(57)【要約】【課題】波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を効率よく発生する。【解決手段】フェムト秒パルスレーザーからの45度偏光のフェムト秒パルス１を、偏光ビームスプリッター２で分岐する。偏光ビームスプリッター２に接続された偏波保存光ファイバー５で、サニャック干渉計が構成されている。サニャック干渉計には、光通信における波長変換素子として開発された導波路型PPLNが２つ組み込まれている。第１の導波路型PPLN３と第２の導波路型PPLN４とを、両側からフェムト秒パルスレーザーからの光でポンプして、波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を発生させる。このようにして、純度の高い偏光エンタングルド状態にある光子対を高効率で発生することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェムト秒パルスレーザーからの４５度偏光を分岐する偏光ビームスプリッターと、前記偏光ビームスプリッターに接続され第１の導波路型PPLNと第２の導波路型PPLNとを組み込んだ偏波保存光ファイバーで構成されたサニャック干渉計とを具備し、前記第１の導波路型PPLNと前記第２の導波路型PPLNを両側からフェムト秒パルスレーザーからの光でポンプすることにより、波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を発生させることを特徴とする偏光エンタングルド光子対発生装置。
【請求項２】
フェムト秒パルスレーザーからの４５度偏光を透過するとともに、波長λ／２の偏光エンタングルド状態にある光子対を反射するダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーを透過した光を分岐する無偏光ビームスプリッターと、前記無偏光ビームスプリッターに接続され第１の導波路型PPLNと第２の導波路型PPLNとを組み込んだ偏波保存光ファイバーで構成されたサニャック干渉計とを具備し、前記第１の導波路型PPLNと前記第２の導波路型PPLNを両側からフェムト秒パルスレーザーからの光でポンプすることにより、波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を発生させることを特徴とする偏光エンタングルド光子対発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光エンタングルド光子対発生装置に関し、特に、導波路型PPLNと光ファイバーサニャック干渉計とで構成した偏光エンタングルド光子対発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
1984年のCharles Bennet（IBM）等による量子暗号プロトコルの開発、1994年のPeter Shore（AT＆T）による量子計算アルゴリズムの発表を契機として、量子情報処理に関する研究が精力的に進められている。中でも、量子暗号は既に実用化の水準に達しており、通信波長帯（波長1550nm）での既設光ファイバーを用いた実験も行われている。これらの実験では、単一光子レベルまで減衰させたレーザー光が用いられているが、光子の非局所性を利用した高度な量子情報通信（量子テレポーテーションなど）を実用化するためには、エンタングルド（絡み合わせ）状態にある光子対が必要となる。このエンタングルド状態にある光子対は非線形光学過程である自然パラメトリック下方変換によって発生できる。
【０００３】
量子情報通信の研究分野では、ベル状態を用いた量子暗号・量子テレポーテーションなどの原理証明実験が、主に波長700〜800nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を用いて行われてきた。その理由は、この波長帯では量子効率が高く、しかもダークカウントが少ない単一光子検出器が市販されていること、BBOなどの高効率下方変換が可能な結晶と高出力ポンプレーザとしてアルゴンレーザ（波長351nm）やチタンサファイアレーザーの第二高調波（波長400nm付近）を使用できることにある。
【０００４】
波長1550nmのエンタングルド光子対の発生に関する研究は、これまで２件報告されている。それらは、周期分極擬似位相整合シリカファイバーを利用したもの（サザンプトン大学）と、分散シフトファイバーによる四光波混合を利用したもの（ノースウエスタン大学）である。ポンプ出力１mWに対する１秒間あたりの光子対発生率はそれぞれ、1.7と500である。波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を、フェムト秒パルスレーザーにより発生させた実験はまだ報告されていない。
【０００５】
