JP2013013068A - 通信システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の単一光子での通信における送信される単一光子の信号の強度を改善し、標準古典的クロックリカバリ技術を可能とする通信システムを提供する。
【解決手段】複数の弱い光パルスのエミッターと、複数の単一光子を検出することができる検出器と、クロック信号源と、を具備し、エミッター及び検出器は、クロック信号を使用して同期され、減少した周波数クロック信号を発生するクロック信号のための周波数分割器と、減少した周波数クロック信号から元のクロック信号を再生成するクロック再生成器と、エミッターと前記検出器との間でクロック信号を通信する通信チャネルと、をさらに具備し、クロック信号は、チャネルを介して送信する前に減少され、それがチャネルを抜け出た後に再構成される。
【選択図】図２

Description

本明細書で説明する実施形態は、通信システム、通信システムのコンポーネント、及び通信方法に一般に関係がある。

この出願は、２０１１年５月１９日に出願された英国特許出願番号１１０８４５９．７に基づいていて、かつ、これからの優先権の利益を主張する。この出願の全内容はここで参照することによって組み込まれる。

単一光子検出器を用いる通信システムは通常、量子通信システムであるが、これに制限されることはない。量子通信システムについては、複数の単一光子のような符号化された複数の単一量子によって、情報は送信機と受信機との間で送られる。光子はそれぞれ、光子の特性（その偏光、位相またはエネルギー／時間のようなもので、これらは量子信号と呼ばれる）で符号化された情報の１ビットを運ぶ。光子は、例えば角運動量のような複数の特性を使用することによって、１ビットよりも多くの情報さえも運んでもよい。

量子通信の一例は、２者間での暗号鍵の共有をもたらす量子鍵配布（ＱＫＤ）である；送信機はしばしば「アリス」（Ａｌｉｃｅ）と呼ばれ、受信機はしばしば「ボブ」（Ｂｏｂ）と呼ばれる。この技術の魅力は、鍵の任意の部分が不正の傍受者（イブ（Ｅｖｅ））に知られうるかどうかのテストを、それが提供することである。量子鍵配布の多くの形式では、アリスとボブは、ビット値を符号化する２つ以上の非直交基底を用いる。量子力学の法則は、それぞれの符号化基底の事前知識なしに、イブによる光子測定は、光子のいくつかの状態に不可避の変更を引き起こすことを、命ずる。複数の光子の状態へのこれらの変更は、アリスとボブの間で送られたビット値に、エラーを引き起こすだろう。それらの共通のビット列の一部を比較することによって、アリスとボブはこのように、イブが情報を獲得したかどうかを判断することができる。ゲート制御された単一光子検出器を使用する通信システムの成功した演算については、通信システムの受信機及び送信機を同期させる必要がある。

古典的通信では、送信機から送られる（古典的）信号が強い強度であるので、同期は簡単であり、結果として受信機によって規則的に検出される。そういうものとして複数の受信信号の規則性を、標準クロックリカバリ技術によって受信機で元の送信機クロックを再生成させるために、用いることができる。このように、送信機と受信機は、複数の受信信号の正確なタイムスロット割り当てを許可する同じクロック周波数で作動する。しかしながら、複数の単一光子での通信では、送信される単一光子（量子）の複数の信号は、非常に弱い強度である。減衰と単一光子検出器の非効率により、受信機によって検出された量子信号の数は、元々送信されたものよりはるかに少ない。検出された複数の量子信号のまばらさは、標準古典的クロックリカバリ技術が可能ではないことを意味する。

実施形態は、以下の複数の図を参照して説明される：
図１は、単一光子の複数の低速な検出器を持った先行技術の通信システムの概略図である； 図２は、低速クロック送信、クロック再生成（clock regeneration）及び周波数合成を用いて、単一光子の複数の高速な検出器を持った本発明の実施形態に従う通信システムの概略図である； 図３は、低速クロック送信、クロック再生成及び周波数合成を用いて、単一光子の高速な検出器を持ったＱＫＤ量子通信システムを示す本発明のさらなる実施形態に従う通信システムの概略図である； 図４は、量子チャンネル、クロック再生成及び周波数合成で多重化された低速クロック送信波長を用いて、単一光子の高速な検出器を持ったＱＫＤ量子通信システムを示す本発明のさらなる実施形態に従う通信システムの概略図である； 図５は、通信システムにおいて受信機のための単一光子検出に用いられた自己差分アバランシェフォトダイオードの概略図である； 図６は、サイクルトゥサイクルジッタ（cycle to cycle jitter）が小さい場合に、自己差分容量性応答キャンセルでの改善を示すグラフを示す； 図７は、５０ｋｍの標準の単一モードファイバーを通して送信された、減衰されたレーザーに関して得られた時間の関数として、自己差分アバランシェフォトダイオード光子計数のヒストグラムを示す； 図８は、送信機での周波数合成及びクロック発生して、受信機から送信機への低速クロック送信を用いて、複数の高速な単一光子検出器を持った通信システムを示す本発明のさらなる実施形態に従う通信システムの概略図である； 図９は、周波数が自己差分回路からのフィードバックによって制御される送信機／受信機のシステムのクロックレートを設定するために自己差分回路を用いて、受信機の詳細を示す本発明のさらなる実施形態に従う通信システムの概略図である。

一実施形態によれば、提供される通信システムは、複数の弱い光パルスのエミッター、複数の単一光子を検出することができる検出器、及びクロック信号源と、を具備し、前記エミッター及び検出器は、前記クロック信号を使用して同期され、システムは、減少した周波数クロック信号を発生する前記クロック信号に関する周波数分割器と、減少した周波数クロック信号から元のクロック信号を再生成するクロック再生成器と、をさらに具備し、システムは、エミッターと検出器との間でのクロック信号を通信する通信チャネルをさらに具備し、クロック信号は、前記チャネルを介して送信される前に周波数に関して減少し、それが前記チャネルから抜け出た後に再構成される。

