JP2023167667A - 量子波長変換器、伝令付き単一光子源 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバとの結合が容易な量子波長変換器を達成する。【解決手段】量子波長変換器（２）は、少なくとも一部に共通の共振光路を有する複数の共振器（３４、３６、３８、４０）を内部に含む光ファイバ（８）と、光ファイバと接続し、少なくとも１つ以上の周波数を有するポンプ光を光ファイバに入力するレーザ光源（６）とを備える。複数の共振器は、共通の共振光路における四光波混合過程またはパラメトリック変換のエネルギー保存則および位相整合条件を満たす。【選択図】図１

Description

本開示は量子波長変換器、および当該量子波長変換器を備えた伝令付き単一光子源に関する。

光子の波長を変換する量子波長変換技術として、パラメトリック下方変換、または四光波混合過程等を含む非線形光学過程によって実現する手法が一般に知られている。これらの非線形光学過程は光子対の生成にも用いられ、また、伝令付き単一光子源の動作原理として重要でもある。

非特許文献１および非特許文献２は、上述した量子波長変換をＫＴＰ結晶等の非線形光学結晶バルクを用いて実現する手法を開示する。また、非特許文献３および非特許文献４は、上述した量子波長変換をＰＰＬＮ導波路等の非線形光学結晶導波路を用いて実現する手法を開示する。さらに、非特許文献５および非特許文献６は、上述した量子波長変換を、チップ上リング型微小共振器を用いて実現する手法を開示する。

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非特許文献１から６に記載された量子波長変換技術に用いられる、非線形光学結晶バルク、非線形光学結晶導波路、およびリング型微小共振器は、何れも光ファイバとの結合が困難である。このため、非特許文献１から６に記載された技術を用いた量子波長変換器を、例えば、光子を伝搬させる量子チャンネルに光ファイバを用いる装置に導入する場合、当該光ファイバと量子波長変換器とを結合するための機構を要する。したがって、上記量子波長変換器は、当該量子波長変換器を備える装置の複雑化を招来する。

上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係る量子波長変換器は、少なくとも一部に共通の共振光路を有する複数の共振器を内部に含む光ファイバと、前記光ファイバと接続し、少なくとも１つ以上の周波数を有するポンプ光を前記光ファイバに入力するレーザ光源とを備え、前記複数の共振器は、第１共振周波数ω_１を共振周波数に有する第１共振器と、第２共振周波数ω_２を共振周波数に有する第２共振器と、第３共振周波数ω_３を共振周波数に有する第３共振器と、前記第１共振周波数ω_１、前記第２共振周波数ω_２、および前記第３周波数の何れとも異なる第４共振周波数ω_４を共振周波数に有する第４共振器とを含み、ｎ_ｉを前記第ｉ共振周波数ω_ｉの光に対する前記光ファイバの内部における実効屈折率、ｃを光速、γを前記光ファイバの非線形パラメータ、Ｐを前記ポンプ光の強度として、

上記（１）式および（２）式が成立する。

本開示の他の一態様に係る量子波長変換器は、少なくとも一部に共通の共振光路を有する複数の共振器を内部に含む光ファイバと、前記光ファイバと接続し、ポンプ光を前記光ファイバに入力するレーザ光源とを備え、前記複数の共振器は、第１共振周波数ω_１を共振周波数に有する第１共振器と、第３共振周波数ω_３を共振周波数に有する第３共振器と、前記第１共振周波数ω_１および第３共振周波数ω_３の双方と異なる第４共振周波数ω_４を共振周波数に有する第４共振器とを含み、ｎ_ｉを前記第ｉ共振周波数ω_ｉの光に対する前記光ファイバの内部における実効屈折率、ｃを光速、γを前記光ファイバの非線形パラメータ、Ｐを前記ポンプ光の強度として、

上記（３）式および（４）式が成立する。

本開示の他の一態様に係る量子波長変換器は、少なくとも一部に共通の共振光路を有する複数の共振器を内部に含む光ファイバと、前記光ファイバと接続し、ポンプ光を前記光ファイバに入力するレーザ光源とを備え、前記複数の共振器は、第１共振周波数ω_１を共振周波数に有する第１共振器と、第２共振周波数ω_２を共振周波数に有する第２共振器と、前記第１共振周波数ω_１および前記第２共振周波数ω_２の双方と異なる第４共振周波数ω_４を共振周波数に有する第４共振器とを含み、ｎ_ｉを前記第ｉ共振周波数ω_ｉの光に対する前記光ファイバの内部における実効屈折率、ｃを光速、γを前記光ファイバの非線形パラメータ、Ｐを前記ポンプ光の強度として、

上記（５）式および（６）式が成立する。

本開示の一態様によれば、光ファイバへの結合が容易であり、光ファイバを用いた量子デバイスに導入する場合にも、当該量子デバイスの複雑化を低減できる量子波長変換器を達成する。

本開示の実施形態１に係る量子波長変換器の概略平面図、および共振器構造体の概略拡大図である。 本開示の実施形態１に係る単一光子源の概略拡大図である。 本開示の実施形態１に係る共振器構造体における光子の入出力を表す模式図、および共振器構造体におけるエネルギー遷移を表すエネルギーダイヤグラムである。 本開示の実施形態２に係る量子波長変換器の概略平面図、および共振器構造体の概略拡大図である。 本開示の実施形態２に係る共振器構造体における光子の入出力を表す模式図、および共振器構造体におけるエネルギー遷移を表すエネルギーダイヤグラムである。 本開示の実施形態３に係る量子波長変換器の概略平面図、および共振器構造体の概略拡大図である。 本開示の実施形態３に係る共振器構造体における光子の入出力を表す模式図、および共振器構造体におけるエネルギー遷移を表すエネルギーダイヤグラムである。 本開示の実施形態４に係る量子波長変換器の概略平面図、および共振器構造体の概略拡大図である。 本開示の実施形態４に係る共振器構造体における光子の入出力を表す模式図、および共振器構造体におけるエネルギー遷移を表すエネルギーダイヤグラムである。 本開示の実施形態５に係る量子波長変換器の概略平面図、および共振器構造体の概略拡大図である。 本開示の実施形態５に係る共振器構造体における光子の入出力を表す模式図、および共振器構造体におけるエネルギー遷移を表すエネルギーダイヤグラムである。 本開示の実施形態６に係る伝令付き単一光子源の概略平面図である。 本開示の実施形態６に係る共振器構造体における光子の入出力を表す模式図、および共振器構造体におけるエネルギー遷移を表すエネルギーダイヤグラムである。 本開示の実施形態７に係る伝令付き単一光子源の概略平面図である。 本開示の実施形態７に係る共振器構造体における光子の入出力を表す模式図、および共振器構造体におけるエネルギー遷移を表すエネルギーダイヤグラムである。 本開示の実施形態８に係る伝令付き単一光子源の概略平面図である。 本開示の実施形態８に係る共振器構造体における光子の入出力を表す模式図、および共振器構造体におけるエネルギー遷移を表すエネルギーダイヤグラムである。

〔実施形態１〕
＜量子波長変換器＞
本実施形態に係る量子波長変換器は、例えば、入力された特定の波長を有する単一光子の波長を変換し、当該波長とは異なる波長を有する単一光子を出力することにより、単一光子の波長を変換する装置である。特に、本実施形態に係る量子波長変換器は、単一光子源からの単一光子と、レーザ光源からのポンプ光とを、共通の共振光路を有する複数の共振器を含む共振器構造体に入力することにより、当該共振器構造体から波長変換後の単一光子を出力する装置である。

本実施形態に係る量子波長変換器、および当該量子波長変換器が備える共振器構造体について、図１を参照し説明する。図１は、本実施形態に係る量子波長変換器２の概略平面図、および、当該概略平面図のうち、量子波長変換器２が備える共振器構造体４について拡大して示す概略図である。

図１に示すように、量子波長変換器２は、共振器構造体４と、レーザ光源６と、単一モードの光ファイバ８とを備える。さらに、量子波長変換器２は、単一光子源１０と、ダイクロイックミラー１２と、光終端器１４とを備える。なお、図１は、後述する方法により量子波長変換器２によって生成された、波長変換後の単一光子が入力される量子デバイスＸについても示す。本実施形態に係る量子波長変換器２は、後に詳述するが、単一光子源１０から共振器構造体４に入力された単一光子を、量子デバイスＸが必要とする波長の単一光子に変換する量子波長変換器を例に挙げて説明する。

＜共振器構造体＞
共振器構造体４は、図１に示すように、ナノ光ファイバ部１６と、当該ナノ光ファイバ部１６にテーパー部１８を介して接続する両端部８Ａを含む。ここで、例えば、両端部８Ａは、量子波長変換器２が備える光ファイバ８の一部である。また、ナノ光ファイバ部１６は、光ファイバ８の一部をセラミックヒータ、または酸素水炎等を含む種々の加熱方法により加熱しつつ、加熱部分を両端から引張する等の手法により、光ファイバ８の当該加熱部分に形成される。換言すれば、共振器構造体４は、光ファイバ８の一部としてナノ光ファイバ部１６および両端部８Ａを含む。

共振器構造体４は、さらに、両端部８Ａまたはナノ光ファイバ部１６の内部に、共通ＦＢＧ（fiber Bragg grating：ファイバブラッグ格子）２０、第１ＦＢＧ２２、第２ＦＢＧ２４、第３ＦＢＧ２６、および第４ＦＢＧ２８を含む。特に、本実施形態においては、両端部８Ａが含む、光子が伝搬するコア部３０と当該コア部３０の周囲におけるクラッド部３２とのうち、コア部３０に上述した各ＦＢＧが形成されている。

共通ＦＢＧ２０、第１ＦＢＧ２２、第２ＦＢＧ２４、第３ＦＢＧ２６、および第４ＦＢＧ２８は、特定の周波数を有する光子の一部を反射する。本明細書において、第１ＦＢＧ２２は第１共振周波数ω_１、第２ＦＢＧ２４は第２共振周波数ω_２、第３ＦＢＧ２６は第３共振周波数ω_３、第４ＦＢＧ２８は第４共振周波数ω_４、それぞれの周波数を有する光子の一部を反射する。また、共通ＦＢＧ２０は、第１共振周波数ω_１、第２共振周波数ω_２、第３共振周波数ω_３、および第４共振周波数ω_４の何れの周波数を有する光子も一部を反射する。

なお、本実施形態において、第１共振周波数ω_１、第２共振周波数ω_２、第３共振周波数ω_３、および第４共振周波数ω_４は、何れも互いに異なる周波数である。換言すれば、本実施形態において、少なくとも、第４共振周波数ω_４は、第１共振周波数ω_１、第２共振周波数ω_２、および第３共振周波数ω_３の何れの周波数とも異なっている。

