JP2019148794A - 量子通信システムのための送信機、量子通信システム、及び強度変調された光子パルスを生成する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】量子通信システムのための好適な送信機を提供する。【解決手段】光子源を備える光子源ユニット１と、光子源ユニットから入力光パルスを受信するように構成された第１の強度変調器５とを備え、第１の強度変調器５は、入力光パルスを２つの成分に分割するように構成された第１の要素２と、２つの成分間に位相シフトを適用するように構成された位相変調器３と、２つの成分を干渉させるように構成された第２の要素４とを備え、第１の要素２及び第２の要素４のうちの少なくとも１つは非対称である、送信機。【選択図】図３（ａ）

Description

本開示は、量子通信システムのための送信機、量子通信システム、及び強度変調された光子パルスを生成する方法に関する。

量子通信システムでは、情報は、単一光子などの符号化された単一量子によって、送信機と受信機との間で送信される。各光子は、偏光、位相、又はエネルギー／時間などの光子の性質に対して符号化された１ビットの情報を搬送する。光子は、例えば、角運動量などの性質を使用することによって、複数のビットの情報を搬送し得る。

量子鍵配送（ＱＫＤ）は、例えば送信機（多くの場合「アリス」と呼ばれる）と受信機（多くの場合「ボブ」と呼ばれる）との間又は２つの送信機間（例えば、測定デバイス無依存ＱＫＤプロトコルの場合）といった関係者間での暗号鍵の共有をもたらす技法である。この技法は、多くの場合「イブ」と呼ばれる不正な盗聴者に鍵の任意の部分が知られることが可能かどうかというテストを提供する。量子鍵配送の多くの形態では、２つ以上の非直交基底が、ビット値を符号化するために使用される。量子力学の原理は、各々の符号化基底についての予備知識をもたないイブが光子を測定すると、光子のうちのいくつかの状態に対する避けられない変化を引き起こすことを定める。光子の状態についてのこれらの変化は、ビット値における誤りを引き起こす。したがって、それらの共通ビット列の一部を比較することによって、関係者は、イブが情報を得たかどうかを決定することができる。

さまざまなプロトコルがＱＫＤに使用可能である。多くのプロトコル、例えばデコイ状態に基づいたプロトコルは、複数の強度レベルを使用する。そのようなシステムのセキュリティと安定性とを改善することが、継続して必要とされている。

次に、添付の図を参照しながら、非限定的な構成によるシステム及び方法を説明する。

図１（ａ）は、出力レーザパワーとレーザ駆動電流のグラフを示す。 図１（ｂ）は、出力レーザパワーとレーザ駆動電流のグラフを示す。 図２（ａ）は、強度変調器の駆動電圧の関数として強度変調器の透過曲線を示す。 図２（ｂ）は、強度変調器の駆動電圧の関数として強度変調器の透過曲線を示す。 図３（ａ）は、非対称ビームスプリッタを備える強度変調器を備えた量子通信システムのための送信機の一例を示す。 図３（ｂ）は、強度変調器の透過曲線を示す。 図４（ａ）は、２つの非対称ビームスプリッタを備える強度変調器を備える量子通信システムのための別の送信機の一例を示す。 図４（ｂ）は、強度変調器の透過曲線を示す。 図５（ａ）は、レーザダイオード及び強度変調器と直列に結合された非対称要素を備える強度変調器を示す。 図５（ｂ）は、代わりにレーザに直接に結合された強度変調器を示す。 図６は、フォトニックチップ上に集積された対称ビームスプリッタの概略図である。 図７は、２つの集積された位相変調器をもつマッハ−ツェンダー干渉計設計を使用して実現された調整可能比ビームスプリッタの概略図である。 図８は、２つの調整可能比ビームスプリッタを使用して実施された強度変調器の概略図である。 図９は、強度変調器がサニャック干渉計設計を使用する量子通信システムのための送信機の一例を示す。 図１０は、偏光成分を使用する量子通信システムのための送信機の別の例を示す。 図１１は、偏光成分を使用する量子通信システムのための送信機の別の例を示す。 図１２は、互いに結合された複数の強度変調器を使用することによって、さらなる強度レベルがどのように生成され得るかを示す概略図である。 図１３は、以下の図において使用される２つの送信機ユニットを示す。 図１４は、デコイ状態プロトコルを使用する量子鍵配送のための光パルスを符号化及び復号するように適合された量子通信システムの概略図を示す。 図１５は、デコイ状態プロトコルを使用する測定デバイス無依存量子鍵配送（ＱＫＤ）のための光パルスを符号化及び復号するように適合された量子通信システムの概略図を示す。

量子通信システムのための送信機であって、
光子源を備える光子源ユニットと、
前記光子源ユニットから入力光パルスを受信するように構成された第１の強度変調器と
を備え、
前記第１の強度変調器は、
前記入力光パルスを２つの成分に分割するように構成された第１の要素と、
前記２つの成分間に位相シフトを適用するように構成された位相変調器と、
前記２つの成分を干渉させるように構成された第２の要素と
を備え、前記第１の要素及び前記第２の要素のうちの少なくとも１つは非対称（asymmetric）である、送信機が提供される。

例えば、第１の要素は非対称であってよく、第２の要素は対称（symmetric）であってよく、又は、第１の要素は対称であってよく、第２の要素は非対称であってよく、又は、第１の要素は非対称であってよく、第２の要素は同じ量の非対称性を有してよく、又は、第１の要素は非対称であってよく、第２の要素は異なる量の非対称性を有してよい。

「非対称（asymmetric）」という用語は、本明細書全体を通じて、光パルスが入力されたとき、第１の成分の強度と第２の成分の強度が等しくない（すなわち、第１の強度と第２の強度が異なる）ように、第１の成分及び第２の成分（又は第１の強度及び第２の強度）を出力するように構成された要素を指すために使用される。非対称要素の例としては、（５０：５０ビームスプリッタ以外の）ビームスプリッタ、偏光コントローラ及び偏光ビームスプリッタ、ならびに偏光コントローラ及び偏光維持ファイバとシングルモードファイバとの間のインターフェースがある。

第１の要素及び第２の要素のうちの一方は、部分的に非対称であってよく、第１の要素及び第２の要素のうちの他方は、対称であってもよいし、部分的に非対称であってもよい。「完全に非対称（fully asymmetric）」という用語は、本明細書全体を通じて、第１の成分及び第２の成分のうちの一方の強度がゼロである要素を表すために使用される。「部分的に非対称（partially asymmetric）」という用語は、明細書全体を通じて、第１の成分の強度と第２の成分の強度が等しくなく、非ゼロである（すなわち、第１の強度と第２の強度が異なり、非ゼロである）要素を表すために使用される。

非対称要素は、１よりも小さい分割比を有し、この分割比は、第１の成分の強度と第２の成分の強度との比、すなわちＩ₁／Ｉ₂である。したがって、分割比は、単一の強度が入力された場合に要素から出力される第１の強度と第２の強度との比である。非対称構成要素は、１よりも小さい、透過光（係数「ｔ」）と反射光（係数「ｒ」）（又は、例えば、ポート１及びポート２から現れる光）との比（又は出力光のパーセンテージ）を有してよい。「完全に非対称」な構成要素は、０の分割比を有する。「部分的に非対称」な構成要素は、１よりも小さく、０よりも大きい分割比を有する。第１の構成要素及び第２の構成要素のうちの少なくとも１つは、０．９９以下であり且つ０を超える分割比を有してよい。第１の構成要素及び第２の構成要素のうちの少なくとも１つは、０．９以下であり且つ０を超える分割比を有してよい。

非対称要素は、単一の光モードが入力されるとき、第１の光モード（成分）と第２の光モード（成分）とを出力するように構成され、第１のモードの強度と第２のモードの強度は等しくない。モードは、例えば、空間モード（例えば、異なるファイバ内で）であってもよいし、偏光モードであってもよい。より詳細には、各パルスは、１つ又は複数の自由度、すなわち、例えば、偏光、空間経路、波長、及び時間を含む、光パルスを区別する「ラベル」を有する。どの自由度についても、１つ又は複数の対応するモードがある。例えば、偏光ビームスプリッタを通る偏光の場合、垂直モード及び水平モードがある。波長の場合、波長λ₁をもつモードと、波長λ₂をもつ別のモードがある。

強度変調器からの光出力のコントラストは、非対称性に依存する。

光子源ユニットは、第１の強度と第２の強度とを有する光パルスを放射するように構成されてよく、第２の強度は第１の強度よりも低い。第２の強度は、真空状態に対応してよい。

位相変調器は、弱め合う干渉又は強め合う干渉のうちの一方に対応する第１の設定と、弱め合う干渉又は強め合う干渉のうちの他方に対応する第２の設定とを備えてよく、第１の強度変調器は、位相変調器の第１の設定と第２の設定とからの選択、及び光子源ユニットの第１の強度と第２の強度とからの選択に依存して、３つ以上の異なる強度を有する光パルスを出力する。

位相変調器は、第２の要素において、弱め合う干渉又は強め合う干渉のうちの一方に対応する第１の設定を備えてよく、入力光パルスが第１の強度を有する場合において、位相変調器が第１の設定を有するとき、第２の要素の第１の出力における出力光パルスは、第３の強度を有し、この第３の強度は、第１の強度よりも小さく、第２の強度よりも大きい。位相変調器は、第２の要素において、弱め合う干渉又は強め合う干渉のうちの他方に対応する第２の設定をさらに備えてよく、入力光パルスが第１の強度を有する場合において、位相変調器が第２の設定を有するとき、第２の要素の第１の出力における出力光パルスは、第４の強度を有し、この第４の強度は、第３の強度よりも大きく、第１の強度よりも小さい又はこれに等しい。

量子送信機は、デコイ状態量子通信を実施するように構成されてよい。量子送信機は、デコイ状態測定デバイス無依存量子通信を実施するように構成されてよい。送信機は、１つ又は複数の他の要素と直列に結合された固定低消光比強度変調器又は可変消光比強度変調器を備えるデコイ状態ＱＫＤ送信機であってよい。送信機は、１つ又は複数の他の要素と直列に結合された固定低消光比強度変調器又は可変消光比強度変調器を備えるデコイ状態ＭＤＩ−ＱＫＤ送信機であってよい。消光比ＥＲは、ＥＲ＝（ｍａｘ−ｍｉｎ）／（ｍａｘ＋ｍｉｎ）と定義され、ここで、ｍａｘは、１つのポートを通る最大強度出力であり、ｍｉｎは、そのポートを通る最小強度出力である。

送信機は、強度の少なくとも１つの低コントラストペアを含む、３つ以上の異なる強度をもつ光パルスを安定して高速生成するように構成されてよい。固定低消光比又は可変消光比が、強度レベル間にあってよい。例えば、第２の強度は、第１の強度の１／４〜１／２０の範囲内にある。送信機は、２つ以上の異なる強度をもつ光パルスを生成するように構成されてよい。例えば、２つの状態、例えば、ｕ＝０．５及びｖ＝０．１（すなわち、真空状態なし）が、デコイ状態プロトコルに使用されてよい。

第１の強度変調器は、０．９以下の消光比を有してよい。第１の強度変調器は、可変の消光比を有してもよい。

第１の要素及び／又は第２の要素は、非対称ビームスプリッタを備えてよい。第１の要素及び／又は第２の要素は、調整可能比スプリッタ（tuneable ratio splitter）を備えてもよい。調整可能比スプリッタは、第１の対称ビームスプリッタと第２の対称ビームスプリッタとを備えてよく、第１の対称ビームスプリッタの一方の出力は、第１のアームを形成する第２の対称ビームスプリッタの一方の入力に結合され、第１の対称ビームスプリッタの他方の出力は、第２のアームを形成する第２の対称ビームスプリッタの他方の入力に結合され、第１のアーム及び第２のアームのうちの少なくとも１つは、調整可能比スプリッタの分割比を調整するように構成された位相変調器を備える。

強度変調器は、１つ又は複数の非対称ビームスプリッタ、例えば、マッハ−ツェンダー干渉計（ＭＺＩ）出力における１つの非対称ビームスプリッタとＭＺＩ入力における１つの５０：５０ビームスプリッタ、ＭＺＩ出力における１つの非対称ビームスプリッタとＭＺＩ入力における１つの非対称ビームスプリッタ、又はＭＺＩ入力における１つの可変比ビームスプリッタとＭＺＩ出力における１つの可変比ビームスプリッタ（variable-ratio beam splitter）とを備えるＭＺＩを使用して、実施可能である。干渉計は、小型化されたオン−チップバージョンで実施されてよい。

