TE偏波ポンプ光およびTM偏波ポンプ光の1:1の重ね合わせである斜め45度に偏波されたポンプ光が入力され、このポンプ光のうちTE偏波成分に対して自然放出四光波混合過程により第1の量子相関光子対を生成すると共に入力されたTM偏波成分に対して自然放出四光波混合過程により第2の量子相関光子対を生成する第1の単結晶半導体導波路と、前記第1の単結晶半導体導波路を通過したTE偏波成分およびTM偏波成分と前記自然放出四光波混合過程によって生成された第1の量子相関光子対および第2の量子相関光子対との偏波面をそれぞれ90度回転させる偏波回転素子と、前記偏波面が90度回転されたTE偏波成分に対して自然放出四光波混合過程により第3の量子相関光子対を生成すると共に前記90度回転されたTM偏波成分に対して自然放出四光波混合過程により第4の量子相関光子対を生成する第2の単結晶半導体導波路と、を備え、前記第1の単結晶半導体導波路および第2の単結晶半導体導波路は導波方向における長さが互いに等しく、かつ該第1の単結晶半導体導波路および第2の単結晶半導体導波路の導波方向における長さが前記偏波回転素子の導波方向における長さより長く構成されることにより、前記第2の単結晶半導体導波路における、前記偏波面が90度回転された第1の量子相関光子対および前記第4の量子相関光子対から偏波もつれ光子対を生成することを特徴とする偏波もつれ光子対発生素子。前記単結晶半導体導波路はシリコン細線導波路であることを特徴とする請求項1記載の偏波もつれ光子対発生素子。前記単結晶半導体導波路は、導波路のコア部分が結晶対称性を有し、2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ことを特徴とする請求項1に記載の偏波もつれ光子対発生素子。前記単結晶半導体導波路は、導波路のコア部分が単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム、またはシリコンゲルマニウム混晶により構成されていることを特徴とする請求項3に記載の偏波もつれ光子対発生素子。請求項1に記載の偏波もつれ光子対発生素子と、ポンプ光源と、偏波調整手段と、ポンプ光減衰手段と、分離手段とを備えることを特徴とする偏波もつれ光子対発生装置。量子もつれ光子対では、様々な物理量に関しての量子力学的相関を有する場合が考えられるが、ここでは、偏波状態に関する量子もつれ光子対以下、偏波もつれ光子対を想定する。横方向の偏波H偏波を有する単一の光子状態を|H>とし、縦方向の偏波V偏波を有する単一の光子の状態を|V>とする。偏波もつれ状態にある光子対の一方をシグナル光子、他方をアイドラ光子と呼ぶこととし、それぞれ添え字sおよびiで表す。このとき、偏波もつれ光子対の状態は、例えば次式2のように表される。これらHおよびVの偏波は、シリコン細線導波路においてはそれぞれTE偏波及びTM偏波に対応する。しかし、シリコン細線導波路においてそれら二つの偏波を利用することは、群速度の違いによるパルス間ウォークオフの問題を生じる。例えば、コアの断面が幅480nm、高さ200nmであるようなシリコン細線導波路において、TE偏波モードの群屈折率ngTEは4.2であり、TM偏波モードの群速度ngTMの値3.0に比べて大きい。この違いにより、導波路長が1cmの場合、約40psのウォークオフが生じてしまう。よって、|H>偏波の光子の波束と|V>偏波の光子の波束とが伝搬中に分離してしまい、ひいては式2に示すような偏波もつれ状態の純度の低下を招く。したがって、シリコン細線導波路を用いる場合、導波路内ではどちらか一方の偏波モードのみを用いて偏波エンタングルメントを得るという工夫が必要であった。このような要求を実現するため、今回発明者の武居らはシリコン細線導波路の他に外部光回路としてファイバーループ干渉計を導入し、導波路内において単一の偏波TMのみを用いた偏波もつれ光子対装置を提案実証している非特許文献4、特許文献1。これは次のようなものである。図1は量子もつれ光子対発生装置を示している。量子もつれ光子対発生装置500は、ポンプ光源501と、偏波コントローラ502と、光サーキュレータ503と、偏波ビームスプリッタPBS504、偏波保持ファイバ505、506、および半導体導波路507から構成されるループと、ポンプ光抑圧フィルタ103と、分離用フィルタ104とを備える。ポンプ光501から出力された光周波数fpのポンプ光は、偏波コントローラ502により45°の直線偏波に調整され、光サーキュレータ503の第1の端子503Aに入力される。