JP4090459B2 - Polarization entangled photon pair generator - Google Patents

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Description

本発明は、偏波もつれ光子対発生装置に関し、より詳細には、偏波に関して量子力学的相関を有する光子対を発生する偏波もつれ光子対発生装置に関する。   The present invention relates to a polarization-entangled photon pair generation device, and more particularly to a polarization-entangled photon pair generation device that generates a photon pair having a quantum mechanical correlation with respect to polarization.

近年、量子暗号、量子テレポーテーション等の量子力学を利用した量子情報通信システムが提案されている。量子暗号とは、量子状態を変えずに物理量を観測することが一般にはできないことを利用して、共通鍵暗号方式における鍵配送を行う暗号方式であり、暗号鍵の安全性が量子力学の原理により保証された究極的に安全な暗号通信システムである。量子テレポーテーションとは、量子状態を転送するシステムであり、量子暗号における伝送距離の延長、量子計算機などの量子情報処理装置における信号転送に利用される。   In recent years, quantum information communication systems using quantum mechanics such as quantum cryptography and quantum teleportation have been proposed. Quantum cryptography is a cryptographic scheme that distributes keys in a common key cryptosystem using the fact that physical quantities cannot generally be observed without changing the quantum state. The security of cryptographic keys is based on the principle of quantum mechanics. It is an extremely secure cryptographic communication system guaranteed by. Quantum teleportation is a system for transferring a quantum state, and is used for extending a transmission distance in quantum cryptography and for signal transfer in a quantum information processing apparatus such as a quantum computer.

量子力学的相関を有する光子対(量子もつれ光子対)は、以上のような量子情報通信システムにおける重要な要素である。光子の量子状態を量子テレポーテーションにより転送するためには、送信者と受信者の間で量子もつれ光子対を共有することが必要である。量子もつれ光子対を用いることにより、長距離伝送に適した量子暗号システムを実現することできる。   A photon pair (quantum entangled photon pair) having a quantum mechanical correlation is an important element in the quantum information communication system as described above. In order to transfer the quantum state of a photon by quantum teleportation, it is necessary to share a entangled photon pair between the sender and the receiver. By using the entangled photon pair, a quantum cryptography system suitable for long-distance transmission can be realized.

様々な物理量に関しての量子力学的相関を有する量子もつれ光子対が考えられるが、ここでは、偏波状態についての量子もつれ光子対(以下、偏波もつれ光子対という)を想定する。横方向の偏波(H偏波)を持つ単一の光子の状態を|H>とし、縦方向の偏波(V偏波)を持つ単一の光子の状態を|V>とする。偏波もつれ状態にある光子対の一方をシグナル光子、他方をアイドラ光子と呼ぶことにして、それぞれ添え字s及びiで表す。このとき、偏波もつれ光子対の状態は、例えば、次の式で表される。   A entangled photon pair having a quantum mechanical correlation with respect to various physical quantities is conceivable. Here, a entangled photon pair (hereinafter referred to as a polarization entangled photon pair) for a polarization state is assumed. Let | H> be the state of a single photon having lateral polarization (H polarization), and | V> be the state of a single photon having vertical polarization (V polarization). One of the photon pairs in the polarization entangled state is called a signal photon, and the other is called an idler photon, which are represented by subscripts s and i, respectively. At this time, the state of the polarization entangled photon pair is expressed by the following equation, for example.

Figure 0004090459
Figure 0004090459

このシグナル−アイドラ光子対を分離して、互いに離れた観測者AおよびBにそれぞれ送り、両者がそれぞれの光子に対して偏波測定を行うとする。式(1)の意味するところは、観測者AがH偏波|H>を観測すれば、それと対になる光子について観測者Bも必ず|H>を観測する。同様に、観測者Aが偏波|V>を観測すれば、それと対になる光子について観測者Bも必ず|V>を観測する。また、式(1)は、H−V偏波の基底を用いているが、これを別の基底、例えば右回り円偏波|R>と左回り円偏波|L>を用いた基底で書き直しても、2光子の偏波に関する相関は保持される。   It is assumed that the signal-idler photon pair is separated and sent to observers A and B separated from each other, and both perform polarization measurement on the respective photons. The meaning of equation (1) is that if the observer A observes the H polarized wave | H>, the observer B always observes | H> for the photons paired therewith. Similarly, if the observer A observes the polarization | V>, the observer B always observes | V> for the photon paired therewith. In addition, Equation (1) uses the basis of HV polarization, but this is a basis using another basis, for example, clockwise circular polarization | R> and counterclockwise circular polarization | L>. Even if rewritten, the correlation with respect to the polarization of two photons is maintained.

