(57)【要約】【課題】工業上利用可能なエンタングルメント状態の最適化を行うシステム、及びそのようなシステムを利用した光ファイバなどによる量子情報通信技術の提供。【解決手段】パルスレーザーからのレーザー光の波形を調整する波形整形器と、波形整形器から出力されたレーザー光を伝達し、非線形効果を与える非線形媒質と、非線形媒質から出力されたレーザー光を検波する検波器と、前記検波器が検波したレーザー光のエンタングルメント状態を含む情報を制御し、波形成型器へとフィードバックする制御装置とを含み、エンタングルメント状態を繰り返し最適化することにより望ましいエンタングルメント状態を得るエンタングルメント状態の最適化システム。【選択図】　　図１
2004004189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザーからのレーザー光の波形を調整する波形整形器と、
前記波形整形器から出力されたレーザー光を伝達し、非線形効果を与える非線形媒質と、
前記非線形媒質から出力されたレーザー光を検波する検波器と、
前記検波器が検波したレーザー光のエンタングルメント状態を含む情報を制御し、前記波形成型器へとフィードバックする制御装置とを含み、
エンタングルメント状態を最適化することにより望ましいエンタングルメント状態を得るエンタングルメント状態の最適化システム。
【請求項２】
前記制御装置が、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手段と、前記量子情報受信手段が受信した量子情報に基づき、パルスの量子状態を目標値にするための最適化アルゴリズムを有する演算手段と、前記演算手段により計算された波形を整形するための情報を波形整形器に出力する出力手段とを具備し、
前記最適化アルゴリズムが、シミュレーテッドアニーリングである請求項１に記載のエンタングルメント状態の最適化システム。
【請求項３】
前記パルスレーザーが、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である請求項１に記載のエンタングルメント状態の最適化システム。
【請求項４】
前記非線形媒質が、光ファイバーである請求項１に記載のエンタングルメント状態の最適化システム。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載のエンタングルメント状態の最適化システムを用いた情報通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンタングルメント状態の最適化システムなどの量子情報処理技術に関する。本発明は、より詳しくは、周波数モード間エンタングルメント状態の最適化システムに関するこのようなエンタングルメント状態の最適化システムは、例えば、即時転送技術や、光ファイバー通信などに利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、量子通信や量子情報処理への応用の可能性から、エンタングルメント状態が大きな注目を集めいている。エンタングルメント状態の発生法は、多数知られている。高強度なエンタングルメント状態の発生方法として、非線形ファイバ内を伝搬させた超短光パルス（好ましくはソリトン波形のもの）のスペクトルフィルタリング法が知られている。光ファイバ伝搬中の３次の非線形効果および２次の分散が、エンタングルメント（量子相関）を誘起する。このエンタングルメント状態は、非線形効果に強く依存するため、好ましいエンタングルメント状態を得るために、光ファイバの非線形性、分散、および入力パルスの複素振幅などを制御することが考えられる。
【０００３】
エンタングルメント状態は、現在量子情報通信や量子コンピュータなどの分野で勢力的に研究されている。これまでの光通信は、光の波としての性質を利用して情報を伝播していた。しかし、光は、「波」としての性質の他に「粒子」としての性質もある。エンタングルメントは、この「粒子」としての性質（量子状態）に着目したものである。そして、エンタングルメント状態にある光子のペアは、互いに偏光軸の傾きなどが同じになる。このような性質から、エンタングルメント状態にある光は、情報の通信などへの応用が期待されている。
以前、連続光を用い、２次の非線形効果を利用したエンタングルメント状態の最適化が検討された。しかしながら、このようなシステムでは、装置が複雑となり、かつ制御が困難であるという問題があった。
【０００４】
例えば、Ａ．　Ａｓｓｉｏｎら，　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２８２，９１９（１９９８）、Ｔ．　Ｃ．　ＷｅｉｎａｃｈｔらＮａｔｕｒｅ，　３９７，　２３３　（１９９９）に記載されるように超短パルス光子数のスクイージング状態などを波形整形器を用いて調整する技術が知られている。なお、スクイージングは、通常単一モードの電磁波のなかで、光子数や直交位相振幅といった物理量の雑音がショット雑音以下に抑圧されることを意味する。しかしながら、これらの技術は、光の古典的な波形を整形して、その光で原子を励起し、その電子状態の波束を制御するというものである。これらの技術において光は古典的に、物質は量子力学的に扱う半古典論に基づいており、光の量子状態の生後については考慮されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これまで波形整形の分野では考えられてこなかった光の量子状態を制御するということを提案することを目的とする。このような量子状態としては、エンタングルメントという量子状態が挙げられる。
