JP2011013348A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】１．５μｍ通信波長帯の量子相関光源または量子もつれ光源として、比較的少ない部品点数で構築し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。
【解決手段】光周波数ｆｐのポンプ光を出力するポンプ光源２０１と、上記ポンプ光源２０１からのポンプ光が入力され、ＳＨＧとＳＰＤＣとのカスケード過程を経た光周波数ｆｓ及び光周波数ｆｉの量子相関光子対を含む光を出力する２次の非線形光学媒質２０２と、上記２次の非線形光学媒質２０２からの出力光から光周波数２ｆｐの光を抑圧し、その他の光周波数の光を透過する第１の光フィルタ２０３と、上記第１の光フィルタを透過した光から光周波数ｆｐの光を抑圧し、その他の光周波数の光を透過する第２の光フィルタ２０４と、上記第２の光フィルタを透過した光を２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉの関係を満たす光周波数ｆｓの光子と光周波数ｆｉの光子とに分離する光周波数分離フィルタ２０５とを備えることを特徴とする量子相関光子対発生装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、発生時刻および偏波に関して量子力学的相関を有する光子対状態を発生する量子相関光子対発生装置、および時間位置及び偏波に関するもつれ光子対状態を発生する量子もつれ光子対発生装置に関する。

近年、量子暗号の原理に基づいた新しい情報処理技術である「量子情報処理」の研究が盛んに行われている。本技術には、絶対に安全な暗号通信を実現する量子暗号や、因数分解などの従来の計算機が不得手とする計算を飛躍的に高速化可能な量子計算などが含まれ、将来の情報通信技術に変革をもたらすものとして期待されている。

量子もつれ状態は、上記のような量子情報処理技術を実現するための重要な要素である。特に、光ファイバ上での量子情報システムの実現のためには、１．５μｍ通信波長帯の光子による量子もつれ状態(量子もつれ光子対)の発生は重要な基本技術である。

従来、量子もつれ光子対の発生には２次の非線形光学媒質を用いた自然放出パラメトリック下方変換（Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｄｏｗｎ−ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ：ＳＰＤＣ）過程が最もよく用いられてきた。光周波数ｆｐのポンプ光を２次の非線形光学媒質に入力すると、ＳＰＤＣによりポンプ光子が１個消滅し、ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉの関係を満たす、光周波数ｆｓのシグナル光子及び光周波数ｆｉのアイドラ光子が発生する。この２光子の間には偏波状態及び発生時刻に関して量子力学的な相関があり、量子相関光子対と呼ばれる。この量子相関光子対の発生過程を利用して、量子もつれ光子対を発生させることが行われている。量子相関光子対とは、例えば、時刻ｔ１に２つの光子が発生している状態｜ｔ１＞｜ｔ１＞の光子対である。すなわち、量子相関光子対とは、２個の光子が同時に発生しているという意味で相関があるが、全系の量子状態が、個々の光子の量子状態の積で表現できる光子対である。一方、量子もつれ光子対とは、（｜ｔ１＞｜ｔ１＞＋｜ｔ２＞｜ｔ２＞）／ｓｑｒｔ（２）で表される量子相関光子対の状態の重ね合わせになっている状態の光子対である。すなわち、量子もつれ光子対とは、全系の量子状態が、個々の光子の量子状態の積に分解できないので、「一方の測定が他方の測定に影響を及ぼす」という量子もつれの性質を持つ光子である。

また、１．５μｍ帯光子対発生においては、２次の非線形光学媒質としてこれまで主に周期分極反転ニオブ酸リチウム（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｏｂａｔｅ：ＰＰＬＮ）が用いられてきた。ＰＰＬＮに、０．７８μｍ近辺の波長を有するポンプ光を入力することにより、ＳＰＤＣを介して波長１．５μｍ近辺の量子相関光子対を発生することができる。

波長０．７８μｍのポンプ光として、チタンサファイアモードロックレーザからの繰り返しパルス光がよく用いられる。モードロックレーザを使用すると、繰り返し周波数はレーザ共振器長により決定される。しかし、量子暗号などの量子情報システムへの応用においては、システムのクロック周波数等をフレキシブルに変更するために、パルスの繰り返し周波数やパルス幅などが柔軟に変更できることが望ましい。そのためには、連続光を光強度変調器により変調し、繰り返しパルスを生成することが有効であるが、波長０．７８μｍ帯においては、信頼性が高く高速な光強度変調器を手に入れることは現状では困難である。

