JP2000292820A

JP2000292820A - 光子数状態発生装置

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Publication number: JP2000292820A
Application number: JP11104600A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Takeuchi; 繁樹竹内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-04-12
Filing date: 1999-04-12
Publication date: 2000-10-20
Anticipated expiration: 2019-04-12
Also published as: CA2334251A1; NO20006279L; EP1091239A4; TW479427B; CN1148607C; US7049574B1; JP4107761B2; NO322453B1; AU4520700A; KR100394882B1; DE1091239T1; AU738978B2; CA2334251C; NO20006279D0; CN1305606A; KR20010071456A; WO2000062122A1; EP1091239A1; EP1091239B1; HK1038263A1

Abstract

(57)【要約】【課題】発生時刻が既知である一定数の光子を発生す
る装置、更には既知のスケジュールで一定数の光子を発
生する装置を提供する。特に重要な前記一定数は１であ
り、量子暗号通信などに利用できる。【解決手段】シグナル光子とアイドラー光子からなる
発生時刻に相関をもつ光子対を発生する光子対源、アイ
ドラー光子の光子数を検出する光子数検出器、光子数検
出器からの光子数の情報に応じてゲート装置をコントロ
ールするコントロール装置、および、シグナル光子の射
出を制御するゲート装置を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発生時刻が既知で
ある一定数の光子を発生する装置に関し、更には既知の
スケジュールで一定数の光子を発生する装置に関する。
特に重要な前記一定数は１であり、量子暗号通信などに
利用できる。

【０００２】

【従来の技術】量子暗号通信システムでは、光子一つづ
つに情報を載せることで、量子力学的な原理により盗聴
者の発見を可能にする。しかし、もし同じ情報を２つ以
上の光子に載せてしまえば、盗聴者によってそれらの光
子の一部を利用され、盗聴者の存在を検出できない可能
性がある。このように、理想的には最大でも１つの光子
しか含まないパルスを利用する必要がある。このような
パルスとしては、１パルスあたりの光子の平均数μを約
０．１になるように、レーザー光源からの光を減衰器に
よって減衰することが一般に行われている。このように
することで、２つ以上の光子がパルス中に含まれる確率
を１／１００に減少できるが、しかしパルス中に１つの
光子が含まれている確率も０．１程度に減少することに
なる。つまり、μ＝０．１の場合、１０回に１度程度し
か、実際に伝送が行われないことになる。

【０００３】このような方法を改善する従来の技術の一
例として、特表平８−５０５０１９の、「量子暗号を使
用したキー分配システム及び方法」に記載されているも
のについて、該発明の実施の形態中での図５に相当す
る、図１１を用いて説明する。図１１において、７は非
線型光学媒質９をポンプするためのポンプ光８を発生す
るレーザーである。非線型光学結晶９では、ポンプ光の
光子一つが確率的に２つの光子を発生するパラメトリッ
ク蛍光対が発生する。そのうちの一つの光子（ここで
は、アイドラー光子５と呼ぶ）は、光検出器およびゲー
トコントロール装置３８により検出され、検出した場合
はもう一方の光子（シグナル光子６と呼ぶ）が通過する
ようにゲート装置４を開く。これらの従来技術では、特
表平８−５０５０１９の、「量子暗号を使用したキー分
配システム及び方法」の実施の形態にも記載されている
ように、光検出器として光電子増倍管や、逆方向電圧を
越えて能動的クェンチングで用いられる半導体アバラン
シェフォトダイオード（以下、ＡＱ−ＡＰＤ）などが用
いられていた。

【０００４】しかし、従来の技術に用いられていた検出
器を光子検出器としてそのまま用いていた場合には、検
出器の反応時間内に複数入射した場合に、複数入射した
ことを検出することができなかった。たとえば、ＡＱ−
ＡＰＤにおいては、光子がいくつ入射したかによらずパ
ルスの大きさが一定になってしまうため、光子が入射し
たことは検出ができても、入射した光子の数に関する情
報を得ることができなかった。また、光電子増倍管を用
いる場合は、その量子効率ηが最大でも約２０％と低
く、２光子検出の効率はηの２乗となるため極めて低く
（４％）、２光子以上の入射を検出することはできなか
った。

【０００５】従来技術においては、これらの検出器の使
用を前提としていたため、入射光子数の判定を行うよう
な手段がなかった。

【０００６】このため、パラメトリック蛍光から検出器
の反応時間内程度に連続して複数の光子が発生した場合
にも、ゲートを開いてしまい、２光子の状態が射出され
てしまうという問題があった。

