(57)【要約】　　　（修正有）【課題】２つの受信装置に選択的に切り替えて量子状態を送信することのできる量子状態転送システムを提供する。【解決手段】１組の２モードスクイズド光発生装置１と、２モードスクイズド光を合成及び分割する第１のビームスプリッター３と、分割された１つと、もう一方を更に分割する第１と第２の偏光ビームスプリッター５，６と、入力信号と更に分割された光とを合成し、合成光を分割する第２のビームスプリッター６と、入力信号を入力する量子情報入力部と、第２のビームスプリッター上で合成され分割された１組の２モードスクイズド光を検波し電流に変換する１組の検波器７，８と、第１の受信装置１１と、第２の受信装置１２と、変換された電流に関する差分情報を、第１，第２の受信装置に伝達する第１の伝達路２３と、変換された電流に関する和の情報を、第１・第２の受信装置に伝達する第２の伝達路２４とを具備する量子切り替え転送システム。【選択図】図１
2004104771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１組の２モードスクイズド光を発生する１組の２モードスクイズド光発生装置と、
　　　前記１組の２モードスクイズド光を合成及び分割する第１のビームスプリッターと、
　　　第１のビームスプリッターにより分割された前記２モードスクイズド光の１つをその偏光に基づいて分割する第１の偏光ビームスプリッターと、
　　　第１のビームスプリッターにより分割された２モードスクイズド光のもう一方をその偏光に基づいて分割する第２の偏光ビームスプリッターと、
　　　入力信号と第１の偏光ビームスプリッターにより分割された２モードスクイズド光とを合成し、合成された入力信号と第１の偏光ビームスプリッターにより分割された２モードスクイズド光を分割する第２のビームスプリッターと、
　　　量子情報を持つ量子状態を具備する入力信号を入力する量子情報入力部と、
　　　第２のビームスプリッター上で合成され分割された１組の２モードスクイ
ズド光を検波し、その一組の２モードスクイズド光を情報を含む電流に変換する１組の検波器と、
　　　第１の受信装置と、
　　　第２の受信装置と、
　　　前記検波器により変換された電流に関する差分情報を、第１の受信装置と
第２の受信装置に伝達する第１の伝達路と、
　　　前記検波器により変換された電流に関する和の情報を、第１の受信装置と
第２の受信装置に伝達する第２の伝達路とを具備する量子切り替え転送システム。
【請求項２】
さらに、その一組の２モードスクイズド光発生装置と第１のビームスプリッターとの間の伝達路に置かれる少なくとも１つの位相変換装置を具備する請求項１のシステム。
【請求項３】
さらにその一組の２モードスクイズド光の間に位相差を与える少なくとも１つの位相シフト装置を含む請求項２のシステム。
【請求項４】
さらに入力部と第２のビームスプリッターと一組の検波器を含む送信装置を具備する請求項１のシステム。
【請求項５】
さらに信号伝送路を具備する第１と第２の伝達路を含む請求項４のシステム。
【請求項６】
さらにその一組の２モードスクイズド光発生装置と第１と第２の偏光ビームスプリッターとの間の光伝達路に置かれている第１のビームスプリッターを含む請求項１のシステム。
【請求項７】
さらに偏光された光を第１の受信装置に提供する第１の偏光ビームスプリッターと、
　　　　偏光された光を第２の受信装置に提供する第２の偏光ビームスプリッターとを含む請求項６のシステム。
【請求項８】
さらにそれぞれが第１と第２のビームスプリッターから偏光された光を受信する振幅変調器と位相変調器を含み、入力信号が復元されるように光電流信号をEPR相関を持つ１つのビームに変換する第１と第２の受信装置を含む請求項１のシステム。
【請求項９】
さらにその一組の２モードスクイズド光発生装置とレーザー等を具備する入力部を含む請求項１のシステム。
【請求項１０】
さらに２モードスクイズド光発生装置の１組だけを含むシステムを含む請求項１のシステム。
【請求項１１】
１組の２モードスクイズド光を発生する１組の２モードスクイズド光発
生装置と、
前記１組の２モードスクイズド光を合成し分割する第１のビームスプリッターと、
送信装置と、
第１の受信装置と、
第２の受信装置
とを具備する量子切り替え転送システムであって、
　　　　システムは第１と第２の受信装置のどちらか一方に伝達する量子情報を送信装置に制御させるために、その一組の２モードスクイズド光のエンタングルメント条件での違いを利用する量子切り替え転送システム。
【請求項１２】
さらに、システムは２モードスクイズド光発生装置を１組のみを含み、
　　　　第１のビームスプリッターのみがその一組の２モードスクイズド光を初めに合成するために使われる、
　　　　請求項１１のシステム。
【請求項１３】
さらに、システムが、第１と第２の受信装置のどちらか一方に伝達される量子情報を送信装置に制御させるために、振幅直交位相成分からエンタングルメント条件における違いを獲得するための位相直交位相成分へのその一組の２モードスクイズド状態の光の１つのスクイズされた成分における変化を利用する、
　　　　請求項１１のシステム。
【請求項１４】
さらに、その一組の２モードスクイズド光の発生装置と第１のビームスプリッターとの間の伝達路に置かれた少なくとも１つの位相シフト装置を具備し、
　　　　システムが、第１と第２の受信装置のどちらか一方に伝達される量子情報