複数の単一光子を検出する検出器は高速な検出器でもよい。例えば、アバランシェフォトダイオード検出器が用いられてもよい。検出器はゲート制御されてもよい。ある実施形態では、検出器は、少なくとも１００ＭＨｚの周波数でゲート制御される、高速なゲート制御された検出器である。

ある実施形態では、システムは、自己差分技術を用いて、前記検出器の出力からアバランシェ信号を分離する出力回路をさらに具備する。そのような出力回路に関する１つの可能な配置は、検出器の出力信号を２つの部分に分離する信号分割器と、部分のうちの１つを他に比較して遅延させる電線路と、２つの部分の間での差分を出力する信号差分器と、を具備する。

出力回路はさらに、出力信号の２つの部分の強さの平衡を保たせる電位差計を具備してもよい。可変な遅延線はさらに、信号の２つの部分の間での遅延の調整を許容するために提供されてもよい。アンプは（複数の）自己差分回路の出力を増幅するために提供されてもよい。

実施形態では、周波数分割器は、１０またはそれ以上分の１に周波数を減少させる。さらなる実施形態では、周波数は少なくとも５０分の１に縮小される。ある実施形態では、周波数は１００分の１に縮小される。１０ＭＨｚは、数個の装置を共に固定するために使用される、産業で広く用いられる周波数であり、このようにある実施形態では、クロック周波数は約１０ＭＨｚの周波数まで下げられる。この場合、複数の検出器が１ＧＨｚの周波数でゲート制御される場合、送信に関して、１００分の１だけ周波数を減少されることもあり得る。しかしながら、もし例えば、システムが１０ＧＨｚのマスタークロックで実行されたら、減少ファクタは１０００になり約１０ＭＨｚに下げられることもあり得る。

さらなる実施形態では、クロック信号は約２５ＭＨｚの周波数に下げられる。ある実施形態では、周波数は５〜５０ＭＨｚの範囲内のどこかに下げられる。

クロック信号を、エミッター側から検出器側に、あるいはその逆に送り込むことができる。したがって、一実施形態では、クロック信号の源及び周波数分割器はエミッターにあり、またクロック再生成器は検出器にある。しかしながら、さらなる実施形態では、クロック信号の源及び周波数分割器は検出器にあり、またクロック再生成器はエミッターにある。

さらなる実施形態では、クロック信号の源及び周波数分割器は検出器にあり、またクロック再生成器はエミッターにある。クロック信号の源は電圧制御発振器を具備し、自己差分を行う出力回路からの信号は、電圧制御発振器に接続され、前記電圧制御発振器にフィードバック信号を提供する。これは、クロック信号周波数が自己差分回路の逆の遅れに正確に合わせられることを可能にする。

ある実施形態では、縮小された周波数クロック信号は、波長分割多重を用いて、エミッターからの信号と同じチャンネルを通して送信される。

システムを、量子通信システムとして構成することができる。例えば、それは量子通信プロトコルを用いて、鍵を通信するために用いられてもよい。

さらなる実施形態では、通信システム用の１ユニットは提供され、前記ユニットは、クロック信号の源と、前記クロック信号に応じて弱い複数の光パルス成分を扱うコンポーネントと、前記コンポーネントは、弱い複数の光パルスのエミッターから選択され、それぞれの弱い光パルス内の平均光子数は１より小さく、または複数の単一光子を検出することが可能な検出器と、を具備し、前記ユニットはクロック信号の周波数を減少させる周波数分割器と、ユニットからの減少された周波数クロック信号を伝送する伝送線路と、をさらに具備する。

上記のユニットは送信側として構成され、エミッターを含むかもしれない、あるいは受信側として、また検出器を含む。

さらなる実施形態では、通信システム用の１ユニットは提供され、前記ユニットは、減少した周波数クロック信号の受信機と、減少した周波数クロック信号からのクロック信号を再生成するクロック再生成器と、前記クロック信号に従う弱い光パルスを扱うコンポーネントと、前記コンポーネントは、弱い光パルスのエミッターから選ばれる、そこでは個々の弱い光パルスにおける光子の平均数は１未満である、あるいは複数の単一光子を検出することができる検出器を具備する。

上記のユニットは送信側として構成され、エミッターを含むかもしれない、あるいは受信側として、また検出器を含む。

上記では、エミッターがクロック信号に従って複数の光パルスを放射し、検出器がクロック信号に従ってゲート制御される。しかしながら、エミッターがすべてのクロックサイクルで光子パルスを放射しなくてもよいだけでなく、検出器はすべてのクロックサイクルで光子を検出しなくてもよいことは留意されるべきである。

さらなる実施形態では、通信方法は次のものを含んで提供される：
エミッターを用いて複数の弱い光パルスを生成すること、
複数の単一光子を検出することができる検出器を使用して前記弱い光パルスを検出すること；
前記検出器を前記エミッターと同期させるためにクロック信号を提供し、クロック信号を提供することは、第１周波数でクロック信号を生成し、前記第１周波数で前記クロック信号を、前記エミッターまたは検出器のうちの一方に提供し；減少した周波数クロック信号を発生するために前記クロック信号の前記周波数を分割し、前記エミッターまたは検出器のうちの他方に供給する前に、前記減少した周波数クロック信号から前記第１周波数で前記クロック信号を再生成し、前記エミッター及び検出器は、空間的に分離されていて、通信チャネルは前記エミッターと検出器との間で前記減少した周波数クロック信号を通信することを提供される。

図１は通信システムの概略図である。通信システムは送信セクション１００から受信セクション１０２へ情報を送り込む。

量子通信システムの場合には、偏光または位相のような、複数のパルスにおける複数の光子の量子パラメーターの変さらにより、情報が弱い複数の光パルス上に符号化される。弱い複数の光パルスは、平均で、１つ未満の光子を含むだろう。弱い複数の光パルスについての情報を符号化するために用いられる量子通信プロトコルの詳細は議論されないだろう。しかしながら、複数の単一光子検出器が複数の単一光子信号に関する複数の検出ユニットとして用いられる場合、ＢＢ８４、Ｂ９２などのように、任意の量子通信プロトコルを用いることもあり得るかもしれないことが理解される。

