(57)【要約】【課題】  導波路型非線形素子を用いて偏波エンタングル光子対を出力すること。【解決手段】  非線形導波路２２は、ポンプ光源２１から発生したパルス光からシグナル光子とアイドラー光子とを所定の発生効率で発生する。偏波変調器２３は、非線形導波路２２が出力する光の偏波状態を変調する。第１の偏波ビームスプリッタ２４ａは、偏波分離機能を有し、偏波変調器２３が出力する光を偏波状態に応じて２つの光経路に分岐する。第２の偏波ビームスプリッタ２４ｂは、偏波合成機能を有し、第１の偏波ビームスプリッタ２４ａが２経路に分岐した光を同一経路に合波する。第１の偏波ビームスプリッタ２４ａと第２の偏波ビームスプリッタ２４ｂとの間に２経路における光伝搬時間の差が、２つの連続するパルス光の時間間隔と等しくなるように設定されている。【選択図】  図２
2005257939.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの連続するパルス光を発生するポンプ光源と、
該ポンプ光源が発生したパルス光からシグナル光子とアイドラー光子とを所定の発生効率で発生する非線形光学結晶と、
該非線形光学結晶が出力する光の偏波状態を変調する偏波変調手段と、
該偏波変調手段が出力する光を偏波状態に応じて２つの光経路に分岐する偏波分離手段と、
該偏波分離手段が２経路に分岐した光を同一経路に合波する偏波合成手段とを有し、
前記偏波分離手段と前記偏波合成手段との間の２経路における光伝搬時間の差が、前記２つの連続するパルス光の時間間隔と等しくなるように設定されていることを特徴とするエンタングル光子対発生装置。
【請求項２】
前記非線形光学結晶からなる非線形導波路を用いたことを特徴とする請求項１に記載のエンタングル光子対発生装置。
【請求項３】
前記ポンプ光源から出力される２連続パルス光の波長をλｐとし、前記シグナル光子の波長を波長λｓとし、前記アイドラー光子の波長を波長λｉとした時に、１／λｐ＝１／λｓ＋１／λｉの関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンタングル光子対発生装置。
【請求項４】
前記偏波分離手段が、第１の偏波ビームスプリッタであり、該偏波ビームスプリッタにおいて、縦偏波状態は反射ポートへ、横偏波状態は透過ポートへそれぞれ出力されることを特徴とする請求項１，２又は３に記載のエンタングル光子対発生装置。
【請求項５】
前記偏波合成手段が、第２の偏波ビームスプリッタであり、該偏波ビームスプリッタの出力が偏波エンタングル光子対状態であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のエンタングル光子対発生装置。
【請求項６】
前記偏波分離手段の分離機能と前記偏波合成手段の合成機能とを有する偏波ビームスプリッタと、分岐された２つの経路に出力される前記偏波ビームスプリッタからの縦偏波状態及び横偏波状態を、各々異なる偏波状態に変換する変換手段とを備えたことを特徴とする請求項１，２又は３に記載のエンタングル光子対発生装置。
【請求項７】
前記変換手段は、前記経路中に設けられたλ／４波長板と反射部材からなることを特徴とする請求項６に記載のエンタングル光子対発生装置。
【請求項８】
前記経路のうち一方の経路の往復伝播時間が、他方の往復伝播時間よりも光パルスの時間間隔分だけ長くなるように設定されていることを特徴とする請求項６又は７に記載のエンタングル光子対発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンタングル光子対発生装置に関し、より詳細には、量子暗号通信における量子暗号鍵伝送技術に係るもので、量子相関を有する光子対を発生するエンタングル光子対発生装置に関し、特に、偏波状態の相関を有するエンタングル光子対を発生するエンタングル光子対発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子力学的相関を有する光子対を利用する新しいタイプの情報通信システムが提案されている。より具体的には、量子相関を利用した量子暗号鍵配送や量子テレポーテーションなどが挙げられる。量子暗号鍵配送とは、離れた地点にいる２者に暗号通信を行うための暗号鍵を供給する暗号通信システムで、暗号鍵の安全性が量子力学の原理により保証された究極的に安全な暗号通信システムである。
【０００３】
