JP2006013573A - 量子光伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ホモダイン検出のような参照光を必要とする光検出法においては、信号光と参照光は波長が等しく且つ位相関係が一定でなくてはならない。検出部に設置した局発光源に上記の条件を満足させることは一般に困難であり、さらに量子通信のような微小な信号光を伝送する場合はその困難さが特に著しくなる。この困難さを除くことが課題である。
【解決手段】信号光と参照光を同一の光源から取り出せば波長は等しい。但し、両者を長距離伝送すると、両者に対する伝送路の外部環境の違いから両光間で一定の位相関係を保持することができなくなる。そこで、信号光と参照光を同一の光路を直交する偏光で時間的に重なるようにして伝送すれば外部環境が等しくなり一定の位相関係が保持できるようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は量子力学的手法を用いた光通信に関する。

高度情報化社会の進展に伴い安全な情報伝達手段が益々重要になっている。情報の安全性を確保するために現在は公開鍵暗号等の暗号技術が広く利用されている。公開鍵暗号はその暗号解読に天文学的な計算量を必要とし、それが情報の安全性を裏づけている。しかしながら将来、計算機が発達すれば、現時点で不可能な暗号解読が可能になるかもしれない。

この問題に対処するひとつの方法は量子力学的原理に基づいた通信手法を用いることである。量子力学的手法を用いた光通信方法には様々なものが考えられるが、検出方法から分類すると参照光を必要とするものとしないものに分けられる。参照光を必要とする方式においては、信号光と参照光の波長が等しく、位相が同期している必要がある。そのような参照光を得る方法は、コヒーレント光通信方式の開発段階で色々と提案・開発されてきた（非特許文献１）。

これらの基本的構成は、検出部に参照光のための局発光源を設置し、高度な技術の電気回路を用いて信号光と局発光の周波数と位相をある範囲内に合わせ込もうとするものであるが、極めて困難な方法である。困難さを少しでも緩和するものとして、参照光を生成する際に信号光の一部を利用する方法もある（非特許文献２）。しかし、量子情報は信号光の一部を参照光の生成のために利用すると、利用した量に応じて信号を壊してしまうため、信号光の一部を参照光の生成のために利用する方法は量子情報の場合には基本的に適用できない。

一般に、実験室で行なう量子通信の実験では、参照光として信号光を生成した光源の出力光の一部を利用している。このようにすれば信号光と参照光は完全に同期が取れており参照光としての条件を満たしている。しかしながら、信号光と参照光を別々の光路で送る方法を、実験室外の長距離伝送で用いた場合には、各光路の外部環境の違いに起因する揺動のために位相の同期が保障されない。この問題が、参照光を必要とする量子通信システムを実験室外で行われるフィールド試験さらには実用化の段階に発展させられない理由のひとつになっている。

この問題に対しては、信号光と参照光を同一の光源を種光として生成し、同一伝送路で時間的にずらして伝送させることで解決しようとする方法が提案されている（非特許文献３）。これにより伝送中の外部環境因子が等しくなり、長距離伝送後の信号光と参照光の位相の同期性が改善される。

しかしながら、本方法でも信号光と参照光の同期性は完全ではない。光ファイバの非線形性は一般に小さいが、長距離伝送の際は積分効果により正味の効果としては大きなものになる。信号光と参照光では光強度が異なり、また参照光同士においても強度揺らぎがあるために伝送後の位相特性は非線形効果を通して異なるものになる。

さらに、この位相同期の問題に加えて、量子通信には一般に損失に関する問題がある。上述したように量子信号は一部取り出すとその量に応じてその分だけ量子状態が壊れてしまう。これが、量子通信が安全であることの裏づけであるが、故意に一部取り出しを行なわなくても伝送損失によっても信号の一部破壊になる。したがって、量子信号を長距離伝送するためにはブレークスルーとなる技術が必要である。

島田禎晉監修：コヒーレント光通信、ｐ．４９５０、コロナ社、１９８８年

島田禎晉監修：コヒーレント光通信、ｐ．２５２６、コロナ社、１９８８年 T. Hirano, H. Yamanaka, M. Ashikaga, T. Konishi, and R. Namiki: Quantum cryptography using pulsed homodyne detection, Physical Review A 68, 042331 （2003）．