本実施形態において、ナノ光ファイバ部１６の両端に形成された２つの両端部８Ａのうち、一方に共通ＦＢＧ２０が形成され、他方に第１ＦＢＧ２２、第２ＦＢＧ２４、第３ＦＢＧ２６、および第４ＦＢＧ２８が形成されている。したがって、共通ＦＢＧ２０と、第１ＦＢＧ２２、第２ＦＢＧ２４、第３ＦＢＧ２６、および第４ＦＢＧ２８とのそれぞれの間には、少なくともナノ光ファイバ部１６の光子の伝搬路を含む共通の光路が形成されている。

したがって、共振器構造体４には、共通ＦＢＧ２０と、第１ＦＢＧ２２、第２ＦＢＧ２４、第３ＦＢＧ２６、および第４ＦＢＧ２８とのそれぞれによって、第１共振器３４、第２共振器３６、第３共振器３８、および第４共振器４０が形成される。ここで、本実施形態において、第１共振器３４、第２共振器３６、第３共振器３８、および第４共振器４０は、それぞれ、第１共振周波数ω_１、第２共振周波数ω_２、第３共振周波数ω_３、および第４共振周波数ω_４を共振周波数に有する。換言すれば、共振器構造体４が含む各共振器においては、対応する共振周波数を有する光子が共振する。

特に、第１共振器３４、第２共振器３６、第３共振器３８、および第４共振器４０は、少なくとも光ファイバ８の一部であるナノ光ファイバ部１６の光子の伝搬路を、共通の共振光路として有する。換言すれば、共振器構造体４は、少なくとも一部が共通の共振光路を有する複数の共振器を含む。

さらに、当該複数の共振器は、それぞれの共振周波数を反射帯域に含む一対のファイバブラッグ格子をそれぞれ有する。特に、共通ＦＢＧ２０は、複数の共振器の間において同一のファイバブラッグ格子として形成されている。なお、共振器構造体４が含む複数の共振器が有するファイバブラッグ格子のうち、少なくとも一つが共通ＦＢＧ２０であってもよい。

本実施形態においては、上述の通り、一方の両端部８Ａに、第１ＦＢＧ２２、第２ＦＢＧ２４、第３ＦＢＧ２６、および第４ＦＢＧ２８が個別に形成されている。このため、本実施形態においては、第１共振器３４、第２共振器３６、第３共振器３８、および第４共振器４０のそれぞれの共振器長であるＬ１、Ｌ２、Ｌ３、およびＬ４を独立して設計することができる。

なお、本実施形態においては、第１ＦＢＧ２２、第２ＦＢＧ２４、第３ＦＢＧ２６、および第４ＦＢＧ２８が個別に形成されているが、これに限られない。例えば、本実施形態においては、両端部８Ａの一方に、連続したファイバブラッグ格子を形成し、当該ファイバブラッグ格子の複数の位置のそれぞれにチャープを形成してもよい。これにより、本実施形態においては、ファイバブラッグ格子の各チャープを形成した位置において特定波長の光子を反射させることにより、各共振器を形成してもよい。

＜レーザ光源、単一光子源＞
図１の量子波長変換器２の平面図の参照に戻ると、レーザ光源６は、光ファイバ８を介して共振器構造体４の各共振器に、少なくとも一つ以上の周波数を有するポンプ光を入力するための光源である。例えば、レーザ光源６は、複数の周波数帯を含むポンプ光を生成してもよく、あるいは、特定の周波数を含む複数のポンプ光を生成してもよい。特に、本実施形態において、レーザ光源６は、第２共振周波数ω_２を有する第１ポンプ光ＰＬ１と、第３共振周波数ω_３を有する第２ポンプ光ＰＬ２とを生成し、第１ポンプ光ＰＬ１および第２ポンプ光ＰＬ２を共振器構造体４の各共振器に入力する。

次いで、単一光子源１０について、図２を参照して詳細に説明する。図２は、図１に示す量子波長変換器２の概略平面図のうち、量子波長変換器２が備える単一光子源１０について拡大して示す概略図である。図２に示すように、単一光子源１０は、共振器構造体４が含む各構成のうち、ナノ光ファイバ部１６、および当該ナノ光ファイバ部１６とテーパー部１８を介して接続する両端部８Ａを含む。

ただし、単一光子源１０は、共振器構造体４が含む各ファイバブラッグ格子のうち、一方の両端部８Ａのコア部３０に共通ＦＢＧ２０を含み、他方の両端部８Ａのコア部３０に第１ＦＢＧ２２のみを含む。このため、単一光子源１０は、共振器構造体４が含む各共振器のうち、第１共振器３４のみを含む。

さらに、単一光子源１０は、ナノ光ファイバ部１６上に形成された量子系４２を備える。量子系４２は、少なくとも、基底準位と当該基底準位よりも上位の準位である励起準位とを含み、例えば、原子、イオン、窒素欠陥を有するダイヤモンド、および量子ドット等を含む。また、本実施形態において、量子系４２の基底準位と励起準位との準位差は、第１共振周波数ω_１を有する光子のエネルギーに相当する。

単一光子源１０は、例えば、量子系４２の基底準位と励起準位との間の状態遷移を用いて、第１共振周波数ω_１を有する単一光子を生成してもよい。この場合、単一光子源１０は、例えば、量子系４２の基底準位と励起準位との間の状態遷移を引き起こすコントロール光を量子系４２に照射可能な図示しないレーザ光源を含んでいてもよい。

単一光子源１０は、例えば、量子系４２と第１共振器３４との結合により、基底準位と励起準位との間の状態遷移に伴う単一光子の自然放出が強調されるパーセル効果に基づき、第１共振周波数ω_１を有する単一光子を第１共振器３４中に生成してもよい。換言すれば、上述したレーザ光源からのコントロール光により量子系４２の状態を励起させ、再び基底状態に戻る際に単一光子が生じることを利用し、単一光子源１０は単一光子を生成してもよい。

あるいは、単一光子源１０は、振幅が０から次第に上昇するコントロール光を量子系４２に照射することにより単一光子を第１共振器３４に生成してもよい。この場合、コントロール光の振幅の時間変化を制御することにより、単一光子の波形を制御できる。

図１の参照に戻ると、単一光子源１０は光ファイバ８を介して共振器構造体４と接続する。このため、単一光子源１０は生成した第１共振周波数ω_１を有する単一光子を、入力単一光子ＩＦとして共振器構造体４の各共振器に入力する。量子波長変換器２は、レーザ光源６からの第１ポンプ光ＰＬ１および第２ポンプ光ＰＬ２と、単一光子源１０からの入力単一光子ＩＦと、を混合して共振器構造体４の各共振器に入力するための合流器４４を備えていてもよい。

＜四光波混合過程＞
以上より、本実施形態において、共振器構造体４の各共振器には、レーザ光源６からの第１ポンプ光ＰＬ１および第２ポンプ光ＰＬ２と、単一光子源１０からの入力単一光子ＩＦと、が入力される。本実施形態において、共振器構造体４は、入力された第１ポンプ光ＰＬ１、第２ポンプ光ＰＬ２、および入力単一光子ＩＦによる四光波混合過程により、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦを生成する。本実施形態において、出力光子ＯＦは単一光子である。

共振器構造体４による出力光子ＯＦの生成について、図３を参照してより詳細に説明する。図３は、共振器構造体４における光子の入出力を説明するための模式図４Ａと、共振器構造体４において生じる状態遷移を表すエネルギーダイヤグラムＤ１である。

図３の模式図４Ａに示す通り、共振器構造体４には、第１共振周波数ω_１を有する単一入力光子ＩＦ、第２共振周波数ω_２を有する第１ポンプ光ＰＬ１、および第３共振周波数ω_３を有する第２ポンプ光ＰＬ２が入力される。この結果、後述の方法により、模式図４Ａに示す通り、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦが共振器構造体４から出力される。

ここで、本実施形態においては、第１共振周波数ω_１、第２共振周波数ω_２、第３共振周波数ω_３、および第４共振周波数ω_４について、以下の式（１）および式（２）が成立する。

上記２式において、ｎ_ｉは第ｉ共振周波数ω_ｉの光に対するナノ光ファイバ部１６の内部における実効屈折率である。また、上記２式において、ｃは光速、γはナノ光ファイバ部１６の非線形係数、Ｐはレーザ光源６からのポンプ光の合計強度である。

ここで、共振器構造体４の各共振器の共通光路に含まれるナノ光ファイバ部１６において、図３のエネルギーダイヤグラムＤ１に示すように、基底準位ｇと励起準位ｅとを仮想的に設定する。また、基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差を、第１共振周波数ω_１を有する光子のエネルギーと第２共振周波数ω_２を有する光子のエネルギーとの合計値と略同一とする。なお、上記式（１）から、ω_１＋ω_２＝ω_３＋ω_４が成立するため、基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差は、第３共振周波数ω_３を有する光子のエネルギーと第４共振周波数ω_４を有する光子のエネルギーとの合計値とも略同一である。

上記２式が成立する場合、ナノ光ファイバ部１６においては、単一入力光子ＩＦ、第１ポンプ光ＰＬ１、および第２ポンプ光ＰＬ２によって、エネルギーダイヤグラムＤ１に示す状態遷移が生じる。具体的には、単一入力光子ＩＦおよび第１ポンプ光ＰＬ１によって、基底準位ｇから励起準位ｅへの励起が生じる。また、当該励起と併せて、第２ポンプ光ＰＬ２によって、励起準位ｅから２準位の中間への遷移が生じる。結果として、第２ポンプ光ＰＬ２のエネルギーと、基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差との差に相当するエネルギーを有する、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦが生成される。

以上により、ナノ光ファイバ部１６においては四光波混合過程が発生する。換言すれば、本実施形態に係る共振器構造体４の各共振器は、共通の共振光路であるナノ光ファイバ部１６における四光波混合過程のエネルギー保存則および位相整合条件を満たしている。ここで、上記２式のうち、式（１）は四光波混合過程のエネルギー保存則を表し、式（２）は四光波混合過程の位相整合条件を表す。

ここで、ナノ光ファイバ部１６を共通の共振光路として含む共振器構造体４の各共振器は、第１共振周波数ω_１、第２共振周波数ω_２、第３共振周波数ω_３、および第４共振周波数ω_４を有する光と結合する。このため、共振器構造体４の各共振器により、ナノ光ファイバ部１６における上述の四光波混合過程は促進され、共振器構造体４における出力光子ＯＦの生成が促進される。

