(57)【要約】【課題】微細構造分裂に起因するエネルギー相関を消去し得る相関光子生成システムを提供する。【解決手段】この相関光子生成システムは、偏光状態とエネルギー状態とに関して互いに相関する光子１ｐ，２ｐを生成する光子対生成部３１と、これら光子１ｐ，２ｐの波長をそれぞれ変換してこれら光子１ｐ，２ｐ間のエネルギー状態に関する相関を消去することにより変換光１ａ，２ａをそれぞれ生成する第１波長変換部１および第２波長変換部２と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光状態とエネルギー状態とに関して互いに相関する第１および第２の光子を生成する光子対生成部と、
前記第１および第２の光子の波長をそれぞれ変換して前記第１および第２の光子間の前記エネルギー状態に関する相関を消去することにより第１および第２の変換光をそれぞれ生成する第１波長変換部および第２波長変換部と、
を備え、
前記第１および第２の変換光はエンタングルド状態の光子対を構成する、相関光子生成システム。
【請求項２】
請求項１記載の相関光子生成システムであって、前記第１波長変換部および前記第２波長変換部は、前記第１および第２の光子間のエネルギー状態に関する相関を消去して前記偏光状態に関する相関のみを残すことにより前記第１および第２の変換光をそれぞれ生成する、相関光子生成システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の相関光子生成システムであって、前記光子対生成部は、１つの励起状態と、１つの基底状態と、前記励起状態と前記基底状態の間にある２つの中間励起状態とを有する発光素子を含み、前記２つの中間励起状態は互いに異なるエネルギー準位を有する、相関光子生成システム。
【請求項４】
請求項３記載の相関光子生成システムであって、前記発光素子は、互いに結合した２個の励起子からなる励起子分子を有し、
前記励起子分子の状態は、前記励起状態に対応しており、
前記２個の励起子の状態は、それぞれ、前記２つの中間励起状態に対応しかつ微細構造分裂したエネルギー準位を有する、相関光子生成システム。
【請求項５】
請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の相関光子生成システムであって、前記光子対生成部は、前記第１の光子を選択的に前記第１波長変換部に導くとともに前記第２の光子を前記第２波長変換部に導く光学素子を含む、相関光子生成システム。
【請求項６】
請求項１から５のうちのいずれか１項に記載の相関光子生成システムであって、前記第１波長変換部は、前記第１の光子を単一のエネルギーに対応する第１波長帯の光子に変換し、前記第２波長変換部は、前記第２の光子を単一のエネルギーに対応する第２波長帯の光子に変換する、相関光子生成システム。
【請求項７】
請求項６記載の相関光子生成システムであって、
前記第１波長変換部は、
前記第１の光子を、第１の偏光状態を有する第１偏光成分と前記第１の偏光状態とは異なる第２の偏光状態を有する第２偏光成分とに分離する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記第１偏光成分の周波数を変換して前記第１波長帯を持つ偏光成分を生成する第１の光周波数変換素子と、
前記第２偏光成分の周波数を変換して前記第１波長帯と同じ波長帯を持つ偏光成分を生成する第２の光周波数変換素子と、
前記第１の光周波数変換素子で生成された偏光成分と前記第２の光周波数変換素子で生成された偏光成分とを合波して前記第１の変換光を生成する第１の光合波器と、を含み、
前記第２波長変換部は、
前記第２の光子を、前記第１の偏光状態を有する第３偏光成分と前記第２の偏光状態を有する第４偏光成分とに分離する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第３偏光成分の周波数を変換して前記第２波長帯を持つ偏光成分を生成する第３の光周波数変換素子と、
前記第４偏光成分の周波数を変換して前記第２波長帯と同じ波長帯を持つ偏光成分を生成する第４の光周波数変換素子と、
前記第３の光周波数変換素子で生成された偏光成分と前記第４の光周波数変換素子で生成された偏光成分とを合波して前記第２の変換光を生成する第２の光合波器と、を含む、相関光子生成システム。
【請求項８】
請求項６記載の相関光子生成システムであって、
前記第１波長変換部は、
前記第１の光子を、第１の偏光状態を有する第１偏光成分と前記第１の偏光状態とは異なる第２の偏光状態を有する第２偏光成分とに分離する第１の光合分波器と、
前記第１偏光成分の周波数を変換して前記第１波長帯を持つ偏光成分を生成する第１の光周波数変換素子と、
前記第２偏光成分の周波数を変換して前記第１波長帯と同じ波長帯を持つ偏光成分を生成する第２の光周波数変換素子と、
前記第１の光周波数変換素子で生成された偏光成分を前記第２の光周波数変換素子を介して前記第１の光合分波器に伝搬するととともに、前記第２の光周波数変換素子で生成された偏光成分を前記第１の光周波数変換素子を介して前記第１の光合分波器に伝搬する第１のループ状光路と、を含み、
前記第２波長変換部は、
前記第２の光子を、前記第１の偏光状態を有する第３偏光成分と前記第２の偏光状態を有する第４偏光成分とに分離する第２の光合分波器と、
前記第３偏光成分の周波数を変換して前記第２波長帯を持つ偏光成分を生成する第３の光周波数変換素子と、
前記第４偏光成分の周波数を変換して前記第２波長帯と同じ波長帯を持つ偏光成分を生成する第４の光周波数変換素子と、
前記第３の光周波数変換素子で生成された偏光成分を前記第４の光周波数変換素子を介して前記第２の光合分波器に伝搬するととともに、前記第４の光周波数変換素子で生成された偏光成分を前記第３の光周波数変換素子を介して前記第２の光合分波器に伝搬する第２のループ状光路と、を含み、
前記第１の光合分波器は、前記第１の光周波数変換素子で生成されかつ前記第１ループ状光路を伝搬された偏光成分と前記第２の光周波数変換素子で生成されかつ前記第１のループ状光路を伝搬された偏光成分とを合波して前記第１の変換光を生成し、
前記第２の光合分波器は、前記第３の光周波数変換素子で生成されかつ前記第２のループ状光路を伝搬された偏光成分と前記第４の光周波数変換素子で生成されかつ前記第２のループ状光路を伝搬された偏光成分とを合波して前記第２の変換光を生成する、
相関光子生成システム。
【請求項９】
請求項７または８記載の相関光子生成システムであって、
前記第１、第２、第３および第４の光周波数変換素子の各々は、励起光を使用して光周波数を変換する非線形光学素子を含む、相関光子生成システム。
【請求項１０】
請求項９記載の相関光子生成システムであって、
前記第１波長変換部は、入射光から０次光および１次回折光を生成する音響光学変調器を更に含み、
前記第１の光周波数変換素子の非線形光学素子は、前記０次光を励起光として使用して光周波数を変換し、前記第２の光周波数変換素子の非線形光学素子は、前記１次回折光を励起光として使用して光周波数を変換する、相関光子生成システム。
【請求項１１】
請求項９記載の相関光子生成システムであって、
前記第２波長変換部は、入射光から０次光および１次回折光を生成する音響光学変調器を更に含み、
前記第３の光周波数変換素子の非線形光学素子は、前記０次光を励起光として使用して光周波数を変換し、前記第４の光周波数変換素子の非線形光学素子は、前記１次回折光を励起光として使用して光周波数を変換する、相関光子生成システム。
【請求項１２】
請求項６記載の相関光子生成システムであって、
前記第１波長変換部は、
前記第１の光子の位相を変調して、第１の偏光状態を有しかつ前記第１波長帯の光を含む第１偏光成分と、前記第１の偏光状態とは異なる第２の偏光状態を有しかつ前記第１波長帯と重複する波長帯の光を含む第２偏光成分とを持つ第１の位相変調光を生成する第１位相変調器と、