参照光を必要とする量子通信システムでは、検出部において信号光と参照光の位相の同期が取れている必要がある。上述したように信号光と同期の取れた参照光を検出部で生成することは困難であり、また参照光を送信側で生成し、信号光と時間的に重ならないようにして同一の伝送路を用いて伝送したとしても伝送中の非線形効果が光パルス間で異なるため、伝送後に信号光と参照光の位相同期を図ることは困難になる。さらに量子信号は伝送損失があるとそれに応じて信号の一部破壊が生じる。この位相同期と信号破壊の問題を解決しようとするのが本発明の課題である。

信号光と参照光を同一ファイバで伝送するだけでなく、両者を直交する偏波で時間的に重なるようにして伝送する。

信号光と参照光を時間的重なるようにして伝送することにより、信号光は参照光に捕捉されて伝送される。このように信号光は参照光と完全に同期して伝送されるため、参照光自身が元々持っていた揺らぎや環境揺らぎに起因する効果を信号光も同時に被ることになり、参照光と信号光が干渉している検出系においてはこれらの効果が現れなくなり、長距離伝送後もホモダイン検出等の干渉計測が可能になる。

（実施例１）
図１は本発明の基本形態のひとつを示すシステム構成図である。光送信機１００から出力された信号光３９１及び参照光３９２は同一の光ファイバ３００を直交する偏光で時間的に重なって光受信機２００に伝送される。信号光３９１と参照光３９２は、同一の光源を種光として生成され、時間的に重なった偏光で送信されるため、光受信機２００で検出する時に位相が同期している。

図２は同一の光源を種光として時間的に重なった偏光の信号光３９１及び参照光３９２を生成するための送信機の構成の一例を示すブロック図である。１１０は光源、１９１はその出力光である。量子状態発生器１２０は光源１１０の出力光１９１を基にして量子光１９３を生成する。量子光１９３の量子状態としてスクィズド状態を考えた場合、その生成法はパラメトリック下方変換を用いた方法（R. E. Slusher, et al., “Observation of squeezed states generated by four-wave mixing in an optical cavity,” Phys. Rev. Lett. 55, 2409 2412 (1985) ;E. S. Polzik, J. Carry, and H. J. Kimble, Appl. Phys. B 55, 279 (1992)）、光ファイバとビームスプリッタを用いた方法（M. Shirasaki and H. A. Haus, “Squeezing of pulses in a nonlinear interferometer,” J. Opt. Soc. Am. B 7, 30 34 (1990)）等が考えられる。

エネルギー的には量子光１９３は光源１１０の出力光１９１の一部を用いて生成される。量子状態生成に使用されなかった成分１９２は参照光として利用される。参照光１９２は必要に応じて増幅器１４２で増幅される。生成された量子光１９３は変調器１４１で送信信号を重畳されて量子信号光１９４となる。この際、光受信装置２００で参照光との同期関係をチェックするための信号を量子信号１９４にある間隔ごとに乗せておけば便利である。同期関係をチェックするための信号は、変調器１４１における変調度をあらかじめ既定した値にすれば達成できる。

信号光１９４は参照光１９２と直交する偏光で合波器１６１により合波され、光ファイバ３００で伝送される。合波器１６１は偏光ビームスプリッタを用いるのが簡単である。偏光ビームスプリッタは直交する直線偏光を合波するものであり、合波器１６１への２つの入力光である参照光１９２及び信号光１９４は偏波調整器１５１及び１５２により適当な偏光に調整される。通常、参照光１９２と量子光１９３は直線偏光なので、偏波調整器１５１と１５２は半波長板でその目的を達成できる。１４５は光遅延器であり、矢印に示すように位置が可変とされ、合波器１６１に導入される参照光１９２のタイミングの調整に使用される。

なお、図では、単に光路を変更するだけの機能のミラーについては参照符号と説明を省略する。以下の図においても同様である。

光ファイバ３００は偏波保存ファイバを用いる方式と用いない方式のどちらも可能である。偏波保存ファイバを用いる方式では、ある長さごとにファースト軸とスロー軸を入れ替えて、伝送に要する時間を二つの偏光方向に対してほぼ等しくするオプションもありうる。

