JP3726133B2

JP3726133B2 - Quantum channel encoder / decoder

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Publication number: JP3726133B2
Application number: JP2002261713A
Authority: JP
Inventors: 雅英佐々木; 幹生藤原; 正裕武岡; 潤水野
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2022-09-06
Also published as: JP2004104345A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信路容量の超加法性(super-additivity)により伝達できる情報量を大幅に増加させる量子通信システム、及び量子通信システムに用いられる復号器及び符号器などに関する。
【０００２】
【従来の技術】
量子情報理論に従えば、量子効果を積極的に活用した符号化は従来の古典的な情報理論による通信路容量の限界を超えた性能を有することが予想されている。ある通信路を通して送ることの出来る情報量は使える通信資源の量と雑音特性によって決まるが、量子通信路符号化が実現すれば、例えば通信資源の量を倍にしたとき一般に倍以上の情報量を伝送することが理論的に可能である（例えば、非特許文献１）。これは通信路容量の超加法性（super-additivity）といわれる量子符号化特有の性質である（例えば、非特許文献２）。
超加法性による符号化の利得については、様々な符号化スキームが提案されている（非特許文献２〜４）。特に３値対称信号に対する符号長２の符号化を構成する量子回路は、以下の非特許文献３に記載されている。
そして、このような量子限界通信理論に基づく量子効果を使う新しい情報操作が提案されている（非特許文献５）。
【０００３】
【非特許文献１】
Hausladen, P. , Jozsa, R. , Schumacher, B. , Westmoreland, M. and Wootters, W. K. Classical information capacity of a quantum channel. Phys. Rev. A 54, 1869-1876 (1996).
【非特許文献２】
Sasaki, M., Kato, K., Izutsu, M., and Hirota, O. Quantum channels showing superadditivity in classical capacity. Phys. Rev. A 58, 146-158 (1998).
【非特許文献３】
Peres, A. and Wootters, W. K. Optimal detection of quantum information. Phys. Rev. Lett. 66, 1119-1122 (1991).
【非特許文献４】
Buck, J. R., van Enk, S. J., and Fuchs, C. A. Experimental proposal for achieving superadditive communication capacities with a binary quantum alphabet. Phys. Rev. A 61, 032309/1-7 (2000).
【非特許文献５】
佐々木雅英，番雅司，「量子情報理論−量子効果を使う新しい情報操作とその性能限界を明らかにする理論−」日本物理学会誌，２００２年，第５７巻，第１号，ｐ．９−２１
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、具体的に実現可能な符号の構成法に関する研究はまだ十分なされているとは言えず、古典理論を超える利得が実験により証明された例は未だない。また、少数規模での量子符号化を行うためには、光領域で量子計算を実行できる光子-光子間の量子基本ゲートがあれば可能となるが、光の量子状態を効果的にスイッチングできる量子基本ゲートはまだ開発されておらず、原理実証実験と実際の量子通信システムへの応用研究はまだ不可能であると思われていた。
そこで、本発明では、光子の偏光自由度と光路自由度を併用して量子符号語状態を構成し、現在入手可能な光学素子を用いて、量子効果に起因する通信路容量の超加法的符号化利得（super-additive coding gain）を得ること、及びその利得を利用した量子限界通信システムなどを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題の少なくともひとつは、以下の発明により解決される。
【０００６】
（１）量子状態を用いて符号化された通信資源を復号化する量子通信方法において、
符号器に入力された情報を、符号器が符号化するステップと、
前記符号化された情報を通信資源として通信路へ送信するステップと、
前記通信路へ送信された通信資源を復号器が受信するステップと、
受信した通信資源を復号器が復号化するステップと
を含み、
前記符号化するステップでは、
光発生部によって発生した光が入射する第１の半波長板と、前記第１の半波長板から出射した光が入射する第１の偏光ビームスプリッタと、前記第１の偏光ビームスプリッタから出射した２つの光がそれぞれ入射する第２の半波長板と、第３の半波長板とを含む符号器を用いて、前記第１半波長板、前記第２の半波長板、前記第３の半波長板の垂直軸と第一軸とのなす角度θ _０，θ _１，θ _２をそれぞれ
θ _０，θ _１，θ _２＝０°，０°，０°；
θ _０，θ _１，θ _２＝３０°，−３０°，−１５°；又は
θ _０，θ _１，θ _２＝３０°，３０°，１５°
と制御することにより３つの量子語状態を生成可能とし、
前記復号化するステップでは、
前記第２の波長板から出射した光と、前記第３の波長板から出射した光とが入射する第２の偏光ビームスプリッタと、前記第２の偏光ビームスプリッタから出射した２つの光のうちひとつの光が入射する第４の半波長板と、前記第２の偏光ビームスプリッタから出射した２つの光のうち残りの光が入射する第５の半波長板と、前記第４の半波長板から出射した光が入射する第３の偏光ビームスプリッタと、前記第３の偏光ビームスプリッタから出射した２つの光のうちひとつの光が入射する第１のアバランシェフォトダイオードと、前記第３の偏光ビームスプリッタから出射した２つの光のうち残りの光と前記第５の半波長板から出射した光とが入射するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタから出射した２つの光のうちひとつの光が入射する第２のアバランシェフォトダイオードと、前記ビームスプリッタから出射した２つの光のうち残りの光が入射する第３のアバランシェフォトダイオードと、を含む復号器を用いて、前記第４の半波長板の垂直軸と第一軸とのなす角度を４．８７度とし、第５の半波長板の垂直軸と第一軸とのなす角度を４５度とする、
量子通信方法。
（２）光発生部と、符号器と、復号器とを含む量子通信システムであって、
前記符号器は、
光発生部によって発生した光が入射する第１の半波長板と、
前記第１の半波長板から出射した光が入射する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記第１の偏光ビームスプリッタから出射した２つの光がそれぞれ入射する第２の半波長板と、第３の半波長板とを含み、
前記第１半波長板、前記第２の半波長板、前記第３の半波長板の垂直軸と第一軸とのなす角度θ _０，θ _１，θ _２をそれぞれ
θ _０，θ _１，θ _２＝０°，０°，０°；
θ _０，θ _１，θ _２＝３０°，−３０°，−１５°；又は
θ _０，θ _１，θ _２＝３０°，３０°，１５°
と制御することにより３つの量子語状態を生成可能とし、
前記復号器は、
前記第２の半波長板と、第３の半波長板から出射した光が入射する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第２の偏光ビームスプリッタから出射した２つの光のうちひとつの光が入射する第４の半波長板と、
前記第２の偏光ビームスプリッタから出射した２つの光のうち残りの光が入射する第５の半波長板と、
前記第４の半波長板から出射した光が入射する第３の偏光ビームスプリッタと、
前記第３の偏光ビームスプリッタから出射した２つの光のうちひとつの光が入射する第１のアバランシェフォトダイオードと、
前記第３の偏光ビームスプリッタから出射した２つの光のうち残りの光と前記第５の半波長板から出射した光とが入射するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタから出射した２つの光のうちひとつの光が入射する第２のアバランシェフォトダイオードと、
前記ビームスプリッタから出射した２つの光のうち残りの光が入射する第３のアバランシェフォトダイオードと、を含み、
前記第４の半波長板の垂直軸と第一軸とのなす角度を４．８７度とし，第５の半波長板の垂直軸と第一軸とのなす角度を４５度とする、
量子通信システム。
【０００７】
これらの発明では、このように量子効果を用いて情報を符号化することにより、通信資源を増加させ、量子効果により符号化した情報資源が量子通信路を経て復号器へ伝わり、量子効果を用いることにより復号することができる。
特に、本発明では３値対称信号に対する符号長２の符号化を構成する具体的な量子回路を導き、光子の偏光、光路の自由度を利用した線形光学回路を設計した。より具体的には、平均光子数の十分小さなレベルに減衰させられたコヒーレント光から作られる擬似的単一光子状態に対し波長板、偏光ビームスプリッタなどを用いて符号化、復号化を行い、全体では２段の偏光干渉計を形成するような量子通信システム系を構築した。この量子通信システムによって、古典的な通信路容量限界C₁=0.645 [bit]の２倍よりも大きな相互情報量I₂/2=0.656±0.003 [bit]が得られ、通信路容量の超加法性の実証に初めて成功したものである。
【０００８】
ここで、量子効果とは、単一光子の有する偏光自由度や光路自由度の間に形成される非局所的量子相関、いわゆる量子もつれ相関に起因する波動関数レベルでの干渉効果などを意味する。この量子もつれ相関は、複数の光子間での偏光自由度に相関を持たせる場合や、単一光子の偏光自由度を制御しつつ複数の光路自由度へ導波して偏光自由度と光路自由度の間に相関を持たせる場合など複数の方法が考えられる。特に、前記線形光学回路による量子復号方式は、復号のための測定過程で単一光子の偏光自由度と光路自由度の間に量子もつれ相関を形成させて情報量利得を取り出すものである。
【０００９】
また、通信資源とは、信号を搬送波に載せるために制御する物理量の量、例えば信号パワーや周波数帯域、さらには偏波自由度の数、信号パルスが取る空間自由度の数などを意味する。
【００１０】
なお、相互情報量（mutual information）とは、通信路容量を定義するためにシャノンによって導入された２つの確率変数の間に定義される相関エントロピーを意味する（Shannon, C. E. A Mathematical Theory of Communication. Bell Syst. Tech. J. 27, 379-423 (Part I), 623-656 (Part II) (1948).）。具体的には通信路への入力変数Ｘ＝｛x_i;P(x_i)｝、ここにx_iは0,1等の通報を符号化するための文字、P(x_i)これらの生起確率、及び通信路からの出力信号を測定した後の結果を記述する出力変数Y＝｛y_j;P(y_j)｝、入力x_iのもとでy_jが出力される条件付確率（通信路行列）P(y_j| x_i)を使って下記のように定義される。
【００１１】
【式】

