JP4724035B2 - 単一光子発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば量子暗号や量子情報処理分野において用いられる単一光子発生装置及び単一光子発生方法に関する。

電子政府や電子商取引など次世代情報化社会の実現に向けて、安全・確実な暗号通信は必要不可欠である。
現在、暗号通信には、公開暗号鍵方式や秘密暗号鍵方式が用いられている。現在広く用いられているＲＳＡ公開暗号鍵方式は、非常に大きな数の素因数分解を多項式で解くことは膨大な時間を必要とするので解読が困難であるという計算量的側面によってのみ、安全性を保証されている。したがって、非常に高速な並列計算を得意とする量子計算機が登場すれば、このような暗号を解読するのにかかる時間は飛躍的に短縮され、安全性が保証されなくなる。つまり、現在用いられている公開暗号鍵方式や秘密暗号鍵方式の安全性は完全ではない。

例えば、公開暗号鍵方式では、公開鍵が解読されてしまうと、第三者によるデータの盗聴や改ざんのおそれがある。また、秘密暗号鍵方式は、情報の送信者と受信者が同一の秘密鍵を所有し、送信者が秘密鍵で暗号化したデータを受信者がその秘密鍵でデータを解読する。このような秘密暗号鍵方式では、秘密鍵自体をこれらの二者に配信する際に盗聴されるおそれがある。

このような安全性の問題を解決する手段として期待されているのが量子暗号である。
量子暗号としてよく知られる方式は、１９８４年にＣ．Ｈ．ＢｅｎｎｅｔｔとＧ．Ｂｒａｓｓａｒｄにより提案された“ＢＢ８４型”プロトコルである。
このプロトコルでは、従来の光通信のような光子の集合体ではなく、光子１つ１つに情報を載せて伝送する。情報の１ビットを１つの光子に、例えば光子の偏光状態に付与すれば、各々の光子は、ハイゼンベルクの不確定性原理（共役する物理量は同時に正確に測定できないとする原理）及びｎｏ−ｃｌｏｎｉｎｇ定理（量子状態を観測することなく複製することはできないといる定理）に従うため、光子の状態を破壊することなしにビット情報を取り出したり、複製したりすることはできない。

したがって、通信経路上で第三者による情報の複製（盗聴）や改ざんが行われれば直ちに検知することができ、第三者による観測が行われていない“クリーンな”鍵のみを送信者・受信者の間で共有することができる。このようにして二者間で共有された暗号鍵の安全性は、情報の担い手が単一光子である限り、計算量的困難性ではなく物理的原理に基づいて保証される。

近年、量子暗号システムの商用化が進んでいる。
量子暗号システムは、送信者側が、１つの光子（単一光子）を生成する単一光子源と、光子に秘密鍵の情報を付与する偏光状態または位相状態制御部とからなり、受信者側は光子の情報を検出する単一光子検出器を有する。
単一光子源には、通常、レーザ光源と減衰器が用いられている。このような単一光子源では、レーザ光源からレーザパルス列を出射し、減衰器によってレーザパルス列の光の強度を減衰させ、１パルス当たり平均１個あるいはそれ以下の光子数になるようにして、疑似的に単一光子を生成している。

しかしながら、このように擬似的に単一光子を生成する場合、複数の光子の発生を完全にゼロにすることはできない。１パルス内に複数の光子が含まれていると、その一部だけを奪い、受信者には気づかれずに盗聴することができてしまうため、安全性に問題が生じる。
このような複数光子の発生割合を抑えるためにはレーザ光の減衰率を上げる方法が有効であるが、その代償として鍵伝送レートが下がってしまうことになる。

一方、鍵伝送距離を伸ばすためには、光ファイバの伝送損失の少ない通信波長帯（１．３−１．５５μｍ）であることも重要である。
現在、１．５５μｍ帯の擬似的な単一光子を利用したＢＢ８４プロトコルで、１００ｋｍ以上の量子鍵配送が報告されているが（非特許文献１参照）、鍵共有速度は１２２ｋｍで１Ｈｚ以下に留まっている。