【０００７】しかし、一方では、２光子が検出器の反応
時間内程度に連続して存在するような「２光子状態」の
生成などは不可能であった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来の技術においては、検出器が入射光子数を検出するこ
とができずまたその入射した光子数を判定するような手
段を持たなかったため、光子対が光子検出器の反応時間
内に連続して発生していたような場合にもゲートを開い
てしまい、検出器の反応時間内に２つまたはそれ以上の
光子が含まれるような状態が射出されてしまうという欠
点があった。

【０００９】また、従来の方法においては、一つのパル
ス内部において複数の光子を正確に発生させることがで
きなかった。

【００１０】またパルス内部での光子発生のタイミング
を制御することはできなかった。

【００１１】この発明は、このような問題点を解消する
ためになされたもので、検出器の反応時間内に相関のな
い２つまたはそれ以上の光子が含まれることを抑制し、
また、一つのパルス内部において相関を有する複数の光
子を正確に発生させ、また、パルス内部での光子発生の
タイミングを制御することが可能なような装置を実現す
ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明に係る光子数状
態発生装置は、シグナル光子とアイドラー光子からなる
発生時刻に相関をもつ光子対を発生する光子対源と、ア
イドラー光子の光子数を検出する光子数検出器と、光子
数検出器からの光子数の情報に応じてゲート装置をコン
トロールするコントロール装置と、シグナル光子の射出
を制御するゲート装置とを設けたものである。

【００１３】また、光子対を発生する光子対源として、
ポンプ光光源と、ポンプ光光源からのポンプ光が入射す
る非線型光学媒質を設けたものである。

【００１４】また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質
として、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角
度が、そのチューニングカーブがある特定の単一波長ａ
に対応する直線に接するような角度に設定された非線型
光学結晶を設けたものである。

【００１５】また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質
として、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角
度が、そのチューニングカーブがある特定の２つの波長
ａ，ｂに対応する直線に接するような角度に設定された
非線型光学結晶を備えたものである。

【００１６】また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質
として、導波路型の非線型光学媒質を備えたものであ
る。

【００１７】また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質
として、擬似位相整合型非線型光学媒質を備えたもので
ある。

【００１８】また、光子数検出器からの光子数の情報が
一定の範囲のものを分別する分別部を備えたものであ
る。

【００１９】また、入射光子数に応じて出力パルスの高
さの変化する信号を出力する光子数検出器を備え、コン
トロール装置に、光子数検出器からの出力パルスの高さ
がある一定範囲のものを分別する波高分別部を備えたも
のである。

【００２０】また、光子数検出器からの光子数の情報
が、光子数検出器に入射した光子数が１つである場合を
分別する分別部を備えたものである。

【００２１】また、光子数検出器からの出力パルスの高
さが、光子数検出器に入射した光子数が１つである場合
の高さに相当するものを分別する波高分別部を備えたも
のである。

【００２２】また、コントロール装置にクロック発生部
および、そのクロックによって規定される一定時間内に
特定の回数を下回る回数のみゲート装置を開閉する開閉
回数判定部を備えたものである。

【００２３】また、コントロール装置にクロック発生部
および、そのクロックによって規定される一定時間内
に、最初の光子数検出器からの信号に対してのみゲート
装置を開閉する開閉回数判定部を備えたものである。

【００２４】また、アイドラー光子の射出を制御するゲ
ート装置に、複数のシャッターを備えたものである。

【００２５】また、光子対から発生したアイドラー光子
を、その光子の射出を制御するゲート装置に到達させる
光ファイバーを備えたものである。

【００２６】

【作用】この発明においては、光子源において発生し
た、発生時刻に相関をもつシグナル光子とアイドラー光
子からなる光子対の内、光子数検出器によってアイドラ
ー光子の光子数を検出し、光子数検出器からの光子数の
情報に応じてゲート装置をコントロールすることによっ
て、アイドラー光子に含まれる光子数を制御するもので
ある。

【００２７】また、ポンプ光光源からのポンプ光を入射
させ、非線型光学媒質によって発生する発生時刻に相関
をもつ光子対をアイドラ光子とシグナル光子として用い
る。

【００２８】また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質
の設置に当たり、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸
のなす角度を、そのチューニングカーブがある特定の単
一波長ａに対応する直線に接するような角度に設定す
る。

【００２９】また、ポンプ光が入射する非線型光学媒質
の設置に当たり、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸
のなす角度が、そのチューニングカーブがある特定の２
つの波長ａ，ｂに対応する直線に接するような角度に設
定する。

