(57)【要約】【課題】測定に用いられる光子数検出器の特性に応じて、量子もつれ合いの忠実度を最大化する。【解決手段】量子もつれ合い生成装置は、ポンプ光の照射によるラマン散乱で光子を出力する第１光源ユニット及び第２光源ユニットと、前記第１光源ユニットと前記第２光源ユニットから出力される光子をビームスプリッタを通して検出する第１検出器及び第２検出器と、前記第１検出器と前記第２検出器の少なくとも一方の特性測定のための単一光子源と、前記単一光子源から前記第１検出器及び／または前記第２検出器までの第１光路と、前記第１光源ユニット及び前記第２光源ユニットから前記ビームスプリッタを通して前記第１検出器及び前記第２検出器に至る第２光路とを切り替える光学系と、前記第１光路で前記第１検出器と前記第２検出器の少なくとも一方の特性値を特定し、前記第２光路で、前記特性値に応じたポンプ光の強度で前記第１検出器及び前記第２検出器の出力に基づいて量子もつれ合いを生成する制御部と、を有する。【選択図】図２
2017167489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ光の照射によるラマン散乱で光子を出力する第１光源ユニット及び第２光源ユニットと、
前記第１光源ユニットと前記第２光源ユニットから出力される光子をビームスプリッタを通して検出する第１検出器及び第２検出器と、
前記第１検出器と前記第２検出器の少なくとも一方の特性測定のための単一光子源と、
前記単一光子源から前記第１検出器及び／または前記第２検出器までの第１光路と、前記第１光源ユニット及び前記第２光源ユニットから前記ビームスプリッタを通して前記第１検出器及び前記第２検出器に至る第２光路とを切り替える光学系と、
前記第１光路で前記第１検出器と前記第２検出器の少なくとも一方の特性値を特定し、前記第２光路で、前記特性値に応じたポンプ光の強度で前記第１検出器及び前記第２検出器の出力に基づいて量子もつれ合いを生成する制御部と、
を有することを特徴とする量子もつれ合い生成装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記第１光路で、前記単一光子源により照射される前記第１検出器と前記第２検出器の少なくとも一方の出力に基づいて前記第１検出器と前記第２検出器の量子効率と暗計数率を特定することを特徴とする請求項１に記載の量子もつれ合い生成装置。
【請求項３】
前記光学系は、前記第１光源ユニット及び前記第２光源ユニットから、前記ビームスプリッタを通さないで前記第１検出器及び前記第２検出器に至る第３光路に切り替え可能であり、
前記制御部は、前記第３光路で、前記第１光源ユニット及び前記第２光源ユニットのポンプ光の強度とラマン散乱の確率振幅との対応関係を取得することを特徴とする請求項１または２に記載の量子もつれ合い生成装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記特性値を用いて、生成された量子もつれ合いの忠実度を最大にする最適な確率振幅を算出し、前記対応関係から前記最適な確率振幅を与える最適強度を特定し、前記ポンプ光の強度を前記最適強度になるように調整することを特徴とする請求項３に記載の量子もつれ合い生成装置。
【請求項５】
ラマン散乱で生成される光子の量子干渉を測定することにより量子もつれ合いを生成する量子もつれ合い生成装置において、単一光子源を用いて前記光子を検出する検出器の特性値を特定し、
前記量子もつれ合い生成装置のポンプ光強度とラマン散乱の確率振幅との対応関係をあらかじめ取得し、
前記特性値を用いて、量子もつれ合いの忠実度を最大にする最適な確率振幅を算出し、
前記対応関係に基づいて、前記最適な確率振幅を与えるポンプ光強度に調整し、
前記調整されたポンプ光強度で前記量子もつれ合いを生成する、
ことを特徴とする量子もつれ合い忠実度向上方法。
【請求項６】
前記検出器の特性の特定と、前記対応関係の取得と、前記量子もつれ合いの生成で、前記検出器に至る光路を切り替えることを特徴とする請求項５に記載の量子もつれ合い忠実度向上方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子もつれ合い生成装置と、量子もつれ合い忠実度向上方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子暗号通信や量子計算では、プロトコルの資源として量子もつれ合いを用いる場合が多い。特に、距離的に離れた二つの物質系に量子もつれ合いを生成することで盗聴されない量子通信が実現される。量子もつれ合いの関係にある２つの粒子では相反する状態が重なり合っており、一方の粒子の状態を測定すると、瞬時に空間的に離れた他方の粒子の状態が決まる。
【０００３】
