JP2017026839A

JP2017026839A - 光子発生装置

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Publication number: JP2017026839A
Application number: JP2015145650A
Authority: JP
Inventors: 薫清水; Kaoru Shimizu; 浩司東; Koji Azuma; 信幸松田; Nobuyuki Matsuda
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2017-02-02

Abstract

【課題】スペクトル広がりの極めて狭い光子を、より効率的に発生する。【解決手段】パラメトリック増幅部１０４は、第１光路１３１に配置され、第１光路１３１の第１アイドラー光およびポンプ光１４１を入力してパラメトリック増幅してシグナル光１４２を放出する。第２光源１０３が出射するポンプ光１４１は、パラメトリック増幅部１０４のパラメトリック増幅により第１アイドラー光の光子が１個増える光強度とされている。また、シグナル光１４２が放出されない場合には、第１アイドラー光と第２アイドラー光との干渉により、合波部１０７の第２出力ポート１３４からは、出力アイドラー光が出力されることのない状態に、光強度調整部１０５および位相シフト調整部１０６により第２アイドラー光の光強度および位相シフト量が調整されている。【選択図】図１

Description

本発明は、スペクトル広がりの極めて狭い光子を効率的に発生する光子発生装置に関する。

光と原子との相互作用により光や原子の量子状態を制御することは、今日の精密分光技術の基幹をなすだけではなく、将来に期待される量子情報処理技術（量子計算機など）にとっても重要な要素技術となっている。とりわけ原子やイオンの量子準位の周波数差と光の周波数が一致した場合、いわゆる共鳴の場合には、相互作用の効果が格段に大きくなり、量子状態の効率的な制御が可能になる。ところが、原子の共鳴のスペクトル幅は数ＭＨｚ程度以下と、通常は大変に狭く、光の周波数を精密に合わせなくてならない。更に量子光通信や量子光計測では、周波数スペクトルを非常に狭くした光子を準備することが必要になる。

物質原子との共鳴を必要としない用途に対して、スペクトル広がりの広い単一光子を発生時刻の保証付き（伝令付き）で供給する、伝令付き単一光子発生装置は既に開発されている。これには、ある種の物質が有する非線形光学効果が用いられており、周波数の高い光子のエネルギーが、２つの周波数の低い光子へと分裂することで、一方を伝令とし、他方を信号光子として供給するものである。この分裂は、確率的に自然に生じる現象であり、自然パラメトリック変換過程と呼ばれている。

光子のスペクトル幅が数１００ＧＨｚ〜１ＴＨｚ程度と広いため、上述の変換確率は比較的良好であり、高エネルギーの光子１個あたりでは、変換確率は１０^-6〜１０^-5程度である。また、光子を多数入力することで、正味の信号光子の発生の確率を０．１程度まで上げることができる。

一方で、原子の共鳴線に合わせるために信号光子のスペクトル幅を１ＭＨｚまで狭めようとすると、それだけで５桁から６桁も発生の効率が低下してしまうことが分かる。このように、従来の自然パラメトリック変換過程を用いた方法は、そのままでは狭線幅な単一光子の発生装置としては利用できないことが問題となっていた。

上記の問題を解決するために、光子の発生においても原子の共鳴遷移を利用する方法が提案され、実験が行われている。具体的には、この過程はラマン散乱過程と呼ばれる。以下説明する、まず、エネルギーが極めて近接した２つ基底状態のペア（状態１と状態２）と、光による励起状態（状態３）とを有した三準位系をまず準備する。次に、この原子の集団を充分に冷却して熱的な雑音の影響を被らないようにする。次に、どの原子を見ても準位１に電子が存在し、準位２と準位３には電子が存在しないように、電子の初期状態を準備する。この初期状態の準備も強い光の照射によって行われる。

上述した初期状態が準備できた後、準位３と準位１の間の遷移周波数に共鳴する光周波数と適度な強さをもつ、スペクトル幅の狭いレーザー光を上記原子集団に照射する。この照射によって、ごく少数の割合の原子において、電子が準位１から準位２へと移動する。この過程を自然ラマン散乱と呼ぶ。この移動に伴い、移動が生じた原子の数に一致する数の光子が放出される。ここで放出される光子の周波数は、準位３と準位２の間の遷移周波数に等しい。ここで、特定の方位において、放出された光子が１個の場合に注目する。これは準位２に電子がいる原子の数が１個しかない状況に対応している。

