(57)【要約】【課題】量子暗号鍵配付のスループットを向上させることが可能な量子もつれ合い光子対生成装置を提供する。【解決手段】単一光子源１１は、単一光子の光子パルスが周期的に並んだパルス列１４を出力する。光学干渉系１２は、単一光子源１１から出力されたパルス列１４を２つに分岐し、当該分岐したパルス列の間に、パルス列１４内の光子パルスが並ぶ周期と等しい遅延時間差を生じさせ、当該遅延時間差が生じたパルス列を合成した合成光を出力する。【選択図】図１
2016025550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一光子の光子パルスが周期的に並んだパルス列を出力する単一光子源と、
前記単一光子源から出力されたパルス列を２つに分岐し、当該分岐したパルス列の間に、前記パルス列内の前記光子パルスが並ぶ周期と等しい遅延時間差を生じさせ、当該遅延時間差が生じたパルス列を合成した合成光を出力する光学干渉系と、を有する量子もつれあい光子対生成装置。
【請求項２】
前記合成光に、偏光状態またはタイムビン状態に関する量子もつれを有する光子対が含まれるように、前記光子パルスの状態を調整する調整部をさらに有する請求項１に記載の量子もつれあい光子対生成装置。
【請求項３】
前記単一光子源は、前記光子パルスとして、円偏光の光子パルスを出力し、
前記調整部は、前記分岐したパルス列の一方の各光パルスに位相差πを与える偏光子を含む、請求項２に記載の量子もつれ合い光子対生成装置。
【請求項４】
前記単一光子源は、前記光子パルスとして、円偏光の光子パルスを出力し、
前記調整部は、前記光学干渉系における前記合成光を出力する合成部と兼用される偏光ビームスプリッターおよび偏光子を含み、
前記偏光ビームスプリッターは、前記分岐したパルス列の一方の各光パルスの互いに直交する２つの直線偏光成分のそれぞれを、他方の光パルスの別の直線偏光成分を合成して出力し、
前記偏光子は、前記偏光ビームスプリッターから出力された光のそれぞれに位相差π／２を与えた光を前記合成光として出力する、請求項２に記載の量子もつれ合い光子対生成装置。
【請求項５】
前記単一光子源は、前記光子パルスとして、直線偏光状態の光子パルスを出力し、
前記調整部は、
前記パルス列内の各光子パルスを、単一光子の光パルスが２つ連続した２連パルスに変換する非対称マッハツェンダー干渉系と、
前記光学干渉系における前記パルス列を分岐する分岐部と兼用され、前記光子パルスが２連パルスに変換されたパルス列を、前記直線偏光状態の光子パルスの偏光方向とは異なり、かつ、互いに直交する２つの偏光方向のそれぞれを有するパルス列に分岐する偏光ビームスプリッターと、
前記分岐したパルス列の一方の各光パルスに位相差πを与える偏光子と、を含む請求項２に記載の量子もつれあい光子対生成装置。
【請求項６】
前記単一光子源は、前記光子パルスとして、直線偏光の光子パルスを出力し、
前記調整部は、前記光学干渉系における前記合成光を出力する合成部と兼用され、前記分岐されたパルス列を、単一光子の光パルスが２つ連続した２連パルスが周期的に並ぶように合成して前記合成光として出力する非対称マッハツェンダー干渉系を含む請求項２に記載の量子もつれあい光子対生成装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の量子もつれあい光子対生成装置を有する量子暗号鍵配付装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子もつれ合い光子対生成装置および量子暗号鍵配付装置に関し、特には、光通信において暗号鍵を共有するための量子もつれ合い光子対生成装置および量子暗号鍵配付装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの爆発的普及や電子商取引の実用化に伴い、通信の秘密保持や改竄防止、個人の認証などのために暗号技術の社会的な必要性が高まっている。現行の暗号技術としては、ＤＥＳ（Data Encryption Standard）暗号のような共通鍵方式やＲＳＡ（Rivest, Shamir, Adleman）暗号のような公開鍵方式が普及している。しかしながら、これらの現行の暗号方式は、その安全性の基盤を「計算量的安全性」に置いているため、計算機などのハードウェアや暗号解読アルゴリズムなどの進歩による危殆化に常に脅かされている。このため、原理的に安全な暗号方式の実用化が望まれている。特に銀行間のトランザクションや軍事および外交に関する情報通信などの極めて高い安全性が要求される分野では、このような暗号方式の実用化への関心が高い。
【０００３】
情報理論において無条件安全性が証明されている暗号方式としては、ワンタイムパッド法がある。ワンタイムパッド法の特徴は、通信文と同じ長さの暗号鍵を使用し、さらにその暗号鍵を１回で使い捨てることにある。また、ワンタイムパッド法に使用する暗号鍵を安全に配送する具体的なプロトコルとして、現在ではＢＢ８４プロトコルと呼ばれるものが非特許文献１にて提案され、この提案を契機に量子暗号の研究が盛んになっている。
量子暗号は、物理法則によって暗号の安全性が保証されているため、計算機の能力の限界などに依存しない究極の安全性を保証することが可能になる。現在検討されている量子暗号は、暗号鍵に関する鍵データを単一光子の状態にエンコードして順次伝送することにより、盗聴行為を検出するとともに、統計的処理を用いて鍵データから盗聴情報を消去することを安全性の基盤としている。
【０００４】
非特許文献１に記載されているような理論的に安全性が証明されている量子暗号鍵配付装置では、２次元自由度を持つ系の２つの区別可能な状態と、それらのコヒーレントな重ね合わせ状態とを利用した暗号鍵（秘密鍵）の伝送が想定されている。このような重ね合わせ状態を含む量子状態は、情報通信への応用の観点からは、一般的に量子情報と呼ばれる。また、量子情報の最小単位を担う２状態は量子ビットと呼ばれ、数学的には、スピン１／２系の２状態と等価である。以下、スピン１／２系における用語を用いて量子暗号鍵配付装置について説明するが、量子情報の最小単位を担う担体系としては、どのような種類の量子力学的二準位系が使用されてもよい。
