JP2003243691A - 光子検出器とそれを用いた量子通信装置及び量子計算機 - Google Patents
光子検出器とそれを用いた量子通信装置及び量子計算機Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 アバランシェフォトダイオードにパルス状の
バイアス電圧を印加したときに生じるスパイク電圧を除
去する、小型化が可能で、かつ制御が容易な手段を用い
て低ダークカウント、高効率の光子検出器とそれを用い
た量子通信装置及び量子計算機を提供する。 【解決手段】 アバランシェフォトダイオード１１，１
２にブレークダウン電圧以上の逆方向バイアス電圧をパ
ルス状に印加し、このバイアス電圧が印加されている時
間内に入射した光子を検出する素子において、２つのア
バランシェフォトダイオード１１，１２に同時にバイア
ス電圧を印加し、このアバランシェフォトダイオード１
１，１２の出力電圧の差を信号出力とする。よって、２
つのアバランシェフォトダイオード１１，１２にパルス
状にバイアス電圧を印加することによって生じるスパイ
ク電圧は、アバランシェフォトダイオード１１，１２の
出力電圧の差を信号出力とすることで打ち消される。
バイアス電圧を印加したときに生じるスパイク電圧を除
去する、小型化が可能で、かつ制御が容易な手段を用い
て低ダークカウント、高効率の光子検出器とそれを用い
た量子通信装置及び量子計算機を提供する。 【解決手段】 アバランシェフォトダイオード１１，１
２にブレークダウン電圧以上の逆方向バイアス電圧をパ
ルス状に印加し、このバイアス電圧が印加されている時
間内に入射した光子を検出する素子において、２つのア
バランシェフォトダイオード１１，１２に同時にバイア
ス電圧を印加し、このアバランシェフォトダイオード１
１，１２の出力電圧の差を信号出力とする。よって、２
つのアバランシェフォトダイオード１１，１２にパルス
状にバイアス電圧を印加することによって生じるスパイ
ク電圧は、アバランシェフォトダイオード１１，１２の
出力電圧の差を信号出力とすることで打ち消される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光子検出器とそれ
を用いた量子通信装置及び量子計算機に係り、特に、主
要な構成要素である光子検出器に関するものである。
を用いた量子通信装置及び量子計算機に係り、特に、主
要な構成要素である光子検出器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、量子計算機は、量子力学の原理を
利用したアルゴリズムにより、従来の計算機では現実的
な時間内に計算することが不可能な問題を解くことがで
きるということが示され、暗号解読、情報検索、シミュ
レーションなどの計算機利用技術に大きな影響を与える
ことが期待されている。また、量子暗号のような「物理
暗号」は、物理法則が暗号の安全性を保証するため、計
算機の能力の限界に依存しない究極の安全性保証が可能
になる。このような量子計算機や量子暗号は、将来の情
報産業における技術的基盤の一つとなることが期待でき
る。
利用したアルゴリズムにより、従来の計算機では現実的
な時間内に計算することが不可能な問題を解くことがで
きるということが示され、暗号解読、情報検索、シミュ
レーションなどの計算機利用技術に大きな影響を与える
ことが期待されている。また、量子暗号のような「物理
暗号」は、物理法則が暗号の安全性を保証するため、計
算機の能力の限界に依存しない究極の安全性保証が可能
になる。このような量子計算機や量子暗号は、将来の情
報産業における技術的基盤の一つとなることが期待でき
る。
【０００３】そこで、量子計算機や、量子暗号をはじめ
とする量子通信を実現するための情報媒体として、光子
を利用することが検討されている。光子は、環境の影響
を受け難いため、量子計算・量子通信に必要な量子相関
を長時間、長距離に渡って保存することができる。しか
し、光子を利用するためには光子を高効率で検出する光
子検出器が必要である。同時に、光子が入射していない
のに信号を出力してしまうダークカウントが大きいと、
誤りが大きくなり利用できない。
とする量子通信を実現するための情報媒体として、光子
を利用することが検討されている。光子は、環境の影響
を受け難いため、量子計算・量子通信に必要な量子相関
を長時間、長距離に渡って保存することができる。しか
し、光子を利用するためには光子を高効率で検出する光
子検出器が必要である。同時に、光子が入射していない
のに信号を出力してしまうダークカウントが大きいと、
誤りが大きくなり利用できない。
【０００４】このように光子検出器は、高効率の検出と
低ダークカウントという２つの要求を満たす必要があ
る。
低ダークカウントという２つの要求を満たす必要があ
る。
【０００５】近年、アバランシェフォトダイオードを用
いて、ブレークダウン電圧以上のバイアス電圧を印加す
ることによって高効率の光子検出が行われてきた。特
に、可視光の光子に対してはシリコンを材料とするアバ
ランシェフォトダイオードによって、高効率、低ダーク
カウントの光子検出器が実現されている。ところが、フ
ァイバの損失が低く、通信に適した波長帯である１．３
μｍや１．５５μｍの光を検出するＩｎＧａＡｓやＩｎ
Ｐを材料とするアバランシェフォトダイオードでは、キ
ャリアの熱励起によるダークカウントが大きいため、バ
イアス電圧をパルス状に印加し、バイアス電圧の時間内
に入射した光子の吸収で生じたキャリアのみを検出する
ことにより、キャリアの熱励起の影響を抑えてダークカ