＜フリースペクトルレンジの設計＞
ここで、共振器構造体４の各共振器の共振条件は、（ｎ_ｉ・ω_ｉ・Ｌｉ／ｃ）＋φ_ｉ＝ｍ_ｉ・πと表される。当該共振条件の式において、ｃは光速、ｎ_ｉは第ｉ共振器中の群屈折率、Ｌｉは第ｉ共振器の共振器長、φ_ｉは第ｉ共振周波数ω_ｉを有する光子を反射するファイバブラッグ格子における当該光子の位相変化、ｍ_ｉは自然数である。ここで、一般に、ｎ_ｉおよびφ_ｉは光子の周波数に依存し得る。このため、共振器長Ｌｉが同一であり、共振器構造体４が含むファイバブラッグ格子の分散を無視する場合、共振器構造体４の各共振器の共振条件を満たす第ｉ共振周波数ω_ｉにおいて、上記式（２）は一般には成立しない。

そこで、本実施形態においては、共振器構造体４の各共振器の共振器長Ｌｉを個別に設計し、あるいは、当該各共振器が有するファイバブラッグ格子によって付加される分散を考慮して、当該各共振器の設計を行う。これにより、本実施形態においては、上記式（２）が成立するように、共振器構造体４の各共振器の設計を行う。例えば、上述の通り、共通ＦＢＧ２０に対し、第１ＦＢＧ２２、第２ＦＢＧ２４、第３ＦＢＧ２６、および第４ＦＢＧ２８を個別に形成することにより、各共振器の共振器長Ｌｉを個別に設計可能とする。

これにより、各共振器において、共振条件である（ｎ_ｉ・ω_ｉ・Ｌｉ／ｃ）＋φ_ｉ＝ｍ_ｉ・πを満たす共振器長Ｌｉを個別に設計できる。なお、上記式（２）が満たされる限り、共振器構造体４が含む各共振器の共振器長Ｌｉは特に限定されない。したがって、共振器構造体４が含む各共振器の共振器長Ｌｉの大小関係は、図１等に示す大小関係には限定されない。

このため、本実施形態に係る共振器構造体４は、上記式（２）を満たすように各共振器の設計を行うことが容易となる。また、共振器構造体４は、各共振器の一対のファイバブラッグ格子のうち一方を個別に形成しているため、温度変化または振動等の外乱に対し、各共振器に対する共振器長Ｌｉの安定化を独立して行うことができる。

＜ダイクロイックミラー、光終端器＞
以上により、共振器構造体４は第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦを生成する。図１の参照に戻ると、共振器構造体４から出力された出力光子ＯＦは光ファイバ８を介してダイクロイックミラー１２に入射する。ただし、共振器構造体４からは、単一光子源１０からの単一入力光子ＩＦ、レーザ光源６からの第１ポンプ光ＰＬ１、および第２ポンプ光ＰＬ２も出射し、ダイクロイックミラー１２に入射する。

ダイクロイックミラー１２は、特定周波数の光子を透過または反射するミラーである。本実施形態において、ダイクロイックミラー１２は、透過した光子が量子デバイスＸに入射し、反射した光子が光終端器１４に入射するように設置される。なお、本実施形態に係る量子波長変換器２は、透過または反射する光子の周波数が互いに異なる複数のダイクロイックミラー１２を備えていてもよい。

本実施形態において、ダイクロイックミラー１２は、第１共振周波数ω_１、第２共振周波数ω_２、および第３共振周波数ω_３を有する光子を反射し、第４共振周波数ω_４を有する光子を透過する。したがって、ダイクロイックミラー１２は、第１共振周波数ω_１を有する単一入力光子ＩＦ、第２共振周波数ω_２を有する第１ポンプ光ＰＬ１、および第３共振周波数ω_３を有する第２ポンプ光ＰＬ２を反射し、光終端器１４に入射させる。また、ダイクロイックミラー１２は、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦを透過させて、量子デバイスＸに入射させる。換言すれば、ダイクロイックミラー１２は、共振器構造体４から出射した光子のうち、量子デバイスＸに入射する光子を、出力光子ＯＦのみに限定する。
なお、本実施形態に係る量子波長変換器２は、ダイクロイックミラー１２に代えて、共振器構造体４から出射した光を波長ごとに異なる方向に回折させる回折格子を備えていてもよい。また、本実施形態に係る量子波長変換器２は、ダイクロイックミラー１２に代えて、共振器構造体４から出射した光を分波するＷＤＭフィルタを備えていてもよい。

光終端器１４は、例えば、入射した光子のエネルギーを熱等のエネルギーに変換することにより、当該光子を反射または分散等させることなく消失させるための光学素子である。光終端器１４により、量子波長変換器２は、共振器構造体４から出射した単一入力光子ＩＦ、第１ポンプ光ＰＬ１、および第２ポンプ光ＰＬ２が外部に出射することを低減する。

ただし、量子波長変換器２は、光終端器１４に代えてさらに他の共振器構造体４を備えていてもよく、当該共振器構造体４にダイクロイックミラー１２が反射した光子を入射させてもよい。これにより、量子波長変換器２は、複数の共振器構造体４のそれぞれにおいて、出力光子ＯＦを生成してもよい。

＜実施形態１のまとめ＞
本実施形態に係る量子波長変換器２は、単一光子源１０が生成した第１共振周波数ω_１を有する単一入力光子ＩＦを、当該第１共振周波数ω_１と異なる周波数である第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦに変換することができる。また、量子波長変換器２は、量子デバイスＸに出力光子ＯＦを入力する。これにより、量子波長変換器２は、単一光子源１０が生成する光子の周波数と、量子デバイスＸが必要とする光子の周波数との間に差異があっても、単一光子源１０が生成する光子の周波数を変換して量子デバイスＸに入力することができる。

本実施形態においては、例えば、図３のエネルギーダイヤグラムＤ１に示すように、第４共振周波数ω_４を他の共振周波数の何れよりも低い周波数とした。しかしながら、これに限られず、第４共振周波数ω_４は何れかの共振周波数よりも大きくともよい。本実施形態においては、例えば、第４共振周波数ω_４を第３共振周波数ω_３よりも大きくしてもよい。本実施形態においては、上記式（１）および式（２）を満たすように、第１ポンプ光ＰＬ１と第２ポンプ光ＰＬ２との周波数、および共振器構造体４が含む各共振器の共振器長等の設計を変更することにより、第４共振周波数ω_４の変更を実現してもよい。

本実施形態に係る量子波長変換器２は、ポンプ光等が入力され、波長変換後の光子を生成する各共振器の共通の共振光路を、光ファイバ８の一部として含む。このため、波長変換前の光子を出射する量子デバイス、または、波長変換後の光子を必要とする量子デバイスが光ファイバを有していた場合においても、本実施形態に係る量子波長変換器２は、当該光ファイバとの結合を容易に実現する。したがって、量子波長変換器２は、光ファイバを含む量子デバイスに組み込んだ場合においても、当該量子デバイスの構造の複雑化を低減する。

なお、量子波長変換器２は、単一光子源１０が生成する単一入力光子ＩＦの波長を変換するが、これに限られない。例えば、量子波長変換器２は、量子コンピュータにおける量子演算ユニット、または、量子通信器における量子中継器から出力された、第１共振周波数ω_１を有する光子の波長を変換してもよい。あるいは、量子波長変換器２は、他の量子波長変換器２が生成した出力光子ＯＦの波長をさらに変換してもよい。

一般に、量子系として原子を備える量子演算ユニットまたは量子中継器において、当該原子と光子とを相互作用させる場合、原子における十分なコヒーレンス時間の確保のために、原子の基底準位とその直上の励起準位との遷移が利用される場合が多い。この場合、一般に、原子と光子とを相互作用させるために、当該光子の波長は１μｍ未満であることが求められる。

一方、ある量子演算ユニットにおける演算に利用した光子を利用してさらなる演算を行うために、当該光子を他の量子演算ユニットに伝搬させるために、または、複数の量子中継器の間における光子の伝搬のために、一般に単一モードの光ファイバが用いられる。ここで、一般に、光ファイバ中における光子の損失を十分に低減するために、当該光ファイバを伝搬する光子の波長は１．３μｍ以上１．６μｍ以下の波長帯である通信波長帯に含まれる場合が多い。

本実施形態に係る量子波長変換器２は、例えば、上述した量子演算ユニットまたは量子中継器から出力され、波長が１μｍ未満の光子を、１．３μｍ以上１．６μｍ以下の波長を有する光子に変換し、光ファイバ中を伝搬させてもよい。次いで、他の量子波長変換器２が、当該光ファイバ中を伝搬する光子を、再び１μｍ未満の波長を有する光子に変換した後、他の量子演算ユニットまたは量子中継器に入力してもよい。この場合、量子波長変換器２によって、複数の量子演算ユニットまたは量子中継器における光子の低損失の伝搬が実現する。

本実施形態において、共振器構造体４の各共振器における共通の共振光路は、両端部８Ａよりも径の小さいナノ光ファイバ部１６を含む。このため、モード断面積が小さいことにより、ナノ光ファイバ部１６においては、光ファイバ８の他の部分よりも、上述した四光波混合過程が有意に発生する。したがって、本実施形態に係る量子波長変換器２は、単一入力光子ＩＦから出力光子ＯＦへの変換効率を向上させることができる。

本実施形態において、共振器構造体４の各共振器は、一対のファイバブラッグ格子を有する。このため、量子波長変換器２は、一対のミラー等の光学素子、または、リング共振器等を備える場合と比較して、共振器構造体４の各共振器を簡素に構成できる。さらに、複数の共振器の間において、ファイバブラッグ格子の少なくとも一部は、同一の共通ＦＢＧ２０である。このため、量子波長変換器２は、共振器ごとに独立した一対のファイバブラッグ格子を備える場合と比較して、共振器構造体４の各共振器をより簡素に構成できる。なお、各共振器の一対のファイバブラッグ格子のうち、一方を共通とし、他方を個々に形成することにより、量子波長変換器２は、上述の通り、各共振器の共振器長の設計をより容易とできる。
なお、量子波長変換器２は、単一入力光子ＩＦの代わりに、レーザ光源６から出射した第１共振周波数ω_１のポンプ光を共振器構造体４に入力してもよい。この場合、レーザ光源６から出射した各ポンプ光の強度を十分に強くすることにより、共振器構造体４は、第４共振周波数ω_４を有するコヒーレントな光子を生成する。換言すれば、量子波長変換器２は、光パラメトリック発振器としても機能してよい。なお、本実施形態に限られず、本明細書に記載された各実施形態に係る量子波長変換器は、レーザ光源からのポンプ光から第４共振周波数ω_４を有するコヒーレントな光子を生成する光パラメトリック発振器としても機能してよい。

