(57)【要約】  【課題】  本発明は、量子情報源符号化を実現できる装置、そのような量子情報源符号化装置を用いた量子情報通信システムを提供することを別の目的とする。  【解決手段】入力メッセージをブロックメッセージに変換する量子状態準備手段(2)と、  前記量子状態準備手段が準備したブロックメッセージを圧縮することにより符号化し符号化信号を得る符号化手段(3)と、  前記符号化手段が符号化した符号化信号を出力する出力手段(4)と含む量子情報を伝達するための量子情報源符号化装置(1)。  【選択図】  図２
2004289817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力メッセージをブロックメッセージに変換する量子状態準備手段と、
前記量子状態準備手段が準備したブロックメッセージを圧縮することにより符号化し符号化信号を得る符号化手段と、
前記符号化手段が符号化した符号化信号を出力する出力手段と含む
量子情報を伝達するための量子情報源符号化装置。
【請求項２】
前記量子状態準備手段は、
１個または複数のλ/２波長板と、
１個または複数の偏光ビームスプリッターとを含み、
前記ブロックメッセージは、
光子が存在するパスに関する情報と、光子の偏光状態による情報とにより符号化される
請求項１に記載の量子情報源符号化装置。
【請求項３】
前記符号化手段は、
複数のパスのうちいずれかのパス上の光子を棄てることによりブロックメッセージを圧縮するものである請求項２に記載の量子情報源符号化装置。
【請求項４】
前記符号化手段は、
複数のパスのうちいずれかのパス上の特定の偏光状態の光子を棄てることによりブロックメッセージを圧縮するものである請求項２に記載の量子情報源符号化装置。
【請求項５】
前記符号化手段は、
棄てられた光子のいくつか又は全ての代わりに、新しい光子を適切なパス上に供給するようにさらに調整される請求項３に記載の量子情報源符号化装置。
【請求項６】
前記符号化手段は、
棄てられた光子のいくつか又は全ての代わりに、適切な偏光モードの新しい光子を供給するようにさらに調整される請求項４に記載の量子情報源符号化装置。
【請求項７】
ブロックメッセージを圧縮することにより符号化し符号化信号を得る符号化手段と、
前記符号化手段が符号化した符号化信号を出力する出力手段と含む
量子状態を伝達するための量子情報源符号化装置。
【請求項８】
量子情報源符号化装置と量子情報源復号化装置とを具備する量子情報通信システムであって、
前記量子情報源符号化装置は、
入力メッセージをブロックメッセージに変換する量子状態準備手段と、
前記量子状態準備手段が準備したブロックメッセージを圧縮することにより符号化し符号化信号を得る符号化手段と、
前記符号化手段が符号化した符号化信号を出力する出力手段と含み、
前記量子情報源復号化装置は、
前記量子情報源符号化装置の出力手段が出力した符号化信号を受信する符号化信号受信手段と、
受信した符号化信号を復号化する復号化手段とを含む、
量子情報通信システム。
【請求項９】
前記量子情報源符号化装置の出力手段が出力した符号化信号を受信する符号化信号受信手段と、
前記符号化信号受信手段が受信した符号化信号を復号化する復号化手段とを含む
量子情報源復号化装置。
【請求項１０】
入力メッセージをブロックメッセージに変換する工程と、
ブロックメッセージを圧縮することにより符号化し符号化信号を得る工程と、
符号化信号を出力する工程を含む
量子情報通信方法。
【請求項１１】
入力信号をブロックメッセージとするために、１個または複数のλ/２波長板と、
１個または複数の偏光ビームスプリッターとを用い、前記ブロックメッセージを符号化するために、光子が存在するパスに関する情報と、光子の偏光状態による情報とを用いる請求項１０に記載の量子情報通信方法。
【請求項１２】
複数のパスのうちいずれかのパス上の光子を棄てることによりブロックメッセージを圧縮する請求項１１に記載の量子情報通信方法。
【請求項１３】
複数のパスのうちいずれかのパス上の特定の偏光状態の光子を棄てることによりブロックメッセージを圧縮する請求項１１に記載の量子情報通信方法。
【請求項１４】
棄てられた光子のいくつか又は全ての代わりに、新しい光子を適切なパス上に供給する請求項１２に記載の量子情報通信方法。
【請求項１５】
棄てられた光子のいくつか又は全ての代わりに、適切な偏光モードの新しい光子を供給する請求項１３に記載の量子情報通信方法。
