(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シグナル光子とアイドラー光子からなる発生時刻に相関をもつ光子対を発生する光子対源、アイドラー光子の光子数を検出する光子数検出器、光子数検出器からの光子数の情報に応じてゲート装置をコントロールするコントロール装置、および、シグナル光子の射出を制御するゲート装置を備え、
前記光子数検出器が、複数のビームスプリッタとＮ個の光子検出器とからなり、
前記複数のビームスプリッタが、少なくとも３つから構成され、いずれも５０：５０の分割比をもつ導波路型ビームスプリッタであり、
前記複数のビームスプリッタのうちの１つのビームスプリッタと他の２つのビームスプリッタとが導波路を介して直列に接続され、
前記他の２つのビームスプリッタが、それぞれ２つの前記検出器と直列に接続され、
前記Ｎがビームスプリッタからの出力の数と等しく、
同時に入射する光子の数が、入射する光子に応答して前記Ｎ個の光子検出器によって分別されることを特徴とする、発生時刻が既知である一定数の光子を発生するための光子数状態発生装置。
【請求項２】
光子対を発生する光子対源として、ポンプ光光源と、ポンプ光光源からのポンプ光が入射する非線型光学媒質を備えることを特徴とする、請求項１記載の光子数状態発生装置。
【請求項３】
ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度が、そのチューニングカーブがある特定の単一波長ａに対応する直線に接するような角度に設定された非線型光学結晶を備えることを特徴とする、請求項２記載の光子数状態発生装置。
【請求項４】
ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度が、そのチューニングカーブがある特定の波長ａ，ｂに対応する直線に接するような角度に設定された非線型光学結晶を備えることを特徴とする、請求項２記載の光子数状態発生装置。
【請求項５】
ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、導波路型の非線型光学媒質を備えることを特徴とする、請求項２記載の光子数状態発生装置。
【請求項６】
ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、擬似位相整合型の非線型光学媒質を備えることを特徴とする、請求項２または５に記載の光子数状態発生装置。
【請求項７】
光子数検出器からの光子数の情報に応じてゲート装置をコントロールするコントロール装置に、光子数検出器からの光子数の情報が一定の範囲のものを分別する分別部を備えることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の光子数状態発生装置。
【請求項８】
光子数検出器からの光子数の情報が、光子数検出器に入射した光子数が１つである場合を分別する分別部を備えることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の光子数状態発生装置。
【請求項９】
コントロール装置にクロック発生部および、そのクロックによって規定される１クロックパルスに１個の光子だけが発生するようにゲートを開閉する開閉回数判定部を備えることを特徴とする、請求項７または８記載の光子数状態発生装置。
【請求項１０】
コントロール装置にクロック発生部および、そのクロックによって規定される一定時間内に、最初の光子数検出器からの信号に対してのみゲートを開閉する開閉回数判定部を備えることを特徴とする請求項７または８記載の光子数状態発生装置。
【請求項１１】
アイドラー光子の射出を制御するゲート装置として、シャッターを複数備えることを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の光子数状態発生装置。
【請求項１２】
光子対から発生したアイドラー光子を、その光子の射出を制御するゲート装置に到達させる光ファイバーを備えることを特徴とする、請求項１から１１のいずれかに記載の光子数状態発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発生時刻が既知である一定数の光子を発生する装置に関し、更には既知のスケジュールで一定数の光子を発生する装置に関する。特に重要な前記一定数は１であり、量子暗号通信などに利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