【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の量子通信システムの一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本実施の形態の量子通信システム１の概略構成図である。図１に示されるように、本実施の形態の量子通信システム１は、光発生部４と、符号器２と復号器３とを含む。そして、光発生部４は、光発生手段５、減衰器６、グラントムソンプリズム７とを含む。また、符号器２は、３つの半波長板であるＨＷＰ１（１０）、ＨＷＰ２（１２）、およびＨＷＰ３（１３）と、ひとつの偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：１１）と、圧電素子（ＰＺＴ：１４）とを含む。復号器３は、２つの半波長板であるＨＷＰ４（１７）と、ＨＷＰ５（２０）と、二つの偏光ビームスプリッタで（ＰＢＳ：１６、１９）と、圧電素子（ＰＺＴ：１８）と、ビームスプリッタ（ＢＳ：２１）と、検波・変換器（３つのアバランシェフォトダイオードであるＡＰＤ０（２２）、ＡＰＤ１（２３）及びＡＰＤ２（２４））とを含む。なお、図中の太線は通信路であり、Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれ通信路Ａ、通信路Ｂ、通信路Ｃを表す。なお、８及び１３は、反射鏡であるが、これらは図を記載する上での便宜的なものであって、特にあってもなくても構わない。
以下、各構成要素について説明する。
【００１５】
〔光発生部〕
光発生部４としては、光発生手段５を用いたものが挙げられ、特定の光を発生することができる手段を含むものであれば特に限定されるものではない。
光発生手段５としては、例えば、ＹＡＧレーザ、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、ＬＤが挙げられ、これらのうちでも好ましくはＨｅ−Ｎｅレーザが挙げられ、特に好ましくは、コヒーレント光を発生することができるＨｅ−Ｎｅレーザである。
光発生部４は、符号器２に特定の光を入力する。また、何も入力がない場合は、真空状態（｜Vacuum＞）として符号器に入力される。
【００１６】
光発生部４は、好ましくは平均光子数の十分小さなレベルに減衰させられたコヒーレント光が得られるものである。
このようなコヒーレント光源の信号パワーとしては、平均光子数として10^-3〜10^-8光子/秒が挙げられ、好ましくは、10^-3〜10^-6光子/秒であり、より好ましくは、10^-5〜10^-6光子/秒である。
【００１７】
〔半波長板（λ／２板）〕
半波長板としては、公知の半波長板を用いることができる。
半波長板としては、真性0次オーダ、0次オーダ、マルチオーダが挙げられ、好ましくは真性0次オーダ、0次オーダである。
半波長板の素材としては、複屈折を示す光学結晶であり、好ましくは水晶である。
半波長板の形状としては、円柱形、方形が挙げられ、好ましくは、円柱形のものが挙げられる。
半波長板が円柱形形状の場合、その直径としては、5mm〜20mmが挙げられ、好ましくは、8mm〜10mmである。
半波長板は、偏光を以下のようにモジュレートするように機能する。
【００１８】