前記第１の位相変調光のうち前記第１波長帯の光のみを通過させて前記第１の変換光を出力する第１帯域通過フィルタと、
を含み、
前記第２波長変換部は、
前記第２の光子の位相を変調して、前記第１の偏光状態を有しかつ前記第２波長帯の光を含む第３偏光成分と、前記第２の偏光状態を有しかつ前記第２波長帯と重複する波長帯の光を含む第４偏光成分とを持つ第２の位相変調光を生成する第２位相変調器と、
前記第２の位相変調光のうち前記第２波長帯の光のみを通過させて前記第２の変換光を出力する第２帯域通過フィルタと、
を含む、相関光子生成システム。
【請求項１３】
偏光状態とエネルギー状態とに関して互いに相関する第１および第２の光子を生成するステップと、
前記第１および第２の光子の波長をそれぞれ変換して前記第１および第２の光子間の前記エネルギー状態に関する相関を消去することにより第１および第２の変換光をそれぞれ生成するステップと、
を備え、
前記第１および第２の変換光はエンタングルド状態の光子対を構成する、相関光子生成方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の相関光子生成方法であって、前記第１および第２の変換光をそれぞれ生成するステップでは、前記第１および第２の光子間のエネルギー状態に関する相関を消去して前記偏光状態に関する相関のみを残す、相関光子生成方法。
【請求項１５】
請求項１３または１４記載の相関光子生成方法であって、１つの励起状態と、１つの基底状態と、前記励起状態と前記基底状態の間にある２つの中間励起状態とを有する発光素子から前記第１および第２の光子対が生成され、前記２つの中間励起状態は互いに異なるエネルギー準位を有する、相関光子生成方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の相関光子生成方法であって、前記発光素子は、互いに結合した２個の励起子からなる励起子分子を有し、
前記励起子分子の状態は、前記励起状態に対応しており、
前記２個の励起子の状態は、それぞれ、前記２つの中間励起状態に対応しかつ微細構造分裂したエネルギー準位を有する、相関光子生成方法。
【請求項１７】
請求項１３から１６のうちのいずれか１項に記載の相関光子生成方法であって、前記第１の光子を単一のエネルギーに対応する第１波長帯の光子に変換し、前記第２の光子を単一のエネルギーに対応する第２波長帯の光子に変換することにより前記第１および第２の変換光が生成される、相関光子生成方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の相関光子生成方法であって、
前記第１の光子を、第１の偏光状態を有する第１偏光成分と前記第１の偏光状態とは異なる第２の偏光状態を有する第２偏光成分とに分離するステップと、
前記第１偏光成分の周波数を変換して前記第１波長帯を持つ第１の変換偏光成分を生成するステップと、
前記第２偏光成分の周波数を変換して前記第１波長帯と同じ波長帯を持つ第２の変換偏光成分を生成するステップと、
前記第１の変換偏光成分と前記第２の変換偏光成分とを合波して前記第１の変換光を生成するステップと、
前記第２の光子を、前記第１の偏光状態を有する第３偏光成分と前記第２の偏光状態を有する第４偏光成分とに分離するステップと、
前記第３偏光成分の周波数を変換して前記第２波長帯を持つ第３の変換偏光成分を生成するステップと、
前記第４偏光成分の周波数を変換して前記第２波長帯と同じ波長帯を持つ第４の変換偏光成分を生成するステップと、
前記第３の変換偏光成分と前記第４の変換偏光成分とを合波して前記第２の変換光を生成するステップと、
を含む相関光子生成方法。
【請求項１９】
請求項１７記載の相関光子生成方法であって、
前記第１の光子の位相を変調して、第１の偏光状態を有しかつ前記第１波長帯の光を含む第１偏光成分と、前記第１の偏光状態とは異なる第２の偏光状態を有しかつ前記第１波長帯と重複する波長帯の光を含む第２偏光成分とを持つ第１の位相変調光を生成するステップと、
前記第１の位相変調光のうち前記第１波長帯の光のみを通過させて前記第１の変換光を出力するステップと、
前記第２の光子の位相を変調して、前記第１の偏光状態を有しかつ前記第２波長帯の光を含む第３偏光成分と、前記第２の偏光状態を有しかつ前記第２波長帯と重複する波長帯の光を含む第４偏光成分とを持つ第２の位相変調光を生成するステップと、
前記第２の位相変調光のうち前記第２波長帯の光のみを通過させて前記第２の変換光を出力するステップと、
を含む相関光子生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子暗号通信や量子計算などの量子情報技術で使用されるエンタングルド状態（エンタングルメント）の光子対を生成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光や物質の量子力学的な状態を利用する量子情報技術は、安全性の高い暗号通信や、秘匿性の高い認証などの高度なセキュリティ技術を提供できると期待されている。量子暗号通信は、偏光や位相といった量子力学的な自由度を用いて表現される量子情報（量子ビット）を光子に乗せて伝送し得る技術であり、この技術は、量子力学におけるハイゼンベルグの不確定性原理と複製不可能性とを安全性の根拠としているので、通信路上での盗聴者の存在を確実に検知することができ、安全な秘密鍵の配布を可能とするものである。
【０００３】
量子情報技術において重要な役割を果たすコンポーネントの一つが、エンタングルド状態（エンタングルメント：entanglement）にある光子対（以下「エンタングルメント光子対」と呼ぶ。）である。ここで、「エンタングルメント」とは、複数の部分系からなる量子系において、これら部分系の状態が分離不可能であるときに現れる非局所的な量子相関をいう。このようなエンタングルメント光子対に関する先行技術文献としては、たとえば、非特許文献１（A. K. Ekert, et al., Phys. Rev. Lett. 67, 661 (1991).）には、量子鍵配送に関する量子プロトコルの１つ（Ｅ９１プロトコル）が開示されている。また、特許文献１（特開２００５−２５８２３２号公報）および非特許文献２（P. G. Kwiat, et al., Phys. Rev. Lett. 75, 4337 (1995).）には、エンタングルメント光子対の生成方法が開示されている。
【０００４】
また、後述するように、半導体デバイスとして形成された量子ドット（半導体量子ドット）が、エンタングルメント光子対光源として研究開発されている。半導体量子ドットは、数ナノメートルの大きさを持つ半導体結晶であり、この半導体結晶中に電子や正孔を閉じ込めて離散的なエネルギー状態をつくり出す３次元構造を有する。エンタングルメント光子対光源用の量子ドットに関する先行技術文献としては、たとえば、非特許文献３（R. M. Stevenson, et al., Nature 439, 179 (2006).）、非特許文献４（B. D. Gerardot, et al., Appl. Phys. Lett. 90, 041101 (2007).）、非特許文献５（R. M. Stevenson, et al., Phys. Rev. B 73, 033306 (2006).）および非特許文献６（S. Seidl, et al., Appl. Phys. Lett. 88, 203113 (2006).）が挙げられる。
【特許文献１】特開２００５−２５８２３２号公報
【非特許文献１】A. K. Ekert, et al., Phys. Rev. Lett. 67, 661 (1991).