〔実施形態２〕
＜パラメトリック下方変換を利用した波長変換＞
図４は、本実施形態に係る量子波長変換器４６の概略平面図、および、当該概略平面図のうち、量子波長変換器４６が備える共振器構造体４８について拡大して示す概略図である。本実施形態に係る量子波長変換器４６は、前実施形態に係る量子波長変換器２と比較して、共振器構造体４に代えて共振器構造体４８を備える点においてのみ構成が異なる。なお、以降の実施形態において、特に説明しない限り、異なる実施形態の間において同一の構成を有し、または同一の機能を果たす部材については、同一の部材番号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る共振器構造体４８は、前実施形態に係る共振器構造体４と比較して、第２ＦＢＧ２４および第２共振器３６を備えていない点において構成が異なる。このため、共振器構造体４８は、第１共振周波数ω_１、第３共振周波数ω_３、および第４共振周波数ω_４をそれぞれ共振周波数として有する、第１共振器３４、第３共振器３８、および第４共振器４０を含む。また、共振器構造体４８は、第１共振器３４、第３共振器３８、および第４共振器４０の共通の共振光路として、少なくともナノ光ファイバ部１６を含む。

また、本実施形態において、レーザ光源６は、第３共振周波数ω_３を有する第２ポンプ光ＰＬ２を共振器構造体４８に入力し、第１ポンプ光ＰＬ１を出射しない。したがって、本実施形態に係る共振器構造体４８には、レーザ光源６からの第２ポンプ光ＰＬ２と、単一光子源１０が生成する単一入力光子ＩＦとが入力される。本実施形態において、共振器構造体４８は、入力された第２ポンプ光ＰＬ２、および入力単一光子ＩＦによるパラメトリック下方変換により、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦを生成する。

共振器構造体４８による出力光子ＯＦの生成について、図５を参照してより詳細に説明する。図５は、共振器構造体４８における光子の入出力を説明するための模式図４８Ａと、共振器構造体４８において生じる状態遷移を表すエネルギーダイヤグラムＤ２である。

図５の模式図４８Ａに示す通り、共振器構造体４８には、第１共振周波数ω_１を有する単一入力光子ＩＦ、および第３共振周波数ω_３を有する第２ポンプ光ＰＬ２が入力される。この結果、後述の方法により、模式図４８Ａに示す通り、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦが共振器構造体４８から出力される。本実施形態においても、出力光子ＯＦは単一光子である。

ここで、本実施形態においては、第１共振周波数ω_１、第３共振周波数ω_３、および第４共振周波数ω_４について、上述した式（１）および式（２）を、以下の式（３）および式（４）に読み替えた式が成立する。

ここで、本実施形態においては、図５のエネルギーダイヤグラムＤ２に示すように、ナノ光ファイバ部１６における基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差を、第１共振周波数ω_１を有する光子のエネルギーと略同一とする。なお、上記式（３）から、ω_１＝ω_３＋ω_４が成立するため、基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差は、第３共振周波数ω_３を有する光子のエネルギーと第４共振周波数ω_４を有する光子のエネルギーとの合計値とも略同一である。

上記２式が成立する場合、ナノ光ファイバ部１６においては、単一入力光子ＩＦ、および第２ポンプ光ＰＬ２によって、エネルギーダイヤグラムＤ２に示す状態遷移が生じる。具体的には、単一入力光子ＩＦによって、基底準位ｇから励起準位ｅへの励起が生じる。また、当該励起と併せて、第２ポンプ光ＰＬ２によって、励起準位ｅから２準位の中間への遷移が生じる。結果として、第２ポンプ光ＰＬ２のエネルギーと、基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差との差に相当するエネルギーを有する、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦが生成される。

以上により、ナノ光ファイバ部１６においてはパラメトリック下方変換が発生する。換言すれば、本実施形態に係る共振器構造体４８の各共振器は、共通の共振光路であるナノ光ファイバ部１６におけるパラメトリック下方変換のエネルギー保存則および位相整合条件を満たしている。ここで、上記２式のうち、式（３）はパラメトリック下方変換のエネルギー保存則を表し、式（４）はパラメトリック下方変換の位相整合条件を表す。

ここで、３次の非線形光学効果である四光波混合過程は、反転対称性を有する物質中であっても有意に発生するのと比較して、２次の非線形光学効果であるパラメトリック下方変換は、反転対称性を有さない物質中において有意に発生する。一般に、例えば、単一モードの光ファイバがシリカガラスからなる場合、当該光ファイバは反転対称性を有する。しかしながら、ナノ光ファイバにおいては、構造として反転対称性を有さない表面の効果が顕著となり、２次の非線形光学効果が観測される。したがって、本実施形態に係る共振器構造体４８のように、ナノ光ファイバ部１６を共通の共振光路に含む各共振器においては、四光波混合過程のみならず、パラメトリック下方変換についても有意に発生する。

以上により、共振器構造体４８は第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦを生成する。図４の参照に戻ると、共振器構造体４８から出力された出力光子ＯＦはダイクロイックミラー１２を透過して量子デバイスＸに入射する。また、共振器構造体４８からの単一入力光子ＩＦ、および第２ポンプ光ＰＬ２は、ダイクロイックミラー１２において反射し光終端器１４に入射し消失する。

本実施形態に係る量子波長変換器４６は、量子波長変換器２と同じく、単一光子源１０が生成する第１共振周波数ω_１を有する単一入力光子ＩＦを、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦに変換し、量子デバイスＸに入力することができる。また、量子波長変換器４６の共振器構造体４８は、量子波長変換器２の共振器構造体４と比較して、第２共振器３６を含まないため、含む共振器の個数が１つ少ない。したがって、量子波長変換器４６は、量子波長変換器２と比較して、より簡素に共振器構造体４８を構成でき、また、共振器構造体４８の設計をより容易とする。量子波長変換器４６は、パラメトリック下方変換を用いて光子の波長を変換するため、量子波長変換器２と比較して、共振器構造体４８に入力する単一光子をより長波長低周波数の光子に変換したい場合に有用である。

〔実施形態３〕
＜パラメトリック上方変換を利用した波長変換＞
図６は、本実施形態に係る量子波長変換器５０の概略平面図、および、当該概略平面図のうち、量子波長変換器５０が備える共振器構造体５２について拡大して示す概略図である。本実施形態に係る量子波長変換器５０は、実施形態１に係る量子波長変換器２と比較して、共振器構造体４に代えて共振器構造体５２を備える点においてのみ構成が異なる。

本実施形態に係る共振器構造体５２は、共振器構造体４と比較して、第３ＦＢＧ２６および第３共振器３８を備えていない点において構成が異なる。このため、共振器構造体５２は、第１共振周波数ω_１、第２共振周波数ω_２、および第４共振周波数ω_４をそれぞれ共振周波数として有する、第１共振器３４、第２共振器３６、および第４共振器４０を含む。また、共振器構造体５２は、第１共振器３４、第２共振器３６、および第４共振器４０の共通の共振光路として、少なくともナノ光ファイバ部１６を含む。

また、本実施形態において、レーザ光源６は、第２共振周波数ω_２を有する第１ポンプ光ＰＬ１を共振器構造体５２に入力し、第２ポンプ光ＰＬ２を出射しない。したがって、本実施形態に係る共振器構造体５２には、レーザ光源６からの第１ポンプ光ＰＬ１と、単一光子源１０が生成する単一入力光子ＩＦとが入力される。本実施形態において、共振器構造体５２は、入力された第１ポンプ光ＰＬ１、および入力単一光子ＩＦによるパラメトリック上方変換により、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦを生成する。

共振器構造体５２による出力光子ＯＦの生成について、図７を参照してより詳細に説明する。図７は、共振器構造体５２における光子の入出力を説明するための模式図５２Ａと、共振器構造体５２において生じる状態遷移を表すエネルギーダイヤグラムＤ３である。

図７の模式図５２Ａに示す通り、共振器構造体５２には、第１共振周波数ω_１を有する単一入力光子ＩＦ、および第２共振周波数ω_２を有する第１ポンプ光ＰＬ１が入力される。この結果、後述の方法により、模式図５２Ａに示す通り、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦが共振器構造体５２から出力される。本実施形態においても、出力光子ＯＦは単一光子である。

ここで、本実施形態においては、第１共振周波数ω_１、第２共振周波数ω_２、および第４共振周波数ω_４について、上述した式（１）および式（２）を、以下の式（５）および式（６）に読み替えた式が成立する。

ここで、本実施形態においては、図７のエネルギーダイヤグラムＤ３に示すように、ナノ光ファイバ部１６における基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差を、第４共振周波数ω_４を有する光子のエネルギーとも略同一とする。なお、上記式（５）から、ω_１＋ω_２＝ω_４が成立するため、基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差は、第１共振周波数ω_１を有する光子のエネルギーと第２共振周波数ω_２を有する光子のエネルギーとの合計値と略同一である。

上記２式が成立する場合、ナノ光ファイバ部１６においては、単一入力光子ＩＦ、および第１ポンプ光ＰＬ１によって、エネルギーダイヤグラムＤ３に示す状態遷移が生じる。具体的には、単一入力光子ＩＦおよび第１ポンプ光ＰＬ１によって、基底準位ｇから励起準位ｅへの励起が生じる。結果として、基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差に相当するエネルギーを有する、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦが生成される。

以上により、ナノ光ファイバ部１６においてはパラメトリック上方変換が発生する。換言すれば、本実施形態に係る共振器構造体５２の各共振器は、共通の共振光路であるナノ光ファイバ部１６におけるパラメトリック上方変換のエネルギー保存則および位相整合条件を満たしている。ここで、上記２式のうち、式（５）はパラメトリック上方変換のエネルギー保存則を表し、式（６）はパラメトリック上方変換の位相整合条件を表す。

ここで、パラメトリック上方変換は、パラメトリック下方変換と同じく２次の非線形光学効果であるため、反転対称性を有さない物質中において有意に発生する。しかしながら、構造として反転対称性を有さない表面の効果が顕著となるナノ光ファイバ部１６においては、パラメトリック上方変換についても有意に発生する。

以上により、共振器構造体５２は第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦを生成する。図６の参照に戻ると、共振器構造体５２から出力された出力光子ＯＦはダイクロイックミラー１２を透過して量子デバイスＸに入射する。また、共振器構造体５２からの単一入力光子ＩＦ、および第１ポンプ光ＰＬ１は、ダイクロイックミラー１２において反射し光終端器１４に入射し消失する。

本実施形態に係る量子波長変換器５０は、量子波長変換器２と同じく、単一光子源１０が生成する第１共振周波数ω_１を有する単一入力光子ＩＦを、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦに変換し、量子デバイスＸに入力することができる。また、量子波長変換器５０の共振器構造体５２は、量子波長変換器２の共振器構造体４と比較して、第３共振器３８を含まないため、含む共振器の個数が１つ少ない。したがって、量子波長変換器５０は、量子波長変換器２と比較して、より簡素に共振器構造体５２を構成でき、また、共振器構造体５２の設計をより容易とする。量子波長変換器５０は、パラメトリック上方変換を用いて光子の波長を変換するため、量子波長変換器２および量子波長変換器４６と比較して、共振器構造体５２に入力する単一光子をより短波長高周波数の光子に変換したい場合に有用である。