式中θは、垂直軸と第一軸のなす角を表す。
【００１９】
〔ビームスプリッタ〕
ビームスプリッタ（ＢＳ）は、光学素子などの公知のビームスプリッタを用いることができる。本発明においては、好ましくは、光の強度を半分ずつに分割するビームスプリッタが挙げられる。
【００２０】
〔偏光ビームスプリッタ〕
偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）としては、公知の偏光ビームスプリッタを用いることができる。偏光ビームスプリッタ−は、偏光面に応じて光を分割する光学素子であり、好ましくは水平方向と、垂直方向の光を分ける機能を有するものが挙げられる。
ＰＢＳとしては、誘電体多層膜、金属コーティングを有する誘電体多層膜、複屈折結晶が挙げられ、好ましくは誘電体多層膜である。
ＰＢＳの素材としては、石英やほう珪酸ガラス、さらにそれらに二酸化チタンや二酸化シリコンによるコーティングを施したもの、方解石を切り出したものが挙げられ、好ましくは、ほう珪酸ガラスに二酸化チタンや二酸化シリコンによるコーティングを施したものである。
ＰＢＳの形状としては、三角柱状、四角柱状、多角形状が挙げられ、好ましくは、四角柱状のものが挙げられる。
ＰＢＳが四角柱状の場合、その底面の一辺としては、7mm〜20mmが挙げられ、好ましくは、7mm〜10mmである。また三角柱の高さとしては、7mm〜20mmが挙げられ、好ましくは、7mm〜10mmである。
【００２１】
二つの異なるパスＡとＢとから偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）に入力され、垂直偏光として反射される成分と、水平偏光として伝達される成分は以下のような偏光を受ける。
【００２２】

【００２３】
これらパスＡ、Ｂの二つの直交する信号空間の基底｜００＞，｜０１＞，｜１０＞，及び｜１１＞は以下のように定義される。
【００２４】

【００２５】
その空間における符号状態は以下のように表すことができる。
【００２６】
【式】

【００２７】
これらの符号化状態は、例えば図１（ａ）の符号器２によって得ることができる。
【００２８】
〔光検出器〕
光検出器は、光検出器と変換器が別々に設けられていても良いし、一体として形成されていても良い。
光検出器は、復号器において光を受信し光子量などを測定する。変換器は、光検出器に含まれていても良いが、光子量などを電気信号などとに変換して出力する。
光検出器としては、ＰＮフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、ヘテロダイン検波器、ホモダイン検波器、さらにはこれらを適宜組み合わせた低音実装の高効率光子検出器が挙げられるが、好ましくはアバランシェフォトダイオード、より好ましくは雪崩降伏を用いない低雑音の光子数識別器である。
変換器としては、光に関する情報を電流に関する情報に変換することができるものであれば特に限定されるものではない。
【００２９】
（減衰器）
減衰器６は、光発生手段５によって発生されたコヒーレント光などを減衰するために用いられる。
減衰器としては、光吸収物質を溶解した光学ガラスによる吸収型減衰器、クロム膜をコートした反射型減衰器が挙げられ、好ましくは、両者を適宜組み合わせて使用する。
【００３０】
（グラントムソンプリズム）
グラムトムソンプリズム７は、極めて精度の高い線形偏光状態を生成するために用いられる。
グラムトムソンプリズムとしては二つの方解石を接着して保護金具に収めたものが挙げられる。
【００３１】
（圧電素子）
圧電素子としては、ＰＺＴ、ＰＬＺＴなど公知の圧電素子を用いることができる。これらは、ＴｅＯ₂，ＰｂＭｏＯ₄などの結晶やＴｅガラスとともにレーザビーム偏光素子として用いられていても良い。レーザビーム偏光素子によれば、音響光学効果により偏光を制御できる。
【００３２】
(作用)
本発明の量子通信システムを用いた量子通信方式としては、例えば、符号器に入力された情報を、符号器が量子効果を用いて符号化するステップと、前記符号化された情報を通信資源として通信路へ送信するステップと、前記通信路へ送信された通信資源を復号器が受信するステップと、受信した通信資源を復号器が復号化するステップとにより効率的に情報を伝達する。本発明は、通信資源の量を増加させることができるので、特に宇宙通信のように通信路が長距離で、極微弱光の信号から情報を取り出さざるを得ないような場合などに効果的に用いられる。
【００３３】
本発明におけるシステムにおいて用いられる通信資源は、例えば、｛0, 1, 2｝の３文字を運ぶ搬送波の対称的量子状態にある系

であり、その要素は以下のように表される。
【００３４】
【式】

ここで、｛｜０＞,｜１＞｝は直行規格化された組である。
【００３５】
単一光子による3値以上の多値偏波変調信号は、信号状態の非直交性に起因する有限の識別誤りを伴う。これは通信システムが例えどんなに完全であっても避けられない、量子力学の法則として課される識別限界で、不確定原理のもう一つの側面である。これが微弱信号による通信システムの性能を制限する最終的要因となる。
【００３６】
識別誤りを有する通信路の容量は、シャノンの理論（Shannon, C. E. A Mathematical Theory of Communication. Bell Syst. Tech. J. 27, 379-423 (Part I), 623-656 (Part II) (1948).）で導入された相互情報量を用いて定義される。
【００３７】
【式】

ここでＸ＝｛x_i;P(x_i)｝は通信路への入力確率変数（x_iは0,1等の通報を符号化するための文字、P(x_i)これらの生起確率）、Y＝｛y_j;P(y_j)｝は通信路からの出力確率変数、P(y_j| x_i)は通信路行列である。通信路容量は、与えられた信号量子状態に対して、この相互情報量を入力確率変数を得るための量子測定過程とそれぞれの信号量子状態の生起確率P(x_i)に対して最大化した量で与えられる。
【００３８】
｛0, 1, 2｝のような３文字を運ぶための3元対称量子状態