本発明は、工業上利用可能なエンタングルメント状態の最適化を行うシステムを提供することを目的とする。
また、本発明は、上記システムを利用した量子情報通信技術を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、上記システムを利用した光ファイバによる情報通信技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題の少なくともひとつは、以下の発明により解決される。
すなわち、本発明は、下記（１）〜（５）に記載のシステムに関する。
（１）パルスレーザーからのレーザー光の波形を調整する波形整形器と、前記波形整形器から出力されたレーザー光を伝達し、非線形効果を与える非線形媒質と、前記非線形媒質から出力されたレーザー光を検波する検波器と、前記検波器が検波したレーザー光のエンタングルメント状態を含む情報を制御し、前記波形成型器へとフィードバックする制御装置とを含みエンタングルメント状態を最適化することにより望ましいエンタングルメント状態を得るエンタングルメント状態の最適化システム。
（２）前記制御装置が、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手段と、前記量子情報受信手段が受信した量子情報に基づき、パルスの量子状態を目標値にするための最適化アルゴリズムを有する演算手段と、前記演算手段により計算された波形を整形するための情報を波形整形器に出力する出力手段とを具備し、前記最適化アルゴリズムが、シミュレーテッドアニーリングである上記（１）に記載のエンタングルメント状態の最適化システム。
（３）前記のパルスレーザーが、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である上記（１）に記載のエンタングルメント状態の最適化システム。
（４）前記の非線形媒質が、光ファイバーである上記（１）に記載のエンタングルメント状態の最適化システム。
（５）上記（１）〜上記（４）のいずれかに記載のエンタングルメント状態の最適化システムを用いた情報通信システム。
本発明では、波形整形されたパルスが、非線形ファイバ内を伝播し、これが周波数分解されてスペクトルフィルタを通過した後、パルスの量子情報が検出される。この検出された情報は、最適化アルゴリズムを用いて、波形整形器にフィードバックされる。最適化アルゴリズムの繰り返し計算により、所望のパルス内部のエンタングルメント状態を得るための最適な初期波形などを見出すことが可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の周波数モード間エンタングルメント状態の最適化システム（以下、本システムとも言う。）は、例えば、図１に示すようにパルスレーザー１からのレーザー光の波形を調整する波形整形器２と、波形整形器から出力されたレーザー光を伝達し、非線形効果を与える非線形媒質３と、非線形媒質から出力されたレーザー光を検波する検波器４と、前記検波器が検波したレーザー光のエンタングルメントを含む情報を制御し、波形成型器へとフィードバックする制御装置５とを含む。
そして、本システムでは、検波器４に入力されたレーザー光のエンタングルメント状態に関する情報を制御装置５へ入力し、制御装置５が、レーザー光の波形を調整する指令を波形調整器２へフィードバックし、フィードバック情報を入力された波形調整器２は、フィードバック情報に基づいて、レーザー光の波形を調整する。このような工程を繰り返し、エンタングルメント状態を最適化することにより、望ましいエンタングルメント状態を得る。本システムは、従来の波としての光だけではなく、光の量子状態に着目し、情報を伝達するという新規な情報伝達システムである。
【０００８】
〔エンタングルメント〕
エンタングルメントとは、２つ以上の複数のモード間での量子力学的な相関のことを指し、要は異なるモード間での量子雑音に相関があることを意味する。エンタングルメントとしては、「２モードスクイージング」が挙げられる。２モードスクイージングとは、例えば１，２でｓｕｆｆｉｘされている２つの周波数モードをそれぞれ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が、２つまとめて一括して測定した場合、その雑音はショット雑音以下にスクイズされているものを意味する。実際には、＜（Ｘ＿１＋Ｘ＿２）＾２＞，　＜（Ｙ＿１−Ｙ＿２）＾２＞のように、和や差の分散を測定するということが、このまとめて測るということに相当する。１，　２の互いの量子雑音に相関があるから、これらの分散がスクイズされるのである。
歴史的にはアインシュタイン（Ｅｉｎｓｔｅｉｎ）、ポドルスキー（Ｐｏｄｏｌｓｋｙ）とローゼン（Ｒｏｓｅｎ）が、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では解釈し切れない奇妙な結果が生じてしまうとし、ＥＰＲ（Ｅｉｎｓｔｅｉｎ−Ｐｏｄｏｌｓｋｙ−Ｒｏｓｅｎ）のパラドックスとして長年にわたって議論されて来た。実際そのような現象が起こり、さらには従来の情報技術には類似のない転送技術や暗号技術、信号処理技術へ応用できることが分かって来た。これまで原子スケールに特有の現象であった量子もつれ状態は、今や数１０ｋｍ以上離れた通信スケールまで展開できるようになって来た。