第１の要素は、入力光パルスを２つの成分に分割するように構成されたスプリッタを備えてよく、この２つの成分は空間的に分離される。

第１の要素は、偏光コントローラと、入力光パルスを２つの成分に分割するように構成された偏光ビームスプリッタとを備えてよく、この２つの成分は異なる偏光を有する。

第２の要素は偏光ビームスプリッタを備えてよく、第２の偏光コントローラと、第２の偏光ビームスプリッタとをさらに備えてよい。

第１の要素は、第１の偏光コントローラと、入力光パルスを２つの成分に分割するように構成された、偏光維持ファイバとシングルモードファイバとの間のインターフェースとを備えてよく、この２つの成分は異なる偏光を有する。

第２の要素はファイバインターフェースを備えてよく、第２の偏光コントローラと、偏光ビームスプリッタとをさらに備えてよい。

光子源ユニットはパルスレーザを備えてよく、第１の強度は、ゲインスイッチレーザ（gain switched laser）の「オン」状態に対応し、第２の強度は、このレーザの「オフ」状態に対応する。

光子源ユニットは、レーザと、第２の強度変調器とを備え、この第２の強度変調器は対称であり、第２の強度は、第２の強度変調器の最小透過状態に対応する。

第１の要素の少なくとも一部は、第２の要素の少なくとも一部も形成してよい。例えば、非対称ビームスプリッタは、第１の要素と第２の要素の両方を形成してよい。

送信機構成要素のうちの１つ又は複数は、フォトニックチップ上に集積されてよい。

１つ又は複数の固定低消光比強度変調器又は可変消光比強度変調器は、例えば、パルスレーザと直列に結合されてもよいし、１つ又は複数の標準的な強度変調器及びパルスレーザと結合されてもよいし、少なくとも２つの強度レベルを出力する任意の光子源ユニットと結合されてもよい。

送信機は、低消光比強度変調器を、例えば、１つもしくは複数の他の強度変調器と組み合わせて使用してもよいし、ゲインスイッチレーザと組み合わせて使用してもよい。

上記量子送信機を備え、受信機をさらに備える量子通信システムもまた提供され得る。この量子通信システムは、第２の量子送信機をさらに備えてよい。

強度変調された光子パルスを生成する方法であって、
光子源を備える光子源ユニットにおいて、光パルスを生成することと、
第１の強度変調器において、光子源ユニットから入力光パルスを受信することと、
第１の強度変調器内の第１の要素において、入力光パルスを２つの成分に分割することと、
第１の強度変調器内の位相変調器において、２つの成分間に位相シフトを適用することと、
第１の強度変調器内の第２の要素において、２つの成分を干渉させることと、
を備え、第１の要素及び第２の要素のうちの少なくとも１つが非対称である、方法が提供される。

ＱＫＤプロトコル、例えばデコイ状態を使用するＱＫＤプロトコルは、複数の強度レベルを有する光パルスを使用してよい。例えば、デコイ状態ベースのＱＫＤプロトコルは、２つ又は３つの強度レベルを使用してよい。

デコイ状態ＱＫＤプロトコルでは、異なる強度をもつ安全に受信されたパルスの数を測定することによって関係者が盗聴者の存在を決定することを可能にする、異なる強度をもつ光子パルスが送信される。例えば、デコイ状態ＢＢ８４プロトコルは、３つの異なる強度をもつ光パルス、すなわち、信号パルス、デコイパルス、及び真空パルスを生成することに依拠する。例えば、デコイ状態ＢＢ８４プロトコルの場合、パルスの１％は真空パルスであってよく、パルスの２％はデコイパルスであってよく、パルスの９７％は信号パルスであってよく、例えば、以下の強度レベル、すなわち、Ｉ₁＝０．５（信号）、Ｉ₂＝０．１（デコイ）、及びＩ₃＜１０^-4（真空）が使用されてよい（光子／パルスで表現される）。各生成されたパルスに対して、アリスは、上記の分布に従って、強度をランダムに選択する。受信機において、ボブは、自分が各パルスを検出した時間を記録する。次いで、アリスは、自分がデコイパルスを送信した時間をボブに告げる。ボブがパルスを検出した時間に基づいて、アリスとボブは、イブによって誤りが導入されたかどうかを決定することができる。

そのようなシステムは、３つの異なる強度をもつ光パルス（信号パルス、デコイパルス、及び真空パルス）を生成することが可能な送信機を使用する。３つ（又はそれ以上）の強度レベルの準備は、例えば、以下で説明されるように、１つもしくは複数の強度変調器に対する３つの異なる駆動電圧を使用してなされてもよいし、レーザのゲインを変調することによってなされてもよい。

例えば、パルスレーザは、以下のように、異なる強度レベルを生成するために使用されてよい。レーザは、図１に示されるものなど、駆動電流信号で直接的に変調されてよい。図１は、出力レーザパワーと駆動電流のグラフを示す。駆動電流信号は、発振閾値（図１における水平線によって示される）よりも上（図１における点Ａに対応する）及び下（図１における点Ｂに対応する）にレーザを繰り返し設定するために印加されてよい。言い換えれば、レーザは、安定した様式で高いコントラストをもつ２つの強度レベルを生成するために、オン（閾値よりも上）及びオフ（閾値よりも下）にスイッチングされてよい。レーザがオンである（点Ａ）とき、生成されたパルスは多数の光子を含み、レーザがオフである（点Ｂ）とき、生成されたパルスはゼロに近い光子を含む（これは、真空状態に相当する）。実際の数はレーザの消光比に依存し、これは、例えば、７０ｄＢであってよい（すなわち、レーザが閾値よりも上であるときに放射される光子が平均値で１０⁷個である場合、閾値よりも下にあるときに平均値で１個の光子がある）。強度の差は、誘導放射（閾値よりも上）と自然放射（閾値よりも下）との差に依存する。ＱＫＤシステムでは、強い減衰器が含まれてもよく（例えば７０ｄＢ）、これは、閾値よりも上で放射されたパルスは、平均で１０⁷個から１個の光子（これは、信号パルス「ｕ」である）になり、閾値よりも下で放射されたパルスは、平均で１個から１０^-7個になる（これは、真空パルス「ｗ」である）ことを意味する。レーザがオン及びオフであるときに生成されるパルスの光レベルは、高いコントラストを有する。したがって、各パルス放射時間に対して、電流はレベルＡ又はＢに設定され、多光子強度レベル又はゼロに近い光子強度レベルをもつパルスが生成される。放射時間の間（パルス間）では、電流はレベルＢのままである。

３つの強度レベルを生成するために、パルスレーザは、３つの（２つではなく）異なる電流レベルで駆動されてよい。このオプションは、図１（ｂ）に示されている。ここでは、点Ａよりも閾値電流に近い第３の点（点Ｆ）がある。これは、点Ａで生成された強度（すなわち出力パワー）よりも低い、生成された強度に対応する。したがって、各パルス放射時間に対して、電流は、レベルＡ、Ｆ、又はＢに設定され、多光子強度レベル（Ａ、信号レベルに対応する）、減少された光子強度レベル（Ｆ、デコイレベルに対応する）、又はゼロに近い光子強度レベル（Ｂ、真空レベルに対応する）をもつパルスが生成される。しかしながら、点Ｆは必然的にレーザ閾値に近いので、点Ｆでレーザによって放射された光は「純粋」でない、すなわち、その光は、スペクトル及び時間プロファイルにおいて、点Ａで放射された光と異なる。これは、ＱＫＤシステムのセキュリティを損なうことがある。

代替として、バランスのとれた対称マッハ−ツェンダー干渉計（ＭＺＩ）を備える強度変調器が、以下のように、異なる強度レベルを生成するために使用されてよい。電圧制御された位相変調器が、干渉計アームのうちの少なくとも１つの中に設置されてよい。ＭＺＩの１つのアーム上で位相を制御することによって、強度変調器によって放射される透過を制御することが可能である。例えば、連続波レーザの後にＭＺＩベースの強度変調器を置くことによって、強度変調器の駆動電圧（これは位相を制御する）に対して作用することによって放射された強度を変調することが可能である。強度変調器の駆動電圧の関数として、そのような強度変調器の透過曲線が図２に示されている。水平軸上での電圧は、点Ｃ及び点Ｄのいずれかに設定される。これらの点は、最大透過（Ｃ）及び最大減衰（Ｄ）に対応し、したがって、２つの異なる出力強度レベルに対応する。印加される電圧（水平軸）の変動は、透過（垂直軸）の小さな変動のみを伴うので、点Ｃと点Ｄの両方は、透過曲線の平坦な領域に対応し、したがって安定している。したがって、連続波レーザとともにマッハ−ツェンダーベースの干渉計を使用して、安定した手段で２つの強度レベルを生成することが可能である。点ＣとＤとの垂直距離は、強度変調器の消光比Ｅ_CD＝１に対応し、放射されたパルスの２つの強度レベル間のコントラストを決定する。強度変調器の消光比は固定される。消光比は、後で定義される。

３つの強度レベルを生成するために、例えば、Ｄに対応する強度とＣに対応する強度との間の状態が生成され得る。対応する点は、図２（ｂ）において点Ｅとして示されている。この点は、透過が電圧に対して線形である領域内にあり、したがって、電圧の変動は、透過において正確に再現される。したがって、この強度レベルは安定でない（安定している、図の点Ｃ及びＤとは反対に）。第３のレベル（点Ｅ）は常に、透過曲線の線形領域内に入るか又はこの領域に近いので、安定した様式で３つの状態すべてを準備することは可能でないことが容易にわかる。第３の強度レベルの不安定性は、ＱＫＤに対するセキュリティリスクをもたらす。例えば、第３の強度が３０％超変動するＱＫＤシステムは、この問題のために、非セキュアとみなされる。さらに、そのような大きな変動は、システムの効率に影響を与え得る。

代替として、図２に関連して論じられる強度変調器は、レーザ上の点Ａと強度変調器上の点Ｃを組み合わせること（信号パルス）によって、レーザ上の点Ａと強度変調器上の点Ｄを組み合わせること（デコイパルス）によって、又は、残りの組み合わせＢ−ＣもしくはＢ−Ｄ（両方ともゼロに近い出力強度を提供する、すなわち真空パルス）によって、安定した様式で強度の３つのレベルを生成するために、図１に関連して論じられるパルスレーザとともに使用されてよい。これらの状態間の強度の差は、強度変調器の消光比（＝１）によって決定される。最高強度は、組み合わせＡＣによって達成される。組み合わせＡＤは、組み合わせＡＣから取得される出力強度のＸ_ER倍である出力強度を提供し、Ｘ_ERは、強度変調器の消光比ＥＲの関数である。

ゼロに近い強度は、組み合わせＢＣ及びＢＤに対して放射される（ＢＣに対する透過はＢＤに対するものより高いが、レーザによって最初に放射される光（閾値を下回る）は常にゼロに近い）。したがって、これらの状態は安定しているが、強度レベルは、高いコントラストであり、強度変調器の１という消光比によって設定される。

異なる強度状態を生成するためにパルスレーザが使用される第１のケースに関して、減衰器も含まれる。減衰器は、強度変調器の前に含まれてもよいし、強度変調器の後に含まれてもよいが、両方のケースにおいて、量子透過チャネルの前に含まれる。

真空状態は、多くの場合、性能にとって重要ではなく、したがって、あるいは、デコイ状態プロトコルは、２つの状態、すなわちデコイ状態及び信号状態のみで実施されてよい。図１及び図２に示されるシステムは、一貫した安定した様式で２つの異なる強度レベルを生じさせることができるが、強度レベルは最大強度差を有する。デコイ状態プロトコルを含む多数の適用例では、強度レベルが強度に関してより近い、例えば、４ｄＢ又は６ｄＢの差があることが望ましい場合がある。上記で３つ以上の強度レベルのケースに関して説明してきたように、そのような強度差は、例えば、図１（ｂ）における点Ｆ（異なる強度パルス間でスペクトル及び時間プロファイルにおける差を引き起こし得る）を使用して生成されてもよいし、図２（ｂ）における点Ｅ（不安定性を引き起こし得る）を使用して生成されてもよい。