【０００５】
図６は、非特許文献１に記載の量子暗号鍵配付装置の基本構成を示す図である。なお、図６に示す量子暗号装置は、準備測定型の量子暗号装置と呼ばれている。
図６において、量子暗号鍵配付装置である送信者Ａｌｉｃｅは、光源６１を用いて光子のような量子ビットキャリアを生成する。そしてＡｌｉｃｅは、個々の量子ビットキャリアについて、鍵情報をエンコードする基底としてｘ基底（σｘ演算子の固有状態：｜０＞、｜１＞）およびｚ基底（σｚ演算子の固有状態：｜＋＞、｜−＞）のいずれかをアトランダムに選択する。そして、Ａｌｉｃｅは、選択した基底に従って、量子ビットキャリアを変調器６２を用いて変調し、量子ビットキャリア６３として、量子暗号鍵の受信機である受信者Ｂｏｂに送信する。Ｂｏｂは、Ａｌｉｃｅからの量子ビットキャリア６３を観測装置６４を用いて観測する。例えば、状態｜０＞および｜＋＞はビット値０を表し、状態｜１＞および｜−＞はビット値１を表すものとすることができる。
【０００６】
ｘ基底で表現される状態とｚ基底で表現される状態は、互いに相補的な状態と呼ばれ、個々の量子ビットキャリアについて、これらの両方の状態を同時に正確に測定できる測定手段は存在しない。これは、［σｘ，σｚ］≠０であること、すなわち個々の量子ビットキャリアについて、σｘとσｚの同時固有状態や同時固有値は存在しないという量子力学の原理に基づいている。なお、［ａ，ｂ］は、ａとｂの交換子、つまりａｂ−ｂａを表す。σｘとσｚのように交換子がゼロでない非可換な変数を、相補的あるいは共役な変数と呼ぶ。以下、上記の４つの非直交状態（｜０＞、｜１＞、｜＋＞、｜−＞）を（基底とビット値のタグを付けて）アトランダムに準備することをＢＢ８４状態準備と呼ぶ。
【０００７】
Ｂｏｂは、Ａｌｉｃｅから受信した量子ビットキャリアについて、ビット値を測定する基底を互いに相補的なｘ基底およびｚ基底からアトランダムに選択し、その選択した基底への射影測定を行う。このように、４つの非直交状態をアトランダムに射影測定し、（基底とビット値のタグを）記録することをＢＢ８４状態測定と呼ぶ。
Ｂｏｂがビット値を測定した基底がＡｌｉｃｅの準備した基底と整合する場合には、測定されたビット値はＡｌｉｃｅが送信したビット値と完全に一致する。一方、これらが不整合の場合には、測定されたビット値と送信されたビット値とは、完全に非相関となる。
また、ＡｌｉｃｅとＢｏｂは、結託して、基底が整合した量子ビットキャリアに対して準備および測定したビット値のみからなるランダムビット列を秘密鍵として用いる。このような秘密鍵に対するいかなる盗聴行為も、その秘密鍵に有限なエラーを生じさせるため、ＡｌｉｃｅとＢｏｂは、秘密鍵のアンサンブルからサンプリングしたサブアンサンブルを用いて、秘密鍵に生じたエラーの程度を評価することにより、盗聴者への情報漏洩量の上限を把握することができる。また、ＡｌｉｃｅとＢｏｂは、盗聴者への情報漏洩量上限に相当する鍵データ長を短縮することにより、証明可能な安全性を持つ秘密鍵を共有することができる。
【０００８】
また、非特許文献１が発表された後、非特許文献２に記載されているような、ＥＰＲ（Einstein, Podolsky, Rosen）相関と呼ばれる量子相関測定を基礎とした量子暗号鍵配付方式が提案され、非特許文献１に記載の量子暗号鍵配付方式と同等以上の安全性を持つことが示された。この方式では、Ａｌｉｃｅは、最大量子相関状態の２量子ビットペアのアンサンブルを準備する。最大量子相関状態は、２量子ビットの協同変数
【数１】
2016025550.tif 000003
および
【数２】
2016025550.tif 000004
の同時固有状態である。ここで、
【数３】
2016025550.tif 000005
は２を法とする和であり、
【数４】
2016025550.tif 000006
は、Ａｌｉｃｅによるｘ基底への射影測定にて測定される測定ビット値と、Ｂｏｂによるｘ基底への射影測定にて測定される測定ビット値とのパリティを表す。このことは、［σｘ，σｚ］≠０であることと矛盾しない。なぜなら、［σｘ，σｚ］＋［σｚ，σｘ］＝０であることから、
【数５】
2016025550.tif 000007
となるからである。
【０００９】
非特許文献２に記載の量子暗号鍵配付方式では、具体的には、Ａｌｉｃｅは、各２量子ビットペアのうち１量子ビットを光子に乗せて順次Ｂｏｂに送信する。ＡｌｉｃｅとＢｏｂは、各２量子ビットペアに属する光子について、ビット値を測定する基底を相補的なｘ基底およびｚ基底から独立にかつアトランダムに選択し、その選択した基底への射影測定を独立に行う。また、Ａｌｉｃｅが測定する量子ビットに対応するローカル変数（演算子）σｘおよびσｚやＢｏｂが測定する量子ビットのローカル変数σｘおよびσｚは事前に確定しておらず、それらの量子ビットの測定結果は基底の選択によらずランダムで予測不可能である。
【００１０】
しかしながら、２量子ビットの協同変数
【数６】
2016025550.tif 000008
および
【数７】
2016025550.tif 000009
は、Ａｌｉｃｅが準備した最大量子相関状態に依存する既知の値に事前に確定しており、それらの測定値は確定的に予測可能である。言い換えれば、ＡｌｉｃｅとＢｏｂが測定した測定基底が整合した場合、測定ビット値は予め確定しているパリティ値を有する。したがって、Ａｌｉｃｅが準備した最大量子相関状態が公知であり、かつ、ＡｌｉｃｅとＢｏｂが選択した基底である測定基底が整合した場合、ＡｌｉｃｅおよびＢｏｂのそれぞれは、自身の測定結果と予め確定しているパリティ値とから他方の測定結果を知ることができる。このようにＡｌｉｃｅとＢｏｂは、結託して測定基底の整合したデータセットのみを抽出することにより、秘密鍵として使用可能な乱数データを共有することができる。このような方法でエラーフリーの乱数データの共有が可能であるのは、ＡｌｉｃｅとＢｏｂが共有する２量子ビットペアが最大量子相関状態にある場合に限る。盗聴行為は、２量子ビットペアにアンシラを量子相関させる行為となるため、２量子ビットペアを最大量子相関状態から混合状態に変化させ、共有された鍵データにエラーを誘発する。非特許文献１に記載の技術と同様に、ＡｌｉｃｅとＢｏｂは、秘密鍵のアンサンブルからサンプリングしたサブアンサンブルを用いて、秘密鍵に生じたエラーの程度を評価することにより、盗聴者への情報漏洩量の上限を把握することができる。ＡｌｉｃｅとＢｏｂは、盗聴者への情報漏洩量上限に相当する鍵データ長を短縮することにより、証明可能な安全性を持つ秘密鍵を共有することができる。