特に、光の直交振幅と呼ばれる連続スペクトルを持つ物理量に基づく量子もつれ状態の生成・制御により、高性能の量子テレポーテーションや量子もつれ支援通信や量子計測技術への応用が可能である。
【０００９】
以下、本システムで用いられる構成要素について説明する。
〔パルスレーザー〕
パルスレーザーとしては、超短パルスレーザーが好ましく、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、サブピコ秒レーザーやフェムト秒レーザーがより好ましい。特に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メント状態を引き起こすことができるので好ましい。
【００１０】
〔波形整形器〕
波形整形器としては、例えば、Ａ．　Ｍ．　Ｗｅｉｎｅｒ，　Ｐｒｏｇ．　Ｑｕａｎｔ．　Ｅｌｅｃｔｒ．，　１９，　１６１　（１９９５）、Ｋ．　ＴａｋａｓａｇｏらＩＥＥＥ　Ｊ．　Ｓｅｌｅｃｔ　Ｔｏｐｉｃｓ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，　４，　３４６　（１９９８）などに記載されたフーリエ波形整形器が挙げられる。フーリエ波形整形器では、入射されたパルスを回折格子で周波数分解した後に、液晶空間光変調器と呼ばれるアレイ状の液晶の変調器で各周波数成分の位相、振幅などを変調し、最後に回折格子を始めのものと対称的に配置して再びパルスに戻す。
【００１１】
〔非線形媒質〕
非線形媒質としては、例えば光ファイバーが挙げられる。ここで用いられる非線形媒質としては、光ファイバーが好ましく、石英からなる光ファイバーがさらに好ましい。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。しかし、物質内では、この１次の分極の他に２次、３次などの高次の分極も誘起される場合がある。この際に放出される光は、入射した光の周波数の２倍、３倍のものもある。これら高次の分極を非線形分極と呼び、これらの分極の引き起こす現象を非線形光学現象と呼ぶ。
【００１２】
〔検波器〕
検波器としては、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、ホモダイン検波器が挙げられるが、特に周波数分解可能なホモダイン検波器が好ましく用いられる。特に光の量子状態を測定できる検波器が好ましく用いられる。このような量子状態としては、光子数スクイージングや、さらには、エンタングルメントが挙げられる。
【００１３】
〔制御装置〕
制御装置としては、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手段と、量子情報受信手段が受信した量子情報に基づき、パルスのエンタングルメント状態などの量子状態を目標値にするための最適化アルゴリズムを有する演算手段と、演算手段により計算された波形を整形するための情報を波形整形器に出力する出力手段とを具備するものが挙げられる。最適化アルゴリズムとしては、２つのモードの直交位相振幅（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。
最適化アルゴリズムとしては、特開平１１−５４３９７号公報や、雑誌『ＯｐｌｕｓＥ１９９６年１１月号８３頁』に記載されている様に、シミュレーテッドアニーリング（Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）によるアルゴリズム、遺伝的（Ｇｅｎｅｔｉｃ）アルゴリズム、フーリエ反復アルゴリズム等があげられる。これらのなかでも、シミュレーテッドアニーリング（Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）が好ましく用いられる。
【００１４】
図２に従って、本発明の別の実施態様を説明する。
レーザー光が入射される波形整形器２では、図２（ａ）のような特定の２つの周波数域（ａ１及びａ２）において強いエンタングルメントが生じるようにパルス全体を整形する。そして、そのパルスをそのまま非線形媒質（例えば光ファイバ）に導入し、測定する段階でその２つの周波数域を取り出す（周波数分解する）ホモダイン検波などを行う。
すなわち、パルスレーザー１からの光は、ビームスプリッター１４によりＡ１及びＡ２方向の光に分けられる。Ａ１方向の光は図示しないローカルオシレーターに入力され、Ａ２方向へ出力される。Ｂ１方向の光は、波形整形器２により、好ましい状態に波形を整形された後出力される。波形整形器２から出力された光は、非線形媒質３中を伝播し、非線形効果を受ける。この際に、例えば、図２（ａ）に示す周波数域ａ１とａ２の領域において量子的な相関関係が起こり、エンタングルメント状態が発生する。ファイバなどの非線形媒質３から出力されたレーザー光は、検波器４によりその量子状態が検波される。まず、非線形媒質３から出力されたレーザー光は、ビームスプリッター１４において、ローカルオシレーターからの出力光と干渉する。干渉した光は、回折格子１１によって周波数分離される。そして、周波数フィルター１２が、２つの周波数域の光をとりだす。制御装置５は、検波器に入力されたレーザー光のエンタングルメントに関する情報を分析し最適なエンタングルメント状態を生じるように波整形器を制御するための指令情報を、波形整形器２へとフィードバックする。このようにエンタングルメント状態を最適化するような指令に基づき、波形整形器２によって波形を整形したしたパルス光は、非線形媒質３を通過し最も好ましいエンタングルメント状態を得られることとなる。この最適化作業を繰り返し行うことで、好ましいエンタングルメント状態を得ることができる。
