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技術のポイント：光子波長変換／長波長ポンプによる雑音光子発生の大幅な抑圧
強いポンプ光" !短波長，長波長ポンプの２種類のデバイス!signal > !pump!

位相シフト鍵を用いる量子鍵配送において，本光子検出器は非ゲートモードで使用できるため，その「高効率特性」と「低雑音特性」を生かして200km超の長距離での高クロック・高伝送レートでの秘密鍵配送を可能にすると期待している．

0!

'()*+,-./01234(DPS-QKD, Diﬀerential Phase Shift-Quantum Key Distribution)!従来の検出器：..

deRZf/ghiaj!

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InGaAs-APD
短波長ポンプの波長変換型

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FREQUENCY!

#"#$%&pump(1.81 µm)!

SFG (0.6 µm)!

"pump!
SHG (pump)!

pump(0.976 µm)!

"SFG!

FREQUENCY!

4

雑音光子計数（暗計数）発生の特性

長波長ポンプ-type, 1810-nm pump:" !光子検出効率 5 %時に暗計数率 < 100 cps (η ≈ 57 %)" !寄生雑音光子発生が検出限度以下（ポンプ光から余計な光を除去した場合）
APD

短波長ポンプ-type, 976-nm pump:" !光子検出効率 5 %時に暗計数率 33000 cps (η ≈ 68 %)" !寄生雑音光子発生が大" !ポンプ光がSi光子検出器で検出されるため，ポンプ光を130dB以上抑圧することが必要
APD!"#$%&
暗計数率(k sec-1)

2!! 量子鍵配送(QKD) は無条件に安全な暗号通信ネットワークの実現における重要な技術．長距離・高速な暗号伝送技術の進展が期待されている．
!! これまで：光子検出器の雑音が大きく，光子が無いのに誤検出をしてしまう（暗計数）等の問題があり，ゲート動作を必要とするなど，伝送ロスが大きくなる長距離時や高速な暗号伝送を行う場合に困難を生じていた．
!! 今回，光子の波長を逐一変換して検出する装置において，低雑音特性を大幅に向上させた．
これにより1GHzのクロックレートで量子鍵配送を行うシステムで動作する低雑音特性を確
立．100km超の量子鍵配送システムに目処．

aNbc!

今回開発したタイプ!!短波長ポンプでは下方変換光が1500nm帯と重なる→再変換→雑音光子!!長波長ポンプでは下方変換光が1500nm帯と重ならない→雑音光子発生無し!

本研究の一部はNational Institute of Information and Communications Technology (NICT)からの受託研究として行われた．

st!

"signal!

!"#$%&

"SFG!

DFG!

"pump!

830-nm*+,-.!
620-nm*012.!

!signal < !pump!

"signal!
近年，盗聴や漏洩に対して安全な電気通信への需要の拡大によって量子力学に基づく新しい世代の情報通信技術の開発速度が加速している．量子鍵配送!"#$%&は無条件に安全な通信ネットワークの実現における重要な技術になりえると予想されており，単一光子の高効率・低雑音検出が重要視されている．しかし，アバランシェ
フォトダイオードを用いる光子検出器では，暗時にも誤検出（暗計数）が高い頻度で発生する問題があり，量子鍵配送の長距離化・高速化への移行に対して障害となっていた．このため誤検出の大幅な低減ができる光子検出器が求められており，光子波長を変換して検出する方法や超伝導検出器などが検討されている．!

ghimCnopa1= << 11550-nm シグナル+976-nm ポンプ
1550-nmシグナル+1810-nmポンプ!"#$%&'(&)/"#$%&'(&)

SHG (pump)!
SFG (0.835 µm)!

NTT物性科学基礎研究所の鎌田英彦，フォトニクス研究所の遊部雅生等の研究グルー
プは，量子鍵配送実験の長距離化・高速化への移行に対応する低雑音な通信波長帯光子検出デバイスを開発した．1500nm帯の光子を近赤外域の光子に逐一変換し，近赤外域の高効率光子検出器で検出する方法を採用し，特に雑音特性の向上を狙った．今回，1810nmのポンプ下で 動作するデバイスを開発し高効率での1550 nm帯光子の周波数変換と余剰雑音ゼロでの光子検出を達成した．

qri!

波長変換光

微弱なポンプ光

1.5 µm photons!

登壇日：９月１４日，講演番号：14p-E-13，登壇者：鎌田英彦
担当：鎌田 英彦，046-240-3184，leroi@will.brl.ntt.co.jp

量子鍵配送における光子検出器の重要性

3" !ポンプ光と信号光の和周波光を高効率で発生するデバイス

1.5 µm photons!

通信波長帯での高効率周波数変換，低雑音光子検出技術を開発#"#$%&
同じ変換効率で比較すると数100分の１に低下

暗計数が大幅に低下5実装した波長変換デバイスモジュールの光子変換／暗計数雑音特性：!

導波路に結合した1.5 µm帯光子を100%変換

光子変換効率光子変換特性used with fiber-coupler

暗計数率(sec-1)

長*に比例して増加" ! 残留暗計数は高強度のポンプレーザーによるファイバ中のanti-Stokes Raman散乱に起因!

暗計数率(sec-1)" ! 導波路に結合した光子はポンプ強度を増大させることで100% 変換できる!
" ! 正味の変換効率はファイバ-導波路間の結合効率（40~60%）によって制限される!
" ! 残留暗計数はポンプパワーの２乗に，またファイバ!

" ! ファイバカプラ使用時（ファイバ長40cm）には1秒間の暗計数" ! 検出効率は最大25%!

ファイバカプラ
1500nm帯光!
1810nmポンプ光

ファイバ長" ! ファイバカプラを使用しないタイプ（ダイクロイックミラーでポンプ・シグナル光を合波）のモジュールでは暗計数は事実上Si-APDの暗計数のみ !

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Anti-Stokes Raman spectrum vs. Dark count rate spectrum :!

" ! 残留暗計数が生じるのは入力ファイバ中のanti-Stokes ラマン散乱光を変換してしまうため !
ラマン効果により散乱された光と入射光のエネルギー差は物質内の分子や結晶の振動準位や回転準位、もしくは電子準位のエネルギーに対応!
ポンプ光からシリカの各振動モードへのエネルギの分配と光の再放射 !

ENERGY!

8!! 1550-nm 帯で高効率・低雑音で光子を検出できる室温動作装置技術を確立．
!! 低雑音特性の大幅な向上により1GHzのクロックレートで量子鍵配送を行うシステムで非ゲートモードでの動作が可能．
!! 100km超・1GHzのクロックレートでの量子鍵配送システムに目処．
!! 導波路結合損の低減で将来的には光子検出効率 34〜40%，全暗計数率〜102 sec-1!! 量子光学・エレクトロニクス分野における実験にも適用

ラマン強度0!

1.5 µm帯と重なる部分

w/o fiber-couplerまとめ

1.5 µm!

ファイバ端に１秒間に到来する
ラマン光子数"!

ラマン効果は，物質に光を入射したとき散乱された光の中に入射された光の波長と異なる波長の光が含まれる現象!

pump!

"!
"!

used with fiber-coupler

は数100~数1000カウント!

暗計数雑音特性

LN導波路

7

性能：!

!"#$%&'()!

QKD!"*+,-./01234!