については、通信路容量Ｃ₁が1文字あたり０．６４５４（ビット）と求められている（Osaki, M., Ban, M., and Hirota, O. On maximum mutual information without coding. Quantum Communication, Computing, and Measurement 2 (Eds. Kumar, P., D'Ariano, G. M., and Hirota, O. Kluwer academic/Prenum, New York, 2000) 17-26.）。
【００３９】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明の量子通信システムの一例を説明する。しかしながら、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
−量子通信システム−
図１は、本発明の量子通信システム１の基本要素を表す概略図である。この実施例に用いた量子通信システム１は、符号器（ｅｎｃｏｄｅｒ）２と、復号器（ｄｅｃｏｄｅｒ）３とを含む。Ｈｅ−Ｎｅレーザ５（波長＝６３２．８ｎｍ）として、Ｓｐｅｃｔｒａ−Ｐｈｙｓｉｃｓ製１１７Ａを用いた。本実施例におけるレーザの出力は１ｍＷであった。減衰器（Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）６として、ＳＩＧＭＡＫＯＫＩ製ＭＡＮ−５２−１、ＦＮＤ−３０Ｃ０２−０．１（ＢＫ７Ｃｒコート）を用いた。グラン−トムソンプリズム（Ｇｌａｎ−Ｔｈｏｍｐｓｏｎｐｒｉｓｍ）７として、ＭｅｌｌｅｓＧｒｉｏｔ製０３ＰＴＵ１０３／Ａを用いた。半波長板として、ＨＷＰ１（１０）、ＨＷＰ２（１２）、ＨＷＰ３（１３）、ＨＷＰ４（１７）、ＨＷＰ５（２０）全てについてＳＩＧＭＡＫＯＫＩ製６３２８−２Ｍを用いた。ビームスプリッタ（ＢＳ：２１）として、ＳＩＧＭＡＫＯＫＩ製ＮＰＣＨ−１５−６３２８を用いた。偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）として、ＰＢＳ１１、ＰＢＳ１６、ＰＢＳ１９、全てＳＩＧＭＡＫＯＫＩ製ＨＢＣＨ−１５−５５０（ＢＫ４）を用いた。アバランシェ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ）フォトダイオード：ＡＰＤ１〜ＡＰＤ３）として、シリコンＡＰＤ（ＰａｒｋｉｎＥｌｍｅｒ製ＳＰＣＭ−ＡＧ−１４１）を用いた。圧電素子（ＰＺＴ）として、ＰｈｙｓｉｋＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ製ＬＶＰ２ＴＰ８１０．１０を用いた。圧電素子は、干渉系ロックのために用いた。
【００４０】
〔ＨＷＰ〕
半波長板は、先に説明したとおり偏光を以下のようにモジュレートするように機能する。
【００４１】

式中θは、垂直軸と第一軸のなす角を表す。
【００４２】
そして、本実施例においては、符号器におけるそれぞれのＨＷＰが以下の表に表される角度を有するように選択された。
【００４３】
【表１】

【００４４】
二つの異なるパスＡとＢとから偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）に入力され、垂直偏光として反射される成分と、水平偏光として伝達される成分は以下のような偏光を受ける。
【００４５】

【００４６】
このように二つの直行する基本セットによりテンソル積空間（tensor product space）は以下のように測定される。
【００４７】

【００４８】
その空間における符号語状態は以下のように表すことができる。
【００４９】

【００５０】
復号器における第４の半波長板の角度φ_Aは４．８７度、φ_Bは４５度となるように選択した。
【００５１】
本実施例において、２つのＰＢＳ１１、１６と、５０：５０ビームスプリッタ：ＢＳ２１は、２つの偏光マッハゼンダー（polarization Mach-Zender）干渉系を構成し、符号語状態の偏光量子ビットと位置量子ビット（location qubits）との間に量子もつれ相関を生成する。そして、受信された符号は、３つの雪崩光検出器２２、２３、２４のいずれかに信号が検出されたかにより、それぞれ｜Ψ₀₀＞、｜Ψ₁₁＞、｜Ψ₂₂＞のうちのどの符号語状態であったかの識別がなされる。
【００５２】
この装置においては、相互情報量は、それぞれのＡＰＤにより観測される単一光子の統計データである３行３列の行列である以下の[Ｐ（ｙｙ｜ｘｘ）]により評価した。
【００５３】

【００５４】
[Ｐ（ｙｙ｜ｘｘ）]は、符号語状態｜Ψ_xx＞が入力されたと言う条件の下で、符号語状態｜Ψ_yy＞として観測される確率を表す。
【００５５】
図２に測定されたＰ（ｙｙ｜ｘｘ）のヒストグラムを示す。
直交要素と非直交要素はそれぞれ０．９７１４と０．０１４３であった。1秒間に測定された全ての事象数（total event）は、１０⁶カウントであり、非直交要素は約１．９×１０⁴カウントであった。バックグラウンドの光子は1秒あたり約３００カウントであった。ダークカウントを含め、バックグラウンドのカウントは、非直行要素の２％であった。相互情報量（mutual information）は、以下のように評価された。
【００５６】
【式】

【００５７】
符号状態{｜Ψ_xx>}が、図３に記載された垂直軸の周りを復号器の状態の組である{｜Π_yy>}から回転させたときの相互情報量の変化を測定した。なお、{｜Ψ_xx>}は{｜Π_yy>}を用いて以下のように展開することができる。図３は、３次元実空間における符号語と復号語の状態ベクトルを示す。
【００５８】