非対称要素を備える第１の強度変調器を備える光子源ユニットは、低いコントラストの、安定した強度状態を生成するために使用されてよい。強度の少なくとも１つの低コントラストペアを含む２つ以上の異なる強度をもつ光パルスの安定した生成が達成可能である。例えば、これらの要素を備える送信機は、デコイ状態ＱＫＤシステムに使用される、以下の強度レベル（光子／パルスで表現される）を、安定して準備することができる。
Ｉ₁＝０．５（信号）、Ｉ₂＝０．１２５（デコイ）、及び任意選択で、Ｉ₃＜１０^-4（真空）
これらの状態の準備は、６ｄＢ（すなわち、１／４）消光比をもつ強度変調器を使用する。

非対称要素を備える第１の強度変調器を備える光子源ユニットは、低い変動をもち、対応する周波数及び時間プロファイルをもつ強度状態を出力し、したがって、システムのセキュリティを改善するために使用可能である。

図３（ａ）は、量子通信システムのための送信機の一例を示す。送信機は、光子源を備える光子源ユニット１を備える。光子源ユニット１は、第１の強度と第２の強度とを有する光パルスを放射するように構成され、第２の強度は第１の強度よりも低い。この例では、光子源はパルスレーザであり、第１の強度はオン状態に対応し、第２の強度はオフ状態に対応する。しかしながら、代替として、光子源はＣＷレーザであってもよく、光子源ユニット１は強度変調器を備えてもよい。光子源ユニット１の構成は、図５に関連してより詳細に論じられる。

送信機は、光子源ユニット１から入力光パルスを受信するように構成された第１の強度変調器をさらに備える。第１の強度変調器は、マッハ−ツェンダー干渉計に基づく。第１の強度変調器は、第１の要素２（入力要素とも呼ばれる）を備える。第１の要素２は、入力光パルスを２つの成分に分割するように構成され、１つの成分は第１の出力ポートを通って出て、１つの成分は第２の出力ポートを通って出る。第１の要素２は対称（すなわち５０：５０）ビームスプリッタであり、したがって、２つの成分の強度は等しい。

強度変調器は、２つのアーム、すなわち第１のアーム５と第２のアーム６とを備える。第２のアーム６は、位相変調器３を備える。位相変調器は、２つのアーム間に位相シフトを適用するように構成される。干渉計はバランスがとれている。すなわち、位相変調器３によって適用される位相差が、２つのアーム内の２つの成分間に適用される唯一の位相差となるように、両方のアームの光路長は同じである。

第１の強度変調器は、第２の要素４（出力要素とも呼ばれる）をさらに備え、第２の要素４は非対称ビームスプリッタである。第１のアーム５は、入力要素２の第１の出力ポートを出力要素４の第１の入力ポートに結合し、第２のアーム６は、位相変調器３を介して、入力要素２の第２の出力ポートを出力要素４の第２の入力ポートに結合する。出力要素は、第１の出力ポート（ｒとラベルされる）と、第２の出力ポート（ｔとラベルされる）とを有する。第２の要素４は、２つの成分を干渉させるように構成され、この２つの成分は、第２の要素４で再結合される。本明細書全体を通じて、係数ｒ及びｔが参照され、これらは、プリズム又はハーフミラーベースのビームスプリッタ設計に対する反射率計数及び透過率係数に対応する。しかしながら、ビームスプリッタは、例えば、ファイバベースのカプラ（又は何らかの他の設計）によって実施されてよく、その場合、反射光と透過光との差異は必要ではなく、例えば、「ｔ」及び「ｒ」は、ポート１及びポート２から現れる光に単純に対応する。

第１の強度変調器は低消光比強度変調器であり、非対称ビームスプリッタを使用する。この明細書では、低消光比は、０．９（すなわち最大ＥＲの９０％）以下の消光比を意味する。したがって、この例における第１の強度変調器は、５０：５０の入力ビームスプリッタ２と、ｒ²＋ｔ²＝１、及びｒ≠ｔ（対称ビームスプリッタの場合はｒ＝ｔ＝１／√２であり、非対称ビームスプリッタの場合はｒ≠ｔである）である反射係数及び透過係数ｒ、ｔ≦１を有する出力ビームスプリッタ４とを備えるマッハ−ツェンダー干渉計を備える。例えば、ｒ≠０及びｔ≠０、すなわち、ビームスプリッタは、部分的に非対称なビームスプリッタである。したがって、強度Ｉを有する単一の光パルスが、出力ビームスプリッタの入力のうちの１つに入力されるとき、一方のポートからの強度出力は、入力強度Ｉの｜ｒ｜²倍であり、他方のポートからの強度出力は、入力強度の｜ｔ｜²倍である。

出力ビームスプリッタ４は非対称ビームスプリッタであるので、単一の多光子光パルスがビームスプリッタ４の入力ポートのうちの１つに入力されるとき、第１の成分（第１の出力ポートを通る出力）の強度は、第２の成分（第２の出力ポートを通る出力）の強度に等しくない。したがって、出力ビームスプリッタ４は、１よりも小さい分割比を有し、ここで、分割比は、第１の出力ポートを通って出力される成分と第２の出力ポートを通って出力される成分との比である。

位相変調は、出力ビームスプリッタ４によって出力される強度の変調に対応する。図３（ｂ）は、出力ビームスプリッタの各出力ポートに対応する透過曲線を示し、電圧（水平軸上の）は位相θに対応する。透過曲線は両方とも、０．５の透過値を中心とする。出力ビームスプリッタ４の第１のポートにおける出力強度（図ではｒとラベルされ、破線で示される）は、入力要素２に入力される光パルスの強度に（１＋２ｒｔｃｏｓθ）／２を乗算したものに対応し、出力ビームスプリッタ４の第２のポートにおける出力強度（図ではｔとラベルされ、実線で示される）は、入力要素２に入力される光パルスの強度に（１−２ｒｔｃｏｓθ）／２を乗算したものに対応する。したがって、強度変調器の２つの出力ポートの透過係数はそれぞれ、（１＋２ｒｔｃｏｓθ）／２及び（１−２ｒｔｃｏｓθ）／２である。

強度変調器の消光比ＥＲは、係数ｒ及びｔに依存する。消光比ＥＲは、
ＥＲ＝（ｍａｘ−ｍｉｎ）／（ｍａｘ＋ｍｉｎ）
と定義され、ここで、ｍａｘは、１つのポートを通る最大強度出力であり、ｍｉｎは、そのポートを通る最小強度出力である。このケースでは、ｍａｘはｃｏｓθ＝１の場合に得られ、ｍｉｎはｃｏｓθ＝−１の場合に得られ、したがって、ＥＲ＝２ｒｔである。

例えば、ｒ＝０及びｔ＝１の場合、ＥＲ＝０（完全に非対称）であり、ｒ＝ｔ＝１／√２の場合、ＥＲ＝１（対称）である。

例えば０．２５の消光比（６ｄＢに対応する）を得て、最大Ｉ₁＝０．５（信号）と最小Ｉ₂＝０．１２５（デコイ）を生じさせるために、例えば、ｒ＝０．１２６及びｔ＝０．９９６又はｒ＝０．９６６及びｔ＝０．１２６（部分的に非対称）であるビームスプリッタが使用されてよい。別の例では、ｒ＝√０．８＝０．９、ｔ＝√０．２＝０．４５、及びＥＲ＝２√０．１６＝０．８（部分的に非対称）である。

動作中、パルス光源１は、第１の強度（パルスレーザに対してオン−図１の点Ａ）又は第２の強度（パルスレーザに対してオフ、図２の点Ｂ）を有するパルスを周期的に生成する。パルスは、強度変調器に入力される。強度変調器の第２の出力ｔからのパルス出力は、例えば、量子通信に使用されてよい。位相変調器３に印加される電圧は、各入力光パルスに対して、点Ｃ又は点Ｄに対応する電圧に制御される。３つの出力強度は、ＡとＣ（信号）、ＡとＤ（デコイ）、ＢとＣ又はＢとＤのいずれか（真空）という組み合わせに対応する。位相変調器３は、第２の要素４における弱め合う干渉（Ｄ）に対応する第１の設定を備え、入力光パルスが第１の強度を有する（オン）場合、位相変調器３が第１の設定を有するときに、第２の要素４の１つの出力における出力光パルスは第３の強度を有し、この第３の強度（デコイ）は、第１の強度（オン）よりも小さく、第２の強度（オフ−真空）よりも大きい。位相変調器３は、第２の要素４における強め合う干渉（Ｃ）に対応する第２の設定をさらに備え、入力光パルスが第１の強度を有する（オン）場合、位相変調器３が第２の設定を有するときに、第２の要素の出力における出力光パルスは第４の強度（信号）を有し、この第４の強度（信号）は、第３の強度（デコイ）よりも大きく、第１の強度（オン）よりも小さい。

代替として又は追加して、他の出力からのパルス出力が使用されてよい。このケースでは、入力光パルスが第１の強度（オン）を有する場合、位相変調器３が第１の設定を有するときに、第２の要素４の第１の出力（ｒ）における出力光パルスは第４の強度（信号）を有し、位相変調器３が第２の設定を有するときに、第２の要素４の出力における出力光パルスは第３の強度（デコイ）を有する。

構成要素は、光ファイバなどの導波路を使用して接続されてよい。代替として、システムは、自由空間光通信を用いて実施されてもよい。したがって、強度変調器のアーム及び構成要素間の接続は、ファイバにより結合されたビームスプリッタを含む光ファイバを備える場合がある。代替として、ハーフミラーなどの自由空間ビームスプリッタが使用されてもよい。位相変調器３は、導波路の一部を加熱する抵抗加熱器を備えてよい。代替として、位相変調器は、電気光学効果を示す材料を備えてよく、それによって、材料上に電界を印加することによって位相変化が実現可能である。例えば、位相変調器は、屈折率が電界強度の関数である、ＬｉＮｂＯ₃水晶などの、導波路の一部を置き換える水晶を備えてよい。光子源ユニットは、半導体レーザダイオードを備えてよい。代替として、レーザは、ファイバレーザであってもよいし、固体レーザであってもよい。連続波レーザ（例えば、１５５０ｎｍ又は１３１０ｎｍ波長レーザ）が使用されてもよいし、パルスレーザ（例えば、分布帰還レーザ）が使用されてもよい。

説明される送信機では、対称入力要素２及び非対称出力要素４が使用されるが、代替として、非対称入力要素２及び対称出力要素４が使用されてもよい。このケースでは、図３（ｂ）に示される同じ透過曲線が生成される。

説明される送信機では、非対称ビームスプリッタ４が出力要素として使用されてきたが、代替として、第１の強度変調器は、対称入力ビームスプリッタと、対称出力ビームスプリッタと、干渉計アームのうちの１つの中に置かれた振幅減衰要素とを備えてよい。振幅減衰要素は、例えば、固定されてよい。このケースでは、第１の要素は、振幅減衰要素とともに、対称ビームスプリッタを備えてよい。これらの構成要素はともに、非対称入力要素を形成し、ともに、入力光パルスを、等しくない強度をもつ２つの成分に分割するように構成される。この第２の要素は対称ビームスプリッタを備え、この対称ビームスプリッタは、２つの成分を干渉させるように構成される。例えば、振幅減衰要素が位相変調器の後に置かれた場合、第１の要素は代わりに、対称入力ビームスプリッタを備え、第２の要素は非対称であり、対称出力ビームスプリッタと、振幅減衰要素とを備える。結果として生じる強度変調器は、図３に関連して説明された様式と同じ様式で機能する。

上記の送信機及び以下で説明される送信機では、高強度光パルスが最初にレーザから放射される。減衰器は、例えば、ＢＢ８４などのプロトコルの場合、平均強度がパルスあたり１光子未満となるように、強度を減少させるために含まれる。他の強度が使用されてもよい（例えば、連続変数ベースのプロトコルの場合、より高い強度が使用されることがある）。レーザからの光は、量子透過チャネルに到達する前に減衰され、したがって、減衰器は、例えば、強度変調器の前に置かれてもよいし、その後に置かれてもよい。

上記の送信機及び以下で説明される送信機では、３つ以上の強度レベルの生成が説明される（例えば、真空状態、デコイ状態、及び信号状態）。しかしながら、あるいは、システムは、２つの強度レベル（例えば、デコイ状態及び信号状態）のみを生成するために使用されてもよい。例えば、強度レベルの差は、６ｄＢよりも小さくてよい。

