JP2016095440A - Multidimensional quantum entanglement state generator - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable the formation of a multidimensional quantum entanglement state with fewer number of devices.SOLUTION: A light source 101 emits, for example, pulsed light. A splitter 102 splits the pump light emitted from the light source 101 into N pieces of input light beams (N is a natural number of two or more). The pump light is input into splitter 102 through an input optical waveguide 106. N pieces of non-linear optical waveguides 103 are made to have an identical optical waveguide length and receive the N pieces of input light beams split by the splitter 102, respectively. An array optical waveguide diffraction grating 104 has input terminals that are connected with the N pieces of non-linear optical waveguides 103, and has output ends that are connected with 2N pieces of output optical waveguides 105. In the non-linear optical waveguides 103 to which the pump light is incident, for example, a quantum correlated photon pair is generated by Spontaneous Four Wave Mixing (SFWM).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、量子力学の原理により保証された安全性を有する暗号鍵交換技術における多次元量子もつれ状態発生装置に関する。   The present invention relates to a multidimensional entangled state generator in a cryptographic key exchange technique having security guaranteed by the principle of quantum mechanics.

近年、量子力学の基本的な性質を直接応用することにより、新たな情報通信や信号処理を実現しようとする量子情報処理技術の研究が盛んに行われている。例えば、不確定性原理により、光子1つがどのような偏光状態にあるかを完全に測定することはできない。このことを利用した共有鍵暗号方式における鍵配送を行う暗号方式があり、「量子暗号通信」と呼ばれている。   In recent years, research on quantum information processing technology that attempts to realize new information communication and signal processing by directly applying the basic properties of quantum mechanics has been actively conducted. For example, due to the uncertainty principle, it is not possible to completely measure what polarization state one photon is in. There is an encryption method that performs key distribution in the shared key encryption method using this, and is called “quantum encryption communication”.

量子力学的相関を有する複数の光子(量子もつれ光子)は、以上のような量子情報通信システムにおける重要な要素である。送信者と受信者との間で量子もつれ光子対を共有することで、盗聴者の存在を確実に検知することのできる物理法則に保証された安全性を有する暗号鍵配送が実現可能である。   A plurality of photons (quantum entangled photons) having a quantum mechanical correlation are important elements in the quantum information communication system as described above. By sharing the quantum entangled photon pair between the sender and the receiver, it is possible to realize cryptographic key distribution having security guaranteed by a physical law that can reliably detect the presence of an eavesdropper.

光子を用いた量子情報処理技術においては、光子の何らかの物理状態に符号化された重ね合わせ状態を情報の基本単位として用いる。この物理量として、光の偏光、空間経路(空間位置)、時間位置、周波数、軌道角運動量などを用いることができる。例えば、偏光を用いた場合、横偏光状態と縦偏光状態の2状態系(状態数N=2)を構成することができ、光子は上記2状態の線形重ね合わせ状態をとることができる。このような2状態の重ね合わせは、量子ビットとして用いることができる。   In the quantum information processing technology using photons, a superposition state encoded in some physical state of photons is used as a basic unit of information. As this physical quantity, polarization of light, spatial path (spatial position), time position, frequency, orbital angular momentum, and the like can be used. For example, when polarized light is used, a two-state system (number of states N = 2) of a transverse polarization state and a longitudinal polarization state can be configured, and a photon can take the above-described two-state linear superposition state. Such superposition of two states can be used as a qubit.

時間位置を用いた場合、光子が存在しうる2個の時間スロットを用いた2状態系により量子ビットが構成できる。空間経路を用いた場合、空間的に離れた2つの位置を用いた2状態系により量子ビットが構成できる。量子ビットは、量子暗号通信に代表される量子情報プロトコルにおける基本的なリソースであり、量子ビットの発生や制御に関する研究が盛んにおこなわれている。   When the time position is used, a qubit can be constituted by a two-state system using two time slots in which photons can exist. When a spatial path is used, a qubit can be configured by a two-state system using two spatially separated positions. A qubit is a basic resource in a quantum information protocol typified by quantum cryptography communication, and research on generation and control of a qubit is actively conducted.

ここで、2状態系によって構成される量子もつれ状態について説明する。2つの光子が同時に存在し、各々の光子は、2状態の重ね合わせ状態をとっている状態を仮定する。例えば偏光の自由度を用いた場合、各々の光子は、横偏光と縦偏光の重ね合わせ状態をとる。これら2個の光子を、シグナル光子、アイドラ光子と呼ぶことにする。これらの光子が、量子もつれ状態にある場合、この状態は波動関数を用いて「|量子状態>=(|0〉s|0〉i+|1〉s|1〉i)/21/2・・・(0)」と表される。 Here, the entangled state constituted by the two-state system will be described. It is assumed that two photons exist simultaneously, and each photon is in a two-state superposition state. For example, when the degree of freedom of polarization is used, each photon takes a superposed state of horizontally polarized light and vertically polarized light. These two photons are called signal photons and idler photons. If these photons are in a entangled state, this state can be determined by using a wave function: “| quantum state> = (| 0> s | 0> i + | 1> s | 1> i ) / 2 1/2 ... (0) ”.

式(0)において、|0〉sは、0番目の状態にシグナルの光子が1個存在する状態を表し、|0〉iは、0番目の状態にアイドラの光子が1個存在する状態を表し、|1〉sは、1番目の状態にシグナルの光子が1個存在する状態を表し、|1〉iは、1番目の状態にアイドラの光子が1個存在する状態を表す。例えば状態が光子の偏光状態の場合、0を水平偏光、1を垂直偏光に割り当てることができる。この場合、式(0)は、個々の光子の偏光は定まっていないが、2つの光子の偏光の関連性は定まっている状態を表す。 In Equation (0), | 0> s represents a state where one signal photon exists in the 0th state, and | 0> i represents a state where one idler photon exists in the 0th state. | 1> s represents a state where one signal photon exists in the first state, and | 1> i represents a state where one idler photon exists in the first state. For example, if the state is a photon polarization state, 0 can be assigned to horizontal polarization and 1 to vertical polarization. In this case, Equation (0) represents a state in which the polarization of each photon is not fixed, but the relationship between the polarizations of the two photons is fixed.

更に近年、N>3の重ね合わせ状態に符号化された量子状態、すなわち量子多状態系を用いる研究が注目されている。量子多状態系を用いることで、例えば、2状態系に比べて量子暗号通信の秘匿性を向上させることが可能である(非特許文献1参照)。従って、量子多状態系に基づく量子もつれ状態(多次元量子もつれ状態)の発生技術は、量子暗号通信などの応用上極めて重要である。   In recent years, research using quantum states encoded in N> 3 superposition states, that is, quantum multistate systems, has attracted attention. By using a quantum multi-state system, for example, it is possible to improve the confidentiality of quantum cryptography communication compared to a two-state system (see Non-Patent Document 1). Therefore, a technique for generating a entangled state (multi-dimensional entangled state) based on a quantum multi-state system is extremely important for applications such as quantum cryptography communication.

