(57)【要約】【課題】パラメトリック結晶から発生する量子相関光子対を高効率に増幅することが可能な量子相関光子対増幅装置を提供する。【解決手段】パラメトリック蛍光発生およびパラメトリック蛍光増幅が行われるパラメトリック結晶（３）、励起光折返し用ミラー（７）、量子相関光子対反射用ミラー（５Ａ）、（５Ｂ）、（５ｃ）、（５Ｄ）、変調器（６）および光学遅延回路（８）を有し、パラメトリック結晶（３）にレーザー励起された励起光（２）が入射された際にパラメトリック結晶（３）によって発生した量子相関光子対（４Ａ）、（４Ｂ）の光路が８字型となるように、パラメトリック結晶（３）、励起光折返し用ミラー（７）、量子相関光子対反射用ミラー（５Ａ）、（５Ｂ）、（５ｃ）、（５Ｄ）、変調器（６）および光学遅延回路（８）を配置させた量子相関光子対増幅装置（１）とする。【選択図】　　図１
2004012630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子相関光子対発生用のパラメトリック蛍光発生およびパラメトリック蛍光増幅が行われるパラメトリック結晶、励起光折返し用ミラー、量子相関光子対反射用ミラー、変調器および光学遅延回路を有し、パラメトリック結晶にレーザー励起された励起光が入射された際にパラメトリック結晶によって発生した量子相関光子対の光路が８字型となるように、パラメトリック結晶、励起光折返し用ミラー、量子相関光子対反射用ミラー、変調器および光学遅延回路が配置されていることを特徴とする量子相関光子対増幅装置。
【請求項２】
励起光が励起光パルスであることを特徴とする請求項１に記載の量子相関光子対増幅装置。
【請求項３】
励起光折返し用ミラーの位置調整を行うことによって、励起光折返し用ミラーで折り返された励起光とパラメトリック結晶によって発生し光路を進んだ量子相関光子対を同時にパラメトリック結晶に入射させることを特徴とする請求項１または２に記載の量子相関光子対増幅装置。
【請求項４】
光学遅延回路により量子相関光子対の光路長を調整することによって、光路を進んだ量子相関光子対と別の新たな励起光を同時にパラメトリック結晶に入射させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の量子相関光子対増幅装置。
【請求項５】
変調器と発生した量子相関光子対の同期をとることによって変調器より量子相関光子対を外部に取り出すことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の量子相関光子対増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、量子相関光子対増幅装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、パラメトリック蛍光発生・増幅が行われるパラメトリック結晶から発生する量子相関光子対を高効率に増幅することが可能な量子相関光子対増幅装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
近年、インターネットの普及に伴い、従来の暗号システムに比べてより安全性が高いと言われている、量子力学の原理を用いた暗号システムである量子暗号通信システムが注目されており、また量子暗号システムと同様に量子力学の原理を用いた量子テレポーテーションも注目されているが、それら量子暗号通信システムや量子テレポーテーションなどには量子相関状態にある量子相関光子対が用いられている。
【０００３】
量子相関光子対の生成方法としては、以下に示すような入射励起光（ωｐ）に対してパラメトリック下方変換を行うことによって同時に発生するシグナル・アイドラー光（ωｓ、ωｉ）を利用する方法が知られている。なお“パラメトリック結晶”とは、パラメトリック蛍光発生・増幅を行う二次の非線形結晶のことを示す。
【０００４】
パラメトリック蛍光発生・増幅が行われるパラメトリック結晶に励起光（周波数ωｐ、波数Ｋｐ）を入射したとき、パラメトリック結晶におけるパラメトリック下方変換過程によって、入射した励起光よりもエネルギーが低い２つの光子対（シグナル（ωｓ、Ｋｓ）、アイドラー（ωｉ、Ｋｉ））が同時に発生する。この光子対は同時にパラメトリック結晶から放出され、常に周波数、波数、偏光に相関を持つように発生する（ωｐ＝ωｓ＋ωｉ、Ｋｐ＝Ｋｓ＋Ｋｉ；位相整合条件）。このように発生した量子相関光子対はスクイーズド状態やもつれ合い状態の発生の研究にさかんに用いられているが、従来の量子相関光子対の生成方法ではパラメトリック結晶による下方変換過程の効率は非常に小さく、極めて微弱な量子相関光子対しか得ることができていない。