量子暗号通信システムでは、光子一つづつに情報を載せることで、量子力学的な原理により盗聴者の発見を可能にする。しかし、もし同じ情報を２つ以上の光子に載せてしまえば、盗聴者によってそれらの光子の一部を利用され、盗聴者の存在を検出できない可能性がある。このように、理想的には最大でも１つの光子しか含まないパルスを利用する必要がある。このようなパルスとしては、１パルスあたりの光子の平均数μを約０．１になるように、レーザー光源からの光を減衰器によって減衰することが一般に行われている。このようにすることで、２つ以上の光子がパルス中に含まれる確率を１／１００に減少できるが、しかしパルス中に１つの光子が含まれている確率も０．１程度に減少することになる。つまり、μ＝０．１の場合、１０回に１度程度しか、実際に伝送が行われないことになる。
【０００３】
このような方法を改善する従来の技術の一例として、特表平８−５０５０１９の、「量子暗号を使用したキー分配システム及び方法」に記載されているものについて、該発明の実施の形態中での図５に相当する、図１１を用いて説明する。図１１において、７は非線型光学媒質９をポンプするためのポンプ光８を発生するレーザーである。非線型光学結晶９では、ポンプ光の光子一つが確率的に２つの光子を発生するパラメトリック蛍光対が発生する。そのうちの一つの光子（ここでは、アイドラー光子５と呼ぶ）は、光検出器およびゲートコントロール装置３８により検出され、検出した場合はもう一方の光子（シグナル光子６と呼ぶ）が通過するようにゲート装置４を開く。これらの従来技術では、特表平８−５０５０１９の、「量子暗号を使用したキー分配システム及び方法」の実施の形態にも記載されているように、光検出器として光電子増倍管や、逆方向電圧を越えて能動的クェンチングで用いられる半導体アバランシェフォトダイオード（以下、ＡＱ−ＡＰＤ）などが用いられていた。
【０００４】
しかし、従来の技術に用いられていた検出器を光子検出器としてそのまま用いていた場合には、検出器の反応時間内に複数入射した場合に、複数入射したことを検出することができなかった。たとえば、ＡＱ−ＡＰＤにおいては、光子がいくつ入射したかによらずパルスの大きさが一定になってしまうため、光子が入射したことは検出ができても、入射した光子の数に関する情報を得ることができなかった。また、光電子増倍管を用いる場合は、その量子効率ηが最大でも約２０％と低く、２光子検出の効率はηの２乗となるため極めて低く（４％）、２光子以上の入射を検出することはできなかった。
【０００５】
従来技術においては、これらの検出器の使用を前提としていたため、入射光子数の判定を行うような手段がなかった。
【０００６】
このため、パラメトリック蛍光から検出器の反応時間内程度に連続して複数の光子が発生した場合にも、ゲートを開いてしまい、２光子の状態が射出されてしまうという問題があった。
【０００７】
しかし、一方では、２光子が検出器の反応時間内程度に連続して存在するような「２光子状態」の生成などは不可能であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来の技術においては、検出器が入射光子数を検出することができずまたその入射した光子数を判定するような手段を持たなかったため、光子対が光子検出器の反応時間内に連続して発生していたような場合にもゲートを開いてしまい、検出器の反応時間内に２つまたはそれ以上の光子が含まれるような状態が射出されてしまうという欠点があった。
【０００９】
また、従来の方法においては、一つのパルス内部において複数の光子を正確に発生させることができなかった。
【００１０】
またパルス内部での光子発生のタイミングを制御することはできなかった。
【００１１】
この発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、検出器の反応時間内に相関のない２つまたはそれ以上の光子が含まれることを抑制し、また、一つのパルス内部において相関を有する複数の光子を正確に発生させ、また、パルス内部での光子発生のタイミングを制御することが可能なような装置を実現することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る光子数状態発生装置は、シグナル光子とアイドラー光子からなる発生時刻に相関をもつ光子対を発生する光子対源と、アイドラー光子の光子数を検出する光子数検出器と、光子数検出器からの光子数の情報に応じてゲート装置をコントロールするコントロール装置と、シグナル光子の射出を制御するゲート装置とを設け、前記光子数検出器が、複数のビームスプリッタとＮ個の光子検出器とからなり、前記複数のビームスプリッタが、少なくとも３つから構成され、いずれも５０：５０の分割比をもつ導波路型ビームスプリッタであり、前記複数のビームスプリッタのうちの１つのビームスプリッタと他の２つのビームスプリッタとが導波路を介して直列に接続され、前記他の２つのビームスプリッタが、それぞれ２つの前記検出器と直列に接続され、前記Ｎがビームスプリッタからの出力の数と等しく、同時に入射する光子の数が、入射する光子に応答して前記Ｎ個の光子検出器によって分別されるものである。