なお、ここまで暗号鍵配付に用いる２量子ビットペアは、Ａｌｉｃｅにて準備されるという前提で説明してきたが、この前提は不要であり、準備する主体は、ＡｌｉｃｅとＢｏｂ以外の第３者であってもよい。この場合、第３者は、盗聴者と同様にいかなる鍵データも取得することはできない。
【００１１】
非特許文献１および非特許文献２に記載の量子暗号鍵配付方式は、情報キャリアが量子力学的二準位状態である量子ビットであることが保証される理想的な場合には、互いに同等の安全性強度を有し、その性能は互いに対等である。しかしながら、現状の技術水準では、このような理想的な条件を満足させることは難しい。
例えば、非特許文献１に記載の量子暗号鍵配付方式において仮定される光子は、光子数揺らぎのない単一光子である。このような単一光子を発生する光源は、まだ研究段階であり、実用的には減衰レーザーパルス光で代用されている。減衰レーザーパルス光は、レーザー発振過程によって生成される強度の大きなレーザーパルス光を、十分に減衰させることによって得られるものであり、レーザーパルス光の光子数の揺らぎのために、二個以上の光子を含む光パルスが出力される可能性がある。このため、光パルス中のそれぞれの光子に同一の鍵情報がエンコードされる可能性がある。
また、現実の伝送路では、光子のロスが発生する。これを利用して、盗聴者が配信中の単一光子パルスを排除し、複数光子パルスのうちの１光子を観測して他の光子をロスのない伝送路に通過させることで、盗聴の痕跡を検知されることなく完全な鍵情報を取得する光子数分割攻撃が、物理法則に反することなく可能であることが明らかにされた。
【００１２】
上記のような脆弱性に対する対策として、非特許文献３や４に示されている「デコイ（おとり）手法」が発明され、実用的システムにも実装された。このデコイ手法では、鍵データに基づく変調に加えて、数種の光強度のいずれかにランダム強度変調を行った光パルスが伝送され、強度毎の光子受信確率が分析される。これにより、たとえ光子数分割攻撃のような光子抜き取り型の盗聴攻撃があったとしても、正確に漏洩盗聴量を把握することができ、安全な鍵データを抽出することができる。このような工夫により、理想的光源と現実の光源の乖離から生じる問題は解決される。
【００１３】
しかしながら、現在のところ解決が難しい問題として光子検出器の暗雑音に関する問題がある。光子検出器では、主に熱的な効果により、ある確率で暗雑音が発生する。これらのうちの１／４がエラーとなってしまう。このエラーは盗聴痕跡と見分けがつかないため、安全性確保のために棄却される鍵データが発生するという問題がある。この問題のため、鍵データの伝送を安全に行うことが可能な伝送距離に制約が生じる。現状では、デコイ手法が併用されても、鍵データを安全に伝送させることが可能な伝送距離は２００ｋｍ以下である。
また、非特許文献１に記載の量子暗号鍵配付方式では、１光子の伝送並びに基づく検出が行われているため、暗雑音の頻度が光子検出器による暗雑音の発生確率に比例する。これに対して、非特許文献２に記載の量子暗号鍵配付方式では、２光子の同時到着事象でのみ鍵データが生成されるため、暗雑音の頻度が各光子検出器による暗雑音の発生確率の積に比例することとなり、暗雑音に関する問題が大幅に緩和される。したがって、非特許文献２に記載の量子暗号鍵配付方式は長距離の暗号鍵の配送に適している。また、この方法は、量子相関を持った光子対の配送に基づく量子中継技術との整合性がよいという将来的な展望も有する。
【００１４】
以上のような観点から、非特許文献２に記載の量子暗号鍵配付方式の開発が現在も進められている。この方式では、量子相関を有する光子対の生成が可能な光源がキーデバイスとなる。このような光源を実現する方法としては、現状ではパラメトリック下方変換を用いた光子対光源装置を用いるのが一般的である。
図７は、光子対光源装置の基本構成を示す図である。図７に示す光子対光源装置では、レーザー光源７１にて生成されたパルスレーザー光７２が適切な非線形光学結晶７３に入射することによって、非線形光学結晶７３から、和周波数がパルスレーザー光７２の周波数と等しい光子対７４が２つの出力パス７５および７６に出力される。
図７に示す光子対光源装置において、量子暗号鍵配付のために必要な光子対（ここでは、偏光状態に関する量子もつれを有する光子対である偏光もつれ合い光子対）の生成のためには、
１．タイプＩＩの非線形光学結晶を１つ用いる方法、
２．タイプＩの非線形光学結晶を２つ用いる方法
が多くの場合で利用される。
【００１５】
非特許文献５には、上記の方法１の代表例が開示されている。この方法では、タイプＩＩと呼ばれる光学カットが施された非線形光学結晶を短波長のレーザー光源で励起し、パラメトリック下方変換過程により、互いに偏光状態が直交する光子対が生成される。これらの光子対は、それぞれの偏光状態に応じた方向に出力されるが、両者が共に出力される共通の方向が存在する。この共通の方向に出力された光子対においてそれらの偏光状態が原理的に識別できない場合に、その光子対は偏光状態がもつれ合うこととなる。
非特許文献６および７には、上記の方法２の代表例が開示されている。非特許文献６には、光学軸が直交するように貼り合わせたタイプＩの光学カットが施された２枚の非線形光学結晶の薄片を短波長のレーザー光源で同時に励起し、パラメトリック下方変換過程により偏光状態が揃った光子対を生成する方法が開示されている。各薄片で生じる光子対の偏光状態は揃っているが、異なる薄片から生じる光子対の偏光方向は直交する。このため、光子対が２つの薄片のどちらから生じたかが原理的に識別できない場合、偏光もつれ合い光子対が生成される。