【０００５】
実際、このような量子相関光子対を用いてもつれ合った光子対を作製し、量子テレポーテーション等の実験が行われているが、光源である量子相関光子対の発生効率が非常に低いので、量子テレポーテーションの成功の確認を行うために１０時間から数日程度の膨大な実験時間が必要になっている。また、加工技術への応用について考えた場合、光密度が低すぎるため加工を行うことは困難であり、量子相関光子対の光密度を高める方法が強く求められている。
【０００６】
なお、従来のパラメトリック増幅器、発振器等によって励起光に対して２つの光子対（シグナル・アイドラー光）を増幅、発振させることは可能であるが、一般的に共振器構造として線形共振器が採用されており、各々発生したシグナル・アイドラー光は別々の光路を通って増幅される。あるいは、シグナル・アイドラー光のどちらか一方のみを増幅している。このため、従来の市販装置ではシグナル光とアイドラー光を同時に増幅することが考慮されていない。
【０００７】
上記のような状況の中で、量子相関光子対を同時に増幅して用いるといった発想はいくつか提案されており、たとえばＡ．Ｌａｍａｓ−Ｌｉｎａｒｅｓらの研究では（Ｎａｔｕｒｅ　４１２，８８７（２００１）に掲載）、図２に示しているように、励起光パルス（４０）をパラメトリック結晶（４１）に入射し、発生した量子相関光子対（４２Ａ）、（４２Ｂ）が同じ光路を逆方向に進み、それらをミラー（４３Ａ）、（４３Ｂ）で反射させることによって再度パラメトリック結晶（４１）に同時に入射させ、また励起光パルス（４０）の折り返しのタイミングを計るため励起光折り返し用ミラー（４４）の位置を調整し、折り返された励起光パルス（４０）と光路を進んだ量子相関光子対（４２Ａ）、（４２Ｂ）とを同時にパラメトリック結晶に再入射させることによって量子相関光子対の増幅に成功している。なお、増幅された光子対は、パラメトリック結晶（４０）において複屈折された光子対の光路を補正するための別のパラメトリック結晶（４５Ａ）、（４５Ｂ）と偏光ビームスプリッター（４６Ａ）、（４６Ｂ）およびフィルター（４７Ａ）、（４７Ｂ）、（４７Ｃ）、（４７Ｄ）を通り、アバランシェフォトダイオード（４８Ａ）、（４８Ｂ）、（４８Ｃ）、（４８Ｄ）で検出される。また（４９）は１／２波長板である。
【０００８】
しかしながら上記の方法においては１パスによる増幅を行っているのみであるため、十分な強度の量子相関光子対を得るには至っていない。
【０００９】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、パラメトリック結晶から発生する量子相関光子対を高効率に増幅することが可能な量子相関光子対増幅装置を提供することを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、量子相関光子対発生用のパラメトリック蛍光発生およびパラメトリック蛍光増幅が行われるパラメトリック結晶、励起光折返し用ミラー、量子相関光子対反射用ミラー、変調器および光学遅延回路を有し、パラメトリック結晶にレーザー励起された励起光が入射された際にパラメトリック結晶によって発生した量子相関光子対の光路が８字型となるように、パラメトリック結晶、励起光折返し用ミラー、量子相関光子対反射用ミラー、変調器および光学遅延回路が配置されていることを特徴とする量子相関光子対増幅装置を提供する。
【００１１】
第２には、この出願の発明は、第１の発明において、励起光が励起光パルスであることを特徴とする量子相関光子対増幅装置を提供する。
【００１２】
第３には、第１または２の発明において、励起光折返し用ミラーの位置調整を行うことによって、励起光折返し用ミラーで折り返された励起光とパラメトリック結晶によって発生し光路を進んだ量子相関光子対を同時にパラメトリック結晶に入射させることを特徴とする量子相関光子対増幅装置を提供する。
【００１３】
さらに、第４には、第１ないし３のいずれかの発明において、光学遅延回路により量子相関光子対の光路長を調整することによって、光路を進んだ量子相関光子対と別の新たな励起光を同時にパラメトリック結晶に入射させることを特徴とする請求項１または２に記載の量子相関光子対増幅装置を提供する。
【００１４】
