JP2017146592A - 光デバイス、量子通信システムのための送信器、および量子通信システム - Google Patents

光デバイス、量子通信システムのための送信器、および量子通信システム Download PDF

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Abstract

【課題】連続変数量子通信システムのための送信器を提供する。
【解決手段】送信器は、コヒーレント光源２０と、コヒーレント光源に第１の信号を適用するように構成された第１のコントローラ１４０と、第１の信号に摂動を適用するように構成された位相制御要素１２５と、各摂動は、生成されたコヒーレント光の諸部分の間の位相シフトを作る、光学強度変調を作るように構成された第１の光学構成要素２４と、生成された光の第１の部分が受信される時間の期間中に放出され、光パルスが、生成された光の第２の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、第１の光学構成要素に第２の信号を適用するように構成された第２のコントローラ１４１と、放出された光パルスの振幅を変調するように構成された強度制御要素９０とを備え、位相制御要素および強度制御要素は、放出された光パルスの位相と振幅との値の連続体内で情報を符号化するように構成される。
【選択図】図９（ａ）

Description

関連出願の相互参照
本願は、その内容全体が参照によって本明細書に組み込まれている、２０１６年２月１６日に出願した英国特許出願第１６０２７３９．３号に基づき、その優先権の利益を主張するものである。
本明細書で説明される諸実施形態は、全般的に光デバイスと、量子通信システムのための送信器と、量子通信システムとに関する。
量子通信システムでは、情報が、符号化された光パルスによって送信器と受信器との間で送られ得る。
量子鍵配送（ＱＫＤ）は、２つの当事者すなわち、しばしば「アリス」と呼ばれる送信器としばしば「ボブ」と呼ばれる受信器との間での暗号鍵の共有をもたらす技法である。
諸実施形態が、これから以下の図面を参照して説明される。
一実施形態による光デバイスを示す概略図。 利得スイッチ半導体レーザを示す概略図。 利得スイッチレーザに適用される電流と、結果のキャリア密度と、放出される光パルスとを示す図。 半導体利得スイッチレーザのための電気駆動回路を示す概略図。 光サーキュレータを備える、一実施形態による光デバイスを示す概略図。 ビームスプリッタを備える、一実施形態による光デバイスを示す概略図。 図４（ａ）は、コヒーレント光源に適用される第１の信号を示す概略図。 図４（ｂ）は、位相制御要素によって変調された第１の信号を示す概略図。図４（ｃ）は、光学構成要素に適用される第２の信号を示す概略図。図４（ｄ）は、光学構成要素から放出された光パルスを示す概略図。 図５（ａ）は、コヒーレント光源に適用される第１の信号を示す概略図。図５（ｂ）は、位相制御要素によって変調された第１の信号を示す概略図。図５（ｃ）は、光学構成要素に適用される第２の信号を示す概略図。図５（ｄ）は、光学構成要素から放出された光パルスを示す概略図。 図６（ａ）は、コヒーレント光源に適用される第１の信号を示す概略図。図６（ｂ）は、位相制御要素によって変調された第１の信号を示す概略図。図６（ｃ）は、光学構成要素に適用される第２の信号を示す概略図。図６（ｄ）は、光学構成要素から放出された光パルスを示す概略図。 図６（ｅ）は、位相制御要素によって変調された第１の信号を示す概略図。 ２つの光学構成要素を備える、一実施形態による光デバイスを示す概略図。 図８（ａ）は、コヒーレント光源に適用される、位相制御要素によって変調された第１の信号と、第１の光学構成要素に適用される第２の信号と、第２の光学構成要素に適用される第３の信号とを示す概略図。図８（ｂ）は、コヒーレント光源に適用される、位相制御要素によって変調された第１の信号と、第１の光学構成要素に適用される第２の信号と、第２の光学構成要素に適用される第３の信号とを示す概略図。 一実施形態による連続変数量子通信システムのための送信器を示す概略図。 一実施形態による連続変数量子通信システムのための送信器を示す概略図。 第１の光学構成要素と第２の光学構成要素とを備える、一実施形態による連続変数量子通信システムのための送信器を示す概略図。 一実施形態による連続変数量子通信システムのための送信器を示す概略図。 一実施形態による連続変数量子通信システムのための送信器を示す概略図。 コヒーレント光源に適用される第１の信号と、光学構成要素に適用される第２の信号と、放出される光パルスとを示す概略図。 一実施形態による連続変数量子通信システムのための送信器を示す概略図。 コヒーレント光源に適用される第１の信号と、光学構成要素に適用される第２の信号と、放出される光パルスとを示す概略図。 一実施形態による連続変数量子通信システムを示す概略図。 変数Ｘの正規分布（normal distribution）と変数Ｐの正規分布とを示す概略図。 位相空間Ｘ−Ｐ内のコヒーレント状態を示す概略図。 一実施形態による連続変数量子通信システムを示す概略図。 一実施形態による連続変数量子通信システムを示す概略図。 代替の受信器を示す概略図。 一実施形態による連続変数量子通信システムを示す概略図。 一実施形態による連続変数量子通信システムを示す概略図。 一実施形態による連続変数量子通信システムを示す概略図。
一実施形態によれば、連続変数量子通信システムのための送信器であって、
コヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源がコヒーレント光を生成するように、前記コヒーレント光源に第１の信号を適用するように構成された第１のコントローラと、
前記第１の信号に摂動を適用するように構成された位相制御要素と、各摂動は、生成されたコヒーレント光の諸部分の間の位相シフトを作る、
光学強度変調を作るように構成された第１の光学構成要素と、前記コヒーレント光源は、前記光学構成要素に前記生成された光を供給するように構成される、
光パルスが、生成された光の第１の部分が受信される時間の期間中に放出され、光パルスが、生成された光の第２の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、前記光学構成要素に第２の信号を適用するように構成された第２のコントローラと、
放出された光パルスの振幅を変調するように構成された強度制御要素と
を備え、位相制御要素および強度制御要素は、放出された光パルスの位相と振幅との値の連続体（continuum）内で情報を符号化するように構成される送信器が提供される。
第１の信号の第２の部分は、たとえば１つの摂動が適用された後の部分とされ得る、すなわち、第１の信号の第２の部分は、隣接する後続部分とされ得る。しかし、第１の信号の第２の部分は、複数の（several）さらなる摂動が適用された後の部分とされ得る、すなわち、第１の信号の第２の部分は、隣接する後続部分以外の部分とされ得る。第１の信号の諸部分は、適用される摂動の間の部分である。コヒーレント光の諸部分は、各適用される摂動の間に生成される部分である。したがって、適用される摂動は、生成されるコヒーレント光を諸部分にセグメント化し、各部分は、適用される摂動によって、以前に生成された部分と比較して位相においてシフトされている。コヒーレント光がパルス駆動される場合に、第１の部分は、コヒーレント光パルスの第１の部分とされ得、第２の部分は、同一のコヒーレント光パルスの第２の部分とされ得る。しかし、第２の部分は、別のコヒーレント光パルスの一部すなわち、適用される摂動の前の別のコヒーレント光パルスの一部または適用される摂動の後の部分とされ得る。
一実施形態では、位相制御要素および強度制御要素は、放出された光パルスの位相と振幅との両方の値の連続体内で情報を符号化するように構成される。位相制御要素および強度制御要素は、コヒーレント状態を作るために、放出された光パルスの位相と振幅とを変調するように構成される。一実施形態では、光パルスは、コヒーレント状態の同相成分または直角位相成分の値などの情報を担持（carry）する。
一実施形態では、生成される光の第１の部分が受信される時間の期間中に放出された光パルスと生成される光の隣接する後続部分が受信される時間の期間中に放出された光パルスとの間の位相差は、０と上限との間の値の連続する範囲のうちの１つである。一実施形態では、上限は２πである。一実施形態では、基準光に対する放出される信号光パルスの相対位相は、区間［０，２π］内の一様分布からランダムに選択される値の連続体である。
一実施形態では、送信器は、
第１の乱数と第２の乱数とを生成し、
第１の乱数と第２の乱数とから第１の振幅を、第１の乱数と第２の乱数とから第１の位相を計算する
ように構成されたプロセッサ
をさらに備え、位相制御要素は、第１の位相に対応する位相シフトを作るために摂動を適用するように構成され、強度制御要素は、第１の振幅に対応する振幅変調を適用するように構成される。
一実施形態では、第１の乱数および第２の乱数は、それぞれ、０を中心とし、分散Ｖ＝σ2を有する正規分布からランダムに選択される。一実施形態では、分散は１０である。一実施形態では、分散は１００である。一実施形態では、分散は１５０である。
代替案では、第１の振幅および第１の位相値が、直接に生成され得る。第１の振幅は、スケールパラメータσを有するレーリー分布を有する非負の値（non-negative values）の連続体からランダムに選択され得る。第１の位相は、区間［０，２π］内の一様分布を有する値の連続体からランダムに選択され得る。これは、分散σ2を有するガウス分布に従うＸとＰとを自動的に入手する。
一実施形態では、コヒーレント光源は、レーザである。コヒーレント光源は、半導体レーザまたはファイバレーザとされ得る。コヒーレント光源は、利得スイッチレーザとされ得る。
一実施形態では、光学構成要素は、レーザ、たとえば利得スイッチレーザである。光学構成要素は、半導体レーザまたはファイバレーザとされ得る。代替案では、光学構成要素は、強度変調器または光増幅器とされ得る。
一実施形態では、第１の信号は、周期的信号であり、コヒーレント光源は、コヒーレント光のパルスを生成する、ここにおいて、位相制御要素は、各期間中に１回、第１の信号に摂動を適用し、生成されたコヒーレント光パルスの第１の部分と生成されたコヒーレント光パルスの第２の部分との間の位相シフトを作るように構成される、ここにおいて、生成された光パルスの前記第１の部分が受信される時間の期間中に放出される光パルスは、基準光パルスであり、生成された光パルスの前記第２の部分が受信される時間の期間中に放出される光パルスは、信号光パルスである。
一実施形態では、第２のコントローラは、光パルスが、生成された光パルスの第１の部分が受信される時間の期間中に放出され、光パルスが、生成された光パルスの第２の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、第１の光学構成要素に時間変動する第２の信号を適用するように構成される。送信器は、１つおきのパルスに偏光変調を適用するように構成された偏光変調器をさらに備えることができる。
一実施形態では、送信器は、
光学強度変調を作るように構成された第２の光学構成要素と、ここにおいて、前記コヒーレント光源は、前記第２の光学構成要素に前記生成された光を供給するように構成される、
光パルスが、生成された光パルスの第２の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、前記第２の光学構成要素に第３の信号を適用するように構成された第３のコントローラと
をさらに備え、ここにおいて、第２のコントローラは、光パルスが、生成された光パルスの第１の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、前記第１の光学構成要素に第２の信号を適用するように構成される。
送信器は、第２の光学構成要素から放出されるパルスに偏光を適用するように構成された偏光ビームスプリッタをさらに備えることができる。
一実施形態では、第１のコントローラは、前記コヒーレント光源が連続波コヒーレント光を生成するように、前記コヒーレント光源に第１の信号を適用するように構成される。
位相制御要素は、第１の信号に周期的に摂動を適用し、生成されるコヒーレント光パルスの各隣接する部分の間の位相シフトを作るように構成される。
一実施形態では、第２のコントローラは、光パルスが、生成された光パルスの部分が受信される時間の各期間中に放出されるように、前記光学構成要素に第２の信号を適用するように構成される。放出された光パルスは、信号光パルスである。
一実施形態では、送信器は、
光学強度変調を作るように構成された第２の光学構成要素と、ここにおいて、前記コヒーレント光源は、前記第２の光学構成要素に前記生成された光を供給するように構成される、
光パルスが、生成された光の交番する部分（alternate parts）が受信される時間の期間中に放出されるように、前記第２の光学構成要素に第３の信号を適用するように構成された第３のコントローラと
をさらに備え、ここにおいて、第２のコントローラは、光パルスが、生成された光の他の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、前記第１の光学構成要素に第２の信号を適用するように構成される。
一実施形態では、位相制御要素は、交番する摂動が前の位相シフトを打ち消すように摂動を適用するように構成される。生成された光のうちで交番する摂動に対応する部分が受信される時間の期間中に放出された光パルスの間の位相差は、実質的に０である、ここにおいて、これらの光パルスは、基準光パルスであり、時間の残りの期間中に放出された光パルスは、信号光パルスである。
一実施形態では、位相制御要素は、信号パルスのランダム位相と基準パルスの一定の０位相とを作成するために、各偶数位相シフトが関連する奇数位相シフトを打ち消すように摂動を適用する。
一実施形態では、放出される信号光パルスの振幅は、スケールパラメータσを有するレーリー分布からランダムに選択される非負の値の連続体である。一実施形態では、σ2は１５０個の光子である。一実施形態では、σ2は１００個の光子である。一実施形態では、σ2は１０個の光子である。
強度制御要素は、生成されたコヒーレント光の振幅が変更されるように、第１の信号の振幅を変調するように構成され得る。代替案では、強度制御要素は、放出された光パルスの振幅が変更されるように、第２の信号の振幅を変調するように構成される。代替案では、強度制御要素は、強度変調器である。
一実施形態では、放出された光パルスは、１０ｎｓを超える持続時間を有する。これは、測定の電気的雑音を低減させる。一実施形態では、放出された光パルスは、１００ｎｓを超える持続時間を有する。
一実施形態では、各放出された光パルス内に１つを超える光子がある。これは、より多くの鍵ビットが単一の検出から測定されることを可能にする。一実施形態では、各放出された光パルス内に１０個を超える光子がある。
一実施形態では、各放出された信号光パルスは、約１個から１００個の光子を有する。一実施形態では、各放出された信号光パルスは、約１個から１０個の光子を有する。
一実施形態では、各放出された基準光パルスは、約１０7個から１０9個の光子を有する。一実施形態では、各放出された基準光パルスは、約１００個から１０8個の光子を有する。
一実施形態では、上で説明された請求項の記載における送信器（the transmitter of any preceding claim）と受信器とを備え、送信器は、放出された光パルスを受信器に送るように構成され、受信器は、信号光パルスと基準光とを光学的に結合するように構成される、連続変数量子通信システムが提供される。
一実施形態では、信号光パルスは、受信器で受信された放出された光パルスである。
基準光は、局所的に生成され得、または、受信器で受信されたさらなる放出された光パルスとされ得る。
一実施形態では、基準光は、送信器から放出され、受信器で受信された基準光パルスであり、信号光パルスは、送信器で放出され、受信器で受信された信号光パルスであり、受信器は
信号光パルスと基準光パルスとの間の遅延を打ち消すように構成された遅延要素と、
同相成分の測定値と直角位相成分の測定値との間で選択するように構成された変調要素と
を備える。
信号光パルスおよび基準光パルスは、ビームコンバイナ、たとえば５０：５０ビームスプリッタで光学的に結合される。変調要素は、信号光パルスと基準光パルスとが結合されるときに、基準光パルスと同相の信号光パルスの成分と基準光パルスと直角位相の信号光パルスの成分との測定の間で選択するように構成される。変調要素は、０の位相シフトとπ／２の位相シフトとの間で選択するように構成された位相変調器とされ得る。
受信器は、ビームコンバイナの出力を測定するように構成された第１の光検出器と第２の光検出器とをさらに備える。
基準光パルスに適用される０の位相シフトは、コンバイナでのＸの測定に対応する、基準光パルスと同相の信号光パルスの成分の測定に対応する。π／２の位相シフトは、コンバイナでのＰの測定に対応する、基準光パルスと直角位相の信号光パルスの成分の測定に対応する。
ＸまたはＰの値は、光子検出器の出力から決定される。
一実施形態では、受信器は、
局所基準光を生成するように構成された光源と、
第１のビームコンバイナと第２のビームコンバイナとを備える結合する構成要素と、結合する構成要素は、
局所基準光を第１の部分と第２の部分とに分割し、受信された光パルスを第１の部分と第２の部分とに分割し、
受信された光パルスの第２の部分と局所基準光の第２の部分との間に第１の位相シフトを適用し、
受信された光パルスの第１の部分と局所基準光の第１の部分とを第１のビームコンバイナ上で結合し、
受信された光パルスの第２の部分と局所基準光の第２の部分とを第２のビームコンバイナ上で結合する
ように構成される、
第１のビームコンバイナの出力を検出するように構成された、第１の光検出器および第２の光検出器と、
第２のビームコンバイナの出力を検出するように構成された、第３の光検出器および第４の光検出器と、
第１のビームコンバイナの出力と第２のビームコンバイナの出力とに関する情報を受信し、
受信された基準光パルスに対する相対的な（relative to）局所基準光の位相を決定し、
受信された基準光パルスと直角位相の信号光パルスの成分と受信された基準光パルスと直角位相の信号光パルスの成分とを決定する
ように構成されたプロセッサと
を備える。
一実施形態では、受信器は、
信号光パルスを第１の光学経路に、基準光パルスを第２の光学経路に向けるように構成された第１の分割する要素と、
局所基準光を生成するように構成された光源と、
局所基準光を第１の部分と第２の部分とに分割するように構成された第２の分割する要素と、
第１のビームコンバイナと第２のビームコンバイナとを備える第１の結合する構成要素と、第１の結合する構成要素は、
局所基準光の第１の部分を第３の部分と第４の部分とに分割し、信号光パルスを第１の部分と第２の部分とに分割し、
信号光パルスの第２の部分と局所基準光の第４の部分との間に第１の位相シフトを適用し、
信号光パルスの第１の部分と局所基準光の第３の部分とを第１のビームコンバイナ上で結合し、
信号光パルスの第２の部分と局所基準光の第４の部分とを第２のビームコンバイナ上で結合する
ように構成される、
第１のビームコンバイナの出力を検出するように構成された第１の光検出器および第２の光検出器と、
第２のビームコンバイナの出力を検出するように構成された第３の光検出器および第４の光検出器と、
第３のビームコンバイナと第４のビームコンバイナとを備える第２の結合する構成要素と、第２の結合する構成要素は、
局所基準光の第２の部分を第５の部分と第６の部分とに分割し、受信された基準光パルスを第１の部分と第２の部分とに分割し、
受信された基準光パルスの第２の部分と局所基準光の第６の部分との間に第１の位相シフトを適用し、
受信された基準光パルスの第１の部分と局所基準光の第５の部分とを第１のビームコンバイナ上で結合し、
受信された基準光パルスの第２の部分と局所基準光の第６の部分とを第２のビームコンバイナ上で結合する
ように構成される、
第３のビームコンバイナの出力を検出するように構成された第５の光検出器および第６の光検出器と、
第４のビームコンバイナの出力を検出するように構成された第７の光検出器および第８の光検出器と、
第１のビームコンバイナの出力と第２のビームコンバイナの出力と第３のビームコンバイナの出力と第４のビームコンバイナの出力とに関する情報を受信し、
受信された基準光パルスに対する相対的な局所基準光の位相を決定し、
信号光パルスに対する相対的な局所基準光の位相を決定し、
受信された基準光パルスと直角位相の信号光パルスの成分と受信された基準光パルスと直角位相の信号光パルスの成分とを決定する
ように構成されたプロセッサと
を備える。
一実施形態では、
コヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源がコヒーレント光を生成するように、前記コヒーレント光源に第１の信号を適用するように構成された第１のコントローラと、
前記第１の信号に摂動を適用するように構成された位相制御要素と、各摂動は、生成されたコヒーレント光の諸部分の間の位相シフトを作る、
光学強度変調を作るように構成された第１の光学構成要素および光学強度変調を作るように構成された第２の光学構成要素と、ここにおいて、前記コヒーレント光源は、前記第１の光学構成要素と前記第２の光学構成要素とに前記生成された光パルスを供給するように構成される、
光パルスが、生成された光の第１の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、前記第１の光学構成要素に第２の信号を適用するように構成された第２のコントローラと、
光パルスが、生成された光の第２の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、前記第２の光学構成要素に第３の信号を適用するように構成された第３のコントローラと
を備える光デバイスが提供される。
一実施形態では、第１の信号は、周期的信号であり、コヒーレント光源は、コヒーレント光のパルスを生成し、ここにおいて、位相制御要素は、各期間中に１回、第１の信号に摂動を適用し、生成されたコヒーレント光パルスの第１の部分と生成されたコヒーレント光パルスの第２の部分との間の位相シフトを作るように構成される、