を送信装置に制御させるために、エンタングルメント条件での違いを獲得するためのその一組の光の間の相対位相における変化を利用する、
　　　　請求項１１のシステム。
【請求項１５】
さらに、その偏光に基づいて第１のビームスプリッターによって分割された前記２モードスクイズド光の組の１つを分割する第１の偏光ビームスプリッターと、
その偏光に基づいて第１のビームスプリッターによって分割された２モードスクイズド光の組のもう一方を分割する第２の偏光ビームスプリッターと、
第１の偏光ビームスプリッターにより分割された２モードスクイズド光と入力信号を合成し、合成された入力信号と第１の偏光ビームスプリッターにより分割された２モードスクイズド光を分割する第２のビームスプリッターと、
量子情報を持つ量子状態を具備する入力信号を入力する量子情報入力部と、
第２のビームスプリッター上で合成され分割された１組の２モードスクイズド光を検波し、その一組の２モードスクイズド光を情報を含む電流に変換する１組の検波器と、
前記検波器によって変換された電流に関する差分情報を第１の受信装置と第２の受信装置に伝達する第１の伝達路と、
前記検波器によって変換された電流に関する和の情報を第１の受信装置と第２の受信装置に伝達する第２の伝達路とを具備する、請求項１１のシステム。
【請求項１６】
一組の２モードスクイズド光を提供し、
　　　　前記１組の２モードスクイズド光を合成、及び分割し、
　　　　その一組の２モードスクイズド光のエンタングルメント条件での違いに基づいて、異なる受け手のどちらか一方に伝達される量子情報を制御する量子切り替え転送方法。
【請求項１７】
さらに、量子情報が分割された２モードスクイズド光と合成され、
　　　　量子情報が、その一組の２モードスクイズド光のエンタングルメント条件での違いに基づいて古典経路を経由して第１の受け手または第２の受け手のいずれかに提供される
　　　　請求項１６の方法。
【請求項１８】
さらに、その一組の２モードスクイズド光のエンタングルメント条件での違いが、振幅直交位相成分から位相直交位相成分へのその一組の２モードスクイズド状態の光の一つのスクイズド成分における変化により獲得される、
　　　　請求項１７の方法。
【請求項１９】
さらに、その一組の２モードスクイズド光のエンタングルメント条件での違いが、その一組の光の間の相対位相の変化によって獲得される、請求項１７の方法。
【請求項２０】
さらに、その方法は１組の２モードスクイズド光発生装置のみを使い、
　　　　１つのビームスプリッターのみが初めにその一組の２モードスクイズド光を合成し、分割するために使われる、
請求項１６の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は一般的に量子通信、特に量子エンタングルメント状態を用いて量子状態を２つの受信装置に伝達する量子切り替え転送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
　近年、量子エンタングルド状態（以下「エンタングルド状態」という）は、量子通信や量子情報処理を可能にすると考えられるため、注目を集めている。エンタングルド状態を発生する方法は多数あり、アインシュタイン、ポドルスキー、ローゼン（EPR）形式の非局所エンタングルド状態はその一例である。例えば、ある方法は光パラメトリック効果とスクイズド状態の線形組み合わせを利用する。単一光子によるエンタングルメントに加えて、多数の光子を持つ状態は量子情報に使うことができる。これらの状態は連続変数によって記述される。
【０００３】
　未知の量子状態は、予め調整されたエンタングルメント状態を使うことによって、送信装置から別の受信装置へ転送可能なことが証明されてきた。エンタングルメントはこれらの量子状態の相関に関連している。エンタングルド光の特徴は、例えば量子情報通信に使うことができる。
【０００４】
　エンタングルド光を利用した量子通信技術は、例えば、A. Furusawa, et. al., Science, 282, 706 (1998)        （下記非特許文献１参照。）、T. C. Ralph, et. al., Phys. Rev. Lett. 81, 5668 (1998) （下記非特許文献２参照。）、Jing Zhang, et. al., Phys. Rev. A 62, 064302 (2000) （下記非特許文献３参照。）、Ch.Silberhom, et. al. Phys. Lett. 86, 4267 (2001) （下記非特許文献４参照。）、Y. Zhang, et. al., Phys. Rev. A, 62, 023813(2000) （下記非特許文献５参照。）などに記載されている。しかしながら、これらの通信技術では、受信装置が１つだけであった。
【０００５】
　Journal of Optics B, 3293 (2001) （下記非特許文献６参照。）のJ,Zhangらによる論文では、量子状態が発信ステーションから２つの受信ステーションのうちのどちらかへ転送されるという量子転送系が公開されている。この系では、同一の周波数と一定の位相関係を持つ2組のEPRビームが、２つのビームスプリッターでモードを構成することにより、2組の条件付きエンタングルドビームを作るために使われる。１つのビームスプリッターの１つの出力は、送信ステーションに送られ、もう一方のビームスプリッターの２つの出力は、それぞれの受信ステーションに送られる。どちらの受信ステーションが実際に転送状態を受け取るかは、関連する２つの真空場の２モードスクイズド状態の同位相、または位相の異なる直交位相成分によって決定される。しかしながらこの系は、2組の条件付きエンタングルドビームを作るために、２つのビームスプリッターと２組のEPRビームを使うので、扱いにくく複雑である。