式(1)のように、2つの積状態間の位相差がゼロ又はπであるような量子もつれ状態は、上述した量子力学的相関を最も顕著に観測できるので、“maximally entangled state”(最大もつれ状態)と呼ばれる。以上に述べた、2光子間の量子力学的偏波相関を巧みに用いることにより、量子暗号や、量子テレポーテーションを実現することができる。   Since the quantum entanglement state in which the phase difference between the two product states is zero or π, as in the equation (1), the quantum mechanical correlation described above can be observed most significantly, the “maximally entangled state” Called entangled state). By skillfully using the quantum mechanical polarization correlation between two photons described above, quantum cryptography and quantum teleportation can be realized.

上述の偏波もつれ光子対を発生する手段としては、非線形光学効果を利用する方法がある。2次の非線形光学媒質に、周波数fのポンプ光が入力すると、
p=f+fi (2)
を満たす周波数fsのシグナル光子と周波数fiのアイドラ光子を同時に発生する。この現象は、PDC(parametric down conversion)と呼ばれている。このとき、ポンプ光子、シグナル光子、アイドラ光子の位相φ,φs,φiの間には、次の関係が成り立つ。
φ=φ+φi (3)
As a means for generating the above-mentioned polarization entangled photon pair, there is a method using a nonlinear optical effect. The second-order nonlinear optical medium, the pump light of frequency f p is input,
f p = f s + f i (2)
A signal photon having a frequency f s satisfying the above and an idler photon having a frequency f i are simultaneously generated. This phenomenon is called PDC (parametric down conversion). At this time, the following relationships hold among the phases φ p , φ s , and φ i of the pump photons, signal photons, and idler photons.
φ p = φ s + φ i (3)

また、光ファイバなど3次の非線形光学媒質に、周波数fpのポンプ光を入力すると、ポンプ光が縮退した自然放出四光波混合(SFWM:spontaneous four-wave mixing)により、
2f=f+fi (4)
を満たす周波数fのシグナル光子と周波数fiのアイドラ光子を同時に発生する。ポンプ光子、シグナル光子、アイドラ光子の位相の間には次式の関係が成り立つ。
2φp=φ+φi (5)
ある種の非線形媒質を用いると、直線偏波のポンプ光を入力した場合、PDCやSFWM過程を介して、ポンプ光と同じ直線偏波のシグナル−アイドラ光子対を発生することができる。例えば、H偏波のポンプ光を入力すると、|H>、|H>iで表される光子対が発生する。
Further, the third-order nonlinear optical medium such as an optical fiber, by entering the pump light frequency f p, spontaneous emission FWM pump light is degenerated: by (SFWM spontaneous four-wave mixing) ,
2f p = f s + f i (4)
Simultaneously generates idler photons signal photon and the frequency f i of the frequency f s satisfying. The following relationship holds between the phases of the pump photon, signal photon, and idler photon.
p = φ s + φ i (5)
When a certain type of nonlinear medium is used, when linearly polarized pump light is input, a signal-idler photon pair having the same linear polarization as that of the pump light can be generated through a PDC or SFWM process. For example, when H-polarized pump light is input, photon pairs represented by | H> s and | H> i are generated.

図1に、従来の偏波もつれ光子対発生装置の動作原理を示す。PDCを用いて偏波もつれを得るには、ある特定の軸方向の直線偏波のポンプ光入力に対して、ポンプ光と同一偏波のシグナル−アイドラ光子対を発生し、特定の軸方向と直交する偏波のポンプ光入力に対して、光子対を発生しない非線形媒質を2つ用意する(例えば、非特許文献1参照)。この非線形媒質を、結晶軸を互いに90°傾けて直列に配置する。第1の非線形媒質11は、0°の直線偏波(H偏波)のポンプ光入力に対して、シグナル−アイドラ光子対を発生し、90°の直線偏波(V偏波)に対して、何も発生しないように軸方向を調整して配置されている。一方、第2の非線形媒質12は、90°の直線偏波のポンプ光入力に対して、シグナル-アイドラ光子対を発生し、0°の直線偏波に対して、何も発生しないように配置されている。   FIG. 1 shows the operation principle of a conventional polarization entangled photon pair generator. In order to obtain polarization entanglement using PDC, a signal-idler photon pair having the same polarization as the pump light is generated for a linearly polarized pump light input in a specific axial direction. Two nonlinear media that do not generate photon pairs are prepared for orthogonally polarized pump light inputs (see, for example, Non-Patent Document 1). This nonlinear medium is arranged in series with the crystal axes tilted by 90 °. The first nonlinear medium 11 generates a signal-idler photon pair for 0 ° linearly polarized light (H polarized light) pump light input, and for 90 ° linearly polarized light (V polarized light). It is arranged by adjusting the axial direction so that nothing happens. On the other hand, the second nonlinear medium 12 is arranged so as to generate a signal-idler photon pair for a 90 ° linearly polarized pump light input and to generate nothing for a 0 ° linearly polarized light. Has been.