第２のコントローラは、光パルスが、生成された光パルスの前記第１の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、前記第１の光学構成要素に第２の信号を適用するように構成され、
第３のコントローラは、光パルスが、生成された光パルスの前記第２の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、前記第２の光学構成要素に第３の周期的信号を適用するように構成される。
一実施形態では、第１の光学構成要素は、第１の光学経路上に配置され、第２の光学構成要素は、第２の光学経路上に配置される。デバイスは、コヒーレント光を両方の光学経路に向けるためにビームスプリッタを備えることができる。
光学経路は、たとえば偏光ビームスプリッタとされ得るさらなるビームスプリッタで結合することができる。
さらなる構成要素、たとえば偏光回転子、強度変調器、減衰器、および遅延要素が、光学経路の一方または両方に含まれ得る。
一実施形態では、デバイスは、光学強度変調を作るように構成された１つまたは複数のさらなる光学構成要素を備え、前記コヒーレント光源は、たとえば１ｘＮカプラ（coupler）を介して、前記さらなる光学構成要素に前記生成された光パルスを供給するように構成される。
一実施形態では、
コヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源が連続波コヒーレント光を生成するように、前記コヒーレント光源に第１の信号を適用するように構成された第１のコントローラと、
前記第１の信号に摂動を適用するように構成された位相制御要素と、各摂動は、生成されたコヒーレント光の諸部分の間の位相シフトを作り、交番する摂動は、前の位相シフトを打ち消す、
光学強度変調を作るように構成された第１の光学構成要素と、ここにおいて、前記コヒーレント光源は、前記第１の光学構成要素に前記生成された光を供給するように構成される、
光パルスが、生成された光の部分が受信される時間の各期間中に放出されるように、前記第１の光学構成要素に時間変動する信号を適用するように構成された第２のコントローラと、ここにおいて、交番する摂動に対応する生成された光の部分が受信される時間の期間中に放出される光パルスの間の位相差は、実質的に０である
を備える光デバイスが提供される。
一実施形態では、位相制御要素は、信号パルスのランダム位相と基準パルスの一定の０位相とを作成するために、各偶数位相シフトが関連する奇数位相シフトを打ち消すように摂動を適用する。
一実施形態では、
第１の信号に摂動を適用することと、
コヒーレント光源がコヒーレント光を生成するように、前記コヒーレント光源に第１の信号を適用することと、各摂動は、生成されたコヒーレント光の諸部分の間の位相シフトを作る、
光学増幅を作るように構成された光学構成要素にコヒーレント光を供給することと、
光パルスが、生成された光の第１の部分が受信される時間の期間中に放出され、光パルスが、生成された光の第２の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、前記光学構成要素に第２の信号を適用することと、
振幅変調を適用することと、ここにおいて、情報は、放出される信号光パルスの位相と振幅との値の連続体内で符号化される、
放出された信号光パルスを受信するユニットに送ることと、
情報を復号するために、受信するユニットで信号光パルスと基準光とを光学的に結合することと
を備える、量子通信方法が提供される。
一実施形態では、第１の信号は、パルス駆動される信号（a pulsed signal）であり、摂動は、第１の信号の各パルスに１回適用される。
一実施形態では、この方法は、
第１の乱数Ｘと第２の乱数Ｐとを生成することと、
第１の乱数と第２の乱数とから第１の振幅を、第１の乱数と第２の乱数とから第１の位相を計算することと、
第１の位相に対応する位相シフトを作るために摂動を適用することと、
第１の振幅に対応する振幅変調を適用することと
を備える。
一実施形態では、第１の乱数および第２の乱数は、それぞれ、０を中心とし、分散Ｖ＝σ2を有する正規分布からランダムに選択される。一実施形態では、分散は１０個の光子である。一実施形態では、分散は１００個の光子である。一実施形態では、分散は１５０個の光子である。
一実施形態では、放出される信号光パルスの振幅は、スケールパラメータσを有するレーリー分布からランダムに選択される非負の値の連続体である。一実施形態では、σ2は１５０個の光子である。一実施形態では、σ2は１００個の光子である。一実施形態では、σ2は１０個の光子である。
一実施形態では、基準信号光パルスからの放出された信号光パルスの相対位相は、区間［０，２π］内の一様分布からランダムに選択される値の連続体である。
一実施形態では、符号化中の情報割当は、位相空間Ｘ−Ｐ内のグリッドに基づくものとされ得る。
一実施形態では、第１の送信器と第２の送信器と受信器とを備える連続変数量子通信システムであって、第１の送信器は、
第１のコヒーレント光源と、
前記第１のコヒーレント光源がコヒーレント光を生成するように、前記第１のコヒーレント光源に第１の信号を適用するように構成された第１のコントローラと、
前記第１の信号に摂動を適用するように構成された第１の位相制御要素と、各摂動は、生成されたコヒーレント光の諸部分の間の位相シフトを作る、
光学強度変調を作るように構成された第１の光学構成要素と、前記第１のコヒーレント光源は、前記第１の光学構成要素に前記生成された光を供給するように構成される、
光パルスが、生成された光の第１の部分が受信される時間の期間中に放出され、光パルスが、生成された光の第２の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、前記第１の光学構成要素に第２の信号を適用するように構成された第２のコントローラと、
放出された光パルスの振幅を変調するように構成された第１の強度制御要素と
を備え、ここにおいて、第１の位相制御要素および第１の強度制御要素は、放出された光パルスの位相と振幅との値の連続体内で情報を符号化するように構成され、
前記第２の送信器は、
第２のコヒーレント光源と、
前記第２のコヒーレント光源がコヒーレント光を生成するように、前記第２のコヒーレント光源に第３の信号を適用するように構成された第３のコントローラと、
前記第３の信号に摂動を適用するように構成された第２の位相制御要素と、各摂動は、生成されたコヒーレント光の諸部分の間の位相シフトを作る、
光学強度変調を作るように構成された第２の光学構成要素と、前記第２のコヒーレント光源は、前記第２の光学構成要素に前記生成された光を供給するように構成される、
光パルスが、生成された光の第１の部分が受信される時間の期間中に放出され、光パルスが、生成された光の第２の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、前記第２の光学構成要素に第４の信号を適用するように構成された第４のコントローラと、
放出された光パルスの振幅を変調するように構成された第２の強度制御要素と
を備え、ここにおいて、第２の位相制御要素および第２の強度制御要素は、放出された光パルスの位相と振幅との値の連続体内で情報を符号化するように構成され、
ここにおいて、第１の送信器および第２の送信器は、放出された光パルスを受信器に送るように構成され、受信器は、第１の送信器からの信号光パルスと第２の送信器からの信号光パルスと光学的に結合するように構成され、第１の送信器からの基準光パルスと第２の送信器からの基準光パルスとを光学的に結合するように構成される
連続変数量子通信システムが提供される。
一実施形態では、第１の送信器内の第１の信号は、周期的信号であり、第１のコヒーレント光源は、コヒーレント光のパルスを生成する、ここにおいて、第１の位相制御要素は、各期間中に１回、第１の信号に摂動を適用し、生成されたコヒーレント光パルスの第１の部分と生成されたコヒーレント光パルスの第２の部分との間の位相シフトを作るように構成される、ここにおいて、生成された光パルスの前記第１の部分が受信される時間の期間中に放出される光パルスは、基準光パルスであり、生成された光パルスの前記第２の部分が受信される時間の期間中に放出される光パルスは、信号光パルスである。
一実施形態では、第２の送信器内の第３の信号は、周期的信号であり、第２のコヒーレント光源は、コヒーレント光のパルスを生成する、ここにおいて、第２の位相制御要素は、各期間中に１回、第３の信号に摂動を適用し、生成されたコヒーレント光パルスの第１の部分と生成されたコヒーレント光パルスの第２の部分との間の位相シフトを作るように構成される、ここにおいて、生成された光パルスの前記第１の部分が受信される時間の期間中に放出される光パルスは、基準光パルスであり、生成された光パルスの前記第２の部分が受信される時間の期間中に放出される光パルスは、信号光パルスである。
一実施形態では、受信器は、
第１の送信器からの基準光パルスと第２の送信器からの基準光パルスとの間の位相差を受信し、
第１の送信器からの基準光パルスと同相の第１の送信器からの信号光パルスの成分と第２の送信器からの基準光パルスと同相の第２の送信器からの信号光パルスの成分との間の差を決定し、
第１の送信器からの基準光パルスと直角位相の第１の送信器からの信号光パルスの成分と第２の送信器からの基準光パルスと直角位相の第２の送信器からの信号光パルスの成分との和を決定する
ように構成されたプロセッサを備える。
一実施形態では、プロセッサは、第１の送信器からの基準光パルスと第２の送信器からの基準光パルスとの間の位相差を決定するように構成される。
図１(a)は、一実施形態による光デバイス３５の概略図である。光デバイス３５は、光パルスを出力するように構成される。
光デバイスは、光学構成要素２４に光学的に結合されたコヒーレント光源２０を備える。
光デバイス３５は、導波管、たとえば光ファイバによって光学構成要素２４の第１のアパーチャに接続されたコヒーレント光源２０を備える。代替案では、光パルスは、自由空間を介して光デバイス３５の構成要素の間で移動することができ、これは、導波管が、コヒーレント光源２０および光学構成要素２４などの構成要素を接続するために必要ではないことを意味する。
一実施形態では、光学構成要素２４は、利得スイッチレーザである。一実施形態では、利得スイッチレーザ２４は、半導体レーザである。代替実施形態では、利得スイッチレーザ２４は、ファイバレーザである。代替案では、光学構成要素２４は、強度変調器または光増幅器とされ得る。
コヒーレント光源は、コヒーレント光を生成する光源、言い換えれば一定の相対位相を有する光を生成する光源である。一実施形態では、コヒーレント光源２０は、半導体レーザダイオードである。一実施形態では、コヒーレント光源２０は、利得スイッチ半導体レーザダイオードである。コヒーレント光源のさらなる例は、ファイバレーザとソリッドステートレーザとを含む。実際には、レーザによって生成される光が完全にはコヒーレントでないことを理解されたい。しかし、生成される光が高いレベルのコヒーレンスを有するので、レーザはコヒーレント光源と考えられる。
いくつかの場合に、位相差は、たとえば環境温度変化またはコヒーレント光源２０の駆動条件の変化に起因して、経時的にドリフトする可能性がある。これらのドリフトは、位相制御要素１２５によって補償され得る。
利得スイッチレーザの動作は、図２（ａ）から図２（ｃ）に関連して下で説明される。
光デバイス３５は、前記コヒーレント光源２０がコヒーレント光を生成するように、前記コヒーレント光源２０に第１の信号を適用するように構成された第１のコントローラ１４０を備える。
光デバイス３５は、第１の信号に摂動を適用するように構成された位相制御要素１２５をさらに備える。これは、後でより詳細に説明される。
光デバイス３５は、光学構成要素２４に第２の信号を適用するように構成された第２のコントローラ１４１をさらに備える。第２の信号は、第２の信号がしきい値の上にスイッチングするたびに光パルスを光学構成要素２４から放出させる時間変動する信号である。その後、これらの光パルスは、光デバイス３５から放出される。
第１のコントローラ１４０、位相制御要素１２５、および第２のコントローラ１４１は、たとえば単一の構成要素とされ得る。
動作中に、コヒーレント光源２０は、コヒーレント光を生成する。コヒーレント光は、コヒーレント光源２０から放出され、光学構成要素２４に入る。コヒーレント光源２０からのコヒーレント光は、光学構成要素２４に入る。第２のコントローラ１４１は、複数の光パルスが放出されるように、時間変動する信号を光学構成要素２４に適用する。
光学構成要素２４が、しきい値の上にスイッチングされるたびに、放出された光パルスは、注入されたコヒーレント光に対する固定された位相関係を有する。
たとえば、コヒーレント光源２０は、パルス駆動され得（be pulsed）、光学構成要素２４は、各コヒーレント光パルスが入射（incident）する時間中に２回しきい値の上にスイッチングされ得、したがって、各パルスの放出時間（emission time）の間の同一の差を有する２つのコヒーレントな放出された光パルスが、コヒーレント光パルスが入射するたびに生成される。光パルスの第１の対（パルス１およびパルス２）は、第１の長いコヒーレント光パルスが入射する期間中に放出される。１つの長いコヒーレント光パルスが入射する期間中に生成されるパルスは、イントラ期間（ｉｎｔｒａ−ｐｅｒｉｏｄ）と呼ばれる。光パルスの第２の対（パルス３およびパルス４）は、第２の長いコヒーレント光パルスが入射するときに生成され、パルスの第３の対（パルス５およびパルス６）は、第３の長いコヒーレント光パルスが入射するときに生成される。パルス１の放出とパルス２の放出との間の時間は、パルス３の放出とパルス４の放出との間の時間と同一であり、パルス５の放出とパルス６の放出との間の時間と同一である。パルス１およびパルス２は、イントラ期間である。パルス３およびパルス４は、イントラ期間である。パルス５およびパルス６は、イントラ期間である。パルスの第１の対、パルスの第２の対、およびパルスの第３の対は、固定された位相関係を有する。
位相変調が位相制御要素１２５で適用されないときには、対の相対位相は、対ごとに同一である。パルス１とパルス２との間の位相差は、パルス３とパルス４との間の位相差ならびにパルス５とパルス６との間の位相差と同一である。任意の２つの連続するイントラ期間パルスの間の位相差は、すべての期間について同一である。異なるコヒーレント光パルスが入射する期間中に生成されるパルスは、インター期間（ｉｎｔｅｒ−ｐｅｒｉｏｄ）と呼ばれる。たとえば、パルス１およびパルス３は、インター期間であり、パルス２およびパルス３は、インター期間であり、パルス４およびパルス５は、インター期間であり、パルス１およびパルス６は、インター期間である。２つのインター期間パルス（たとえば、パルス２およびパルス３）の間の位相差は、固定されておらず、ランダムである。たとえば、パルス２とパルス３との間の位相差は、パルス４とパルス５との間の位相差に対するランダム関係を有する。
連続波コヒーレント光が光学構成要素２４に注入され、位相変調が位相制御要素１２５で適用されないときには、通常の放出時間を用いて放出されたパルスのすべてが、隣接するパルスの間の同一の位相差を有する。たとえば、３つの光パルス（パルス１、パルス２、およびパルス３）が、コヒーレント波光が入射する期間中に生成され、パルス１の放出とパルス２の放出との間の時間がパルス２の放出とパルス３の放出との間の時間と同一である場合に、パルス１とパルス２との間の位相差は、パルス２とパルス３との間の位相差と同一である。
２つの連続するインター期間パルスの間の位相差は、コヒーレント光源２０によって生成される連続する長い光パルスの間に位相コヒーレンスがない場合に限って、真にランダムである。半導体利得スイッチレーザなどのコヒーレント光源２０に関して、レーザ放出は、自然放出によって開始される。これは、ランダムプロセスであり、これは、生成されるコヒーレント光パルスの位相がランダムになることを意味する。自然放出のランダムプロセスが、すべてのコヒーレント光パルスのレーザ放出を開始させる責任を負うためには、各コヒーレント光パルスが生成される前に、レーザキャビティ（laser cavity）が完全に空になる必要がある。キャビティ内の光子の個数は、キャリア密度が発振しきい値未満になるや否や、指数関数的に減少する。光子のほとんどがキャビティを去り、その後に生成されるコヒーレント光パルスに関する位相コヒーレンスが存在しないことを保証するまでに、約１００ｐｓを要する可能性がある。
光学構成要素２４から放出されるパルスシーケンスの位相コヒーレンスを調整し、たとえば固定された位相関係を有するパルスの対と、これに続く、第１の対と比較してランダムな位相を有するがお互いとの同一の固定された位相関係を有するパルスの第２の対とを作ることが可能である。任意の個数のコヒーレントパルスに、第２の異なる個数のコヒーレントパルスが続き、光パルスの調整されたシーケンスを構築することが可能である。
一実施形態では、光学構成要素２４は、利得スイッチ半導体レーザである。半導体レーザは、時間変動する電流の適用によって、発振しきい値の上と下とに周期的にスイッチングされ得る。第２のコントローラ１４１は、利得スイッチレーザ２４に接続され、半導体利得スイッチレーザ２４の場合に電気接続を介して電流を適用することによって、レーザの利得を変調する。
発振しきい値の上に利得スイッチレーザ２４をスイッチングするために、第２のコントローラ１４１は、時間変動する電流とされ得る第２の信号を、利得スイッチレーザ２４に接続されたバイアスＴ（bias-T）の交流入力に供給することができる。直流バイアス電流が、直流入力に供給され得る。一実施形態では、時間変動する電流は、矩形タイプの波形（a square type wave form）を有する。一実施形態では、第２の信号は、１ＧＨｚ程度の周波数を有する。一実施形態では、第２の信号は、１ＭＨｚ程度の周波数を有する。代替実施形態では、時間変動する電流は、周波数シンセサイザによって生成される電気正弦波である。時間変動する電流は、任意のパルス形状を有する信号を備えることができる。
利得スイッチレーザ２４は、パルスが放出されるときの状態と「オフ」状態との間のよい消光比（extinction ratio）を有する。一実施形態では、放出された光パルスのそれぞれの持続時間は、２００ｐｓを超える。一実施形態では、放出された光パルスのそれぞれの持続時間は、１０ｎｓを超える。一実施形態では、放出された光パルスのそれぞれの持続時間は、１００ナノ秒程度である。
第２の信号の周期（The period）は、使用されるシステムの条件に依存して選択され得る。
コヒーレント光源２０からのコヒーレント光は、利得スイッチレーザ２４の光キャビティに入り、利得スイッチレーザ２４のコヒーレンスシーディング（ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｓｅｅｄｉｎｇ）を引き起こす。用語コヒーレンスシーディングは、レーザシーディング（ｌａｓｅｒ ｓｅｅｄｉｎｇ）またはレーザ以外のコヒーレント光源によるシーディングを指すことができる。
コヒーレント光源２０からの光の注入がないすなわち、コヒーレンスシーディングなしの利得スイッチレーザ２４の動作中に、利得スイッチレーザ２４が、発振しきい値の上にスイッチングされるときには、光パルスが、自然放出によって開始され、生成される光パルスの間の位相差は、ランダムである。コヒーレント光源２０からの光が、利得スイッチレーザ２４に注入され、利得スイッチレーザ２４が、発振しきい値の上にスイッチングされるときには、パルスは、注入されたコヒーレント光によって引き起こされた誘導放出（stimulated emission）によって開始される。これは、コヒーレンスシーディングと呼ばれる。
コヒーレンスシーディングが発生するためには、注入される光の周波数が、ある範囲内まで利得スイッチレーザ２４の周波数と一致しなければならない。一実施形態では、コヒーレント光源２０によって供給される光の周波数と利得スイッチレーザ２４の周波数との差は、３０ＧＨｚ未満である。いくつかの実施形態では、利得スイッチレーザ２４が、分布帰還（ＤＦＢ：distributed feedback）レーザダイオードである場合に、周波数差は、１００ＧＨｚ未満である。シーディングされるレーザが、ファブリペローレーザダイオードである他の実施形態では、周波数差は、３テラヘルツ未満である。
コヒーレンスシーディングが発生するときに、利得スイッチレーザ２４が発振しきい値の上にスイッチングされるたびに、生成される光パルスは、注入されたコヒーレント光に対する固定された位相関係を有する。
成功のコヒーレンスシーディングのためには、コヒーレント光２３のうちでレーザの光キャビティに入る分画（fraction）は、使用される利得スイッチレーザのタイプに依存するある限度内にされなければならない。一実施形態では、注入されるコヒーレント光の光強度（the optical power）は、利得スイッチレーザ２４の光出力強度（the optical output power）の１０００分の１以下（at least 1000 times lower than）である。一実施形態では、注入されるコヒーレント光の光強度は、利得スイッチレーザ２４の光出力強度の１００分の１以下である。
コヒーレント光源２０は、放出される長い光パルスの強度を低下させる固定された光減衰器を備えることができる。代替案では、コヒーレント光源２０は、低速でのみ調整される調整可能な光減衰器を備えることができる。生成されるパルスの強度は、コヒーレント光の強度に依存する。正しい駆動条件を用いると、コヒーレント光が注入されない場合には、パルスは全く生成されない。したがって、コヒーレント光源は、生成される放出された光パルスの強度を変更するために、生成された長い光パルスが利得スイッチレーザ２４に供給される前にその強度を変更する強度変調器を備えることができる。光デバイス３５は、利得スイッチレーザ２４によって生成される放出された光パルスの強度を低下させる第２の光減衰器または利得スイッチレーザ２４によって生成された放出された光パルスの強度を変更する強度変調器を備えることができる。