【００５９】
その結果を図４に示す。図中、太線は理想曲線を、菱形は実測点を表し、点線は実測点をプロットしたものである。理想曲線と実測点との差はおもにＰＢＳの不完全さに由来する。実測点の振れは、重に熱揺らぎに起因し、相互情報量に±０．００５ビット以内の誤差をもたらす。それぞれの文字の相互情報量は、０．６５６±０．００３ビットであり、これは明らかに古典限界であるＣ₁＝０．６４５４より大きい。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、超加法性を実際に達成する装置を得ることができ、これにより、量子限界通信を実現できる。
また、図１（ｂ）の量子符号器のような２つの量子ビットを用いた量子回路は従来の復号器を凌駕する機能を有している。
たとえば、図１（ａ）のような量子回路を通信路の前に設置し、古典的なシグナルを符号量子化状態とすることにより通信路容量が増大され、復号エラーを大幅に減少することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本実施の形態の量子通信システム１の概略構成図である。
【図２】図２は、実施例において測定されたＰ（ｙｙ｜ｘｘ）のヒストグラムである。
【図３】図３は、３次元実空間における符号語と復号語の状態ベクトルを示す図ある。
【図４】図４は、実施例において相互情報量の変化を測定した図である。
【符号の説明】
１量子通信システム
２符号器
３復号器
４光発生部
５光発生手段
６減衰器
７グラントムソンプリズム
８反射鏡
９光の進行方向
１０第１の半波長板
１１第１の偏光ビームスプリッタ
１２第２の半波長板
１３第３の半波長板
１４圧電素子
１６第２の偏光ビームスプリッタ
１７第４の半波長板
１８圧電素子
１９第３の偏光ビームスプリッタ
２０第５の半波長板
２１ビームスプリッタ
２２光測定器
２３光測定器
２４光測定器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a quantum communication system that greatly increases the amount of information that can be transmitted by super-additivity of channel capacity, and a decoder and encoder used in the quantum communication system.
[0002]
[Prior art]
According to the quantum information theory, it is expected that coding that actively uses the quantum effect has performance exceeding the limit of the channel capacity according to the conventional classical information theory. The amount of information that can be sent through a channel is determined by the amount of communication resources that can be used and the noise characteristics, but if quantum channel coding is realized, for example, when the amount of communication resources is doubled, the amount of information that is more than doubled is generally required. It is theoretically possible to transmit (for example, Non-Patent Document 1). This is a characteristic peculiar to quantum coding called super-additivity of channel capacity (for example, Non-Patent Document 2).
Various coding schemes have been proposed for the gain of coding due to superadditivity (Non-Patent Documents 2 to 4). In particular, a quantum circuit constituting a code length 2 encoding for a ternary symmetric signal is described in Non-Patent Document 3 below.
And a new information manipulation using a quantum effect based on such quantum limit communication theory has been proposed (Non-patent Document 5).
[0003]
[Non-Patent Document 1]
Hausladen, P., Jozsa, R., Schumacher, B., Westmoreland, M. and Wootters, WK Classical information capacity of a quantum channel.Phys. Rev. A 54, 1869-1876 (1996).
[Non-Patent Document 2]
Sasaki, M., Kato, K., Izutsu, M., and Hirota, O. Quantum channels showing superadditivity in classical capacity.Phys. Rev. A 58, 146-158 (1998).
[Non-Patent Document 3]
Peres, A. and Wootters, WK Optimal detection of quantum information.Phys. Rev. Lett. 66, 1119-1122 (1991).
[Non-Patent Document 4]
Buck, JR, van Enk, SJ, and Fuchs, CA Experimental proposal for achieving superadditive communication capacities with a binary quantum alphabet.Phys. Rev. A 61, 032309 / 1-7 (2000).
[Non-Patent Document 5]
Masahide Sasaki and Masaji Ban, “Quantum Information Theory-New Information Manipulation Using Quantum Effect and Its Performance Limits-” Journal of the Physical Society of Japan, 2002, Vol. 57, No. 1, p. 9-21
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, research on a concrete code construction method that can be specifically realized is not yet sufficient, and there are no examples in which a gain exceeding the classical theory has been proved by experiments. In addition, in order to perform quantum coding on a small scale, there is a quantum basic gate between photons and photons that can perform quantum computation in the optical domain, but quantum quantum that can effectively switch the quantum state of light. The basic gate has not been developed yet, and it was thought that a proof-of-principle experiment and application research to an actual quantum communication system were still impossible.
Therefore, in the present invention, a quantum codeword state is configured by using both the polarization degree of freedom and the optical path degree of freedom of a photon, and a super additive code of the channel capacity caused by the quantum effect using an optical element currently available. An object of the present invention is to obtain a super-additive coding gain and to provide a quantum limit communication system using the gain.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
At least one of the above problems is solved by the following invention.
[0006]
(1) In a quantum communication method for decoding communication resources encoded using a quantum state,
Encoding the information input to the encoder by the encoder;
Transmitting the encoded information as a communication resource to a communication path;
A decoder receiving a communication resource transmitted to the communication path;
The decoder decrypts the received communication resource , and
In the encoding step,
A first half-wave plate on which light generated by the light generating unit is incident, a first polarizing beam splitter on which light emitted from the first half-wave plate is incident, and an output from the first polarizing beam splitter Using an encoder including a second half-wave plate and a third half-wave plate on which two lights are incident, the first half-wave plate, the second half-wave plate, and the third half-wave plate Angles θ ₀ , θ ₁ , and θ ₂ formed between the vertical axis and the first axis of the wave plate are respectively
θ ₀ , θ ₁ , θ ₂ = 0 °, 0 °, 0 °;
θ ₀ , θ ₁ , θ ₂ = 30 °, −30 °, −15 °; or
θ ₀ , θ ₁ , θ ₂ = 30 °, 30 °, 15 °
It is possible to generate three quantum word states by controlling
In the decoding step,
One of the second polarization beam splitter on which the light emitted from the second wave plate and the light emitted from the third wave plate are incident, and one of the two lights emitted from the second polarization beam splitter From the fourth half-wave plate, the fifth half-wave plate into which the remaining light of the two lights emitted from the second polarization beam splitter enters, and the fourth half-wave plate A third polarizing beam splitter on which the emitted light is incident; a first avalanche photodiode on which one of the two lights emitted from the third polarizing beam splitter is incident; and the third polarizing beam splitter A beam splitter on which the remaining light and the light emitted from the fifth half-wave plate are incident, and one of the two lights emitted from the beam splitter is The fourth half-wave plate using a decoder that includes a second avalanche photodiode that emits light, and a third avalanche photodiode that receives the remaining light of the two light beams emitted from the beam splitter. The angle formed between the vertical axis and the first axis is 4.87 degrees, and the angle formed between the vertical axis of the fifth half-wave plate and the first axis is 45 degrees.
Quantum communication method.
(2) A quantum communication system including a light generator, an encoder, and a decoder,
The encoder is
A first half-wave plate on which light generated by the light generating unit is incident;
A first polarizing beam splitter on which light emitted from the first half-wave plate enters;
A second half-wave plate on which two lights emitted from the first polarization beam splitter are incident, and a third half-wave plate,
Angles θ ₀ , θ ₁ , θ ₂ formed by the vertical axis and the first axis of the first half-wave plate, the second half-wave plate, and the third half-wave plate are respectively set.
θ ₀ , θ ₁ , θ ₂ = 0 °, 0 °, 0 °;
θ ₀ , θ ₁ , θ ₂ = 30 °, −30 °, −15 °; or
θ ₀ , θ ₁ , θ ₂ = 30 °, 30 °, 15 °
It is possible to generate three quantum word states by controlling
The decoder is
The second half-wave plate, a second polarizing beam splitter on which light emitted from the third half-wave plate enters,
A fourth half-wave plate on which one of the two lights emitted from the second polarizing beam splitter is incident;
A fifth half-wave plate on which the remaining light of the two lights emitted from the second polarizing beam splitter is incident;
A third polarizing beam splitter on which light emitted from the fourth half-wave plate enters;
A first avalanche photodiode on which one of the two lights emitted from the third polarizing beam splitter is incident;
A beam splitter on which the remaining light out of the two lights emitted from the third polarization beam splitter and the light emitted from the fifth half-wave plate enter;
A second avalanche photodiode on which one of the two lights emitted from the beam splitter is incident;
A third avalanche photodiode on which the remaining light of the two lights emitted from the beam splitter enters,
The angle formed between the vertical axis of the fourth half-wave plate and the first axis is 4.87 degrees, and the angle formed between the vertical axis of the fifth half-wave plate and the first axis is 45 degrees.
Quantum communication system.
[0007]
In these inventions, by encoding information using the quantum effect in this way, the communication resource is increased, and the information resource encoded by the quantum effect is transmitted to the decoder via the quantum channel, and the quantum effect is used. Can be decrypted.
In particular, in the present invention, a specific quantum circuit constituting a code length 2 encoding for a ternary symmetric signal is derived, and a linear optical circuit utilizing the photon polarization and the optical path degree of freedom is designed. More specifically, a pseudo single photon state made from coherent light attenuated to a sufficiently small level of the average photon number is encoded and decoded using a wave plate, a polarizing beam splitter, etc. Then, we constructed a quantum communication system that forms a two-stage polarization interferometer. With this quantum communication system, mutual information I ₂ /2=0.656±0.003 [bit], which is larger than twice the classical channel capacity limit C ₁ = 0.645 [bit], is obtained. This is the first successful demonstration of sex.
[0008]
Here, the quantum effect means a non-local quantum correlation formed between the degree of freedom of polarization and optical path of a single photon, that is, an interference effect at the wave function level caused by so-called quantum entanglement correlation. . This quantum entanglement correlation can be used to correlate the polarization degree of freedom between multiple photons, or to guide to multiple optical path degrees of freedom while controlling the polarization degree of freedom of a single photon. A plurality of methods are conceivable, such as when there is a correlation between degrees. In particular, the quantum decoding system using the linear optical circuit is to extract an information gain by forming a quantum entanglement correlation between the polarization degree of freedom and the optical path degree of freedom of a single photon in the measurement process for decoding.
[0009]
The communication resource means the amount of physical quantity to be controlled for placing a signal on a carrier wave, for example, the signal power and frequency band, the number of polarization degrees of freedom, the number of spatial degrees of freedom that a signal pulse takes.
[0010]
Mutual information means correlation entropy defined between two random variables introduced by Shannon to define channel capacity (Shannon, CE A Mathematical Theory of Communication. Bell Syst. Tech. J. 27, 379-423 (Part I), 623-656 (Part II) (1948).). Specifically, the input variable X = {x _i ; P (x _i )} to the communication path, where x _i is a character for encoding a report such as 0, 1, etc., P (x _i ) occurrence of these Probability and output variable Y = {y _j ; P (y _j )} describing the result after measuring the output signal from the communication channel, conditional probability that y _j is output under input x _i ( It is defined as follows using a channel matrix) P (y _j | x _i ).
[0011]
【formula】

