JP2013254201A - 量子テレポーテーションのためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】入力光子の量子状態の量子テレポーテーションのためのシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】偏光エンタングルメント光子対を生成発光ダイオード１と、光子対の一方の光子を第１の、他方を第２の経路に沿って、導くビームスプリッタと、入力光子のための入力と、第１の経路の光子対の一方の光子と入力光子に対して合同測定を実行する測定部９と、第１の遅延を測定するように構成される計時部であって、第１の遅延は、入力光子とエンタングルメント光子対の光子が合同測定部を通過するときの、入力光子と光子対の光子との間の遅延であり、第２の遅延は発光ダイオードを出るときの２つの光子間の遅延時間である、計時部と、第１の遅延が第１の所定のタイミングウィンドウ内にあり、かつ、第２の遅延が第２の所定のタイミングウィンドウ内にある場合に、テレポーテーション測定が有効であることを決定するコントローラと、を具備する。
【選択図】図１

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１２年５月１６日に出願された英国特許出願第１２０８６４０．１号に基づいており、この英国特許出願の優先権の利益を主張する。この英国特許出願の全内容は、参照することによって本明細書に組み込まれる。

（技術分野）
ここに説明される実施形態は、一般に、量子テレポーテーションのためのシステム及び方法に関する。

「量子複製不可能」定理は、量子情報は複製することができないことを提示し、それは量子情報技術にとって深い含蓄を持つ。量子暗号の安全性は、単一光子に情報を符号化することに関して、それに直接に依存している。しかしながら、情報を複製する能力なしに、単純な量子通信ネットワークを構築するオプションは制限され、量子計算では、不完全な測定又は確率的論理ゲートに起因する喪失は量子アルゴリズムを終結させることがあり得る。量子情報が破壊されるとそれが他の場所に同時に転送される量子テレポーテーションは、素晴らしい解決策として提案されている。量子通信ネットワークでは、テレポーテーションは、２つのノード間の量子チャネルを確立することを可能にする。線形光学に基づく量子計算では、いわゆるフィードフォワード技術は、成功するまで確率的論理演算をオフラインで犠牲的（sacrificial）量子ビットに対して実行することを可能にし、その後に、意図された入力量子ビットが１に任意に近い成功確率でテレポートされることができる。

図１は、本発明の実施形態に係るテレポーテーションシステムの概略図である。 図２は、測定部がより詳細に示されている図１の実施形態のより詳細な概略図である。 図３は、光子経路がより詳細に示されている図２のさらに詳細な概略図である。 図４ａは、光子検出イベント間の時間遅延に対する二次相関のプロットである。 図４ｂはポアンカレ球である。 図５ａは、第１の遅延時間及び第２の遅延時間に対する状態のテレポーテーションの忠実度のプロットである。 図５ｂは、ゼロの第１の遅延時間における第２の遅延時間に対するテレポーテーションの忠実度である。 図６は、本発明の他の実施形態に係るテレポーテーションシステムの概略図である。

本発明の実施形態は、入力光子の量子状態の量子テレポーテーションのためのシステムであって、
入力光子の量子状態の量子テレポーテーションのためのシステムであって、
偏光エンタングルメント光子対を生成するように構成される発光ダイオードと、
エンタングルメント光子対の一方の光子を第１の経路（path）に沿って、前記エンタングルメント対の他方の光子を第２の経路に沿って、導くように構成されるビームスプリッタと、
前記入力光子のための入力（input）と、
前記第１の経路に沿って導かれたエンタングルメント光子対の一方の光子と前記入力光子に対して合同測定を実行する測定部であって、合同測定が実行された２つの光子を検出する第１の検出部を備える測定部と、
前記第２の経路に沿って導かれた前記エンタングルメント光子対の前記光子を検出する第２の検出部と、
第１の遅延を測定するように構成される計時部であって、前記第１の遅延は、前記入力光子及び前記エンタングルメント光子対の前記光子が前記合同測定部を通過するときの、光子の最大の識別不可能性の点での前記入力光子及び前記エンタングルメント光子対の前記光子との間の遅延の大きさであり、該計時部は、第２の遅延をさらに測定し、前記第２の遅延は、前記エンタングルメント光子対の前記２つの光子が前記発光ダイオードを出るときの前記エンタングルメント光子対の前記２つの光子間の時間の大きさである、計時部と、
前記第１の遅延が第１の所定のタイミングウィンドウ（timing window）内にあり、かつ、前記第２の遅延が所定のタイミングウィンドウ内にある場合に、テレポーテーション測定が有効であることを決定するコントローラと、
を具備するシステムを提供する。

一実施形態では、前記システムは、前記発光ダイオードのための電源をさらに具備し、前記電源は直流源である。そのような駆動源は、アンチバンチングされた光子の準連続的ストリーム（quasi continuous streams）をもたらす。

前記第１の遅延は多数の方法で測定することができ、一実施形態では、前記計時部は前記第１の検出部による前記２つの光子の検出時間から前記第１の遅延時間を決定するように構成される。さらなる実施形態では、前記計時部は、前記２つの光子のそれぞれの空間モードが前記合同測定部内で会う点から前記第１の検出部までの経路長の変化を補うようにさらに構成される。例えば、一実施形態では、前記第１の検出部内に２つの検出器があり、前記２つの光子のそれぞれの空間モードが前記合同測定部内で会う点から前記第１の検出部内の各検出器まで導く光出力経路である。前記計時部は、前記出力経路間の遅延を決定し、この遅延を補うように構成される。