ウントを小さくすることが行われている。
いて、ブレークダウン電圧以上のバイアス電圧を印加す
ることによって高効率の光子検出が行われてきた。特
に、可視光の光子に対してはシリコンを材料とするアバ
ランシェフォトダイオードによって、高効率、低ダーク
カウントの光子検出器が実現されている。ところが、フ
ァイバの損失が低く、通信に適した波長帯である１．３
μｍや１．５５μｍの光を検出するＩｎＧａＡｓやＩｎ
Ｐを材料とするアバランシェフォトダイオードでは、キ
ャリアの熱励起によるダークカウントが大きいため、バ
イアス電圧をパルス状に印加し、バイアス電圧の時間内
に入射した光子の吸収で生じたキャリアのみを検出する
ことにより、キャリアの熱励起の影響を抑えてダークカ
ウントを小さくすることが行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ダークカウントを減ら
すためには、バイアス電圧が印加される時間を小さくす
ることが有効である。しかしながら、アバランシェフォ
トダイオードの静電容量のためにパルスの立ち上がりと
立ち下がりで大きなスパイクが生じるため、パルス時間
の短縮には制限がある。また、スパイク電圧より大きな
光子検出信号を得るために検出閾値を大きくする必要が
あり、検出閾値以下の信号は捨てられるため高効率化に
限界があった。
すためには、バイアス電圧が印加される時間を小さくす
ることが有効である。しかしながら、アバランシェフォ
トダイオードの静電容量のためにパルスの立ち上がりと
立ち下がりで大きなスパイクが生じるため、パルス時間
の短縮には制限がある。また、スパイク電圧より大きな
光子検出信号を得るために検出閾値を大きくする必要が
あり、検出閾値以下の信号は捨てられるため高効率化に
限界があった。
【０００７】そこで、例えば米国特許６２１８６５７号
には、ベスーン（Ｂｅｔｈｕｎｅ，Ｄ．Ｓ．）らによっ
て、同軸ケーブルをアバランシェフォトダイオードに並
列に接続することが開示されている。
には、ベスーン（Ｂｅｔｈｕｎｅ，Ｄ．Ｓ．）らによっ
て、同軸ケーブルをアバランシェフォトダイオードに並
列に接続することが開示されている。
【０００８】この技術によると、同軸ケーブルの他端か
らの反射電圧でアバランシェフォトダイオードの端子間
に生じるスパイク電圧を打ち消しているので、パルス時
間の短縮によるダークカウントの低減において、一応の
効果を奏している。
らの反射電圧でアバランシェフォトダイオードの端子間
に生じるスパイク電圧を打ち消しているので、パルス時
間の短縮によるダークカウントの低減において、一応の
効果を奏している。
【０００９】しかしながら、上述の方法は、同軸ケーブ
ルの長さが１２２ｃｍと長いため、装置の小型化に不向
きである。また、同軸ケーブルの長さを正確に切断する
必要がある。さらに、同軸ケーブルの損失や接続損失の
ために反射電圧は、アバランシェフォトダイオードの端
子間に生じるスパイク電圧より小さくなるため、スパイ
クの完全な打ち消しは不可能である。
ルの長さが１２２ｃｍと長いため、装置の小型化に不向
きである。また、同軸ケーブルの長さを正確に切断する
必要がある。さらに、同軸ケーブルの損失や接続損失の
ために反射電圧は、アバランシェフォトダイオードの端
子間に生じるスパイク電圧より小さくなるため、スパイ
クの完全な打ち消しは不可能である。
【００１０】本発明は、上記状況に鑑みて、アバランシ
ェフォトダイオードにパルス状のバイアス電圧を印加し
たときに生じるスパイク電圧を除去する、小型化が可能
で、かつ制御が容易な手段を用いて低ダークカウント、
高効率の光子検出器とそれを用いた量子通信装置及び量
子計算機を提供することを目的とする。
ェフォトダイオードにパルス状のバイアス電圧を印加し
たときに生じるスパイク電圧を除去する、小型化が可能
で、かつ制御が容易な手段を用いて低ダークカウント、
高効率の光子検出器とそれを用いた量子通信装置及び量
子計算機を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔１〕光子検出器において、アバランシェフォトダイオ
ードにブレークダウン電圧以上の逆方向バイアス電圧を
パルス状に印加し、このバイアス電圧が印加されている
時間内に入射した光子を検出する素子において、２つの
アバランシェフォトダイオードにバイアス電圧を印加
し、このアバランシェフォトダイオードの出力電圧の差
を信号出力とすることを特徴とする。
成するために、 〔１〕光子検出器において、アバランシェフォトダイオ
ードにブレークダウン電圧以上の逆方向バイアス電圧を
パルス状に印加し、このバイアス電圧が印加されている
時間内に入射した光子を検出する素子において、２つの
アバランシェフォトダイオードにバイアス電圧を印加
し、このアバランシェフォトダイオードの出力電圧の差
を信号出力とすることを特徴とする。
【００１２】〔２〕上記〔１〕記載の光子検出器におい
て、信号出力が正の閾値電圧を持ち、この閾値電圧以上
の信号が入力されたときパルスを出力する第１の弁別器
と、負の閾値電圧を持ち、この閾値電圧以下の信号が入
力されたときパルスを出力する第２の弁別器によって、
前記２つのアバランシェフォトダイオードのうちいずれ
のアバランシェフォトダイオードに前記光子が入射した
かを判別することを特徴とする。
て、信号出力が正の閾値電圧を持ち、この閾値電圧以上
の信号が入力されたときパルスを出力する第１の弁別器
と、負の閾値電圧を持ち、この閾値電圧以下の信号が入
力されたときパルスを出力する第２の弁別器によって、