この非線形媒質に対し、45°の直線偏波のポンプ光を入力する。45°直線偏波の光は、0°の直線偏波と、90°の直線偏波の2成分に分解することができる。この2成分のうち、0°の直線偏波成分は、第1の非線形媒質において|H>s|H>iで表されるH偏波のシグナル−アイドラ光子対を発生し、90°の成分は|V>s|V>iで表されるV偏波のシグナル−アイドラ光子対を発生する。 45 ° linearly polarized pump light is input to this nonlinear medium. 45 ° linearly polarized light can be decomposed into two components: 0 ° linearly polarized light and 90 ° linearly polarized light. Of these two components, the 0 ° linearly polarized wave component generates an H polarized signal-idler photon pair represented by | H> s | H> i in the first nonlinear medium, and the 90 ° component. Generates a V-polarized signal-idler photon pair represented by | V> s | V> i .

ここで、ポンプ光の強度を十分小さくして、H偏波の光子対とV偏波の光子対とが同時に発生する確率が十分小さくなるようにする。このとき、出力において得られる光子対がH偏波であるか、V偏波であるかは、測定するまで不明である。よって、出力状態は、|H>s|H>iと|V>s|V>iの重ね合わせ状態、すなわち式(1)で表される偏波もつれ状態になっている。 Here, the intensity of the pump light is made sufficiently small so that the probability that the H-polarized photon pair and the V-polarized photon pair are generated simultaneously becomes sufficiently small. At this time, it is unknown until the measurement whether the photon pair obtained at the output is H-polarization or V-polarization. Therefore, the output state is a superposed state of | H> s | H> i and | V> s | V> i , that is, a polarization entangled state represented by the equation (1).

P.G.Kwiat, et, al., “Ultrabright source of polarization-entangled photons”, Physical Review A, Vol.60, No.2, pp.R773-R776, 1999P.G.Kwiat, et, al., “Ultrabright source of polarization-entangled photons”, Physical Review A, Vol.60, No.2, pp.R773-R776, 1999

従来の偏波もつれ光子対発生装置は、偏波もつれ光子対を得るために、同一の特性を有する非線形媒質を2個用意する必要がある。また、以下の理由により、長波長帯(1.3μm帯又は1.55μm帯)における偏波もつれ光子対の発生が困難であるという問題があった。   In order to obtain a polarization entangled photon pair, a conventional polarization entangled photon pair generator needs to prepare two nonlinear media having the same characteristics. Further, there is a problem that it is difficult to generate a polarization entangled photon pair in a long wavelength band (1.3 μm band or 1.55 μm band) for the following reason.

光子対を発生させるためには、非線形媒質内でポンプ光、シグナル光子、アイドラ光子の位相速度を整合させる必要がある。光ファイバ網上でこのような偏波もつれ光子対を用いた量子情報通信を行うことを想定すると、光子対の波長帯は長波長帯であることが望ましいが、従来のバルク型非線形媒質では、長波長帯において位相整合条件を満たすことは困難である。   In order to generate photon pairs, it is necessary to match the phase velocities of pump light, signal photons, and idler photons in a nonlinear medium. Assuming that quantum information communication using such a polarization entangled photon pair is performed on an optical fiber network, it is desirable that the wavelength band of the photon pair is a long wavelength band, but in the conventional bulk type nonlinear medium, It is difficult to satisfy the phase matching condition in the long wavelength band.