【非特許文献２】P. G. Kwiat, et al., Phys. Rev. Lett. 75, 4337 (1995).
【非特許文献３】R. M. Stevenson, et al., Nature 439, 179 (2006).
【非特許文献４】B. D. Gerardot, et al., Appl. Phys. Lett. 90, 041101 (2007).
【非特許文献５】R. M. Stevenson, et al., Phys. Rev. B 73, 033306 (2006).
【非特許文献６】S. Seidl, et al., Appl. Phys. Lett. 88, 203113 (2006).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エンタングルメント光子対の中でも特に偏光状態に関して量子相関を有する光子対（偏光エンタングルメント光子対）については、この光子対を、波長板や偏光子などの光学素子を使用して操作および検出することが容易であることから、今までにその光子対の生成法が盛んに開発されてきた。偏光エンタングルメント光子対の最も一般的な生成法は、自発的パラメトリック下方変換（ＳＰＤＣ: Spontaneous Parametric Down Conversion）と呼ばれる非線形光学過程を用いた方法である。しかしながら、この方法の場合、確率的にしか量子相関した光子対を生成できないという問題がある（非特許文献３参照）。
【０００６】
近年、理想的な偏光エンタングルメント光子対として、半導体量子ドット中の励起子分子を用いたカスケード発光から生成される光子対が注目されている。図１（Ａ）を参照しつつ、理想的なカスケード発光の原理を説明する。量子ドット中の励起子（電子と正孔の対）には通常スピンの異なる２つの状態が存在し、ここでは、これら２つの状態を、Ｘ↑とＸ↓という記号で表す。また、量子ドット中にはパウリの排他律に従う２個の励起子が存在し得る。これら２個の励起子の状態は、励起子分子と呼ばれ、ここでは、Ｘ↑Ｘ↓という記号で表す。この励起子分子状態は、２つの励起子それぞれの電子・正孔再結合により、２個の光子を放出して基底状態（励起子のない状態）に緩和する。このとき、２つの励起子のどちらが最初に光るかによって、図１（Ａ）に示されるような２通りのパスが存在する。すなわち、励起子分子が光子１ｐとして右回り円偏光σ＋を放出した後に、光子２ｐとして左回り円偏光σ−を放出する第１のパスと、励起子分子が光子１ｐとして左回り円偏光σ−を放出した後に、光子２ｐとして右回り円偏光σ＋を放出する第２のパスとが存在し得る。理想的な状況では、放出された光子の偏光状態を測定するまでは、励起子分子が第１のパスと第２のパスのうちのどちらのパスを経て遷移したのかが分からない。それ故、以下の式で示されるように、放出された光子１ｐと光子２ｐとの間には偏光状態に関するエンタングルド状態が存在する。
【０００７】
【数１】
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【０００８】
ここで、｜σ＞ｘは、光子ｘ（ｘは「１ｐ」または「２ｐ」）の偏光σに関する状態を表している。第１のパスは、この状態を表す式の第１項に相当し、第２のパスは、この状態を表す式の第２項に相当する。
【０００９】
しかしながら、実際には、図１（Ｂ）に示されるように、量子ドットの形状の非対称性に起因して励起子状態を表すエネルギー準位の分裂（微細構造分裂：fine-structure splitting）が起こり得る。たとえば、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ自己形成量子ドットの場合、微細構造分裂の幅Δは、典型的には１０〜３０μｅＶ程度である。この場合、図１（Ｂ）に示されるように、放出される光子の偏光が、水平偏光Ｈまたは垂直偏光Ｖのいずれであるかによって、発光エネルギーが微細構造分裂の幅Δだけ異なる。よって、放出される２つの光子１ｐ，２ｐは、偏光自由度のみならず、エネルギー自由度に関しても相関を持つ状態となる。
【００１０】
このような非理想的な状況では、偏光測定の際、発光エネルギーの違いを観測することにより、上記第１のパスと第２のパスのうちのいずれのパスを通って量子ドットが緩和したのかを判別することができる。それ故、偏光エンタングルメントを観測することができないという問題が生じる。言い換えれば、発光エネルギーを通して偏光情報が漏れてしまうため、エンタングルメント状態が壊れてしまう。
【００１１】
このような問題を解決する方法として、量子ドット中のエネルギー準位を制御することで微細構造分裂の幅Δをゼロに近づけるというアプローチがとられてきた。たとえば、非特許文献４には、量子ドットの成長軸に対して垂直な方向に外部電場を印加する方法が開示されている。また、非特許文献５には、外部磁場を印加する方法が開示されている。更に、非特許文献６には、外部ストレスを印加する方法が開示されている。
【００１２】
しかしながら、これらの非特許文献４〜６に開示される方法では、外部から無理に量子ドットの形状の対称性を変化させるために様々な問題が生じる。たとえば、外部電場の印加により量子ドット中の電子と正孔が互いに引き離され、これにより量子ドットの発光効率が低下し得る。また、外部磁場の印加により量子ドット中に暗状態とよばれる励起子状態が混入し、これにより、発光効率の低下やエンタングルメントの質（フィデリティ）の劣化が起こり得ると考えられる。
【００１３】
本発明は上記鑑みてなされたものであり、微細構造分裂に起因するエネルギー相関を消去し得、発生効率やフィデリティを悪化させることなくエンタングルメント光子対を生成し得る相関光子生成システムおよび相関光子生成方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、偏光状態とエネルギー状態とに関して互いに相関する第１および第２の光子を生成する光子対生成部と、前記第１および第２の光子の波長をそれぞれ変換して前記第１および第２の光子間の前記エネルギー状態に関する相関を消去することにより第１および第２の変換光をそれぞれ生成する第１波長変換部および第２波長変換部と、を備えた相関光子生成システムが提供される。前記第１および第２の変換光はエンタングルド状態の光子対を構成する。