図２（ａ）は、利得スイッチ半導体レーザの概略図を示す。利得スイッチレーザは、レーザが発振しきい値の上にスイッチングされるときには光を生成し、レーザが発振しきい値の下にスイッチングされるときには光をほとんど生成しない。レーザ１４０は、ポンプパワー（ｐｕｍｐ ｐｏｗｅｒ）の変更によるレーザの利得の変調を可能にする第２のコントローラ１４１を有する。利得は、時間変動する形で変調され得る。この形でのレーザの駆動は、レーザ出力１４２での、持続時間において数ピコ秒程度の短いレーザパルスを生成することができる。
レーザ１４０が半導体レーザである場合には、レーザ１４０は、電流を適用することによって電気的にポンピングされ得る。半導体レーザの利得を変調するために、第２のコントローラ１４１は、レーザに適用される電流を変調する。
レーザ１４０がファイバレーザまたはソリッドステートレーザである場合には、レーザ１４０は、光学的にポンピングされ得る。ファイバレーザまたはソリッドステートレーザの利得を変調するために、第２のコントローラ１４１は、レーザに適用される光入力を変調する。
図２（ｂ）は、半導体利得スイッチレーザの利得変調を示す３つのグラフを示す。上側のグラフは、垂直軸にレーザに適用される電流、水平軸に時間を示す。直流バイアスが、水平の点線によって示されている。レーザに適用される電流は、一連の電流変調パルスの形を有する。波は、矩形タイプの波形である。この場合では、電流は、電流変調パルスの間に０まで減少されることはなく、単に、点線によって示されるバイアス値まで減少されるにすぎない。
電流変調信号が、レーザに適用され、レーザの利得を発振しきい値の上と下とに周期的にスイッチングする。第２のグラフは、垂直軸にレーザのキャリア密度、水平軸に時間を示す。発振しきい値は、破線の水平線によって示される。電流変調パルスがレーザに適用されるときに、注入されるキャリアは、キャリア密度を増加させ、光子密度が増加する。
変調信号によって生成されるレーザ出力が、下側のグラフに示されている。垂直軸はレーザ強度を示し、水平軸は時間を示す。キャリア密度が発振しきい値を超えるときに、レーザが光を出力する。レーザキャビティの内部の自然放出によって生成された光子は、出力信号を生成するために誘導放出によって十分に増幅される。電流変調パルスの適用と出力光の生成との間の遅延の長さは、レーザタイプ、キャビティ長、およびポンピングパワー（ｐｕｍｐｉｎｇ ｐｏｗｅｒ）などの複数のパラメータに依存する。
光子密度のすばやい増加は、キャリア密度の減少を引き起こす。これが、光子密度を減少させ、これが、キャリア密度を増加させる。この点で、電流変調パルスは、直流バイアスレベルまで戻るようスイッチングするようにタイミングを定められ（timed to switch back down to）、レーザ放出は、すばやく終了する。したがって、レーザ出力は、下側のグラフに示されているように、短いレーザパルスのトレーン（train）からなる。
光学構成要素は、１ＧＨｚのクロックレートおよび１ｎｓの周期で、５０％のデューティサイクルで、駆動されて（driven）、そのようなパルスを作り得る。
他の光パルス強度プロファイルが可能である。たとえば、時間強度プロファイル（temporal intensity profile）内に少なくとも２つの極大（local maxima）を有する光パルスが生成され得る。光パルスは、スパイク様（spike-like）時間強度プロファイルとこれに続く台地様（plateau-like）時間強度プロファイルとを有することができる。光パルスの台地様部分は、光パルスのスパイク様部分より長い持続時間を有することができる。光パルスの台地様部分は、定常状態で（in a steady state）放出され、鋭い波長分布を有する。そのような強度プロファイルを有するパルスは、１μｓの周期に対応し９０％のデューティサイクルを有する約１ＭＨｚのクロックレートを用いて生成され得る。そのような強度プロファイルを伴って光学構成要素から放出されるパルスは、きれいな光パルス（clean optical pulses,）であり、よい干渉を生じる。
そのような光パルスを生成するために、直流バイアスは、図２（ｂ）の光パルスを生成するのに使用されるものより高い。その結果、キャリア密度は、よりすばやく増加し、はるかに早い時刻に発振しきい値に達する。キャリア密度が発振しきい値を超えるときに、レーザ発振アクション（a lasing action）が、レーザキャビティの内部の自然に放出された光子によってトリガされ得る。自然放出の時間不確定性に起因して、キャリア密度は、レーザ発振が始まる前に発振しきい値よりはるかに高い値に達することができる。
初めに、光度（light intensity）は、オーバーシュートし、キャリア密度をすばやく減少させる。これは、光パルスのスパイク様部分を生成する。電圧変調パルスの適用と出力光の生成との間の遅延の長さは、レーザタイプ、キャビティ長、および交流駆動電流などの複数のパラメータに依存する。
キャリア密度の減少は、レーザキャビティ内の光子密度を減少させる。レーザ発振は、誘導放出プロセスなので、放出率は、キャビティ光子密度に比例する。したがって、光子放出率は、キャリア密度の再増大（re-build up）を可能にし、光度を増加させるために、減少される。この競合するプロセスが、光度の発振を引き起こす。これが、ピークからなる光パルスのスパイク様部分のプロファイルを引き起こす。したがって、光パルスのスパイク様部分は、光子密度の当初の増加とその後の減少とを備える。
光子密度が２回目に増加する点において、これは、台地様部分の始めである。光子密度の発振は、強く減衰され、したがって、この点において、強度が実質的に一定である定常状態放出（steady-state emission）がある。一実施形態では、強度は、最大値の２０％を超えては変化しない。電圧パルスが終了し、電圧をバイアス値にもう一度スイッチングするときに、レーザパルスが終了する。
図２（ｃ）は、半導体利得スイッチレーザの電気駆動回路の概略図を示す。半導体利得スイッチレーザは、レーザダイオード１４５である。レーザダイオード１４５のカソードは、インダクタ１４７と抵抗またはキャパシタ１４８とを備えるバイアスＴ １４６に接続される。インダクタ１４７を介して、直流バイアス電流が、レーザダイオードを通って送られる。これは、図3（ｂ）で点線によって示される電流の最小レベルである利得バイアスを提供する。抵抗またはキャパシタ１４８を介して、交流変調電流が、レーザダイオードを通って送られ、レーザを発振しきい値の上と下とに利得スイッチングするのに必要な利得変調を提供する。
利得スイッチレーザ２４に関して、バイアスＴ １４６への変調入力は、第２のコントローラ１４１によって提供される。コヒーレント光源２０に関して、バイアスＴ １４６への変調入力は、第２のコントローラ１４１によって提供される。
第２の導波管、たとえば光ファイバが、利得スイッチレーザ２４の第２のアパーチャに接続され得る。したがって、コヒーレント光源２０からのコヒーレント光は、第１のアパーチャを介して注入され、生成された光パルスは、利得スイッチレーザ２４内の第２のアパーチャから放出される。利得スイッチレーザアパーチャは、鏡とされ得る。利得スイッチレーザ共振器は、１つの非常に強く反射する鏡とより低い反射率を有する１つの鏡とを備えることができる。これは、共振器の内部の光子のほとんどすべてが、より弱く反射する鏡を介して去ることになる（will leave）ことを意味する。したがって、コヒーレンスシーディングを引き起こすために、コヒーレント光は、強く反射する鏡を介して利得スイッチレーザ２４に供給される。強く反射する鏡に入射する光の強度は、コヒーレンスシーディングが発生するのに十分な光がレーザキャビティに入るのに十分に高い（large enough）ものでなければならない。その後、利得スイッチレーザ２４内で生成されたパルスは、より低い反射率を有する鏡を介して出る。したがって、より高い反射率を有する鏡は、第１のアパーチャ（それを介してコヒーレント光が供給される）であり、より低い反射率を有する鏡は、第２のアパーチャ（それを介して放出された光パルスが放出される）である。第１のアパーチャと第２のアパーチャとの両方が、アクセス可能である必要がある。これは、レーザ設計に対する変更を必要とする可能性がある。コヒーレント光が入射する鏡の反射率は、レーザシーディングを引き起こすのに十分な光がキャビティに入ることを可能にするために、減少され得る。
代替案では、光は、利得スイッチレーザ２４の同一のアパーチャに注入され、これから放出され得る。光配送デバイス（light distribution device）が、生成された放出された光パルスをコヒーレント光パルスから分離するのに使用され得る。
図３（ａ）は、光配送デバイスが光サーキュレータ２７である、一実施形態による光デバイスの概略図である。コヒーレント光源２０は、光導波管、たとえば光ファイバによって光サーキュレータ２７のポート１に接続される。前記サーキュレータのポート２は、光導波管によって利得スイッチレーザ２４に接続される。光サーキュレータ２７は、光サーキュレータ２７のポート１に入る光がポート２を介して出、ポート２を介して光サーキュレータ２７に入る光がポート３を介して出るように構成される。
コヒーレント光源２０は、光導波管に沿って移動し、光サーキュレータ２７のポート１に入る光２１を生成する。光２１は、主にサーキュレータのポート２を介して出るが、光の小さい分画が、吸収されまたはポート３を介して出る可能性がある。光２１は、光サーキュレータ２７のポート２を出、利得スイッチレーザ２４に接続された光導波管に沿って移動する光２３としてサーキュレータを出る。光２３は、利得スイッチレーザ２４に注入される。利得スイッチレーザ２４は、コヒーレント光によってシーディングされ、位相コヒーレントなレーザパルスを生成する。
第２のコントローラ１４１は、コヒーレント光２３が利得スイッチレーザ２４に入射する時間中に利得スイッチレーザ２４が複数回発振しきい値の上にスイッチングされるように、利得スイッチレーザ２４に時間変動する信号を適用する。したがって、利得スイッチレーザ２４は、利得スイッチレーザ２４に接続された光導波管にパルス２５を放出し、コヒーレント光２３とは反対の方向に導波管に沿って移動する。パルス２５は、光サーキュレータ２７のポート２に入り、光サーキュレータ２７のポート３から光導波管、たとえば光ファイバに出る。
図３（ｂ）は、光配送デバイスが光ビームスプリッタ２８である、一実施形態による光デバイスの概略図である。コヒーレント光源２０は、光ファイバなどの光導波管によって光アイソレータ２９のポートに接続される。光アイソレータ２９の第２のポートは、光ファイバなどの第２の光導波管によってビームスプリッタ２８のポートＡに接続される。光アイソレータは、第１のポートを介して入る光が通過することを可能にするが、第２のポートを介して入る光が通過することを防ぐように構成される。光アイソレータを備えない代替実施形態では、コヒーレント光源の出力は、光ファイバなどの単一の光導波管によってビームスプリッタ２８のポートＡに直接に接続される。光ファイバなどの光導波管が、ビームスプリッタ２８のポートＣを利得スイッチレーザ２４に接続する。
コヒーレント光源２０は、コヒーレント光２１を放出する。光のうちでポートＡを介してビームスプリッタ２８に入る第１の分画は、ビームスプリッタのポートＣを介して出る。ポートＡを介してビームスプリッタ２８に入る第２の分画は、ビームスプリッタのポートＤを介して出る。コヒーレント光２３のうちでポートＣを出る第１の分画は、光導波管に沿って移動し、利得スイッチレーザ２４に注入される。第２のコントローラ１４１は、利得スイッチレーザ２４に時間変動する電流を適用し、コヒーレンスシーディングが、前に説明したように発生する。利得スイッチレーザ２４によって生成された光パルス２５は、光導波管に戻って放出され（emitted back into）、コヒーレント光２３とは反対の方向に導波管に沿って移動する。光パルス２５は、ポートＣを介してビームスプリッタ２８に入る。光パルスの第１の分画は、ポートＡを介してビームスプリッタ２８を出、第２の分画はポートＢを介して出る。ポートＢからの出力は、図１で説明されたデバイスの出力２６と同等である。
放出された光パルスのうちでポートＡを介して前記ビームスプリッタを出る第１の分画は、光アイソレータ２９で停止される。したがって、光アイソレータ２９は、利得スイッチレーザ２４から放出された光がコヒーレント光源２０に入り、前記光源内で擾乱（disturbance）を引き起こすのを防ぐ。ビームスプリッタ２８のポートＤでの出力は、監視目的で使用され得る。
代替実施形態では、光学構成要素２４が、光増幅器２４である。一実施形態では、光増幅器２４は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）である。光増幅器２４は、第２のコントローラ１４１によって制御される。第２のコントローラ１４１は、光増幅器２４からの光パルスの放出時間を制御する。コヒーレント光源２０は、コヒーレント光を光増幅器２４に供給する。コヒーレント光が供給される期間中に、第２のコントローラ１４１は、光デバイス３５が光パルスを出力できるように、複数の期間の間に光増幅器２４を「オン」状態にスイッチングする。
第２のコントローラ１４１は、時間変動する信号を適用することによって、光増幅器２４を「オン」状態と「オフ」状態との間でスイッチングする。したがって、光増幅器２４は、利得スイッチングされる。しきい値は、第２のコントローラ１４１によって適用される第２の信号が光増幅器を「オン」状態にスイッチングする点である。
ＳＯＡ ２４の利得を変調するために、第２のコントローラ１４１は、時間変動する信号、たとえば、一連の電流変調パルスの形を有することができる時間変動する電流を適用する。電流変調パルスがＳＯＡ ２４に適用されるときに、注入される電流は、キャリア密度を増加させ、ＳＯＡ ２４に入力される光は、出力を生成するために誘導放出によって十分に増幅される。この点で、電流変調パルスは、直流バイアスレベルに戻るようにスイッチングするようにタイミングを定められ、出力は、すばやく終了する。したがって、出力は、放出される光パルスのトレーンからなる。
ＳＯＡ ２４が「オン」状態にスイッチングされるときに、入射するコヒーレント光は、増幅され、ＳＯＡ ２４から放出される。ＳＯＡ ２４が「オフ」状態にスイッチングされるときに、入ってくる光は、吸収される。第２の導波管、たとえば光ファイバが、光増幅器２４の第２のアパーチャに接続される。
コヒーレント光源２０は、ＳＯＡ ２４に入る光を生成する。第２のコントローラ１４１は、ＳＯＡ ２４が、複数の時間の期間の間に「オン」状態にスイッチングされ、それら「オン」期間と「オン」期間の間の期間の間に「オフ」状態にスイッチングされるように、時間変動する電流をＳＯＡ ２４に適用する。ＳＯＡ ２４がその間に「オフ」状態である時間の期間の持続時間は、ＳＯＡ ２４がその間に「オン」状態である時間の期間の持続時間より長くされ得る。一実施形態では、放出された光パルスのそれぞれの持続時間は、２００ｐｓより長い。一実施形態では、放出された光パルスのそれぞれの持続時間は、１０ｎｓより長い。
光学構成要素が半導体利得スイッチレーザである場合に関して、第１のコヒーレント光パルスが入射するときにＳＯＡ ２４から放出されるパルスの第１の対と、第２のコヒーレント光パルスが放出時間の同一の差を伴って入射するときにＳＯＡ ２４から放出されるパルスの第２の対とは、固定された位相関係を有する。パルスの第１の対の間の位相差は、パルスの第２の対の間の位相差と同一である。しかし、異なる長い光パルスが入射する期間中に放出される２つのパルスの間の位相差は、ランダムである。
ＳＯＡ ２４は、コヒーレント光が入射する期間中に複数回「オン」状態にスイッチングされ、コヒーレントレーザパルスのパルスシーケンスを生成することができる。同一のコヒーレント光が入射する期間中に放出されるパルスのすべてが、固定された位相関係を有する。
代替案では、光学構成要素２４は、強度変調器２４とされ得る。強度変調器は、入ってくる光パルスの強度を変調する。「オフ」状態では、強度変調器は、光の強度を低いレベルまで減少させる。「オン」状態では、強度変調器は、入ってくる光のより大きい分画が出ることを可能にする。強度変調器は、光パルスを生成するために、コヒーレント光源からの光が存在するときに、「オン」状態と「オフ」状態との間で複数回スイッチングされる。光学構成要素が半導体利得スイッチレーザである場合に関して、第１のコヒーレント光パルスが入射するときに強度変調器２４から放出されるパルスの第１の対と、第２のコヒーレント光パルスが入射するときに強度変調器２４から放出されるパルスの第２の対とは、固定された位相関係を有する。パルスの第１の対の間の位相差は、パルスの第２の対の間の位相差と同一である。しかし、異なる長い光パルスが入射する期間中に放出される２つのパルスの間の位相差は、ランダムである。
強度変調器は、変調器、たとえば電界吸収変調器内の材料の吸収係数を変更することによって、光の強度を変調することができる。電界吸収変調器は、デバイスに適用される電圧が吸収係数を変更し、したがってデバイスを通って移動する光の強度を変更する半導体デバイスである。別の実施形態では、強度変調器は、マッハツェンダー干渉計に基づく。マッハツェンダーベースの強度変調器は、出力強度を変調するために、干渉計の２つのアームの間の位相差を変更する。
位相変調は、コヒーレント光源２０によって生成される光の位相を位相制御要素１２５を用いて制御することによって実行され得る。コヒーレント光源２０は、光パルスを生成することができる。コヒーレント光源２０によって生成される光パルス１２１の第２の部分の位相は、位相制御要素１２５によって、光パルスの第１の部分に関して変調され得る。代替案では、位相制御要素は、１つの光パルスが生成される期間中に位相変調を複数回適用することができる。代替案では、コヒーレント光源２０は、ＣＷコヒーレント光を生成することができる。この場合に、期間が定義され得、ＣＷ光のうちで各期間中に放出される部分の位相は、ＣＷ光のうちで前の期間中に放出された部分の位相に関して変調され得る。
位相制御要素１２５は、規則的なインターバルで（at regular intervals）コヒーレント光源２０に摂動を適用することができる。コヒーレント光源２０が、パルス駆動されたコヒーレント光を生成するように構成される場合に、摂動は、各光パルスの生成の実質的に中間点で発生するようにタイミングを定められ得る。摂動は、コヒーレント光の部分の間の位相を変更し、コヒーレント光の第１の部分とコヒーレント光の第２の部分との間に、ある位相差を作る。摂動は制御され、言い換えると、同一の摂動が、必ず同一の位相シフトを引き起こす。適用される摂動の振幅は、生成される位相シフトに影響する。
コヒーレント光源２０は、それに関する位相変化がコヒーレント光が生成される時間中にコヒーレント光源２０に短い電流パルスを適用することによって適用される、半導体レーザとされ得る。したがって、摂動は、電流パルスである。
半導体レーザ以外のコヒーレント光源は、長い光パルスの位相を変調するための他の手段を有する場合がある。したがって、他の実施形態では、適用される電流以外の手段が、コヒーレント光パルスの位相を変調するのに使用される。これらの手段は、長いパルス放出中の短い時間の間にポンピングパワーを増加させることを含む。ファイバレーザに関して、光ポンプ信号に追加される光パルス（an optical pulse）が、長い光パルスの位相を変調するのに使用され得る。
コヒーレント光の隣接する部分の間の位相変化が、突然の遷移（ａｂｒｕｐｔ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）ではなく、光の部分にわたって発生する場合がある。第２の信号は、光の遷移部分が光学構成要素２４内に存在するときに光パルスが生成されないように制御される。
第１のコントローラ１４０は、コヒーレント光源がコヒーレント光を生成するようにするために、コヒーレント光源２０に第１の信号を適用するように構成される。
位相制御要素１２５は、第１の信号に摂動を適用するように構成され、各摂動は、生成されたコヒーレント光の諸部分の間の位相シフトを作る。
生成されたコヒーレント光は、光学構成要素２４に供給される。第２のコントローラ１４１は、光パルスが、生成された光の第１の部分が受信される時間の期間中に放出され、光パルスが、生成された光の第２の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、光学２４に第２の信号を適用するように構成される。
一実施形態では、第１のコントローラは、前記コヒーレント光源が連続波コヒーレント光を生成するように、前記コヒーレント光源に第１の信号を適用するように構成される。図４（ａ）は、連続波光を生成するために、第１のコントローラ１４０によってコヒーレント光源２０に適用される第１の信号の形を示す。
第１の信号は、コヒーレント光源２０が半導体レーザである場合に、コヒーレント光源２０に適用される直流電流とされ得る。
図４（ｂ）は、位相制御要素１２５によって変更（modified by）されたときの、コヒーレント光源２０に適用される第１の信号を示す。摂動が、規則的なインターバルで信号に追加される。摂動の振幅は、生成される位相シフトを制御するために変更される。
摂動は、信号に追加されるより小さい電流パルスとされ得る。電流パルスは、それが規則的なインターバルで適用されるようにタイミングを定められる。位相制御要素は、図４（ａ）に示された直流電流信号にその後に結合されるより小さい電流パルスを生成する別々の要素とされ得る。
摂動ごとに、電流パルス内の電荷の流れの方向は、第１の信号の電荷の流れの方向と同一または反対とされ得る。したがって、各電流パルスは、変化する量だけ第１の信号の振幅を増加させまたは第１の信号の振幅を減少させることができる。これは、反対方向の位相シフトに対応し、たとえば、第１の信号の振幅を第１の量だけ増加させる電流パルスは、＋θの位相シフトに対応し、第１の信号の振幅を第１の量だけ減少させる電流パルスは、−θの位相シフトに対応する。
コヒーレント光の第１の部分は、第１の信号の第１の部分に対応して生成される。コヒーレント光の第２の部分は、第１の信号の第２の部分に対応して生成される。第１の信号の第２の部分は、たとえば摂動が適用された後の部分とされ得る。第１の信号の第２の部分は、複数のさらなる摂動が適用された後の部分とされ得る。したがって、第１の部分および第２の部分は、隣接する部分である場合があり、あるいは、信号の任意の部分である場合がある。