これを解決するために、周期分極反転構造を有する導波路型非線形素子により、長波長帯において擬似位相整合を満たし、効率の良い光子対発生を行う方法が考えられる。この導波路型非線形素子を互いに90°傾けて直列に配置すれば、図1で説明した手法により偏波もつれ光子対を発生することが、原理的には可能である。このとき、第1及び第2の非線形媒質における光子対の発生率が等しくなることが必要である。   In order to solve this problem, a method of efficiently generating photon pairs by satisfying quasi-phase matching in a long wavelength band by using a waveguide nonlinear element having a periodically poled structure can be considered. If these waveguide nonlinear elements are arranged in series at an angle of 90 ° to each other, it is possible in principle to generate a polarization-entangled photon pair by the method described in FIG. At this time, it is necessary that the generation rates of the photon pairs in the first and second nonlinear media be equal.

光子対の発生率を等しくするためには、両導波路にポンプ光を等しく基本導波モードとして入力する必要があるが、軸方向が直交している2個の導波路に対してこの条件を満たすのは実際には困難である。従って、導波路型非線形素子を図1で示した手法に適用して、長波長帯の偏波もつれ光子対を得ることは困難である。   In order to make the generation rate of photon pairs equal, it is necessary to input the pump light equally to both waveguides as a fundamental waveguide mode. This condition is applied to two waveguides whose axial directions are orthogonal to each other. It is actually difficult to meet. Therefore, it is difficult to obtain a polarization-entangled photon pair in the long wavelength band by applying the waveguide type nonlinear element to the method shown in FIG.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、1つの非線形媒質により、最大もつれ状態の偏波もつれ光子対を発生する偏波もつれ光子対発生装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a polarization entangled photon pair generating device that generates a polarization entangled photon pair in a maximum entangled state by one nonlinear medium. There is to do.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、光パルス列であるポンプ光を出力するポンプ光源と、前記ポンプ光を入力し、互いの偏波に相関のあるシグナル光子及びアイドラ光子を出力する非線形媒質と、該非線形媒質から出力された光子を、2経路に分岐する光分岐手段と、前記2経路に分岐された光子を同一経路に合波して出力する光合波手段と、前記光分岐手段と前記光合波手段との間の前記2経路のうちの一方の経路に挿入され、入力された光子の偏波状態を、入力状態と直交する状態に変換して出力する偏波回転手段とを備え、前記2経路における光伝搬時間の差が、前記光パルス列の時間間隔に等しく設定されていることを特徴とする。 In order to achieve such an object, the present invention provides a pump light source that outputs pump light, which is an optical pulse train, and the pump light that is correlated with the polarization of each other. A nonlinear medium that outputs a certain signal photon and idler photon, an optical branching unit that branches a photon pair output from the nonlinear medium into two paths, and a pair of photons branched into the two paths are combined into the same path. Output optical multiplexing means and one of the two paths between the optical branching means and the optical multiplexing means, and the polarization state of the input photon pair is orthogonal to the input state And a polarization rotation means for converting into a state and outputting the difference, wherein the difference in optical propagation time between the two paths is set equal to the time interval of the optical pulse train .

請求項に記載の発明は、請求項1に記載の偏波もつれ光子対発生装置において、前記2経路の少なくとも一方に、光の位相を調整する光位相調整手段を備えることを特徴とする。 According to a second aspect of the invention, the polarization entangled photon pair generating device according to claim 1, wherein at least one of the two paths, characterized in that it comprises an optical phase adjusting means for adjusting the phase of the light.

請求項に記載の発明は、請求項1または2に記載の前記非線形媒質は、非線形光学結晶からなる非線形導波路であることを特徴とする。 The invention described in claim 3 is characterized in that the nonlinear medium described in claim 1 or 2 is a nonlinear waveguide made of a nonlinear optical crystal.

請求項に記載の発明は、請求項1、2または3に記載の前記非線形媒質は、非線形光学効果を有する光ファイバであることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the nonlinear medium according to the first , second, or third aspect is an optical fiber having a nonlinear optical effect.

以上説明したように、本発明によれば、1つの非線形媒質とマッハツェンダ干渉計またはマイケルソン干渉計に設けられた偏波回転手段という簡易な構成により、最大もつれ状態の偏波もつれ光子対を発生することが可能となる。   As described above, according to the present invention, a polarization entangled photon pair in the maximum entangled state is generated by a simple configuration of one nonlinear medium and polarization rotation means provided in a Mach-Zehnder interferometer or Michelson interferometer. It becomes possible to do.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図2に、本発明の実施例1にかかる偏波もつれ光子対発生装置を示す。コヒーレンス時間がτpで表されるV偏波の連続するポンプ光を非線形媒質101に入力する。非線形媒質101は、導波路型非線形素子や、光ファイバ等を用いることができる。非線形媒質101から、|t,V>s及び|t,V>iで表される光子対が出力される。ただし、|t,X>において、tは光子対発生時刻、X(=V,H)は偏波状態を表す。 FIG. 2 shows a polarization entangled photon pair generating apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. V-polarized pump light having a coherence time represented by τ p is input to the nonlinear medium 101. As the nonlinear medium 101, a waveguide nonlinear element, an optical fiber, or the like can be used. From the nonlinear medium 101, photon pairs represented by | t, V> s and | t, V> i are output. However, in | t, X>, t represents the photon pair generation time, and X (= V, H) represents the polarization state.