図４（ａ）は、量子通信システムのための別の送信機の一例を示す。図４（ａ）の送信機は、強度変調器が、非対称出力要素４に加えて、非対称入力要素２も備えることを除いて、図３（ａ）の送信機と同じである。すでに図３（ａ）に関連して説明された要素の説明は省略される。

第１の要素２は、入力光パルスを２つの成分に分割するように構成され、１つの成分は第１の出力ポートを通って出、１つの成分は第２の出力ポートを通って出る。第１の要素２は非対称ビームスプリッタであり、したがって、２つの成分の強度は等しくない。入力ビームスプリッタ２は、反射係数と透過係数とｒ、ｔ≦１を有し、ここで、ｒ²＋ｔ²＝１、及びｒ≠ｔである。したがって、入力ビームスプリッタ２は、１よりも小さい分割比を有し、ここで、分割比は、第１の出力ポートを通って出力される成分と第２の出力ポートを通って出力される成分との比である。例えば、ｒ≠０及びｔ≠０であり、すなわち、ビームスプリッタは、部分的に非対称なビームスプリッタである。

この例では、入力ビームスプリッタと出力ビームスプリッタは同一であり、同じ係数ｒとｔとを有する。位相変調は、出力ビームスプリッタ４によって出力される強度の変調に対応する。図４（ｂ）は、出力ビームスプリッタ４の各出力ポートに対応する透過曲線を示し、電圧（水平軸上の）は位相θに対応する。出力ビームスプリッタ４の第１のポートにおける出力強度（図ではｒとラベルされ、破線に対応する）は、入力要素２に入力される光パルスの強度にｒ⁴＋ｔ⁴＋２ｒ²ｔ²ｃｏｓθを乗算したものに対応し、出力ビームスプリッタ４の第２のポートにおける出力強度（図ではｔとラベルされ、実線に対応する）は、入力要素２に入力される光パルスの強度に２ｒ²ｔ²（１−ｃｏｓθ）を乗算したものに対応する。したがって、強度変調器の２つの出力ポートの透過係数はそれぞれ、ｒ⁴＋ｔ⁴＋２ｒ²ｔ²ｃｏｓθ及び２ｒ²ｔ²（１−ｃｏｓθ）である。

消光比は、ｒ及びｔの値に依存する。第１の出力ｒの場合、消光比は
ＥＲ＝２ｒ²ｔ²／（ｒ⁴＋ｔ⁴)
である。

ＥＲ＝０．５（３ｄＢ）を得るためには、ｒ＝０．８８８及びｔ＝０．４６、又はｒ＝０．４６及びｔ＝０．８８８（部分的に非対称）である。

上部の透過曲線（第１の出力ｒ、すなわち、図の出力ビームスプリッタ４の上部ポートに対応する破線曲線）は、最大透過値である１に到達する。これは、出力ポートのうちの１つに対してゼロの挿入損失が得られることを意味する。このケースでは、透過曲線は、異なる透過値を中心とする。

第１の出力（ｒ）を考えると、３つの出力強度は、ＡとＤ（信号）、ＡとＣ（デコイ）、及びＢとＣ又はＢとＤのいずれか（真空）という組み合わせに対応する。第２の要素４における強め合う干渉（Ｃ）に対応する位相変調器３の第２の設定の場合、入力光パルスが第１の強度（オン）を有するときに、第２の要素４の１つの出力における出力光パルスは第３の強度を有し、この第３の強度（デコイ）は、第１の強度（オン）よりも小さく、第２の強度（オフ−真空）よりも大きい。第２の要素４における弱め合う干渉（Ｄ）に対応する第１の設定の場合、入力光パルスが第１の強度（オン）を有するときに、第２の要素の出力における出力光パルスは第４の強度（信号）を有し、この第４の強度（信号）は、第３の強度（デコイ）よりも大きく、第１の強度（オン）に等しい（ファイバ内での小さい損失を考慮に入れれば、であるが、この損失は実際には強度に対して大きな影響をもたず、したがって、本明細書では考慮に入れられない）。

代替として又は追加して、他の出力からのパルス出力が使用されてよい。このケースでは、入力光パルスが第１の強度（オン）を有する場合、位相変調器３が第２の設定（Ｃ）を有するときに、第２の要素４の出力における出力光パルスは第５の強度を有し、この第５の強度は、第２の強度（オフ）よりも大きく、第３の強度（デコイ）よりも小さい。位相変調器３が第１の設定（Ｄ）を有するときに、第２の要素４の出力における出力光パルスは第６の強度（オフ）を有する。

このケースでは、入力ビームスプリッタ２と出力ビームスプリッタ４は、同じ係数ｒとｔとを、したがって、同じ量の非対称性を有し、代替として、異なる係数をもつビームスプリッタが使用されてよい。

図５（ａ）は、レーザダイオード（ＬＤ）例えばパルスレーザダイオードと直列に結合された、図４（ａ）に関連して説明されたものなどの第１の強度変調器（ＩＭ＊）と、第２の強度変調器（ＩＭ）とを示し、この第２の強度変調器は対称である（すなわち、例えば図２に関連して説明されたものなど）。そのようなシステムが、デコイ状態ＱＫＤを実施するために使用されてよい。このシステムでは、光子源ユニット１は、レーザと、対称強度変調器とを備える。

そのようなシステムでは、３つの状態すべて（デコイ状態を含む）が、両方の強度変調器の透過曲線の最大値又は最小値に対応する電圧から取得され、それらを、印加電圧の変動に対してより弾力的にするので、高い安定性をもつデコイ状態ＱＫＤに対する３つの強度（信号、デコイ、真空）を準備することが可能である。

図は、第２の強度変調器ＩＭ及び第１の強度変調器ＩＭ＊（このケースでは、図４（ａ）の第１の強度変調器に対応する）に対する透過曲線を示す。

信号パルスに対応する出力光パルスを得るために、第１の電圧Ｖ^s,d ₁が、最大透過（又は最小減衰）に対応する強度変調器に印加される。第２の電圧Ｖ^s ₂が、同じく第１の出力ポートｒを通る最大透過に対応する（及び、第１の設定Ｄに対応する）強度変調器ＩＭ＊に印加される。両方の強度変調器がゼロの固有挿入損失を有するので、出力信号パルスは、（例えば、ファイバ内での信号損失を考慮に入れて）強度変調器に入力された光と同じ強度を有するべきである。結果として生じる強度が第４の強度である。

デコイパルスに対応する出力光パルスを得るために、第１の電圧Ｖ^s,d ₁が、最大透過に対応する強度変調器に印加される。第２の電圧Ｖ^d,w ₂が、（第２の設定Ｃに対応する）第１の出力ポートｒを通る最小透過に対応する強度変調器ＩＭ＊に印加される。結果として生じる強度が第３の強度である。

真空パルスに対応する出力光パルスを得るために、第１の電圧Ｖ^w ₁が、最小透過（又は最大減衰）に対応する強度変調器に印加される。第２の電圧Ｖ^d,w ₂が、強度変調器ＩＭ＊に印加される。結果として生じる強度が第２の強度である。

これらの電圧の組み合わせを印加することによって、すべての状態は、透過曲線の最も平坦な、すなわち、最も安定した領域を使用して準備され得る。

光子源ユニットは、強度変調器とともに、連続波レーザを備えてよい。これは、パルスレーザに等しいとみなすことが可能である。

図５（ｂ）は、強度変調器ＩＭ＊がレーザ例えばスレーブパルスレーザに直接的に結合されたケースを示す。これは、デコイ状態ＱＫＤにも使用可能である。このケースでは、レーザシーディングが使用され、言い換えれば、光子源ユニットは、マスタレーザと、スレーブレーザとを備える。

図は、スレーブレーザのための放射と、強度変調器ＩＭ＊（このケースでは、図４（ａ）の第１の強度変調器に対応する）のための透過曲線とを示す。

信号パルスに対応する出力光パルスを得るために、第１の電圧Ｉ^s,d ₁が、最大放射（設定Ａ）に対応するスレーブレーザに印加される。第２の電圧Ｖ^s ₂が、第１の出力ポートｒを通る最大透過（及び第１の設定Ｄ）に対応する強度変調器ＩＭ＊に印加される。強度変調器はゼロの固有挿入損失を有するので、出力信号パルスは、（例えば、ファイバ内での信号損失を考慮に入れて）強度変調器に入力された光と同じ強度を有するべきである。結果として生じる強度が第４の強度である。

デコイパルスに対応する出力光パルスを得るために、第１の電流Ｉ^s,d ₁が、最大放射に対応するスレーブレーザに印加される。第２の電圧Ｖ^d,w ₂が、第１の出力ポートｒを通る最小透過（及び第２の設定Ｃ）に対応する強度変調器ＩＭ＊に印加される。結果として生じる強度が第３の強度である。

真空パルスに対応する出力光パルスを得るために、第１の電圧Ｖ^w ₁が、最小放射に対応するスレーブレーザに印加される。第２の電圧Ｖ^d,w ₂が、強度変調器ＩＭ＊に印加される。結果として生じる強度が第２の強度である。

これらの駆動電流と電圧とを印加することによって、すべての状態が、安定した様式で準備され得る。安定性は、透過曲線の最大値／最小値と、レーザのためのオン状態又はオフ状態（すなわち、閾値よりも上又は下）とを使用することに由来する。

例えば、上記で説明されたシステムは、光ファイバ構成要素を使用して実施されてよい。しかしながら、代替として、強度変調器は、チップ上で実施されてもよい。これは、チップの小さいサイズにより、位相雑音又はドリフトを減少させる。具体的には、チップの小さいサイズにより、干渉計の２つのアームが、同じ温度と同じ位相符号化とを経験する。固定比及び可変比（又は調整可能比）干渉計が使用されるチップベースの実装形態は、以下で説明される。可変比ビームスプリッタも、ファイバベースの光学部品を使用して、例えば、以下で図１０において説明される偏光に基づいたサニャック干渉計（偏光を回転させることによって、ビームスプリッタの分割比が効果的に変化させられる）を使用して、実現可能である。

固定比干渉計では、ビームスプリッタの分割比は固定される。例えば、図６は、フォトニックチップ上に集積された５０：５０ビームスプリッタ、すなわち導波路の概略図である。これは、２つの等しい出力経路を入力経路から切り分けることによって実現される方向性カプラである。このビームスプリッタは、チップ上で実施されるとき、例えば図３（ａ）に関連して説明されるものなどの強度変調器において（例えば、対称入力要素として）使用されてよい。

方向性カプラを適切に設計することによって、又はＭＭＩ（マルチモード干渉）を使用することによって、任意の固定分割比が容易に作成可能である。例えば、これは、導波路内の経路間の距離、又は経路の長さ、又は他の特徴を変化させることによってなされてよい。そのようなカプラは、チップ上で実施されるとき、例えば図３及び図４に関連して説明されるものなどの強度変調器において使用されてよい（すなわち、非対称ビームスプリッタとして）。これらの種類の方向性カプラは、狭帯域であるが、製作しやすい。ＭＭＩベースの実装形態は、広帯域である。デバイスが製作される前に、特定の固定分割比が決定され、変動性が望ましくない場合、選択された分割比をもつ、図６の構成が製作可能である。そのようなカプラは、小さいサイズとともに製作されてよい。

可変比に関して、図７は、２つの集積された位相変調器１１及び１２をもつマッハ−ツェンダー干渉計設計を使用して実現された調整可能比ビームスプリッタの概略図を示す。ビームスプリッタの値ｒ及びｔ（各出力における係数に対応する）は、位相変調器の相対位相Δφ＝φ−φ’に依存する。例えば、Δφ＝０の場合、ｒ＝１及びｔ＝０であるが、Δφ＝πの場合、ｒ＝０及びｔ＝１である。高速位相変調器は、例えば、ＧＨｚ及びそれを上回って、使用されてよい。２つの位相変調器が示されているが、１つの位相変調器で十分であろう。ここでは、単に２つのアーム上での損失を等化するために、２つの同一の位相変調器が使用される。