前記２つのアバランシェフォトダイオードのうちいずれ
のアバランシェフォトダイオードに前記光子が入射した
かを判別することを特徴とする。
【００１３】〔３〕上記〔２〕記載の光子検出器におい
て、前記光子を偏光分離器に入射し、この偏光分離器の
２つの出力をそれぞれ前記２つのアバランシェフォトダ
イオードの入力として入射した前記光子の偏光状態を判
別することを特徴とする。
て、前記光子を偏光分離器に入射し、この偏光分離器の
２つの出力をそれぞれ前記２つのアバランシェフォトダ
イオードの入力として入射した前記光子の偏光状態を判
別することを特徴とする。
【００１４】〔４〕上記〔２〕記載の光子検出器におい
て、前記光子をビームスプリッターに入射し、このビー
ムスプリッターの２つの出力をそれぞれ前記２つのアバ
ランシェフォトダイオードの入力として入射した前記光
子の干渉状態を判別することを特徴とする。
て、前記光子をビームスプリッターに入射し、このビー
ムスプリッターの２つの出力をそれぞれ前記２つのアバ
ランシェフォトダイオードの入力として入射した前記光
子の干渉状態を判別することを特徴とする。
【００１５】〔５〕上記〔１〕記載の光子検出器におい
て、前記２つのアバランシェフォトダイオードのうちの
１つが通常のダイオードに置き換えられていることを特
徴とする。
て、前記２つのアバランシェフォトダイオードのうちの
１つが通常のダイオードに置き換えられていることを特
徴とする。
【００１６】〔６〕上記〔１〕から上記〔５〕のいずれ
か１項に記載の光子検出器において、２つのパルス電圧
のうち少なくとも一方の印加時刻と印加電圧を調整する
装置を備えていることを特徴とする。
か１項に記載の光子検出器において、２つのパルス電圧
のうち少なくとも一方の印加時刻と印加電圧を調整する
装置を備えていることを特徴とする。
【００１７】〔７〕量子通信装置であって、前記光子の
検出に上記〔１〕から上記〔６〕のいずれか１項に記載
の光子検出器を用いることを特徴とする。
検出に上記〔１〕から上記〔６〕のいずれか１項に記載
の光子検出器を用いることを特徴とする。
【００１８】〔８〕量子計算機であって、前記光子の検
出に上記〔１〕から上記〔６〕のいずれか１項に記載の
光子検出器を用いることを特徴とする。
出に上記〔１〕から上記〔６〕のいずれか１項に記載の
光子検出器を用いることを特徴とする。
【００１９】本発明による光子検出器は、アバランシェ
フォトダイオードにブレークダウン電圧以上の逆方向バ
イアス電圧をパルス状に印加し、バイアス電圧が印加さ
れている時間内に入射した光子を検出するという構成に
対し、２つのアバランシェフォトダイオードに同時にバ
イアス電圧を印加し、アバランシェフォトダイオードの
出力電圧の差を信号出力とすることを特徴としている。
フォトダイオードにブレークダウン電圧以上の逆方向バ
イアス電圧をパルス状に印加し、バイアス電圧が印加さ
れている時間内に入射した光子を検出するという構成に
対し、２つのアバランシェフォトダイオードに同時にバ
イアス電圧を印加し、アバランシェフォトダイオードの
出力電圧の差を信号出力とすることを特徴としている。
【００２０】さらに、本発明によれば、偏光分離器また
はビームスプリッターの出力を２つのアバランシェフォ
トダイオードにそれぞれ入射することを特徴とする光子
の偏光状態または干渉状態の測定器が得られる。
はビームスプリッターの出力を２つのアバランシェフォ
トダイオードにそれぞれ入射することを特徴とする光子
の偏光状態または干渉状態の測定器が得られる。
【００２１】このような構成によれば、２つのアバラン
シェフォトダイオードにパルス状にバイアス電圧を印加
することによって生じるスパイク電圧は、アバランシェ
フォトダイオードの出力電圧の差を信号出力とすること
で打ち消される。
シェフォトダイオードにパルス状にバイアス電圧を印加
することによって生じるスパイク電圧は、アバランシェ
フォトダイオードの出力電圧の差を信号出力とすること
で打ち消される。
【００２２】従って、短いパルス電圧を印加しても信号
出力に現れるスパイク電圧は小さく、閾値電圧を小さく
できるので高効率な光子検出器が実現できるという効果
が得られる。
出力に現れるスパイク電圧は小さく、閾値電圧を小さく
できるので高効率な光子検出器が実現できるという効果
が得られる。
【００２３】また、２つのアバランシェフォトダイオー
ドから同時に熱雑音による誤検出のパルスが生じたとき
にも信号は打ち消されるので、ダークカウントも小さく
なるという効果が得られる。
ドから同時に熱雑音による誤検出のパルスが生じたとき
にも信号は打ち消されるので、ダークカウントも小さく
なるという効果が得られる。
【００２４】また、本発明のもうひとつの光子検出器
は、アバランシェフォトダイオードの１つが通常のダイ
オードに置き換えられていることを特徴とする。
は、アバランシェフォトダイオードの１つが通常のダイ
オードに置き換えられていることを特徴とする。
【００２５】このような構成にしたことによって、光子
検出だけを目的とした場合にはアバランシェフォトダイ
オードよりも安価なダイオードを用いることができる。
検出だけを目的とした場合にはアバランシェフォトダイ
オードよりも安価なダイオードを用いることができる。
【００２６】さらに、本発明の光子検出器は２つのパル
ス電圧のうち少なくとも一方の印加時刻と印加電圧を調
整する装置を備えていることを特徴とする。
ス電圧のうち少なくとも一方の印加時刻と印加電圧を調
整する装置を備えていることを特徴とする。
【００２７】このように構成することによって、ダイオ
