JP2024064849A - 量子もつれ光源およびその制御方法、並びに量子通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】量子もつれ光源が生成するもつれ光子の最適化を実現する。【解決手段】量子通信システムに用いられる量子もつれ光源（２１）は、励起レーザ部（２２）と、励起レーザ部（２２）が出力する光を用いて、もつれ光子対を生成する共振器（３１）と、を備え、共振器（３１）は、もつれ光子対を周回させるための複数の反射ミラーを備え、複数の反射ミラーのうち、もつれ光子対の一部が透過して共振器（３１）から出射される反射ミラーである出射ミラー（４２）は、反射率が変更可能となっている。【選択図】図２

Description

本発明は、量子通信システムに用いられる量子もつれ光源およびその制御方法、並びに量子通信システムに関する。

量子もつれを用いた量子通信システムでは、量子もつれ光源が生成したもつれ光子が、量子メモリにて好適に吸収されるために、狭いスペクトル線幅を有するもつれ光子を生成することが重要となっている。

特許文献１に記載の長距離量子通信用量子もつれ光源では、共振器は、もつれ光子を所定の平均周回数以上周回させ、周回させたもつれ光子を出射させている。これにより、スペクトル線幅が所定値以下であるもつれ光子を生成することができる。

特開２０１９－０３５８９２号公報

しかしながら、周回数が多くなるにつれて、上記共振器におけるもつれ光子の消滅数が増え、その結果、上記共振器から出射されるもつれ光子の数も低下することになる。

本発明の一態様は、量子もつれ光源が生成するもつれ光子の最適化を実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る量子もつれ光源は、量子通信システムに用いられる量子もつれ光源であって、励起レーザ部と、該励起レーザ部が出力する光を用いて、もつれ光子対を生成する共振器と、を備え、前記共振器は、前記もつれ光子対を周回させるための複数の反射ミラーを備え、該複数の反射ミラーのうち、前記もつれ光子対の一部が透過して前記共振器から出射される反射ミラーである出射ミラーは、反射率が変更可能となっている。

ところで、出射ミラーの反射率が高いと、もつれ光子対のスペクトル線幅の分布が狭いが、共振器から出射されるもつれ光子対の数が少ない。一方、前記出射ミラーの反射率を低いと、前記共振器から出射されるもつれ光子対の数が多いが、前記もつれ光子対のスペクトル線幅の分布が広い。

これに対し、上記の構成によると、前記出射ミラーは、反射率が変更可能となっている。これにより、もつれ光子対のスペクトル線幅の分布と、共振器から出射されるもつれ光子対の数とを最適化することができる。

本態様に係る量子もつれ光源は、反射率が異なる複数の出射ミラーのそれぞれを着脱することが可能な着脱機構をさらに備えてもよい。この場合、前記共振器にもうける出射ミラーの反射率を手作業で変更することができる。

本態様に係る量子もつれ光源は、前記出射ミラーの反射率を変更する変更デバイスと、前記共振器に入射または出射する光を検出する検出器と、該検出器の検出結果に基づいて、前記出射ミラーの反射率を変更するように前記変更デバイスを制御する制御デバイスと、をさらに備えてもよい。この場合、前記最適化を自動で行うことができる。

なお、前記変更デバイスは、前記出射ミラーの位置を変更することにより前記出射ミラーの反射率を変更してもよい。また、前記変更デバイスは、前記出射ミラーの屈折率を変更することにより前記出射ミラーの反射率を変更してもよい。

ところで、種々の量子もつれ光源に対して前記最適化の実験を行ったところ、最適化状態における出射ミラーの反射率は、０．７０～０．９３であった。従って、本態様に係る量子もつれ光源では、前記出射ミラーの反射率は、０．７０～０．９３であればよい。前記反射率の範囲が制限されるので、反射率が異なる複数の出射ミラーの個数を減らしたり、前記出射ミラーの位置の範囲を狭くしたり、出射ミラーの屈折率の範囲を狭くしたりすることができる。その結果、出射ミラーの反射率を変更するための構成について、減らしたり小型化したりすることができる。

本発明の別の態様に係る量子通信システムは、上記構成の複数の量子もつれ光源と、該複数の量子もつれ光源の間に設けられ、もつれ光子対の何れかまたはその量子状態を保持する保持デバイスを備える１または複数の中継器と、を備える。本態様においても、上記態様の量子もつれ光源と同様の効果を奏する。