送信セクション１００は、単一光子送信機１０１と呼ばれる弱い光パルスの送信機を具備する。単一光子送信機は１つの単一光子チャンネルによって単一光子受信機１０３につながれる。単一光子受信機１０３は受信セクション１０２内にある。単一光子受信機１０３は、１つの単一光子を含む１つの光パルスを検出することができる受信機である。

量子通信システムの場合には、単一光子チャンネルが量子信号チャネルを形成する。

送信セクション１００はさらにクロック送信機１０５を具備する。受信セクション１０２はクロック受信機１０７を具備する。クロック送信機１０５はクロックチャネルによってクロック受信機１０７に接続される。

量子通信システムの場合には、このクロックチャネルが古典的チャンネルを形成する。通常、単一光子及びクロックのチャネルの両方ともは、光ファイバーであり、個別のファイバーになりえる。あるいは、配備された光ファイバーの場合のように、光ファイバーは束として束ねられる。

単一光子送信機１０１はマスタークロック１０９を具備する。マスタークロックは、システムのクロックレートを形成するマスタークロックレートでパルスパターンを放射する。単一光子送信機１０１は単一光子チャンネル上で受信機へマスタークロックレートで複数の単一光子を送る。マスタークロック１０９はさらに、クロック送信機１０５によって用いられる電気信号を生成する。通常、クロック送信機１０５は、クロックチャネルを通して伝送される前に、この信号を光信号に変換する。

クロック受信機１０７では、クロックチャネルからの複数の光学パルスは複数の電気的パルスに変換される。典型的には、パルス整形電子機器１１３の独立した組を引き起こすために、複数のクロックパルスは複数のトリガーパルスとして用いられる。これは、所望のパルス波形が複数の単一光子検出器を駆動するために選択されることを可能にする。しかしながら、時々、この配置は、システムの速度を落とす。その後、それらが単一光子の到着時間で感知可能な単一光子になるように、これらの形作られた電気的パルスはその後、それらが複数の単一光子の到着時間に感知可能な単一光子になるように、受信機において（複数の）単一光子検出器１１１を直接駆動するために用いられる。実装されている通信プロトコルに依存する受信機に、１つ以上の単一光子検出器があってもよい。

全システムは単一クロック周波数で作動し、複数の単一光子検出器を、最終パラグラフで述べた理由により数ＭＨｚの低い周波数で単に操作することができる。

図２は実施形態に従う量子通信システムを示す。任意の不必要な繰り返しを避けるために、同様な参照番号は、同様な特徴を示すために使用される。

送信セクション１００は、単一光子送信機１０１及びクロック通話ユニット１０５を具備する。以前のように、送信セクション１００はマスタークロック１０９を具備する。単一光子送信機１０１はクロック分割器２０１を具備する。クロック分割器２０１は、マスタークロック信号１０９を分割して、あるプリセットされた分割周波数Ｎにする。クロック送信ユニット１０５は分割されたクロック信号２０５を送信するユニット２１５を具備する。

ある実施形態では、模範的なタイミング安定性を持つとして、オーブン型マスタークロック（ovenised master clock）が用いられる。ある実施形態では、プリセット分割信号は、マスタークロックよりも１から３桁小さい周波数を持つだろう。

ある実施形態では、この分割されたクロックは、クロック送信機１０５によって、光信号に変換される。これは、密な分割波長多重（dense division wavelength multiplexed：ＤＷＤＭ）レーザーダイオードを用いてもよいが、粗い分割波長多重（coarse division wavelength multiplexed：ＣＷＤＭ）レーザーダイオードを用いて行なわれてもよい。光信号２０５はその後、クロックチャネルを通ってクロック受信機１０７に送られる。

上記の取り決めは、分割されたクロックが、他の（古典的な）複数のデータチャネルで多重化された波長であることを可能にする。例えば、一実施形態では、周波数分割されたクロックは、１５５０ｎｍの波長でＣＷＤＭレーザーによって送信される。その後、送信機と受信機との間の双方向リンクを形成する２つの追加の（古典的）データチャネルが、ＣＷＤＭ波長１５７１ｎｍ及び１５９１ｎｍで独立して作動してもよい。

もちろん、他の波長は、ＣＷＤＭスペクトルあるいはＤＷＤＭスペクトル上で使用されてもよい。

クロック受信機１０７では、周波数分割されたクロック２０５は、クロック再生成器によって電気信号に変換される。ある実施形態では、これはアバランシェフォトダイオード２１３を用いて行なわれる。しかしながら、任意の光受信機でも用いることができる。クロック受信機１０７は、このクロック再生成信号を、単一光子受信機１０３内の周波数シンセサイザー２０３へ送る。周波数シンセサイザー２０３の目的は、クロック信号２０５の入力変化を追跡することであり、クロック信号の周波数多重バージョンを生成することである。

ある実施形態では、周波数シンセサイザー２０３は位相ロックループ（ＰＬＬ）によって実現される。ＰＬＬは「チップ上での」複数のデバイスのように容易に利用可能である。そのようなデバイスは、出力周波数用のプリセットされた周波数逓倍器を許容する。ある実施形態では、この逓倍器２０３は、値Ｎに設定され、（送信セクション１００での）元の高周波数マスタークロック出力１０９を再生成する。その後、入力クロック周波数における任意の変化は、単一送信機マスタークロック及び単一光子受信機マスタークロックの両方を同期してこのように維持する周波数シンセサイザーによって自動的に追跡されるだろう。

