(57)【要約】【課題】スペクトル広がりの極めて狭い光子を、より効率的に発生する。【解決手段】パラメトリック誘導部１０３は、各々が異なる光路で導かれた第１光１５１，第２光１５２，第３光１５３を入力し、誘導パラメトリック過程により第１光１５１，第２光１５２，および第３光１５３の間に相互作用を生じさせて第１光１５１の量子状態を変化させて第１光路１３１に出力する。位相シフタ１０７は、第５光に対して第４光との間でπ／２の位相差を与える。合波部１０８は、第４光および位相シフタ１０７で位相が与えられた第５光を合波して（干渉させて）第１出力ポート１３４および第２出力ポート１３５に出力する。【選択図】  図１
2017161619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が異なる光周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３のコヒーレントな第１光，第２光，第３光から、誘導パラメトリック過程により前記第１光，前記第２光，および前記第３光の間に相互作用を生じさせて前記第１光の量子状態を変化させ、光周波数ｆ１の第４光および第５光を生成する光生成部と、
前記光生成部で生成された前記第５光に対して前記第４光との間でπ／２の位相差を与える位相シフタと、
前記第４光および前記位相シフタで位相が与えられた前記第５光を合波して第１出力ポートおよび第２出力ポートに出力する合波部と、
前記合波部より前記第２出力ポートに出力された合波光を第３出力ポートおよび検出ポートに出力する分波部と、
前記分波部より前記検出ポートに出力された合波光の光子数を検出する光検出部と、
前記光検出部が１つの光子を検出したことを通知する通知部と
を備え、
前記第１光は、前記第２光および前記第３光より弱い強度とされ、ｆ１+ｆ２=ｆ３とされている
ことを特徴とする光子発生装置。
【請求項２】
請求項１記載の光子発生装置において、
各々が異なる光路で導かれた前記第１光，前記第２光，前記第３光を入力し、誘導パラメトリック過程により前記第１光，前記第２光，および前記第３光の間に相互作用を生じさせて前記第１光の量子状態を変化させて第１光路に出力するパラメトリック誘導部と、
前記第１光路に配置され、前記パラメトリック誘導部を出射した光の中より光周波数ｆ１の光を透過させて前記第４光を出力する光フィルタと、
前記光フィルタを出射した前記第４光を、所定の時間間隔で第２光路および第３光路に切り分ける光スイッチと、
前記第３光路に配置され、前記光スイッチにおける切り替え時間間隔に等しい遅延を与えて第５光とする光遅延線と
を備え、
前記パラメトリック誘導部，前記第１光路，前記光フィルタ，前記第２光路，前記第３光路，前記光スイッチ，前記光遅延線により前記光生成部が構成されている
ことを特徴とする光子発生装置。
【請求項３】
請求項１記載の光子発生装置において、
前記光生成部は、前記第４光を生成する第１光生成部および前記第５光を生成する第２光生成部を備え、
前記第１光生成部は、
各々が異なる光路で導かれた前記第１光，前記第２光，前記第３光を入力し、誘導パラメトリック過程により前記第１光，前記第２光，および前記第３光の間に相互作用を生じさせて前記第１光の量子状態を変化させて第１光路に出力する第１パラメトリック誘導部と、
前記第１光路に配置され、前記第１パラメトリック誘導部を出射した光の中より光周波数ｆ１の光を透過させて前記第４光を出力する第１光フィルタと
を備え、
前記第２光生成部は、
各々が異なる光路で導かれた前記第１光，前記第２光，前記第３光を入力し、誘導パラメトリック過程により前記第１光，前記第２光，および前記第３光の間に相互作用を生じさせて前記第１光の量子状態を変化させて第２光路に出力する第２パラメトリック誘導部と、
前記第２光路に配置され、前記第２パラメトリック誘導部を出射した光の中より光周波数ｆ１の光を透過させて前記第５光を出力する第２光フィルタと
を備えることを特徴とする光子発生装置。
【請求項４】
請求項３記載の光子発生装置において、
前記第１光を生成する第１光源と、
前記第２光を生成する第２光源と、
前記第３光を生成する第３光源と
を備え、
前記第１光源より生成された前記第１光を分岐して前記第１パラメトリック誘導部および前記第２パラメトリック誘導部の各々に導き、
前記第２光源より生成された前記第２光を分岐して前記第１パラメトリック誘導部および前記第２パラメトリック誘導部の各々に導き、
前記第３光源より生成された前記第３光を分岐して前記第１パラメトリック誘導部および前記第２パラメトリック誘導部の各々に導く