本態様の量子通信システムでは、前記量子もつれ光源の共振器は、前記出射ミラーから出射されたもつれ光子対の何れかまたはその量子状態を、前記保持デバイスが保持できるように調整する光子調整素子をさらに備えてもよい。この場合、前記もつれ光子の何れかまたはその量子状態を前記保持デバイスが保持する可能性が向上する。

本発明の別の態様に係る方法は、量子通信システムに用いられる量子もつれ光源であって、励起レーザ部が出力する光を用いて共振器がもつれ光子対を生成する量子もつれ光源の制御方法であって、前記共振器に入射または出射する光を検出する検出ステップと、前記共振器において、前記もつれ光子対を周回させるための複数の反射ミラーのうち、前記もつれ光子対の一部が透過して前記共振器から出射される反射ミラーである出射ミラーの反射率を、前記検出ステップの検出結果に基づいて制御する制御ステップと、を含む。

上記の方法によると、前記出射ミラーの反射率を変更することにより、もつれ光子対のスペクトル線幅の分布と、共振器から出射されるもつれ光子対の数との最適化を自動的に行うことができる。

本発明のさらに別の態様に係る方法は、励起レーザ部が出力する光を用いてもつれ光子対を生成する共振器において、前記もつれ光子対の一部が透過して前記共振器から出射される反射ミラーである出射ミラーの反射率を特定する方法であって、前記出射ミラーの反射率と、前記共振器を前記もつれ光子対が半周する間に前記もつれ光子対が消失する割合と、前記共振器を前記もつれ光子が１周したときの距離とに基づく、もつれ生成レートを算出するステップと、前記出射ミラーの反射率をスキャンして、前記もつれ生成レートが最大となるときの前記反射率を特定するステップと、を含む。

上記の方法によると、前記最適化の指標となるもつれ生成レート利用することにより、最適な反射率を容易に特定することができる。

本発明の一態様によれば、量子もつれ光源が生成するもつれ光子の最適化を実現できる。

本発明の一実施形態に係る量子通信システムの概略構成を示すブロック図である。 上記量子通信システムのエンドノードにおける量子もつれ光源の概略構成を示すブロック図である。 或る量子もつれ光源に関して、上記量子もつれ光源における出射ミラーの反射率ともつれ生成レートとの関係を示すグラフである。 上記量子もつれ光源における共振器の一例を示す概要図である。 上記量子通信システムにおける中継ノードの概略構成を示すブロック図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、図１～図５を参照して説明する。

（量子通信システム）
図１は、本実施形態に係る量子通信システムの概略構成を示すブロック図である。本実施形態の量子通信システム１では、量子中継のプロトコル（方式）として、遠距離の物質どうしの間に量子もつれを形成するプロトコルの一種であるＤＬＣＺ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller）プロトコルが利用されている。

図１に示すように、量子通信システム１は、送信ノード１１ａおよび受信ノード１１ｂと、送信ノード１１ａおよび受信ノード１１ｂの間に設けられる量子中継部１２と、を含む。送信ノード１１ａおよび受信ノード１１ｂのそれぞれと量子中継部１２とは、光ファイバＦを介して量子通信可能に接続されている。なお、送信ノード１１ａおよび受信ノード１１ｂを総称する場合、「エンドノード１１」と記載する。

量子中継部１２には、複数のベル測定ノード１３（測定ノード）と複数の中継ノード１４とが交互に設けられている。ベル測定ノード１３と中継ノード１４とは、光ファイバＦを介して量子通信可能に接続されている。

具体的には、送信ノード１１ａは、光ファイバＦを介して初段のベル測定ノード１３に量子通信可能に接続され、初段のベル測定ノード１３は、光ファイバＦを介して初段の中継ノード１４に、量子通信可能に接続される。初段の中継ノード１４は、光ファイバＦを介して第２段のベル測定ノード１３に、量子通信可能に接続され、第２段のベル測定ノード１３は、光ファイバＦを介して第２段の中継ノード１４に、量子通信可能に接続される。以下、これを繰り返し、第ｋ段（ｋは３以上の整数である。）の中継ノード１４は、光ファイバＦを介して第（ｋ＋１）段のベル測定ノード１３に、量子通信可能に接続され、第（ｋ＋１）段のベル測定ノード１３は、光ファイバＦを介して受信ノード１１ｂに、量子通信可能に接続される。