光サーキュレータの第2の端子503Bから出力されたポンプ光は、PBS504の第1の端子504Bに入力され、PBS504により縦V偏波成分と横H偏波成分に分離される。VおよびH偏波成分は、PBS504の第2の端子504Aおよび第3の端子504Cから出力され、それぞれ屈折率固有軸が偏波面に一致するように軸方向を調整された偏波保持ファイバ505および506に入力される。偏波保持ファイバ505および506は、屈折率固有軸に平行な偏波面の光がシリコン導波路507のTMモードにカップルするよう軸方向を調整され、シリコン導波路507に接続される。すなわち、PBS504Aから出力されたV偏波のポンプ光は、半導体導波路507のTMモードにカップルされ、同様に、PBS504Cから出力されたH偏波のポンプ光もシリコン導波路507のTMモードにカップルされる。シリコン導波路507を右方向に伝搬するポンプ光は、自然放出四光波混合により量子相関光子対|TM>sr|TM>irの状態を発生する。ここで、|TM>srは右周りr方向にシグナル光子がTMモードに1個ある状態を、|TM>irは右周りr方向にアイドラ光子がTMモードに1個ある状態を表す。同様に、半導体導波路507を左方向に伝搬するポンプ光は、自然放出四光波混合により|TM>sl|TM>slの状態を発生する添え字lは左方向を表す。。TMモードにある量子相関光子対|TM>sr|TM>irは、偏波保持ファイバ506の屈折率固有軸にカップルされ、H偏波状態でPBS504に第3の端子504Cから入力される。すなわち、PBS504への入力の時点で、|H>s|H>iで記述される状態に変換されている。同様に、状態|TM>sl|TM>ilは偏波保持ファイバ505の屈折率固有軸にカップルされ、V偏波の量子相関光子対|V>s|V>iに変換されて第2の端子504BからPBS504に入力される。量子相関光子対|H>s|H>iおよび|V>s|V>iは、PBS504において重ね合わされる。ポンプ光パルス強度を調整して、量子相関光子対|H>s|H>iと|V>s|V>iが同時に発生する確率を十分小さくすることにより、近似的に式2に示す偏波に関する量子もつれ光子対の状態が得られる。発生した量子もつれ光子対は、PBS504の第1の端子504Bから出力された後、光サーキュレータ503の第2の端子503Bに入力され、第3の端子503Cより取り出される。取り出された量子もつれ光子対は、ポンプ光抑圧フィルタ103を透過させることにより残留しているポンプ光成分が抑圧される。その後、分離用フィルタ104に入力され、シグナル光子とアイドラ光子が分離されて、それぞれが出力される。このようにして、偏波に関する量子もつれ光子対の発生が可能となる。しかし、偏波もつれ光子対発生装置の更なる小型化低コスト化のためには、光ファイバで構成されるような外部光回路は極力用いない方がよい。また、前述のように光ファイバとシリコン細線導波路の結合は有限の結合損失を生じることからも、外部ファイバ系との接続を避けることで、偏波もつれ光子対のさらなる性能向上を得ることができる。また、偏波もつれ発生素子部をPLC量子演算回路と同じ基板上に集積することで、量子演算に必要な偏波もつれ光子対を高密度に集積することができるようになり、量子演算の計算容量を向上することができる。本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、コスト及びサイズが低減された、外部光回路を用いない、シリコン導波路素子を用いたワンチップ偏波もつれ光子対発生素子を提供することにある。上記の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、TE偏波ポンプ光およびTM偏波ポンプ光の1:1重ね合わせである斜め45度に偏波されたポンプ光が入力され、このポンプ光のうちTE偏波成分に対して自然放出四光波混合過程により第1の量子相関光子対を生成すると共に、TM偏波成分に対して自然放出四光波混合過程により第2の量子相関光子対を生成する第1の単結晶半導体導波路と、前記第1の単結晶半導体導波路を通過したTE偏波成分およびTM偏波成分と前記自然放出四光波混合過程によって生成された第1の量子相関光子対および第2の量子相関光子対との偏波面をそれぞれ90度回転させる偏波回転素子と、前記偏波面が90度回転されたTE偏波成分に対して自然放