また、第５には、第１ないし４のいずれかの発明において、変調器と発生した量子相関光子対の同期をとることによって変調器より量子相関光子対を外部に取り出すことを特徴とする量子相関光子対増幅装置をも提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この出願の発明の量子相関光子対増幅装置は、量子相関光子対発生用のパラメトリック蛍光発生およびパラメトリック蛍光増幅が行われるパラメトリック結晶（非線形結晶）、励起光折返し用ミラー、量子相関光子対反射用ミラー、変調器および光学遅延回路を有し、パラメトリック結晶に、レーザー励起された励起光が入射された際にパラメトリック結晶によって発生した量子相関光子対の光路が８字型となるように、パラメトリック結晶、励起光折返し用ミラー、量子相関光子対反射用ミラー、変調器および光学遅延回路が配置された共振器構造をなしている。なお、上記のパラメトリック結晶、量子相関光子対反射用ミラー等は８字型の２つの環状の光路が同じ大きさ、すなわちパラメトリック結晶を挟んで対称となるように配置されている。
【００１６】
また、励起光はパルスレーザーなどから発振された励起光パルスを用いることができる。このとき、パラメトリック結晶のパラメトリック蛍光への変換効率が非常に低いため、高強度なレーザーが必要となる。また、同時に位相整合条件を満たすことが必要であるため、通常のレーザー励起に用いられているようなフラッシュランプや電流注入による励起は利用できない。
【００１７】
この出願の発明の量子相関光子対増幅装置は上記のような構造であることから、パラメトリック結晶より発生した量子相関光子対が同一の光路を逆向きに通り、同時にパラメトリック結晶にフィードバックされる。その結果、同時に発生した量子相関光子対を、量子相関を崩さずに増幅することが可能となり、高効率に量子相関光子対を得ることができる。
【００１８】
またこの出願の発明の量子相関光子対増幅装置は、励起光折返し用ミラーの位置調整を行うことによってパラメトリック結晶を通過した励起光の光路長を調整することができるため、励起光折返し用ミラーで折り返された励起光とパラメトリック結晶によって発生し光路を進んだ量子相関光子対を同時にパラメトリック結晶に入射させることができ、そのためフィードバックされた量子相関光子対は同時に誘導放出を起こし、量子相関を保ったまま量子相関光子対を増幅することが可能となる。
【００１９】
また、量子相関光子対の光路の途中に挿入した光学遅延回路により量子相関光子対の光路長を調整することによって、光路を進んだ量子相関光子対と別の新たな励起光を同時にパラメトリック結晶に入射させることができる。
【００２０】
さらに量子相関光子対増幅装置内において、変調器と発生した量子相関光子対の同期をとることによって変調器より量子相関光子対をあるタイミングで外部に取り出すことが可能となる。このとき、たとえばパラメトリック結晶で発生した量子相関光子対が最初に反射される２つの量子相関光子対反射用ミラーの間の中点の位置のように、量子相関光子対の進んだ距離が等しくなる対称な位置に変調器を配置する。
【００２１】
ところで、量子相関光子対の状態は非常に破壊されやすい。たとえば、量子相関の状態にある光子対の片方の光子が吸収されるとその時点で量子相関は無くなってしまう。とくに共振器中ではほんのわずかな吸収や散乱等の損失も非常に大きく増幅されてしまう。たとえば、透過率９９％の共振器中を光子が行ったり来たりする場合を考えたとき、１０００回光子が行ったり来たりする確率は０．９９１０００〜０％となる。つまり、とくに共振器中ではほんのわずかな損失でも量子相関光子対を破壊してしまうのである。したがって、共振器を構成する部品、たとえばミラー等の反射率やレンズ、結晶、変調器などの透過率には細心の注意を払って損失を回避することが重要となる。
【００２２】
次にこの出願の発明の量子相関光子対増幅装置の具体的な構成を示す。
【００２３】
たとえば、図１に示しているように、量子相関光子対増幅装置（１）において、パルスレーザーから発振された励起光パルス（周波数２ω）（２）によって励起されたパラメトリック結晶（３）により量子相関光子対（周波数ω）（４Ａ）、（４Ｂ）が発生する。発生した量子相関光子対（４Ａ）、（４Ｂ）は位相整合条件を満たす光路ａ、ｂに射出され、４つの量子相関光子対反射ミラー（５Ａ）、（５Ｂ）、（５Ｃ）、（５Ｄ）によって反射させることによって８字型に進む。なお、８字型の２つの環状の光路がパラメトリック結晶を挟んで対称となるようにパラメトリック結晶（３）、量子相関光子対反射ミラー（５Ａ）、（５Ｂ）、（５Ｃ）、（５Ｄ）等が配置されている。
【００２４】
このとき、変調器（６）はＯＦＦの状態になっており、出射した量子相関光子対（４Ａ）、（４Ｂ）に作用しない。量子相関光子対（４Ａ）、（４Ｂ）は同一光路を逆向きに通過しているため、再度同じタイミングでパラメトリック結晶（３）に入射する。また、一度パラメトリック結晶（３）を通過した励起光パルス（２）が励起光パルス折返し用ミラー（７）によって折り返される。なお、この励起光パルス折返し用ミラー（７）によって折り返された励起光パルス（２）が量子相関光子対（４Ａ）、（４Ｂ）と同時にパラメトリック結晶（３）に入射するように励起光パルス折返し用ミラー（７）の位置（Ｍ１）が調整されている。
