエンタングルメント結合を生成することができ、その結果、空間的に離れた物理的集合体の間にエンタングルメントを生成することが可能な装置および方法を提供することができる。
【００７２】
例えば、原子集合体A(i)が直線状に並び、A(2×k-1)とA(2×k)の間の距離がLであり、A(2×k)とA(2×k+1)とが隣接している場合に、第r段階までこのエンタングルメント結合を繰り返すものとする。この場合、(2r-1)×Lだけ離れて設けられた原子集合体の間でエンタングルメントが生成できる。その結果、この距離間でエンタングルメントを利用した量子暗号、量子テレポーテーションなどの量子情報通信を実現することができる。
【００７３】
また、エンタングルメントの生成途中で失敗した場合でも、高速光シャッターの開閉のみで速やかにエンタングルメントの生成操作をやり直すことが可能である。
【００７４】
なお、本発明の実施形態においては、第1段階において用いる角周波数ω1の光パルスを発する光源、および第2段階以降において用いる角周波数ω2の光パルスを発する光源として2つの光源を用意してもよい。
【００７５】
また、本発明の他の実施形態においては、第1段階における角周波数ω1および第2段階以降における角周波数ω2の両方に、|2>-|3>間の遷移に近共鳴の角周波数ω3を利用することで、各物理系の集合体にコヒーレントな光パルス列を照射する光源を一種類のレーザーとすることが可能である。その場合、それぞれのレーザー光源自体は絶えず光パルス列を放出しつづけていればよく、レーザーの切り替え操作以外の検出器による光子検出に連動したシャッターの開閉のみで、エンタングルメントを次々に生成することができる。従って、比較的簡易且つ低コストにて、量子情報通信装置を実現することができる。
【００７６】
図８を参照しながら、第2の実施形態に係る量子情報通信装置の概略構成を説明する。同図に示すように、この量子情報通信装置は、物理系の集合体A(i)(ただし、i=1〜nの整数)を具備している。また、単一光源としてのレーザー光源30、光路W、各集合体A(i)に対応するビームスプリッターG(i)(ただし、i=1〜nの整数)を有している。
【００７７】
レーザー光源30は、|2>-|3>の間の遷移に近共鳴の角周波数ω3の光パルス列を発生する。この角周波数ω3は、状態|1>と状態|3>との遷移に対しては、離調が大きいとする。
【００７８】
ビームスプリッターG(i)は、光路W上の各A(i)の近くに設けられ、レーザー光源30からの光パルスを分離させる。このビームスプリッターG(i)には、石英板などへの反射、透過を用いたものや、光ファイバーを近接させたりより合わせたりした光カプラーなどが利用できる。
【００７９】
光路Wは、ミラー、プリズムなどで光学系を組み、自由空間に光を伝播させるものや、石英などの光学媒質で作製された光導波路や光ファイバー等である。なお、光路中には、適宜光を収束させるかまたは整形するためのレンズや、偏光方向を調整する偏光子が設けられていてもよい。
【００８０】
次に、この量子情報通信装置の動作について説明する。まず、レーザー光源30が、角周波数ω3の光パルス列を発生する。この角周波数ω3の光パルス列は、一列に並んだ原子集合体A(1)からA(n)の物理系集合体に沿って設けられた光路Wを伝播する。光路Wを伝播する光パルス列は、各A(i)の近くに設けられた照射光分岐用のビームスプリッターG(i)により分岐される。分岐された光パルス列は、各原子集合体A(i)の手前に設置された高速光シャッターS1(i)に入射する。このようにして、各原子集合体A(i)に対応した高速光シャッターS1(i)に、絶えず光パルス列が入射されるようになっている。
【００８１】
ここで光パルス列の間隔は、エンタングルメント生成の第1段階で、高速光シャッターS1(2×k-1)とS1(2×k)とが開かれて、原子集合体A(2×k-1)とA(2×k)とに照射された場合に、当該原子集合体A(2×k-1)とA(2×k)とで発生した角周波数ω3-ω12の光子が、ビームスプリッターB1(k)に同時に到達するように、光路長に対して設定されている。また、第2段階以降において、高速光シャッターS1(2×h)とS1(2×h+1)とが開かれて原子集合体A(2×h)とA(2×h+1)とに照射された場合に、当該原子集合体A(2×h)とA(2×h+1)とで発生した角周波数ω3+ω12の光子が、ビームスプリッターB2(h)に同時に到達するように、光パルス列の間隔と光路長とが設定されている。ただしk=1,2,3,...,n/2、h=1,2,3,...,n/2-1である。