第１の信号の「諸部分」は、摂動の間の部分である。コヒーレント光の諸部分は、各摂動の間に生成される部分である。したがって、適用される摂動は、生成されるコヒーレント光を諸部分にセグメント化し、各部分は、適用される摂動によって、以前に生成された部分と比較して位相においてシフトされている。
図４（ｃ）は、第２のコントローラ１４１によって光学構成要素２４に適用される第２の信号を示す。第２の信号は、たとえば電流とされ得る。この信号は、光学構成要素２４がしきい値の上すなわち「オン」状態またはレーザ発振状態（lasing state）に周期的にスイッチングされるような振幅（magnitude）の矩形波（square wave）を備える。第１のパルスは、コヒーレント光の第１の部分が存在するときに適用される。第１のパルスは、コヒーレント光の各部分が光学構成要素２４内に存在する時間のセクション中に光学構成要素２４がしきい値の上にスイッチングされるようにタイミングを定められる。
第１の信号に適用される摂動および光学構成要素２４に適用される信号は、光学構成要素での光パルスの生成のタイミングが、コヒーレント光の諸部分が存在するときに対応するようにするために、同期化され得る。
出力レーザパルスが、図４（ｄ）に示されている。矩形パルスは、コヒーレント光の第１の部分が入射する時間中に１つの光パルスが放出され、コヒーレント光の第２の部分が入射する時間中に２つ目が放出され、以下同様になるようにタイミングを定められる。矩形パルスの必要な長さは、レーザタイプ、キャビティ長、およびポンピングパワーなどの複数のパラメータに依存する。
第１のパルスと第２のパルスとの間の位相差は、φ1であり、第２のパルスと第３のパルスとの間の位相差は、φ2であり、第３のパルスと第４のパルスとの間の位相差は、φ3であり、以下同様である。パルスの間の位相差は、位相制御要素１２５によって適用される位相変調によって決定される。
一実施形態では、第１の信号は、周期的信号であり、コヒーレント光源は、コヒーレント光のパルスを生成する。位相制御要素は、第１の信号に摂動を各周期に１回適用し、生成されるコヒーレント光パルスの第１の部分と生成されるコヒーレント光パルスの第２の部分との間の位相シフトを作るように構成される。
第２のコントローラ１４１は、周期的な第２の信号を光学構成要素２４に適用する。周期的信号は、たとえば周期的電流とされ得る。第２の信号は、パルスが光学構成要素２４から放出されるように、各コヒーレント光パルスの第１の部分が存在する期間中に１回、光学構成要素２４をしきい値の上にスイッチングする。また、第２の信号は、第２のパルスが放出されるように、各コヒーレント光パルスの第２の部分が存在する期間中に１回、光学構成要素２４をしきい値の上にスイッチングする。パルスの対の各パルスの間の位相差は、コヒーレント光パルスの第２の部分に適用される位相シフトによって決定される。図５に示されるように駆動される光学構成要素２４から放出されるパルスの第１のセットに関して、パルスの間の位相差は、φ1である。パルスの第２のセットに関して、２つのパルスの間の位相差は、φ2であり、以下同様である。
図５（ａ）は、コヒーレント光源２０に適用される第１の信号の形を示す。この信号は、一連の矩形タイプパルスの形を有し、パルスの間の期間の持続時間は、パルスの持続時間より短い。この信号は、たとえばバイアスＴを介して交流電流を直流バイアス電流に結合することによって形成され得る。
図５（ｂ）は、位相制御要素１２５によって変更されたときのコヒーレント光源２０に適用される第１の信号を示す。摂動が、各信号パルスの中点付近で各周期に１回、第１の信号に適用され、生成されるコヒーレント光パルスの第１の部分と生成されるコヒーレント光パルスの第２の部分との間の位相シフトを作る。
摂動は、たとえばバイアスＴ（the bias tee）の交流入力を介して追加されるより小さい電流パルスを備えることができる。電流パルスは、矩形パルスのうちの１つの上側セクションの中点と一致するようにタイミングを定められる。位相制御要素は、図５（ａ）に示された矩形パルス交流信号とその後に結合されるより小さい電流パルスを生成する別々の要素とされ得る。その後、結合された信号は、バイアスＴ（bias tee）の交流入力に入力される。
やはり、摂動ごとに、電流パルス内の電荷の流れの方向は、第１の信号の電荷の流れの方向と同一または反対とされ得る。したがって、各電流パルスは、変化する量だけ第１の信号の振幅を増加させまたは第１の信号の振幅を減少させることができる。これは、反対方向の位相シフトに対応し、たとえば、第１の信号の振幅を第１の量だけ増加させる電流パルスは、＋θの位相シフトに対応し、第１の信号の振幅を第１の量だけ減少させる電流パルスは、−θの位相シフトに対応する。
図５（ｃ）は、第２のコントローラ１４１によって光学構成要素２４に適用される第２の周期的信号を示す。この信号は、光学構成要素２４がしきい値の上に周期的にスイッチングされるようになる振幅の矩形波を備える。第１のパルスは、コヒーレント光パルスの第１の部分が存在するときに適用される。第２の信号の第１のパルスは、コヒーレント光パルスの第１の部分が光学構成要素２４内に存在する時間のセクション中に光学構成要素２４がしきい値の上にスイッチングされるようにタイミングを定められる。第２の信号の第２のパルスは、コヒーレント光パルスの第２の部分が存在する時間のセクション中に光学構成要素２４がしきい値の上にスイッチングされるようにタイミングを定められる。コヒーレント光源２０に適用される第１の信号および光学構成要素２４に適用される第２の信号は、放出されるパルスの生成のタイミングが、コヒーレント光パルスの正しいセクションが存在するときに対応するようにするために、同期化され得る。たとえば、両方の信号が、マスタクロック信号に同期化され得る。
放出されたレーザパルスが、図５（ｄ）に示されている。第２の信号の矩形パルスは、コヒーレント光パルスの第１の部分が入射する時間中に１つの光パルスが放出され、コヒーレント光パルスの第２の半分が入射する時間中に２つ目が放出されるようにタイミングを定められる。第２の信号の矩形パルスの必要な長さは、レーザタイプ、キャビティ長、およびポンピングパワーなどの複数のパラメータに依存する。
コヒーレント光源２０が、半導体利得スイッチレーザである場合に、駆動回路は、コヒーレント光源２０が発振しきい値の上に周期的にスイッチングされ、光パルスを生成するように、時間変動する電流を適用する。コヒーレント光源２０に適用される電流は、一連の電流変調パルスの形を有する。この電流は、電流変調パルスの間に０まで減少されることはなく、単に、バイアス値まで減少されるにすぎない可能がある。コヒーレント光源２０は、キャリア密度が発振しきい値を超えるときに光を出力する。より長いパルスを生成するために、利得バイアスは、発振しきい値により近くなるように選択される。これは、キャリア密度が発振しきい値をより早く超え（crosses the lasing threshold earlier）、これが、光パルスに放出（evolve）するためのより長い時間を与えることを意味する。初めに、光度は、オーバーシュートし、キャリア密度をすばやく減少させる。これが、光子密度を減少させ、キャリア密度を増加させ、これが、光度を増加させる。この競合するプロセスが、強く減衰される、パルスの始めの光度の発振を引き起こし、すぐさま強度が一定である定常状態をもたらす。この発振（oscillations）は、緩和振動（relaxation oscillations）と呼ばれる。電流パルスが終了し、電流をもう一度バイアス値にスイッチングするときに、レーザパルスが終了する。
一実施形態では、長い光パルスのそれぞれの持続時間は、２００ｎｓ以上である。一実施形態では、長い光パルスの間の期間は、１００ｎｓ以上である。
光学構成要素２４は、コヒーレント光パルスが入射する時間中に２回、しきい値の上にスイッチングされ、２つの光パルスを放出する。
光学構成要素２４がしきい値の上にスイッチングされるたびに、放出された光パルスは、注入されたコヒーレント光に対する固定された位相関係を有する。光学構成要素２４は、各コヒーレント光パルスが入射する時間中に２回、しきい値の上にスイッチングされ、したがって、各パルスの放出時間の間の同一の差を有する２つのコヒーレントな放出された光パルスが、コヒーレント光パルスが入射するたびに生成される。光パルスの第１の対（パルス１およびパルス２）は、第１のコヒーレント光パルスが入射する期間中に生成される。光パルスの第２の対（パルス３およびパルス４）は、第２のコヒーレント光パルスが入射するときに生成され、光パルスの第３の対（パルス５およびパルス６）は、第３のコヒーレント光パルスが入射するときに生成される。パルス１およびパルス２は、イントラ期間である。パルス３およびパルス４は、イントラ期間である。パルス５およびパルス６は、イントラ期間である。
パルスの第１の対の間の位相差は、φ1であり、パルスの第２の対の間の位相差は、φ2であり、パルスの第３の対の間の位相差は、φ3である。イントラ期間パルスの間の位相差は、位相制御要素１２５によって適用される位相変調によって決定される。
パルス１およびパルス３は、インター期間であり、パルス２およびパルス３は、インター期間であり、パルス４およびパルス５は、インター期間であり、パルス１およびパルス６は、インター期間である。２つのインター期間パルス（たとえば、パルス２およびパルス３）の間の位相差は、固定されておらず、ランダムである。たとえば、パルス２とパルス３との間の位相差は、パルス４とパルス５との間の位相差に対するランダム関係を有する。
各対の光パルスの一方は、信号光パルスとして指定され、他方の光パルスは、基準光パルスとして指定される。各対の第１のパルスは、基準パルスからの雑音が信号パルスに影響することを防ぐために、信号パルスとして指定され得る。
半導体利得スイッチレーザなどのコヒーレント光源に関して、生成されるコヒーレント光パルスは、変化するキャリア密度に関係するレーザキャビティの内部の屈折率（index of refraction）の変化に起因して、パルスの前面で周波数チャープを示す（exhibit a frequency chirp at the front of the pulse）。したがって、コヒーレンスシーディングに関して、レーザが定常状態で放出している、長いパルスの中央部分が使用され得る。したがって、光学構成要素２４から放出された光パルスは、コヒーレント光パルスの始めが供給されるときには、放出されない。
一実施形態では、第１のコントローラは、前記コヒーレント光源２０が連続波コヒーレント光を生成するように、前記コヒーレント光源２０に第１の信号を適用するように構成される。位相制御要素１２５は、交番する摂動が前の位相シフトを打ち消すように摂動を適用するように構成される。生成される光のうちで交番する摂動に対応する部分が受信される時間の期間中に放出された光パルスの間の位相差は、実質的に０である。
図６（ａ）は、連続波光を生成するために第１のコントローラ１４０によってコヒーレント光源２０に適用される第１の信号の形を示す。
第１の信号は、コヒーレント光源２０が半導体レーザである場合に、コヒーレント光源２０に適用される直流電流とされ得る。
図６（ｂ）は、位相制御要素１２５によって変更されたときの、コヒーレント光源２０に適用される第１の信号を示す。摂動が、規則的なインターバルで信号に追加される。摂動の振幅は、生成される位相シフトを制御するために変更される。
摂動は、信号に追加される電流パルスとされ得る。電流パルスは、それが規則的なインターバルで適用されるようにタイミングを定められる。位相制御要素は、その後に図４（ａ）に示された直流電流信号と結合される電流パルスを生成する別々の要素とされ得る。
摂動は、対を形成する。摂動の各対は、等しく反対の大きさを有する（of equal and opposite magnitude）第１の摂動と第２の摂動とを備える。１つおきの摂動すなわち交番する摂動が、前に適用された位相シフトを打ち消す。
摂動が電流パルスである場合に、第１の摂動は、第１の大きさの正の電流パルスとされ得、第２の摂動は、第１の大きさの負の電流パルスとされ得、第３の摂動は、第２の大きさの正の電流パルスとされ得、第４の摂動は、第２の大きさの負の電流パルスとされ得、第５の摂動は、第３の大きさの負の電流パルスとされ得、第６の摂動は、第３の大きさの正の電流パルスとされ得、以下同様である。
したがって、摂動の対ごとに、電流パルス内の電荷の流れの方向は、反対であり、大きさは、同一である。したがって、電流パルスの各対は、第１の信号の振幅を増加させ、その後、第１の信号の振幅を同一の量だけ（by the same amount）減少させる。これは、反対方向の位相シフトに対応し、たとえば、第１の電流パルスは、＋θの位相シフトに対応する第１の量だけ第１の信号の振幅を増加させ、その対の次の電流パルスは、−θの位相シフトに対応する第１の量だけ第１の信号の振幅を減少させる。
コヒーレント光の第１の部分は、第１の信号の第１の部分に対応して生成される。コヒーレント光の第２の部分は、第１の信号の第２の部分に対応して生成される。第１の信号の第２の部分は、たとえば摂動が適用された後の部分とされ得る。第１の信号の第２の部分は、複数のさらなる摂動が適用された後の部分とされ得る。第１の信号の諸部分は、摂動の間の部分である。コヒーレント光の諸部分は、各摂動の後に生成される部分である。したがって、適用される摂動は、生成されるコヒーレント光を諸部分にセグメント化し、各部分は、適用される摂動によって、以前に生成された部分と比較して位相においてシフトされている。各交番する部分に適用される位相シフトは、前の部分に適用された位相シフトを打ち消す。
図６（ｃ）は、第２のコントローラ１４１によって光学構成要素２４に適用される第２の信号を示す。第２の信号は、たとえば電流とされ得る。第２の信号は、光学構成要素２４がしきい値の上すなわち「オン」状態またはレーザ発振状態に周期的にスイッチングされるような振幅の矩形波を備える。第１のパルスは、コヒーレント光の第１の部分が存在するときに適用される。第１のパルスは、コヒーレント光の第１の部分が光学構成要素２４内に存在する時間のセクション中に光学構成要素２４がしきい値の上にスイッチングされるようにタイミングを定められる。第２のパルスは、コヒーレント光の第２の部分が存在する時間のセクション中に光学構成要素が発振しきい値の上にスイッチングされるようにタイミングを定められ、以下同様である。
第１の信号および光学構成要素２４に適用される信号に適用される摂動は、光学構成要素での光パルスの生成のタイミングが、コヒーレント光の諸部分が存在するときに対応するようにするために、同期化され得る。
出力レーザパルスが、図６（ｄ）に示されている。矩形パルスは、コヒーレント光の第１の部分が入射する時間中に１つの光パルスが放出され、コヒーレント光の第２の部分が入射する時間中に２つ目が放出され、以下同様になるようにタイミングを定められる。矩形パルスの必要な長さは、レーザタイプ、キャビティ長、およびポンピングパワーなどの複数のパラメータに依存する。
交番する摂動に対応する生成された光の部分が受信される時間の期間中に放出された光パルスの間の位相差は、実質的に０である。
パルスの第１の対の位相差は、φ1であり、パルスの第２の対の間の位相差は、φ2であり、パルスの第３の対の間の位相差は、φ3である。イントラ期間パルスの間の位相差は、位相制御要素１２５によって適用される位相変調によって決定される。
第１のパルスと第３のパルスとの間の位相差は、実質的に０である。第３のパルスと第５のパルスとの間の位相差は、実質的に０である。交番するパルスは、実質的に０の位相差を有する。
一般に、放出されるパルスの長さは、コヒーレント光源２０から来る光パルス（optical pulse）の長さに依存する。
図６（ｅ）は、交番する摂動が前の位相シフトを打ち消す、コヒーレント光源に適用される第１の信号の別の例を示す。摂動によって分離された第１の信号の部分に対応するコヒーレント光の部分の間の位相差が示されている。第１の摂動は、＋ψ1の位相シフトを適用し、第２の摂動は、−ψ1の位相シフトを適用し、第３の摂動は、−ψ2の位相シフトを適用し、第４の摂動は、＋ψ2の位相シフトを適用し、第５の摂動は、−ψ3の位相シフトを適用し、第４の摂動は、＋ψ3の位相シフトを適用し、以下同様である。
図７は、一実施形態による光デバイス７５の概略図である。光デバイス７５は、光パルスを出力するように構成される。
ビームスプリッタと、５０：５０ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタとを表すために図面全体を通じて全般的に使用される記号も、参照としてこの図に示されている。
光デバイス７５は、第１の光学構成要素２４ａと第２の光学構成要素２４ｂとに光学的に結合されたコヒーレント光源２０を備える。
コヒーレント光源２０は、ビームスプリッタ２２を介して第１の光学構成要素２４と第２の光学構成要素とに結合される。
図３（ａ）と図３（ｂ）とに関連して説明された光サーキュレータまたはさらなるビームスプリッタなどのさらなる構成要素が、コヒーレント光源２０を第１の構成要素２４ａに結合することができる。図３（ａ）と図３（ｂ）とに関連して説明された光サーキュレータまたはさらなるビームスプリッタなどのさらなる構成要素が、コヒーレント光源２０を第２の構成要素２４ｂに結合することができる。
一実施形態では、第１の光学構成要素２４ａは、利得スイッチレーザである。一実施形態では、利得スイッチレーザ２４ａは、半導体レーザである。代替実施形態では、利得スイッチレーザ２４ａは、ファイバレーザである。代替案では、第１の光学構成要素２４ａは、強度変調器または光増幅器とされ得る。
一実施形態では、第２の光学構成要素２４ｂは、利得スイッチレーザである。一実施形態では、利得スイッチレーザ２４ｂは、半導体レーザである。代替実施形態では、利得スイッチレーザ２４ｂは、ファイバレーザである。代替案では、第２の光学構成要素２４ｂは、強度変調器または光増幅器とされ得る。
光デバイス７５は、前記コヒーレント光源２０がコヒーレント光を生成するように、前記コヒーレント光源２０に第１の信号を適用するように構成された第１のコントローラ１４０を備える。
光デバイス７５は、第１の信号に摂動を適用するように構成された位相制御要素１２５をさらに備える。位相制御要素１２５は、第１の信号に摂動を適用するように構成され、各摂動は、生成されたコヒーレント光の諸部分の間の位相シフトを作る。
生成されたコヒーレント光は、第１の光学構成要素２４ａに供給される。第２のコントローラ１４１ａは、光パルスが、生成された光の第１の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、第１の光学構成要素２４ａに第２の信号を適用するように構成される。第２の信号は、第２の信号がしきい値の上にスイッチングするたびに光パルスを光学構成要素２４ａから放出させる時間変動する信号である。その後、これらの光パルスは、光デバイス７５から放出される。
生成されたコヒーレント光は、第２の光学構成要素２４ｂにも供給される。第３のコントローラ１４１ｂは、光パルスが、生成された光の第２の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、第２の光学構成要素２４ｂに第３の信号を適用するように構成される。第３の信号は、第２の信号がしきい値の上にスイッチングするたびに光パルスを第２の光学構成要素２４ｂから放出させる時間変動する信号である。その後、これらの光パルスは、光デバイス７５から放出される。
第１のコントローラ、第２のコントローラ、および第３のコントローラは、たとえばマスタクロック信号によって、同期化され得る。
動作中に、コヒーレント光源２０は、コヒーレント光を生成する。コヒーレント光は、コヒーレント光源２０から放出され、ビームスプリッタ２２に入る。ビームスプリッタは、コヒーレント光を、第１の光学構成要素２４ａと第２の光学構成要素２４ｂとに分割する。
コヒーレント光源２０からのコヒーレント光は、第１の光学構成要素２４ａに入る。第２のコントローラ１４１ａは、複数の光パルスが放出されるように、第１の光学構成要素２４ａに時間変動する信号を適用する。
第１の光学構成要素２４ａがしきい値の上にスイッチングされるたびに、放出された光パルスは、注入されたコヒーレント光に対する固定された位相関係を有する。
コヒーレント光源２０からのコヒーレント光は、第２の光学構成要素２４ｂにも入る。第３のコントローラ１４１ｂは、複数の光パルスが放出されるように、第２の光学構成要素２４ｂに時間変動する信号を適用する。
第２の光学構成要素２４ｂがしきい値の上にスイッチングされるたびに、放出された光パルスは、注入されたコヒーレント光に対する固定された位相関係を有する。
したがって、第１の光学構成要素２４ａから放出された光パルスと第２の光学構成要素２４ｂから放出された光パルスとの間の位相差は、コヒーレント光のうちで光パルスが第１の光学構成要素２４ａから放出されたときに存在した部分とコヒーレント光のうちで光パルスが第２の光学構成要素２４ｂから放出されたときに存在した部分との間の位相差と同一である。
第１の光学構成要素２４ａおよび第２の光学構成要素２４ｂからの出力は、単一の導波管上へ結合され得る。光デバイスは、２つの出力を結合するビームスプリッタ２６を備えることができる。したがって、光デバイス７５は、ビームスプリッタ２２とビームスプリッタ２６とによって形成される２つの「アーム」を備える。第１のアームは、第１の光学構成要素２４ａを備え、第２のアームは、第２の光学構成要素２４ｂを備える。
第１の光学構成要素２４ａから放出された光パルスおよび第２の光学構成要素２４ｂから放出された光パルスは、コヒーレント光の異なる部分が存在する時間期間中に放出される。したがって、第１の光学構成要素２４ａからの出力は、単一の導波管上で結合されるときに、第２の光学構成要素２４ｂの出力から時間的にずらされる（displaced in time）。代替案では、遅延構成要素が、光デバイスのアームの一方に含まれ得る。遅延構成要素は、第１の光学構成要素２４ａから放出された光パルスと第２の光学構成要素２４ｂから放出された光パルスとの間の時間的なずれ（the displacement in time）を増加させまたは減少させることができる。遅延構成要素は、光パルスの期間の１倍以上（by one or more times）出力をシフトすることができる。したがって、コヒーレント光パルスの隣接する部分に対応する出力パルスの間の時間遅延は、０または非０とされ得る。さらに、コヒーレント光の部分が存在する期間中にパルスが放出される点は、パルスの間の時間遅延を調整するのに使用され得る。したがって、出力導波管内のパルスの間の時間遅延は、光学構成要素の前後の導波管内の伝搬時間によって決定され、これは、電気駆動信号をシフトすることによって微調整され得る。