光ファイバ３００に偏波保存ファイバを用いて、参照光１９２及び信号光１９４の偏波が特定されている場合は受信機２００の構成は比較的単純になる。図３は参照光１９２及び信号光１９４の偏波が特定されている場合の受信機の構成の一例を示すブロック図である。まず分波器２２０により信号光２９１と参照光２９２に分離する。分波器２２０は偏光ビームスプリッタを用いるのが簡単である。分離された参照光２９２は必要に応じて増幅器２３１と波形整形器２３２を通して増幅波形整形され、光遅延器１４５により光路長が調整されて分岐比５０：５０のビームスプリッタ２４１に導かれ、信号光２９１と干渉する。

信号光２９１と参照光２９２が干渉するためには、両者の偏光が一致して且つ光路長も位相レベルで一致している必要がある。偏波調整器２２１と２２２は前者の目的のためのもので、信号光１９１と参照光２９２が通常直線偏光であることを考えれば半波長板でその目的を達成できる。光遅延器１４５は後者の目的である光路長調整のためのものである。ビームスプリッタ２４１に対しては色々な方法があり、通常のビームスプリッタやファイバカプラの他、偏光ビームスプリッタを用いる方法もある。

ビームスプリッタを透過して干渉した２つの光は光検出器２４２，２４３でそれぞれ検出される。光検出器２４２，２４３はフォトダイオードや光電子増倍管等である。光検出器２４２と２４３での検出信号は電気回路２４４で処理されて出力信号となる。出力信号の一部は位相解析器２５０に導かれて、信号光２９１と参照光２９２の位相差を解析し、その位相差を最適化するように光遅延器１４５にフィードバックされる。

光ファイバ３００に偏波を保存しない通常の光ファイバを用いた場合や偏波保存ファイバを用いた場合でも偏光を調整したい場合、受信機２００は、偏波調整器２１１を分波器２２０への入力前に設置する。図４、図５及び図６は、それぞれ、偏波調整器２１１を分波器２２０への入力前に設置する場合の受信機の構成の例を示すブロック図である。分波器２２０に偏光ビームスプリッタを用いた場合は偏波調整器２１１により直線偏光になるように調整する。受信機２００に伝送されてきた光の偏波面は偏光解析器２１２より解析される。

偏光解析器２１２の位置は様々な位置が考えられ、分波器２２０の手前から伝送されてきた光の一部をビームスプリッタ２４９で分波して取り出す場合（図４）、分波器２２０の後方で参照光の一部をビームスプリッタ２４９で分波して取り出す場合（図５）、分波器２２０の後方で信号光の一部をビームスプリッタ２４９で分波して取り出す場合（図６）が考えられる。いずれの場合も解析結果は偏波調整器２１１にフィードバックされる。偏波調整器２１１への信号の導出を除けば、図４、図５及び図６に示す受信機２００の構成は、図３に示す受信機２００の構成と同じである。

受信機において参照光を増幅・波形整形する必要がない場合は受信機２００を簡単な構成にすることができる。図７は参照光を増幅・波形整形する必要がない場合の受信機の構成の例を示すブロック図である。偏波調整器２１５を調整して、偏光ビームスプリッタ２４５の透過光に対する光軸と参照光の偏波面が４５度の角度をなす直線偏光なるようにして、参照光を２４５で２分割する。その際同時に信号光も２分割されて、それぞれの分割ビームは参照光と信号光の間で干渉する。干渉したそれぞれのビームは光検出器２４２及び２４３で光電変換され、電気回路２４６で処理される。光検出器２４２及び２４３での相対的検出強度は偏光ビームスプリッタ２４５への入力偏光に依存するため、光検出器２４２と２４３への入力強度が等しくなるように、強度解析器２１６を通して偏波調整器２１５にフィードバックされる。

（実施例２）
送信機１００の量子状態発生器１２０には様々な形態が考えうる。図８は光ファイバを用いてスクィズド光を発生させる方法の一例を示すブロック図で、励起光を５０：５０に分離するファイバカプラ１２５を用いて量子状態発生器１２０を構成している。光源１１０は励起光源１１１とコリメータレンズ系１１２からなる。励起光源１１１は使用波長に応じて適当なものが選ばれる。例えば通常の通信用波長である１．５μｍ帯に対してはフェムト秒Ｃｒ^４＋：ＹＡＧレーザーやＥｒ添加ファイバレーザー等である。コリメータレンズ系１１２は１枚のレンズとは限らず励起光源１１１からの出力仕様に合わせて適宜選ばれる。