【００３０】また、ポンプ光を導波路型の非線型光学媒
質に入射する。

【００３１】また、ポンプ光を擬似位相整合型非線型光
学媒質に入射する。

【００３２】また、光子数検出器からの光子数の情報が
一定の範囲のものをコントロール装置の分別部で分別す
る。

【００３３】また、入射光子数に応じて出力パルスの高
さの変化する信号を出力する光子数検出器からの信号
を、コントロール装置に備えた波高分別部によって、出
力パルスの高さがある一定範囲のものを分別する。

【００３４】また、光子数検出器からの光子数の情報
が、光子数検出器に入射した光子数が１つである場合を
分別する。

【００３５】また、光子数検出器からの出力パルスの高
さが、光子数検出器に入射した光子数が１つである場合
の高さに相当するものを分別する。

【００３６】また、コントロール装置のクロック発生部
からのクロックによって規定される一定時間内に特定の
回数を下回る回数のみゲート装置を開閉する。

【００３７】また、コントロール装置のクロック発生部
からのクロックによって規定される一定時間内に、最初
の光子数検出器からの信号に対してのみゲート装置を開
閉する。

【００３８】また、アイドラー光子の光子の入射を光子
検出器によって検出し、クロック発生器からのクロック
によって規定される一定時間内に特定の回数を下回る回
数のみシグナル光子の射出を制御するゲート装置を開閉
する。

【００３９】また、アイドラー光子の射出をゲート装置
の複数のシャッターによって制御する。

【００４０】また、光子対から発生したアイドラー光子
を、光ファイバーを用いてその光子の射出を制御するゲ
ート装置に到達させる。

【００４１】

【発明の実施の形態】実施の形態１図１は、この発明の一実施の形態の全体構成図である。
この実施の形態では、検出器の分解時間τ以内に２光子
が密集して存在しないような、単一光子状態を発生させ
る装置である。

【００４２】（構成の説明）図１において、１は発生時
刻に相関をもつ光子対を発生する光子対源で、２はアイ
ドラー光子５を検出する光子数検出器、３は光子数検出
器からの光子数の情報に応じてゲート装置４をコントロ
ールするコントロール装置である。ゲート装置４はシグ
ナル光子６の射出を制御する。光子対源１は、非線型光
学媒質９と、それをポンプするポンプ光８の光源７から
なっている。非線型光学媒質９で発生したアイドラー光
子５は、レンズ１５によって、目的のアイドラー光子を
選択的に透過させるフィルタ１７を通しながら光子数検
出器２に集光される。光子数検出器２からは、一度に入
射する光子数に応じて波高の異なるパルスが出力され
る。そのパルスの波高が、入射光子数が１光子の時の
み、波高分別部１２はゲート装置制御部１３をトリガ
し、そのトリガによってゲート装置制御部１３は、一定
の時間ゲート装置４を開く。

【００４３】一方、シグナル光子６は、レンズ１５によ
って集光され、シグナル光の波長２λの光子を選択的に
透過するフィルタ１６を通過しながら、光ファイバ１０
へと集光される。１４は、光ファイバへ外部からの光を
効率的に入射するための、微動装置である。光ファイバ
１０は、以上のような手順によりアイドラー光子５が検
出器２に入射してから、ゲート装置４が制御されるまで
に必要な時間の間、シグナル光子６がゲート装置４に到
達するのを遅延させるために用いられる。

【００４４】（光子対発生器の説明）非線型光学媒質９
では、ダウンコンバージョンによってポンプ光８の波長
λの２倍の波長２λをもつアイドラー光子５とシグナル
光子６が発生する。本実施の形態では、ポンプ光源７と
して３５１．１ｎｍの波長をもつアルゴンレーザーを用
いている。このとき、アイドラー光子５とシグナル光子
６は、互いに発生する光子のエネルギーの和が、３５
１．１ｎｍの波長の光子のエネルギーに等しい対、つま
りそれぞれ７０２．２ｎｍの波長の光子としてそれぞれ
発生する。

【００４５】特願平９−３５３０７８の「光子ビーム発
生装置」に詳しく記載されているように、非線型光学媒
質の光学軸を、ポンプ光に対してある特定の角度に設定
することにより、発生するアイドラ光子５とシグナル光
子６を、ビーム状に、かつ、高効率で発生させることが
可能である。図２に、β-Barium-Boron-Oxcide（ＢＢ
Ｏ）結晶の光学軸が、ポンプ光に対して５０．４度の角
度に設定されている場合のチューニングカーブを示す。
図２において、横軸は発生している光子の波長を、縦軸
は、ポンプ光の入射方向に対する光子の出射方向を示し
ている。図に見られるように２つのチューニングカーブ
が波長７０２．２ｎｍに対応する直線に接している。こ
の条件においては、それぞれ波長７０２．２ｎｍの蛍光
対がそれぞれプラス３度とマイナス３度の方向にビーム
状に射出される。このような非線型光学媒質を用いるこ
とにより、ポンプ光の入射パワーに対して効率よく光子
対を発生しており、結果として同等のレートで単一光子
を発生する場合に、装置の消費電力を低く押さえること
ができている。