いくつかの実施形態では、前記合同測定部は、２光子干渉を可能にするビームスプリッタを備え、前記計時部は、前記第１の検出部による前記２つの光子の検出時間から前記第１の遅延時間を決定するように構成され、前記計時部は、さらに、前記ビームスプリッタから前記第１の検出部への前記２つの光子が取る経路長間の変化を補うように構成される。しかしながら、いくつかのさらなる実施形態では、ビームスプリッタが使用される場合、前記合同測定部は前記２つの光子のそれぞれの空間モードが合う点が前記ビームスプリッタと一致しないように構成されることができる。

一実施形態では、前記第１のタイミングウィンドウは０からｔ_１ｍａｘであり、ここでｔ_１ｍａｘは前記第１の経路を移動する光子のコヒーレンス時間である。これは、いくつかの実施形態では４００ｐｓ以下であり、他の実施形態では２００ｐｓ以下である。通常はどの光子が最初に到着するかがわからないので、ある場合には、遅延の大きさは測定される。

さらなる実施形態では、前記計時部は、前記第２の経路を移動する前記光子が前記第２の検出器で受信される時間から前記第２の遅延を測定するように構成され、前記計時部は前記エンタングルメント光子対の前記２つの光子が取る経路長における差を補うようにさらに構成される。

さらなる実施形態では、システムは、前記第２の経路に設置される遮断部をさらに具備し、前記計時部は、前記第２の遅延時間が前記第２のタイミングウィンドウ以下である場合に前記第２の経路に沿う光子の伝送を可能にするように、前記遮断部を動作させるように構成される。

いくつかの実施形態では、前記第２のタイミングウィンドウは０からｔ_２ｍａｘであり、ｔ_２ｍａｘは励起子放射寿命のオーダーである。例えば、ｔ_２ｍａｘは１ｎｓ以下であり得る。エンタングルメント光子は双励起子の崩壊から生成され、第１の光子は双励起子の崩壊により放射され、そして第２の光子は残りの励起子の崩壊により放射される。双励起子の崩壊により放射される光子は、励起子崩壊により放射される光子と同時に又は励起子崩壊により放射される光子の前に放射される。しかしながら、システムは、前記第１又は第２の光子のいずれか一方が前記第１の経路に沿って導かれ得るように構成されることができる。

さらなる実施形態では、システムは、前記第２の経路に設置される遮断部をさらに具備し、前記計時部は、前記第１の遅延時間が前記第１のタイミングウィンドウ内であることを前記コントローラが決定する場合を除いて、前記第２の経路に沿った光子の伝送を遮断するように、前記遮断部を動作させるように構成される。この実施形態では、合同測定からの光子の検出が最初に行われ、第１の遅延時間が、合同測定が入力光子の状態のテレポーテーションに帰着するかもしれないことを示唆するのに十分に短い場合、前記遮断部は前記第２の経路を移動する光子の伝送を可能にするために開放するように構成される。

電動式エンタングルメント光源が使用される。そのような光源の放射された光子は、短いコヒーレンス時間を有し得る。これは、合同測定を経験する光子間の不完全な識別可能性に帰着することができ、これは、成功したテレポーテーションの確率に影響することができ、従って、テレポートされた光子の全体的な質又は忠実度が低下する。一実施形態では、テレポーテーション忠実度を改善するために、システムは、前記合同測定部を通過する光子の両方に対して状態測定を行うように構成される状態測定部をさらに具備し、前記コントローラは、追加として両方の光子に対する状態測定が結果の所定のセットのうちの少なくとも１つと一致する場合に前記テレポーテーション測定が有効であると決定する。例えば、合同テレポーテーション測定を経験する光子は、偏光ビームスプリッタを通過され、それらの偏光が測定されるだろう。

さらなる実施形態では、第１の遅延時間が前記第１のタイミングウィンドウ内にある場合にだけ第２の光子の通過を許可するように構成される遮断部が使用される場合、前記遮断部は、前記第１の遅延時間が前記第１のタイミングウィンドウ内にありかつ前記状態測定部の結果がテレポーテーションが起こったことを示す場合にだけ前記第２の光子の通過を許可するように構成される。

一実施形態では、前記合同測定は、ベル状態又はベル状態の混合に関係する測定である。

さらなる実施形態では、前記コントローラは、有効な測定の事後測定選択を可能にするように構成される。

前記第１の検出部は第１及び第２の検出器を備え、前記第１及び第２の検出器は超伝導検出器である。これらのタイプの検出器は、高時間分解を達成することを可能にする。

前記システムは、前記光源が前記入力光子をさらに提供するように構成されてもよい。例えば、前記システムは、入力光子遅延部と、前記第１の経路から前記入力光子遅延部に光子を導くように構成されるスイッチと、をさらに具備してもよく、前記入力光子遅延部では、前記光源からの光子は、前記光源によって出力されるさらなる光子と同時に起こるように遅延され、前記遅延される光子が前記入力光子になる。前記入力光子の偏光状態は、テレポートされる状態が選択されるために、合同測定の前に所望されるように修正されてもよい。

いくつかの実施形態では、テレポートされる状態は重ね合せ状態である。

前記発光ダイオードは量子ドットを含んでいてもよい。さらなる実施形態では、量子ドットはｐ−ｉ−ｎダイオードに設けられる。

上記のテレポーテーションシステムは、量子コンピュータ、量子リレー（quantum relay）などの多くの装置において使用されてもよい。テレポーテーションはまた、量子通信に使用されてもよい。