【００１３】
また、光子対を発生する光子対源として、ポンプ光光源と、ポンプ光光源からのポンプ光が入射する非線型光学媒質を設けたものである。
【００１４】
また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度が、そのチューニングカーブがある特定の単一波長ａに対応する直線に接するような角度に設定された非線型光学結晶を設けたものである。
【００１５】
また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度が、そのチューニングカーブがある特定の２つの波長ａ，ｂに対応する直線に接するような角度に設定された非線型光学結晶を備えたものである。
【００１６】
また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、導波路型の非線型光学媒質を備えたものである。
【００１７】
また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質として、擬似位相整合型非線型光学媒質を備えたものである。
【００１８】
また、光子数検出器からの光子数の情報が一定の範囲のものを分別する分別部を備えたものである。
【００２０】
また、光子数検出器からの光子数の情報が、光子数検出器に入射した光子数が１つである場合を分別する分別部を備えたものである。
【００２２】
また、コントロール装置にクロック発生部および、そのクロックによって規定される１クロックパルスに１個の光子だけが発生するようにゲート装置を開閉する開閉回数判定部を備えたものである。
【００２３】
また、コントロール装置にクロック発生部および、そのクロックによって規定される一定時間内に、最初の光子数検出器からの信号に対してのみゲート装置を開閉する開閉回数判定部を備えたものである。
【００２４】
また、アイドラー光子の射出を制御するゲート装置に、複数のシャッターを備えたものである。
【００２５】
また、光子対から発生したアイドラー光子を、その光子の射出を制御するゲート装置に到達させる光ファイバーを備えたものである。
【００２６】
【作用】
この発明においては、光子源において発生した、発生時刻に相関をもつシグナル光子とアイドラー光子からなる光子対の内、光子数検出器によってアイドラー光子の光子数を検出し、光子数検出器からの光子数の情報に応じてゲート装置をコントロールすることによって、アイドラー光子に含まれる光子数を制御するものである。
【００２７】
また、ポンプ光光源からのポンプ光を入射させ、非線型光学媒質によって発生する発生時刻に相関をもつ光子対をアイドラ光子とシグナル光子として用いる。
【００２８】
また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質の設置に当たり、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度を、そのチューニングカーブがある特定の単一波長ａに対応する直線に接するような角度に設定する。
【００２９】
また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質の設置に当たり、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度が、そのチューニングカーブがある特定の２つの波長ａ，ｂに対応する直線に接するような角度に設定する。
【００３０】
また、ポンプ光を導波路型の非線型光学媒質に入射する。
【００３１】
また、ポンプ光を擬似位相整合型非線型光学媒質に入射する。
【００３２】
また、光子数検出器からの光子数の情報が一定の範囲のものをコントロール装置の分別部で分別する。
【００３３】
また、入射光子数に応じて出力パルスの高さの変化する信号を出力する光子数検出器からの信号を、コントロール装置に備えた波高分別部によって、出力パルスの高さがある一定範囲のものを分別する。
【００３４】
また、光子数検出器からの光子数の情報が、光子数検出器に入射した光子数が１つである場合を分別する。