【００８２】
全ての高速光シャッターS1(i)を閉じた状態で、原子のエネルギー順位が|1>にあるように準備された原子集合体A(i)に対し、第1段階として高速光シャッターS1(i)が開き、第1の実施形態で説明したように、光子検出器D1(i)が光子を検出すると、高速光シャッターS1(i)が閉鎖される。また、第2段階のエンタングルメント結合のため、光パルス列を照射するためのシャッターが選択的に開く。その際、照射波長を切り替える必要はなく、レーザー光源30から第1段階でも第2段階以降でも、同じようにただ光パルス列を光路Wに送りつづけていればよい。
【００８３】
すなわち、光子検出器による光子検出とこれに連動したシャッターの閉鎖とを、機械的駆動や角周波数(波長)切り替えなしに多段階実行することにより、第1段階と第2段階とで異なる角周波数の光を用いた第1の実施形態の場合と同じように、長距離間のエンタングルメントが生成できる。
【００８４】
以下、本発明に係る量子情報通信装置および量子情報通信方法の複数の実施例について説明する。以下の各実施例では、説明を具体的にするため、原子集合体をA(1)〜A(4)の4つとし、A(1)とA(4)との間にエンタングルメントを生成する場合について、図９〜図１５を参照しながら説明する。
【００８５】
なお、原子集合体A(1)〜A(4)は、図９、図１１においてはそれぞれ結晶5〜8、図１３においてはガスセル3801〜3804、図１４においては一部にPrをドープした光ファイバー5601〜5604である。
【００８６】
(実施例1)
まず、Pr3+イオンを0.02%分散させた2mm×2mm×2mmのY2SiO5結晶を4個用意する。この結晶を光学窓付きクライオスタット中に保持し、温度を1.4Kに保つ。
【００８７】
また、605.98nm(16502.3cm-1)近辺に角周波数ω2を合わせた周波数を安定化させたリング色素レーザー光源と、当該レーザーから9.4×1013rad/s(約500cm-1)だけ小さい角周波数ω1=ω2-9.4×1013rad/sの光を出す別の周波数を安定化したリング色素レーザー光源を用意する。前者のリング色素レーザー光源は、結晶中のPr3+の最低のシュタルク準位3H4(1)と電子励起状態である1D2(1)との間の遷移に共鳴するものである。
【００８８】
実施例1では、図９に示した装置により各レーザーを原子集合体A(1)〜A(4)としての結晶5〜8に照射し、発生した光子を検出することで、エンタングルメントを生成する。
【００８９】
すなわち、図９に示すように、光学窓付きクライオスタット1〜4の中に設置した結晶5〜8を並べ、全ての結晶にリング色素レーザー光源9からの角周波数ω1の光を照射可能とし、結晶6,7に関しては、リング色素レーザー光源10からの角周波数ω2の光とリング色素レーザー光源9とからの角周波数ω1の光の両方が照射できるように光学系を組む。
【００９０】
リング色素レーザー光源9からの出力は、まず出力光の角周波数を掃引するための電気光学効果素子401を透過し、次に透過率50%、反射率50%のビームスプリッター201で分割される。分割された片方の光は、角周波数を17.3×2πMHzだけ低エネルギー側へシフトさせるための音響光学効果素子301を通過し、さらに光パルスを形成する電気光学効果素子402を通り、半透鏡501で角周波数シフト前の光と合流するようになっている。分割された他方の光の光路にも、光をパルスに整形するための電気光学効果素子403が挿入されている。これらの部分は、結晶のエネルギー状態を、17.3×2πMHz隔てた2状態のうちの低い方に初期化するために利用する。
【００９１】
初期化の場合以外は、リング色素レーザー光源9からの出力のうちのビームスプリッター201を透過した角周波数ω1のレーザーは、電気光学効果素子(シャッター)403を通過する。この電気光学効果素子403は、ビームスプリッター201を透過した角周波数ω1のレーザーを光パルス列にし、また、リング色素レーザー光源10に切り替える際にシャッターとして利用される。角周波数ω1の光パルス列は、50%透過、50%反射のビームスプリッター202で2つに分けられた後、さらにそれぞれ50%透過、50%反射のビームスプリッター203、204で分岐される。