ことを特徴とする光子発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペクトル広がりの極めて狭い光子を効率的に発生する光子発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光と原子との相互作用により光や原子の量子状態を制御することは、今日の精密分光技術の基幹をなすだけではなく、将来に期待される量子情報処理技術（量子計算機など）にとっても重要な要素技術となっている。とりわけ原子やイオンの量子準位の周波数差と光の周波数が一致した場合、いわゆる共鳴の場合には、相互作用の効果が格段に大きくなり、量子状態の効率的な制御が可能になる。ところが、原子の共鳴のスペクトル幅は数ＭＨｚ程度以下と、通常は大変に狭く、光の周波数を精密に合わせなくてならない。更に量子光通信や量子光計測では、周波数スペクトルを非常に狭くした光子を準備することが必要になる。
【０００３】
物質原子との共鳴を必要としない用途に対して、スペクトル広がりの広い単一光子を発生時刻の保証付き（伝令付き）で供給する、伝令付き単一光子発生装置は既に開発されている。これには、ある種の物質が有する非線形光学効果が用いられており、周波数の高い光子のエネルギーが、２つの周波数の低い光子へと分裂することで、一方を伝令とし、他方を信号光子として供給するものである。この分裂は、確率的に自然に生じる現象であり、自然パラメトリック変換過程と呼ばれている。
【０００４】
光子のスペクトル幅が数１００ＧＨｚ〜１ＴＨｚ程度と広いため、上述の変換確率は比較的良好であり、高エネルギーの光子１個あたりでは、変換確率は１０-6〜１０-5程度である。また、光子を多数入力することで、正味の信号光子の発生の確率を０．１程度まで上げることができる。
【０００５】
一方で、原子の共鳴線に合わせるために信号光子のスペクトル幅を１ＭＨｚまで狭めようとすると、それだけで５桁から６桁も発生の効率が低下してしまうことが分かる。このように、従来の自然パラメトリック変換過程を用いた方法は、そのままでは狭線幅な単一光子の発生装置としては利用できないことが問題となっていた。
【０００６】
上記の問題を解決するために、光子の発生においても原子の共鳴遷移を利用する方法が提案され、実験が行われている（非特許文献１参照）。具体的には、この過程はラマン散乱過程と呼ばれる。以下説明する、まず、エネルギーが極めて近接した２つ基底状態のペア（状態１と状態２）と、光による励起状態（状態３）とを有した三準位系をまず準備する。次に、この原子の集団を充分に冷却して熱的な雑音の影響を被らないようにする。次に、どの原子を見ても準位１に電子が存在し、準位２と準位３には電子が存在しないように、電子の初期状態を準備する。この初期状態の準備も強い光の照射によって行われる。
【０００７】
上述した初期状態が準備できた後、準位３と準位１の間の遷移周波数に共鳴する光周波数と適度な強さをもつ、スペクトル幅の狭いレーザー光を上記原子集団に照射する。この照射によって、ごく少数の割合の原子において、電子が準位１から準位２へと移動する。この過程を自然ラマン散乱と呼ぶ。この移動に伴い、移動が生じた原子の数に一致する数の光子が放出される。ここで放出される光子の周波数は、準位３と準位２の間の遷移周波数に等しい。ここで、特定の方位において、放出された光子が１個の場合に注目する。これは準位２に電子がいる原子の数が１個しかない状況に対応している。
【０００８】
ここまで条件を選択してから、次に、準位３と準位２の間の遷移周波数に共鳴する光周波数と、適度な強度をもつ、スペクトル幅の狭いレーザー光を上記原子集団に照射する。この光は、電子が準位２にいる原子とのみ相互作用し、電子を準位２から準位１へと移す。このとき、準位３と準位１との間の遷移周波数に一致する周波数を有した１個の光子が特定の方向に必ず発生する。
【０００９】
このように、最初の過程で１個の光子が観測できた場合に限り、次の過程で照射の段階で光子が１個だけ発生することを保証できる。このとき発生する光子のスペクトル幅は、原子の共鳴の幅程度しかなく、極めて狭い。また最初の観測した光子は、いわゆる伝令光子の役割を果たしていることに注意する。
【００１０】
上述したラマン散乱過程を利用することで、確かに、スペクトル幅の狭い単一光子を伝令光子付きで供給することは可能である。
【００１１】
しかし、ラマン散乱過程が生じる確率は充分に高いとはいえず、この方法を採用したとしても、１秒間に供給できる光子の数は０．１個程度と極めて少ないのが実状であった。但し、非特許文献１の方法では、発生する光子の周波数が２つに限定されるためスペクトル領域での雑音の問題を回避できるという大きな利点がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】T. Chaneliere et al., "Storage and retrieval of single photons transmitted between remote quantum memories", Nature, vol.438, pp.833-836, 2005.