【請求項１６】
さらに符号化信号を受信する工程と、
符号化信号を復号化する工程とを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
ブロックメッセージを受け取る工程と、
ブロックメッセージを圧縮することにより符号化信号を得る工程と、
符号化信号を出力する工程とを含む
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、量子情報源符号化装置、およびその量子情報源符号化装置を用いた量子情報通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
メッセージの符号化は、情報理論における重要な問題である。符号化については、いかに効率的にメッセージを表わすか、いかに正確にメッセージを送信するかという２つの基本的な問題がある。前者は、情報源符号化と呼ばれ、データの圧縮に関係するものである。後者は、通信路符号化と呼ばれ、誤り訂正に関するものである。全ての情報処理技術は、これら2つの符号化に関する問題と関連している。
【０００３】
メッセージには様々な文字が含まれており、通常それらの出現頻度は異なる。すなわち、メッセージは、通常冗長性を含む。情報を圧縮するためには、出現頻度の高い文字を短い系列（たとえば二進数字[0、1]）によって符号化し、出現頻度の低い文字をより長い系列によって符号化する。これが情報源符号化の本質である。
【０００４】
情報源符号化に関する理論として、シャノンの情報源符号化理論が知られている（C. E. Shannon, Bell Syst. Tech. J. 27, 379 (1948).）。シャノンの情報源符号化理論は、古典的なメッセージが圧縮され得る限界を示す。文字の情報源[A, B, …, Z]とそれらの出現確率[P(A), P(B), … ,P(Z)]に対して、メッセージの最小の平均符号長は以下のシャノンエントロピーによって与えられる。
【０００５】
【数１】
2004289817.tif 000003
【０００６】
ここでシャノンエントロピーＨは、全ての文字が等確率で現れるときに最大値をとる。古典的な系では、そのような場合、情報量を圧縮できない。
【０００７】
一方、出現確率Ｐiで生起する互いに非直交な量子状態｜Ψi＞からなる量子情報源では、古典系には無い冗長性が存在する。
【０００８】
【数２】
2004289817.tif 000004
【０００９】
最近、シューマッハ（Schumacher）とジョザ（Jozsa）は、量子情報源符号化の理論を導き出した（非特許文献１，２（『quantum noiseless coding theorem』[B. Schumacher, Phys. Rev. A 51, 2738 (1995)., R. Jozsa and B. Schumacher, J. Mod. Opts. 41, 2343 (1994).]）参照。）。この量子情報源符号化の理論では、全ての文字状態の出現確率が同じであっても情報量を圧縮できる。彼らは、量子メッセージをK文字のブロック毎に符号化することにより、極限Ｋ→∞（Ｋが無限大）において、KS(ρ)ビット分の量子ビットがあれば、正確に情報を表現できることを示した。ここでS(ρ)は下記密度作用素のフォンノイマン（von Neumann）エントロピーであり、０から1の間の値をとる。
【００１０】
【数３】
2004289817.tif 000005
【００１１】
量子情報源符号化は、量子情報理論において中心的な役割を果たすだけでなく、非直交データセットの情報量を圧縮できるので、実用的な利点も持つ。例えば、長距離の光通信路では、減衰された弱いコヒーレント光、すなわち非直交状態の系列を扱わなければならない。系列を格納するか別の通信路へ中継する前に、量子情報源符号化によって情報量を圧縮することにより量子通信資源を節約できる。
【００１２】
このような実用的な重要性と情報科学における基礎的意義にもかかわらず、量子情報源符号化を実現する装置は未だ知られていない。
【００１３】
【非特許文献１】『quantum noiseless coding theorem』[B. Schumacher, Phys. Rev. A 51, 2738 (1995).
【非特許文献２】R. Jozsa and B. Schumacher, J. Mod. Opts. 41, 2343 (1994).]