次の式(1)の波動関数で表される相関二光子の状態は、N次元量子もつれ状態に属する。   The state of the correlated two-photon represented by the wave function of the following equation (1) belongs to the N-dimensional quantum entangled state.

式(1)において、mは重ね合わせ状態を数え上げる番号、Nは重ね合わせ状態の総数、φmは各状態間の相対位相を表す(ただしφ0=0)。|m〉sは、相関二光子を形成するシグナル(s)光子がm番目の量子状態にあることを表し、|m〉iは、相関二光子を形成するアイドラ(i)光子がm番目の量子状態にあることを表す。 In Equation (1), m is a number for counting the overlapping states, N is the total number of overlapping states, and φ m is a relative phase between the states (where φ 0 = 0). | M> s represents that the signal (s) photon forming the correlated two-photon is in the m-th quantum state, and | m> i is the idler (i) photon forming the correlated two-photon Represents a quantum state.

このような多次元量子もつれ状態を実現するための物理量として、光の空間経路(空間位置)、時間位置、周波数、軌道角運動量などを用いることができる。これらの自由度の中で、特に空間経路への符号化は重要である。なぜなら、空間経路に符号化された量子状態は、干渉計や位相シフタを組み合わせた光回路を用いることで、比較的容易に制御可能なためである(非特許文献2参照)。   As a physical quantity for realizing such a multidimensional quantum entangled state, a light path (space position), a time position, a frequency, an orbital angular momentum, and the like can be used. Among these degrees of freedom, encoding to a spatial path is particularly important. This is because the quantum state encoded in the spatial path can be controlled relatively easily by using an optical circuit that combines an interferometer and a phase shifter (see Non-Patent Document 2).

このような状況に鑑み、最近、空間経路符号化型の多次元量子もつれ光子対源が提案されている(非特許文献3参照)。以下、この多次元量子もつれ光子対源について、図5を用いて説明する。図5は、非特許文献3のFig.1である。まず、図5に示すように、共通のポンプ光であるλを分岐させるためのN×Nカプラと、相関光子対を発生する非線形光導波路(ppLN1〜ppLNN)と、相関光子対をシグナル光とアイドラ光に分離するN個の波長分離フィルタ(DWDM)とを備える。 In view of such a situation, a spatial path encoding type multi-dimensional quantum entangled photon pair source has been recently proposed (see Non-Patent Document 3). Hereinafter, this multidimensional entangled photon pair source will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows FIG. 1. First, as shown in FIG. 5, an N × N coupler for branching λ, which is a common pump light, a nonlinear optical waveguide (ppLN 1 to ppLN N ) for generating a correlated photon pair, and a correlated photon pair as a signal N wavelength separation filters (DWDM) that separate light into idler light.

この光源では、複数の非線形光導波路から発生した相関光子対の各々を、波長分離フィルタを用いて異なる経路に分離させた後、右端の破線の位置で多次元量子もつれ状態を得る。量子多状態系を実現する物理量は、上記光源において、光子がどの出力導波路に存在するかという空間的な位置に相当する。   In this light source, each pair of correlated photons generated from a plurality of nonlinear optical waveguides is separated into different paths using a wavelength separation filter, and then a multidimensional quantum entangled state is obtained at the position of the broken line at the right end. The physical quantity that realizes the quantum multi-state system corresponds to the spatial position of the output waveguide in which the photons exist in the light source.

特開2009−069513号公報JP 2009-069513 A 特開2012−042849号公報JP 2012-042849 A

N. J. Cerf et al., "Security of Quantum Key Distribution Using d-Level Systems", Physical Review Letters, vol.88, no.12, 127902, 2002.N. J. Cerf et al., "Security of Quantum Key Distribution Using d-Level Systems", Physical Review Letters, vol.88, no.12, 127902, 2002. M. Reck and A. Zeilinger, "Experimental Realization of Any Discrete Unitary Operator", Physical Review Letters, vol.73, no.1, pp.58-61, 1994.M. Reck and A. Zeilinger, "Experimental Realization of Any Discrete Unitary Operator", Physical Review Letters, vol.73, no.1, pp.58-61, 1994. C. Schaeff et al., "Scalable fiber integrated source for higherdimensional path-entangled photonic quNits", Optics Express, vol.20, no.15, pp.16145-16153, 2012.C. Schaeff et al., "Scalable fiber integrated source for higherdimensional path-entangled photonic quNits", Optics Express, vol.20, no.15, pp.16145-16153, 2012. C. R. Doerr and K. Okamoto, "Advances in Silica Planar Lightwave Circuits", Journal of Lightwave Technology, vol.24, no.12, pp.4763-4789, 2006.C. R. Doerr and K. Okamoto, "Advances in Silica Planar Lightwave Circuits", Journal of Lightwave Technology, vol.24, no.12, pp.4763-4789, 2006.

しかしながら、上述した非特許文献3の技術においては、N個の量子もつれの状態数を得るためにN個の波長分離フィルタを使用しており、波長分離フィルタの数は発生させる量子もつれの状態数だけ必要となる。しかしながら、多次元量子もつれ状態発生装置の更なる小型化・低コスト化のためには、必要とされる素子(=波長分離フィルタ)の数を大幅に減少させることが要求される。   However, in the technique of Non-Patent Document 3 described above, N wavelength separation filters are used to obtain the number of N entangled states, and the number of wavelength separation filters is the number of entangled states to be generated. Only needed. However, in order to further reduce the size and cost of the multidimensional quantum entangled state generator, it is required to significantly reduce the number of elements (= wavelength separation filters) required.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より少ない素子数で、多次元の量子もつれの状態が形成できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to form a multidimensional entangled state with a smaller number of elements.

本発明に係る多次元量子もつれ状態発生装置は、出射するポンプ光の光強度が調整可能とされた光源と、光源より出射されたポンプ光をN(Nは2以上の自然数)個の入力光に分岐するスプリッタと、スプリッタで分岐されたN個の入力光が各々入力され、光導波路長が各々等しいN本の非線形光導波路と、N本の非線形光導波路が接続されるアレイ光導波路回折格子と、アレイ光導波路回折格子に接続された2N本の出力光導波路とを備える。   The multidimensional quantum entangled state generator according to the present invention includes a light source capable of adjusting the light intensity of emitted pump light, and N (N is a natural number of 2 or more) input light from pump light emitted from the light source. , An N optical waveguide grating to which N input lights branched by the splitter are respectively input and the optical waveguide lengths are equal to each other, and an N optical waveguide diffraction grating to which the N nonlinear optical waveguides are connected And 2N output optical waveguides connected to the array optical waveguide diffraction grating.

上記多次元量子もつれ状態発生装置において、非線形光導波路は、自然放出四光波混合により、入力したポンプ光よりシグナル光子およびアイドラ光子を発生するものであればよい。   In the multidimensional quantum entangled state generator, the nonlinear optical waveguide may be any one that generates signal photons and idler photons from the input pump light by spontaneous emission four-wave mixing.