出四光波混合過程により第3の量子相関光子対を生成すると共に前記偏波面が90度回転されたTM偏波成分に対して自然放出四光波混合過程により第4の量子相関光子対を生成する第2の単結晶半導体導波路と、を備え、前記第1の単結晶半導体導波路および第2の単結晶半導体導波路は導波方向における長さが互いに等しく、かつ該第1の単結晶半導体導波路および第2の単結晶半導体導波路の導波方向における長さが前記偏波回転素子の導波方向における長さより長く構成されることにより、前記第2の単結晶半導体導波路における、前記偏波面が90度回転された第1の量子相関光子対および前記第4の量子相関光子対から偏波もつれ光子対を生成することを特徴とする偏波もつれ光子対発生素子である。請求項2に記載の発明は、請求項1記載の偏波もつれ光子対発生素子において、前記単結晶半導体導波路はシリコン細線導波路であることを特徴とする。請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の偏波もつれ光子対発生素子において、前記単結晶半導体導波路は、導波路のコア部分が結晶対称性を有し、2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ことを特徴とする。請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の偏波もつれ光子対発生素子において、前記単結晶半導体導波路は、導波路のコア部分が単結晶シリコン、単結晶ゲルマニウム、またはシリコンゲルマニウム混晶により構成されていることを特徴とする。請求項5に記載の発明は、請求項1記載の偏波もつれ光子対発生素子と、ポンプ光源と、偏波調整手段と、ポンプ光減衰手段と、分離手段とを備えることを特徴とする偏波もつれ光子対発生装置である。以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図2は、本発明の偏波もつれ光子対発生素子のコア部分の接続構成を示す図であり、図3は偏波もつれ光子対発生素子のコア部分の概略構成を示す図である。図2に示すように、偏波もつれ光子対発生素子10のコア部分は、シリコン細線導波路Siwirewaveguide:SSWともいう1と、偏波回転素子PRともいう3と、シリコン細線導波路SWW2とがポンプ光の導波方向に縦続接続されて構成される。シリコン細線導波路1、2には共に自然放出四光波混合過程SFWMを生じる同一の構成の単結晶半導体が用いられ、この2つのシリコン細線導波路1、2の間に配置される偏波回転素子3により偏波が90度回転される。導波方向において、シリコン細線導波路1、2は互いに等しい長さL1=L2を有し、この長さが偏波回転素子3の長さよりも長いL1=L2>L3構成により、偏波が斜め45度偏波であるポンプ光が入力されると、SFWMにより所望の偏波もつれ光子対を得ることができる。図3に示すように、偏波もつれ光子対発生素子10のコア部分において、シリコン細線導波路1、2は、断面積が一定の扁平な形状の導波路1、2で構成されている。偏波回転素子3は、前記導波路1、2よりも断面積が小さいが断面積が一定で正方形の断面形状を有する第一のコア32と、第一のコア32の周囲に設けられた第二のコア34とを有し、さらに第一のコア32の上流側および下流側には導波路1および導波路2とのそれぞれに接続するためにテーパ状に形成された導波路であるテーパ部31、33とを有している。偏波もつれ光子対発生素子10は、図3に示すシリコン細線導波路1、2および偏波回転素子3の周囲に不図示のクラッドを設けて構成されている。ここで、扁平とは、幅をW、高さをHとしたとき、W>Hであることを言う。また、図3に示す概略構成には、各導波路の配置関係を示されているのであり、長さL1=L2>L3の関係は示されていない。シリコン細線導波路1、2とテーパ部31、33と第一のコア32とは同一の材料からなり、一体形成されている。伝搬方向の中心軸は、シリコン細線導波路1、2とテーパ部31、32と第一のコア32との各導波路の中心部分にあり、シリコン細線導波路1、2と第一のコア32とでは一致していないが、シリコン細線導波路1、2を伝搬する光と第一のコア32を伝搬する光とがテーパ部31、32により光学的に接続されている。一方、第一のコア32と第二のコア34とは伝搬方向の中心軸が一致していない偏芯二重コア構成となっている非特許文献5、特許文献2。