(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する２光子が４つのベル状態Φ（＋）、Φ（−）、Ψ（＋）及びΨ（−）のうちのいずれの状態にあるかを検出する量子回路において、
２光子を入射し、状態Φ（＋）及び状態Φ（−）のうちの第１の状態の２光子を吸収する第１の２光子吸収結晶と、
前記第１の２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する第１の検出器と、
前記第１の２光子吸収結晶を通過した２光子を入射し、入射した２光子の状態Φ（＋）及び状態Φ（−）のうちの第２の状態を前記第１の状態に変換する偏光要素と、
前記偏光要素を通過した２光子を入射し、前記第１の状態の２光子を吸収する第２の２光子吸収結晶と、
前記第２の２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する第２の検出器と、
前記第２の２光子吸収結晶を通過した２光子を入射し、状態Ψ（＋）、状態Ψ（−）の２種類の状態を判別する線形光学素子と光子検出器から成る検出回路と、
を備えることを特徴とする量子回路。
【請求項２】
入射する２光子が４つのベル状態Φ（＋）、Φ（−）、Ψ（＋）及びΨ（−）のうちのいずれの状態にあるかを検出する量子回路において、
２光子を入射し、状態Φ（＋）及び状態Φ（−）のうちの第１の状態の２光子を吸収する第１の２光子吸収結晶と、
前記第１の２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する第１の検出器と、
前記第１の２光子吸収結晶を通過した２光子を入射し、入射した２光子の状態Φ（＋）及び状態Φ（−）のうちの第２の状態の２光子を吸収する第２の２光子吸収結晶と、
前記第２の２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する第２の検出器と、
前記第２の２光子吸収結晶を通過した２光子を入射し、状態Ψ（＋）、状態Ψ（−）の２種類の状態を判別する線形光学素子と光子検出器から成る検出回路と、
を備えることを特徴とする量子回路。
【請求項３】
入射する２光子が４つのベル状態Φ（＋）、Φ（−）、Ψ（＋）及びΨ（−）のうちのいずれの状態にあるかを検出する量子回路において、
２光子を入射し、状態Ψ（＋）及び状態Ψ（−）のうちの第１の状態の２光子を吸収する第１の２光子吸収結晶と、
前記第１の２光子吸収結晶を通過した２光子を入射し、入射した２光子の状態Ψ（＋）及び状態Ψ（−）のうちの第２の状態を前記第１の状態に変換する偏光要素と、
前記偏光要素を通過した２光子を入射し、前記第１の状態の２光子を吸収する第２の２光子吸収結晶と、
前記第１の２光子吸収結晶の入射側に、自らが入射した２光子の状態Φ（±）を状態Ψ（±）に、状態Ψ（±）を状態Φ（±）に変換する第１の偏光素子を、
前記第２の２光子吸収結晶の出射側に、自らが入射した２光子の状態Φ（±）を状態Ψ（±）に、状態Ψ（±）を状態Φ（±）に変換する第２の偏光素子を、
更に備えることを特徴とする量子回路。
【請求項４】
前記２光子吸収結晶が入射光に共鳴する共振器の中に設けられたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の量子回路。
【請求項５】
入射する２光子が４つのベル状態Φ（＋）、Φ（−）、Ψ（＋）及びΨ（−）のうちいずれの状態にあるかを検出する量子回路において、
２光子を入射し、状態Φ（＋）の２光子を吸収する２光子吸収結晶と前記２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する検出器と、
状態Φ（−）の２光子を吸収する２光子吸収結晶と前記２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する検出器とからなる第１の検出部と、
前記第１の検出部を透過した２光子を入射し、入射した２光子の状態Ψ（±）を状態Φ（±）変換する偏光要素と、