上記多次元量子もつれ状態発生装置において、N本の非線形光導波路のうちの1つの非線形光導波路で(入力したポンプ光により)発生したシグナル光子とアイドラ光子は量子力学的相関を有する量子もつれ光子であるとともに、シグナル光子とアイドラ光子とポンプ光はアレイ導波路回折格子の同一の入力ポートに入力され、シグナル光子とアイドラ光子はアレイ導波路回折格子の異なる出力ポートに出力されるようにしてもよい。   In the multidimensional quantum entangled state generator, the signal photons and idler photons generated by one of the N nonlinear optical waveguides (by the input pump light) are quantum entangled photons having a quantum mechanical correlation. In addition, the signal photon, idler photon, and pump light may be input to the same input port of the arrayed waveguide grating, and the signal photon and idler photon may be output to different output ports of the arrayed waveguide grating. .

上記多次元量子もつれ状態発生装置において、N本の非線形導波路のうち1つの非線形光導波路でシグナル光子とアイドラ光子が発生するときは、残りのN−1本の非線形光導波路ではシグナル光子とアイドラ光子が発生することが無い状態に、ポンプ光の光強度が調整されるようにすればよい。   In the multidimensional quantum entangled state generator, when a signal photon and an idler photon are generated in one nonlinear optical waveguide among the N nonlinear waveguides, the signal photon and idler are generated in the remaining N−1 nonlinear optical waveguides. What is necessary is just to make it adjust the light intensity of pump light in the state where a photon does not generate | occur | produce.

上記多次元量子もつれ状態発生装置において、出力光導波路を出射するシグナル光子、アイドラ光子は、それらの間の規格化された周波数重なり積分が1%以下とされているとよい。   In the multi-dimensional quantum entangled state generator, the signal photon and idler photon emitted from the output optical waveguide may have a normalized frequency overlap integral of 1% or less between them.

以上説明したことにより、本発明によれば、より少ない素子数で、多次元の量子もつれの状態が形成できるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, an excellent effect that a multi-dimensional quantum entangled state can be formed with a smaller number of elements can be obtained.

図1は、本発明の実施の形態における多次元量子もつれ状態発生装置の構成を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a multidimensional entangled state generation device according to an embodiment of the present invention. 図2は、実施例1における非線形光導波路103および出力光導波路105の配置を説明するための構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram for explaining the arrangement of the nonlinear optical waveguide 103 and the output optical waveguide 105 in the first embodiment. 図3は、実施例2における非線形光導波路103および出力光導波路105の配置を説明するための構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram for explaining the arrangement of the nonlinear optical waveguide 103 and the output optical waveguide 105 in the second embodiment. 図4は、実施例3における非線形光導波路103および出力光導波路105の配置を説明するための構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram for explaining the arrangement of the nonlinear optical waveguide 103 and the output optical waveguide 105 in the third embodiment. 図5は、非特許文献3に示された多次元量子もつれ光子対源の構成を示す構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram showing the configuration of the multidimensional quantum entangled photon pair source shown in Non-Patent Document 3.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における多次元量子もつれ状態発生装置の構成を示す構成図である。この多次元量子もつれ状態発生装置は、光源101、スプリッタ102、N本の非線形光導波路103、アレイ光導波路回折格子104、2N本の出力光導波路105を備える。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a multidimensional entangled state generation device according to an embodiment of the present invention. The multidimensional quantum entangled state generator includes a light source 101, a splitter 102, N nonlinear optical waveguides 103, an array optical waveguide diffraction grating 104, and 2N output optical waveguides 105.

光源101は、出射するポンプ光の光強度が調整可能とされている。光源101は、例えば、パルス光を出射する。スプリッタ102は、光源101より出射されたポンプ光をN(Nは2以上の自然数)個の入力光に分岐する。ポンプ光は、入力光導波路106を介してスプリッタ102に入力される。N本の非線形光導波路103は、各々等しい光導波路構造および光導波路長を有する。また、N本の非線形光導波路103には、スプリッタ102で分岐されたN個の入力光が各々入力される。   The light source 101 can adjust the light intensity of the emitted pump light. The light source 101 emits pulsed light, for example. The splitter 102 branches the pump light emitted from the light source 101 into N (N is a natural number of 2 or more) input lights. The pump light is input to the splitter 102 via the input optical waveguide 106. The N nonlinear optical waveguides 103 each have the same optical waveguide structure and optical waveguide length. Further, N pieces of input light branched by the splitter 102 are input to the N nonlinear optical waveguides 103, respectively.

アレイ光導波路回折格子104は、入力端にN本の非線形光導波路103が接続され、出力端には、2N本の出力光導波路105が接続される。アレイ光導波路回折格子104は、第1スラブ111、光導波路アレイ112、第2スラブ113から構成されている。   The array optical waveguide diffraction grating 104 has N nonlinear optical waveguides 103 connected to its input end and 2N output optical waveguides 105 connected to its output end. The array optical waveguide diffraction grating 104 includes a first slab 111, an optical waveguide array 112, and a second slab 113.

光源101を出射した励起光としてのポンプ光(パルス)が、入力光導波路106へと入力し、スプリッタ102でN本の非線形光導波路103へ等しく分岐されて入射する。ポンプ光が入射した各々の非線形光導波路103において、非線形光学効果により時間相関光子対が生成される。ここで、2本以上の非線形光導波路103から同時に光子対が発生することのないように、ポンプ光強度を調整する。   Pump light (pulse) as excitation light emitted from the light source 101 is input to the input optical waveguide 106 and is equally branched and incident on the N nonlinear optical waveguides 103 by the splitter 102. In each nonlinear optical waveguide 103 on which the pump light is incident, a time-correlated photon pair is generated by the nonlinear optical effect. Here, the pump light intensity is adjusted so that photon pairs are not simultaneously generated from two or more nonlinear optical waveguides 103.

時間相関光子対を発生するためには、2次あるいは3次の非線形光導波路103とすればよい。例えば、3次の非線形光導波路103としては、シリコン光導波路における自然放出四光波混合過程(SFWM;Spontaneous Four Wave Mixing)を用いた量子相関光子対の発生が可能である(特許文献1参照)。   In order to generate a time-correlated photon pair, the second-order or third-order nonlinear optical waveguide 103 may be used. For example, as the third-order nonlinear optical waveguide 103, it is possible to generate a quantum correlation photon pair using a spontaneous emission four-wave mixing (SFWM) in a silicon optical waveguide (see Patent Document 1).