【００４６】ここでは発生時刻に相関をもつ光子対の発
生方法としてパラメトリック蛍光対を用いたが、もちろ
ん他の方法によって発生することも可能である。たとえ
ば、励起状態からのカスケード放出過程などを用いるこ
とができる。

【００４７】（光子数検出器の説明）この実施の形態で
は光子数検出器として、Boeing社の開発したVisual Lig
ht Photon Counter（以下ＶＬＰＣ）を用いている。こ
のＶＬＰＣは、Applied Physics Letters 1999年２月１
５日号に掲載の、Jungsang Kim, Shigeki Takeuchi, Yo
shihisa Yamamoto, and Henry H. Hogueらによる「Mult
i-photon Counting using Visible Light Photon Count
er」と題された論文に詳しく記述されているように、高
い量子効率で、いくつの光子が入射したのかを検出可能
である。

【００４８】図３を用いて、この検出器に多数個の光子
が入射した時の動作を説明する。図３において、横軸は
時間を、縦軸はＶＬＰＣからの出力パルスを示す。ま
た、グラフは、上からそれぞれ、（ａ）１光子だけの入
射、（ｂ）２光子の同時入射、（ｃ）２光子が３ｎｓの
間隔で入射、（ｄ）２光子が５ｎｓの間隔で入射した場
合の出力パルスを示している。このように、２光子同時
入射時には、パルス高さが１光子入射の約２倍になって
いる。

【００４９】図４は、検出器に入射した光子数が１光子
の場合と２光子の場合それぞれについて、パルス高さの
分布を調べたものである。２光子入射は、パラメトリッ
ク蛍光対を用いて行われたが、光学的な調整の問題で、
発生した光子対の光子両方をＶＬＰＣに入射できてはい
ない。グラフにおいて、１０ｍＶ以下の部分は、ノイズ
であり、３７ｍＶを中心としたピークが１光子検出に、
７４ｍＶを中心とするピークが２光子検出に相当する。
ちなみに、ＶＬＰＣは、その構造上、２個以上の光子が
入射した場合、その個数にほぼ比例した高さの検出パル
スを出力する。

【００５０】（コントロール装置の具体的構成と説明）
光学的な調整の問題等を補正した評価では、この検出器
からの波高が１０ｍＶから５６ｍＶの範囲だけを「１光
子検出」と判断した場合、VLPCを用いた光子数検出器の
１光子入射に対する量子効率７５％の場合、が２光子入
射にも関わらず「１光子」と判断してしまう確率は３５
％程度であった。分別部１２では、波高分析器を用い
て、このような波高の信号を光子数検出器から入射され
た場合のみに、ゲート装置制御部をトリガする。そのト
リガに従い、ゲート装置を開閉する。ゲート装置の開い
ている時間は、検出器の分解時間程度が望ましく本実施
の形態では２ｎｓから５ｎｓ程度であることが望まし
い。

【００５１】前記の２光子を１光子と誤判断する確率
は、ＶＬＰＣを用いた光子数検出器の量子効率をさらに
高めることにより改善することができる。このような検
出器では、、Applied Physics Letters 1999年２月２２
日号に掲載の、Shigeki Takeuchi, Jungsang Kim, Yosh
ihisa Yamamoto, and Henry H. Hogueらによる「High q
uantum-efficiency single-photon counting system」
に記載されている様に、90%近くまで量子効率を改善す
ることが可能であり、その場合には２光子を１光子と誤
判断する確率を１８％以下に押さえることが可能であ
る。

【００５２】このような検出器を用いることにより、従
来技術において、「パラメトリック蛍光から検出器の反
応時間内程度で連続して複数の光子が発生し、ゲートを
開いてしまい、２光子の状態が射出されてしまう」とい
った事象を５分の１以下に低減できた。また、従来技術
においては２光子射出を避けるために１パルス当りの平
均光子数を小さく（例えば０．１）していたため、通信
に利用した場合もそれだけ伝送効率が低下していたが、
本実施の形態によれば、１パルス当り平均１個の光子を
射出することができ、伝送効率を高めることができる。