さらなる実施形態は、入力光子の量子状態をテレポーテーションする方法であって、
発光ダイオードから偏光エンタングルメント光子対を提供することと、
前記エンタングルメント光子対の一方の光子を第１の経路に沿って、前記エンタングルメント対の他方の光子を第２の経路に沿って、導くことと、
入力光子を提供することと、
前記第１の経路に沿って導かれたエンタングルメント光子対の一方の光子と前記入力光子に対して合同測定を実行し、合同測定が実行された前記２つの光子を検出することと、
前記第２の経路に沿って導かれた前記エンタングルメント光子対の光子を検出することと、
第１の遅延を測定することと、ここで、前記第１の遅延は、それらが前記合同測定を経験するときの、光子の最大の識別不可能性の点での前記入力光子と前記エンタングルメント光子対の光子との間の遅延である、
第２の遅延を測定することと、ここで、前記第２の遅延は、それらが前記発光ダイオードを出るときのエンタングルメント光子対の２つの光子間の遅延時間である、
前記第１の遅延が第１の所定のタイミングウィンドウ内にあり、かつ、前記第２の遅延が第２の所定のタイミングウィンドウ内にある場合に、テレポーテーション測定が有効であることを決定することと、
を具備する方法を提供する。

図１は、一般にアリスと称される送信機から一般にボブと呼ばれる受信機への光子のテレポーテーションを概略的に示している。

図１では、エンタングルメント光（entangled light）は、電動式エンタングルメント光源１を使用して生成される。電動式エンタングルメント光源は、エンタングルメント対（entangled pairs）の個々のコンポーネント光子を２つの空間モード３及び５に放射する。図１のシステムでは、光源は電気的に駆動され、光源への電気駆動電流は直流である。これにより、単一光子の連続的ストリームが各出力モードに発生する。空間モード３及び５における光子ストリームはアンチバンチングされ（anti-bunched）、それはあるモードにおいて２つの光子を同時に生成する確率が抑制されることを意味する。

一例では、光子源は能動素子として半導体量子ドットを備える。このタイプの光源については図４に関してより詳細に説明する。

図１のシステムでは、モード３及び５における光子は、エンタングルメントＬＥＤ光源（ＥＬＥＤ）から同時に放射され、エンタングルメント光子対７を形成する。モード３及び５における光子は送信機アリス９及び受信機ボブ１１にそれぞれ分配される。空間モード３及び５の分配は、自由空間又は光ファイバチャネルによって実現することができる。

送信機アリス９はまた、さらなる空間モード１５において入力光子１３を受け取る。入力光子１５は、モード３における光子と同様の頻度を持つことを要求されるが、パルス的に又は連続的に配達されてもよく、アンチバンチングされる必要もない。

送信機アリスは、入力モード１３及び３それぞれからの１つ光子である２つの光子に対して合同測定を行う測定部を有する。測定部は、入力モード１３及び３からの両方の光子を検出するように構成される検出部を有する。システムは、２つの光子の検出間の時間遅延を測定する計時部（timing unit）（図示せず）をさらに含む。この測定された時間遅延から合同測定プロセスに関連する時間遅延τ_１を決定することが可能であり、それは、それらが合同測定部を通過するときの、光子の最大の識別不可能性（indistinguishability）の点での入力光子とエンタングルメント光子対の光子との間の遅延である。一般に、合同測定は、両方の光子をビームスプリッタに通すことを含む。典型的には、遅延は、２つの光子の空間モードがビームスプリッタで会う（meet）ときに２つの光子間にある。いくつかの実施形態では、光子は異なる時間にビームスプリッタを通過することがあるが、光子のうちの１つは、干渉が起こることを可能にするためにビームスプリッタの近くで遅延されることができる。

合同測定は、光子の量子ビット状態の情報を明らかにせず、それは、偏光符号化スキームが使用される場合には、モード３及び１３における光子の偏光が測定によって明らかにされないことを意味する。合同測定基底は、完了後にモード１３における入力光子の量子ビット状態がモード３における光子とのエンタングルメントによってモード５における光子に転送されることができるように、選択される。適切な合同測定の例は、例えば（｜Ｈ_３Ｖ_１３＞−｜Ｖ_３Ｈ_１３＞）／√２などのベル状態における２つの光子、すなわちモード３における１つの光子及びモード１３における１つの光子の合同検出、又は、例えば｜Ｈ_３´Ｖ_１３´＞などの純粋な２光子状態における光子対の検出である。ここで、モード３´及び１３´は、入力であるモード３及び１３に関するビームスプリッタの出力モードである。

受信機ボブ１１は、モード５において受け取った光子の量子ビット状態を測定し、これらの光子を検出する検出器である第２の検出器を有する。ボブの測定のための基底は、論理的量子ビット基底又はその回転であり得る。０に対応する水平（Ｈ）偏光及び１に対応する垂直（Ｖ）偏光を含む偏光自由度において符号化された光子の量子ビットにおいては、これは、Ｈ偏光とＶ偏光を識別する測定に、或いは、左（Ｌ）偏光された光子及び右（Ｒ）偏光された光子間又は対角（Ｄ）偏光された光子及び反対角（Ａ）偏光された光子間のようなある基底回転を識別する測定に対応する。

さらに、ボブは、アリスによって検出されたものに関連して、受け取った光子の検出時間を測定する。これは、同じ時計に関連して、個別の同期された時計、又は検出イベントによって生成されたタイミング信号に関連して、アリス及びボブによって測定された検出時間によって実現することができる。

