JP2004521374A - レーザ共振器内でのパラメトリックプロセスによる絡み合った高束光子の発生 - Google Patents
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Abstract
本発明は、２つまたは多数の絡み合った光子の強力なソースを発生する新規で有益な方法に関する。このような光子の高束を発生するために、パラメトリックプロセス、つまり一連の同時パラメトリックプロセスを、光学共振器内においてレーザタイプの作用および非線形光学処理とともに行うことを提案する。これは、ある光学システム構成体によって実現できる。この構成体では、２、３以上の処理を同時に行う。つまり、共振器内の活性化された媒体から誘導放出またはその他の手段によって光を発生し、同じ共振器または補助共振器内において自発的パラメトリックダウンコンバージョンを行う。レーザ作用は、共振器内にある、ポンピングされて活性化された媒体と関連する通常の誘導放出メカニズムを介して実現できる。より一般的には、量子干渉効果またはその他の光学処理によって反転分布無しにレーザ光を発生する方法を介して実現できる。高束で絡み合う光子ビームの発生は、連続波（ｃｗ）またはパルス光の形状をとることができる。パルス光は、任意の数の手段によって実現できる。例えば、ゲインスイッチング、キャビティダンピング、Ｑスイッチング、モード同期、 またはこれらの任意の組み合わせである。上記の方法で発生された、パラメトリックダウンコンバートされた放射は、新規であって非一般的であって統計的に有益である絡み合いおよび超絡み合いの特徴を有すると思われる。これは、多数の適用に使用できると思われる。新規の光学測定、新規の光学分光器、絡み合った光子の顕微鏡、分光器、およびディスプレイ、量子情報を含む新規の量子画像形成、量子パラドックスの新規の検査方法を提供する、等である。
Description
【技術分野】
【０００１】
絡み合う高束の光子ビーム（high-flux entangled-photon beams）を発生する新規の技術を提案する。
【０００２】
本明細書は、２０００年１１月３０日に出願した暫定明細書第６０／２５０，１７５号を優先権主張する。
【背景技術】
【０００３】
これは、光学共振器（optical cavity）内で、活性化された媒体から同時レーザ作用を発生させることや高調波を発生することと共にパラメトリックプロセスつまり同時（simultaneous）パラメトリックプロセスを行うことで実現できる。レーザ作用（laser action）は、共振器内で、ポンピングされて活性化された媒体と関連する通常の装置によって生じることができ、より一般的には、（反転分布を行わない誘導放出等の）任意の数の光学処理によって生じることができる。絡み合う高束の光子ビームの発生は、レーザ光より高いそして低い新たな周波数で光を発生するパラメトリックプロセスを何通りかに組合せることができる多様な非線形媒体または装置と連結または一致する活性化された媒体等が共振器内に存在することによって、実現できる。このようにして発生された放射は連続波（ｃｗ）でもよいし、ゲインスイッチング、キャビティダンピング、Ｑスイッチング、モード同期、これらの組み合わせ、またはその他の手段によるパルス状でもよい。この発生処理は、光学的により高い第２の高調波を発生させることを含む様々な方法や、いわゆるタイプＩまたはタイプＩＩのパラメトリックダウンコンバージョンによって、実行できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、共振器の外で行われ、絡み合った低束の光子対しか発生しない、現在確立されている自発的（spontaneous）パラメトリックダウンコンバージョンを著しく改良するものである。これは、ダウンコンバートされた光の２個のモードを含む共振器の内部で行われる光パラメトリック増幅や光パラメトリック発振といった周知の処理とも区別される。これらの処理では、絡み合った光子対（双子の光子）の２個の部分が共振器から個々に放出されるため、絡み合い時間が長引き、放出された光子対または群の絡み合いの性質が弱められてしまう。本明細書で提案する技術によれば、絡み合った光子対は、装置から放出された後も、時間、空間、運動量、エネルギー、および／または偏光において密接な関係を維持する。
【０００５】
理想的な自発的パラメトリックダウンコンバージョンによれば、ポンピングされたビーム光子の各々は双子の娘光子に分割され、同時に放出される。分割処理においてエネルギーや運動量は維持されるので、娘光子は母のエネルギーや運動量を分け合うことになる。これによって、所定の方向に向けた１個の光子の放出が、これと釣り合う方向に向けた双子の片割れの光子の同時放出と関連するように、２個の娘の方向を絡み合わせる。双子の光子同士は同じ周波数（波長または色）を有してもよい。この場合、これらは同一（または縮退（degenerate））である。また、周波数（波長または光）は異なっても良く、この場合、これらはある意味では二卵性（または非縮退（nondegenerate））である。発生後ダウンコンバートされた対は同じ方向（共線的（colinearly））に出現してもよいし、異なる方向 (非共線的（non-colinearly）)に出現してもよい。この双子は、タイプＩＩのダウンコンバージョンを行うように偏光において絡み合ってもよい。絡み合いは、光子同士がいかに離れても維持される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施例では、共振器内でレーザ反応と共に同時パラメトリックプロセス（第２高調波の発生や自発的パラメトリックダウンコンバージョン等）を行って絡み合った光子を発生する場合に、本発明の技術を用いることができる。第２高調波の発生とパラメトリックダウンコンバージョンの両方を行う１個または複数の別個の非線形装置（非線形結晶等）を共振器内で利用すればパラメトリックプロセスを行うことができる。共振器内のエネルギー濃度を高くすると、絡み合った高束の光子を、その発生後に共振器から出て行く方向に発生することができる。この技術は特に非共線的発生に適用できる。
【０００７】
本発明の他の実施例では、１波長に対して高反射率を有し、別の波長に対して低反射率を有する鏡とともに、二色性（dichroic）および／または偏光感度を有する（polarization-sensitive）光学系や多数の共振器内非線形結晶と共に多数のレーザ共振器を用いることで、非線形パラメトリックダウンコンバージョンプロセスによる強力なポンピングを行い、絡み合った高束の光子を発生して、光学装置から放出することができる。この技術は特に共線的発生に適用できる。
【０００８】
本発明の他の実施例では、１波長に対して高反射率を有し、別の波長に対して低反射率を有する鏡とともに、異なる光周波数を角度的に分離する１個または複数の光学要素と、多数のレーザ共振器を用いてもよい。このような要素は、例えば、二色性、プリズム、および／または回折格子（grating）装置、および／または偏光感度を有する光学系等である。多数の共振器内非線形光学結晶を用いて非線形パラメトリックダウンコンバージョンプロセスによる強力なポンピングを行い、それによって絡み合った高束の光子を発生し、光学装置から放出できるようにしてもよい。この技術は特に共線的発生に適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を参照する。従来の光子は無作為かつ独立的に到着する。光子は、時間的にはポワソン流（Poisson fashion）で到着する。これは、時間軸上に光子１０、１２、１４として示す通りである。また、光子は、空間的には均一に分布されて到着する。これは、平面１８上に光子１０、１２、１４として示す通りである。入射光子束濃度（incident photon-flux density）がφ（光子／秒・ｍ2）の場合に、光子が時間τ、領域σに到着する可能性はφστと等しい。
【００１０】
図２に示すように、理想的な絡み合った光のソースから放出された光子は完全な対になって到着する。対をなす２個の光子は同時に到着する。これは、時間線上に光子対３２、３４、３６として示す通りである。更に、対をなす２個の光子は一致した位置に到着する。これは、非共線的な場合について、光子３２ａおよび３２ｂ、３４ａおよび３４ｂ、３６ａおよび３６ｂとして示す通りである。第１のビーム３８中の光子の到着位置は１個であり、第２のビーム４０中に対応する光子の到着位置を１個だけ有する。
【００１１】
図３に示すように、画像形成システムを用いて、一致する光子対を、それらが同時に同じ場所に到着するように、ターゲット面４２上に到着させることができる。光子対３２、３４、３６は、時間軸に図示するように、時間的に一致しており、ターゲット面４２に図示するように、空間的な位置も一致している。
【００１２】
（上述のような理想的なソースではなくて）量子的に絡み合った光子の現実のソースを用いた場合、光子対が生じる時間は同一ではないが、非常に関連している。このように絡み合った光子を、例えばタイプＩまたはタイプＩＩの同時パラメトリックダウンコンバージョンによって発生してもよい。絡み合った対の発生過程ではエネルギーが維持されるので、双子の光子はほぼ同時に発生され、各々はオリジナルより長い波長を有する。運動量も保存されるので、絡み合った対のそれぞれの光子の飛行方向はほぼ１対１に対応することになる。これらの光子はオリジナルの光子のエネルギーや運動量を分け合うので、双子の光子は互いに「絡み合っている」と言われる。タイプＩＩのダウンコンバージョンにおいては、光子の偏光の特徴も互いに特別な関係を有している。このような絡み合った光子対の現実のソースの場合、図４に示すように、各対の２個の光子は、絡み合い領域８０と呼ばれる小さな領域Ａe内の無作為の位置に到着する。また、２個の光子は、絡み合い時間８２と呼ばれる短時間Ｔeの内に無作為に到着する。システムの空間的解像度は、様々な要因の中でも、絡み合い角度に依る。絡み合い角度とは、双子の光子の特定の１方向と絡み合う方向の円錐の角度幅である。多数の要因が絡み合い角度の大きさに影響する。例えば、レーザのスペクトル幅やビーム幅、非線形光学媒体の相互作用量等である。システムの一時的な解像度は、様々な要因の中でも、絡み合い時間に依る。ポンピングビーム特性（スペクトル幅やビーム幅）や非線形物質特性（結晶長や結晶方向）を調整することで、調整可能な絡み合い時間で、絡み合った光子を発生できる。絡み合い角度および絡み合い時間の両方を各適用例において必要であるように調整できる。これは、絡み合い角度調整および絡み合い時間調整と呼ばれる。
【００１３】