【００５３】実施の形態２実施の形態１においては、発生するシグナル光の波長は
７０２．２ｎｍであったが、もちろんこの波長は、適切
なポンプ光源用レーザおよび非線型光学媒質を選択する
ことにより任意に変えることができる。例えば、光ファ
イバーを用いた通信に一般に用いられている、１５５０
ｎｍ付近、１３１０ｎｍ付近、また８００ｎｍ付近の波
長を発生させることももちろん可能である。

【００５４】実施の形態１（図２）に示した光子対の発
生方法は、波長が等しく角度の広がりの小さい光子対ビ
ームを得るのに適した方法であるが、別の目的に対して
は、ＢＢＯ結晶の光学軸方向を変えることにより、波長
の異なる光子対を得ることもできる。この場合には、図
２の２つのチューニングカーブはそれぞれ異なる波長に
対応する直線に接する。この場合にも、光子の取り出し
方向は、図２に示したチューニングカーブの放物線の頂
点に相当する角度で取り出す。この条件によれば、一般
に円錐状に広がる光子が一本のビームにまとまり、分布
密度の高い光子ビームが得られる。

【００５５】本発明のこのようなその他の実施の形態と
しては、図１において、ポンプ光源７として半導体励起
Ｙａｇレーザーのアップコンバージョンレーザーを用い
て５３２ｎｍのポンプ光８を発生させ、シグナル光子６
として１３１０ｎｍの光子を、アイドラー光子５として
８９６ｎｍの光子を発生させる装置がある。この時、特
願平９−３５３０７８の「光子ビーム発生装置」に詳し
く記載されているように、非線型光学媒質の光学軸のな
す角度を、そのチューニングカーブがそれぞれ１３１０
ｎｍと８９６ｎｍで接するような角度に設定し、光子対
の発生効率を高めている。また、このようにアイドラー
光子の波長を可視光の波長に近い近赤外域に設定するこ
とにより、光子数検出器２の量子効率が高い状態で光子
数の検出が可能になっている。

【００５６】このような構成により、光ファイバー中で
の伝送損失の小さい１３１０ｎｍ付近の光子を、検出器
の分解時間τ以内に２光子が密集して存在しないように
して発生させることが可能になった。また、本実施の形
態においては、結晶の角度を上記のように設定すること
により効率よく光子対を発生させることが可能になり、
また、アイドラー光子の光子数の高い検出効率を維持す
ることが可能になっており、結果として装置の消費電力
を減少することができた。

【００５７】実施の形態３本発明のその他の実施の形態を図５に示す。この実施の
形態において、７はポンプ光源、１８はポンプ光を導波
させる光ファイバ、１９は導波路型非線型媒質、２０は
導波路型非線型光学媒質１９から発生した蛍光対とポン
プ光とを分別する導波路型フィルタ、２１はポンプ光の
射出口、２２は蛍光対を２つの分岐に分別する導波路型
フィルタである。

【００５８】この実施の形態では、パラメトリック蛍光
対は導波路型非線型光学媒質１９において発生する。蛍
光対は、それぞれ縦、横の偏光を持っており、偏光ビー
ムスプリッターとして動作する導波路型フィルタ２２に
おいて、そのうちの一方の偏光をもつものが光子数検出
器２へ、もう一方が光ファイバ１０へと伝達される。

【００５９】このような構成により、装置を小型化する
ことが可能になり、また、光学的アライメントが不要に
なった。

【００６０】この実施の形態では、非線型光学媒質とし
て、導波路型非線型光学媒質１９を用いる。日本物理学
会講演概要集第５３巻第２号第２分冊３４１ページの佐
中らによる「光導波路型非線型素子による２光子相関現
象Ｉ」によって述べられているように、擬似位相整合型
の導波路型非線型媒質では、使用するポンプ光と発生す
る光子が平行に発生するような条件を満たすような非線
型性を、擬似位相整合により得ることが可能になる。

【００６１】これにより、ポンプ光と発生光子の波長を
任意に選択することが可能になった。

【００６２】実施の形態４その他の実施の形態として、図３〜４に示した実施の形
態１においての光子数検出器として、複数の光子検出器
を組み合わせて構成した場合を図６に示す。図６におい
て、２３、２４、２５は５０：５０の分割比をもつ導波
路型ビームスプリッタ、２６から２９は光子検出器であ
る。光子検出器２６から２９としては、光子の入射は検
出可能であるが入射した光子数は分別できないような検
出器を用いても良い。たとえば、入射した光子数アバラ
ンシェフォトダイオードをガイガーモードで駆動した、
例えばセイコーＥＧ＆Ｇ製のＳＰＣＭ（Single Photon
Counting Module）−ＡＱを用いることが可能である。

