JP2007101674A

JP2007101674A - 量子相関光子対発生装置および量子もつれ光子対発生装置

Info

Publication number: JP2007101674A
Application number: JP2005288673A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Takei; 弘樹武居
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-19

Abstract

【課題】自然放出ラマン散乱過程により発生した雑音光子数を抑圧する。
【解決手段】発生時刻および偏波状態に量子力学的な相関を有する量子相関光子対を発生させる量子相関光子対発生装置において、光周波数ｆ_pのポンプ光を出力するポンプ光源１１と、ポンプ光を入力して、２ｆ_p＝ｆ_s＋ｆ_iの関係を満たす光周波数ｆ_sのシグナル光子および光周波数ｆ_iのアイドラ光子を発生する光ファイバ１２と、光ファイバ１２を冷却する冷却手段１３と、光ファイバ１２から出力されたシグナル光子とアイドラ光子とを分離して出力する手段１４とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、量子力学的相関を有する光子対を発生させる量子相関光子対発生装置および量子もつれ光子対発生装置に関する。

近年、量子暗号、量子テレポーテーション等の量子力学を利用した量子情報通信システムが提案されている。量子暗号とは、量子状態を変えずに物理量を観測することが一般にはできないことを利用して、共通鍵暗号方式における鍵配送を行う暗号方式であり、暗号鍵の安全性が量子力学の原理により保証された究極的に安全な暗号通信システムである。量子テレポーテーションとは、量子状態を転送するシステムであり、量子暗号における伝送距離の延長、量子計算機などの量子情報処理装置における信号転送に利用される。

量子テレポーテーションは、電子または光子といった２つの粒子の絡み合い（エンタングルメント）の状態、例えば、電子のスピンの「プラス」と「マイナス」、光子の偏光の「垂直」と「水平」という量子力学的相関を利用する。光子の量子状態を量子テレポーテーションにより転送するためには、送信者と受信者の間で量子力学的相関を有する光子対を共有することが必要である。

様々な物理量に関しての量子力学的相関を有する光子対が考えられるが、光ファイバを非線形媒質として用いて、量子相関光子対を発生する技術が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。光ファイバに、光周波数ｆ_pのポンプ光を入力すると、光ファイバ中において、自然放出四光波混合過程により、光周波数２ｆ_p＝ｆ_s＋ｆ_iを満たす光周波数ｆ_sのシグナル光子および光周波数ｆ_iのアイドラ光子が発生する。この現象は、ＰＤＣ（parametric down conversion）と呼ばれている。シグナル／アイドラ光子対は、発生時刻および偏波状態に量子力学的な相関を有する量子相関光子対である。光ファイバを非線形媒質として用いた量子相関光子対発生装置は、従来の非線形結晶を用いた量子相関光子対発生装置に比べ、光ファイバとの結合損失が少ないという利点がある。

M. Fiorentino et al., "All-Fiber Photon-Pair Source for Quantum Communications", IEEE Photon. Tech. Lett. Vol.14, No.7, p.983-985 (2002)

光ファイバを非線形媒質として用いた量子相関光子対発生装置においては、ポンプ光により自然放出四光波混合過程だけが生ずるだけでなく、自然放出ラマン散乱過程も誘起する。自然放出ラマン散乱過程により発生した光子は、雑音となり、量子相関光子対の品質が劣化するという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、雑音となる光子の影響が抑圧された量子相関光子対発生装置および量子もつれ光子対発生装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の量子相関光子対発生装置は、光周波数ｆ_pのポンプ光を出力するポンプ光源と、前記ポンプ光を入力して、２ｆ_p＝ｆ_s＋ｆ_iの関係を満たす光周波数ｆ_sのシグナル光子および光周波数ｆ_iのアイドラ光子を発生する光ファイバと、該光ファイバを冷却する冷却手段と、前記光ファイバから出力された前記シグナル光子と前記アイドラ光子とを分離して出力する手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の量子もつれ光子対発生装置は、光周波数がｆ_pであり、隣接するパルス間の位相関係が定まっている複数のポンプ光パルスを連続して出力するポンプ光源と、前記複数のポンプ光パルスを入力して、２ｆ_p＝ｆ_s＋ｆ_iの関係を満たす光周波数ｆ_sのシグナル光子および光周波数ｆ_iのアイドラ光子を発生する光ファイバと、該光ファイバを冷却する冷却手段と、前記光ファイバから出力された前記シグナル光子と前記アイドラ光子とを分離して出力する手段とを備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の量子もつれ光子対発生装置は、光周波数ｆ_pのポンプ光を出力するポンプ光源と、前記ポンプ光の偏波を４５度の直線偏波に調整する偏波調整手段と、４つの入出力端子を有し、前記偏波調整手段の出力に接続された偏波ビームスプリッタと、該偏波ビームスプリッタから縦偏波成分が出力される入出力端子と、前記偏波ビームスプリッタの横偏波成分が出力される入出力端子とを接続し、２ｆ_p＝ｆ_s＋ｆ_iの関係を満たす光周波数ｆ_sのシグナル光子および光周波数ｆ_iのアイドラ光子を発生する光ファイバと、該光ファイバを冷却する冷却手段と、前記偏波ビームスプリッタから出力された前記シグナル光子と前記アイドラ光子とを分離して出力する手段とを備えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、光ファイバを非線形媒質として用いて、冷却手段により冷却することにより、自然放出ラマン散乱過程により発生した雑音光子数を抑圧することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１に、本発明の一実施形態にかかる量子相関光子対発生装置を示す。量子相関光子対発生装置は、ポンプ光源１１に光ファイバ１２が接続され、光ファイバ１２の出力には、光フィルタ１４が接続されている。光ファイバ１２は、光ファイバ冷却装置１３により冷却され、一定温度に保持されている。