送信ノード１１ａは、もつれ光子対を生成し、該もつれ光子対の一方を検出し、他方を、初段のベル測定ノード１３に送信する。初段の中継ノード１４は、第１もつれ光子対を生成し、該第１もつれ光子対の一方を記憶し、他方を、初段のベル測定ノード１３に送信する。

初段のベル測定ノード１３は、送信ノード１１ａから受信したもつれ光子対の他方と、初段の中継ノード１４から受信した第１もつれ光子対の他方とに対し、ベル測定を行う。これにより、送信ノード１１ａにおけるもつれ光子対の他方と、初段の中継ノード１４における第１もつれ光子対の他方との間に、量子もつれと呼ばれる量子相関を形成することができる。

また、送信ノード１１ａにおけるもつれ光子対と、初段の中継ノード１４における第１もつれ光子対とのそれぞれは、量子もつれ状態である。従って、送信ノード１１ａにおけるもつれ光子対の一方と、初段の中継ノード１４における第１もつれ光子対の一方との間に、量子もつれを形成することができる。

次に、初段の中継ノード１４は、第２もつれ光子対をさらに生成し、該第２もつれ光子対の一方を記憶し、他方を、第２段のベル測定ノード１３に送信する。また、初段の中継ノード１４は、記憶された第１もつれ光子対の一方と、記憶された第２もつれ光子対の一方とに対しベル測定を行う。これにより、初段の中継ノード１４は、第１もつれ光子対の一方と、第２もつれ光子対の一方との間に、量子もつれを形成することができる。

次に、第２段の中継ノード１４は、第１もつれ光子対を生成し、該第１もつれ光子対の一方を記憶し、他方を、第２段のベル測定ノード１３に送信する。第２段のベル測定ノード１３は、初段の中継ノード１４から受信した第２もつれ光子対の他方と、第２段の中継ノード１４から受信した第１もつれ光子対の他方とに対し、ベル測定を行う。これにより、初段の中継ノード１４における第２もつれ光子対の他方と、第２段の中継ノード１４における第１もつれ光子対の他方との間に、量子もつれを形成することができる。

また、初段の中継ノード１４における第２もつれ光子対と、第２段の中継ノード１４における第１もつれ光子対とのそれぞれは、量子もつれ状態である。従って、初段の中継ノード１４における第２もつれ光子対の一方と、第２段の中継ノード１４における第１もつれ光子対の一方との間に、量子もつれを形成することができる。

次に、第２段の中継ノード１４は、第２もつれ光子対をさらに生成し、該第２もつれ光子対の一方を記憶し、他方を、第３段のベル測定ノード１３に送信する。また、第２段の中継ノード１４は、記憶された第１もつれ光子対の一方と、記憶された第２もつれ光子対の一方とに対しベル測定を行う。これにより、第２段の中継ノード１４は、第１もつれ光子対の一方と、第２もつれ光子対の一方との間に、量子もつれを形成することができる。

以下、これを繰り返すと、第ｋ段（ｋは３以上の整数である。）の中継ノード１４は、第２もつれ光子対の他方を第（ｋ＋１）段のベル測定ノード１３に送信する。また、受信ノード１１ｂは、もつれ光子対を生成し、該もつれ光子対の一方を検出し、他方を、第（ｋ＋１）段（ｋは３以上の整数である。）のベル測定ノード１３に送信する。

第（ｋ＋１）段のベル測定ノード１３は、第ｋ段の中継ノード１４における第２もつれ光子対の他方と、受信ノード１１ｂにおけるもつれ光子対の他方とに対し、ベル測定を行う。これにより、第ｋ段の中継ノード１４における第２もつれ光子対の他方と、受信ノード１１ｂにおけるもつれ光子対の他方との間に、量子もつれを形成することができる。

また、第ｋ段の中継ノード１４における第２もつれ光子対と、受信ノード１１ｂにおけるもつれ光子対とのそれぞれは、量子もつれ状態である。従って、第ｋ段の中継ノード１４における第２もつれ光子対の一方と、受信ノード１１ｂにおける第１もつれ光子対の一方との間に、量子もつれを形成することができる。

以上より、送信ノード１１ａにおけるもつれ光子対の一方と、受信ノード１１ｂにおけるもつれ光子対の一方との間に、量子もつれを形成することができる。その結果、送信ノード１１ａと受信ノード１１ｂとの間で量子通信を行うことができる。