ここまで条件を選択してから、次に、準位３と準位２の間の遷移周波数に共鳴する光周波数と、適度な強度をもつ、スペクトル幅の狭いレーザー光を上記原子集団に照射する。この光は、電子が準位２にいる原子とのみ相互作用し、電子を準位２から準位１へと移す。このとき、準位３と準位１との間の遷移周波数に一致する周波数を有した１個の光子が特定の方向に必ず発生する。

このように、最初の過程で１個の光子が観測できた場合に限り、次の過程で照射の段階で光子が１個だけ発生することを保証できる。このとき発生する光子のスペクトル幅は、原子の共鳴の幅程度しかなく、極めて狭い。また最初の観測した光子は、いわゆる伝令光子の役割を果たしていることに注意する。

上述したラマン散乱過程を利用することで、確かに、スペクトル幅の狭い単一光子を伝令光子付きで供給することは可能である。

しかし、ラマン散乱過程が生じる確率は充分に高いとはいえず、この方法を採用したとしても、１秒間に供給できる光子の数は０．１個程度と極めて少ないのが実状であった。但し、この方法では、発生する光子の周波数が２つに限定されるためスペクトル領域での雑音の問題を回避できるという大きな利点がある（非特許文献１参照）。

T. Chaneliere et al., "Storage and retrieval of single photons transmitted between remote quantum memories", Nature, vol.438, pp.833-836, 2005.

以上に説明したように、広いスペクトル広がりを有する光子を伝令付きで供給するのに適していた非線形光学効果（自然パラメトリック変換過程）は、数ＭＨｚ程度のスペクトル幅しかもたない光子を供給するには、発生効率があまりにも小さすぎるために利用できない。また、冷却された原子集団におけるラマン散乱過程を用いた方法も、自然ラマン散乱の確率が小さいため、効率的な光子発生装置としては機能していない。このようにいずれの従来技術においても、スペクトル広がりの極めて狭い光子を、効率的に発生することは原理的に困難であるという問題があった。

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、スペクトル広がりの極めて狭い光子を、より効率的に発生することを目的とする。

本発明に係る光子発生装置は、コヒーレントなアイドラー光を出射する第１光源と、第１光源より出射されたアイドラー光を第１光路および第２光路に２分岐する分岐部と、コヒーレントなポンプ光を出射する第２光源と、第１光路に配置され、第１光路の第１アイドラー光およびポンプ光を入力してパラメトリック増幅して第１アイドラー光およびポンプ光を出射すると共にシグナル光を放出するパラメトリック増幅部と、第２光路に配置されて第２光路の第２アイドラー光の光強度を調整する光強度調整部と、第２光路に配置されて第２アイドラー光の位相シフト量を調整する位相シフト調整部と、パラメトリック増幅部を出射した第１アイドラー光と、光強度調整部で光強度が調整されて位相シフト調整部で位相シフト量が調整された第２アイドラー光とを合波し、第２光路の延長方向の第１出力ポートおよび第１光路の延長方向の第２出力ポートに出力する合波部と、合波部の第２出力ポートより出射する出力アイドラー光を検出する光検出部と、光検出部が出力アイドラー光を検出したことを通知する通知部とを備える。

上記光子発生装置において、第２光源が出射するポンプ光は、パラメトリック増幅部のパラメトリック増幅により第１アイドラー光の光子が１個増える光強度とされ、シグナル光が放出されない場合には、第１アイドラー光と第２アイドラー光との干渉により、合波部の第２出力ポートからは、出力アイドラー光が出力されることのない状態に、光強度調整部および位相シフト調整部により第２アイドラー光の光強度および位相シフト量が調整されていればよい。

上記光子発生装置において、第２光源は、ポンプ光を第１光路に対して交差する状態に出射し、パラメトリック増幅部は、第１光路のポンプ光が交差する箇所に配置されて第１光路とは異なる方向にシグナル光を放出する構成とすればよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、スペクトル広がりの極めて狭い光子を、より効率的に発生できるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における光子発生装置の構成を示す構成図である。

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光子発生装置の構成を示す構成図である。この光子発生装置は、第１光源１０１、分岐部１０２、第１光路１３１、第２光路１３２、第２光源１０３、パラメトリック増幅部１０４、光強度調整部１０５、位相シフト調整部１０６、合波部１０７、光検出部１０８、通知部１０９を備える。