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、量子情報源符号化を実現できる装置を提供することを目的とする。
【００１５】
本発明は、そのような量子情報源符号化装置を用いた量子情報通信システムを提供することを別の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記の課題のうち少なくとも一つ以上を解決するためになされたものである。本発明の量子情報源符号化装置は、基本的には、光子の存在するパスや偏光状態などを量子情報とし、データをそれらの情報で表した後に、いくつかの情報を削除するなどして情報を圧縮することにより、量子情報源符号化を実現する。
【００１７】
[１]  本発明の量子情報源符号化装置は、入力メッセージをブロックメッセージに変換する量子状態準備手段と、前記量子状態準備手段が準備したブロックメッセージを圧縮することにより符号化し符号化信号を得る符号化手段と、前記符号化手段が符号化した符号化信号を出力する出力手段と含む量子情報を伝達するための量子情報源符号化装置である。
【００１８】
[２]   本発明の量子情報源符号化装置は、好ましくは、前記量子状態準備手段は、１個または複数のλ/２波長板と、１個または複数の偏光ビームスプリッターとを含み、前記ブロックメッセージは、光子が存在するパスに関する情報と、光子の偏光状態による情報とにより符号化される上記[１]に記載の量子情報源符号化装置である。
【００１９】
[３]   本発明の量子情報源符号化装置は、好ましくは、前記前記符号化手段は、複数のパスのうちいずれかのパス上の光子を棄てることによりブロックメッセージを圧縮するものである上記[２]に記載の量子情報源符号化装置である。
【００２０】
[４]   本発明の量子情報源符号化装置は、好ましくは、前記前記符号化手段は、複数のパスのうちいずれかのパス上の特定の偏光状態の光子を棄てることによりブロックメッセージを圧縮するものである上記[２]に記載の量子情報源符号化装置である。
【００２１】
[５]   本発明の量子情報源符号化装置は、好ましくは、前記前記符号化手段は、棄てられた光子のいくつか又は全ての代わりに、新しい光子を適切なパス上に供給するようにさらに調整される上記[３]に記載の量子情報源符号化装置である。
【００２２】
[６]   本発明の量子情報源符号化装置は、好ましくは、前記前記符号化手段は、棄てられた光子のいくつか又は全ての代わりに、新しい光子を適切な偏光モードとするようにさらに調整される上記[４]に記載の量子情報源符号化装置である。
【００２３】
[７]   本発明の量子情報源符号化装置は、好ましくは、前記ブロックメッセージを圧縮することにより符号化し符号化信号を得る符号化手段と、前記符号化手段が符号化した符号化信号を出力する出力手段と含む量子状態を伝達するための量子情報源符号化装置である。
【００２４】
[８]  本発明の量子情報通信システムは、量子情報源符号化装置と量子情報源復号化装置とを具備する量子情報通信システムであって、前記量子情報源符号化装置は、入力メッセージをブロックメッセージに変換する量子状態準備手段と、前記量子状態準備手段が準備したブロックメッセージを圧縮することにより符号化し符号化信号を得る符号化手段と、前記符号化手段が符号化した符号化信号を出力する出力手段と含み、前記量子情報源復号化装置は、前記量子情報源符号化装置の出力手段が出力した符号化信号を受信する符号化信号受信手段と、受信した符号化信号を復号化する復号化手段とを含む、量子情報通信システムである。
【００２５】
[９]  本発明の量子情報源復号化装置は、前記量子情報源符号化装置の出力手段が出力した符号化信号を受信する符号化信号受信手段と、前記符号化信号受信手段が受信した符号化信号を復号化する復号化手段とを含む量子情報源復号化装置である。
【００２６】
[１０]  本発明の量子情報通信方法は、入力メッセージをブロックメッセージに変換する工程と、ブロックメッセージを圧縮することにより符号化し符号化信号を得る工程と、符号化信号を出力する工程を含む量子情報通信方法である。
【００２７】
[１１]   本発明の量子情報通信方法は、好ましくは、入力信号をブロックメッセージとするために、１個または複数のλ/２波長板と、１個または複数の偏光ビームスプリッターとを用い、前記ブロックメッセージを符号化するために、光子が存在するパスに関する情報と、光子の偏光状態による情報とを用いる上記[１０]に記載の量子情報通信方法である。
【００２８】
[１２]   本発明の量子情報通信方法は、好ましくは、複数のパスのうちいずれかのパス上の光子を棄てることによりブロックメッセージを圧縮する上記[１１]に記載の量子情報通信方法である。
【００２９】
[１３]   本発明の量子情報通信方法は、好ましくは、複数のパスのうちいずれかのパス上の偏光状態の情報を棄てることによりブロックメッセージを圧縮する上記[１１]に記載の量子情報通信方法である。
【００３０】