【００９２】
分岐されたそれぞれの光パルスは、ミラー601〜604および半透鏡502、503に導かれ、それぞれの結晶に照射される前に、音響光学効果素子(音響光学効果を利用した光シャッターS1(1)〜S1(4))302〜305を通り、さらに偏光方向を調整するλ/2板701〜704を通過した後、結晶5〜8に入射する。
【００９３】
光パルスを照射された結晶(A(1)、A(4))5,8が照射光と同じ方向、向きに放出する光子は、それぞれλ/2板705、708を通り、次いで光学フィルターF1(1)、F1(4)としてのファブリ・ペロー型の光共振器801、804を通る。光共振器801、804は、ω1-17.3×2πMHzの光に共鳴するように調整され、ω1-17.3×2πMHzの光子は透過させる。またω1、ω2、ω2+17.3×2πMHz、ω2-17.3×2πMHzの光には共鳴せず、反射する。
【００９４】
結晶(A(2)、A(3))6,7から放出される光子は、偏光を調整するλ/2板706、707を通り、次いで偏光ビームスプリッター(T(2)、T(3))901、902を透過し、さらにλ/4板(偏光子P1(2)、P1(3))1001、1002を透過して、光学フィルターF1(2)、F1(3)としての光共振器802、803に入射される。光共振器802、803の光学特性は、光共振器801、804と同じである。結晶6、7から照射光と同じ方向、向きに放出するω1-17.3×2πMHzの光子、あるいはω2の光を入射した場合に発生するω2+17.3×2πMHzの光子の偏光方向が、偏光ビームスプリッターを透過する方向になるように、λ/2板706、707は調整されている。偏光ビームスプリッター901、902、次いでλ/4板1001、1002、そして光共振器802、803を透過したω1-17.3×2πMHzの光子は、λ/4板(偏光子P2(2)、P2(3))1003、1004を通り、直線偏光でなくなっていた場合でも、直線偏光にもどされる。
【００９５】
光共振器801、802を透過したω1-17.3×2πMHzの光子は、ビームスプリッター(B1(1))206で重ね合わされ、光子検出器(D1(1)、D1(2))1101、1102で検出される。その際、λ/2板705で、ビームスプリッター206で重ね合わされる光子の偏光方向が一致するように調整されている。また、光共振器803、804を透過したω1-17.3×2πMHzの光子は、ビームスプリッター(B1(2))207で重ね合わされ、光子検出器(D1(3)、D1(4))1103、1104で検出される。その際、λ/2板708で、ビームスプリッター207で重ね合わされる光子の偏光方向が一致するように調整されている。
【００９６】
リング色素レーザー光源10からの出力は、照射するレーザーを光パルス列にするためと、結晶への照射光の角周波数切り替えの際にシャッターとして利用するために設けた電気光学効果を利用したシャッター404を通り、50%透過、50%反射のビームスプリッター205で2つに分けられた後、半透鏡502、503を透過する。その後は、リング色素レーザー9からの光照射の場合と同じ光路を通って結晶6、7に照射される。
【００９７】
結晶6、7にω2の光を入射した場合に発生するω2+17.3×2πMHzの光子は、それぞれλ/2板706、707を通り、偏光ビームスプリッター(T(2)、T(3))901、902を透過した後、λ/4板(P1(2)、P1(3))1001、1002を透過し、光共振器(F1(2)、F1(3))802、803で反射される。反射された光子は再びλ/4板(P1(2)、P1(3))1001、1002を逆側から透過するが、その際、最初にλ/4板を透過した時と偏光方向が90度回転するように偏光子の軸が調整されているため、光共振器802、803から反射されたω2+17.3×2πMHzの光子は、偏光ビームスプリッター(T(2)、T(3))901、902によって分岐光路へ反射され、偏光方向をλ/2板709、710で調整された後、光学フィルターF2(2)、F2(3)としての光共振器805、806へと導かれる。
【００９８】
光共振器805、806はω2+17.3×2πMHzの光に共鳴するように調整され、ω2+17.3×2πMHzの光子は透過させる。また、光共振器805、806は、ω1、ω2あるいはω2-17.3×2πMHzの光には共鳴せず、反射する。光共振器805、806を透過したω2+17.3×2πMHzの光子は、ビームスプリッター(B2(1))208で重ね合わされ、光子検出器(D2(2)、D2(3))1105、1106で検出される。