【非特許文献２】小島  忠宣  小島  和子  共著、「ラウドン  光の量子論」、株式会社内田老鶴圃新社発行、初版、１７２−１７３頁、昭和５３年３月５日。
【非特許文献３】H. Zhang et al., "Preparation and storage of frequency-uncorrelated entangled photons from cavity-enhanced spontaneous parametric downconversion", Nature Photonics, vol.5, pp.628-632, 2011.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
以上に説明したように、広いスペクトル広がりを有する光子を伝令付きで供給するのに適していた非線形光学効果（自然パラメトリック変換過程）は、数ＭＨｚ程度のスペクトル幅しかもたない光子を供給するには、発生効率があまりにも小さすぎるために利用できない。また、冷却された原子集団におけるラマン散乱過程を用いた方法も、自然ラマン散乱の確率が小さいため、効率的な光子発生装置としては機能していない。このようにいずれの従来技術においても、スペクトル広がりの極めて狭い光子を、効率的に発生することは原理的に困難であるという問題があった。
【００１４】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、スペクトル広がりの極めて狭い光子を、より効率的に発生することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る光子発生装置は、各々が異なる光周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３のコヒーレントな第１光，第２光，第３光から、誘導パラメトリック過程により第１光，第２光，および第３光の間に相互作用を生じさせて第１光の量子状態を変化させ、光周波数ｆ１の第４光および第５光を生成する光生成部と、光生成部で生成された第５光に対して第４光との間でπ／２の位相差を与える位相シフタと、第４光および位相シフタで位相が与えられた第５光を合波して第１出力ポートおよび第２出力ポートに出力する合波部と、合波部より第２出力ポートに出力された合波光を第３出力ポートおよび検出ポートに出力する分波部と、分波部より検出ポートに出力された合波光の光子数を検出する光検出部と、光検出部が１つの光子を検出したことを通知する通知部とを備え、第１光は、第２光および第３光より弱い強度とされ、ｆ１+ｆ２=ｆ３とされている。
【００１６】
上記光子発生装置において、各々が異なる光路で導かれた第１光，第２光，第３光を入力し、誘導パラメトリック過程により第１光，第２光，および第３光の間に相互作用を生じさせて第１光の量子状態を変化させて第１光路に出力するパラメトリック誘導部と、第１光路に配置され、パラメトリック誘導部を出射した光の中より光周波数ｆ１の光を透過させて第４光を出力する光フィルタと、光フィルタを出射した第４光を、所定の時間間隔で第２光路および第３光路に切り分ける光スイッチと、第３光路に配置され、光スイッチにおける切り替え時間間隔に等しい遅延を与えて第５光とする光遅延線とを備え、パラメトリック誘導部，第１光路，光フィルタ，第２光路，第３光路，光スイッチ，光遅延線により光生成部が構成されているようにすればよい。
【００１７】
上記光子発生装置において、光生成部は、第４光を生成する第１光生成部および第５光を生成する第２光生成部を備え、第１光生成部は、各々が異なる光路で導かれた第１光，第２光，第３光を入力し、誘導パラメトリック過程により第１光，第２光，および第３光の間に相互作用を生じさせて第１光の量子状態を変化させて第１光路に出力する第１パラメトリック誘導部と、第１光路に配置され、第１パラメトリック誘導部を出射した光の中より光周波数ｆ１の光を透過させて第４光を出力する第１光フィルタとを備え、第２光生成部は、各々が異なる光路で導かれた第１光，第２光，第３光を入力し、誘導パラメトリック過程により第１光，第２光，および第３光の間に相互作用を生じさせて第１光の量子状態を変化させて第２光路に出力する第２パラメトリック誘導部と、第２光路に配置され、第２パラメトリック誘導部を出射した光の中より光周波数ｆ１の光を透過させて第５光を出力する第２光フィルタとを備えるようにしてもよい。
【００１８】