本発明は、絡み合った高束の光子対の発生に関する。図５に示すように、ある構成体では、レーザ共振器に付随する鏡が、基礎レーザ周波数ｆおよび第２高調波発生周波数２ｆの両方において非常に高い（１００％かもしれない）反射率を有すると思われる。レーザ媒体は結晶、半導体、流体、気体、その他の同様な誘導放出または自発放出のソースでもよい。レーザポンプ（図示せず）およびレーザ処理は連続波でもパルス状でもよい。光は、電波からＸ線の範囲の周波数においてエネルギーを有することが好適である。レーザ共振器内の非線形物質または装置によってレーザの基礎周波数の一部をその第２高調波に変換する。同時に、レーザ共振器内で非線形物質または装置（最初に第２高調波放射を発生する非線形物質または装置と同じかもしれないが、必ずしもその必要はない）を用いて、第２高調波放射の自発的パラメトリックダウンコンバージョンによって放射を発生する。自発的パラメトリックダウンコンバージョンによって発生した光は、タイプＩまたはタイプＩＩパラメトリック相互反応によって発生してもよい。非線形光学媒体は、結晶またはその他の物質、表面、界面、その他の同様の構成要素でもよい。非線形光学媒体の１機能は、ポンプビームの一部を分割して１個の信号ビームと１個のアイドラー（idler）ビーム（集合的に双子ビームまたは絡み合った光子または２モード圧縮状態（two-mode squeezed-state）光子と呼ばれる）にすることであり、絡み合った娘信号光子および対応する絡み合った娘アイドラー光子の流れに寄与する。非共線的な場合、これらの絡み合った光子ビームは、相一致条件に応じた適切な角度で非線形光学結晶から放出される。これによって当該ビームはレーザや第２高調波ビームから分離され、したがってその残留物によって汚染されない。
【００１４】
図６に示すような本発明の他の実施形態では、多数の共振器内非線形結晶（ＳＨＧおよびＰＤＣ等）と関連して、活性化されたレーザ媒体（ＬＡＳＥＲ ＭＥＤＩＵＭ）と共に、多数の光学共振器を使用する。レーザ媒体は結晶、半導体、流体、気体、その他の同様の誘導放出または自発放出のソースでもよい。レーザポンプ（図示せず）やレーザ処理は連続波でもパルス状でもよい。光は、電波からＸ線の範囲の周波数においてエネルギーを有することが好適である。二色性の鏡やその他の光学系は、周波数ｆおよび／または２ｆにおいて高反射率（ＨＲ）および／または高透過率（ＨＴ）を有するように設計されている。このため、逆Ｚ型共振器内で周波数ｆにおいて強力なレーザ作用を生じることができ（斜線で示すビーム）、同時に−型共振器内で周波数２ｆにおいて強力な共振器内２次高調波を生じることができ（濃いグレーで示すビーム）、さらに同時に、図示する光学鏡がない場合は、いずれの共振器も無く名目上の中央周波数ｆによって自発的パラメトリックダウンコンバージョンを行うことができる（波線で示すビーム）。自発的に発生された絡み合った光子はこれによって、周波数２ｆにおいて高反射率を有し周波数ｆにおいて高透過率を有する鏡を通って放出される。所望であれば、周波数ｆにおいて高反射率を有する鏡を任意に設けて絡み合った光子に対する逆∠型共振器を作ることができる。これによって、特定の適用例において絡み合い時間および／または絡み合い領域を変更したい場合に、誘導されたパラメトリックダウンコンバージョンを生じさせることができる。絡み合った光子対は縮退でも非縮退でもよく、共線的でも非共線的でもよく、タイプＩまたはタイプＩＩのいずれの光パラメトリックダウンコンバージョンによって発生されてもよい。
【００１５】
図６に示す構成体の実施形態の具体的な一例として、レーザ媒体はネオジムを添加したイットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）（またはイットリウム−バナジウム酸塩、またはその他の同様な活性化された媒体）でもよい。これは、近赤外線領域の１．０６マイクロメータに近い波長において励起してレーザを発振するが、これはより一般的には、恣意的な波長λpump（周波数ｆ）において生じる、と理解されるべきである。この放出によって、緑色領域の０．５３マイクロメータに近い波長において結晶（β−バリウム−ホウ酸塩（ＢＢＯ））またはその他の非線形光学媒体中に共振器内第２高調波発生（ＳＨＧ）を生じることになるが、これはより一般的には、λpump／２（周波数２ｆ）に近い恣意的な波長において生じる、と理解されるべきである。これは、それ自身が恣意的な周波数である前述のレーザ光の第２高調波周波数である。この第２高調波光は、近赤外線領域の１．０６マイクロメータに近い波長において結晶（β−バリウム−ホウ酸塩（ＢＢＯ）等）またはその他の非線形光学媒体に強いパラメトリックダウンコンバージョン（ＰＤＣ）を生じるが、これはより一般的に、それ自身が恣意的である前述のレーザ光の波長と同じである、λpump（周波数ｆ）に近い恣意的な波長において生じる、と理解されるべきである。
【００１６】
図６に示す構成体の変形例では、ＳＨＧのための結晶はポンプレーザのレーザ共振器の一部ではない。この場合でも、ポンプレーザに高いピーク強度でパルスを加えるかＳＨＧ用の物質が特に効率的である場合、またはその両方である場合には、効率的なＳＨＧを行うことができる。後者は、例えば、棒状物質（poled material）であったり、そのような物質が導波管構造体（waveguiding structures）内にある場合である。図７が示すこのような実施形態では、数個の二色性鏡を用いて、周波数ｆのポンプ光と、縮退の場合には同じ周波数ｆを示す絡み合った光子とを強力に分離する。非常に効率的なパラメトリックダウンコンバージョンを行うためには、ＨＲ鏡によって作られた共振器内を巡回するＳＨ光の損失分を最小限にすることが重要である。この共振器内での巡回損失がＬ＝１−（ΠＴi）2であって、Ｔｉが共振器内のi番目要素の透過である場合、絡み合う光子の発生は、共振器の外の１パス状況(a single-pass situation)と比較すると、１／Ｌに強化される。適切な物質を選び、適切な被膜がなされた高品質の表面を選ぶことに加えて、共振器内の要素の数を最小限にすることが望ましい。
【００１７】
図８は、ＳＨＧおよびＰＤＣの処理を同じ非線形媒体で行う最適化された構成体を示す。ＳＨＧのためには濃度が高い必要がある。これは、例えば強力な集束処理によって最大化できる。一方、パラメトリックダウンコンバージョンによって絡み合った光子を発生するためには、相互作用長が長いことが望ましい。したがって、図８に示す構成体では、導波管構成体（スラブ導波管（slab waveguides）またはファイバ）内に棒状（poled）非線形物質を設けることが特に利点がある。ダウンコンバートされた光の周波数はＳＨ光より低いので、導波管構造体の外で、より高い分岐を示す。したがって共振器から放出されると図の左側に向かう。非線形媒体から放出されて右側に向かった絡み合った光子は、右側の共振器鏡によって後ろ向きに媒体に向かって反射され、パラメトリックダウンコンバージョンを更に強化するシード光子（seed photons）として作用できる。要素の数を更に減らすことは利点であり、右側のＨＲ鏡を非線形媒体と組み合わせれば実現できる。例えば、鏡を導波管構造体の右側に直接被膜することができる。
【００１８】
図９は、図５に示す実施形態に似た実施形態を示す図である。この場合、レーザ共振器は周波数２ｆのレーザ光を発生する。周波数２ｆの光は共振器内を巡回し、ＰＤＣ媒体をポンピングして、周波数ｆの非共線的な絡み合った光子を作る。この絡み合った光子はポンプビームに対して角度を有するように作られるので、共振器から放出される。
【００１９】
図１０は、図７に示す処理と同様のパラメトリックプロセスを介して絡み合った高束の光子を発生する更に別の構造体を示す図である。ここでは、ＳＨＧ結晶の代わりに周波数２ｆの光を発生するレーザ媒体が使われている。周波数２ｆの光がＰＤＣ媒体を直接ポンピングして、周波数ｆの共線的な絡み合った光子を発生する。鏡１は、絡み合った光子を共振器から排出しなければならない。他の実施形態（図示せず）では鏡１を設けず、ＰＤＣ光が、この場合には周波数ｆに対して高透過率である鏡２を介して、共振器から排出される。
【００２０】
本発明の他の実施形態では、絡み合った光子をタイプＩの自発的パラメトリックダウンコンバージョン以外の処理によって発生する。例えば、タイプＩＩの自発的パラメトリックダウンコンバージョンによって光子を発生してもよい。このコンバージョンでは、光子は同じ（または別個の）方向へ、異なる偏光で放出される。ダウンコンバートされた双子対の所望の形式に応じて、偏光感度を有する光学系（偏光ビームスプリッタ等）を、図６に示すような構成体における二色性光学系とともに、または代用として、使用してもよい。
【００２１】
本発明の他の実施形態において、光子は、棒状（poled）または非棒状（unpoled）の光ファイバまたは物質において自発的パラメトリックダウンコンバージョンを行って発生してもよい。また、このダウンコンバージョンは表面または界面で行ってもよいし、ソースで直接行ってもよいし、ポンプビームを発生するデバイスの表面で行ってもよい。光子は自発的パラメトリックダウンコンバージョンだけではなく、誘導パラメトリックダウンコンバージョンや原子のカスケード発光（cascaded atomic emission）によって発生してもよい。原子のカスケード発光を用いる場合、ポンプビームが入射した物質は、エネルギーおよび運動量変換によって絡み合わされた、２個の光子のカスケード（cascade）を放出する。
【００２２】
本発明の他の実施形態では、１本以上のパルスまたは連続波の補助（または制御）光ビームを１個以上の周波数、方向、偏光、またはこれらの組み合わせによってシステムに入射する。この時、１以上の構成プロセス（例えば、レーザ作用、第２高調波発生、および／またはパラメトリックダウンコンバージョン）がシードされるように、つまり選択された方法で優先的に生じるように誘発されるように、行う。これは、絡み合った高束の光子対の発生を更に強化するかもしれない。制御光ビームのソースは、共振器内相互作用または外部から供給された光ソースから生じるレーザまたは蛍光でもよい。この制御光によってレーザ媒体および非線形光学物質の初期、中間的、および／または最終状態を他の状態に結合させることで、絡み合った光子の発生速度を早める。あるいは、この制御光をポンプとして作用させて特定のエネルギーレベルが高い占有率を有するようにし、これによってこの物質を、絡み合った光子対を発生する準備ができた状態に維持する。
【００２３】
一部が絡み合った光子対であって一部が従来の光子である光ソースを作るために、このような補助パルスまたは連続波光ビームを絡み合った光子対のビームの付属物として用いてもよい。このように量子的な光と従来の光とを組合わせることは、特定の適用例において特に有益である。例えば、３光子吸収を行いたい場合である。