量子暗号鍵配送にも各種方式があるが、量子相関を利用するものが最も長距離伝送に適している。量子テレポーテーションとは、量子状態を転送するシステムで、量子コンピューターなどの量子情報処理装置間の信号転送に利用される。これら量子情報通信システムにおいて用いられる量子相関のある光子対は、量子エンタングル光子対または単にエンタングル光子対と呼ばれている。量子相関といっても様々な物理量についての相関が考えられ、それに応じて様々な種類のエンタングル光子対が存在する。以下、本発明に即して、偏波状態についてのエンタングル光子対について説明する。
【０００４】
一般に、単一の光子の偏光状態は、横直線偏光状態（｜Ｈ＞：横偏光のモードに光子が１個あるとき、その状態を｜Ｈ＞と表記する）と縦直線偏光状態（｜Ｖ＞：縦偏光のモードに光子が１個あるとき、その状態を｜Ｖ＞と表記する）の重ね合わせの状態｜Ψ＞＝α｜Ｈ＞＋β｜Ｖ＞（α、βは｜α｜２＋｜β｜２＝１を満たす複素数）によって表わされる。ここで、｜α｜２および｜β｜２は、状態｜Ψ＞にある光子に対して横直線偏光状態か縦偏光状態かを判別する測定を行ったときに、それぞれ横偏光および縦偏光の測定結果を得る確率である。例えば、左回り偏光である光子状態は、
【０００５】
【数１】
2005257939.tif 000003
【０００６】
また、右回り円偏光である光子状態は、
【０００７】
【数２】
2005257939.tif 000004
【０００８】
と表わされる。この式（１ａ），（１ｂ）は、円偏光の単一光子に対して横直線か縦直線かの偏光状態を判別する測定を行うと、その結果は確率５０％で横偏光、確率５０％で縦偏光となることを表わしている。右回りか左回りかは複素数の位相で区別されているが、このことは、円偏波の光電場を縦直線成分と横直線成分に分解したときに、両成分の位相関係によって右回りか左回りになることの量子的表示として理解できる。
【０００９】
以上は、１光子についての説明であるが、これを２光子状態に拡張すると、量子エンタングル光子対について説明することができる。いま、２つの光子を同時に発生する光源があったとする。この２光子をまとめて１つの量子状態とみなし、この光源からは、
【００１０】
【数３】
2005257939.tif 000005
【００１１】
と表わされる状態が出力されるものとする。ここで、２つの光子を識別するために、添え字ａ、ｂを用いた。式（２）は、この２光子に対して横直線偏光状態か縦偏光状態かを判別する測定を行うと、５０％の確率で｜Ｈ＞ａ｜Ｈ＞ｂまたは｜Ｖ＞ａ｜Ｖ＞ｂという状態が観測されることを意味している。ここで、｜Ｈ＞ａ｜Ｈ＞ｂは、光子ａが横偏波かつ光子ｂが横偏波という状態を表わし、｜Ｖ＞ａ｜Ｖ＞ｂは、光子ａが縦偏波かつ光子ｂが縦偏波という状態をそれぞれ表わしている。
【００１２】
このことは、例えば、発生した２光子を離れた２者（アリスとボブという）にそれぞれ送り、両者がそれぞれの光子に対して測定を行ったとする。アリスが横偏光｜Ｈ＞という測定結果を得れば、それと対になる光子についてボブが得る測定結果は、必ず横偏光｜Ｈ＞となり、また、アリスが縦偏光｜Ｖ＞という測定結果を得ると、対になる光子についてボブが得る測定結果は必ず縦偏光｜Ｖ＞となることを意味している。このような相関を有する２つの光子を量子エンタングル光子対という。上述した例の場合は、偏波状態についての相関なので、特に偏波エンタングル光子対ともいう。
【００１３】
量子エンタングルの特徴は、測定系を変えても相関関係が成り立っているところにある。上述した説明では、２光子に対して横直線偏光状態か縦偏光状態かを判別する測定を行うものとしたが、右回り円偏波状態か左回り円偏波状態かを判別する測定を行っても同様の相関が得られる。その事情をみるために、式（１ａ），（１ｂ）を使って式（２）を書き直すと、式（１ａ），（１ｂ）より、
【００１４】
【数４】
2005257939.tif 000006
【００１５】
であり、これを式（２）代入すると、
【００１６】
【数５】
2005257939.tif 000007
【００１７】
となる。この式（４）は、２光子に対して右回り円偏波状態か左回り円偏波状態かを判別する測定を行うと、一方が右回りであれば他方は左回り、一方が左回りであれば他方は右回りすることを意味しており、相関関係が円偏波測定においても成り立っていることを表わしている。ここでは詳しく述べないが、このような性質を巧みに利用すると、究極的に安全な量子暗号システムや量子テレポーテーションを実施することができる。
【００１８】