上記光子発生装置において、第１光を生成する第１光源と、第２光を生成する第２光源と、第３光を生成する第３光源とを備え、第１光源より生成された第１光を分岐して第１パラメトリック誘導部および第２パラメトリック誘導部の各々に導き、第２光源より生成された第２光を分岐して第１パラメトリック誘導部および第２パラメトリック誘導部の各々に導き、第３光源より生成された第３光を分岐して第１パラメトリック誘導部および第２パラメトリック誘導部の各々に導くようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、誘導パラメトリック過程により第１光，第２光，および第３光の間に相互作用を生じさせて第１光の量子状態を変化させることで生成した光周波数ｆ１の第４光および第５光を一方に対して他方にπ／２の位相差を与えて干渉させるようにしたので、スペクトル広がりの極めて狭い光子を、より効率的に発生することができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における光子発生装置の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態２における光子発生装置の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００２２】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における光子発生装置の構成を示す構成図である。この光子発生装置は、光源１０１、位相調整部１０２、パラメトリック誘導部１０３、光フィルタ１０４、光スイッチ１０５、光遅延線１０６、位相シフタ１０７、合波部１０８、分波部１０９、光検出部１１０、および通知部１１１を備える。
【００２３】
光源１０１は、安定した光周波数ｆ１と安定した位相を有する微弱なコヒーレント光である第１光１５１を供給する。例えば、光源１０１は、周波数安定化レーザーと光減衰器により構成することができる。位相調整部１０２は、光源１０１から供給される第１光１５１の位相を所望とする状態に適切に調整する。
【００２４】
パラメトリック誘導部１０３は、各々が異なる光路で導かれた第１光１５１，第２光１５２，第３光１５３を入力し、誘導パラメトリック過程により第１光１５１，第２光１５２，および第３光１５３の間に相互作用を生じさせて第１光１５１の量子状態を変化させて第１光路１３１に出力する。実施の形態１において、第１光１５１は、第１光路１３１に導かれている。ここで、第１光１５１は、第２光１５２および第３光１５３より弱い強度とされている。加えて、光周波数の間にはｆ１+ｆ２=ｆ３の関係がある。
【００２５】
パラメトリック誘導部１０３は、二次非線形光学効果が得られる二次非線形光学媒質から構成すれば良い。パラメトリック誘導部１０３は、例えばニオブ酸リチウムなどの非線形光学特性を持った結晶から構成され、周期的なピッチ長で直列に接続した複数の領域から構成されて隣り合う領域は結晶の分極が反転した（非線形定数が周期的に反転された）状態とされている。
【００２６】
光フィルタ１０４は、第１光路１３１に配置され、パラメトリック誘導部１０３を出射した光の中より光周波数ｆ１の光を透過させて第４光を出力する。光フィルタ１０４は、周波数ｆ１を中心とする狭いスペクトル範囲だけを透過させる狭帯域光フィルタである。光フィルタ１０４により、パラメトリック誘導部１０３におけるパラメトリック相互作用中に生じた雑音光子や、アイドラー光やポンプ光の漏れを取り除く。
【００２７】
光スイッチ１０５は、光フィルタ１０４を出射した第４光を、所定の時間間隔で第２光路１３２および第３光路１３３に切り分ける。光遅延線１０６は、第３光路１３３に配置され、光スイッチ１０５における切り替え時間間隔に等しい遅延を与えて第５光とする。位相シフタ１０７は、第５光に対して第４光との間でπ／２の位相差を与える。
【００２８】
実施の形態１において、第３光路１３３は、反射部１１２，１１３を備える。光スイッチ１０５で第３光路１３３に切り分けられた第４光は、反射部１１２で進行方向を変更して光遅延線１０６に入射する。光遅延線１０６で遅延が与えられて出力した第５光は、反射部１１３で進行方向を変更して位相シフタ１０７に入射する。
【００２９】
合波部１０８は、第４光および位相シフタ１０７で位相が与えられた第５光を合波して（干渉させて）第１出力ポート１３４および第２出力ポート１３５に出力する。合波部１０８は、例えば、透過率５０％（反射率５０％）の半反射鏡である。分波部１０９は、合波部１０８より第２出力ポート１３５に出力された合波光を第３出力ポート１３６および検出ポート１３７に出力する。分波部１０９は、例えば、透過率５０％（反射率５０％）の半反射鏡である。
【００３０】
光検出部１１０は、分波部１０９より検出ポート１３７に出力された合波光の光子を弁別して個数を検出する。通知部１１１は、光検出部１１０が１つの光子を検出したことを通知する。光検出部１１０が１つの光子を検出した状態では、第３出力ポート１３６から単一光子が確率１で出力されている。
【００３１】
本発明では、光生成部で、各々が異なる光周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３のコヒーレントな第１光，第２光，第３光から、誘導パラメトリック過程により第１光，第２光，および第３光の間に相互作用を生じさせて第１光の量子状態を変化させ、光周波数ｆ１の第４光および第５光を生成し、光生成部で生成された第５光に対して第４光との間で、位相シフタ１０７でπ／２の位相差を与え、第４光および位相シフタ１０７で位相が与えられた第５光を合波部１０８で合波して第１出力ポート１３４および第２出力ポート１３５に出力し、合波部１０８より第２出力ポート１３５に出力された合波光を、分波部１０９で第３出力ポート１３６および検出ポート１３７に出力することが重要である。