【００９９】
以上の光学系において、リング色素レーザーを結晶に照射して生じる光子をビームスプリッターで重ねあわせる際、発生した光子がビームスプリッターで同期して出会うように、照射光パルスのタイミングと光路長とを調整する。
【０１００】
また、結晶に照射する光パルスの強度およびパルス幅は、ω1の光を照射する際には、光照射によって照射光と同じ方向、向きに放出される光子の平均光子数が1より十分小さくなる程度に調整する。
【０１０１】
光子検出器1101〜1106としては、6Kに冷却したアバランシェ・フォトダイオードを利用する。光子検出器1101、1102からの出力、光子検出器1103、1104からの出力、光子検出器1105、1106からの出力はそれぞれ、信号処理回路1201、1202、1203に送られる。信号処理回路1201は、接続された2つの光子検出器1101、1102のどちらか片方からの光子検出信号1301、1302を受けると、すぐに音響光学素子ドライバー1402に、シャッターを閉めるための制御信号1501、1502を送る。また、信号処理回路1202は、接続された2つの光子検出器1103、1104のどちらか片方からの光子検出信号1303、1304を受けると、すぐに音響光学素子ドライバー1403、1404に、シャッターを閉めるための制御信号1503、1504を送る。この結果、それぞれ音響光学効果素子302、303および音響光学効果素子304、305が閉められるようになっている。また、信号処理回路1203は、接続された2つの光子検出器1105、1106のどちらか片方からの光子検出信号1305、1306を受けるとすぐ、音響光学素子ドライバー1402、1403にシャッターを閉めるための制御信号1505、1506を送り、光シャッター303、304が閉められるようになっている。
【０１０２】
さらに、電気光学効果素子401〜404のドライバー1601〜1604、および信号処理回路1201〜1203は、全体を制御するための制御回路1701に接続され、リング色素レーザー光源9および10からの出力のon/offや、パルス光生成およびそのタイミング制御、さらに信号処理回路を初期化して、音響光学効果素子302〜305の全部または一部を開くなどの動作、あるいは結晶に特定の状態の光を照射して初期化するなどの動作を、光シャッターのいずれが閉じられているかなどの条件を入力信号として読みとりつつ、予め設定されたプログラムに従って実行することが可能になっている。
【０１０３】
以上のように組んだ光学系および光シャッターなどの光学素子の制御系において、次に示す操作を実行する。
【０１０４】
まず、電気光学効果素子402、403に関しては光パルスを生成するように開閉しながら、電気光学効果素子404を閉じた状態で、音響光学効果素子302〜305を開き、リング色素レーザー光源9からの光を電気光学効果素子401で周波数シフトさせる。シフト後の角周波数をωAとすれば、そのあと音響光学効果素子301を通した光(角周波数ωA-17.3×2πMHz)と通さない光(角周波数ωA)の2波長光にしたものを、結晶5〜8に照射する。その際、電気光学効果素子402および403で生成した2種類の光パルスの波形は、パルス幅が等しく、どちらも滑らかな裾を引く山型になるよう整形する。
【０１０５】
また、結晶に照射されるパルス光のタイミングを、ωAのパルスがωA-17.3×2πMHzのパルスより先に照射され、かつ時間的な重なりができるように、お互いの遅延をパルスの半値半幅程度設ける。この1対の光パルスを、角周波数ωAを1×2πMHzずつ変化させながら、ω1を中心に、±約5GHzの範囲で照射する。こうすることで、結晶中のPr3+イオンのうち、電子基底状態の3H4(1)準位にあったイオンは、その超微細構造準位の中で、角周波数17.3×2πMHzに相当するエネルギーだけ離れた2準位のうちエネルギーの低い方の準位に準備される。
【０１０６】
上記の結晶の初期化に用いるレーザーとして、このあとに説明するエンタングルメント結合に用いるレーザーを利用する。しかしながら、別の初期化専用のレーザーを用意して結晶に光を照射し、上記の初期化を行うこともできる。特に長距離間でのエンタングルメント生成、結合を行う際には、それぞれの物理系集合体の近くに初期化専用レーザーを設け、これを用いる構成であってもよい。