量子もつれ合いを生成する方法は、まず二つの物質系をそれぞれ光子と相互作用させ、次に必要に応じてそれらの光子を伝送し、最後に２光子干渉測定を行うことで結果的に二つの物質系の間の量子もつれ合いを生成する。
【０００４】
もつれ合いの生成に、非対称３準位（ラムダ）系のラマン散乱およびストークス光子のフォック基底を用いる方法が提案されている（たとえば、特許文献１及び非特許文献１参照）。ラムダ系として、非特許文献１では原子集団を使用し、特許文献１では結合量子ドットの集団を使用している。
【０００５】
図１は、量子もつれ合いの生成に用いられる公知の装置構成を示す。非対称３準位（ラムダ）系αとβを用意し、ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子をそれぞれ光ファイバ等の光路１０７と１０８で伝送する。フィルタ１０９と１１１によりポンプ光を遮断して、ストークス光子を同時にビームスプリッタ１２５に入射する。
【０００６】
各ストークス光子はビームスプリッタ１２５にて５０対５０の確率で透過または反射される。２つのラムダ系から１以下の確率振幅で入射するストークス光子の確率振幅が干渉して量子干渉が起きる。ビームスプリッタ１２５の出力（干渉結果）を２つの光子数検出器１２７、１２８（図中で「ＰＮＤ１」、「ＰＮＤ２」とも標記）で検出する。量子干渉で生じる状態の観測をBell（ベル）測定という。
【０００７】
ビームスプリッタ１２５の出力から、いずれか一方の光子数検出器１２７または１２８で１つだけ光子が検出されたときに、Bell測定が成功したことになる。このとき、２量子ビットの４つの状態のひとつが特定され、量子もつれ合いが生成されたことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１６−１２８７７号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】L-M. Duan et al., “Long-distance quantum communication with atomicensembles and linear optics”, NATURE 414, 413-418 (2001)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
一般に、生成された量子もつれ合いの忠実度が高ければ高いほど、量子もつれ合いを用いたプロトコルの配送距離、処理速度、ノイズ耐性、盗聴に対する安全性が向上する。しかし、光子数検出器（ＰＮＤ）の性能は必ずしも一定または完全ではない。どの光子数検出器も限られた量子効率とノンゼロの暗計数率をもっており、光子数検出器によって特性がばらつく。
【００１１】
従来の方法では、光子数検出器の特性に合わせて忠実度を向上させる最適な条件が考慮されていない。すなわち、使用する光子数検出器の性能にかかわらず、第一段階で２光子状態を一定程度以上排除するために、十分低いポンプ光強度で物質系と光子とのもつれ合い生成を行っている。そのため、光子数検出器の性能が低い場合は可能限界よりも低い忠実度しか得られない。逆に光子数検出器の性能が高い場合は、それに見合ったもつれ合い生成レートを得る機会を失っている。
【００１２】
本発明は光子数検出器の特性に合わせて忠実度を最大化する量子もつれ合い生成装置と忠実度向上方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一つの態様では、量子もつれ合い生成装置は、
ポンプ光の照射によるラマン散乱で光子を出力する第１光源ユニット及び第２光源ユニットと、
前記第１光源ユニットと前記第２光源ユニットから出力される光子をビームスプリッタを通して検出する第１検出器及び第２検出器と、
前記第１検出器と前記第２検出器の少なくとも一方の特性測定のための単一光子源と、
前記単一光子源から前記第１検出器及び／または前記第２検出器までの第１光路と、前記第１光源ユニット及び前記第２光源ユニットから前記ビームスプリッタを通して前記第１検出器及び前記第２検出器に至る第２光路とを切り替える光学系と、
前記第１光路で前記第１検出器と前記第２検出器の少なくとも一方の特性値を特定し、前記第２光路で、前記特性値に応じたポンプ光の強度で前記第１検出器及び前記第２検出器の出力に基づいて量子もつれ合いを生成する制御部と、
を有する。
【発明の効果】
【００１４】
１つの側面として、測定に用いる光子数検出器の特性に応じて、量子もつれ合いの忠実度を最大化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の量子もつれ合い生成装置の概略図である。
【図２】実施形態の量子もつれ合い生成装置の概略図である。
【図３】光子数検出器によるBell測定ともつれ合い生成の原理図である。
【図４】ラマン散乱によるラムダ系とストークス光子のもつれ合い生成の原理図である。