（エンドノード）
エンドノード１１は、もつれ光子対を生成して出力する量子もつれ光源と、上記もつれ光子対の一方を検出する単一光子検出器とを含む。

図２は、エンドノード１１における量子もつれ光源の概略構成を示すブロック図である。図２に示すように、量子もつれ光源２１は、励起レーザ部２２および共振部２３を含む。

励起レーザ部２２は、外部共振器型の半導体レーザ等の光源励起レーザ（励起レーザ）を含む。励起レーザ部２２は、上記光源励起レーザを用いて光を生成し共振部２３に入射する。

共振部２３は、励起レーザ部２２からの可視波長（例えば0.4μｍ）の光を、例えば1.5μｍの波長を有し、所定のスペクトル線幅以下であるもつれ光子対に変換して出射する共振器３１を含む。ここで所定のスペクトル線幅とは、例えば数ＭＨｚである。図２に示すように、共振部２３は、共振器３１、共振器安定化レーザ３２、および光子調整素子３３を含む。

共振器３１は、入射ミラー４１（反射ミラー）、出射ミラー４２（反射ミラー）、非線形光学結晶４３、および補助結晶４４を含む。励起レーザ部２２からの可視波長の光は、入射ミラー４１および出射ミラー４２を透過して、光子調整素子３３に入射する。

非線形光学結晶４３は、入射ミラー４１および出射ミラー４２の間に設けられ、上記光の一部からもつれ光子対を生成する。もつれ光子対の波長は、励起レーザ部２２からの光の波長をパラメトリックに配分した波長であり、例えば0.6μｍと1.5μｍとである。非線形光学結晶４３は、一例として、ＰＰＬＮ（Periodically Poled ＬｉＮｂＯ_３、周期的分極反転ニオブ酸リチウム）である。非線形光学結晶４３は、パラメトリック下方変換（Parametric Down Conversion、ＰＤＣ）により、もつれ光子対を生成する。上記もつれ光子対は、入射ミラー４１および出射ミラー４２の間を周回した後、出射ミラー４２を透過する。

補助結晶４４は、非線形光学結晶４３を透過する毎に複屈折により付与される位相差を補償するために用いられている。或いは、補助結晶４４は、非線形光学結晶４３と同種の結晶であり、同じ偏光の光子を発生させる位相整合条件において量子もつれを効率的に生成するために用いられている。

共振器安定化レーザ３２は、共振器３１を安定化させるために、もつれ光子対の波長と同じ波長のパルス光を共振器３１に入射する。共振器安定化レーザ３２は、２つのレーザ、光位相変調器などを含む。なお、共振器安定化レーザ３２は、波長変換素子を含んでもよい。

光子調整素子３３は、共振器３１からのもつれ光子対の何れかを遠方まで送出するための処理、或いは、上記もつれ光子対の何れかと量子メモリとの結合を調整するための処理を行う。光子調整素子３３にて調整されたもつれ光子対は、量子もつれ光源２１の外部に出力される。これにより、上記もつれ光子対の何れかを量子メモリが記憶する可能性が向上する。

具体的には、光子調整素子３３は、光ファイバ、波長板、２個の光子スプリッタ、光チョッパ、非球面レンズ、バンドパスフィルタなどを含む。上記波長板は、もつれ光子対の何れかを、上記量子メモリが吸収可能な偏光方向に変換する。上記２個の光子スプリッタは、１光子を分離して合波する。これにより、１光子を重ね合わせ状態とすることができる。なお、光子スプリッタは１個であってもよい。

上記光チョッパは、共振器安定化レーザ３２から出射ミラー４２を介して共振器３１内を周回し、出射ミラー４２を介して光子調整素子３３に入射されたパルス光を除去する。これにより、パルス光の出力がオフである期間にもつれ光子対が上記光チョッパを通過することができる。上記バンドパスフィルタは、上記量子メモリが吸収可能な周波数帯域の光を通過させる。これにより、励起レーザ部２２からの光を除去することができる。

ところで、出射ミラー４２の反射率が高いと、もつれ光子対のスペクトル線幅の分布が狭いが、共振器３１から出射されるもつれ光子対の数が少なく、量子もつれ光源２１がもつれ光子対を出射できる距離が短い。一方、出射ミラー４２の反射率を低いと、共振器３１から出射されるもつれ光子対の数が多いが、もつれ光子対のスペクトル線幅の分布が広く、もつれ光子対の何れかが上記量子メモリに吸収される可能性が低い。