【０１０７】
次に、第1段階として、電気光学効果素子404および電気光学効果素子402を閉じた状態で、光シャッター(音響光学効果素子)302〜305を開き、また電気光学効果素子401での周波数シフトを働かさない素通しの状態で、電気光学効果素子403で角周波数ω1の光パルス列を生成し、結晶5〜8に照射する。その結果、各結晶5〜8から生じた角周波数ω1-17.3×2πMHzの光子がビームスプリッターで重ね合わされ、光検出器で検出され、それに連動して音響光学効果素子302〜305が次々閉まる。音響光学効果素子302〜305の全てが閉まった後、制御回路1701により第2段階が始められる。すなわち、電気光学効果素子403が閉じられ、替わりに電気光学効果素子404がω2の光パルス列を生成しはじめ、光シャッター(音響光学効果素子)303、304が開かれ、ω2の光パルスは結晶6、7に照射される。結晶から生じた角周波数ω2+17.3×2πMHzの光子は、ビームスプリッター208で重ね合わされ、光検出器で検出され、それに連動して、音響光学効果素子303、304が閉じられる。
【０１０８】
これら一連の動作は全て自動的に、例えば約10μsのうちに行なわれる。その結果、結晶5に含まれるPr3+イオンの集合体と、結晶8に含まれるPr3+イオンの集合体との間にエンタングルメントを生成することができる。
【０１０９】
以上述べた構成によれば、空間的に離れた二つの原子集合体にエンタングルメントを生成し、さらにその2組のエンタングルメントを短時間のうちに結合して、より長距離間でのエンタングルメントを生成することができる。また、本実施例に利用した光源、光学系、および制御系をあわせてエンタングルメントを生成する装置を構築することができる。
【０１１０】
上記量子情報通信装置によって、A(1)とA(4)との間にエンタングルメントが生じたことは、以下のようにして確認することができる。
【０１１１】
上記のようなエンタングルメント生成系を2系統構築し、エンタングルメントをその間に生じさせたPr3+イオンの集合体の組を、2組用意する。その様子を図１０に示し、以下では図１０を用いて説明する。その一組目のPr3+イオンの集合体の片方が図中のイオン集合体1801でもう片方がイオン集合体1802、二組目のPr3+イオンの集合体の片方が図中のイオン集合体1803でもう片方がイオン集合体1804である。
【０１１２】
図１０に模式的に示すように、2組のエンタングルメントで結ばれたイオン集合体が生成できたら、イオン集合体1801と1803およびイオン集合体1802と1804に同時にω2の光パルスを照射する。光パルス照射により生じるω2+17.3×2πMHzの光子は、その光子の角周波数に共鳴し、その光子を選択的に透過する光共振器1901〜1904を透過させた後、イオン集合体1803から生じた光子に関しては、位相変調器2001でφaだけ位相を変化させ、イオン集合体1804から生じた光子に関しては、位相変調器2002でφbだけ位相を変化させる。
【０１１３】
位相変化の後、イオン集合体1801と1803とから発生した光子は、ビームスプリッター2101で重ね合わされる。重ね合わせの後、2方向に進む光子のそれぞれは、光子検出器2201、2202で検出できるようになっている。また、イオン集合体1802、1804から発生した光子は、ビームスプリッター2102で重ね合わされる。重ね合わされた後、2方向に進む光子のそれぞれは、光子検出器2203、2204で検出できるようになっている。
【０１１４】
各イオン集合体に光パルスを照射し、光子検出器2201、2202のどちらかと、光子検出器2203、2204のどちらかが同時に光子を検出する場合、どの検出器の組み合わせが同時検出をするかは、イオン集合体1801と1802の間、およびイオン集合体1803と1804との間にエンタングルメントが生じていれば、位相差φa-φbにより決まる。
【０１１５】
すなわち、イオン集合体に関する光子発生および検出について、位相変調のオフセットを適当に設定することで、φa=φb=0、またはφa=φb=π/2の場合には、同時検出が起こるのはいつでも光子検出器2201と2203との組、または光子検出器2202と2204との組とすることができ、また、φa=0、φb=π/2、またはφa=π/2、φb=0の場合は、その他の組み合わせの同時検出も起こることが観測される。これにより、本実施例において、最終的にエンタングルメントが生成されると予想された2つの結晶中のイオン集合体間に、実際に生成されたエンタングルメントを確認することができる。
