"光周波数がfpのポンプ光パルスを出力する光源と、単結晶の半導体からなるコアを備える光導波路から構成され、前記光源が出力したポンプ光を入力して2fp=fsfiの関係を満たす光周波数fsのシグナル光子および光周波数fiのアイドラ光子から構成される光子対を自然放出四光波混合過程により発生して出力する光子対発生手段と、前記光子対発生手段からの出力より前記ポンプ光を選択的に減衰させるポンプ光減衰手段と、前記ポンプ光減衰手段を透過した前記光子対から前記シグナル光子および前記アイドラ光子を分離して出力する分離手段とを少なくとも備え、前記光導波路は、前記ポンプ光の光周波数における群速度vgfpと前記シグナル光子の光周波数における群速度vgfsとが等しい状態、および前記ポンプ光の光周波数における群速度vgfpと前記アイドラ光子の光周波数における群速度vgfiとが等しい状態のいずれかの状態とされていることを特徴とする光子対発生装置。請求項1記載の光子対発生装置において、前記コアは、中心対称性を有する単結晶の半導体から構成されていることを特徴とする光子対発生装置。請求項1または2記載の光子対発生装置において、前記シグナル光子および前記アイドラ光子の光周波数は、前記光導波路で前記ポンプ光のラマン散乱により発生する散乱光の光周波数とは異なる値とされていることを特徴とする光子対発生装置。請求項1~3のいずれか1項に記載の光子対発生装置において、前記コアの断面の寸法は、前記ポンプ光,前記シグナル光子,および前記アイドラ光子に対してシングルモード条件を満たす範囲とされていることを特徴とする光子対発生装置。請求項1~4のいずれか1項に記載の光子対発生装置において、光導波路基板を備え、前記光導波路基板の光導波路で前記光子対発生手段,ポンプ光減衰手段,および前記分離手段が構成されていることを特徴とする光子対発生装置。しかしながら、光ファイバを用いる光子対発生装置は、以下に示すように、大きく、また高コストであるという問題がある。非線形媒質の損失がなく、位相整合条件が満たされている場合、自然放出四光波混合過程により発生する量子相関光子対数は、γP0L2に比例する。なお、P0は、ポンプ光パルスのピークパワーである。また、Lは、非線形媒質の長さである。また、γは、媒質の非線形性の大きさを表す非線形定数である。ここで、非特許文献3で用いられている非線形ファイバのγは、0.1/Wm程度である。一方、さらに高非線形な媒質となるシリコン細線導波路のγは、300/Wm程度であり非特許文献2、非線形ファイバの3000倍である。したがって、同一ポンプ光強度において同一の光子数生成率を得るためには、光ファイバを用いるとシリコン細線導波路の約3000倍の長さが必要となる。このため、非常に長いファイバまたは非常に大きな出力パワーを有するポンプ光源を必要とし、周波数無相関光子対発生部の大型化、ひいては光子対生成装置の大型化高コスト化を招く。本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、周波数無相関な光子対が、より小型で低コストな状態で生成できるようにすることを目的とする。本発明に係る光子対発生装置は、光周波数がfpのポンプ光パルスを出力する光源と、単結晶の半導体からなるコアを備える光導波路から構成され、光源が出力したポンプ光を入力して2fp=fsfiの関係を満たす光周波数fsのシグナル光子および光周波数fiのアイドラ光子から構成される光子対を自然放出四光波混合過程により発生して出力する光子対発生手段と、光子対発生手段からの出力よりポンプ光を選択的に減衰させるポンプ光減衰手段と、ポンプ光減衰手段を透過した光子対からシグナル光子およびアイドラ光子を分離して出力する分離手段とを少なくとも備え、光導波路は、ポンプ光の光周波数における群速度vgfpとシグナル光子の光周波数における群速度vgfsとが等しい状態、およびポンプ光の光周波数における群速度vgfpとアイドラ光子の光周波数における群速度vgfiとが等しい状態のいずれかの状態とされている。上記光子対発生装置において、コアは、中心対称性を有する単結晶の半導体から構成されているとよい。また、シグナル光子およびアイドラ光子の光周波数は、光導波路でポンプ光のラマン散乱により発生する散乱光の光周波数とは異なる値とされていればよい。また、コアの断面の寸法は、ポンプ光,シグナル光子,およびアイドラ光子に対してシングルモード条件を満たす範囲とされていればよい。