(57)【要約】この出願の発明の高輝度量子相関光子ビーム発生装置は、レーザー励起光を出射するレーザー光源（１）と、レーザー光源（１）からの励起光の入射により、シグナル光子とアイドラー光子との２光子対を生成して両光子ビームを２つの非同心円錐に沿って放射するパラメトリック結晶（２）と、シグナル光子ビーム（６）とアイドラー光子ビーム（７）を分離するビーム分離手段（５）と、リング状のシグナル光子ビーム（６）とアイドラー光子ビーム（７）の一方をその幾何学的中心の周りに１８０°回転させるモード反転器（１０）と、シグナル光子ビーム（６）とアイドラー光子ビーム（７）の位相を光学的時間遅れにより調整する位相調整手段（８）と、モード反転器（１０）により共通線的偏光リング状となったシグナル光子ビーム（６）とアイドラー光子ビーム（７）とを重なり合わせて量子相関状退とするビーム結合手段（１４）とを有し、量子相関対の光子ビームを形成することを特徴とする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー励起光を出射するレーザー光源と、
レーザー光源からの励起光の入射により、シグナル光子とアイドラー光子との２光子対を生成して両光子ビームを２つの非同心円錐に沿って放射するパラメトリック結晶と、
シグナル光子ビームとアイドラー光子ビームを分離するビーム分離手段と、
リング状のシグナル光子ビームとアイドラー光予ビームの一方をその幾何学的中心の周りに１８０°回転させるモード反転器と、
シグナル光子ビームとアイドラー光子ビームの位相を光学的時間遅れにより調整する位相調整手段と、
モード反転器により共通線的偏光リング状となったシグナル光子ビームとアイドラー光子ビームとを重なり合わせて量子相関状態とするビーム結合手段とを有し、
量子相関光子対のビームを形成することを特徴とする高輝度量子相関光子ビーム発生装置。
【請求項２】
干渉フィルターをビーム結合手段の出射側に配置したことを特徴とする請求項１記載の高輝度量子相関光子ビーム発生装置。
【請求項３】
レーザー光源がパルス幅がフェムト秒のパルス状レーザー光を出射するフェムト秒レーザー光源であることを特徴とする請求の範囲１又は２記載の高輝度量子相関光子ビーム発生装置。
【請求項４】
ビーム分離手段が偏光ビームスプリッターであることを特徴とする請求の範囲１から３のいずれかに記載の高輝度量子相関光子ビーム発生装置。
【請求項５】
モード反転器が２つのミラーと１つプリズムの組合せにより構成されることを特徴とする請求の範囲１から４のいずれかに記載の高輝度量子相関光子ビーム発生装置。
【請求項６】
ビーム結合手段が無偏光ビームスプリッターであることを特徴とする請求の範囲１から５のいずれかに記載の高輝度量子相関光子ビーム発生装置。
【請求項７】
パラメトリック結晶がタイプＩのパラメトリック下方変換型結晶であることを特徴とする請求の範囲１から６のいずれかの高輝度量子相関光子ビーム発生装置。
【請求項８】
パラメトリック結晶がタイプＩＩのパラメトリック下方変換型結晶であることを特徴とする請求の範囲１から６のいずれかの高輝度量子相関光子ビーム発生装置。
【請求項９】
パラメトリック結晶がＢＢＯ（β−Ｂａ２Ｂ２Ｏ４）結晶であることを特徴とする請求の範囲７又は８に記載の高輝度量子相関光子ビーム発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  この出願の発明は、高輝度量子相関光子ビーム発生装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、パラメトリック結晶から発生する量子相関光子対からなるビームを高効率で発生することが可能な高輝度量子相関光子ビーム発生装置に関するものである。