【０１１６】
上記の2組のエンタングルメントで結ばれたイオン集合体を、例えば次のように利用すれば、量子暗号(乱数表の共有)を実行することができる。すなわち、乱数表を共有したい2者のうち第1者は位相変調器2001でφaを0またはπ/2に設定し、また、光子検出器2201、2202での光子検出結果を知ることができるとする。一方、第2者は、位相変調器2002でφbを0またはπ/2に設定し、光子検出器2203、2204での光子検出結果を知ることができるとする。
【０１１７】
まず、2組のエンタングルメントで結ばれたイオン集合体を生成し、第1者と第2者は、それぞれランダムにただし同じ頻度でφaとφbとを0またはπ/2に設定し、結晶への光照射により生じた光子の検出をする。その際、第1者は、光子検出器2201が検出した場合には「0」、光子検出器2202が検出した場合は「1」と記録する。また、そのとき設定されているφaの値を記録する。一方、第2者は、光子検出器2203が検出した場合は「0」、光子検出器2204が検出した場合は「1」と記録し、そのとき設定されているφbの値を記録する。
【０１１８】
エンタングルメント生成から始まるこの作業を何度か繰り返すことにより、第1者と第2者は、数字の列を得ることができる。第1者と第2者との間で、位相設定の履歴情報を交換し、偶然φa=φbであった場合の数字のみを取り出せば、第1者および第2者は、共通の乱数表を得ることができる。またこの方法は、量子力学的観点から、この乱数表に関する情報への盗聴に関して安全であることが知られている。
【０１１９】
以上で説明したエンタングルメント確認の系は、音響光学効果を利用した偏光器を、結晶5、8で発生しλ/2板705、708を通る光子の光路中、λ/2板の直後に挿入することで、図９に示した光学系に組み込んでおくことが可能である。エンタングルメント生成操作後、速やかに上記操作を行うことで、実際にエンタングルメントが生成されていることを確認できる。
【０１２０】
(実施例2)
実施例1においては、半透鏡501から結晶5〜8に照射する光のために設けられた音響光学効果素子302〜305の手前までの光路と、電気光学効果素子404から音響光学効果素子303、304までの光路が、ミラーで方向を定め自由空間を伝播させることで設定されていた。これに対し、本実施例2では、光ファイバー中を伝播させるように設定して、実施例1と同様に結晶5と結晶8とのそれぞれのPr3+イオン集合体間に、エンタングルメントを生成する。
【０１２１】
すなわち、半透鏡501を透過あるいは反射してきた光を、レンズ2601(以下図１１参照)で集光して、光ファイバー2701に入射し光ファイバー中を伝播させる。また、電気光学効果素子404を透過してきた光をレンズ2602で集光し、光ファイバー2702に入射し光ファイバー中を伝播させる。実施例1ではビームスプリッターあるいは半透鏡が担っていた機能を、ファイバー光カプラー2801〜2806で置き換え、各結晶に対応する光シャッターの手前でファイバーからの出力をレンズ2603〜2606で平行光に戻す。
【０１２２】
このように光ファイバーを利用することで、それぞれの結晶を離して、実用的な長距離間のエンタングルメントを生成する際、途中に障害物があっても簡単に迂回できる。また、光路設置後に、光路中に障害物が進入する可能性も少なく、またミラー等の調整もいらず保守も楽な光路を設定することができる。
【０１２３】
(実施例3)
実施例1においては、光シャッター302〜305として音響光学効果素子を利用した。これに対し、本実施例3では、光シャッター302〜305を、電気光学効果素子を利用したシャッターに置き換える。その結果、実施例1の場合と比較して、エンタングルメント生成系全体の動作速度が向上し、エンタングルメント結合に必要な時間をより短くすることができる。特に、結晶の初期化過程を除くエンタングルメント生成に必要な時間を1/10にすることができ、多段のエンタングルメント結合による長距離間のエンタングルメント生成に有効な構成と言える。
【０１２４】
(実施例4)