ードの特性の違いや実装時の配線方法の違いによって生
じる、２つのダイオードの端子のスパイク電圧の大きさ
や発生時刻の差を小さくする効果を奏する。同軸ケーブ
ルを用いる方法と異なって、半導体を用いた電子回路で
実現できるため、小型でかつ制御が容易である。
ードの特性の違いや実装時の配線方法の違いによって生
じる、２つのダイオードの端子のスパイク電圧の大きさ
や発生時刻の差を小さくする効果を奏する。同軸ケーブ
ルを用いる方法と異なって、半導体を用いた電子回路で
実現できるため、小型でかつ制御が容易である。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を参照しながら説明する。
て図を参照しながら説明する。
【００２９】図１は本発明の実施例を示す光子検出器の
構成図、図２は本発明の光子検出器にパルス電圧が加え
られたときの電圧応答波形を示す図であり、図２（ａ）
は第１のアバランシェフォトダイオードの出力電圧、図
２（ｂ）は第２のアバランシェフォトダイオードの出力
電圧、図２（ｃ）は第１のアバランシェフォトダイオー
ドの出力電圧と第２のアバランシェフォトダイオードの
出力電圧の差で与えられる信号出力電圧をそれぞれ示し
ている。
構成図、図２は本発明の光子検出器にパルス電圧が加え
られたときの電圧応答波形を示す図であり、図２（ａ）
は第１のアバランシェフォトダイオードの出力電圧、図
２（ｂ）は第２のアバランシェフォトダイオードの出力
電圧、図２（ｃ）は第１のアバランシェフォトダイオー
ドの出力電圧と第２のアバランシェフォトダイオードの
出力電圧の差で与えられる信号出力電圧をそれぞれ示し
ている。
【００３０】図１において、１１，１２はアバランシェ
フォトダイオード、１３，１６はバイアスティー、１
４，１７は直流電圧源、１５，１８はパルス発生器、１
９は負荷抵抗である。
フォトダイオード、１３，１６はバイアスティー、１
４，１７は直流電圧源、１５，１８はパルス発生器、１
９は負荷抵抗である。
【００３１】図１に示すように、光子検出を行うアバラ
ンシェフォトダイオード１１とアバランシェフォトダイ
オード１２が直列に接続され、その接続点は負荷抵抗１
９を通して接地される。アバランシェフォトダイオード
１１のカソードは、バイアスティー１３を通じて正の直
流電圧源１４とパルス発生器１５に接続され、アバラン
シェフォトダイオード１２はバイアスティー１６を通じ
て負の直流電圧源１７とパルス発生器１８に接続され
る。
ンシェフォトダイオード１１とアバランシェフォトダイ
オード１２が直列に接続され、その接続点は負荷抵抗１
９を通して接地される。アバランシェフォトダイオード
１１のカソードは、バイアスティー１３を通じて正の直
流電圧源１４とパルス発生器１５に接続され、アバラン
シェフォトダイオード１２はバイアスティー１６を通じ
て負の直流電圧源１７とパルス発生器１８に接続され
る。
【００３２】バイアスティー１３，１６は直流とパルス
を合流させ、直流電圧源とパルス発生器が互いに影響を
受けないようにするものである。パルス発生器１５は正
のパルス電圧を、パルス発生器１８は負のパルス電圧
を、それぞれ発生させる。
を合流させ、直流電圧源とパルス発生器が互いに影響を
受けないようにするものである。パルス発生器１５は正
のパルス電圧を、パルス発生器１８は負のパルス電圧
を、それぞれ発生させる。
【００３３】直流電圧源１４，１７の電圧はアバランシ
ェフォトダイオード１１，１２のブレークダウン電圧よ
り小さくし、ブレークダウン電圧を越えるように設定す
る。パルス発生器１５，１８からのパルス電圧が加わっ
たとき、パルス発生器１５とパルス発生器１８が発生さ
せるパルスの発生時刻、時間幅、振幅はほぼ等しくなる
ようにする。ダイオードの特性の違いや実装時の配線方
法の違いによって生じる、２つのダイオードの端子のス
パイク電圧の大きさや発生時刻の差を補償するため、発
生時刻、時間幅、振幅を調整できるようにする。
ェフォトダイオード１１，１２のブレークダウン電圧よ
り小さくし、ブレークダウン電圧を越えるように設定す
る。パルス発生器１５，１８からのパルス電圧が加わっ
たとき、パルス発生器１５とパルス発生器１８が発生さ
せるパルスの発生時刻、時間幅、振幅はほぼ等しくなる
ようにする。ダイオードの特性の違いや実装時の配線方
法の違いによって生じる、２つのダイオードの端子のス
パイク電圧の大きさや発生時刻の差を補償するため、発
生時刻、時間幅、振幅を調整できるようにする。
【００３４】そして、本発明に従って、出力がアバラン
シェフォトダイオード１１とアバランシェフォトダイオ
ード１２の差になるよう、アバランシェフォトダイオー
ド１１，１２の接続点の負荷抵抗１９の両端を出力とす
る。
シェフォトダイオード１１とアバランシェフォトダイオ
ード１２の差になるよう、アバランシェフォトダイオー
ド１１，１２の接続点の負荷抵抗１９の両端を出力とす
る。
【００３５】かかる構成の光子検出器においては、パル
ス電圧が加えられたとき、負荷抵抗１９の両端には、図
２（ａ）に示すように、アバランシェフォトダイオード
１１の寄生容量によるスパイク電圧と、図２（ｂ）に示
すように、アバランシェフォトダイオード１２の寄生容
量によるスパイク電圧が生じる。２つのスパイク電圧は
大きさが同じで極性が異なるため、打ち消し合い、図２
（ｃ）に示すように、出力には現れない。
ス電圧が加えられたとき、負荷抵抗１９の両端には、図
２（ａ）に示すように、アバランシェフォトダイオード
１１の寄生容量によるスパイク電圧と、図２（ｂ）に示