【００３５】
また、光子数検出器からの出力パルスの高さが、光子数検出器に入射した光子数が１つである場合の高さに相当するものを分別する。
【００３６】
また、コントロール装置のクロック発生部からのクロックによって規定される一定時間内に特定の回数を下回る回数のみゲート装置を開閉する。
【００３７】
また、コントロール装置のクロック発生部からのクロックによって規定される一定時間内に、最初の光子数検出器からの信号に対してのみゲート装置を開閉する。
【００３８】
また、アイドラー光子の光子の入射を光子検出器によって検出し、クロック発生器からのクロックによって規定される一定時間内に特定の回数を下回る回数のみシグナル光子の射出を制御するゲート装置を開閉する。
【００３９】
また、アイドラー光子の射出をゲート装置の複数のシャッターによって制御する。
【００４０】
また、光子対から発生したアイドラー光子を、光ファイバーを用いてその光子の射出を制御するゲート装置に到達させる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１は、この発明の一実施の形態の全体構成図である。この実施の形態では、検出器の分解時間τ以内に２光子が密集して存在しないような、単一光子状態を発生させる装置である。
【００４２】
（構成の説明）
図１において、１は発生時刻に相関をもつ光子対を発生する光子対源で、２はアイドラー光子５を検出する光子数検出器、３は光子数検出器からの光子数の情報に応じてゲート装置４をコントロールするコントロール装置である。ゲート装置４はシグナル光子６の射出を制御する。光子対源１は、非線型光学媒質９と、それをポンプするポンプ光８の光源７からなっている。非線型光学媒質９で発生したアイドラー光子５は、レンズ１５によって、目的のアイドラー光子を選択的に透過させるフィルタ１７を通しながら光子数検出器２に集光される。光子数検出器２からは、一度に入射する光子数に応じて波高の異なるパルスが出力される。そのパルスの波高が、入射光子数が１光子の時のみ、波高分別部１２はゲート装置制御部１３をトリガし、そのトリガによってゲート装置制御部１３は、一定の時間ゲート装置４を開く。
【００４３】
一方、シグナル光子６は、レンズ１５によって集光され、シグナル光の波長２λの光子を選択的に透過するフィルタ１６を通過しながら、光ファイバ１０へと集光される。１４は、光ファイバへ外部からの光を効率的に入射するための、微動装置である。光ファイバ１０は、以上のような手順によりアイドラー光子５が検出器２に入射してから、ゲート装置４が制御されるまでに必要な時間の間、シグナル光子６がゲート装置４に到達するのを遅延させるために用いられる。
【００４４】
（光子対発生器の説明）
非線型光学媒質９では、ダウンコンバージョンによってポンプ光８の波長λの２倍の波長２λをもつアイドラー光子５とシグナル光子６が発生する。本実施の形態では、ポンプ光源７として３５１．１ｎｍの波長をもつアルゴンレーザーを用いている。このとき、アイドラー光子５とシグナル光子６は、互いに発生する光子のエネルギーの和が、３５１．１ｎｍの波長の光子のエネルギーに等しい対、つまりそれぞれ７０２．２ｎｍの波長の光子としてそれぞれ発生する。
【００４５】
特願平９−３５３０７８の「光子ビーム発生装置」に詳しく記載されているように、非線型光学媒質の光学軸を、ポンプ光に対してある特定の角度に設定することにより、発生するアイドラ光子５とシグナル光子６を、ビーム状に、かつ、高効率で発生させることが可能である。図２に、β-Barium-Boron-Oxcide（ＢＢＯ）結晶の光学軸が、ポンプ光に対して５０．４度の角度に設定されている場合のチューニングカーブを示す。図２において、横軸は発生している光子の波長を、縦軸は、ポンプ光の入射方向に対する光子の出射方向を示している。図に見られるように２つのチューニングカーブが波長７０２．２ｎｍに対応する直線に接している。この条件においては、それぞれ波長７０２．２ｎｍの蛍光対がそれぞれプラス３度とマイナス３度の方向にビーム状に射出される。このような非線型光学媒質を用いることにより、ポンプ光の入射パワーに対して効率よく光子対を発生しており、結果として同等のレートで単一光子を発生する場合に、装置の消費電力を低く押さえることができている。
【００４６】
ここでは発生時刻に相関をもつ光子対の発生方法としてパラメトリック蛍光対を用いたが、もちろん他の方法によって発生することも可能である。たとえば、励起状態からのカスケード放出過程などを用いることができる。
【００４７】
（光子数検出器の説明）
