(57)【要約】      （修正有）【課題】光ファイバ通信に適した１．５μｍまたは１．３μｍ波長帯において識別不可能な光子を用いて量子もつれ状態を生成可能な量子通信システムおよび光周波数変換装置を提供する。【解決手段】２つのノード１、２と、中継ノード３とを備え、中継ノード３は、光子検出したときに、前記古典通信回線を介して検出時刻情報を前記２つのノード１、２に送信して、２つの量子相関状態生成装置との間に量子もつれ状態を生成することにより前記２つのノード１、２間にリンクを形成する量子通信システム。光周波数変換装置は、光周波数ｆｐのポンプ光レーザからの出力光と量子相関状態生成装置から入力される光周波数ｆｓの光子とを合波して一つの経路に出力する光合波器と、光周波数ｆｐ及びｆｓの光を入力すると、光周波数ｆｃの光を発生する２次の非線形光学媒質と、光周波数ｆｃの光を透過して出力する光フィルタとを備える。【選択図】図３
2012004956.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光子の発生時刻または偏波状態と、２つ以上のエネルギー準位を有する物質の量子状態との間に相関のある状態を生成して該光子を出力する第１の量子相関状態生成装置と、前記第１の量子相関状態生成装置から出力される光子を入力し、その光周波数が所定の周波数になるように変換して出力する第１の光周波数変換装置とを有する第１のノードと、
光子の発生時刻または偏波状態と、２つ以上のエネルギー準位を有する物質の量子状態との間に相関のある状態を生成して該光子を出力する第２の量子相関状態生成装置と、前記第２の量子相関状態生成装置から出力される光子を入力し、その光周波数が前記所定の周波数になるように変換して出力する第２の光周波数変換装置とを有する第２のノードと、
前記第１のノードおよび前記第２のノードの光周波数変換装置から出力された光子をそれぞれ伝送するための２つの光伝送路と、
前記２つの光伝送路から光子が入力される２つの入力と２つの出力とを有するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタの２つの出力に接続された光子検出器とを有する中継ノードと、
前記第１のノードおよび前記第２のノードと前記中継ノードとを接続する古典通信回線とを備え、
前記中継ノードは、前記光子検出器において光子検出したときに、前記古典通信回線を介して検出時刻情報を前記第１のノード及び第２のノードに送信して、第１の量子相関状態生成装置と第２の量子相関状態生成装置との間に量子もつれ状態を生成することにより前記第１のノードおよび前記第２のノード間にリンクを形成することを特徴とする量子通信システム。
【請求項２】
前記光周波数変換装置は、光周波数ｆｐのレーザ光を出力するポンプ光レーザと、前記ポンプ光レーザからの出力光と前記量子相関状態生成装置から入力される光周波数ｆｓの光子とを合波して一つの経路に出力する光合波器と、光周波数ｆｐ及びｆｓの光を入力すると、ｆｃ＝ｆｐ−ｆｓの関係を満たす光周波数ｆｃの光を２次の非線形光学効果により発生する２次の非線形光学媒質と、前記２次の非線形光学媒質の出力のうち光周波数ｆｐ及びｆｓの光を抑圧し、光周波数ｆｃの光を透過して出力する光フィルタとを備えていることを特徴とする請求項１に記載の量子通信システム。
【請求項３】
前記ポンプ光レーザの光周波数ｆｐと、前記非線形光学媒質から発生する光の光周波数ｆｃとの間に、ｆｃ＞ｆｐの関係があることを特徴とする請求項２に記載の量子通信システム。
【請求項４】
前記光周波数変換装置は、光周波数ｆｐ1のレーザ光を出力する第１のポンプ光レーザと、光周波数ｆｐ2のレーザ光を出力する第２のポンプ光レーザと、前記第１のポンプ光レーザ及び第２のポンプ光レーザからの出力光と、前記量子相関状態生成装置から入力される光周波数ｆｓの光子とを合波して一つの経路に出力する光合波器と、光周波数ｆｐ1、ｆｐ2及びｆｓの光を入力すると、ｆｃ＝ｆｐ1−ｆｐ2＋ｆｓの関係を満たす光周波数ｆｃの光を３次の非線形光学効果により発生する３次の非線形光学媒質と、前記３次の非線形光学媒質の出力のうち光周波数ｆｐ1、ｆｐ2及びｆｓの光を抑圧し、光周波数ｆｐ1−ｆｐ2＋ｆｓの光を透過して出力する光フィルタとを備えていることを特徴とする請求項１に記載の量子通信システム。
【請求項５】
光周波数ｆｐのレーザ光を出力するポンプ光レーザと、
前記ポンプ光レーザからの出力光と外部から入力される光周波数ｆｓの光子とを合波して一つの経路に出力する光合波器と、
光周波数ｆｐ及びｆｓの光を入力すると、ｆｃ＝ｆｐ−ｆｓの関係を満たす光周波数ｆｃの光を２次の非線形光学効果により発生する２次の非線形光学媒質と、