すように、アバランシェフォトダイオード１２の寄生容
量によるスパイク電圧が生じる。２つのスパイク電圧は
大きさが同じで極性が異なるため、打ち消し合い、図２
（ｃ）に示すように、出力には現れない。
【００３６】一方、どちらかのアバランシェフォトダイ
オードで光子が検出された場合に生じる信号電圧はその
まま出力に現れる。アバランシェフォトダイオード１１
で光子が検出されたときには正の、アバランシェフォト
ダイオード１２で光子が検出されたときには負の信号電
圧が生じるため、信号電圧の正負でどちらのアバランシ
ェフォトダイオードで光子が検出されたかを知ることが
できる。
オードで光子が検出された場合に生じる信号電圧はその
まま出力に現れる。アバランシェフォトダイオード１１
で光子が検出されたときには正の、アバランシェフォト
ダイオード１２で光子が検出されたときには負の信号電
圧が生じるため、信号電圧の正負でどちらのアバランシ
ェフォトダイオードで光子が検出されたかを知ることが
できる。
【００３７】従って、スパイク電圧が現れないため信号
検出の閾値を小さくすることができ、量子効率を大きく
できるという効果がもたらされる。
検出の閾値を小さくすることができ、量子効率を大きく
できるという効果がもたらされる。
【００３８】また、信号電圧の閾値が小さいためアバラ
ンシェフォトダイオードに印加するパルス電圧を小さく
できる。このことはパルス発生器の構成を容易にするば
かりでなく、さらに、光子検出でアバランシェフォトダ
イオードの中に作られる電子の数を小さくできるため、
電子が増倍層内の欠陥に捕獲される確率を小さくするこ
とができ、光子検出後の捕獲電子の再放出によるダーク
カウントや不感時間が減少するという効果も同時にもた
らされる。
ンシェフォトダイオードに印加するパルス電圧を小さく
できる。このことはパルス発生器の構成を容易にするば
かりでなく、さらに、光子検出でアバランシェフォトダ
イオードの中に作られる電子の数を小さくできるため、
電子が増倍層内の欠陥に捕獲される確率を小さくするこ
とができ、光子検出後の捕獲電子の再放出によるダーク
カウントや不感時間が減少するという効果も同時にもた
らされる。
【００３９】本実施例の光子検出器は２つの光子入射端
子を持つ。この入射端子をそれぞれビームスプリッター
または偏光ビームスプリッターの出力に接続することに
よって量子ビットの測定に用いることができる。
子を持つ。この入射端子をそれぞれビームスプリッター
または偏光ビームスプリッターの出力に接続することに
よって量子ビットの測定に用いることができる。
【００４０】このことを図３および図４を用いて説明す
る。
る。
【００４１】図３は干渉計を用いた量子暗号鍵配布装置
の構成を示したものである。なお、ここで、量子暗号鍵
配布とは、伝えるべき暗号文そのものではなく、暗号文
を作成したり解読したりするときに用いる鍵となる乱数
の列を送信者と受信者の間で、他人に知られないように
共有するものである。量子暗号鍵配布は、量子力学の原
理を用いることにより他者による盗聴を検知すること
で、無条件の安全性を実現できる。
の構成を示したものである。なお、ここで、量子暗号鍵
配布とは、伝えるべき暗号文そのものではなく、暗号文
を作成したり解読したりするときに用いる鍵となる乱数
の列を送信者と受信者の間で、他人に知られないように
共有するものである。量子暗号鍵配布は、量子力学の原
理を用いることにより他者による盗聴を検知すること
で、無条件の安全性を実現できる。
【００４２】この量子暗号鍵配布を実現するために、乱
数の１ビットを送るのに光子を１個だけ使う。ビット値
“０”と“１”を表すために、光子の偏光の向きや干渉
計で分割された光子の間の位相差を用いる。盗聴者がい
ない場合、受信者が正しい測定をしたときには送信者と
受信者の間で共有されるビット値には誤りが生じない。
数の１ビットを送るのに光子を１個だけ使う。ビット値
“０”と“１”を表すために、光子の偏光の向きや干渉
計で分割された光子の間の位相差を用いる。盗聴者がい
ない場合、受信者が正しい測定をしたときには送信者と
受信者の間で共有されるビット値には誤りが生じない。
【００４３】しかし、盗聴者が途中で光子を測定したと
き、盗聴者は正しい測定の方法を知らないので、その結
果には必ず間違いが含まれ、受信者の測定結果にもその
誤りが現れる。そこで、受信者は送られてきたビットを
いくつか選んで送信者に確認する。ここで間違いが見つ
かれば盗聴者がいたことが結論できる。盗聴者が見つか
った乱数列は捨てて、盗聴されていないことが確認でき
たものだけを暗号鍵として使うことにより安全な暗号鍵
が共有される。
き、盗聴者は正しい測定の方法を知らないので、その結
果には必ず間違いが含まれ、受信者の測定結果にもその
誤りが現れる。そこで、受信者は送られてきたビットを
いくつか選んで送信者に確認する。ここで間違いが見つ
かれば盗聴者がいたことが結論できる。盗聴者が見つか
った乱数列は捨てて、盗聴されていないことが確認でき
たものだけを暗号鍵として使うことにより安全な暗号鍵
が共有される。
【００４４】ここで、具体例について説明すると、図３
に示すように、送信者Ａ側では単一光子光源３１と干渉
計３２を持ち、受信者Ｂは干渉計３３と本実施例の光子
検出器３４を持つ。干渉計３２，３３はそれぞれビーム
スプリッターと位相変調器から構成される。
に示すように、送信者Ａ側では単一光子光源３１と干渉
計３２を持ち、受信者Ｂは干渉計３３と本実施例の光子
検出器３４を持つ。干渉計３２，３３はそれぞれビーム
スプリッターと位相変調器から構成される。