【００１５】
また、本発明によれば、偏光状態とエネルギー状態とに関して互いに相関する第１および第２の光子を生成するステップと、前記第１および第２の光子の波長をそれぞれ変換して前記第１および第２の光子間の前記エネルギー状態に関する相関を消去することにより第１および第２の変換光をそれぞれ生成するステップと、を備えた相関光子生成方法が提供される。前記第１および第２の変換光はエンタングルド状態の光子対を構成する。
【発明の効果】
【００１６】
上記の通り、本発明による相関光子生成システムおよび相関光子生成方法は、偏光状態とエネルギー状態とに関して互いに相関する第１および第２の光子の波長をそれぞれ変換してこれらの光子間のエネルギー状態に関する相関を消去している。それ故、この結果得られた第１および第２の変換光は、エンタングルド状態の光子対を構成することとなる。非特許文献４〜６に開示されている方法は、外部電場や外部磁場、ストレスの印加により量子ドット中のエネルギー準位を制御して微細構造分裂をゼロに近づけているのに対し、本発明による相関光子生成システムおよび相関光子生成方法は、量子ドット自体のエネルギー準位を制御するのではなく、量子ドットから放出された光子の波長を調整することで光子間のエネルギー状態に関する相関を消去する。これにより、発生効率やフィデリティを低下させること無く、エンタングルド状態の光子対を生成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において同一符号が付された構成要素は、同一機能および同一構成を有し、その詳細な説明は重複しないように適宜省略される。
【００１８】
（第１の実施形態）
図２は、本発明に係る第１の実施形態である相関光子生成システム（または相関光子生成装置）の概略構成を示す図である。この相関光子生成システムは、光子対生成部３、第１波長変換部１および第２波長変換部２を有する。光子対生成部３は、偏光状態とエネルギー状態とに関して互いに相関する光子１ｐと光子２ｐとを生成する。第１波長変換部１および第２波長変換部２は、これら光子１ｐ，２ｐの波長をそれぞれ変換して光子１ｐ，２ｐ間のエネルギー状態に関する相関を消去することにより、エンタングルド状態の光子１ａ，２ａの対を生成するものである。本実施の形態では、第１波長変換部１および第２波長変換部２は、光子１ｐ，２ｐ間のエネルギー状態に関する相関を消去して偏光状態に関する相関のみを残すことにより、エンタングルド状態の光子１ａ，２ａの対を生成する。
【００１９】
光子対生成部３は、ポンプ光源３０および発光素子３１を有する。この発光素子３１は、１つの励起状態と、１つの基底状態と、これら励起状態と基底状態の間にある２つの中間励起状態とを有している。このような発光素子として、量子ドットを使用することができる。量子ドットでは、互いに異なる状態を持つ２つの励起子と、これら２つの励起子からなる励起子分子とが発生し得る。２つの励起子が発生した状態は「励起状態」に対応し、各励起子が発生した状態は「中間励起状態」に対応し、励起子のない状態は「基底状態」に対応する。本実施形態では、発光素子３１を量子ドットとして説明する。ポンプ光源３０がレーザ光を量子ドット３１にレーザ光（励起光）を照射すると、量子ドット３１は、当該レーザ光により励起して、基底状態から、互いに結合した２つの励起子からなる励起子分子を持つ状態に遷移する。励起光の強度を適当に調整することにより高い確率で励起子分子を生成することができる。
【００２０】
上記微細構造分裂が存在する場合、量子ドット３１内の励起子分子は、図１（Ｂ）に示したカスケード発光により一対の光子１ｐ，２ｐを放出する。ここで、２つの光子１ｐ，２ｐはほぼ同時に生成され、放出されるが、光子１ｐ，２ｐ間には、クーロン相互作用分だけ異なるエネルギー差（２〜３ｍｅＶ）が存在し、光子１ｐ，２ｐは互いに異なる波長を有する。このため、回折格子などの光学素子（図示せず）を用いて光子１ｐと光子２ｐとを空間的に分離して、光子１ｐを第１波長変換部１に導くとともに光子２ｐを第２波長変換部２に導くことができる。光子１ｐは、光ファイバ３２を伝搬されて第１波長変換部１に入射し、光子２ｐは、光ファイバ３３を伝搬されて第２波長変換部２に入射する。
【００２１】
光子１ｐの水平偏光成分Ｈ（第１の偏光状態を有する第１偏光成分）はエネルギーＥ１を、光子１ｐの垂直偏光成分Ｖ（第２の偏光状態を有する第２偏光成分）はエネルギーＥ１＋Δをそれぞれ有する。また、光子２ｐの水平偏光成分Ｈ（第１の偏光状態を有する第３偏光成分）はエネルギーＥ２を、光子２ｐの垂直偏光成分Ｖ（第２の偏光状態を有する第４偏光成分）はエネルギーＥ２−Δをそれぞれ有している。この理由は、光子１ｐ，２ｐの各々において、水平偏光成分Ｈと垂直偏光成分Ｖとの間に微細構造分裂の幅Δだけのエネルギー差が存在するからである。それ故、光子１ｐ，２ｐは、偏光自由度のみならずエネルギー自由度に関して相関をもつ状態にある。上述の通り、光子１ｐ，２ｐのエネルギー自由度を通じて偏光状態の情報が外部に漏れるので、光子１ｐ，２ｐの偏光エンタングルメントを観測することはできない。
【００２２】
第１波長変換部１は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４、ポンプ光源８，９、合波素子１２，１４、分波素子１３，１５、光周波数変換素子２１，２２および光合波器６を含む。また、第１波長変換部１は、これら構成要素４，１２〜１５，２１，２２，６を含むマッハ−ツェンダー干渉計型（Mach-Zehnder interferometer type）の光学系を有する。
【００２３】