[１４]   本発明の量子情報通信方法は、好ましくは、棄てられた光子のいくつか又は全ての代わりに、新しい光子を適切なパス上に供給する上記[１２]に記載の量子情報通信方法である。
【００３１】
[１５]   本発明の量子情報通信方法は、好ましくは、棄てられた光子のいくつか又は全ての代わりに、新しい光子を適切な偏光モードとする上記[１３]に記載の量子情報通信方法である。
【００３２】
[１６]   本発明の量子情報通信方法は、好ましくは、さらに符号化信号を受信する工程と、符号化信号を復号化する工程とを含む上記[１０]に記載の方法である。
【００３３】
[１７]   本発明の量子情報通信方法は、好ましくは、ブロックメッセージを受け取る工程と、ブロックメッセージを圧縮することにより符号化信号を得る工程と、符号化信号を出力する工程とを含む量子情報通信方法である。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、量子情報源符号化を実現できる装置を提供できる。
【００３５】
本発明によれば、量子情報源符号化装置を用いた量子情報通信システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本具現例は、発明を現実化するための最良の方法を提供するものである。しかしながら、この方法は、本発明を達成するための唯一の方法ではない。本発明は、 [B. Schumacher, Phys. Rev. A 51, 2738 (1995)., R. Jozsa and B. Schumacher, J. Mod. Opts. 41, 2343 (1994).]（非特許文献１）に示された、量子情報源符号化を実現するものである。以下では、まず、同文献に示された量子符号化プロトコルについて説明する。
【００３７】
（1.量子符号化プロトコル）
アリス（送信器）はメッセージをボブ（受信器）に送る。このメッセージは、量子通信チャネルにおいて、2文字の"+"と"-"とからなり、文字状態｜Ψ+>と｜Ψ->とによって表される。この場合、以下の関係が成立する。
【００３８】
【数４】
2004289817.tif 000006
【００３９】
ここで|0>、|1>は(計算上の)正規直交基底である。また、α2+β2＝１であり、簡単のためαとβは実数であるとする。なお、一般的にαとβとは複素数である。文字状態は、等確率で起こるものとする。
【００４０】
文字状態の平均状態に対応する フォンノイマン（von Neumann）エントロピーは以下の式で表される。
【００４１】
【数５】
2004289817.tif 000007
【００４２】
もし文字状態が直交状態ならば、α2＝β2＝１／２であり、フォンノイマンエントロピーが１となる。この場合、圧縮できない。一方、密度作用素のフォンノイマンエントロピーは、例えば、α2＝０．９の場合0.4690 bits である[ R. Jozsa and B. Schumacher, J. Mod. Opts. 41, 2343 (1994).]。量子情報源符号化定理によれば、大きなブロック・サイズの限界において、アリスがボブに忠実にメッセージを送信するには文字状態当たりおよそ1/2 量子ビットを必要とする（ただし、実際に用いる有限の長さの符号化-復号化では、必ず有限の誤りが生じる。）。
【００４３】
R. Jozsa and B. Schumacher, J. Mod. Opts. 41, 2343 (1994)に従って、以下では3つの文字状態のブロックを使用する。 |BL>は、ブロックメッセージである。
【００４４】
【数６】
2004289817.tif 000008
【００４５】
インデックスLは、8つの可能な文字状態の配列のうちの１つから選ばれる。本発明の量子符号化系において、アリスはユニタリー変換を行う(好ましくは、射影演算の前にユニタリー変換を行う。)。
【００４６】
この変換は、以下の写像を除く全ての計算基底状態を変えずに残す。
【００４７】
【数７】
2004289817.tif 000009
【００４８】
それからアリスは、計算基底における第1の(左端)量子ビットの射影測定を行う。P=α4（１＋２β2）の確率で、測定結果が｜０＞となり、２量子ビット通信路で以下の状態となる。
【００４９】
【数８】
2004289817.tif 000010
【００５０】
なお、Ｌnβは、式(3)のブロック状態のｎ番目の文字状態の式(2)のベータの係数を表わすものとする。1-pの確率で、測定結果が｜１＞となる。われわれは、アリスの測定結果が｜１＞となった場合のアクションの異なる２つのプロトコルについて検討する。
【００５１】
第１のプロトコルP1は、射影測定結果|1>を誤りとして扱うものである。 このプロトコルのもとで、圧縮後の２量子ビット量子通信路の状態は、以下のようになる。そして、真空状態（すなわち光子のない状態）｜ｖａｃ＞の確率は１−ｐとなる。
【００５２】
【数９】
2004289817.tif 000011
【００５３】
ボブは、状態|0>にある 量子ビットを付加してユニタリー変換の逆写像を適用することにより、量子通信路の最後で下記の状態を復号化する。