したがって、この実施形態では、再生成された単一光子送信機マスタークロックは、周波数シンセサイザーの性質により、非常に低いジッタ及び優れたタイミング性能を持つことができる。この再生成されたマスタークロックは、入射する複数の単一光子データ信号に同期される（ＧＨｚまたはより高い）高速にゲート制御された（複数の）単一光子検出器２０５を直接駆動するために用いられる。再生成されたマスタークロックをも、単一光子受信機において高速電子機器を駆動するために用いることができる。

複数の単一光子信号と同じチャンネルに沿って伝わる強い複数の光信号を送ることは難しい。複数の強い光信号は、単一光子信号の質を落とす強い光散乱を持ち込むだろう。

しかしながら、周波数分割されたクロックが通信システムのクロックレートよりもはるかに低い周波数を有する場合には、単一光子チャネルを同期チャネルで多重化する波長の可能性を許容する、周波数分割されたクロックを送信するための光強度はより低くなるだろう。これは送信機と受信機をつなぐ光ファイバーの数を低減し、相当なコスト削減になるちょうど１つの光ファイバーにする。

上記の実施形態は、同期のための周波数合成及びクロック再生成を備える高速の複数の単一光子検出器の使用を許容する。

量子通信における現在の傾向は、高い（ＧＨｚ）クロックレートで量子通信システムを操作し、長い光ファイバー距離で作動することである。それにもかかわらず、量子通信システムでの送信機と受信機との間の０でない任意のファイバー距離は、同期問題を引き起こす可能性がある。例えば、（メトロポリタンリンクと同等な）５０ｋｍ長のファイバーでの１度の温度上昇は、２．５ｎｓの伝搬遅延になる。これは、ＧＨｚ量子通信システムでのほぼ３タイムスロットの時間的な不整合と等価である。

上記の実施形態によるシステムでは、通信システムに関する正確な送信機／受信機の同期は、正確なクロック再生成及び周波数逓倍によって達成することができる。上記のシステムはさらに高速にゲート制御された検出器（例えば１００ＭＨｚを越えたゲーティング速度を持っている検出器）を組込むことができる。上記の実施形態に従うシステムは、高速なゲート制御される単一光子検出器の最適な性能のために無視できるサイクルトゥサイクルジッタと同様に、検出された複数の信号の正確なタイムスロット割り当てを許容する。

送信機と検出器との間で伝送されるように、クロック信号の周波数を減少させることは、減少した周波数クロック信号の送信機及び受信機が、高い周波数で動作する必要がない、したがって複雑さがより少なくかつより安いコンポーネントを使用できる、という利点がある。

さらに、クロック信号が送信の間により低い周波数を有するので、光ファイバーにおける分散に対してより頑強である。光ファイバー分散は、減少された単一光子検出器の性能に結びつくクロックジッタを増加させる可能性がある。さらに、図２のシステムを用いて、同期信号光子散乱が低いように、同じファイバー上に複数の同期信号と複数の量子信号とを多重化することは可能である。

上記で説明された実施形態に従って、システムは提供され、システムは、クロック再生成及び周波数合成を通じて高速の複数の単一光子検出器に基づいて通信システムでの送信機及び受信機のクロック同期を許容し、一方、同時に、複数の自己差分単一光子検出器を駆動するのに適した周波数合成信号において低いサイクルトゥサイクルジッタを提供する。送信機から受信機に送られる周波数分割クロックによって、受信機で局所的に送信機マスタークロックを生成するために、受信機がクロック再生成装置及び周波数シンセサイザーを用いる。

要約すると、上記の実施形態に従うシステムは、実行するのに容易な低速な送信機／受信機を用いて、同期を提供する。さらに、低速な同期信号は、高速な同期信号に比較してより低い光強度を有している。このため、低速な同期信号は、量子信号チャネルで波長多重される可能性がある。本発明の実施形態に従うシステムはさらに、高い繰り返し周波数で複数の量子源を扱う。さらに、クロック信号の周波数が送信の前に分割されるので、量子源周波数は制限されない。本発明の実施形態に従うシステムは低いタイミングジッターを有する。さらに、システムを、容易に利用可能で専門的でないコンポーネントを用いて構築することができる。

図３はさらなる実施形態に従う量子通信システムを示す。図３のシステムは図２のそれに似ている。しかしながら、図３のシステムは、システムが量子鍵配布（ＱＫＤ）に基づく量子通信での使用に適することを可能にするエンコーダ３０１及びデコーダ３０３をさらに具備する。単一光子送信機１０１はエンコーダ３０１を具備する。エンコーダは、単一光子または弱い光のパルスへの符号化情報に用いられた任意のタイプのエンコーダでもよい。例えばエンコーダは、干渉計を具備する位相エンコーダでもよいし、または、それは偏光エンコーダでもよい。他のタイプのエンコーダは可能である。複数の単一光子検出器が複数の量子信号に関する複数の検出ユニットとして使用される場合、任意のタイプのＱＫＤ量子通信プロトコルを用いることができる。

単一光子送信機１０１は、２つの光ファイバー、量子信号チャネル１１１、及び古典的同期チャンネル１１３によって単一光子受信機１０３につながれる。これらの光ファイバーは個別のファイバーになりえる。あるいは、配備された光ファイバーの場合のように、光ファイバーは束として束ねられる。

単一光子送信機１０１は、単一光子源３０７、マスタークロック１０９及びエンコーダ３０１を具備する。このエンコーダはこの実施形態で位相エンコーディングを許可する干渉計３０１である。

ある実施形態では、模範的なタイミング安定を持つとして、オーブン型マスタークロックが用いられる。マスタークロックは、単一光子源を制御するためにシステムのクロックレートでパルスパターンを放射する。従って単一光子源は、マスタークロック周波数で複数の光子の複数のパルスを放射する。ある実施形態では、複数の光学パルスは通信帯域（例えば、１５５０ｎｍの波長）にある。情報が複数の光学パルス上で符号化される場合、これらの光学パルスは符号化干渉計３０１によって送られる。最後に、レーザーが単一光子源３０７の代わりに用いられる場合、複数の光学パルスは量子信号チャネルファイバー１１１によって送られる前に単一光子レベルに減衰される。