上述した偏波エンタングル光子対を発生する手段としては、２次の光非線形効果を利用する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。２次の非線形光学結晶には、波長λｐのポンプ光が入力されると、１／λｐ＝１／λｓ＋１／λｉの関係を満たす波長λｓのシグナル光子と波長λｉのアンドラー光子を同時に発生する性質がある。この現象はパラメトリック・ダウン・コンバージョンとして知られている。
【００１９】
さらにこの時、ある種の結晶においては、結晶軸の向きを適当に設定すると、直線偏波のポンプ光入力に対して、シグナル光子、アイドラー光子ともに同じ直線偏波として発生させることができる。シグナル光子とアイドラー光子は、必ず対で発生するので、この発生状態は、｜φ＞＝｜Ｈ＞ｓ｜Ｈ＞ｉ（または｜Ｖ＞ｓ｜Ｖ＞ｉ）と記述される。ここで、添え字ｓ、ｉはそれぞれシグナル光子、アイドラー光子を表わしている。
【００２０】
パラメトリック・ダウン・コンバージョン現象により偏波エンタングル光子対を得るためには、ある特定の軸方向の直線偏波ポンプ光入力に対しては、ポンプ光と同一偏波のシグナル光子とアイドラー光子とを発生し、それと直交するポンプ光の入力に対しては、何も発生しないような非線形結晶を２つ用意する。
【００２１】
図１は、従来のエンタングル光子対発生方法を説明するための図で、２つの非線形結晶１ａ，１ｂを、結晶軸を互いに９０°傾けて直列に配置する。第１の非線形結晶１ａは、０°方向の直線偏波ポンプ光の入力に対しては、それと同一偏波のシグナル光子とアイドラー光子とを発生し、それと直交するポンプ光の入力に対しては何も発生しないように配置されているものとする。すると、第２の非線形結晶１ｂにおいては、その結晶軸が第１の非線形結晶１ａとは９０°ずれているため、９０°方向の直線偏波ポンプ光の入力に対しては、それと同一偏波のシグナル光子とアイドラー光子とを発生することになる。この直列構成に対して、４５°傾いた直線偏波のポンプ光を入力する。
【００２２】
このようなポンプ光は、垂直偏波成分と水平偏波成分に分けて考えることができ、第１の非線形結晶１ａでは、垂直ポンプ光成分から垂直偏波のシグナル光子とアイドラー光子とが発生し、第２の非線形結晶１ｂでは、水平ポンプ光成分から水平成分のシグナル光子とアイドラー光子とがそれぞれ発生する。
【００２３】
ここで、１つの非線形結晶から１組のシグナル／アイドラー光子対が発生する効率をηとする。すると、直列配置された２つの非線形結晶のどちらからも光子対が発生する効率はη２となる。光子対の発生効率は、ポンプ光のパワーに依存する。そこで、ポンプ光のパワーを調節してη>>η２であるように設定すると、２つの非線形結晶のどちらからも光子対が発生する効率は無視できる程度に低くなり、直列配置からは１組の光子対が出力されるようにすることができる。
【００２４】
出力された光子対は、第１の非線形結晶１ａで発生したものか、第２の非線形結晶１ｂで発生したものかは測定するまで不明である。このような光子対の状態は、第１の非線形結晶１ａで発生する光子対状態と、第２の非線形結晶１ｂで発生する光子対状態との重ね合わせとして、次のように記述される。
【００２５】
【数６】
2005257939.tif 000008
【００２６】
この式（５）は、出力が偏波エンタングル状態となっていることを表わしている。すなわち、図１に示した構成により、偏波エンタングル光子対を得ることができる。なお、式（５）のエンタングル光子対状態としては、｜Ｈ＞ｓ｜Ｈ＞ｉである確率と｜Ｖ＞ｓ｜Ｖ＞ｉである確率が等しい必要がある。そのためには、第１の非線形結晶１ａにおける光子対の発生効率と、第２の非線形結晶１ｂにおける光子対の発生効率が等しくなければならない。
【００２７】
【非特許文献１】Paul G Kwiat. et. al. “Ultrabright source of polarization - entangled photons, ”Physical Review A. vol. 60. No.2 pp. R773-R776,1999
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
上述した従来のエンタングル光子対発生方法には、長波長帯（１．３μｍまたは１．５μｍ）の光子対を得るのが困難であるという問題がある。エンタングル光子対を発生させるためには、非線形結晶内でポンプ光、シグナル光子、アイドラー光子の位相速度を整合させる必要がある（位相整合条件）。エンタングル光子対の応用を考えると、光ファイバの伝送損失が小さい長波長帯における光子対発生が望まれるが、従来のバルク型非線形結晶では、長波長帯において位相整合条件を満たすことが困難となっている。