【００６３】光ファイバを伝播してきた光子は、ビーム
スプリッタ２３から２５を経る間に、光子検出器２６か
ら２９に対してそれぞれ４分の１の確率で入射する。こ
のため、例えば検出器の反応時間内に２光子が入射した
場合も、３／４の確率で２つの検出器が応答し、２光子
として区別することができる。

【００６４】検出器２６から２９からの検出信号は、そ
のままパラレル信号として図３の分別部１２に伝達され
てもよいし、適当な形で圧縮してシリアル信号として伝
達されてもよい。また、各検出器の後段に論理回路を組
み込むことにより、光子数検出器と分別部１２を一体化
することも可能である。

【００６５】また、ここでは一例として検出器を４つ並
列に用いる場合を示したが、任意の個数の検出器を用い
てもよい。一般に、Ｎ個の検出器を並列で利用し、それ
らの検出器に等しい確率で光子が入射するようにビーム
スプリッターを設置した場合、２光子入射の検出確率は
（Ｎ−１）／Ｎで与えられる。

【００６６】また、この実施の形態ではビームスプリッ
ター２３から２５には、５０：５０のビームスプリッタ
を用いたが、これは各検出器の量子効率などに応じて適
当な分割率のビームスプリッターを用いてもよい。

【００６７】また、光子を並列に設けられた複数の検出
器で受光する方法としては、ここではビームスプリッタ
ーを用いて光路を複数に分割する方法を用いたが、例え
ば受光面を隣接して設置できるような場合には、レンズ
等を用いて、それら複数の光子検出器によってそれぞれ
均一な検出率で検出されるようにしてもよい。

【００６８】実施の形態５その他の実施の形態として、図１の判別部１２におい
て、光子数検出器からの検出信号が、光子が２つ入射し
た場合に相当する成分のみを切り出すこともできる。こ
の場合、ゲートからは、検出器の反応時間内に光子が２
つ含まれるような状態が射出されることになる。もちろ
ん、光子数Ｎ個の場合を切り出すことは可能であるし、
２つ以上の光子が含まれるような状態や、偶数個の光子
数状態など任意の組みあわせを発生させることも同様に
して可能である。

【００６９】実施の形態６その他の実施の形態として、図１におけるゲート装置４
にシャッターを２つ備えたものを図７に示す。図７にお
いて、１０はシグナル光子のゲート装置への到達時刻を
遅延させるための光ファイバ、３０、３１は電気光学素
子、３２から３４は偏光板、３５はノットゲート、３６
は遅延器、１３はコントロール装置である。このとき、
偏光板３３および３４は、偏光板３２を通過した光の偏
光に対して最大の透過率を持ち、それと直交する偏光を
もつ光は透過しないように設定する。また、電気光学素
子３０と３１は、与えられる制御信号の論理が１であれ
ば偏光を９０度回転し、０であれば偏光を回転しないも
のとする。

【００７０】ゲート装置はできるだけ、光子が存在して
いる間のみ開の状態を保ち、それ以外の間は閉であるこ
とが望ましい。しかし、電気光学素子単体では、そのゲ
ート時間はその電気光学素子の繰り返し応答時間によっ
て規定される時間以下には設定できなかった。この実施
の形態は、シャッターを２つ備えることにより、シャッ
ターの繰り返し応答時間より短時間でのゲート操作を実
現した。

【００７１】このゲート回路の動作を、図８を用いて説
明する。図８において、横軸は時間をあらわす。一番上
のグラフは、ゲート操作部に目標とする光子数の状態が
到達している確率を、グラフＡは、図７のＡ点での信号
を、グラフＢは同様に図７のＢ点での信号の状態を表
す。Ａはコントロール装置からの制御信号そのものと考
えてよい。電気光学素子３１は偏光回転子３３、３４と
の組み合わせにより論理０が入力されているときは光子
を透過させ、また論理１が入力されているときは光子を
遮蔽する。

【００７２】電気光学素子３０も、偏光子３２、３３と
の組合せにより同様に働く。

【００７３】図８のグラフＡの時刻Ｔ０における状態の
様に、コントロール装置からの制御信号は常時は１に設
定する。この場合、電気光学素子３１によって、ゲート
装置としては光子を透過させない。このとき、電気光学
素子３０には、ノットゲート３５によって論理０が入力
されており、光子を透過させる。

【００７４】コントロール装置１３は、偏光を光子がゲ
ート操作部に到達すると予測される直前の時刻Ｔ１に電
気光学素子３１が開になるように、出力の論理を１から
０に変化させる。このとき、遅延器３６の働きにより、
電気光学素子３０は論理０のままである。この時、光子
はゲート装置を透過可能になっている。この状態は遅延
機によって設定された時間の間継続する。その遅延の
後、Ｔ２において電気光学素子への論理が１にフリップ
し、電気光学素子３０部分を光子は透過できなくなる。
時刻Ｔ３で、制御信号は再び０から１へと変化し、電気
光学素子３１は閉の状態に遷移し、Ｔ４で初期状態に戻
る。