【０００６】
【非特許文献１】A. Furusawa, et. al., Science, 282, 706 (1998)
【非特許文献２】T. C. Ralph, et. al., Phys. Rev. Lett. 81, 5668 (1998)
【非特許文献３】J. Zhang, et. al., Phys. Rev. A 62, 064302 (2000)
【非特許文献４】Ch. Silberhom, et. al. Phys. Lett. 86, 4267 (2001)
【非特許文献５】Y. Zhang, et. al., Phys. Rev. A, 62, 023813(2000)
【非特許文献６】J. Zhang, et. al., Journal of Optics B, 3293 (2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
　本発明は、１組のEPRビーム（１組の２モードスクイズド光発生装置）を用いた量子切り替え転送システムを提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
　本発明の第１の実施態様である量子切り替え転送システムは、１組の２モードスクイズド光を発生する１組の２モードスクイズド光発生装置と、前記１組の２モードスクイズド光を合成または分割する第１のビームスプリッターと、第１のビームスプリッターにより分割された前記１組の２モードスクイズド光の１つをその偏光に基づいて分割する第１の偏光ビームスプリッターと、第１のビームスプリッターにより分割された１組の２モードスクイズド光の残りの１つをその偏光に基づいて分割する第２の偏光ビームスプリッターと、１つの入力信号と第１の偏光ビームスプリッターにより分割された２モードスクイズド光と合成し、合成された入力信号と第１の偏光ビームスプリッターにより分割された２モードスクイズド光とを分割する第２のビームスプリッターを具備する。本システムはさらに、量子情報を持った量子状態を具備する入力信号を入力する量子情報入力部と、第２のビームスプリッター上で合成され分割された１組の２モードスクイズド光を検波し、１組の２モードスクイズド光を情報を含む電流に変換する１組の検波器と、第１の受信装置と、第２の受信装置を具備する。このような構成をとるために、本システムは、上記の課題を解決できる。
【０００９】
　本システムは、さらに、前記検波器によって変換された電流に関する差分情報を第１の受信装置と第２の受信装置に伝達する第１の伝達路と、前記検波器によって変換された電流に関する和の情報を第１の受信装置と第２の受信装置に伝達する第２の伝達路を具備する。
【００１０】
　本発明のもう１つの実施態様である量子転送切り替えシステムは、１組の２モードスクイズド光を発生する１組の２モードスクイズド光発生装置と、前記１組の２モードスクイズド光を合成し分割する第１のビームスプリッターと、送信装置と、第１の受信装置と、第２の受信装置を具備する。本システムは、送信装置が替わるがわる第１または第２の受信装置に伝達される量子情報を制御できるように１組の２モードスクイズド光のエンタングルメント条件での違いを利用する。
【００１１】
　本発明のもう１つの実施態様である量子転送切り替え方法は、１組の２モードスクイズド光の提供と、前記２モードスクイズド光の合成および分割と、前記１組の２モードスクイズド光のエンタングルメント条件での違いに基づいた、異なる受信装置に替わるがわる伝達される量子情報の制御を具備する。
【００１２】
　より具体的な例としては、１組の２モードスクイズド光を発生する１組の２モードスクイズド光発生装置と、前記１組の２モードスクイズド光を合成及び分割する第１のビームスプリッターと、第１のビームスプリッターにより分割された前記２モードスクイズド光の１つをその偏光に基づいて分割する第１の偏光ビームスプリッターと、第１のビームスプリッターにより分割された２モードスクイズド光のもう一方をその偏光に基づいて分割する第２の偏光ビームスプリッターと、入力信号と第１の偏光ビームスプリッターにより分割された２モードスクイズド光とを合成し、合成された入力信号と第１の偏光ビームスプリッターにより分割された２モードスクイズド光を分割する第２のビームスプリッターと、量子情報を持つ量子状態を具備する入力信号を入力する量子情報入力部と、第２のビームスプリッター上で合成され分割された１組の２モードスクイズド光を検波し、２モードスクイズド光の組を情報を含む電流に変換する１組の検波器と、第１の受信装置と、第２の受信装置と、前記検波器により変換された電流に関する差分情報を、第１の受信装置と第２の受信装置に伝達する第１の伝達路と、前記検波器により変換された電流に関する和の情報を、第１の受信装置と第２の受信装置に伝達する第２の伝達路とを具備する量子切り替え転送システムが挙げられ、より好ましくは、さらに、２モードスクイズド光発生装置の組と第１のビームスプリッターとの間の伝達路に置かれる少なくとも１つの位相変換装置を具備し、さらにその一組の２モードスクイズド光の間に相対位相を創り出す少なくとも１つの位相シフト装置を含み、さらに入力部と第２のビームスプリッターと一組の検波器