【背景技術】  近年、量子力学の原理を用いた量子暗号システム、量子テレポーテーション、量子コンピューター等の量子情報処理や、量子リソグラフィーが注目されている（例えばＣ．Ｂｅｎｎｅｔ  ａｎｄ  Ｐ．Ｓｈｏｒ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｆ．Ｔｈｅｏｒｙ  ４４，ｐ．２７２４−２７４２（１９９８）、Ａ．Ｂｏｔｏ，Ｐ．Ｋｏｋ，Ｄ．Ａｂｒａｍｓ，Ｓ．Ｂｒａｕｎｓｔｅｉｎ，Ｃ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ，ａｎｄ  Ｊ．Ｄｏｗｌｉｎｇ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８５（１３），ｐ．２７３３−６（２０００））。これらにはいわゆる「量子もつれ」と呼ばれる量子相関光子対が用いられている。この量子もつれという現象は、高いエネルギーの１つの光子（励起光）が２つの低いエネルギーの光子（シグナル光子とアイドラー光子）に分裂し、これら２つの光子を干渉させることにより互いに相関をもつものである。
量子相関光子対の生成方法としては、たとえばパラメトリック蛍光発生・増幅を行うパラメトリック結晶（たとえばＢＢＯ（β−Ｂａ２Ｂ２Ｏ４）結晶等）を利用して、励起光を入射し、自発パラメトリック下方変換（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ；ＳＰＤＣ）プロセスにより、シグナル光子とアイドラー光子の２光子対を同時に生成させ、無偏光ビームスプリッターを用いて量子もつれの状態とする方法が知られている（Ｈ．Ｆｅａｒｎ  ａｎｄ  Ｒ．Ｌｏｕｄｏｎ，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ６，ｐ．９１７−９２７（１９８９））。
すなわち、たとえばパラメトリック蛍光発生・増幅が行われるタイプＩＩのパラメトリック結晶に励起光（周波数ωｐ、波数ｋｐ（ｋはベクトル））を入射すると、パラメトリック結晶におけるパラメトリック下方変換によって、入射した励起光よりもエネルギーが低い２つの光子対（シグナル光子（ωｓ、ｋｓ）、アイドラー光子（ωｉ、ｋｉ））が同時に発生する。発生した２つの光子対は同時にパラメトリック結晶から直交偏光状態のパラメトリック蛍光対としてそれぞれ２つの非同心円錐にそって放射される。
位相整合されたパラメトリック蛍光対は図１（ａ）に示すように励起光のビーム（図中、リング間に位置する黒点）に対して点対称の位置にのみ存在する（ｋｓとｋｉ）。そして、これらの蛍光対の中で下記の位相条件を満足するもののみをピンホールで切り出し、無偏光ビームスプリッターに導き、そこで干渉させパスがもつれ合った量子相関光子対とする。
ωｐ＝ωｓ＋ωｉ
ｋｐ＝ｋｓ＋ｋｉ
（添え字ｐ、ｓ、ｉはそれぞれ励起光子、シグナル光子、アイドラー光子を表す）
【発明の開示】
しかしながら、従来の量子相関光子対を生成する手法では、放射方向に垂直な面においてリング状となるシグナル光子とアイドラー光子のうち、位相が整合しているもののみをピンホールで切り出して用いて量子相関光子対を形成し、残りは利用できなかったため、量子相関光子対の発生効率が不十分であった。量子相関光子対を量子情報処理や量子リソグラフィーへ利用するに当たり、実験室段階から実用段階に移行させるには、量子相関光子対の発生効率をより高めることが必要であった。
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、パラメトリック結晶から得られる量子相関光子対の発生効率をより一層高めることのできる高輝度量子相関光子ビーム発生装置を提供することを課題とする。