このようなことから、高速・長距離の量子鍵配送を実現するためには、通信波長帯における真の単一光子発生器が必要となる。
このような通信波長帯における真の単一光子発生器に関しては、これまで数多く研究がなされている。
よく知られる方法としては、孤立した２準位系に光励起や電流注入等によってキャリヤを励起し、排他的な再結合過程を利用して、光子を一つずつ取り出す方法があり、例えば、単一分子（非特許文献２参照）、ダイヤモンド結晶中の窒素欠陥色中心（非特許文献３参照）、量子ドット（非特許文献４，５参照）などを用いることが考えられる。特に、量子ドットは材料やサイズに応じて波長を変えられる利点がある。典型的な量子ドットでは、電子−正孔対の再結合寿命が１ｎｓ程度であるため、原理的には単一光子の発生レートをＧＨｚオーダまで高められる可能性がある。

最近、ＩｎＰ上のＩｎＡｓ自己形成量子ドットを利用した通信波長帯単一光子発生素子が報告されている（非特許文献４参照）。一方、単一分子（非特許文献２参照）、ダイヤモンド結晶中の窒素欠陥色中心（非特許文献３参照）、ＣｄＳｅ量子ドット（非特許文献５参照）を用いるものでは室温動作も報告されている。
なお、このほか、先行技術調査の結果、以下の特許文献１，２が得られた。
特開２００３−２４９９２８号公報 特開２０００−２１６７７５号公報 C.Gobby et al. "Quantum key distribution over 122 km of standard telecom fiber" APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 84, NUMBER 19, p.3762-3764, 10 MAY 2004 B. Lounis et al. "Single photons on demand from a single molecule at room temperature, Nature, VOL. 407, p.491-493, 28 SEPTEMBER 2000 Christian Kurtsiefer et al. "Stable Solid-State Source of Single Photons" PHYSICAL REVIEW LETTERS, Volume 85, Number 2, p.290-293, 10 July 2000 Toshiyuki Miyazawa et al. "Single-Photon Generation in the 1.55-μm Optical-Fiber Band from an InAs/InP Quantum Dot" Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 44, No. 20, L620-L622, 2005 X. Brokmann et al. "Highly efficient triggered emission of single photons by colloidal CdSe/ZnS nanocrystals" APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 85, NUMBER 5, p.712-714, 2 AUGUST 2004

しかしながら、上述の単一分子（非特許文献２参照）、ダイヤモンド結晶中の窒素欠陥色中心（非特許文献３参照）、ＣｄＳｅ量子ドット（非特許文献５参照）を用いるものでは、波長領域が短波長（５００−６００ｎｍ程度）であるため、光ファイバ内での損失が大きく、長距離伝送用の単一光子源としては利用が難しい。
また、上述のＩｎＡｓ量子ドットを利用した通信波長帯単一光子発生素子（非特許文献４参照）は、試料温度を１０ｋ程度に保つ必要があるため、液体ヘリウム等の寒剤が必要になるなど、装置全体が大型化せざるを得ない。

本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、装置全体の大型化を招くことなく、通信波長帯単一光子を発生させることができるようにした、単一光子発生装置及び単一光子発生方法を提供することを目的とする。

このため、本発明の単一光子発生装置は、通信波長帯よりも短波長側の波長を持つ単一光子パルスを発生する単一光子発生素子と、単一光子波長変換用ポンプパルス光を用いて単一光子パルスを通信波長帯単一光子パルスに波長変換する単一光子波長変換素子とを備えることを特徴としている。
本発明の単一光子発生方法は、通信波長帯よりも短波長側の波長を持つ単一光子パルスを発生させ、単一光子波長変換用ポンプパルス光を用いて単一光子パルスを通信波長帯単一光子パルスに波長変換することを特徴としている。

したがって、本発明の単一光子発生装置及び単一光子発生方法によれば、装置全体の大型化を招くことなく、通信波長帯単一光子パルスを発生させることができるという利点がある。
また、単一光子発生素子で変換されなかった基本波パルス光の残留成分を単一光子波長変換部で再利用する場合には、パルス光源を１つだけ設ければ良くなるため、装置全体をコンパクト、かつ、低コストに実現できるという利点がある。さらに、パルス光源を１つだけ設ければ良いため、付加的な電気回路を設けることなく、各パルス間の周波数同期がとれ、さらに、パルス伸長部及び光路長調整部を設ければ、単一光子パルスと基本波パルス光との時間的オーバーラップが最適化されるため、単一光子波長変換部での変換効率も最適なものとなるという利点もある。