第１光源１０１より出射されるコヒーレントなアイドラー光は、分岐部１０２で第１光路１３１と第２光路１３２とに分岐される。第１光源１０１は、例えば、パルスレーザーである。分岐部１０２は、例えば、半反射鏡である。分岐部１０２を透過して直進し、第１光路１３１に分岐された第１アイドラー光は、反射部１１０で反射して合波部１０７の方向に９０度方向を変更し、パラメトリック増幅部１０４を通過する。反射部１１０は、例えば全反射鏡である。

分岐部１０２を反射して９０度方向を変更し、第２光路１３２に分岐された第２アイドラー光は、反射部１１１で反射して合波部１０７の方向に９０度方向を変更し、光強度調整部１０５および位相シフト調整部１０６を通過する。反射部１１１は、例えば全反射鏡である。

反射部１１０を反射した第１アイドラー光および反射部１１１を反射した第２アイドラー光は、合波部１０７で合波され、第２光路１３２の延長方向の第１出力ポート（ｐｏｒｔ１）１３３および第１光路１３１の延長方向の第２出力ポート（ｐｏｒｔ２）１３４に出力される。分岐部１０２、第１光路１３１、第２光路１３２、合波部１０７などにより、マッハツェンダー型光干渉計が構成されている。

第２光源１０３は、コヒーレントなポンプ光１４１を出射する。第２光源１０３は、例えば、パルスレーザーである。パラメトリック増幅部１０４は、第１光路１３１に配置され、第１光路１３１の第１アイドラー光およびポンプ光１４１を入力して第１アイドラー光およびポンプ光１４１を出射すると共にパラメトリック増幅してシグナル光（シグナル光子）１４２を放出する。パラメトリック増幅部１０４は、二次非線形光学効果が得られる二次非線形光学媒質から構成すれば良い。パラメトリック増幅部１０４は、例えばニオブ酸リチウムなどの非線形光学特性を持った結晶から構成され、周期的なピッチ長で直列に接続した複数の領域から構成されて隣り合う領域は結晶の分極が反転した（非線形定数が周期的に反転された）状態とされている。

ここで、第２光源１０３は、ポンプ光１４１を第１光路１３１に対して交差する状態に出射し、パラメトリック増幅部１０４は、第１光路１３１のポンプ光１４１が交差する箇所に配置して第１光路１３１とは異なる方向にシグナル光１４２を放出するようにするとよい。このように構成することで、パラメトリック増幅部１０４より出射される第１アイドラー光、ポンプ光１４１，シグナル光１４２を分離する光学系を用いる必要が無く、装置を簡素化することができる。

ここで、第２光源１０３より出射されるポンプ光１４１の周波数ω₀と、第１光源１０１より出射されるアイドラー光の周波数ω₁と、パラメトリック増幅部１０４より放出されるシグナル光１４２の周波数ω₂との関係は、「ω₀＝ω₁＋ω₂」とされていれば良い。所望とするシグナル光１４２の周波数ω₂が得られるように、ポンプ光１４１の周波数ω₀およびアイドラー光の周波数ω₁を決定すれば良い。

パラメトリック増幅部１０４は、周波数ω₀の光子を入射すると、自然パラメトリック過程により、「ω₀＝ω₁＋ω₂」を満たす周波数ω₁の光子と周波数ω₂の光子とを放出する。このように構成されたパラメトリック増幅器１０４に、周波数ω₀のポンプ光１４１の光子と周波数ω₁の第１アイドラー光の光子とを入射すると、周波数ω₂のシグナル光１４２を放出し、またこの過程で、周波数ω₁の第１アイドラー光の光子が、誘導放出により増幅される。この過程では、エネルギー保存法則の制約のもとで、周波数ω₂のシグナル光１４２が、運動量保存法則を満たす方向へと出力される。

光強度調整部１０５は、第２光路１３２に配置されて第２光路１３２の第２アイドラー光の光強度を調整する。位相シフト調整部１０６は、第２光路１３２に配置されて第２アイドラー光の位相シフト量を調整する。

合波部１０７では、パラメトリック増幅部１０４を出射した第１アイドラー光と、光強度調整部１０５で光強度が調整されて位相シフト調整部１０６で位相シフト量が調整された第２アイドラー光とが合波される。