〔実施形態４〕
＜ポンプ光の波長変換＞
図８は、本実施形態に係る量子波長変換器５４の概略平面図、および、当該概略平面図のうち、量子波長変換器５４が備える共振器構造体５６について拡大して示す概略図である。本実施形態に係る量子波長変換器５４は、実施形態１に係る量子波長変換器２と比較して、共振器構造体４に代えて共振器構造体５６を備え、単一光子源１０を備えていない点においてのみ構成が異なる。このため、量子波長変換器５４は合流器４４を備えていなくともよい。

本実施形態に係る共振器構造体５６は、共振器構造体４８と比較して、各共振器の共振器長の大小関係を除いて同一の構成を有する。特に、本実施形態においてはＬ１よりもＬ３の方が長い。例えば、共振器構造体５６は、共振器構造体４において、第２ＦＢＧ２４を第１ＦＢＧ２２と同一とすることにより、第１共振器３４を第２共振器３６と同一としたものに相当する。この場合、本実施形態においては、第２共振周波数ω_２を第１共振周波数ω_１と同一とみなせる。

このため、共振器構造体５６は、第１共振周波数ω_１、第３共振周波数ω_３、および第４共振周波数ω_４をそれぞれ共振周波数として有する、第１共振器３４、第３共振器３８、および第４共振器４０を含む。また、共振器構造体５６は、第１共振器３４、第３共振器３８、および第４共振器４０の共通の共振光路として、少なくともナノ光ファイバ部１６を含む。

また、本実施形態において、レーザ光源６は、第２共振周波数ω_２を有する第１ポンプ光ＰＬ１および第３共振周波数ω_３を有する第２ポンプ光ＰＬ２を共振器構造体５６に入力する。なお、本実施形態において、第２共振周波数ω_２を第１共振周波数ω_１と同一とみなせるため、第１ポンプ光ＰＬ１は第１共振周波数ω_１を有するとみなせる。本実施形態において、共振器構造体５６は、入力された第１ポンプ光ＰＬ１、および第２ポンプ光ＰＬ２による四光波混合過程により、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦを生成する。

共振器構造体５６による出力光子ＯＦの生成について、図９を参照してより詳細に説明する。図９は、共振器構造体５６における光子の入出力を説明するための模式図５６Ａと、共振器構造体５６において生じる状態遷移を表すエネルギーダイヤグラムＤ４である。

図９の模式図５６Ａに示す通り、共振器構造体５６には、第１共振周波数ω_１を有する第１ポンプ光ＰＬ１、および第３共振周波数ω_３を有する第２ポンプ光ＰＬ２が入力される。この結果、後述の方法により、模式図５６Ａに示す通り、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦが共振器構造体５６から出力される。本実施形態においては、出力光子ＯＦは単一光子であってもよく、あるいは、共振器構造体５６から略同時に出射した複数の光子を含んでいてもよい。

ここで、本実施形態においては、第１共振周波数ω_１、第３共振周波数ω_３、および第４共振周波数ω_４について、上述した式（１）および式（２）において、ω_１＝ω_２とした式が成立する。

ここで、本実施形態においては、図９のエネルギーダイヤグラムＤ４に示すように、ナノ光ファイバ部１６における基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差を、第１共振周波数ω_１を有する光子のエネルギーの２倍と略同一とする。なお、上記式（５）から、２ω_１＝ω_３＋ω_４が成立するため、基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差は、第３共振周波数ω_３を有する光子のエネルギーと第４共振周波数ω_４を有する光子のエネルギーとの合計値とも略同一である。

上記２式が成立する場合、ナノ光ファイバ部１６においては、第１ポンプ光ＰＬ１、および第２ポンプ光ＰＬ２によって、エネルギーダイヤグラムＤ４に示す状態遷移が生じる。具体的には、第１ポンプ光ＰＬ１によって、基底準位ｇから、基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差の半分のエネルギーまで励起が生じ、さらに第１ポンプ光ＰＬ１による励起が連続して発生する。このため、第１ポンプ光ＰＬ１によって、基底準位ｇから励起準位ｅへの励起が生じる。この基底準位ｇから励起準位ｅへの励起は、第１ポンプ光ＰＬ１の強度に比例してより効率よく発生する。

また、当該励起と併せて、第２ポンプ光ＰＬ２によって、励起準位ｅから２準位の中間への遷移が生じる。結果として、第２ポンプ光ＰＬ２のエネルギーと、基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差との差に相当するエネルギーを有する、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦが生成される。

以上により、ナノ光ファイバ部１６においては四光波混合過程が発生する。換言すれば、本実施形態に係る共振器構造体５６の各共振器は、共通の共振光路であるナノ光ファイバ部１６における四光波混合過程のエネルギー保存則および位相整合条件を満たしている。なお、本実施形態における四光波混合過程は、実施形態１における四光波混合過程において、ω_１＝ω_２とした場合に相当する縮退四光波混合過程である。ただし、本実施形態における縮退四光波混合過程は、実施形態１における非縮退四光波混合過程と同じく、３次の非線形光学効果であるため、光ファイバ８中において有意に発生する。

以上により、共振器構造体５６は第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦを生成する。図８の参照に戻ると、共振器構造体５６から出力された出力光子ＯＦはダイクロイックミラー１２を透過して量子デバイスＸに入射する。また、共振器構造体５６からの第１ポンプ光ＰＬ１、および第２ポンプ光ＰＬ２は、ダイクロイックミラー１２において反射し光終端器１４に入射し消失する。

本実施形態に係る量子波長変換器５４は、レーザ光源６からのポンプ光の波長を変換することにより、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦを生成し、量子デバイスＸに入力することができる。

また、量子波長変換器５４の共振器構造体５６は、量子波長変換器２の共振器構造体４と比較して、第２共振器３６を含まないため、含む共振器の個数が１つ少ない。したがって、量子波長変換器５４は、量子波長変換器２と比較して、より簡素に共振器構造体５６を構成でき、また、共振器構造体５６の設計をより容易とする。

〔実施形態５〕
＜二次高調波発生器＞
図１０は、本実施形態に係る量子波長変換器５８の概略平面図、および、当該概略平面図のうち、量子波長変換器５８が備える共振器構造体６０について拡大して示す概略図である。本実施形態に係る量子波長変換器５８は、前実施形態に係る量子波長変換器５４と比較して、共振器構造体５６に代えて共振器構造体６０を備える点においてのみ構成が異なる。

本実施形態に係る共振器構造体６０は、共振器構造体４と比較して、第２ＦＢＧ２４、第３ＦＢＧ２６、第２共振器３６、および第３共振器３８を備えていない点において構成が異なる。例えば、共振器構造体６０は、共振器構造体５２において、第２ＦＢＧ２４を第１ＦＢＧ２２と同一とすることにより、第１共振器３４を第２共振器３６と同一としたものに相当する。この場合、本実施形態においては、第２共振周波数ω_２を第１共振周波数ω_１と同一とみなせる。

このため、共振器構造体６０は、第１共振周波数ω_１、および第４共振周波数ω_４をそれぞれ共振周波数として有する、第１共振器３４、および第４共振器４０を含む。また、共振器構造体６０は、第１共振器３４、および第４共振器４０の共通の共振光路として、少なくともナノ光ファイバ部１６を含む。

また、本実施形態において、レーザ光源６は、第２共振周波数ω_２を有する第１ポンプ光ＰＬ１を共振器構造体５６に入力する。なお、本実施形態において、第２共振周波数ω_２を第１共振周波数ω_１と同一とみなせるため、第１ポンプ光ＰＬ１は第１共振周波数ω_１を有するとみなせる。本実施形態において、共振器構造体６０は、入力された第１ポンプ光ＰＬ１によるパラメトリック上方変換により、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦを生成する。

共振器構造体６０による出力光子ＯＦの生成について、図１１を参照してより詳細に説明する。図１１は、共振器構造体６０における光子の入出力を説明するための模式図６０Ａと、共振器構造体６０において生じる状態遷移を表すエネルギーダイヤグラムＤ５である。

図１１の模式図６０Ａに示す通り、共振器構造体６０には、第１共振周波数ω_１を有する第１ポンプ光ＰＬ１が入力される。この結果、後述の方法により、模式図６０Ａに示す通り、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦが共振器構造体６０から出力される。本実施形態においては、出力光子ＯＦは単一光子であってもよく、あるいは、共振器構造体５６から略同時に出射した複数の光子を含んでいてもよい。

ここで、本実施形態においては、第１共振周波数ω_１、および第４共振周波数ω_４について、上述した式（５）および式（６）において、ω_１＝ω_２とした式が成立する。

ここで、本実施形態においては、図１１のエネルギーダイヤグラムＤ５に示すように、ナノ光ファイバ部１６における基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差を、第１共振周波数ω_１を有する光子のエネルギーの２倍と略同一とする。なお、上記式（５）から、２ω_１＝ω_４が成立するため、基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差は、第４共振周波数ω_４を有する光子のエネルギーとも略同一である。

上記２式が成立する場合、ナノ光ファイバ部１６においては、第１ポンプ光ＰＬ１によって、エネルギーダイヤグラムＤ５に示す状態遷移が生じる。具体的には、第１ポンプ光ＰＬ１によって、基底準位ｇから、基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差の半分のエネルギーまで励起が生じる。ここで、第１ポンプ光ＰＬ１の強度が十分に強い場合には、さらに第１ポンプ光ＰＬ１による励起が連続して発生する。このため、第１ポンプ光ＰＬ１によって、基底準位ｇから励起準位ｅへの励起が生じる。結果として、基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差に相当するエネルギーを有する、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦが生成される。

以上により、ナノ光ファイバ部１６においてはパラメトリック上方変換が発生する。換言すれば、本実施形態に係る共振器構造体６０の各共振器は、共通の共振光路であるナノ光ファイバ部１６におけるパラメトリック上方変換のエネルギー保存則および位相整合条件を満たしている。

以上により、共振器構造体６０は第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦを生成する。図１０の参照に戻ると、共振器構造体６０から出力された出力光子ＯＦはダイクロイックミラー１２を透過して量子デバイスＸに入射する。また、共振器構造体６０からの第１ポンプ光ＰＬ１は、ダイクロイックミラー１２において反射し光終端器１４に入射し消失する。