【００２９】
これを解決する手段として、導波路型非線形素子によるエンタングル光子対発生が考えられる。これは、周期型光導波路構造における位相速度の性質を利用して長波長帯での位相整合条件を満たす方法であり、例えば、典型的な非線形結晶であるＬｉＮｂＯ３導波路の場合、ＴＭモード（縦偏波）のポンプ光からＴＥモードのシグナル光子とアイドラー光子とを発生させることができる。そこで、２つのＬｉＮｂＯ３導波路を互いに９０°傾けて直列に配置すれば、図１で説明したように、偏波エンタングル光子対を得ることができる。
【００３０】
しかしながら、このような従来のエンタングル光子対発生方法は、光導波路を利用することによる特殊性のため、実際に実施するのは困難である。光導波路内で光子対を発生させるためには、相互作用する光の電界分布がほぼ重なるように、ポンプ光、シグナル光子、アイドラー光子を基本導波モードとして伝搬させる必要がある。そのためには、光導波路構造は、３つの光に対して単一モード導波路となっていることが望ましいが、２次の光非線形を用いる場合、シグナル光子、アイドラー光子の波長が１．５μｍ帯であるとポンプ光波長は０．７８μｍ近傍となり、シグナル光子・アイドラー光子に対し単一モード導波路とすると必然的にポンプ光に対してはマルチモードとなってしまう。
【００３１】
つまり、図１に示した構成でエンタングル光子対を得るためには、第１と第２の非線形素子における光子対発生効率が等しいことが必要である。直列に配置した２つの導波路素子においてこの条件を満たすには、両者ともにポンプ光を等しく基本導波モードとして入力しなければならないが、導波路へのポンプ光の結合状態をこのように設定することは実際上困難である。そのため、図１に示した構成に導波路型非線形素子を適用して長波長帯のエンタングル光子対を得ることは、原理的には可能であっても、実際には極めて困難である。
【００３２】
このように、従来のエンタングル光子対発生装置は、２次の非線形光学結晶にポンプ光（波長λｐ）を入力することにより同時生成される、１／λｐ＝１／λｓ＋１／λｉを満たすシグナル光子（波長λｓ）とアイドラー光子（波長λｉ）とをエンタングル光子対として用いている。したがって、従来のエンタングル光子対発生装置は、２つの非線形光学結晶における光子対発生効率を等しくするために、非線形光学結晶中でポンプ光、シグナル光、アイドラー光の３つの位相速度が整合されること（位相整合条件）を要求する。
【００３３】
つまり、エンタングル光子対を発生させるためには、（１）非線形媒質でシグナル・アイドラー光子対を発生させること、（２）２つの非線形媒質を用意して、それぞれで発生するシグナル・アイドラー光子対の発生効率を等しくすること、が必要である。（１）のためには、非線形結晶内でポンプ光、シグナル光、アイドラー光の位相速度を整合させることが必要となる。これは従来のＬｉＮｂＯ３導波路により実現可能である。しかしながら、（２）のためには、第１の非線形結晶での光子対発生効率と、第２の非線形結晶での光子対発生効率が等しいことが必要となる。これは、従来の構成では単一モード条件の制約より実現が困難であった。
【００３４】
このように、従来のエンタングル光子対発生装置は、２つの非線形光学結晶における光子対発生効率を等しくするために、非線形光学結晶中でポンプ光、シグナル光、アイドラー光の３つの位相速度が整合されること（位相整合条件）が要求されている。
【００３５】
そのため、光ファイバ伝送により量子暗号通信応用では、光ファイバの伝送損失が小さい長波長帯の光子対が望まれますが、バルク型非線形結晶は、長波長帯では位相整合条件を満たすことが困難であるという問題があった。
【００３６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、導波路型非線形素子を用いながらも、容易な構成で偏波エンタングル光子対を出力することができるエンタングル光子発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、２つの連続するパルス光を発生するポンプ光源と、該ポンプ光源が発生したパルス光からシグナル光子とアイドラー光子とを所定の発生効率で発生する非線形光学結晶と、該非線形光学結晶が出力する光の偏波状態を変調する偏波変調手段と、該偏波変調手段が出力する光を偏波状態に応じて２つの光経路に分岐する偏波分離手段と、該偏波分離手段が２経路に分岐した光を同一経路に合波する偏波合成手段とを有し、前記偏波分離手段と前記偏波合成手段との間の２経路における光伝搬時間の差が、前記２つの連続するパルス光の時間間隔と等しくなるように設定されていることを特徴とする。