【図５】量子もつれ合いの忠実度のストークス光の振幅依存性を、量子効率ηと暗計数率νをパラメータとしてプロットした図である。
【図６】実施形態の量子もつれ合い忠実度の最大化のフローチャートである。
【図７】図６のＳ１１の光子数検出器の特性測定時の光学系を示す図である。
【図８】図６のＳ１２の光源強度とラマン振幅の測定時の光学系を示す図である。
【図９】図６のＳ１５の量子もつれ合い生成時の光学系を示す図である。
【図１０】各工程での光学系の配置例を示す図である。
【図１１】可動ミラーの回動例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態を説明する前に、上述した技術課題をもう少し詳しく説明する。
【００１７】
基底状態|G>αにあるラムダ系αに、励起状態|E>αとのエネルギー差に非共鳴のポンプ光を照射すると、ポンプ光強度の二乗に比例するある確率振幅ｆ1αで、直ちにポンプ光よりも波長の長いストークス光子が一個発生し、１粒子励起準安定状態|S1>αに遷移する。ポンプ光の強度を調整することで、ポンプ光がラムダ系でラマン散乱される確率振幅ｆ1αが調整され、ラムダ系とストークス光子のもつれ合い状態が生成される。したがって、散乱後の波動関数は、近似的に式（１）で表される。
【００１８】
【数１】
2017167489.tif 000003
ここで、|1>aは準安定状態への遷移による光路ａの１ストークス光子状態である。なお、式（１）では規格化定数を省略している。
【００１９】
同様に、もうひとつのラムダ系βにおける散乱後の波動関数は、近似的に式（２）で表される。
【００２０】
【数２】
2017167489.tif 000004
ここで、|1>bは準安定状態への遷移による光路ｂの１ストークス光子状態である。式（２）では規格化定数を省略している。
【００２１】
ストークス光子を、光路ａ（たとえば図１の光路１０７）と光路ｂ（たとえば図１の光路１０８）でBell測定器に導く。Bell測定器は、ビームスプリッタ１２５と２つの光子数検出器（ＰＮＤ）１２７、１２８を含む。２つのストークス光パルスのタイミングを合わせてビームスプリッタ１２５に入射して確率的Bell測定を行うことにより、一定の成功確率で、もとの２つのラムダ系の間に式（３）の量子もつれ合いが形成される。
【００２２】
【数３】
2017167489.tif 000005
確率的Bell測定とは、ビームスプリッタ１２５を二つのパルスが同時に通過することにより起こる量子干渉の結果を２つの光子数検出器１２７，１２８で検出するものである。片方の光子数検出器に一つだけ光子が検出された時に、Bell測定が成功したことになる。
【００２３】
ところが、ラマン散乱後のラムダ系とストークス光子の状態は、ポンプ光強度の４乗に比例する項も含んでいる。従って式（１）は、より正確には式（４）で表される。
【００２４】
【数４】
2017167489.tif 000006
ここで、|S2>αは２粒子励起準安定状態、|2>aは光路ａにおける２ストークス光子状態を表す。
【００２５】
ポンプ光強度の４乗に比例する項を反映せずにポンプ光強度を調整してラマン散乱の確率振幅ｆを調整することは、光子数検出器の特性ばらつきと相まって、量子もつれ合いの忠実度を十分に向上できない要因になり得る。
【００２６】
そこで、実施形態では、光子数検出器の特性に依らず、生成された量子もつれ合いの忠実度を最大化する構成と手法を提供する。
＜装置構成＞
図２は、実施形態の量子もつれ合い生成装置１の概略図である。量子もつれ合い生成装置１は、ポンプ光源１１、１２と、ポンプ光の強度を調整する強度変調器１３、１４と、光子を発生する物質系１５、１６と、ビームスプリッタ２５と、光子数検出器２７、２８と、単一光子源３１、３２と、光子数検出器２７、２８への光路を切り替える光学系５０と、光子数検出器２７、２８の出力に基づいて光子数検出器２７、２８の特性分析とポンプ光源の制御を行う制御部３０を有する。単一光子源３１、３２は、光子数検出器２７、２８の性能測定のために用いられる。
【００２７】
ポンプ光源１１、１２は、たとえばポンプパルスを出射するレーザ光源である。ポンプパルスの強度は、制御部３０からの制御信号に基づいて強度変調器１３、１４によって調整される。具体的には、生成された量子もつれ合いの忠実度が最大となるようにポンプパルスの強度が調整される。強度調整されたポンプパルスで対応する物質系１５、１６を照射することで、２光子状態を抑制しつつ、高い確率で１つのストークス光子を発生させることができる。光子発生のメカニズムについては後述する。
【００２８】
ポンプ光源１１、強度変調器１３、及びラムダ系１５で、第１のストークス光源ユニット２を形成する。ポンプ光源１２、強度変調器１４、及びラムダ系１６で、第２のストークス光源ユニット３を形成する。
【００２９】