得られた光子対は、2個のビームスプリッタ(BS)102,104と、2個の鏡105,106と、2分の1波長板(HWP)103とから構成されるマッハツェンダ(MZ)干渉計に入力される。BS102、鏡105,106及びBS104の光路と、BS102、HWP103及びBS104の光路との光伝搬時間にはτの差がある。伝搬時間差τは、τpと、シグナル光子およびアイドラ光子のコヒーレント時間τcに対して次の条件を満たすように設定されている。
τc<τ<τp (6)
The obtained photon pair is a Mach-Zehnder (MZ) interferometer composed of two beam splitters (BS) 102 and 104, two mirrors 105 and 106, and a half-wave plate (HWP) 103. Is input. There is a difference in τ between the optical propagation times of the optical paths of the BS 102, the mirrors 105 and 106, and the BS 104 and the optical paths of the BS 102, the HWP 103, and the BS 104. The propagation time difference τ is set to satisfy the following condition with respect to τ p and the coherent time τ c of the signal photons and idler photons.
τ c <τ <τ p (6)

上記の条件に加え、測定に使用する光子計数器の時間分解能は、τcより小さくなければならない。また、非線形媒質101において、シグナル−アイドラ光子のコヒーレント時間τc内に、2対以上の光子対が発生する確率は十分小さく、無視できるとする。 In addition to the above conditions, the time resolution of the photon counter used for the measurement must be smaller than τ c . In the nonlinear medium 101, it is assumed that the probability that two or more photon pairs are generated within the coherent time τ c of the signal-idler photon is sufficiently small and can be ignored.

MZ干渉計の一方の光路には、2分の1波長板(HWP)103が挿入されている。HWP103においては、入力されたV偏波の光は、H偏波に変換されて出力される。MZ干渉計に|t,V>で表されるシグナル光子またはアイドラ光子を入力すると、出力ではある時刻t′において次のような重ね合わせ状態が得られる。   A half-wave plate (HWP) 103 is inserted in one optical path of the MZ interferometer. In the HWP 103, the input V-polarized light is converted to H-polarized light and output. When a signal photon or idler photon represented by | t, V> is input to the MZ interferometer, the following superposition state is obtained at a certain time t ′ as an output.

Figure 0004090459
Figure 0004090459

ただし、δx=ωxτであり、ωxは、シグナル光子x=sまたはアイドラ光子x=iで表される光子の角周波数である。また、全項に共通する振幅項は、簡単のため省略している(以下同様)。第1項は、MZ干渉計のHWP103を含む光路、第2項は、鏡105,106を含む光路を、それぞれ通って出力された成分を示す。このとき、干渉計から時刻t′において出力される光子対の状態は次式で表される。 However, δ x = ω x τ, and ω x is the angular frequency of the photon represented by the signal photon x = s or the idler photon x = i. In addition, amplitude terms common to all terms are omitted for simplicity (the same applies hereinafter). The first term indicates the component output through the optical path including the HWP 103 of the MZ interferometer, and the second term indicates the component output through the optical path including the mirrors 105 and 106, respectively. At this time, the state of the photon pair output from the interferometer at time t ′ is expressed by the following equation.

Figure 0004090459
Figure 0004090459

量子暗号、量子テレポーテーションにおいて、偏波もつれ光子対は、互いに離れた2人の観測者によって、それぞれの光子が受信される(同時計数)。従って、式(8)のうち、同時計数に寄与しない第3,4項は無視できる。よって、時刻t′における同時計数により第1項と第2項のみが残り、次に示す偏波もつれ状態|Ψ′(t′)>を得る。   In quantum cryptography and quantum teleportation, a pair of polarization entangled photons is received by two observers separated from each other (simultaneous counting). Therefore, the third and fourth terms that do not contribute to the coincidence counting in Expression (8) can be ignored. Therefore, only the first term and the second term remain by the simultaneous counting at time t ′, and the following polarization entangled state | Ψ ′ (t ′)> is obtained.