を含む送信装置を具備し、さらに信号伝送路を具備する第１と第２の伝達路を含み、さらにその一組の２モードスクイズド光発生装置と第１と第２の偏光ビームスプリッターとの間の光伝達路に置かれている第１のビームスプリッターを含み、さらに偏光された光を第１の受信装置に提供する第１の偏光ビームスプリッターと、偏光された光を第２の受信装置に提供する第２の偏光ビームスプリッターとを含み、さらにそれぞれが第１と第２のビームスプリッターから偏光された光を受信する振幅変調器と位相変調器を含み、入力信号が復元されるように光電流信号をEPR相関を持つ１つのビームに変換する第１と第２の受信装置を含み、さらにその一組の２モードスクイズド光発生装置とレーザー等を具備する入力部を含み、さらに２モードスクイズド光発生装置の１組だけを含むシステムを含む。
【００１３】
　また他の例としては、１組の２モードスクイズド光を発生する１組の２モードスクイズド光発生装置と、前記１組の２モードスクイズド光を合成し分割する第１のビームスプリッターと、送信装置と、第１の受信装置と、第２の受信装置とを具備する量子切り替え転送システムであって、システムは第１と第２の受信装置のどちらか一方に伝達する量子情報を送信装置に制御させるために、その一組の２モードスクイズド光のエンタングルメント条件での違いを利用する量子切り替え転送システムであるものが挙げられる。この例は、好ましくは、さらに、システムは２モードスクイズド光発生装置を１組のみを含み、第１のビームスプリッターのみが一組の２モードスクイズド光を初めに合成するために使われ、また、さらに、システムが、第１と第２の受信装置のどちらか一方に伝達される量子情報を送信装置に制御させるために、振幅直交位相成分からエンタングルメント条件での違いを獲得するための位相直交位相成分へのその一組の２モードスクイズド状態の光の１つのスクイズされた成分における変化を利用し、また、さらに、その一組の２モードスクイズド光の発生装置と第１のビームスプリッターとの間の伝達路に置かれた少なくとも１つの位相シフト装置を具備し、システムが、第１と第２の受信装置のどちらか一方に伝達される量子情報を送信装置に制御させるために、エンタングルメント条件での違いを獲得するためのその一組の光の間の相対位相における変化を利用し、また、さらに、その偏光に基づいて第１のビームスプリッターによって分割された前記一組の２モードスクイズド光の１つを分割する第１の偏光ビームスプリッターと、その偏光に基づいて第１のビームスプリッターによって分割されたその一組の２モードスクイズド光のもう一方を分割する第２の偏光ビームスプリッターと、第１の偏光ビームスプリッターにより分割された２モードスクイズド光と入力信号を合成し、合成された入力信号と第１の偏光ビームスプリッターにより分割された２モードスクイズド光を分割する第２のビームスプリッターと、 量子情報を持つ量子状態を具備する入力信号を入力する量子情報入力部と、第２のビームスプリッター上で合成され分割された１組の２モードスクイズド光を検波し、その一組の２モードスクイズド光を情報を含む電流に変換する１組の検波器と、前記検波器によって変換された電流に関する差分情報を第１の受信装置と第２の受信装置に伝達する第１の伝達路と、前記検波器によって変換された電流に関する和の情報を第１の受信装置と第２の受信装置に伝達する第２の伝達路とを具備するのシステムである。
【００１４】
　他の例としては、一組の２モードスクイズド光を提供し、前記１組の２モードスクイズド光を合成、及び分割し、その一組の２モードスクイズド光のエンタングルメント条件での違いに基づいて、異なる受け手のどちらか一方に伝達される量子情報を制御する量子切り替え転送方法が挙げられる。この例は、好ましくは、さらに、量子情報が分割された２モードスクイズド光と合成され、量子情報が、その一組の２モードスクイズド光のエンタングルメント条件での違いに基づいて古典経路を経由して第１の受け手または第２の受け手のいずれかに提供され、また、さらに、その一組の２モードスクイズド光の組エンタングルメント条件での違いが、振幅直交位相成分から位相直交位相成分へのその一組の２モードスクイズド状態の光の一方のスクイズド成分における変化により獲得され、また、さらに、その一組の２モードスクイズド光のエンタングルメント条件での違いが、その一組の光の間の相対位相の変化によって獲得され、また、さらに、方法は１組の２モードスクイズド光発生装置のみを使い、１つのビームスプリッターのみが初めにその一組の２モードスクイズド光を合成し、分割するために使われる方法である。
【発明の効果】
【００１５】
　本発明によれば、１組のEPRビーム（１組の２モードスクイズド光発生装置）を用いた量子切り替え転送システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
　本発明の第１の実施形態は、量子状態を送り手から２つの受け手にかわるがわる伝達することができる量子切り替え転送システムである。量子状態の形式は、好ましくは光の量子状態である（即ち量子情報）。本システムは１つのビームスプリッターに向けられた１組の２モードスクイズド光発生装置を使用する。本システムは、その一組の２モードスクイズド状態の光の１つのスクイズされた成分における振幅直交位相成分から位相直交位相成分への変化、またはその一組の光の間の相対位相における変化を利用する。つまりエンタングルメント条件での違いは、異なる受け手に伝達される量子情報を送り手に制御させる。