励起光源１１１からの出力光はレンズ系１１２でコリメートされて偏光ビームスプリッタ１２１に入力される。偏光ビームスプリッタ１２１の入射光が透過するように全体の光学系を配置する。場合によってはレンズ系１１２と偏光ビームスプリッタ１２１の間に偏波調整器を配置して偏波面を調整する。偏光ビームスプリッタ１２１を透過した光はファラデー回転器１２２を透過して偏波面が４５度回転し、半波長板１２３とコリメータレンズ１２４を通して偏波保存ファイバ１２６に入力される。半波長板１２３は偏波保存ファイバ１２６への入力光の偏波面がファイバの光軸に一致するようにするためのものである。ファイバ１２６に入力した光は５０：５０のファイバカプラ１２５で分岐され互いに逆方向に進んで再度ファイバカプラ１２５で合波する。ファイバ１２６内の光波の伝播が線形方程式で記述されるならば合波後はすべてポート１側に戻るが、ファイバ１２６内でカー効果が働くと合波時のバランスがわずかに崩れてポート２側に出力が現れる（前出のＳｈｉｒａｓａｋｉの文献）。このわずかな出力がスクィズド光と呼ばれる量子光１９３になっている。ポート１側に戻った光は非量子光でありコリメータレンズ１２４と半波長板１２３を透過し、ファラデー回転器１２２で偏波面が４５度回転して偏光ビームスプリッタ１２１に導かれる。ファラデー回転器１２２は往復で２回通過しているので偏波面は都合９０度回転していることになり、偏光ビームスプリッタ１２１において今回は反射する。この反射光が参照光１９２として用いられる。

ところで、光ファイバ１２６とファイバカプラ１２５からなる系は干渉計になっておりファイバ１２６内で対向して伝播する光は環境に依存する揺らぎに対して安定していることが望まれる。一般に非線形効果が働いている系では揺らぎに対して不安定になることが多いが、光パルスのファイバ伝播ではファイバによる波長分散とカー効果が釣り合って安定に伝播する光ソリトンが知られている。ソリトンを形成するための条件はソリトンの次数Ｎを定義した下記の式（１）を用いて評価することができる。ソリトン次数Ｎは、パルス幅をＴ_０、ファイバの２次分散をβ_２、非線形屈折率をｎ_２、有効断面積をＡ_ｅｆｆ、光速をｃとして式（１）、（２）で与えられる（G. P. Agrawal, “Nonlinear fiber optics,” 2^nd ed. (Academic Press, New York, 1995)：式（5.2.3）及び、式（2.3.28））。

ここでパルス幅Ｔ_０はパルス波形をｓｅｃｈ^２（ｔ／Ｔ_０）としたときのパラメタである。γはカー効果を表すパラメタで単位長さ、単位強度当たりの位相変化量を表す。Ｎ＝１の場合が基本ソリトンで実用上最も重要で、ここでもＮ＝１にすることが目標仕様になる。ファイバのカー効果を有効に利用するためには有効断面積は小さいほど良い。現在入手可能な１．５μｍ帯用の偏波保存ファイバで有効断面積が小さいものはモードフィールド径がＭＦＤ＝５．５μｍ（通常の偏波保存ファイバは１０．５μｍ程度）の通常分散型ファイバである。励起光源としてフェムト秒Ｃｒ^４＋：ＹＡＧレーザーを想定し、繰り返しレート１ＧＨｚ、実効的に利用可能な平均出力強度が１００ｍＷとすれば、ファイバカプラ１２５で２分割されることを考慮して、一方向に付き平均出力強度５０ｍＷになる。１パルス当たりのエネルギーは１ＧＨｚで割ってＩ_０＝５０ｐＪになり、I_０＝２Ｔ_０Ｐ_０の関係からＴ_０Ｐ_０＝２５ｐＪである。通常分散ファイバとして｜β_２｜＝２０ｐｓ^２／ｋｍ、ｎ_２＝２．６６ｘ１０^−２０ｍ^２／Ｗを仮定して、波長をλ＝１．５２５μｍとすればN＝１の時、Ｔ_０＝１７０ｆｓになる。これを半値全幅に換算すれば３００ｆｓである。

以上の見積もりにより、上記の条件では、パルス幅が３００ｆｓ程度になるようにしてＣｒ^４＋：ＹＡＧレーザーを発振させればファイバ１２６においてソリトン条件を満足してスクィズド状態を安定して生成できる。スクィジングの強度はファイバ１２６の長さに依存するので必要に応じて長さを決定する。概ね、数ｍから数十ｍの長さで用いる。