偏波回転素子3はシリコン細線導波路1伝搬後の光の偏波を90度だけ回転させてシリコン細線導波路2に接続するように設定されている。ここで、偏芯二重コア構造を有する偏波もつれ光子対発生素子について説明する。図4は偏芯二重コア構造を有する偏波もつれ光子対発生素子のコア構成を示す図であり、aは偏波回転素子3の断面図であり、bはシリコン細線導波路1、2と偏波回転素子3との構成を示す上面図である。図4aに示すように、第一のコア32は第二のコア34内部に設けられている。第二のコア34の左下部分に第一のコア32が設けられている。この第一のコア32は第二のコア34の左端に対してオフセットを有している。一例として、第一のコア32の断面は200nm×200nmであり、第二のコア34の断面は840nm×840nmであり、シリコン細線導波路1、2の断面は、幅400nmであり、高さ200nmに形成されている。また、導波方向において、シリコン細線導波路1、2の長さはそれぞれ1cmであり、テーパ部31、33の長さはそれぞれ10μmであり、第一のコアおよび第二のコアの長さは35μmである。なお、シリコン細線導波路1、2は、典型的には、断面サイズを400nmから500nmの範囲の幅とし、200nmから220nmの高さとすることが可能である。偏波もつれ光子対発生素子10において、直線偏波である入射光は、入力用の導波路コア1から入射するが、入力用の導波路コア1が扁平形状であるために、TEおよびTMの偏波はそれぞれ保持される。そして、入射光は、テーパ形状の導波路コアであるテーパ部31を経て第一のコア32および第二のコア34を伝搬する際に偏波が回転し、所望の回転角だけ回転した後にテーパ形状の出力用導波路コアであるテーパ部33を経て出力用の導波路2に出力される。出力用の導波路コア2が扁平形状であるために、TEおよびTMの偏波はそれぞれ保持される。入力側の導波路1、31と第一のコア32と出力側の導波路33、2の材料としては、シリコンなどの高屈折率材料を用いる。これらのコアの断面積は、シリコンを用いる場合は0.1μm2以下である。クラッドの材料としては、第一のコア32、第二のコア34より低屈折率の材料を用いる。具体的には酸化シリコンやエポキシ樹脂、ポリイミド、その他の各種ポリマなどがある。第二のコア34の材料としては、第一のコア32とクラッドの中間の屈折率を持つシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜、1.5以上の屈折率を持つポリマ材料などを用いる。第一のコア32の材料がシリコンで、第二のコア34の材料が屈折率1.6のシリコン酸窒化膜の場合、第二のコア34の断面積は1.5μm2以下である。なお、図3、4では、第二のコア34が第一のコア32のみを覆っている場合を例に挙げて示しているが、これに限るものではなく、第二のコア34が、第一のコア32だけでなく、テーパ部31、33の一部あるいは全体を覆うようにしてもよい。この偏波もつれ光子対発生素子10に、斜め45度偏波、すなわちH偏波とV偏波が1対1で重ね合わされているようなポンプ光を入力した場合の光の生成について説明する。入力されたポンプ光の伝搬は、シリコン細線素子1中では、図5に示すようにTEH偏波の光の伝搬図5のaに示される系統とTMV偏波の光の伝搬図5のbに示される系統に分離して考えることができる。ポンプ光がTE偏波の場合a、このポンプ光はシリコン細線導波路1にてSFWMにより|TE>s|TE>iの偏波状態を有する量子相関光子対Aを生成する。次に偏波回転素子3にて、ポンプ光及び生成された光子対Aの偏波状態はそれぞれ、TMおよび|TM>s|TM>iへと回転される。さらにシリコン細線導波路2において、TM状態の偏波は、新たな|TM>s|TM>iの光子対Bを生成する。ポンプ光がTM偏波の場合b、ポンプ光はシリコン細線導波路1にてSFWMにより|TM>s|TM>iの偏波状態を有する量子相関光子対Cを生成する。次に偏波回転素子3にて、ポンプ光及び生成された光子対Cの偏波状態はそれぞれ、TEおよび|TE>s|TE>iへと回転される。さらにシリコン細線導波路2において、TE状態のポンプ光は、新たな|TE>s|TE>iの光子対Dを生成する。なお、SWFMの発生効率は極めて低いため、上記光子対AからDのうち二対以上の生成が同時に起こることはほとんどないあるいは、同時に起こることのないようにポンプ光強度を設定できる。