ビームスプリッタ２５は、２つの物質系１５、１６で発生した光子間に量子干渉を起こさせる。光子数検出器２７、２８は、量子干渉の結果を測定する。ビームスプリッタ２５と光子数検出器２７及び２８で、Bell測定器５を形成する。
【００３０】
量子もつれ合い生成装置１はまた、物質系１５、１６から出力される光子を光学系５０に導く光伝送路１７、１８と、フィルタ１９、２１を有する。フィルタ１９、２１は、ポンプ光を遮断して、ラマン散乱により生成された光子だけを通過させる。
【００３１】
実施形態の特徴のひとつとして、光学系５０において、
（ａ）光子数検出器２７、２８の性能測定の段階、
（ｂ）光源強度とラマン散乱の確率振幅（適宜「ラマン振幅」と省略する）ｆの関係取得の段階、及び
（ｃ）量子もつれ合い生成（本操作）の段階、
の各段階で光路が切り替えられ、量子もつれ合いの忠実度の最大化を実現する。
【００３２】
光学系５０は、ミラー５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ、５５及び５６を有し、少なくともこれらのミラーの一部は可動ミラーである。上述した各段階（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に応じて、光学系５０の可動ミラーが操作され、所定の光路を形成する。可動ミラーは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーであってもよいし、圧電駆動方式のミラーであってもよい。
【００３３】
制御部３０は、プロセッサ３０１とメモリ３０２を有する。制御部３０は、光子数検出器２７、２８の性能測定の段階（ａ）では、単一光子源３１、３２を用いて測定された光子数検出器２７、２８の出力結果に基づいて、これらの検出器の特性、性能を特定する。
【００３４】
特性を表わすパラメータの例として、光子数検出器２７と２８の量子効率ηと暗計数率νを推定する。暗計数率νは、単位時間内で光子が入射していないにもかかわらず検出された確率である。光子数検出器２７、２８の量子効率ηと暗計数率νは、単一光子源３１、３２で直接光子数検出器２７、２８を照射することで測定できる。光子数検出器２７、２８の特性を精度良く測定するために、単一光子源３１と３２はできるだけ精度の高いものを用いるのが望ましい。たとえば均一な量子ドットにパルス幅を狭く絞った超短パルスを照射し、複数光子の同時発生を極力抑えて高純度で単一の光子を生成する単一光子源を用いる。特定された特性パラメータ値は、メモリ３０２に記録される。
【００３５】
制御部３０はまた、特定された量子効率ηと暗計数率νのときに、量子もつれ合いの忠実度を最大にするラマン散乱の確率振幅ｆを算出する。この処理については後述する。
【００３６】
制御部３０は、光源強度とラマン振幅ｆの関係を取得する段階（ｂ）では、ポンプパルスの強度を変化させながら、光子数検出器２７、２８の出力結果を取得して、ポンプパルスの強度とラマン振幅の対応関係を特定する。この対応関係は、メモリ３０２に記録される。制御部３０は、取得した対応関係に基づいて、量子もつれ合いの忠実度を最大にするラマン散乱の確率振幅ｆに対応するポンプ光の強度を決定する。
【００３７】
制御部３０は、本操作の段階（ｃ）では、決定されたポンプ光の強度となるように強度変調器１３、１４を制御し、ビームスプリッタ２５での量子干渉の結果を観測して量子もつれ合いを生成する。光子数検出器２７、２８のいずれか一方で１個の光子が検出されたときに、量子もつれ合いが形成されたものとしてこの光子を出力する。光子数検出器２７と２８をそれぞれ光子数検出器ｃとｄとすると、量子ビットで「|0>c,|1>d」または「|1>c,|0>d」の状態となって、式（３）で表される４つのBell状態の中の１つの状態が特定される。
【００３８】
図３は、光子数検出器２７、２８によるBell測定と量子もつれ合い生成の原理を説明する図である。たとえば、光子数検出器２７のみで１個の光子が検出された場合、量子もつれ合い|Ψ+>α,βが形成される。光子数検出器２８のみで１個の光子が検出された場合、量子もつれ合い|Ψ->α,βが形成される。制御部３０は、形成された|Ψ+>α,βまたは|Ψ->α,βを出力する。図２の構成で、ポンプパルスの強度がラマン振幅を最適化する強度に調整されているので、制御部３０で生成される量子もつれ合いの忠実度が最大化される。
＜原理説明＞
図４は、強度変調器１３または１４の出力パルスにより照射される物質系の模式図である。強度調整されたポンプバルスは、対応する物質系１５または１６に入射する。物質系の種類は特に限定されず、原子核のスピン状態と振動準位を利用する系など、任意の物質系を用いることができる。図２〜図４の例では、３つのエネルギー準位を使う３準位（ラムダ）系を用いる。具体的には、特許文献１のように、隣接するサイズの異なる２つの量子ドットによる結合量子ドットの状態遷移を用いてもよい。