【００５４】
【数１０】
2004289817.tif 000012
【００５５】
この結果、復号化状態は以下のとおりとなる。
【００５６】
【数１１】
2004289817.tif 000013
【００５７】
P1 に対する量子符号化−復号化の全操作の忠実度は、
【００５８】
【数１２】
2004289817.tif 000014
【００５９】
によって与えられる。F1 は図1の実線で表され、α2=0.9のとき 0.9448の値をとる。
【００６０】
第2のプロトコル P2は、P1よりも高い忠実度をもたらす。この場合、アリスは射影測定の結果が状態|1>である場合に、状態|00>を準備する。この操作の結果、量子通信路の平均状態は以下のようになる。
【００６１】
【数１３】
2004289817.tif 000015
【００６２】
ボブは再び状態|0>にある量子ビットを加え、以下の式で表される忠実度を持つ下記状態を作り出すために、逆写像操作を行う。
【００６３】
【数１４】
2004289817.tif 000016
【００６４】
Ｆ2 の値は図１の破線で表される。 Ｆ2 は、α2＝０．９のとき0.9652の値をとる。
【００６５】
なお逆写像操作を以下のように表す。
【００６６】
【数１５】
2004289817.tif 000017
【００６７】
このプロトコルでは、写像操作が射影測定の前に行われるが、この順番は必ずしも必要ではない。R. Jozsa and B. Schumacher, J. Mod. Opts. 41, 2343 (1994)に記載されるように射影測定を先に行い写像操作を続いて行っても良く、この場合も同様の結果を得ることができる。
【００６８】
最後に、JozsaとSchumacherはさらに単純なプロトコルP3についても考慮した。つまりアリスが第3の文字状態を廃棄して2 量子ビットのみを残すという符号化を行い、ボブは廃棄した文字状態に対して状態|0>を加える（作り出す）という場合である。このプロトコルの平均忠実度は、Ｆ3＝α2で表され、図1の点線として表される。
【００６９】
（2.量子情報源符号化装置）
図２は、本発明の量子情報源符号化装置の基本構成を示すブロック図である。図２に示されるように、本発明の量子情報源符号化装置(1)は、量子状態準備手段(2)と符号化手段(3)と（量子信号）出力手段(4)と含む。
【００７０】
量子状態準備手段(2)は、入力メッセージを非可換な量子状態による情報であるブロックメッセージに変換するための手段である。ブロックメッセージは、量子状態を表す。符号化手段(3)は、量子状態準備手段が準備したブロックメッセージを圧縮することにより符号化し符号化信号を得るための手段である。出力手段は、符号化手段が符号化した符号化信号を出力するための手段である。図２に示されるように、量子状態準備手段の出力は、符号化手段に入力され、符号化手段の出力は出力手段に入力されるように機能する。
【００７１】
図３は、第１の実施態様に係る３量子ビットブロックメッセージの量子情報源符号化装置の概略を表す図である。その量子情報源符号化装置は、偏光ビームスプリッターとλ／２波長板、光検出器を具備する。この例では、「N.J.Cerf, C.Adami, and P.G.Kwiat, Phys. Rev. A57, R1477 (1998)」や、「R.J.C. Spreeuw, Found. Phys. 28, 361 (1998); S. Takeuchi, Proc. p.299, PhysComp96 (Boston, 1996).」に開示されるように、１つの光子を２つの位置量子ビット (初めの2つの量子ビット)と１つの偏光量子ビット(3番目の量子ビット)による3 量子ビットを表すために使われる。
【００７２】
すなわち、図３の縦線３〜４の間にあるパスＡ、パスＢ、パスＣ，パスＤは、それぞれ量子状態|00>、|01>、|10>、|11>（２つの位置量子ビット）を表す。また、出力される光子の偏光状態が、水平か垂直かによって|0>、または|1>（最後の量子ビットである偏光量子ビット）を表す。すなわち、図３に示される装置では、光子がどのラインから出力されるか、および光子の偏光状態によって|000>、|001>、・・・|111>の８通りの情報を扱うことができる。以下、本発明の量子情報源符号化装置を構成する手段について図３を参照しつつ説明する。なお、以下では図３に示される量子情報源符号化装置を詳細に説明する。図３中、Ｄi(i＝１〜６)は光検出器を表し、ＨＷＰは、λ／２波長板を表し、ＰＢＳは偏光ビームスプリッタ−を表し、Ａ〜Ｄは各パス（経路）を表す。さらに、矢印は光子の進行方向を示す。
【００７３】
(2.1. 量子状態準備手段)
量子状態準備手段(2)は、入力メッセージを非可換な量子状態による情報であるブロックメッセージに変換するための手段である。量子状態準備手段としては、１個または複数個のλ/２波長板と、１個または複数個の変更ビームスプリッターとを含むものが挙げられる。
【００７４】