【００３２】
実施の形態１では、上述した光生成部を、パラメトリック誘導部１０３，第１光路１３１，光フィルタ１０４，第２光路１３２，第３光路１３３，光スイッチ１０５，光遅延線１０６により構成している。
【００３３】
以下、より詳細に説明する。
【００３４】
パラメトリック誘導部１０３で、周波数ｆ１と位相の定まった微弱なコヒーレント光である第１光１５１をシグナル光とし、同時に入力される強度の強いアイドラー光としての第２光１５２およびポンプ光としての第３光１５３との間で、３つの光波が関与するパラメトリック相互作用を引き起こし、シグナル光における光子数分布に関する物理的な特性を操作し、コヒーレント状態とは異なる非古典的な状態にシグナル光（第１光）の量子力学的な状態を変調し、第４光（第５光）とする。
【００３５】
ここで、変調を受ける前の第１光１５１の量子状態をコヒーレント状態｜α〉で表し、変調を受けた後の非古典的な状態を｜ψ〉で表すものとする。｜Ψ〉は、一般に量子状態を記述する状態ベクトルであり、光子の個数がnである光子数確定状態｜ｎ〉を基底系｛  ｜０〉，｜１〉，｜２〉，｜３〉，｜４〉，・・・｝とし、線形結合  ｜Ψ〉＝ａ｜０〉＋ｂ｜１〉＋ｃ｜２〉＋ｄ｜３〉＋ｅ｜４〉＋・・・によって光波の量子力学的な特性を記述する（非特許文献２参照）。状態｜α〉も｜ψ〉も、周波数ｆ１をもつ単一モードの光子の集団から構成されている点では同じであるが、線形結合の係数の違いが光波の物理的な性質の違いをもたらす。
【００３６】
通常のレーザー光源から出力される光波は、コヒーレント状態（古典的な状態）であり、平均の光子数を｜α｜2とすると、各係数Ｃnは「Ｃn＝ｅｘｐ（｜α｜2／２）αn／√ｎ！」で表すことができる。αは複素数｜α｜ｅｘｐ（ｉφ）であり、｜α｜は振幅、φはｓｉｎ波で光波を表した場合の位相である。前述のパラメトリック相互作用の目的は、これらの係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，の値をＣnから必要とする値に変化させて非古典的な状態｜ψ〉を作ることにある。第１光１５１、第２光１５２、第３光１５３の位相関係と、第２光１５２、第３光１５３の強度を適切に選択することにより、これは物理的に可能である。
【００３７】
上述したことにより、変調して量子状態｜ψ〉に準備された微弱な第４光を、自分自身（第５光）と干渉させるために、光スイッチ１０５によって時間領域で第２光路１３２および第３光路１３３に２分割した後、パルスの前半部分にはパルス幅に相当する遅延を光遅延線１０６によりかけて第５光とし、透過率５０％の半透明鏡によってパルスの後半部分（第４光）と重ね合わせる。この重ね合わせにおいて、第４光と第５光との間の位相差がπ／２になるように、位相シフタ１０７で第５光の位相を調整する。
【００３８】
合波部１０８の２つの第１出力ポート１３４および第２出力ポート１３５のうち、第５光対の反射、第４光の透過した部分を第１出力ポート１３４に出力させ、第５光対の透過、第４光の反射した部分を第２出力ポート１３５に出力させる。第１光１５１の光子が、第１出力ポート１３４か第２出力ポート１３５か、どちらのポートに出力されるのかは、第１光１５１の量子状態｜ψ〉に依存する。
【００３９】
第２出力ポート１３５から出力される光波（合波光）を更に、分波部１０９によって２つに分波し、反射した光の光子を第３出力ポート１３６から出力する。分波部１０９を透過して検出ポート１３７に出力された光子は、光子数弁別の可能な光検出部１１０によって検出される。光検出部１１０に検出された光子の数が１個の場合に限って、通知部１１１によって光子の検出を通知（報知）する。
【００４０】
このとき、分波部１０９の反射ポートである第３出力ポート１３６からは、１個の光子が必ず出力されていることが、量子力学の原理（複数個の光子から成る系の振る舞いを規定するボース統計性）によって保証される。
【００４１】
上述した本発明の特徴は、シグナル光子の光周波数は、入力する第１光（コヒーレント状態）の周波数ｆ１で定まっており、このスペクトル広がりはパルス時間幅ΔＴの逆数（ΔＴ）-1で一意に決まることである。よって、（ΔＴ）-1が目標とする共鳴線幅に収まるように時間幅ΔＴを設定することで共鳴線に合致する単一光子を伝令信号付きで供給することが可能になる。
【００４２】
シグナル光の量子状態｜ψ〉を、光子数確定状態｜ｎ〉の重ね合わせ状態：｜ψ〉＝ａ｜０〉＋ｂ｜１〉＋ｃ｜２〉＋ｄ｜３〉＋ｅ｜４〉＋・・・によって記述するものとすると、合波部１０８における干渉の結果生じる光の量子状態｜Φ〉ABは、第１出力ポート１３４と第２出力ポート１３５に導かれる光子の個数が各々ｋとｌに確定した状態｜ｋ〉A｜ｌ〉Bを用いて、下記のように表すことができる。
【００４３】
【数１】
2017161619.tif 000003
【００４４】
シグナル光がコヒーレント状態｜α〉（古典的状態）のままであれば、以下に示す式等の値は厳密にゼロとなり、第２出力ポート１３５に光子が導かれることは決してない。
【００４５】
【数２】
2017161619.tif 000004
【００４６】