前記２次の非線形光学媒質の出力のうち光周波数ｆｐ及びｆｓの光を抑圧し、光周波数ｆｃの光を透過して出力する光フィルタとを備えることを特徴とする光周波数変換装置。
【請求項６】
前記ポンプ光レーザの光周波数ｆｐと、前記非線形光学媒質から発生する光の光周波数ｆｃとの間に、ｆｃ＞ｆｐの関係があることを特徴とする請求項５に記載の光周波数変換装置。
【請求項７】
光周波数ｆｐ1のレーザ光を出力する第１のポンプ光レーザと、
光周波数ｆｐ2のレーザ光を出力する第２のポンプ光レーザと、
前記第１のポンプ光レーザ及び第２のポンプ光レーザからの出力光と外部から入力される光周波数ｆｓの光子とを合波して一つの経路に出力する光合波器と、
光周波数ｆｐ1、ｆｐ2及びｆｓの光を入力すると、ｆｃ＝ｆｐ1−ｆｐ2＋ｆｓの関係を満たす光周波数ｆｃの光を３次の非線形光学効果により発生する３次の非線形光学媒質と、
前記３次の非線形光学媒質の出力のうち光周波数ｆｐ1、ｆｐ2及びｆｓの光を抑圧し、光周波数ｆｐ1−ｆｐ2＋ｆｓの光を透過して出力する光フィルタとを備えることを特徴とする光周波数変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子中継技術に基づく量子通信システムを実現するための、遠隔の２ノードに配置された物質の量子状態間に量子もつれ状態を生成する量子通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、暗号通信を行うための暗号鍵を遠隔の２者間で共有する「量子鍵配送（ｑｕａｎｔｕｍ  ｋｅｙ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ：ＱＫＤ）」の研究が盛んに行われている。一般的なＱＫＤでは、送信者は単一光子（または単一光子レベルの微弱コヒーレント光）にランダム変調を施し、光伝送路を介して受信者に送付することにより、送信者と受信者との間でランダムなビット情報を共有する。特に、光ファイバ上のＱＫＤシステムは近年飛躍的な進展を遂げ、現在では２００ｋｍ以上の光ファイバ上でのＱＫＤが報告されている。しかし、光子の単純な伝送によるＱＫＤは、光伝送路の損失による鍵生成率の低下を避けることができないため、１０００ｋｍを超える長距離のＱＫＤシステムを実現することは困難であった。
【０００３】
この距離限界を打破することを目的として、「量子中継（ｑｕａｎｔｕｍ  ｒｅｐｅａｔｅｒ）」の概念がＢｒｉｅｇｅｌらにより１９９８年に提案された（非特許文献１）。量子中継の概念図を図１に示す。まず、長さＬの伝送路を、ｎを自然数として２ｎのリンクに分割する。以下、この各リンクを基本リンク、ｎをネスティングレベルと呼ぶことにする。図１はｎ＝２の場合である。
【０００４】
各基本リンクの両端のノードには、量子状態を保存することのできる「量子メモリ」が配置されており、両メモリに保存されている２つの量子状態は量子もつれ状態となっている。
【０００５】
次に、隣接する基本リンクを２個づつペアとする。そして、ペアを組む両リンクに保持されている一組の量子もつれ状態に対して「量子もつれ交換」という操作を行う（非特許文献２）。具体的には、各ペア中の隣接ノード（図１ではノード１Ｂとノード２Ａ、ノード３Ｂとノード４Ａ）中の量子状態に対し、ベル状態測定（Ｂｅｌｌ  ｓｔａｔｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ：ＢＳＭ）と呼ばれる２粒子の射影測定を行い、その結果を両端のノード（ノード１Ａとノード２Ｂ、ノード３Ａとノード４Ｂ）に古典通信路を介して送付する。両端のノードにおいて、保存している量子状態に対し、ＢＳＭの結果に基づいて適切なユニタリ変換を施すことにより、これら両端のノード間に量子もつれ状態を生成することができる。これを、ネスティングレベル１での操作と呼ぶ。
【０００６】
同様の操作をネスティングレベルｎまで繰り返す。その結果、最終的に長さＬの伝送路の両端のノード（ノード１Ａとノード４Ｂ）の間に量子もつれ状態を生成することができる。生成された量子もつれ状態を用いて、例えば非特許文献３において提案された量子もつれを用いたＱＫＤプロトコルを適用することにより、暗号鍵を両端のノード間で共有することができる。
【０００７】
本方式を光子を用いたシステムに適用すると、光子の伝送距離を基本リンクの両端に量子もつれを生成するためのＬ／２n程度にとどめることができるため、長距離の光子伝送に伴う鍵生成率の低下を抑えることが可能となる。
【０００８】
量子中継を実現するためには、基本リンクにおける量子メモリ間の量子もつれ状態の生成を実現することが重要である。それを現実的な系で実現するために図２に示す方式が提案されている（非特許文献４）。ノード１０及びノード２０は、それぞれ２つの低エネルギー状態|ｇ＞、|ｓ＞と一つの励起状態|ｅ＞を有する原子集団を備える。あらかじめ、原子集団は基底状態|ｇ＞にする。この原子集団に、|ｇ＞と|ｅ＞のエネルギー差からやや外れた光周波数を持つポンプ光を照射する。