単一光子送信機マスタークロック１０９はさらに、システムのクロックレートで電気信号を生成する。単一光子送信機１０１では、クロック分割器２０１はマスタークロック信号１０９を分割して、ある予め設定された分割周波数Ｎにする。ある実施形態では、予め設定された分割信号は、マスタークロックよりも１から３桁小さい周波数を持つだろう。

ある実施形態では、この分割されたクロックは、クロック送信機１０５によって、光信号に変換される。ある実施形態では、これは、密な分割波長多重（ＤＷＤＭ）レーザーダイオードを用いてもよいが、粗い分割波長多重（ＣＷＤＭ）レーザーダイオードを用いて行なわれてもよい。光信号２０５はその後、クロックチャネルを通ってクロック受信機１０７に送られる。

クロック受信機１０７では、周波数分割されたクロック２０５は、クロック再生成器によって電気信号に変換される。ある実施形態では、これはアバランシェフォトダイオード２１３を用いて行なわれる。しかしながら、任意の光受信機も用いてもよい。クロック受信機１０７は、単一光子受信機１０３での周波数シンセサイザーにこのクロック再生成された信号を送る。

単一光子受信機１０３は、周波数シンセサイザー２０３、デコード干渉計３０３、及び複数の単一光子検出器を具備する。選択された量子通信プロトコルに依存してより多くの検出があるだろうけれども、２つの単一光子検出器２０５、３０５が図３に示されている。量子信号チャネル１１１からの光学パルスは、デコード干渉計３０３によって送られる。

周波数シンセサイザー２０３の目的は、クロック信号２０５の入力変化を追跡することであり、クロック信号の周波数多重バージョンを生成することである。ある実施形態では、周波数シンセサイザーは位相ロックループ（ＰＬＬ）によって実現される。ＰＬＬはチップデバイスでのように容易に利用可能である。そのようなデバイスは、出力周波数用のプリセットされた周波数逓倍器を許容する。ある実施形態では、この逓倍器は、値Ｎに設定され、（データ送信機での）元の高周波数マスタークロック出力１０９を再生成する。入力クロック周波数における任意の変化は、単一送信機マスタークロック及び単一光子受信機マスタークロックの両方を同期してこのように維持する周波数シンセサイザーによって自動的に追跡されるだろう。

再生成されたマスタークロックは、デコーダ３０３から出てくる複数の単一光子信号に同期される両方のゲート制御された単一光子検出器２０５と３０５を駆動するために使用される。単一光子検出器２０５及び３０５は、デコーダからの複数の単一光子を検出し、またこの情報は送信機と受信機との間の鍵を形成するために用いられる。

再生成されたマスタークロックも、単一光子受信機において高速な電子機器を駆動するために用いることができる。

図４は、さらなる実施形態に従う量子通信システムの概略図である。図４のシステムは、図３に関して表された量子通信システムの波長分割多重アナログである。この場合、量子チャンネル及び古典的同期チャンネルの両方は、同じ単一ファイバー４０３上で波長多重化される。この場合での光波長分割多重は、送信機４０１及び受信機４０５内でのＤＷＤＭのｍｕｘ及びｄｅｍｕｘ部によって達成される。

送信機４０１及び受信機４０５用の送信波長の適切な選択は、量子チャンネルに沿った複数の量子信号の送信波長に依存するだろう。一般に、複数の強い光信号は、検出された複数の量子信号の誤り率での増加に結びつく量子チャンネルの質を落とす光ファイバーにおける光散乱を引き起こすだろう。ある実施形態では、クロック再生成器２１３は、光周波数分割クロック信号の強度を可能な限り小さくでき、それよって光散乱を制限して量子チャネルにするように、高い感度を持ったアバランシェフォトダイオードになるだろう。

多くの量子通信システムが、複数の受信量子信号をセンシングするためにゲート制御された複数の単一光子検出器に依存する。複数のインジウムガリウム砒素（Indium Gallium Arsenide）（InGaAs）アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）に基づく有望なゲート制御された単一光子検出器は、自己差分検出器である。これらの検出器は１５５０ｎｍのテレコム帯域で作動する。複数の検出器は、自己差分検出回路を用いて、出力からアバランシェ信号を分離する手段を具備する。

自己差分回路は、検出器からの信号を分割して、２つの部分にする信号分割器と、複数の部分のうちの１つを、他に対して遅延させる電線路と、２つの部分の間での差を出力する信号差分器を具備する。弁別器を介して通過してもよい差分された信号は、検出器から出力される。

自己差分検出器は、２つの部分の強さの平衡を保つ手段をさらに具備するかもしれない。検出器は、遅れの長さを変える手段をさらに具備するかもしれない。さらなる実施形態では、検出器は、（複数の）自己差分回路の出力を増幅するために（複数の）アンプをさらに具備する。

自己差分検出器は、それが残りの複数の単一光子誘導アバランシェを置き去りにするＡＰＤ容量性応答を無効にするように、有効に働く。結果として、自己差分検出器を（１ＧＨｚまたはそれ以上の）高いクロック周波数で駆動することができ、一方、低いアフターパルス（＜５％）かつ低い暗計数確率（＜１０^−５）で比較的高い単一光子効率（１０−２０％）を維持する。それにもかかわらず、正確な容量性応答キャンセルのためには、ＡＰＤ駆動クロック周波数は正確に制御されねばならない。ＡＰＤ駆動信号での小さなサイクルトゥサイクルジッタは、自己差分検出器の性能を下げている場合に重要である。

単一光子受信機１０３内の高速な単一光子検出器２０５及び３０５の最良の性能については、これらの検出器の動作は、本発明の実施形態が示される添付図面を参照して十分に説明される。