【００４５】そこで、送信者Ａの単一光子光源３１から
干渉計３２に入射した光子は、第１のビームスプリッタ
ー３２１で２つの光路３２２，３２３に分けられる。一
方の光路３２３はもう一方の光路３２２よりも長くして
おく。光路長の差は光子のパルスの長さより大きくす
る。また、どちらか一方の光路、ここでは光路３２２に
は位相変調器３２４を挿入し、分割された光子の間に位
相差がつけられる。２つの光路３２２，３２３は第２の
ビームスプリッター３２５で合成された後出力される。
送信者Ａの干渉計３２からの出力は、光路差に対応した
時間差をもち、位相変調器で変調された大きさの位相差
を持つパルス状の光子の確率振幅になる。
干渉計３２に入射した光子は、第１のビームスプリッタ
ー３２１で２つの光路３２２，３２３に分けられる。一
方の光路３２３はもう一方の光路３２２よりも長くして
おく。光路長の差は光子のパルスの長さより大きくす
る。また、どちらか一方の光路、ここでは光路３２２に
は位相変調器３２４を挿入し、分割された光子の間に位
相差がつけられる。２つの光路３２２，３２３は第２の
ビームスプリッター３２５で合成された後出力される。
送信者Ａの干渉計３２からの出力は、光路差に対応した
時間差をもち、位相変調器で変調された大きさの位相差
を持つパルス状の光子の確率振幅になる。
【００４６】一方、受信者Ｂ側では同様な干渉計３３を
用意し、送信者Ａから送られてきた光を入射する。入射
した光子は送信者Ａ側の場合と同様に第１のビームスプ
リッター３３１で２つの光路３３２，３３３に分けられ
る。一方の光路３３２はもう一方の光路３３３より長く
しておく。光路長の差は送信者Ａ側の干渉計３２のもの
と等しくする。これにより、分割された光子パルスは再
び時間的に重なる。どちらか一方の光路、ここでは光路
３３３に挿入された位相変調器３３４によって位相差が
作られる。２つの光路３３２，３３３は第２のビームス
プリッター３３５で合成された後出力される。
用意し、送信者Ａから送られてきた光を入射する。入射
した光子は送信者Ａ側の場合と同様に第１のビームスプ
リッター３３１で２つの光路３３２，３３３に分けられ
る。一方の光路３３２はもう一方の光路３３３より長く
しておく。光路長の差は送信者Ａ側の干渉計３２のもの
と等しくする。これにより、分割された光子パルスは再
び時間的に重なる。どちらか一方の光路、ここでは光路
３３３に挿入された位相変調器３３４によって位相差が
作られる。２つの光路３３２，３３３は第２のビームス
プリッター３３５で合成された後出力される。
【００４７】第１のビームスプリッター３３１で分割さ
れた光子パルスは再びここで時間的に重なるため干渉
し、送信者Ａ側と受信者Ｂ側の位相変調器３２４，３３
４でつくられた位相差の合計が２ｎπのとき、受信者Ｂ
側の干渉計３３の一方の出力３３６からのみ光子が出力
され、２ｎ＋１πのときもう一つの出力３３７からのみ
光子が出力される。
れた光子パルスは再びここで時間的に重なるため干渉
し、送信者Ａ側と受信者Ｂ側の位相変調器３２４，３３
４でつくられた位相差の合計が２ｎπのとき、受信者Ｂ
側の干渉計３３の一方の出力３３６からのみ光子が出力
され、２ｎ＋１πのときもう一つの出力３３７からのみ
光子が出力される。
【００４８】すなわち、送信者Ａは自分の干渉計３２の
位相変調器３２４の位相を、送信するビット値が“０”
のときは０またはπ／２に、ビット値が“１”のときは
πまたは３π／２にそれぞれ設定して送信する。受信者
Ｂは自分の干渉計３３の位相変調器３３４の位相を０ま
たはπ／２として光子検出を行う。送信者Ａが０または
πを送ったときは受信者Ｂの位相変調器３３４の設定が
０のとき、送信者Ａがπ／２または３π／２を送ったと
きは受信者Ｂの位相変調器３３４の設定がπ／２のとき
を正しい測定とする。
位相変調器３２４の位相を、送信するビット値が“０”
のときは０またはπ／２に、ビット値が“１”のときは
πまたは３π／２にそれぞれ設定して送信する。受信者
Ｂは自分の干渉計３３の位相変調器３３４の位相を０ま
たはπ／２として光子検出を行う。送信者Ａが０または
πを送ったときは受信者Ｂの位相変調器３３４の設定が
０のとき、送信者Ａがπ／２または３π／２を送ったと
きは受信者Ｂの位相変調器３３４の設定がπ／２のとき
を正しい測定とする。
【００４９】受信者Ｂが正しい測定を行った場合、送信
者Ａのビット値が“０”のときは受信者Ｂの干渉計３３
の出力３３６に、送信者Ａのビット値が“１”のときは
受信者Ｂの干渉計３３の出力３３７に光子が現れる。こ
のため、光子検出器３４でどちらのアバランシェフォト
ダイオードが光子を検出したかを信号電圧の正負によっ
て判別回路３５で判別すれば、受信者Ｂは送信されたビ
ット値を再現することができ、送信者Ａと受信者Ｂは同
じビット値を共有できる。
者Ａのビット値が“０”のときは受信者Ｂの干渉計３３
の出力３３６に、送信者Ａのビット値が“１”のときは
受信者Ｂの干渉計３３の出力３３７に光子が現れる。こ
のため、光子検出器３４でどちらのアバランシェフォト
ダイオードが光子を検出したかを信号電圧の正負によっ
て判別回路３５で判別すれば、受信者Ｂは送信されたビ
ット値を再現することができ、送信者Ａと受信者Ｂは同
じビット値を共有できる。
【００５０】図４は偏光を用いた量子暗号鍵配布装置の
構成を示したものである。
構成を示したものである。
【００５１】この図に示すように、送信者Ａは単一光子
光源３１と偏光変調器４２を持ち、受信者Ｂは偏光変調
器４３と偏光ビームスプリッター４４と本実施例の光子
検出器３４を持つ。送信者Ａは直線偏光を送るものと