この出願の発明によれば、上記課題を解決するため、第１には、レーザー励起光を出射するレーザー光源と、レーザー光源からの励起光の入射により、シグナル光子とアイドラー光子との２光子対を生成して両光子ビームを２つの非同心円錐に沿って放射するパラメトリック結晶と、シグナル光子ビームとアイドラー光子ビームを分離するビーム分離手段と、リング状のシグナル光子ビームとアイドラー光子ビームの一方をその幾何学的中心の周りに１８０°回転させるモード反転器と、シグナル光子ビームとアイドラー光子ビームの位相を時間遅れにより調整する位相調整手段と、モード反転器により共通線的偏光リング状となったシグナル光子ビームとアイドラー光子ビームとを重なり合わせて量子相関状態とするビーム結合手段とを有し、量子相関光子対のビームを形成することを特徴とする高輝度量子相関光子ビーム発生装置を提供する。
また、第２には、上記第１の発明において、干渉フィルターをビーム結合手段の出射側に配置したことを特徴とする高輝度量子相関光子ビーム発生装置を提供する。
また、第３には、上記第１又は第２の発明において、レーザー光源がパルス幅がフェムト秒のパルス状レーザー光を出射するフェムト秒レーザー光源であることを特徴とする高輝度量子相関光子ビーム発生装置を提供する。
また、第４には、上記第１から第３のいずれかの発明において、ビーム分離手段が偏光ビームスプリッターであることを特徴とする高輝度量子相関光子ビーム発生装置を提供する。
また、第５には、上記第１から第４のいずれかの発明において、モード反転器が２つのミラーと１つのプリズムの組合せにより構成されることを特徴とする高輝度量子相関光子ビーム発生装置を提供する。
また、第６には、上記第１から第５のいずれかの発明において、ビーム結合手段が無偏光ビームスプリッターであることを特徴とする高輝度量子相関光子ビーム発生装置を提供する。
また、第７には、上記第１から第６のいずれかの発明において、パラメトリック結晶がタイプＩのパラメトリック下方変換型結晶であることを特徴とする高輝度量子相関光子ビーム発生装置を提供する。
また、第８には、上記第１から第６のいずれかの発明において、パラメトリック結晶がタイプＩＩのパラメトリック下方変換型結晶であることを特徴とする高輝度量子相関光子ビーム発生装置を提供する。
さらに、第９には、上記第７又は第８の発明において、パラメトリック結晶がＢＢＯ（β−Ｂａ２Ｂ２Ｏ４）結晶であることを特徴とする高輝度量子相関光子ビーム発生装置を提供する。
この出願の発明によれば、パラメトリック結晶から放射されるリング状パラメトリック蛍光対の一部をピンホールで切り出して量子相関させずに、リング状パラメトリック蛍光対の全部を量子相関させることができるので、パラメトリック結晶から得られる量子相関光子対の発生効率を大幅に向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】  図１（ａ）は励起光の方向に対するシグナル光ビームのリングとアイドラー光ビームのリングの位置関係及び波数ベクトルの関係を示す図、（ｂ）はこの出願の発明によるモード反転後の（ｂ）と同様の図である。
図２（ａ）はこの出願の発明による高輝度量子相関光子ビーム発生装置の一実施形態を発生効率テスト系を含めて示す図、（ｂ）は同実施形態におけるモード反転器を模式的に示す斜視図である。
図３（ａ）は無偏光ビームスプリッターにおいてシグナル光ビームのリングとアイドラー光ビームのリングが離れた状態から、一部重なった状態、全部重なった状態と変化する様子を示す図、（ｂ）は（ａ）の一番右の全部重なった状態におけるＣＣレートと光学的時間遅れτとの関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】  この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