【００３９】
強度調整されたポンプパルスの波長は、ラムダ系の基底状態|G>αと励起状態|E>αとのエネルギー差よりも小さい非共鳴波長とする。
【００４０】
ポンプパルスの照射により、基底状態|G>αにあるラムダ系αの物質が、励起状態|E>αに励起され、ある確率振幅（ラマン振幅）ｆ1αでポンプパルス波長よりも長い波長のストークス光子を１個発生（ラマン散乱）して、１粒子励起準安定状態|S1>αに遷移する。別の確率振幅（ラマン振幅）ｆ2αで、ストークス光子を２つ発生して２粒子励起準安定状態|S2>αに遷移する。
【００４１】
ラマン散乱後の光路ａでのストークス光子の状態は、ストークス光子が出力されていない|0>a、ストークス光子が１個出力される|1>a、ストークス光子が２個出力される|2>aを含む。ラマン散乱後のラムダ系αとストークス光子の状態（波動関数Ψ）は、式（５）で記述される。
【００４２】
|Ψ>α,a=|G>α|0>a + ｆ1α|S1>α|1>a +ｆ2α|S2>α|2>a           （５）
右辺の第３項は、ポンプパルスの強度の４乗に比例する項であり、２光子励起に起因する項である。２ストークス光子状態があると、光子数検出器２７、２８での判定に誤りが含まれやすい。したがって、できるだけ第３項の影響を小さくしたい。
【００４３】
しかし、ｆ2αを小さくするために強度変調器１３（または１４）でポンプ光の強度を下げると、１光子励起の確率振幅ｆ1αも小さくなり、量子効率が悪くなる。ｆ1αとｆ2αはトレードオフの関係にあるため、量子もつれ合いの生成にとって最適なレベルにポンプ光強度を制御したい。
【００４４】
発明者は、ポンプ光強度の最適条件は、光子数検出器２７、２８の性能に依存することを見出し、この知見に基づいてポンプ光強度を調整して量子もつれ合いの忠実度を最大化する。すなわち、光子数検出器２７、２８の特性または性能を評価して最適動作点を決定する。一方で、ポンプパルスの強度を変えながら発生するストークス光子の統計を評価して強度とラマン散乱の確率振幅との対応関係を取得するとともに、光子数検出器２７、２８の特性に応じて忠実度を最大にする最適な確率振幅を算出する。算出された確率振幅になるように強度が調整されたポンプパルスで物質系を照射して量子もつれ合いを生成することで、忠実度を最大化する。
【００４５】
図５のグラフ（ａ）は、確率振幅（ラマン振幅）ｆと量子もつれ合いの忠実度Ｆの関係を、暗計数率νをパラメータとしてプロットした図、グラフ（ｂ）は、確率振幅ｆと忠実度Ｆの関係を量子効率ηをパラメータとしてプロットした図である。グラフ（ａ）では量子効率ηを０．９に固定して、暗計数率νを変化させている。グラフ（ｂ）では暗計数率νを１０-3に固定して、量子効率ηを変化させている。量子効率ηも暗計数率νも、光子数検出器２７、２８の性能または特性によって異なる。
【００４６】
グラフの極大点すなわち最大の忠実度Ｆを与える確率振幅ｆをｆmax(η,ν)とする。光子数検出器２７、２８の性能を測定して量子効率ηと暗計数率νがわかれば、その値でのｆmax(η,ν)を求めることができる。
【００４７】
次に、ｆmax(η,ν)の算出について説明する。ｆmax(η,ν)は、次式で算出される。
【００４８】
【数５】
2017167489.tif 000007
ただし、
【００４９】
【数６】
2017167489.tif 000008
ここで、Ｆは忠実度、ｆは１ストークス光子発生の確率振幅、Cnmは２項係数である。Ｎは測定回数、ｍは実際に光子が検出された回数を示す。式（Ｂ）の量子効率ηと暗計数率νは、単一光子源３１、３２を用いた光子の検出で特定されるので、その値を代入すればよい。理論式（Ａ）の忠実度Ｆを最大にするｆがｆmax(η,ν)である。
【００５０】
より詳細に説明すると、ラマン散乱後のラムダ系αとβの状態は次式で表される。
【００５１】
【数７】
2017167489.tif 000009
ここで、|S2>αは２次のディッケ状態であり、式５．２で表される。
【００５２】
【数８】
2017167489.tif 000010
２つの光子数検出器ｃとｄの量子効率ηと暗計数率νを
【００５３】
【数９】
2017167489.tif 000011
とすると、光子数検出器ｃが１個の光子を検出し、光子数検出器ｄが光子を検出しないときのＰＯＶＭ（positive-Operator Valued Measure）要素は、以下のようになる。
【００５４】
【数１０】
2017167489.tif 000012
ここで、
【００５５】
【数１１】
2017167489.tif 000013
であり、式（Ｂ）の根拠である。簡略化のために、
【００５６】
【数１２】
2017167489.tif 000014
とおくと、Bell測定により選択された状態の忠実度Ｆは、
【００５７】