図３に示される量子状態準備手段（縦線３の左側部分）は、光入力部（11）と、第１〜第４の偏光ビームスプリッター(12〜15)と、第１〜第７のλ／２波長板(16〜22)とを含む。ここで、光入力部(11)は、例えば、入力メッセージ情報を含む水平または垂直に偏光した光が入力されるための部分である。偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）は、入力光の偏光面により光を分離して出力する光学素子である。このような偏光ビームスプリッターとしては、水平方向の偏光成分と垂直方向の偏光成分とに分離するものが挙げられる。また、λ／２波長板は、光の偏光面を所定量だけ変化させる光学素子である。このようなλ／２波長板の偏光量としては、具体的には図３に示されるものが挙げられる。なお、図３中、第１の偏光ビームスプリッター(12)は、任意要素である。
【００７５】
(2.2. 量子状態準備方法)
以下では、図３に示される量子状態準備手段（縦線３の左側部分）によって、量子状態が準備される工程を説明する。
量子状態準備装置は、ブロックメッセージの状態を表す量子状態を準備する。実施例では、光子の量子状態は式(3)で定義されるブロックメッセージ（３つの文字からなる文字状態からなる）により表される。水平方向に偏光された光子が、光入力部（11）に入る。光入力部に入った光子は、任意要素である第1の偏光ビームスプリッター(12)を通過するが、何ら変化を受けない。以下では、ｎ番目の文字状態の係数を以下のようにパラメータ化する。
【００７６】
【数１６】
2004289817.tif 000018
【００７７】
(2.2.1.第一の量子ビット準備工程)
第１の位置量子ビットは、図３の縦線０と１との間のＨＷＰ（１６）と、ＰＢＳ（１３）とによって準備される。すなわち、入力された光子は、第１のＨＷＰ(16)により回転される。ＨＷＰ（１６）の軸は垂直面に対してπ／２−θ1で表される角度を持っている。これにより、光子の偏光が水平面に対して２θ1となる。
【００７８】
偏光面が回転した光子は、第２の偏光ビームスプリッター(13)によって水平成分と垂直成分とに分離される。これにより、光子は、Ａのパス、およびＤのパスに分離される。Ａのパス、およびＤのパスに伝わる確率は、式（３）の第１の量子ビットに要求されるように、それぞれαと、βL1である。それらの確率の大きさは、ＨＷＰ（１６）の角度θ1を変えることにより調整できる。Ａのパスは将来的にＡのパス、またはＢのパスにつながり、これらの第一の量子ビットは、いずれも|0>であるので、パスＡに伝わった光子の第一の量子ドットは|0>ということになる。一方、Ｄのパスに伝わった光子の第一の量子ビットは、|1>ということになる。すなわち、最終的な量子ビットのうち第一位の量子ビットは、図３の線0と線1との間にある第１のλ／２波長板と第２の偏光ビームスプリッター（16）を用い、角度θ1を調整することにより準備される。
【００７９】
(2.2.2.第二の量子ビット準備工程)
第二の量子ビットは、図３の線1と線2との間にあるλ／２波長板と偏光ビームスプリッターとを用い、λ／２波長板の角度θ2を調整することにより準備される。第二の量子ビット準備工程において、前記第一の量子ビット準備工程で二つのパスに分離された光子は、ＨＷＰ（１７）とＨＷＰ（１８）、およびＰＢＳ（１４）とＰＢＳ（１５）とに入力される。第３のλ／２波長板(17)、および第４のλ／２波長板(18)の軸は、垂直面からθ2だけ角度があり、パスＡ、およびパスＤ上の光子の偏光面をそれぞれπ＋２θ2、およびθ2だけ回転する。第３の偏光ビームスプリッター(14)、および第４の偏光ビームスプリッター(15)は、光子を水平成分と垂直成分とに分離する。これによりＡ〜Ｄまでのパスが決定される。Ａ〜Ｄまでのパスは、それぞれ|00>〜|11>に対応する。Ａ〜Ｄまでのパスに進む確率は、それぞれ以下のとおりである。
【００８０】
【数１７】
2004289817.tif 000019
【００８１】
(2.2.3.第三の量子ビット準備工程)
第三の量子ビットは、図３の線2と線3との間にあるパスＡ，Ｂ，ＣおよびＤの偏光状態を調整することにより準備される。光場の偏光状態の調整は、４つのＨＷＰ(19)〜(22)により実現される。これらの偏光面は、垂直面に対してそれぞれ以下の値である。
λ／２波長板を用い、角度θ3を調整することにより準備される。
【００８２】
【数１８】
2004289817.tif 000020
【００８３】
これにより、それぞれのパスにおける光場の偏光状態が水平面から２θ3だけ傾いたものとなる。角度θ3の値を調整することで、異なる第３の量子ビットを準備できる。パスＡ〜Ｄにおける光子が水平および垂直偏光となる確率はそれぞれ以下のとおりである。
【００８４】
【数１９】
2004289817.tif 000021
【００８５】