【００３８】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記非線形光学結晶からなる非線形導波路を用いたことを特徴とする。
【００３９】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記ポンプ光源から出力される２連続パルス光の波長をλｐとし、前記シグナル光子の波長を波長λｓとし、前記アイドラー光子の波長を波長λｉとした時に、１／λｐ＝１／λｓ＋１／λｉの関係を満たすことを特徴とする。
【００４０】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記偏波分離手段が、第１の偏波ビームスプリッタであり、該偏波ビームスプリッタにおいて、縦偏波状態は反射ポートへ、横偏波状態は透過ポートへそれぞれ出力されることを特徴とする。
【００４１】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記偏波合成手段が、第２の偏波ビームスプリッタであり、該偏波ビームスプリッタの出力が偏波エンタングル光子対状態であることを特徴とする。
【００４２】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記偏波分離手段の分離機能と前記偏波合成手段の合成機能とを有する偏波ビームスプリッタと、分岐された２つの経路に出力される前記偏波ビームスプリッタからの縦偏波状態及び横偏波状態を、各々異なる偏波状態に変換する変換手段とを備えたことを特徴とする。
【００４３】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記変換手段は、前記経路中に設けられたλ／４波長板と反射部材からなることを特徴とする。
【００４４】
また、請求項８に記載の発明は、請求項６又は７に記載の発明において、前記経路のうち一方の経路の往復伝播時間が、他方の往復伝播時間よりも光パルスの時間間隔分だけ長くなるように設定されていることを特徴とする。
【００４５】
このように、本発明のエンタングル光子発生装置は、１つの非線形光学結晶（非線形導波路）を用い、非線形光学結晶に入力された２連続パルス光の出力光を、偏向を変調する偏波変調器と、この偏波変調器によって偏向された光と無偏向の光とを分岐する第１の偏波ビームスプリッタと、この第１の偏波ビームスプリッタによって分岐された２つの光を合波する第２の偏波ビームスプリッタと、２分岐された光の経路を各々の光が通過する時間の差が、２連続パルス光の時間間隔に等しく設定されていることを特徴としている。
【００４６】
また、偏波分離手段の分離機能と偏波合成手段の合成機能とを有する偏波ビームスプリッタと、分岐された２つの経路に出力される偏波ビームスプリッタからの縦偏波状態及び横偏波状態を、各々異なる偏波状態に変換する変換手段とを備え、分岐された２つの経路のうち一方の経路の往復伝播時間が、他方の往復伝播時間よりも光パルスの時間間隔分だけ長くなるように設定されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００４７】
本発明によれば、従来技術に比べ、容易に偏波エンタングル光子対を発生させることが可能となる。また、従来の位相条件を満たすことの困難さという問題点を解決する全く別のアプローチを提供し、簡便な構成で実施可能な偏波エンタングル光子対を発生できるという格別の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。  
【実施例１】
【００４９】
図２は、本発明のエンタングル光子発生装置の実施例１を説明するための構成図で、図中符号２１はポンプ光源、２２は非線形光学結晶からなる非線形導波路（ＬＮ導波路）、２３は偏波変調器、２４ａは第１の偏波ビームスプリッタ、２４ｂは第２の偏波ビームスプリッタ、２５は波長フィルタを示している。
【００５０】