【数１３】
2017167489.tif 000015
となる。これが式（Ａ）の根拠である。
【００５８】
図５のグラフ（ａ）から明らかなように、忠実度は暗計数率νに対して敏感である。量子効率ηを１とすると（η＝１）、忠実度は
【００５９】
【数１４】
2017167489.tif 000016
と近似される。この場合、確率振幅（ラマン振幅）ｆを増大させてｆ>>√νとすることで忠実度Ｆは１に近づく。
【００６０】
また、理想状態であるν＝０が得られるとしたら、忠実度Ｆは
【００６１】
【数１５】
2017167489.tif 000017
と近似される。この場合、ｆ<<１とすることで、忠実度は１に近づく。この数学的検証は図５によって裏付けられている。
【００６２】
図５のグラフ（ａ）で、量子効率η＝０．９とすると、暗計数率νを１０-3から１０-1に増大させた場合（光子数検出器の性能が劣化した場合）、ラマン散乱の確率振幅ｆを０．１から０．６に向上しなければならない。逆に、暗計数率νが非常に小さい場合は、忠実度を最大にするために、ラマン散乱の確率振幅ｆを０．１近傍に維持するのが望ましい。
【００６３】
このように、光子数検出器の特性に応じてもつれ合い生成率が大きく影響されることが実証される。
＜量子もつれ合い忠実度の最大化＞
図６は、量子もつれ合い忠実度の最大化のフローチャートである。まず、量子もつれ合い生成（Bell測定）に使用する光子数検出器２７、２８の特性を特定する（Ｓ１１）。実施形態では、光子数検出器の特性として量子効率ηと暗計数率νを測定するが、応答速度やジッタ等のその他のパラメータを測定してもよい。上述のように、光子数検出器２７、２８の特性測定に、高性能の単一光子源３１、３２を用いる。
【００６４】
図７は、図６のステップＳ１１を実施する際の量子もつれ合い生成装置１の光学系５０の状態を示す。ストークス光源ユニット２及び３はＯＦＦ状態であり、ミラー５３ａと５３ｂが光路から外される。単一光子源３１から出力される光子は、ミラー５１ａで反射されて、直接光子数検出器２７に入射する。単一光子源３２から出力される光子は、ミラー５１ｂで反射されて、直接光子数検出器２８に入射する。ストークス光源ユニット２及び３がＯＦＦなので、その他のミラー５２ａ、５２ｂ、５５、５６は単一光子の測定に影響しない。ビームスプリッタ２５も測定に影響しない。
【００６５】
制御部３０は、光子数検出器２７、２８でのカウント値に基づいて量子効率ηと暗計数率νを特定し、特定結果をメモリ３０２に記録する。
【００６６】
図６に戻って、ポンプ光源１１、１２の強度とラマン散乱の確率振幅ｆの関係を事前に測定する（Ｓ１２）。この場合、単一光子源３１、３２をＯＦＦにして、ポンプ光源１１、１２からの出力光を、ビームスプリッタ２５を通さずに、直接光子数検出器２７、２８で検出する。
【００６７】
図８は、図６のステップＳ１２の実施する際の量子もつれ合い生成装置１の光学系５０の状態を示す。単一光子源３１、３２の出力をＯＦＦにし、光路から外されていたミラー５３ａと５３ｂを初期位置に戻す。
【００６８】
強度変調器１３、１４を制御してポンプ光源１１、１２から出力されたポンプパルスの強度を少しずつ変えながら、発生するストークス光子の数を光子数検出器２７、２８でカウントする。制御部３０は、カウント値に基づいて、ラマン散乱により１個のストークス光子及び／または２個のストークス光子が光路に出力された確率振幅ｆを計算し、ポンプ光源の強度レベルと対応付けてメモリ３０２に記録する。なお、ステップＳ１１とステップＳ１２の順番は逆であってもよい。
【００６９】
図６に戻って、理論式（Ａ）、（Ｂ）を用いて、特定された量子効率η及び暗計数率νで忠実度Ｆを最大にするラマン散乱の確率振幅ｆmaxを算出する（Ｓ１３）。このプロセスで、制御部３０のプロセッサ３０１が、メモリ３０２から理論式（Ａ）、（Ｂ）と、測定された量子効率η及び暗計数率νを読み出して、ｆmaxを算出する。
【００７０】
次に、制御部３０は、メモリに記録されたポンプ光強度とラマン散乱の確率振幅の関係を参照して、最大の確率振幅ｆmaxが得られるポンプ光の強度を特定し、強度変調器１３，１４を制御して、ラムダ系１５、１６への入射ポンプ光の強度を調整する（Ｓ１４）。
【００７１】
最後に、強度が最適化されたポンプ光でラムダ系１５、１６を照射してBell測定を行い量子もつれ合いを生成する（Ｓ１５）。
【００７２】
図９は、図６のＳ１５（本操作）のときの量子もつれ合い生成装置１の光学系５０の状態を示す。ミラー５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂを光路から外す。単一光子源３１、３２はＯＦＦにされ、ミラー５３ａ、５３ｂは光路に影響しないので挿入しておいてもよいが、除外してもよい。これにより、使用する光子数検出器２７、２８の特性に応じて最適化されたポンプ光強度でラムダ系１５、１６を照射して、量子もつれ合いの忠実度を最大にする。