ここで、図1に示すような扁平形状のシリコン細線導波路1中におけるTEポンプ光によるTE偏波光子対の生成効率と、TMポンプ光によるTM偏波光子対の生成効率とを比べると、前者の方が圧倒的に高い。これは、SWFMが主に生じるシリコンコア部への光閉じ込めが、TE偏波の方がTM偏波に比べて強いためである図6参照。図6には、TE偏波およびTM偏波のそれぞれにおける導波路断面の電界分布が示されており、図示の中央部にシリコン細線導波路1が示されている。これらの生成効率の違いを計算する。SWFMにより発生する光子対数Iは、ポンプ光のシリコン細線導波路1への入射パワーをP、シリコン細線導波路1の長さをLとし、導波路の単位長さ当りの損失αを考慮すると、次式3のように表わされる。ここでLeffは伝搬損失を考慮した導波路の実効的な長さで、Leff=1-exp-αL/αである。また、gはパラメトリックゲイン関数と呼ばれ、次式4であらわされる。ΔβはSWFMにおける波数不整合であり、シリコン細線導波路における伝搬定数βλλは伝搬する光の波長を用いて次式5と表される。ここで添字p、s、iはポンプ光、シグナル光子、アイドラ光子を示す。Δβ=2βλp-λs-λi5式3およびエネルギー保存条件1を用い、TE偏波およびTM偏波における光子対生成効率の計算結果を図7に示す。ここで各パラメータは次の通りである。L=2cm、ポンプ光強度P=100mWである。TE偏波についてα=1.5dB/cm、γ=300[1/W/m]非特許文献2。TM偏波についてα=1.0dB/cm、γ=60[1/W/m]この値は、TEモードにおけるγの値と、TEモードおよびTMモードにおけるコア内への光強度閉じ込め割合の比から求めた。βλについては、ビーム伝搬法により求めた屈折率分散図8aを用いた。またポンプ光波長として1.55μmを用いた。図7より、TE偏波のポンプ光を用いた場合、生成される光子対数はTM偏波の場合と比べて1桁以上大きくなることが分かる。これは、前述のコアへの光閉じ込めの具合が大きく異なることによる。また、TM偏波ポンプにおいて、生成される光子対の帯域幅はTE偏波の場合に比べて極めて狭い。これは、TM偏波モードの方がTE偏波モードより大きな群速度分散を有するため、シグナル光子あるいはアイドラ光子の波長がポンプ光から少しでも離れてしまうと、位相整合を満たすことができなくなるからである。参考のため、この導波路における群速度分散の大きさを、よく用いられる分散パラメータD=ddβω/dω/dλとして図8bに示す。ここでωは光の角周波数で、ω=2π/λである。図7に示す結果より、TM偏波ポンプにおける光子対生成効率は、TE偏波のそれと比べて無視できるほど小さいことが分かった。加えて、シグナル光子及びアイドラ光子の波長を、TM偏波ポンプにより生成される光子対が十分小さいように適切に選ぶことができる。このようにした場合、前述の光子対AからDのうち、光子対Bおよび光子対Cの発生がほとんど起こらないとして無視することができる。残りの光子対Aおよび光子対Dにより、式2に示すような偏波もつれ状態を得ることができる。TE偏波及びTM偏波間の群速度が大きく異なるため、ウォークオフが問題となることを前述した。しかし本発明の偏波もつれ光子対発生素子10では、この影響は完全に排除することができる。すなわち本発明の偏波もつれ光子対発生素子では図9に示すように、入力端で同時刻で入力されたTE偏波図中破線の波で示されているの光パルス及びTM偏波図中実線の波で示されているの光パルスは、偏波もつれ光子対発生素子10の中途領域ではパルス中心位置の差が生じているが、出力端においてTE偏波パルス及びTM偏波パルス間の中心位置が一致している。これは入射ポンプ光がTE偏波とTM偏波との場合を比較すると、シリコン細線導波路1においてTM偏波の光はTE偏波に比べて早く伝搬する。しかし、偏波回転素子3によって偏波が90度回転したのち、各々の偏波は入れ替わるため、シリコン細線導波路2での群速度差によるウォークオフも逆方向に働く。したがって、シリコン細線導波路1とシリコン細線導波路2の長さが等しい場合、入射ポンプ光のウォークオフはキャンセルされる。同様に、生成される光子対についても、光子対はつねにポンプ光と同一偏波で発生することから、ウォークオフの効果をキャンセルすることができる。偏波回転素子3もシリコンをコアとする導波路であるため、その部分において発生する光子対が雑音として問題となる可能性がある。