以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる単一光子発生装置及び単一光子発生方法について、図１，図２を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる単一光子発生装置及び単一光子発生方法は、例えば図１に示すように、単一光子発生素子１が発生した単一光子パルスＳ１と、単一光子波長変換素子励起用パルス光源６からの強力な単一光子波長変換用ポンプパルス光Ｐ１とを合波器２によって合波して単一光子波長変換素子３に入射させ、光学的非線形性を有する（即ち、非線形光学材料からなる）単一光子波長変換素子３の内部での非線形相互作用を利用して、単一光子発生素子１が発生した単一光子パルスＳ１の波長を長波長側に変換（周波数下方変換）することで、通信波長帯単一光子パルスＳ２を発生させるようになっている。

これにより、装置全体の大型化を招くことなく、通信波長帯単一光子を発生させることができるという利点がある。
このように構成される単一光子発生装置及び単一光子発生方法は、例えば、単一光子パルスを必要とする量子暗号通信（量子暗号、量子通信）や量子情報処理分野において用いることが可能である。

ここで、単一光子発生素子１は、室温発光可能な（即ち、室温動作可能な）単一光子発生素子を用いている。室温発光可能な単一光子発生素子としては、例えば、ＣｄＳｅ量子ドット、terrylene等の単一分子、ダイヤモンド結晶中の窒素欠陥色中心などを用いたものが考えられる。このような単一光子発生素子は、通信波長帯よりも短波長側の波長を持つ単一光子パルスを発生するものである。

このように、室温発光可能な単一光子発生素子（例えばＣｄＳｅ量子ドットを備える単一光子発生素子など）を用い、単一光子パルスの周波数下方変換を行なうことで、従来は全く不可能であった室温動作の通信波長帯単一光子発生装置を、コンパクト、かつ、低コストで実現できることになる。
本実施形態では、単一光子発生素子１は、室温で可視波長領域の単一光子パルスを発生するもの、例えば、波長５９０ｎｍ付近に発光線を持つＣｄＳｅ単一量子ドットを備えるものを用いている。

このように、単一光子パルスの周波数下方変換を行なうことで、例えば光ファイバ中の伝送損失の観点から従来は不適切とされてきた可視波長領域の単一光子発生装置において、発光効率の高い材料を積極的に用いることができるようになり、性能の高い通信波長帯単一光子発生装置を実現できることになる。
なお、本実施形態では、単一光子発生用ポンプパルス光Ｐ２によって光励起されて、単一光子を発生する光励起型単一光子発生素子１を用いているが、これに限られるものではなく、例えばＥＬ（electroluminescence）型単一光子発生素子を用いても良い。

さらに、本実施形態では、図１に示すように、基本波長のパルス光（基本波パルス光）Ｐ３を発生するパルス光源４、及び、パルス光源４が発生した基本波パルス光Ｐ３を、単一光子発生素子１を励起するのに最適な波長の単一光子発生用ポンプパルス光Ｐ２に波長変換するパルス光波長変換部（励起波長変換部）５が備えられている。
ところで、上述のように構成する場合、単一光子波長変換素子３に入射させる単一光子波長変換用ポンプパルス光Ｐ１を発生する単一光子波長変換素子励起用パルス光源６と、単一光子発生素子１を励起するための単一光子発生用ポンプパルス光Ｐ２を発生する単一光子発生素子励起用パルス光源（ここではパルス光源４及びパルス光波長変換部５；これらをポンプ光発生部ともいう）との２つの励起パルス光源を用意する必要がある。

また、上述のように構成される単一光子発生装置を実現するためには、２つのパルス光源を用いるため、単一光子パルスＳ１と単一光子波長変換用ポンプパルス光Ｐ１とを同期（周波数同期）させるための付加的な機構も必要になる。
このような点を考慮して、単一光子発生装置及び単一光子発生方法を実現するためには、以下のように構成するのが好ましい。