ビームスプリッタの係数ｒ及びｔは、（位相変調器の位相を変化させることによって）可変である。そのようなビームスプリッタのうちの１つ又は複数を使用することによって、可変消光比強度変調器が製作されてよい。次いで、消光比は、各実装形態の特定の要件に応じて調整可能である。そのような強度変調器は、例えば図８に示されるように、チップ上で実施されてよい。第１の要素（入力要素２）は可変ビームスプリッタであり、第２の要素（出力要素４）も可変ビームスプリッタである。ビームスプリッタはＭＺＩをともに形成し、位相変調器３は、アームのうちの１つの上に配置される。図８の強度変調器は、例えば、図３及び図４に関連して説明される強度変調器の代わりに使用されてよく、係数ｒ及びｔは、各可変ビームスプリッタ内の位相変調器によって設定される。

例えば、オンチップ実装に使用される位相変調器は、例えば、Ｐ−Ｉ−Ｎ構造に基づいて導波路内に配置された、「キャリア注入」（ＣＩ）又は「量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）進行波」ベースの変調器であってよい。両方のケースにおいて、位相変調は、電圧の印加によって導波路のセクションに適用される。両方のケースでは、チップは、アクティブ材料、例えば、電子状態が励起可能な、アクティブ媒体を備える半導体ヘテロ構造（例えば、量子井戸、複数の量子井戸、量子ドットの層など）を使用して製作されてよい。加えて、アクティブ層を囲むさらなる層が、過剰な正電荷（Ｐ）又は負電荷（Ｎ）を用いてドープされる。フォトニック集積のための材料としては、限定するものではないが、例えば、インジウムリン、ガリウム砒素、窒化ガリウムなどのＩＩＩ−Ｖ材料がある。

前者のケースでは、位相変調は、キャリア密度、すなわち、導波路のセクション内の伝導帯内の自由電子の密度を変調することによって達成される。導波路のセクションの上のＰＩＮ接合に順バイアスを印加することは、導波路内で自由キャリア（及びしたがって電流）を生成し、したがって、導波路のセクションの実効屈折率を修正する。したがって、「キャリア注入」ベースの位相変調器では、アクティブな導波路セクションの伝導帯が励起される。これは、導波路セクション全体の実効屈折率を修正する。印加される電界に応じて、変調器構造（アクティブなＰ−Ｉ−Ｎ導波路）内の密度が変調されてよい。

ＱＣＳＥベースの変調器では、位相変調は、Ｐ−Ｉ−Ｎ導波路内の実効バンドギャップを変調することによって達成される。Ｐ−Ｉ−Ｎ導波路上で逆バイアスを印加することは、構造の実効ギャップを修正し、これは、進行光のための位相変化をもたらす。逆バイアスがＰ−Ｉ−Ｎ導波路の一端において（他端は接地されたままで）高い周波数（例えば、ＧＨｚ及びそれよりも上）で印加されるとき、ギャップ修正は、変調器（Ｐ−Ｉ−Ｎ導波路）に沿って進行波として伝播する。一般に、Ｐ−Ｉ−Ｎ導波路は、ギャップの摂動が構造内の光パルスと同じスピードで伝播するように設計される。ＱＣＳＥ位相変調器は、ＣＩベースの位相変調器よりも高い周波数で動作可能である。

図９は、量子通信システムのための送信機の一例を示す。図９の送信機は、単一の非対称要素４が入力要素と出力要素の両方として使用され、強度変調器がサニャック干渉計設計を使用することを除いて、図４（ａ）の送信機と同じである。すでに図４（ａ）に関連して説明された要素の説明は省略される。

第１の強度変調器は、光子源ユニット１から入力光パルスを受信するように構成される。第１の強度変調器は要素４を備え、要素４は非対称ビームスプリッタであり、この非対称ビームスプリッタは、入力要素と出力要素の両方である（すなわち、第１の要素は第２の要素も形成する）。

ビームスプリッタ４は、ａと、ｂと、ｃと、ｄとラベルされた４つのポートを備える。第１の「入力」ポートａは、光子源ユニット１に結合される。第２のポートｂ及び第３のポートｃは、導波路によって互いに結合される。第１の「入力」ポートａに入る光パルスは、第２のポートｂと第３のポートｃの間で２つの光パルスに分割され、この２つの光パルスは、導波路に沿って反対方向に進む。したがって、ビームスプリッタ４は、入力光パルスを２つの成分に分割し、１つの成分は第２のポートｂを通って出て、１つの成分は第３のポートｃを通って出る。導波路内に配置された位相変調器３は、２つの成分間に位相シフトを適用するように構成される。位相変調器３は、成分のうちの１つが位相変調器３を通過するが他の成分は通過しない時点に位相シフトが適用され得るように、ループ内のある位置に置かれてよい。具体的には、位相変調器３は、成分間の位相シフトの切り換えが可能であるよう中点から十分離れて置かれてよい。

ビームスプリッタ４は非対称ビームスプリッタであるので、単一の多光子光パルスがビームスプリッタ４の第１のポートａに入力されるとき、第１の成分（第２のポートｂを通る出力）の強度は、第２の成分（第３のポートｃを通る出力）の強度に等しくない。したがって、ビームスプリッタ４は、１以外の分割比を有し、この分割比は、第２のポートｂを通る成分出力と第３のポートｃを通る成分出力との比である。

第２のポートｂからの成分出力は、第３のポートｃに入力され、第３のポートｃからの成分出力は、ビームスプリッタ４の第２のポートｂに入力される。したがって、２つの成分は、ビームスプリッタ４で再結合され、干渉し、その結果、光パルスが第１の「入力」ポートａを出て、光パルスは第４のポートｄを出る。ビームスプリッタ４は非対称ビームスプリッタであるので、単一の多光子光パルスがビームスプリッタ４の第２のポートｂ及び第３のポートｃのうちの１つに入力されるとき、第１の成分（第１のポートａを通る出力）の強度は、第２の成分（第４のポートｄを通る出力）の強度に等しくない。したがって、ビームスプリッタ４は、１以外の分割比を有し、この分割比は、第１のポートａを通る成分出力と第４のポートｄを通る成分出力との比である。これは、上記で説明された分割比（すなわち、第２のポートｂを通る成分出力と第３のポートｃを通る成分出力との比）と同じである。

ビームスプリッタ４は、反射係数及び透過係数ｒ、ｔ≦１を有し、ここで、ｒ²＋ｔ²＝１、及びｒ≠ｔである。したがって、ビームスプリッタは、１以外の分割比を有する。例えば、ｒ≠０及びｔ≠０、すなわち、ビームスプリッタは、部分的に非対称なビームスプリッタである。この場合、入力要素と出力要素の両方が非対称であり、単一の要素である。図９に示される送信機は、固定された非対称の分割比、例えば、ｒ²＝０．７５及びｔ²＝０．２５をもつ、単一のビームスプリッタ４を使用する。

したがって、強度変調器は、位相変調器３とビームスプリッタ４とを備える導波路を備える。位相変調は、ビームスプリッタ４によって出力される強度の変調に対応する。透過曲線は、図４（ｂ）に示される透過曲線と同じである。強度変調器の第４のポートｄにおける出力強度は、強度変調器に入力される光パルスの強度にｒ⁴＋ｔ⁴＋２ｒ²ｔ²ｃｏｓθを乗算したものに対応し、第１の「入力」ポートａにおける出力強度は、入力される光パルスの強度に２ｒ²ｔ²（１−ｃｏｓθ）を乗算したものに対応する。したがって、強度変調器の２つの出力ポートの透過係数はそれぞれ、ｒ⁴＋ｔ⁴＋２ｒ²ｔ²ｃｏｓθ及び２ｒ²ｔ²（１−ｃｏｓθ）である。

消光比は、ｒ及びｔの値に依存する。第４の出力ｄの場合、消光比は
ＥＲ＝２ｒ²ｔ²／（ｒ⁴＋ｔ⁴）
である。

ＥＲ＝０．５（３ｄＢ）を得るには、ｒ＝０．８８８及びｔ＝０．４６、又はｒ＝０．４６及びｔ＝０．８８８である。

このケースでは、第１の入力ポートａからのパルス出力は使用されない。第１の入力ａから出力された光が導波路を戻って光子源ユニット１に伝わるのを防止するために、アイソレータが、第１の入力ポートａと光子源ユニット１との間に含まれる。アイソレータは、光が導波路ループから戻るのを抑制するために使用される。

この設計は、バルク（bulk）光学部品を使用して実施されるときですら位相ドリフトが補償され得ることを可能にする。したがって、システムは光ファイバを使用して実施されてよく、干渉計の設計が位相ドリフトを補償する。図９のサニャック干渉計の第４のポートｄからの透過は、図４（ａ）のＭＺＩの第１の出力ｒからの透過に等しい。サニャックは、例えば位相変調器が信号を駆動すること又は温度変動のいずれかにより引き起こされ得るＤＣ位相ドリフトを自動的及び受動的に補償する。

偏光に基づいた類似の干渉計設計が図１０に示されている。図１０は、量子通信システムのための送信機の別の例を示す。図１０の送信機は、第１の対称偏光ビームスプリッタ４とともに第１の電子偏光コントローラ（ＥＰＣ）１２が非対称入力要素として使用され、第２のＥＰＣ１４及び第２の対称偏光ビームスプリッタ１６とともに第１の対称偏光ビームスプリッタ４が対称出力要素を形成することを除いて、図９の送信機に類似している。強度変調器は、この場合もサニャック干渉計設計を使用する。すでに図９に関連して説明された要素の説明は省略される。このケースでは、入力要素（第１のＥＰＣ１２と第１の偏光ビームスプリッタ４とを備える）の一部（第１の偏光ビームスプリッタ４）は、出力要素（第１の偏光ビームスプリッタ４、第２のＥＰＣ１４、及び第２の偏光ビームスプリッタ１６）の一部も形成する。強度変調器の消光比は、第１のＥＰＣを調整することによって変化させられ得る。このシステムでは、第１のＥＰＣ１２の後で使用されるファイバのすべては、偏光維持ファイバである。

第１の強度変調器は、入力光パルスを光子源ユニット１から受信するように構成される。第１の強度変調器は入力要素を備え、この入力要素は、第１のＥＰＣ１２と、第１の対称偏光ビームスプリッタ４とを備える。

第１のビームスプリッタ４は、ａと、ｂと、ｃと、ｄとラベルされた４つのポートを備える。第１の「入力」ポートａは、第１のＥＰＣ１２及び光サーキュレータ１３を介して、光子源ユニット１に結合される。光子源ユニット１は、第１のＥＰＣ１２に光パルスを出力する。サーキュレータは、第１のＥＰＣ１２とビームスプリッタ４との間に配置される。第１の電子偏光制御機器（ＥＰＣ）１２を使用して、偏光ビームスプリッタ４上での入力偏光を制御することが可能である。第１のＥＰＣ及び第１の偏光ビームスプリッタは、図９の非対称ビームスプリッタ４と同様の様式で機能する。しかしながら、係数ｒ及びｔは、第１のＥＰＣ１２によって設定される入力偏光に依存するので、ここでは可変である。第１のＥＰＣ１２と第１の偏光ビームスプリッタ４はともに、非対称入力要素を形成する。

第２のポートｂ及び第３のポートｃは、この場合も導波路によって互いに結合される。第１の「入力」ポートａに入る光パルスは、第２のポートｂと第３のポートｃの間で２つの光パルスに分割され、この２つの光パルスは、導波路に沿って反対方向に進む。２つの光パルスの相対強度は、入力偏光（第１のＥＰＣ１２によって設定される）に依存する。したがって、第１の偏光ビームスプリッタ４は、入力光パルスを２つの成分、すなわち、第２のポートｂを通って出る、垂直偏光成分｜Ｖ＞の部分ｒ²と、第３のポートｃを通って出る、水平偏光成分｜Ｈ＞の部分ｔ²に分割し、ここで、ｒ及びｔは第１のＥＰＣ１２によって設定される。

ＰＢＳ４の第３の出力ｃ（すなわち、それを通って水平成分が出る）では、偏光回転子Ｒが導波路内に配置される。この構成要素が、第３のポートｃを出る水平偏光成分を変更して垂直偏光にする。これを行うことによって、導波路ループ内で反対方向に伝わるパルスは同じ複屈折を経験し、サニャック干渉計は安定する。回転子Ｒは、別個の構成要素として実施されなくてよく、むしろ、ポートｃにおいてＰＢＳ４に結合された偏光維持ファイバは、例えば９０度回転可能である。代替として、第１のＰＢＳ４の第２のポートｂと第３のポートｃの両方が、サニャックループの偏光維持ファイバの遅軸に結合され、別個の回転構成要素が含まれる。第２のポートｂを出た垂直偏光成分も、第３のポートｃに入る前に、回転子Ｒに到達するとき、水平偏光に回転される。したがって、両方の成分が再結合し、ビームスプリッタ４において干渉し、両方の成分が入ったＰＢＳ４の同じ入力ポート（第１のポートａ）から現れる。第４のポートｄは、この実装では使用されない。サーキュレータ１３は、第１のＰＢＳ４の第１の出力から現れるパルスを第２のＥＰＣ１４に向ける。