ビームスプリッタ２６は、偏光ビームスプリッタとされ得、９０°偏光回転子が、一方のアームに含まれ得る。したがって、光学構成要素から放出されたパルスは、出力導波管内で直交する偏光（orthogonal polarisation）を有する。この場合、第１の光学構成要素２４ａからの出力と第２の光学構成要素２４ｂからの出力とが結合されるとき、それらは、直交する偏光を有する。第１の光学構成要素２４ａからのパルスと第２の光学構成要素２４ｂからのパルスとの間の時間遅延が、０にセットされ、２つのパルスの強度が同一である場合に、デバイスは、コヒーレント光源での位相摂動によってセットされ得る偏光を有する単一のパルスを放出する。結果の偏光（The resulting polarisation）は、ビームスプリッタ２６に入る２つのパルスの間の位相差に依存する。ビームスプリッタ２２、２つのアーム、およびビームスプリッタ２６は、その出力が２つのアームの間の位相差に依存する、平衡マッハツェンダー干渉計（ｂａｌａｎｃｅｄ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）を形成する。
一般に、偏光ビームスプリッタ２６自体は、複数の入力のうちの１つの偏光を回転することができ、その場合には、別々の回転子が含まれる必要はない。代替案では、一方のアームの光ファイバが、９０度の角度で偏光ビームスプリッタに接続され得、やはり、これは、別々の回転子が含まれる必要がないことを意味する。
このデバイス内では、コヒーレント光源２０、たとえば「マスタレーザは、ビームスプリッタ２２を介して２つの光学構成要素、たとえば「スレーブ」レーザに結合される。コヒーレント光源２０は、たとえばコヒーレント光パルスの中央で摂動を適用することによって位相変調される光を生成する。これは、コヒーレント光の部分の間で位相シフトを生成するためである。光学構成要素は、光パルス（optical pulse）を生成するために、信号、たとえば周期的電気信号を用いてそれぞれ駆動される。第２のコントローラ１４１ａは、第１の光学構成要素２４ａが、それがコヒーレント光の第１の部分を受信する時間中にパルスを生成することを保証し、第３のコントローラ１４１ｂは、第２の光学構成要素２４ｂが、それがコヒーレント光の第２の部分を受信する時間中にパルスを生成することを保証する。第２のコントローラ１４１ａおよび第３のコントローラ１４１ｂは、たとえば単一の構成要素とされ得る。第１のコントローラ１４０も、この構成要素に一体化され得る。
単一のコヒーレント光パルスが存在する期間中に２つの光学構成要素によって放出される２つのパルスは、コヒーレント光源に適用される位相摂動によって決定される位相差を有する固定された位相関係を有する。その後、第１の光学構成要素２４ａおよび第２の光学構成要素２４ｂの出力は、ビームスプリッタ２６を用いて単一の出力導波管に結合される。
強度変調器、たとえば、第１の光学構成要素２４ａと第２の光学構成要素２４ｂとのそれぞれの前または後の、低速減衰器（ｓｌｏｗ ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）または高速変調器および／または偏光コントローラなどの追加の要素が、含められ得る。
光学構成要素から放出されるパルスは、異なる強度を有することができる。２つのパルスの強度は、たとえば第２の信号と第３の信号との振幅を制御することによって、またはアームの一方もしくは両方に強度変調器を含めることによって、別々にセットされ得る。代替案では、ビームスプリッタ２２は、不等ビームスプリッタ（ｕｎｅｑｕａｌ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）とされ得、たとえばより多くのコヒーレント光を第２の光学構成要素２４ｂに注入し、第１の光学構成要素２４ａの出力と第２の光学構成要素２４ｂの出力との間に固定された強度差がセットされることを可能にすることができる。
光デバイス７５は、さらなる光学構成要素を備えることができる。コヒーレント光源２０は、たとえば１ｘＮカプラを介して、さらなる光学構成要素に光を供給することができる。
一実施形態では、第１の信号は、周期的信号であり、コヒーレント光源は、コヒーレント光のパルスを生成する。位相制御要素は、各期間中に１回、第１の信号に摂動を適用し、生成されたコヒーレント光パルスの第１の部分と生成されたコヒーレント光パルスの第２の部分との間の位相シフトを作るように構成される。
第２のコントローラ１４１ａは、周期的な第２の信号を第１の光学構成要素２４ａに適用する。周期的信号は、たとえば周期的電流とされ得る。第２の信号は、パルスが光学構成要素２４から放出されるように、各コヒーレント光パルスの第１の部分が存在する期間中に１回、光学構成要素２４ａをしきい値の上にスイッチングする。
第３のコントローラ１４１ｂは、周期的な第３の信号を第２の光学構成要素２４ｂに適用する。周期的信号は、たとえば周期的電流とされ得る。第３の信号は、第２のパルスが放出されるように、各コヒーレント光パルスの第２の部分が存在する期間中に１回、第２の光学構成要素２４ｂをしきい値の上にスイッチングする。
パルスの対の各パルスの間の位相差は、コヒーレント光パルスの第２の部分に適用される位相シフトによって決定される。図８（ａ）に示された第１の光学構成要素２４ａと第２の光学構成要素２４ｂとから放出されるパルスの第１のセットに関して、パルスの間の位相差は、φ1である。パルスの第２のセットに関して、２つのパルスの間の位相差は、φ1’であり、以下同様である。
図８（ａ）は、位相制御要素１２５によって変更されたときの、コヒーレント光源２０に適用される第１の信号の形を示す。摂動が、各信号パルスの中点付近で各期間に１回、第１の信号に適用され、生成されるコヒーレント光パルスの第１の部分と生成されるコヒーレント光パルスの第２の部分との間の位相シフトを作る。信号は、図５（ａ）と図５（ｂ）とに関連して説明されたものと同一の形を有する。
図８（ａ）は、第２のコントローラ１４１ａによって第１の光学構成要素２４ａに適用される第２の周期的信号をも示す。この信号は、第１の光学構成要素２４ａがしきい値の上に周期的にスイッチングされるような振幅の矩形波を備える。パルスは、コヒーレント光パルスの第１の部分が存在するときに適用される。第２の信号の第１のパルスは、コヒーレント光パルスの第１の部分が第１の光学構成要素２４ａ内に存在する時間のセクション中に第１の光学構成要素２４ａがしきい値の上にスイッチングされるようにタイミングを定められる。
図８（ａ）は、第３のコントローラ１４１ｂによって第２の光学構成要素２４ｂに適用される第３の周期的信号をも示す。この信号は、光学構成要素２４がしきい値の上に周期的にスイッチングされるような振幅の矩形波を備える。第２の信号のパルスは、コヒーレント光パルスの第２の部分が存在する時間のセクション中に第２の光学構成要素２４ｂがしきい値の上にスイッチングされるようにタイミングを定められる。
コヒーレント光源２０に適用される第１の信号、第１の光学構成要素２４ａに適用される第２の信号、および第２の光学構成要素２４ｂに適用される第３の信号は、放出されるパルスの生成のタイミングがコヒーレント光パルスの正しいセクションが存在するときに対応するようにするために、同期化され得る。たとえば、両信号は、マスタクロック信号に同期化され得る。
光学構成要素２４がしきい値の上にスイッチングされるたびに、放出された光パルスは、注入されたコヒーレント光に対する固定された位相関係を有する。第１の光学構成要素２４ａは、各コヒーレント光パルスが入射する時間中に１回、しきい値の上にスイッチングされ、第２の光学構成要素２４ｂは、各コヒーレント光パルスが入射する時間中に１回、しきい値の上にスイッチングされる。第１の光学構成要素がしきい値の上にスイッチングされるときと第２の光学構成要素２４ｂがしきい値の上にスイッチングされるときとの間には遅延がある。したがって、各パルスの放出時間の間の同一の差を有する２つのコヒーレントな放出された光パルスが、コヒーレント光パルスが２つの光学構成要素に入射するたびに生成される。光パルスの第１の対（パルス１およびパルス２）は、第１のコヒーレント光パルスが入射する期間中に生成される。光パルスの第２の対（パルス３およびパルス４）は、第２のコヒーレント光パルスが入射するときに生成され、パルスの第３の対（パルス５およびパルス６）は、第３のコヒーレント光パルスが入射するときに生成される。パルス１およびパルス２は、イントラ期間である。パルス３およびパルス４は、イントラ期間である。パルス５およびパルス６は、イントラ期間である。
パルスの第１の対の間の位相差は、φ1であり、パルスの第２の対の間の位相差は、φ1‘であり、パルスの第３の対の間の位相差は、φ1‘’である。イントラ期間パルスの間の位相差は、位相制御要素１２５によって適用される位相変調によって決定される。
パルス１およびパルス３は、インター期間であり、パルス２およびパルス３は、インター期間であり、パルス４およびパルス５は、インター期間であり、パルス１およびパルス６は、インター期間である。２つのインター期間パルス（たとえば、パルス２およびパルス３）の間の位相差は、固定されておらず、ランダムである。たとえば、パルス２とパルス３との間の位相差は、パルス４とパルス５との間の位相差に対するランダム関係を有する。
一実施形態では、第１のコントローラは、前記コヒーレント光源２０が連続波コヒーレント光を生成するように、前記コヒーレント光源２０に第１の信号を適用するように構成される。図８（ｂ）は、位相制御要素１２５によって変更されたときの、連続波光を生成するために第１のコントローラ１４０によってコヒーレント光源２０に適用される第１の信号の形を示す。摂動が、規則的なインターバルで信号に追加される。摂動の振幅は、生成される位相シフトを制御するために変更される。第１の信号は、図４（ａ）と図４（ｂ）とに示された第１の信号に対応する。
コヒーレント光の第１の部分は、第１の信号の第１の部分に対応して生成される。コヒーレント光の第２の部分は、第１の信号の第２の部分に対応して生成される。第１の信号の第２の部分は、たとえば摂動が適用された後の部分とされ得る。第１の信号の第２の部分は、複数のさらなる摂動が適用された後の部分とされ得る。
図８（ｂ）は、第２のコントローラ１４１ａによって第１の光学構成要素２４ａに適用される第２の信号をも示す。この信号は、第１の光学構成要素２４ａがしきい値の上すなわち「オン」状態またはレーザ発振状態に周期的にスイッチングされるような振幅の矩形波を備える。第１のパルスは、コヒーレント光の第１の部分が存在するときに適用される。第１のパルスは、コヒーレント光の第１の部分が光学構成要素２４内に存在する時間のセクション中に光学構成要素２４ａがしきい値の上にスイッチングされるようにタイミングを定められる。パルスが、コヒーレント光の１つおきの部分が存在するときに対応して、第１の光学構成要素２４ａに適用される。
図８（ｂ）は、第３のコントローラ１４１ｂによって第２の光学構成要素２４ｂに適用される第３の信号をも示す。この信号は、第２の光学構成要素２４ｂがしきい値の上すなわち「オン」状態またはレーザ発振状態に周期的にスイッチングされるような振幅の矩形波を備える。第１のパルスは、コヒーレント光の第２の部分が存在するときに適用される。第１のパルスは、コヒーレント光の第２の部分が第２の光学構成要素２４ｂ内に存在する時間のセクション中に第２の光学構成要素２４ｂがしきい値の上にスイッチングされるようにタイミングを定められる。パルスが、コヒーレント光の１つおきの部分すなわち、第１の光学構成要素２４ａに適用されるパルスに対する交番する部分が存在するときに対応して、第２の光学構成要素２４aに適用される。
第１の信号、第２の信号、および第３の信号に適用される摂動は、光学構成要素での光パルスの生成のタイミングが、コヒーレント光の正しい部分が存在するときに対応するようにするために、同期化され得る。
第１の光学構成要素２４ａから放出される第１のパルスと第２の光学構成要素２４ｂから放出される第１のパルスすなわちデバイスから放出される第２のパルスとの間の位相差は、φ2である。第２のパルスと第３のパルスとの間の位相差は、φ3であり、第３のパルスと第４のパルスとの間の位相差は、φ4であり、以下同様である。パルスの間の位相差は、位相制御要素１２５によって適用される位相変調によって決定される。
位相変調パターンと２つ以上の光学構成要素からのパルス放出とのさらなる組合せが、可能である。
図９（ａ）は、一実施形態による連続変数量子通信システムのための送信器の概略図である。
送信器は、コヒーレント光源２０を備える。第１のコントローラ１４０は、前に説明されたように、コヒーレント光源２０がコヒーレント光を生成するように、コヒーレント光源２０に第１の信号を適用するように構成される。第１の信号は、コヒーレント光源２０がパルス駆動されたコヒーレント光または連続波コヒーレント光を放出するように、周期的信号または一定の信号とされ得る。位相制御要素１２５は、第１の信号に摂動を適用するように構成され、各摂動は、生成されたコヒーレント光の諸部分の間の位相シフトを作る。この場合に、位相変調は、上で図４に関連して説明されたものに対応するが、他の変調パターンが適用され得る。
送信器は、たとえば光源、光増幅器、または強度変調器とされ得る光学構成要素２４をさらに備える。コヒーレント光源２０は、コヒーレント光を前記光学構成要素２４に供給する。やはりコヒーレント光源２０によって供給される１つまたは複数のさらなる光学構成要素２４があってもよい。コヒーレント光源２０および光学構成要素２４は、たとえばビームスプリッタまたは光サーキュレータを介して、前に説明されたように光学的に結合され得る。
第２のコントローラ１４１は、光パルスが、コヒーレント光の各部分が受信される時間の期間中に放出されるように、光学構成要素２４に第２の信号を適用するように構成される。異なる放出パターンが可能であり、たとえば、光学構成要素２４は、コヒーレント光の１つおきの部分中に１つの光パルスを、あるいは各部分中に２つ以上の光パルスを放出することができる。この場合に、光学構成要素２４は、時間強度プロファイル内に少なくとも２つの極大を有し、スパイク様時間強度プロファイルとこれに続く台地様時間強度プロファイルとを有する長い光パルスを放出する。しかし、時間強度プロファイル内に単一の最大値を有するより短い光パルスが、放出され得る。
送信器は、放出された光パルスの振幅を変調するように構成された強度制御要素をさらに備える。この場合に、強度制御要素は、強度変調が光学構成要素２４から放出された光パルスに直接に適用されるように、光学構成要素２４の後に配置された強度変調器９０であるが、下で説明されるように、他の強度制御要素が使用され得る。
位相制御要素１２５および強度制御要素９０は、放出された光パルスの位相と振幅との値の連続体内で情報を符号化するように構成される。これは、下でより詳細に説明される。放出されるパルスのそれぞれは、信号パルスである。
前に説明されたように、第１のコントローラ１４０、第２のコントローラ１４１、および位相制御要素１２５は、単一の構成要素内に一体化され得る。
図９（ｂ）は、一実施形態による連続変数量子通信システムのための送信器の概略図である。この場合に、第１のコントローラ１４０、第２のコントローラ１４１、および位相制御要素１２５は、単一の構成要素内に一体化されて図示されているが、その代わりに別々の構成要素とされ得る。
送信器は、図９（ａ）に関連して説明されたように、コヒーレント光源２０と光学構成要素２４と強度変調器９０とを備える。
位相変調が、上で図５に関連して説明されたように適用される。したがって、光学構成要素２４は、光パルスの対を放出し、対の第１の光パルスと対の第２の光パルスとの間の位相差は、第１の信号に適用される摂動によって作られる位相シフトによって制御される。
強度変調器９０は、対の光パルスのうちの１つの強度が変調され得るように、光学構成要素２４の後に配置される。
各対の光パルスの一方は、信号光パルスとして指定され、他方の光パルスは、基準光パルスとして指定される。
位相制御要素１２５および強度制御要素９０は、信号光パルスの振幅および各対の信号光パルスと基準光パルスとの間の位相差の値の連続体内で情報を符号化するように構成される。これは、後でより詳細に説明される。
送信器は、信号光パルスの強度を基準光パルスの強度よりはるかに低い強度まで低下させるために、２つ以上の強度変調器９０を備えることができる。たとえば、送信器は、信号光パルスの強度を一定の量だけ低下させるように構成された第１の強度変調器を備えることができる。一実施形態では、第１の強度変調器は、信号光パルスの強度を１５０個未満の光子まで一定の量だけ低下させる。一実施形態では、第１の強度変調器は、信号光パルスの強度を約１００個の光子まで一定の量だけ低下させる。一実施形態では、第１の強度変調器は、信号光パルスの強度を約１０個の光子まで一定の量だけ低下させる。一実施形態では、第１の強度変調器はまた、基準光パルスの強度を約１０8個の光子まで低下させる。
その後、第２の強度変調器が、強度を第１の強度変調器によってセットされた最大値よりさらに低く変調することによって、信号光パルスの振幅内で情報を符号化する。言い換えると、第１の強度変調器は、信号パルスの振幅の最大値を決定する。この最大値は、下で説明されるように、ＸとＰとを選択するのに使用されるガウス分布の「分散」を表す。この最大値以内で、振幅は、第２の強度変調器によってさらに変調される。
送信器は、偏光制御要素をも備える。偏光制御要素は、一方のパルスの偏光が他方のパルスの偏光に直交するように、各対の一方のパルスの偏光を９０度だけ反転（flip）するように構成された偏光変調器９２とされ得る。偏光変調器９２は、電圧を適用することによって光学媒体内の複屈折の変調を可能にするデバイスであり、言い換えると、第１の偏光モードの屈折率（refractive index）は、電圧を適用することによって第２の直交偏光モードの屈折率に関して変更され得る。この効果は、たとえばポッケルスセル内に存在するが、たとえばＧａＡｓに基づく他のデバイスが存在する。複屈折の調整は、それが２つの偏光モードの間の相対位相を変更するので、入ってくる光の偏光の回転を可能にする。偏光制御要素は、偏光変調が、放出される１つおきの光パルスだけに適用されるように、コントローラによって制御され、光パルス放出時間に同期化される。
図９（ｃ）は、第１の光学構成要素２４ａと第２の光学構成要素２４ｂとを備える、一実施形態による連続変数量子通信システムのための送信器の概略図である。さらなる光学構成要素が、含められ得る。第１のコントローラ１４０、第２のコントローラ１４１ａ、第３のコントローラ１４１ｂ、および位相制御要素１２５は、単一の構成要素内に一体化されて図示されているが、その代わりに、別々の構成要素とされ得る。
コヒーレント光源２０、第１の光学構成要素２４ａ、および第２の光学構成要素２４ｂは、たとえばビームスプリッタを介して、前に説明されたように光学的に結合され得る。
位相変調が、上で図８（ａ）に関連して説明されたように適用される。したがって、第１の光学構成要素２４ａおよび第２の光学構成要素２４ｂは、光パルスの対を放出し、対の一方の光パルスは第１の光学構成要素２４ａから放出され、他方の光パルスは第２の光学構成要素２４ｂから放出される。対の第１の光パルスと対の第２の光パルスとの間の位相差は、第１の信号に適用される摂動によって作られる位相シフトによって制御される。
送信器は、第１のアーム上で第１の光学構成要素の後に配置された、図９（ａ）に関連して説明された強度変調器９０を備える。強度変調器９０は、対の光パルスのうちの１つの強度が変調され得るように構成される。
各対の光パルスの一方は、信号光パルスとして指定され、他方の光パルスは、基準光パルスとして指定される。この場合では、第２の光学構成要素２４ｂから放出された光パルスが、基準光パルスとして指定されるが、第１の光学構成要素２４ａから放出された光パルスが、基準光パルスとされ得る。
位相制御要素１２５および強度制御要素９０は、信号光パルスの振幅および各対の信号光パルスと基準光パルスとの間の位相差の値の連続体内で情報を符号化するように構成される。これは、後でより詳細に説明される。
送信器は、さらなる構成要素を備えることができる。たとえば、図９（ｃ）に示された送信器は、第１のアーム上の第１の減衰器９１ａと第２のアーム上の第２の減衰器９１ｂとを備える。一実施形態では、第１の減衰器９１ａは、光パルスの強度を約１００個の光子まで低下させる。一実施形態では、第１の減衰器９１ａは、光パルスの強度を約１０個の光子まで低下させる。一実施形態では、第２の減衰器９１ｂは、光パルスの強度を約１０8個の光子まで低下させる。
送信器は、偏光回転子９４をも備える。偏光回転子は、回転子を通過する光パルスの偏光を９０度だけ反転する。偏光回転子９４は、たとえば半波長板とされ得る。偏光回転子は、送信器のアームのうちの１つ、この場合では第２のアーム上に配置される。第２の光学構成要素２４ｂから放出された光パルスは、偏光回転子９４を通過し、したがって、第１の光学構成要素２４から放出された光パルスに直交する偏光を有する。アームは、上で図７に関連して説明されたように、偏光ビームスプリッタ２６によって接続される。
したがって、第１の信号に適用された摂動によって決定される位相差を有する光パルスの対と、強度変調器９０によって適用された振幅変調によって決定される振幅を有し、直交する偏光を有する信号パルスとが、出力導波管上で送信器から放出される。放出されるパルスは、図９（ｂ）から放出されるパルスと同一である。
図９（ｄ）は、一実施形態による連続変数量子通信システムのための送信器の概略図である。この場合に、第１のコントローラ１４０、第２のコントローラ１４１、および位相制御要素１２５は、単一の構成要素内に一体化されて図示されているが、その代わりに、別々の構成要素とされ得る。
送信器は、図９（ａ）に関連して説明されたように、コヒーレント光源２０と光学構成要素２４と強度変調器９０とを備える。
位相変調が、上で図６に関連して説明されたように適用される。したがって、光学構成要素２４は、光パルスの対を放出し、対の第１の光パルスと対の第２の光パルスとの間の位相差は、第１の信号に適用される摂動によって作られる位相シフトによって制御される。交番する摂動に対応する生成された光の部分が受信される時間の期間中に放出された光パルスの間の位相差は、実質的に０である。したがって、各対の第１の光パルスの間の位相差は、実質的に０である。