第１出力ポート１３４からの出力光もまたコヒーレント状態となる。
【００４７】
上述した状態に対し、｜ψ〉が非古典的な状態である場合には、以下の式などの値は、有限の値をとることができ、第２出力ポート１３５に光子が導かれる有限の確率が存在する。
【００４８】
【数３】
2017161619.tif 000005
【００４９】
ここで、第２出力ポート１３５に光子が導かれる場合には、｜２〉Bや｜４〉Bのように、光子は必ず偶数個のまとまりで行動し、光子が単独で第２出力ポート１３５に導かれることはないことが本質的である。もし光検出部１１０によって１個の光子が検出された場合には、通知部１１１からの伝令信号（通知）によって、もう１個の光子が第３出力ポート１３６から出力されていることを保証できる。つまり光子の出力のタイミングを伝令信号によって知ることができる。
【００５０】
第２出力ポート１３５に導かれた２つの光子が、分波部１０９によって、それぞれ反射、透過される確率は１／２であることを考慮すると、１パルスあたり単一光子の到来と出力を伝令付きで知ることのできる確率Ｐtotalは、以下の式（２）で与えられる。
【数４】
2017161619.tif 000006
【００５１】
一方、式（１）右辺の第８項では、｜４〉Bのように４個の光子が第２出力ポート１３５に導かれ、光検出部１１０によって１個の光子を検知したとき、第３出力ポート１３６から３個の光子が放出されるゼロではない確率がある。
【００５２】
そこで、伝令信号付きで単一光子が発生する確率を大きくし、余計な光子が発生してしまう確率を小さくするためには、以下の式（３）の値が大きく、式（４）の値が充分に小さくなるように、量子状態｜ψ〉＝ａ｜０〉＋ｂ｜１〉＋ｃ｜２〉＋d｜３〉＋ｅ｜４〉＋を適切に準備すればよい。
【数５】
2017161619.tif 000007
【００５３】
後述するように、入力するシグナル光のコヒーレント状態（古典的状態）における平均光子数の値｜α｜2が０．１程度の場合、式（３）の値は最大で〜２（｜α｜2）2の程度、このとき式（４）の値は〜２（｜α｜2）4の程度となる。よって１００回に１回の割合で、伝令付き単一光子を提供することが可能であり、複数個の光子が混入する割合は１％近くにまで低減することが可能である。
【００５４】
光子のスペクトル幅として１０ＭＨｚが要請される場合、対応するパルスの時間幅は１００ｎｓであり、１秒間あたり１０7回個のシグナルパルス光が供給される。これらの中で、４００回に１回、伝令付き単一光子が提供されるとすると、毎秒２×１０4回という高い供給レートが達成可能であることが分かる。この値は従来の技術に比べて４〜５桁近い大きな改善である。この供給レートにおける大幅な改善が本発明の手段の顕著な効果である。
【００５５】
本発明を具体的に実施する際には、微弱なシグナル光である第１光１５１を、パラメトリック誘導部１０３におけるパラメトリック相互作用によって、コヒーレント状態｜α〉から所望の非古典的量子状態｜ψ〉へと変換するために、下記に述べる物理過程として誘導パラメトリック相互作用を採用する。
【００５６】
誘導パラメトリック相互作用は、周波数ｆ３=ｆ１+ｆ２を有するポンプ光（第３光）の光子が、二次の非線形光学効果により光周波数ｆ１のシグナル光子と光周波数ｆ２のアイドラー光子とに変換される過程と、シグナル光子とアイドラー光子が同時に吸収されて、ポンプ光子に変換される逆過程とから構成される。
【００５７】
シグナル光（第１光）とアイドラー光（第２光）の位相の和φ１+φ２の値が、ポンプ光の位相φ３に対してπだけずれていた場合（逆位相の場合）には、逆過程が優勢となり、シグナル光から光子が抜かれて光波の量子状態は非古典的になる。
【００５８】
光波の量子状態を｜ψ〉＝ａ｜０〉＋ｂ｜１〉＋ｃ｜２〉＋ｄ｜３〉＋ｅ｜４〉＋で表し、初期状態を｜α〉として、相互作用に伴う各々の光子数確定状態｜ｎ〉に対する係数ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅの変化を近似的に計算すると、以下のようになる。
【００５９】
【数６】
2017161619.tif 000008
【００６０】
式（５）において、μはパラメトリック相互作用のパラメータである。μ＝０は相互作用が始まっていない状態に対応し、各係数の値は初期状態であるコヒーレント状態｜α〉を実際に与えている。
【００６１】
相互作用のパラメータμは、相互作用の係数ｌ、非線形媒体の長さＬNL、非線形媒体中の光波の伝搬速度ｖg、プランク定数を用いて、以下の式（６）で表せる。
【００６２】
【数７】
2017161619.tif 000009
【００６３】
相互作用の係数λは、真空の誘電率ε0、非線形媒体の二次の非線形光学定数χ2)、非線形媒体の断面積ａと長さＬNL、ポンプ光の実数振幅｜Ａ3｜、アイドラー光の実数振幅｜Ａ2｜、非線形媒体の比誘電率κNL、シグナル光のパルス時間幅ΔＴ、シグナル光の周波数ｆ１を用いて、以下の式（７）によって与えられる。
【００６４】
【数８】
2017161619.tif 000010
【００６５】
狭帯域幅に対応してパルス時間幅ΔＴを長くとる場合でも、ポンプ光とアイドラー光を充分に強くすることで相互作用の係数λの値を大きくし、所望のμの値を達成することは可能である。