しかし、偏波もつれ光子対発生素子10においては、偏波回転素子3の長さが約50μm程度であり、シリコン細線導波路の長さが1cmである、図4に示されている一例のように、偏波回転素子3の長さはシリコン細線導波路の長さに比べて十分短い。また、光子対数は、式3から導波路長の二乗に比例する。したがって、偏波回転素子3において発生する光子対は、他のSWWにて発生する光子対に比べて少なく、無視することができる。実際の導波路損失を考慮すると、シリコン細線導波路2入射時のポンプ光強度は、シリコン細線導波路1入射時に比べ小さくなる。したがって、両者で生じる光子対AおよびDの生成確率が等しくならず、式2の偏波もつれ状態が劣化してしまう可能性がある。しかし、導波路へ入射する偏波面の傾き角を斜め45度としておくことで、この問題は自動的に解決する。この理由について図10を参照して説明する。図10を参照すると、いま、シリコン細線導波路1へ入射するTE偏波のポンプ光aの強度をPTE、TM偏波のポンプ光bの強度をPTMとする。偏波回転素子3の透過率をηとすると、シリコン細線導波路2入射時のTM偏波として入射したポンプ光bの光強度はηexpαTMLPTMとなる。ここでαTMはTM偏波光に対するシリコン細線導波路の単位長さあたりの伝搬損である。シリコン細線導波路1およびシリコン細線導波路2の長さが等しいこと、光子対AおよびDはそれぞれTE偏波のポンプ光より生成されることを考慮すると、それぞれの部分で発生する光子対数は、それぞれの導波路へ入射するポンプ光の強度に比例する。したがって、光子対AおよびDの生成効率は、PTE2およびηexpαTMLPTM2にそれぞれ比例することとなる。一方、光子対Aはシリコン細線導波路1にて発生するため、後部であるシリコン細線導波路2にて発生する光子対Dに比べて、偏波回転素子3およびシリコン細線導波路2の分だけ長く伝搬することとなる。これらの余分な部分を伝搬する際の光子対Aの透過率は、光子対Aはシリコン細線導波路2をTM偏波として伝搬することから、ηexpαTML2である。ここで二乗は、光子対の透過率は、光子対を構成するそれぞれの光子の透過率の積として得られることによる。この光子対Aに対する透過率も考慮に入れると、シリコン細線導波路2出射後の光子対AおよびDの数はそれぞれηexpαTMLPTE2およびηexpαTMLPTM2となる。これらはPTE=PTMのときにのみ相等しい。したがって、シリコン細線導波路1へ入射するポンプ光の偏波を斜め45度とすることで、PTE=PTMを実現し、光子対AおよびDの生成効率を等しくすることが可能となる。上記においては簡単のため偏波回転素子3の挿入損失に偏波依存性を考慮しなかったが、実際には偏波依存性が存在する場合がある。その場合には、入射偏波の傾きを適宜調整することで、光子対AおよびDの生成効率を等しくすることが可能である。入射偏波面の傾きを45度とする手段は、ポンプ光源と一体に構成されてもよいが、図11に示すように、入射偏波面の傾きを45度とする新たな偏波回転素子4を、シリコン細線導波路1の前段に新たに設けて偏波もつれ光子対発生素子10に集積することも可能である。この場合、入射ポンプ光の偏波はTEあるいはTMでよいため、入射光の偏波の調整が簡単になるという利点がある。このときの偏波回転手段4は、前述の偏波回転素子3と同様の構成で、かつシリコン細線32および第2コア34の伝搬方向の長さが半分であるような構成をとることができる。図12は、偏波もつれ光子対発生素子10を用いた偏波もつれ光子対発生装置の全体構成を示す図である。図12に示すように、本発明に係る偏波もつれ光子対発生装置は、光周波数がfpのポンプ光を出力するポンプ光源40と、ポンプ光を斜め45度偏波とする偏波調整手段50と、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、式2で表わされるような偏波もつれ光子対を発生する前述の偏波もつれ光子対発生素子10と、偏波もつれ光子対発生素子10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60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70とを少なくとも備える。光源40は、例えば、半導体レーザーであり、光周波数がfpのポンプ光を出力する。またポンプ光はパルス形状を有していてもよい。