【００７３】
図１０は、操作段階に応じた光学系５０の光学素子の配置状態を示す図である。図１０（ａ）では、光子数検出器２７、２８の特性測定時（Ｓ１１）に、ミラー５１ａ、５１ｂだけを挿入して、あとは除外する。ビームスプリッタ２５は、単一光子源３１、３２の光路に影響しないので、図１０（ｂ）に示すように、挿入しておいてもよい。あるいは、図７に示すように、ストークス光源ユニット２及び３をＯＦＦにすることで、ミラー５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂを挿入しておいてもよい。
【００７４】
図１０（ａ）で、ポンプ光強度とラマン振幅の関係を測定するときは（Ｓ１２）、ミラー５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂを除外してもよい。この場合は、光子数検出器２７、２８の入射面を光伝送路１７、１８の出射光路に向ける。あるいは図１０（ｂ）に示すように、すべての光学素子を挿入しておいてもよい。これは、図８の構成と一致する。
【００７５】
本操作時は、図１０（ａ）、図１０（ｂ）で、ビームスプリッタ２５だけを挿入して、ミラー５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂを除外する。もっとも、単一光子源３１、３２をＯＦＦにすることで、図９のように、ミラー５３ａ、５３ｂを挿入しておいてもよい。
【００７６】
図１１は、ミラーの回動を示す図である。図１１（ａ）のように、使用時にはミラーＭをＺ方向に立て、不使用のときはＸ−Ｙ面内に倒す構成としてもよい。または、図１１（ｂ）のように、Ｘ−Ｙ面内で回動する構成とし、使用時に光路内に挿入してもよい。
【００７７】
このような構成を有する量子もつれ合い生成装置１を用いることで、実際に使用される光子数検出器２７、２８の特性に応じて、量子もつれ合いの忠実度を理論上可能な最大の値に設定することができる。その結果、得られた量子もつれ合いを利用した量子情報処理や量子暗号通信装置の処理速度、処理効率、セキュリティ上の安全性を最適化できる。ひいては装置資源が効率化され、初期コストやランニングコストの低減にもつながる。
【００７８】
光子数検出器の特性は、使っている間にも徐々に劣化あるいは変化していく。量子もつれ合い生成装置１で随時動作点の最適化の手順を行うことによって、常に装置の性能を最適に維持することができる。
【００７９】
実施形態では、ストークスラマン散乱により照射光の波長よりも長い波長のストークス光子を発生させていたが、反ストークスラマン散乱により、照射光の波長よりも短い波長を有するアンチストークス光子を発生させる反ストークス光源ユニットを用いてもよい。この場合は物質系の初期状態が準安定状態であり、アンチストークス光子の放出により基底状態に遷移する。この構成によっても、光子数検出器の性能に応じて最適化された強度のポンプパルスで照射するので、忠実度を最大にする確率振幅ｆmaxで、１つのアンチストークス光子が出力される。
【００８０】
実施形態では、式（５）に基づいて、１ストークス光子発生と２ストークス光子発生の両方を用いてストークス光子の統計を評価したが、１ストークス光子発生の確率振幅と、２ストークス光子発生の確率振幅のいずれか一方を用いてポンプ光強度との対応関係を取得してもよい。この場合も、対応関係から忠実度を最大にするｆmaxを与えるポンプ光強度を決定することができる。
【００８１】
また、光子数検出器２７、２８のいずれか一方の量子効率ηと暗計数率νを用いてｆmaxを求めてもよいし、２つの検出器の特性値の平均を用いてもよい。あるいは、１つの単一光子源３１または３２を用いて、光子数検出器２７、２８のいずれか一方または両方の特性値を取得してもよい。この場合も、特定された特性値と用いて、忠実度を最大にするｆmaxを算出することができる。
【００８２】
以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
（付記１）
ポンプ光の照射によるラマン散乱で光子を出力する第１光源ユニット及び第２光源ユニットと、
前記第１光源ユニットと前記第２光源ユニットから出力される光子をビームスプリッタを通して検出する第１検出器及び第２検出器と、
前記第１検出器と前記第２検出器の少なくとも一方の特性測定のための単一光子源と、
前記単一光子源から前記第１検出器及び／または前記第２検出器までの第１光路と、前記第１光源ユニット及び前記第２光源ユニットから前記ビームスプリッタを通して前記第１検出器及び前記第２検出器に至る第２光路とを切り替える光学系と、
前記第１光路で前記第１検出器と前記第２検出器の少なくとも一方の特性値を特定し、前記第２光路で、前記特性値に応じたポンプ光の強度で前記第１検出器及び前記第２検出器の出力に基づいて量子もつれ合いを生成する制御部と、