以上で量子光発生器１２０が構成された。そこで発生された量子光と非量子光は光送信機１００内で必要な処理をされた後、光ファイバ３００で伝送される。光パルスをファイバで伝送すると波長分散と非線形効果のために一般に伝送と共にパルスは壊れていく。これは信号光・参照光共通の現象である。非線形効果は光強度に依存するため、一般に信号光と参照光とではその効果に違いがある。さらに参照光のパルス間の強度揺らぎのために参照光同士でも非線形効果に違いがある。したがって受信機において参照光が安定して十分な機能を果たさない可能性がある。

これを防ぐ方法は、参照光についてはソリトン条件を満足させて非線形効果に対する不安定性を阻止することであり、また信号光については信号光を参照光と直交する偏光で時空間的に一致させることでトラップさせて伝送させることである。３次の非線形効果のために信号光と参照光はいわゆる交差相互作用が働き、互いにトラップして伝送されるようになる。信号光は非常に微弱であるために伝送特性はほとんど参照光で決まる。スクィズド光を発生させるためにファイバ１２６において光ソリトンを形成したが、そのパルス波形を維持して光ファイバ３００で伝送できれば無事に信号が伝達される。

光ファイバ３００は色々なタイプのものが考えうるが、まずモードフィールド径１０．５μｍの一般的な通常分散型偏波保存ファイバを考えることにする。Ｔ_０＝１７０ｆｓ（半値全幅３００ｆｓ）の光パルスに対してソリトン条件を満足させるためにはλ＝１．５２５μｍ，１ＧＨｚの場合、式（１），（２）を用いて平均強度１８６ｍＷが必要になる。ファイバ１２６を用いた上記の量子光発生器１２０からは約１００ｍＷの非量子光が放出されるがこのままでは強度が足らず、増幅器１４２で増幅する必要がある。もちろんこの条件は分散値β_２等のパラメタに大きく依存するため、例えばβ_２の絶対値の小さい分散シフト型や非零分散シフト型の光ファイバを用いれば小さい光強度でソリトン条件を満足させることが出来、増幅器なしにすることもできる。このようにして参照光をソリトンにできれば安定して伝送することが出来、さらに信号光はそれにトラップして伝送される。上記の条件では参照光はパルス幅３００ｆｓなので光送信機１００内の合波器１６１での信号光と参照光の時間一致の精度は数十ｆｓ以下程度が要求される。

光ソリトンを形成することにより信号光・参照光を安定して伝送できることが分かった。光ソリトンは非線形効果を用いているにもかかわらず伝送の安定性が保証された形態で、光パルスに内在する強度揺らぎを伝送の過程で縮小する効果を持っている。信号光として強度揺らぎを圧搾したスクィズド状態を用いれば、伝送損失によりスクィジングが劣化するような場合においてもソリトンの強度揺らぎ圧搾効果はそれを相殺する働きがある。

参照光はソリトン条件を満足することにより、光ファイバの３次の非線形効果であるカー効果による自己位相変調効果と光ファイバの波長分散が釣り合ってソリトンを形成し安定して伝送される。光ファイバの３次の非線形効果は自分自身に位相変調を及ぼすだけでなく時間的に重なったすべての光を位相変調する。信号光と参照光を時間的重なるようにしたことにより、参照光は信号光にも位相変調を及ぼし、信号光もソリトン的条件を満たし、信号光は参照光に捕捉されて伝送される。このように信号光は参照光と完全に同期して伝送されるため、参照光自身が元々持っていた揺らぎや環境揺らぎに起因する効果を信号光も同時に被ることになり、参照光と信号光が干渉している検出系においてはこれらの効果が現れなくなり、長距離伝送後もホモダイン検出等の干渉計測が可能になる。

信号光がスクィズド状態の場合はさらに顕著な効果がある。光ファイバのカー効果と波長分散は光パルスの強度揺らぎを縮小する働きを持つ。一般にスクィズド状態は伝送損失によりその損失分の揺らぎが真空揺らぎに変換される。したがって伝送損失はスクィズド状態を壊す効果がある。これが量子通信の長距離伝送を困難にしている理由であるが、振幅方向に揺らぎを圧搾したスクィズド状態を信号伝送に利用すれば光ファイバの参照光に対する強度揺らぎ縮小効果により信号光にも強度揺らぎ縮小効果が働き、伝送損失によるスクィジング破損効果を相殺する働きがある。この働きはスクィズド状態、言い換えれば量子通信の長距離伝送を可能にする。