一方、１．５μｍ帯においては、光ファイバ通信応用のために開発された高速な光強度変調器を使用することができる。よって、これまでの１．５μｍ帯の量子もつれ発生実験においては、図１に示す構成を用い、ＰＰＬＮを２個用いることでこの問題を解決している。図１の構成において、まずポンプ光源１０１からの１．５μｍ帯の連続光を１．５μｍ帯光強度変調器１０２によりパルス変調し、それを第１のＰＰＬＮ１０３に入力する。１．５μｍ帯のパルス列は、第１のＰＰＬＮ１０３中においては、２次高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）過程により０．７８μｍ帯のパルス列に変換される。その後、パルス列は残余の１．５μｍ帯の光を除去するための１．５μｍ帯抑圧フィルタ（ｆｐフィルタ）１０４を透過させた後、第２のＰＰＬＮ１０５に入力され、ここでＳＰＤＣ過程により１．５μｍ帯の量子相関光子対が発生する。第２のＰＰＬＮ出力光は、０．７８μｍ帯を抑圧するフィルタ（２ｆｐフィルタ）１０６を透過させてＳＨＧ光を除去した後、波長分離フィルタ１０７によりシグナル光子とアイドラ光子に分離する。このようにして、光通信波長帯において使用可能である光変調技術を用いた、繰り返し周波数やパルスパターンがフレキシブルに変更可能な量子相関光子対や量子もつれ光子対を１．５μｍ帯において発生することが可能である。

H．Takesue,K．Inoue,O．Tadanaga,Y．Nishida,and M．Asobe, "Generation of pulsed polarization entangled photon pairs in a１．５5-μｍ band with a periodically poled lithium niobate waveguide and an orthogonal polarization delay circuit、",Opt．Lett．30、293 (2005) J．Brendel,N．Gisin,W．Tittel,and H．Zbinden,"Pulsed energy-time entangled twin-photon source for quantum communication、",Phys．Rev．Lett．82,2594-2597 (1999) H．de Riedmatten,I．Marcikic,V．Scarani,W．Tittel,H．Zbinden,and N．Gisin, "Tailoring photonic entanglement in high-dimensional Hilbert spaces、"Phys．Rev．A 69、050304(R) (2004)

しかしながら、このような光子対発生においては、初期の実験では、十分な光子数を得るため、シグナル光子とアイドラ光子の帯域を非常に広く取っていた。これは、１．５μｍ帯のポンプ光を使うと、元の波長のポンプ光波長とシグナル光およびアイドラ光の波長とがオーバーラップするため、ポンプ光を抑制しつつシグナル光子とアイドラ光子を必要数得るためには必要なことであった。したがって、このような実験系では、ＳＨＧを行うＰＰＬＮ結晶とＳＰＤＣを行うＰＰＬＮ結晶とを分離して、ポンプ光抑制とシグナル光およびアイドラ光の生成過程を別々に行うことは必須であると考えられてきた。こうした実験系をもとにその後の装置設計がなされてきたため、２つのＰＰＬＮ結晶を用いて装置設計をすることは常識として定着していた。たとえば図１に示した従来の例では、ポンプ光源として１．５μｍ帯の光変調器が使用できる利点がある一方、ＰＰＬＮが２個用いて行う必要があるものと考えられていた（非特許文献１）。そのため、系全体が複雑になり、また装置コストが増大するという問題があった。

本発明者は、上記装置において、所定条件を満たせば必ずしもＰＰＬＮが２個必要とならないことを見出し、本発明に至った。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の本発明は、光周波数ｆｐのポンプ光を出力するポンプ光源と、上記ポンプ光源からのポンプ光が入力され、ＳＨＧとＳＰＤＣとのカスケード過程を経た光周波数ｆｓ及び光周波数ｆｉの量子相関光子対を含む光を出力する２次の非線形光学媒質と、上記２次の非線形光学媒質からの出力光から光周波数２ｆｐの光を抑圧し、その他の光周波数の光を透過する第１の光フィルタと、上記第１の光フィルタを透過した光から光周波数ｆｐの光を抑圧し、その他の光周波数の光を透過する第２の光フィルタと、上記第２の光フィルタを透過した光を２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉの関係を満たす光周波数ｆｓの光子と光周波数ｆｉの光子とに分離する光周波数分離フィルタとを備えることを特徴とする量子相関光子対発生装置である。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の量子相関光子対発生装置において、上記２次の非線形光学媒質はＰＰＬＮ導波路であることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、光周波数がｆｐであり、隣接するパルス間の位相関係が定まっている連続光パルスを出力するポンプパルス光源と、上記ポンプパルス光源からの連続光パルスが入力され、上記連続光パルスの隣接するパルスに対してＳＨＧとＳＰＤＣとのカスケード過程を経た光周波数ｆｓ及び光周波数ｆｉの量子もつれ光子対を含む光を出力する２次の非線形光学媒質と、上記２次の非線形光学媒質からの出力光から光周波数２ｆｐの光を抑圧し、その他の光周波数の光を透過する第１の光フィルタと、上記第１の光フィルタを透過した光から光周波数ｆｐの光を抑圧し、その他の光周波数の光を透過する第二の光フィルタと、上記第２の光フィルタを透過した光を２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉの関係を満たす光周波数ｆｓの光子と光周波数ｆｉの光子とに分離する光周波数分離フィルタとを備えることを特徴とする量子もつれ光子対発生装置である。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の量子もつれ光子対発生装置において、上記ポンプパルス光源で出力される連続光パルスは、２連光パルスであることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、光周波数ｆｐのポンプ光を出力するポンプ光源と、上記ポンプ光源から出力されたポンプ光の偏波を４５度の直線偏波に調整する偏波調整手段と、上記４５度直線偏波に調整されたポンプ光から水平及び垂直偏波の光に分離する第１の偏波ビームスプリッタと、上記分離された水平偏波状態のポンプ光からＳＨＧとＳＰＤＣとのカスケード過程を経た光周波数ｆｓ及び光周波数ｆｉの量子相関光子対を含む水平偏波状態の光を出力する第１の２次の非線形光学媒質と、上記分離された垂直偏波状態のポンプ光からＳＨＧとＳＰＤＣとのカスケード過程を経た光周波数ｆｓ及び光周波数ｆｉの量子相関光子対を含む垂直偏波状態の光を出力する第２の２次の非線形光学媒質と、上記第１及び第２の非線形光学媒質からの出力光を合波することにより上記量子相関光子対から量子もつれ光子対を生成する第２の偏波ビームスプリッタと、第２の偏波ビームスプリッタからの出力光から光周波数２ｆｐの光を抑圧し、その他の光周波数の光を透過する第１の光フィルタと、上記第１の光フィルタを透過した光から光周波数ｆｐの光を抑圧し、その他の光周波数の光を透過する第２の光フィルタと、上記第２の光フィルタを透過した光を２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉの関係を満たす光周波数ｆｓの光子と光周波数ｆｉの光子とに分離する光周波数分離フィルタとを備えることを特徴とする量子もつれ光子対発生装置である。