【００２４】
本発明の他の実施形態では、光学共振器内において非線形光学処理および二色性（および／または偏光感度を有する）光学系と結合したレーザ作用を用いて、２個以上の別個の空間的方向に移動する多数の絡み合った光子（３、４あるいはそれ以上）を発生してもよい。絡み合った光子の三つ子および四つ子を、より高い次元のダウンコンバータ、２個の光子ダウンコンバータによるカスケード、原子カスケード（例えば、３個の絡み合った光子を発生するために２個の中間レベルを通じてカスケードする原子）から得てもよい。
【００２５】
本発明の更に別の実施形態では、（例えば、多数の同時に発振するレーザラインの重ね合わせから得られた）多数の波長からなるポンプビームを用いて、多数の光学共振器または１個の広域共振器（broadband cavity）内において多数の非線形結晶を同時に励起する。
【００２６】
本発明の他の実施形態は、光学共振器の内側および／または外側において多様な種類の干渉計を有し、絡み合った高束の光子対の発生を強化する。
【００２７】
非単色性でパルス状の絡み合った光子対の場合、エネルギー保持によって発生された双子の光子の周波数成分における非相関の結果、光学物質を適切に選択すれば、分散的拡散（dispersive broadening）を非局所的にキャンセルできる。例えば、大きさがほぼ等しく符号が反対である分散係数を有する物質を双子の光子が通過する場合、双子の光子同士が同時に到着するという状態は維持される。したがって、本発明は、光の転送および処理のために光ファイバを用いることに適合できる。
【００２８】
以上、絡み合った高束の光子を発生する場合についてのみ説明してきたが、本発明を用いて他の物質の対（電子、原子、分子、時間および／または空間的に関連しているが必ずしも絡み合っていない光子等）を発生してもよい。
【００２９】
上述のような装置によって発生されたパラメトリックダウンコンバートされた放射は、新規かつ非一般的で有益な特性を有すると思われる。例えば、このような放射の統計的な特性は光子の対または群の存在を反映するかもしれない。更に、解けないように絡み合った発生処理の結果、このような放射は新規かつ非一般的で有益な絡み合いの特徴（光子または光子群、方向または方向群、周波数または周波数群、偏光または偏光群、またはこれらの任意の組み合わせ等のそれぞれにおける絡み合い）を示すことができる。したがって、これまでに可能であった超絡み合いよりも多様な絡み合いを実現できる。簡単な一例として、図５から明らかなように、絡み合った光子対は左右両方に向かって放出され、このような四つ子の光子は相互に特別の絡み合いおよび関連特性を示す。
【００３０】
絡み合う高束の光子ビームは多数の適用例に使用できると思われる。例えば、新規の光学測定である。（Ｄ．Ｎ．Ｋｌｙｓｈｋｏ、「Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｖａｃｕｕｍ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ ａｓ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｓｔａｎｄａｒｄ」、Ｓｏｖ．Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．７，５９１（１９７７）；Ａ．Ｍｉｇｄａｌｌ，Ｒ．Ｄａｔｌａ，Ａ．Ｖ．Ｓｅｒｇｉｅｎｋｏ、Ｊ．Ｓ．ＯｒｓｚａｋおよびＹ．Ｈ．Ｓｈｉｈ、「Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｄｉａｎｃｅ ｕｓｉｎｇ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｖｉｓｉｂｌｅ ｐｈｏｔｏｎｓ： Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ」、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３７，３４５５（１９９８））。また、量子画像形成にも使用できると思われる。（Ｂ．Ｍ．Ｊｏｓｔ，Ａ．Ｖ．Ｓｅｒｇｉｅｎｋｏ，Ａ．Ｆ．Ａｂｏｕｒａｄｄｙ，Ｂ．Ｅ．Ａ．ＳａｌｅｈおよびＭ．Ｃ．Ｔｅｉｃｈ、「Ｓｐａｔｉａｌ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｌｙ ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｐｈｏｔｏｎ ｐａｉｒｓ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｓｉｎｇｌｅ−ｐｈｏｔｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ＣＣＤ ｃａｍｅｒａ」、Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ ３，８１（１９９８）；Ｂ．Ｅ．Ａ．Ｓａｌｅｈ，Ａ．Ｆ．Ａｂｏｕｒａｄｄｙ，Ａ．Ｖ．ＳｅｒｇｉｅｎｋｏおよびＭ．Ｃ．Ｔｅｉｃｈ、「Ｄｕａｌｉｔｙ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐａｒｔｉａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｐａｒｔｉａｌ ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ６２，０４３８１６（２０００））。更に、絡み合った光子顕微鏡およびディスプレイにも使用できると思われる。（Ｍ．Ｃ．ＴｅｉｃｈおよびＢ．Ｅ．Ａ．Ｓａｌｅｈ、米国特許第５，７９６，４７７号、１９９８年８月１８日発行）。更に、新しい光学分光器にも使用できると思われる。（Ｍ．Ｃ．ＴｅｉｃｈおよびＢ．Ｅ．Ａ．Ｓａｌｅｈ、米国特許第５，７９６，４７７号、１９９８年８月１８日発行；Ｂ．Ｅ．Ａ．Ｓａｌｅｈ，Ｂ．Ｍ．Ｊｏｓｔ，Ｈ．−Ｂ．ＦｅｉおよびＭ．Ｃ．Ｔｅｉｃｈ、「Ｅｎｔａｎｇｌｅｄ−ｐｈｏｔｏｎ ｖｉｒｔｕａｌ−ｓｔａｔｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８０，３４８３（１９９８）；Ｈ．−Ｂ．Ｆｅｉ，Ｂ．Ｍ．Ｊｏｓｔ，Ｓ．Ｐｏｐｅｓｃｕ，Ｂ．Ｅ．Ａ．ＳａｌｅｈおよびＭ．Ｃ．Ｔｅｉｃｈ、「Ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｔｗｏ−ｐｈｏｔｏｎ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７８，１６７９（１９９７））。更に量子情報にも使用できると思われる。（Ａ．Ｋ．Ｅｋｅｒｔ、「Ｑｕａｎｔｕｍ ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｂｅｌｌ Ｔｈｅｏｒｅｍ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６７，６６１（１９９１）；Ｊ．Ｇ．ＲａｒｉｔｙおよびＰ．Ｒ．Ｔａｐｓｔｅｒ、「Ｆｏｕｒｔｈ−ｏｒｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ａｔ ｌａｒｇｅ ｄｉｓｔａｎｃｅｓ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ４５，２０５２（１９９２）；Ｊ．Ｂｒｅｎｄｅｌ，Ｎ．Ｇｉｓｉｎ，Ｗ．ＴｉｔｔｅｌおよびＨ．Ｚｂｉｎｄｅｎ、「Ｐｕｌｓｅｄ ｅｎｅｒｇｙ−ｔｉｍｅ ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｔｗｉｎ−ｐｈｏｔｏｎ ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８２，２５９４（１９９９）；Ａ．Ｖ．Ｓｅｒｇｉｅｎｋｏ，Ｍ．Ａｔａｔｕｒｅ，Ｚ．Ｗａｌｔｏｎ，Ｇ．Ｊａｅｇｅｒ、Ｂ．Ｅ．Ａ．ＳａｌｅｈおよびＭ．Ｃ．Ｔｅｉｃｈ、「Ｑｕａｎｔｕｍ ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ ｕｓｉｎｇ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ−ｐｕｌｓｅｄ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ６０，Ｒ２６２２（１９９９）；Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔ，Ｇ．Ｂｒａｓｓａｒｄ，Ｃ．Ｃｒｅｐｅａｕ，Ｒ．Ｊｏｚｓａ，Ａ．ＰｅｒｅｓおよびＷ．Ｗｏｏｔｔｅｒｓ、「Ｔｅｌｅｐｏｒｔｉｎｇ ａｎ ｕｎｋｎｏｗｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｓｔａｔｅ ｖｉａ ｄｕａｌ ｃｌａｓｓｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｉｎｓｔｅｉｎ−Ｐｏｄｏｌｓｋｙ Ｒｏｓｅｎ ｃｈａｎｎｅｌｓ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７０，１８９５（１９９３）；Ｄ．Ｂｏｓｃｈｉ，Ｓ．Ｂｒａｎｃａ，Ｆ．Ｄｅ Ｍａｒｔｉｎｉ，Ｌ．ＨａｒｄｙおよびＳ．Ｐｏｐｅｓｃｕ、「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｌｅｐｏｒｔｉｎｇ ａｎ ｕｎｋｎｏｗｎ ｐｕｒｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｓｔａｔｅ ｖｉａ ｄｕａｌ ｃｌａｓｓｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｉｎｓｔｅｉｎ−Ｐｏｄｏｌｓｋｙ−Ｒｏｓｅｎ ｃｈａｎｎｅｌｓ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８０，１１２１（１９９８）；Ｄ．Ｂｏｕｗｍｅｅｓｔｅｒ，Ｊ．−Ｗ．Ｐａｎ，Ｋ．Ｍａｔｔｌｅ，Ｍ．Ｅｉｂｌ，Ｈ．ＷｅｉｎｆｕｒｔｅｒおよびＡ．Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ、「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｔｅｌｅｐｏｒｔａｔｉｏｎ」、Ｎａｔｕｒｅ ３９０，５７５ （１９９７））。