強度変調器９０は、対の光パルスのうちの１つの強度が変調され得るように、光学構成要素２４の後に配置される。
各対の第１の光パルスが、信号光パルスとして指定され、他方の光パルスが、基準光パルスとして指定される。
位相制御要素１２５および強度制御要素９０は、信号光パルスの振幅および各対の信号光パルスと基準光パルスとの間の位相差の値の連続体内で情報を符号化するように構成される。これは、後でより詳細に説明される。
送信器は、さらなる構成要素を備えることができる。
上記の送信器では、強度制御要素は、強度変調器である。強度変調器は、低速減衰器または高速変調器とされ得る。強度変調器は、入ってくる光パルスの強度を変調する。強度変調器は、値の連続する範囲のうちの１つに強度を変調することができ、情報が光パルスの強度の値の連続体内で符号化されることを可能にする。強度変調器は、変調器、たとえば電界吸収変調器内の材料の吸収係数を変更することによって、光の強度を変調することができる。電界吸収変調器は、デバイスに適用される電圧が吸収係数を変更し、したがってデバイスを通って移動する光の強度を変更する半導体デバイスである。別の実施形態では、強度変調器は、マッハツェンダー干渉計に基づく。マッハツェンダーベースの強度変調器は、出力強度を変調するために、干渉計の２つのアームの間の位相差を変更する。強度変調器は、位相ならびに強度を変調することができる。正しい位相と振幅とを符号化するために、強度変調器によって引き起こされるすべての望まれない追加の位相変化は、位相変調器を用いてより小さい／より大きい位相シフトを適用することによって補償される。
光パルスの振幅内に情報を符号化する代替の方法が可能である。
図１０（ａ）は、振幅変調が第２の信号の変調によって実行される、一実施形態による連続変数量子通信システムのための送信器の概略図である。
この送信器は、前に説明されたように、コヒーレント光源２０と、前記コヒーレント光源２０がコヒーレント光を生成するように、コヒーレント光源２０に第１の信号を適用するように構成された第１のコントローラ１４０とを備える。コヒーレント光源が、コヒーレント光のパルスを生成して図示されているが、代替案では、コヒーレント光源は、連続波コヒーレント光を生成することができる。位相制御要素１２５は、第１の信号に摂動を適用するように構成され、各摂動は、生成されたコヒーレント光の諸部分の間、この場合では各コヒーレント光パルスの第１の部分と第２の部分との間の位相シフトを作る。
コヒーレント光源２０は、生成された光を光学構成要素２４に供給するように構成される。コヒーレント光源２０および光学構成要素２４は、前に説明されたように様々な形で光学的に結合され得る。
第２のコントローラ１４１は、光パルスが、生成された光の第１の部分が受信される時間の期間中に放出され、光パルスが、生成された光の第２の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、前記光学構成要素に第２の信号を適用するように構成される。この場合では、光パルスの対が、注入されたコヒーレント光パルスごとに放出され、対の間の位相差は、位相制御要素１２５によってコヒーレント光に適用された位相変調によってセットされる。
強度制御要素１２６は、放出された光パルスの振幅を変調するように構成され、位相制御要素１２５および強度制御要素１２６は、放出された光パルスの位相と振幅との値の連続体内で情報を符号化するように構成される。
強度制御要素は、放出された光パルスの振幅が変更されるように、第２の信号の振幅を変調するように構成される。
強度制御要素１２６は、光学構成要素２４に適用される第２の信号を変更するように構成される。強度制御要素１２６は、別々の要素とされ得、あるいは、たとえば第２のコントローラ１４１、第１のコントローラ１４０、および位相制御要素１２５と共に一体化され得る。
強度制御要素１２６は、１つの可変電気減衰器または複数の可変電気減衰器とされ得る。減衰器は、変更された強度の光パルスを放出するために選択された電流パルスの強度を低下させることができる。代替案では、電流パルス源自体が、強度において変化するパルスの任意のパターンを提供することができる。たとえば、第２のコントローラ１４１が、パターンジェネレータとされ得る。
図１０（ｂ）（ｉ）は、パルスごとに１回位相制御要素によって適用される摂動を有する、この場合では規則的な一連の矩形形状のパルスの形の時間変動する電流である第１の信号を示す。第１の信号は、コヒーレント光パルスを生成するために、第１のコントローラ１４０によってコヒーレント光源２０に適用される。この信号は、バイアスＴを介して交流電流を直流バイアス電流と結合することによって形成され得る。
図１０（ｂ）（ｉｉ）は、強度制御要素１２６による変更の後の第２の信号を示す。その後、変更された信号は、バイアスＴ（a bias tee）の交流入力に入力され、バイアスＴの出力電流は、光学構成要素２４に適用される。
この場合では、コヒーレント光源２０は、コヒーレント光のパルスを生成する。光学構成要素２４は、対の各パルスの間の位相差が位相制御要素１２５によってセットされた、各コヒーレント光パルスに対応する光パルスの対を放出する。対の第１のパルスは、信号パルスとして指定され、第２のパルスは、基準パルスとして指定される。
したがって、第２の信号内の複数のパルスの各対のうちの第１のパルスの振幅が、放出された光パルスの振幅内で情報を符号化するために変更される。
図示の場合では、各対の基準パルスは、同一の振幅を有する。基準パルスの振幅は、信号光パルスの振幅よりはるかに大きい。一実施形態では、第２の信号に適用される強度変調は、約１０8個の光子の基準光パルスの強度に対応する。第２の信号に適用される強度変調は、約１０個から１００個の光子の信号光パルスの強度に対応することができる。
他の振幅変調パターンが可能であり、たとえば、各パルスの振幅は、図４に示された位相変調に類似する形で変調され得る。
光学構成要素２４に適用されるときに、第２の信号の振幅によってセットされた強度を有するパルスが生成される。図１０（ｂ）（ｉｉｉ）は、光学構成要素２４から放出された光パルスを示す。
半導体レーザ以外のレーザが光学構成要素２４として使用される場合には、適用される電流以外の手段が、光パルスの強度を変調するのに使用される。これらの手段は、たとえば光ファイバレーザのポンプパワーを変更することを含み、光ポンピング信号が、短いレーザパルスの強度を変調するために変更され得る。
光学構成要素２４として使用される光増幅器に関して、強度変調は、説明されたように増幅器を「オン」状態と「オフ」状態との間でスイッチングする電気スイッチング信号を変調することによって実現され得る。代替案では、スイッチング信号源自体が、強度が変化するパルスの任意のパターンを提供することができる。強度変調器に適用される信号は、同様の形で、放出される光の強度を変調するのにも使用され得る。
図１０（ｃ）は、一実施形態による連続変数量子通信システムのための送信器の概略図である。この場合では、強度制御要素１２５は、生成されるコヒーレント光の振幅が変更されるように、第１の信号の振幅を変調するように構成される。
コヒーレント光の強度の変更は、光学構成要素２４から放出された光パルスの強度を変更する。
やはり、強度制御要素１２６は、別々の要素とされ得、あるいは、たとえば第２のコントローラ１４１、第１のコントローラ１４０、および位相制御要素１２５と共に一体化され得る。
強度制御要素１２６は、１つの可変電気減衰器または複数の可変電気減衰器とされ得る。減衰器は、変更された強度の部分を有するコヒーレント光を生成するために第１の信号の選択された部分の強度を低下させることができる。代替案では、電流源自体が、振幅の任意のパターンを提供することができる。たとえば、第１のコントローラ１４０が、パターンジェネレータとされ得る。
図１０（ｄ）（ｉ）は、強度制御要素１２６による変更の後の第１の信号を示す。
この場合では、コヒーレント光源２０は、コヒーレント光のパルスを生成する。光学構成要素２４は、対の各パルスの間の位相差が位相制御要素１２５によってセットされた、各コヒーレント光パルスに対応する光パルスの対を放出する。対の第１のパルスは、信号パルスとして指定され、第２のパルスは、基準パルスとして指定される。したがって、第１の信号内の各パルスの第１の部分は、振幅内で情報を符号化するために、振幅を変更される（is amplitude modified）。図示の場合では、第１の信号の各パルス内の第２の部分は、同一の振幅を有する。基準パルスの振幅は、信号光パルスの最大振幅よりはるかに大きい。一実施形態では、第１の信号に適用される強度変調は、約１０8個の光子の基準光パルスの強度に対応し得る。
他の振幅変調パターンが可能であり、たとえば、一定の第１の信号の各部分の振幅は、図４に示された位相変調に類似する形で変調され得る。
図１０（ｄ）（ｉｉ）は、この場合では、光パルスを放出するために第２のコントローラ１４１によって光学構成要素２４に適用される規則的な一連の矩形形状のパルスの形である、第２の信号を示す。この信号は、バイアスＴを介して交流電流を直流バイアス電流に結合することによって形成され得る。
図１０（ｄ）（ｉｉｉ）は、光学構成要素２４から放出された光パルスを示す。このパターンは、図１０（ｂ）（ｉｉｉ）に関するパターンと同一である。
やはり、半導体レーザ以外のレーザがコヒーレント光源２０として使用される場合には、適用される電流以外の手段が、光の強度を変調するのに使用される。これらの手段は、たとえば光ファイバレーザのポンプパワーを変更することを含み、光ポンピング信号が、短いレーザパルスの強度を変調するために変更され得る。
生成されるコヒーレント光の強度を変更するために、可変減衰器が、第１の信号の選択された部分の強度を低下させることができる。より低い強度のコヒーレント光が光学構成要素２４に供給されるときには、より低い強度の光パルスが放出される。代替案では、コヒーレント光源２０自体の駆動回路が、振幅の任意のパターンを提供し、減衰器の必要を除去することができる。たとえば、第１のコントローラ１４０が、パターンジェネレータを備えることができる。
代替案では、コヒーレント光源２０は、生成されたコヒーレント光の強度を、それが光学構成要素２４に供給される前に変更することができる光学強度変調器（an optical intensity modulator）を備えることができる。
送信器内の強度制御要素は、上で説明されたシステムのいずれかによって提供され得る。
図１１は、一実施形態による連続変数量子通信システムの概略図である。
連続変数（ＣＶ）ＱＫＤプロトコルでは、光パルスが、光のコヒーレント状態の電界の成分などの物理量の値の連続体内で情報を担持する。
このシステムは、送信器と受信器とを備える。送信器はアリスと呼ばれ、受信器はボブと呼ばれる。この場合では、送信器は、図９（ｃ）に関連して説明されたものなどの送信器である。送信器内の位相制御要素および強度制御要素は、放出された光パルスの位相と振幅との値の連続体内で情報を符号化するように構成される。位相制御要素および強度制御要素は、コヒーレント状態を作るために、放出された光パルスの位相と振幅とを変調するように構成される。
送信器は、制御要素を備える。制御要素は、第１のコントローラ１４１と位相制御要素１２５と第２のコントローラ１４０とプロセッサとを備える一体化された構成要素である。しかし、これらの要素は、別々に提供され得る。
送信器は、光パルスの対を放出する。各対の光パルスのうちの１つは信号光パルスであり、パルスのうちの１つは基準光パルスである。情報は、信号光パルスの振幅において、および対の光パルスの間の位相差の値の連続体において、符号化され、連続変数ＱＫＤプロトコルが実行されることを可能にする。
ガウス変調されたコヒーレント状態（ＧＭＣＳ：Gaussian-modulated coherent state）プロトコルＣＶ−ＱＫＤプロトコルが、以下のようにこのシステムを用いて実施され得る。
光パルスの対ごとに、プロセッサは、第１の乱数Ｘと第２の乱数Ｐとを生成する。乱数ＸおよびＰは、０を中心とし、分散Ｖ＝σ2を有する正規分布から生成され得る。一実施形態では、分散は１０個の光子である。一実施形態では、分散は１００個の光子である。一実施形態では、分散は１５０個の光子である。ＸおよびＰの正規分布が、図１２に示されている。ＸおよびＰの値の各対は、信号光パルス内で符号化され、ボブに送られる情報である。その後、ボブは、情報を復号し、アリスと共に秘密鍵を形成する。
ＸおよびＰの入手された値は、パルスの対に対応する振幅値αを計算するのに使用される。ＸおよびＰの入手された値は、パルスの対に対応する位相値θを計算するのにも使用される。振幅値および位相値は、次の関係から計算される。
これらの関係に起因して、θが［０，２π］内の一様分布からランダムに選択され、αがスケールパラメータσを有するレーリー分布からランダムに選択される場合に、分散σ2のガウス分布に従って分布する（distributed according to）ＸおよびＰが入手され得る。代替実施形態では、振幅の値αおよび位相の値θは、ＸおよびＰの値をまず生成することなく、直接に生成される。放出される信号光パルスの振幅αは、スケールパラメータσを有するレーリー分布を有する非負の値の連続体からランダムに選択される。一実施形態では、σ2は、１５０個の光子である。一実施形態では、σ2は、１００個の光子である。一実施形態では、σ2は、１０個の光子である。基準光パルスに対する相対的な放出される信号光パルスの位相θは、区間［０，２π］内の一様分布を有する値の連続体からランダムに選択される。この実施形態のように選択されるランダムな振幅および位相は、分散σ2を有するガウス分布に従うＸおよびＰの値に対応する。
位相制御要素は、信号光パルスと基準光パルスとの間のθの位相差に対応する位相シフトを作るために摂動を適用するように構成され、強度制御要素は、αの振幅に対応する振幅変調を信号光パルスに適用するように構成される。信号光パルスの振幅変調は、振幅の絶対値がαになるように信号光パルスを変調することに対応する。この形で、ＸとＰとの値である情報が、信号光パルスの位相と振幅との値の連続体内で符号化される。
αの値は、光パルスの強度ではなく電界の振幅である。２倍だけ強度を変更することは、２の平方根倍だけ電界振幅を変更することと同等である。したがって、強度制御要素は、光パルスの強度をα2にセットする。
ＸおよびＰは、値の連続する範囲からの任意の値とされ得る。
したがって、ＸおよびＰの入手された値は、図１３に示されているように、Ｘ−Ｐ平面内の半径１を有する円によって表される、位相空間内でのコヒーレント状態を準備するのに使用される。
コヒーレント状態を準備するために、強度制御要素が、信号光パルスの振幅をαにセットするのに使用され、位相制御要素が、信号光パルスと基準光パルスとの間の位相差をθにセットするのに使用される。
ＸおよびＰの値すなわち光パルス上で符号化される情報は、関係
を使用して、基準光パルスに対する相対的な信号光パルスの位相と信号光パルスの振幅とから入手され得る。
符号化された光パルスは、受信器に送られる。光パルスは、光伝送路を介して送られ得る。したがって、送信器は、位相差を有し、直交偏光を有し、伝送路を移動する（travelling down）コヒーレントな二重パルスを生成する。
受信器は、信号光パルスと対応する基準光パルスすなわち、光パルスの各対の２つのパルスを光学的に結合するように構成される。
受信器は、信号光パルスと基準光パルスとの間のすべての時間遅延を打ち消すように構成された遅延要素と、基準光パルスと同相の信号光パルスの成分の測定値と基準光パルスと直角位相の信号光パルスの成分の測定値との間で選択するように構成された変調要素とを備える。基準光パルスと同相の信号光パルスの成分の測定値は、Ｘの測定値に対応し、基準光パルスと直角位相の信号光パルスの成分の測定値は、Ｐの測定値に対応する。
一実施形態では、受信器は、第１の偏光を有する光パルスを１つの光学経路に向け、第２の直交する偏光を有する光パルスを第２の光学経路に向ける偏光ビームスプリッタ１０２を備える。信号光パルスおよび基準光パルスは、直交する偏光を有するので、それらは偏光ビームスプリッタ１０４において異なる光学経路へ分離される。
受信器は、偏光コントローラ１０４を備えることができる。この場合では、受信器の入力で、パルスが偏光ビームスプリッタ１０２を通過する前に、二重パルスの偏光が、偏光コントローラ１０４を使用して回復される。光伝送路は、２つのモードの間の経路長の大きい変化を引き起こさずに２つの偏光モードの伝搬を可能にする単一モード光ファイバとされ得る。しかし、すべての単一モードファイバが、なんらかの複屈折特性を有する可能性があるので、２つのモードの偏光が、伝送路に沿って移動するときに回転することが可能である。偏光コントローラ１０４は、この回転を訂正し、偏光を訂正された二重パルスを出力する。
パルスのうちの１つの偏光は、偏光ビームスプリッタ１０４を出るときのそのパルスの偏光が対の他方のパルスの偏光と同一になるように、ビームスプリッタ１０２の１つの出力で偏光回転子１０６によって反転される。
偏光ビームスプリッタ１０２の出力は、干渉計の２つのアームを形成する。干渉計を出るときに光パルスが結合するすなわち、それらが同時に干渉計を出るように、干渉計内の２つの光学経路の間の長さの差によって引き起こされる遅延が、対の光パルスの放出時間の間の遅延と一致するように、アームの一方は、他方より長い光学経路長を有する。
対の第２のパルスが信号パルスであり、対の第１のパルスが基準パルスである場合に、信号パルスは、干渉計の短いアームを移動し、基準パルスは、干渉計の長いアームを移動する。対の第２のパルスが基準パルスであり、対の第１のパルスが信号パルスである場合に、信号パルスは、干渉計の長いアームを移動し、基準パルスは、干渉計の短いアームを移動する。
干渉計の長いアームは、位相変調器１００を備える。位相変調器１００は、変調要素の例であり、基準光パルスと同相の信号光パルスの成分の測定値と基準光パルスと直角位相の信号光パルスの成分の測定値との間で選択するのに使用される。選択は、基準光パルスに０またはπ／２の位相シフトを適用することによって行われる。
位相変調器１００は、屈折率が電界強度（electric field strength）の関数である、ＬｉＮｂＯ3結晶（a LiNbO3 crystal）などの結晶を備えることができる。代替案では、位相変調は、受動手段、たとえば、異なる固定された位相差を適用するようにそれぞれ構成された２つの固定された位相要素とその要素のそれぞれを選択するように構成されたスイッチとによって提供され得る。コントローラは、スイッチを制御することによって各パルスに適用される位相シフトを制御することができる。
位相変調器１００は、基準光パルスに０の位相シフトまたはπ／２の位相シフトを適用することによって、２つの測定値の間で選択する。位相シフトが、その代わりに信号パルスに適用され得ることに留意されたい。
受信器は、信号光パルスと基準光パルスとを光学的に結合するように構成された第２のビームスプリッタ１０８を備える。干渉計の２つのアームは、第２のビームスプリッタ１０８で結合する。第２のビームスプリッタ１０８の出力は、第１の光子検出器１１２と第２の光子検出器１１０とに接続される。各光子検出器内で検出される光の強度は、送信器で適用される位相変調および強度変調と受信器で適用される位相変調とに依存する。
光子検出器１１０および１１２は、たとえばＰＩＮフォトダイオードとされ得る。
位相変調器１００は、基準光パルスの位相に作用することによって（by acting on）、ＸまたはＰの測定値の間で選択する。基準光パルスに適用される０の位相シフトは、基準光パルスと同相の信号光パルスの成分の測定値に対応し、それはＸの測定値に対応する。π／２の位相シフトは、基準光パルスと直角位相の信号光パルスの成分の測定値に対応し、それはＰの測定値に対応する。
光パルスの対ごとに、選択された測定値ＸまたはＰの値は、次の関係から、２つの検出器で測定された電流から決定される。
この測定は、ホモダイン測定であり、ＸまたはＰのいずれかが受信器で測定されることを可能にする。θLOが０にセットされる場合には、電流差はＸに比例し、これがπ／２にセットされる場合には、電流差はＰに比例する。ＸまたはＰの値および電流の差Ｉ（ｔ）に関する正確な係数が、決定される。その後、パルスごとのＸまたはＰの値が、Ｉ（ｔ）から計算される。受信器は、出力電流からＸまたはＰの値を決定するように構成されたプロセッサをさらに備える。
鍵情報が送信された後に、受信器のボブは、送信器のアリスに、彼が光パルスごとに同相成分または直角位相成分のどちらを測定したのかを知らせ、アリスとボブとが鍵を形成することを可能にする。
さらなる後処理が、生成された鍵に対して実行され得る。たとえば、（ｉ）ふるい分け（sifting）、（ｉｉ）誤り訂正、（ｉｉｉ）プライバシ増幅、および（ｉｖ）認証などの古典的な手順が、含まれ得る。
ふるい分けは、以下のプロセスを含むことができる。ボブが、特定の光パルスの同相成分を測定する場合に、アリスは、Ｐの値を破棄し、Ｘの値を保持する。ボブが、特定の光パルスの直角位相成分を測定する場合に、アリスは、Ｘの値を破棄し、Ｐの値を保持する。この形で、鍵が形成される。この場合では、「バキュームカウント（ｖａｃｕｕｍ ｃｏｕｎｔ）」は破棄されない。
一実施形態では、符号化中の情報割当は、誤りを低下させるために変更され得る。たとえば、情報値は、位相空間内のグリッド内のエリアに割り当てられ得る。その後、アリスは、ＸとＰとのランダムに選択された値が含まれるグリッドエリアの中央点に対応する値を用いて位相と振幅とを変調する。多次元マルチエッジ低密度パリティ検査（ＬＤＰＣ）誤り訂正が、すべての残っている誤りを訂正するのに使用され得る。
特定の信号光パルスに関して、ボブがＸを測定する場合は、彼は最小量の雑音によってのみ制限された、アリスによって符号化されたＸの値を高い精度で知るが、Ｐを知らない。イブは、ボブが測定に使用する方向を前もって知らない。イブがＰに沿って測定する場合、ボブは、アリスの符号化とは完全に無相関のＸの結果を測定する。彼らの鍵のサンプルのセクションを比較することによって、アリスおよびボブは、誤り率（the error rate）からイブの存在を確かめる（ascertain）ことができる。