上記の例では、４つのパスを用いて３量子ビットのブロックメッセージを準備している。しかしながら、量子状態準備手段は、３量子ビットのものに限定されず、４つのパスのものに限定されない。より多くのパスを設ければ、それだけブロックメッセージの情報量も多く、高い忠実度が得られることとなる。また、量子状態の準備方法も、λ／２波長板と偏光ビームスプリッターによるものに限定されない。また、λ／２波長板と偏光ビームスプリッターの組み合わせも、適宜調整すればよい。
【００８６】
(2.3. 符号化手段)
符号化手段は、量子状態準備手段が準備したブロックメッセージを圧縮することにより符号化し符号化信号を得るための手段である。符号化手段としては、１個または複数個のλ/２波長板と、１個または複数個の変更ビームスプリッターとを含むものが挙げられる。
【００８７】
図３に示される符号化手段（縦線3と縦線4との間部分）は、４つのパスのうち２つのパス上の光子を棄て、ユニタリー変換を施こすことにより、量子情報を圧縮する例である。なお、パスではなく特定の偏光状態の光子を棄てても良いし、所定のパス上、所定の偏光状態の光子を共に棄てても良い。ブロックメッセージは、４つのパス（と２つの偏光状態）から、２つのパス（と２つの偏光状態）へ圧縮される。２つの棄てられたパスは、存在確率の低い２次元のサブスペースにある量子ブロックメッセージの組に対応する。それゆえ、存在確率の低い状態にあるブロックメッセージのみが符号化装置に残されることとなる。
【００８８】
図３に示されるのは、符号化手段の１例のみであり、適切なＨＷＰやＰＢＳを組み合わせるなど、量子状態準備手段に応じた様々な符号化手段がありうる。ブロックメッセージも、上述した量子状態準備手段によって準備されるものだけではない。そのような場合は、符号化手段として、非線形光学素子などを用いた非線形光学現象を利用すればよい。
【００８９】
(2.4. 符号化工程)
符号化工程は、量子状態準備手段が準備したブロックメッセージを符号化手段が圧縮することにより符号化し、符号化信号を得るための工程である。図３に示される例では、縦線3と縦線4との間部分において、第５の偏光ビームスプリッターと、第８および第９のλ／２波長板とによりユニタリー変換が施される。ＨＷＰの固定軸（fast axes）は、垂直方向とπ／４をなす方向である。ＨＷＰとＰＢＳは、中間の２つのパスにおける偏光状態を交換する。そして、それぞれのルートにおける水平偏光と、垂直偏光モードの確率は、それぞれ以下のようになる。
【００９０】
【数２０】
2004289817.tif 000022
【００９１】
また、Ｃのパス上の光子は、第１の光検出器Ｄ1により観測される。Ｄのパス上の光子は、第２の光検出器Ｄ2により観測される。このようにして、量子状態準備手段が準備したブロックメッセージを符号化手段が圧縮する。
【００９２】
符号化工程におけるブロックメッセージの圧縮の仕方は、上記の例のようにあるパス上の光を削除するものに限定されない。また、あるパス上の光を削除して、ブロックメッセージを圧縮する場合においても、２つのパス上の光を削除するのみならず、１つのパス上の光を削除してもよく、３つ以上のパス上の光を削除しても良い。
【００９３】
(2.5. 出力手段)
出力手段は、符号化手段が符号化した符号化信号を出力するための手段である。図３に示される出力手段（縦線4の右部分）は、Ａのパス上の光子、及びＢのパス上の光子を外部に出力する。一般的に出力手段は、符号化された信号を多量子ビット量子伝達チャネルに乗せて輸送できる。出力手段のほかの例としては、光ファイバを通じて符号化信号を送るためのカプラの組があげられる。
【００９４】
(3.量子情報源復号化装置)
量子情報源復号化装置は、量子情報源符号化装置が符号化した量子信号を復号化するための装置である。量子情報源復号化装置は、符号化信号受信手段と復号化手段とを含むものが挙げられる。符号化信号受信手段は、量子情報源符号化装置の出力手段が出力した符号化信号を受信するための手段である。復号化手段は、符号化信号受信手段が受信した符号化信号を復号化するための手段である。
【００９５】
量子情報源復号化装置は、基本的には量子情報源符号化装置と対称となる構成であればよい。図３の量子情報源符号化装置に対する量子情報源復号化装置としては、図３の２つの光検出器を取り除いたものが挙げられる。
【００９６】
(4.量子情報通信システム)
量子情報通信システムは、量子情報符号化装置と、量子情報復号化装置とをふくむ。これらは、上述のものがあげられる。
【実施例１】
【００９７】
図４は、実施例１における実験回路を示す図である。ここでも、各λ／２波長板の方位角θは、図４中に示されるように与えられる。実用的な便宜を図り、復号化および忠実度検査用の付加的な鏡像回路は構築しなかった。その代わりに、符号化および状態準備回路が反射光の復号化および状態測定も行えるようにするために、量子通信路中の光を回路（図中の点線で表される）に反射させるコーナーリフレクター(CR1とCR2)を使用した。単一光子源としてHe-Neレーザー(波長632.8nm)(41)からの強く減衰された光を使用した。1 mWの連続光レーザー出力を、アッテネーター(42)を用いて約50 fWに減衰した。これは平均光子流量105 光子/秒に相当する。この実施例において光子が回路を通過する平均時間は約10-8 秒であり、それぞれの光子間の平均時間間隔はこれをはるかに上回っていた。また、ピンホール(43)を用いて、光路からずれる光子を取り除いた。図４中、Ｄi(i＝０〜６)は光検出器を表し、ＨＷＰは、λ／２波長板を表し、ＰＢＳは偏光ビームスプリッタ−を表し、ＡＰＤＤi(i＝１〜６)はアバランシェフォトダイオードを表し、ＰＺＴi(i＝１〜２)は圧電素子を表し、ＣＲi(i＝１〜２)はコーナーリフレクターを表す。また、図中には、レンズ(44)及びミラー(45)が記載されている。