量子パラドックスの検証にも使用できると思われる。（Ｊ．Ｓ．Ｂｅｌｌ、「Ｏｎ ｔｈｅ Ｅｉｎｓｔｅｉｎ−Ｐｏｄｏｌｓｋｙ−Ｒｏｓｅｎ ｐａｒａｄｏｘ」、Ｐｈｙｓｉｃｓ １，１９５（１９６４）；Ｊ．Ｆ．Ｃｌａｕｓｅｒ，Ｍ．Ａ．Ｈｏｒｎｅ，Ａ．ＳｈｉｍｏｎｙおよびＲ．Ａ．Ｈｏｌｔ、「Ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｏ ｔｅｓｔ ｌｏｃａｌ ｈｉｄｄｅｎ−ｖａｒｉａｂｌｅ ｔｈｅｏｒｉｅｓ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．２３，８８０（１９６９）；Ｐ．Ｇ．Ｋｗｉａｔ，Ｋ．Ｍａｔｔｌｅ，Ｈ．Ｗｅｉｎｆｕｒｔｅｒ，Ａ．Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ，Ａ．Ｖ．ＳｅｒｇｉｅｎｋｏおよびＹ．Ｈ．Ｓｈｉｈ、「Ｎｅｗ ｈｉｇｈ−ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｐｈｏｔｏｎ ｐａｉｒｓ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７５，４３３７（１９９５）；Ｌ．Ｈａｒｄｙ、「Ｎｏｎｌｏｃａｌｉｔｙ ｆｏｒ ｔｗｏ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ｉｎｅｑｕａｌｉｔｉｅｓ ｆｏｒ ａｌｍｏｓｔ ａｌｌ ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｓｔａｔｅｓ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７１，１６６５（１９９３）；Ａ．Ｇ．Ｗｈｉｔｅ，Ｄ．Ｆ．Ｖ．Ｊａｍｅｓ，Ｐ．Ｈ．ＥｂｅｒｈａｒｄおよびＰ．Ｇ．Ｋｗｉａｔ，「Ｎｏｎｍａｘｉｍａｌｌｙ ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｓｔａｔｅｓ：ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８３，３１０３（１９９９）；Ｄ．Ｍ．Ｇｒｅｅｎｂｅｒｇｅｒ，Ｍ．Ａ．ＨｏｒｎｅおよびＡ．Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ、「Ｂｅｌｌ'ｓ Ｔｈｅｏｒｅｍ，Ｑｕａｎｔｕｍ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｅ」、 Ｍ．Ｋａｆａｔｏｓにより編集（Ｋｌｕｗｅｒ、Ｄｏｒｄｒｅｃｈｔ、１９８９）；Ｄ．Ｍ．Ｇｒｅｅｎｂｅｒｇｅｒ，Ｍ．Ａ．Ｈｏｒｎｅ，Ａ．ＳｈｉｍｏｎｙおよびＡ．Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ、「Ｂｅｌｌ'ｓ ｔｈｅｏｒｅｍ ｗｉｔｈｏｕｔ ｉｎｅｑｕａｌｉｔｉｅｓ」、Ａｍ．Ｊ．Ｐｈｙｓ．５８，１１３１ （１９９０）；Ｄ．Ｂｏｕｗｍｅｅｓｔｅｒ，Ｊ．−Ｗ．Ｐａｎ，Ｍ．Ｄａｎｉｅｌｌ，Ｈ．ＷｅｉｎｆｕｒｔｅｒおよびＡ．Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ、「Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ−ｐｈｏｔｏｎ Ｇｒｅｅｎｂｅｒｇｅｒ−Ｈｏｒｎｅ−Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８２，１３４５（１９９９））。また、他の適用や使用にも用いることができると思われる。
【００３１】
本発明の他の実施形態および使用は、本明細書を検討し、これに説明されている発明を実行すれば、当業者には明白である。本明細書および実施例は一例にすぎない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来の光ソースから到達した光子を示す図である。
【図２】理想的な絡み合った光のソースから、別個の空間的方向に到着した光子を示す図である。
【図３】画像形成システムを用いて、理想的な絡み合った光のソースから到着した光子を示す図である。
【図４】有限の絡み合い領域および有限の絡み合い時間を有する実際の（非理想的な）絡み合った光のソースから到着した光子を示す図である。
【図５】レーザ共振器内でパラメトリックプロセスを介して絡み合った高束の光子を発生する一実施例を示す図である。ダウンコンバートされたビーム（波線で示す）は、縮退の場合、中央周波数ｆを有する。ダウンコンバートされた光は斜角を以て放出され（矢印で示す）、これによって、周波数ｆのレーザ光（斜線で示す）および周波数２ｆの第２高調（ＳＨ）光（グレーで示す）から分離される。共振器の鏡は周波数ｆおよび２ｆにおいて高反射率（ＨＲ）を有する。周波数ｆは波長λpumpに相当し、周波数２ｆは波長λpump／２に相当する。絡み合った光子対は縮退でも非縮退でもよく、共線的でも非共線的でもよく、タイプＩまたはタイプＩＩの光パラメトリックダウンコンバージョンによって発生されてもよい。
【図６】パラメトリックプロセスによって絡み合った高束の光子を発生する別の実施例を示す図である。この実施例では、多数の光学共振器、活性化されたレーザ媒体、共振器内非線形光学第２高調波発生（ＳＨＧ）結晶、共振器内パラメトリックダウンコンバージョン（ＰＤＣ）結晶、および、周波数ｆおよび／または２ｆに対して高反射率（ＨＲ）または高透過率（ＨＴ）を有する二色性（および／または偏光感度を有する）光学系を用いている。ダウンコンバージョンされた共線的ビーム（波線で示す）は、縮退の場合、中央周波数ｆを有する。レーザ光（斜線で示す）は周波数ｆ（波長λpump）を有し、第２高調光（グレーで示す）は周波数２ｆ（波長λpump／２）を有する。絡み合った光子対は縮退でも非縮退でもよく、共線的でも非共線的でもよく、タイプＩまたはタイプＩＩの光パラメトリックダウンコンバージョンによって発生されてもよい。
【図７】図６に示す実施例と類似した実施形態を示す図である。しかし、この場合、レーザ共振器（図示せず）は構成体の一部ではない。したがって、共振器内を巡回する第２高調（ＳＨ）光はレーザ共振器の外で発生される。
【図８】パラメトリックプロセスによって絡み合った高束の光子を発生する更に別の構成を示す図である。ここではＳＨＧおよびＰＤＣを同じ非線形媒体で行い、絡み合った光子は、それが非共線的に発生されたため、またはＳＨ光と比較するとＰＤＣ光の分岐が高いために、共振器から放出される。
【図９】図５に示す実施形態と類似する実施形態を示す図である。しかし、この場合、レーザ光が共振器内で周波数２ｆにおいて直接発生されるためにＳＨＧは必要ない。周波数２ｆの光がＰＤＣ媒体をポンピングして、非共線的で絡み合った光子を周波数ｆで生じる。
【図１０】図７に示す実施形態と類似したパラメトリックプロセスによって絡み合った高束の光子を発生する更に別の構成体を示す図である。ここではＳＨＧ結晶の代わりに、周波数２ｆの光を発生するレーザ媒体が使われている。周波数２ｆの光はＰＤＣ媒体を直接ポンピングして、共線的で絡み合った光子を周波数ｆで生じる。
【０００１】
絡み合う高束の光子ビーム（high-flux entangled-photon beams）を発生する新規の技術を提案する。
【０００２】
本明細書は、２０００年１１月３０日に出願した暫定明細書第６０／２５０，１７５号を優先権主張する。
【背景技術】
【０００３】
これは、光学共振器（optical cavity）内で、活性化された媒体から同時レーザ作用を発生させることや高調波を発生することと共にパラメトリックプロセスつまり同時（simultaneous）パラメトリックプロセスを行うことで実現できる。レーザ作用（laser action）は、共振器内で、ポンピングされて活性化された媒体と関連する通常の装置によって生じることができ、より一般的には、（反転分布を行わない誘導放出等の）任意の数の光学処理によって生じることができる。絡み合う高束の光子ビームの発生は、レーザ光より高いそして低い新たな周波数で光を発生するパラメトリックプロセスを何通りかに組合せることができる多様な非線形媒体または装置と連結または一致する活性化された媒体等が共振器内に存在することによって、実現できる。このようにして発生された放射は連続波（ｃｗ）でもよいし、ゲインスイッチング、キャビティダンピング、Ｑスイッチング、モード同期、これらの組み合わせ、またはその他の手段によるパルス状でもよい。この発生処理は、光学的により高い第２の高調波を発生させることを含む様々な方法や、いわゆるタイプＩまたはタイプＩＩのパラメトリックダウンコンバージョンによって、実行できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、共振器の外で行われ、絡み合った低束の光子対しか発生しない、現在確立されている自発的（spontaneous）パラメトリックダウンコンバージョンを著しく改良するものである。これは、ダウンコンバートされた光の２個のモードを含む共振器の内部で行われる光パラメトリック増幅や光パラメトリック発振といった周知の処理とも区別される。これらの処理では、絡み合った光子対（双子の光子）の２個の部分が共振器から個々に放出されるため、絡み合い時間が長引き、放出された光子対または群の絡み合いの性質が弱められてしまう。本明細書で提案する技術によれば、絡み合った光子対は、装置から放出された後も、時間、空間、運動量、エネルギー、および／または偏光において密接な関係を維持する。
【０００５】
理想的な自発的パラメトリックダウンコンバージョンによれば、ポンピングされたビーム光子の各々は双子の娘光子に分割され、同時に放出される。分割処理においてエネルギーや運動量は維持されるので、娘光子は母のエネルギーや運動量を分け合うことになる。これによって、所定の方向に向けた１個の光子の放出が、これと釣り合う方向に向けた双子の片割れの光子の同時放出と関連するように、２個の娘の方向を絡み合わせる。双子の光子同士は同じ周波数（波長または色）を有してもよい。この場合、これらは同一（または縮退（degenerate））である。また、周波数（波長または光）は異なっても良く、この場合、これらはある意味では二卵性（または非縮退（nondegenerate））である。発生後ダウンコンバートされた対は同じ方向（共線的（colinearly））に出現してもよいし、異なる方向 (非共線的（non-colinearly）)に出現してもよい。この双子は、タイプＩＩのダウンコンバージョンを行うように偏光において絡み合ってもよい。絡み合いは、光子同士がいかに離れても維持される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施例では、共振器内でレーザ反応と共に同時パラメトリックプロセス（第２高調波の発生や自発的パラメトリックダウンコンバージョン等）を行って絡み合った光子を発生する場合に、本発明の技術を用いることができる。第２高調波の発生とパラメトリックダウンコンバージョンの両方を行う１個または複数の別個の非線形装置（非線形結晶等）を共振器内で利用すればパラメトリックプロセスを行うことができる。共振器内のエネルギー濃度を高くすると、絡み合った高束の光子を、その発生後に共振器から出て行く方向に発生することができる。この技術は特に非共線的発生に適用できる。