この実施の形態では光子数検出器として、Boeing社の開発したVisual Light Photon Counter（以下ＶＬＰＣ）を用いている。このＶＬＰＣは、Applied Physics Letters 1999年２月１５日号に掲載の、Jungsang Kim, Shigeki Takeuchi, Yoshihisa Yamamoto, and Henry H. Hogueらによる「Multi-photon Counting using Visible Light Photon Counter」と題された論文に詳しく記述されているように、高い量子効率で、いくつの光子が入射したのかを検出可能である。
【００４８】
図３を用いて、この検出器に多数個の光子が入射した時の動作を説明する。図３において、横軸は時間を、縦軸はＶＬＰＣからの出力パルスを示す。また、グラフは、上からそれぞれ、（ａ）１光子だけの入射、（ｂ）２光子の同時入射、（ｃ）２光子が３ｎｓの間隔で入射、（ｄ）２光子が５ｎｓの間隔で入射した場合の出力パルスを示している。このように、２光子同時入射時には、パルス高さが１光子入射の約２倍になっている。
【００４９】
図４は、検出器に入射した光子数が１光子の場合と２光子の場合それぞれについて、パルス高さの分布を調べたものである。２光子入射は、パラメトリック蛍光対を用いて行われたが、光学的な調整の問題で、発生した光子対の光子両方をＶＬＰＣに入射できてはいない。グラフにおいて、１０ｍＶ以下の部分は、ノイズであり、３７ｍＶを中心としたピークが１光子検出に、７４ｍＶを中心とするピークが２光子検出に相当する。ちなみに、ＶＬＰＣは、その構造上、２個以上の光子が入射した場合、その個数にほぼ比例した高さの検出パルスを出力する。
【００５０】
（コントロール装置の具体的構成と説明）
光学的な調整の問題等を補正した評価では、この検出器からの波高が１０ｍＶから５６ｍＶの範囲だけを「１光子検出」と判断した場合、VLPCを用いた光子数検出器の１光子入射に対する量子効率７５％の場合、が２光子入射にも関わらず「１光子」と判断してしまう確率は３５％程度であった。分別部１２では、波高分析器を用いて、このような波高の信号を光子数検出器から入射された場合のみに、ゲート装置制御部をトリガする。そのトリガに従い、ゲート装置を開閉する。ゲート装置の開いている時間は、検出器の分解時間程度が望ましく本実施の形態では２ｎｓから５ｎｓ程度であることが望ましい。
【００５１】
前記の２光子を１光子と誤判断する確率は、ＶＬＰＣを用いた光子数検出器の量子効率をさらに高めることにより改善することができる。このような検出器では、、Applied Physics Letters 1999年２月２２日号に掲載の、Shigeki Takeuchi, Jungsang Kim, Yoshihisa Yamamoto, and Henry H. Hogueらによる「High quantum-efficiency single-photon counting system」に記載されている様に、90%近くまで量子効率を改善することが可能であり、その場合には２光子を１光子と誤判断する確率を１８％以下に押さえることが可能である。
【００５２】
このような検出器を用いることにより、従来技術において、「パラメトリック蛍光から検出器の反応時間内程度で連続して複数の光子が発生し、ゲートを開いてしまい、２光子の状態が射出されてしまう」といった事象を５分の１以下に低減できた。また、従来技術においては２光子射出を避けるために１パルス当りの平均光子数を小さく（例えば０．１）していたため、通信に利用した場合もそれだけ伝送効率が低下していたが、本実施の形態によれば、１パルス当り平均１個の光子を射出することができ、伝送効率を高めることができる。
【００５３】
実施の形態２
実施の形態１においては、発生するシグナル光の波長は７０２．２ｎｍであったが、もちろんこの波長は、適切なポンプ光源用レーザおよび非線型光学媒質を選択することにより任意に変えることができる。例えば、光ファイバーを用いた通信に一般に用いられている、１５５０ｎｍ付近、１３１０ｎｍ付近、また８００ｎｍ付近の波長を発生させることももちろん可能である。
【００５４】
実施の形態１（図２）に示した光子対の発生方法は、波長が等しく角度の広がりの小さい光子対ビームを得るのに適した方法であるが、別の目的に対しては、ＢＢＯ結晶の光学軸方向を変えることにより、波長の異なる光子対を得ることもできる。この場合には、図２の２つのチューニングカーブはそれぞれ異なる波長に対応する直線に接する。この場合にも、光子の取り出し方向は、図２に示したチューニングカーブの放物線の頂点に相当する角度で取り出す。この条件によれば、一般に円錐状に広がる光子が一本のビームにまとまり、分布密度の高い光子ビームが得られる。