【００９８】
我々は、回路から出てくる光子をシリコンアバランシェフォトダイオード(APD)へ導くために、80%以上の結合効率を持つマルチモード光ファイバを使用した。量子効率およびAPDの暗計数は一般的に、それぞれ70%および100 counts/秒である。各APD (D1からD6まで)に対するラベルは、図３における光検出器のラベルに相当し、D0とラベルをされたAPDは、忠実度テストにおける'yes'の回答を検出する。我々は、D4とD5の間の光検出を識別する必要がないので、これらの検出器に1つのAPDを使用する。
【００９９】
本質的に、光学回路はそれぞれ圧変換器PZT1とPZT2によって制御されるマイケルソン干渉系とマッハ−ツェンダー干渉系からなる。我々は明るい参照光を使い、これらの干渉系に対して98%以上の干渉度を作り出すように、PZT1とPZT2の電圧を調整した。参照光はそのときに切られ、信号光が回路に導かれるようにした。単一光子の事象は、各ブロック状に対する6つのAPDによってカウントされる。APDのゲート時間は5 秒であり、1秒あたりおよそ105の結合計数である。装置の全体はブラックボックスで覆われているので、背景光の数はAPDの暗計測よりもはるかに少ない。 我々はまた、2つの光子が回路に同時に存在する場合の数についても、暗計測の場合の半数よりも少ないと見積っている。
【０１００】
プロトコルP1の実験上の忠実度は、以下の式で与えられる。
【０１０１】
【数２１】
2004289817.tif 000023
【０１０２】
角度θを変えることにより、我々の量子符号化-復号化実験の忠実度をα値の角度に関する前節の理論的な予測と比較することができる。結果は図１の黒丸で表される。
【実施例２】
【０１０３】
プロトコルP2では、光検出器 D1 または D2 のうちの１つが光子を記録するたびに水平方向に偏光された光源を通信路Aに切り替えるのではなく、以下のような２ステップの手続きを実行した。第１ステップはプロトコルP1 と同様で、実際、記述されたような同じ光子計数データを用いた。第２ステップは、通信路Aにおいて水平方向に偏光された光子の送信に相当する。これらの光子は第１ステップにおいてD1とD2によって検出されたものである。この目的のために、コーナーリフレクターCR1を取り除き、水平方向に偏光され減衰されたHe-Neレーザーからの光を回路に導いた。この第２ステップで使われる光子の数（すなわち、全てのAPDによって検出された光子の総数）を、それぞれ相当するブロック状態に対して、下記のようになるよう調整した。
【０１０４】
【数２２】
2004289817.tif 000024
【０１０５】
APDのゲート時間を注意深く制御することにより、(3%の正確さでこの調整をすることができた。このプロトコルに対する忠実度の合計は、以下のように計算される。
【０１０６】
【数２３】
2004289817.tif 000025
【０１０７】
いくつかのαの値に対して忠実度を測定した。それらを、図１の白丸に示す。両プロトコルの実験上の忠実度は、単純なプロトコルの忠実度を上回っていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明は、通信分野において利用される。本発明は、特に量子情報源符号化装置、およびその量子情報源符号化装置を用いた量子情報通信システムとして利用される。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】図１は、様々なプロトコルにおける忠実度の変化を表すグラフである。図中、黒マル及び白マルは実施例における値を示す。
【図２】図２は、本発明の量子情報源符号化装置の基本構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、第１の実施態様に係る本発明の量子情報源符号化装置の光学システムの構成を表す図である
【図４】図４は、実施例１における実験回路を示す図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１  量子情報源符号化装置
２  量子状態準備手段
３  符号化手段
４  （量子信号）出力手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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