非特許文献７には、マッハツェンダー干渉系を構成する二つの腕に配置された互いに光学軸の直交するタイプＩの非線形光学結晶を短波長のレーザー光源で同時励起し、パラメトリック下方変換過程により互いに偏光方向が直交する光子対を生成する方法が開示されている。この場合、それらの光子対をビームスプリッター上で重ね合わせることにより、偏光方向が直交した偏光もつれ合い光子対が生成される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】ベネット（Bennett）、ブラッサ-ド（Brassard）著  IEEEコンピュータ、システム、信号処理国際会議（IEEE Int. Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, p. 175 (1984)）
【非特許文献２】エカート（Ekert）著  フィジカルレビュー、レタース（Phys. Rev. Lett. 67, 661 (1991)）
【非特許文献３】ワン（Wang）著  フィジカルレビュー、レタース（Phys. Rev. Lett. 94, 250503 (2005)）
【非特許文献４】ロー（Lo）他著  フィジカルレビュー、レタース（Phys. Rev. Lett. 94, 250504 (2005)）
【非特許文献５】クゥァィアット（Kwiat）他著  フィジカルレビュー、レタース（Phys. Rev. Lett. 75, 4337 (1995)）
【非特許文献６】クゥァィアット（Kwiat）他著  フィジカルレビュー（Phys. Rev. A 60, R773 (1999)）
【非特許文献７】キム（Kim）他著  フィジカルレビュー（Phys. Rev. A 63, 062301 (2001)）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、非特許文献５−７に開示されたパラメトリック下方変換に基づく偏光もつれ合い光子対の生成装置には、以下のような本質的な問題がある。
具体的には、これらの装置は、非線形光学過程を利用して偏光もつれ合い光子対を生成しているため、減衰レーザーパルス光を利用する場合と同様に、２つより多くの光子を含む多光子対が出力されることがある。また、非線形光学過程を利用する場合、光子対を生成する対生成効率の向上と、多光子対が生成される生成確率の抑制とはトレードオフの制約にあるため、多光子対の生成確率を増加させることなく対生成効率を向上させることは原理的に難しい。
上記の多光子対は、量子暗号鍵配付の安全性を決定的に損なうものではないが、量子ビットエラーを増加させ、それに伴って安全に鍵を生成する速度を劣化させるため、量子暗号鍵配付のスループットに制約を与えるという問題がある。
【００１８】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、量子暗号鍵配付のスループットを向上させることが可能な量子もつれ合い光子対生成装置および量子暗号鍵配付装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明による量子もつれあい光子対生成装置は、
単一光子の光子パルスを周期的に出力する単一光子源と、
前記単一光子源から出力された光子パルスを２つに分岐し、当該分岐した光パルスの間に、前記単一光子源が前記光子パルスを出力する周期と等しい遅延時間差を生じさせ、当該遅延時間差が生じた各光パルスを合成した合成光を出力する光学干渉系と、を有する。
【００２０】
また、本発明による量子暗号鍵配付装置は、上記の光子対生成装置を備える。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、量子暗号鍵配付のスループットを向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態である量子もつれ合い光子対生成装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態である量子もつれ合い光子対生成装置の構成を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態である量子もつれ合い光子対生成装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の第４の実施形態である量子もつれ合い光子対生成装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の第５の実施形態である量子暗号鍵配付装置の構成を示す図である。
【図６】非特許文献１に記載の量子暗号装置の基本構成を示す図である。
【図７】関連技術の光子対光源装置の基本構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施形態である量子もつれ合い光子対生成装置の構成を示す図である。図１に示す量子もつれ合い光子対生成装置は、量子暗号化鍵を配布するための光子対として、偏光状態に関する量子もつれを有する量子もつれ合い光子対である光子対１を出力するものである。また、量子もつれ合い光子対生成装置は、単一光子源１１と、光学干渉系１２と、１／２波長板１３とを有する。
【００２５】
単一光子源１１は、光を出力する光源であり、単一光子の光子パルスを周期的に出力するように制御される。なお、単一光子源１１は、光子対を生成する対生成効率の向上と、多光子対が生成される生成確率の抑制とのトレードオフの制約が発生しないように注意深く設計および製造されているものとする。
上記のように制御されることにより、単一光子源１１が光子パルスを出力する周期をΔＴとすると、単一光子源１１は、単一光子の光子パルスが周期ΔＴで周期的に並んだ周期的単一光子パルス列であるパルス列１４が出力されることとなる。