この自然放出四光波混合過程について説明する。3次の非線形光導波路103に、光周波数fpのポンプ光が入力されると、「2fp=fs+fi・・・(2)」を満たす、光周波数fsのシグナル光子および光周波数fiのアイドラ光子が発生する(ただしfs>fi)。このシグナル光子とアイドラ光子から構成される光子対は、時間位置(発生時刻)に関して量子力学的な相関を有し、時間相関光子対を形成する。以降、簡単のため、3次の非線形光導波路103の場合について説明する。なお、SFWMは、例えばポンプ光1パルスに対し、0.1光子が発生する程度である。この発生効率は、ポンプ光強度(パルスの場合にはピーク強度)の2乗に比例する。従って、光源101より出射するポンプ光強度の調整により、2本以上の非線形光導波路103から同時に光子対が発生することがない状態に設定できる。 This spontaneous emission four-wave mixing process will be described. When pump light of optical frequency f p is input to the third-order nonlinear optical waveguide 103, the signal photon and optical frequency of optical frequency f s satisfying “2f p = f s + f i (2)” idler photon of f i occurs (where f s> f i). The photon pair composed of the signal photon and the idler photon has a quantum mechanical correlation with respect to the time position (occurrence time), and forms a time-correlated photon pair. Hereinafter, for the sake of simplicity, the case of the third-order nonlinear optical waveguide 103 will be described. SFWM is such that, for example, 0.1 photon is generated for one pulse of pump light. This generation efficiency is proportional to the square of the pump light intensity (peak intensity in the case of a pulse). Therefore, by adjusting the intensity of the pump light emitted from the light source 101, it is possible to set a state in which no photon pair is simultaneously generated from two or more nonlinear optical waveguides 103.

上述したSFWMにより、いずれかの非線形光導波路103で発生した光子対は、ポンプ光とともにアレイ光導波路回折格子104の第1スラブ111へと入射したのち、第1スラブ111において拡散する。この後、光導波路アレイ112を経て、第2スラブ113の出力端側にそれぞれ集光する。光導波路アレイ112における分散により、第2スラブ113の出力端側における集光位置は、光周波数(波長)依存性をもつ。   The photon pair generated in any of the nonlinear optical waveguides 103 by the above-described SFWM is incident on the first slab 111 of the array optical waveguide diffraction grating 104 together with the pump light, and then diffuses in the first slab 111. Thereafter, the light is condensed on the output end side of the second slab 113 through the optical waveguide array 112. Due to the dispersion in the optical waveguide array 112, the condensing position on the output end side of the second slab 113 has optical frequency (wavelength) dependence.

この結果、各々異なる周波数を持つポンプ光、シグナル光子、アイドラ光子は、第2スラブ113の出力端上の異なる位置に空間的に分離して集光される。第2スラブ113に接続された出力光導波路105を、上述したように発生した各光のうち、シグナル光子およびアイドラ光子のみを取り出すような位置に設置すれば、ポンプ光を除き、シグナル光子およびアイドラ光子を取り出すことができる。   As a result, the pump light, the signal photon, and the idler photon having different frequencies are spatially separated and condensed at different positions on the output end of the second slab 113. If the output optical waveguide 105 connected to the second slab 113 is installed at a position where only the signal photon and idler photon are extracted from the light generated as described above, the signal photon and idler are removed except for the pump light. Photons can be taken out.

例えば、N本のシグナル光子出力光導波路Smを、N本のうちのいずれかの非線形光導波路NLWGmより発生したシグナル光を収集する位置に配置し、N本のアイドラ光子出力光導波路Imを、N本のうちのいずれかの非線形光導波路NLWGmより発生したアイドラ光を収集する位置に配置すればよい(m=1〜N)。例えば、式(1)におけるmを、上述したシグナル光子出力光導波路Smおよびアイドラ光子出力光導波路Imに対応させればよい。これにより、光経路(空間)に符号化された多次元量子もつれ状態を得ることができる。 For example, N signal photon output optical waveguides S m are arranged at positions where signal light generated from any one of the N nonlinear optical waveguides NLWG m is collected, and the N idler photon output optical waveguides I m. May be arranged at a position for collecting idler light generated from any one of N nonlinear optical waveguides NLWG m (m = 1 to N). For example, m in the equation (1) may be made to correspond to the signal photon output optical waveguide S m and the idler photon output optical waveguide I m described above. Thereby, a multidimensional entangled state encoded in the optical path (space) can be obtained.

実施の形態1における量子もつれ光子対発生装置では、SFWMにより、量子相関光子対(時間相関光子対)が非線形光導波路103で発生する。例えば、非線形光導波路103としてシリコン光導波路を用いることができる。シリコン光導波路の非線形屈折率n2は9×10-182/Wであり、コアの実効断面積Aeffは0.033μm2である。このようなシリコン光導波路において、ポンプ光として、波長1550nm、パルス幅100ps、ピークパワー100mWの光パルスを用い、帯域幅25GHzの光子対をパルス当たり0.1ペア発生するために必要な光導波路長は約2mmとなる。シグナル光子とアイドラ光子の周波数差は、波長に換算すると最大100nm程度となっているものもある。これは、周波数差に直すと約17THzになる。 In the quantum entangled photon pair generating apparatus in the first embodiment, a quantum correlated photon pair (time correlated photon pair) is generated in the nonlinear optical waveguide 103 by SFWM. For example, a silicon optical waveguide can be used as the nonlinear optical waveguide 103. The nonlinear refractive index n2 of the silicon optical waveguide is 9 × 10 −18 m 2 / W, and the effective area Aeff of the core is 0.033 μm 2 . In such a silicon optical waveguide, the optical waveguide length required to generate 0.1 pair of photons with a bandwidth of 25 GHz using a light pulse having a wavelength of 1550 nm, a pulse width of 100 ps, and a peak power of 100 mW as the pump light. Is about 2 mm. In some cases, the frequency difference between the signal photon and the idler photon is about 100 nm at maximum in terms of wavelength. This is about 17 THz when converted to a frequency difference.

以下、非線形光導波路103および出力光導波路105の配置例について実施例を用いて説明する。   Hereinafter, an arrangement example of the nonlinear optical waveguide 103 and the output optical waveguide 105 will be described using an embodiment.

[実施例1]
はじめに、実施例1の非線形光導波路103および出力光導波路105の配置について、図2を用いて説明する。図2は、実施例1における非線形光導波路103および出力光導波路105の配置を説明するための構成図である。なお、図2では、アレイ光導波路回折格子104を簡略化して示している。
[Example 1]
First, the arrangement of the nonlinear optical waveguide 103 and the output optical waveguide 105 according to the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a configuration diagram for explaining the arrangement of the nonlinear optical waveguide 103 and the output optical waveguide 105 in the first embodiment. In FIG. 2, the arrayed optical waveguide diffraction grating 104 is shown in a simplified manner.

また、図2に示すように、複数(5)本の非線形光導波路103は、間隔Diで等間隔に配置している。また、実際には図1に示した第1スラブ111の入力端面、第2スラブ113の出力端面は、曲率のある弧を描く形状とされており、非線形光導波路103および出力光導波路105は、各々の弧の法線に沿って設置されるが、図2では簡略化している。 Further, as shown in FIG. 2, a plurality (5) present in the nonlinear optical waveguide 103 is disposed at equal intervals D i. Further, in practice, the input end face of the first slab 111 and the output end face of the second slab 113 shown in FIG. 1 are shaped to draw a curved arc, and the nonlinear optical waveguide 103 and the output optical waveguide 105 are It is installed along the normal of each arc, but is simplified in FIG.