[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a quantum communication system of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a quantum communication system 1 according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the quantum communication system 1 of the present embodiment includes a light generation unit 4, an encoder 2, and a decoder 3. The light generator 4 includes a light generator 5, an attenuator 6, and a Glan-Thompson prism 7. The encoder 2 includes three half-wave plates HWP1 (10), HWP2 (12), and HWP3 (13), one polarization beam splitter (PBS: 11), and a piezoelectric element (PZT: 14). Including. The decoder 3 includes two half-wave plates HWP4 (17), HWP5 (20), two polarization beam splitters (PBS: 16, 19), a piezoelectric element (PZT: 18), and a beam splitter. (BS: 21) and a detector / converter (three avalanche photodiodes APD0 (22), APD1 (23) and APD2 (24)). In addition, the thick line in a figure is a communication channel, A, B, and C represent the communication channel A, the communication channel B, and the communication channel C, respectively. Reference numerals 8 and 13 are reflecting mirrors, but these are for convenience in describing the figure, and may or may not be particularly present.
Hereinafter, each component will be described.
[0015]
[Light generator]
Examples of the light generation unit 4 include those using the light generation means 5 and are not particularly limited as long as they include means capable of generating specific light.
Examples of the light generating means 5 include a YAG laser, a He—Ne laser, and an LD, and among these, a He—Ne laser is preferable, and a He— capable of generating coherent light is particularly preferable. Ne laser.
The light generation unit 4 inputs specific light to the encoder 2. When there is no input, it is input to the encoder as a vacuum state (| Vacuum>).
[0016]
The light generation unit 4 is preferably one that obtains coherent light attenuated to a sufficiently small level of the average number of photons.
As a signal power of such a coherent light source, 10 ⁻³ to 10 ⁻⁸ photons / second can be mentioned as an average photon number, preferably 10 ⁻³ to 10 ⁻⁶ photons / second, and more preferably 10 ^−3. ^-5 to 10 ^-6 photons / second.
[0017]
[Half wave plate (λ / 2 plate)]
A known half-wave plate can be used as the half-wave plate.
Examples of the half-wave plate include intrinsic zero-order, zero-order, and multi-order, and intrinsic zero-order and zero-order are preferable.
The material of the half-wave plate is an optical crystal exhibiting birefringence, preferably quartz.
Examples of the shape of the half-wave plate include a cylindrical shape and a rectangular shape, and preferably a cylindrical shape.
When the half-wave plate has a cylindrical shape, the diameter is 5 mm to 20 mm, preferably 8 mm to 10 mm.
The half wave plate functions to modulate the polarization as follows.
[0018]

In the formula, θ represents an angle formed by the vertical axis and the first axis.
[0019]
(Beam splitter)
As the beam splitter (BS), a known beam splitter such as an optical element can be used. In the present invention, a beam splitter that divides the intensity of light in half is preferable.
[0020]
[Polarized beam splitter]
A known polarization beam splitter can be used as the polarization beam splitter (PBS). The polarization beam splitter is an optical element that divides light according to the polarization plane, and preferably has a function of separating light in the horizontal direction and the vertical direction.
Examples of PBS include a dielectric multilayer film, a dielectric multilayer film having a metal coating, and a birefringent crystal, and a dielectric multilayer film is preferable.
Examples of PBS materials include quartz and borosilicate glass, those coated with titanium dioxide and silicon dioxide, and those obtained by cutting calcite. Preferably, borosilicate glass is coated with titanium dioxide and silicon dioxide. Is given.
Examples of the shape of the PBS include a triangular prism shape, a quadrangular prism shape, and a polygonal shape, and a quadrangular prism shape is preferable.
When PBS is a quadrangular prism, the side of the bottom surface is 7 mm to 20 mm, preferably 7 mm to 10 mm. Further, the height of the triangular prism may be 7 mm to 20 mm, and preferably 7 mm to 10 mm.
[0021]
The components that are input to the polarization beam splitter (PBS) from two different paths A and B, reflected as vertical polarization, and transmitted as horizontal polarization receive the following polarization.
[0022]

[0023]
The bases | 00>, | 01>, | 10>, and | 11> of the two orthogonal signal spaces of the paths A and B are defined as follows.
[0024]