し、偏光変調器４２によって自分の送信する光子の偏光
の角度を、ビット値が“０”のときは０度または４５度
に、ビット値が“１”のときは９０度または１３５度に
それぞれ設定して送信する。
光源３１と偏光変調器４２を持ち、受信者Ｂは偏光変調
器４３と偏光ビームスプリッター４４と本実施例の光子
検出器３４を持つ。送信者Ａは直線偏光を送るものと
し、偏光変調器４２によって自分の送信する光子の偏光
の角度を、ビット値が“０”のときは０度または４５度
に、ビット値が“１”のときは９０度または１３５度に
それぞれ設定して送信する。
【００５２】一方、受信者Ｂは送られてきた光子の偏光
を偏光変調器４３によって回転させないか、または、４
５度回転させ、偏光ビームスプリッター４４の、０度と
９０度の２つの出力に接続された光子検出器３４で、ど
ちらのアバランシェフォトダイオードが光子を検出した
かを信号電圧の正負で判別回路３５を用いて判別するこ
とで光子の偏光を測定する。このとき、０度をビット値
“０”、９０度をビット値“１”とする。
を偏光変調器４３によって回転させないか、または、４
５度回転させ、偏光ビームスプリッター４４の、０度と
９０度の２つの出力に接続された光子検出器３４で、ど
ちらのアバランシェフォトダイオードが光子を検出した
かを信号電圧の正負で判別回路３５を用いて判別するこ
とで光子の偏光を測定する。このとき、０度をビット値
“０”、９０度をビット値“１”とする。
【００５３】送信者Ａが０度または９０度を送ったとき
には受信者Ｂの偏光変調器の設定が０度のとき、送信者
Ａが４５度または１３５度を送ったときは受信者Ｂの偏
光変調器の設定が４５度のときを正しい設定とする。受
信者Ｂは正しい測定を行ったとき送信されたビット値を
再現することができ、送信者Ａと受信者Ｂは同じビット
値を共有できる。
には受信者Ｂの偏光変調器の設定が０度のとき、送信者
Ａが４５度または１３５度を送ったときは受信者Ｂの偏
光変調器の設定が４５度のときを正しい設定とする。受
信者Ｂは正しい測定を行ったとき送信されたビット値を
再現することができ、送信者Ａと受信者Ｂは同じビット
値を共有できる。
【００５４】なお、以上の実施例では２つのアバランシ
ェフォトダイオードを用いているが、光子の有無を検出
するだけでよく、２つの光子入射端子が必要でないとき
は、アバランシェフォトダイオードのうちの１つを通常
のダイオードに置き換えることができる。その場合、ア
バランシェフォトダイオードより価格の低いダイオード
を用いることにより、低価格の光子検出器が実現でき
る。
ェフォトダイオードを用いているが、光子の有無を検出
するだけでよく、２つの光子入射端子が必要でないとき
は、アバランシェフォトダイオードのうちの１つを通常
のダイオードに置き換えることができる。その場合、ア
バランシェフォトダイオードより価格の低いダイオード
を用いることにより、低価格の光子検出器が実現でき
る。
【００５５】また、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【００５６】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、アバランシェフォトダイオードにブレークダウ
ン電圧以上の逆方向バイアス電圧をパルス状に印加し、
バイアス電圧が印加されている時間内に入射した光子を
検出する素子において、２つのアバランシェフォトダイ
オードにバイアス電圧を印加し、アバランシェフォトダ
イオードの出力電圧の差を信号出力するという基本構成
に基づき、アバランシェフォトダイオードにパルス状の
バイアス電圧を印加したときに生じるスパイク電圧を除
去する、小型化が可能でかつ制御が容易な手段を用いて
低ダークカウント、高効率の光子検出器を提供すること
ができる。
よれば、アバランシェフォトダイオードにブレークダウ
ン電圧以上の逆方向バイアス電圧をパルス状に印加し、
バイアス電圧が印加されている時間内に入射した光子を
検出する素子において、２つのアバランシェフォトダイ
オードにバイアス電圧を印加し、アバランシェフォトダ
イオードの出力電圧の差を信号出力するという基本構成
に基づき、アバランシェフォトダイオードにパルス状の
バイアス電圧を印加したときに生じるスパイク電圧を除
去する、小型化が可能でかつ制御が容易な手段を用いて
低ダークカウント、高効率の光子検出器を提供すること
ができる。
【図１】本発明の実施例を示す光子検出器の構成図であ
る。
る。
【図２】本発明の実施例の光子検出器にパルス電圧が加
えられたときの電圧応答波形を示す図である。
えられたときの電圧応答波形を示す図である。
【図３】本発明の実施例を示す干渉計を用いた量子暗号
鍵配布装置の構成図である。
鍵配布装置の構成図である。
【図４】本発明の実施例を示す偏光を用いた量子暗号鍵
配布装置の構成図である。
配布装置の構成図である。
１１，１２ アバランシェフォトダイオード
１３，１６ バイアスティー
１４，１７ 直流電圧源
１５，１８ パルス発生器
１９ 負荷抵抗
３１ 単一光子光源
３２，３３ 干渉計
３２１，３３１ 第１のビームスプリッター
３２２，３２３，３３２，３３３ 光路
３２４，３３４ 位相変調器
３２５，３３５ 第２のビームスプリッター
３３６，３３７ 出力
３４ 光子検出器
３５ 判別回路
４２，４３ 偏光変調器
４４ 偏光ビームスプリッター
Claims (8)
- 【請求項１】 アバランシェフォトダイオードにブレー
クダウン電圧以上の逆方向バイアス電圧をパルス状に印
加し、該バイアス電圧が印加されている時間内に入射し