光検出部１０８は、合波部１０７を出射する出力アイドラー光を検出する。光検出部１０８は、合波部１０７の第２出力ポート１３４に出力された出力アイドラー光を検出する。通知部１０９は、光検出部１０８が出力アイドラー光を検出したことを通知する。

上述した光子発生装置において、まず、第２光源１０３が出射するポンプ光１４１は、パラメトリック増幅部１０４のパラメトリック増幅により第１アイドラー光の光子が１個増える光強度とされている。パラメトリック増幅部１０４におけるパラメトリック増幅の過程は確率的であり、第１アイドラー光の光子の数が変化せずシグナル光子が生成しない場合も起こりうる。また、第１アイドラー光の光子がｋ個増えて、シグナル光子もｋ個増える場合も有り得る。これらの中で、シグナル光子が２個以上生成する確率を充分に小さくするように、ポンプ光１４１の光強度を最適化する。

また、シグナル光１４２が放出されない場合には、第１アイドラー光と第２アイドラー光との干渉により、合波部１０７の第２出力ポート１３４からは、出力アイドラー光が出力されることのない状態に、光強度調整部１０５および位相シフト調整部１０６により第２アイドラー光の光強度および位相シフト量が調整されている。このように調整しておくことで、パラメトリック増幅部１０４におけるパラメトリック増幅により、シグナル光子が１個生成し、第１アイドラー光の光子が１個増えた場合には、合波部１０７に入力する２つの第１アイドラー光と第２アイドラー光との振幅が釣り合わなくなるために、第２出力ポート１３４から出力アイドラー光の光子が出力される場合が有り得る。

光検出部１０８が、上述したことにより光子が１個増えたことにより第２出力ポート１３４に出力される光子を検出して通知部１０９により通知された場合、シグナル光子も発生していることを意味している。このように、実施の形態によれば、第２出力ポート１３４における出力アイドラー光の光子の検出により、シグナル光１４２の発生を通知することが可能となる。

上述した実施の形態によれば、第１アイドラー光およびポンプ光を、ともに光周波数および運動量を決定しておけば、生成するシグナル光子の光周波数や運動量も一意に決定され、生成されるシグナル光子のスペクトル幅は、アイドラー光（第１アイドラー光）とポンプ光のスペクトル幅だけで決定されるようになる。

これにより、著しく狭いスペクトル範囲のみに光のエネルギーを集中して、単位スペクトル幅あたりのシグナル光子の発生効率を、従来の自然パラメトリック変換過程を用いる技術と比較して、５〜７桁近く改善できるようになる。

また、原子におけるラマン散乱とは異なり、誘導放出を採用しているために、特定の方向にのみシグナル光子を発生することが可能で、この意味でも発生効率が著しく改善されている。

上述した２つの経路である第１光路１３１と第２光路１３２とを、ＰａｔｈＩとＰａｔｈＩＩとし、各光路における伝搬透過係数をＴ_I，Ｔ_IIとし、ＰａｔｈＩＩでの位相シフトをφとすると、合波部１０７に入る直前のアイドラー光波の量子状態は、光のコヒーレント状態表記（｜α〉：αは光電場の複素振幅を表す。｜α｜²は、平均光子数。）を用いて、下記のように表される（２つの光路における光の量子状態の積）。

式（１）において、ＰａｔｈＩにおけるアイドラー光子の1個の増加を表す生成演算子である（これはシグナル光子１個の発生を伴う）。｜α｜²はマッハツェンダー型光干渉計に入力されたアイドラー光波の強度を意味する（分岐部１０２への入力）。

２つの経路の透過係数が等しく（Ｔ_I＝Ｔ_II＝Ｔ）、位相シフトφがゼロの場合には、合波部１０７の入力／出力の関係を示す以下の式（Ａ）と、ＰａｔｈＩにおける光子の生成演算子が、出力ポートにおける生成演算子を用いて以下の式（Ｂ）と示すことを利用して、合波部１０７から出力される出力アイドラー光の量子状態は、以下の式（２）のように表される。

上記式において、Ｐｏｒｔ１は、第１出力ポート１３３，Ｐｏｒｔ２は、第２出力ポート１３４を表す。この状態は、更に以下の式（３）に示すように、２つの量子状態の重ね合わせで記述できる。