ポンプ光源１１から出力された光周波数ｆ_pのポンプ光は、光ファイバ１２に入力される。光ファイバ１２においては、自然放出四光波混合過程により、光周波数２ｆ_p＝ｆ_s＋ｆ_iを満たす光周波数ｆ_sのシグナル光子および光周波数ｆ_iのアイドラ光子が発生する。シグナル光子とアイドラ光子とは、光フィルタ１４により分離され出力される。シグナル／アイドラ光子対は、発生時刻および偏波状態に量子力学的な相関を有する量子相関光子対である。

ここで、シグナル／アイドラ光子対の発生の際に生ずる自然放出ラマン散乱過程を抑圧する方法について述べる。自然放出ラマン散乱は、ポンプ光子と光ファイバ媒質のフォノンとの非線形相互作用により自然放出光子が発生する過程である。このとき、ポンプ光の光周波数より低い光周波数の自然放出光子をストークス光子といい、高い光周波数の自然放出光子をアンチストークス光子という。

ポンプ光強度が十分に大きく、非線形相互作用によるポンプ光の減少が無視できるとき、熱平衡状態において自然放出ラマン散乱により発生するストークス光子数ｎ_sおよびアンチストークス光子数ｎ_asは、次式で表される。
ｎ_s（Ｔ）＝ｇＬｅ^(-αL)／［１−ｅｘｐ｛（−ｈν）／（ｋ_BＴ）｝］（１）
ｎ_as（Ｔ）＝ｇＬｅ^(-αL)／［ｅｘｐ｛（ｈν）／（ｋ_BＴ）｝−１］（２）
ここで、Ｌはファイバ長、αはファイバの損失係数、ｈはプランク定数、νはフォノン周波数、ｋ_Bはボルツマン定数、Ｔはファイバの絶対温度、ｇはポンプ光子数に比例する係数である。

式（１）、（２）より明らかなように、自然放出ラマン散乱過程により発生する雑音光子数は、温度Ｔを下げることに減少する。例えば、フォノン周波数を４００ＧＨｚとすると、ファイバを常温（２９３Ｋ）から液体窒素温度（７７Ｋ）まで冷却すると、ストークス光子数は２３％、アンチストークス光子数は１９％にまでそれぞれ減少する。

量子相関光子対は、量子暗号などの殆どの量子通信システムにおいて、シグナル光子とアイドラ光子を同時に測定した場合（同時計数）に情報が伝達される。このような、同時計数に基づく通信の場合、以下に述べるように、光ファイバの冷却の効果は、より強調される。

単位時間当たりの平均の量子相関光子対数をμ_cとし、ストークスおよびアンチストークス光子数が等しくμ_nであるとする（フォノン周波数νが、４００ＧＨｚ程度と比較的小さいとき、この近似は妥当である）。受信機の雑音が無視できるとき、単位時間当たりに得られる、相関のある光子対による同時計数Ｒ_corおよび相関のない光子２個による偶発的同時計数Ｒ_accの確率は、次のようになる。
Ｒ_cor＝μ_c （３）
Ｒ_acc＝（μ_c＋μ_n）² （４）
実験において得られる、同一の時刻に発生した光子による同時計数の単位時間当たりの個数は、Ｒ_cor＋Ｒ_accで与えられる。