た光子を検出する素子において、２つのアバランシェフ
ォトダイオードにバイアス電圧を印加し、該アバランシ
ェフォトダイオードの出力電圧の差を信号出力とするこ
とを特徴とする光子検出器。 - 【請求項２】 信号出力が正の閾値電圧を持ち、該閾値
電圧以上の信号が入力されたときパルスを出力する第１
の弁別器と、負の閾値電圧を持ち、該閾値電圧以下の信
号が入力されたときパルスを出力する第２の弁別器によ
って前記２つのアバランシェフォトダイオードのうちい
ずれのアバランシェフォトダイオードに前記光子が入射
したかを判別することを特徴とする請求項１記載の光子
検出器。 - 【請求項３】 前記光子を偏光分離器に入射し、該偏光
分離器の２つの出力をそれぞれ前記２つのアバランシェ
フォトダイオードの入力として入射した前記光子の偏光
状態を判別することを特徴とする請求項２記載の光子検
出器。 - 【請求項４】 前記光子をビームスプリッターに入射
し、該ビームスプリッターの２つの出力をそれぞれ前記
２つのアバランシェフォトダイオードの入力として入射
した前記光子の干渉状態を判別することを特徴とする請
求項２記載の光子検出器。 - 【請求項５】 前記２つのアバランシェフォトダイオー
ドのうちの１つが通常のダイオードに置き換えられてい
ることを特徴とする請求項１記載の光子検出器。 - 【請求項６】 ２つのパルス電圧のうち少なくとも一方
の印加時刻と印加電圧を調整する装置を備えていること
を特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記
載の光子検出器。 - 【請求項７】 前記光子の検出に請求項１から請求項６
のいずれか１項に記載の光子検出器を用いることを特徴
とする量子通信装置。 - 【請求項８】 前記光子の検出に請求項１から請求項６
のいずれか１項に記載の光子検出器を用いることを特徴
とする量子計算機。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002037859A JP4132860B2 (ja) | 2002-02-15 | 2002-02-15 | 光子検出器とそれを用いた量子通信装置及び量子計算機 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002037859A JP4132860B2 (ja) | 2002-02-15 | 2002-02-15 | 光子検出器とそれを用いた量子通信装置及び量子計算機 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003243691A true JP2003243691A (ja) | 2003-08-29 |
| JP4132860B2 JP4132860B2 (ja) | 2008-08-13 |
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ID=27779327
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002037859A Expired - Fee Related JP4132860B2 (ja) | 2002-02-15 | 2002-02-15 | 光子検出器とそれを用いた量子通信装置及び量子計算機 |
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|---|---|
| JP (1) | JP4132860B2 (ja) |
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| CN100390512C (zh) * | 2003-11-27 | 2008-05-28 | 中国科学院半导体研究所 | 单光子探测装置的结构 |
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| KR101672509B1 (ko) * | 2015-06-05 | 2016-11-03 | 에스케이텔레콤 주식회사 | 단일광자검출장치 및 그 장치에 채용되는 수광소자 |
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-
2002
- 2002-02-15 JP JP2002037859A patent/JP4132860B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2020533611A (ja) * | 2017-09-07 | 2020-11-19 | アイディー クワンティック ソシエテ アノニム | 光子検出装置及び光子検出方法 |
| JP7004824B2 (ja) | 2017-09-07 | 2022-01-21 | アイディー クワンティック ソシエテ アノニム | 光子検出装置及び光子検出方法 |
| US11619545B2 (en) | 2017-09-07 | 2023-04-04 | Id Quantique S.A. | Detection of photon by pairing avalanche photodiodes with different threshold voltages |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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