この出願の発明の高輝度量子相関光子ビーム発生装置では、レーザー励起光を出射するレーザー光源と、レーザー光源からの励起光の入射により、シグナル光子とアイドラー光子との２光子対を生成して両光子ビームを２つの非同心円錐に沿って放射するパラメトリック結晶と、シグナル光子ビームとアイドラー光子ビームを分離するビーム分離手段と、リング状のシグナル光子ビームとアイドラー光子ビームの一方をその幾何学的中心の周りに１８０°回転させるモード反転器と、シグナル光子ビームとアイドラー光子ビームの位相を時間遅れにより調整する位相調整手段と、モード反転器により共通線的偏光リング状となったシグナル光子ビームとアイドラー光子ビームとを重なり合わせて量子相関状態とするビーム結合手段とを有し、量子相関光子対のビームを形成することを大きな特徴としている。
この出願の発明では、パラメトリック結晶として、生成するシグナル光子とアイドラー光子の偏光状態が同一であるタイプＩのパラメトリック下方変換型結晶と、偏光状態が直交するタイプＩＩのパラメトリック下方変換型結晶の両方を用いることができる。
この出願の基本的技術思想は、たとえばタイプＩＩのパラメトリック下方変換型結晶から出射されるシグナル光子ビームのリングとアイドラー光子ビームのリングが図１（ａ）のような関係にあり、２つのリングを位相整合させたまま重ね合わせることは不可能であったものを、空間的位置をモード反転させることにより、全領域にわたって位相整合させたまま図１（ｂ）のように重ね合わすことができるような状態とし、光学的時間遅れを利用して重ね合わせて干渉させ、量子もつれ状態としたところにある。
以下、タイプＩＩのパメトリック下方変換型結晶であるＢＢＯ結晶を用いた場合を例に詳細に説明する。
図２（ａ）はこの出願の発明による高輝度量子相関光子ビーム発生装置の一実施形態を模式的に示す図であり、図２（ｂ）はモード反転器の概念図である。
レーザー光源（１）は励起光を出射するもので、パルス状レーザー光を出射するものでも、連続（ＣＷ）レーザー光を出射するものでもよく、たとえば、パルス状レーザー光を出射するチタンサファイアレーザー装置、連続レーザー光を出射するチタンサファイアレーザー装置、アルゴンイオンレーザー装置を使用することができるが、これに限定されない。この実施形態では、パルス状レーザー光を出射するチタンサファイアレーザー装置を使用した。
パラメトリック結晶としては、ここではタイプＩＩのパメトリック下方変換型結晶であるＢＢＯ結晶（２）を用いる。このＢＢＯ結晶（２）は、高いエネルギーの励起光の入射により２つの低いエネルギーのシグナル光子とアイドラー光子との直交偏光状態の２光子対を生成し、両光子ビームを２つの非同心円錐に沿って放射する。光子ビームの方向に垂直な方向においては光子ビームはリング状となり、その大きさは励起光であるレーザー光の入射角度により制御することができる。
ダイクロイックミラーＭ１（３）は、誘電体膜を利用したミラーで、シグナル光子ビームとアイドラー光子ビームは通過させ、励起光は１００％除去する役割をする。レンズ（４）は、円錐状に広がっていくシグナル光子とアイドラー光子の両ビームを平行ビームにするコリメーティングレンズである。偏光ビームスプリッターＰＢＳ（５）は、シグナル光ビーム（６）は通過させ、アイドラー光ビーム（７）は反射させる。
プリズム（８）は、矢印Ｘの方向に移動させることにより、空間的な位置調整を行い、矢印τの方向に移動させることにより光学的時間遅れτを調整する役割をする。矢印Ｘの移動により光学的時間遅れτが変化した場合、それは再調整する。光学的ミラーＭ２（９）は、プリズム（８）からのアイドラー光ビーム（７）が無偏光ビームスプリッターＮＰＢＳ（１４）に向かうように向きを変える役割をする。
モード反転器（１０）は、リング状のシグナル光ビーム（６）をその幾何学的中心の周りに１８０°回転させる役割をするもので、図２（ｂ）に示すように、２つの平面鏡（１０−１、１０−２）と１つのプリズム（１０−３）からなる。図２（ｂ）ではモード反転のイメージを分かりやすくするために、五角形のコーナーにそれぞれ数字を付して示してある。このような五角形のものがモード反転器（１０）を通過すると、出力側に図示した、幾何学的中心の周りに１８０°回転（反転）した五角形となる。