本実施形態に係る量子波長変換器５８は、レーザ光源６からのポンプ光の波長を変換することにより、第４共振周波数ω_４を有する出力光子ＯＦを生成し、量子デバイスＸに入力することができる。特に、第４共振周波数ω_４は第１共振周波数ω_１の２倍であるため、共振器構造体６０において生じるパラメトリック上方変換は、いわゆる２次高調波発生である。換言すれば、量子波長変換器５８は、レーザ光源６からのポンプ光の周波数の２倍の周波数を有する出力光子ＯＦを生成する、２次高調波発生器として機能する。

また、量子波長変換器５８の共振器構造体６０は、量子波長変換器２の共振器構造体４と比較して、第２共振器３６および第３共振器３８を含まないため、含む共振器の個数が２つ少ない。したがって、量子波長変換器５８は、量子波長変換器２と比較して、より簡素に共振器構造体６０を構成でき、また、共振器構造体６０の設計をより容易とする。

〔実施形態６〕
＜伝令付き単一光子源＞
上述した各実施形態に係る共振器構造体を含む量子波長変換器を用いて、レーザ光源からのポンプ光の波長変換を行うことにより、光子対の生成および伝令付き単一光子の生成を行うことができる。以下、量子波長変換器を備えた、本実施形態に係る伝令付き単一光子源について説明する。図１２は、本実施形態に係る伝令付き単一光子源６２の概略平面図である。

図１２に示すように、伝令付き単一光子源６２は、量子波長変換器６４と、ダイクロイックミラー６６と、単一光子検出器６８と、第１出力光ファイバ７０と、第２出力光ファイバ７２とを備える。量子波長変換器６４は、実施形態１に係る量子波長変換器２と比較して、単一光子源１０を備えていない点においてのみ構成が異なる。

ただし、本実施形態において、ダイクロイックミラー１２は、第４共振周波数ω_４を有する光子に加えて、第３共振周波数ω_３を有する光子も透過させる。さらに、本実施形態に係るダイクロイックミラー１２は、第１共振周波数ω_１および第２共振周波数ω_２を有する光子を反射する。このため、光終端器１４には、ダイクロイックミラー１２において反射した第１共振周波数ω_１および第２共振周波数ω_２を有する光子が入射する。

ダイクロイックミラー６６は、ダイクロイックミラー１２と比較して、第４共振周波数ω_４を有する光子を透過させ、第３共振周波数ω_３を有する光子を反射する点においてのみ構成が異なる。ダイクロイックミラー６６は、ダイクロイックミラー１２を透過した光子が入射するように配置される。

単一光子検出器６８は、入射した単一光子を検出するための素子である。単一光子検出器６８は、ダイクロイックミラー６６において反射した光子が入射するように配置される。このため、単一光子検出器６８は、ダイクロイックミラー６６において反射した第３共振周波数ω_３を有する光子を検出する。

本実施形態において、量子デバイスＸには、ダイクロイックミラー６６を透過した光子が入射するように配置される。このため、単一光子検出器６８は、ダイクロイックミラー１２を透過した第４共振周波数ω_４を有する光子が入射する。

第１出力光ファイバ７０および第２出力光ファイバ７２は、単一モードの光ファイバであり、光ファイバ８と同一の構成を備えていてもよい。第１出力光ファイバ７０は、ダイクロイックミラー６６において反射した光子が入射するように配置され、第２出力光ファイバ７２は、ダイクロイックミラー６６を透過した光子が入射するように配置される。

したがって、第１出力光ファイバ７０は、ダイクロイックミラー６６において反射した第３共振周波数ω_３を有する光子を、単一光子検出器６８まで伝搬させる。また、第２出力光ファイバ７２は、ダイクロイックミラー６６を透過した第４共振周波数ω_４を有する光子を、量子デバイスＸまで伝搬させる。

また、本実施形態において、レーザ光源６は、第１共振周波数ω_１を有する第１ポンプ光ＰＬ１および第２共振周波数ω_２を有する第２ポンプ光ＰＬ２を共振器構造体４に入力する。

本実施形態において、共振器構造体４は、後述の方法により、入力されたポンプ光による四光波混合過程により、第３共振周波数ω_３を有する第１出力光子ＯＦ１および第４共振周波数ω_４を有する第２出力光子ＯＦ２を生成する。換言すれば、共振器構造体４は、入力されたポンプ光から、互いに波長の異なる光子対を生成する。本実施形態に係るレーザ光源６が出射する第１ポンプ光ＰＬ１と第２ポンプ光ＰＬ２とは、共振器構造体４の各共振器の光子寿命をパルス長とするパルス波が連続したものとみなすことができる。ここで、本実施形態においては、第１ポンプ光ＰＬ１と第２ポンプ光ＰＬ２とのそれぞれの一つのパルス波から、上記光子対が一つ生成される確率を、１よりも十分に小さいｐとする。なお、レーザ光源６は、第１ポンプ光ＰＬ１および第２ポンプ光ＰＬ２として、各共振周波数を有するパルス波を断続的に出射してもよい。

共振器構造体４における光子対の生成について、図１３を参照してより詳細に説明する。図１３は、共振器構造体４における光子の入出力を説明するための模式図４Ｂと、共振器構造体４において生じる状態遷移を表すエネルギーダイヤグラムＤ６である。

図１３の模式図４Ｂに示す通り、共振器構造体４には、第１共振周波数ω_１を有する第１ポンプ光ＰＬ１、および第２共振周波数ω_２を有する第２ポンプ光ＰＬ２が入力される。この結果、後述の方法により、模式図４Ｂに示す通り、第３共振周波数ω_３を有する第１出力光子ＯＦ１および第４共振周波数ω_４を有する第２出力光子ＯＦ２が共振器構造体４から出力される。

ここで、本実施形態においては、第１共振周波数ω_１、第２共振周波数ω_２、第３共振周波数ω_３、および第４共振周波数ω_４について、上述した式（１）および式（２）が成立する。本実施形態においても、ナノ光ファイバ部１６において仮想的に基底準位ｇと励起準位ｅとを設定する。本実施形態において、図１３のエネルギーダイヤグラムＤ６に示すように、基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差は、第１共振周波数ω_１を有する光子のエネルギーと第２共振周波数ω_２を有する光子のエネルギーとの合計値と略同一とする。なお、上記式（１）から、ω_１＋ω_２＝ω_３＋ω_４が成立するため、基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差は、第３共振周波数ω_３を有する光子のエネルギーと第４共振周波数ω_４を有する光子のエネルギーとの合計値とも略同一である。

上記２式が成立する場合、ナノ光ファイバ部１６においては、第１ポンプ光ＰＬ１、および第２ポンプ光ＰＬ２によって、エネルギーダイヤグラムＤ６に示す状態遷移が生じる。具体的には、第１ポンプ光ＰＬ１および第２ポンプ光ＰＬ２によって、基底準位ｇから励起準位ｅへの励起が生じる。

また、当該励起と併せて、励起準位ｅから基底準位ｇへの状態遷移が生じる。ここで、共振器構造体４は、共振周波数として第３共振周波数ω_３を有する第３共振器３８と、共振周波数として第４共振周波数ω_４を有する第４共振器４０とを有する。このため、エネルギーダイヤグラムＤ６に示すように、ナノ光ファイバ部１６においては、はじめに励起準位ｅから基底準位ｇに向かって第３共振周波数ω_３を有する光子のエネルギー分だけ状態遷移が生じる。さらに、第４共振周波数ω_４を有する光子のエネルギー分だけ状態遷移が生じることにより、励起準位ｅから基底準位ｇへの状態遷移が生じる。

したがって、本実施形態に係るナノ光ファイバ部１６においては、エネルギーダイヤグラムＤ６に示すように四光波混合過程が有意に発生する。上述した四光波混合過程に伴い、共振器構造体４の第３共振器３８には、第３共振器３８と結合し第３共振周波数ω_３を有する光子が有意に生成される。また、上述した四光波混合過程に伴い、共振器構造体４の第４共振器４０には、第４共振器４０と結合し第４共振周波数ω_４を有する光子が、上述した第３共振周波数ω_３を有する光子と略同時に生成される。

したがって、共振器構造体４において上述した四光波混合過程が生じた場合、第３共振器３８からは第１出力光子ＯＦ１が出射し、第４共振器４０からは第２出力光子ＯＦ２が出射する。図１２の参照に戻ると、共振器構造体４から出射した第１出力光子ＯＦ１は、ダイクロイックミラー１２を透過し、ダイクロイックミラー６６において反射することにより、第１出力光ファイバ７０を伝搬し、単一光子検出器６８によって検出される。また、共振器構造体４から出射した第２出力光子ＯＦ２は、ダイクロイックミラー１２およびダイクロイックミラー６６を共に透過することにより、第２出力光ファイバ７２を伝搬し、量子デバイスＸに入射する。

ここで、上述した通り、四光波混合過程により各ポンプ光の一つのパルス波から一つの光子対が生成される確率はｐである。このため、四光波混合過程により各ポンプ光から二つの光子対が同時に生成される確率はｐの二乗となる。このため、単一光子検出器６８が光子を検出した際に、二つの光子が量子デバイスＸに入射する確率は、１よりも十分に小さくなる。換言すれば、単一光子検出器６８が光子を検出した際、量子デバイスＸに入射する光子は、１に十分近い確率にて単一光子である。具体的に、単一光子検出器６８が第１出力光子ＯＦ１を検出した際に、第２出力光子ＯＦ２が複数の光子を含む確率は、１よりも十分に小さい。換言すれば、単一光子検出器６８が第１出力光子ＯＦ１を検出した際に、第２出力光子ＯＦ２は、１に十分近い確率にて、単一光子である。

上述した理由から、本実施形態において、単一光子検出器６８が第１出力光子ＯＦ１を検出した場合、ほぼ確実に第２出力光子ＯＦ２が量子デバイスＸに入射している。加えて、第２出力光子ＯＦ２は、１に十分近い確率にて単一光子である。ゆえに、伝令付き単一光子源６２は、アイドラー光子である第１出力光子ＯＦ１の検出を伝令として、シグナル光子である第２出力光子ＯＦ２を生成する伝令付き単一光子源として機能する。量子デバイスＸは、例えば、量子暗号通信器等、伝令が付いた単一光子を必要とする量子通信器を含むデバイスであってもよい。

本実施形態に係る伝令付き単一光子源６２は、アイドラー光子である第１出力光子ＯＦ１と、シグナル光子である第２出力光子ＯＦ２とを生成に、共振器構造体４を含む量子波長変換器６４を用いる。このため、伝令付き単一光子源６２は、量子波長変換器２と同一の理由から、光ファイバを含む量子デバイスに組み込んだ場合においても、当該量子デバイスの構造の複雑化を低減する。