また、参照光には伝送中に信号光を増幅する機能を持たせることも可能である。参照光を励起光とみなせば光ファイバのラマン効果を用いて信号光が増幅されうるからである。光ファイバの揺らぎ圧搾効果とラマン増幅効果を用いれば量子状態の伝送距離制限が大幅に緩和される。

（実施例３）
図９は光ファイバを用いてスクィズド光を発生させる方法の一例を示すブロック図で、励起光を５０：５０に分離するビームスプリッタ１２７を用いて量子状態発生器１２０を構成している。励起光源１１１からの出力光はレンズ系１１２によりコリメートされ偏光ビームスプリッタ１２１、ファラデー回転器１２２、半波長板１２３を透過してビームスプリッタ１２７に導かれる。ここでビームは２分割され、一方は半波長板１２８とレンズ１３０を通して偏波保存ファイバ１３２に、もう一方は半波長板１２９とレンズ１３１を通して偏波保存ファイバ１３２に入力される。半波長板１２３はビームスプリッタ１２７への入力偏光を調整するもので、半波長板１２８と１２９はファイバ１３２の光軸と入射光の偏波面を一致させるためのものである。実施例３の機能は実施例２と基本的に同じである。

偏光ビームスプリッタ１２１から参照光１９２が、ビームスプリッタ１２７から量子光が得られる。

（実施例４）
図８、図９においてスクィズド光生成の方法を示した。これらの構成を用いて２つのスクィズド状態を同時に生成することも可能である。

スクィズド状態の出力を２箇所から取り出しそれらをビームスプリッタで合波すると２モードスクィズド状態を生成できる（G. Yeoman et al., “Two-mode squeezed Gaussons,” J. Mod. Opt. 40, 1497 1530 (1993)）。またこのビームスプリッタからの2つの出力光は互いに量子力学的にもつれ合っており(A. Furusawa et al., “Unconditional quantum teleportation,” Science 282, 706 709 (1998))、もつれ合った量子光を信号光に用いることもできる。

図１０は図８の構成を基礎として、ポート２側に直交する２つの偏波のスクィズド状態を生成する構成例を示すブロック図である。図８においては半波長板１２３で調整することにより偏波保存ファイバ１２６の光軸と入力光の偏波面を一致させたが、図１０においては半波長板１２３で調整して偏波保存ファイバ１２６の光軸に対して入射光の偏波面を４５度傾ける。このようにすることにより偏波保存ファイバ１２６の２つの光軸方向に振動面を持つ２つの偏光モードが伝播する。その結果、ポート２側には直交する２つの偏波のスクィズド状態が生成される。偏光ビームスプリッタ１３４を用いてこれら２つの偏光成分を分離すれば２つのスクィズド状態が同時に生成される。

図１１は図９の構成を基礎として、ビームスプリッタ１２７の出力側に直交する２つの偏波のスクィズド状態を生成する構成例を示すブロック図である。この場合ビームスプリッタ１２７はＳ偏光とＰ偏光の両者に対して５０：５０になっていることが必要である。半波長板１２３，１２８，１２９を用いて偏波保存ファイバ１３２の光軸と入射光の偏波面が４５度の角度をなすようにして、図１０の場合と同様に互いに直交した２つのスクィズド状態が生成される。偏光ビームスプリッタ１３５を用いてそれらを分離すればひとつの量子状態発生器１２０から同時に２つのスクィズド光を取り出すことができる。

図１０あるいは図１１の構成によって２つのスクィズド光を同時に生成できた場合は信号光に２モードスクィズド状態を用いることができる。図１２は２モードスクィズド状態を用いた信号光の生成の構成例を示すブロック図である。量子状態発生器１２０から出力される２つの量子光（スクィズド状態）１９３と１９５の一方に変調器１４３を用いて送信信号を重畳する。半波長板１５３、１５４により２つの量子光の偏光を一致させてビームスプリッタ１５５において合波させる。その結果生成された信号光１９４は２モードスクィズド状態になっている。その後の信号処理方法は実施例１と同様である。ビームスプリッタ１５５において生成されたもう一方の合成光は光検出器１５６で受光して２つの量子光１９３と１９５の間の位相関係の解析に用いられる。位相解析器１５７により解析された結果は可動ミラー１５８にフィードバックされて、量子光１９３と１９５が一定の位相関係を保つようにする。