【００５５】
本発明のこのようなその他の実施の形態としては、図１において、ポンプ光源７として半導体励起Ｙａｇレーザーのアップコンバージョンレーザーを用いて５３２ｎｍのポンプ光８を発生させ、シグナル光子６として１３１０ｎｍの光子を、アイドラー光子５として８９６ｎｍの光子を発生させる装置がある。この時、特願平９−３５３０７８の「光子ビーム発生装置」に詳しく記載されているように、非線型光学媒質の光学軸のなす角度を、そのチューニングカーブがそれぞれ１３１０ｎｍと８９６ｎｍで接するような角度に設定し、光子対の発生効率を高めている。また、このようにアイドラー光子の波長を可視光の波長に近い近赤外域に設定することにより、光子数検出器２の量子効率が高い状態で光子数の検出が可能になっている。
【００５６】
このような構成により、光ファイバー中での伝送損失の小さい１３１０ｎｍ付近の光子を、検出器の分解時間τ以内に２光子が密集して存在しないようにして発生させることが可能になった。また、本実施の形態においては、結晶の角度を上記のように設定することにより効率よく光子対を発生させることが可能になり、また、アイドラー光子の光子数の高い検出効率を維持することが可能になっており、結果として装置の消費電力を減少することができた。
【００５７】
実施の形態３
本発明のその他の実施の形態を図５に示す。この実施の形態において、７はポンプ光源、１８はポンプ光を導波させる光ファイバ、１９は導波路型非線型媒質、２０は導波路型非線型光学媒質１９から発生した蛍光対とポンプ光とを分別する導波路型フィルタ、２１はポンプ光の射出口、２２は蛍光対を２つの分岐に分別する導波路型フィルタである。
【００５８】
この実施の形態では、パラメトリック蛍光対は導波路型非線型光学媒質１９において発生する。蛍光対は、それぞれ縦、横の偏光を持っており、偏光ビームスプリッターとして動作する導波路型フィルタ２２において、そのうちの一方の偏光をもつものが光子数検出器２へ、もう一方が光ファイバ１０へと伝達される。
【００５９】
このような構成により、装置を小型化することが可能になり、また、光学的アライメントが不要になった。
【００６０】
この実施の形態では、非線型光学媒質として、導波路型非線型光学媒質１９を用いる。日本物理学会講演概要集第５３巻第２号第２分冊３４１ページの佐中らによる「光導波路型非線型素子による２光子相関現象Ｉ」によって述べられているように、擬似位相整合型の導波路型非線型媒質では、使用するポンプ光と発生する光子が平行に発生するような条件を満たすような非線型性を、擬似位相整合により得ることが可能になる。
【００６１】
これにより、ポンプ光と発生光子の波長を任意に選択することが可能になった。
【００６２】
実施の形態４
その他の実施の形態として、図３〜４に示した実施の形態１においての光子数検出器として、複数の光子検出器を組み合わせて構成した場合を図６に示す。図６において、２３、２４、２５は５０：５０の分割比をもつ導波路型ビームスプリッタ、２６から２９は光子検出器である。光子検出器２６から２９としては、光子の入射は検出可能であるが入射した光子数は分別できないような検出器を用いても良い。たとえば、入射した光子数アバランシェフォトダイオードをガイガーモードで駆動した、例えばセイコーＥＧ＆Ｇ製のＳＰＣＭ（Single Photon Counting Module）−ＡＱを用いることが可能である。
【００６３】
光ファイバを伝播してきた光子は、ビームスプリッタ２３から２５を経る間に、光子検出器２６から２９に対してそれぞれ４分の１の確率で入射する。このため、例えば検出器の反応時間内に２光子が入射した場合も、３／４の確率で２つの検出器が応答し、２光子として区別することができる。
【００６４】
検出器２６から２９からの検出信号は、そのままパラレル信号として図３の分別部１２に伝達されてもよいし、適当な形で圧縮してシリアル信号として伝達されてもよい。また、各検出器の後段に論理回路を組み込むことにより、光子数検出器と分別部１２を一体化することも可能である。
【００６５】
また、ここでは一例として検出器を４つ並列に用いる場合を示したが、任意の個数の検出器を用いてもよい。一般に、Ｎ個の検出器を並列で利用し、それらの検出器に等しい確率で光子が入射するようにビームスプリッターを設置した場合、２光子入射の検出確率は（Ｎ−１）／Ｎで与えられる。
【００６６】