【００１７】
　本発明の実施態様である量子状態転送システムを図１に示す。本システムは、1組の２モードスクイズド光発生装置（１,２）を具備する。これらの装置は２モードスクイーズド光を発生する。第１のビームスプリッター（３）は光発生装置（１）と（２）から光のモードを合成または構成するために使われる。ビームスプリッター（３）は、２つの光ビーム（光線）を出力する。第１の光ビームは、第１の偏光ビームスプリッター（５）に向けられ、第２の光ビームは、第２の偏光ビームスプリッター（６）に向けられる。
【００１８】
　第１の偏光ビームスプリッター（５）は、第１のビームスプリッター（３）によって提供される２モードスクイズド光の１つを、その偏光に基づいて分割する。例えば、第１の偏光ビームスプリッターは垂直方向に偏光された光を第１方向に、水平方向に偏光された光を第２方向に出力する。より好ましくは、偏光ビームスプリッター（５）は水平に偏光された光を第２のビームスプリッター（４）に向け、垂直に偏光された光を第１の受信装置（１１）に向ける。偏光方向は、逆であってもよい。
【００１９】
　第２の偏光ビームスプリッター（６）は、第１のビームスプリッター（３）によって提供される２モードスクイズド光のもう一方をその偏光に基づいて分割する。例えば、第２の偏光ビームスプリッター（６）は、垂直方向に偏光された光を第１の方向に、水平方向に偏光された光を第２の方向に出力する。より好ましくは、偏光ビームスプリッター（６）は水平方向に偏光された光をシステム外に向け、垂直方向に偏光された光を第２の受信装置（１２）に向ける。偏光方向は逆であってもよい。
【００２０】
　第２のビームスプリッター（４）は、送信または伝達装置（９）に位置付けられている。入力された量子状態（即ち未知の量子状態）は、量子情報入力部（１０）の中へ提供され、それはまた送信または伝達装置（９）に位置付けられている。例えば、入力された量子情報はビームの形であってもよい。
【００２１】
　第１の偏光ビームスプリッター（５）により分割された２モードスクイーズド光は、量子情報入力部（１０）からの入力信号または光ビームと、第２のビームスプリッター（４）によって合成される。第２のビームスプリッター（４）によって出力される２つのビームは、それぞれ検波器（７、８）によって検波される。検波器（７、８）は検波した光ビームを、電気的な光電流のような電気的な信号に変換する。光電流は加算/減算装置（２６）へ提供される。
【００２２】
　光電流の差分は、第１の伝達路（２３）に沿って第１の受信装置（１１）と第２の受信装置（１２）へ伝達される。光電流の和は、第２の伝達路（２４）に沿って第１の受信装置（１１）と第２の受信装置（１２）へ伝達される。光電流の和は振幅直交位相成分を表す。光電流の差分は、位相直交位相成分を表す。伝達路（２３、２４）は古典的な情報を伝達する古典的な伝達路を具備する。伝達路（２３、２４）は１つの流れを伝達する１本の信号伝送路であることが好ましい。本発明のもう一方の実施形態において、伝達路は情報を送信または伝達装置（９）の中のRF伝達装置から受信装置（１１、１２）の中のRF受信装置へ無線周波数変換機を経由して伝達する電波伝達路を具備する。本発明の残りの実施形態において、伝達路は情報を伝達装置（９）の中の光伝達装置から受信装置（１１、１２）の中の光受信装置へ、自由空間または光ファイバを通した光伝達を経由して伝達する光波伝達路を具備する。
【００２３】
　第１の伝達路（２３）と第２の伝達路（２４）から受信装置（１１、１２）へ提供された光電流は、増幅器（１９、２０、２１、２２）によって増幅され、振幅変調装置（１３、１６）と位相変調装置（１４、１７）のような光変調装置に提供される。受信装置（１１、１２）は、それぞれ図１に示すような出力信号（１５、１８）を出力する。
【００２４】
　位相シフト装置（２５）は、光発生装置によって出力される光ビームの相対位相差を提供するため、光発生装置（１、２）によって出力されるビームの間に提供されるのが好ましい。一方、非縮退光パラメトリック増幅器(NOPA)は、EPRビームを発生させるために使うこともでき、EPRビーム間の位相差はNOPAのポンプ光と入射される信号場の間の相対位相差を用いて生成される。位相シフトは分割されたビームのモード間のエンタングルメントに帰着する。特に位相シフトは、入力部（１０）の光と受信部（１１）の光または受信部（１２）の光の間の切り替えエンタングルメントを二者択一的に生成する。このようにして１組の２モードスクイズド光は、相対位相をシフトさせて、２つの受信装置を有する量子切り替え転送システムの獲得を可能にする偏光ビームスプリッターによって、以下に詳細に記述されているように、切り替えエンタングルメントを生成する。
【００２５】
　図１のシステムを使った好ましい転送方法は、次のように作用する。２モードスクイズド光発生装置（１、２）は、１組の２モードスクイズド光または光ビームを発生する。各光ビームはビーム変調器（図１には表示されていない）によって、同じ周波数と直角の偏光を持つように変調される。これらの光ビームは第１のビームスプリッター（３）に向けられる。第１のビームスプリッター（３）に集められた光ビームは、第１と第２の偏光ビームスプリッター（５、６）に向けられ、その偏光に基づいて第１と第２の偏光ビームスプリッター（５、６）によって、図１の場またはモードA、B、C、Dに分割される。例えばモードAとCは水平方向の偏光であり、領域BとDは垂直方向の偏光である。
【００２６】