図５は、本発明の実施形態に従うシステムと共に用いられてもよい高速な単一光子検出器を示す。

キャパシタ５０１及びインダクタ５０３はバイアスティー（bias-tee）５０５を具備する。それはＡＣ電圧源５０９からのＡＣ変調電圧Ｖ_ａｃ５０７と、ＤＣバイアス源５１３からの固定ＤＣバイアスＶ_ｄｃ５１１と、を組み合わせるために使用される。ＡＣ電圧は、バイアスティーの、キャパシタ５０１を具備するアーム（arm）に印加され、ＤＣ電圧は、バイアスティーの、インダクタ５０３を具備するアームに印加される。結合したＡＣ及びＤＣのバイアスはアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）バイアス電圧Ｖ_ａｐｄ５１５を形成する。ある実施形態では、ＡＰＤの材料タイプはインジウムガリウム砒素（InGaAs）に制限されないが、このＡＰＤバイアス電圧５１５は、インジウムガリウム砒素を基にしたＡＰＤ５１７に印加される。それは所望の波長感度に依存するゲルマニウムまたはシリコンでもよい。

光子検出から発生するアバランシェによって引き起こされた光電流は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔ５２１に対応する直列抵抗５１９の両端の電圧になる。

ＡＰＤの高速動作に起因する大規模な周期的容量性応答は、任意の弱い複数のアバランシェも隠してしまう。自己差分回路５２３はアバランシェから信号を分離するために使用される。自己差分回路は、分割された信号を出力する２つの電線路５２７及び５２９に接続される信号分割器５２５と、２つの出力線路からの信号を結合する信号結合器５３１と、を具備する。電気出力線５２７及び５２９は、線路のうちの１つからの信号が結合する前に遅延されるような遅延部を具備する。

ＡＰＤ出力電圧Ｖ_ｏｕｔ５２１は、信号分割器５２５に入力される。それは信号を２つのほぼ等しいコンポーネントに分割する。電位差計５３５は、分割する比率を平衡を保ち、かつさらに２つのコンポーネントを均等にするために用いられる。電気的な遅延線５２７のうちの１つが他の５２９より長いので、これらのコンポーネントのうちの１つは必ず遅れるだろう。

遅れはＡＣ電圧源５１３によって供給された整数のゲート期間Ｔになるように選択され、遅延線５２７はＴに無関係に遅れを調整するために調整可能に選ばれる。これらの２つの信号が信号差分器５３１に入力される場合、それらは他方からの減算されたものであり、強い周期的な容量性応答は、弱い自己差分器出力電圧Ｖ_ｓｄ５３３をそのままにして大部分キャンセルされる。さらにＶ_ｓｄ５３３の質を改善するために、１ＧＨｚの低域フィルター５３７及び線形増幅器５３９を用いることは一般的である。

これは、複数の弱いアバランシェが自己差分器出力Ｖ_ｓｄ５３３で明らかにされることを可能にする。しかしながら、容量性応答の成功したキャンセルは、ＡＰＤのＡＣ駆動信号のサイクルトゥサイクルジッタ（周波数安定度）に強く依存する。

図６は、サイクルトゥサイクルジッタが小さい場合での自己差分容量性応答キャンセルでの改善を示すグラフである。ＡＰＤ駆動周波数は１ＧＨｚである。

曲線６０１は、（接続されている自己差分器なしで）生のＡＰＤ信号出力の時間の関数として電圧変動を示す。電圧変動は約１Ｖである。また、任意の弱いアバランシェもこの容量性応答では不明瞭になる。

曲線６０３は、サイクルトゥサイクル周波数不一致が３ｐｓである場合に、自己差分器ＡＰＤ信号出力の時間の関数として電圧変動を示す。元の容量性応答６０１の多くは、２０ｍＶをより大きい振幅を持った弱い複数のアバランシェが観察されることを許容して、相殺される。

曲線６０５は、サイクルトゥサイクル周波数不一致が僅か５０ｐｓである場合に、自己差分ＡＰＤ信号出力の時間の関数としての電圧変動を示す。元の容量性応答６０５は、単に部分的にキャンセルされ、３００ｍＶより大きな振幅を持った強いアバランシェだけが観測される；曲線６０３によって提示された状況に関するよりも１桁大きい。

図５の単一光子検出器は図３のシステムで使用された。実験が、再生成されたクロック信号を用いて１つの単一光子自己差分ＡＰＤ検出器の動作だけをテストすることだったので、干渉計３０１及び３０３、ならびに１つの単一光子検出器３０５が取り除かれた。実験は、数ピコセカンドの命令のＡＰＤ駆動周波数の周期変動への周期に帰着した。

実験では、単一光子送信機側１０１で量子レーザー３０７の繰り返し周波数は、マスタークロック１０９から駆動される１ＧＨｚだった。また、最終的な複数の光パルス（波長１５４８ｎｍ）は、５０ｋｍの単一モード光ファイバーからなる量子チャネルに沿って送信される前に、パルス当たり０．１光子の単一光子レベルまで減衰した。マスタークロック１０９は、１０ＭＨｚまでＮ＝１００で分割され、これらの周波数分割電気パルスは、クロック送信機１０５の内部で、１５５０ｎｍで動作するＣＷＤＭレーザーダイオードによって複数の光クロックパルスに変換された。その後、複数の光学クロックパルスは、クロック受信機まで５０ｋｍの単一モード光ファイバーからなるクロックチャネル１１３上で送信された。

クロック受信機１０７では、周波数分割クロックは、アバランシェフォトダイオード２１３だったクロック再生成器によって検出され、それによって最終的な複数の電気信号がクロック安定器２０７へ送られた。

単一光子受信機１０３では、複数の量子信号が自己差分単一光子検出器２０５へ送られた。周波数シンセサイザー２０３は、複数の入射量子信号に同期して、ブレークダウンの上下でＡＰＤ２０５を駆動するために増幅器でしようされた単一光子送信機マスタークロックに位相ロックした安定した１ＧＨｚパルスパターンを生成した。