実施例1では、同一の非線形光導波路103から出射したポンプ光とシグナル光子の間の第2スラブ113出力端における集光位置ずれD0と、第1スラブ111に接続されている非線形光導波路103の間隔Diとの間に、「D0<Di/2・・・(3)」の関係が成立する。 In the first embodiment, the condensing position shift D 0 at the output end of the second slab 113 between the pump light and the signal photon emitted from the same nonlinear optical waveguide 103 and the nonlinear optical waveguide 103 connected to the first slab 111. The relationship of “D 0 <D i / 2 (3)” is established with the interval D i .

簡単のため、第1スラブ111と第2スラブ113は対称形状とする。D0は、ポンプ光波長とシグナル光子波長との差Δλ=|c/fp−c/fs|による以下の式で示される(非特許文献4参照)。 For simplicity, the first slab 111 and the second slab 113 are symmetrical. D 0 is expressed by the following equation based on the difference Δλ = | c / f p −c / f s | between the pump light wavelength and the signal photon wavelength (see Non-Patent Document 4).

式(4)において、Ncは光導波路アレイ112部を構成する各光導波路の群屈折率、Rは第1および第2スラブ113の各端面の曲率半径、ΔLは光導波路アレイ112を構成する光導波路の隣り合う光導波路間の光導波路長さの差、nsは第1および第2スラブ113の実効屈折率、dは第1スラブ111および第2スラブ113とアレイ光導波路との接続部におけるアレイ光導波路間隔である。 In Expression (4), N c is the group refractive index of each optical waveguide constituting the optical waveguide array 112 part, R is the radius of curvature of each end face of the first and second slabs 113, and ΔL is the optical waveguide array 112. The difference in optical waveguide length between adjacent optical waveguides, n s is the effective refractive index of the first and second slabs 113, and d is the connection between the first slab 111 and the second slab 113 and the array optical waveguide. Is an interval between the arrayed optical waveguides.

また、各非線形光導波路103(NLWG1〜NLWG5)から出射した「λ0=ncΔL/k」の条件を満たす波長λ0をもつ光は、第2スラブ113の出力端の対称な位置に集光される(非特許文献4参照)。上記条件の式において、ncは、図1に示した光導波路アレイ112を構成する各光導波路の実効屈折率、kは整数である。ポンプ光波長λp=c/fpとλ0とが等しくなるように、光導波路アレイ112を設計する(cは真空中の光速度)。 In addition, light having a wavelength λ 0 that satisfies the condition of “λ 0 = n c ΔL / k” emitted from each nonlinear optical waveguide 103 (NLWG 1 to NLWG 5 ) is symmetrically positioned at the output end of the second slab 113. (See Non-Patent Document 4). In the formula of the above conditions, n c is the effective refractive index of the optical waveguides constituting the optical waveguide array 112 shown in FIG. 1, k is an integer. The optical waveguide array 112 is designed so that the pump light wavelength λ p = c / f p is equal to λ 0 (c is the speed of light in vacuum).

上述したように構成した実施例1では、非線形光導波路103から出射したポンプ光は、第2スラブ113出力端の対称な位置に集光される。図2において、NLWG1〜NLWG5のそれぞれの非線形光導波路103から出射したポンプ光の、AWG入力端141とAWG出力端142の間の集光位置関係を、破線で示す。光導波路アレイ112における位相差により、ポンプ光と波長の異なるシグナル光子およびアイドラ光子は、ポンプ光と異なる位置に集光される。シグナル光子のAWG入力端141とAWG出力端142の間の集光位置関係を、点線で示す。また、アイドラ光子のAWG入力端141とAWG出力端142の間の集光位置関係を、一点鎖線で示す。 In the first embodiment configured as described above, the pump light emitted from the nonlinear optical waveguide 103 is condensed at a symmetrical position of the output end of the second slab 113. In FIG. 2, the condensing position relationship between the AWG input end 141 and the AWG output end 142 of the pump light emitted from each of the nonlinear optical waveguides 103 of NLWG 1 to NLWG 5 is indicated by a broken line. Due to the phase difference in the optical waveguide array 112, signal photons and idler photons having wavelengths different from those of the pump light are collected at different positions from the pump light. A condensing position relationship between the AWG input end 141 and the AWG output end 142 of the signal photon is indicated by a dotted line. Further, the light collection position relationship between the AWG input terminal 141 and the AWG output terminal 142 of the idler photon is indicated by a one-dot chain line.

0<Di/2を満たすので、NLWG1〜NLWG5のいずれかの非線形光導波路103より発生したシグナル光子およびアイドラ光子は、隣の非線形光導波路103より発生したポンプ光、シグナル光子およびアイドラ光子と空間的に重ならない位置に集光される。これらを収集するような位置に、出力光導波路105を上から順にS5、I5、S4、I4、・・・、S1、I1の順に設置することで、式(1)に示す多次元量子もつれ状態を得ることができる。 Since D 0 <D i / 2 is satisfied, the signal photons and idler photons generated from any one of the nonlinear optical waveguides NLWG 1 to NLWG 5 are pump light, signal photon and idler generated from the adjacent nonlinear optical waveguide 103. It is focused at a position that does not spatially overlap with the photon. By installing the output optical waveguide 105 in the order of S 5 , I 5 , S 4 , I 4 ,..., S 1 , I 1 from the top in a position where these are collected, the equation (1) is obtained. The multidimensional quantum entanglement state shown can be obtained.

実施例1では簡単のためN=5の場合を示したが、これに限られることなく任意のNの場合において実現することができる。また、ポンプ光の中心波長λpは、波長λ0に一致するとしたが、この条件に限ることのない実施が可能である。これらは、以降の実施例においても同様とする。 In the first embodiment, the case of N = 5 is shown for the sake of simplicity. However, the present invention is not limited to this and can be realized in any N case. Further, although the center wavelength λ p of the pump light coincides with the wavelength λ 0 , the present invention is not limited to this condition. The same applies to the following embodiments.

[実施例2]
次に、実施例2の非線形光導波路103および出力光導波路105の配置について、図3を用いて説明する。図3は、実施例2における非線形光導波路103および出力光導波路105の配置を説明するための構成図である。なお、図3においても、アレイ光導波路回折格子104を簡略化して示している。
[Example 2]
Next, the arrangement of the nonlinear optical waveguide 103 and the output optical waveguide 105 according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a configuration diagram for explaining the arrangement of the nonlinear optical waveguide 103 and the output optical waveguide 105 in the second embodiment. Also in FIG. 3, the arrayed optical waveguide diffraction grating 104 is shown in a simplified manner.

また、図3に示すように、5本の非線形光導波路103は、間隔Diで等間隔に配置している。また、前述同様に、図1に示した第1スラブ111の入力端面、第2スラブ113の出力端面は、曲率のある弧を描く形状とされており、非線形光導波路103および出力光導波路105は、各々の弧の法線に沿って設置されるが、図3では簡略化している。 Further, as shown in FIG. 3, five nonlinear optical waveguide 103 is disposed at equal intervals D i. As described above, the input end face of the first slab 111 and the output end face of the second slab 113 shown in FIG. 1 have a curved arc shape, and the nonlinear optical waveguide 103 and the output optical waveguide 105 are , Installed along the normal of each arc, but is simplified in FIG.