図１１は、偏光多重化とホモダイン検出とを用いるＣＶ−ＱＫＤセットアップを示す。後で説明されるπ／２光学ハイブリッド構成要素が、その代わりに受信器で測定を行うのに使用され得る。
図１４は、一実施形態による連続変数量子通信システムの概略図である。
このシステムは、送信器と受信器とを備える。この場合では、送信器は、図９（ａ）に関連して説明されたものなどの送信器である。送信器内の位相制御要素および強度制御要素は、放出された光パルスの位相と振幅との値の連続体内で情報を符号化するように構成される。位相制御要素および強度制御要素は、コヒーレント状態を作るために、放出された光パルスの位相と振幅とを変調するように構成される。
送信器は、プロセッサを備える。プロセッサは、第１のコントローラ１４１と位相制御要素１２５と第２のコントローラ１４０と共に一体化され得、あるいは、これらの要素は、別々に提供され得る。
送信器は、光パルスのシーケンスを放出する。情報は、光パルスの振幅および光パルスの間の位相差の値の連続体内で符号化され、連続変数ＱＫＤプロトコルが実行されることを可能にする。
ＣＶ−ＱＫＤプロトコルは、以下のようにこのシステムを用いて実施され得る。
光パルスごとに、プロセッサは、第１の乱数Ｘと第２の乱数Ｐとを生成する。乱数ＸおよびＰは、図１１に示されたシステムに関して、０を中心とし、分散Ｖ＝σ2を有する正規分布から生成され得る。
ＸおよびＰの入手された値は、光パルスごとに振幅値αを計算するのに使用される。ＸおよびＰの入手された値は、前と同様に光パルスごとに位相値θを計算するのにも使用される。代替案では、振幅値および位相値は、前に説明されたように直接に生成され得る。
位相制御要素は、光パルスと前に放出された光パルスとの間のθの位相差に対応する位相シフトを作るために摂動を適用するように構成され、強度制御要素は、αの振幅に対応する振幅変調を適用するように構成される。
符号化された光パルスは、受信器に送られる。光パルスは、光伝送路を介して送られ得る。したがって、送信器は、伝送路を移動するパルスのシーケンスを生成する。
受信器は、信号光パルスと、この図内でＬＯというラベルを付けられた局所的に生成された連続波局所基準光または局所基準光パルスとを光学的に結合するように構成される。局所基準光または局所基準光パルスは、受信器で光源を使用して生成され得る。一実施形態では、局所光パルスは、受信器でコヒーレント光源と光学構成要素とを使用して生成される。コヒーレント光源は、光学構成要素に光学的に結合される。コヒーレント光源からの光は、光学構成要素に注入される。光学構成要素は、コヒーレント光源からの光が光学構成要素内に存在するときに、光を生成する。代替案では、単一の光源が、局所基準光を生成することができる。
局所基準光は、受信された光パルスと同一の偏光とパルス形状とを伴い、同一の波長と時間的安定性（temporal stability）とを有して生成される。
受信器は、ビームスプリッタ１０８を備える。送信器から受信された光パルスおよび局所光は、ビームスプリッタ１０８で光学的に結合される。ビームスプリッタ１０８は、５０：５０ビームスプリッタである。ビームスプリッタ１０８の出力は、第１の光子検出器１１２と第２の光子検出器１１０とに接続される。各光子検出器内で検出される光の強度の差は、送信器で適用された位相変調および強度変調ならびに局所光の位相および強度に依存する。
信号光パルスごとに、ＸおよびＰの値は、２つの検出器で測定された電流から決定される。出力電流は、局所基準光と同相と直角位相との両方の信号光パルスの成分の測定を可能にする、時間変動する項（a time-varying term）を含む。
この測定は、ヘテロダイン測定であり、ＸとＰとの両方が信号光パルスごとに受信器で測定されることを可能にする。
受信器は、出力電流からＸとＰとの値を決定するように構成されたプロセッサ（図示せず）をさらに備え得る。
プロセッサは、ビームスプリッタ１０８の出力に関する情報、たとえば検出器１１０および１１２からの出力電流の値を受信するように構成され得る。プロセッサは、受信された光パルスに対する相対的な局所基準光の位相を決定し、局所光と直角位相の受信された信号光パルスの成分と局所光と直角位相の受信された信号光パルスの成分とを決定する。
前に説明されたように、さらなる後処理が実行され得る。
図１５（ａ）は、一実施形態による連続変数量子通信システムの概略図である。
このシステムは、送信器と受信器とを備える。この場合では、送信器は、図９（ｄ）に関連して説明されたものなどの送信器である。送信器内の位相制御要素および強度制御要素は、放出された光パルスの位相と振幅との値の連続体内で情報を符号化するように構成される。位相制御要素および強度制御要素は、コヒーレント状態を作るために、放出された光パルスの位相と振幅とを変調するように構成される。
送信器は、制御要素を備える。制御要素は、第１のコントローラ１４１と位相制御要素１２５と第２のコントローラ１４０とプロセッサとを備える一体化された構成要素である。しかし、これらの要素は、別々に提供され得る。
送信器は、光パルスの対を放出する。各対の光パルスのうちの１つは信号光パルスであり、パルスのうちの１つは基準光パルスである。情報は、信号光パルスの振幅および光パルスの間の位相差の値の連続体において符号化され、連続変数ＱＫＤプロトコルが実行されることを可能にする。
ＣＶ−ＱＫＤプロトコルは、以下のようにこのシステム内で実施され得る。
光パルスの対ごとに、プロセッサは、前に説明されたように振幅値αと位相値θとを計算するのに使用される第１の乱数Ｘと第２の乱数Ｐとを生成する。代替案では、振幅および位相の値は、前に説明されたように直接に生成され得る。
位相制御要素は、信号光パルスと基準光パルスとの間のθの位相差に対応する位相シフトを作るために摂動を適用するように構成され、強度制御要素は、αの振幅に対応する振幅変調を信号光パルスに適用するように構成される。図９（ｄ）に関して説明されたように、基準光パルスの間の位相差は、実質的に０である。
符号化された光パルスは、受信器に送られる。光パルスは、光伝送路を介して送られ得る。したがって、送信器は、位相差を有し、直交偏光を有し、伝送路を移動するコヒーレントな二重パルスを生成する。
受信器は、受信された光パルスと、この図内でＬＯというラベルを付けられた局所的に生成された連続波局所基準光または局所基準光パルスとを光学的に結合するように構成される。局所光または局所光パルスは、受信器で光源を使用して生成され得る。一実施形態では、局所光パルスは、コヒーレント光源３０１と光学構成要素３０３とを使用して生成される。コヒーレント光源３０１は、光学構成要素３０３に光学的に結合される。コヒーレント光源３０１からの光は、光学構成要素３０３に注入される。光学構成要素３０３は、コヒーレント光源３０１からの光が光学構成要素３０３内に存在するときに、光を生成する。光学構成要素３０３は、レーザ、たとえば半導体レーザ、光増幅器、または強度変調器とされ得る。代替案では、単一の光源が、局所基準光を生成することができる。
受信器は、π／２光学ハイブリッド構成要素３０４を備える。送信器から受信された光パルスおよび局所光は、光学ハイブリッド構成要素３０４で光学的に結合される。送信器から受信された光パルスは、π／２光学ハイブリッド構成要素３０４の第１の入力に入力され、局所基準光は、π／２光学ハイブリッド構成要素３０４の第２の入力に入力される。
π／２光学ハイブリッド構成要素３０４は、結合する構成要素の例である。
一般に、結合する構成要素は、第１のビームコンバイナと第２のビームコンバイナとを備え、たとえばビームスプリッタにおいて、局所光を第１の部分と第２の部分とに分割し、受信された光パルスを第１の部分と第２の部分とに分割するように構成される。結合する構成要素は、第１の５０：５０ビームスプリッタと第２の５０：５０ビームスプリッタとを備えることができる。局所光は、第１の５０：５０ビームスプリッタに入力される。局所光の第１の部分は、第１の出力から出力され、局所光の第２の部分は、第２の出力から出力される。受信された光パルスは、第２の５０：５０ビームスプリッタに入力される。受信された光パルスの第１の部分は、第１の出力から出力され、第２の部分は、第２の出力から出力される。
位相シフトが、たとえば固定された位相要素によって、受信された光パルスの第２の部分と局所光の第２の部分との間で適用される。この位相シフトは、π／２の位相シフトである。結合する構成要素は、第１のビームスプリッタの第２の出力でπ／２の位相シフトを適用するように構成された固定された位相要素を備えることができる。
受信された光パルスの第１の部分および局所光の第１の部分は、第１のビームコンバイナ上で結合され、受信された光パルスの第２の部分および局所光の第２の部分は、第２のビームコンバイナ上で結合される。第１のビームコンバイナは、第３の５０：５０ビームスプリッタとされ得、第２のビームコンバイナは、第４の５０：５０ビームスプリッタとされ得る。第１のビームスプリッタの第１の出力は、第３のビームスプリッタの第１の入力に光学的に結合される。第２のビームスプリッタの第１の出力は、第３のビームスプリッタの第２の入力に光学的に結合される。第１のビームスプリッタの第１の出力と第１のビームコンバイナとの間の光学経路長は、第２のビームスプリッタの第１の出力と第１のコンバイナとの間の光学経路長と同一である。第１のビームスプリッタの第２の出力は、第４のビームスプリッタの第１の入力に光学的に結合される。第２のビームスプリッタの第２の出力は、固定された位相要素を介して第４のビームスプリッタの第２の入力に光学的に結合される。第１のビームスプリッタの第２の出力と第２のビームコンバイナとの間の光学経路長は、固定された位相要素を除いて、第２のビームスプリッタの第２の出力と第２のビームコンバイナとの間の光学経路長と同一である。
第１の光検出器１１２および第２の光検出器１１０は、第１のビームコンバイナの出力を検出するように構成される。第３の光検出器３０７および第４の光検出器３０８は、第２のビームコンバイナの出力を検出するように構成される。π／２光学ハイブリッド構成要素の場合に、π／２光学ハイブリッド構成要素３０４の出力は、第１の光子検出器１１２と第２の光子検出器１１０と第３の光子検出器３０７と第４の光子検出器３０８とに接続される。
各光子検出器内で検出される光の間の強度差は、送信器で適用される位相変調および強度変調ならびに局所光の位相および強度に依存する。
受信器は、第１のビームコンバイナの出力と第２のビームコンバイナの出力とに関する情報を受信し、送信器から受信された、受信された基準光パルスに対する相対的な局所基準光の位相を決定するように構成されたプロセッサ（図示せず）をさらに備える。この情報から、信号光パルスのうちで送信器から受信された基準光パルスと同相と直角位相との両方の成分が、決定され得る。局所基準光と受信された基準光パルスとの間の位相差が一旦知られると、位相空間内の回転が、実行され得る。
アリスによって送信された奇数パルスは、信号パルスであり、位相において変調され、鍵抽出に使用される。偶数パルスは、基準パルスであり、変調されず、位相推定に使用される。
ボブが、図１４内と図１５（ａ）内とのヘテロダイン検出または光学ハイブリッド検出を実行するときに、測定は、より雑音が多く、追加のフィルタが、スペクトルをきれいにするのに使用され得る。誤り訂正および他の後処理手順が、適用され得る。
イブによる測定は、ボブの測定の雑音を増加させる。したがって、イブの存在は、アリスとボブとの鍵のサンプルを比較することと、入手された鍵の誤り率（error ratio）を決定することとによって検出され得る。
ＸとＰとの両方の情報が、鍵を形成するのに使用され得、したがって、蒸留速度（distilaltion rate）は、ＸとＰとのうちの１つだけがパルスごとに測定され得る場合と比較して、２倍にされる。
一実施形態で図１１、図１４、または図１５（ａ）の送信器と共に使用され得る代替の受信器が、図１５（ｂ）に示されている。この受信器は、イントラダイン受信器、位相ダイバーシティホモダイン受信器、または光学ハイブリッド受信器である。この受信器は、第１のビームスプリッタ５０２と、第２のビームスプリッタ５０１と、π／２固定された位相要素５００と、第３のビームスプリッタ５０３と、第４のビームスプリッタ５０４とを備える結合する構成要素を備える。
信号光パルスと基準光との両方が、分割され、その後、２つのホモダイン測定が実行され、測定の一方は、π／２だけシフトされたアームを用いて実行され、その結果、基準光と同相の成分と基準光と直角位相の成分との両方が、測定され得るようになる。
信号光および基準光は、同一の光源または異なる光源から生じる（originate from）ことができる。
信号光パルスは、５０：５０ビームスプリッタとされ得る第１の分割する構成要素５０１で第１の部分と第２の部分とに分割される。基準光は、５０：５０ビームスプリッタとされ得る第２の分割する構成要素５０２で第１の部分と第２の部分とに分割される。
信号光の第１の部分および基準光の第１の部分は、第３のビームスプリッタ５０３で光学的に結合され、第３のビームスプリッタ５０３の出力は、第１の光子検出器１１２と第２の光子検出器１１０とで検出される。
π／２の位相シフトが、固定された位相要素５００で基準光の第２の部分に適用される。信号光の第２の部分および基準光の第２の部分は、第４のビームスプリッタ５０４で光学的に結合され、第４のビームスプリッタ５０４の出力は、第３の光子検出器３０７と第４の光子検出器３０８とで検出される。
図１５（ｃ）は、一実施形態による連続変数量子通信システムの概略図である。このシステムは、図１５（ａ）に示されたものと同一であるが、局所コヒーレント光源からの光ではなく、送信器内のコヒーレント光源２０からの光が、局所基準光を放出する光学構成要素３０３に注入される。
これは、基準パルスがＯＣ ３０３によって再生成されるので、よりよい可視性（visibility）を可能にし、コヒーレント光源２０からの基準パルスのより弱いパワーが線に沿って送信される（transmitted along the line）ことを可能にする。たとえば、この方式を用いると、アリスによって送信される基準パルス強度は、１パルスあたり約１０4個の光子とされ得るが、図１１のシステムでは、この強度が約１０8になる可能性がある。
ビームスプリッタが、コヒーレント光源からの光を第１の部分と第２の部分とに分割するために、送信器内に含められ得る。コヒーレント光の第１の部分は、信号光パルスを放出する光学構成要素２４に注入される。コヒーレント光の第２の部分は、受信器に送信され、ここで、それは光学構成要素３０３に注入される。光学構成要素３０３は、レーザ、たとえば半導体レーザ、光増幅器、または強度変調器とされ得る。
フィルタが、コヒーレント光源２０に適用される位相変調によって引き起こされるスプリアス周波数（the spurious frequencies）を除去するために含められる。偏光多重化が、同一チャネル上でコヒーレント光パルスと信号光パルスとを送信するのに使用され得る。
図１６は、一実施形態による連続変数量子通信システムの概略図である。
このシステムは、送信器と受信器とを備える。この場合では、送信器は、図９（ｃ）に関連して説明されたものなどの送信器である。送信器内の位相制御要素および強度制御要素は、放出された光パルスの位相と振幅との値の連続体内で情報を符号化するように構成される。位相制御要素および強度制御要素は、コヒーレント状態を作るために、放出された光パルスの位相と振幅とを変調するように構成される。
送信器は、制御要素を備える。制御要素は、第１のコントローラ１４１と位相制御要素１２５と第２のコントローラ１４０とプロセッサとを備える一体化された構成要素である。しかし、これらの要素は、別々に提供され得る。
送信器は、光パルスの対を放出する。各対の光パルスのうちの１つは信号光パルスであり、パルスのうちの１つは基準光パルスである。情報は、信号光パルスの振幅および光パルスの間の位相差の値の連続体内で符号化され、連続変数ＱＫＤプロトコルが実行されることを可能にする。
ＣＶ−ＱＫＤプロトコルが、以下のようにこのシステムを用いて実施され得る。
光パルスの対ごとに、プロセッサは、前に説明されたように振幅値αと位相値θとを計算するのに使用される第１の乱数Ｘと第２の乱数Ｐとを生成する。代替案では、振幅と位相との値は、前に説明されたように直接に生成され得る。
位相制御要素は、信号光パルスと基準光パルスとの間のθの位相差に対応する位相シフトを作るために摂動を適用するように構成され、強度制御要素は、αの振幅に対応する振幅変調を信号光パルスに適用するように構成される。
符号化された光パルスは、受信器に送られる。光パルスは、光伝送路を介して送られ得る。したがって、送信器は、位相差を有し、直交偏光を有し、伝送路を移動するコヒーレントな二重パルスを生成する。偏光コントローラが、前に説明されたように受信器内に含められ得る。
受信器は、受信された信号光パルスと、この図内でＬＯというラベルを付けられた局所的に生成された連続波局所基準光または局所基準光パルスとを光学的に結合するように構成される。局所光または局所光パルスは、受信器で光源を使用して生成され得る。一実施形態では、局所光パルスは、コヒーレント光源３０１と光学構成要素３０３とを使用して生成される。コヒーレント光源３０１は、光学構成要素３０３に光学的に結合される。コヒーレント光源３０１からの光は、光学構成要素３０３に注入される。光学構成要素３０３は、コヒーレント光源３０１からの光が光学構成要素３０３内に存在するときに、光パルスを生成する。代替案では、単一の光源が、局所基準光を生成することができる。
受信器は、受信された基準光パルスと、この図内でＬＯというラベルを付けられた局所的に生成された連続波局所基準光または局所基準光パルスとを光学的に結合するように構成される。
受信器は、信号光パルスを第１の光学経路に、基準光パルスを第２の光学経路に向けるように構成された第１の分割する要素を備える。第１の分割する要素は、偏光ビームスプリッタ１０２とされ得る。信号光パルスおよび基準光パルスは、直交する偏光を有するので、それらは偏光ビームスプリッタ１０２で異なる光学経路に分離される。
パルスのうちの１つの偏光は、偏光ビームスプリッタ１０４を出るときのそのパルスの偏光が対の他方のパルスの偏光と同一になるように、ビームスプリッタ１０２の１つの出力で偏光回転子１０６によって反転される。
受信器は、局所基準光を第１の部分と第２の部分とに分割するように構成された第２の分割する要素６０１をさらに備える。第２の分割する要素は、ビームスプリッタとされ得る。
受信器は、第１のπ／２光学ハイブリッド構成要素３０４を備える。送信器から受信された信号光パルスおよび局所基準光の第１の部分は、第１の光学ハイブリッド構成要素３０４で光学的に結合される。送信器から受信された信号光パルスは、π／２光学ハイブリッド構成要素３０４の第１の入力に入力され、局所基準光の第１の部分は、π／２光学ハイブリッド構成要素３０４の第２の入力に入力される。
π／２光学ハイブリッド構成要素３０４は、第１の結合する構成要素の例である。
受信器は、第２のπ／２光学ハイブリッド構成要素６０２を備える。送信器から受信された基準光パルスおよび局所基準光の第２の部分は、第２の光学ハイブリッド構成要素６０２で光学的に結合される。送信器から受信された基準光パルスは、第２のπ／２光学ハイブリッド構成要素６０２の第１の入力に入力され、局所基準光の第２の部分は、第２のπ／２光学ハイブリッド構成要素６０２の第２の入力に入力される。
π／２光学ハイブリッド構成要素６０２は、第２の結合する構成要素の例である。
一般に、第１の結合する構成要素は、第１のビームコンバイナと第２のビームコンバイナとを備える。第１の結合する構成要素は、たとえばビームスプリッタにおいて、局所基準光の第１の部分を第３の部分と第４の部分とに分割し、信号光パルスを第１の部分と第２の部分とに分割するように構成される。結合する構成要素は、第１の５０：５０ビームスプリッタと第２の５０：５０ビームスプリッタとを備えることができる。局所光の第１の部分は、第１の５０：５０ビームスプリッタに入力される。局所光の第３の部分は、第１の出力から出力され、局所光の第４の部分は、第２の出力から出力される。受信された信号光パルスは、第２の５０：５０ビームスプリッタに入力される。受信された信号光パルスの第１の部分は、第１の出力から出力され、第２の部分は、第２の出力から出力される。
π／２の位相シフトが、たとえば固定された位相要素によって、信号光パルスの第２の部分と局所光の第４の部分との間で適用される。
信号光パルスの第１の部分および局所基準光の第３の部分は、第１のビームコンバイナ上で結合され、信号光パルスの第２の部分および局所基準光の第４の部分は、第２のビームコンバイナ上で結合される。第１のビームコンバイナは、第３の５０：５０ビームスプリッタとされ得、第２のビームコンバイナは、第４の５０：５０ビームスプリッタとされ得る。第１のビームスプリッタの第１の出力は、第３のビームスプリッタの第１の入力に光学的に結合される。第２のビームスプリッタの第１の出力は、第３のビームスプリッタの第２の入力に光学的に結合される。第１のビームスプリッタの第１の出力と第１のビームコンバイナとの間の光学経路長は、第２のビームスプリッタの第１の出力と第１のコンバイナとの間の光学経路長と同一である。第１のビームスプリッタの第２の出力は、第４のビームスプリッタの第１の入力に光学的に結合される。第２のビームスプリッタの第２の出力は、固定された位相要素を介して第４のビームスプリッタの第２の入力に光学的に結合される。第１のビームスプリッタの第２の出力と第２のビームコンバイナとの間の光学経路長は、固定された位相要素を除いて、第２のビームスプリッタの第２の出力と第２のビームコンバイナとの間の光学経路長と同一である。
第１の光検出器１１０および第２の光検出器１１２は、第１のビームコンバイナの出力を検出するように構成される。第３の光検出器３０７および第４の光検出器３０８は、第２のビームコンバイナの出力を検出するように構成される。
第２の結合する構成要素は、第３のビームコンバイナと第４のビームコンバイナとを備える。
第２の結合する構成要素は、たとえばビームスプリッタを使用して、局所基準光の第２の部分を第５の部分と第６の部分とに分割し、基準光パルスを第１の部分と第２の部分とに分割するように構成される。結合する構成要素は、第１の５０：５０ビームスプリッタと第２の５０：５０ビームスプリッタとを備えることができる。局所光の第２の部分は、第１の５０：５０ビームスプリッタに入力される。局所光の第５の部分は、第１の出力から出力され、局所光の第６の部分は、第２の出力から出力される。受信された基準光パルスは、第２の５０：５０ビームスプリッタに入力される。受信された基準光パルスの第１の部分は、第１の出力から出力され、第２の部分は、第２の出力から出力される。
