JP4781426B2 - 量子もつれ光子対発生装置、及び、量子もつれ光子対発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、量子もつれ光子対、特に、偏光方向についての量子相関をもつ量子もつれ光子対を発生させる、量子もつれ光子対発生装置、及び、量子もつれ光子対発生方法に関するものである。

近年、電子商取引や電子メール等による情報通信技術の進展が著しく、これに伴い、情報伝送における暗号技術についても研究開発が行われている。該暗号技術として、最近注目を集めているものとして、量子暗号がある。

量子暗号では、量子力学におけるハイゼンベルグの不確定性原理により、物理現象によって安全性が保証される。該不確定性原理では、観測によってその状態は変化するため、通信が盗聴（観測）されると、必ずそれが明らかになり、それに応じて通信を遮断するなどの処置が可能なため、盗聴が物理学的に不可能とされる。また、粒子を複製することも不確定性原理によって不可能である。

量子暗号における重要な要素として量子テレポーテーションがあげられる。量子テレポーテーションは、粒子の量子的な情報だけを別の場所に移す技術である。該量子テレポーテーションは、量子の絡み合い（量子もつれ）を利用して、光子同士が情報をやり取りすることにより実現される。量子もつれの状態にある光子対は、一方の量子状態が決まると、他方の量子状態も決まるという性質があり、この性質は、２光子間の距離に依存しない。

上述した量子テレポーテーションを実現するためには、量子もつれの状態にある光子対を生成することが必要不可欠となる。量子もつれの状態にある光子対は、二次の非線形光学過程の一つであるパラメトリック下方変換を利用して発生させることができる。

パラメトリック下方変換により量子もつれ光子対を発生させる技術として、タイプＩＩの位相整合条件に基づいて、偏光方向が互いに直交する光子からなる量子もつれ光子対を結晶から自発的に発生させる技術が、非特許文献１に開示されている。また、非特許文献２には、９０度回転させて重ねられた２つの非線形光学結晶において、パラメトリック下方変換により、タイプＩの位相整合条件に基づいて、偏光方向が互いに平行な光子からなる量子もつれ光子対を発生させる技術が開示されている。

また、非線形光学結晶によりポンプ光と同軸方向に出射された光子対を利用して量子もつれ光子対を発生させる技術として、マッハ・ツェンダー干渉計を用いた量子もつれ光子対発生装置が知られている（非特許文献３、非特許文献４参照）。これらの量子もつれ光子対発生装置においては、２つの非線形光学結晶から出射される光子対を、干渉計の出力側の偏光ビームスプリッタによって合成することによって、量子もつれ光子対が生成される。
"New high-intensity source of polarization-entangled photon pairs、" P.G. Kwiat、 et al.、 Phys. Rev. Lett. 75、 4337 (1995). "Ultrabright source of polarization-entangled photons、" P. G. Kwiat、 et al.、 Phys. Rev. A 60、 R773 (1999) "Interferometric Bell-state preparation using femtosecond-pulse pumped spontaneous parametric down-conversion、" Yoon-Ho Kim、 et al.、 Phys. Rev. A 63、 062301 (2001) "Generation of ultrabright tunable polarization entanglement without spatial、 spectral、 or temporal constrains、" M. Fiorentino、 et al.、 Phys. Rev. A 69、 041801(R) (2004)

しかしながら、パラメトリック下方変換により非線形光学結晶から量子もつれ光子対を発生させる上記従来の技術においては、導波路構造を用いるなどして、光子対の生成効率を上げることができないという問題があった。この問題に対して、導波路型擬似位相整合素子を用いて高効率に量子もつれ光子対を生成する技術も知られているが、この場合ポンプ光と同軸方向にしか光子対を生成をできないという問題を生じていた。

また、マッハ・ツェンダー干渉計を用いた従来の量子もつれ光子対発生装置においては、一組の量子もつれ光子対しか生成できず、多チャンネルの量子もつれ光子対を発生させることは不可能であるという問題があった。また、マッハ・ツェンダー干渉計を用いて量子もつれ光子対を発生させるためには、同様の結晶を二つ用意しなければならないという問題もあった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、偏光方向について量子相関をもつ多チャンネル（２チャンネル以上の任意チャンネル数）の量子もつれ光子対を、高い生成効率で発生させることが可能な量子もつれ光子対発生装置を実現することである。