　１組の２モードスクイズド光の状態に基づいて、モードAまたはモードBの切り替えエンタングルド状態は第１の受信装置（１１）へ出力され、モードCまたはモードDのエンタングルド状態は第２の受信装置（１２）へ出力される。特定モード間のエンタングルメントは、位相シフト装置（２５）による適切な相対位相とスクイージングの成分の選択か、NOPAのポンプ光と入射される信号場の間の相対位相差を用いて選ばれる。例えば、モードAはモードBかモードDともつれる。
【００２７】
　未知の量子状態のような入力された量子状態（量子情報）は、次のように異なる受信装置（１１、１２）に送信される。まず量子状態（量子情報）は、送信または伝達装置（９）の量子情報入力部（１０）へ提供される。そして、入力情報は第２のビームスプリッター（４）上で２モードスクイズド光と合成され、１組の光ビームに分割される。分割された１組の２モードスクイズド光は、それぞれの検波器（７、８）によって検波される。光ビームの中に埋め込まれた情報は、情報を伝達する電流（即ち光電流）に変換される。検波器によって変換された光電流の差分に関する差分情報は、第１の受信装置（１１）と第２の受信装置（１２）に第１の伝達路（２３）を通して提供される。検波器によって変換された光電流の和に関する和情報は、第１の受信装置（１１）と第２の受信装置（１２）に第２の伝達路（２４）を通して提供される。光電流の和と差は、それぞれ振幅直交位相成分と位相直交位相成分を表す。
【００２８】
　光電流は受信装置（１１、１２）の中にある増幅器（１９、２０、２１、２２）によって、増幅され調整される。特に、光電流は２つの部分に分割され、受信装置（１１、１２）の中にある振幅変調器（１３、１６）と位相変調器（１４、１７）に送られる。振幅及び位相変調器は、光電流信号をEPR相関を持つ１つのビームに変調し、その後その入力信号は復元される。
【００２９】
　次の説明は、可変なエンタングルメント条件での違いを用い、異なる受信装置に伝達される量子状態の制御方法を示す。２つの空間的に分離された光モードαj (j=1,2)に対して、含まれる光場は直交位相成分すなわち、下記の振幅直交位相成分と、位相直交位相成分によって記述することができる。ゆえに、量子状態は全ての直交位相変数が不確定であっても可能であるが、２つの光モードの結合変数は定義されている。これはＸまたはＹに対する２モードスクイジングとして知られている。
【００３０】
振幅偏角：Xj =αj*＋αj 
位相偏角：Yj =i(αj*-αj)
【００３１】
　２モードスクイズド光発生装置（１、２）から発生する１組の２モードスクイズド光であって、同一の周波数であるが直角の偏光で２モードによって連結され、
【００３２】
2004104771.tif 000003
【００３３】
　によって記述されるものは、第１のビームスプリッター（３）上で反射率 r と透過率 t を用いて合成され、どちらも大きさが２-1/2で、光の相対位相はθである。ビームスプリッター（３）の出力ポート(e,f)における場は、以下の入力場の線形重ね合せである。
【００３４】
入力場の線形重ね合せ
【００３５】
2004104771.tif 000004
【００３６】
　スクイズド光と同様に出力される場に対する直交位相成分の振幅と位相を導入して、代数演算により、次の式が得られる：
【００３７】
2004104771.tif 000005
【００３８】
ｔ＝ｒ＝２-1/2と設定することにより、２つの出力される場の間の相互相関は次のように書くことができる：
【００３９】
2004104771.tif 000006
【００４０】
　上記の式から、エンタングルして出力される場は、適当な相対位相と１つのスクイズド光のスクイージング成分を選択することにより得ることができる。一方で、もう一方の光のスクイージング成分は固定されている。
【００４１】
　場やモードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、偏光ビームスプリッター（５、６）によって、それらの偏光に基づいて出力される場から分離される。それらは以下のように書くことができる。
【００４２】
2004104771.tif 000007
【００４３】
　それらの中の直交位相成分の相互相関は、次の式によって与えられる：
【００４４】
2004104771.tif 000008
【００４５】
　このように、適切な相対位相とスクイージングの成分を選択することは、それぞれ、モードＡとモードＢの間、またはモードＡとモードＤの間のエンタングルメントに帰結する。例えば、相対位相(θ＝0)がゼロに選択され、２モードスクイズド光の１つが
【００４６】
2004104771.tif 000009
【００４７】
の成分でスクイズされ、もう一方が
【００４８】
2004104771.tif 000010
【００４９】
の成分でスクイズされるとき、モードＡはモードＢともつれる。しかし、
【００５０】
2004104771.tif 000011
【００５１】
から
【００５２】
2004104771.tif 000012
へスクイズされた成分を変更することにより、モードＡはモードＤともつれる。さらに、
【００５３】
2004104771.tif 000013
【００５４】
のスクイズされた成分を１つの２モードスクイズド光に対して固定し、
【００５５】
2004104771.tif 000014
【００５６】