なお、光導波路基板を備え、光導波路基板の光導波路で光子対発生手段,ポンプ光減衰手段,および分離手段が構成されているようにしてもよい。以上説明したことにより、本発明によれば、周波数無相関な光子対が、より小型で低コストな状態で生成できるようになるという優れた効果が得られる。以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における光子対発生装置の構成を示す構成図である。この光子対発生装置は、光源101,光子対発生部102,ポンプ光減衰部103,および分離部104を備える。また、分離部104は、シグナル光子出力部105およびアイドラ光子出力部106を備える。光源101は、例えば、半導体レーザーであり、光周波数がfpのポンプ光パルスを出力する。ポンプ光としては、位相が揃って小さなビーム径とすることができるレーザー光が好ましい。光子対発生部102は、例えばシリコンなどの単結晶の半導体からなるコアを備える光導波路から構成され、光源101が出力したポンプ光を入力して2fp=fsfiの関係を満たす光周波数fsのシグナル光子および光周波数fiのアイドラ光子から構成される光子対を自然放出四光波混合過程により発生して出力する。ここで、光子対発生部102を構成する光導波路は、コアの形状を制御することで、ポンプ光の光周波数における群速度vgfpとシグナル光子の光周波数における群速度vgfsとが等しい状態、およびポンプ光の光周波数における群速度vgfpとアイドラ光子の光周波数における群速度vgfiとが等しい状態のいずれかの状態とされている。また、ポンプ光減衰部103は、光子対発生部102からの出力よりポンプ光を選択的に減衰させる除去する。例えば、ポンプ光減衰部103は、ファイバーブラッググレーティングなどから構成すればよい。分離部104は、ポンプ光減衰部103を透過した光子対からシグナル光子およびアイドラ光子を分離して出力する。分離したシグナル光子は、シグナル光子出力部105から出力され、アイドラ光子は、アイドラ光子出力部106から出力される。分離部104は、波長によりシグナル光子およびアイドラ光子を分離するものであり、例えば誘電体多層膜フィルタおよびファイバブラッググレーティングから構成することができる。以下では、光子対発生部102が、コアが単結晶シリコンからなるシリコン細線導波路から構成されている場合を例に、周波数相関のない光子対の発生について説明する。まず、シリコン細線導波路は、シリコンコアの断面構造を制御することにより、ポンプ光の光周波数における群速度vgfp、シグナル光子の光周波数における群速度vgfs、アイドラ光子の光周波数における群速度vgfiに関し、vgfp=vgfsあるいはvgfp=vgfiの関係を満たす状態にすることができる。ここで制御の例として、通信波長帯波長1550nm光周波数193.5THz近傍におけるシリコン細線導波路を用いた周波数無相関光子対の発生について説明する。まず、コアがシリコン、クラッドがシリコン酸化膜で構成されているシリコン細線導波路のコアの断面構造を、幅480nm、高さ220nmの長方形に設定する。なお、クラッドなどが形成されている基板の平面に平行な断面の方向の長さを幅とし、基板から離れる方向の断面の長さを高さとしている。上述した断面寸法とした場合、このシリコン細線導波路に入射する横偏波の入射光の光周波数に対するシリコン細線導波路の群速度の関係を図2に示す。ここでポンプ光入射光の光周波数fpを194.5THzとすると、ポンプ光の光周波数における群速度と等しい群速度が光周波数190THz近傍で得られることがわかる。自然放出四光波混合においては、発生する光子対は、2fp=fsfi1で表される光周波数、すなわちエネルギーの保存則を満たす。また、シリコン細線導波路の至る所でポンプ光により発生したシグナル光子およびアイドラ光子は、伝搬中に干渉し合い、ある特定の波数位相を持つ成分のみが出力される。特に、シリコン細線導波路の長さを無限長と仮定した場合、2kfp-2γP0=kfskfi2の波数k、すなわち運動量に関する保存則を満たす特定のモードの光子対のみが強め合って放出される。ここで、式2の左辺第2項の2γP0は、三次非線形性に起因する自己位相シフトである。しかし、現実のデバイスにおいて、導波路長は有限であり、式2からずれても、fiとfsがある程度の範囲内であれば強め合うことができる。