また、単一光子源１１は、偏光素子（図示せず）などを用いて、出力する光子パルスの偏光状態が単一の純粋偏光状態となるように制御されるものとする。本実施形態では、単一光子源１１は、円偏光状態の光子パルス、より具体的には、左回り円偏光状態｜Ｌ＞の光子パルスを出力するものとする。
【００２６】
光学干渉系１２は、単一光子源１１から出力されたパルス列１４を２つに分岐し、その分岐したパルス列１４の間に周期ΔＴと等しい遅延時間差を生じさせ、その遅延時間差が生じた各パルス列を合成した合成光を出力する。なお、分岐したパルス列のそれぞれが経由する経路１５Ａおよび１５Ｂには、各パルス列に上記の遅延時間差を生じさせる光路差がある。以下、経路１５Ｂは、経路１５Ａよりも光路長が長い方の経路であるとし、経路１５Ｂを遅延路１５Ｂと呼ぶ。
【００２７】
光学干渉系１２は、具体的には、入力側ビームスプリッター１６と、出力側ビームスプリッター１７と、反射鏡１８Ａおよび１８Ｂとを有する。
入力側ビームスプリッター１６は、単一光子源１１からのパルス列１４内の各光子パルスを、経路１５Ａを通過する光子パルスと、遅延路１５Ｂを通過する光子パルスとに分岐する分岐部である。経路１５Ａは、出力側ビームスプリッター１７の一方の入力ポートに直接結合され、遅延路１５Ｂは、反射鏡１８Ａおよび１８Ｂを介して、出力側ビームスプリッター１７の他方の入力ポートに結合される。
出力側ビームスプリッター１７は、入力ポートのそれぞれに入力された光子パルスを合成し、その合成した各光子パルスからなる合成光を出力ポート１９Ａおよび１９Ｂに出力する合成部である。
【００２８】
１／２波長板１３は、光学干渉系１２から出力される合成光に、偏光状態またはタイムビン状態に関する量子もつれを有する光子対１が含まれるように、単一光子源１１から出力された光子パルスの状態を調整する調整部である。より具体的には、１／２波長板１３は、入力側ビームスプリッター１６が分岐したパルス列の一方の各光パルスに位相差πを与える偏光子である。本実施形態では、１／２波長板１３は、遅延路１５Ｂにおける反射鏡１８Ａおよび１８Ｂの間に設けられ、遅延路１５Ｂを通過する光子パルスに位相差πを与える。これにより、単一光子源１１から左回り円偏光状態｜Ｌ＞の光子パルスが出力されるので、１／２波長板１３は、遅延路１５Ｂを通過する光パルスを右回り円偏光状態｜Ｒ＞に変換する。
【００２９】
次に動作を説明する。
単一光子源１１から出力された左回り円偏光状態｜Ｌ＞の光子パルスを有するパルス列１４は、入力側ビームスプリッター１６にて分岐される。分岐されたパルス列の一方は、出力側ビームスプリッター１７の一方の入力ポートに入力される。他方のパルス列は、反射鏡１８Ａで反射し、さらに１／２波長板１３を通過することで、右回り円偏光状態｜Ｒ＞に変換される。そして、その変換されたパルス列は、反射鏡１８Ｂで反射して出力側ビームスプリッター１７の他方の入力ポートに入力される。出力側ビームスプリッター１７は、入力ポートのそれぞれに入力されたパルス列を合成して出力ポート１９Ａおよび１９Ｂに出力する。
【００３０】
このとき、出力側ビームスプリッター１７の出力は、Ａ．出力ポート１９Ａに２つの光子が出力される事象、Ｂ．出力ポート１９Ｂに２つの光子が出力される事象、Ｃ．出力ポート１９Ａおよび１９Ｂにそれぞれ１つずつ光子が出力される事象Ｃの３種類の事象に分類される。
これらの事象のうち、事象ＡおよびＢでは、量子暗号化鍵の正規利用者のうち一方の正規利用者にしか光子パルスを配送できないので、その光子パルスは量子暗号化鍵配付のためには用いられず棄却される。それに対して、事象Ｃでは、正規利用者の両方に光子を配送できるので、出力ポート１９Ａおよび１９Ｂのそれぞれに出力される２つの光子が光子対１として量子暗号化鍵配付に使用される。この光子対１は、出力側ビームスプリッター１７の作用により、
【数８】
2016025550.tif 000010
で表される偏光状態に関する量子もつれ合い状態｜Ψｏｕｔ＞ａｂを有する。ここで、添え字ａおよびｂは、それぞれ出力ポート１９Ａおよび１９Ｂの光学モードを表す。
【００３１】
以上説明したように本実施形態によれば、単一光子源１１は、単一光子の光子パルスが周期的に並んだパルス列１４に出力する。光学干渉系１２は、単一光子源１１から出力されたパルス列１４を２つに分岐し、当該分岐したパルス列の間に、パルス列１４内の光子パルスが並ぶ周期と等しい遅延時間差を生じさせ、当該遅延時間差が生じたパルス列を合成した合成光を出力する。
上記のような単一光子源１１は、注意深く設計製造することにより、多光子混入による純粋性の劣化を引き起こすことなく光子生成効率を向上できると期待され、精力的に研究開発されている。このようにして製造された単一光子源１１を線形光学素子で構成される光学干渉系１２と組み合わせることにより、量子暗号鍵を配付することが可能な量子もつれを有する光子対１を生成することができる。したがって、非特許文献５−７に記載の技術における、光子対を生成する対生成効率の向上と多光子対が生成される生成確率と間にあったトレードオフの制約をなくすことが可能になる。このため、安全に暗号鍵を生成する速度を向上させることが可能になり、量子暗号鍵配付のスループットを向上させることが可能になる。
【００３２】
なお、適切に状態が調整された２つの単一光子の光子パルスを出力側ビームスプリッター１７を用いて合成する場合、出力ポート１９Ａおよび１９Ｂのそれぞれで光子パルスが観測される事象Ｃにのみ着目すると、それらの光子パルスからなる光子対１が量子もつれを有することとなる。このとき、光子対１が量子もつれを有するためには、各光子パルスが同一の特性を有し、識別不可能であることが必要条件となる。このような完全に同一特性の２光子を独立した２つの単一光子源から得ることは難しい。これに対して本実施形態では、単一光子源１１から得られる２光子を出力側ビームスプリッター１７で合成することにより、出力ポート１９Ａおよび１９Ｂに量子もつれ合い状態の光子対を確率的に得ている。
【００３３】