【０００７】
本発明の他の実施例では、１波長に対して高反射率を有し、別の波長に対して低反射率を有する鏡とともに、二色性（dichroic）および／または偏光感度を有する（polarization-sensitive）光学系や多数の共振器内非線形結晶と共に多数のレーザ共振器を用いることで、非線形パラメトリックダウンコンバージョンプロセスによる強力なポンピングを行い、絡み合った高束の光子を発生して、光学装置から放出することができる。この技術は特に共線的発生に適用できる。
【０００８】
本発明の他の実施例では、１波長に対して高反射率を有し、別の波長に対して低反射率を有する鏡とともに、異なる光周波数を角度的に分離する１個または複数の光学要素と、多数のレーザ共振器を用いてもよい。このような要素は、例えば、二色性、プリズム、および／または回折格子（grating）装置、および／または偏光感度を有する光学系等である。多数の共振器内非線形光学結晶を用いて非線形パラメトリックダウンコンバージョンプロセスによる強力なポンピングを行い、それによって絡み合った高束の光子を発生し、光学装置から放出できるようにしてもよい。この技術は特に共線的発生に適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を参照する。従来の光子は無作為かつ独立的に到着する。光子は、時間的にはポワソン流（Poisson fashion）で到着する。これは、時間軸上に光子１０、１２、１４として示す通りである。また、光子は、空間的には均一に分布されて到着する。これは、平面１８上に光子１０、１２、１４として示す通りである。入射光子束濃度（incident photon-flux density）がφ（光子／秒・ｍ2）の場合に、光子が時間τ、領域σに到着する可能性はφστと等しい。
【００１０】
図２に示すように、理想的な絡み合った光のソースから放出された光子は完全な対になって到着する。対をなす２個の光子は同時に到着する。これは、時間線上に光子対３２、３４、３６として示す通りである。更に、対をなす２個の光子は一致した位置に到着する。これは、非共線的な場合について、光子３２ａおよび３２ｂ、３４ａおよび３４ｂ、３６ａおよび３６ｂとして示す通りである。第１のビーム３８中の光子の到着位置は１個であり、第２のビーム４０中に対応する光子の到着位置を１個だけ有する。
【００１１】
図３に示すように、画像形成システムを用いて、一致する光子対を、それらが同時に同じ場所に到着するように、ターゲット面４２上に到着させることができる。光子対３２、３４、３６は、時間軸に図示するように、時間的に一致しており、ターゲット面４２に図示するように、空間的な位置も一致している。
【００１２】
（上述のような理想的なソースではなくて）量子的に絡み合った光子の現実のソースを用いた場合、光子対が生じる時間は同一ではないが、非常に関連している。このように絡み合った光子を、例えばタイプＩまたはタイプＩＩの同時パラメトリックダウンコンバージョンによって発生してもよい。絡み合った対の発生過程ではエネルギーが維持されるので、双子の光子はほぼ同時に発生され、各々はオリジナルより長い波長を有する。運動量も保存されるので、絡み合った対のそれぞれの光子の飛行方向はほぼ１対１に対応することになる。これらの光子はオリジナルの光子のエネルギーや運動量を分け合うので、双子の光子は互いに「絡み合っている」と言われる。タイプＩＩのダウンコンバージョンにおいては、光子の偏光の特徴も互いに特別な関係を有している。このような絡み合った光子対の現実のソースの場合、図４に示すように、各対の２個の光子は、絡み合い領域８０と呼ばれる小さな領域Ａe内の無作為の位置に到着する。また、２個の光子は、絡み合い時間８２と呼ばれる短時間Ｔeの内に無作為に到着する。システムの空間的解像度は、様々な要因の中でも、絡み合い角度に依る。絡み合い角度とは、双子の光子の特定の１方向と絡み合う方向の円錐の角度幅である。多数の要因が絡み合い角度の大きさに影響する。例えば、レーザのスペクトル幅やビーム幅、非線形光学媒体の相互作用量等である。システムの一時的な解像度は、様々な要因の中でも、絡み合い時間に依る。ポンピングビーム特性（スペクトル幅やビーム幅）や非線形物質特性（結晶長や結晶方向）を調整することで、調整可能な絡み合い時間で、絡み合った光子を発生できる。絡み合い角度および絡み合い時間の両方を各適用例において必要であるように調整できる。これは、絡み合い角度調整および絡み合い時間調整と呼ばれる。
【００１３】
本発明は、絡み合った高束の光子対の発生に関する。図５に示すように、ある構成体では、レーザ共振器に付随する鏡が、基礎レーザ周波数ｆおよび第２高調波発生周波数２ｆの両方において非常に高い（１００％かもしれない）反射率を有すると思われる。レーザ媒体は結晶、半導体、流体、気体、その他の同様な誘導放出または自発放出のソースでもよい。レーザポンプ（図示せず）およびレーザ処理は連続波でもパルス状でもよい。光は、電波からＸ線の範囲の周波数においてエネルギーを有することが好適である。レーザ共振器内の非線形物質または装置によってレーザの基礎周波数の一部をその第２高調波に変換する。同時に、レーザ共振器内で非線形物質または装置（最初に第２高調波放射を発生する非線形物質または装置と同じかもしれないが、必ずしもその必要はない）を用いて、第２高調波放射の自発的パラメトリックダウンコンバージョンによって放射を発生する。自発的パラメトリックダウンコンバージョンによって発生した光は、タイプＩまたはタイプＩＩパラメトリック相互反応によって発生してもよい。非線形光学媒体は、結晶またはその他の物質、表面、界面、その他の同様の構成要素でもよい。非線形光学媒体の１機能は、ポンプビームの一部を分割して１個の信号ビームと１個のアイドラー（idler）ビーム（集合的に双子ビームまたは絡み合った光子または２モード圧縮状態（two-mode squeezed-state）光子と呼ばれる）にすることであり、絡み合った娘信号光子および対応する絡み合った娘アイドラー光子の流れに寄与する。非共線的な場合、これらの絡み合った光子ビームは、相一致条件に応じた適切な角度で非線形光学結晶から放出される。これによって当該ビームはレーザや第２高調波ビームから分離され、したがってその残留物によって汚染されない。
【００１４】
図６に示すような本発明の他の実施形態では、多数の共振器内非線形結晶（ＳＨＧおよびＰＤＣ等）と関連して、活性化されたレーザ媒体（ＬＡＳＥＲ ＭＥＤＩＵＭ）と共に、多数の光学共振器を使用する。レーザ媒体は結晶、半導体、流体、気体、その他の同様の誘導放出または自発放出のソースでもよい。レーザポンプ（図示せず）やレーザ処理は連続波でもパルス状でもよい。光は、電波からＸ線の範囲の周波数においてエネルギーを有することが好適である。二色性の鏡やその他の光学系は、周波数ｆおよび／または２ｆにおいて高反射率（ＨＲ）および／または高透過率（ＨＴ）を有するように設計されている。このため、逆Ｚ型共振器内で周波数ｆにおいて強力なレーザ作用を生じることができ（斜線で示すビーム）、同時に−型共振器内で周波数２ｆにおいて強力な共振器内２次高調波を生じることができ（濃いグレーで示すビーム）、さらに同時に、図示する光学鏡がない場合は、いずれの共振器も無く名目上の中央周波数ｆによって自発的パラメトリックダウンコンバージョンを行うことができる（波線で示すビーム）。自発的に発生された絡み合った光子はこれによって、周波数２ｆにおいて高反射率を有し周波数ｆにおいて高透過率を有する鏡を通って放出される。所望であれば、周波数ｆにおいて高反射率を有する鏡を任意に設けて絡み合った光子に対する逆∠型共振器を作ることができる。これによって、特定の適用例において絡み合い時間および／または絡み合い領域を変更したい場合に、誘導されたパラメトリックダウンコンバージョンを生じさせることができる。絡み合った光子対は縮退でも非縮退でもよく、共線的でも非共線的でもよく、タイプＩまたはタイプＩＩのいずれの光パラメトリックダウンコンバージョンによって発生されてもよい。
【００１５】
図６に示す構成体の実施形態の具体的な一例として、レーザ媒体はネオジムを添加したイットリウム−アルミニウム−ガーネット（ＹＡＧ）（またはイットリウム−バナジウム酸塩、またはその他の同様な活性化された媒体）でもよい。これは、近赤外線領域の１．０６マイクロメータに近い波長において励起してレーザを発振するが、これはより一般的には、恣意的な波長λpump（周波数ｆ）において生じる、と理解されるべきである。この放出によって、緑色領域の０．５３マイクロメータに近い波長において結晶（β−バリウム−ホウ酸塩（ＢＢＯ））またはその他の非線形光学媒体中に共振器内第２高調波発生（ＳＨＧ）を生じることになるが、これはより一般的には、λpump／２（周波数２ｆ）に近い恣意的な波長において生じる、と理解されるべきである。これは、それ自身が恣意的な周波数である前述のレーザ光の第２高調波周波数である。この第２高調波光は、近赤外線領域の１．０６マイクロメータに近い波長において結晶（β−バリウム−ホウ酸塩（ＢＢＯ）等）またはその他の非線形光学媒体に強いパラメトリックダウンコンバージョン（ＰＤＣ）を生じるが、これはより一般的に、それ自身が恣意的である前述のレーザ光の波長と同じである、λpump（周波数ｆ）に近い恣意的な波長において生じる、と理解されるべきである。
【００１６】
図６に示す構成体の変形例では、ＳＨＧのための結晶はポンプレーザのレーザ共振器の一部ではない。この場合でも、ポンプレーザに高いピーク強度でパルスを加えるかＳＨＧ用の物質が特に効率的である場合、またはその両方である場合には、効率的なＳＨＧを行うことができる。後者は、例えば、棒状物質（poled material）であったり、そのような物質が導波管構造体（waveguiding structures）内にある場合である。図７が示すこのような実施形態では、数個の二色性鏡を用いて、周波数ｆのポンプ光と、縮退の場合には同じ周波数ｆを示す絡み合った光子とを強力に分離する。非常に効率的なパラメトリックダウンコンバージョンを行うためには、ＨＲ鏡によって作られた共振器内を巡回するＳＨ光の損失分を最小限にすることが重要である。この共振器内での巡回損失がＬ＝１−（ΠＴi）2であって、Ｔｉが共振器内のi番目要素の透過である場合、絡み合う光子の発生は、共振器の外の１パス状況(a single-pass situation)と比較すると、１／Ｌに強化される。適切な物質を選び、適切な被膜がなされた高品質の表面を選ぶことに加えて、共振器内の要素の数を最小限にすることが望ましい。