前記偏光要素を通過した２光子を入射し、状態Φ（＋）の２光子を吸収する２光子吸収結晶と前記２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する検出器と、状態Φ（−）の２光子を吸収する２光子吸収結晶と前記２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する検出器とによって前記偏光素子で変換される前の状態Ψ（＋）及びΨ（−）を検出する第２の検出部と、
を備えることを特徴とする量子回路。
【請求項６】
請求項５に記載の量子回路において、前記第１の検出部は、
２光子を入射し、状態Φ（＋）及び状態Φ（−）の第１の状態の２光子を吸収する第１の２光子吸収結晶と前記第１の２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する第１の検出器と、
前記第１の２光子吸収結晶を通過した２光子を入射し、入射した２光子の状態Φ（＋）及び状態Φ（−）のうちの第２の状態を前記第１の状態に変換する偏光要素と、
前記偏光要素を通過した２光子を入射し、前記第１の状態の２光子を吸収する第２の２光子吸収結晶と、
前記第２の２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する第２の検出器と、
を備えることを特徴とする量子回路。
【請求項７】
請求項５に記載の量子回路において、前記第１の検出部は、
２光子を入射し、状態Φ（＋）及び状態Φ（−）の第１の状態の２光子を吸収する第１の２光子吸収結晶と前記第１の２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する第１の検出器と、
前記第１の２光子吸収結晶を通過した２光子を入射し、入射した２光子の状態Φ（＋）及び状態Φ（−）のうちの第２の状態の２光子を吸収する２光子吸収結晶と、
前記第２の２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する第２の検出器と、
を備えることを特徴とする量子回路。
【請求項８】
請求項５に記載の量子回路において、前記第２の検出部は、
２光子を入射し、状態Φ（＋）及び状態Φ（−）の第１の状態の２光子を吸収する第１の２光子吸収結晶と前記第１の２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する第１の検出器と、
前記第１の２光子吸収結晶を通過した２光子を入射し、入射した２光子の状態Φ（＋）及び状態Φ（−）のうちの第２の状態を前記第１の状態に変換する偏光要素と、
前記偏光要素を通過した２光子を入射し、前記第１の状態の２光子を吸収する第２の２光子吸収結晶と、
前記第２の２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する第２の検出器と、
を備えることを特徴とする量子回路。
【請求項９】
請求項５に記載の量子回路において、前記第２の検出部は、
２光子を入射し、状態Φ（＋）及び状態Φ（−）の第１の状態の２光子を吸収する第１の２光子吸収結晶と前記第１の２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する第１の検出器と、
前記第１の２光子吸収結晶を通過した２光子を入射し、入射した２光子の状態Φ（＋）及び状態Φ（−）のうちの第２の状態の２光子を吸収する２光子吸収結晶と、
前記第２の２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する第２の検出器と、
を備えることを特徴とする量子回路。
【請求項１０】
入射する２光子がΦ（＋）、Φ（−）、Ψ（＋）及びΨ（−）のうちいずれの状態にあるかを検出する量子回路において、
２光子を入射し、状態Ψ（＋）の２光子を吸収する２光子吸収結晶と前記２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する検出器と、
状態Ψ（−）の２光子を吸収する２光子吸収結晶と前記２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する検出器とからなる第１の検出部と、