到着ヒストグラムの光子時間は、図５の５３９から、複数の単一光子検出器巨視的電気パルスの複数の到着時刻を測定することに役立ち、このように拡張によって、光子到着時刻を記録することに役立つ光子タイミングカードを使用することによって得られる。典型的に、タイムスタンプは各光子到達時刻に関して、割り当てられる。

さらに、光子タイミングカードは、４チャネルのそれぞれに関して電気的な弁別器を具備する。複数の弁別器は、光子到着イベントから起因する真の巨視的な複数の電気的パルスから電気的ノイズを分離するために用いられる。しかしながら、取り除くことができない複数の単一光子検出器からのある内在するノイズが常にあるだろう。これは単一光子検出器暗計数に起因する。

光子タイミングカードは、メモリに複数の光子タイムスタンプを格納する。複数の光子タイムスタンプは一時的な光子到着ヒストグラムを構築するために用いられる。図７は、図５に示されるような複数の条件を持った自己差分ＡＰＤ２０５のための時間の関数として複数の光子到達時刻のヒストグラムをプロットしている。

予想通りに、複数の光子到着イベントは、１ｎｓの間隔によって規則的に間隔をあけている。１ｎｓのタイムスロットはそれぞれ、複数の光子到達時刻７０１のガウス分布を含んでいて、半値全幅がおよそ１００ｐｓである。各分布７０１の最小に対する最大の比率は２桁を超えている。したがって、完全な量子通信システムで使用された場合に、ビット誤り率での無視できる増加の原因になる、複数のタイムスロット間に最小のオーバーラップがある。

図８は、さらなる実施形態に従う量子通信システムの概略図を示す。レイアウトは新しい技術の図２に非常に似ている。しかしながら、この特別な実施形態では、マスタークロック８１５は単一光子受信機１０３にある。

したがって、システム図８では、受信セクション１０２は単一光子受信機１０３を具備する。単一光子受信機１０３はマスタークロック生成器８１５を具備する。マスタークロック８１５はシステムのクロックレートで電気信号を生成する。この電気的なクロック信号は、クロック分割器８１３と同様に、（複数の）高速な単一光子検出器２０５を駆動するために用いられる。クロック分割器８１３は、マスタークロック信号８１５を分割して、ある予め設定された分割周波数Ｎにする。

ある実施形態では、オーブン型マスタークロックは、模範的なタイミング安定性を有するとして、用いられる。概して言えば、予め設定された分割信号は、マスタークロックより１から３桁小さい周波数を持つだろう。ある実施形態では、この分割されたクロックは、クロック送信機１０５と共に、光信号に変換される。この実施形態では、クロック送信機１０５は受信セクション１０２に位置する。ある実施形態では、クロック信号の分割は、密な分割波長多重（ＤＷＤＭ）レーザーダイオードを用いてもよいが、粗い分割波長多重（ＣＷＤＭ）レーザーダイオード８１１を用いて行なわれる。

光信号は、その後、クロックチャネルを通ってクロック受信機１０７に送られる。この実施形態では、クロック受信機１０７は送信セクション１００に位置する。クロック受信機１０７では、周波数分割クロック２０５は、クロック再生成器によって電気信号に変換される。ある実施形態では、これはアバランシェフォトダイオード８０５を用いて行なわれる；しかしながら、任意の光受信機も用いてもよい。クロック受信機１０７は、単一光子送信機１０１内の周波数シンセサイザーへ、このクロック再生成信号を送る。

単一光子送信機１０１は周波数シンセサイザー８０１を具備する。周波数シンセサイザー８０１の目的は、クロック信号２０５の入力変化を追跡し、かつクロック信号の周波数多重バージョンを生成することである。ある実施形態では、周波数シンセサイザーは位相ロックループ（ＰＬＬ）によって実現される。ＰＬＬはチップデバイスでのように容易に利用可能である。そのようなデバイスは、出力周波数用のプリセットされた周波数逓倍器を許容する。この実施形態では、この逓倍器は、値Ｎに設定され、（データ送信機での）元の高周波数マスタークロック出力１０９を再生成する。入力クロック周波数における任意の変化は、単一送信機マスタークロック及び単一光子受信機マスタークロックの両方を同期してこのように維持する周波数シンセサイザーによって自動的に追跡されるだろう。

再生成されたマスタークロックは、非常に低いジッタ及び優れたタイミング性能を持つことができる。この回復されたクロックは、データストリームを生成するためのパルスレーザのようなデータ送信機中で高速（ＧＨｚ）電子機器を運転するために用いられる。その後、このデータストリームは受信機１０３で複数の高速な単一光子検出器と同期される。

図９は、本発明のさらなる実施形態に従う受信ユニットの概略図を示す。設定は図８に基づき、そのようなものとして参考にされる。

図８でのマスタークロック８１５は、自己差分回路に基づいたフィードバック配置と取り替えられる。詳細には、受信セクション１０２は、以前に説明されたことと同様である単一光子検出器２０５を具備する。単一光子検出器の出力は自己差分回路９０３を介して渡される。これは、以前に説明した自己差分回路の原理に基づいて動作し、出力は２つのチャネルに分割され、あるチャネルは他のチャネルに対して遅延される。その後、２本のチャンネルは、自己差分器９０３の出力を形成する信号結合器で結合される。自己差分器９０３の出力は信号スプリッター９０５に供給する。

電圧制御発振器ＶＣＯ９０１の周波数を固定するために、フィードバックは自己差分器９０３において遅延を用いる。このように、２つの自己差分器のアームに任意のドリフトがある場合、周波数は補償するように調整され、このようにして、高速な単一光子検出器２０５の最適な性能を維持する。