また、単一光子源１１は、周期ΔＴで繰り返し単一光子の光子パルスを生成し出力する。光パルスの生成時間を除けば、出力される各光子パルスの特性は同一と考えてよい。光子パルスは入力側ビームスプリッター１６によって２つに分岐され、一方の光パルスは、経路１５Ｂで周期ΔＴに等しい遅延時間だけ遅延された後、他方の経路１５Ａを通過する光子パルスと出力側ビームスプリッター１７にて合成される。これにより、異なる時間に生成された２つの単一光子パルスの生成時間情報が消去され、全く同じ特性を持ち、識別不可能な２つの単一光子パルスが生成されることとなり、目的とする量子もつれ合い状態の光子対を得ることが可能になる。
【００３４】
次に第２の実施形態について説明する。
本実施形態では、偏光状態に関する量子もつれ合い光子対を生成する量子もつれ合い光子対生成装置の別の例を説明する。
図２は、本発明の第２の実施形態の量子もつれ合い光子対生成装置の構成を示す図である。図２に示す量子もつれ合い光子対生成装置は、図１に示した第１の実施形態と比較して、１／２波長板１３が省かれている点と、出力側ビームスプリッター１７の代わりに偏光ビームスプリッター２１を備えている点と、１／４波長板２２Ａおよび２２Ｂを新たに備えている点で異なる。
【００３５】
第１の実施形態と同様に入力側ビームスプリッター１６は、単一光子源１１からのパルス列１４内の各光子パルスを、経路１５Ａを通過する光子パルスと、遅延路１５Ｂを通過する光子パルスとに分岐する。経路１５Ａは、偏光ビームスプリッター２１の一方の入力ポートに直接結合され、遅延路１５Ｂは、反射鏡１８Ａおよび１８Ｂを介して、偏光ビームスプリッター２１の他方の入力ポートに結合される。
【００３６】
偏光ビームスプリッター２１と１／４波長板２２Ａおよび２２Ｂとは、光学干渉系１２から出力される合成光に、偏光状態またはタイムビン状態に関する量子もつれを有する光子対２が含まれるように、単一光子源１１から出力された光子パルスの状態を調整する調整部を構成する。また、偏光ビームスプリッター２１と１／４波長板２２Ａおよび２２Ｂとは、光学干渉系１２におけるパルス列を合成する合成部と兼用される。
【００３７】
偏光ビームスプリッター２１は、各入力ポートに入力された光子パルスのそれぞれを、互いに直交する２つの直線偏光成分に分離して出力する。このとき、偏光ビームスプリッター２１は、一方の光パルスの互いに直交する２つの直線偏光成分のそれぞれを、他方の光パルスの別の直線偏光成分を合成して出力する。
本実施形態では、偏光ビームスプリッター２１は、光子パルスのそれぞれを、２つの直線偏光成分として、水平偏光成分および垂直偏光成分に分離するように配置されている。そして、偏光ビームスプリッター２１は、経路１５Ａからの光パルスの水平偏光成分を透過し、遅延路１５Ｂからの光パルスの垂直偏光成分を反射し、それらの水平偏光成分および垂直偏光成分を合成して出力ポート１９Ａへ出力する。また、偏光ビームスプリッター２１は、経路１５Ａからの光パルスの垂直偏光成分を反射し、遅延路１５Ｂからの光パルスの垂直偏光成分を透過し、それらの垂直偏光成分および水平偏光成分を合成して出力ポート１９Ｂへ出力する。
【００３８】
１／４波長板２２Ａおよび２２Ｂのそれぞれは、出力ポート１９Ａおよび１９Ｂのそれぞれと偏光ビームスプリッター２１との間に設けられ、偏光ビームスプリッター２１から出力された光子パルスに位相差π／２を与える偏光子である。本実施形態では、偏光ビームスプリッター２１からは、水平偏光成分および垂直偏光成分が合成された円偏光状態の光パルスが出力されるので、１／２波長板２２Ａおよび２２Ｂは、出力ポート１９Ａおよび１９Ｂのそれぞれに出力された光パルスを直線偏光状態に変換する。
【００３９】
次に動作を説明する。
単一光子源１１から出力された左回り円偏光状態｜Ｌ＞の光子パルスを有するパルス列１４は、入力側ビームスプリッター１６にて分岐される。分岐されたパルス列の一方は、偏光ビームスプリッター２１の一方の入力ポートに入力される。他方のパルス列は、反射鏡１８Ａおよび１８Ｂで反射して偏光ビームスプリッター２１の他方の入力ポートに入力される。偏光ビームスプリッター２１は、入力ポートのそれぞれに入力されたパルス列の各光子パルスを水平偏光成分と垂直偏光成分とに分離して１／４波長板２２Ａおよび２２Ｂのそれぞれに入力する。１／４波長板２２Ａおよび２２Ｂは、入力された光パルスを直線偏光状態に変換して出力ポート１９Ａおよび１９Ｂに出力する。
【００４０】
このとき、偏光ビームスプリッター２１の出力は、第１の実施形態と同様に、Ａ．出力ポート１９Ａに２つの光子が出力される事象、Ｂ．出力ポート１９Ｂに２つの光子が出力される事象、Ｃ．出力ポート１９Ａおよび１９Ｂにそれぞれ１つずつ光子が出力される事象Ｃの３種類の事象に分類される。そして、これらの事象のうち、事象ＡおよびＢでは、量子暗号化鍵の正規利用者のうち一方の正規利用者にしか光子を配送できないので、その光子は量子暗号化鍵配付のためには用いられず棄却される。それに対して、事象Ｃでは、正規利用者の両方に光子を配送できるので、出力ポート１９Ａおよび１９Ｂのそれぞれに出力される２つの光子が光子対２として量子暗号化鍵配付に使用される。この光子対２は、偏光ビームスプリッター２１、１／４波長板２２Ａおよび２２Ｂの作用により、
【数９】
2016025550.tif 000011
で表される偏光状態に関する量子もつれ合い状態｜Ψｏｕｔ＞ａｂを有する。
【００４１】
以上説明したように本実施形態でも、単一光子源１１と光学干渉系１２と組み合わせることにより、量子暗号鍵を配付することが可能な量子もつれ光子対２を生成することができるため、量子暗号鍵配付のスループットを向上させることが可能になる。
【００４２】
次に第３の実施形態について説明する。
図３は、本発明の第３の実施形態である量子もつれ合い光子対生成装置の構成を示す図である。図３に示す量子もつれ合い光子対生成装置は、量子暗号化鍵の配付のために、単一光子の光パルスが２つ連続した２連パルスの重ね合わせ状態で表現されるタイムビン状態に関する量子もつれ合い光子対３を生成する。