前記第１の検出部を透過した２光子を入射し、入射した２光子の状態Φ（±）を状態Ψ（±）変換する偏光要素と、
前記偏光要素を通過した２光子を入射し、状態Ψ（＋）の２光子を吸収する２光子吸収結晶と前記２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する検出器と、状態Ψ（−）の２光子を吸収する２光子吸収結晶と前記２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する検出器とによって前記偏光素子で変換される前の状態Φ（＋）及びΦ（−）を検出する第２の検出部と、
を備えることを特徴とする量子回路。
【請求項１１】
請求項１０に記載の量子回路において、前記第１の検出部は、
２光子を入射し、状態Ψ（＋）及び状態Ψ（−）の第１の状態の２光子を吸収する第１の２光子吸収結晶と前記第１の２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する第１の検出器と、
前記第１の２光子吸収結晶を通過した２光子を入射し、入射した２光子の状態Ψ（＋）及び状態Ψ（−）のうちの第２の状態を前記第１の状態に変換する偏光要素と、
前記偏光要素を通過した２光子を入射し、前記第１の状態の２光子を吸収する第２の２光子吸収結晶と、
前記第２の２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する第２の検出器と、
を備えることを特徴とする量子回路。
【請求項１２】
請求項１０に記載の量子回路において、前記第２の検出部は、
２光子を入射し、状態Ψ（＋）及び状態Ψ（−）の第１の状態の２光子を吸収する第１の２光子吸収結晶と前記第１の２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する第１の検出器と、
前記第１の２光子吸収結晶を通過した２光子を入射し、入射した２光子の状態Ψ（＋）及び状態Ψ（−）のうちの第２の状態を前記第１の状態に変換する偏光要素と、
前記偏光要素を通過した２光子を入射し、前記第１の状態の２光子を吸収する第２の２光子吸収結晶と、
前記第２の２光子吸収結晶での２光子の吸収を検出する第２の検出器と、
を備えることを特徴とする量子回路。
【請求項１３】
前記２光子吸収結晶が入射光に共鳴する共振器の中に設けられたことを特徴とする請求項５乃至１２のいずれか１項に記載の量子回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光を用いた量子通信・量子計算機に関し、特に量子状態測定を行う量子回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットの爆発的普及、電子商取引の実用化を迎え、通信の秘密保持・改竄防止や個人の認証など暗号技術の社会的な必要性が高まっている。現在、ＤＥＳ暗号のような共通鍵方式やＲＡＳ暗号をはじめとする公開鍵方式が広く用いられている。しかし、これらは「計算量的安全性」にその基盤を置いている。つまり、現行の暗号方式は計算機ハードウェアと暗号解読アルゴリズムの進歩に常に脅かされている。これに対して、量子暗号のような「物理暗号」は物理法則が暗号の安全性を保証するため、計算機の能力の限界に依存しない究極の安全性保証が可能になる。このような暗号方式が実用になればその社会的インパクトは極めて大きく、将来の情報産業における技術的基盤の一つとなることが期待できる。
【０００３】
量子暗号をはじめとする量子情報は伝送に用いる量子（光子）の損失や擾乱により距離が数十ｋｍに制限される。また、通信の相手も伝送線である光ファイバの両端に限られ、量子通信を多くの相手と行う場合には光ファイバを数多く引く必要がある。このような問題点を解消し、量子情報通信を広い範囲にわたって行う量子ネットワーキングを実現するためには中継や交換といった技術が必要になる。もちろん量子情報を中継局で古典情報に直せば中継や交換を行うことができるが、量子情報通信の特質がここで途切れてしまう。例えば、量子暗号鍵配布を行う場合、中継局に侵入されれば全ての情報は盗聴可能になってしまい、量子情報の利点である盗聴に対する安全性が損なわれる。