本実施形態では、テレポーテーションは、上述した計時部及びコントローラを使用する時間ベース事後選択（time-based post-selection）を使用して達成される。テレポーテーションは、一般に、モード１３における光子が、ボブによって検出されるモード５における光子と同時に生成されたモード３における光子と同時にアリスによって検出される場合にのみ達成されることができる。

これらの条件が満たされることを保証する最初のステージは、アリス９による合同測定において検出される光子間の時間差、すなわち第１の遅延がゼロに十分に近い、例えば、モード１３及び３における光子のコヒーレンス時間内である場合の事後選択（post-selecting）イベントによるものである。

アリスによって測定されたそのような成功した同時（coincidences）の時間を記録する情報は、例えばインターネット接続であり得る古典的通信リンク１５を介してボブに伝送される。

合同測定の形態によっては、モード１５における入力状態を再生するために正確な変換がモード５における光子に対するボブの測定の前又は後に適用されることを保証するために、アリスが測定結果を追加的に伝送することも必要かもしれない。これについては図２を参照してより詳細に説明する。

最後に、コントローラは、古典的チャネル１７を介してアリスから伝達された成功した事後選択された合同測定時間（successful, post-selected, joint measurement times）に関連して、モード５における光子の測定時間に基づいて事後選択を実行する。モード５における光子は、ボブの光子とアリスの合同測定との間の相対検出時間と、さらに、モード３及び５並びにアリス及びボブの測定装置までの伝搬時間に起因するシステムの相対遅延と、を使用して、以前にモード３にあってアリスによって検出された光子と同様の時間に放射されたものと同定することができる。

図２は、本発明の実験実装の動作原理を示している。

モードａ及びｂは、５０／５０ビームスプリッタ２３において重なり、それは、モードａ及びｂにおける光子が偏光を除いて識別不可能であると仮定し、さらに、反射による位相変化を考慮すると、モードｄ及びｅにおける単一光子の検出に関して下記の３光子出力状態を生じる。

通常は、実行される合同測定は、モードｄにおける単一光子及びモードｅにおける単一光子の検出である。

実際のシステムでは、線形光学は完全ではなく、例えば５０：５０ビームスプリッタが使用されるが、一般的にそのようなビームスプリッタは完全ではない。そのような不完全は小さな変化をベル状態にもたらし、その結果、真の及び完全なベル状態ではなくなる。

さらに、混同を避けるために、用語ベル状態は、純粋なベル状態、及びベル状態の混合、例えばワーナー状態（Werner states）を意味するように使用される。

上記の実施形態では、電動式エンタングルメント光源が使用される。そのような光源の放射された光子は短い（poor）コヒーレンス時間を有し得る。これはモードａ及びｂにおける光子間の不完全な（partial）識別可能性に帰着することがあり、それはビームスプリッタにおいてもはや最大限に干渉しないだろう。この場合、モードｅ及びｄにおける光子のうちのいくつかは成功したテレポーテーションを生じさせず、テレポートされる光子の全体的な質又は忠実度（fidelity）を下げることになる。例えば、モードｅ及びｄにおける同じ偏光の光子の対からの寄与があるだろう。

一実施形態では、これらは状態測定部を使用して状態測定を追加的に行うことによって除去することができ、例えば、モードｅ及びｄにおける光子の偏光は偏光ビームスプリッタ２５及び２７を使用して測定することができる。光子検出器の組み合わせ２７及び３１又は２９及び３３からイベントを受けることによってモードｅ及びｄにおける光子の同時検出が反対に偏光されていることを保証することは、これらの望まれない同時を取り除き、テレポーテーション忠実度を向上させる。他のタイプの光源、例えば、パラメトリックダウンコンバータなどのレーザ駆動エンタングルメント光源では、コヒーレンス時間は、典型的に、効率を犠牲にして許容レベルに操作される。

計時部３５は、第１の遅延時間を決定するために、検出器２７、２９、３１及び３３の各々によって登録される光子間の時間を測定する。光子間の第１の遅延時間が第１の閾値未満であり、かつ、偏光の組み合わせが正しい場合に、成功した同時はボブへの伝送のために選択される。

一実施形態では、第１の閾値はコヒーレンス時間に設定され、それはエンタングルメント発光ダイオードに関しては典型的に約２００ｐｓである。さらなる実施形態では、放射寿命（radiative lifetime）の２倍のコヒーレンス時間を持つ改善された光源を使用することができ、それは約２ｎｓであり得る。

適切な偏光の組み合わせは、２つの光子が反対の偏光を有する任意のものであり、従って、検出器２７と検出器３１及び検出器２９と検出器３３によって登録された異なるモードにおける光子の組み合わせ、或いは、検出器２７と検出器２９及び検出器３１と検出器３３によって登録された同じモードにおける光子の組み合わせである。その後、検出するために、例えば、２７及び２９は、モードｅにおける１つのＨ及び１つのＶの光子を要求する。これは、反射されたモードａにおけるＨ及び透過したｂにおけるＶ、或いは、反射されたａにおけるＶ及び透過したｂにおけるＨによって達成されることができる。

好ましくは、モードｅ又はｄにおける反対に偏光された光子の検出についての上記の４つ全ての組み合わせは、合同測定を実行するために使用される。しかしながら、任意のサブセットはまた、低い確率でテレポーテーションを達成するが、可能である。下記の実験では、組み合わせのうちの１つだけが選択され、それはモードｅにおいて０及びモードｄにおいて１に対応する。一実施形態では、各組み合わせが１／８の効率であり、２つのベル状態を追跡すると、理論的な最大のベル状態測定効率は０．５に達するとされる。