つまり、単一光子発生装置は、図２に示すように、単一光子波長変換素子３として、周期分極反転構造を施した非線形光学材料からなる単一光子波長変換素子を備えるものとし、単一光子発生素子１が発生した単一光子パルスＳ１と単一光子波長変換用ポンプパルス光Ｐ１とを合波器２によって合波して単一光子波長変換素子３に入射させ、周期分極反転非線形光学材料からなる単一光子波長変換素子３の内部での差周波生成過程（非線形相互作用）を利用して、単一光子発生素子１が発生した単一光子パルスＳ１の波長を長波長側に変換（周波数下方変換）することで、通信波長帯単一光子パルスＳ２を発生させるように構成するのが好ましい。

ここでは、単一光子波長変換素子３は、単一光子パルスＳ１の波長を、単一光子パルスＳ１の波長と単一光子波長変換用ポンプパルス光Ｐ１の波長との差周波に相当する波長に変換するように構成されている。本実施形態では、単一光子波長変換素子３は、通信波長帯よりも短波長側の波長を持つ単一光子パルスＳ１を通信波長帯単一光子パルスＳ２に波長変換するようになっている。

ここで、単一光子波長変換素子３による変換後の単一光子パルスＳ２の波長λ₃は、単一光子発生素子１が発生した単一光子パルスＳ１の波長をλ₁，単一光子波長変換用ポンプパルス光Ｐ１の波長をλ₂とすると、エネルギー保存則λ₃〜（λ₁ ^-1−λ₂ ^-1）^-1によって決定される。
したがって、単一光子波長変換素子３に入射される単一光子パルスＳ１の波長に合わせ、分極反転の周期や単一光子波長変換用ポンプパルス光Ｐ１の波長を適切に選ぶことにより、通信波長帯の単一光子パルスＳ２を得ることができる。

ここでは、単一光子波長変換素子３は、波長λ_signalの単一光子パルスＳ１と、単一光子波長変換用ポンプパルス光Ｐ１としての波長λ_fundの基本波パルス光（残留基本波パルス光）Ｐ３との差周波生成によって、波長λ_signalの単一光子パルスＳ１を通信波長帯（ここでは１．５５μｍ帯）の単一光子パルスＳ２に波長変換するように設計された周期分極反転非線形光学材料からなる。

特に、ここでは、十分高い波長変換効率が得られるように、単一光子波長変換素子３の周期分極反転非線形光学材料として、周期分極反転を施したニオブ酸リチウム（Periodically-Poled Lithium Niobate：ＬｉＮｂＯ₃；ＰＰＬＮ）を用いている。
なお、ここでは、周期分極反転非線形光学材料としてＰＰＬＮを用いているが、これに限られるものではなく、例えば、チタン酸リン酸カリウム(ＫＴｉＯＰＯ₄)などの非線形係数の大きな光学材料を用いることもできる。また、バルクのニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）やＬＢＯなどの非線形結晶を用いることもできる。

また、パルス光波長変換部５として、周期分極反転非線形光学材料からなる波長変換素子を用いるのが好ましい。なお、パルス光波長変換部５としては、非線形光学材料を用いれば良く、上記のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）だけでなく、チタン酸リン酸カリウム(ＫＴｉＯＰＯ₄)などの非線形係数の大きな光学材料を用いることもできる。例えば、単一光子発生用ポンプパルス光Ｐ２として基本波パルス光Ｐ３の第２高調波を発生する第２高調波発生素子を用いれば良い。なお、必要に応じて第３高調波を発生する第３高調波発生素子などを用いることもできる。

また、パルス光源４としては、周期分極反転非線形光学材料からなる波長変換素子の内部におけるラマン散乱や迷光等のノイズを低減させるために、尖頭値が高く、時間幅の狭い短パルス光（短パルス光基本波）を発生するものを用いるのが好ましい。
本実施形態では、単一光子発生素子１として、波長５９０ｎｍ付近に発光線を持つＣｄＳｅ単一量子ドットを備えるものを用いるため、短パルス光源４が発生する基本波パルス光Ｐ３のパルス幅は、量子ドットの再結合寿命（例えば１ｎｓ程度）よりも充分に短いものとする（例えば１００ｆｓ−１００ｐｓ程度）。