【０００４】
そこで、量子情報をそのまま中継・交換する量子中継・量子交換が必要になる。量子中継・量子交換は分散型の量子コンピュータにとっても重要である。量子中継は量子テレポーテーションを用いると以下のように実現できる。量子情報は量子相関を担うもつれ合った光子対と古典情報に分けて運ばれる。エンタングルメントスワッピングを利用するともつれ合った光子対を次々に乗り換えていくことができる。これによって遠くはなれた場所でも、もつれ合った光子対を共有できる。量子テレポーテーションやエンタングルメントスワッピングにはもつれ合った光子対の生成とベル状態測定が必須である。ベル状態測定とは２つの光子がベル状態と呼ばれる４つのもつれ合った状態のいずれに属するかを決定するものである。量子テレポーテーションやエンタングメルントスワッピングの原理は実験でも確かめられている。しかし、現在ある技術では４つ全てのベル状態を判別することはできない。そのため、任意の量子状態の伝送は実現できていない。
【０００５】
古沢（Ｆｕｒｕｓａｗａ，Ａ．）らはサイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）誌２８２巻７０６ページ（１９９８年）においてベル状態測定を必要としない量子テレポーテーションを報告した。この方法では任意の量子状態の伝送が可能だが１００％スクイージングした光を必要とする。現在得られている光源のスクイージングが十分でないため伝送された量子状態の忠実度は５８％と低い値しか得られていない。一方、ベル状態測定が実現できればほぼ１００％の忠実度が期待できる。
【０００６】
この目的のために、通常、半透鏡と偏光ビームスプリッタといった線形光学素子と光子検出器からなる検出回路を用いた手法が採用されている。しかしながら、この手法では４つのベル状態のうち、２つの状態しか判別できない。２光子のベル状態をｘ軸方向に偏光した光子｜ｘ＞とｙ軸方向に偏光した光子｜ｙ＞で表すと
Φ（±）＝（｜ｘ＞｜ｘ＞±｜ｙ＞｜ｙ＞）／√２
Ψ（±）＝（｜ｘ＞｜ｙ＞±｜ｙ＞｜ｘ＞）／√２
のようにかける。ベル状態はある偏光の組に属する２光子状態と２光子の偏光を入れ替えた状態の重ね合わせ状態になっている。Φ（±）は２光子が同じ方向の偏光を持ち、偏光方向の交換に対して対称（＋）または反対称（−）な状態、Ψ（±）は２光子が異なる方向の偏光を持ち、偏光方向の交換に対して対称（＋）または反対称（−）な状態である。図５に示した半透鏡５１と偏光ビームスプリッタ５２，５３からなる線形光学素子によるベル状態測定回路に４つのベル状態のどれかを入射する。光子検出器５４〜５７の応答から可能なベル状態を求めると表１のようになる。光制御ＮＯＴゲートとよばれる量子ゲートを用いれば４つ全てのベル状態を判別できることが知られているがこのような量子ゲートで実現可能なものはまだ知られていない。
【０００７】
【表１】
0003981969.tif 000002
最近、スカリー（Ｓｃｕｌｌｙ，  Ｍ．Ｏ．）らはフィジカルレビューレターズ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）誌８３巻４４３３頁（１９９９年）において２光子吸収を利用したベル状態測定の方法を提案している。この方法では円偏光でベル状態を表し、２光子吸収を行う３つの原子セルを通し、原子セルからの２光子吸収に伴う蛍光を観測する。セル内の原子をあらかじめ強い電磁場によって波動関数が特別の重ね合わせ状態になるように準備しておくと特定のベル状態だけを吸収するようにできるからどのセルで吸収されたかを観測することでどのベル状態の光が入射したか判断できる。３つのセルがいずれも２光子吸収しなかったときは残りの一つのベル状態が入射したと結論する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、スカリーらの方法はあらかじめ強い電磁場によって波動関数が特別の重ね合わせ状態になるように準備された原子を２光子吸収に用いている。原子を重ね合わせ状態に準備したまま保つことは容易ではない。しかも、彼らの方法ではそのように準備された原子の入ったセルを３個必要とする。また、原子は気体としてセル内にあるので密度が小さく２光子吸収の確率が小さく、２光子吸収を十分高い確率で得るためには極めて長いセルを必要とし実際的でない。さらに、２光子吸収で励起された電子からの蛍光を観測する確率もそれほど大きくはないので、蛍光が観測できなかったとき、ベル状態の判別を誤る可能性が高い。ベル状態の判別を誤ると忠実度の高い量子状態の伝送はできない。