【００７５】以上のような構成により、個々の電気光学
素子の応答時間より短い時間だけゲート装置を開くこと
が可能になり、必要な光子のみを選択的に射出すること
が可能になった。

【００７６】実施の形態７この発明のその他の実施の形態を図９に示す。図９にお
いて、３７はコントロール装置に供給するクロックを発
生するクロック発生部である。この実施の形態の動作
を、図１０を用いて説明する。図１０において、横軸は
時間を表す。グラフＣは図９の点Ｃにおいて観測したク
ロック信号、グラフＤは図９のＤ点において観測した、
光子数検出器１２からの信号、グラフＥはコントロール
装置１３からのゲート制御信号、グラフＦはゲート装置
４を経たのち、光ファイバ１１において観測される光子
の分布である。

【００７７】グラフＤに見られるように、光子数検出器
２からは、その時点での入射光子数に応じた波高をもつ
信号が常に出力されている。波高分別部１２は、一度に
一つの光子の入射に対応した波高を選択する。コントロ
ール装置１３では、クロック立ち上がり後最初に入力さ
れる波高分別部からの信号に対してのみ、ゲート装置４
を開く（グラフＥ）。結果として、光ファイバ１１から
はグラフＦに見られるようなほぼ一定の間隔で単一の光
子が射出される。

【００７８】この実施の形態においては、波高分別部１
２は光子が光子数検出器２の感度時間内に１つだけの状
態を選別したが、もちろん２つまたはそれ以上の光子数
に対応した状態を選別することも可能である。これによ
り、一定間隔に近い間隔をおいて、多光子数状態を発生
させることが可能になる。発生する光子対の数を増やせ
ば、この間隔をさらに一定に近づけることが可能であ
る。

【００７９】実施の形態８実施の形態７においては、一定時間間隔内に１度だけゲ
ート装置を開いたが、一定時間間隔内にＮ回だけゲート
装置を開くことも可能である。このようにすれば、一定
時間内にＮ個づつ光子を含むような状態を生成すること
ができる。この場合も、発生する光子対の数を増やすこ
とによって、Ｎ個の光子がある一定間隔で繰り返し発生
しているような状態を生成することが可能になる。

【００８０】

【発明の効果】以上のようにこの発明においては、発生
時刻に相関をもつ光子対を発生する光子対源、そのうち
一方の光子を検出する光子数検出器、光子数検出器から
の光子数の情報に応じてゲート装置をコントロールする
コントロール装置を備えることにより、検出器の応答速
度に関わらず、任意の光子数状態を発生することができ
る。

【００８１】また、光子対を発生する光子対源として、
ポンプ光光源と、ポンプ光光源からのポンプ光が入射す
る非線型光学媒質を備えることにより、任意の光子数状
態を効率よく発生することができる。

【００８２】また、非線型光学素子を適切に調節するこ
とにより、さらに光子数状態を効率よく発生することが
できる。

【００８３】また、非線型光学媒質として、導波路型の
非線型光学媒質を備えることにより、光学的な調整が不
要になり、取り扱いを容易にすることができる。

【００８４】また、コントロール装置にクロック発生部
および、そのクロックによって規定される一定時間内に
特定の回数を下回る回数のみゲートを開閉する開閉回数
判定部を備えることにより、一定時間間隔で光子数状態
を発生することができる。

【００８５】また、ゲート装置にシャッターを複数備え
ることにより、シャッター自体の繰り返し周波数よりも
非常に短い時間でのゲートを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施の形態の全体構成図であ
る。