強め合うことが可能な範囲は、式2の両辺の差である波数運動量不整合Δk=kfskfi-2kfsfi/22γP0の程度の波数の広がりを持つ平面波を、光の進行方向に長さLだけ積分した結果より考えることができる式3。式3において、Iは光強度光子数の次元を持ち、波数不整合Δkに対する位相整合の強さ発生する光子対数を表す量である。Δkは、シグナル光子の光周波数fs、アイドラ光子の光周波数fiの関数であるから、Iもfs、fiの関数である。式3のIをシグナル光子およびアイドラ光子の光周波数に対して密度プロットした典型的な例を図3に示す。図3において、密度プロットの色が白いほどIの値の大きな部分を表し、位相整合した光子対が強く発生している条件を表す。このことから、Iは、二光子の位相整合スペクトラムと呼ばれる。図3のaに示した位相整合スペクトラムは、二光子光周波数空間上で斜め方向に傾いている。このため、この位相整合スペクトラムは、シグナル光子およびアイドラ光子の光周波数スペクトラムの積で表すことができない。言い換えれば、図3のaに示した位相整合スペクトラムで表される状態は、片方の光子の光周波数が決まると、この結果に引きずられて他方の光子の光周波数が決まってしまう。このような状態は光周波数もつれ状態と呼ばれる。一方、図3のbに示す位相整合スペクトラムは、シグナル光子およびアイドラ光子の各々の光周波数分布の積の形に因数分解することが可能である。このような状態が、周波数無相関状態であり、片方の光子の光周波数が決まっても他方の光子の光周波数には何ら影響を及ぼさない状態である。したがって、二光子光周波数空間上で、傾きが0度あるいは90度となるような位相整合スペクトラムを生じる位相整合条件が、周波数無相関光子対の発生条件となる。このような傾きが0度あるいは90度の位相整合が達成される、光導波路の条件を考える。位相整合スペクトラムIは、式3より、Δk=0のとき最大値1をとる。すなわち、位相整合スペクトラムの最大値を結ぶ曲線は、Δk=0で与えられる図3参照。したがって、Δkの勾配であるgradΔkは、位相整合スペクトラムの法線方向を表すことになり、位相整合スペクトラムの傾きが0度あるいは90度となる条件は、gradΔkが90度方向あるいは0度方向となることに各々対応している。これは、以下に示す式4のfs、fi成分の、いずれかが0であることに対応する。なお、式4のvgfは、光周波数fにおける媒質の群速度である。したがって、位相整合スペクトラムの法線のx成分あるいはy成分が0になる条件、言い換えれば、位相整合スペクトラムの傾きが0度あるいは90度になる条件として、vgfs=vgfpあるいはvgfi=vgfp5を得る。実際に、図2の群速度特性を有する光導波路に対して二光子の位相整合スペクトラムをプロットしたグラフを図4のaに示す。ここで、現実的なパラメータとして、光導波路長L=5cm、非線形定数γ=300/Wm、ポンプ光パルスのピークパワーP0=50mWとした。図4のaにおいて、色の白い部分が位相整合達成部分を表しており、傾きが0度あるいは90度の位相整合部分が存在していることがわかる。これらの近傍においては、各々、アイドラ光子の光周波数が決まってもシグナル光子の光周波数が決まらない、あるいはシグナル光子の光周波数が決まってもアイドラ光子の光周波数が決まらないという周波数無相関が達成されている。ここで、例えば傾き0度が達成されているのは、シグナル光子の光周波数が191THz、アイドラ光子の光周波数が198THz近傍の場合である。これらと式1とより、fp=194.5THzが得られる。ここで図2を参照すると、fp=194.5THzとfs=191THzとにおける群速度が、おおよそ等しくなっていることがわかる。したがって、vgfp=vgfsの条件のもとで、シグナル光子とアイドラ光子の光周波数が無相関な光子対の生成条件が達成されることが確認できた。実際に発生する光子対の二光子スペクトラムは、ポンプ光の有するスペクトラムと、光周波数の保存、すなわちエネルギーの保存則とによって決まる二光子光周波数の領域の範囲で、前述の位相整合スペクトラムIが満たす領域となる。ここで、ポンプ光の強度スペクトラムをGfpとすると、エネルギー保存則2fp=fsfiより、二光子光周波数空間でのエネルギー保存スペクトラムはGfsfi/2と表される。発生する光子対のスペクトラムは位相整合スペクトラムI×エネルギー保存スペクトラムGとなる。