図３に示す量子もつれ合い光子対生成装置は、図１に示した第１の実施形態と比較して、非対称マッハツェンダー干渉系３１を新たに備えている点と、入力側ビームスプリッター１６の代わりに入力側偏光ビームスプリッター３２を備えている点で異なる。また、単一光子源１１は、直線偏光状態の光子パルス、より具体的には、偏光方向が水平方向に対して４５度を成す斜め４５度直線偏光状態の光子パルスを出力する。
【００４３】
非対称マッハツェンダー干渉系３１、入力側偏光ビームスプリッター３２および１／２波長板１３とは、光学干渉系１２から出力される合成光に偏光状態またはタイムビン状態に関する量子もつれを有する光子対３が含まれるように、単一光子源１１から出力された光子パルスの状態を調整する調整部を構成する。
【００４４】
非対称マッハツェンダー干渉系３１は、単一光子源１１と入力側偏光ビームスプリッター３２の間に設けられる。非対称マッハツェンダー干渉系３１は、単一光子源１１から出力されたパルス列１４内の各光子パルスを、単一光子の光パルスが２つ連続し、その２つの光パルスが遅延時間差Δτを有する２連パルスに変換する。また、非対称マッハツェンダー干渉系３１は、例えば、平面光回路技術によって作成され、ＴＥ偏光状態およびＴＭ偏光状態の光を保持可能な直線偏光軸を有するものとする。ここでは、非対称マッハツェンダー干渉系３１は、ＴＥ偏光状態が水平偏光状態となり、ＴＭ偏光状態が垂直偏光状態となるように調整されているものとする。
【００４５】
ここで温度調整などの手法によって、非対称マッハツェンダー干渉系３１から出力されるＴＥ偏光状態の光子パルスとＴＭ偏光状態の光子パルスの出力タイムビン状態が直交するように、非対称マッハツェンダー干渉系３１の導波路の偏光モード分散を設定することができる。なお、この具体的な設定方法は、特許文献１（特許第５０４１１７４号）および特許文献２（特許第４９３５９９５号）に示されている。
例えば、タイムビン状態空間の基底状態である先行単一光子パルスおよび後進単一光子パルスの状態をそれぞれ｜Ｆ＞および｜Ｂ＞で表すとすると、ＴＥ偏光状態が重ね合わせ状態
【数１０】
2016025550.tif 000012
となり、ＴＭ偏光状態がＴＥ偏光状態の相対位相が反転した重ね合わせ状態
【数１１】
2016025550.tif 000013
となり、非対称マッハツェンダー干渉系３１から出力される２連パルスの状態が
【数１２】
2016025550.tif 000014
となるように設定することができる。ここで、｜＞４５および｜＞−４５は、斜め４５度直線偏光モードおよび斜め−４５度直線偏光モードを表す。
【００４６】
入力側偏光ビームスプリッター３２は、非対称マッハツェンダー干渉系３１から出力された２連パルスを含むパルス列を、単一光子源１１から出力される元の斜め４５度直線偏光状態の光子パルスの偏光方向とは異なり、かつ、互いに直交する２つの偏光方向のそれぞれを有するパルス列に分岐する。具体的には、入力側偏光ビームスプリッター３２は、非対称マッハツェンダー干渉系３１から出力された２連パルスを、水平偏光状態および垂直偏光状態（ＴＥ偏光状態およびＴＭ偏光状態）の２連パルスに分岐し、その分岐した２連パルスを経路１５Ａおよび遅延路１５Ｂに出力する。本実施形態では、水平偏光状態の２連パルスが経路１５Ａに出力され、垂直偏光状態の２連パルスが遅延路１５Ｂに出力されるものとする。この場合、１／２波長板１３は、水平偏光状態の２連パルスを垂直偏光状態の２連パルスに変換する。
【００４７】
次に動作を説明する。
単一光子源１１から出力された斜め４５度直線偏光状態の光子パルスを有するパルス列１４は、非対称マッハツェンダー干渉系３１によって２連パルスを有するパルス列に変換される。そのパルス列の各２連パルスは、入力側偏光ビームスプリッター３２に入射し、水平偏光状態および垂直偏光状態の２連パルスに分離される。水平偏光状態の２連パルスは、出力側ビームスプリッター１７の一方の入力ポートに入力される。垂直偏光状態の２連パルスは、反射鏡１８Ａで反射し、さらに１／２波長板を通過することで、水平偏光状態に変換される。そして、その垂直偏光状態に変換された２連パルスは、反射鏡１８Ｂで反射して出力側ビームスプリッター１７の他方の入力ポートに入力される。出力側ビームスプリッター１７は、入力ポートのそれぞれに入力された２連パルスを合成し、その合成した２連パルスを出力ポート１９Ａおよび１９Ｂに出力する。
【００４８】
このとき、出力側ビームスプリッター１７の出力は、第１の実施形態と同様にＡ．出力ポート１９Ａに２つの２連パルスが出力される事象、Ｂ．出力ポート１９Ｂに２つの２連パルスが出力される事象、Ｃ．出力ポート１９Ａおよび１９Ｂにそれぞれ１つずつ２連パルスが出力される事象Ｃの３種類の事象に分類される。そして、これらの事象のうち、事象ＡおよびＢでは、量子暗号化鍵の正規利用者のうち一方の正規利用者にしか光子を配送できないので、その光子は量子暗号化鍵配付のためには用いられず棄却される。それに対して、事象Ｃでは、正規利用者の両方に光子を配送できるので、出力ポート１９Ａおよび１９Ｂのそれぞれに出力される２つの２連パルスが光子対３として量子暗号化鍵配付に使用される。この光子対３は、出力側ビームスプリッター１７の作用により、
【数１３】
2016025550.tif 000015
で表されるタイムビン状態に関する量子もつれ合い状態を有する。
【００４９】
以上説明したように本実施形態でも、単一光子源１１と光学干渉系１２と組み合わせることにより、量子暗号鍵を配付することが可能な量子もつれ光子対３を生成することができるため、量子暗号鍵配付のスループットを向上させることが可能になる。
【００５０】
次に第４の実施形態について説明する。本実施形態では、タイムビン状態に関する量子もつれ合い光子対を生成する量子もつれ合い光子対生成装置の別の例を説明する。
図４は、本発明の第４の実施形態である量子もつれ合い光子対生成装置の構成を示す図である。図４に示す量子もつれ合い光子対生成装置は、量子暗号化鍵の配付のために、タイムビン状態に関する量子もつれ合い光子対４を生成することを想定している。