【０００９】
これにより、基底状態|ｇ＞にあった原子集団のうちの一つの原子の状態が、ラマン遷移により確率的に状態|ｓ＞に移り、同時にストークス光子を１個発生する。これにより、原子集団中のどれか一つの原子が|ｓ＞状態にあり、かつストークス光子が発生するという量子相関のある状態を確率的に生成することができる。この量子相関状態を、以下では光子−原子相関状態と呼ぶことにする。
【００１０】
各原子集団から、１ペアの光子−原子相関状態を生成する確率をｐ／２とする。このとき、それぞれの原子集団において生成される量子状態は次式で表される。
【００１１】
【数１】
2012004956.tif 000003
【００１２】
上式において、ｓ†xは量子メモリの内部状態を|ｓ＞にする生成演算子、ａ†xはストークス光子の生成演算子、|０＞は真空の量子状態であり、ｘはノード１０またはノード２０を表す添え字である。ここで、ポンプ光強度を十分小さくすることによりｐを小さくし、両方の原子集団から同時に光子−原子相関状態を発生する確率が十分小さいとき、全系の状態は近似的に次式で示す量子もつれ状態になっている。
【００１３】
【数２】
2012004956.tif 000004
【００１４】
発生したストークス光子は、光伝送路を伝搬した後に、中継ノードに送付される。ここでは、簡単のため両光子が光伝送路において経験する位相シフトは同じとする。このとき、式（１）の右辺カッコ内の２項の位相差は変化しないため、光子伝送後も式（１）の状態は保持されている。
【００１５】
中継ノード３０には、２入力２出力のビームスプリッタＢＳと、その出力に接続された２個の光子検出器Ｄ１、Ｄ２が配置されている。ノード１０、ノード２０から送付されたストークス光子は、ビームスプリッタＢＳのそれぞれ別のポートから入力される。ビームスプリッタＢＳの入力ポートを１、２、出力ポートをＡ、Ｂと呼ぶことにし、それぞれのモードにおける生成演算子をａ†ｘ（ｘ＝１、２、ａ、ｂ）とする。原子集団１及び２から出力されるストークス光子が、光周波数、時間位置、偏波状態など、経路以外の全てのパラメータについて識別不可能であるとき、ビームスプリッタＢＳの入力と出力のモードにおける生成演算子の間には次式（２）、（３）の関係が成り立つ。
【００１６】
【数３】
2012004956.tif 000005
【００１７】
【数４】
2012004956.tif 000006
【００１８】
これらを用いると、ビームスプリッタＢＳ通過後の式（１）は次式（４）のようになる。
【００１９】
【数５】
2012004956.tif 000007
【００２０】
中継ノード３０では、いずれかの光子検出器Ｄ１または光子検出器Ｄ２が１個の光子を検出したとき、検出時刻情報をノード１０及びノード２０に送付する。例えばビームスプリッタＢＳの出力ポートＡに接続された光子検出器Ｄ１において光子を検出した場合、式（４）により、ノード１０とノード２０の有する原子集団の量子状態の間に、次式（５）で示す量子もつれ状態が生成する。
【００２１】
【数６】
2012004956.tif 000008
【００２２】
ここで、|ｘ、ｙ＞は原子集団１、２の状態を示しており、原子集団１の原子のｘ個、原子集団の原子のｙ個が|ｓ＞状態にあることを表す。
【００２３】
以上のように、非特許文献４に記載された手法においては、互いに識別不可能な光子を発生する一組の光子−原子相関発生源を用い、その光子の単一光子干渉効果を利用して、量子中継に必要な基本リンクを生成している。同様の基本リンク生成は、原子集団だけでなく単一原子などの単一量子系を用いる手法も提案されている（非特許文献５）。さらに、独立の光子−原子相関発生源からの光子の二光子干渉効果を利用する方法も提案されている（非特許文献５、６）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】Ｈ．Ｊ．Ｂｒｉｅｇｅｌ，Ｗ．Ｄｕｒ，Ｊ．Ｉ．Ｃｉｒａｃ，ａｎｄ  Ｐ．Ｚｏｌｌｅｒ，“ｑｕａｎｔｕｍ  ｒｅｐｅａｔｅｒｓ：  ｔｈｅ  ｒｏｌｅ  ｏｆ  ｉｍｐｅｒｆｅｃｔ  ｌｏｃａｌ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，”Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８１，５９３２−５９３５（１９９８）．