図３は、完全な実験テレポーテーションシステムを示す。連続電動式エンタングルメント光源１は、直流電流／電圧源５１とエンタングルメント発光ダイオード（ＥＬＥＤ：entangled light emitting diode）５３とから成る。ＥＬＥＤ５３は、炭素ｐドープ上部（carbon p-doped top）ＧａＡｓ／ＡｌＡｓブラッグリフレクタ５５、真性ドープ（intrinsic doped）ＧａＡｓキャビティ層５７、及びシリコンｎドープ下部（silicon n-doped bottom）ＧａＡｓ／ＡｌＡｓブラッグリフレクタ５９を含む。電流は、量子井戸状のＩｎＡｓウェッティング層６５及びＩｎＡｓ量子ドット６７に、緩和する（relax）電子及び空孔を生成するために、コンタクト６１及び６３を介して注入される。量子ドット６７は、１つの電子及び空孔から成る励起子状態（Ｘ）を介した空の基底状態への２つの電子及び２つの空孔から成る双励起子（ＸＸ）状態の放射崩壊によってエンタングルメント光子を生成する。コンタクト６１内のアパーチャ６９は光子が脱出することを可能にする。

一実施形態では、上記のＥＬＥＤは、分子線エピタキシーによって成長されたＧａＡｓ ｐ−ｉ−ｎ接合の真性領域に置かれた自己組織化ＩｎＡｓ量子ドットに基づいている。比較的厚い（〜４００ｎｍ）真性領域は、Ｘ状態の帯電を抑制し、中性のＸ及びＸＸ状態が支配的であることを保証する。２つの上部及び１４の下部Ａｌ_０．９８Ｇａ_０．０２Ａｓ／ＧａＡｓ分布ブラッグミラー対は、Ｘ及びＸＸ発光波長の周りで光収集効率を向上させる平面の２λ光キャビティを作成する。サイズが３６０×３６０μｍ^２のメサは、個々のドットを光学的に分離しかつｐ型電気コンタクトとして機能するために、個々のＥＬＥＤデバイスと、各デバイスの上部に設置された直径が〜２μｍのアパーチャを備えた金属マスクと、を定めるためにエッチングされた。

デバイスは、液体ヘリウムクリオスタット中で〜１６Ｋに冷却され、９３ｎＡμｍ^−２の直流電流密度を注入することによって電気的に励起され、それは、ほぼ等しいＸ及びＸＸ強度を与える。

一実施形態では、同じ放射カスケードにおいて放射されるＸＸ及びＸ光子が偏光においてエンタングルされる（entangled）ために、量子ドットの中間Ｘ状態の微細構造分裂（ＦＳＳ）はゼロに近くなければならない。ここで使用されるドットのＦＳＳは、直線偏光依存性のエレクトロルミネッセンス分光法によって特徴づけられ、２．０±０．２μｅＶであることが分かった。Ｘ及びＸＸ放射は誤差内で偏光されていないと確認された。

ＥＬＥＤによって放射された光子は、レンズ７１によって集められ、単一モードファイバ７３へ結合される。ＸＸ及びＸ光子は、光回折格子を使用して実施され得る波長依存分配部７５を使用して、異なるモードに分離される。２つの出力モードは、単一モードファイバ７７及び７９に結合され、その結果、ＸＸ光子がアリスに向かってファイバ７７に沿って移動し、Ｘ光子がボブに向かってファイバ７９下方に移動する。

この実験では、入力量子ビットは一般には他の光源から発生してもよいが、入力量子ビットは、エンタングルメント光子と同じＥＬＥＤによって生成される。これを達成するために、ファイバ７７におけるＸＸ光子のストリームは、エバネセントファイバ２×２連結器（evanescent fibre 2×2 coupler）を使用して実施される５０／５０ビームスプリッタ８１を使用して、分割される。１つの分離出力８３においては、放射は、ファイバ偏光ビームスプリッタ８５を使用して偏光され、それは、さらに〜２．５ｎｓの遅延を導入する。その後、入力偏光は、モードａにおいて光子の入力量子ビットを生成するために偏光コントローラ８７を使用して選択される。

１対のエンタングルメント光子は、ビームスプリッタ８１の他の出力ポート８９から発生するモードｂにおけるＸＸ光子を含んでおり、モードｂ及びｃを移動する。偏光コントローラ９１は、レンズ７１によって集められたＨ偏光のＸＸ光子が５０／５０ビームスプリッタ２３の後に出力モードｄにおいてＨ偏光のままであるように、ファイバによって引き起こされた光子偏光状態の任意の変換を修正する。同様に、偏光コントローラ９３は、モードｅの出力のための偏光変換を修正する。

偏光ファイバビームスプリッタ９５及び９７は、アリスによるモードｄにおける単一光子とモードｅにおける光子の合同測定のために偏光識別（polarisation discrimination）を実行する。超伝導単一光子検出器（ＳＳＰＤ）９９及び１０１はそれぞれ、モードｄにおいてＨ偏光光子を、モードｅにおいてＶ偏光光子を検出し、テレポーテーションを可能にする合同測定を行う。そのような光子対の検出時間の間の時間（第１の遅延時間）は記録されてτ_１と表される。