ＶＣＯ９０１は（システムのクロック周波数で設定される）高周波数を生成する。クロック周波数は、高速な単一光子検出器及び周波数分割器８１３の両方を駆動するために出力される。図５を参照して以前説明したように、検出器出力の容量性応答は、自己差分回路９０３を用いて、以前のクロックサイクルで１つのクロックサイクルを引くことによって取り除かれる。自己差分器の出力は、抵抗スプリッター９０５に送られ、ここで、ある出力が光子タイムスタンプ捕獲のための受信機のタイミング電子機器に送られ、他の出力９０７がＶＣＯ９０１に送り返される。

ＶＣＯからのクロック周波数が自己差分器と一致しなければ、取り消されていない僅かな容量性応答９０９があるだろう。この取り消されていない信号を、正確な周波数にＶＣＯ周波数を調節するためにＶＣＯへの電圧フィードバックとして用いることができる。クロック周波数が自己差分器の逆時間遅延と一致する場合、取り消されていない出力９０９は０だろう。

ある実施形態は説明されているが、これらの実施形態はほんの一例として示されており、発明の範囲を制限するようには意図されない。実際は、本明細書で説明される新しい方法、システム及びユニットは、様々な他の形で具体化されてもよい；さらに、本明細書で説明される方法、システム及びユニットの形での様々な省略、置換及び変更は、発明の精神から外れずになされてもよい。添付のクレーム及びその均等物は、発明の範囲及び精神に含まれるように、修正の形式をカバーするように意図される。

Claims (18)

1. 複数の弱い光パルスのエミッターと、
   複数の単一光子を検出することができる検出器と、
   クロック信号源と、を具備し、
   前記エミッター及び前記検出器は、前記クロック信号を使用して同期され、
   減少した周波数クロック信号を発生する前記クロック信号のための周波数分割器と、
   前記減少した周波数クロック信号から元のクロック信号を再生成するクロック再生成器と、
   前記エミッターと前記検出器との間で前記クロック信号を通信する通信チャネルと、をさらに具備し、
   前記クロック信号は、前記チャネルを介して送信する前に減少され、それが前記チャネルを抜け出た後に再構成される、通信システム。
2. 前記コンポーネントは検出器であり、該検出器は高速な検出器である請求項１の通信システム。
3. 前記高速な検出器は、アバランシェフォトダイオードである請求項２の通信システム。
4. 前記高速な検出器は、少なくとも１００ＭＨｚの周波数でゲート制御される請求項２の通信システム。
5. 自己差分技術を用いて、前記検出器の出力からアバランシェ信号を分離する出力回路をさらに具備する請求項３に記載の通信システム。
6. 前記出力回路は、
   前記検出器の出力信号を２つの部分に分離する信号分割器と、
   前記部分のうちの１つを他に比較して遅延させる電線路と、
   前記２つの部分の間での差分を出力する信号差分器と、を具備する請求項５の通信システム。
7. 前記出力回路は、前記出力信号の前記２つの部分の強さの平衡を保たせる電位差計をさらに具備する請求項６の通信システム。
8. 前記出力回路は、前記信号の前記２つの部分のうちの１つの経路で提供される可変遅延線を具備する請求項６の通信システム。
9. 前記周波数分割器は、１０またはそれ以上分の１に前記周波数を減少させる請求項１の通信システム。
10. 前記クロック信号源及び周波数分割器は前記エミッターに位置し、前記クロック再生成器は前記検出器に位置する請求項１の通信システム。
11. 前記クロック信号源及び周波数分割器は前記検出器に位置し、前記クロック再生成器は前記エミッターに位置する請求項１の通信システム。
12. 前記クロック信号源及び周波数分割器は前記検出器に位置し、前記クロック再生成器は前記エミッターに位置し、
    前記クロック信号源は電圧制御発振器を具備し、
    前記出力回路からの信号は、前記電圧制御発振器へフィードバック信号を提供するために、電圧制御発振器に接続される請求項５の通信システム。
13. 前記減少した周波数クロック信号は、波長分割多重を使用して、前記トランスミッターからの前記信号と同様のチャネル上で送信される請求項１の通信システム。
14. 量子通信システムとして構成される請求項１の通信システム。
15. ゲート制御された複数の高速の単一光子検出器を使用する通信システムでのクロック再生成のための装置、
    前記量子通信システムは、量子鍵配布システムである請求項１の通信システム。
16. クロック信号源と、
    前記クロック信号に応じて複数の弱い光パルスを扱うコンポーネント、または、複数の単一光子を検出することができる検出器と、を具備し、
    前記コンポーネントは複数の弱い光パルスのエミッターから選択され、それぞれの弱い光パルスでの平均光子数は１より小さく、
    前記クロック信号の前記周波数を減少させる周波数分割器と、
    減少した周波数クロック信号を外へ送信する伝送線路をさらに具備する、通信システムのためのユニット。
17. 減少した周波数クロック信号の受信機と、
    前記減少した周波数クロック信号からクロック信号を再生成するクロック再生成器と、
    前記クロック信号に応じて複数の弱い光パルスを扱うコンポーネント、または、複数の単一光子を検出することができる検出器と、を具備し、
    前記コンポーネントは複数の弱い光パルスのエミッターから選択され、それぞれの弱い光パルス内の平均光子数は１より小さい、通信システムのためのユニット。
18. エミッターを使用して複数の弱い光パルスを生成し、
    複数の単一光子を検出することができる検出器を使用して前記複数の弱い光パルスを検出し、
    前記エミッターを有する前記検出器に同期させるために、クロック信号を提供し、
    クロック信号を提供することは、
    第１周波数でクロック信号を生成し、
    前記第１周波数で前記クロック信号を、前記エミッターまたは検出器のうちの一方に提供し、
    減少した周波数クロック信号を発生するために前記クロック信号の前記周波数を分割し、
    前記エミッターまたは検出器のうちの他方に供給する前に、前記減少した周波数クロック信号から前記第１周波数で前記クロック信号を再生成し、
    前記エミッター及び検出器は、空間的に分離されていて、通信チャネルは前記エミッターと検出器との間で前記減少した周波数クロック信号を通信することを提供される、通信方法。

Images