偏光ビームスプリッタ４は、光ファイバ３２から入射した光子１ｐを、水平偏光成分の光子１Ｈと垂直偏光成分の光子１Ｖとに分離する。光周波数変換素子（第１の光周波数変換素子）２１は、ポンプ光源８から供給されたポンプ光（エネルギーＥ１ｐに対応する波長帯の励起光）ＰＨを用いて水平偏光成分の光子１Ｈの周波数を変換する機能を有する。すなわち、合波素子１２は、ポンプ光源８から供給されたポンプ光ＰＨと光子１Ｈとを空間的に重ね合わせて合波し、その合波された光子を光周波数変換素子２１に入射させる。光周波数変換素子２１は、当該合波された光子に周波数上方変換を施して当該合波された光子の波長を変換する。光周波数変換素子２１の導波路媒体としては、２次の非線形効果による波長変換を実現するＰＰＬＮ（周期分極反転ニオブ酸リチウム）を使用すればよい。ＰＰＬＮは、和周波発生過程により、励起光ＰＨと合波された光子１Ｈ（エネルギーＥ１に対応する波長帯を持つ光）を、エネルギーＥ１＋Ｅ１ｐに対応する波長帯を持つ光子１ａＨに高効率で変換する。分波素子１３は、光周波数変換素子２１から出力された光からポンプ光ＰＨを除去して水平偏光成分の光子１ａＨのみを出力する。
【００２４】
一方、光周波数変換素子（第２の光周波数変換素子）２２は、ポンプ光源９から供給されたポンプ光（エネルギーＥ１ｐ−Δに対応する波長帯の励起光）ＰＶを用いて垂直偏光成分の光子１Ｖの周波数を変換する機能を有する。すなわち、合波素子１４は、ポンプ光源９から供給されたポンプ光ＰＶと光子１Ｖとを空間的に重ね合わせて合波し、その合波された光子を光周波数変換素子２２に入射させる。光周波数変換素子２２は、当該合波された光子に周波数上方変換を施して当該合波された光子の波長を変換する。光周波数変換素子２２の導波路媒体としては、光周波数変換素子２１と同様に、２次の非線形効果による波長変換を実現するＰＰＬＮを使用すればよい。ＰＰＬＮは、和周波発生過程により、励起光ＰＶと合波された光子１Ｖ（エネルギーＥ１＋Δに対応する波長帯を持つ光）を、エネルギーＥ１＋Ｅ１ｐに対応する波長帯を持つ光子１ａＶに高効率で変換する。分波素子１５は、光周波数変換素子２２から出力された光からポンプ光ＰＶを除去して垂直偏光成分の光子１ａＶのみを出力する。
【００２５】
結果として、垂直偏光成分の光子１ａＶと水平偏光成分の光子１ａＨとは、同一エネルギーに対応する同一波長帯を有することとなる。光合波器（第１の光合波器）６は、分波素子１３から伝搬された水平偏光成分の光子１ａＨと、分波素子１５から伝搬された垂直偏光成分の光子１ａＶとを合波して第１の変換光１ａを生成する。
【００２６】
第２波長変換部２も、第１波長変換部１と同様の構成を有する。すなわち、第２波長変換部２は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarizing Beam Splitter）５、ポンプ光源１０，１１、合波素子１６，１８、分波素子１７，１９、光周波数変換素子２３，２４および光合波器７を含む。また、第２波長変換部２は、これら構成要素５，１６〜１９，２３，２４，７を含むマッハ−ツェンダー干渉計型（Mach-Zehnder interferometer type）の光学系を有する。
【００２７】
偏光ビームスプリッタ５は、光ファイバ３３から入射した光子２ｐを、水平偏光成分の光子２Ｈと垂直偏光成分の光子２Ｖとに分離する。光周波数変換素子（第３の光周波数変換素子）２３は、ポンプ光源１０から供給されたポンプ光（エネルギーＥ２ｐに対応する波長帯の励起光）ＫＨを用いて水平偏光成分の光子２Ｈの周波数を変換する機能を有する。すなわち、合波素子１６は、ポンプ光源１０から供給されたポンプ光（励起光）ＫＨと光子２Ｈとを空間的に重ね合わせて合波し、その合波された光子を光周波数変換素子２３に入射させる。光周波数変換素子２３は、当該合波された光子に周波数上方変換を施して当該合波された光子の波長を変換する。光周波数変換素子２１の導波路媒体としては、第１波長変換部１の光周波数変換素子２１と同様にＰＰＬＮを使用すればよい。ＰＰＬＮは、和周波発生過程により、励起光ＫＨと合波された光子２Ｈ（エネルギーＥ２に対応する波長帯を持つ光）を、エネルギーＥ２＋Ｅ２ｐに対応する波長帯を持つ光子２ａＨに高効率で変換する。分波素子１７は、光周波数変換素子２３から出力された光からポンプ光ＫＨを除去して水平偏光成分の光子２ａＨのみを出力する。
【００２８】
一方、光周波数変換素子（第４の光周波数変換素子）２４は、ポンプ光源１１から供給されたポンプ光（エネルギーＥ２ｐ＋Δに対応する波長帯の励起光）ＫＶを用いて垂直偏光成分の光子１Ｖの周波数を変換する機能を有する。すなわち、合波素子１８は、ポンプ光源１１から供給されたポンプ光ＫＶと光子２Ｖとを空間的に重ね合わせて合波し、その合波された光子を光周波数変換素子２４に入射させる。光周波数変換素子２４は、当該合波された光子に周波数上方変換を施して当該合波された光子の波長を変換する。光周波数変換素子２４の導波路媒体としては、上記第１波長変換部１の光周波数変換素子２１と同様にＰＰＬＮを使用すればよい。ＰＰＬＮは、和周波発生過程により、励起光ＫＶと合波された光子２Ｖ（エネルギーＥ２−Δに対応する波長帯を持つ光）を、エネルギーＥ２＋Ｅ２ｐに対応する波長帯を持つ光子２ａＶに高効率で変換する。分波素子１９は、光周波数変換素子２４から出力された光からポンプ光ＫＶを除去して垂直偏光成分の光子２ａＶのみを出力する。
【００２９】
結果として、垂直偏光成分の光子２ａＶと水平偏光成分の光子２ａＨとは、同一エネルギーに対応する同一波長帯を有することとなる。光合波器（第２の光合波器）７は、分波素子１７から伝搬された水平偏光成分の光子２ａＨと、分波素子１９から伝搬された垂直偏光成分の光子２ａＶとを合波して第２の変換光２ａを生成する。
【００３０】
ここで、第１波長変換部１のマッハ−ツェンダー干渉計型の光学系は、偏光ビームスプリッタ４から光周波数変換素子２２を経由して光合波器６に至る第１の光路と、偏光ビームスプリッタ４から光周波数変換素子２１を経由して光合波器６に至る第２の光路とを含む。第１の光路と第２の光路との間の光路長を調整することで、変換前の光子１ｐの偏光状態は、変換後の光子１ａの偏光状態と同じものとすることができる。第２波長変換部２のマッハ−ツェンダー干渉計型の光学系についても同様である。
【００３１】