実施例2では、同一の非線形光導波路103から出射したポンプ光とシグナル光子の間の第2スラブ113出力端における集光位置ずれD0と、第1スラブ111に接続されている非線形光導波路103の間隔Diとの間に、「Di/2<D0<Di・・・(5)」の関係が成立する。 In the second embodiment, the condensing position shift D 0 at the output end of the second slab 113 between the pump light and the signal photon emitted from the same nonlinear optical waveguide 103 and the nonlinear optical waveguide 103 connected to the first slab 111. between the interval D i of the relationship of "D i / 2 <D 0 < D i ··· (5) " is satisfied.

実施例2においても、NLWG1〜NLWG5のいずれかの非線形光導波路103より発生したシグナル光子およびアイドラ光子は、隣の非線形光導波路103より発生したポンプ光、シグナル光子およびアイドラ光子と空間的に重ならない位置に集光される。 Also in the second embodiment, the signal photon and idler photon generated from any one of the nonlinear optical waveguides NLWG 1 to NLWG 5 are spatially separated from the pump light, signal photon and idler photon generated from the adjacent nonlinear optical waveguide 103. It is condensed at the position where it doesn't overlap.

しかし、実施例2では、ある非線形光導波路103より出射したポンプ光の集光位置に対して、同じ非線形光導波路103より発生したシグナル光子(あるいはアイドラ光子)は、隣の非線形光導波路103より発生したアイドラ光子(あるいはアイドラ光子)よりも外側の離れた位置に集光される。これら発生した光子を収集するために、出力光導波路105を上から順にS5、S4、I5、S3、I4、・・・、S1、I2、I1の順に設置することで、式(1)に示す多次元量子もつれ状態を得ることができる。 However, in Example 2, the signal photon (or idler photon) generated from the same nonlinear optical waveguide 103 is generated from the adjacent nonlinear optical waveguide 103 with respect to the condensing position of the pump light emitted from the certain nonlinear optical waveguide 103. It is condensed at a position away from the idler photon (or idler photon). In order to collect these generated photons, the output optical waveguide 105 is installed in the order of S 5 , S 4 , I 5 , S 3 , I 4 ,..., S 1 , I 2 , I 1. Thus, the multidimensional quantum entangled state shown in Expression (1) can be obtained.

[実施例3]
次に、実施例3の非線形光導波路103および出力光導波路105の配置について、図4を用いて説明する。図4は、実施例3における非線形光導波路103および出力光導波路105の配置を説明するための構成図である。なお、図4においても、アレイ光導波路回折格子104を簡略化して示している。
[Example 3]
Next, the arrangement of the nonlinear optical waveguide 103 and the output optical waveguide 105 according to the third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a configuration diagram for explaining the arrangement of the nonlinear optical waveguide 103 and the output optical waveguide 105 in the third embodiment. 4 also shows the array optical waveguide diffraction grating 104 in a simplified manner.

また、図4に示すように、5本の非線形光導波路103は、間隔Diで等間隔に配置している。また、前述同様に、図1に示した第1スラブ111の入力端面、第2スラブ113の出力端面は、曲率のある弧を描く形状とされており、非線形光導波路103および出力光導波路105は、各々の弧の法線に沿って設置されるが、図4では簡略化している。 Further, as shown in FIG. 4, five of the nonlinear optical waveguides 103 are arranged at equal intervals D i. As described above, the input end face of the first slab 111 and the output end face of the second slab 113 shown in FIG. 1 have a curved arc shape, and the nonlinear optical waveguide 103 and the output optical waveguide 105 are , Installed along the normal of each arc, but is simplified in FIG.

実施例3では、同一の非線形光導波路103から出射したポンプ光とシグナル光子の間の第2スラブ113出力端における集光位置ずれD0と、第1スラブ111に接続されている非線形光導波路103の間隔Diとの間に、「D0>(N−1)Di・・・(6)」の関係が成立する。 In the third embodiment, the condensing position shift D 0 at the output end of the second slab 113 between the pump light and the signal photon emitted from the same nonlinear optical waveguide 103 and the nonlinear optical waveguide 103 connected to the first slab 111. between the interval D i of the relationship of "D 0> (N-1) D i ··· (6) " is satisfied.

式(6)の関係が成立している実施例3では、シグナル光子およびアイドラ光子は、NLWG1〜NLWG5のいずれの非線形光導波路103から出射するポンプ光よりも、外側の位置に集光される。従って、図4に示すように、出力光導波路105を上から順にS5、S4、・・・、S1、I5、I4、・・・、I1の順に設置することで、式(1)に示す多次元量子もつれ状態を得ることができる。 In the third embodiment in which the relationship of Expression (6) is established, the signal photon and the idler photon are condensed at a position outside the pump light emitted from any of the nonlinear optical waveguides NLWG 1 to NLWG 5. The Accordingly, as shown in FIG. 4, S 5, S 4 from the top down output optical waveguide 105, ···, S 1, I 5, I 4, by installing ..., in the order of I 1, wherein The multidimensional entangled state shown in (1) can be obtained.

なお、上述した実施例1〜3に限るものではなく、例えば、「Di<D0<(N−1)Di・・・(7)」の条件が成立する構成においても、ポンプ光、シグナル光子、アイドラ光子の全てが空間的に異なる位置に集光されるという条件を満たす場合においては、出力光導波路105を適切に設置することにより、式(1)に示す多次元量子もつれ状態を得ることができる。 Note that the present invention is not limited to the above-described first to third embodiments. For example, even in a configuration in which the condition “D i <D 0 <(N−1) D i (7)” is satisfied, In the case where the condition that all of the signal photons and idler photons are collected at spatially different positions is satisfied, the multi-dimensional quantum entangled state shown in Expression (1) can be obtained by appropriately installing the output optical waveguide 105. Can be obtained.

上記実施例において、発生するシグナル光子およびアイドラ光子の光周波数fsおよびfiは、ポンプ光周波数fpが与えられれば、非線形光導波路103の自然放出四光波混合過程の条件によって定まるとした。しかし実際には、シグナル光子とアイドラ光子が広い帯域に渡って発生することがある。この場合、光子対の発生帯域内で、式(2)の条件を満たすような位置に出力光導波路105を設置することにより、上記と同様にして時間相関光子対を取り出すことができる。 In the above embodiment, it is assumed that the optical frequencies f s and f i of the generated signal photons and idler photons are determined by the conditions of the spontaneous emission four-wave mixing process of the nonlinear optical waveguide 103 when the pump light frequency f p is given. However, in practice, signal photons and idler photons may be generated over a wide band. In this case, the time-correlated photon pair can be extracted in the same manner as described above by installing the output optical waveguide 105 at a position that satisfies the condition of Expression (2) within the generation band of the photon pair.