【０００９】
本発明の主な目的は忠実度の高い量子状態の伝送を実現するため、十分高い確率で２光子吸収し、他の電磁場による原子状態の準備が不要な材料を用いてベル状態測定ができる実用的な量子回路を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による量子回路は、結晶の対称性により特定の偏光方向をもつ２光子の組を吸収する２光子吸収結晶と２光子吸収結晶における２光子吸収を検出する手段と偏光の状態を変換する偏光要素を備えることを特徴としている。この２光子吸収結晶は量子干渉により特定のベル状態の光だけを２光子吸収をする。２光子吸収で励起された電子は別に設けた検出手段により検出される。偏光要素を用いるとベル状態を別のベル状態に１対１で変換できる。２光子吸収結晶を透過した光の状態を偏光要素によって別のベル状態に変換して新たな２光子吸収結晶に入射して検出することを順次繰り返すことによって、ベル状態を全て判別できる。
【００１１】
また、前述の量子回路ではベル状態の判別に４つの２光子吸収結晶を必要とするが、表１を参照すると線形光学素子を用いても、Ψ（＋）状態とΨ（−）状態は判別でき、また、Φ（＋）状態又はΦ（−）状態のいずれかの状態にあることも判別できることから、線形光学素子では判別できないΦ（＋）状態及び／又はΦ（−）状態を２光子吸収結晶で吸収検出し、残りのΨ（＋）とΨ（−）を線形光学素子で判別することもできる。
このような回路は以下のような構成になる。
入射光の光路に第１の偏光要素を挿入して、Φ（＋）あるいはΦ（−）状態のいずれかを前記の特定のベル状態に変換してから第１の２光子吸収結晶に入射する。
２光子吸収で励起された電子は別に設けた検出手段により検出される。
これによってΦ（＋）またはΦ（−）状態が検出される。
さらに前記の２光子吸収結晶で吸収されなかった光に第２の偏光要素を作用させ、第２の２光子吸収結晶に入射する。
この第２の偏光要素は、第１の変換後に第１の２光子吸収結晶で吸収されなかったΦ（＋）状態又はΦ（−）状態であって第１の偏光要素で第１の変換をされた状態を第２の２光子吸収結晶が２光子吸収する特定のベル状態に更に変換する。
これにより、残りのΦ（＋）またはΦ（−）状態が検出される。
２つの結晶で吸収されなかった光はもともとΨ（±）状態にあったはずなので、さらに第３の偏光要素を用いて元のΨ（±）状態に変換する。
このベル状態を線形光学素子による回路で検出する。以上の操作によって全てのベル状態を判別する。
なお、第１と第２の２光子吸収結晶が検出する特定のベル状態は同じ状態でも、異なる状態であってもよい。
また、偏光要素による変換では、あるベル状態は別のベル状態に変換され、異なるベル状態が同じベル状態に変換されることはないので別のベル状態を誤って検出することはない。
また、２光子吸収結晶が検出する特定のベル状態がΦ（＋）またはΦ（−）状態であるときは第１の偏光要素と第３の偏光要素は不要である。
第１と第２の２光子吸収結晶がそれぞれΦ（＋）状態とΦ（−）状態を検出するときは第２の偏光要素も不要になる。
特に第１の２光子吸収結晶において、Φ（＋）またはΦ（−）の第１の状態が完全に吸収されるとみなせる場合には、吸収されなかった２光子の状態はΦ（＋）またはΦ（−）の第２の状態、Ψ（＋）状態、Ψ（−）状態のいずれかにあるから、第２の２光子吸収結晶を用いずに、直接線形光学素子による回路に第１の２光子吸収結晶で吸収されなかった光を入射しても線形光学素子による回路で残りの３つの状態を判別することができる。
【００１２】