一方、偶発的同時計数の個数は、異なる時刻においてシグナル光子およびアイドラ光子が受信される個数を観測することにより知ることが出来る。次に定義するＣ値を、実験により得られる量子相関光子対の相関の度合いの指標とする。
Ｃ＝（Ｒ_cor＋Ｒ_acc）／Ｒ_acc （５）
Ｃ値が大きいほど、量子相関がより強調して観測される。

例えば、単位時間当たりの平均光子数μ_c＋μ_nが０．０１であり、そのうちの１０％が信号光子、９０％が雑音光子である場合を想定すると、式（３）〜（５）より、Ｃ＝１１となる。一方、光ファイバを冷却することにより、雑音光子数が１／５に低下したとすると、Ｃは約１２９となり、相関の程度は１０倍以上増大する。このように、光ファイバを用いた量子相関光子対発生においては、光ファイバを冷却することにより、雑音光子を抑圧すると、同時計数測定において量子相関の度合が飛躍的に向上する効果がある。

上述した自然放出ラマン散乱過程を抑圧する方法が、量子もつれ光子対発生装置にも適用できることを以下に述べる。

図２に、本発明の第１の実施形態にかかる量子もつれ光子対発生装置を示す。量子もつれ光子対発生装置は、ポンプ光源２１に光ファイバ２２が接続され、光ファイバ２２の出力には、光フィルタ２４が接続されている。光ファイバ２２は、光ファイバ冷却装置２３により冷却され、一定温度に保持されている。

ポンプ光源２１は、光周波数がｆ_pであり、パルス間の位相関係が定まっている２つのポンプ光パルスを連続して出力する。ポンプ光の強度を適切に調整し、出力された２つのポンプ光パルスに相当する時間位置の両方において、光子対が発生する確率が十分小さくなるようにする。このとき、時間位置についての量子もつれ状態が光ファイバ中の自然放出四光波混合過程により発生し、近似的に次式で表される。ここで、時刻ｔ_kにおいて光子が１個存在する状態を、｜ｔ_k＞と表す。
（１／√２）（｜ｔ₁＞_s｜ｔ₁＞_i＋ｅ^iφ（｜ｔ₂＞_s｜ｔ₂＞_i）（６）
ここで、ｔ₁およびｔ₂は２つのパルスの時間位置を、添え字ｓおよびｉはシグナル光子およびアイドラ光子の状態であることを表す。また、φは２つのポンプ光パルスの位相差を表す。量子もつれ光子対は、光フィルタ２４に入力され、シグナル／アイドラ光子対が分離され出力される。

第１の実施形態においても、光ファイバ２２を冷却することにより、自然放出ラマン散乱過程を抑圧することができ、雑音光子の影響が少ない、時間位置についての量子もつれ光子対の発生が可能となる。

図３に本発明の第２の実施形態である量子もつれ光子対発生装置を示す。量子もつれ光子対発生装置は、ポンプ光源３１に光ファイバ３２が接続され、光ファイバ３２の出力には、光フィルタ３４が接続されている。光ファイバ３２は、光ファイバ冷却装置３３により冷却され、一定温度に保持されている。

ポンプ光源３１は、光周波数がｆ_pであり、隣接するパルス間の位相関係が定まっている複数のポンプ光パルスを連続して出力する。Ｎ個の連続するパルス間の位相関係が定まっているとすると、時間位置についての高次の量子もつれ状態が光ファイバ中の自然放出四光波混合過程により発生し、近似的に次式で表される。

ここで、φ_kは時刻ｔ_kにおける光子対生成に寄与したポンプパルスの位相である。量子もつれ光子対は、光フィルタ３４に入力され、シグナル／アイドラ光子対が分離され出力される。

第２の実施形態においても、光ファイバ３２を冷却することにより、自然放出ラマン散乱過程を抑圧することができ、雑音光子の影響が少ない、時間位置についての高次の量子もつれ光子対発生が可能となる。

図４に、本発明の第３の実施形態にかかる量子もつれ光子対発生装置を示す。量子もつれ光子対発生装置は、ポンプ光源４１の出力に偏波コントローラ４５と４つの入出力端子を有する偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４６とが縦続接続されている。ＰＢＳ４６には、光ファイバ４２と光フィルタ４４とが接続されている。光ファイバ４２は、光ファイバ冷却装置４３により冷却され、一定温度に保持されている。