プリズム（１１）とミラーＭ３（１２）は、モード反転器（１０）からのシグナル光ビーム（６）が無偏光ビームスプリッターＮＰＢＳ（１４）に向かうように向きを変える役割をするもので、光学調整が行いやすいように、シグナル光ビーム（６）とアイドラー光ビーム（７）の光路長を等価にしている。λ／２波長板（１３）は、シグナル光ビーム（６）の偏光モードをアイドラー光ビーム（７）と同じにするために配置される。
無偏光ビームスプリッターＮＰＢＳ（１４）は、５０／５０ビームスプリッターで、シグナル光ビーム（６）とアイドラー光ビーム（７）のそれぞれ５０％は透過させ、残りの５０％は反射させるとともに、両ビーム（６）、（７）を干渉させ、量子もつれの状態、すなわち量子相関状態とする役割を行う。
干渉フィルター（１５）、（１６）は効率良く量子相関光子ビームを取り出すために配置され、励起光が混ざっている場合にはその除去も行う。
なお、フォトダイオードＤ１（１７）、Ｄ２（１８）及びコインシデンス・カウンター（１９）は、量子相関光子対の発生効率を確認するために配置した。
次に、上記構成の高輝度量子相関光子ビーム発生装置の動作について述べる。
先ず、レーザー光源（１）からパルス状の励起光を出射し、ＢＢＯ結晶（２）に入射させる。入射した励起光子は、ＢＢＯ結晶（２）ではタイプＩＩのパラメトリック下方変換プロセスにより、シグナル光子とアイドラー光子の直交偏光状態の２光子対（パラメトリック蛍光対）を生成する。シグナル光子とアイドラー光子はＢＢＯ結晶（３）から２つの非同心円錐に沿ってリング状に放射される。これら２つのシグナル光子ビームとアイドラー光子ビームはレンズＭ１（３）を通過し、レンズＬ１（４）で平行ビームとされ、偏光ビームスプリッターＰＢＳ（５）に入射する。偏光ビームスプリッター（５）において、シグナル光子ビーム（６）はそのまま透過し、アイドラー光子ビーム（７）は反射する。
アイドラー光子ビーム（７）はプリズム（８）を介してミラーＭ２（９）で反射し、無偏光ビームスプリッターＮＰＢＳ（１４）に入射する。
一方、シグナル光子ビーム（６）はモード反転器（１０）により、そのリング状の空間的幾何形状が反転され、ちょうど幾何学的中心の周りを１８０°回転した状態となる。そして、幾何学的に反転したシグナル光子ビーム（６）は、プリズム（１１）、ミラーＭ３（１２）により向きを変えられ、λ／２波長板（１３）によりアイドラー光ビーム（７）と同じ偏光モードに変換され、無偏光ビームスプリッターＮＰＢＳ（１４）に入射する。
無偏光ビームスプリッターＮＰＢＳ（１４）では、シグナル光ビーム（６）の５０％はそのまま透過し、残りの５０％は反射し、アイドラー光ビーム（７）の５０％はそのまま透過し、残りの５０％は反射する。そして、透過した５０％のシグナル光ビーム（６）と反射した５０％のアイドラー光ビーム（７）が重なり合うとともに、反射した５０％のシグナル光ビーム（６）と透過した５０％のアイドラー光ビーム（７）が重なり合い、それぞれ空間的にも時間的にも一致して干渉して量子もつれ状態となり、量子相関光子対のビームとして出力する。このとき、量子相関光子対となった２光子はペアとなってＤ１（１７）側又はＤ２（１８）側に出射する。
無偏光ビームスプリッターＮＰＢＳ（１４）においては、シグナル光ビーム（６）のリングとアイドラー光ビーム（７）の空間的位置はプリズム（８）をＸ方向に移動させることにより、図３（ａ）に示すように重なり合うようにする。また、光学的時間遅れτもプリズム（８）の移動により調整する。
以上のようにして無偏光ビームスプリッターＮＰＢＳ（１４）においては、シグナル光ビーム（６）のリングとアイドラー光ビーム（７）のリングが全領域にわたって重なりあって量子もつれ状態を形成するので、量子相関光子対の発生効率を大幅に向上させることができる。