[0025]
The code state in that space can be expressed as:
[0026]
【formula】

[0027]
These encoding states can be obtained by, for example, the encoder 2 in FIG.
[0028]
(Photodetector)
In the photodetector, the photodetector and the converter may be provided separately, or may be integrally formed.
The photodetector receives light at the decoder and measures the amount of photons and the like. The converter may be included in the photodetector, but converts the amount of photons into an electrical signal and the like for output.
Photodetectors include PN photodiodes, PIN photodiodes, avalanche photodiodes, heterodyne detectors, homodyne detectors, and high-efficiency photon detectors that combine these appropriately, but preferably avalanche photodiodes. A diode , more preferably a low noise photon number discriminator that does not use avalanche breakdown.
The converter is not particularly limited as long as it can convert light-related information into current-related information.
[0029]
(Attenuator)
The attenuator 6 is used for attenuating the coherent light generated by the light generating means 5.
Examples of the attenuator include an absorptive attenuator made of optical glass in which a light-absorbing substance is dissolved, and a reflective attenuator coated with a chromium film. Preferably, both are used in appropriate combination.
[0030]
(Gran Thompson Prism)
The Gram Thompson prism 7 is used to generate a highly accurate linear polarization state.
Gram Thompson prisms include two calcite bonded together in a protective fitting.
[0031]
(Piezoelectric element)
As the piezoelectric element, a known piezoelectric element such as PZT or PLZT can be used. These may be used as a laser beam polarizing element together with a crystal such as TeO ₂ or PbMoO ₄ or Te glass. According to the laser beam polarization element, the polarization can be controlled by the acoustooptic effect.
[0032]
(Action)
The quantum communication system using the quantum communication system of the present invention includes, for example, a step in which the encoder encodes information input to the encoder using a quantum effect, and the encoded information is used as a communication resource. Information is efficiently transmitted by the step of transmitting to the communication path, the step of receiving the communication resource transmitted to the communication path by the decoder, and the step of decoding the received communication resource by the decoder. Since the present invention can increase the amount of communication resources, it is effective especially when the communication path is long distance and information must be extracted from the signal of extremely low light like space communication. Used.
[0033]
The communication resource used in the system of the present invention is, for example, a system in a symmetric quantum state of a carrier carrying three characters {0, 1, 2}.

And its elements are expressed as follows:
[0034]
【formula】

Here, {| 0>, | 1>} is an orthogonally standardized set.
[0035]
A multi-level polarization modulation signal of three or more values by a single photon is accompanied by a finite identification error due to non-orthogonality of signal states. This is another aspect of the uncertain principle that is the discriminatory limit imposed as the laws of quantum mechanics, no matter how perfect the communication system is. This is the final factor that limits the performance of the communication system with weak signals.
[0036]
The capacity of communication channels with identification errors is calculated according to Shannon's theory (Shannon, CE A Mathematical Theory of Communication. Bell Syst. Tech. J. 27, 379-423 (Part I), 623-656 (Part II) (1948) ) And defined using the mutual information introduced in.
[0037]
【formula】

Here, X = {x _i ; P (x _i )} is an input random variable to the communication channel (x _i is a character for encoding a message such as 0, 1 and the occurrence probability of P (x _i )) , Y = {y _j ; P (y _j )} is an output random variable from the communication path, and P (y _j | x _i ) is a communication path matrix. For a given signal quantum state, the channel capacity is maximized for the quantum measurement process to obtain the input random variable and the occurrence probability P (x _i ) of each signal quantum state. Given in quantity.
[0038]
Three-way symmetric quantum state for carrying three characters like {0, 1, 2}

Is required to have a channel capacity C ₁ of 0.6454 (bits) per character (Osaki, M., Ban, M., and Hirota, O. On maximum mutual information without coding. Quantum Communication, Computing , and Measurement 2 (Eds. Kumar, P., D'Ariano, GM, and Hirota, O. Kluwer academic / Prenum, New York, 2000) 17-26.).
[0039]
【Example】
Hereinafter, an example of the quantum communication system of the present invention will be described using examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
(Example 1)
-Quantum communication system-
FIG. 1 is a schematic diagram showing basic elements of a quantum communication system 1 of the present invention. A quantum communication system 1 used in this embodiment includes an encoder 2 and a decoder 3. As the He—Ne laser 5 (wavelength = 632.8 nm), 117A manufactured by Spectra-Physics was used. The laser output in this example was 1 mW. As the attenuator 6, MAN-52-1 and FND-30C02-0.1 (BK 7Cr coat) manufactured by SIGMA KOKI were used. As the Gran-Thompson prism 7, 03PTU103 / A made by Melles Griot was used. As the half-wave plate, 6328-2M manufactured by SIGMA KOKI was used for all of HWP1 (10), HWP2 (12), HWP3 (13), HWP4 (17), and HWP5 (20). As the beam splitter (BS: 21), NPCH-15-6328 manufactured by SIGMA KOKI was used. As the polarization beam splitter (PBS), PBS11, PBS16, PBS19, all HBCH-15-550 (BK4) manufactured by SIGMA KOKI were used. Silicon APD (SPCM-AG-141 manufactured by Parkin Elmer) was used as an avalanche photodiode (APD1 to APD3). As a piezoelectric element (PZT), LVP2T P810.10 manufactured by Physik Instrument was used. The piezoelectric element was used for interference system locking.
[0040]
[HWP]
The half-wave plate functions to modulate the polarization as follows, as explained above.
[0041]

In the formula, θ represents an angle formed by the vertical axis and the first axis.
[0042]
In this example, each HWP in the encoder was selected to have an angle represented in the following table.
[0043]
[Table 1]

[0044]
The components that are input to the polarization beam splitter (PBS) from two different paths A and B, reflected as vertical polarization, and transmitted as horizontal polarization receive the following polarization.
[0045]

[0046]
Thus, the tensor product space is measured by the two orthogonal basic sets as follows.
[0047]

[0048]
The codeword state in that space can be expressed as:
[0049]

[0050]
The angle φ _A of the fourth half-wave plate in the decoder was selected to be 4.87 degrees and φ _B was 45 degrees.
[0051]
In this embodiment, the two PBSs 11 and 16 and the 50:50 beam splitter: BS21 constitute two polarization Mach-Zender interference systems, and a polarization qubit and a position qubit in the codeword state ( location qubits) to generate a entangled correlation. The received code depends on which of the three

avalanche light detectors

22, 23, 24 detects the signal, and which of the codes | Ψ ₀₀ >, | Ψ ₁₁ >, | Ψ ₂₂ > An identification is made as to whether it was in a word state.
[0052]
In this apparatus, the mutual information amount was evaluated by the following [P (yy | xx)] which is a 3 × 3 matrix which is statistical data of single photons observed by each APD.
[0053]