量子ドット３１より放出された光子１ｐ，２ｐは、以下の式に示されるように偏光自由度だけでなく、エネルギー自由度に関しても相関を持つ状態を有している。
【００３２】
【数２】
2009216775.tif 000004
【００３３】
この式は、図１（Ｂ）のカスケード発光の状態を示すものである。ここで、｜Ｙ，Ｅ＞ｘは、光子ｘ（ｘは「１ｐ」または「２ｐ」）の偏光Ｙ（Ｙは「Ｈ」または「Ｖ」）およびエネルギーＥに関する状態を表している。図１（Ｂ）に示されるように、理想的な励起子状態を表すエネルギー準位は、（Ｘ↑＋Ｘ↓）／２1/2を表す準位と、（Ｘ↑−Ｘ↓）／２1/2を表す準位とに微細構造分裂する。また、量子ドット３１が光子１ｐとして水平偏光Ｈを放出した後に、光子２ｐとして水平偏光Ｈを放出する第１のパスと、励起子分子が光子１ｐとして垂直偏光Ｖを放出した後に、光子２ｐとして垂直偏光Ｖを放出する第２のパスとが存在する。これに対し、変換後の光子１ａ，２ａは、以下の式に示されるように、エネルギー自由度に関する相関が消去された、偏光自由度のみに関して相関を持つ状態を有する。
【００３４】
【数３】
2009216775.tif 000005
【００３５】
この状態であれば、偏光エンタングルメントの観測が可能になる。
【００３６】
なお、第１波長変換部１において光子１ｐを光子１ａへ変換する過程で偏光状態が保存されるためには、Δだけ異なるエネルギーを持つポンプ光ＰＨ，ＰＶが、互いに決まった位相関係を持つこと（位相ロックされていること）が必要である。このように位相ロックされた２つのポンプ光ＰＨ，ＰＶは、たとえば、音響光学変調器（ＡＯＭ：Acoust Optical Modulator）を用いて生成することができる。第１波長変換部１で使用されるポンプ光ＫＨ，ＫＶについても同様である。
【００３７】
図３（Ａ）は、音響光学変調素子４１によるポンプ光ＰＶ，ＰＨの生成法を示す図であり、図３（Ｂ）は、音響光学変調素子４２によるポンプ光ＫＶ，ＫＨの生成法を示す図である。図３（Ａ）に示されるように、音響光学変調素子４１は、超音波伝搬媒質中に入射した光（エネルギーＥ１ｐに対応する波長帯の光）から、０次光（エネルギーＥ１ｐに対応する波長帯の光）と１次回折光（エネルギーＥ１ｐ−Δに対応する波長帯の光）とを発生させる。０次光をポンプ光ＰＨとして利用し、１次回折光をポンプ光ＰＶとして利用することができる。一方、図３（Ｂ）に示されるように、音響光学変調素子４２は、超音波伝搬媒質中に入射した光（エネルギーＥ２ｐに対応する波長帯の光）から、０次光（エネルギーＥ２ｐに対応する波長帯の光）と１次回折光（エネルギーＥ２ｐ＋Δに対応する波長帯の光）とを発生させる。０次光をポンプ光ＫＨとして利用し、１次回折光をポンプ光ＫＶとして利用することができる。たとえば、Δ＝１０μｅＶの場合、Δを周波数に換算すると２．４ＧＨｚ程度であるから、市販の高周波用ＡＯＭを利用することが可能である。また、Δ＝２０μｅＶの場合でも、Δを周波数に換算すると３．６ＧＨｚ程度であるから、市販の高周波用ＡＯＭを利用することができる。
【００３８】
次に、上記相関光子生成システムの具体例について説明する。量子ドット３１から放出される２光子１ｐ，２ｐのエネルギー条件は以下の通りである。光子１ｐの水平偏光成分Ｈのエネルギー：Ｅ１＝７９８．９９ｍｅＶ（波長１５５１．７６ｎｍ）、光子１ｐの垂直偏光成分Ｖのエネルギー：Ｅ１＋Δ＝７９９．０１ｍｅＶ（波長１５５１．７２ｎｍ）、である。光子２ｐの水平偏光成分Ｈのエネルギー：Ｅ２＝８０１．０１ｍｅＶ（波長１５４７．８５ｎｍ）、光子２ｐの垂直偏光成分Ｖのエネルギー：Ｅ２−Δ＝８００．９９ｍｅＶ（波長１５４７．８８ｎｍ）、である。ここで、光子１ｐと光子２ｐとの間のクーロン相互作用によるエネルギー差を２ｍｅＶと仮定し、これら光子１ｐ，２ｐそれぞれにおける微細構造分裂の幅Δを２０μｅＶと仮定している。これらの光子１ｐ，２ｐは、それぞれ、光ファイバ３２，３３を伝搬される。波長１５５０ｎｍ帯の光子であれば、ファイバー損失も小さいため、１００ｋｍ程度の長距離伝送も可能である。
【００３９】
ポンプ光ＰＨ，ＰＶは、図３（Ａ）の音響光学変調素子４１を用いた方法により生成される。音響光学変調素子４１への入射光として、波長１０６４ｎｍ（Ｅ１ｐ＝１１６５．２６ｍｅＶ）の光を利用する。超音波伝搬媒質に印加すべき超音波の周波数を微細構造分裂の幅に相当する３．６ＧＨｚ（２０μｅＶ）に設定すると、音響光学変調素子４１は、超音波伝搬媒質をそのまま透過する０次光に加えて、波長１０６４．０２ｎｍ（Ｅ１ｐ−Δ＝１１６５．２４ｍｅＶ）を持つ１次回折光を発生させる。これにより、０次光をポンプ光ＰＨとし、１次回折光をポンプＰＶとして周波数変換に利用することができる。なお、通常のＡＯＭは変調周波数がＭＨｚオーダーに限られているものが多いが、たとえばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を用いた高周波用ＡＯＭであれば、３．６ＧＨｚ程度の高周波動作も十分可能である。
【００４０】
光周波数変換素子２１，２２は、これらポンプ光ＰＨ，ＰＶを用いた和周波変換により、光子１Ｈと光子１Ｖを、それぞれ、同一エネルギーＥ１＋Ｅ１ｐ＝１９６４．２５ｍｅＶ（波長６３１．１８ｎｍ）を持つ光子１ａＨと光子１ａＶへ変換する。最後に、光合波器６は、光子１ａＨと光子１ａＶを空間的に重ね合わせて合波し、その合波光を変換光１ａとして出力する。
【００４１】
第２波長変換部２でも、ポンプ光源１０，１１の構成を第１波長変換部１のポンプ光源８，９の構成と同一にすることで、光周波数変換素子２３，２４は、光子２Ｈと光子２Ｖを、それぞれ、同一エネルギーＥ２＋Ｅ２ｐ＝１９６６．２５ｍｅＶ（波長６３０．５６ｎｍ）を持つ光子２ａＨと光子２ａＶへ変換することができる。光合波器７は、光子２ａＨと光子２ａＶを合波し、その合波光を変換光２ａとして出力する。
【００４２】
なお、波長変換により光子１ｐ，２ｐの波長帯は可視光波長帯へと上方変換（アップコンバージョン）されるため、偏光測定の際の光子検出には、高効率かつ低コストなＳｉアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を使用することが望ましい。