そこで、本実施形態では、出射ミラー４２は、反射率が変更可能となっている。これにより、もつれ光子対のスペクトル線幅の分布と、共振器３１から出射されるもつれ光子対の数とを最適化することができる。

図３は、或る量子もつれ光源２１に関して、出射ミラー４２の反射率ともつれ生成レートとの関係を示すグラフである。ここで、もつれ生成レートＶは、もつれ光子対が生成される割合を示しており、次式（１）～（６）で表される。ここで、変数Ｒは、出射ミラー４２の反射率を示し、変数Ｇは、もつれ光子対が共振器３１を半周する間にもつれ光子対が消失する割合（損失割合）を示し、変数Ｌは、光が共振器３１を１周進んだときの長さを示す。

Ｖ＝Cavityenhance(Ｒ)×Escape(Ｒ)×Linewidthmatching(Ｒ) ・・・（１）
Cavityenhance(Ｒ)∝Finesse(Ｒ)＝π／２／arcsin(sqrt((１－Ｇ)^２／４／Ｇ)) ・・・（２）
Escape(Ｒ)＝(１－Ｒ)／(２－Ｒ－Ｇ) ・・・（３）
Linewidthmatching(Ｒ)＝∫[-QMlinewidth/2, QMlinewidth/2] Lorentz^２(Ｒ) dx／∫[-∞, ∞] Lorentz^２(Ｒ) dx ・・・（４）
Lorentz^２(Ｒ)＝(１／(ｘ^２+(FWHM／２)^２))^２ ・・・（５）
FWHM = 299792458／Ｌ／Finesse(Ｒ) ・・・（６）。

従って、変数Ｒ、変数Ｇ、変数Ｌに基づいてもつれ生成レートＶを算出し、出射ミラー４２の反射率（変数Ｒ）をスキャンすることにより、もつれ生成レートＶが最大となるときの上記反射率を特定できる。最適化の指標となるもつれ生成レートＶ利用することにより、最適な上記反射率を容易に特定することができる。

図３を参照すると、出射ミラー４２の反射率が約０．９３である場合に、もつれ生成レートＶが最大であり、最適であることが示される。種々の共振器３１に対し、出射ミラー４２の反射率ともつれ生成レートＶとの関係を調べたところ、もつれ生成レートＶが最大となる上記反射率は、約０．７０～約０．９３の範囲に収まった。

次に、出射ミラー４２の反射率を変更するための構成について説明する。図２を再び参照すると、共振部２３は、反射率変更素子３４（変更デバイス）、光検出器３５・３６（検出器）、および電気制御回路３７（制御デバイス）を含む。

反射率変更素子３４は、出射ミラー４２の反射率を変更するための素子である。例えば、反射率変更素子３４は、出射ミラー４２の位置を変更することにより上記反射率を変更する、ピエゾ素子のような圧電素子でもよい。また、反射率変更素子３４は、出射ミラー４２の屈折率を変化させることにより上記反射率を変更する電気光学変調器であってもよい。

また、上述のように、上記反射率の範囲が約０．７０～約０．９３に制限されるので、出射ミラー４２の位置の範囲を狭くしたり、出射ミラー４２の屈折率の範囲を狭くしたりすることができる。その結果、出射ミラーの反射率を変更するための構成について、小型化することができる。

光検出器３５は、励起レーザ部２２から共振器３１に入射する光の強さを検出する。また、光検出器３６は、共振器３１を出射した光の強さを検出する。光検出器３５・３６は、検出信号を電気制御回路３７に送信する。なお、光検出器３５・３６は、図２に示すように両方設けてもよいし、何れか一方を設けてもよい。

電気制御回路３７は、光検出器３５・３６からの検出信号に基づいて、反射率変更素子３４を制御する。すなわち、光検出器３５が、共振器３１に入射する光を検出し（検出ステップ）、光検出器３６が、共振器３１から出射する光を検出し（検出ステップ）、これらの検出結果に基づいて、電気制御回路３７が反射率変更素子３４に指示して、出射ミラー４２の反射率を制御する（制御ステップ）ことになる。これにより、もつれ光子対のスペクトル線幅の分布と、共振器３１から出射されるもつれ光子対の数との最適化を自動で行うことができる。