また、請求項６に記載の発明は、光周波数ｆｐのポンプ光を出力するポンプ光源と、上記ポンプ光源からのポンプ光を４５度直線偏波に調整する偏波調整手段と、第１ポートから入力された上記４５度直線偏波を第２ポートに出力し、第２ポートから入力された光を第３ポートに出力する光サーキュレータと、光サーキュレータの第２ポートから出力される４５度直線偏波を第４ポートから入力し、入力された４５度直線偏波を水平および垂直偏波の光に分離し第５ポート、第６ポートから出力し、第５ポートおよび第６ポートから入力された光を第４ポートに出力して光サーキュレータの第２ポートに入力する偏波ビームスプリッタと、２つの入出力ポートを有し、一方の入出力ポートから入力された水平または垂直偏波状態のポンプ光からＳＨＧとＳＰＤＣとのカスケード過程を経た光周波数ｆｓ及び光周波数ｆｉの量子相関光子対を含む水平または垂直偏波状態の光を他方の入出力ポートへ双方向に入出力する２次の非線形光学媒質と、偏波ビームスプリッタの第５ポートと、２次の非線形光学媒質の一方の入出力ポートと接続され、入力された光の偏波状態を保持して出力する第１の偏波保持光導波路と、偏波ビームスプリッタの第６ポートと、２次の非線形光学媒質の他方の入出力ポートと接続され、入力された光の偏波状態を９０度回転させて出力する第２の偏波保持光導波路と、上記光サーキュレータの第３ポートから出力される光から光周波数２ｆｐの光を抑圧し、その他の光周波数の光を透過する第１の光フィルタと、上記第１の光フィルタを透過した光から光周波数ｆｐの光を抑圧し、その他の光周波数の光を透過する第２の光フィルタと、上記第２の光フィルタを透過した光を２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉの関係を満たす光周波数ｆｓの光子と光周波数ｆｉの光子とに分離する光周波数分離フィルタとを備え、上記偏波ビームスプリッタで第１および第２の偏波保持光導波路から入力される垂直および水平偏波状態の光を合波することにより上記量子相関光子対から量子もつれ光子対を生成して上記光サーキュレータの第２ポートに入力することを特徴とする量子もつれ光子対発生装置である。

また、請求項７に記載の発明は、請求項３から６のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置において、上記２次の非線形光学媒質はＰＰＬＮ導波路であることを特徴とする。