【非特許文献２】Ｊ．Ｗ．Ｐａｎ，Ｄ．Ｂｏｕｗｍｅｅｓｔｅｒ，Ｈ．Ｗｅｉｎｆｕｒｔｅｒ  ａｎｄ  Ａ．Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ，“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ  ｓｗａｐｐｉｎｇ：ｅｎｔａｎｇｌｉｎｇ  ｐｈｏｔｏｎｓ  ｔｈａｔ  ｎｅｖｅｒ  ｉｎｔｅｒａｃｔｅｄ，”Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８０，３８９１−３８９４（１９９８）．
【非特許文献３】Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔ，Ｇ．Ｂｒａｓｓａｒｄ，ａｎｄ  Ｎ．Ｄ．Ｍｅｒｍｉｎ，“Ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ  ｗｉｔｈｏｕｔ  Ｂｅｌｌ’ｓ  ｔｈｅｏｒｅｍ，”Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６８，５５７（１９９２）．
【非特許文献４】Ｌ．−Ｍ．Ｄｕａｎ，Ｍ．Ｄ．Ｌｕｋｉｎ，Ｊ．Ｉ．Ｃｉｒａｃ，ａｎｄ  Ｐ．Ｚｏｌｌｅｒ，“Ｌｏｎｇ−ｄｉｓｔａｎｃｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ａｔｏｍｉｃ  ｅｎｓｅｍｂｌｅｓ  ａｎｄ  ｌｉｎｅａｒ  ｏｐｔｉｃｓ，”Ｎａｔｕｒｅ４１４，４１３−４１８（２００１）．
【非特許文献５】Ｃ．Ｓｉｍｏｎ  ａｎｄ  Ｗ．Ｔ．Ｍ．Ｉｒｖｉｎｅ，“Ｒｏｂｕｓｔ  ｌｏｎｇ−ｄｉｓｔａｎｃｅ  ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ  ａｎｄ  ｌｏｏｐｈｏｌｅ−ｆｒｅｅ  Ｂｅｌｌ  ｔｅｓｔ  ｗｉｔｈ  ｉｏｎｓ  ａｎｄ  ｐｈｏｔｏｎ，”Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９１，１１０４０５（２００３）．
【非特許文献６】Ｚ．Ｓ．Ｙｕａｎ，Ｙ．Ａ．Ｃｈｅｎ，Ｂ．Ｚｈａｏ，Ｓ．Ｃｈｅｎ，Ｊ．Ｓｃｈｍｉｅｄｍａｙｅｒ，  ａｎｄ  Ｊ．Ｗ．Ｐａｎ，“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ＢＤＣＺ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｒｅｐｅａｔｅｒ  ｎｏｄｅ，”Ｎａｔｕｒｅ４５４，１０９８−１１０１（２００８）．
【非特許文献７】Ｃ．Ｗ．Ｃｈｏｕ，Ｈ．ｄｅ  Ｒｉｅｄｍａｔｔｅｎ，Ｄ．Ｆｅｌｉｎｔｏ，Ｓ．Ｖ．Ｐｏｌｙａｋｏｖ，Ｓ．Ｊ．ｖａｎ  Ｅｎｋ，  ａｎｄ  Ｈ．Ｊ．Ｋｉｍｂｌｅ，“Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｎｄｕｃｅｄ  ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ  ｆｏｒ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｓｔｏｒｅｄ  ｉｎ  ｒｅｍｏｔｅ  ａｔｏｍｉｃ  ｅｎｓｅｍｂｌｅｓ，”Ｎａｔｕｒｅ４３８，８２８−８３２（２００５）．
【非特許文献８】Ｄ．Ｌ．Ｍｏｅｈｒｉｎｇ，Ｐ．Ｍａｕｎｚ，Ｓ．Ｏｌｍｓｃｈｅｎｋ，Ｋ．Ｃ．Ｙｏｕｎｇｅ，Ｄ．Ｎ．Ｍａｔｓｕｋｅｖｉｃｈ，Ｌ．−Ｍ．Ｄｕａｎ  ａｎｄ  Ｃ．Ｍｏｎｒｏｅ，“Ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｓｉｎｇｌｅ−ａｔｏｍ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｂｉｔｓ  ａｔ  ａ  ｄｉｓｔａｎｃｅ，”Ｎａｔｕｒｅ４４９，６８−７１（２００７）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
以上に述べた従来例では、いずれも独立した光子と物質との量子相関発生源を用い、それらから識別不可能な光子が出力される必要があった。このような発生源は、セシウム（Ｃｓ）原子集団（非特許文献７参照）、ルビジウム（Ｒｂ）原子集団（非特許文献６参照）、単一イッテルビウム（Ｙｂ）原子（非特許文献８参照）などを用いて実現されているが、いずれも出力される光子は可視域近辺の波長を有する光子であり、光ファイバ通信に適した１．５μｍまたは１．３μｍ波長帯において識別不可能な光子を出力する量子相関状態生成源は報告されていない。そのため、前記の例において、ノード１０、ノード２０と中継ノード３０間の伝送路として光ファイバを用いた場合、光子が光ファイバより大きな損失を被り、結果としてノード１０とノード２０の距離を大きくとることが難しいという課題があった。