ポンプ光源４１から出力されたポンプ光は、偏波コントローラ４５により４５度直線偏波に調整され、ＰＢＳ４６を介して光ファイバ４２のループに入力される。入力されたポンプ光は、ＰＢＳ４６により横（Ｈ）偏波と縦（Ｖ）偏波とに分離され、それぞれループを左周りおよび右回りに伝搬する。Ｈ偏波およびＶ偏波のポンプ光は、光ファイバ４２を伝搬する際に、自然放出四光波混合により、それぞれ
｜Ｈ＞_s｜Ｈ＞_i
｜Ｖ＞_s｜Ｖ＞_i
の状態を発生する。ここで、｜Ｘ＞_yはＸ（＝｛Ｈ、Ｖ｝）偏波の光子がモードｙ（＝｛ｓ、ｉ｝）に１個存在する状態を示す。

これら状態の光は、光ファイバ４２を伝搬してＰＢＳ４６においてたし合わされる。ポンプ光強度を調整して、｜Ｈ＞_s｜Ｈ＞_iと｜Ｖ＞_s｜Ｖ＞_iが同時に発生する確率を十分小さくすることにより、近似的に次に示す偏波もつれ状態が得られる。
（１／√２）（｜Ｈ＞_s｜Ｈ＞_i＋｜Ｖ＞_s｜Ｖ＞_i）（８）
偏波状態についての量子もつれ光子対は、光フィルタ４４に入力され、シグナル／アイドラ光子対が分離され出力される。

第３の実施形態においても、光ファイバ４２を冷却することにより、自然放出ラマン散乱過程を抑圧することができ、雑音光子の影響が少ない、偏波状態についての量子もつれ光子対発生が可能となる。

本発明の一実施形態にかかる量子相関光子対発生装置を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態にかかる量子もつれ光子対発生装置を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態にかかる量子もつれ光子対発生装置を示すブロック図である。本発明の第３の実施形態にかかる量子もつれ光子対発生装置を示すブロック図である。

符号の説明

１１，２１，３１，４１ポンプ光源
１２，２２，３２，４２光ファイバ
１３，２３，３３，４３光ファイバ冷却装置
１４，２４，３４，４４光フィルタ
４５偏波コントローラ
４６偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）

Claims

光周波数ｆ_pのポンプ光を出力するポンプ光源と、
前記ポンプ光を入力して、２ｆ_p＝ｆ_s＋ｆ_iの関係を満たす光周波数ｆ_sのシグナル光子および光周波数ｆ_iのアイドラ光子を発生する光ファイバと、
該光ファイバを冷却する冷却手段と、
前記光ファイバから出力された前記シグナル光子と前記アイドラ光子とを分離して出力する手段と
を備えたことを特徴とする量子相関光子対発生装置。
光周波数がｆ_pであり、隣接するパルス間の位相関係が定まっている複数のポンプ光パルスを連続して出力するポンプ光源と、
前記複数のポンプ光パルスを入力して、２ｆ_p＝ｆ_s＋ｆ_iの関係を満たす光周波数ｆ_sのシグナル光子および光周波数ｆ_iのアイドラ光子を発生する光ファイバと、
該光ファイバを冷却する冷却手段と、
前記光ファイバから出力された前記シグナル光子と前記アイドラ光子とを分離して出力する手段と
を備えたことを特徴とする量子もつれ光子対発生装置。
光周波数ｆ_pのポンプ光を出力するポンプ光源と、
前記ポンプ光の偏波を４５度の直線偏波に調整する偏波調整手段と、
４つの入出力端子を有し、前記偏波調整手段の出力に接続された偏波ビームスプリッタと、
該偏波ビームスプリッタから縦偏波成分が出力される入出力端子と、前記偏波ビームスプリッタの横偏波成分が出力される入出力端子とを接続し、２ｆ_p＝ｆ_s＋ｆ_iの関係を満たす光周波数ｆ_sのシグナル光子および光周波数ｆ_iのアイドラ光子を発生する光ファイバと、
該光ファイバを冷却する冷却手段と、
前記偏波ビームスプリッタから出力された前記シグナル光子と前記アイドラ光子とを分離して出力する手段と
を備えたことを特徴とする量子もつれ光子対発生装置。