【００６６】
【数９】
2017161619.tif 000011
【００６７】
このようにして、本発明の手段における伝令付き単一光子の供給レートを評価できる。
【００６８】
シグナル光に混入する背景雑音光は、光フィルタ１０４による周波数ｆ１を中心とする狭帯域光フィルタリングに加えて、下記の工夫を導入することにより充分に弱くすることができる。
【００６９】
パラメトリック誘導部１０３を構成する非線形媒体中では、前述した誘導パラメトリック過程と並行して、ポンプ光の光子が自発的にシグナル光とアイドラー光の光子に変換される自然パラメトリック過程が生じている。この過程で生じるシグナル光やアイドラー光は、ｆ１やｆ２を含む広いスペクトル広がりを有するため、この除去には狭帯域光フィルタリングが有効である。
【００７０】
自然パラメトリック過程が生じる確率振幅は、ポンプ光の振幅｜Ａ3｜  にのみ比例するので、｜Ａ3｜  とアイドラー光の振幅｜Ａ2｜との積｜Ａ3｜｜Ａ2｜の値を一定に保ったまま、｜Ａ2｜を大きくし同時に｜Ａ3｜を小さくすれば、誘導パラメトリック過程を維持したまま、自然パラメトリック過程のみを抑圧して背景雑音光を低減できる。
【００７１】
上記の理由により、自然パラメトリック過程のみを利用した方法（非特許文献３参照）と比べて、本発明の手段は著しい優位性をもっている。
【００７２】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態２における光子発生装置の構成を示す構成図である。この光子発生装置は、第１光生成部２００ａ、第２光生成部２００ｂ、位相シフタ２０７、合波部２０８、分波部２０９、光検出部２１０、および通知部２１１を備える。
【００７３】
第１光生成部２００ａは、第１光源２０１ａ、第１位相調整部２０２ａ、第１パラメトリック誘導部２０３ａ、第１光フィルタ２０４ａを備える。また、第２光生成部２００ｂは、第２光源２０１ｂ、第２位相調整部２０２ｂ、第２パラメトリック誘導部２０３ｂ、第２光フィルタ２０４ｂを備える。
【００７４】
第１光源２０１ａは、安定した光周波数ｆ１と安定した位相を有する微弱なコヒーレント光である第１光２５１ａを供給する。例えば、第１光源２０１ａは、周波数安定化レーザーと光減衰器により構成することができる。第１位相調整部２０２ａは、第１光源２０１ａから供給される第１光２５１ａの位相を所望とする状態に適切に調整する。
【００７５】
第１パラメトリック誘導部２０３ａは、各々が異なる光路で導かれた第１光２５１ａ，第２光２５２ａ，第３光２５３ａを入力し、誘導パラメトリック過程により第１光２５１ａ，第２光２５２ａ，および第３光２５３ａの間に相互作用を生じさせて第１光２５１ａの量子状態を変化させて第１光路２３１に出力する。実施の形態２において、第１光２５１ａは、第１光路２３１に導かれている。ここで、第１光２５１ａは、第２光２５２ａおよび第３光２５３ａより弱い強度とされている。加えて、光周波数の間にはｆ１+ｆ２=ｆ３の関係がある。
【００７６】
第１パラメトリック誘導部２０３ａは、二次非線形光学効果が得られる二次非線形光学媒質から構成すれば良い。第１パラメトリック誘導部２０３ａは、例えばニオブ酸リチウムなどの非線形光学特性を持った結晶から構成され、周期的なピッチ長で直列に接続した複数の領域から構成されて隣り合う領域は結晶の分極が反転した（非線形定数が周期的に反転された）状態とされている。
【００７７】
第１光フィルタ２０４ａは、第１光路２３１に配置され、第１パラメトリック誘導部２０３ａを出射した光の中より光周波数ｆ１の光を透過させて第４光を出力する。第１光フィルタ２０４ａは、周波数ｆ１を中心とする狭いスペクトル範囲だけを透過させる狭帯域光フィルタである。第１光フィルタ２０４ａにより、第１パラメトリック誘導部２０３ａにおけるパラメトリック相互作用中に生じた雑音光子や、アイドラー光やポンプ光の漏れを取り除く。
【００７８】
第２光生成部２００ｂは、第２光源２０１ｂ、第２位相調整部２０２ｂ、第２パラメトリック誘導部２０３ｂ、第２光フィルタ２０４ｂを備える。また、第２光生成部２００ｂは、第２光源２０１ｂ、第２位相調整部２０２ｂ、第２パラメトリック誘導部２０３ｂ、第２光フィルタ２０４ｂを備える。
【００７９】
第２光源２０１ｂは、安定した光周波数ｆ１と安定した位相を有する微弱なコヒーレント光である第１光２５１ｂを供給する。例えば、第２光源２０１ｂは、周波数安定化レーザーと光減衰器により構成することができる。第１位相調整部２０２ａは、第２光源２０１ｂから供給される第１光２５１ｂの位相を所望とする状態に適切に調整する。
【００８０】
第２パラメトリック誘導部２０３ｂは、各々が異なる光路で導かれた第１光２５１ｂ，第２光２５２ｂ，第３光２５３ｂを入力し、誘導パラメトリック過程により第１光２５１ｂ，第２光２５２ｂ，および第３光２５３ｂの間に相互作用を生じさせて第１光２５１ｂの量子状態を変化させて第２光路２３２に出力する。実施の形態２において、第１光２５１ｂは、第２光路２３２に導かれている。ここで、第１光２５１ｂは、第２光２５２ｂおよび第３光２５２ｃより弱い強度とされている。加えて、光周波数の間にはｆ１+ｆ２=ｆ３の関係がある。