さらに、本発明によれば、４つのベル状態がそれぞれ別の検出手段によって検出されるため、検出に失敗した場合でも誤ったベル状態を検出する可能性は検出器の雑音に起因するものだけなので小さい。このため、誤りの少ないベル状態の検出が実現できる。
【００１３】
このように、本発明は結晶の対称性に起因する２光子吸収の偏光選択則と量子干渉による特定のベル状態の検出と、偏光要素によるベル状態の変換によって全てのベル状態の検出を行っており、あらかじめ原子の波動関数を特別の重ね合わせ状態になるように準備する必要はない。また、固体を用いているため強い２光子吸収が期待できる。従って、十分高い確率で２光子吸収し、他の電磁場による原子状態の準備が不要な材料を用いてベル状態測定ができる実用的な量子回路という効果が得られる。
【００１４】
通常、固体を用いた量子回路では位相緩和が極めて速いことが問題になるが、本発明では２光子吸収で励起された電子が可干渉性を保つ必要がないため、位相緩和の影響を受けない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の上記および他の目的、特徴および利点を明確にすべく、添付した図面を参照しながら、本発明の実施の形態を以下に詳述する。
【００１６】
図１を参照すると、本発明の一実施形態としての量子回路の構成図が示されている。ここで用いる２光子吸収結晶はＣｕＣｌのような立方晶で、入射する光は励起子分子への２光子吸収に共鳴しているものとする。また、光は結晶面にほぼ垂直に入射するものとする。第１の２光子吸収結晶１１にベル状態を入射する。第１の２光子吸収結晶１１を透過した光はｘおよびｙ方向を主軸として二つの主軸方向の振動に９０度の位相差を与える減速子１３、１４を通る。さらに、同種の結晶からなる第２の２光子吸収結晶１２に入射する。第２の２光子吸収結晶１２を透過した光を線形光学素子によるベル状態測定回路１５で光子の状態を検出する。２光子吸収で励起された励起子分子はそれぞれイオン化され、光伝導信号として光伝導検出器１６、１７で検出される。
【００１７】
ＣｕＣｌのような立方晶の励起子分子は全対称状態（Γ１）にあるから、二つの直線偏光が入射したとき、偏光の向きが同じ時２光子吸収が起きる。つまり、光は｜ｘ｜ｘか｜ｙ｜ｙの状態でなければならない。ベル状態のうち偏光の向きが異なるΨ（±）状態は２光子吸収されない。Φ（＋）状態が入射すると｜ｘ｜ｘと｜ｙ｜ｙからの吸収は強めあうが、Φ（−）状態が入射すると｜ｘ｜ｘと｜ｙ｜ｙからの吸収は打ち消しあう。つまり本実施形態で用いる結晶の励起子分子への２光子吸収ではΦ（＋）状態だけが検出される。第１の２光子吸収結晶１１を透過した光は減速子１３、１４によって、Φ（−）状態はΦ（＋）状態に変換され、Ψ（±）状態は変換されない。この状態を同種の結晶からなる第２の２光子吸収結晶１２に入射するとΦ（＋）状態に変換されたΦ（−）状態が２光子吸収を受ける。第２の２光子吸収結晶１２でも吸収されなかった光はΨ（±）状態にあるので線形光学素子によるベル状態測定回路１５で判別される。以上４つのベル状態の全てが検出される。
【００１８】
立方対称の結晶で２光子吸収の終状態として可能な状態は全対称状態（Γ１）の他にΓ３対称性を持つものとΓ５対称性を持つものがある。これらの状態はＣｕＢｒのように最高の価電子帯の対称性がΓ８である結晶の励起子分子の励起状態である。また、励起子はΓ５の対称性を持つ。２光子吸収の偏光選択則は表２に示したクレプシュ・ゴルダン係数から求められる。
【００１９】
【表２】
0003981969.tif 000003
表２で０でない係数に対応した偏光の組み合わせのみが２光子吸収される。係数の符号が等しければベル状態のうち偏光方向の交換に対して対称な状態が、係数の符号が逆のときは偏光方向の交換に対して反対称な状態が２光子吸収される。
【００２０】