本発明によれば、１．５μｍ通信波長帯の量子もつれ光源を、比較的少ない部品点数で構築することが可能となる。

従来の量子相関光子対または量子もつれ光子対を発生させる装置の一例を示す図である。 本発明の量子相関光子対発生装置の一例を示す図である。 本発明の量子もつれ光子対発生装置の一例を示す図である。 本発明の量子もつれ光子対発生装置の他の一例を示す図である。 本発明の量子もつれ光子対発生装置の他の一例を示す図である。 本発明の量子もつれ光子対発生装置の他の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
（実施形態１）
本発明の量子相関光子対発生装置の実施例を図２に示す。図２に示すように、量子相関光子対発生装置は、ポンプ光源２０１と、ＰＰＬＮ導波路２０２と、光周波数２ｆｐ抑圧フィルタ（２ｆｐフィルタ）２０３と、光周波数ｆｐ抑圧フィルタ（ｆｐフィルタ）２０４と、波長分離フィルタ２０５とを備えて構成される。ここで、ポンプ光源２０１の構成は図１で示したようなポンプ光源１０１からの連続光を光強度変調器１０２でパルス化する方式が利用可能であるが、これに限らず連続光光源でもよいし、モードロックレーザでもよい。また、本実施形態を含む以下の全ての実施形態ではＰＰＬＮ導波路（導波路型のＰＰＬＮ）２０２を例に挙げて説明するが、ＰＰＬＮ導波路２０２に代えてバルクのＰＰＬＮ結晶を用いることもできるし、その他の２次の非線形媒質も適用可能である。ただし、バルクのＰＰＬＮ結晶などの低出力効率の非線形媒質を用いる場合は、所定以上の出力を得るために、ＰＰＬＮの出力効率を考慮してポンプ光源２０１からの入力を大きくする必要がある。

２ｆｐフィルタ２０３は、ＰＰＬＮ導波路２０２の出力から光周波数２ｆｐを抑圧するためのフィルタであり、例えば２ｆｐ以下の光を通過させるローパスフィルタを用いることができる。

ｆｐフィルタ２０４は、光周波数ｆｐのみを１００ｄＢ程度抑圧し、ｆｓ、ｆｉを透過するフィルタであって、たとえばＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）などの狭帯域な波長選択フィルタを用いることができる。因みに、図１に示す従来の装置では、ｆｐフィルタ１０４としては、ｆｐのみならず、ｆｓ、ｆｉをもすべて抑圧する単純なフィルタを用いていた。

波長分離フィルタ２０５は、ＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ）などの波長分離が可能なフィルタを用いることができる。

光周波数ｆｐ(１．５μｍ帯)を持つポンプ光源２０１からのポンプ光ｆｐ（１．５μｍ）がＰＰＬＮ導波路２０２に入力されると、ＰＰＬＮ導波路２０２中において、まずＳＨＧにより光周波数２ｆｐ(０．７８μｍ帯)の光が発生する。発生したＳＨＧ光はそのままＰＰＬＮ導波路２０２内を伝搬し、これが新たなポンプ光となってＳＰＤＣを引き起こす。その結果、ＰＰＬＮ導波路２０２中では２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉの条件を満たす光周波数ｆｓ及びｆｉを有する２つの光子が同時に発生する。

ＰＰＬＮ導波路２０２から出力された光が、２ｆｐフィルタ２０３を通過して光周波数２ｆｐ周辺が抑圧され、さらにｆｐフィルタ２０２を通過してｆｐ周辺が抑圧されることで残余ポンプ光が除去される。残余ポンプ光が除去された後、波長分離フィルタ２０５によりシグナル光子とアイドラ光子に分離される。

このように、１個のＰＰＬＮ導波路２０２中で、ＳＨＧとＳＰＤＣの２つの２次非線形光学効果のカスケード過程を用いる点が本装置の特徴である。これにより、１個のＰＰＬＮ導波路を用い、かつ１．５μｍ帯における高度な変調技術を用いた量子相関光子対発生装置を構築可能である。

（実施形態２）
本発明の量子もつれ光子対発生装置の第１の実施例を図３に示す。

本実施形態では、ポンプ光源２０１の代わりに、ポンプ光源３０１をも用いている。ポンプ光源３０１において、パルス間の位相関係が定まっている２連パルスを出力して、この２連パルスから量子もつれ光子対を発生させている。

ポンプパルス光源３０１は、光周波数ｆｐ、パルス間隔Δｔで、パルス間の位相差が定まった２連パルスを出力する。ここで、２連パルスを出力するポンプパルス光源３０１は図１の例で示したようなコヒーレントな連続光を光強度変調器でパルス化する構成により簡単に実現できる。２連パルスはＰＰＬＮ導波路２０２に入力される。ここで、２連パルスのｋ（＝１、２）番目のパルスにモードｘ（＝ｓ：シグナル、ｉ：アイドラ）の光子が１個存在している状態を｜ｋ＞_xとする。このとき、２連パルスの１番目及び２番目のパルスは、ＰＰＬＮ導波路２０２中で実施形態１と同様のＳＨＧとＳＰＤＣのカスケード過程を引き起こし、それぞれ光子対状態|１＞_s｜１＞_i、｜２＞_s｜２＞_iを確率的に発生する。ここで、２連パルスの強度を比較的小さくし、光子対状態｜１＞_s｜１＞_iと｜２＞_s｜２＞_iが同時に発生する確率を十分小さくなるようにすれば、ＰＰＬＮ導波路出力において、近似的に以下の量子状態を生成することができる。

ここで、φは光周波数ｆｐのポンプ２連パルス間の位相差である。以上より、２つの時間スロットにおける光子対状態の線形重ね合わせ状態、すなわち「時間位置もつれ光子対」（非特許文献２参照）を発生することができる。