【００８１】
第２パラメトリック誘導部２０３ｂは、二次非線形光学効果が得られる二次非線形光学媒質から構成すれば良い。第２パラメトリック誘導部２０３ｂは、例えばニオブ酸リチウムなどの非線形光学特性を持った結晶から構成され、周期的なピッチ長で直列に接続した複数の領域から構成されて隣り合う領域は結晶の分極が反転した（非線形定数が周期的に反転された）状態とされている。
【００８２】
第２光フィルタ２０４ｂは、第２光路２３２に配置され、第２パラメトリック誘導部２０３ｂを出射した光の中より光周波数ｆ１の光を透過させて第５を出力する。第２光フィルタ２０４ｂは、周波数ｆ１を中心とする狭いスペクトル範囲だけを透過させる狭帯域光フィルタである。第２光フィルタ２０４ｂにより、第２パラメトリック誘導部２０３ｂにおけるパラメトリック相互作用中に生じた雑音光子や、アイドラー光やポンプ光の漏れを取り除く。
【００８３】
実施の形態２において、位相シフタ２０７は、第１光生成部２００ｂで生成された第５光に対して第４光との間でπ／２の位相差を与える。
【００８４】
合波部２０８は、第４光および位相シフタ２０７で位相が与えられた第５光を合波して（干渉させて）第１出力ポート１３４および第２出力ポート１３５に出力する。合波部２０８は、例えば、透過率５０％（反射率５０％）の半反射鏡である。分波部２０９は、合波部２０８より第２出力ポート１３５に出力された合波光を第３出力ポート１３６および検出ポート１３７に出力する。分波部２０９は、例えば、透過率５０％（反射率５０％）の半反射鏡である。
【００８５】
光検出部２１０は、分波部２０９より検出ポート１３７に出力された合波光の光子を弁別して個数を検出する。通知部２１１は、光検出部２１０が１つの光子を検出したことを通知する。光検出部２１０が１つの光子を検出した状態では、第３出力ポート１３６から単一光子が確率１で出力されている。
【００８６】
本発明では、光生成部で、各々が異なる光周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３のコヒーレントな第１光，第２光，第３光から、誘導パラメトリック過程により第１光，第２光，および第３光の間に相互作用を生じさせて第１光の量子状態を変化させ、光周波数ｆ１の第４光および第５光を生成し、光生成部で生成された第５光に対して第４光との間で、位相シフタ２０７でπ／２の位相差を与え、第４光および位相シフタ２０７で位相が与えられた第５光を合波部２０８で合波して第１出力ポート１３４および第２出力ポート１３５に出力し、合波部２０８より第２出力ポート１３５に出力された合波光を、分波部２０９で第３出力ポート１３６および検出ポート１３７に出力することが重要である。
【００８７】
実施の形態２では、上述した光生成部を、第１光生成部２００ａおよび第２光生成部２００ｂにより構成している。実施の形態２では、別々に準備された同一の状態を有する２つの非古典的なシグナル光（第４光、第５光）を干渉させるようにしている。他の構成は、実施の形態１と同様であり、詳細は省略する。
【００８８】
なお、第１光を生成する第１光源と、第２光を生成する第２光源と、第３光を生成する第３光源とを備え、第１光源より生成された第１光を分岐して第１パラメトリック誘導部および第２パラメトリック誘導部の各々に導き、第２光源より生成された第２光を分岐して第１パラメトリック誘導部および第２パラメトリック誘導部の各々に導き、第３光源より生成された第３光を分岐して第１パラメトリック誘導部および第２パラメトリック誘導部の各々に導くようにしてもよい。
【００８９】
以上に説明したように、本発明によれば、誘導パラメトリック過程により第１光，第２光，および第３光の間に相互作用を生じさせて第１光の量子状態を変化させることで生成した光周波数ｆ１の第４光および第５光を一方に対して他方にπ／２の位相差を与えて干渉させるようにした。本発明により、原子の共鳴線の幅程度の極めて狭いスペクトル幅を有する単一光子を、発生を知らせる伝令信号付きで、効率的に発生することが可能になる。効率の改善度は従来技術に対して５桁にもおよぶ。これにより、スペクトル広がりの極めて狭い光子を、より効率的に発生させることができるようになり、単一光子と原子との共鳴的な相互作用過程を利用した量子状態の制御を、効率的に行うことが可能になる。
【００９０】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００９１】
１０１…光源、１０２…位相調整部、１０３…１０３、１０４…パラメトリック誘導部、１０５…光スイッチ、１０６…光遅延線、１０７…位相シフタ、１０８…合波部、１０９…分波部、１１０…光検出部、１１１…通知部、１１２…反射部、１１３…反射部、１３１…第１光路、１３２…第２光路、１３３…第３光路、１３４…第１出力ポート、１３５…第２出力ポート、１３６…第３出力ポート、１３７…検出ポート、１５１…第１光、１５２…第２光、１５３…第３光。
【図１】
2017161619.tif 000012
【図２】
2017161619.tif 000013