Γ３対称性を持つ状態を２光子吸収の終状態とする結晶を用いると、偏光要素が不要になる。このときの量子回路の構成図を図２に示す。このときの結晶は量子井戸とするか、１軸性の応力を印加するなどの手段でΓ３対称性を持つ状態を二つに分裂させる。さらに電界を印加するなどして、二つの状態のどちらか一方だけを入射光に２光子共鳴するように設定する。表２から、Γ３対称性を持つ状態の一つはΦ（＋）状態を２光子吸収し、もう一つはΦ（−）状態を２光子吸収する。これら二つの状態は等しいエネルギーを持つが、量子井戸のような正方対称な摂動場によってエネルギー的に分離することができる。二つの状態のどちらか一方だけを入射光に２光子共鳴するように設定した結晶を二つ用いることによってΦ（＋）状態とΦ（−）状態だけをそれぞれ２光子吸収することができる。
【００２１】
Γ５対称性を持つ状態を２光子吸収の終状態とする結晶を用いるときの量子回路の構成図を図３に示す。第１の２光子吸収結晶１１に入射する前の一方の光路に偏光を９０度回転する偏光素子である旋回子３１を挿入する。第１の２光子吸収結晶１１を透過した光の一つはｘおよびｙ方向を主軸として二つの主軸方向の振動に９０度の位相差を与える減速子１３を通り、もう一つはｘおよびｙ方向を主軸として二つの主軸方向の振動に−９０度の位相差を与える減速子１４を通る。第１の２光子吸収結晶と同種の第２の２光子吸収結晶１２を透過した光の光路の一つに偏光を−９０度回転する旋回子３２を挿入する。このあと、線形光学素子からなる線形光学素子であるベル状態測定回路回路１５で光子の状態を検出する。
【００２２】
Γ５対称性を持つ状態を２光子吸収の終状態とするとき、Ψ（＋）状態だけが２光子吸収を受ける。旋回子はベル状態のうち、Φ（＋）状態をΨ（＋）状態に変換する。このとき、Φ（−）状態はΨ（−）状態に、Ψ（±）状態はΦ（±）状態にそれぞれ変換される。この状態の光を第１の２光子吸収結晶１１に入射するとΨ（＋）状態に変換されたΦ（＋）状態だけが２光子吸収される。減速子によって、Ψ（−）状態はΨ（＋）状態に変換されるが、Φ（±）状態は変換されない。第２の２光子吸収結晶１２ではもとのΦ（−）状態だけが２光子吸収される。さらに、旋回子で透過したΦ（±）状態に変換されていた光の状態が減速子３２で元のΨ（±）状態に戻る。この状態を線形光学素子によるベル状態測定回路１５で判別する。
【００２３】
図３において、図２の場合と同様に、第１の２光子吸収結晶１１がΦ（＋）の２光子を吸収し、第２の２光子吸収結晶１２がΦ（−）の２光子を吸収するようにして、減速子１３、１４を省略しても良い。
【００２４】
以上の回路ではΨ（±）状態を線形光学素子によるベル状態測定回路１５で判別したが、減速子と旋回子を用いてベル状態を変換し、４つの状態全てを２光子吸収結晶で検出してもよい。例として、Γ１対称性を持つ状態を２光子吸収の終状態とする結晶を用いた時の量子回路の構成図を図４に示す。第２の２光子吸収結晶１２を透過した光の一方の光路に偏光を９０度回転する旋回子３１を挿入する。この状態を第３の２光子吸収結晶４１に入射するとΦ（＋）状態に変換されたΨ（＋）状態だけが２光子吸収される。第３の２光子吸収結晶を透過した光はｘおよびｙ方向を主軸として二つの主軸方向の振動に９０度の位相差を与える減速子４３、４４を通る。さらに、第４の２光子吸収結晶４２に入射する。減速子によってΦ（−）状態に変換されていたΨ（−）状態はさらにΦ（＋）状態に変換されるので第４の２光子吸収結晶４２で２光子吸収される。以上、四つの２光子吸収結晶１１、１２、４１、４２により、おのおの異なるベル状態が検出される。終状態が異なる対称性を持つ場合でも同様にしてベル状態の検出が可能である。
【００２５】
図４において、枠１０４、１０５で示す部分は、図１の枠１０１で示す部分と同一であるが、これを図２の枠１０２で示す部分や図３の枠１０３で示す部分に置き換えても良い。また、図３の枠１０３で示す部分に置き換える場合に置いても、図３の量子回路を上述のように変更できるのと同様に、第１の２光子吸収結晶１１がΦ（＋）の２光子を吸収し、第２の２光子吸収結晶１２がΦ（−）の２光子を吸収するようにして、減速子１３、１４を省略しても良い。  以上の説明では結晶を立方晶としたが、ｃ軸に入射光の方向がほぼ平行な場合には六方晶や正方晶でも同様の選択則が成り立つので本発明の量子回路に利用できる。例えば、ＺｎＯ，  ＺｎＳｅ，  ＣｄＳなどのＩＩ−ＶＩ族化合物が考えられる。量子井戸や量子箱のように電子の閉じ込め構造がある場合でも対称性を保っていれば用いることができる。ポリフィリンなどの有機化合物も用いることができる。