〔実施形態７〕
＜縮退四光波混合過程を用いる伝令付き単一光子源＞
図１４は、本実施形態に係る伝令付き単一光子源７４の概略平面図である。図１２に示すように、伝令付き単一光子源７４は、伝令付き単一光子源６２と比較して、量子波長変換器６４に代えて、実施形態４に係る量子波長変換器５４を備える点においてのみ構成が異なる。ただし、本実施形態において、量子波長変換器５４が備えるダイクロイックミラー１２は、第４共振周波数ω_４を有する光子に加えて、第３共振周波数ω_３を有する光子も透過させ、第１共振周波数ω_１および第２共振周波数ω_２を有する光子は反射する。

また、本実施形態において、レーザ光源６は、第１共振周波数ω_１を有する第１ポンプ光ＰＬ１を共振器構造体４に入力する。本実施形態において、共振器構造体４は、後述の方法により、入力されたポンプ光による四光波混合過程により、第３共振周波数ω_３を有する第１出力光子ＯＦ１および第４共振周波数ω_４を有する第２出力光子ＯＦ２を生成する。

したがって、本実施形態においては、前実施形態において、第２共振周波数ω_２を第１共振周波数ω_１と同一としたものとみなせる。また、本実施形態に係る伝令付き単一光子源７４は、伝令付き単一光子源６２において、第２共振器３６を第１共振器３４と同一とし、第２ポンプ光ＰＬ２を第１ポンプ光ＰＬ１と同一としたものに相当する。

共振器構造体５６における光子対の生成について、図１５を参照してより詳細に説明する。図１５は、共振器構造体５６における光子の入出力を説明するための模式図５６Ｂと、共振器構造体５６において生じる状態遷移を表すエネルギーダイヤグラムＤ７である。

図１５の模式図５６Ｂに示す通り、共振器構造体５６には、第１共振周波数ω_１を有する第１ポンプ光ＰＬ１が入力される。この結果、後述の方法により、模式図５６Ｂに示す通り、第３共振周波数ω_３を有する第１出力光子ＯＦ１および第４共振周波数ω_４を有する第２出力光子ＯＦ２が共振器構造体４から出力される。

ここで、本実施形態においては、第１共振周波数ω_１、第３共振周波数ω_３、および第４共振周波数ω_４について、上述した式（１）および式（２）において、ω_１＝ω_２とした式が成立する。なお、本実施形態においては、ナノ光ファイバ部１６における基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差を、第１共振周波数ω_１を有する光子のエネルギーの２倍と略同一とする。なお、上記式（１）から、２ω_１＝ω_３＋ω_４が成立するため、基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差は、第３共振周波数ω_３を有する光子のエネルギーと第４共振周波数ω_４を有する光子のエネルギーとの合計値とも略同一である。

上記２式が成立する場合、ナノ光ファイバ部１６においては、第１ポンプ光ＰＬ１によって、エネルギーダイヤグラムＤ７に示す状態遷移が生じる。具体的には、第１ポンプ光ＰＬ１によって、基底準位ｇから、基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差の半分のエネルギーまで励起が生じる。ここで、第１ポンプ光ＰＬ１の強度が十分に強い場合には、さらに第１ポンプ光ＰＬ１による励起が連続して発生する。このため、第１ポンプ光ＰＬ１によって、基底準位ｇから励起準位ｅへの励起が生じる。

また、当該励起と併せて、励起準位ｅから基底準位ｇへの状態遷移が生じる。本実施形態においても、前実施形態において説明した理由と同一の理由から、エネルギーダイヤグラムＤ７に示すように四光波混合過程が有意に発生する。本実施形態に係るナノ光ファイバ部１６において生じる四光波混合過程は、前実施形態に係るナノ光ファイバ部１６において生じる四光波混合過程において、ω_１＝ω_２とした縮退四光波混合過程に相当する。当該縮退四光波混合過程に伴い、共振器構造体４の第３共振器３８には第３共振周波数ω_３を有する光子が、共振器構造体４の第４共振器４０には第４共振周波数ω_４を有する光子が略同時に生成される。

第１ポンプ光ＰＬ１は、共振器構造体４の各共振器の光子寿命をパルス長とするパルス波が連続したものとみなすことができる。ここで、本実施形態においては、第１ポンプ光ＰＬ１の一つのパルス波から光子対が一つ生成される確率を、１よりも十分に小さいｐとする。この場合、本実施形態においても、第１ポンプ光ＰＬ１から四光波混合過程により二つの光子対が同時に生成される確率はｐの二乗となる。このため、単一光子検出器６８が光子を検出した際に、二つの光子が量子デバイスＸに入射する確率は、１よりも十分に小さくなる。換言すれば、本実施形態においても、単一光子検出器６８が光子を検出した際、量子デバイスＸに入射する光子は、１に十分近い確率にて単一光子である。具体的に、単一光子検出器６８が第１出力光子ＯＦ１を検出した際に、第２出力光子ＯＦ２が複数の光子を含む確率は１よりも十分に小さい。換言すれば、単一光子検出器６８が第１出力光子ＯＦ１を検出した際に、第２出力光子ＯＦ２は、１に十分近い確率にて単一光子である。

したがって、共振器構造体４において上述した四光波混合過程が生じた場合、第３共振器３８からは第１出力光子ＯＦ１が出射し、第４共振器４０からは第２出力光子ＯＦ２が出射する。図１４の参照に戻ると、共振器構造体５６から出射した第１出力光子ＯＦ１は、単一光子検出器６８によって検出され、また、共振器構造体５６から出射した第２出力光子ＯＦ２は、量子デバイスＸに入射する。

本実施形態においても、前実施形態において説明した理由と同一の理由から、共振器構造体５６から光子対が生成され、単一光子検出器６８が第１出力光子ＯＦ１を検出した場合、量子デバイスＸにはほぼ確実に第２出力光子ＯＦ２が入力される。加えて、本実施形態においても、第２出力光子ＯＦ２は、は、１に十分近い確率にて単一光子である。したがって、伝令付き単一光子源７４は、アイドラー光子である第１出力光子ＯＦ１の検出を伝令として、シグナル光子である第２出力光子ＯＦ２を生成する伝令付き単一光子源として機能する。

本実施形態に係る伝令付き単一光子源７４は、アイドラー光子である第１出力光子ＯＦ１と、シグナル光子である第２出力光子ＯＦ２とを生成に、共振器構造体５６を含む量子波長変換器５４を用いる。このため、伝令付き単一光子源７４は、量子波長変換器２と同一の理由から、光ファイバを含む量子デバイスに組み込んだ場合においても、当該量子デバイスの構造の複雑化を低減する。

また、伝令付き単一光子源７４の共振器構造体５６は、伝令付き単一光子源６２の共振器構造体４と比較して、第２共振器３６を含まないため、含む共振器の個数が１つ少ない。したがって、伝令付き単一光子源７４は、伝令付き単一光子源６２と比較して、より簡素に共振器構造体５６を構成でき、また、共振器構造体５６の設計をより容易とする。

〔実施形態８〕
＜パラメトリック下方変換を用いる伝令付き単一光子源＞
図１６は、本実施形態に係る伝令付き単一光子源７６の概略平面図である。図１６に示すように、伝令付き単一光子源７６は、伝令付き単一光子源６２と比較して、量子波長変換器６４に代えて、量子波長変換器７８を備える点において構成が異なる。量子波長変換器７８は、実施形態２に係る量子波長変換器４６と比較して、単一光子源１０を備えていない点においてのみ構成が異なる。ただし、本実施形態において、量子波長変換器７８が備えるダイクロイックミラー１２は、第４共振周波数ω_４を有する光子に加えて、第３共振周波数ω_３を有する光子も透過させ、第１共振周波数ω_１および第２共振周波数ω_２を有する光子は反射する。

また、本実施形態において、レーザ光源６は、第１共振周波数ω_１を有する第１ポンプ光ＰＬ１を共振器構造体４に入力する。本実施形態において、共振器構造体４８は、後述の方法により、入力されたポンプ光によるパラメトリック下方変換により、第３共振周波数ω_３を有する第１出力光子ＯＦ１および第４共振周波数ω_４を有する第２出力光子ＯＦ２を生成する。

共振器構造体４８における光子対の生成について、図１７を参照してより詳細に説明する。図１７は、共振器構造体４８における光子の入出力を説明するための模式図４８Ｂと、共振器構造体４８において生じる状態遷移を表すエネルギーダイヤグラムＤ８である。

図１７の模式図４８Ｂに示す通り、共振器構造体４８には、第１共振周波数ω_１を有する第１ポンプ光ＰＬ１が入力される。この結果、後述の方法により、模式図４８Ｂに示す通り、第３共振周波数ω_３を有する第１出力光子ＯＦ１および第４共振周波数ω_４を有する第２出力光子ＯＦ２が共振器構造体４から出力される。

ここで、本実施形態においては、第１共振周波数ω_１、第３共振周波数ω_３、および第４共振周波数ω_４について、上述した式（３）および式（４）が成立する。なお、本実施形態においては、ナノ光ファイバ部１６における基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差を、第１共振周波数ω_１を有する光子のエネルギーと略同一とする。なお、上記式（３）から、ω_１＝ω_３＋ω_４が成立するため、基底準位ｇと励起準位ｅとのエネルギー差は、第３共振周波数ω_３を有する光子のエネルギーと第４共振周波数ω_４を有する光子のエネルギーとの合計値とも略同一である。

上記２式が成立する場合、ナノ光ファイバ部１６においては、第１ポンプ光ＰＬ１によって、エネルギーダイヤグラムＤ７に示す状態遷移が生じる。具体的には、第１ポンプ光ＰＬ１によって、基底準位ｇから励起準位ｅへの励起が生じる。

また、当該励起と併せて、励起準位ｅから基底準位ｇへの状態遷移が生じる。本実施形態においても、前実施形態において説明した理由と同一の理由から、エネルギーダイヤグラムＤ８に示すようにパラメトリック下方変換が有意に発生する。上述したパラメトリック下方変換に伴い、共振器構造体４の第３共振器３８には第３共振周波数ω_３を有する光子が、共振器構造体４の第４共振器４０には第４共振周波数ω_４を有する光子が略同時に生成される。

第１ポンプ光ＰＬ１は、共振器構造体４の各共振器の光子寿命をパルス長とするパルス波が連続したものとみなすことができる。ここで、本実施形態においては、第１ポンプ光ＰＬ１の一つのパルス波から光子対が一つ生成される確率を、１よりも十分に小さいｐとする。この場合、本実施形態においても、第１ポンプ光ＰＬ１からパラメトリック下方変換により二つの光子対が同時に生成される確率はｐの二乗となる。このため、単一光子検出器６８が光子を検出した際に、二つの光子が量子デバイスＸに入射する確率は、１よりも十分に小さくなる。換言すれば、本実施形態においても、単一光子検出器６８が光子を検出した際、量子デバイスＸに入射する光子は、１に十分近い確率にて単一光子である。具体的に、単一光子検出器６８が第１出力光子ＯＦ１を検出した際に、第２出力光子ＯＦ２が複数の光子を含む確率は、１よりも十分に小さい。換言すれば、単一光子検出器６８が第１出力光子ＯＦ１を検出した際に、第２出力光子ＯＦ２は、１に十分近い確率にて単一光子である。