ボブの装置は、合同測定が出力量子ビットの検出の前に実行されることを保証するためのファイバ遅延１０３と、モードｃにおける出力量子ビットに対するボブの測定に関して偏光基底を選択するための偏光コントローラ１０５と、から成る。Ｐ偏光の入力量子ビットに関して、ボブの測定基底は、偏光ファイバビームスプリッタ１０７が偏光Ｐと偏光Ｑを識別することができるように選択される。ここで、ＱはＰと直交する。ボブは、単一出力光子、及びアリスによって記録されたＨ偏光検出イベントに関連するそれらの到達時間を検出するためにアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）１０９及び１１１を使用する。この時間差、すなわち第２の遅延時間は、τ_２と表される。

τ_１を測定するＳＳＰＤの選択は、放射された光子のコヒーレンス時間内の時間差を検出するのに十分な精度を可能にするそれらの高速応答時間の理由からであり、それはこの例では〜２００ｐｓである。強いエンタングルメントは、小さいＦＳＳ、遅い再励起、並びにＸＸ及びＸ放射寿命のために、ＸＸ光子の後の１ｎｓまでに放射されるＸ光子に関して予期されるので、より低い精度がτ２の測定に要求される。従って、それらはそれほど正確ではないがＳＳＰＤに比べてより高い効率を持つので、ＡＰＤはボブに適した検出器である。

図４ａは、ファイバ７７及び７９において実験的に測定されたＸＸ及びＸ光子統計を示す。実行された測定は、標準のハンブリ・ブラウン及びトウィス（Hanbury Brown and Twiss）タイプであり、それから、我々は検出された光子間の時間遅延τの関数として二次相関ｇ^（２）を決定する。数ｎｓより離れて放射されたＸ又はＸＸ光子に関しては、ｇ^（２）は約１であり、１対のＸＸ又はＸ光子の放出間のランダムな時間遅延を持つ光子の連続的ストリームを表す。しかしながら、τ＝０の近くでは、はっきりしたアンチバンチング下落（dip）がＸＸ及びＸ放射の両方に関して観測され、同時に２つのＸＸ又はＸ光子を生成する抑制された確率を表す。τ＝０での残余ｇ^（２）は、約０．１であり、潜在的なｇ^（２）が０近くであると予想されるが我々の検出器の有限の時間分解能に起因する。

対照的に、レーザのようなポワソン光源又はパラメトリックダウンコンバージョン（ＰＤＣ）エンタングルメント光源の個々の出力ビームに関しては、破線によって示されるように、τ＝０でのｇ^（２）は１のままであると予期される。それにより、ＰＤＣ光源は、本発明の実施形態に係るシステムにおいて使用される光源と異なり、アンチバンチングされない。

図５ａ及びｂは、本発明の実施形態に係るシステムを使用して光子の量子ビットの成功したテレポーテーションを実証する結果を示す。

３光子同時ｇ^（２）（τ_１，τ_２）はＳＳＰＤ_Ｈ、ＳＳＰＤ_Ｖ、及びＡＰＤ_Ｐ又はＡＰＤ_Ｑによる光子検出に対応して測定される。ここで、τ_１はＳＳＰＤ_Ｖ及びＳＳＰＤ_Ｈによる検出間の時間差であり、τ_２はＳＳＰＤ_Ｈ及びＡＰＤ_Ｐ又はＡＰＤ_Ｑによる検出間の時間差である。理想的な予期された偏光Ｐ´（Ｑ´と直交する。）を備えた出力量子ビットへの偏光Ｐを備えた入力量子ビットのテレポーテーションに関する忠実性（fidelity）は、次のように与えられる。

入力偏光Ｐは無限集合から選択され得るので、平均テレポーテーション忠実性測定ｆ^Ｔがしばしば使用される。ここで、平均は、３つの相互不偏基底（mutually unbiased bases）からの６つの状態にわたってなされる。実際には、これは、入力状態偏光が水平（Ｈ）、垂直（Ｖ）、対角（Ｄ）、反対角（Ａ）、左円（Ｌ）及び右円（Ｒ）である６つの実験にわたるテレポーテーション忠実性の平均に変わる。これらの状態は、図４ｂにおいて、任意の偏光状態が示され視覚化されることを可能にするポアンカレ球上に示されている。我々の例では、論理的基底は極性状態Ｈ及びＶ並びに状態Ｄ、Ａ、Ｌ、及びＲに対応し、それらはポアンカレ球の赤道面の上にあり、従って論理的な重ね合せ状態であり、Ｄ＝（Ｈ＋Ｖ）／√２、Ａ＝（Ｈ−Ｖ）／√２、Ｌ＝（Ｈ＋ｉＶ）／√２、及びＲ＝（Ｈ−ｉＶ）／√２と表すことができる。

６つの入力状態の平均テレポーテーション忠実度は、図５ａにおいて、測定された時間遅延τ_１及びτ_２の関数としてプロットされる。高忠実度スポットは、図の中心に見られ、アリスによって検出された光子間の時間遅延及びアリスとボブによって検出された光子間の時間とに基づく事後選択測定がテレポーテーションを可能にするのに十分であることを示す。軸τ_２上のゼロの時間が付属（ancilla）及びターゲット光子が同時に生成された光子イベントに対応するために任意に定められることに注意されたい。大きな時間差が検出イベント間の適用（application）に存在してもよいが、これはτ_２における全てのデータの線形シフトによってのみ現れ、高忠実度スポットは常に事後選択されることができる。