【００２６】
光を狭い領域に閉じ込めて電界強度を高める構造の中に２光子吸収結晶を挿入することで２光子吸収確率を格段に高めることができる。このような構造の例として図６に示すような２種類の半導体または誘電体を交互に積層した多層膜反射鏡６１、６２に１波長の厚さの２光子吸収結晶を含む層６３が挟まれているいわゆるファブリ・ペロ共振器構造がある。光は反射鏡にほぼ垂直に入射する。２本の透過した光線を分離するため入射角は０度より大きくなければならない。このような共振器で光は１０μｍ3程度に閉じ込められる。また、光子の寿命は１０ｐｓ程度になる。ベル状態にある２個の光子が共振器内で作る電界の強度は１０4Ｖ／ｍ程度になる。ただし、２光子吸収結晶を含む層の屈折率は３程度とした。２光子吸収結晶としてＣｕＣｌを用いると励起子分子の巨大２光子吸収のため、２光子吸収係数は０．１ｃｍ／Ｗと大きな値を持つ。共振器内で２光子吸収される速度は０．１ｐｓ-1となり、光子寿命の間に２光子吸収が１回起きることになり、ベル状態の検出ができる。
【００２７】
共振器の構造としてはファブリ・ペロ共振器に限らず異なった誘電率を持つ２つ以上の物質を光の波長程度の周期で交互に配列して構成されるフォトニック結晶の１部で周期性を乱すことによって作られた欠陥部分を用いることもできる。このフォトニック結晶による共振器はファブリ・ペロ共振器より小さな体積に光を閉じ込めることができ、光子寿命も長くできるのでベル状態を検出する確率をさらに増大できる。
【００２８】
また、共振器を用いず、導波路によって光の電界強度を高めることもできる。もちろん、２光子吸収結晶の２光子吸収係数が十分大きければ光を閉じ込めるための構造は必要ではない。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、結晶の対称性により特定の偏光方向をもつ２光子の組を吸収する２光子吸収結晶と、２光子吸収結晶における２光子吸収を検出する手段と、偏光の状態を変換する偏光要素という基本構成に基づき、他の電磁場による原子状態の準備が不要な材料を用いてベル状態測定を実現した実用的な量子回路が提供される。本発明では気体ではなく結晶を用いているため２光子吸収強度が大きく、十分高い確率ベル状態の検出が実現される。また、四つのベル状態を個別に検出しているので検出の失敗による誤りは小さく抑えられる。
【００３０】
なお、本発明は上記各実施例に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施例は適宜変更され得ることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す量子回路の構成図。
【図２】本発明の別の実施例を示す量子回路の構成図。
【図３】本発明のもう一つの実施例を示す量子回路の構成図。
【図４】本発明の別の実施の形態を示す量子回路の構成図。
【図５】線形光学素子によるベル状態測定回路の構成図。
【図６】２光子吸収結晶を挿入する共振器の一例の構造図。
【符号の説明】
１１  第１の２光子吸収結晶
１２  第２の２光子吸収結晶
１３  減速子
１４  減速子
１５  線形光学素子によるベル状態測定回路
１６  光伝導検出器
１７  光伝導検出器
２１  電源
２２  電源
３１  旋回子
３２  旋回子
４１  第３の２光子吸収結晶
４２  第４の２光子吸収結晶
４３  減速子
４４  減速子
４５  光伝導検出器
４６  光伝導検出器
５１  半透鏡
５２  偏光ビームスプリッタ
５３  偏光ビームスプリッタ
５４  光子検出器
５５  光子検出器
５６  光子検出器
５７  光子検出器
６１  多層膜反射鏡
６２  多層膜反射鏡
６３  ２光子吸収結晶を含む層
【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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