をもう一方の光に対して固定するとき、上述のエンタングルメントは相対位相をθ= 0 またはθ = π／２と選択することにより得ることができる。より一般的に、他の種類のエンタングルメントは、２つの場とスクイズされた成分の間で異なる相対位相を選択することにより得ることができる。したがって、エンタングルメント条件での違いは送り手に、量子情報を異なる受け手に伝達されるよう制御させる。計算の詳細は、European Physical Journal D, 21, 361(2002)のY.Zhang、K.Kasai、M.Watanabeによる「２モードスクイズド光を使った連続変数量子切り替え転送」という論文により詳細に提供されており、ここではそのまま参照されている。
【００５７】
　ここで使われているように、「エンタングルメント」という用語は２つまたはそれ以上のモード間の量子相関を意味し、異なるモードの量子状態は互いに相関を持っている。エンタングルメントの１つの例は、上記の「２モードスクイージング」である。例えば２モードスクイージングにおいて、モード１とモード２の２つの周波数モードを個別に測定した場合、ショット雑音より大きな雑音を持つ。しかし、２つの周波数モードを同時に測定した場合、雑音はショット雑音以下にスクイズされている。実際には、
【００５８】
2004104771.tif 000015
【００５９】
のように、和と差を測定することが同時測定に相当する。各モード１と２の量子相関があるから、これらの分散がスクイズされるのである。２モードスクイズド光とは、このようなスクイズド光である。
【００６０】
　アインシュタイン、ポドルスキー、ローゼンは、もしこのような状態を巨視的なスケールで実現できたとすると、これまでの古典物理学の直観では説明しきれない奇妙な結果が生じてしまうとしたため、２モードスクイズド光はEPR形式の光とも呼ばれる。これはEPRのパラドックスと呼ばれてきた。しかし、このような現象が実際に起きることが証明されてきている。さらにそれは、今までにない情報をもつ転送技術や暗号技術、信号処理技術やその他の技術に応用することができる。最近まで、量子エンタングルド状態は原子スケールにおいてのみ現れる現象であった。しかし、量子エンタングルド状態は、数10km以上離れたスケールまで展開できるようになった。光の直交振幅と呼ばれる連続物理量に基づく量子エンタングルド状態の生成・制御は、高性能の量子転送や量子通信、量子測定技術を可能にした。
【００６１】
　以下の段落では、転送システムの構成要素の、より好ましい限定されない例について説明する。２モードスクイズド光発生装置（１、２）としては、公知の適当な装置を使うことができる。そのような装置（１、２）の例は、連続光を発生する装置やパルスレーザーと非線形媒質と光共振器などからなる装置である。連続光発生装置としては例えば、YAGレーザーが挙げられる。例えば、532nmの波長を持つYAGレーザーの２倍波が使われる。
【００６２】
　パルスレーザー発生装置の例としては、10フェムト秒から１ピコ秒の半値全幅を有するパルスレーザーが挙げられるが、より好ましくは、サブピコ秒やサブフェムト秒である。フェムト秒レーザーは、光強度が強く、好適にエンタングルド状態を引き起こすことができるので、最も好ましい。
【００６３】
　非線形媒質の例としては、非線形結晶や光ファイバーが挙げられる。光源として連続光を用いた場合は、非線形媒質として非線形結晶を用いることが好ましい。非線形媒質はレーザー光に２次および/または３次の非線形効果を与える。物質に光を照射すると、その物質中に分極が誘起される。一般的には光の電場に関して１次の分極が誘起され、ここから光の周波数と同じ光が放出される。一方で物質内では、２次分極、３次分極といった高次分極が起きるものがある。この際に放出される光は、入射した光の周波数の２倍、３倍のものとなる。これら高次の分極を非線形分極と呼び、これらの分極を引き起こす現象を非線形光学現象と呼ぶ。２モードスクイズド光を発生させるためには、非線形光学現象の一種である光パラメトリック効果を使うことが好ましい。
【００６４】
　本発明のシステムにおいて、１組の２モードスクイズド光発生装置（１、２）によって発生する２モードスクイズド光の位相が制御できるように、装置（２５）のような位相制御装置が設けられていることが好ましい。また、２モードスクイズド光発生装置によって生成された２モードスクイズド光の同期をとるために、２モードスクイズド光発生装置に同期システムが組み込まれているのが好ましい。位相シフト装置が、位相制御装置及び/または同期システムと併せ、または位相制御装置及び/または同期システムの代わりに、光路に設けられていてもよい。位相シフト装置の例としては、好ましくは移動可能なもので、光路のスクイズド光の位相シフトを引き起こすことができる装置が挙げられる。
【００６５】
　位相シフト装置の一例としては、０とπ/２の位相をシフトする装置が挙げられる。位相シフト装置の例としては、光学長を変えることができる光学装置と電気光学変調器が挙げられ、好ましくは電気的または機械的に変調して位相を制御することができるものが挙げられる。上記の位相シフトにより、入力情報を選択的に２つの受信装置へ送り、量子情報を受け取る受け手を変えることができる。
【００６６】
　発生ビームの変調器としては、いかなるビーム変調器でも用いることができる。できれば、１組の２モードスクイズド光が、同じ周波数で偏光が直角になるように変調されるのが好ましい。
【００６７】