実施例1においては、原子集合体A(i)として、クライオスタット1〜4中に配置された結晶5〜8を用いた。本実施例4においては、原子集合体A(i)として、ガスセル中に封入したルビジウム原子を用いる。
【０１２５】
ルビジウム原子のエネルギー準位のうち、本実施例4にかかわる準位を図１２に模式的に示す。また、本実施例に用いた光路および光学素子等の配置を図１３に示す。
【０１２６】
本実施例4では、実施例1における安定化したリング色素レーザー光源9からの光の角周波数を、ルビジウム原子の基底状態である5S1/2の2つの超微細構造準位であるF=1の状態とF=2の状態のうち、エネルギーの高い方であるF=2の状態と上準位の5P3/2との間の遷移に共鳴する角周波数(約780nmに相当)に変えて使用する。また、実施例1における安定化したリング色素レーザー光源10からの光の替わりに、リングレーザー光源9からの光を分岐して利用する。また、波長依存性がある光学素子や光共振器をルビジウムの遷移に合わせたものに変更する。さらに、また実施例1における音響光学素子301を電気光学効果素子3301に替え、それによる角周波数シフト量を、17.3×2πMHz(Mrad/s)ではなく、9×2πGHzに設定する(9×2πGHzは、ルビジウムの基底状態のF=1状態とF=2状態のエネルギー差に相当する)。初期化においては、実施例1では±5GHzである、電気光学効果素子401による周波数変化の範囲を、電気光学効果素子3302を用いて±2GHzとする。以上のようにルビジウム原子に合わせた変更をしながら、実施例1と同様の操作を行う。
【０１２７】
なお、光パルス列を作る際のパルス間隔は、ガスセルから発生する光子がビームスプリッターで重ね合わせることができるように調整される。本実施例4の場合、ビームスプリッター3002〜3004およびミラー3203が等間隔で並び、それらビームスプリッターやミラーからガスセルまで、またガスセルから光子を重ね合わせるビームスプリッター4201〜4203までの光路長を等しく設定している。従って、ビームスプリッター3002〜3004の隣接するもの同士の間隔を、光パルスが進む時間がパルスの時間間隔となるように光パルス列を発生させる。
【０１２８】
このような構成により、実施例1と同様の操作の結果、ルビジウム原子の集合体3801と3804との間に、エンタングルメントを生成することができる。また、本実施例4では、単一の光源から得られた光を用いるだけであり、初期化を除いたエンタングルメント生成および結合の過程で、照射波長を切り替える必要がない。
【０１２９】
(実施例5)
図１４は、本実施例5に係る量子情報通信装置の概略構成を示した図である。同図に示すように、本実施例5に係る量子情報通信装置は、実施例4における光路中で、自由空間に光を伝播させていた部分のうち、半透鏡3101から光シャッター3501〜3504の手前までの光路を、光ファイバー4801に置き換えている。また、光共振器4101〜4106から検出器4301〜4306までの間を、光ファイバー4802〜4804に置き換えている。さらに、光を照射するガスセルを、コアの部分にPrイオンを分散させた光ファイバー5601〜5604に替え、そのイオンを分散した部分を減圧により1.4Kにした液体ヘリウム中に保持する。光路を光ファイバーに置き換える際には、光の入力用の集光レンズ4901〜4911を利用するとともに、ファイバーからの出力を平行光にするレンズ4912〜4925を利用する。また、実施例4において利用したビームスプリッターの替わりに、ファイバー光カプラー5001〜5006を用いる。
【０１３０】
ファイバー中のPrイオン集合体間のエンタングルメントは、照射するレーザーの角周波数、使用する光学素子の角周波数依存性、初期化の際に角周波数を振る範囲等を、ファイバー中のPrイオンの値に合わせて、実施例4と同様な方法によって生成することができる。特に、本実施例5では、光路の大部分に光ファイバーを利用しているため、量子情報通信装置として利用する際に、光学系調整等の保守の必要が少なく、また、光子検出器等の光学素子を比較的簡単かつ自由に配置できるようになっている。
【０１３１】
(実施例6)
本実施例6では、実施例5におけるコア中のPrイオンを分散させた光ファイバーの替わりに、コアの外周部に微小な空洞を設けた穴あきファイバーを用いる。このファイバーの空洞にルビジウムガスを充填し、当該ルビジウムガスを冷却せずに、実施例5と同様の方法で、エンタングルメント生成を行う。