【図２】非線型光学媒質で発生する光子の波長と放出
角度の関係を示す図である。

【図３】この発明の一実施の形態で使用する光子数検
出器の、入射光子と出力信号の関係を示す図である。

【図４】この発明の一実施の形態で使用する光子数検
出器の、入射光子数と出力信号の高さの関係を示す図で
ある。

【図５】この発明の一実施の形態の全体構成図であ
る。

【図６】この発明の一実施の形態で使用する光子数検
出器の構成図である。

【図７】この発明の一実施の形態で使用するゲート装
置部の構成図である。

【図８】この発明の一実施の形態で使用するゲート装
置部の動作を説明するための図である。

【図９】この発明の一実施の形態の全体構成図であ
る。

【図１０】この発明の一実施の形態の動作を説明する
ための図である。

【図１１】従来の技術の一例の全体構成図である。

【符号の説明】

１光子対源、２光子数検出器、３コントロール装
置、４ゲート装置、５アイドラー光子、６シグナ
ル光子、７レーザー、８ポンプ光、９非線型光学
媒質、１０光ファイバ、１１光ファイバ、１２波
高分別部、１３ゲート装置制御部、１４微動装置、
１５レンズ、１６フィルタ、１７フィルタ、１８
光ファイバ、１９導波路型非線型光学媒質、２０
導波路型フィルタ、２１射出口、２２導波路型フィ
ルタ、２３導波路型ビームスプリッタ、２４導波路
型ビームスプリッタ、２５導波路型ビームスプリッ
タ、２６光子検出器、２７光子検出器、２８光子
検出器、２９光子検出器、３０電気光学素子、３１
電気光学素子、３２偏光板、３３偏光板、３４
偏光板、３５ノットゲート、３６遅延器、３７ク
ロック発生部、３８光検出器およびゲートコントロー
ル装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シグナル光子とアイドラー光子からなる
発生時刻に相関をもつ光子対を発生する光子対源、アイ
ドラー光子の光子数を検出する光子数検出器、光子数検
出器からの光子数の情報に応じてゲート装置をコントロ
ールするコントロール装置、および、シグナル光子の射
出を制御するゲート装置を備えることを特徴とする、光
子数状態発生装置。
【請求項２】光子対を発生する光子対源として、ポン
プ光光源と、ポンプ光光源からのポンプ光が入射する非
線型光学媒質を備えることを特徴とする、請求項１記載
の光子数状態発生装置。
【請求項３】ポンプ光が入射する非線型光学媒質とし
て、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度
が、そのチューニングカーブがある特定の単一波長ａに
対応する直線に接するような角度に設定された非線型光
学結晶を備えることを特徴とする、請求項２記載の光子
数状態発生装置。
【請求項４】ポンプ光が入射する非線型光学媒質とし
て、ポンプ光と、非線型光学媒質の光学軸のなす角度
が、そのチューニングカーブがある特定の波長ａ，ｂに
対応する直線に接するような角度に設定された非線型光
学結晶を備えることを特徴とする、請求項２記載の光子
数状態発生装置。
【請求項５】ポンプ光が入射する非線型光学媒質とし
て、導波路型の非線型光学媒質を備えることを特徴とす
る、請求項２記載の光子数状態発生装置。
【請求項６】ポンプ光が入射する非線型光学媒質とし
て、擬似位相整合型の非線型光学媒質を備えることを特
徴とする、請求項２または５に記載の光子数状態発生装
置。
【請求項７】光子数検出器からの光子数の情報に応じ
てゲート装置をコントロールするコントロール装置に、
光子数検出器からの光子数の情報が一定の範囲のものを
分別する分別部を備えることを特徴とする、請求項１か
ら６のいずれかに記載の光子数状態発生装置。
【請求項８】入射光子数に応じて出力パルスの高さの
変化する信号を出力する光子数検出器を備え、コントロ
ール装置に、光子数検出器からの出力パルスの高さがあ
る一定範囲のものを分別する波高分別部を備えることを
特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の光子数
状態発生装置。
【請求項９】光子数検出器からの光子数の情報が、光
子数検出器に入射した光子数が１つである場合を分別す
る分別部を備えることを特徴とする、請求項１から６の
いずれかに記載の光子数状態発生装置。
【請求項１０】光子数検出器からの出力パルスの高さ
が、光子数検出器に入射した光子数が１つである場合の
高さに相当するものを分別する波高分別部を備えること
を特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の光子
数状態発生装置。
【請求項１１】コントロール装置にクロック発生部お
よび、そのクロックによって規定される一定時間内に特
定の回数を下回る回数のみゲートを開閉する開閉回数判
定部を備えることを特徴とする、請求項７から１０のい
ずれかに記載の光子数状態発生装置。
【請求項１２】コントロール装置にクロック発生部お
よび、そのクロックによって規定される一定時間内に、
最初の光子数検出器からの信号に対してのみゲートを開
閉する開閉回数判定部を備えることを特徴とする請求項
７から１０のいずれかに記載の光子数状態発生装置。
【請求項１３】アイドラー光子の射出を制御するゲー
ト装置として、シャッターを複数備えることを特徴とす
る、請求項１から１２のいずれかに記載の光子数状態発
生装置。
【請求項１４】光子対から発生したアイドラー光子
を、その光子の射出を制御するゲート装置に到達させる
光ファイバーを備えることを特徴とする、請求項１から
１３のいずれかに記載の光子数状態発生装置。