このように、単一光子波長変換素子３及びパルス光波長変換部５のそれぞれに、周期分極反転非線形光学材料からなる波長変換素子（単一光子波長変換素子，パルス光波長変換素子）を用いるのが好ましい。これにより、変換効率を高めることができる。
そして、パルス光波長変換部５にパルス光源４から基本波パルス光Ｐ３を供給し、短波長側に波長変換して、単一光子発生素子１を光励起するための単一光子発生用ポンプパルス光Ｐ２を発生させるとともに、パルス光波長変換部５によって単一光子発生用ポンプパルス光Ｐ２に変換されずに残った基本波の残留成分（残留基本波パルス光）Ｐ３を、単一光子発生素子１をバイパスさせて、単一光子波長変換素子３に供給し、残留基本波パルス光Ｐ３を単一光子波長変換用ポンプパルス光Ｐ１として再利用して、単一光子発生素子１が発生した単一光子パルスＳ１の波長を長波長側に変換（周波数下方変換）するように構成するのが好ましい。

これにより、２つのポンプパルス光を発生させるのに１つのパルス光源（短パルス光源）４だけを用いるため、新たな電気回路等を設けることなく、単一光子パルスＳ１と単一光子波長変換用ポンプパルス光Ｐ１（Ｐ３）との間で、自動的に周波数同期が得られるようになる。また、このような構成を採用することで、装置全体のコンパクト化を実現できる。

このため、後述するように、残留基本波パルス光Ｐ３を光学的に遅延させるなどの簡単なタイミングやパルス幅の調整のみで、単一光子パルスＳ２の発生率を最適化できることになる。
ところで、典型的な量子ドットの発光寿命は１ｎｓ程度であるため、単一光子パルスＳ１の放出される時刻は１ｎｓ程度の不確定性を持ちうる。

このため、本実施形態では、図２に示すように、パルス伸長部７及び光路長調整部８が備えられており、単一光子波長変換用ポンプパルス光Ｐ１としての基本波パルス光Ｐ３と単一光子パルスＳ１との時間的なオーバーラップを最適化して、単一光子波長変換素子３における波長変換効率を最適化するようにしている。
ここで、パルス伸長部７は、単一光子発生素子１が発生する単一光子パルスＳ１の発生時刻の不確定性を補うため、残留基本波パルス光Ｐ３のパルス幅を、単一光子発生素子１を構成する量子ドットの発光再結合寿命と同程度（〜１ｎｓ）まで伸長するものである。このパルス伸長部７は、例えばグレーティングやプリズム等によって構成される。

また、光路長調整部８は、単一光子波長変換用ポンプパルス光Ｐ１としての残留基本波パルス光Ｐ３と単一光子パルスＳ１とのタイミングが合うように、残留基本波パルス光Ｐ３の光路長を調整するためのものである。この光路長調整部８は、パルス伸長部７によって伸長された残留基本波パルス光Ｐ３と単一光子パルスＳ１を時間的にオーバーラップさせるために、残留基本波パルス光Ｐ３を単一光子パルスＳ１に対して時間的に遅延させる時間遅延部として機能する。光路長調整部８は、例えば並進ステージである。

次に、本単一光子発生装置による単一光子発生方法について、図２を参照しながら説明する。
以下、単一光子発生素子１として、波長５９０ｎｍ付近に発光線を持つＣｄＳｅ単一量子ドットを備えるものを用いる場合を例に説明する。
まず、パルス光源（短パルス光源）４から出射される波長λ_fundの基本波パルス光（短パルス光基本波）Ｐ３を、集光レンズ９によって集光してパルス光波長変換素子（励起波長変換部）５に入射させる。

ここで、短パルス光源４が発生する基本波パルス光Ｐ３の時間的パルス幅は、量子ドットの再結合寿命（例えば１ｎｓ程度）よりも充分に短いものとする（例えば１００ｆｓ−１００ｐｓ程度）。
また、短パルス光源４が発生する基本波パルス光Ｐ３の発振波長λ_fundは、（ｉ）パルス光波長変換素子５による変換後の波長λ_SHGが単一光子発生素子１の吸収帯よりも短波長側にあり、（ｉｉ）単一光子発生素子１が発生する単一光子パルスＳ１の波長（単一光子発生素子１の発光波長）λ_signalと、残留基本波パルス光Ｐ３（単一光子波長変換用ポンプパルス光Ｐ１）の波長との差周波が、通信波長帯（ここでは１．５５μｍ帯）に入る、という条件を満たすものであれば良い。