図３に、フェムト秒レーザーによる波長800nmの偏光エンタングルド状態発生に用いられた光学系を示す。この系では、２つのBBO結晶で発生した光子対をコヒーレントに重ね合わせるために、マッハツェンダー干渉計の腕の長さを調整し安定化する必要がある。また、アライメントが困難であるため、期待される光子対の発生率および高い純度のエンタングルメントは得られていない。
【０００６】
特許文献１に開示された「もつれ合い光子対発生装置」は、もつれ合った状態の光子対を、ビーム状に収束して高効率に発生できるもつれ合い光子対発生装置である。図４に示すように、垂直偏光、他方が水平偏光に固定された「もつれ合っていない」状態で、光子対をビーム状に発生させるBBOなどを用いた偏光確定光子対発生装置を２つ直列に配置する。それら２つの装置の中間に、偏光を90度回転させる１／２波長板を挿入する。ポンプ光を入射することにより、２つの偏光確定光子対発生装置でそれぞれ発生された水平偏光と垂直偏光の光子ビームを、異なる偏光同士で重ね合わせる。従来よりも高い効率で、もつれ合った光子対ビームを発生させることができる。
【０００７】
非特許文献１に開示された光子対発生装置は、図５に示すように、２つのPPLN導波器を使用して、波長1550nmの偏光相関光子対を発生する装置である。２光子干渉実験において、同時検出率は、0.53kHzである。非特許文献２に開示された光子対発生装置は、図６に示すように、サニャック干渉計を使用して、偏光エンタングルド光子対のパルスを発生する装置である。
【特許文献１】特開2003-228091号公報
【非特許文献１】A. Yoshizawa, R. Kaji and H. Tsuchida, "Generation of polarization-entangled photon pairs at 1550nm using PPLN waveguides", Electron. Lett., vol.39, pp.621-622. (3 April 2003).
【非特許文献２】B. S. Shi, A, Tomita, "Generation of Pulsed Polarization Entangled Photon Pair Using a Sagnac Interferometer", Phys. Rev. A (2004).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来の光子対発生装置では、光ファイバーにおけるこの波長帯の光損失は２dB／kmと大きく、長距離伝送は不可能であるという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、量子情報通信の実用化のために、光ファイバーにおける光損失が最小となる波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を効率よく発生させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明では、偏光エンタングルド光子対発生装置を、フェムト秒パルスレーザーからの45度偏光を分岐する偏光ビームスプリッターと、偏光ビームスプリッターに接続され第１の導波路型PPLNと第２の導波路型PPLNとを組み込んだ偏波保存光ファイバーで構成されたサニャック干渉計とを具備し、第１の導波路型PPLNと第２の導波路型PPLNを両側からフェムト秒パルスレーザーからの光でポンプすることにより、波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を発生させる構成とした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、上記のように構成したことにより、波長1550nmの純度の高い偏光エンタングルド状態にある光子対を効率よく発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１と図２を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
本発明の実施例１は、フェムト秒パルスレーザーからの45度偏光を偏光ビームスプリッターで分岐し、偏光ビームスプリッターに接続された偏波保存光ファイバーで構成されたサニャック干渉計に組み込んだ第１の導波路型PPLNと第２の導波路型PPLNとを、両側からフェムト秒パルスレーザーからの光でポンプすることにより、波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を発生させる偏光エンタングルド光子対発生装置である。
【００１４】