【００１７】
図８は、ＳＨＧおよびＰＤＣの処理を同じ非線形媒体で行う最適化された構成体を示す。ＳＨＧのためには濃度が高い必要がある。これは、例えば強力な集束処理によって最大化できる。一方、パラメトリックダウンコンバージョンによって絡み合った光子を発生するためには、相互作用長が長いことが望ましい。したがって、図８に示す構成体では、導波管構成体（スラブ導波管（slab waveguides）またはファイバ）内に棒状（poled）非線形物質を設けることが特に利点がある。ダウンコンバートされた光の周波数はＳＨ光より低いので、導波管構造体の外で、より高い分岐を示す。したがって共振器から放出されると図の左側に向かう。非線形媒体から放出されて右側に向かった絡み合った光子は、右側の共振器鏡によって後ろ向きに媒体に向かって反射され、パラメトリックダウンコンバージョンを更に強化するシード光子（seed photons）として作用できる。要素の数を更に減らすことは利点であり、右側のＨＲ鏡を非線形媒体と組み合わせれば実現できる。例えば、鏡を導波管構造体の右側に直接被膜することができる。
【００１８】
図９は、図５に示す実施形態に似た実施形態を示す図である。この場合、レーザ共振器は周波数２ｆのレーザ光を発生する。周波数２ｆの光は共振器内を巡回し、ＰＤＣ媒体をポンピングして、周波数ｆの非共線的な絡み合った光子を作る。この絡み合った光子はポンプビームに対して角度を有するように作られるので、共振器から放出される。
【００１９】
図１０は、図７に示す処理と同様のパラメトリックプロセスを介して絡み合った高束の光子を発生する更に別の構造体を示す図である。ここでは、ＳＨＧ結晶の代わりに周波数２ｆの光を発生するレーザ媒体が使われている。周波数２ｆの光がＰＤＣ媒体を直接ポンピングして、周波数ｆの共線的な絡み合った光子を発生する。鏡１は、絡み合った光子を共振器から排出しなければならない。他の実施形態（図示せず）では鏡１を設けず、ＰＤＣ光が、この場合には周波数ｆに対して高透過率である鏡２を介して、共振器から排出される。
【００２０】
本発明の他の実施形態では、絡み合った光子をタイプＩの自発的パラメトリックダウンコンバージョン以外の処理によって発生する。例えば、タイプＩＩの自発的パラメトリックダウンコンバージョンによって光子を発生してもよい。このコンバージョンでは、光子は同じ（または別個の）方向へ、異なる偏光で放出される。ダウンコンバートされた双子対の所望の形式に応じて、偏光感度を有する光学系（偏光ビームスプリッタ等）を、図６に示すような構成体における二色性光学系とともに、または代用として、使用してもよい。
【００２１】
本発明の他の実施形態において、光子は、棒状（poled）または非棒状（unpoled）の光ファイバまたは物質において自発的パラメトリックダウンコンバージョンを行って発生してもよい。また、このダウンコンバージョンは表面または界面で行ってもよいし、ソースで直接行ってもよいし、ポンプビームを発生するデバイスの表面で行ってもよい。光子は自発的パラメトリックダウンコンバージョンだけではなく、誘導パラメトリックダウンコンバージョンや原子のカスケード発光（cascaded atomic emission）によって発生してもよい。原子のカスケード発光を用いる場合、ポンプビームが入射した物質は、エネルギーおよび運動量変換によって絡み合わされた、２個の光子のカスケード（cascade）を放出する。
【００２２】
本発明の他の実施形態では、１本以上のパルスまたは連続波の補助（または制御）光ビームを１個以上の周波数、方向、偏光、またはこれらの組み合わせによってシステムに入射する。この時、１以上の構成プロセス（例えば、レーザ作用、第２高調波発生、および／またはパラメトリックダウンコンバージョン）がシードされるように、つまり選択された方法で優先的に生じるように誘発されるように、行う。これは、絡み合った高束の光子対の発生を更に強化するかもしれない。制御光ビームのソースは、共振器内相互作用または外部から供給された光ソースから生じるレーザまたは蛍光でもよい。この制御光によってレーザ媒体および非線形光学物質の初期、中間的、および／または最終状態を他の状態に結合させることで、絡み合った光子の発生速度を早める。あるいは、この制御光をポンプとして作用させて特定のエネルギーレベルが高い占有率を有するようにし、これによってこの物質を、絡み合った光子対を発生する準備ができた状態に維持する。
【００２３】
一部が絡み合った光子対であって一部が従来の光子である光ソースを作るために、このような補助パルスまたは連続波光ビームを絡み合った光子対のビームの付属物として用いてもよい。このように量子的な光と従来の光とを組合わせることは、特定の適用例において特に有益である。例えば、３光子吸収を行いたい場合である。
【００２４】
本発明の他の実施形態では、光学共振器内において非線形光学処理および二色性（および／または偏光感度を有する）光学系と結合したレーザ作用を用いて、２個以上の別個の空間的方向に移動する多数の絡み合った光子（３、４あるいはそれ以上）を発生してもよい。絡み合った光子の三つ子および四つ子を、より高い次元のダウンコンバータ、２個の光子ダウンコンバータによるカスケード、原子カスケード（例えば、３個の絡み合った光子を発生するために２個の中間レベルを通じてカスケードする原子）から得てもよい。
【００２５】
本発明の更に別の実施形態では、（例えば、多数の同時に発振するレーザラインの重ね合わせから得られた）多数の波長からなるポンプビームを用いて、多数の光学共振器または１個の広域共振器（broadband cavity）内において多数の非線形結晶を同時に励起する。
【００２６】
本発明の他の実施形態は、光学共振器の内側および／または外側において多様な種類の干渉計を有し、絡み合った高束の光子対の発生を強化する。
【００２７】
非単色性でパルス状の絡み合った光子対の場合、エネルギー保持によって発生された双子の光子の周波数成分における非相関の結果、光学物質を適切に選択すれば、分散的拡散（dispersive broadening）を非局所的にキャンセルできる。例えば、大きさがほぼ等しく符号が反対である分散係数を有する物質を双子の光子が通過する場合、双子の光子同士が同時に到着するという状態は維持される。したがって、本発明は、光の転送および処理のために光ファイバを用いることに適合できる。
【００２８】
以上、絡み合った高束の光子を発生する場合についてのみ説明してきたが、本発明を用いて他の物質の対（電子、原子、分子、時間および／または空間的に関連しているが必ずしも絡み合っていない光子等）を発生してもよい。
【００２９】
上述のような装置によって発生されたパラメトリックダウンコンバートされた放射は、新規かつ非一般的で有益な特性を有すると思われる。例えば、このような放射の統計的な特性は光子の対または群の存在を反映するかもしれない。更に、解けないように絡み合った発生処理の結果、このような放射は新規かつ非一般的で有益な絡み合いの特徴（光子または光子群、方向または方向群、周波数または周波数群、偏光または偏光群、またはこれらの任意の組み合わせ等のそれぞれにおける絡み合い）を示すことができる。したがって、これまでに可能であった超絡み合いよりも多様な絡み合いを実現できる。簡単な一例として、図５から明らかなように、絡み合った光子対は左右両方に向かって放出され、このような四つ子の光子は相互に特別の絡み合いおよび関連特性を示す。
【００３０】
絡み合う高束の光子ビームは多数の適用例に使用できると思われる。例えば、新規の光学測定である。（Ｄ．Ｎ．Ｋｌｙｓｈｋｏ、「Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｖａｃｕｕｍ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ ａｓ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｓｔａｎｄａｒｄ」、Ｓｏｖ．Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．７，５９１（１９７７）；Ａ．Ｍｉｇｄａｌｌ，Ｒ．Ｄａｔｌａ，Ａ．Ｖ．Ｓｅｒｇｉｅｎｋｏ、Ｊ．Ｓ．ＯｒｓｚａｋおよびＹ．Ｈ．Ｓｈｉｈ、「Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｄｉａｎｃｅ ｕｓｉｎｇ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｖｉｓｉｂｌｅ ｐｈｏｔｏｎｓ： Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ」、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３７，３４５５（１９９８））。また、量子画像形成にも使用できると思われる。（Ｂ．Ｍ．Ｊｏｓｔ，Ａ．Ｖ．Ｓｅｒｇｉｅｎｋｏ，Ａ．Ｆ．Ａｂｏｕｒａｄｄｙ，Ｂ．Ｅ．Ａ．ＳａｌｅｈおよびＭ．Ｃ．Ｔｅｉｃｈ、「Ｓｐａｔｉａｌ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｌｙ ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｐｈｏｔｏｎ ｐａｉｒｓ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｓｉｎｇｌｅ−ｐｈｏｔｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ＣＣＤ ｃａｍｅｒａ」、Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ ３，８１（１９９８）；Ｂ．Ｅ．Ａ．Ｓａｌｅｈ，Ａ．Ｆ．Ａｂｏｕｒａｄｄｙ，Ａ．Ｖ．ＳｅｒｇｉｅｎｋｏおよびＭ．Ｃ．Ｔｅｉｃｈ、「Ｄｕａｌｉｔｙ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐａｒｔｉａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｐａｒｔｉａｌ ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ６２，０４３８１６（２０００））。