ここでは、短パルス光源４として例えばチタン・サファイアレーザを用い、基本波パルス光Ｐ３の発振波長λ_fundは、このレーザが発振可能な９５０ｎｍ（λ_fund＝９５０ｎｍ）としている。
パルス光波長変換素子５は、波長λ_fundの基本波パルス光Ｐ３を波長変換して、基本波パルス光Ｐ３の２倍波（周波数が２倍の波）である波長λ_SHG（λ_SHG＝λ_fund／２＝４７５ｎｍ）の第２高調波パルス光Ｐ２を出射する。このため、パルス光波長変換素子５を第２高調波発生素子ともいう。また、パルス光波長変換素子５からは、波長変換されずに残った残留基本波パルス光Ｐ３（基本波パルス光の残留成分）も出射される。

そして、第２高調波パルス光Ｐ２及び残留基本波パルス光Ｐ３は、コリメーションレンズ１０によってコリメートされた後、残留基本波パルス光Ｐ３は、誘電体ミラー１１によって選択的に反射されて、パルス伸長部７へ導かれ、第２高調波パルス光Ｐ２は、誘電体ミラー１１を透過し、集光レンズ１２を介して単一光子発生素子１にポンプパルス光（単一光子発生用ポンプパルス光）として入射される。

ポンプパルス光として入射された波長λ_SHGの第２高調波パルス光Ｐ２によって、単一光子発生素子１を構成するＣｄＳｅ量子ドット（室温発光可能な材料）が励起され、波長λ_signal（λ_signal＝５９０ｎｍ）の単一光子パルスＳ１を発生する。
単一光子発生素子１が発生した波長λ_signal（λ_signal＝５９０ｎｍ）の単一光子パルスＳ１は、コリメーションレンズ１３によってコリメートされた後、ＷＤＭカプラ（合波器）２を透過し、集光レンズ１４によって集光されて、単一光子波長変換素子３に入射する。なお、単一光子発生素子１から出射される波長λ_SHGの第２高調波パルス光Ｐ２はＷＤＭカプラ２によって選択的に反射される。

一方、誘電体ミラー１１によって反射され、分波された残留基本波パルス光Ｐ３は、パルス伸長部７（例えばグレーティング）によって時間的パルス幅を、単一光子発生素子１を構成する量子ドットの発光寿命と同程度（〜１ｎｓ）に広げられる。
パルス伸長部７によって伸長された残留基本波パルス光Ｐ３は、光路長調整部（時間遅延部）８によって時間的に遅延されて単一光子パルスＳ１とタイミングが合わされた後、ＷＤＭカプラ２によって選択的に反射されて、単一光子パルスＳ１と同軸上に合波される。

ここでは、ＷＤＭカプラ２は、波長λ_fundの基本波パルス光Ｐ３（単一光子波長変換用ポンプパルス光Ｐ１）及び波長λ_SHGの第２高調波パルス光（単一光子発生用ポンプパルス光）Ｐ２に対しては高反射膜として機能し、波長λ_signalの単一光子パルスＳ１に対しては反射防止膜として機能するように構成されている。例えば、このような機能を有する誘電体ミラーを用いれば良い。

このようにして、パルス伸長部７によって伸長され、光路長調整部８によってタイミングを合わされ、ＷＤＭカプラ２によって単一光子パルスＳ１と同軸上に合波された残留基本波パルス光Ｐ３は、単一光子パルスＳ１とともに集光レンズ１４によって集光されて、単一光子波長変換素子３に入射する。
単一光子波長変換素子３は、波長λ_signalの単一光子パルスＳ１と波長λ_fundの基本波パルス光Ｐ３（単一光子波長変換用ポンプパルス光Ｐ１）との差周波生成によって通信波長帯（ここでは１．５５μｍ帯）の単一光子パルスＳ２に変換するように設計された周期分極反転非線形光学材料（ここではＰＰＬＮ）からなるため、波長λ_fund（λ_fund＝９５０ｎｍ）の基本波パルス光Ｐ３と、波長λ_signal（λ_signal＝５９０ｎｍ）の単一光子パルスＳ１との差周波生成によって、波長λ_out［λ_out＝（５９０^-1−９５０^-1）^-1＝１５５７ｎｍ］の通信波長帯単一光子パルスＳ２に波長変換される。