　図１に示すシステムにおけるビームスプリッター（３、４）としては、いかなるビームスプリッターでも用いることができる。ビームスプリッターの例としては、適当な光学部品が挙げられる。ビームスプリッターの好ましい例としては、光の強度を半分ずつに分割するビームスプリッター（つまり50:50ビームスプリッター）が挙げられる。他のタイプのビームスプリッターも用いることはできる。
【００６８】
　図１に示すシステムにおける偏光ビームスプリッター（５、６）としては、いかなる偏光ビームスプリッターでも用いることができる。偏光ビームスプリッターは、偏光面に基づいて光を分割することができる光学装置である。偏光ビームスプリッターのより好ましい例としては、光を水平と垂直の偏光方向に分離することができるものが挙げられる。
【００６９】
　量子状態（量子情報）入力部としては、YAGレーザーやLDや他の放射装置のような特定の量子情報を持った場を発生することができる光源であれば、いかなるものであっても構わない。入力される量子状態（量子情報）の例としては、特定の波動関数、スクイズド状態などが挙げられる。しかし、これらの状態はこれらの例に限られるものではない。入力される量子状態（量子情報）は、例えば任意の光の量子状態であってもよい。
【００７０】
　いかなる検波器（７、８）でも用いることができる。検波器（７、８）は、検波器と増幅器または変換器を具備しているものが好ましい。検波器と増幅器は１つに統合された装置を構成しても、２つの別々の装置を構成してもよい。検波器の例としては、PNフォトダイオード、PINフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、ヘテロダイン検波器、ホモダイン検波器等が挙げられる。光の周波数に基づいて分解することができるホモダイン検波器が好ましい。量子状態としては例えば、光子数スクイージングとエンタングルメントが挙げられる。増幅器は、光に関する情報を電流に関する情報に増幅することができる装置であれば、いかなるものであってもよい。そのような検波・増幅器の例としては、フォトダイオードを用いた検波・増幅器が挙げられる。
【００７１】
　本発明では、エンタングルド状態を最適化する目的で制御装置を用いてもよい。そのような制御装置の例としては、検波器から光の量子情報に関する情報を受け取る量子情報受信部と、量子状態を作る最適化アルゴリズムを応用する演算部を有する装置が挙げられる。例えば、パルス光のエンタングルド状態は、量子情報受信部によって受信された量子情報に基づいて目標値にされ、波形を波形整形装置に整える演算部によって演算される。最適化アルゴリズムは、例えば、２モード直交位相振幅（Ｘ,Ｙ）の差と和の分散の合計値が最小となるような最適化アルゴリズムが挙げられる。そのような最適化アルゴリズムの例としては、フーリエ反復アルゴリズムと、特開平１１−５４３９７号公報や雑誌『Oplus E 11月号83ページ』に記載されているようなシミュレーテッドアニーリングに基づく最適化アルゴリズムが挙げられる。シミュレーテッドアニーリングアルゴリズムが好ましい。
【００７２】
　本発明の量子切り替え転送システムは、各種の量子情報通信技術に利用できる。例えば本システムは、受け手が送り手から来た未知の量子状態を受け取り、２つのモードを共有することによって、エンタングルメントが生成され、送り手側といくつかの受け手側での量子転送に利用できる。また本システムは、盗聴者を検知できる量子暗号に利用することができる。さらに本システムは、暗号鍵を乗せる量子暗号や、量子暗号配布技術、量子コンピュータ間のネットワークに利用することができる。
【００７３】
　上述の本発明の説明は、例示と説明の目的のために開示された。表現は本発明の原理とその実際の応用を説明するために選ばれた。発明の正確な形式での開示の徹底や制限を意図するものではなく、上記または本発明の実施から得られるかもしれない教訓の観点からの修正や変更は可能である。本発明の範囲が、ここに付け加えられた請求項によって定義され、同等であることを意図するものである。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
　本発明は、通信技術などに好適に用いられる。特に、本発明は、２つの受信装置のうち、選ばれた受信装置に量子情報を伝達できる量子切り替え転送システムとして量子通信技術おいて有効に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】図１は、本発明の実施態様に従った量子状態転送システムの概略図である。
【符号の説明】
【００７６】
１　２モードスクイズド光発生装置（ＴＭＳＳa）
２　２モードスクイズド光発生装置（ＴＭＳＳｂ）
３　ビームスプリッター（ＢＳ１）
４　ビームスプリッター（ＢＳ２）
５　偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）
６　偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ２）
７　検波器
８　検波器
９　送信または伝達装置
１０　量子情報入力部
１１　受信装置１
１２　受信装置２
１３　振幅変調装置
１４　位相変調装置
１５　出力信号
１６　振幅変調装置
１７　位相変調装置
１８　出力信号
１９　増幅器
２０　増幅器
２１　増幅器
２２　増幅器
２３　伝達路
２４　伝達路
２５　位相シフト装置
２６　加算/減算装置
【図１】
2004104771.tif 000016