【００２６】
また、上記のような光子と物質との量子相関状態生成源を半導体量子ドットなどの固体素子を用いて実現することも検討されている。しかし、出力される光子の波長は各量子ドットの大きさなどに大きく依存するため、独立した量子ドットから出力される光子の波長は素子により大きく異なり、結果として識別不可能な光子を出力することが困難であるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、量子通信システムであって、光子の発生時刻または偏波状態と、２つ以上のエネルギー準位を有する物質の量子状態との間に相関のある状態を生成して該光子を出力する第１の量子相関状態生成装置と、前記第１の量子相関状態生成装置から出力される光子を入力し、その光周波数が所定の周波数になるように変換して出力する第１の光周波数変換装置とを有する第１のノードと、光子の発生時刻または偏波状態と、２つ以上のエネルギー準位を有する物質の量子状態との間に相関のある状態を生成して該光子を出力する第２の量子相関状態生成装置と、前記第２の量子相関状態生成装置から出力される光子を入力し、その光周波数が前記所定の周波数になるように変換して出力する第２の光周波数変換装置とを有する第２のノードと、前記第１のノードおよび前記第２のノードの光周波数変換装置から出力された光子をそれぞれ伝送するための２つの光伝送路と、前記２つの光伝送路から光子が入力される２つの入力と２つの出力とを有するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタの２つの出力に接続された光子検出器とを有する中継ノードと、前記第１のノードおよび前記第２のノードと前記中継ノードとを接続する古典通信回線とを備え、前記中継ノードは、前記光子検出器において光子検出したときに、前記古典通信回線を介して検出時刻情報を前記第１のノード及び第２のノードに送信して、第１の量子相関状態生成装置と第２の量子相関状態生成装置との間に量子もつれ状態を生成することにより前記第１のノードおよび前記第２のノード間にリンクを形成することを特徴とする。
【００２８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の量子通信システムにおいて、前記光周波数変換装置は、光周波数ｆｐのレーザ光を出力するポンプ光レーザと、前記ポンプ光レーザからの出力光と前記量子相関状態生成装置から入力される光周波数ｆｓの光子とを合波して一つの経路に出力する光合波器と、光周波数ｆｐ及びｆｓの光を入力すると、ｆｃ＝ｆｐ−ｆｓの関係を満たす光周波数ｆｃの光を２次の非線形光学効果により発生する２次の非線形光学媒質と、前記２次の非線形光学媒質の出力のうち光周波数ｆｐ及びｆｓの光を抑圧し、光周波数ｆｃの光を透過して出力する光フィルタとを備えていることを特徴とする。
【００２９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の量子通信システムにおいて、前記ポンプ光レーザの光周波数ｆｐと、前記非線形光学媒質から発生する光の光周波数ｆｃとの間に、ｆｃ＞ｆｐの関係があることを特徴とする。
【００３０】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の量子通信システムにおいて、前記光周波数変換装置は、光周波数ｆｐ1のレーザ光を出力する第１のポンプ光レーザと、光周波数ｆｐ2のレーザ光を出力する第２のポンプ光レーザと、前記第１のポンプ光レーザ及び第２のポンプ光レーザからの出力光と、前記量子相関状態生成装置から入力される光周波数ｆｓの光子とを合波して一つの経路に出力する光合波器と、光周波数ｆｐ1、ｆｐ2及びｆｓの光を入力すると、ｆｃ＝ｆｐ1−ｆｐ2＋ｆｓの関係を満たす光周波数ｆｃの光を３次の非線形光学効果により発生する３次の非線形光学媒質と、前記３次の非線形光学媒質の出力のうち光周波数ｆｐ1、ｆｐ2及びｆｓの光を抑圧し、光周波数ｆｐ1−ｆｐ2＋ｆｓの光を透過して出力する光フィルタとを備えていることを特徴とする。
【００３１】
請求項５に記載の発明は、光周波数変換装置であって、光周波数ｆｐのレーザ光を出力するポンプ光レーザと、前記ポンプ光レーザからの出力光と外部から入力される光周波数ｆｓの光子とを合波して一つの経路に出力する光合波器と、光周波数ｆｐ及びｆｓの光を入力すると、ｆｃ＝ｆｐ−ｆｓの関係を満たす光周波数ｆｃの光を２次の非線形光学効果により発生する２次の非線形光学媒質と、前記２次の非線形光学媒質の出力のうち光周波数ｆｐ及びｆｓの光を抑圧し、光周波数ｆｃの光を透過して出力する光フィルタとを備えることを特徴とする。