図５ｂは、τ_１＝０の場合に、アリスとボブの光子検出間の遅延τ_２として測定される第２の遅延時間の関数としてプロットされた平均テレポーテーション忠実度を示す。これは、図５ａのデータの垂直スライスを構成する。τ_２の正確な値０が選択されるときに、テレポーテーション忠実度においてピークが観測される。この場合、測定されたピーク平均忠実度は０．７０４±０．０１６であり、それは、２．２の標準偏差による非エンタングルメント光源（non-entangled light sources）を使用して達成可能な２／３の極大値を超え、量子テレポーテーションが起こっていることを証明している。

上記の実施形態では、電動エンタングルメント光源によって生成されたエンタングルメント光子の個々の対によって介在された単一光子の量子ビットのテレポーテーションが実証された。これは発光ダイオード内に単一半導体量子ドットを埋め込むことによって実現され、多光子エラーの排除及びアンチバンチング放射をもたらす。６つの異なる入力状態にわたる平均忠実度は、古典的極限を超えて０．７０と測定される。電気的動作を備えた光子転送装置（teleporter）の独特な単一光子性質は、達成可能な将来の用途の複雑性制限を取り除くのに役に立つであろう。

上述したシステムは、分散量子計算及びネットワーキングに理想的に適する任意の未知の光子の量子ビットの完全なテレポーテーションを提供する。しかしながら、今まで、そのような実験は、無作為な数の入力量子ビットを生成する光源を使用していた。テレポーテーションは、ただ１つの光子又はエンタングルメント光子対を同時に放射する半導体量子光源で実証された。光源は電気的に駆動され、それには複雑な量子論理回路を構築する場合に重要な実用的な長所がある。

光量子ビットのテレポーテーションは、超並列量子コンピュータにおける一貫した論理演算及び安全な量子ネットワークの形成を可能にすることができる。光子テレポーテーションは、無作為の個数だけ生成されたレーザ生成エンタングルメント光子を以前は使用していた。しかしながら、高効率及び低頻度の多対放射の相対する要求のバランスを保つことを加味した生成スキームの実際的な複雑さは、有用な量子情報技術の配備を制限する。レーザ励起非線形クリスタル内のパラメトリックダウンコンバージョンに基づく光源は、直接に電気的に駆動されるものでなく、あるモードに２つの光子を同時に生成する確率の抑制を示さない。

図６は、テレポーテーションシステムの変形を示す。上述した実施形態は、検出器で出力光子を測定することによって出力光子間の時間差及び合同測定τ２を事後選択する。しかしながら、前記時間差はまた、所望の時間に生じたものを除いて、出力ビームにおいて遮断部を使用して光子を遮断することにより選択されてもよく、所望の時間は、第２の遅延時間制限を満たす光子が到着すると予想される時間である。これは、アリスが光子遮断部１２１と通信し若しくは光子遮断部１２１を制御し、アリスによって同時に生成された最初の光子又は付属光子の検出に対応する時間を除いて光子を遮断させることによって達成されてもよい。例えば、付属光子が光源からアリスの検出器に移動する時間遅延がΔｔ_Ａであり、かつ、光源と遮断装置との間の遅延がΔｔ_Ｂである場合、τ_１＝０でアリスによる成功した合同検出イベントにおいて、アリスは、約Δｔ_Ｂ−Δｔ_Ａの時間の後に、わずかな時間の間、遮断装置を開放させるだろう。遮断装置が開放されている時間は、例えば、図５ｂ中の高忠実度領域の幅と同様とすべきであり、プロトタイプ光源に関しては１ｎｓのオーダーである。

実施形態では、アリスによって事後選択された高いテレポーテーション忠実度を備えた光子だけが通過することを許可されるだろう。そのような光子は、直ちに測定されるか、或いは、他のパーティー（party）又は用途に転送されるだろう。一実施形態では、アリスが合同測定を既に行い、第１の遅延時間からの結果がテレポーテーションが起こったことを示す場合、遮断部は所望の時間に光子の通過を許可するだけだろう。さらなる実施形態では、合同測定を経験した（undergo）光子の偏光の測定がテレポーテーションが起こったことを示す場合、アリスは、光子の通過を許可するように遮断部に命令するだけだろう。

遮断装置は、電気光学モジュレータ又は干渉計を含むさまざまな標準的な要素で構成されることができる。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。実際に、ここで説明した新規な方法及び装置は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、ここで説明した方法及び装置の形態において種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲とその均等物は、発明の範囲や要旨に含まれるように、そのような変形の形態を含むように意図される。

Claims (20)