ポンプ光として、現実的な半値全幅が100フェムト秒程度の光パルスを用いると、このエネルギー保存スペクトラムGは、図4のbに示す状態となる。また、発生光子対のスペクトラムは、図4のaと図4のbの積である、図4のcに示す状態として得られる。結果として、上述した実施の形態のようにポンプ光のスペクトラムを適切に選択することで、位相整合スペクトラムのうち傾き0度あるいは90度の部分の近傍のみを適切に切り出すことが可能である。なお、上述では、コアの断面の各寸法断面構造を制御するようにしたが、これに限るものではなく、例えば、コアとクラッドとの界面において、導波方向に回折格子などを形成することで、光子対発生部102を、ポンプ光の光周波数における群速度vgfp、シグナル光子の光周波数における群速度vgfs、アイドラ光子の光周波数における群速度vgfiに関し、vgfp=vgfsあるいはvgfp=vgfiの関係を満たす状態にしてもよい。本実施の形態に係る周波数無相関の光子対発生装置では、自然放出四光波混合過程により、周波数無相関な光子対がシリコン細線導波路内で発生する。前述したように、自然放出四光波混合過程による周波数無相関の光子対生成手段としてシリコン細線導波路を用いると、光ファイバを用いた場合に比べて光子対発生装置の大幅な小型化が可能である。また、所望の周波数無相関な光子対を得るためにシリコン細線導波路を長くしても十分に小型であり、導波路長を適宜に長くして、所望の周波数無相関光子対を得るのに必要なポンプ光パワーを低減することができる。これにより、安価なレーザーをポンプ光パルス光源に用いて低コスト化を図ることができる。ところで、従来技術のように光ファイバを非線形光学媒質として用いた場合、ポンプ光が自然放出四光波混合過程だけでなく自然放出ラマン散乱過程を誘起し、この誘起により発生した雑音光子により光子対の品質が劣化するという問題がある。これは、通常の光ファイバを構成する石英ガラスfusedsilicaのアモルファス性により光ファイバのラマン散乱スペクトラムが連続的かつ広帯域なものになるため、シグナル光子またはアイドラ光子の波長チャネルへの自然放出ラマン散乱光子の混入を避けることが、非常に困難であることに起因する。特に、バンドパスフィルタを用いずに周波数無相関な光子対を高効率に生成しようとする場合、ラマン散乱光子は、シグナル光子およびアイドラ光子の波長チャネルにおいてのみならず、近傍の波長域においても十分に減衰されている必要がある。上述した問題を回避するため、非特許文献3においては、ポンプ光波長770nmに対して十分離れた波長帯域である波長500nm帯のシグナル光子、波長1.5μm帯のアイドラ光子から構成される光子対を生成している。しかし、シグナル光子とアイドラ光子との波長帯域が離れてしまうと、各々の波長域に適用可能な光学部品や光ファイバが異なるため、装置の複雑化を招くことになる。一方、ファイバを冷却することにより自然放出ラマン散乱による雑音光子を減衰させることができることが報告されているが非特許文献4参照、この方式においては、光ファイバの冷却装置が必要であり、装置のさらなる大型化高コスト化につながる。上述した問題に対し、本実施の形態の光子対発生装置では、生成しようとする周波数無相関光子対の光周波数を、ラマン散乱ピークと異なる状態に設定する。これにより、上述した問題が解消可能となる。単結晶半導体をコアとする光導波路は、比較的狭帯域のラマン散乱スペクトラムを持つ。例えば、単結晶シリコンをコアとする光導波路では、ポンプ光の光周波数から約15.6THz離れた光周波数において、常温で帯域105GHz程度の自然放出ラマン散乱が観測されている非特許文献2参照。このラマン散乱ピークの光周波数に、生成しようとする光子対の光周波数を一致させてしまうと、自然放出ラマン散乱により発生した雑音光子がシグナル光子およびアイドラ光子へ混入することになる。これに対し、生成しようとする光子対の光周波数をラマン散乱ピークと異なるように設定すれば、光ファイバを非線形媒質として用いた場合と異なり、非線形媒質の温度制御を行うことなく、自然放出ラマン散乱による雑音光子のない、純度の高い周波数無相関な光子対の発生が可能となる。また、単結晶半導体導波路としては、光導波路のコア部分が中心対称性を有し、二次の非線形光学効果が抑制される半導体物質により構成されているものを用いてもよい。パラメトリック下方変換など、二次の非線形光学効果が副次的に発生して雑音となる可能性を抑制することができる。