導波路内に配置された位相変調器３は、２つの成分間に位相シフトを適用するように構成される。位相変調器３は、成分のうちの１つが位相変調器３を通過するが他の成分は通過しない時点に位相シフトが適用され得るように、ループ内のある位置に置かれてよい。具体的には、位相変調器３は、成分間の位相シフトの切り換えが可能であるように中点から十分離れて置かれてよい。

したがって、第１のＥＰＣ１２は、光子源１からの光出力の偏光を設定する。固定偏光コントローラが使用されてよいが、ＥＰＣは、（例えば、例えばファイバ内の熱応力による）偏光ドリフトを補償するように調整されてよい。サーキュレータ１３は、第１のＥＰＣ１２に接続されたポートを通る光入力を、ビームスプリッタ４の第１のポート１に接続されたポートに転送する。第１のＥＰＣ１２は偏光状態ｒ｜Ｖ＞＋ｔ｜Ｈ＞を設定し、ここで、ｒ≠ｔ、ｒ＝ｃｏｓφ、及びｔ＝ｓｉｎφであり、φは、ＰＢＳ４の軸に対してＥＰＣ１２によって設定された偏光角度である。例えば、ｒ≠０及びｔ≠０、すなわち、部分的に非対称である。状態ｒ｜Ｖ＞＋ｔ｜Ｈ＞（ここでｒ≠ｔである）における光パルスが、第１のビームスプリッタ４の第１のポートａに入力されるとき、第１の垂直偏光成分（第２のポートｂを通る出力）の強度は、第２の水平偏光成分（第３のポートｃを通る出力）の強度に等しくない。したがって、ビームスプリッタ４とＥＰＣ１２とを備える第１の要素は、１以外の分割比を用いて構成され、この分割比は、第２のポートｂを通る成分出力（垂直偏光）と第３のポートｃを通る成分出力（水平偏光）との比である。

第２のポートｂからの成分出力は、第３のポートｃに入力され、第３のポートｃからの成分出力は、ビームスプリッタ４の第２のポートｂに入力される。成分は、再結合してビームスプリッタ４内で干渉し、これは、第１のポートａを通る結果として生じるパルスを出力する。

図３（ｂ）の第１の出力ｒと同じ透過曲線を生じさせるために、第１のＥＰＣ１２は入力状態ｒ｜Ｖ＞＋ｔ｜Ｈ＞に設定されてよく、ｒ＝ｃｏｓφ及びｔ＝ｓｉｎφであり、ここで、ｒ≠ｔであり、φは、第１のＰＢＳ４の軸に対して第１のＥＰＣ１２によって設定される偏光角度（θに対する異なるパラメータであり、ループ内部の位相変調器３によって光パルス上で符号化された位相角度）である。例えば、ｒ≠０及びｔ≠０、すなわち、部分的に非対称である。

したがって、強度変調器は、第１のＥＰＣ１２と、サーキュレータ１３と、位相変調器３を備える光ファイバループと、第１の偏光ビームスプリッタ４と、第２のＥＰＣ１４と、第２の偏光ビームスプリッタ１６とを備える。位相変調は、ビームスプリッタ４によって出力される強度の変調に対応する。例えば、状態ｒ｜Ｖ＞＋ｔ｜Ｈ＞が第１のビームスプリッタ４に入力される場合、それは、２つの偏光モードを出力ポートｂ（偏光Ｖ）及びｃ（偏光Ｈ）に分割する。次いで、サニャックループ内の位相変調器３が、第２のポートｂからのパルスがそれを通過するとき「オフ」であり、第３のポートｃからのパルスがそれを通過するとき「オン」である場合、第１のポートａからの出力光はｒ｜Ｈ＞＋ｔｅ^iθ｜Ｖ＞であり、ここで、θは、位相変調器によって適用される位相である。次いで、サーキュレータ１３は、第１のポートａからの出力光を第２の偏光コントローラＥＰＣ１４に向ける。

第２の偏光コントローラＥＰＣ１４は、時間的に偏光ドリフトを制御するために含まれ、偏光（｜Ｖ＞＋｜Ｈ＞）／√２がコントローラＥＰＣ１４に入る場合、すべての光が第２の対称偏光ビームスプリッタ１６のＶ出力ポートから現れる、言い換えれば、第２のＥＰＣ１４と第２のスプリッタ１６がともに対称要素を形成するように、第２の偏光ビームスプリッタ１６にアライメントされる。第２の偏光コントローラＥＰＣ１４は、サーキュレータ１３からのＶ成分出力を状態Ｄにし、サーキュレータ１３からのＨ成分出力を状態Ａにするように設定され、ここで、Ｄ＝（Ｖ＋Ｈ）／√２及びＡ＝（Ｖ−Ｈ）／√２である。第２の偏光ビームスプリッタ４６は、強度（１−２ｒｔｃｏｓθ）／２をもち、一方のポートを通る、結果として生じる水平成分と、強度（１＋２ｒｔｃｏｓθ）／２をもち、他方のポートを通る結果として生じる垂直成分とを出力する。この構成では、透過曲線は、図３（ｂ）に示される透過曲線と同じである（すなわち、１つの対称要素（このケースでは出力）及び１つの非対称要素（このケースでは入力）に対応する。

図１１は、量子通信システムのための送信機の別の例を示す。同じく、すでに前の図に関連して説明された要素の説明は省略される。このケースでは、第１の要素は、第１の偏光コントローラＰＣ₁と、ファイバインターフェース１５とを備え、第２の要素は、ファイバインターフェース１５と、第２の偏光コントローラＰＣ₂と、対称偏光ビームスプリッタ４とを備える。入力要素（第１の偏光コントローラＰＣ１と、ファイバインターフェース１５とを備える）の一部（ファイバインターフェース１５）は、出力要素（ファイバインターフェース１５、第２の偏光コントローラＰＣ₂と、対称偏光ビームスプリッタ４）の一部（ファイバインターフェース１５）も形成する。以下で説明されるように、入力要素は非対称であり、出力要素は対称である。送信機は、図１０に示される送信機と同様の様式で機能する。

送信機は、光子源を備える光子源ユニット１を備える。送信機は、入力光パルスを光子源ユニット１から受信するように構成された第１の強度変調器をさらに備える。第１の強度変調器は、折りたたまれ偏光ベースのマイケルソン干渉計を備える。

第１の強度変調器は、第１の偏光コントローラＰＣ₁とファイバインターフェース１５とを備える第１の要素を備える。第１の偏光コントローラＰＣ₁は、光子源ユニット１に結合され、光パルス出力を光子源ユニット１から受信する。第１の偏光コントローラＰＣ₁は光サーキュレータ１３に結合され、光サーキュレータ１３は、第１の偏光コントローラＰＣ₁からの光パルス入力を、ファイバインターフェース１５を備える出力に向ける。第１の偏光コントローラＰＣ₁は、例えば、図１０に関連して説明されたものなどの電子偏光コントローラであってよい。

干渉計は、パルス間の位相差が偏光回転に変換されることを追加して、ＭＺＩ（例えば図３に関連して説明された）と同様に機能する。破線で描かれた、水平方向に沿った成分は、シングルモードファイバに基づくが、より細い（fainter）線で描かれた、垂直方向に沿った成分は、偏光維持ファイバに基づく。したがって、サーキュレータ１３と光子源ユニットとの間、及びサーキュレータ１３とビームスプリッタ４との間の接続は、シングルモードファイバを通る。ファイバインターフェース１５は、シングルモードファイバと偏光維持ファイバとの間のインターフェースである。

したがって、第１の偏光コントローラＰＣ₁は、光子源１からの光出力の偏光を設定する。サーキュレータ１３は、ＰＣ₁に接続されたポートを通る光入力を、ファイバインターフェース１５に接続されたポートに転送する。第１の偏光コントローラＰＣ₁は、到来するパルスを偏光維持ファイバ遅軸に対して角度φにアライメントし、したがって、図１０のＥＰＣ１２と同じ入力状態ｒ｜Ｖ＞＋ｔ｜Ｈ＞＝ｃｏｓφ｜Ｖ＞＋ｓｉｎφ｜Ｈ＞を準備し、ここで、ｒ≠ｔ（すなわちφ≠４５°）である。例えば、ｒ≠０及びｔ≠０、すなわち、部分的に非対称である。したがって、φは、図１０で使用される偏光角度と同じであり、ｒとｔとの間の非対称性を決定する。ファイバインターフェース１５では、光入力パルスｒ｜Ｖ＞＋ｔ｜Ｈ＞は、２つの成分、すなわち、垂直偏光成分｜Ｖ＞の部分ｒ²及び水平偏光成分｜Ｈ＞の部分ｔ²に分割され、これらの両方は、同じ偏光維持ファイバに沿って進む。この２つの成分は、ｒ及びｔの値に応じて、等しくない強度を有する。

したがって、２つの成分の相対強度は、入力偏光（第１の偏光コントローラＰＣ₁によって設定される）に依存する。成分はそれぞれ、偏光維持ファイバの遅軸及び速軸に沿って進む。したがって、状態ｒ｜Ｖ＞＋ｔ｜Ｈ＞における単一の多光子光パルスがファイバインターフェース１５に入力されるとき、第１の垂直偏光成分（偏光維持ファイバへの出力）の強度は、第２の水平偏光成分（同じく、偏光維持ファイバへの出力）の強度に等しくない。したがって、第１の偏光コントローラとファイバインターフェース１５とを備える第１の要素は、１以外の分割比を用いて構成され、この分割比は、垂直偏光成分と水平偏光成分との比である。第１の偏光コントローラは、ファイバインターフェース１５上での入力偏光を制御し、次いで、ファイバインターフェース１５は、図１０の偏光ビームスプリッタと同じ手段で機能する。

第１の偏光コントローラＰＣ₁を使用して、ファイバインターフェース１５上での入力偏光を制御することが可能である。第１の偏光コントローラＰＣ₁及びファイバインターフェース１５は、図１０のＥＰＣ１２及び偏光ビームスプリッタ４と同じ様式で機能する。係数ｒ及びｔは、第１の偏光コントローラＰＣ₁によって設定される入力偏光に依存する。第１の偏光コントローラＰＣ₁とファイバインターフェース１５はともに、非対称入力要素を形成する。第１の要素は、入力光パルスを２つの成分に分割するように構成され、この２つの成分の両方は、ファイバインターフェース１５を出て同じファイバへと入る。

偏光維持ファイバは、ファイバインターフェース１５から１つ又は複数の位相変調器３、このケースでは単一の位相変調器へと通るが、あるいは、例えば直列に結合された２つの位相変調器を用いて実現可能である。位相変調器３は、光の偏光に基づいて位相シフトを適用するように構成されてよい（例えば、位相変調器３は、位相変調器を通って進む垂直偏光成分と水平偏光成分との間に位相シフトを適用してよい）。パルスは、偏光維持ファイバ及び位相変調器３の遅軸及び速軸に沿って進む。２つの直交偏光ＶとＨとの間の位相差θは、１つ又は複数の位相変調器３において印加される電圧によって制御される。ファラデーミラーは、位相変調器３の後に配置され、成分の偏光を直交対応物（correspondent）に反転させ（flip）ながら、偏光維持ファイバに沿って位相変調器３に光パルスを反射する。したがって、ファラデーミラーは、垂直偏光成分の偏光を水平に、水平偏光の偏光を垂直に反転させる。したがって、総光路は、２つの偏光成分に対して等しく、偏光維持成分による偏光モード散乱の影響を取り除き、これは、干渉可視性を制限し得る。

位相シフトパターンのタイミング及び位相変調器３とミラーとの間の光路長は、２つの成分上の等価な位相シフトを適用することを回避するように調整される（これは、パルスがファイバに沿って戻った後で位相変調を補償することに等しく、したがって可視性をゼロにする）。したがって、位相変調器は、２つの偏光成分間の位相シフトを適用するように構成される。タイミングは、位相シフトが帰路のどちらの成分にも適用されないように設定される。