【００４３】
以上のように波長変換を用いた方法であれば、通信波長１５５０ｎｍ帯の光子１ｐ，２ｐをファイバー伝送した後、検出直前に可視光帯域の光１ａ，２ａに変換し、光１ａ，２ａを高感度なＳｉ検出器で検出することが可能である。よって、本実施形態の相関光子生成システムは、ファイバー通信に適した構成を有している。
【００４４】
上記の通り、第１の実施形態の相関光子生成システムは、偏光状態とエネルギー状態とに関して互いに相関する光子１ｐ，２ｐの波長をそれぞれ変換してこれらの光子１ｐ，２ｐ間のエネルギー状態に関する相関を消去することができる。それ故、この結果得られた変換光１ａ，２ａは、エンタングルド状態の光子対を構成することとなる。この相関光子生成システムは、量子ドット３１自体のエネルギー準位を制御するのではなく、量子ドット３１から放出された光子１ｐ，２ｐの波長を調整することでエネルギー状態に関する相関を消去するので、発生効率やフィデリティを低下させること無く、エンタングルド状態の光子１ａ，２ａの対を生成することが可能となる。
【００４５】
（第２の実施形態）
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。図４は、第２の実施形態である相関光子生成システム（または相関光子生成装置）の概略構成を示す図である。この相関光子生成システムは、光子対生成部３、第１波長変換部１Ｓおよび第２波長変換部２Ｓを有する。
【００４６】
第１波長変換部１Ｓは、偏光ビームスプリッタ４、ポンプ光源８Ｓ、合波素子１２，１４、分波素子１３，１５および光周波数変換素子２１，２２を有する。偏光ビームスプリッタ４は合分波器として機能する。また、第１波長変換部１Ｓは、これら構成要素４，１２〜１５，２１，２２を含むサニャック干渉計型（Sagnac interferometer type）の光学系を有する。すなわち、第１波長変換部１Ｓのサニャック干渉計型の光学系は、合分波器４で分離された水平偏光成分の光子１Ｈを、合波素子１２、光周波数変換素子２１、分波素子１３、分波素子１５、光周波数変換素子２２および合波素子１４を介して合分波器４に伝搬するとともに、合分波器４で分離された垂直偏光成分の光子１Ｖを、合波素子１４、光周波数変換素子２２、分波素子１５、分波素子１３、光周波数変換素子２１および合波素子１２を介して合分波器４に伝搬するループ状光路を有している。
【００４７】
ポンプ光源８Ｓは、図３（Ａ）に示した音響光学変調素子４１と同じ音響光学変調素子を有し、位相ロックされたポンプ光ＰＶ，ＰＨを生成する。合分波器４は、前記ループ状光路を経た戻り光１ａＨ，１ａＶを合波し、その合波光を第１の変換光１ａとして出力する。
【００４８】
第２波長変換部２Ｓも、第１波長変換部１Ｓと同様の構成を有する。第２波長変換部２Ｓは、偏光ビームスプリッタ５、ポンプ光源１０Ｓ、合波素子１６，１８、分波素子１７，１９および光周波数変換素子２３，２４を有する。偏光ビームスプリッタ５は合分波器として機能する。また、第１波長変換部２Ｓは、これら構成要素５，１６〜１９，２３，２４を含むサニャック干渉計型（Sagnac interferometer type）の光学系を有する。すなわち、第１波長変換部２Ｓのサニャック干渉計型の光学系は、合分波器５で分離された水平偏光成分の光子２Ｈを、合波素子１６、光周波数変換素子２３、分波素子１７、分波素子１９、光周波数変換素子２４および合波素子１８を介して合分波器５に伝搬するとともに、合分波器５で分離された垂直偏光成分の光子２Ｖを、合波素子１８、光周波数変換素子２４、分波素子１９、分波素子１７、光周波数変換素子２３および合波素子１６を介して合分波器５に伝搬するループ状光路を有している。
【００４９】
ポンプ光源１０Ｓは、図３（Ｂ）に示した音響光学変調素子４２と同じ音響光学変調素子を有し、位相ロックされたポンプ光ＫＶ，ＫＨを生成する。合分波器５は、前記ループ状光路を経た戻り光２ａＨ，２ａＶを合波し、その合波光を第２の変換光２ａとして出力する。
【００５０】
第２の実施形態の相関光子生成システムは、サニャック干渉計型の光学系を有するので、この光学系のループ状光路の光路長の安定化を容易に行うことができる。上記第１の実施形態の相関光子生成システムは、マッハ−ツェンダー干渉計型の光学系を有するが、この光学系では、図２に示されるように、偏光ビームスプリッタ４と光合波器６との間の２つの光路（光周波数変換素子２１を経由する光路と光周波数変換素子２２を経由する光路）の光路長を安定に維持する必要がある。実際、光学系の機械的な揺らぎを補償するために、伝搬光の位相安定化を実行する動的制御機構を設けることが望ましい。これに対し、第２の実施形態のサニャック干渉計型の光学系のループ状光路では、右回りの伝搬光と左回りの伝搬光とは同じ光路を通るため、右回りの光伝搬路の光路長と左回りの光伝搬路の光路長との間の差（光路差）はゼロである。したがって、前述の動的制御機構を設けなくても、光路長の安定化を容易に行うことができ、光子１ｐ，２ｐの波長変換過程で偏光状態を自動的に保存することができる。
【００５１】
（第３の実施形態）
次に、本発明に係る第３の実施形態について説明する。図５は、第３の実施形態である相関光子生成システム（または相関光子生成装置）の概略構成を示す図である。この相関光子生成システムは、光子対生成部３、第１波長変換部１Ｆおよび第２波長変換部２Ｆを有する。
【００５２】
第１波長変換部１Ｆは、光子１ｐの位相を変調する光変調器５１と、帯域通過フィルタ５２とを含む。光変調器５１は、エネルギーΔ/２に対応する変調周波数Δｆのマイクロ波を用いて入力光１ｐの位相を変調する機能を有する。この結果得られた位相変調光は、入力光１ｐのまわりに複数のサイドバンド（離散的な光スペクトル）を有する。帯域通過フィルタ５２は、複数のサイドバンドのうちの少なくとも１つのサイドバンドを選択的に通過させて第１の変換光１ａを生成する。なお、光変調器５１としては、偏光無依存なものが使用される。
【００５３】