π／２の位相シフトが、たとえば固定された位相要素によって、基準光パルスの第２の部分と局所光の第６の部分との間で適用される。
基準光パルスの第１の部分および局所基準光の第５の部分は、第１のビームコンバイナ上で結合され、基準光パルスの第２の部分および局所基準光の第６の部分は、第２のビームコンバイナ上で結合される。第１のビームコンバイナは、第３の５０：５０ビームスプリッタとされ得、第２のビームコンバイナは、第４の５０：５０ビームスプリッタとされ得る。第１のビームスプリッタの第１の出力は、第３のビームスプリッタの第１の入力に光学的に結合される。第２のビームスプリッタの第１の出力は、第３のビームスプリッタの第２の入力に光学的に結合される。第１のビームスプリッタの第１の出力と第１のビームコンバイナとの間の光学経路長は、第２のビームスプリッタの第１の出力と第１のコンバイナとの間の光学経路長と同一である。第１のビームスプリッタの第２の出力は、第４のビームスプリッタの第１の入力に光学的に結合される。第２のビームスプリッタの第２の出力は、固定された位相要素を介して第４のビームスプリッタの第２の入力に光学的に結合される。第１のビームスプリッタの第２の出力と第２のビームコンバイナとの間の光学経路長は、固定された位相要素を除いて、第２のビームスプリッタの第２の出力と第２のビームコンバイナとの間の光学経路長と同一である。
第５の光検出器６０４および第６の光検出器６０５は、第３のビームコンバイナの出力を検出するように構成される。第７の光検出器６０６および第８の光検出器６０７は、第４のビームコンバイナの出力を検出するように構成される。
各光子検出器内で検出される光の強度の差は、送信器で適用された位相変調および強度変調ならびに局所光の位相および強度に依存する。
受信器は、第１のビームコンバイナと第２のビームコンバイナと第３のビームコンバイナと第４のビームコンバイナとの出力に関する情報を受信し、基準光パルスに対する相対的な局所基準光の位相と信号光パルスに対する相対的な局所基準光の位相とを決定するように構成されたプロセッサ（図示せず）をさらに備える。この情報から、送信器から受信された基準光パルスと同相と直角位相との両方の信号光パルスの成分が、決定され得る。
一実施形態では、光学ハイブリッド構成要素は、図１５（ｂ）に示されたものなど、２つの受信器に置き換えられ得る（be replaced with）。
図１７は、一実施形態による連続変数量子通信システムの概略図である。測定デバイス独立ＱＫＤプロトコルが、このシステムを用いて実行され得る。
このシステムは、第１の送信器（アリス）と第２の送信器（ボブ）とを備える。アリスおよびボブは、前に説明されたように、彼らのそれぞれの２つの乱数｛Ｘ，Ｐ｝と｛Ｘ’，Ｐ’｝とによって指定される通りに彼らの放出される光パルスの振幅と位相とをセットする。アリスおよびボブは、前に説明されたように、ガウス変調されたコヒーレント状態において彼らの状態を準備する。代替案では、前に説明されたように、振幅および位相の値は、直接に生成され得る。
たとえば、アリスの送信器は、図９（ｃ）の送信器とされ得、ボブの送信器は、図９（ｃ）の送信器とされ得る。
放出された光パルスは、第３のデバイス（チャーリー）に送られる。第３のデバイスは、アリスからの信号光パルスを第１の光学経路に向け、信号光パルスに直交する偏光を有するアリスからの基準光パルスを第２の光学経路に向ける、第１の偏光ビームスプリッタ１０２ａを備える。第３のデバイスは、ボブからの信号光パルスを第３の光学経路に向け、信号光パルスに直交する偏光を有するボブからの基準光パルスを第４の光学経路に向ける、第２の偏光ビームスプリッタ１０２ｂをさらに備える。偏光コントローラが、伝送路からの偏光のすべての変化を訂正するために、ビームスプリッタの前に含められ得る。
第３のデバイスは、第３のビームスプリッタ１０８ａと第４のビームスプリッタ１０８ｂとをさらに備える。ボブからの基準光パルスおよびアリスからの基準光パルスは、第３のビームスプリッタ１０８ａで光学的に結合される。ボブからの信号光パルスおよびアリスからの信号光パルスは、第４のビームスプリッタ１０８ｂで光学的に結合される。
第１の光検出器１１２および第２の光検出器１１０が、第３のビームスプリッタ１０８ａからの出力を検出する。これは、アリスをチャーリーに接続する経路とボブをチャーリーに接続する経路との間の位相差Δφが計算されることを可能にする。この情報は、処理ユニットまたはプロセッサに送られる。
第３の光検出器３０７および第４の光検出器３０８が、第４のビームスプリッタ１０８ｂからの出力を検出する。検出の出力も、処理ユニットに送られる。
これが、前に受信された情報Δφと組み合わされて、値Ｘ−Ｘ’とＰ＋Ｐ’との計算を可能にする。処理ユニットは、第３のビームコンバイナ１０８ａの出力に関する情報から、第１の送信器からの基準光パルスと第２の送信器からの基準光パルスとの間の位相差Δφを決定するように構成されることができるか、あるいは、入力として位相差Δφを単純に受信することができる。位相差Δφと第４のビームスプリッタ１０８ｂからの出力に関する受信された情報とから、処理ユニットは、第１の送信器からの基準光パルスと同相の第１の送信器からの信号光パルスの成分と第２の送信器からの基準光パルスと同相の第２の送信器からの信号光パルスの成分との間の差（Ｘ−Ｘ’）を決定し、第１の送信器からの基準光パルスと直角位相の第１の送信器からの信号光パルスの成分と第２の送信器からの基準光パルスと直角位相の第２の送信器からの信号光パルスの成分との和（Ｐ＋Ｐ’）を決定する。
これらの値は、チャーリーによって公共チャネル上でアナウンスされる。このアナウンスメントから、アリスおよびボブは、他方のユーザが何を符号化したのかを知る。たとえば、アリスは、彼女がＸを符号化したのでＸを知っている。アナウンスされた値Ｘ−Ｘ’から、彼女は、ボブの値Ｘ’を推論（infer）することができる。
チャーリー（または同等にイブ）が、Ｘ−Ｘ’とＰ＋Ｐ’だけを知っており、情報が関連付けられた別々の値Ｘ、Ｘ’、Ｐ、Ｐ’を知らないので、セキュリティが保証される。
第１のビームスプリッタ１０２ａ、第２のビームスプリッタ１０２ｂ、第３のビームスプリッタ１０８ａ、および第４のビームスプリッタ１０８ｂと、それらの間の接続とは、すべての経路の間の位相差が経時的に一定（constant in time）になるようにするために、環境変動（environmental fluctuations）に対して安定化される。これは、たとえばＰＬＣ（平面光波回路）設計を使用して達成され得る。追加のフィルタが、スペクトルをきれいにするために含められ得る。
ＣＶ技術のコヒーレント検出が、室温コンパクト高速検出器（room-temperature, compact, high-speed detectors）を用いて実行され得る。
上で説明された送信器は、位相変調器なしで実現され得る。
一実施形態では、よりよい干渉可視性（better interference visibility）を有するより高速の位相符号化が使用可能にされる。
さらに、直接位相変調が、低い駆動電圧を用いて実現される。
一実施形態では、このシステムは、１ＭＨｚクロックを使用して１Ｍｂ／ｓの鍵レートで走行する。
ある種の実施形態が説明されたが、これらの実施形態は、例としてのみ提示されたものであって、本発明の範囲を限定することは意図されていない。実際に、本明細書で説明される新規の方法および装置は、様々な他の形態で実施され得、さらに、本明細書で説明される方法および装置の形態における様々な省略、置換および変更が、本発明の趣旨から逸脱せずに行われ得る。添付の特許請求の範囲およびその同等物は、本発明の範囲および趣旨に含まれるものとして変更のそのような形態を包含することが意図されている。

Claims (20)

  1. 連続変数量子通信システムのための送信器であって、
    コヒーレント光源と、
    前記コヒーレント光源がコヒーレント光を生成するように、前記コヒーレント光源に第１の信号を適用するように構成された第１のコントローラと、
    前記第１の信号に摂動を適用するように構成された位相制御要素と、各摂動は、前記生成されたコヒーレント光の諸部分の間の位相シフトを作る、
    光学強度変調を作るように構成された第１の光学構成要素と、前記コヒーレント光源は、前記光学構成要素に前記生成された光を供給するように構成される、
    光パルスが、前記生成された光の第１の部分が受信される時間の期間中に放出され、光パルスが、前記生成された光の第２の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、前記光学構成要素に第２の信号を適用するように構成された第２のコントローラと、
    放出された光パルスの振幅を変調するように構成された強度制御要素と
    を備え、前記位相制御要素および前記強度制御要素は、放出された光パルスの位相と振幅との値の連続体内で情報を符号化するように構成される、
    送信器。
  2. 前記位相制御要素および前記強度制御要素は、コヒーレント状態を作るために、放出された光パルスの前記位相と前記振幅とを変調するように構成される、請求項１に記載の送信器。
  3. 第１の乱数と第２の乱数とを生成し、
    前記第１の乱数と前記第２の乱数とから第１の振幅を、前記第１の乱数と前記第２の乱数とから第１の位相を計算する
    ように構成されたプロセッサ
    をさらに備え、前記位相制御要素は、前記第１の位相に対応する位相シフトを作るために前記摂動を適用するように構成され、前記強度制御要素は、前記第１の振幅に対応する振幅変調を適用するように構成される、
    請求項１または２に記載の送信器。
  4. 前記第１の信号は、周期的信号であり、前記コヒーレント光源は、コヒーレント光のパルスを生成する、ここにおいて、前記位相制御要素は、各期間中に１回、前記第１の信号に摂動を適用し、前記生成されたコヒーレント光パルスの第１の部分と前記生成されたコヒーレント光パルスの第２の部分との間の位相シフトを作るように構成される、ここにおいて、前記生成された光パルスの前記第１の部分が受信される時間の前記期間中に放出される前記光パルスは、基準光パルスであり、前記生成された光パルスの前記第２の部分が受信される時間の前記期間中に放出される前記光パルスは、信号光パルスである、
    請求項３に記載の送信器。
  5. 前記第２のコントローラは、光パルスが、前記生成された光パルスの第１の部分が受信される時間の期間中に放出され、光パルスが、前記生成された光パルスの第２の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、前記第１の光学構成要素に前記第２の信号を適用するように構成される、請求項４に記載の送信器。
  6. 前記送信器は、
    光学強度変調を作るように構成された第２の光学構成要素と、ここにおいて、前記コヒーレント光源は、前記第２の光学構成要素に前記生成された光を供給するように構成される、
    光パルスが、前記生成された光の第２の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、前記第２の光学構成要素に第３の信号を適用するように構成された第３のコントローラと
    をさらに備え、ここにおいて、前記第２のコントローラは、光パルスが、前記生成された光の第１の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、前記第１の光学構成要素に前記第２の信号を適用するように構成される、
    先行する請求項のいずれかに記載の送信器。
  7. 前記第１のコントローラは、前記コヒーレント光源が連続波コヒーレント光を生成するように、前記コヒーレント光源に前記第１の信号を適用するように構成される、ここにおいて、前記位相制御要素は、交番する摂動が前の位相シフトを打ち消すように、摂動を適用するように構成される、請求項３に記載の送信器。
  8. 前記生成された光のうちで前記交番する摂動に対応する部分が受信される時間の期間中に放出された光パルスの間の位相差は、実質的に０である、ここにおいて、これらの光パルスは、基準光パルスであり、時間の残りの期間中に放出された光パルスは、信号光パルスである、請求項７に記載の送信器。
  9. 前記強度制御要素は、前記生成されたコヒーレント光の前記振幅が変更されるように、前記第１の信号の振幅を変調するように構成される、先行する請求項のいずれかに記載の送信器。
  10. 前記強度制御要素は、前記放出された光パルスの前記振幅が変更されるように、前記第２の信号の振幅を変調するように構成される、先行する請求項のいずれかに記載の送信器。
  11. 前記強度制御要素は、強度変調器である、先行する請求項のいずれかに記載の送信器。
  12. 前記放出された光パルスの持続時間は、１０ｎｓを超える、先行する請求項のいずれかに記載の送信器。
  13. 先行する請求項のいずれかに記載の送信器と受信器とを備え、前記送信器は、前記受信器に前記放出された光パルスを送るように構成され、前記受信器は、信号光パルスと基準光パルスとを光学的に結合するように構成される、連続変数量子通信システム。
  14. 前記受信器は
    前記信号光パルスと前記基準光パルスとの間の遅延を打ち消すように構成された遅延要素と、
    同相成分の測定値と直角位相成分の測定値との間で選択するように構成された変調要素と
    を備える、請求項４に依存するときの請求項１３に記載のシステム。
  15. 前記受信器は、
    局所基準光を生成するように構成された光源と、
    第１のビームコンバイナと第２のビームコンバイナとを備える結合する構成要素と、前記結合する構成要素は、
    前記局所基準光を第１の部分と第２の部分とに分割し、前記受信された光パルスを第１の部分と第２の部分とに分割し、
    前記受信された光パルスの前記第２の部分と前記局所基準光の前記第２の部分との間に第１の位相シフトを適用し、
    前記受信された光パルスの前記第１の部分と前記局所基準光の前記第１の部分とを前記第１のビームコンバイナ上で結合し、
    前記受信された光パルスの前記第２の部分と前記局所基準光の前記第２の部分とを前記第２のビームコンバイナ上で結合する
    ように構成される、
    前記第１のビームコンバイナの出力を検出するように構成された、第１の光検出器および第２の光検出器と、
    前記第２のビームコンバイナの出力を検出するように構成された、第３の光検出器および第４の光検出器と、
    前記第１のビームコンバイナの前記出力と前記第２のビームコンバイナの前記出力とに関する情報を受信し、
    前記受信された基準光パルスに対する相対的な前記局所基準光の位相を決定し、
    前記受信された基準光パルスと直角位相の前記信号光パルスの成分と前記受信された基準光パルスと直角位相の前記信号光パルスの成分とを決定する
    ように構成されたプロセッサと
    を備える、請求項８に依存するときの請求項１３に記載のシステム。
  16. 前記受信器は、
    前記信号光パルスを第１の光学経路に、前記基準光パルスを第２の光学経路に向けるように構成された第１の分割する要素と、
    局所基準光を生成するように構成された光源と、
    前記局所基準光を第１の部分と第２の部分とに分割するように構成された第２の分割する要素と、
    第１のビームコンバイナと第２のビームコンバイナとを備える第１の結合する構成要素と、前記第１の結合する構成要素は、
    前記局所基準光の前記第１の部分を第３の部分と第４の部分とに分割し、前記信号光パルスを第１の部分と第２の部分とに分割し、
    前記信号光パルスの前記第２の部分と前記局所基準光の前記第４の部分との間に第１の位相シフトを適用し、
    前記信号光パルスの前記第１の部分と前記局所基準光の前記第３の部分とを前記第１のビームコンバイナ上で結合し、
    前記信号光パルスの前記第２の部分と前記局所基準光の前記第４の部分とを前記第２のビームコンバイナ上で結合する
    ように構成される、
    前記第１のビームコンバイナの出力を検出するように構成された第１の光検出器および第２の光検出器と、
    前記第２のビームコンバイナの出力を検出するように構成された第３の光検出器および第４の光検出器と、
    第３のビームコンバイナと第４のビームコンバイナとを備える第２の結合する構成要素と、前記第２の結合する構成要素は、
    前記局所基準光の前記第２の部分を第５の部分と第６の部分とに分割し、前記受信された基準光パルスを第１の部分と第２の部分とに分割し、
    前記受信された基準光パルスの前記第２の部分と前記局所基準光の前記第６の部分との間に第１の位相シフトを適用し、
    前記受信された基準光パルスの前記第１の部分と前記局所基準光の前記第５の部分とを前記第１のビームコンバイナ上で結合し、
    前記受信された基準光パルスの前記第２の部分と前記局所基準光の前記第６の部分とを前記第２のビームコンバイナ上で結合する
    ように構成される、
    前記第３のビームコンバイナの出力を検出するように構成された第５の光検出器および第６の光検出器と、
    前記第４のビームコンバイナの出力を検出するように構成された第７の光検出器および第８の光検出器と、
    前記第１のビームコンバイナの前記出力と前記第２のビームコンバイナの前記出力と前記第３のビームコンバイナの前記出力と前記第４のビームコンバイナの前記出力とに関する情報を受信し、
    前記受信された基準光パルスに対する相対的な前記局所基準光の位相を決定し、
    前記信号光パルスに対する相対的な前記局所基準光の位相を決定し、
    前記基準光パルスと直角位相の前記信号光パルスの成分と前記受信された基準光パルスと直角位相の前記信号光パルスの成分とを決定する
    ように構成されたプロセッサと
    を備える、請求項４に依存するときの請求項１３に記載のシステム。
  17. コヒーレント光源と、
    前記コヒーレント光源がコヒーレント光を生成するように、前記コヒーレント光源に第１の信号を適用するように構成された第１のコントローラと、
    前記第１の信号に摂動を適用するように構成された位相制御要素と、各摂動は、前記生成されたコヒーレント光の諸部分の間の位相シフトを作る、
    光学強度変調を作るように構成された第１の光学構成要素および光学強度変調を作るように構成された第２の光学構成要素と、ここにおいて、前記コヒーレント光源は、前記第１の光学構成要素と前記第２の光学構成要素とに前記生成された光パルスを供給するように構成される、
    光パルスが、前記生成された光の第１の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、前記第１の光学構成要素に第２の信号を適用するように構成された第２のコントローラと、
    光パルスが、前記生成された光の第２の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、前記第２の光学構成要素に第３の信号を適用するように構成された第３のコントローラと
    を備える光デバイス。
  18. 前記第１の信号は、周期的信号であり、前記コヒーレント光源は、コヒーレント光のパルスを生成し、ここにおいて、前記位相制御要素は、各期間中に１回、前記第１の信号に摂動を適用し、前記生成されたコヒーレント光パルスの第１の部分と前記生成されたコヒーレント光パルスの第２の部分との間の位相シフトを作るように構成される、
    前記第２のコントローラは、光パルスが、前記生成された光パルスの前記第１の部分が受信される時間の前記期間中に放出されるように、前記第１の光学構成要素に前記第２の信号を適用するように構成され、
    前記第３のコントローラは、光パルスが、前記生成された光パルスの前記第２の部分が受信される時間の前記期間中に放出されるように、前記第２の光学構成要素に前記第３の周期的信号を適用するように構成される、
    請求項１７に記載の光デバイス。
  19. コヒーレント光源と、
    前記コヒーレント光源が連続波コヒーレント光を生成するように、前記コヒーレント光源に第１の信号を適用するように構成された第１のコントローラと、
    前記第１の信号に摂動を適用するように構成された位相制御要素と、各摂動は、前記生成されたコヒーレント光の諸部分の間の位相シフトを作り、交番する摂動は、前の位相シフトを打ち消す、
    光学強度変調を作るように構成された第１の光学構成要素と、ここにおいて、前記コヒーレント光源は、前記第１の光学構成要素に前記生成された光を供給するように構成される、
    光パルスが、前記生成された光の部分が受信される時間の各期間中に放出されるように、前記第１の光学構成要素に時間変動する信号を適用するように構成された第２のコントローラと、ここにおいて、前記生成された光のうちで前記交番する摂動に対応する部分が受信される時間の期間中に放出された光パルスの間の位相差は、実質的に０である、
    を備える光デバイス。
  20. 第１の信号に摂動を適用することと、
    コヒーレント光源がコヒーレント光を生成するように、前記コヒーレント光源に前記第１の信号を適用することと、各摂動は、前記生成されたコヒーレント光の諸部分の間の位相シフトを作る、
    光学増幅を作るように構成された光学構成要素に前記コヒーレント光を供給することと、
    光パルスが、前記生成された光の第１の部分が受信される時間の期間中に放出され、光パルスが、前記生成された光の第２の部分が受信される時間の期間中に放出されるように、前記光学構成要素に第２の信号を適用することと、
    振幅変調を適用することと、ここにおいて、情報は、放出される信号光パルスの位相と振幅との値の連続体内で符号化される、
    放出された信号光パルスを受信するユニットに送ることと、
    前記情報を復号するために、前記受信するユニットで前記信号光パルスと基準光とを光学的に結合することと
    を備える、量子通信方法。
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