次いで、２つの成分が、偏光維持ファイバとシングルモードファイバとの間のインターフェース１５において干渉し、位相変調器３によって設定される、それらの間の位相差θは、等価な偏光回転に変換する。第１の強度変調器は第２の要素（出力要素とも呼ばれる）を備え、第２の要素は、ファイバインターフェース１５と、第２の偏光コントローラＰＣ₂と、対称偏光ビームスプリッタ４とを備え、２つの成分に干渉するように構成される。光サーキュレータ１３は、ファイバインターフェース１５からの光パルスを第２の偏光コントローラＰＣ₂に向け、第２の偏光コントローラＰＣ₂は、シングルモードファイバを介して偏光ビームスプリッタ４に結合される。したがって、サーキュレータ１３は、反射パルスを抽出するために使用され、次いで、反射パルスは、偏光ビームスプリッタ４上に投射される。第２の偏光コントローラＰＣ₂は、時間的に偏光ドリフトを制御するために使用される。第２の偏光コントローラＰＣ₂は、偏光（｜Ｖ＞＋｜Ｈ＞）／√２がコントローラＰＣ₂に入る場合、すべての光が対称偏光ビームスプリッタ４のＶ出力ポートから現れるように、対称偏光ビームスプリッタ４にアライメントされる。対称偏光ビームスプリッタ４は、２つの出力ポートを有し、１つは水平偏光成分（Ｈ）を出力し、１つは入力光パルスの出力垂直偏光成分（Ｖ）を出力する。出力水平偏光成分及び垂直偏光成分の相対強度は、入力光パルスの偏光回転に依存する（入力光パルスの偏光回転は、位相変調及び第１の偏光コントローラＰＣ₁によって適用される偏光によって決定される）。偏光ビームスプリッタ４の出力ポートの各々から現れる光の相対強度は、ｒ及びｔに依存し、図３（ｂ）に示される曲線に等しい。システムは、図１０に示されるシステムと同じ様式で機能する。

偏光維持ファイバインターフェース１５は、偏光ビームスプリッタとして効果的に機能する。偏光維持ファイバインターフェース１５は、入力角度（第１の偏光コントローラによって設定される）が４５度と異なるときはいつでも異なる強度を有する、１つは偏光維持ファイバの遅軸とアライメントされ、１つは速軸とアライメントされる、２つの成分すなわち「モード」を定義する。

したがって、強度変調器は、第１の偏光コントローラと、サーキュレータ１３と、導波路と、インターフェース１５と、位相変調器３と、ファラデーミラーと、第２の偏光コントローラと、ビームスプリッタ４とを備える。位相変調は、ビームスプリッタ４によって出力される強度の変調に対応する。透過曲線は、図３（ｂ）に示される透過曲線と同じである。

図１２は、互いに結合された複数の強度変調器を使用することによって、さらなる強度レベルがどのように生成され得るかを示す概略図である。この図は、一連の強度変調器によって生成される強度レベルを示す。図示のケースでは、各強度変調器は、図４（ａ）に関連して説明された強度変調器に対応する。出力は「ｒ」出力から得られ、したがって、各強度変調器の透過曲線は図４（ｂ）の破線に対応する。

第１の強度変調器は、左側の曲線（「第１のＩＭ＊とラベルされている）によって与えられる透過を有する。最大透過値及び最小透過値は、２つの強度レベル（強度１及び２）に対応する。

第２の強度変調器（「第２のＩＭ＊）は、第１の強度変調器の「ｒ」出力に結合され、このことは、第１の強度変調器からの最大透過強度である「強度１」は、完全に透過される（第２の強度変調器が最大透過又はゼロ減衰を有するとき）、又は強度３のレベルに減衰される（第２の強度変調器が最大減衰又は最小透過を有するとき）のいずれかであることを意味する。第１の強度変調器からの強度２は、第２の強度変調器を通って完全に透過される（第２の強度変調器がゼロ減衰を有するとき）又は強度４のレベルに減衰される（第２の強度変調器が最大減衰を有するとき）のいずれかとすることができる。したがって、第２の強度変調器は、強度１（両方とも最大透過）を有する光パルスと、強度３（最大透過＋最小透過）を有する光パルスと、強度２（最小透過＋最大透過）を有する光パルスと、強度４（最小透過＋最小透過）を有する光パルスとを出力する。

このメカニズムは、第３の強度変調器（第３のＩＭ＊）に関して繰り返され、３つの強度変調器からの８つの安定した強度という結果になる。強度は、最大透過曲線点又は最小透過曲線点を使用して生成されるので、強度は安定している。一般に、直列に結合されたｎ個の強度変調器から、２ⁿ個の強度レベルが生成可能である。

図１３は、以下の図において使用される２つの送信機ユニット１Ａと１Ｂとを示す。ユニット１Ａは、図５（ａ）に関連して説明されたユニットに対応し、ユニット１Ｂは、図５（ｂ）に関連して説明されたユニットに対応する。

図１４は、デコイ状態プロトコルを使用する量子鍵配送（ＱＫＤ）のための光パルスを符号化及び復号するように適合された量子通信システムの概略図である。

送信機（アリス）は、前の図に関連して説明されたように強度が変調された光パルスを生成する要素１Ａ又は１Ｂを備える。

パルスは、光が送信機内の偏光維持ファイバの遅軸に沿って進むように、直線偏光される。ファイバ速軸が同等に選ばれてよい。

光パルスは、このケースではランダムな（鍵）情報を符号化するための位相符号器として機能する非対称マッハ−ツェンダー干渉計（ＡＭＺＩ）に入る。ＡＭＺＩは、偏光維持ファイバを備える。ＡＭＺＩに入る光パルスは、到来する光パルスを２つの経路に分割するカプラ１７に入る。この例では、第１の経路は、光遅延ループ１８を使用する干渉計のより長いアームを備える。第２のより短い経路は、位相変調器（ＰＭ）を備える。位相変調器ＰＭは、光パルス上にランダムな（鍵）情報を符号化するために使用される。アームの長さの変動により、短い経路をたどる光パルス及び長い経路をたどる光パルスは、時間的分離Δｔを有する。一例では、この時間的分離は、ＱＫＤシステムのクロックレートの逆数の半分に設定され得る。

次いで、パルスが、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１９において結合される。ＰＢＳ１９は、入力アームのうちの１つの偏光が９０度回転される性質を有する。これは、２つの直交偏光Ｖ及びＨに分解可能な偏光が時間Δｔによって分離される出力という結果になる。次いで、パルスは、パルスあたり１光子未満の平均強度をもつパルスにする可変光減衰器（ＶＯＡ）を使用して、単一の光子レベルに減衰される。送信機から光チャネルへと放射される前に、パルスの一部が、較正されたビームスプリッタＢＳから、強度レベルを測定する電力計に向けられることがある。電力計からの出力信号が処理され、フィードバック信号が、適用例にとって望ましい適切な平均強度を調整して、安定に保つために、ＶＯＡに送信される。

送信機内のすべての光学構成要素は、電子コントローラ（図示せず）を使用して制御されてよい。

光パルスは、例えば光ファイバであってよい光チャネルを下る。次いで、パルスは受信機（ボブ）に入り、受信機（ボブ）は、このケースでは復号器として機能する、送信機内のＡＭＺＩと合致された（すなわち、同じ時間差Δｔをもつ）別のＡＭＺＩを備える。単一光子検出器例えばアバランシェフォトダイオードのペアが、ＡＭＺＩの各出力に１つ含まれる。光パルスは、受信機に入るとき、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２１を通って進む前に、最初に電子偏光コントローラ（ＥＰＣ）に入る。ＥＰＣは、光チャネル上での伝達中に発生した偏光回転を訂正するように調整される。これは、パルスのための２つの直交偏光Ｖ及びＨがＰＢＳ２１に当たるという結果になる。ＰＢＳは、光パルスの入力偏光に応じて、光パルスを、位相変調器を含むＡＭＺＩの長いアーム又は短いアームのいずれかに向ける。ＰＭは、光パルス上のランダムな（鍵）情報を復号する際に使用される。送信機内のＰＢＳ１９の場合のように、受信機内のＰＢＳは、出力アーム偏光のうちの１つが９０度回転されるという性質を有する。したがって、両方の出力パルスは、同じ偏光、このケースではＶを有する。

適切な入力偏光があれば、第１の（時間的に）光パルスは、受信機ＡＭＺＩの長いアームを下り、第２の（時間的に）光パルスは、受信機ＡＭＺＩの短いアームを下る。このようにして、受信機内の遅延ループは、２つの光パルス間の時間差Δｔと、２つの光パルスの完全な重複による最終ビームスプリッタにおける光学干渉結果とを相殺する。その後、結果として生じる光パルスが、最終検出器２０によって検出される。干渉ビームスプリッタにおける２つのパルスの重複は、ＱＢＥＲ＝（１−Ｖｉｓ）／２によるＱＫＤシステム量子ビット誤り率（ＱＢＥＲ）に関連するシステムのビジビリティ（Ｖｉｓ）によって定量化可能である。

干渉の微調整は、ファイバストレッチャを使用して長いアーム内の光パルスの位相を調整することによって実行され得る。これは、熱ドリフトによる干渉計内の小さい（位相）変化を補償する。ファイバストレッチャは、電導デバイスである。ファイバのいくつかのコイルが、圧電ステージに巻き付けられる。ステージに電圧を印加することによって、ファイバは伸長し、それによって、ファイバを通って進む光に光遅延を与えることができる。ファイバストレッチャの反応時間は、通常、約１ｋＨｚと非常にすばやく、ファイバストレッチャを、小さく高速な遅延（位相）変化を訂正することに適させる。いくつかの例では、いくつかのファイバストレッチャは、数ピコ秒の遅延を与える極度に高い電圧±４００Ｖを許容することができるが、最大量の伸長は＜１ｐｓの遅延を与える。しかしながら、これらの高電圧ファイバストレッチャは、大きくなる可能性があり、それらを動作させるために高電圧機器を必要とすることがある。

受信機内の光学構成要素は、電子コントローラ（図示せず）を使用して制御されてよい。コントローラはまた、光パルスが検出されるとき、結果として得られる電気信号を単一光子検出器からサンプリングする。

デコイ状態プロトコルを適用するために、送信機（アリス）は、複数の（すなわち、２つ以上の）強度をもつコヒーレントパルスを準備する。以下の説明は、３つの強度レベル、すなわち、ｕ（信号）と、ｖ（デコイ）と、ｗ（真空）とを使用するプロトコルに関する。しかしながら、上記で説明されたように、デコイ状態プロトコルは、２つ以上の強度レベルを用いて実施されてよい。以下では、強度レベルは、ｕ＞ｖ＞ｗとなるように選ばれ、具体的には、値は、例えば、ｕは約０．５、ｖは約０．１、ｗ＜１０^-3の順となるように選ばれてよい。代替として、ｖは約０．１２５である。

ｕ、ｖ、及びｗの準備はランダムに行われ、それぞれ、アリスによって決定される確率ｐ_u、ｐ_v、及びｐ_wをもつ。次いで、これらの強度をもつパルスが、位相変調器ＰＭを使用してアリスによって符号化され、次いで、受信機（ボブ）に送信され、受信機（ボブ）は、位相変調器ＰＭを用いて、さらなる位相を適用し、次いで、検出器２０を用いて測定を行う。符号化動作及び復号動作は、「基底」（Ｚ又はＸ）及び「ビット」（０又は１）についての情報を光パルスに適用し、これは、最終暗号鍵をつくるために使用される。

多数のパルスがアリスによって送信され、ボブによって測定された後、量子信号の送信が停止し、ユーザは、データを一致させ、自分たちのみに知られる鍵（秘密鍵）をつくるために、公衆認証チャネル上で通信を開始する。データを一致させるために、ボブは、どのイベントが検出器内でカウントを生成したかを通知する。ボブの検出器内でカウントを生成しなかったイベントはすべて、ユーザのアリス及びボブによって破棄される。残りのイベントについて、ユーザは、符号化動作及び復号動作において選ばれた基底（Ｚ又はＸ）を通知する。基底が異なるイベントはすべて破棄される。