更に、絡み合った光子顕微鏡およびディスプレイにも使用できると思われる。（Ｍ．Ｃ．ＴｅｉｃｈおよびＢ．Ｅ．Ａ．Ｓａｌｅｈ、米国特許第５，７９６，４７７号、１９９８年８月１８日発行）。更に、新しい光学分光器にも使用できると思われる。（Ｍ．Ｃ．ＴｅｉｃｈおよびＢ．Ｅ．Ａ．Ｓａｌｅｈ、米国特許第５，７９６，４７７号、１９９８年８月１８日発行；Ｂ．Ｅ．Ａ．Ｓａｌｅｈ，Ｂ．Ｍ．Ｊｏｓｔ，Ｈ．−Ｂ．ＦｅｉおよびＭ．Ｃ．Ｔｅｉｃｈ、「Ｅｎｔａｎｇｌｅｄ−ｐｈｏｔｏｎ ｖｉｒｔｕａｌ−ｓｔａｔｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８０，３４８３（１９９８）；Ｈ．−Ｂ．Ｆｅｉ，Ｂ．Ｍ．Ｊｏｓｔ，Ｓ．Ｐｏｐｅｓｃｕ，Ｂ．Ｅ．Ａ．ＳａｌｅｈおよびＭ．Ｃ．Ｔｅｉｃｈ、「Ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｔｗｏ−ｐｈｏｔｏｎ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７８，１６７９（１９９７））。更に量子情報にも使用できると思われる。（Ａ．Ｋ．Ｅｋｅｒｔ、「Ｑｕａｎｔｕｍ ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｂｅｌｌ Ｔｈｅｏｒｅｍ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６７，６６１（１９９１）；Ｊ．Ｇ．ＲａｒｉｔｙおよびＰ．Ｒ．Ｔａｐｓｔｅｒ、「Ｆｏｕｒｔｈ−ｏｒｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ａｔ ｌａｒｇｅ ｄｉｓｔａｎｃｅｓ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ４５，２０５２（１９９２）；Ｊ．Ｂｒｅｎｄｅｌ，Ｎ．Ｇｉｓｉｎ，Ｗ．ＴｉｔｔｅｌおよびＨ．Ｚｂｉｎｄｅｎ、「Ｐｕｌｓｅｄ ｅｎｅｒｇｙ−ｔｉｍｅ ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｔｗｉｎ−ｐｈｏｔｏｎ ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８２，２５９４（１９９９）；Ａ．Ｖ．Ｓｅｒｇｉｅｎｋｏ，Ｍ．Ａｔａｔｕｒｅ，Ｚ．Ｗａｌｔｏｎ，Ｇ．Ｊａｅｇｅｒ、Ｂ．Ｅ．Ａ．ＳａｌｅｈおよびＭ．Ｃ．Ｔｅｉｃｈ、「Ｑｕａｎｔｕｍ ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ ｕｓｉｎｇ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ−ｐｕｌｓｅｄ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ６０，Ｒ２６２２（１９９９）；Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔ，Ｇ．Ｂｒａｓｓａｒｄ，Ｃ．Ｃｒｅｐｅａｕ，Ｒ．Ｊｏｚｓａ，Ａ．ＰｅｒｅｓおよびＷ．Ｗｏｏｔｔｅｒｓ、「Ｔｅｌｅｐｏｒｔｉｎｇ ａｎ ｕｎｋｎｏｗｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｓｔａｔｅ ｖｉａ ｄｕａｌ ｃｌａｓｓｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｉｎｓｔｅｉｎ−Ｐｏｄｏｌｓｋｙ Ｒｏｓｅｎ ｃｈａｎｎｅｌｓ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７０，１８９５（１９９３）；Ｄ．Ｂｏｓｃｈｉ，Ｓ．Ｂｒａｎｃａ，Ｆ．Ｄｅ Ｍａｒｔｉｎｉ，Ｌ．ＨａｒｄｙおよびＳ．Ｐｏｐｅｓｃｕ、「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｌｅｐｏｒｔｉｎｇ ａｎ ｕｎｋｎｏｗｎ ｐｕｒｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｓｔａｔｅ ｖｉａ ｄｕａｌ ｃｌａｓｓｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｉｎｓｔｅｉｎ−Ｐｏｄｏｌｓｋｙ−Ｒｏｓｅｎ ｃｈａｎｎｅｌｓ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８０，１１２１（１９９８）；Ｄ．Ｂｏｕｗｍｅｅｓｔｅｒ，Ｊ．−Ｗ．Ｐａｎ，Ｋ．Ｍａｔｔｌｅ，Ｍ．Ｅｉｂｌ，Ｈ．ＷｅｉｎｆｕｒｔｅｒおよびＡ．Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ、「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｔｅｌｅｐｏｒｔａｔｉｏｎ」、Ｎａｔｕｒｅ ３９０，５７５ （１９９７））。量子パラドックスの検証にも使用できると思われる。（Ｊ．Ｓ．Ｂｅｌｌ、「Ｏｎ ｔｈｅ Ｅｉｎｓｔｅｉｎ−Ｐｏｄｏｌｓｋｙ−Ｒｏｓｅｎ ｐａｒａｄｏｘ」、Ｐｈｙｓｉｃｓ １，１９５（１９６４）；Ｊ．Ｆ．Ｃｌａｕｓｅｒ，Ｍ．Ａ．Ｈｏｒｎｅ，Ａ．ＳｈｉｍｏｎｙおよびＲ．Ａ．Ｈｏｌｔ、「Ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｔｏ ｔｅｓｔ ｌｏｃａｌ ｈｉｄｄｅｎ−ｖａｒｉａｂｌｅ ｔｈｅｏｒｉｅｓ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．２３，８８０（１９６９）；Ｐ．Ｇ．Ｋｗｉａｔ，Ｋ．Ｍａｔｔｌｅ，Ｈ．Ｗｅｉｎｆｕｒｔｅｒ，Ａ．Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ，Ａ．Ｖ．ＳｅｒｇｉｅｎｋｏおよびＹ．Ｈ．Ｓｈｉｈ、「Ｎｅｗ ｈｉｇｈ−ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｐｈｏｔｏｎ ｐａｉｒｓ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７５，４３３７（１９９５）；Ｌ．Ｈａｒｄｙ、「Ｎｏｎｌｏｃａｌｉｔｙ ｆｏｒ ｔｗｏ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ｉｎｅｑｕａｌｉｔｉｅｓ ｆｏｒ ａｌｍｏｓｔ ａｌｌ ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｓｔａｔｅｓ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７１，１６６５（１９９３）；Ａ．Ｇ．Ｗｈｉｔｅ，Ｄ．Ｆ．Ｖ．Ｊａｍｅｓ，Ｐ．Ｈ．ＥｂｅｒｈａｒｄおよびＰ．Ｇ．Ｋｗｉａｔ，「Ｎｏｎｍａｘｉｍａｌｌｙ ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｓｔａｔｅｓ：ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８３，３１０３（１９９９）；Ｄ．Ｍ．Ｇｒｅｅｎｂｅｒｇｅｒ，Ｍ．Ａ．ＨｏｒｎｅおよびＡ．Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ、「Ｂｅｌｌ'ｓ Ｔｈｅｏｒｅｍ，Ｑｕａｎｔｕｍ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｅ」、 Ｍ．Ｋａｆａｔｏｓにより編集（Ｋｌｕｗｅｒ、Ｄｏｒｄｒｅｃｈｔ、１９８９）；Ｄ．Ｍ．Ｇｒｅｅｎｂｅｒｇｅｒ，Ｍ．Ａ．Ｈｏｒｎｅ，Ａ．ＳｈｉｍｏｎｙおよびＡ．Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ、「Ｂｅｌｌ'ｓ ｔｈｅｏｒｅｍ ｗｉｔｈｏｕｔ ｉｎｅｑｕａｌｉｔｉｅｓ」、Ａｍ．Ｊ．Ｐｈｙｓ．５８，１１３１ （１９９０）；Ｄ．Ｂｏｕｗｍｅｅｓｔｅｒ，Ｊ．−Ｗ．Ｐａｎ，Ｍ．Ｄａｎｉｅｌｌ，Ｈ．ＷｅｉｎｆｕｒｔｅｒおよびＡ．Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ、「Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ−ｐｈｏｔｏｎ Ｇｒｅｅｎｂｅｒｇｅｒ−Ｈｏｒｎｅ−Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ」、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８２，１３４５（１９９９））。また、他の適用や使用にも用いることができると思われる。
【００３１】
本発明の他の実施形態および使用は、本明細書を検討し、これに説明されている発明を実行すれば、当業者には明白である。本明細書および実施例は一例にすぎない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来の光ソースから到達した光子を示す図である。
【図２】理想的な絡み合った光のソースから、別個の空間的方向に到着した光子を示す図である。
【図３】画像形成システムを用いて、理想的な絡み合った光のソースから到着した光子を示す図である。
【図４】有限の絡み合い領域および有限の絡み合い時間を有する実際の（非理想的な）絡み合った光のソースから到着した光子を示す図である。
【図５】レーザ共振器内でパラメトリックプロセスを介して絡み合った高束の光子を発生する一実施例を示す図である。ダウンコンバートされたビーム（波線で示す）は、縮退の場合、中央周波数ｆを有する。ダウンコンバートされた光は斜角を以て放出され（矢印で示す）、これによって、周波数ｆのレーザ光（斜線で示す）および周波数２ｆの第２高調（ＳＨ）光（グレーで示す）から分離される。共振器の鏡は周波数ｆおよび２ｆにおいて高反射率（ＨＲ）を有する。周波数ｆは波長λpumpに相当し、周波数２ｆは波長λpump／２に相当する。絡み合った光子対は縮退でも非縮退でもよく、共線的でも非共線的でもよく、タイプＩまたはタイプＩＩの光パラメトリックダウンコンバージョンによって発生されてもよい。