ビームスプリッタ１５５で合波されて生成された２つの２モードスクィズド状態は互いに量子力学的にもつれ合っている。もつれ合ったビーム対を用いればさらに巧妙な信号伝達法を構築することも可能である。実施例４では量子光１９３と１９５の一方のみを変調したが両者とも変調することも可能であり、さらに巧妙な信号伝達法を構築することも可能である。

本発明は安全性の高い量子通信を実現するための方法を提供している。情報の安全性は高度情報化社会を支えるための重要なインフラであり、本発明は安全性の保障された社会を実現するために利用される。

本発明の基本形態のひとつを示すシステム構成図であり、信号光と参照光が同一の光路を直交する偏光で時間的に重なって伝送される光送受信システムを示す図。 同一の光源を種光として時間的に重なった偏光の信号光３９１及び参照光３９２を生成するための送信機の構成の一例を示すブロック図。 参照光１９２及び信号光１９４の偏波が特定されている場合の受信機の構成の一例を示すブロック図。 偏波調整器２１１を分波器２２０への入力前に設置する場合の受信機の構成の一例を示すブロック図。 偏波調整器２１１を分波器２２０への入力前に設置する場合の受信機の構成の他の一例を示すブロック図。 偏波調整器２１１を分波器２２０への入力前に設置する場合の受信機の構成のさらに他の一例を示すブロック図。 参照光を増幅・波形整形する必要がない場合の受信機の構成の例を示すブロック図。 光ファイバを用いてスクィズド光を発生させるため、励起光を５０：５０に分離するファイバカプラ１２５を用いて構成した量子状態発生器１２０の一例を示すブロック図。 光ファイバを用いてスクィズド光を発生させるため、励起光を５０：５０に分離するビームスプリッタ１２７を用いて構成した量子状態発生器１２０の一例を示すブロック図。 図８の構成を基礎として、ポート２側に直交する２つの偏波のスクィズド状態を生成する構成例を示すブロック図。 図９の構成を基礎として、ビームスプリッタ１２７の出力側に直交する２つの偏波のスクィズド状態を生成する構成例を示すブロック図。 ２モードスクィズド状態を用いた信号光の生成の構成例を示すブロック図。

符号の説明

１００…光送信機、１１０…光源、１１１…励起光源、１１２…コリメータレンズ系、１２０…量子状態発生器、１２１…偏光ビームスプリッタ、１２２…ファラデー回転器、１２３…半波長板、１２４…レンズ、１２５…ファイバカプラ、１２６…光ファイバ、１２７…ビームスプリッタ、１２８…半波長板、１２９…半波長板、１３０…レンズ、１３１…レンズ、１３２…光ファイバ、１３３…レンズ、１３４…偏光ビームスプリッタ、１３５…偏光ビームスプリッタ、１４１…変調器、１４２…増幅器、１４３…変調器、１４５…光遅延器、１５１…偏波調整器、１５２…偏波調整器、１５３…偏波調整器、１５４…偏波調整器、１５５…ビームスプリッタ、１５６…光検出器、１５７…位相解析器、１５８…可動ミラー、１６１…合波器、１９１…光源１１０からの出力光、１９２…参照光、１９３…量子光、１９４…信号光、１９５…量子光、２００…光受信機、２１１…偏波調整器、２１２…偏光解析器、２１３…偏光解析器、２１４…偏光解析器、２１５…偏波調整器、２１６…強度解析器、２２０…分波器、２２１…偏波調整器、２２２…偏波調整器、２３１…増幅器、２３２…波形整形器、２４１…ビームスプリッタ、２４２…光検出器、２４３…光検出器、２４４…電気回路、２４５…偏光ビームスプリッタ、２４６…電気回路、２５０…位相解析器、２９１…信号光、２９２…参照光、３００…光ファイバ、３９１…信号光、３９２…参照光。

Claims (18)