[0054]
[P (yy | xx)] represents the probability of being observed as a codeword state | Ψ _yy > under the condition that the codeword state | Ψ _xx > is input.
[0055]
FIG. 2 shows a histogram of P (yy | xx) measured.
The orthogonal and non-orthogonal elements were 0.9714 and 0.0143, respectively. The total number of events measured per second was 10 ⁶ counts and the non-orthogonal element was about 1.9 × 10 ⁴ counts. Background photons were about 300 counts per second. Background counts, including dark counts, were 2% of non-perpendicular elements. Mutual information was evaluated as follows.
[0056]
【formula】

[0057]
The change in mutual information was measured when the code state {| Ψ _xx >} was rotated from the set of decoder states {| ３ _yy >} around the vertical axis described in FIG. Note that {| Ψ _xx >} can be expanded as follows using {| Π _yy >}. FIG. 3 shows codeword and decoded word state vectors in a three-dimensional real space.
[0058]

[0059]
The result is shown in FIG. In the figure, a bold line represents an ideal curve, a diamond represents an actual measurement point, and a dotted line is a plot of the actual measurement point. The difference between the ideal curve and the measured points is mainly due to the imperfection of PBS. The fluctuation of the actual measurement point is caused by the thermal fluctuation, and causes an error within ± 0.005 bits in the mutual information amount. The mutual information amount of each character is 0.656 ± 0.003 bits, which is clearly larger than the classical limit C ₁ = 0.6454.
[0060]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain a device that actually achieves superadditivity, thereby realizing quantum limit communication.
A quantum circuit using two qubits such as the quantum encoder of FIG. 1B has a function that surpasses that of a conventional decoder.
For example, by installing a quantum circuit as shown in FIG. 1 (a) in front of a communication channel and setting a classical signal to a code quantization state, the channel capacity is increased, and decoding errors are greatly reduced. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a quantum communication system 1 of the present embodiment.
FIG. 2 is a histogram of P (yy | xx) measured in the example.
FIG. 3 is a diagram illustrating code vectors and decoded word state vectors in a three-dimensional real space;
FIG. 4 is a diagram in which a change in the mutual information amount is measured in the example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Quantum communication system 2 Encoder 3 Decoder 4 Light generation part 5 Light generation means 6 Attenuator 7 Glan-Thompson prism 8 Reflector 9 Light traveling direction 10 1st half-wave plate 11 1st polarizing beam splitter 12 2nd Half-wave plate 13 third half-wave plate 14 piezoelectric element 16 second polarizing beam splitter 17 fourth half-wave plate 18 piezoelectric element 19 third polarizing beam splitter 20 fifth half-wave plate 21 beam splitter 22 light Measuring instrument 23 Optical measuring instrument 24 Optical measuring instrument

Claims

In a quantum communication method for decoding communication resources encoded using a quantum state,
Encoding the information input to the encoder by the encoder;
Transmitting the encoded information as a communication resource to a communication path;
A decoder receiving a communication resource transmitted to the communication path;
The decoder decrypts the received communication resource , and
In the encoding step,
A first half-wave plate on which light generated by the light generating unit is incident, a first polarizing beam splitter on which light emitted from the first half-wave plate is incident, and an output from the first polarizing beam splitter Using an encoder including a second half-wave plate and a third half-wave plate on which two lights are incident, the first half-wave plate, the second half-wave plate, and the third half-wave plate Angles θ ₀ , θ ₁ , and θ ₂ formed between the vertical axis and the first axis of the wave plate are respectively
θ ₀ , θ ₁ , θ ₂ = 0 °, 0 °, 0 °;
θ ₀ , θ ₁ , θ ₂ = 30 °, −30 °, −15 °; or
θ ₀ , θ ₁ , θ ₂ = 30 °, 30 °, 15 °
It is possible to generate three quantum word states by controlling
In the decoding step,
One of the second polarization beam splitter on which the light emitted from the second wave plate and the light emitted from the third wave plate are incident, and one of the two lights emitted from the second polarization beam splitter From the fourth half-wave plate, the fifth half-wave plate into which the remaining light of the two lights emitted from the second polarization beam splitter enters, and the fourth half-wave plate A third polarizing beam splitter on which the emitted light is incident; a first avalanche photodiode on which one of the two lights emitted from the third polarizing beam splitter is incident; and the third polarizing beam splitter A beam splitter on which the remaining light and the light emitted from the fifth half-wave plate are incident, and one of the two lights emitted from the beam splitter is The fourth half-wave plate using a decoder that includes a second avalanche photodiode that emits light, and a third avalanche photodiode that receives the remaining light of the two light beams emitted from the beam splitter. The angle formed between the vertical axis and the first axis is 4.87 degrees, and the angle formed between the vertical axis of the fifth half-wave plate and the first axis is 45 degrees.
Quantum communication method.

A quantum communication system including a light generator, an encoder, and a decoder,
The encoder is
A first half-wave plate on which light generated by the light generating unit is incident;
A first polarizing beam splitter on which light emitted from the first half-wave plate enters;
A second half-wave plate on which two lights emitted from the first polarization beam splitter are incident, and a third half-wave plate,
Angles θ ₀ , θ ₁ , θ ₂ formed by the vertical axis and the first axis of the first half-wave plate, the second half-wave plate, and the third half-wave plate are respectively set.
θ ₀ , θ ₁ , θ ₂ = 0 °, 0 °, 0 °;
θ ₀ , θ ₁ , θ ₂ = 30 °, −30 °, −15 °; or
θ ₀ , θ ₁ , θ ₂ = 30 °, 30 °, 15 °
It is possible to generate three quantum word states by controlling
The decoder is
The second half-wave plate, a second polarizing beam splitter on which light emitted from the third half-wave plate enters,
A fourth half-wave plate on which one of the two lights emitted from the second polarizing beam splitter is incident;
A fifth half-wave plate on which the remaining light of the two lights emitted from the second polarizing beam splitter is incident;
A third polarizing beam splitter on which light emitted from the fourth half-wave plate enters ;
A first avalanche photodiode on which one of the two lights emitted from the third polarizing beam splitter is incident;
A beam splitter on which the remaining light out of the two lights emitted from the third polarization beam splitter and the light emitted from the fifth half-wave plate enter;
A second avalanche photodiode on which one of the two lights emitted from the beam splitter is incident;
A third avalanche photodiode on which the remaining light of the two lights emitted from the beam splitter enters ,
The angle formed between the vertical axis of the fourth half-wave plate and the first axis is 4.87 degrees, and the angle formed between the vertical axis of the fifth half-wave plate and the first axis is 45 degrees.
Quantum communication system.