（共振器の種類）
図４は、共振器３１の一例を示す概要図である。図４において、上段には線状の共振器３１ａが示され、中段には三角形状の共振器３１ｂが示され、下段にはボウ－タイ（bow-tie）型の共振器３１ｃが示されている。図４の中段および下段に示すように、共振器３１は、入射ミラー４１および出射ミラー４２の間の光学的距離を増加させるため、少なくとも１つの反射ミラー４５を含んでもよい。また、図４の中段に示すように、共振器３１は、複数の補助結晶４４を含んでもよい。

また、上記式（１）～上記式（６）を参照すると、もつれ生成レートＶは、出射ミラー４２の反射率と、共振器３１における光の損失割合および１周の長さとに依存するが、共振器３１の形状には依存しない。従って、本実施形態の量子もつれ光源２１は、任意の形状の共振器３１に適用することができる。

（中継ノード）
図５は、中継ノード１４の概略構成を示すブロック図である。図５に示すように、中継ノード１４は、第１量子もつれ光源５１、第１量子メモリ５２（保持デバイス）、第２量子もつれ光源５３、第２量子メモリ５４（保持デバイス）、メモリ制御レーザ５５と、ベル測定器５６とを含む。

第１量子もつれ光源５１は、通信波長帯の波長（例えば1.5μｍ）を有する第１もつれ光子対を生成する。第１もつれ光子対の一方は、第１量子メモリ５２に記憶され、他方は、前段のベル測定ノード１３に光ファイバＦを介して送信される。第２量子もつれ光源５３は、通信波長帯の波長（例えば1.5μｍ）を有する第２もつれ光子対を生成する。第２もつれ光子対の一方は、第２量子メモリ５４に記憶され、他方は、後段のベル測定ノード１３に光ファイバＦを介して送信される。

メモリ制御レーザ５５は、第１量子メモリ５２における光子の書込みおよび読出しを制御すると共に、第２量子メモリ５４における光子の書込みおよび読出しを制御する。ベル測定器５６は、第１量子メモリ５２に記憶された第１もつれ光子対の一方と、第２量子メモリ５４に記憶された第２もつれ光子対の一方とに対し、ベル測定を行う。

中継ノード１４の第１量子もつれ光源５１は、エンドノード１１の量子もつれ光源２１と同様に、共振器における出射ミラーの反射率が変更可能であり、かつ、上記反射率変更素子、上記光検出器、および上記電気制御回路を含むことが望ましい。これにより、エンドノード１１の量子もつれ光源２１と同様の効果を奏する。なお、中継ノード１４の第２量子もつれ光源５３も同様である。

なお、第１量子もつれ光源５１が出射する第１もつれ光子対の波長と、第１量子メモリ５２が吸収できる光子の波長とが異なる場合がある。この場合、中継ノード１４は、第１もつれ光子対の波長を、第１量子メモリ５２が吸収できる光子の波長に変換する第１波長変換器を含めばよい。同様に、第２量子もつれ光源５３が出射する第２もつれ光子対の波長と、第２量子メモリ５４が吸収できる光子の波長とが異なる場合がある。この場合、中継ノード１４は、第２もつれ光子対の波長を、第２量子メモリ５４が吸収できる光子の波長に変換する第２波長変換器を含めばよい。さらに、中継ノード１４は、第１波長変換器および第２波長変換器を動作させるための波長変換励起レーザを含めばよい。

（付記事項）
本実施形態では、共振器３１の出射ミラー４２の反射率を変更するために、反射率変更素子３４、光検出器３５・３６、および電気制御回路３７が共振部２３に設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、反射率が異なる複数の出射ミラーを準備し、該複数の出射ミラーのそれぞれを着脱することが可能な着脱機構を共振器３１がさらに含んでもよい。この場合、共振器３１にもうける出射ミラーの反射率を手作業で変更することができる。また、上述のように、上記反射率の範囲が０．７０～０．９３に制限されるので、準備すべき複数の出射ミラーの個数を減らすことができる。その結果、出射ミラー４２の反射率を変更するための部品点数を減らすことができる。

また、本実施形態では、もつれ光子対の何れかを記憶する量子メモリを用いているが、これに限定されるものではない。例えば、もつれ光子対の何れかの量子状態を保持できる保持デバイスを量子メモリの代わりに設けてもよい。上記保持デバイスの例としては、光ファイバ、光共振器、シリコン光集積回路、光導波路などが挙げられる。