ＰＰＬＮ導波路２０２から出力された光は、実施形態１と同様、２ｆｐフィルタ２０３及びｆｐフィルタ２０４を通過させて残余ポンプ光を除去した後、波長分離フィルタ２０５によりシグナル光子とアイドラ光子に分離する。

本実施例では２連パルスをポンプ光として用いたが、一般にＮ（Ｎは２以上の任意の整数)連のポンプパルス列を用いることにより、近似的に次式に表す高次の時間位置もつれ光子対（非特許文献３参照）を発生することも可能である。

ここでφ_k+1−φ_kがｋ番目とｋ＋１番目のポンプパルスの位相差に相当する。

以下、本実施形態の量子もつれ光子対発生装置を用いて時間位置もつれ光子対が発生可能であることを確認した実験について述べる。

波長１５６０ｎｍの連続光を、光強度変調器により繰り返し１００ＭＨｚ、パルス間隔２ｎｓの２連パルスに変調した後、光増幅器により増幅し、光フィルタにより自然放出光雑音を除去した後にＰＰＬＮ導波路２０２に入力し、式（１）で示される時間位置もつれ光子対状態を発生する。ＰＰＬＮ導波路２０２からの出力光は、まず前記光周波数２ｆｐ抑圧フィルタ２０３として機能するＬｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒに入力した後、透過光を前記光周波数ｆｐ抑圧フィルタ２０４であるＦｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇに透過させ、ポンプ光を抑圧する。その後、波長分離フィルタ２０５としてのＡｒｒａｙｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇに入力して波長１５５８ｎｍのシグナル光子と波長１５６２ｎｍのアイドラ光子に分離する。それぞれの光子は、ポンプ光をさらに抑圧するためにｆｐ、２ｆｐを抑圧する光バンドパスフィルタを通過させた後、１ビット遅延マッハツェンダ干渉計に入力する。干渉計の出力はそれぞれ単一光子検出器により検出される。使用した干渉計は、Ｐｌａｎａｒ ｌｉｇｈｔｗａｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ （ＰＬＣ）技術を用いて製作されたもので、長時間にわたって安定に動作する。本干渉計により、量子状態｜ｋ＞_xは｜ｋ＞＋ｅⁱθｘ｜ｋ＋１＞に変換される。ここで、θｘはモードｘ（＝ｓ：シグナル、ｉ：アイドラ)の干渉計の２光路の位相差であり、基板温度にほぼ比例して変化する。よって、シグナル及びアイドラ側の干渉計通過後には、式（１）の量子状態は次式のように変換される。

ここで、全ての項に共通の振幅項は簡単のために省略し、また同時計数測定において観測されない項は示していない。本式は、干渉計出力においてはそれぞれの光子は３つの時間スロットのいずれかにおいて観測されることを示唆している。また、２番目の時間スロットにおける同時計数は、両干渉計において誘起される位相差の和θs＋θiを変化させると正弦波状に変動する、いわゆる二光子干渉を示すことがわかる。

シグナル側の干渉計の温度を固定し、アイドラ側干渉計の温度を掃引して、干渉計出力において２番目のパルスにおける同時計数を観測した。結果を図４に示す。式（３）から予測されたように、干渉計の位相差を変化させると同時計数が正弦波状に変動することが確認できた。観測された二光子干渉波形の明瞭度は９１％であった。このように、本発明の量子もつれ光子対発生装置によって、時間位置もつれ光子対が発生可能であることを実験的に確認した。

（実施形態３）
本発明の量子もつれ光子対発生装置の第２の実施例を図５に示す。

本実施形態では、図２における１つのＰＰＬＮ導波路２０２に代えて、２つのＰＰＬＮ導波路２０２ａ、２０２ｂを用いている。図５においては、ポンプ光源２０１と２ｆｐフィルタ２０３の間に、ポンプ光源２０１からのポンプ光を偏波する偏波コントローラ５０２と、偏波コントローラ５０２からの偏波をＰＰＬＮ導波路２０２ａとＰＰＬＮ導波路２０２ｂとに分離する偏波ビームスプリッタＰＢＳ１と、２つのＰＰＬＮ導波路２０２ａ、２０２ｂからの出力を合波する偏波ビームスプリッタＰＢＳ２とを備えており、２つの偏波を用いて量子もつれ光子対を生成するようにしている。２つのＰＰＬＮ導波路２０２ａ、２０２ｂを用いているが、ＳＨＧ用とＳＰＤＣ用とに分離せず、ＰＰＬＮ導波路２０２ａ、２０２ｂのそれぞれにおいてＳＨＧとＳＰＤＣのカスケード過程を引き起こすように用いられているという点で従来とは異なる。