Figure 0004090459
Figure 0004090459

ここで、量子力学的偏波相関が観測可能であるためには、式(9)の2つの積状態間の相対位相差δs+δiのゆらぎが小さくなければならない。以下の理由により、式(6)の条件を満たせば、相対位相差のゆらぎは小さくなり、安定した偏波もつれ状態を得ることができる。 Here, in order for the quantum mechanical polarization correlation to be observable, the fluctuation of the relative phase difference δ s + δ i between the two product states of Equation (9) must be small. For the following reasons, if the condition of Expression (6) is satisfied, the fluctuation of the relative phase difference is reduced, and a stable polarization entangled state can be obtained.

相対位相差δs+δiは、(ωs+ωi)τと書き換えられる。ポンプ光の角周波数をωpとすると、シグナル−アイドラ光子対発生の非線形効果としてPDCを用いた場合及びSFWMを用いた場合には、式(2),(3)より相対位相差は、それぞれ次のように表すことができる。
δs+δi=ωτ (PDC) (10)
=2ωτ(SFWM) (11)
式(6)の条件の下では、ポンプ光の周波数ゆらぎはコヒーレント時間τ内では十分小さいとみなせるから、相対位相差δs+δiのゆらぎは小さい。
The relative phase difference δ s + δ i is rewritten as (ω s + ω i ) τ. Assuming that the angular frequency of the pump light is ω p , when PDC is used as the nonlinear effect of signal-idler photon pair generation and when SFWM is used, the relative phase difference is expressed by the equations (2) and (3), respectively. It can be expressed as:
δ s + δ i = ω p τ (PDC) (10)
= 2ω p τ (SFWM) (11)
Under the condition of equation (6), the frequency fluctuation of the pump light can be considered to be sufficiently small within the coherent time τ, so the fluctuation of the relative phase difference δ s + δ i is small.

図3に、本発明の実施例2にかかる偏波もつれ光子対発生装置を示す。実施例2の構成は、HWP203を備えたMZ干渉計であり、実施例1と同じ構成である。ポンプ光として、MZ干渉計の2経路の伝搬時間差に等しい時間間隔τを有するパルス列を用いる。ポンプ光のコヒーレント時間τp、シグナル光子又はアイドラ光子のコヒーレント時間τcとτとの間には式(6)の関係が成り立っている。また、実施例1の場合と同様、非線形媒質201において、シグナル−アイドラ光子のコヒーレント時間τc内に、2対以上の光子対が発生する確率は十分小さく、無視できるとする。 FIG. 3 shows a polarization entangled photon pair generating apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. The configuration of the second embodiment is an MZ interferometer provided with the HWP 203 and has the same configuration as the first embodiment. As the pump light, a pulse train having a time interval τ equal to the propagation time difference between the two paths of the MZ interferometer is used. The relationship of equation (6) is established between the coherent time τ p of the pump light and the coherent time τ c of the signal photon or idler photon. Similarly to the case of the first embodiment, in the nonlinear medium 201, it is assumed that the probability that two or more photon pairs are generated within the coherent time τ c of the signal-idler photon is sufficiently small and can be ignored.

kをパルス的に発生するシグナル−アイドラ光子対のタイムスロットの番号とする。このとき、MZ干渉計の鏡205,206を含む光路を通ったk番目の光子対パルスと、HWP203を含む光路を通ったk−1番目の光子対パルスとは、出力として同一のタイムスロットに出力される。このタイムスロットの番号をmとする。   Let k be the number of the time slot of the signal-idler photon pair generated in a pulsed manner. At this time, the kth photon pair pulse passing through the optical path including the mirrors 205 and 206 of the MZ interferometer and the k−1th photon pair pulse passing through the optical path including the HWP 203 are output in the same time slot. Is output. Let the time slot number be m.

非線形媒質から出力されたk番目のタイムスロットの光子対を|k,V>s及び|k,V>iとする。ここで、|k,X>(X=V,H)におけるkは、光子対が発生したタイムスロットを表す。MZ干渉計により、|k,V>xは、 Let the photon pair of the kth time slot output from the nonlinear medium be | k, V> s and | k, V> i . Here, k in | k, X> (X = V, H) represents a time slot in which a photon pair is generated. With the MZ interferometer, | k, V> x is

Figure 0004090459
Figure 0004090459

に変換される。ただし、x=s,iであり、δx=ωxτである。これを用いると、m番目のスロットにおけるMZ干渉計の出力は、 Is converted to However, x = s, i, and δ x = ω x τ. Using this, the output of the MZ interferometer in the mth slot is

Figure 0004090459
Figure 0004090459

となる。式(9)と同様の議論から、MZ干渉計出力のm番目のスロットでの同時計数により次の偏波もつれ状態|Ψ'm>を得る。 It becomes. From the same argument as equation (9), the following polarization entangled state | Ψ ′ m > is obtained by coincidence in the mth slot of the output of the MZ interferometer.