また、この実施の形態ではビームスプリッター２３から２５には、５０：５０のビームスプリッタを用いたが、これは各検出器の量子効率などに応じて適当な分割率のビームスプリッターを用いてもよい。
【００６７】
また、光子を並列に設けられた複数の検出器で受光する方法としては、ここではビームスプリッターを用いて光路を複数に分割する方法を用いたが、例えば受光面を隣接して設置できるような場合には、レンズ等を用いて、それら複数の光子検出器によってそれぞれ均一な検出率で検出されるようにしてもよい。
【００６８】
実施の形態５
その他の実施の形態として、図１の判別部１２において、光子数検出器からの検出信号が、光子が２つ入射した場合に相当する成分のみを切り出すこともできる。この場合、ゲートからは、検出器の反応時間内に光子が２つ含まれるような状態が射出されることになる。もちろん、光子数Ｎ個の場合を切り出すことは可能であるし、２つ以上の光子が含まれるような状態や、偶数個の光子数状態など任意の組みあわせを発生させることも同様にして可能である。
【００６９】
実施の形態６
その他の実施の形態として、図１におけるゲート装置４にシャッターを２つ備えたものを図７に示す。図７において、１０はシグナル光子のゲート装置への到達時刻を遅延させるための光ファイバ、３０、３１は電気光学素子、３２から３４は偏光板、３５はノットゲート、３６は遅延器、１３はコントロール装置である。このとき、偏光板３３および３４は、偏光板３２を通過した光の偏光に対して最大の透過率を持ち、それと直交する偏光をもつ光は透過しないように設定する。また、電気光学素子３０と３１は、与えられる制御信号の論理が１であれば偏光を９０度回転し、０であれば偏光を回転しないものとする。
【００７０】
ゲート装置はできるだけ、光子が存在している間のみ開の状態を保ち、それ以外の間は閉であることが望ましい。しかし、電気光学素子単体では、そのゲート時間はその電気光学素子の繰り返し応答時間によって規定される時間以下には設定できなかった。この実施の形態は、シャッターを２つ備えることにより、シャッターの繰り返し応答時間より短時間でのゲート操作を実現した。
【００７１】
このゲート回路の動作を、図８を用いて説明する。図８において、横軸は時間をあらわす。一番上のグラフは、ゲート操作部に目標とする光子数の状態が到達している確率を、グラフＡは、図７のＡ点での信号を、グラフＢは同様に図７のＢ点での信号の状態を表す。Ａはコントロール装置からの制御信号そのものと考えてよい。電気光学素子３１は偏光回転子３３、３４との組み合わせにより論理０が入力されているときは光子を透過させ、また論理１が入力されているときは光子を遮蔽する。
【００７２】
電気光学素子３０も、偏光子３２、３３との組合せにより同様に働く。
【００７３】
図８のグラフＡの時刻Ｔ０における状態の様に、コントロール装置からの制御信号は常時は１に設定する。この場合、電気光学素子３１によって、ゲート装置としては光子を透過させない。このとき、電気光学素子３０には、ノットゲート３５によって論理０が入力されており、光子を透過させる。
【００７４】
コントロール装置１３は、偏光を光子がゲート操作部に到達すると予測される直前の時刻Ｔ１に電気光学素子３１が開になるように、出力の論理を１から０に変化させる。このとき、遅延器３６の働きにより、電気光学素子３０は論理０のままである。この時、光子はゲート装置を透過可能になっている。この状態は遅延機によって設定された時間の間継続する。その遅延の後、Ｔ２において電気光学素子への論理が１にフリップし、電気光学素子３０部分を光子は透過できなくなる。時刻Ｔ３で、制御信号は再び０から１へと変化し、電気光学素子３１は閉の状態に遷移し、Ｔ４で初期状態に戻る。
【００７５】
以上のような構成により、個々の電気光学素子の応答時間より短い時間だけゲート装置を開くことが可能になり、必要な光子のみを選択的に射出することが可能になった。
【００７６】
実施の形態７
この発明のその他の実施の形態を図９に示す。図９において、３７はコントロール装置に供給するクロックを発生するクロック発生部である。この実施の形態の動作を、図１０を用いて説明する。図１０において、横軸は時間を表す。グラフＣは図９の点Ｃにおいて観測したクロック信号、グラフＤは図９のＤ点において観測した、光子数検出器１２からの信号、グラフＥはコントロール装置１３からのゲート制御信号、グラフＦはゲート装置４を経たのち、光ファイバ１１において観測される光子の分布である。
【００７７】