上記実施例において、入力光導波路106および非線形光導波路103は、コアの断面構造を、ポンプ光波長においてシングルモード条件を満たすようにすればよい。また、シグナル光子を集光するS1〜SNおよびアイドラ光を集光するI1〜INの出力光導波路105は、シグナル光子の波長およびアイドラ光子の波長において、シングルモード条件を満たすようにすればよい。 In the above embodiment, the input optical waveguide 106 and the non-linear optical waveguide 103 may be configured such that the core cross-sectional structure satisfies the single mode condition at the pump light wavelength. Further, the output optical waveguides 105 for S 1 to S N for condensing the signal photons and I 1 to I N for condensing the idler light satisfy the single mode condition at the wavelengths of the signal photons and the idler photons. do it.

上記実施例において、出力光導波路105から出力されるシグナル光子およびアイドラ光子は単一の周波数成分を有していると仮定した。しかし実際には、これら光子は、有限の周波数帯域幅Δν(半値全幅)をもって出力されることが多い。Δνは、例えば、非線形光導波路103中の自然放出四光波混合過程の条件、あるいは出力光導波路105のコア断面寸法とアレイ光導波路回折格子104の構造との関係で決まる透過帯域幅である。   In the above embodiment, it is assumed that the signal photons and idler photons output from the output optical waveguide 105 have a single frequency component. In practice, however, these photons are often output with a finite frequency bandwidth Δν (full width at half maximum). Δν is a transmission bandwidth determined by, for example, the condition of the spontaneous emission four-wave mixing process in the nonlinear optical waveguide 103 or the relationship between the core cross-sectional dimension of the output optical waveguide 105 and the structure of the array optical waveguide diffraction grating 104.

このように、シグナル光子およびアイドラ光子が有限の周波数帯域幅をもって出力される場合においても、シグナル光子、およびアイドラ光子との間の周波数重なりが小さくなる条件(例えば、規格化された重なり積分が1%以下になる条件)のもとで出力光導波路105を設置すれば、高い純度の多次元量子もつれ状態を得ることができる。   Thus, even when the signal photon and the idler photon are output with a finite frequency bandwidth, the condition that the frequency overlap between the signal photon and the idler photon is small (for example, the normalized overlap integral is 1). If the output optical waveguide 105 is installed under the condition of% or less, a highly pure multidimensional quantum entangled state can be obtained.

より具体的には、式(3)、式(5)、式(6)、式(7)を以下のように変更すればよい。
式(3)→0<D0<Di/2−ΔD0/2
式(5)→Di/2+ΔD0/2<D0<Di−ΔD0/2
式(6)→D0>(N−1)Di+ΔD0/2
式(7)→Di+ΔD0/2<D0<(N−1)Di−ΔD0/2
More specifically, equation (3), equation (5), equation (6), and equation (7) may be changed as follows.
Equation (3) → 0 <D 0 <D i / 2-ΔD 0/2
Equation (5) → D i / 2 + ΔD 0/2 <D 0 <D i -ΔD 0/2
Equation (6) → D 0> ( N-1) D i + ΔD 0/2
Equation (7) → D i + ΔD 0/2 <D 0 <(N-1) D i -ΔD 0/2

なお、ΔD0はΔνから次の式(8)により得られる値である。 ΔD 0 is a value obtained from Δν by the following equation (8).

また、aは、シグナル光子とアイドラ光子との間の規格化された周波数重なり積分が、1%以下になるような値を任意にとることができる。   Further, a can arbitrarily take a value such that the normalized frequency overlap integral between the signal photon and the idler photon is 1% or less.

次に、光源について説明する。ポンプ光を得るための光源101は、例えば、半導体レーザーであり、光周波数がfpのポンプ光を出力する。また、ポンプ光はパルス形状を有していてもよい。また、一般には、ポンプ光の強度は、シグナル光子およびアイドラ光子の強度より大きいため、ポンプ光のアレイ光導波路回折格子104での散乱光成分が出力光導波路105に混入する可能性がある。これを防ぐため、各出力光導波路105に、ポンプ光を選択的に減衰させるポンプ光減衰手段を設けるようにしてもよい。ポンプ光減衰部は、例えば、ファイバーブラッググレーティングなどから構成すればよい。 Next, the light source will be described. Light source 101 to obtain the pump light is, for example, a semiconductor laser, an optical frequency outputs pump light of f p. The pump light may have a pulse shape. In general, since the intensity of the pump light is larger than the intensity of the signal photon and idler photon, the scattered light component of the pump light in the array optical waveguide diffraction grating 104 may be mixed into the output optical waveguide 105. In order to prevent this, each output optical waveguide 105 may be provided with pump light attenuation means for selectively attenuating pump light. What is necessary is just to comprise a pump light attenuation | damping part from a fiber Bragg grating etc., for example.

アレイ光導波路回折格子104をはじめとする各部分の回路レイアウト設計によっては、複数の非線形光導波路103の各入力部から対応する出力光導波路105の各出力部までの光学的な長さが異なる場合がある。この場合、各出力光導波路105に、各々異なる長さの光遅延手段を備え、上記光学的な長さの差を無くすようにすればよい。光遅延手段としては、曲げ光導波路や、空間光学型の光遅延線などを用いればよい。   Depending on the circuit layout design of each part including the arrayed optical waveguide diffraction grating 104, the optical length from each input part of the plurality of nonlinear optical waveguides 103 to each output part of the corresponding output optical waveguide 105 is different. There is. In this case, each output optical waveguide 105 may be provided with optical delay means having different lengths so as to eliminate the optical length difference. As the optical delay means, a bent optical waveguide, a spatial optical type optical delay line, or the like may be used.

また、上記では、非線形光導波路103を構成する3次非線形光導波路としてシリコン光導波路を挙げたが、これに限らず、コア材料が半導体である光導波路を用いることができる。特に、単結晶ゲルマニウム、シリコンとゲルマニウム混晶、インジウムとガリウムとヒ素の混晶(InGaAs)などをコア材料とする光導波路が適している。   In the above description, the silicon optical waveguide is exemplified as the third-order nonlinear optical waveguide constituting the nonlinear optical waveguide 103. However, the present invention is not limited to this, and an optical waveguide whose core material is a semiconductor can be used. In particular, an optical waveguide having a core material of single crystal germanium, silicon / germanium mixed crystal, indium / gallium / arsenic mixed crystal (InGaAs), or the like is suitable.

また、コア材料がアモルファス構造を持つ光導波路を用いることもできる。特に、アモルファスシリコンやカルコゲナイドガラス、石英光導波路をコア材料とする光導波路が適している。また、非線形光導波路103として光ファイバーを用いることができる。これら光導波路のクラッド部分としては、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、ポリイミド等の有機物、酸化アルミニウム、酸化チタン、樹脂、水、空気、またはフォトニック結晶構造などが挙げられる。   An optical waveguide having an amorphous structure as a core material can also be used. In particular, an optical waveguide having an amorphous silicon, chalcogenide glass, or quartz optical waveguide as a core material is suitable. An optical fiber can be used as the nonlinear optical waveguide 103. Examples of the cladding portion of these optical waveguides include organic substances such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, and polyimide, aluminum oxide, titanium oxide, resin, water, air, or a photonic crystal structure.