【００３２】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の光周波数変換装置において、前記ポンプ光レーザの光周波数ｆｐと、前記非線形光学媒質から発生する光の光周波数ｆｃとの間に、ｆｃ＞ｆｐの関係があることを特徴とする。
【００３３】
請求項７に記載の発明は、光周波数変換装置であって、光周波数ｆｐ1のレーザ光を出力する第１のポンプ光レーザと、光周波数ｆｐ2のレーザ光を出力する第２のポンプ光レーザと、前記第１のポンプ光レーザ及び第２のポンプ光レーザからの出力光と外部から入力される光周波数ｆｓの光子とを合波して一つの経路に出力する光合波器と、光周波数ｆｐ1、ｆｐ2及びｆｓの光を入力すると、ｆｃ＝ｆｐ1−ｆｐ2＋ｆｓの関係を満たす光周波数ｆｃの光を３次の非線形光学効果により発生する３次の非線形光学媒質と、前記３次の非線形光学媒質の出力のうち光周波数ｆｐ1、ｆｐ2及びｆｓの光を抑圧し、光周波数ｆｐ1−ｆｐ2＋ｆｓの光を透過して出力する光フィルタとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３４】
本発明により、長距離の量子通信システムの構築が可能である。また、従来の手法に比べ、より簡易な技術を用いてこれらのシステムを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】量子中継の概念を説明するための図である。
【図２】従来の量子通信システムを示す図である。
【図３】本発明の量子通信システムの一例を示す図である。
【図４】第１の実施形態の光周波数変換装置の構成を示す図である。
【図５】第２の実施形態の光周波数変換装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００３７】
（第１の実施形態）
本発明の量子通信システムの一例を図３に示す。従来の例においては、光子と原子の内部状態の間に相関のある状態を光子−原子相関状態というが、ここではそれを一般化して、光子と物質の量子状態との間に相関のある状態を光子−物質相関状態ということにする。
【００３８】
図３に示すように、本量子通信システムは、２つのノード１、２と、この２つのノード１、２の間に設けられた中継ノード３と、２つのノード１、２と中継ノード３を光接続する光伝送路Ｌ１、Ｌ２と、２つのノード１、２と中継ノード３を古典通信可能に接続する古典通信回線１０、１１とを備えて構成される。
【００３９】
ノード１は、光周波数ｆ1の光子を出力する光子−物質相関状態生成装置（量子相関状態生成装置）Ａ１と、光周波数変換装置ＦＣ１とを備えている。同様に、ノード２は、光周波数ｆ2の光子を出力する光子−物質相関状態生成装置（量子相関状態生成装置）Ａ２と、光周波数変換装置ＦＣ２とを備えている。
【００４０】
光子−物質相関状態生成装置Ａ１、Ａ２は、それぞれ２つの低エネルギー状態|ｇ＞、|ｓ＞と一つの励起状態|ｅ＞を有する物質を備えている。あらかじめ、物質のエネルギー状態は基底状態|ｇ＞にする。この物質に、|ｇ＞と|ｅ＞のエネルギー差からやや外れた光周波数を持つポンプ光を照射する。
【００４１】
これにより、基底状態|ｇ＞にあった物質のうちの一つの原子の状態が、ラマン遷移により確率的に状態|ｓ＞に移り、同時にストークス光子Ｐ１（Ｐ２）を１個発生する。これにより、物質中のどれか一つの原子が|ｓ＞状態にあり、かつストークス光子Ｐ１（Ｐ２）が発生するという量子相関のある状態を確率的に生成することができる。この量子相関状態が、光子−物質相関状態である。ノード１とノード２で発生されるストークス光子Ｐ１、Ｐ２は互いに経路と光周波数ｆ1、ｆ2以外の全てのパラメータが識別不可能に調整される。ただし、Ｐ１、Ｐ２の周波数は違っていても、光周波数変換装置ＦＣ１、ＦＣ２により、「識別不可能に」することができる。
【００４２】
光周波数変換装置ＦＣ１、ＦＣ２は、光子−物質相関状態生成装置Ａ１、Ａ２で発生した光子Ｐ１、Ｐ２を入力し、その光周波数ｆ1、ｆ2を同一の光周波数ｆ3に変換して出力する。ここで、ｆ3は使用する光伝送路Ｌ１、Ｌ２に適した値に設定できる。例えば、光伝送路Ｌ１、Ｌ２として光ファイバ伝送路を用いる場合、波長にして１．５μｍ（光周波数約２００ＴＨｚ）近傍になるようにする。光周波数を変換された光子Ｐ１’、Ｐ２’は、光伝送路Ｌ１、Ｌ２を伝搬した後に、中継ノード３に送られる。ここでは、簡単のため両光子Ｐ１’、Ｐ２’が光伝送路Ｌ１、Ｌ２において経験する位相シフトは同じとする。このとき、式（１）の右辺カッコ内の２項の位相差は変化しないため、光子伝送後も式（１）の状態は保持されている。
【００４３】