このようにして波長変換された単一光子パルスＳ２は、コリメーションレンズ１５を介して出射される。また、単一光子波長変換素子３からは、波長変換されずに残った残留基本波パルス光（基本波パルス光の残留成分）Ｐ３も出射される。そして、残留基本波パルス光Ｐ３は光学フィルタ１６で除去され、通信波長帯（１．５５μｍ帯）の単一光子パルスＳ２が取り出される。

したがって、本実施形態にかかる単一光子発生装置及び単一光子発生方法によれば、装置全体の大型化を招くことなく、通信波長帯単一光子パルスＳ２を発生させることができるという利点がある。
また、単一光子発生素子１で変換されなかった基本波パルス光Ｐ３の残留成分を単一光子波長変換素子３で再利用する場合には、パルス光源を１つだけ設ければ良くなるため、装置全体をコンパクト、かつ、低コストに実現できるという利点がある。さらに、パルス光源を１つだけ設ければ良いため、付加的な電気回路を設けることなく、各パルス間の周波数同期がとれ、さらに、パルス伸長部７及び光路長調整部８によって、単一光子パルスＳ１と基本波パルス光Ｐ３（単一光子波長変換用ポンプパルス光Ｐ１）との時間的オーバーラップが最適化されるため、単一光子波長変換素子３での変換効率も最適なものとなるという利点もある。

さらに、室温発光可能な材料であるＣｄＳｅ量子ドットを備える単一光子発生素子１を用いているため、システム全体の室温動作可能（但し、ＰＰＬＮはペルチェ素子等の温度調整機構を有する）であり、液体ヘリウム等の寒剤が必要でないため、装置全体の小型化を図りながら、通信波長帯単一光子パルスＳ２を発生させることができるという利点がある。つまり、通信波長帯で、かつ、室温動作可能な単一光子発生装置を実現することができ、実用的な量子暗号を実現できることになる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。
（付記１）
通信波長帯よりも短波長側の波長を持つ単一光子パルスを発生する単一光子発生素子と、
単一光子波長変換用ポンプパルス光を用いて前記単一光子パルスを通信波長帯単一光子パルスに波長変換する単一光子波長変換素子とを備えることを特徴とする、単一光子発生装置。

（付記２）
前記単一光子波長変換素子が、前記単一光子パルスの波長を、前記単一光子パルスの波長と前記単一光子波長変換用ポンプパルス光の波長との差周波に相当する波長に変換するように構成されていることを特徴とする、付記１記載の単一光子発生装置。
（付記３）
前記単一光子波長変換素子が、周期分極反転非線形光学材料からなることを特徴とする、付記１又は２記載の単一光子発生装置。

（付記４）
前記単一光子発生素子が、室温動作可能な単一光子発生素子であることを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
（付記５）
前記単一光子発生素子が、可視波長領域の単一光子パルスを発生する単一光子発生素子であることを特徴とする、付記１〜４のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。

（付記６）
基本波長のパルス光を発生するパルス光源と、
前記パルス光源が発生した基本波パルス光を波長変換して前記単一光子発生素子を励起する単一光子発生用ポンプパルス光を発生するパルス光波長変換部とを備え、
前記単一光子発生素子が、前記パルス光波長変換部が発生した前記単一光子発生用ポンプパルス光を用いて単一光子パルスを発生するように構成され、
前記パルス光波長変換部によって前記単一光子発生用ポンプパルス光に変換されなかった残留基本波パルス光を前記単一光子波長変換用ポンプパルス光として用いることを特徴とする、付記１〜５のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。

（付記７）
前記パルス光波長変換部が、非線形光学材料からなるパルス光波長変換素子であることを特徴とする、付記６記載の単一光子発生装置。
（付記８）
前記パルス光波長変換部が、前記単一光子発生用ポンプパルス光として前記基本波パルス光の第２高調波を発生する第２高調波発生素子であることを特徴とする、付記６又は７記載の単一光子発生装置。