図４に示す量子もつれ合い光子対生成装置は、図１に示した第１の実施形態と比較して、出力側ビームスプリッター１７の代わりに、非対称マッハツェンダー干渉系４１を新たに備えている点と、１／２波長板１３が省かれている点で異なる。また、単一光子源１１は、直線偏光状態の光子パルス、より具体的には、非対称マッハツェンダー干渉系４１が保存可能な偏光状態の偏光方向を向いた直線偏光状態（例えば、ＴＥ偏光状態）の光子パルスを出力する。
【００５１】
入力側ビームスプリッター１６は、単一光子源１１からのパルス列１４内の各光子パルスを、経路１５Ａを通過する光子パルスと、遅延路１５Ｂを通過する光子パルスとに分岐する。経路１５Ａは、非対称マッハツェンダー干渉系４１の一方の入力ポートに直接結合され、遅延路１５Ｂは、反射鏡１８Ａおよび１８Ｂを介して、非対称マッハツェンダー干渉系４１の他方の入力ポートに結合される。
【００５２】
非対称マッハツェンダー干渉系４１は、光学干渉系１２から出力される合成光に、偏光状態またはタイムビン状態に関する量子もつれを有する光子対４が含まれるように、単一光子源１１から出力された光子パルスの状態を調整する調整部である。具体的には、非対称マッハツェンダー干渉系４１は、入力ポートのそれぞれに入力された光パルスを、遅延時間差Δτを有する連続した２つの単一光パルスからなる２連パルスに合成して、出力ポート１９Ａおよび１９Ｂに出力する。
【００５３】
このとき、非対称マッハツェンダー干渉系４１の出力は、第１の実施形態と同様にＡ．出力ポート１９Ａに２つの２連パルスが出力される事象、Ｂ．出力ポート１９Ｂに２つの２連パルスが出力される事象、Ｃ．出力ポート１９Ａおよび１９Ｂにそれぞれ１つずつ２連パルスが出力される事象Ｃの３種類の事象に分類される。そして、これらの事象のうち、事象ＡおよびＢでは、量子暗号化鍵の正規利用者のうち一方の正規利用者にしか光子を配送できないので、その光子は量子暗号化鍵配付のためには用いられず棄却される。それに対して、事象Ｃでは、正規利用者の両方に光子を配送できるので、出力ポート１９Ａおよび１９Ｂのそれぞれに出力される２つの２連パルスが光子対４として量子暗号化鍵配付に使用される。光子対４は、非対称マッハツェンダー干渉系４１の作用により、
【数１４】
2016025550.tif 000016
で表されるタイムビン状態に関する量子もつれ合い状態を有する。
【００５４】
以上説明したように本実施形態でも、単一光子源１１と光学干渉系１２と組み合わせることにより、量子暗号鍵を配付することが可能な量子もつれ光子対４を生成することができるため、量子暗号鍵配付のスループットを向上させることが可能になる。
【００５５】
次に第５の実施形態について説明する。
本実施形態では、第１〜第４の実施形態で説明した量子もつれ合い光子対生成装置を用いた量子暗号鍵配付装置について説明する。
図５は、本実施形態の量子暗号鍵配付システムの構成を示す図である。図５に示す量子暗号鍵配付システムは、量子暗号鍵を配布する量子暗号鍵配付装置であるＡｌｉｃｅ５１と、量子暗号鍵を受信する量子暗号鍵受信装置であるＢｏｂ５２とを有する。また、Ａｌｉｃｅ５１は、量子もつれ合い光子対生成装置５３と、観測装置５４とを有する。Ｂｏｂ５２は、観測装置５５を有する。
【００５６】
量子もつれ合い光子対生成装置５３は、第１〜第４の実施形態のいずれかで説明した量子もつれ合い光子対生成装置であり、量子もつれを有する光子対である量子もつれ合い光子対５を出力する。
観測装置５４および５５は、量子もつれ合い光子対生成装置５３が出力した量子もつれ合い光子対５を観測する。ここでは、観測装置５４および５５は、ＢＢ８４状態測定を行う観測装置であるとしている。
【００５７】
量子もつれ合い光子対生成装置５３として第１および第２の実施形態で説明したものが利用される場合、観測装置５４および５５が観測する観測基底は、円偏光状態｛｜Ｌ＞、｜Ｒ＞｝とは相補的な規定である、水平直線偏光状態および垂直直線偏光状態{｛｜Ｈ＞、｜Ｖ＞n}および斜め±４５度直線偏光状態{|４５°＞，|−４５°＞}のコンビネーションが適切である。この場合、観測装置５４および５５は、偏光素子および光子検出器を用いて構成することができる。
また、量子もつれ合い光子対生成装置５３として第３および第４の実施形態で説明したものが利用される場合、観測装置５４および５５が観測する観測基底は、先行単一光子パルスおよび後進単一光子パルスの状態｛｜Ｆ＞、｜Ｂ＞｝とは相補的な規定である｛｜Ψ０＞、｜Ψ１＞、｜Ψ２＞、｜Ψ３＞｝が適切である。ここで、｜Ψｎ＞は、重ね合わせ状態
【数１５】
2016025550.tif 000017
を表す。この場合、観測装置５４および５５は、非対称マッハツェンダー干渉系および光子検出器を用いて構成することができる。
【００５８】
以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。
例えば、各実施形態では、特定の偏光状態やタイムビン状態を用いて説明したが、説明に用いた偏光状態やタイミビン状態は単なる一例であって、本発明は、本発明の原理を利用することができる任意の偏光状態およびタイムビン状態に対しても適用される。
【符号の説明】
【００５９】
１〜５  光子対
１１  単一光子源
１２  光学干渉系
１３  １／２波長板
１４  パルス列
１５Ａ  経路
１５Ｂ  経路（遅延路）
１６  入力側ビームスプリッター
１７  出力側ビームスプリッター
１８Ａ、１８Ｂ  反射鏡
１９Ａ、１９Ｂ  出力ポート
２１  偏光ビームスプリッター
２２Ａ、２２Ｂ  １／４波長板
３１、４１  非対称マッハツェンダー干渉系
３２  入力側偏光ビームスプリッター
５１  Ａｌｉｃｅ
５２  Ｂｏｂ
５３  量子もつれ合い光子対生成装置
５４、５５  観測装置
【図１】
2016025550.tif 000018
【図２】
2016025550.tif 000019
【図３】
2016025550.tif 000020
【図４】
2016025550.tif 000021
【図５】
2016025550.tif 000022
【図６】
2016025550.tif 000023
【図７】
2016025550.tif 000024