また、ポンプ光減衰手段60は、光子対発生部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60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。分離手段70は、ポンプ光減衰部60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から出力され、アイドラ光子は、アイドラ光子出力部から出力される。分離手段70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やファイバーブラッググレーティング、アレイ光導波路から構成することができる。本発明に係る偏波もつれ光子対発生装置では、SWFMにより、偏波もつれ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、SWFMによる偏波もつれ光子対生成素子としてシリコン細線導波路を用いた偏波もつれ光子対生成素子10によれば、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、所望の偏波もつれ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、所望の偏波もつれ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。また、偏波回転素子としては、図3、4に示したような構成に限る必要はなく、特許文献2や特許文献3で他に挙げられているような様々な形態をとることができる。また、上記ではSWFMを生じる非線形媒質としてシリコン細線導波路を挙げたが、本発明はこれに限らず、コア材料が単結晶半導体である導波路を用いることができる。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。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偏波もつれ光子対発生装置の小型化を実現できる。また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。これらは、偏波回転素子部の材料についても同様である。特に偏波回転素子の第2コアの屈折率は、第1コアの材料の屈折率より小さく、かつクラッドの材料の屈折率より大きければよい。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。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偏波もつれ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、発生した偏波もつれ光子対を、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。また、PLCで構成された量子演算装置へ、同一基板上で直接接続することができる。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。このスポットサイズ変換構造を、図12に示す第1のシリコン細線導波路の入射側、及び第2のシリコン細線導波路の出射側に設けることにより、上記結合効率の問題を解決することができる。本発明に係る偏波もつれ光子対発生装置では、SWFMにより、偏波もつれ光子対が単結晶半導体導波路および偏波回転素子より構成される導波路で発生する。この構成により、前述したようなシリコン細線導波路内の強い偏波依存性に関するウォークオフの問題を解決し、非特許文献4及び特許文献1で報告されているような光ファイバによる外部光回路を用いることなく、上の単結晶半導体導波路のみで偏波もつれ光子対を発生することが可能となる。また、斜め45度の偏波を有するポンプ光を用いることで、それぞれの導波路で誘起される伝搬損失の影響をキャンセルし、式2で表わされるような偏波もつれ状態を純度よく得ることができる。また、単結晶半導体導波路を光子対発生用媒質として用いることで、SFWMを用いた量子相関光子対の発生を行う非線形媒質としてシリコン細線導波路を用いることで得られる従来の3つの利点と同様の利点を得ることができるのは言うまでもない。シリコン細線導波路単結晶半導体導波路に偏波回転素子を組み合わせた構成の導波路を用いることにより、ファイバ干渉計などの外部光回路を用いずに、ワンチップで偏波もつれ光子対を発生させる素子を初めて実現した。