Figure 0004090459
Figure 0004090459

実施例2においては、連続パルスのポンプ光の使用を想定したが、2連続パルスのポンプ光を用いても、偏波もつれ光子対を発生することができる。   In the second embodiment, the use of continuous-pulse pump light is assumed. However, even if two continuous-pulse pump light is used, a polarization-entangled photon pair can be generated.

式(9),(13)においては、2つの積状態(式(9)における|t,H>s|t,H>iと|t−τ,V>s|t−τ,V>i、式(13)における|k,H>s|k,H>iと|k−1,V>s|k−1,V>i)の間に、相対位相差δs+δiがあり、式(1)で示した理想的な偏波もつれ状態とは一般には異なる。理想的な偏波もつれ状態にするためには、相対位相差が0又はπとなるように、MZ干渉計の2光路において生じる位相差を調整する必要がある。 In equations (9) and (13), two product states (| t, H> s | t, H> i and | t−τ, V> s | t−τ, V> i in equation (9) are used. , There is a relative phase difference δ s + δ i between | k, H> s | k, H> i and | k−1, V> s | k−1, V> i ) in equation (13), In general, this is different from the ideal polarization entanglement state shown by the equation (1). In order to obtain an ideal polarization entanglement state, it is necessary to adjust the phase difference generated in the two optical paths of the MZ interferometer so that the relative phase difference becomes 0 or π.

図4に、本発明の実施例3にかかる偏波もつれ光子対発生装置を示す。実施例3においては、V偏波成分の光路に調整可能な位相シフトΔθを与える位相シフタ307を、MZ干渉計に挿入する。実施例3は、実施例1の構成に対して、位相シフタ307を加えた場合を示すが、実施例2及び後述する実施例4に対して位相シフタ307を加えることもできる。   FIG. 4 shows a polarization entangled photon pair generating apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. In the third embodiment, a phase shifter 307 that gives an adjustable phase shift Δθ to the optical path of the V polarization component is inserted into the MZ interferometer. In the third embodiment, the phase shifter 307 is added to the configuration of the first embodiment. However, the phase shifter 307 can be added to the second embodiment and the fourth embodiment described later.

位相シフタ307により、δs+δi+Δθ=0となるように、Δθの値を調整する。これにより、式(1)に示すような理想的な偏波もつれ状態を得ることができる。 The value of Δθ is adjusted by the phase shifter 307 so that δ s + δ i + Δθ = 0. Thereby, an ideal polarization entangled state as shown in the equation (1) can be obtained.

図5に、本発明の実施例4にかかる偏波もつれ光子対発生装置を示す。図2に示した実施例1のMZ干渉計を、マイケルソン干渉計に置き換えた構成になっている。マイケルソン干渉計は、BS402と、鏡405,406と、4分の1波長板(QWP)407とにより構成される。鏡405を含む往復の光路と、鏡406及びQWP407を含む往復の光路の光伝搬時間の差は、式(6)のτを満たすように設定されている。   FIG. 5 shows a polarization entangled photon pair generating apparatus according to Embodiment 4 of the present invention. The MZ interferometer of Example 1 shown in FIG. 2 is replaced with a Michelson interferometer. The Michelson interferometer includes a BS 402, mirrors 405 and 406, and a quarter wave plate (QWP) 407. The difference in light propagation time between the round-trip optical path including the mirror 405 and the round-trip optical path including the mirror 406 and the QWP 407 is set so as to satisfy τ in Expression (6).

干渉計の光路の一方には、4分の1波長板(QWP)407が挿入されている。入力されたV偏波のシグナル−アイドラ光子対は、光路を一往復し、QWP407を2回通過してBS402に戻ると、H偏波に変換される。この構成によれば、実施例1と同様に、式(6)の条件を満たせば、相対位相差のゆらぎは小さくなり、安定した偏波もつれ状態を得ることができる。   A quarter wave plate (QWP) 407 is inserted in one of the optical paths of the interferometer. The input V-polarized signal-idler photon pair reciprocates once in the optical path, passes through the QWP 407 twice, and returns to the BS 402 to be converted to H-polarized light. According to this configuration, as in the first embodiment, if the condition of Expression (6) is satisfied, the fluctuation of the relative phase difference is reduced, and a stable polarization entangled state can be obtained.