次に、この出願の発明の実施例を述べる。もちろん、この発明は上記の実施形態及び以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【実施例】  図２に示す構成の装置を用いて量子相関光子ビームを発生させた。レーザー装置（１）としては、パルス状レーザー光を出射するチタンサファイアレーザー装置（Ｔｓｕｎａｍｉ  Ｓｐｅｃｔｒａ  Ｐｈｙｓｉｃｓ社製、パルス長約１００ｆｓ、中心周波数８００ｎｍ、繰り返し周波数８０ＭＨｚ）を用いた。ＢＢＯ結晶（２）としては厚さ０．５ｍｍのタイプＩＩのパメトリック下方変換型の結晶を用いた。シグナル光ビーム（６）とアイドラー光ビーム（７）との間の相対的位相はプリズム（８）を位置調整して光学的時間遅れτを調整することにより変化させた。発生した量子相関光子対は１０ｎｍ（ＦＷＨＭ）バンド幅の干渉フィルター（１５）、（１６）を通して、フォトダイオードＤ１（１７）、Ｄ２（１８）（ＳＰＣＭ−ＡＱＲ−１４；Ｐｅｒｋｉｎ  Ｅｌｍｅｒ社製）で受光し、コインシデンス・カウンター（１９）（単一光子カウンター（ＳＲ４００；Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｙｓｔｅｍｓ社製））でカウントした。用いたコインシデンス・カウンター（１９）は５ｎｓの時間ウィンドウ内でコインシデントカウント（以下、ＣＣとも記す）を行うものであった。コインシデンス・カウンター（１９）は、たとえばＤ１にある光子が到達して検出されてから、ある時間内（〜１０ｎｓ程度）にＤ２によって別の光子が検出されるとカウントする装置である（この場合はＤ１がスタートしてＤ２がストップボタンとなる。その逆になることもある）。光学的時間遅れτをゼロにすると量子相関光子対が最も効率良く発生し、Ｄ１側もしくはＤ２側にのみ２光子が出射するため、コインシデンス・カウンター（１９）はスタートするがストップはされないのでカウントされなくなり、ＣＣの値が低くなる。
以上のような構成としたこの実施例の装置による量子相関光子対の発生効率は４２％で、従来のタイプＩＩのＢＢＯベース装置（Ｙ．Ｈ．Ｋｉｍ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ  ６８，１３，ｐ．８０４（２００３））よりも少なくとも１００倍以上の効率で、従来のタイプＩのＢＢＯベース装置（Ｙ．Ｈ．Ｋｉｍ，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ  ２０，ｐ．１９５９−１９６６（２００３））より少なくとも３０倍以上の効率であった。得られる光子束は１．７×１０６個／ｓと推定される。また、この実施例の装置は、ＣＣレートをτの関数として解析する標準的なＨｏｎｇ−Ｏｕ−Ｍａｎｄｅｌテスト（Ｃ．Ｋ．Ｈｏｎｇ，Ｚ．Ｙ．Ｏｕ，ａｎｄ  Ｌ．Ｍａｎｄｅｌ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．５９，ｐ．２０４４−２０４６（１９８７））をパスする性能であった。
また、図３（ｂ）に、この実施例の装置により調べたＣＣレートと光学的時間遅れτとの関係を示す。この図から、干渉フィルター（１５）、（１６）のバンド幅の逆数を超える光学的時間遅れτ（＞２００ｆｓ）に対し、２４ｋＨｚのＣＣレートが観測されている。シグナル光子ビーム（６）のリングとアイドラー光子ビーム（７）のリングが重ならないときは、図３（ｂ）のようなディップは検出されなかった。光学的時間遅れτがゼロにおいて観測されたＣＣレートのディップは量子相関光子対の形成を確証するものであった。全体で検出された２光子レートは１６ｋＨｚ（ＣＣディップの深さの最大値と等しい）を超えた。
以上のことより、この実施例の装置の優位性が確認された。
【図１】
2006038683.tif 000002
【図２】
2006038683.tif 000003
【図３】
2006038683.tif 000004
【国際調査報告】
2006038683.tif 000005
2006038683.tif 000006
2006038683.tif 000007