グラフＤに見られるように、光子数検出器２からは、その時点での入射光子数に応じた波高をもつ信号が常に出力されている。波高分別部１２は、一度に一つの光子の入射に対応した波高を選択する。コントロール装置１３では、クロック立ち上がり後最初に入力される波高分別部からの信号に対してのみ、ゲート装置４を開く（グラフＥ）。結果として、光ファイバ１１からはグラフＦに見られるようなほぼ一定の間隔で単一の光子が射出される。
【００７８】
この実施の形態においては、波高分別部１２は光子が光子数検出器２の感度時間内に１つだけの状態を選別したが、もちろん２つまたはそれ以上の光子数に対応した状態を選別することも可能である。これにより、一定間隔に近い間隔をおいて、多光子数状態を発生させることが可能になる。発生する光子対の数を増やせば、この間隔をさらに一定に近づけることが可能である。
【００７９】
実施の形態８
実施の形態７においては、一定時間間隔内に１度だけゲート装置を開いたが、一定時間間隔内にＮ回だけゲート装置を開くことも可能である。このようにすれば、一定時間内にＮ個づつ光子を含むような状態を生成することができる。この場合も、発生する光子対の数を増やすことによって、Ｎ個の光子がある一定間隔で繰り返し発生しているような状態を生成することが可能になる。
【００８０】
【発明の効果】
以上のようにこの発明においては、発生時刻に相関をもつ光子対を発生する光子対源、そのうち一方の光子を検出する光子数検出器、光子数検出器からの光子数の情報に応じてゲート装置をコントロールするコントロール装置を備えることにより、検出器の応答速度に関わらず、任意の光子数状態を発生することができる。
【００８１】
また、光子対を発生する光子対源として、ポンプ光光源と、ポンプ光光源からのポンプ光が入射する非線型光学媒質を備えることにより、任意の光子数状態を効率よく発生することができる。
【００８２】
また、非線型光学素子を適切に調節することにより、さらに光子数状態を効率よく発生することができる。
【００８３】
また、非線型光学媒質として、導波路型の非線型光学媒質を備えることにより、光学的な調整が不要になり、取り扱いを容易にすることができる。
【００８４】
また、コントロール装置にクロック発生部および、そのクロックによって規定される一定時間内に特定の回数を下回る回数のみゲートを開閉する開閉回数判定部を備えることにより、一定時間間隔で光子数状態を発生することができる。
【００８５】
また、ゲート装置にシャッターを複数備えることにより、シャッター自体の繰り返し周波数よりも非常に短い時間でのゲートを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施の形態の全体構成図である。
【図２】  非線型光学媒質で発生する光子の波長と放出角度の関係を示す図である。
【図３】  この発明の一実施の形態で使用する光子数検出器の、入射光子と出力信号の関係を示す図である。
【図４】  この発明の一実施の形態で使用する光子数検出器の、入射光子数と出力信号の高さの関係を示す図である。
【図５】  この発明の一実施の形態の全体構成図である。
【図６】  この発明の一実施の形態で使用する光子数検出器の構成図である。
【図７】  この発明の一実施の形態で使用するゲート装置部の構成図である。
【図８】  この発明の一実施の形態で使用するゲート装置部の動作を説明するための図である。
【図９】  この発明の一実施の形態の全体構成図である。
【図１０】  この発明の一実施の形態の動作を説明するための図である。
【図１１】  従来の技術の一例の全体構成図である。
【符号の説明】
１  光子対源、２  光子数検出器、３  コントロール装置、４  ゲート装置、５  アイドラー光子、６  シグナル光子、７  レーザー、８  ポンプ光、９  非線型光学媒質、１０  光ファイバ、１１  光ファイバ、１２  波高分別部、    １３  ゲート装置制御部、１４  微動装置、１５  レンズ、１６  フィルタ、  １７  フィルタ、１８  光ファイバ、１９  導波路型非線型光学媒質、２０  導波路型フィルタ、２１  射出口、２２  導波路型フィルタ、２３  導波路型ビームスプリッタ、２４  導波路型ビームスプリッタ、２５  導波路型ビームスプリッタ、２６  光子検出器、２７  光子検出器、２８  光子検出器、２９  光子検出器、３０  電気光学素子、３１  電気光学素子、３２  偏光板、３３  偏光板、３４  偏光板、３５  ノットゲート、３６  遅延器、３７  クロック発生部、３８  光検出器およびゲートコントロール装置。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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