本発明に係る量子もつれ光子対発生装置は、上記課題を解決するために、異なるＮ個（Ｎ≧２）の入射光路から入射する光子対であって、偏光方向の異なる光子からなる光子対の重ね合わせ状態を生成する重ね合わせ状態生成手段と、上記Ｎ個の入射光路から入射する光子対を第１の偏光方向をもつ光子と第２の偏光方向をもつ光子とに分離し、ｉ番目の入射光路から入射した第１の偏光方向をもつ光子と、Ｎ−ｉ＋１番目の入射光路から入射した第２の偏光方向をもつ光子とを、同一光路長の光路を介してｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）の出射光路に導く導光手段と、を備えていることを特徴としている。

上記の構成によれば、重ね合わせ状態生成手段の作用により、異なるＮ個（Ｎ≧２）の入射光路から入射する光子対｜Ｈ₁、Ｖ₁〉、｜Ｈ₂、Ｖ₂〉、…、｜Ｈ_N、Ｖ_N〉の重ね合わせ状態｜Ψ_in〉が生成される。ここで、｜Ｈ_i、Ｖ_i〉は、ｉ番目の入射光路から入射する第１の偏光方向（例えば水平偏光）をもつ光子｜Ｈ_i〉と、ｉ番目の入射光路から入射する第２の偏光方向（例えば垂直偏光）をもつ光子｜Ｖ_i〉とからなる光子対の状態ベクトルである。

上記の構成によれば、導光手段の作用により、各光子対｜Ｈ_i、Ｖ_i〉は、第１の偏光方向をもつ光子｜Ｈ_i〉と、第２の偏光方向をもつ光子｜Ｖ_i〉とに分離される。そして、１番目の入射光路から入射した第１の偏光方向をもつ光子｜Ｈ₁〉は１番目の出射光路に導かれ、２番目の入射光路から入射した第１の偏光方向をもつ光子｜Ｈ₂〉は２番目の出射光路に導かれ、・・・、Ｎ番目の入射光路から入射した第１の偏光方向をもつ光子｜Ｈ_N〉はＮ番目の出射光路に導かれる。一方、１番目の入射光路から入射した第２の偏光方向をもつ光子｜Ｖ₁〉はＮ番目の出射光路に導かれ、２番目の入射光路から入射した第２の偏光方向をもつ光子｜Ｖ₂〉はＮ−１番目の出射光路に導かれ、・・・、Ｎ番目の入射光路から入射した第２の偏光方向をもつ光子｜Ｖ_N〉は１番目の出射光路に導かれる。従って、導光手段によって光子の偏光方向が変化しないものとすると、光子対｜Ｈ₁、Ｖ₁〉、｜Ｈ₂、Ｖ₂〉、…、｜Ｈ_N、Ｖ_N〉の重ね合わせ状態｜Ψ_in〉は、光子対｜Ｈ₁´、Ｖ_N´〉、｜Ｈ₂´、Ｖ_N−1´〉、…、｜Ｈ_N´、Ｖ₁´〉の重ね合わせ状態｜Ψ_out〉に変換される。ここで、｜Ｈ_i´、Ｖ_j´〉は、ｉ´番目の出射光路から出射する第１の偏光方向をもつ光子｜Ｈ_i´〉と、ｊ´番目の出射光路から出射する第２の偏光方向をもつ光子｜Ｖ_i´〉とからなる光子対の状態ベクトルを表す。

すなわち、上記の構成によれば、上記量子もつれ光子対発生装置は、偏光方向についての量子相関をもつ、Ｎチャンネルの量子もつれ光子対｜Ψ_out〉を発生させることができるという効果を奏する。

なお、本発明の導光手段は、光子を入射光路から出射光路に導く過程で、第１の偏光方向をもつ光子の偏光方向を第２の偏光方向に変換し、第２の偏光方向をもつ光子の偏光方向を第１の偏光方向に変換するものであっても良い。この場合でも、上記導光手段は、光子対｜Ｈ₁、Ｖ₁〉、｜Ｈ₂、Ｖ₂〉、…、｜Ｈ_N、Ｖ_N〉の重ね合わせ状態｜Ψ_in〉を、光子対｜Ｖ₁´、Ｈ_N´〉、｜Ｖ₂´、Ｈ_N−1´〉、…、｜Ｖ_N´、Ｈ₁´〉の重ね合わせ状態｜Ψ_out〉に変換するので、やはり、偏光方向についての量子相関をもつ、Ｎチャンネルの量子もつれ光子対｜Ψ_out〉を発生させることができる。

なお、上記導光手段は、例えば、マイケルソン干渉計により実現することができる。

本発明に係る量子もつれ光子対発生装置において、上記重ね合わせ状態生成手段は、入射したポンプ光により光子対を生成する非線形光学結晶と、上記非線形光学結晶により生成された光子対を個別の光子に分離することなく通過させ、該光子対の光路を上記Ｎ個の入射光路に分岐させるスリットと、を備えていることが好ましい。