を有することを特徴とする量子もつれ合い生成装置。
（付記２）
前記制御部は、前記第１光路で、前記単一光子源により照射される前記第１検出器と前記第２検出器の少なくとも一方の出力に基づいて、前記第１検出器と前記第２検出器の量子効率(η)と暗計数率(ν)を特定することを特徴とする付記１に記載の量子もつれ合い生成装置。
（付記３）
前記光学系は、前記第１光源ユニット及び前記第２光源ユニットから、前記ビームスプリッタを通さないで前記第１検出器及び前記第２検出器に至る第３光路に切り替え可能であり、
前記制御部は、前記第３光路で、前記第１光源ユニット及び前記第２光源ユニットのポンプ光の強度とラマン散乱の確率振幅との対応関係を取得することを特徴とする付記１または２に記載の量子もつれ合い生成装置。
（付記４）
前記制御部は、前記ポンプ光の強度を変えながら、前記第１検出器及び前記第２検出器で検出される光子の統計を評価することで、前記対応関係を取得することを特徴とする付記３に記載の量子もつれ合い生成装置。
（付記５）
前記制御部は、１光子発生の確率振幅と２光子発生の確率振幅の少なくとも一方と、前記ポンプ光の強度との対応関係を取得することを特徴とする付記４に記載の量子もつれ合い生成装置。
（付記６）
前記制御部は、前記特性値を用いて、生成された量子もつれ合いの忠実度を最大にする最適な確率振幅を算出し、前記対応関係から前記最適な確率振幅を与える最適強度を特定し、前記ポンプ光の強度を前記最適強度になるように調整することを特徴とする付記３に記載の量子もつれ合い生成装置。
（付記７）
前記制御部は、前記量子もつれ合いの忠実度を表わす理論式
【数１６】
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ただし、
【数１７】
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を用いて、前記最適な確率振幅を算出することを特徴とする付記６に記載の量子もつれ合い生成装置。
（付記８）
前記第１光源ユニットは、第１ポンプ光源と、前記第１ポンプ光源の強度を調整する第１強度変調器と、強度変調された前記ポンプ光の入射により光子を出力する３準位の第１物質系を有し、
前記第２光源ユニットは、第２ポンプ光源と、前記第２ポンプ光源の強度を調整する第２強度変調器と、強度変調された前記ポンプ光の入射により光子を出力する３準位の第２物質系を有し、
前記制御部は、前記第１強度変調器と前記第２強度変調器を制御して、前記ポンプ光の強度を調整することを特徴とする付記６に記載の量子もつれ合い生成装置。
（付記９）
ラマン散乱で生成される光子の量子干渉を測定することにより量子もつれ合いを生成する量子もつれ合い生成装置において、単一光子源を用いて前記光子を検出する検出器の特性値を特定し、
前記量子もつれ合い生成装置のポンプ光強度とラマン散乱の確率振幅との対応関係をあらかじめ取得し、
前記特性値を用いて、量子もつれ合いの忠実度を最大にする最適な確率振幅を算出し、
前記対応関係に基づいて、前記最適な確率振幅を与えるポンプ光強度に調整し、
前記調整されたポンプ光強度で前記量子もつれ合いを生成する、
ことを特徴とする量子もつれ合い忠実度向上方法。
（付記１０）
前記検出器の特性の特定と、前記対応関係の取得と、前記量子もつれ合いの生成で、前記検出器に至る光路を切り替えることを特徴とする付記９に記載の量子もつれ合い忠実度向上方法。
【符号の説明】
【００８３】
１  量子もつれ合い生成装置
２、３ストークス光源ユニット
５  Bell測定器（量子干渉測定器）
１１、１２  ポンプ光源
１３、１４  強度変調器
１５、１６  物質系（３準位系）
１７、１８  光伝送路
１９、２１  フィルタ
２５  ビームスプリッタ
２７、２８  光子数検出器（検出器）
３０  制御部
３１、３２  単一光子源
５０  光学系
５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ、５５、５６  ミラー
３０１  プロセッサ
３０２  メモリ
【図１】
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【図２】
2017167489.tif 000021
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2017167489.tif 000026
【図８】
2017167489.tif 000027
【図９】
2017167489.tif 000028
【図１０】
2017167489.tif 000029
【図１１】
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