なお、干渉計に挿入する偏波変換手段として、入力された偏波状態を45度回転して出力するファラデー回転素子を使用することもできる。また、実施例2と同様に、ポンプ光としてパルス列を入力することもできる。   Note that a Faraday rotation element that rotates the input polarization state by 45 degrees and outputs it can also be used as the polarization conversion means inserted into the interferometer. As in the second embodiment, a pulse train can be input as pump light.

従来の偏波もつれ光子対発生装置の動作原理を示す図である。It is a figure which shows the operation | movement principle of the conventional polarization entangled photon pair generator. 本発明の実施例1にかかる偏波もつれ光子対発生装置を示す図である。It is a figure which shows the polarization entangled photon pair generator concerning Example 1 of this invention. 本発明の実施例2にかかる偏波もつれ光子対発生装置を示す図である。It is a figure which shows the polarization entangled photon pair generator concerning Example 2 of this invention. 本発明の実施例3にかかる偏波もつれ光子対発生装置を示す図である。It is a figure which shows the polarization entangled photon pair generator concerning Example 3 of this invention. 本発明の実施例4にかかる偏波もつれ光子対発生装置を示す図である。It is a figure which shows the polarization entangled photon pair generator concerning Example 4 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

101,201,301,401 非線形媒質
102,104,202,204,302,304,402 ビームスプリッタ(BS)
103,203,303 2分の1波長板(HWP)
105,106,205,206,305,306,405,406 鏡
307 位相シフタ
407 4分の1波長板(QWP)
101, 201, 301, 401 Nonlinear medium 102, 104, 202, 204, 302, 304, 402 Beam splitter (BS)
103, 203, 303 Half-wave plate (HWP)
105, 106, 205, 206, 305, 306, 405, 406 Mirror 307 Phase shifter 407 Quarter wave plate (QWP)

Claims (4)

光パルス列であるポンプ光を出力するポンプ光源と、
前記ポンプ光を入力し、互いの偏波に相関のあるシグナル光子及びアイドラ光子を出力する非線形媒質と、
該非線形媒質から出力された光子を、2経路に分岐する光分岐手段と、
前記2経路に分岐された光子を同一経路に合波して出力する光合波手段と、
前記光分岐手段と前記光合波手段との間の前記2経路のうちの一方の経路に挿入され、入力された光子の偏波状態を、入力状態と直交する状態に変換して出力する偏波回転手段とを備え
前記2経路における光伝搬時間の差が、前記光パルス列の時間間隔に等しく設定されていることを特徴とする偏波もつれ光子対発生装置。
A pump light source that outputs pump light that is an optical pulse train ;
A non-linear medium that inputs the pump light and outputs a signal photon and an idler photon that are correlated with each other's polarization;
Optical branching means for branching the photon pair output from the nonlinear medium into two paths;
Optical multiplexing means for multiplexing and outputting the photon pairs branched into the two paths to the same path;
A polarization that is inserted into one of the two paths between the optical branching means and the optical multiplexing means and that converts the polarization state of the input photon pair into a state orthogonal to the input state and outputs it. Wave rotation means ,
The polarization entangled photon pair generating apparatus characterized in that a difference in optical propagation time in the two paths is set equal to a time interval of the optical pulse train .
前記2経路の少なくとも一方に、光の位相を調整する光位相調整手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の偏波もつれ光子対発生装置。 The polarization entangled photon pair generating apparatus according to claim 1, further comprising an optical phase adjusting unit that adjusts a phase of light in at least one of the two paths. 前記非線形媒質は、非線形光学結晶からなる非線形導波路であることを特徴とする請求項1または2に記載の偏波もつれ光子対発生装置。 The polarization entangled photon pair generation device according to claim 1 or 2 , wherein the nonlinear medium is a nonlinear waveguide made of a nonlinear optical crystal. 前記非線形媒質は、非線形光学効果を有する光ファイバであることを特徴とする請求項1、2または3に記載の偏波もつれ光子対発生装置。 4. The polarization entangled photon pair generating device according to claim 1 , wherein the nonlinear medium is an optical fiber having a nonlinear optical effect.
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