特に、単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム、またはシリコンゲルマニウム混晶などがこのような物質として適している。また、単結晶半導体による光導波路は、コアの断面構造を、ポンプ光、シグナル光子、およびアイドラ光子に対してシングルモード条件を満たすようにすることができる。また、図5に示すように、光子対発生部502,ポンプ光減衰部503,分離部504、シグナル光子出力端子505,およびアイドラ光子出力端子506を、光導波路基板510の上に集積化してもよい。光導波路基板510の光導波路で、光子対発生部502,ポンプ光減衰部503,および分離部504を構成すればよい。ポンプ光減衰部503は、光導波路基板510のクラッド部分に周期的な屈折率変調を加えることにより作製できる単結晶半導体導波路型ブラッググレーティング非特許文献6などから構成すればよい。分離部504は、光導波路基板510によって構成されるアレイ導波路型回折格子などから構成することができる。例えば、最近の光子量子演算の動向として、光子を干渉させて演算を行う光回路をシリコン基板上の平面光波回路上に実装する試みが世界中で行われている非特許文献5参照。これは、自由空間に比べて非常に高い光路安定性を得ることが可能になる上、非常に多数の光子を用いた大規模な演算を行う場合にも、装置を小型化することが可能であるという大きな利点がある。このような、平面光波回路上の量子演算装置へ光ファイバによって生成された伝令付き単一光子を導入する場合、光回路への100の光結合は技術的に困難であるため、利用可能な光子数のさらなる低下を招く。これに対し、本実施の形態によれば、光子対発生部を同一チップ上に集積化可能であり、結合効率の問題を解決することが容易である。ところで、ポンプ光、シグナル光子、およびアイドラ光子に対してシングルモード条件を満たすようにコアの断面の寸法幅、高さが設計された単結晶半導体導波路は、通常コアの断面寸法が、数100nmのオーダーである。これは、一般的なシングルモード光ファイバのコア径に比べて非常に小さい。このため、光ファイバからの出射光を光子対発生部としての単結晶半導体導波路に入力光結合し、また、この単結晶半導体導波路からの出力光子を光ファイバに出力光結合することが容易ではなく、多くの場合、光損失を伴う。これに対し、単結晶半導体導波路の両端にスポットサイズ変換構造を設けることにより、単結晶半導体導波路とポンプ光源等の他の装置とを、光ファイバを用いて低い光結合損失で光学的に接続することが可能となる。このような、スポットサイズ変換構造による光結合で、より低いポンプ光強度による周波数無相関な光子対の生成が可能となり、コストの低減が可能となる。また、発生した周波数無相関な光子対を、効率よく光導波路より取り出して使用することができる。スポットサイズ変換構造としては、例えば単結晶半導体導波路の両端の一部分が、端部に行くほど断面の寸法が漸次小さくなる構造がある。例えば、光導波路が形成されている基板平面に平行な方向のコア幅が、漸次小さくなればよい。また、基板の法線方向のコア高さが漸次小さくなっていてもよい。また、コア幅およびコア高さが漸次小さくなっていてもよい。なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述した実施の形態では、コア材料として単結晶シリコンを用いるようにしたが、これに限るものではなく、単結晶ゲルマニウム、もしくはシリコンゲルマニウム混晶等の単結晶を用いるようにしても同様である。これら材料を用いたコアより光導波路を構成すれば、光ファイバと比較するとコア断面積が小さく非線形定数γが大きいので、導波路長を短くして周波数無相関光子対発生装置の小型化を実現できる。クラッド部分としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、ポリイミド等の有機膜、酸化アルミニウム、酸化チタン、樹脂膜、水、または空気等が挙げられる。また、コアを構成する単結晶の半導体として、III-V族化合物半導体および窒化物半導体などの化合物半導体を用いるようにしてもよい。所望とするポンプ光および光子対の光周波数波長に対応する値より大きいバンドギャップエネルギーを有する化合物半導体を用いればよい。このようにすることで、線形吸収によるポンプ光および光子対の損失を抑え、周波数無相関光子対の生成効率の低下を防ぐことができる。"