式（３）において、Ｍ＝Ｔ｜α｜²であり、マッハツェンダー型光干渉計（分岐部１０２）に入力されたアイドラー光波の全強度｜α｜²に、干渉計の各光路における透過係数Ｔがかかっている。右辺第１項のＰｏｒｔ１における光の量子状態［〜〜］は、１に規格化されている。この状態は、Ｐｏｒｔ２でアイドラー光子が検出されない状態（右辺第１項）と、１個検出される状態（右辺第２項）との量子力学的な重ね合わせ状態を表している。

Ｐｏｒｔ２でアイドラー光子が１個検出される確率Ｐ₁（ｐｏｒｔ２）は、「Ｐ₁（ｐｏｒｔ２）＝１／（Ｍ＋２）・・・（４）」となる。

透過係数Ｔ＝１、アイドラー光波の平均入力光子数｜α｜²＝１８の場合、Ｍ＝１８となり、アイドラー光の誘導増幅に伴ってシグナル光子が１個発生したとき、平均２０回に１回の割合で、Ｐｏｒｔ２からの出力アイドラー光の光子の検知（通知）により、これを知ることができる。

ポンプ光とアイドラー光のパルスの時間幅を１マイクロ秒（帯域幅に直すと１ＭＨｚ）とすると、１回あたり確率０．１〜０．２でアイドラー光子を１個増やす誘導パラメトリック増幅を行うことは充分に可能である。よって１回あたりの伝令付きシグナル光子の発生の確率は０．００５〜０．０１となり、１秒あたりに換算すると約１０４回の伝令付きの発生が可能であると見積もられ、従来の自然ラマン散乱を利用する方法と比べて五桁も上であることが分かる。

以上に説明したように、本発明によれば、スペクトル広がりの極めて狭い光子を、より効率的に発生できるようになる。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。例えば、マッハツェンダー型光干渉計を構成する第１光路、第２光路などは、光導波路により構成することも可能である。

１０１…第１光源、１０２…分岐部、１０３…第２光源、１０４…パラメトリック増幅部、１０５…光強度調整部、１０６…位相シフト調整部、１０７…合波部、１０８…光検出部、１０９…通知部、１１０，１１１…反射部、１３１…第１光路、１３２…第２光路、１３３…第１出力ポート、１３４…第２出力ポート、１４１…ポンプ光、１４２…シグナル光。

Claims

コヒーレントなアイドラー光を出射する第１光源と、
前記第１光源より出射されたアイドラー光を第１光路および第２光路に２分岐する分岐部と、
コヒーレントなポンプ光を出射する第２光源と、
前記第１光路に配置され、前記第１光路の第１アイドラー光および前記ポンプ光を入力してパラメトリック増幅して第１アイドラー光および前記ポンプ光を出射すると共にシグナル光を放出するパラメトリック増幅部と、
前記第２光路に配置されて前記第２光路の第２アイドラー光の光強度を調整する光強度調整部と、
前記第２光路に配置されて前記第２アイドラー光の位相シフト量を調整する位相シフト調整部と、
前記パラメトリック増幅部を出射した前記第１アイドラー光と、前記光強度調整部で光強度が調整されて前記位相シフト調整部で位相シフト量が調整された前記第２アイドラー光とを合波し、前記第２光路の延長方向の第１出力ポートおよび前記第１光路の延長方向の第２出力ポートに出力する合波部と、
前記合波部の前記第２出力ポートより出射する出力アイドラー光を検出する光検出部と、
前記光検出部が前記出力アイドラー光を検出したことを通知する通知部と
を備えることを特徴とする光子発生装置。
請求項２記載の光子発生装置において、
前記第２光源が出射するポンプ光は、前記パラメトリック増幅部のパラメトリック増幅により前記第１アイドラー光の光子が１個増える光強度とされ、
前記シグナル光が放出されない場合には、前記第１アイドラー光と前記第２アイドラー光との干渉により、前記合波部の前記第２出力ポートからは、前記出力アイドラー光が出力されることのない状態に、前記光強度調整部および前記位相シフト調整部により前記第２アイドラー光の光強度および位相シフト量が調整されている
ことを特徴とする光子発生装置。
請求項１または２記載の光子発生装置において、
前記第２光源は、前記ポンプ光を前記第１光路に対して交差する状態に出射し、
前記パラメトリック増幅部は、前記第１光路の前記ポンプ光が交差する箇所に配置されて前記第１光路とは異なる方向にシグナル光を放出する
ことを特徴とする光子発生装置。