【００２５】
その結果再入射した量子相関光子対（４Ａ）、（４Ｂ）と励起光パルス折返し用ミラー（７）で折り返された励起光パルス（２）は同時に増幅され、今度は光路ｃ、ｄに射出される。光路ｃ、ｄとも変調器（６）がないのみで光路ａ，ｂと同じである。光路ｃ、ｄによって同一光路で逆向きにフィードバックされた量子相関光子対（４Ａ）、（４Ｂ）はパラメトリック結晶（３）に再入射し、さらに増幅される。
【００２６】
このとき２つ目の入射励起光パルス（２）と同時にパラメトリック結晶（３）に入射するように量子相関光子対（４Ａ）、（４Ｂ）の光路長を光路の途中に挿入した光学遅延回路（８）で調整する。増幅した量子相関光子対（４Ａ）、（４Ｂ）をあるタイミングで取り出す場合、量子相関光子対（４Ａ）、（４Ｂ）が変調器（６）を通過するタイミングにあわせて変調器（６）をＯＮ状態にし、量子相関光子対（４Ａ）、（４Ｂ）を外部に取り出すことができる。このようにすることによって、量子相関光子対（４Ａ）、（４Ｂ）を高効率で増幅し取り出すことができるのである。
【００２７】
この出願の発明の量子相関光子対増幅装置の応用としては、これまで非常に微弱なもつれ合った光子対を用いた検証実験しか行われていない量子情報処理技術の飛躍的な発展に寄与することが期待できる。たとえば、この出力される量子相関光子対ビームを無偏光ビームスプリッター（５０％反射率）の二面より入射、干渉させることによって簡単にもつれ合った量子相関光子対を作製することができる。作製に使用する量子相関光子対が高強度であるため、得られるもつれ合った量子相関光子対も従来手法に比べて非常に高効率になることが期待できる。
【００２８】
また、それら情報処理技術の実際の応用の際には欠くことのできない基幹技術として利用されると考えられる。さらには量子的な効果を用いたナノ加工技術への応用も考えられ、使用する加工レーザー光源の回折限界をはるかに越えたナノ加工の実験も期待できる。
【００２９】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００３０】
【実施例】
図１に示すこの出願の発明の量子相関光子対増幅装置（１）を用いて、この量子相関光子対増幅装置（１）の光子対の増幅率を測定した。
【００３１】
なお、量子相関光子対増幅装置（１）において、励起光パルス（周波数２ω）（２）によって励起されたパラメトリック結晶（３）により量子相関光子対（周波数ω）（４Ａ）、（４Ｂ）を発生させた。発生した量子相関光子対（４Ａ）、（４Ｂ）は位相整合条件を満たす光路ａ、ｂに射出され、４つの量子相関光子対反射ミラー（５Ａ）、（５Ｂ）、（５Ｃ）、（５Ｄ）によって反射させることによって８字型に進む。はじめに量子相関光子対（４Ａ）、（４Ｂ）はそれぞれ光路ａ、ｂ（同じ光路の逆方向）を進み、量子相関光子対（４Ａ）、（４Ｂ）と励起光パルス折返し用ミラー（７）で折り返された励起光パルス（２）は同時にパラメトリック結晶（３）に入射して増幅され、次に光路ｃ、ｄに射出され、光路ｃ、ｄによって同一光路でフィードバックされた量子相関光子対（４Ａ）、（４Ｂ）はパラメトリック結晶（３）に再入射しさらに増幅された。このとき２つ目の入射励起光パルス（２）と同時にパラメトリック結晶（３）に入射するように量子相関光子対（４Ａ）、（４Ｂ）の光路の途中に挿入した光学遅延回路（８）でそれらの光路長を調整した。そして量子相関光子対（４Ａ）、（４Ｂ）が変調器（６）を通過するタイミングにあわせて変調器（６）をＯＮ状態にし、量子相関光子対（４Ａ）、（４Ｂ）を外部に取り出した。
【００３２】
上記の装置を用いた結果、従来の量子相関光子対増幅装置と比べて高効率に量子相関光子対を得ることが可能となった。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、高効率に量子相関光子対が増幅される量子相関光子対増幅装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の量子相関光子対増幅装置を例示した概念図である。
【図２】従来の量子相関光子対増幅装置を例示した概念図である。
【符号の説明】
１　量子相関光子対増幅装置
２　励起光パルス
３　パラメトリック結晶
４　量子相関光子対パルス
５　量子相関光子対反射用ミラー
６　変調器
７　励起光折返し用ミラー
８　光学遅延回路
【図１】
2004012630.tif 000003
【図２】
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