中継ノード３には、２入力２出力のビームスプリッタＢＳと、その出力に接続された２個の光子検出器Ｄ１、Ｄ２が配置されている。ノード１、ノード２から送付された周波数変換された光子Ｐ１’、Ｐ２’は、ビームスプリッタＢＳのそれぞれ別のポートから入力される。ビームスプリッタＢＳの入力１、２、出力ａ、ｂそれぞれのモードにおける生成演算子をａ†x（ｘ＝１、２、ａ、ｂ）とする。光子−物質相関状態生成装置Ａ１、Ａ２から出力される光子Ｐ１’、Ｐ２’が、光周波数、時間位置、偏波状態など、経路以外の全てのパラメータについて識別不可能であり、光伝送路Ｌ１、Ｌ２の位相シフト量は同じなので、ビームスプリッタＢＳの入力と出力のモードにおける生成演算子の間には次式（２）、（３）の関係が成り立つ。
【００４４】
【数７】
2012004956.tif 000009
【００４５】
【数８】
2012004956.tif 000010
【００４６】
これらを用いると、ビームスプリッタＢＳ通過後の式（１）は次式（４）のようになる。
【００４７】
【数９】
2012004956.tif 000011
【００４８】
中継ノード３では、いずれかの光子検出器Ｄ１または光子検出器Ｄ２が１個の光子を検出したとき、検出時刻情報をノード１及びノード２に送付する。例えばビームスプリッタＢＳの出力ａからの経路Ａに接続された光子検出器Ｄ１において光子を検出した場合、検出した時刻の情報を古典通信回線１０、１１を経由してノード１およびノード２に送ると、式（４）により、ノード１、２に配置された物質の量子状態の間に、次式（５）で示す量子もつれ状態が生成する。
【００４９】
【数１０】
2012004956.tif 000012
【００５０】
ここで、|ｘ、ｙ＞は各ノードの光子−物質相関状態生成装置Ａ１、Ａ２の物質の状態を示しており、物質の原子のｘ個、物質の原子のｙ個が|ｓ＞状態にあることを表す。
【００５１】
以上のように、本実施形態の量子通信システムでは、一組の光子−物質相関状態生成装置Ａ１、Ａ２により光子を発生させ、光周波数変換装置ＦＣ１、ＦＣ２によりその光子を所望の周波数に変換させると共に、両光子の周波数を識別不可能となるようにし、周波数変換された光子の単一光子干渉効果を利用して、量子中継に必要な基本リンクを生成している。本発明の量子通信システムでは、この基本リンクを生成する際に、光周波数変換装置ＦＣ１、ＦＣ２として図４に示す非線形光学物質を有する光周波数変換装置を用いることにより、一組の光子−物質相関状態生成装置Ａ１、Ａ２で発生させた２光子をそれぞれ正確に光周波数ｆ3に変換することができるため、所望の周波数領域において識別不可能な光子を発生させて基本リンクを構成することができる。
【００５２】
ここで図４を用いて本発明の量子通信システムに適用可能な光周波数変換装置についてさらに詳細に説明する。図４において、光周波数変換装置は、ポンプ光レーザと、光合波器２１と、２次の非線形光学媒質２２と、フィルタ２３とを備えて構成される。
【００５３】
図４の光周波数変換装置において、ポンプ光レーザからの光周波数ｆｐのポンプ光と、光周波数ｆ1の光子が入力されると、これら光が光合波器２１により合波され、２次の非線形光学媒質２２に入力される。このとき、該非線形媒質中では以下に述べる光周波数変換が起こる。
【００５４】
ｆ3＝ｆ1−ｆｐとし、光周波数ｆｐ、ｆ1、ｆ3における非線形媒質中の波数をｋｐ、ｋ1、ｋ3とすると、波数の間には次式（６）に示す位相整合条件が満たされているとする。
ｋ1＝ｋｐ＋ｋ3（６）
ポンプ光は十分強いとし、ａ1、ａ1†をそれぞれ光周波数ｆ1の光子の消滅演算子と生成演算子とし、ａ3、ａ3†をそれぞれ光周波数ｆ3の光子の消滅演算子と生成演算子とすると、媒質中の波長変換過程の相互作用ハミルトニアンは次式（７）で表される。
【００５５】
【数１１】
2012004956.tif 000013
【００５６】
ここで、χはポンプ光の振幅に比例する係数である。式（７）を用いたハイゼンベルグの運動方程式により、次のモード結合方程式（８）、（９）が得られる。
【００５７】
【数１２】
2012004956.tif 000014
【００５８】
【数１３】
2012004956.tif 000015
【００５９】
この式より次式（１０）、（１１）で示す解を得る。
ａ1（ｔ）＝ａ1（０）ｃｏｓχｔ−ａ3（０）ｓｉｎχｔ（１０）
ａ3（ｔ）＝ａ3（０）ｃｏｓχｔ＋ａ1（０）ｓｉｎχｔ（１１）
ここで、ｔは媒質中の非線形相互作用の時間、ａ1（０）、ａ3（０）は媒質入り口における消滅演算子である。式（１０）、（１１）は、光周波数ｆ1の光子を入力すると、χｔ＝π／２となるポンプ光強度のときに、原理的には１００％の確率で光周波数変換が可能となることを示している。
【００６０】
上記の過程の後に２次の非線形光学媒質２２から出力された光は、上記ｆ3の光を透過し、ｆｐ、ｆｓを含むその他の光周波数成分を抑圧する光フィルタ２３を通過させる。これにより、光周波数ｆ1の光子の量子状態を光周波数ｆ3の光子のそれに変換することができる。