残りのイベントについて、アリスは、準備ステップ中に選ばれた強度ｕ、ｖ、又はｗを通知する。次いで、ユーザは、強度及び基底に従ってすべてのデータをグループ化し、結局、基底Ｚ及び強度ｕ、ｖ、又はｗにおけるデータならびに基底Ｘ及び強度ｕ、ｖ、又はｗにおけるデータで終わる。このグループに基づいて、ユーザは、各グループ内の検出確率（ゲイン）及び雑音のレベル（量子ビット誤り率すなわちＱＢＥＲ）の推定を実行する。このステップでは、デコイ状態ＱＫＤプロトコルに従って、秘密鍵をつくるために、データのその後の後処理の実行を知らせる。

デコイ状態推定ステップが優れているほど、最終鍵レートが高くなる。良好な推定を実行するために、ボブによって検出された総カウントは、さまざまなデータサブセット間に十分に分散されているべきである。サンプルの統計分析を改善するために、主な基底例えばＺならびに信号（ｕ）状態及びデコイ（ｖ）状態に関連するグループがデータを十分に追加されていることが特に重要である。データサンプルが小さすぎる場合、統計変動が推定ステップを損ない、鍵レートが悪くなる。

データセットに信号及びデコイ状態を入れるためには、ボブの検出器がクリックする可能性を増加させるために、可能な限り大きく強度ｕとｖとを増加させることが必要である。しかしながら、あまりにも大きく強度を増加させることは、ＱＫＤのセキュリティ条件に違反する。したがって、使用される強度は、これら２つの競合する要件のバランスをとるべきである。例えば、約０．５のｕ及び約０．１のｖの強度レベルは、これら２つの要件のバランスをとることがある。これは、信号状態とデコイ状態との間の５倍の強度差に対応する。

図１５は、デコイ状態プロトコルを使用する測定デバイス無依存量子鍵配送（ＱＫＤ）のための光パルスを符号化及び復号するように適合された量子通信システムの概略図である。図１５は、測定デバイス無依存（ＭＤＩ）ＱＫＤデコイ状態プロトコルのファイバベース偏光ベースの実装を含む。

図では、変調器（Ｍｏｄ）と指定された要素は「高速」デバイスである、すなわち、おおよそＧＨｚの速度で動作するが、制御デバイス（ＣＴＲＬ）は、これよりも遅く、フィードバック信号に基づいたアライメントに使用される。

送信機「アリス」は、前の図に関連して説明されたように強度が変調された光パルスを生成する要素１Ａ又は１Ｂを備える。パルスは、偏光Ｖに直線偏光されるように、要素１Ａ又は１Ｂから放射される。光パルスは、偏光変調器を通過し、偏光変調器は、それらの光パルスを、ランダム（鍵）情報を用いて符号化する。例えば、偏光変調器は、ＢＢ８４プロトコルの４つの状態、すなわち、Ｖ（入力状態をそのままにする）、Ｈ（入力状態を１８０度反転させる）、Ｄ（入力状態を９０度反転させる）、又はＡ（入力状態を２７０度反転させる）を符号化することがある。後で説明するように、符号化されたパルスは、偏光制御機構を通過し、この偏光制御機構は、受信機（チャーリー）からのフィードバックに基づいて偏光を微調整する。次いで、パルスは、図１４に関連して説明されたＱＫＤシステムに類似した様式で平均強度を微調整する強度制御機構を通過する。光パルスの平均強度をアライメントするために、ビームスプリッタは、チャネルからの信号の一部を電力計へと向け、電力計の出力は、強度制御機構部のためのフィードバック信号として使用され、強度制御機構は、図１４のＱＫＤセットアップの場合のように、可変光減衰器（ＶＯＡ）を使用して実施可能である。第２の送信機であるボブは、アリスと同じ構成要素を有し、同様に偏光符号化光パルスを生成する。

送信機アリス及びボブによって放射される光パルスは、例えば光ファイバであり得る光チャネルを下り、受信機内の干渉ビームスプリッタ２３に到達する。パルスが同時にビームスプリッタ２３に到達することを確実にするために、受信機チャーリーによって制御されるファイバストレッチャが、ボブをビームスプリッタ２３に接続する光チャネルに沿って使用される。２つのパルスが同時にビームスプリッタ２３上で重なり、それらの偏光、波長、及び時間的プロファイルが同じであるとき、図１４に関連して説明されたＱＫＤケースと同様に、干渉が発生する。

ＭＤＩ−ＱＫＤプロトコルの場合、干渉は、図１４に関連して説明されたＱＫＤプロトコルにおいて発生する同じ種類の干渉でないホング−ウ−マンデル（Hong-Ou-Mandel）タイプである。図１４に関連して説明されたＱＫＤプロトコルとは対照的に、ビームスプリッタに到達する２つのパルスの電磁位相は、２つのパルスが、相互に安定した位相基準を共有しないように、ランダム化される。これは、２つの光パルスが好ましくはビームスプリッタ２３の同じ出力ポートに向けられる、「ホング−ウ−マンデル干渉」として知られる影響を引き起こす。ビームスプリッタ２３の後、パルスが、２つの偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２５の後に配置された４つの検出器２４によって一致して検出される。成功するカウンティングは、４つの検出器のうちの２つが同時にクリックしたときである。このイベントは、論理電子機器によって記録され、ランダム鍵をつくるために使用される。

アリス及びボブによる準備の大部分が秘密に保たれる（秘密鍵ビットを形成する）とき、そのうちのいくらかは、偏光変動を補償することを可能にするために、チャーリーに公開して明らかにされる。例えば、アリス及びボブは、Ｖ偏光及び真空状態における準備のうちのいくらかをチャーリーに告げることがある。チャーリーは、Ｖが準備されているとき、自分の検出器がＶクリックに沿ってアライメントされることのみを確認する。Ｈに沿った検出器がクリックする場合、チャーリーは、Ｈ検出器内のカウントがゼロになる（又は最小化される）まで、偏光制御機構を用いてアリス及びボブの偏光を修正するように、アリスとボブとに要請する。誰が訂正をしているべきか、アリスなのかそれともボブなのかを区別するために、チャーリーは、ユーザによって宣言された真空状態を使用する。例えば、アリスが真空状態を準備したときに検出器からのクリックを発見した場合は、ボブが偏光を訂正するべきである。

デコイ状態プロトコルは、例えば３つの強度状態ｕとｖとｗとを使用する、図１４に関連して説明されたデコイ状態プロトコルと同様に実施される。

（具体的には高速で）異なる強度をもつ光パルスの生成は、光ファイバに沿った通信の重要な側面である。いくつかのケースでは、強度は、例えば振幅変調（ＡＭ）、振幅シフトキーイング（ＡＳＫ）、及びオンオフキーイング（ＯＯＫ）などのプロトコルを使用して、そのようなファイバに沿って情報を符号化するために使用されてよい。

異なる強度レベルパルスを使用する通信の安定性を高めることは、多くの適用例、例えば、デコイ状態ＱＫＤ及びデコイ状態ＭＤＩ ＱＫＤを有する。良好な性能は、少なくとも２つの異なる強度が準備可能であり、それらの強度のうちの２つは互いに近い（すなわち「低コントラスト」である、例えば第２の強度が第１の強度の１／４から１／２０の間である）場合、これらの適用例のために達成されることがあり、セキュリティ問題を軽減するために、そのような強度を安定した様式で準備することが重要である。

特定の構成について説明してきたが、これらの構成は、例として提示したにすぎず、発明の範囲を限定することを意図したものではない。実際、本明細書で説明する方法及びシステムは、さまざまな他の形態で実施することができる。そのうえ、本明細書で説明される方法及びシステムの形態におけるさまざまな省略、置き換え、及び変更がなされてよい。

Claims (20)

1. 量子通信システムのための送信機であって、
   光子源を備える光子源ユニットと、
   前記光子源ユニットから入力光パルスを受信するように構成された第１の強度変調器と
   を備え、
   前記第１の強度変調器は、
   前記入力光パルスを２つの成分に分割するように構成された第１の要素と、
   前記２つの成分間に位相シフトを適用するように構成された位相変調器と、
   前記２つの成分を干渉させるように構成された第２の要素と
   を備え、前記第１の要素及び前記第２の要素のうちの少なくとも１つは非対称である、送信機。
2. 前記量子送信機は、デコイ状態量子通信を実施するように構成される、請求項１に記載の送信機。
3. 前記光子源ユニットは、第１の強度と第２の強度とを有する光パルスを放射するように構成され、前記第２の強度が前記第１の強度よりも低く、前記位相変調器は、弱め合う干渉又は強め合う干渉のうちの一方に対応する第１の設定と、弱め合う干渉又は強め合う干渉のうちの他方に対応する第２の設定とを備え、前記第１の強度変調器は、前記位相変調器の前記第１の設定と前記第２の設定とからの選択、及び前記光子源ユニットの前記第１の強度と前記第２の強度とからの選択に依存して、３つ以上の異なる強度を有する光パルスを出力する、請求項２に記載の送信機。
4. 前記第２の強度は真空状態に対応する、請求項３に記載の送信機。
5. 前記第１の強度変調器は０．９９以下の消光比を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の送信機。
6. 前記第１の強度変調器は可変の消光比を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の送信機。
7. 前記第１の要素又は前記第２の要素が非対称ビームスプリッタを備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の送信機。
8. 前記第１の要素又は前記第２の要素が調整可能比スプリッタを備える、請求項１から７のいずれか１項に記載の送信機。
9. 前記調整可能比スプリッタは第１の対称ビームスプリッタと第２の対称ビームスプリッタとを備え、前記第１の対称ビームスプリッタの一方の出力が、第１のアームを形成する前記第２の対称ビームスプリッタの一方の入力に結合され、前記第１の対称ビームスプリッタの他方の出力が、第２のアームを形成する前記第２の対称ビームスプリッタの他方の入力に結合され、前記第１のアーム及び前記第２のアームのうちの少なくとも１つが、前記調整可能比スプリッタの分割比を調整するように構成された位相変調器を備える、請求項８に記載の送信機。
10. 前記第１の要素は、偏光コントローラと、前記入力光パルスを前記２つの成分に分割するように構成された偏光ビームスプリッタとを備え、前記２つの成分が異なる偏光を有する、請求項１から６のいずれか１項に記載の送信機。
11. 前記第２の要素は前記偏光ビームスプリッタを備える、請求項１０に記載の送信機。
12. 前記第１の要素は、第１の偏光コントローラと、前記入力光パルスを前記２つの成分に分割するように構成された、偏光維持ファイバとシングルモードファイバとの間のインターフェースとを備え、前記２つの成分が異なる偏光を有する、請求項１から６のいずれか１項に記載の送信機。
13. 前記第２の要素は、前記ファイバインターフェースと、第２の偏光コントローラと、偏光ビームスプリッタとを備える、請求項１２に記載の送信機。
14. 前記光子源ユニットはパルスレーザを備え、前記第１の強度が前記ゲインスイッチレーザの「オン」状態に対応し、前記第２の強度が前記レーザの「オフ」状態に対応する、請求項１から１３のいずれか１項に記載の送信機。
15. 前記光子源ユニットは、レーザと、第２の強度変調器とを備え、前記第２の強度変調器は対称であり、前記第２の強度は前記第２の強度変調器の最小透過状態に対応する、請求項１から１４のいずれか１項に記載の送信機。
16. 前記第１の要素の少なくとも一部が前記第２の要素の少なくとも一部も形成する、請求項に記載の送信機。
17. 前記送信機構成要素がフォトニックチップ上に集積される、請求項１から１６のいずれか１項に記載の送信機。
18. 請求項１から１７のいずれか１項に記載の量子送信機を備え、受信機をさらに備える量子通信システム。
19. 第２の量子送信機をさらに備える、請求項１９に記載の量子通信システム。
20. 強度変調された光子パルスを生成する方法であって、
    光子源を備える光子源ユニットにおいて、光パルスを生成することと、
    第１の強度変調器において、前記光子源ユニットから入力光パルスを受信することと、
    前記第１の強度変調器内の第１の要素において、前記入力光パルスを２つの成分に分割することと、
    前記第１の強度変調器内の位相変調器において、前記２つの成分間に位相シフトを適用することと、
    前記第１の強度変調器内の第２の要素において、前記２つの成分を干渉させることと
    を備え、前記第１の要素及び前記第２の要素のうちの少なくとも１つが非対称である、方法。