図５において、ポンプ光源２０１から出力された光周波数ｆｐの光は、偏波コントローラ５０２によって４５度直線偏波となるよう偏波調整された後、偏波ビームスプリッタＰＢＳ１に入力され、水平偏波成分と垂直偏波成分に分離される。分離された偏波成分のうち、水平偏波成分は直接ＰＰＬＮ導波路２０２ａに入力され、垂直偏波成分はミラーＭ２で反射された後、ＰＰＬＮ導波路２０２ｂに入力される。ここで、ＰＰＬＮ導波路２０２ａ及びＰＰＬＮ導波路２０２ｂは、ニオブ酸リチウム結晶の光学軸の一つに平行な直線偏波のポンプ光が入力されたとき、最大の効率で２光子が同一の直線偏波状態を有する量子相関光子対が発生する。ＰＰＬＮ導波路２０２ａ及びＰＰＬＮ導波路２０２ｂは、それぞれ水平偏波及び垂直偏波のポンプ光を入力時に光子対発生の効率が最大となるよう、その光学軸の向きが設定されている。このとき、｜Ｙ＞_xをモードｘ（＝ｓ：シグナル、ｉ：アイドラ)において偏波状態Ｙ（＝Ｈ：水平偏波、Ｖ：垂直偏波)の光子が１個存在する状態であるとすると、ＰＰＬＮ導波路２０２ａにおいて光子対状態｜Ｈ＞_s｜Ｈ＞_iが、ＰＰＬＮ導波路２０２ｂにおいて｜Ｖ＞_s｜Ｖ＞_iがそれぞれ確率的に発生する。ＰＰＬＮ導波路２０２ａから出力された光子対状態｜Ｈ＞_s｜Ｈ＞_iは、ミラーＭ１で反射された後、偏波ビームスプリッタＰＢＳ２に入力され、透過する。一方、ＰＰＬＮ導波路２０２ｂから出力された光子対状態｜Ｖ＞_s｜Ｖ＞_iは、偏波ビームスプリッタＰＢＳ２に入力され、反射される。その結果、｜Ｈ＞_s｜Ｈ＞_i及び｜Ｖ＞_s｜Ｖ＞_iは偏波ビームスプリッタＰＢＳ２の同一のポートより出力される。ここで、ポンプ光強度を比較的小さくし、｜Ｈ＞_s｜Ｈ＞_i及び｜Ｖ＞_s｜Ｖ＞_iが同時に発生する確率を十分小さくなるようにすると、ＰＢＳ２の出力において近似的に以下に示す偏波もつれ状態を得る。

ここで、θは偏波ビームスプリッタＰＢＳ１及び偏波ビームスプリッタＰＢＳ２により構成された偏波干渉計内部の２腕において、周波数ｆｐの光が伝搬したときに生じる位相差である。偏波ビームスプリッタＰＢＳ２から出力された光は、実施形態１と同様、光周波数２ｆｐ周辺を抑圧する２ｆｐフィルタ２０３及びｆｐ周辺を抑圧するｆｐフィルタ２０４を通過させて残余ポンプ光が除去された後、波長分離フィルタ２０５によりシグナル光子とアイドラ光子に分離される。

（実施形態４）
本発明の量子もつれ光子対発生装置の第３の実施例を図６に示す。

本実施形態では、１つのＰＰＬＮ導波路２０２に対して２方向から直線偏波を入力しており、この点が実施形態３とは異なる。図６においては、偏波コントローラ５０２と２ｆｐフィルタ２０３の間に、偏波コントローラ５０２からの偏波を垂直偏波および水平偏波２つに分離する偏波ビームスプリッタＰＢＳ３と、分離された２つの偏波を両方向から入力されるＰＰＬＮ導波路２０２とが光サーキュレータＰＣを介して接続されている。

偏波ビームスプリッタＰＢＳ３は、３つのポートＰ１、Ｐ２、Ｐ３を有し、ポートＰ１は光サーキュレータＰＣと接続され、ポートＰ２およびＰ３はそれぞれ偏波保持ファイバＰＭＦ１および偏波保持ファイバＰＭＦ２とを介して、ＰＰＬＮ導波路２０２の入出力ポートＩＯＰ１、ＩＯＰ２に接続されている。

ポンプ光源２０１から出力された光周波数ｆｐの光は、偏波コントローラ及び光サーキュレータＰＣを通過した後、図に示すポートＰ１、Ｐ２、Ｐ３を有する偏波ビームスプリッタＰＢＳ３、入出力ポートＩＯＰ１及びＩＯＰ２を有するＰＰＬＮ導波路２０２、偏波保持ファイバＰＭＦ１、ＰＭＦ２から構成されるループに、偏波ビームスプリッタＰＢＳ３のポートＰ１より入力される。ここで、偏波コントローラ５０２を適切に調整し、偏波ビームスプリッタＰＢＳ３においてポンプ光が４５度直線偏波になるようにしている。ＰＰＬＮ導波路２０２は、実施形態３と同様にニオブ酸リチウム結晶の光学軸の一つに平行な直線偏波のポンプ光が入力されたとき、最大の効率で２光子が同一の直線偏波状態を有する量子相関光子対が発生する。