【００６１】
ところで、上の例において、ｆｐ＞ｆ3の場合、上記の波長変換過程に加え、パラメトリック下方変換過程も起こる可能性がある。本過程の相互作用ハミルトニアンは次式（１２）で表される。
【００６２】
【数１４】
2012004956.tif 000016
【００６３】
ここで、
【００６４】
【数１５】
2012004956.tif 000017
【００６５】
は光周波数ｆ’3の光子の生成演算子であり、ｆｐ、ｆ3と次式（１３）の関係がある。
ｆｐ＝ｆ3＋ｆ’3（１３）
式（１２）で示される過程は周波数ｆ3及びｆ’3において自然放出により光子を発生するため、式（７）の波長変換過程においては周波数ｆ3における雑音として観測される。
【００６６】
上記の雑音は、ｆｐ＜ｆ3となるようポンプ光周波数を設定することにより抑圧することが可能である。
【００６７】
また、ポンプ光が非線形媒質中で自然放出ラマン散乱過程を引き起こすことにより雑音光子が発生する可能性がある。自然放出ラマン散乱過程は、ポンプ光周波数より低い周波数側で効率よく起こる。よって、ｆｐ＜ｆ3とすることにより、光周波数ｆ3における自然放出ラマン散乱過程による雑音光子発生を抑圧することが可能である。
【００６８】
以上に述べた図４に示す光周波数変換装置を用いることにより、例えば光子−物質量子相関状態生成装置Ａ１、Ａ２から出力された光子Ｐ１、Ｐ２の光周波数を、光ファイバ伝送に適した光周波数に変換することができる。また、ポンプ光の光周波数を適切に制御することにより、２つの独立した光子−物質量子相関状態生成装置からの光子Ｐ１’、Ｐ２’の光周波数を同一の周波数に変換することができる。
【００６９】
（第２の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態の量子通信システムにおいて、２次の非線形光学媒質を有する光周波数変換装置に代えて、３次の非線形光学媒質を有する光周波数変換装置を用いる態様である。
【００７０】
本実施形態の量子通信システムに適用可能な光周波数変換装置の一例を図５に示す。図５において、本実施形態の光周波数変換装置は、ポンプ光レーザと、光合波器３１と、３次の非線形光学媒質３２と、フィルタ３３とを備えて構成される。
【００７１】
図５の光周波数変換装置において、光周波数ｆｐ1、ｆｐ2の２つのポンプ光と、光周波数ｆ1の光子Ｐf1とが光合波器３１により合波され、３次の非線形光学媒質３２に入力される。このとき、該非線形媒質中では以下に述べる光周波数変換が起こる。
【００７２】
ｆ3＝ｆ1＋ｆｐ1−ｆｐ2とし、光周波数ｆｐ1、ｆｐ2、ｆ1、ｆ3における非線形媒質中の波数をｋｐ1、ｋｐ2、ｋ1、ｋ3とすると、波数の間には次式（１４）に示す位相整合条件が満たされているとする。
ｋｐ1＋ｋ1＝ｋｐ2＋ｋ3      （１４）
このとき、ポンプ光が十分強いとすると、式（７）から式（１１）に示す変換過程が３次の非線形光学媒質でも生成可能である。
【００７３】
上記の過程の後に３次の非線形光学媒質３２から出力された光Ｐf3は、上記ｆ3の光を透過し、ｆｐ、ｆｓを含むその他の光周波数成分を抑圧する光フィルタ３３を通過させる。これにより、３次の非線形光学媒質を用いることによっても光周波数ｆ1の光子の量子状態を光周波数ｆ3の光子のそれに変換することが可能となる。
【００７４】
以上の実施形態では、一組の光子−物質相関状態生成装置Ａ１、Ａ２において、物質を用い互いに識別不可能な光子を発生させる態様を例に挙げて説明したが、非特許文献５に示すように単一原子などの単一量子系を用いてもよい。
【００７５】
また、以上の実施形態では、単一光子干渉効果を利用して、量子中継に必要な基本リンクを生成する態様を例に挙げて説明したが、非特許文献５、６に示すように、独立の光子−物質相関発生源からの光子の二光子干渉効果を利用する方法でもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１、２        ノード
Ａ１、Ａ２    光子−物質相関状態生成装置（量子相関状態生成装置）
ＦＣ１、ＦＣ２    光周波数変換装置
３            中継ノード
Ｌ１、Ｌ２    光伝送路
１０、１１    古典通信回線
２１、３１    光合波器
２２          ２次の非線形光学媒質
３２          ３次の非線形光学媒質
２３、３３    フィルタ
【図１】
2012004956.tif 000018
【図２】
2012004956.tif 000019
【図３】
2012004956.tif 000020
【図４】
2012004956.tif 000021
【図５】
2012004956.tif 000022