【図６】パラメトリックプロセスによって絡み合った高束の光子を発生する別の実施例を示す図である。この実施例では、多数の光学共振器、活性化されたレーザ媒体、共振器内非線形光学第２高調波発生（ＳＨＧ）結晶、共振器内パラメトリックダウンコンバージョン（ＰＤＣ）結晶、および、周波数ｆおよび／または２ｆに対して高反射率（ＨＲ）または高透過率（ＨＴ）を有する二色性（および／または偏光感度を有する）光学系を用いている。ダウンコンバージョンされた共線的ビーム（波線で示す）は、縮退の場合、中央周波数ｆを有する。レーザ光（斜線で示す）は周波数ｆ（波長λpump）を有し、第２高調光（グレーで示す）は周波数２ｆ（波長λpump／２）を有する。絡み合った光子対は縮退でも非縮退でもよく、共線的でも非共線的でもよく、タイプＩまたはタイプＩＩの光パラメトリックダウンコンバージョンによって発生されてもよい。
【図７】図６に示す実施例と類似した実施形態を示す図である。しかし、この場合、レーザ共振器（図示せず）は構成体の一部ではない。したがって、共振器内を巡回する第２高調（ＳＨ）光はレーザ共振器の外で発生される。
【図８】パラメトリックプロセスによって絡み合った高束の光子を発生する更に別の構成を示す図である。ここではＳＨＧおよびＰＤＣを同じ非線形媒体で行い、絡み合った光子は、それが非共線的に発生されたため、またはＳＨ光と比較するとＰＤＣ光の分岐が高いために、共振器から放出される。
【図９】図５に示す実施形態と類似する実施形態を示す図である。しかし、この場合、レーザ光が共振器内で周波数２ｆにおいて直接発生されるためにＳＨＧは必要ない。周波数２ｆの光がＰＤＣ媒体をポンピングして、非共線的で絡み合った光子を周波数ｆで生じる。
【図１０】図７に示す実施形態と類似したパラメトリックプロセスによって絡み合った高束の光子を発生する更に別の構成体を示す図である。ここではＳＨＧ結晶の代わりに、周波数２ｆの光を発生するレーザ媒体が使われている。周波数２ｆの光はＰＤＣ媒体を直接ポンピングして、共線的で絡み合った光子を周波数ｆで生じる。
Claims (20)
- 周波数２ｆのポンプ光に対して非共線的または共線的に放出される２つまたは多数の絡み合った光子の強力なソースを発生する装置であって、パラメトリックプロセス、つまり一連の同時パラメトリックプロセスを用いて、周波数ｆ近辺の周波数で前記絡み合った光子を発生する装置において、
周波数２ｆで共鳴し（resonant）、絡み合った光子を発生するための媒体を取り囲み、光周波数２ｆにおいて高反射率を有する少なくとも２個の鏡からなる少なくとも１個の光学共振器を有することを特徴とする装置。 - ポンプ光に対して非共線的に放出される２つまたは多数の絡み合った光子の強力なソースを発生し、パラメトリックプロセスつまり一連の同時パラメトリックプロセスをレーザ媒体および非線形光学処理とともに用いる請求項１に記載の装置において、
基礎周波数ｆのレーザ光を発生するレーザ媒体と、
前記基礎周波数ｆの光を周波数２ｆであるその第２高調波に変換し、そして前記第２高調波周波数の光に対して絡み合った光子を非共線的に放出する、第２の高調波の発生のための媒体と、
を有し、
前記レーザ媒体および前記第２の高調波の発生のための媒体を囲む光学共振器は、周波数ｆおよび２ｆにおいて高反射率を有する少なくとも２個の鏡からなることを特徴とする装置。 - ポンプ光に対して共線的に放出される２つまたは多数の絡み合った光子の強力なソースを発生し、パラメトリックプロセスつまり一連の同時パラメトリックプロセスをレーザ媒体および非線形光学処理とともに用いる請求項１に記載の装置において、
基礎周波数ｆのレーザ光を発生するレーザ媒体と、
前記基礎周波数ｆの光を周波数２ｆであるその第２高調波に変換する第２の高調波の発生のための媒体と、
前記レーザ媒体と前記第２の高調波の発生のための媒体との間に設けられて、光周波数２ｆおよびｆを空間的に分離する光学要素と、
を有し、
１個の光学共振器は、前記レーザ媒体および前記第２の高調波の発生のための媒体の周囲で周波数ｆにおいて共鳴し、周波数ｆに対して高反射率を有する少なくとも２個の鏡からなり、
当該共振器の少なくとも１個の鏡は、前記鏡と周波数２ｆに対して高反射率を有する他の鏡とによって形成される第２の光学共振器が周波数２ｆにおいて共鳴するように光周波数２ｆに対しても高反射率を有し、
前記第２の光学共振器が、前記第２の高調波の発生のための媒体と、絡み合った光子の発生のための前記媒体と、周波数２ｆおよびｆの光を空間的に分離する前記光学要素と、を有し、
前記他の鏡（第２の鏡）は、周波数ｆ近辺の周波数に対して高反射率を有し、この場合、前記絡み合った光子は、周波数２ｆおよびｆの光を角度的に分離する前記光学要素を介してのみ共振器から放出され、または、
前記第２の鏡は、周波数ｆ近辺の周波数に対して高透過率を有し、この場合、前記絡み合った光子は、前記第２の鏡を通しても前記共振器から放出され、
前記絡み合った光子の全てを前記第２の鏡を通過するように向けるために、光周波数を空間的に分離する前記光学要素を介して前記共振器から放出される前記絡み合った光子を、周波数ｆ近辺の周波数に対して高反射率である追加の鏡によって後ろ向きに反射して前記光学共振器に向けることができることを特徴とする装置。 - ポンプ光に対して非共線的に放出される２つまたは多数の絡み合った光子の強力なソースを発生し、パラメトリックプロセスつまり一連の同時パラメトリックプロセスと、非線形光学処理とを用いる請求項１に記載の装置において、
前記基礎周波数ｆの光を周波数２ｆであるその第２高調波に変換し、そして前記第２高調波周波数の光に対して絡み合った光子を非共線的に放出する第２の高調波の発生のための媒体を有し、
１個の光学共振器は前記第２の高調波の発生のための媒体の周囲で周波数２ｆに共鳴し、周波数２ｆに対して高反射率を有する少なくとも２個の鏡からなり、
前記共振器は、周波数ｆに対して高透過率を有する光学共振器の鏡を通して周波数ｆのレーザまたは従来の光ソースによって外からポンピングされるか、または、周波数ｆに対して高反射率を有し周波数２ｆに対して高透過率を有する共振器内光学要素によって共振器の内部に反射されることを特徴とする装置。 - ポンプ光に対して共線的に放出される２つまたは多数の絡み合った光子の強力なソースを発生し、パラメトリックプロセスつまり一連の同時パラメトリックプロセスと、非線形光学処理とを用いる請求項１に記載の装置において、
前記基礎周波数ｆの光を周波数２ｆであるその第２高調波に変換する第２の高調波の発生のための媒体と、
絡み合った光子の発生のための媒体と、
前記絡み合った光子の発生のための媒体と、前記第２の高調波の発生のための媒体との間に配置されて、周波数２ｆと周波数ｆの光を異なる方向に分離する光学要素と、
を含み、
これらの要素は、少なくとも２個の鏡で形成され、周波数２ｆに共鳴し前記光学要素を介して光周波数ｆでレーザ光ソースによりポンピングされる光学共振器内に含まれることを特徴とする装置。 - ポンプ光に対して非共線的に放出される２つまたは多数の絡み合った光子の強力なソースを発生し、パラメトリックプロセスつまり一連の同時パラメトリックプロセスと、レーザ型の作用とを用いる請求項１に記載の装置であって、
基礎周波数２ｆのレーザ光を発生するレーザ媒体と、
周波数２ｆのレーザ光に対して絡み合った光子を非共線的に放出する絡み合った光子の発生のための媒体と、
前記絡み合った光子の発生のための媒体および前記レーザ媒体の周囲で周波数２ｆにおいて共鳴する光学共振器と、
を有し、
前記光学共振器は、光周波数２ｆにおいて高反射率を有する少なくとも２個の鏡と、周波数ｆ近辺の周波数に対して高透過率を有する少なくとも１個の鏡とからなることを特徴とする装置。 - ポンプ光に対して共線的に放出される２つまたは多数の絡み合った光子の強力なソースを発生し、パラメトリックプロセスつまり一連の同時パラメトリックプロセスと、レーザ型の作用とを用いる請求項１に記載の装置であって、
周波数２ｆのレーザ光を発生するレーザ媒体と、
周波数２ｆのレーザ光に対して絡み合った光子を共線的に放出する絡み合った光子の発生のための媒体と、
前記絡み合った光子の発生のための媒体および前記レーザ媒体の周囲で周波数２ｆに対して共鳴する少なくとも２個の鏡で形成された光学共振器と、
を有し、
前記絡み合った光子は、周波数ｆ近辺の周波数に対して高透過率を有する共振器鏡を通って共振器の外に放出されるか、または、周波数ｆ近辺の周波数の光を空間的に共振器の外側に向ける光学共振器の内側に設けられた光学要素によって共振器の外に放出されることを特徴とする装置。 - 上記の請求項のいずれか１項に記載の装置であって、ポンプ光ソースはパルス光ソースであることを特徴とする装置。
- 上記の請求項のいずれか１項に記載の装置であって、ポンプ光ソースは連続光ソースであることを特徴とする装置。
- 上記の請求項のいずれか１項に記載の装置であって、二色性および／または偏光感度を有する光学系が光学共振器内に用いられていることを特徴とする装置。
- 上記の請求項のいずれか１項に記載の装置であって、光ファイバまたは導波管を用いて光の輸送および／または処理を行うことを特徴とする装置。
- 上記の請求項のいずれか１項に記載の装置であって、絡み合った光子の発生のための媒体は非線形光学結晶であることを特徴とする装置。
- 上記の請求項のいずれか１項に記載の装置であって、絡み合った光子の発生のための媒体は、パラメトリックダウンコンバージョン結晶（ＰＤＣ）であることを特徴とする装置。
- 上記の請求項のいずれか１項に記載の装置であって、絡み合った光子の発生のための媒体は棒状（poled）非線形媒体であることを特徴とする装置。
- 上記の請求項のいずれか１項に記載の装置であって、パラメトリックプロセスつまり一連の同時パラメトリックプロセスは、タイプＩ、タイプII、またはこれらの任意の組み合わせであることを特徴とする装置。
- 上記の請求項のいずれか１項に記載の装置であって、パラメトリックプロセスつまり一連の同時パラメトリックプロセスを用いて、絡み合った光子を周波数ｆ近辺の周波数で縮退的に発生することを特徴とする装置。
- 上記の請求項のいずれか１項に記載の装置であって、パラメトリックプロセスつまり一連の同時パラメトリックプロセスを用いて、絡み合った光子を周波数ｆ近辺の周波数で非縮退的に発生することを特徴とする装置。
- 上記の請求項のいずれか１項に記載の装置であって、周波数ｆおよび／または２ｆまたはその近辺の周波数において高反射率および／または高透過率を有する二色性の鏡を使用することを特徴とする装置。
- 上記の請求項のいずれか１項に記載の装置であって、異なる光周波数を角度的に分離する少なくとも１個の光学要素を有することを特徴とする装置。
- 請求項１９に記載の装置であって、前記角度的に分離するための光学要素は、少なくとも1個の二色性の鏡、および／または少なくとも1個のプリズム、および／または少なくとも1個の回折格子からなることを特徴とする装置。
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