図６（Ａ）のエネルギースペクトルに示されるように、位相変換前の光子１ｐは、エネルギーＥに関して、互いにΔだけ分離した位置にピークを持つ水平偏光成分（第１の偏光状態を有する第１偏光成分）Ｈと垂直偏光成分（第２の偏光状態を有する第２偏光成分）Ｖとを含む。この光子１ｐが光変調器５１により位相変調されたとき、図６（Ｂ）のエネルギースペクトルに示されるように、その位相変調光は、エネルギーＥに関して、水平偏光成分Ｈと垂直偏光成分Ｖのまわりに現れる複数のサイドバンドを含む。これらサイドバンドは、エネルギーΔ/２に対応する変調周波数Δｆの間隔で現れる。そして、図６（Ｃ）のエネルギースペクトルに示されるように、帯域通過フィルタ５２は、これらサイドバンドのうち水平偏光成分のサイドバンドと垂直偏光成分のサイドバンドとの双方を含む成分を選択的に通過させる。したがって、帯域通過フィルタ５２は、水平偏光成分と垂直偏光成分との重複（オーバーラップ）した波長帯（第１波長帯）のサイドバンド光のみを第１の変換光１ａをとして通過させる。
【００５４】
第２波長変換部２Ｆも、第１波長変換部１Ｆと同様の構成を有する。すなわち、第２波長変換部２Ｆは、光子２ｐの位相を変調する光変調器５３と、帯域通過フィルタ５４とを含む。光変調器５３は、エネルギーΔ/２に対応する変調周波数Δｆのマイクロ波を用いて入力光２ｐの位相を変調する機能を有する。この結果得られた位相変調光は、入力光２ｐのまわりに複数のサイドバンド（離散的な光スペクトル）を有する。帯域通過フィルタ５４は、複数のサイドバンドのうち水平偏光成分のサイドバンドと垂直偏光成分のサイドバンドとの双方を含む少なくとも１つのサイドバンド光を選択的に通過させて第２の変換光２ａを生成する。言い換えれば、帯域通過フィルタ５４は、水平偏光成分と垂直偏光成分との重複（オーバーラップ）した波長帯（第２波長帯）のサイドバンド光のみを第２の変換光２ａとして通過させる。なお、光変調器５３としては、偏光無依存なものが使用される。
【００５５】
光変調器５１，５２としては、たとえば電気光学変調器（ＥＯＭ: Electro-Optic Modulator）を、帯域通過フィルタ５２，５４としては、たとえば干渉フィルターをそれぞれ使用すればよい。
【００５６】
第３の実施形態の相関光子生成システムでは、帯域通過フィルタ５２，５４がそれぞれ通過させた変換光１ａ，２ａは、偏光成分間にエネルギー分裂を持たないので、フィデリティの良好なエンタングルメント光子対を構成する。これら変換光１ａ，２ａの偏光状態に関するエンタングルメントを観測することが可能である。
【００５７】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。たとえば、上記実施形態は、各々が水平偏光Ｈと垂直偏光Ｖとからなる光子１ｐ，２ｐの波長を変換してエネルギー状態に関する相関を消去する構成を有するが、これに限定されるものではない。上記実施形態の構成が、各々が互いに直交する偏光成分からなる光子対の波長を変換してエネルギー状態に関する相関を消去する構成に変更してもよい。
【００５８】
また、第１波長変換部１、第２波長変換部２および光子対生成部３は、単一の装置内に組み込まれてもよいし、あるいは、独立した構成であってもよい。光子対生成部３と第１波長変換部１との間、あるいは、光子対生成部３と第２波長変換部２との間が、長距離の光ファイバ３２で光学的に接続されてもよい。
【００５９】
なお、上記第１の実施形態では、第１波長変換部１と第２波長変換部２の各々は、偏光状態を保持しつつ光子１ｐ，２ｐの波長を変換していた。しかしながら、第１波長変換部１および第２波長変換部２において偏光状態が変化した場合でも、偏光エンタングルメント光子対を生成することは可能である。たとえば、第１波長変換部１および第２波長変換部２において、光子１ｐ，２ｐの偏光がそれぞれ４５度回転して光子１ａ，２ａが生成された場合、これらの波長変換後の光子１ａ，２ａは、偏光エンタングルメント光子対となり得る。このように、第１波長変換部１または第２波長変換部２において光子１ｐ，２ｐの偏光状態が変化した場合でも、全体として偏光エンタングルメントを有する状態を生成することができる。第２の実施形態および第３の実施形態でも、同様である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】（Ａ）は、理想的なカスケード発光の原理を説明するための図であり、（Ｂ）は、微細構造分裂が存在する場合のカスケード発光を説明するための図である。
【図２】本発明に係る第１の実施形態である相関光子生成システムの概略構成を示す図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は、音響光学変調素子によるポンプ光の生成法を示す図である。
【図４】本発明に係る第２の実施形態である相関光子生成システムの概略構成を示す図である。
【図５】本発明に係る第３の実施形態である相関光子生成システムの概略構成を示す図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は、変換光子対の生成法を説明するためのエネルギースペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１，１Ｓ，１Ｆ  第１波長変換部
２，２Ｓ，２Ｆ  第２波長変換部
３  光子対生成部
４，５  偏光ビームスプリッタ
６，７  光合波器
８，８Ｓ，９，１０，１０Ｓ，１１  ポンプ光源
１２，１４，１６，１８  合波素子
１３，１５，１７，１９  分波素子
２１，２２，２３，２４  光周波数変換素子
３０  ポンプ光源
３１  量子ドット
３２，３３  光ファイバ
４１，４２  音響光学変調素子（ＡＯＭ）
５１，５３  光変調器
５２，５４  帯域通過フィルタ
【図１】
2009216775.tif 000006
【図２】
2009216775.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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