（付記９）
前記残留基本波パルス光と前記単一光子パルスとのタイミングが合うように、前記残留基本波パルス光の光路長を調整するための光路長調整部を備えることを特徴とする、付記６〜８のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
（付記１０）
前記残留基本波パルス光のパルス幅を、前記単一光子発生素子の発光寿命と同程度になるように伸長するパルス伸長部を備えることを特徴とする、付記６〜９のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。

（付記１１）
通信波長帯よりも短波長側の波長を持つ単一光子パルスを発生させ、
単一光子波長変換用ポンプパルス光を用いて前記単一光子パルスを通信波長帯単一光子パルスに波長変換することを特徴とする、単一光子発生方法。
（付記１２）
前記単一光子パルスを室温動作可能な単一光子発生素子によって発生させることを特徴とする、付記１１記載の単一光子発生方法。

本発明の一実施形態にかかる単一光子発生装置を示す模式図である。 本発明の一実施形態にかかる単一光子発生装置を示す模式図である。

符号の説明

１ 単一光子発生素子
２ 合波器
３ 単一光子波長変換素子
４ パルス光源
５ パルス光波長変換部（励起波長変換部）
６ 単一光子波長変換素子励起用パルス光源
７ パルス伸長部
８ 光路長調整部
９ 集光レンズ
１０，１３，１５ コリメーションレンズ
１１ 誘電体ミラー
１２，１４ 集光レンズ
１６ 光学フィルタ
Ｓ１ 単一光子パルス
Ｓ２ 通信波長帯単一光子パルス
Ｐ１ 単一光子波長変換用ポンプパルス光
Ｐ２ 単一光子発生用ポンプパルス光
Ｐ３ 基本波パルス光

Claims (10)

1. 通信波長帯よりも短波長側の波長を持つ単一光子パルスを発生する単一光子発生素子と、
   単一光子波長変換用ポンプパルス光を用いて前記単一光子パルスを通信波長帯単一光子パルスに波長変換する単一光子波長変換素子とを備えることを特徴とする、単一光子発生装置。
2. 前記単一光子波長変換素子が、前記単一光子パルスの波長を、前記単一光子パルスの波長と前記単一光子波長変換用ポンプパルス光の波長との差周波に相当する波長に変換するように構成されていることを特徴とする、請求項１記載の単一光子発生装置。
3. 前記単一光子波長変換素子が、周期分極反転非線形光学材料からなることを特徴とする、請求項１又は２記載の単一光子発生装置。
4. 前記単一光子発生素子が、室温動作可能な単一光子発生素子であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
5. 前記単一光子発生素子が、可視波長領域の単一光子パルスを発生する単一光子発生素子であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
6. 基本波長のパルス光を発生するパルス光源と、
   前記パルス光源が発生した基本波パルス光を波長変換して前記単一光子発生素子を励起する単一光子発生用ポンプパルス光を発生するパルス光波長変換部とを備え、
   前記単一光子発生素子が、前記パルス光波長変換部が発生した前記単一光子発生用ポンプパルス光を用いて単一光子パルスを発生するように構成され、
   前記パルス光波長変換部によって前記単一光子発生用ポンプパルス光に変換されなかった残留基本波パルス光を前記単一光子波長変換用ポンプパルス光として用いることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
7. 前記パルス光波長変換部が、非線形光学材料からなるパルス光波長変換素子であることを特徴とする、請求項６記載の単一光子発生装置。
8. 前記パルス光波長変換部が、前記単一光子発生用ポンプパルス光として前記基本波パルス光の第２高調波を発生する第２高調波発生素子であることを特徴とする、請求項６又は７記載の単一光子発生装置。
9. 前記残留基本波パルス光と前記単一光子パルスとのタイミングが合うように、前記残留基本波パルス光の光路長を調整するための光路長調整部を備えることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。
10. 前記残留基本波パルス光のパルス幅を、前記単一光子発生素子の発光寿命と同程度になるように伸長するパルス伸長部を備えることを特徴とする、請求項６〜９のいずれか１項に記載の単一光子発生装置。

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