【０１３２】
このような構成によれば、コアの導波路部を通った光のエバネッセント光が空洞部のルビジウムガスと相互作用し、実施例4の場合と同様、ルビジウムガスの間にエンタングルメントを生成することができる。
【０１３３】
(実施例7)
本実施例7では、実施例4におけるガスセルをリング型共振器の中に保持し、実施例4と同様の方法でエンタングルメントを生成する。共振器は、第1段階のエンタングルメント生成の際、各ルビジウム原子集合体から発生させる光子の光子エネルギーに相当する角周波数に共鳴するものを用いる。
【０１３４】
図１５は、本実施例7に係る量子情報通信装置において、ガスセル7001を中に含むリング型共振器の構成を示した図である。ただし同図は、実施例4におけるλ/2板3701と3705の間、3702と3706の間、3703と3707の間、3704と3708の間にあった4箇所のガスセルと置き換えたガスセルを含むリング型共振器の一つを示している。他の3箇所も図１５に示したのと同様の構成にて置き換える。
【０１３５】
このような構成により、比較的弱いレーザー照射でも効率的にエンタングルメント生成を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【図１】iの昇順に一列に並んでいる物理系集合体A(i)を示した図である。
【図２】状態|2>と状態|3>との間の遷移および状態|1>と状態|3>との間の遷移と、照射する光の角周波数との関係を説明するための図である。
【図３】物理系集合体A(1)とA(2)との間にエンタングルメント生成するための装置例を示した図である。
【図４】物理系集合体A(1)とA(2)との間でエンタングルメントを生成するための装置例を示した図である。
【図５】物理系集合体A(1)とA(4)との間にエンタングルメント生成するための装置例を示した図である。
【図６】物理系集合体A(1)とA(n)との間で生成されたエンタングルメントを説明するための概念図である。
【図７】一実施形態に係る量子情報通信装置の概略構成を示した図である。
【図８】他の実施形態に係る量子情報通信装置の概略構成を示した図である。
【図９】実施例1に係る量子情報通信装置の概略構成を示した図である。
【図１０】エンタングルメント生成を確認する方法を説明するための図である。
【図１１】実施例2に係る量子情報通信装置の概略構成を示した図である。
【図１２】実施例4に係る量子情報通信装置が有する原子集合体A(i)のエネルギー準位を説明するための図である。
【図１３】実施例4に係る量子情報通信装置の概略構成を示した図である。
【図１４】実施例5に係る量子情報通信装置の概略構成を示した図である。
【図１５】実施例7に係る量子情報通信装置において、ガスセルを中に含むリング型共振器の構成を示した図である。
【符号の説明】
【０１３７】
A(i)、1801〜1804…物理系集合体、S1(i)、2303、2304、3501〜3504…光シャッター、Fi…光学フィルター、Bi、4d、5a、201〜208、2101、2102、3002〜3004、4201〜4203…ビームスプリッター、T、901、902…偏光ビームスプリッター、Di、1101〜1106、2201〜2204…光子検出器、Pi…偏光子、9、10…リング色素レーザー、30…レーザー光源、301〜305…音響光学効果素子、401〜404…電気光学効果素子、501〜503、3101…半透鏡、601〜604、3203…ミラー、701〜710、3701〜3708…λ/2板、801〜806、1901〜1904、4101〜4106…光共振器、1001〜1004…λ/4板、1201〜1203…信号処理回路、1402〜1404、1601〜1604…音響光学素子ドライバー、1701…制御回路、2001、2002…位相変調器、2601〜2606、4901〜4925…レンズ、2701、2702、4801〜4804、5601〜5604…光ファイバー、2801〜2806、5001〜5006…ファイバー光カップラー、3301、3302…電気光学効果素子、3801〜3804、5601〜5604、7001…ガスセル、4301〜4306…検出器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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