本発明の実施例１における偏光エンタングルド光子対発生装置の構成を説明する。図１は、本発明の実施例１における偏光エンタングルド光子対発生装置の概念図である。図１において、フェムト秒パルス１は、パルス幅がフェムト秒程度のレーザー光パルスである。偏光ビームスプリッター（PBS）２は、複屈折性の結晶によって光線束を２つに分離する光学素子である。第１導波路型PPLN３と第２導波路型PPLN４は、光通信における波長変換素子として開発された導波路型PPLN（Periodically Poled Lithium Niobate）である。偏波保存ファイバー５は、光の振動面(偏波面)を一定の方向に保ちながら光を伝搬させる単一モードの光ファイバーである。干渉フィルター６は、干渉効果によって透過エネルギーのスペクトル成分を部分的に制御するフィルターである。複屈折性結晶７は、屈折率が光線の伝播方向によって異なる異常偏光と、伝播方向によって異ならない常偏光が存在する、複屈折を起こす結晶である。
【００１５】
50/50カップラー８は、光ファイバーを接合して、入射光を50％ずつに分岐するようにした光学素子である。半波長板９は、入射光にπの位相差を与え、光の電界の振動方向が波長板の光軸に対しθ°の方位角で入射した時に振動方向を２θ°回転させる光学素子である。45°の方位角で入射した時に最大の回転角90°を得る。円偏光の光が入射した場合は、光の振動方向を反対回りに変える。グラントムソンアナライザー10は、入射した非偏光の光のうち、異常光線（s偏光の光）を出射し、常光線（p偏光の光）を吸収する光学素子である。単一光子検出器11は、単一の光子を検出できる感度の光検出器である。同時計測器12は、２つの単一光子検出器で同時に光子を検出したとき応答する計測器である。
【００１６】
上記のように構成された本発明の実施例１における偏光エンタングルド光子対発生装置の動作を説明する。最初に、図１を参照しながら、動作の概略を説明する。光通信における波長変換素子として開発された導波路型PPLNを、偏波保存ファイバー５で構成されたサニャック干渉計に組み込み、これを両側からフェムト秒レーザーからの光でポンプすることにより、純度の高い偏光エンタングルド状態にある光子対を高効率で発生させる。
【００１７】
フェムト秒パルスによる相関光子対の発生方法を説明する。偏光エンタングルド状態にある光子対を用いた高度な量子情報通信を行うためには、特定の時刻に光子対を発生させなければならない。このため、超短パルスレーザーによって波長変換素子をポンプする必要がある。そこで、フェムト秒チタンサファイアレーザーで、導波路型PPLNをポンプすることにより、光子対を発生させる。導波路型PPLNは、できる限り大きな光子対発生率を得るため、長さ50mmとする。ポンプ光の導波路への結合と、発生した光子対の収集を効率よく行うために、導波路に偏波保存ファイバーを取り付けたものを使用する。
【００１８】
サニャック干渉計による偏光エンタングルド状態にある光子対の発生方法を説明する。導波路型PPLNによる自然パラメトリック下方変換では、ポンプ光の偏光と同じ偏光をもつ光子対が発生する。そのため、直交した２つの偏光に関するエンタングルド状態を発生させるためには、２個の導波路型PPLNを、偏光が直交したポンプ光で、それぞれポンプする必要がある。また、純度の高いエンタングルド状態を生成するためには、各導波路型PPLNで発生した光子対を、コヒーレントに重ね合わせる必要がある。
【００１９】
図１に示すように、光ファイバーで構成したサニャック干渉計を採用し、２つの導波路型PPLN（位相整合の方向を直交させて配置する）で発生した光子対のコヒーレントな重ね合わせを自動的に行う。発生した光子対に同じ経路を通過させることにより、干渉計の腕の長さの調整と安定化の問題を回避することができる。さらに、サニャック干渉計を、光ファイバーで構成することにより、自由空間において、レンズによりポンプ光と発生した光子対を収集する場合の色収差が引き起こすアライメントの問題も回避することができる。
【００２０】
偏光エンタングルド状態の純度の評価方法を説明する。上記の方法で発生させた偏光エンタングルド状態にある光子対を、50／50カップラー８により２つに分け、グラントムソンアナライザー10を用いて偏光相関を測定し、エンタングルメントの純度を評価する。さらに、２つの異なった偏光をもつ光子対の位相差および偏光状態を複屈折性結晶７と半波長板９で調整することにより、４つのベル状態が生成可能であることを確認できる。ここで、光学部品はすべてファイバーオプティクスを使用する。
【００２１】
このようにして、導波路型波長変換素子を用いて、波長1550nmの純度の高い偏光エンタングルド状態にある光子対を、フェムト秒パルスレーザーにより効率よく発生させる。発生した光子対は、光ファイバーにより出力されるので、長距離ファイバーを通信路とした量子情報通信に最適である。導波路型PPLNによる光子対発生実験で得た発生率は13,600である。導波路型PPLNによる光子対発生率は、他の方法に比べて格段に効率が良い。
【００２２】
導波路型PPLNは、変換効率が非常に高いため、低出力半導体パルスレーザーでポンプした場合でも、１パルスあたり２〜３組の光子対が発生する可能性が高い。１パルスあたり多数の光子対が発生すると、偏光エンタングルメントの純度を低下させる原因となる。そのため、１パルスあたり１組の光子対が発生するように、レーザー出力を調整する必要がある。
【００２３】