したがって、共振器構造体４において上述したパラメトリック下方変換が生じた場合、第３共振器３８からは第１出力光子ＯＦ１が出射し、第４共振器４０からは第２出力光子ＯＦ２が出射する。図１６の参照に戻ると、共振器構造体４８から出射した第１出力光子ＯＦ１は、単一光子検出器６８によって検出され、また、共振器構造体４８から出射した第２出力光子ＯＦ２は、量子デバイスＸに入射する。

本実施形態においても、前実施形態において説明した理由と同一の理由から、共振器構造体５６から光子対が生成され、単一光子検出器６８が第１出力光子ＯＦ１を検出した場合、量子デバイスＸにはほぼ確実に第２出力光子ＯＦ２が入力される。加えて、本実施形態においても、第２出力光子ＯＦ２は、１に十分近い確率にて単一光子である。したがって、伝令付き単一光子源７６は、アイドラー光子である第１出力光子ＯＦ１の検出を伝令として、シグナル光子である第２出力光子ＯＦ２を生成する伝令付き単一光子源として機能する。

本実施形態に係る伝令付き単一光子源７６は、アイドラー光子である第１出力光子ＯＦ１と、シグナル光子である第２出力光子ＯＦ２とを生成に、共振器構造体４８を含む量子波長変換器７８を用いる。このため、伝令付き単一光子源７６は、量子波長変換器２と同一の理由から、光ファイバを含む量子デバイスに組み込んだ場合においても、当該量子デバイスの構造の複雑化を低減する。

また、伝令付き単一光子源７６の共振器構造体４８は、伝令付き単一光子源６２の共振器構造体４と比較して、第２共振器３６を含まないため、含む共振器の個数が１つ少ない。したがって、伝令付き単一光子源７６は、伝令付き単一光子源６２と比較して、より簡素に共振器構造体４８を構成でき、また、共振器構造体４８の設計をより容易とする。

本開示は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

２ 量子波長変換器
４ 共振器構造体
６ レーザ光源
８ 光ファイバ
１６ ナノ光ファイバ部
１８ テーパー部
２０ 共通ＦＢＧ
２２ 第１ＦＢＧ
２４ 第２ＦＢＧ
２６ 第３ＦＢＧ
２８ 第４ＦＢＧ
３４ 第１共振器
３６ 第２共振器
３８ 第３共振器
４０ 第４共振器
６２ 伝令付き単一光子源
６８ 単一光子検出器
７０ 第１出力光ファイバ
７２ 第２出力光ファイバ

Claims (17)

1. 少なくとも一部に共通の共振光路を有する複数の共振器を内部に含む光ファイバと、
   前記光ファイバと接続し、少なくとも１つ以上の周波数を有するポンプ光を前記光ファイバに入力するレーザ光源とを備え、
   前記複数の共振器は、第１共振周波数ω_１を共振周波数に有する第１共振器と、第２共振周波数ω_２を共振周波数に有する第２共振器と、第３共振周波数ω_３を共振周波数に有する第３共振器と、前記第１共振周波数ω_１、前記第２共振周波数ω_２、および前記第３共振周波数ω_３の何れとも異なる第４共振周波数ω_４を共振周波数に有する第４共振器とを含み、
   ｎ_ｉを第ｉ共振周波数ω_ｉの光に対する前記光ファイバの内部における実効屈折率、ｃを光速、γを前記光ファイバの非線形係数、Ｐを前記ポンプ光の強度として、
   

   

   

   上記（１）式および上記（２）式が成立する量子波長変換器。
2. 前記光ファイバと接続し、前記複数の共振器に前記第１共振周波数ω_１を有する入力光子を前記光ファイバに入力する単一光子源をさらに備え、
   前記レーザ光源が、前記第２共振周波数ω_２を有する第１ポンプ光と、前記第３共振周波数ω_３を有する第２ポンプ光とを、前記光ファイバに入力し、
   前記第４共振器から前記第４共振周波数ω_４を有する出力光子を出射させる請求項１に記載の量子波長変換器。
3. 前記第１共振周波数ω_１が前記第２共振周波数ω_２と同一であり、
   前記第１共振器が前記第２共振器と同一であり、
   前記レーザ光源が、前記第１共振周波数ω_１を有する第１ポンプ光と、前記第３共振周波数ω_３を有する第２ポンプ光とを、前記光ファイバに入力し、
   前記第４共振器から前記第４共振周波数ω_４を有する出力光子を出射させる請求項１に記載の量子波長変換器。
4. 少なくとも一部に共通の共振光路を有する複数の共振器を内部に含む光ファイバと、
   前記光ファイバと接続し、ポンプ光を前記光ファイバに入力するレーザ光源とを備え、
   前記複数の共振器は、第１共振周波数ω_１を共振周波数に有する第１共振器と、第３共振周波数ω_３を共振周波数に有する第３共振器と、前記第１共振周波数ω_１および第３共振周波数ω_３の双方と異なる第４共振周波数ω_４を共振周波数に有する第４共振器とを含み、
   ｎ_ｉを第ｉ共振周波数ω_ｉの光に対する前記光ファイバの内部における実効屈折率、ｃを光速、γを前記光ファイバの非線形係数、Ｐを前記ポンプ光の強度として、
   

   

   

   上記（３）式および上記（４）式が成立する量子波長変換器。
5. 前記光ファイバと接続し、前記複数の共振器に前記第１共振周波数ω_１を有する入力光子を前記光ファイバに入力する単一光子源をさらに備え、
   前記レーザ光源が、前記第３共振周波数ω_３を有する前記ポンプ光を前記光ファイバに入力し、
   前記第４共振器から前記第４共振周波数ω_４を有する出力光子を出射させる請求項４に記載の量子波長変換器。
6. 少なくとも一部に共通の共振光路を有する複数の共振器を内部に含む光ファイバと、
   前記光ファイバと接続し、ポンプ光を前記光ファイバに入力するレーザ光源とを備え、
   前記複数の共振器は、第１共振周波数ω_１を共振周波数に有する第１共振器と、第２共振周波数ω_２を共振周波数に有する第２共振器と、前記第１共振周波数ω_１および前記第２共振周波数ω_２の双方と異なる第４共振周波数ω_４を共振周波数に有する第４共振器とを含み、
   ｎ_ｉを第ｉ共振周波数ω_ｉの光に対する前記光ファイバの内部における実効屈折率、ｃを光速、γを前記光ファイバの非線形係数、Ｐを前記ポンプ光の強度として、
   

   

   

   上記（５）式および上記（６）式が成立する量子波長変換器。
7. 前記光ファイバと接続し、前記複数の共振器に前記第１共振周波数ω_１を有する入力光子を前記光ファイバに入力する単一光子源をさらに備え、
   前記レーザ光源が、前記第２共振周波数ω_２を有する前記ポンプ光を前記光ファイバに入力し、
   前記第４共振器から前記第４共振周波数ω_４を有する出力光子を出射させる請求項６に記載の量子波長変換器。
8. 前記第１共振周波数ω_１が前記第２共振周波数ω_２と同一であり、
   前記第１共振器が前記第２共振器と同一であり、
   前記レーザ光源が、前記第１共振周波数ω_１を有する第１ポンプ光を、前記光ファイバに入力し、
   前記第４共振器から前記第４共振周波数ω_４を有する請求項６に記載の量子波長変換器。
9. 前記光ファイバは、ナノ光ファイバ部と、前記ナノ光ファイバ部よりも径が大きく、前記ナノ光ファイバ部の両端とテーパー部を介して接続する両端部とを含み、前記共振光路の少なくとも一部が前記ナノ光ファイバ部に位置する請求項１から８の何れか１項に記載の量子波長変換器。
10. 前記複数の共振器は、それぞれの共振周波数を反射帯域に含む一対のファイバブラッグ格子をそれぞれ有する請求項１から８の何れか１項に記載の量子波長変換器。
11. 少なくとも一つの前記ファイバブラッグ格子は、他の何れかの前記ファイバブラッグ格子と同一である請求項１０に記載の量子波長変換器。
12. 請求項１に記載の量子波長変換器と、
    前記光ファイバと接続し、前記第３共振器から出射した前記第３共振周波数ω_３を有する第１単一出力光子を伝搬させる第１出力光ファイバと、
    前記光ファイバと接続し、前記第４共振器から出射した前記第４共振周波数ω_４を有する第２単一出力光子を伝搬させる第２出力光ファイバと、
    前記第１出力光ファイバと接続し、前記第１単一出力光子を検出する単一光子検出器とをさらに備え、
    前記レーザ光源が、前記第１共振周波数ω_１を有する第１ポンプ光と、前記第２共振周波数ω_２を有する第２ポンプ光とを、前記光ファイバに入力する伝令付き単一光子源。
13. 前記第１共振周波数ω_１が前記第２共振周波数ω_２と同一であり、
    前記第１共振器が前記第２共振器と同一であり、
    前記第２ポンプ光が前記第１ポンプ光と同一である請求項１２に記載の伝令付き単一光子源。
14. 請求項４に記載の量子波長変換器と、
    前記光ファイバと接続し、前記第３共振器から出射した前記第３共振周波数ω_３を有する第１単一出力光子を伝搬させる第１出力光ファイバと、
    前記光ファイバと接続し、前記第４共振器から出射した前記第４共振周波数ω_４を有する第２単一出力光子を伝搬させる第２出力光ファイバと、
    前記第１出力光ファイバと接続し、前記第１単一出力光子を検出する単一光子検出器とをさらに備え、
    前記レーザ光源が、前記第１共振周波数ω_１を有する前記ポンプ光を前記光ファイバに入力する伝令付き単一光子源。
15. 前記光ファイバは、ナノ光ファイバ部と、前記ナノ光ファイバ部よりも径が大きく、前記ナノ光ファイバ部の両端とテーパー部を介して接続する両端部とを含み、前記共振光路の少なくとも一部が前記ナノ光ファイバ部に位置する請求項１２から１４の何れか１項に記載の伝令付き単一光子源。
16. 前記複数の共振器は、それぞれの共振周波数を反射帯域に含む一対のファイバブラッグ格子をそれぞれ有する請求項１２から１４の何れか１項に記載の伝令付き単一光子源。
17. 少なくとも一つの前記ファイバブラッグ格子は、他の何れかの前記ファイバブラッグ格子と同一である請求項１６に記載の伝令付き単一光子源。

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