また、本実施形態では、量子中継のプロトコルとして、ＤＬＣＺプロトコルが利用されているが、これに限定されるものではない。例えば、中間一致（meet-in-the-middle：ＭＭ）プロトコルを利用してもよいし、送信受信（Sender-Receiver：ＳＲ）プロトコルを利用してもよいし、中間光源（mid-point-source：ＭＳ）プロトコルを利用してもよい。

本発明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発明の技術的範囲に含まれる。

１ 量子通信システム
１１ エンドノード
１１ａ 送信ノード
１１ｂ 受信ノード
１２ 量子中継部
１３ ベル測定ノード
１４ 中継ノード
２１ 量子もつれ光源
２２ 励起レーザ部
２３ 共振部
３１ 共振器
３２ 共振器安定化レーザ
３３ 光子調整素子
３４ 反射率変更素子（変更デバイス）
３５、３６ 光検出器（検出器）
３７ 電気制御回路（制御デバイス）
４１ 入射ミラー
４２ 出射ミラー
４３ 非線形光学結晶
４４ 補助結晶
４５ 反射ミラー
５１ 第１量子もつれ光源
５２ 第１量子メモリ（保持デバイス）
５３ 第２量子もつれ光源
５４ 第２量子メモリ（保持デバイス）
５５ メモリ制御レーザ
５６ ベル測定器

Claims (10)

1. 量子通信システムに用いられる量子もつれ光源であって、
   励起レーザ部と、
   該励起レーザ部が出力する光を用いて、もつれ光子対を生成する共振器と、を備え、
   前記共振器は、前記もつれ光子対を周回させるための複数の反射ミラーを備え、
   該複数の反射ミラーのうち、前記もつれ光子対の一部が透過して前記共振器から出射される反射ミラーである出射ミラーは、反射率が変更可能となっている、量子もつれ光源。
2. 反射率が異なる複数の出射ミラーのそれぞれを着脱することが可能な着脱機構をさらに備える、請求項１に記載の量子もつれ光源。
3. 前記出射ミラーの反射率を変更する変更デバイスと、
   前記共振器に入射または出射する光を検出する検出器と、
   該検出器の検出結果に基づいて、前記出射ミラーの反射率を変更するように前記変更デバイスを制御する制御デバイスと、をさらに備える、請求項１に記載の量子もつれ光源。
4. 前記変更デバイスは、前記出射ミラーの位置を変更することにより前記出射ミラーの反射率を変更する、請求項３に記載の量子もつれ光源。
5. 前記変更デバイスは、前記出射ミラーの屈折率を変更することにより前記出射ミラーの反射率を変更する、請求項３に記載の量子もつれ光源。
6. 前記出射ミラーの反射率は、０．７～０．９３である、請求項１に記載の量子もつれ光源。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載した複数の量子もつれ光源と、
   該複数の量子もつれ光源の間に設けられ、もつれ光子対の何れかまたはその量子状態を保持する保持デバイスを備える１または複数の中継ノードと、を備える量子通信システム。
8. 前記量子もつれ光源の共振器は、前記出射ミラーから出射されたもつれ光子対の何れかまたはその量子状態を、前記保持デバイスが保持できるように調整する光子調整素子をさらに備える、請求項７に記載の量子通信システム。
9. 量子通信システムに用いられる量子もつれ光源であって、励起レーザ部が出力する光を用いて共振器がもつれ光子対を生成する量子もつれ光源の制御方法であって、
   前記共振器に入射または出射する光を検出する検出ステップと、
   前記共振器において、前記もつれ光子対を周回させるための複数の反射ミラーのうち、前記もつれ光子対の一部が透過して前記共振器から出射される反射ミラーである出射ミラーの反射率を、前記検出ステップの検出結果に基づいて制御する制御ステップと、を含む、量子もつれ光源の制御方法。
10. 励起レーザ部が出力する光を用いてもつれ光子対を生成する共振器において、前記もつれ光子対の一部が透過して前記共振器から出射される反射ミラーである出射ミラーの反射率を特定する方法であって、
    前記出射ミラーの反射率と、前記共振器を前記もつれ光子対が半周する間に前記もつれ光子対が消失する割合と、前記共振器を前記もつれ光子対が１周したときの距離とに基づく、もつれ生成レートを算出するステップと、
    前記出射ミラーの反射率をスキャンして、前記もつれ生成レートが最大となるときの前記反射率を特定するステップと、を含む方法。

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