【００１５】
〔最適化したエンタングルメントの利用方法〕
最適化したエンタングルメントは、各種の量子情報通信技術に応用できる。
たとえば、エンタングルメントの生成された２モードを送信者、受信者の間でシェアすることにより、送信者の持つ未知の量子状態を直接送ること無しに受信者側で再生する量子テレポーテーション（ｑｕａｎｔｕｍ　ｔｅｌｅｐｏｒｔａｔｉｏｎ）や、盗聴者を必ず検知できる量子暗号（ｑｕａｎｔｕｍ　ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ）に利用することができる。
また２モードを共に送信者に送ると、エンタングルメントの向きに暗号鍵を乗せる量子暗号や、エンタングルメントの片方に古典的信号を乗せて伝送することにより大容量の通信が可能になる量子スーパーデンスコーディング（ｑｕａｎｔｕｍ　ｓｕｐｅｒｄｅｎｓｅ　ｃｏｄｉｎｇ）などに利用することができる。
【実施例】
【００１６】
提案する装置の概念図を図２（ｂ）に示す。レーザー光源から出た超短光パルスはプログラマブルな波形整形器２に入射され、その包絡線のスペクトルが整形される。ここでは議論を簡略にするため、位相のみの変調を考えた。整形されたパルスは非線形媒質（例えば、光ファイバ）へと入射され、所望のエンタングルメントが生成される。実際の光ファイバではガウス状態近似が成り立つ。このとき、直交位相振幅のエンタングルメントは、下記式（Ｉ）で表される不等式により定義される。
【００１７】
【式１】
2004004189.tif 000003
【００１８】
これらの分散値は、スペクトル分解し、所望の２モード以外をフィルタリングしたホモダイン検波により検知することができる。ここで、ホモダイン検波用局部発振光の波形は任意に整形できるものと仮定した。測定されたエンタングルメントの量は、波形整形器の位相マスクパターンを最適化するためのフィードバックに用いられる。最適化アルゴリズムには、シミュレーテッドアニーリング法に基づくアルゴリズムを用いた。
ファイバ中のパルス伝搬とスペクトルフィルタリングされたホモダイン検波の数値計算は、逆伝搬法により行った。逆伝搬法は、線形近似により量子揺らぎの分散を計算する手法である。ファイバ中のパルス伝搬は量子非線形シュレーディンガー方程式により記述される。ここでは規格化された光電界を考え、線形損失や誘導ラマン散乱は無視した。スペクトルフィルタリングされた後の出力は以下の式（ＩＩ）で表される入出力関係により与えられる。
【００１９】
【式２】
2004004189.tif 000004
【００２０】
式（ＩＩ）と通常のビームスプリッターの入出力関係から、スペクトル分解ホモダイン検波で得られる光子数揺らぎの差は、下記式（ＩＩＩ）で表される。
【００２１】
【式３】
2004004189.tif 000005
【００２２】
式（ＩＩＩ）において、局部発振光は十分強いものと仮定した。局部発振パルスの振幅波形が測定されるパルスのそれに比例し、また位相スペクトルが適当に制御されれば、式（Ｉ）にある直交位相振幅の分散は下記式（ＩＶ）の値を測定することにより得られる。
【００２３】
【式４】
2004004189.tif 000006
【００２４】
図２（ｂ）のような装置を想定した、エンタングルメント状態の最適化を理論計算により行った。最適化のためのアルゴリズムとしては、シュミレーテッドアニーリング法に基づくものを採用した。
最適化の結果を図３に示す。
図３から、２つのモード間の直交位相振幅の和、差の分散の合計値２１が最小となるような最適化により、２つのモード間の直交位相振幅の和、差の分散が、それぞれ−３．４　ｄＢ、−３，８ｄＢにスクイズされていることがわかる。したがって、エンタングルメント状態が最適化されていることがわかる。この最適化されたエンタングルメント状態は、量子暗号、量子テレポーテーションなどに利用することができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、工業上利用可能なエンタングルメント状態の最適化を行うシステムを提供することができる。
また、本発明によればは、上記システムを利用した光ファイバなどによる量子情報通信技術を提供することができる。
本発明の情報通信システムは、他の方法に比べると、装置が簡便であり、取り扱いが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、最適化システム（１）の概図である。
【図２】図２は、最適化システム（２）の概図である。
【図３】図３は、繰り返し回数と、エンタングルメント状態の最適化の様子を表すグラフである。
【符号の説明】
１　パルスレーザー
２　波形整形器
３　非線形媒質
４　検波器
５　制御装置
１１　回折格子
１２　周波数フィルター
１４　ビームスプリッタ−
２１　２つのモード間の直交位相振幅の和、差の分散の合計値
２２　２つのモード間の直交位相振幅の和の分散
２３　２つのモード間の直交位相振幅の差の分散
【図１】
2004004189.tif 000007
【図２】
2004004189.tif 000008
【図３】
2004004189.tif 000009