1. ひとつの光源を励起源とする量子状態発生器と、
   該量子状態発生器から出力される量子状態に信号を重畳して信号光にするための変調器と、
   前記変調器から出力される信号光に対する偏波調整器と、
   前記量子状態発生器から放出される非量子光である参照光の光路長を調整する光遅延器と、
   前記参照光に対する偏波調整器と、
   信号光及び参照光を時空間的に重なり且つ直交した偏光状態に合波するための偏光合波器と、
   を有することを特徴とする光送信機。
2. 前記量子状態発生器はスクィズド状態を発生させる請求項１記載の光送信機。
3. 前記量子状態発生器は２モードスクィズド状態を発生させる請求項１記載の光送信機。
4. 前記量子状態発生器は量子もつれ合い状態を発生させる請求項１記載の光送信機。
5. 直交する偏光で時間的に重なって送られてきた信号光と参照光を分離する分波器と、
   前記信号光に対する偏波調整器と、
   前記参照光に対する増幅器と、
   前記参照光に対する波形整形器と、
   前記参照光の光路長を調整する光遅延器と、
   前記参照光に対する偏波調整器と、
   前記信号光と前記参照光を干渉させるための合分波器と、
   干渉後の２つの光をそれぞれ検出する光検出器と、
   前記検出された２つの信号を処理する電気回路と、
   からなることを特徴とする光受信機。
6. 前記直交する偏光で送られてきた信号光と参照光を直線偏光にする偏波調整器と偏波解析器を具備した請求項５記載の光受信機。
7. 前記信号光と前記参照光を分波する前の位置で光の一部を取り出し、前記偏波解析器で偏光を解析し、偏波調整器にフィードバック信号を送る請求項６記載の光受信機。
8. 前記信号光と前記参照光を分波した後の位置で参照光の一部を取り出し、前記偏波解析器で偏光を解析し、偏波調整器にフィードバック信号を送る請求項６記載の光受信機。
9. 前記信号光と前記参照光を分波した後の位置で信号光の一部を取り出し、前記偏波解析器で偏光を解析し、偏波調整器にフィードバック信号を送ることを特徴とする請求項６記載の光受信機。
10. 光送信機においては参照光と送信信号で変調された量子光を直交する偏光で時間的に重なった状態に合成し、光送信機の送信する信号を光ファイバを用いて伝送し、光受信機においては前記光ファイバからの受信光中の参照光を用いて、送信信号で変調された量子光を検出し、その検出信号から送られてきた送信信号を得ることを特徴とする光送受信システム。
11. 前記光ファイバは偏波保存ファイバである請求項１０記載の光送受信システム。
12. 前記光ファイバで伝送される参照光は光ソリトンを形成している請求項１０記載の光送受信システム。
13. ひとつの光源を励起源とする量子状態発生器と、
    該量子状態発生器から出力される量子状態に信号を重畳して信号光にするための変調器と、
    前記変調器から出力される信号光に対する偏波調整器と、
    前記量子状態発生器から放出される非量子光である参照光の光路長を調整する光遅延器と、
    前記参照光に対する偏波調整器と、
    信号光及び参照光を時空間的に重なり且つ直交した偏光状態に合波するための偏光合波器とからなる光送信機と、
    前記光送信機の送信する信号を伝送する光ファイバと、
    前記光ファイバから受信する信号から参照光を用いて送信信号で変調された量子光を検出し、その検出信号から送られてきた送信信号を得る光受信機と、
    よりなることを特徴とする光送受信システム。
14. 前記光ファイバは偏波保存ファイバである請求項１３記載の光送受信システム。
15. 前記光ファイバで伝送される参照光は光ソリトンを形成している請求項１３記載の光送受信システム。
16. 信号光及び参照光を時空間的に重なり且つ直交した偏光状態で送信する光送信機と、
    前記光送信機の送信する信号を伝送する光ファイバと、
    前記信号光及び参照光を時空間的に重なり且つ直交した偏光状態で送られてきた信号光と参照光を分離する分波器と、
    前記信号光に対する偏波調整器と、
    前記参照光に対する増幅器と、
    前記参照光に対する波形整形器と、
    前記参照光の光路長を調整する光遅延器と、
    前記参照光に対する偏波調整器と、
    前記信号光と前記参照光を干渉させるための合分波器と、
    干渉後の２つの光をそれぞれ検出する光検出器と、
    前記検出された２つの信号を処理する電気回路とからなる光受信機と、
    前記光送信機と前記光受信器の間を光ファイバで結ぶことを特徴とする光送受信システム。
17. 前記光ファイバは偏波保存ファイバである請求項１６記載の光送受信システム。
18. 前記光ファイバで伝送される参照光は光ソリトンを形成している請求項１６記載の光送受信システム。
    

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