本発明の実施例１に係るエンタングル光子発生装置において、ポンプ光源２１は、２つの連続するパルス光を発生するものである。非線形導波路２２は、ポンプ光源２１から発生したパルス光からシグナル光子とアイドラー光子とを所定の発生効率で発生するもので、ポンプ光源２１からのポンプ光パルスが直線偏波状態として入力され、このポンプ光パルスから２次の非線形効果により、１／λｐ＝１／λｓ＋１／λｉの関係を満たす波長λｓのシグナル光子と波長λｉのアイドラー光子を、ポンプ光と同じ偏波状態として発生するものである。
【００５１】
また、偏波変調器２３は、非線形導波路２２が出力する光の偏波状態を変調するものである。第１の偏波ビームスプリッタ２４ａは、偏波分離機能を有し、偏波変調器２３が出力する光を偏波状態に応じて２つの光経路に分岐するものである。第２の偏波ビームスプリッタ２４ｂは、偏波合成機能を有し、第１の偏波ビームスプリッタ２４ａが２経路に分岐した光を同一経路に合波するものである。
【００５２】
このような構成において、第１の偏波ビームスプリッタ２４ａと第２の偏波ビームスプリッタ２４ｂとの間に２経路における光伝搬時間の差が、２つの連続するパルス光の時間間隔と等しくなるように設定されている。
【００５３】
つまり、ポンプ光源２１は、連続した２つのポンプ光パルスを出力する。２連続ポンプ光パルスの発生方法としては、ＣＷ光から光変調器により切り出す構成や、１つのポンプ光パルスを２つに分岐して一方に遅延を与えたのちに再び合波する構成などが利用可能である。
【００５４】
ポンプ光パルスは、ＴＭモードとしてＬＮ導波路２２に入力される。このＬＮ導波路２２は、周期構造を有しており、ＴＭモード（縦偏波）のポンプ光からＴＭモードのシグナル光子とアイドラー光子とを発生するように作製されているものとする。これにより、ＬＮ導波路２２からはＴＭモードのシグナル光子とアイドラー光子とが出力される。
【００５５】
ここで、１つのポンプ光パルスから１組のシグナル／アイドラー光子対が発生する効率をηとする。すると、２連続ポンプ光パルスのどちらからも光子対が発生する効率はη２となる。光子対の発生効率はポンプ光パワーに依存する。そこで、ポンプ光の光パワーの設定によりη>>η２であるようにすると、２連続ポンプ光のパルスのどちらからも光子対が発生する効率は無視できる程度に低くなり、ＬＮ導波路２２からは、１組の光子対が出力されることになる。出力される光子対は、測定を行うまでは、第１のポンプ光のパルスから発生したものか第２のポンプ光のパルスから発生したものか不明である。すなわち、２つの時間位置のうちの第１の時間位置に存在しているか第２の時間位置に存在しているかは不確定である。このような状態は、２つの状態の重ね合わせとして、
【００５６】
【数７】
2005257939.tif 000009
【００５７】
と表わすことができる。ここで、｜Ｖ，ｔ１＞は、光子１個が第１の時間位置ｔ１に縦偏波Ｖとして存在する状態を、｜Ｖ，ｔ２＞は、光子１個が第２の時間位置ｔ２に縦偏波Ｖとして存在する状態を、それぞれ表わすものとする。第１項が第１のポンプ光のパルスから光子対が発生した状態、第２項が第２のポンプ光のパルスから光子対が発生した状態、にそれぞれ対応する。
【００５８】
ＬＮ導波路２２からの出力は、偏波変調器２３に入力される。この偏波変調器２３は、第１の時間位置の光子対に対しては無変調である一方、第２の時間位置の光子対に対してはその偏波状態を縦偏波Ｖから横偏波Ｈに変換するものとする。これにより、式（６）の状態は、
【００５９】
【数８】
2005257939.tif 000010
【００６０】
に変換される。次に、偏波変調器２３からの出力は、第１の偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）２４ａに入力される。この偏波ビームスプリッタ２４ａにおいては、縦偏波状態は反射ポートへ、横偏波状態は透過ポートへ、それぞれ出力される。これにより、縦偏波状態は経路ａへ、横偏波状態は経路ｂへそれぞれ出力される。
【００６１】
２つの経路を通った状態は、第２の偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ２）２４ｂに入力される。ここで、経路ａの光伝搬時間は、経路ｂのそれよりも、前述の２連続ポンプ光パルスの時間間隔分だけ長いものとする。これにより、２つの時間位置に分かれていた状態は、同時刻に第２のＰＢＳ２４ｂに入力されることになる。第２のＰＢＳ２４ｂへの入力状態は、式（７）より、
【００６２】
【数９】
2005257939.tif 000011