また、非線形光導波路103以外の要素(入力光導波路106、スプリッタ102、アレイ光導波路回折格子104、出力光導波路105)を構成するコア材料についても、上述の非線形光導波路103を構成するコア材料の候補の中から選択することができる。また、非線形光導波路103と同一のコア材料を選択する必要はない。   The core materials constituting the elements other than the nonlinear optical waveguide 103 (the input optical waveguide 106, the splitter 102, the array optical waveguide diffraction grating 104, and the output optical waveguide 105) are also the core materials constituting the nonlinear optical waveguide 103 described above. You can choose from candidates. Further, it is not necessary to select the same core material as that of the nonlinear optical waveguide 103.

また、図1に示した多次元量子もつれ状態発生装置の構成要素を全て1つの光回路基板上に集積してもよい。この場合、例えば、特許文献1に挙げられているような技術を用いることで集積化が可能となる。全ての素子を1つの基板上に集積することで、経路長揺らぎの安定した多次元量子もつれ状態発生素子とすることができる。   Further, all the components of the multidimensional entangled state generator shown in FIG. 1 may be integrated on one optical circuit board. In this case, for example, integration can be performed by using a technique as described in Patent Document 1. By integrating all the elements on one substrate, a multidimensional quantum entangled state generating element with stable path length fluctuation can be obtained.

以上に説明したように、本発明によれば、複数の非線形光導波路を用いることで、ポンプ光より時間相関光子対を発生させ、アレイ光導波路回折格子で波長分離するようにしたので、より少ない素子数で、多次元量子もつれ状態が形成できるようになる。   As described above, according to the present invention, by using a plurality of nonlinear optical waveguides, time-correlated photon pairs are generated from the pump light, and wavelength separation is performed by the array optical waveguide diffraction grating. A multidimensional entangled state can be formed by the number of elements.

非特許文献3に示された多次元量子もつれ状態発生装置においては、シグナル光とアイドラ光を異なる経路へと分離する波長分離回路を、発生させる量子もつれの次元数Nと等しい数だけ用意する必要があった。これに対し、本発明によれば、発生させる量子もつれの次元数Nを増やすためには、非線形光導波路および出力導波路を増やすだけですむので、素子数の増大が抑制でき、コストおよびサイズを低減させることができる。   In the multidimensional quantum entangled state generator shown in Non-Patent Document 3, it is necessary to prepare as many wavelength separation circuits as the number N of dimensions of quantum entanglement to be generated, which separate signal light and idler light into different paths. was there. On the other hand, according to the present invention, in order to increase the dimension number N of quantum entanglement to be generated, it is only necessary to increase the number of nonlinear optical waveguides and output waveguides, so that the increase in the number of elements can be suppressed, and the cost and size can be reduced. Can be reduced.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.

101…光源、102…スプリッタ、103…非線形光導波路、104…アレイ光導波路回折格子、105…出力光導波路、106…入力光導波路、111…第1スラブ、112…光導波路アレイ、113…第2スラブ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Light source, 102 ... Splitter, 103 ... Nonlinear optical waveguide, 104 ... Array optical waveguide diffraction grating, 105 ... Output optical waveguide, 106 ... Input optical waveguide, 111 ... First slab, 112 ... Optical waveguide array, 113 ... Second Slab.

Claims (5)

出射するポンプ光の光強度が調整可能とされた光源と、
前記光源より出射されたポンプ光をN(Nは2以上の自然数)個の入力光に分岐するスプリッタと、
前記スプリッタで分岐されたN個の入力光が各々入力され、光導波路長が各々等しいN本の非線形光導波路と、
N本の前記非線形光導波路が接続されるアレイ光導波路回折格子と、
アレイ光導波路回折格子に接続された2N本の出力光導波路と
を備えることを特徴とする多次元量子もつれ状態発生装置。
A light source capable of adjusting the light intensity of the pump light to be emitted;
A splitter for branching the pump light emitted from the light source into N (N is a natural number of 2 or more) input lights;
N input light beams branched by the splitter are respectively input, and N nonlinear optical waveguides each having an equal optical waveguide length;
An array optical waveguide diffraction grating to which the N nonlinear optical waveguides are connected;
A multi-dimensional entangled state generating device comprising: 2N output optical waveguides connected to an arrayed optical waveguide diffraction grating.
請求項1記載の多次元量子もつれ状態発生装置において、
前記非線形光導波路は、自然放出四光波混合により、入力したポンプ光よりシグナル光子およびアイドラ光子を発生する
ことを特徴とする多次元量子もつれ状態発生装置。
The multidimensional entangled state generator according to claim 1,
The non-linear optical waveguide generates a signal photon and an idler photon from the input pump light by spontaneous emission four-wave mixing.
請求項1または2記載に多次元量子もつれ状態発生装置において、
前記N本の非線形光導波路のうちの1つの非線形光導波路で(入力したポンプ光により)発生したシグナル光子とアイドラ光子は量子力学的相関を有する量子もつれ光子であるとともに、
前記シグナル光子と前記アイドラ光子と前記ポンプ光はアレイ導波路回折格子の同一の入力ポートに入力され、
前記シグナル光子と前記アイドラ光子はアレイ導波路回折格子の異なる出力ポートに出力される
ことを特徴とする多次元量子もつれ状態発生装置。
The multidimensional entangled state generator according to claim 1 or 2,
The signal photon and idler photon generated (by the input pump light) in one of the N nonlinear optical waveguides are entangled photons having a quantum mechanical correlation, and
The signal photon, the idler photon, and the pump light are input to the same input port of the arrayed waveguide grating,
The signal photon and the idler photon are output to different output ports of the arrayed waveguide diffraction grating.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の多次元量子もつれ状態発生装置において、
前記N本の非線形導波路のうち1つの非線形光導波路でシグナル光子とアイドラ光子が発生するときは、
残りのN−1本の非線形光導波路ではシグナル光子とアイドラ光子が発生することが無い状態に、ポンプ光の光強度が調整される
ことを特徴とする多次元量子もつれ状態発生装置。
In the multidimensional quantum entangled state generator according to any one of claims 1 to 3,
When a signal photon and an idler photon are generated in one of the N nonlinear waveguides,
A multi-dimensional entangled state generator characterized in that the light intensity of pump light is adjusted so that no signal photons and idler photons are generated in the remaining N-1 nonlinear optical waveguides.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の多次元量子もつれ状態発生装置において、
前記出力光導波路を出射するシグナル光子、アイドラ光子は、それらの間の規格化された周波数重なり積分が1%以下とされている
ことを特徴とする多次元量子もつれ状態発生装置。
In the multidimensional quantum entangled state generator according to any one of claims 1 to 3,
The signal photon and idler photon emitted from the output optical waveguide have a normalized frequency overlap integral between them of 1% or less. A multidimensional quantum entangled state generator.
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