1. 入力光子の量子状態の量子テレポーテーションのためのシステムであって、
   偏光エンタングルメント光子対を生成するように構成される発光ダイオードと、
   エンタングルメント光子対の一方の光子を第１の経路に沿って、前記エンタングルメント対の他方の光子を第２の経路に沿って、導くように構成されるビームスプリッタと、
   前記入力光子のための入力と、
   前記第１の経路に沿って導かれたエンタングルメント光子対の一方の光子と前記入力光子に対して合同測定を実行する測定部であって、合同測定が実行された２つの光子を検出する第１の検出部を備える測定部と、
   前記第２の経路に沿って導かれた前記エンタングルメント光子対の前記光子を検出する第２の検出部と、
   第１の遅延を測定するように構成される計時部であって、前記第１の遅延は、前記入力光子及び前記エンタングルメント光子対の前記光子が前記合同測定部を通過するときの、光子の最大の識別不可能性の点での前記入力光子と前記エンタングルメント光子対の前記光子との間の遅延であり、該計時部は、第２の遅延をさらに測定し、前記第２の遅延は、前記エンタングルメント光子対の前記２つの光子が前記発光ダイオードを出るときの前記エンタングルメント光子対の前記２つの光子間の遅延時間である、計時部と、
   前記第１の遅延が第１の所定のタイミングウィンドウ内にあり、かつ、前記第２の遅延が第２の所定のタイミングウィンドウ内にある場合に、テレポーテーション測定が有効であることを決定するコントローラと、
   を具備するシステム。
2. 前記発光ダイオードのための電源をさらに具備し、前記電源は直流源である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記計時部は、前記第１の検出部による前記２つの光子の検出時間から前記第１の遅延時間を決定するように構成され、前記計時部は、前記２つの光子のそれぞれの空間モードが前記合同測定部内で会う点から前記第１の検出部までの経路長の変化を補うようにさらに構成される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記合同測定部は、２光子干渉を可能にするビームスプリッタを備え、前記計時部は、前記第１の検出部による前記２つの光子の検出時間から前記第１の遅延時間を決定するように構成され、前記計時部は、さらに、前記ビームスプリッタから前記第１の検出部への前記２つの光子が取る経路長間の変化を補うように構成される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記計時部は、前記第２の経路を移動する前記光子が前記第２の検出器で受信される時間から前記第２の遅延を測定するように構成され、前記計時部は前記エンタングルメント光子対の前記２つの光子が取る経路長における差を補うようにさらに構成される、請求項１に記載のシステム。
6. 当該システムは、前記第２の経路に設置される遮断部をさらに具備し、前記計時部は、前記第２の遅延時間が前記第２のタイミングウィンドウ内である場合に前記第２の経路に沿う光子の伝送を可能にするように、前記遮断部を動作させるように構成される、請求項１に記載のシステム。
7. 前記第２の経路に設置される遮断部をさらに具備し、前記計時部は、前記第１の遅延時間が前記第１のタイミングウィンドウ内であることを前記コントローラが決定する場合を除いて、前記第２の経路に沿った光子の伝送を遮断するように、前記遮断部を動作させるように構成される、請求項１に記載のシステム。
8. 前記合同測定は、ベル状態又はベル状態の混合に関係する測定である、請求項１に記載のシステム。
9. 前記合同測定部を通過する光子の両方に対して状態測定を行うように構成される状態測定部をさらに具備し、前記コントローラは、追加として両方の光子に対する状態測定が結果の所定のセットのうちの少なくとも１つと一致する場合に前記テレポーテーション測定が有効であると決定する、請求項１に記載のシステム。
10. 前記コントローラは、有効な測定の事後測定選択を可能にするように構成される、請求項１に記載のシステム。
11. 前記第１の検出部は第１及び第２の検出器を備え、前記第１及び第２の検出器は超伝導検出器である、請求項１に記載のシステム。
12. 前記第２のタイミングウィンドウは０からｔ_２ｍａｘであり、ｔ_２ｍａｘは励起子放射寿命のオーダーである、請求項１に記載のシステム。
13. 前記第１のタイミングウィンドウは０からｔ_１ｍａｘであり、ｔ_１ｍａｘは前記第１の経路を移動する光子のコヒーレンス時間である、請求項１に記載のシステム。
14. 当該システムは、前記発光ダイオードが前記入力光子を提供することを可能にするように構成される、請求項１に記載のシステム。
15. 入力光子遅延部と、前記第１の経路から前記入力光子遅延部に光子を導くように構成されるスイッチと、をさらに具備し、前記入力光子遅延部では、前記光源からの光子は、前記光源によって出力されるさらなる光子と同時に起こるように遅延され、前記遅延される光子が前記入力光子になる、請求項１４に記載のシステム。
16. テレポートされる状態は重ね合せ状態である、請求項１に記載のシステム。
17. 前記発光ダイオードは量子ドットを備える、請求項１に記載のシステム。
18. 請求項１に記載のテレポーテーションシステムを具備する量子コンピュータ。
19. 請求項１に記載のテレポーテーションシステムを具備する量子通信リレー。
20. 入力光子の量子状態をテレポーテーションする方法であって、
    発光ダイオードから偏光エンタングルメント光子対を提供することと、
    前記エンタングルメント光子対の一方の光子を第１の経路に沿って、前記エンタングルメント対の他方の光子を第２の経路に沿って、導くことと、
    入力光子を提供することと、
    前記第１の経路に沿って導かれたエンタングルメント光子対の一方の光子と前記入力光子に対して合同測定を実行し、合同測定が実行された前記２つの光子を検出することと、
    前記第２の経路に沿って導かれた前記エンタングルメント光子対の前記光子を検出することと、
    第１の遅延を測定することと、ここで、前記第１の遅延は、前記入力光子及び前記エンタングルメント光子対の前記光子が前記合同測定を経験するときの、前記光子の最大の識別不可能性の点での前記入力光子と前記エンタングルメント光子対の前記光子との間の遅延である、
    第２の遅延を測定することと、ここで、前記第２の遅延は、前記エンタングルメント光子対の前記２つの光子が前記発光ダイオードを出るときの前記エンタングルメント光子対の前記２つの光子間の遅延時間である、
    前記第１の遅延が第１の所定のタイミングウィンドウ内にあり、かつ、前記第２の遅延が第２の所定のタイミングウィンドウ内にある場合に、テレポーテーション測定が有効であることを決定することと、
    を具備する方法。

Images