【００６３】
と書き表わすことができる。ここで、｜Ｖ，Ｒ１＞は、光子１個が経路ａから縦偏波として入力される状態を、｜Ｈ，Ｒ２＞は、光子１個の経路ｂから横偏波として入力される状態を、それぞれ表わすものとする。これらは同時刻に入力されるので、時間に関する表示は省略した。
【００６４】
第２のＰＢＳ２４ｂは、直交する直線偏波状態を合波してひとつのポートに出力する。これにより、経路による区別がなくなり、式（８）は、
【００６５】
【数１０】
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【００６６】
と書き直される。この式（９）を見ると、第２のＰＢＳ２４ｂからの出力は偏波エンタングル光子対状態となっていることがわかる。すなわち、図２に示した構成により、偏波エンタングル光子対を得ることができる。発生した光子対を別々に取り出したい時には、波長フィルタ２５によりシグナル光子とアイドラー光子を振り分ければよい。
【００６７】
図２に示した構成においては、１つの非線形導波路を用いて光子対を発生しており、第１の時間位置と第２の時間位置に光子対が発生する効率は自動的に同一となる。したがって、従来例のように、２つの非線形導波路における発生効率を等しくするための困難に煩わされることなく、エンタングル光子対を得ることができる。
【実施例２】
【００６８】
図３は、本発明のエンタングル光子発生装置の実施例２を説明するための構成図で、図中符号２４は偏波ビームスプリッタ、２６，２７はλ/４波長板、２８，２９はミラーを示している。なお、図２と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
【００６９】
本発明の実施例２に係るエンタングル光子発生装置は、図２に示したエンタングル光子発生装置における、ポンプ光源２１とＬＮ導波路２２と偏波変調器２３により、上述した式（７）の状態を作るところまでは同じであるので、その後の構成について以下に説明する。
【００７０】
偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２４により縦偏波状態を反射ポート（経路ａ）、横偏波状態を透過ポート（経路ｂ）へ出力する。経路ａへ出力された光子はλ/４波長板２６を通り、ミラー２８で反射され、逆経路を辿って、再びＰＢＳ２４へ入力される。この際、光子はλ/４波長板２６を往復で２回通ることになり、これにより縦偏波状態だったものが横偏波状態に変換されてＰＢＳ２４に入力されることになる。
【００７１】
一方、ＰＢＳ２４から経路ｂへ出力された光子は、同様にして、λ/４波長板２７を通り、ミラー２９で反射され、逆経路を辿って、再びＰＢＳ２４へ入力される。この光子もλ/４波長板２７を２回通るので、ＰＢＳ２４への入力状態は横偏波状態から縦偏波状態に変換されたものになっている。
【００７２】
経路ａから横偏波状態としてＰＢＳ２４に入力された光子は、透過ポート、すなわち、図３に示した下方のポートに出力される。経路ｂから縦偏波状態としてＰＢＳ２４に入力された光子は、反射ポート、すなわち、図３に示した下方のポートに出力される。ここで、経路ａの往復伝播時間は、経路ｂの往復伝播時間より、２連続ポンプ光パルスの時間間隔分だけ長いものとする。すると、２つの時間位置に分かれていた状態は、同時刻にＰＢＳ２４の下方のポートに出力されることになる。したがって、ＰＢＳ２４の下方のポートからは、横偏波光子対と縦偏波光子対が足し合わさった状態が出力されることになり、偏波エンタングル光子対を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】従来のエンタングル光子対発生方法を説明するための図である。
【図２】本発明のエンタングル光子発生装置の実施例１を説明するための構成図である。
【図３】本発明のエンタングル光子発生装置の実施例２を説明するための構成図である。
【符号の説明】
【００７４】
２１  ポンプ光源
２２  非線形光学結晶（非線形導波路）
２３  偏波変調器
２４  偏波ビームスプリッタ
２４ａ  第１の偏波ビームスプリッタ
２４ｂ  第２の偏波ビームスプリッタ
２５  波長フィルタ
２６，２７  λ/４波長板
２８，２９  ミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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