ここではＰＰＬＮ導波路２０２の光学軸は、垂直偏波のポンプ光入力時に最大効率となるように配置されている。偏波ビームスプリッタＰＢＳ３により分離され、ポートＰ２及びＰ３から出力されたポンプ光の垂直偏波及び水平偏波成分は、それぞれ複屈折光学軸にその偏波面が一致するよう調整された偏波保持ファイバＰＭＦ１、ＰＭＦ２に入力される。ポートＰ２に接続された偏波保持ファイバＰＭＦ１は、ポンプ光の偏波面が垂直偏波状態を保たれたままＰＰＬＮ導波路２０２に入力されるようＰＰＬＮ導波路２０２の入出力ポートＰ１に結合される。入力されたポンプ光が引き起こすＳＨＧとＳＰＤＣのカスケード過程により時計回り方向に伝搬する光子対状態｜Ｖ＞_s｜Ｖ＞_iを発生する。一方、ポートＰ３に接続された偏波保持ファイバＰＭＦ２は、入力された水平偏波成分の偏波面が９０度回転するようその光学軸が９０度ひねられた後に、ＰＰＬＮ導波路２０２の入出力ポートＩＯＰ２に結合されている。よって、入力されたポンプ光は反時計回り方向に伝搬する光子対状態｜Ｖ＞_s｜Ｖ＞_iを発生する。この垂直偏波の光子対状態は、入出力ポートＩＯＰ１より出力され、偏波ビームスプリッタＰＢＳ３のポートＰ２に入力された後、ポートＰ１より出力される。

一方、時計回り方向に伝湾する光子対状態｜Ｖ＞_s｜Ｖ＞_iは、入出力ポートＩＯＰ２より出力され、偏波面を９０度回転させる偏波保持ファイバＰＭＦ２を通過すると水平偏波の光子対状態｜Ｈ＞_s｜Ｈ＞_iに変換される。その後、偏波ビームスプリッタＰＢＳ３のポートＰ３より入力され、透過してポートＰ１より出力される。実施形態２、３と同様、ポンプ光強度を比較的小さく抑えて、時計回り方向及び反時計周り方向に伝搬する光子対状態が同時に発生する確率が十分小さくなるようにすると、偏波ビームスプリッタのポートＰ１から近似的に次式に示す偏波もつれ状態が出力される。

ポートＰ１から出力された光は、光サーキュレータに再入力されて光路を分離された後、実施形態１と同様、光周波数２ｆｐ周辺を抑圧する２ｆｐフィルタ２０３及びｆｐ周辺を抑圧するｆｐフィルタ２０４を通過させて残余ポンプ光が除去された後、波長分離フィルタ２０５によりシグナル光子とアイドラ光子に分離される。

本構成を用いると、実施形態３の構成に比べ、ＰＰＬＮ導波路が１個でよく、水平偏波成分と垂直偏波成分が同一の光路を逆方向に伝搬するため、式（５）において｜Ｈ＞_s｜Ｈ＞_i成分と｜Ｖ＞_s｜Ｖ＞_i成分の相対的位相差が安定に保たれるというメリットがある。

なお、図６の場合はＰＰＬＮ導波路２０２の光学軸は、垂直偏波のポンプ光入力時に最大効率となるように配置されているが、水平偏波のポンプ光入力時に最大効率となるように配置されていてもよい。

１０１ ・・・ポンプ光源
１０２ ・・・光強度変調器
１０３ ・・・第１のＰＰＬＮ
１０４ ・・・ｆｐフィルタ
１０５ ・・・第２のＰＰＬＮ
１０６ ・・・２ｆｐフィルタ
１０７ ・・・波長分離フィルタ

Claims (7)