上記のように、本発明の実施例１では、偏光エンタングルド光子対発生装置を、フェムト秒パルスレーザーからの45度偏光を偏光ビームスプリッターで分岐し、偏光ビームスプリッターに接続された偏波保存光ファイバーで構成されたサニャック干渉計に組み込んだ第１の導波路型PPLNと第２の導波路型PPLNとを、両側からフェムト秒パルスレーザーからの光でポンプすることにより、波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を発生させる構成としたので、純度の高い偏光エンタングルド状態にある光子対を高効率で発生させることができる。
【実施例２】
【００２４】
本発明の実施例２は、フェムト秒パルスレーザーからの45度偏光を、ダイクロイックミラーを透過させ、透過光を無偏光ビームスプリッターで分岐し、偏波保存光ファイバーで構成されたサニャック干渉計に組み込まれた第１の導波路型PPLNと第２の導波路型PPLNを、フェムト秒パルスレーザーからの光で両側からポンプして、波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対発生させ、ダイクロイックミラーで反射させて取り出す偏光エンタングルド光子対発生装置である。
【００２５】
本発明の実施例２における偏光エンタングルド光子対発生装置の構成を説明する。図２は、本発明の実施例２における偏光エンタングルド光子対発生装置の概念図である。図２において、ダイクロイックミラー13は、入射光のある特定域の光を反射し、その他の光を透過することによって、入射光を分離するミラーである。無偏光ビームスプリッター（NPBS）14は、偏光状態に関係なく光を分岐するビームスプリッターである。その他の構成は、実施例１と同じである。
【００２６】
上記のように構成された本発明の実施例２における偏光エンタングルド光子対発生装置の動作を説明する。サニャック干渉計による偏光エンタングルド状態にある光子対のもうひとつの発生方法である。導波路型PPLNは、導波路のどちら側からポンプしても、相関光子対を発生させることができる。この特徴を利用して、サニャック干渉計を、図２のように構成する。ここで、サニャック干渉計のループを反時計回りに伝播するポンプ光の水平成分は、第１の導波路型PPLN３で光子対を発生させ、垂直成分は、第２の導波路型PPLN４で光子対を発生させる。時計回りのポンプ光に関しても同様である。この干渉計の特徴は、２つのエンタングルド状態にある光子対が、無偏光ビームスプリッター（NPBS）14で干渉することにある。サニャック干渉計の２つの出力の偏光相関を、グラントムソンアナライザー10で測定することにより、発生したエンタングルド状態の性質および純度を詳細に調べることができる。４つのベル状態が生成可能である。
【００２７】
上記のように、本発明の実施例で２は、偏光エンタングルド光子対発生装置を、導波路型PPLNを、フェムト秒パルスレーザーからの45度偏光を、ダイクロイックミラーを透過させ、透過光を無偏光ビームスプリッターで分岐し、偏波保存光ファイバーで構成されたサニャック干渉計に組み込まれた第１の導波路型PPLNと第２の導波路型PPLNを、フェムト秒パルスレーザーからの光で両側からポンプして、波長1550nmの偏光エンタングルド状態にある光子対を発生させ、ダイクロイックミラーで反射させて取り出す構成としたので、純度の高い偏光エンタングルド状態にある光子対を高効率で発生させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の偏光エンタングルド光子対発生装置は、長距離ファイバーを通信路とした量子情報通信用の光子対を発生するための装置として最適である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施例１における偏光エンタングルド光子対発生装置の概念図、
【図２】本発明の実施例２における偏光エンタングルド光子対発生装置の概念図、
【図３】従来例１の偏光エンタングルド光子対発生装置の概念図、
【図４】従来例２の偏光エンタングルド光子対発生装置の概念図、
【図５】従来例３の偏光エンタングルド光子対発生装置の概念図、
【図６】従来例４の偏光エンタングルド光子対発生装置の概念図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  フェムト秒パルス
２  偏光ビームスプリッター（PBS）
３  第１導波路型PPLN
４  第２導波路型PPLN
５  偏波保存ファイバー
６  干渉フィルター
７  複屈折性結晶
８  50/50カップラー
９  半波長板
10  グラントムソンアナライザー
11  単一光子検出器
12  同時計測器
13  ダイクロイックミラー
14  無偏光ビームスプリッター（NPBS）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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