1. 光周波数ｆｐのポンプ光を出力するポンプ光源と、
   前記ポンプ光源からのポンプ光が入力され、ＳＨＧとＳＰＤＣとのカスケード過程を経た光周波数ｆｓ及び光周波数ｆｉの量子相関光子対を含む光を出力する２次の非線形光学媒質と、
   前記２次の非線形光学媒質からの出力光から光周波数２ｆｐの光を抑圧し、その他の光周波数の光を透過する第１の光フィルタと、
   前記第１の光フィルタを透過した光から光周波数ｆｐの光を抑圧し、その他の光周波数の光を透過する第２の光フィルタと、
   前記第２の光フィルタを透過した光を２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉの関係を満たす光周波数ｆｓの光子と光周波数ｆｉの光子とに分離する光周波数分離フィルタと
   を備えることを特徴とする量子相関光子対発生装置。
2. 前記２次の非線形光学媒質はＰＰＬＮ導波路であることを特徴とする請求項１に記載の量子相関光子対発生装置。
3. 光周波数がｆｐであり、隣接するパルス間の位相関係が定まっている連続光パルスを出力するポンプパルス光源と、
   前記ポンプパルス光源からの連続光パルスが入力され、前記連続光パルスの隣接するパルスに対してＳＨＧとＳＰＤＣとのカスケード過程を経た光周波数ｆｓ及び光周波数ｆｉの量子もつれ光子対を含む光を出力する２次の非線形光学媒質と、
   前記２次の非線形光学媒質からの出力光から光周波数２ｆｐの光を抑圧し、その他の光周波数の光を透過する第１の光フィルタと、
   前記第１の光フィルタを透過した光から光周波数ｆｐの光を抑圧し、その他の光周波数の光を透過する第２の光フィルタと、
   前記第２の光フィルタを透過した光を２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉの関係を満たす光周波数ｆｓの光子と光周波数ｆｉの光子とに分離する光周波数分離フィルタと
   を備えることを特徴とする量子もつれ光子対発生装置。
4. 前記ポンプパルス光源で出力される連続光パルスは、２連光パルスである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。
5. 光周波数ｆｐのポンプ光を出力するポンプ光源と、
   前記ポンプ光源から出力されたポンプ光の偏波を４５度の直線偏波に調整する偏波調整手段と、
   前記４５度直線偏波に調整されたポンプ光から水平及び垂直偏波の光に分離する第１の偏波ビームスプリッタと、
   前記分離された水平偏波状態のポンプ光からＳＨＧとＳＰＤＣとのカスケード過程を経た光周波数ｆｓ及び光周波数ｆｉの量子相関光子対を含む水平偏波状態の光を出力する第１の２次の非線形光学媒質と、
   前記分離された垂直偏波状態のポンプ光からＳＨＧとＳＰＤＣとのカスケード過程を経た光周波数ｆｓ及び光周波数ｆｉの量子相関光子対を含む垂直偏波状態の光を出力する第２の２次の非線形光学媒質と、
   前記第１及び第２の非線形光学媒質からの出力光を合波することにより前記量子相関光子対から量子もつれ光子対を生成する第２の偏波ビームスプリッタと、
   第２の偏波ビームスプリッタからの出力光から光周波数２ｆｐの光を抑圧し、その他の光周波数の光を透過する第１の光フィルタと、
   前記第１の光フィルタを透過した光から光周波数ｆｐの光を抑圧し、その他の光周波数の光を透過する第２の光フィルタと、
   前記第２の光フィルタを透過した光を２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉの関係を満たす光周波数ｆｓの光子と光周波数ｆｉの光子とに分離する光周波数分離フィルタと
   を備えることを特徴とする量子もつれ光子対発生装置。
6. 光周波数ｆｐのポンプ光を出力するポンプ光源と、
   前記ポンプ光源からのポンプ光を４５度直線偏波に調整する偏波調整手段と、
   第１ポートから入力された前記４５度直線偏波を第２ポートに出力し、第２ポートから入力された光を第３ポートに出力する光サーキュレータと、
   光サーキュレータの第２ポートから出力される４５度直線偏波を第４ポートから入力し、入力された４５度直線偏波を水平および垂直偏波の光に分離し第５ポート、第６ポートから出力し、第５ポートおよび第６ポートから入力された光を第４ポートに出力して光サーキュレータの第２ポートに入力する偏波ビームスプリッタと、
   ２つの入出力ポートを有し、一方の入出力ポートから入力された水平または垂直偏波状態のポンプ光からＳＨＧとＳＰＤＣとのカスケード過程を経た光周波数ｆｓ及び光周波数ｆｉの量子相関光子対を含む水平または垂直偏波状態の光を他方の入出力ポートへ双方向に入出力する２次の非線形光学媒質と、
   偏波ビームスプリッタの第５ポートと、２次の非線形光学媒質の一方の入出力ポートと接続され、入力された光の偏波状態を保持して出力する第１の偏波保持光導波路と、
   偏波ビームスプリッタの第６ポートと、２次の非線形光学媒質の他方の入出力ポートと接続され、入力された光の偏波状態を９０度回転させて出力する第２の偏波保持光導波路と、
   前記光サーキュレータの第３ポートから出力される光から光周波数２ｆｐの光を抑圧し、その他の光周波数の光を透過する第１の光フィルタと、
   前記第１の光フィルタを透過した光から光周波数ｆｐの光を抑圧し、その他の光周波数の光を透過する第２の光フィルタと、
   前記第２の光フィルタを透過した光を２ｆｐ＝ｆｓ＋ｆｉの関係を満たす光周波数ｆｓの光子と光周波数ｆｉの光子とに分離する光周波数分離フィルタとを備え、
   前記偏波ビームスプリッタで第１および第２の偏波保持光導波路から入力される垂直および水平偏波状態の光を合波することにより前記量子相関光子対から量子もつれ光子対を生成して前記光サーキュレータの第２ポートに入力することを特徴とする量子もつれ光子対発生装置。
7. 前記２次の非線形光学媒質はＰＰＬＮ導波路であることを特徴とする請求項３から６のいずれかに記載の量子もつれ光子対発生装置。

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