上記の構成によれば、スリットの作用により、異なるＮ個（Ｎ≧２）の入射光路から入射する光子対｜Ｈ₁、Ｖ₁〉、｜Ｈ₂、Ｖ₂〉、…、｜Ｈ_N、Ｖ_N〉の重ね合わせ状態｜Ψ_in〉が実現される。従って、上記構成によれば、Ｎチャンネルの量子もつれ光子対｜Ψ_out〉を発生させることができる量子もつれ光子対発生装置を、容易に、かつ、安価に実現することができるという更なる効果を奏する。

本発明に係る量子もつれ光子対発生装置において、上記重ね合わせ状態生成手段は、入射したポンプ光の光路をＮ個の光路に分岐させるビームスプリッタと、上記ビームスプリッタにより分岐されたポンプ光により光子対を生成して上記入射光路に入射させるＮ個の導波路を有する導波路型擬似位相整合素子と、を備えていることが好ましい。

上記の構成によれば、上記ビームスプリッタにより分岐されたポンプ光により、上記導波路型擬似位相整合素子のＮ個の導波路内で光子対が発生し、発生した光子対は上記Ｎ個の入射光路に入射される。従って、異なるＮ個（Ｎ≧２）の入射光路から入射する光子対｜Ｈ₁、Ｖ₁〉、｜Ｈ₂、Ｖ₂〉、…、｜Ｈ_N、Ｖ_N〉の重ね合わせ状態｜Ψ_in〉が実現される。

しかも、上記構成によれば、導波路型擬似位相整合素子の導波路内に閉じ込めたられたポンプ光により光子対を発生させることができるので、光子対の発生率を上昇させることができるという更なる効果を奏する。しかも、上記構成によれば、Ｎ個の導波路内で光子対が発生し得るので、単に１つの導波路で光子対を発生させる場合に比べ、さらに光子対の発生率を高めることができるという更なる効果を奏する。

本発明に係る量子もつれ光子対発生方法は、上記課題を解決するために、異なるＮ個（Ｎ≧２）の入射光路から入射する光子対であって、偏光方向の異なる光子からなる光子対の重ね合わせ状態を生成する重ね合わせ状態生成工程と、上記Ｎ個の入射光路から入射する光子対を第１の偏光方向をもつ光子と第２の偏光方向をもつ光子とに分離し、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）の出射光路に、ｉ番目の入射光路から入射した第１の偏光方向をもつ光子とＮ−ｉ＋１番目の入射光路から入射した第２の偏光方向をもつ光子とを、同一光路長の光路を介して導く導光工程と、を有していることを特徴としている。

上記の構成によれば、重ね合わせ状態生成工程において、異なるＮ個（Ｎ≧２）の入射光路から入射する光子対｜Ｈ₁、Ｖ₁〉、｜Ｈ₂、Ｖ₂〉、…、｜Ｈ_N、Ｖ_N〉の重ね合わせ状態｜Ψ_in〉が生成される。ここで、｜Ｈ_i、Ｖ_i〉は、ｉ番目の入射光路から入射する第１の偏光方向（例えば水平偏光）をもつ光子｜Ｈ_i〉と、ｉ番目の入射光路から入射する第２の偏光方向（例えば垂直偏光）をもつ光子｜Ｖ_i〉とからなる光子対の状態ベクトルである。

上記の構成によれば、導光工程において、各光子対｜Ｈ_i、Ｖ_i〉は、第１の偏光方向をもつ光子｜Ｈ_i〉と、第２の偏光方向をもつ光子｜Ｖ_i〉に分離される。そして、１番目の入射光路から入射した第１の偏光方向をもつ光子｜Ｈ₁〉は１番目の出射光路に導かれ、２番目の入射光路から入射した第１の偏光方向をもつ光子｜Ｈ₂〉は２番目の出射光路に導かれ、・・・、Ｎ番目の入射光路から入射した第１の偏光方向をもつ光子｜Ｈ_N〉はＮ番目の出射光路に導かれる。一方、１番目の入射光路から入射した第２の偏光方向をもつ光子｜Ｖ₁〉はＮ番目の出射光路に導かれ、２番目の入射光路から入射した第２の偏光方向をもつ光子｜Ｖ₂〉はＮ−１番目の出射光路に導かれ、・・・、Ｎ番目の入射光路から入射した第２の偏光方向をもつ光子｜Ｖ_N〉は１番目の出射光路に導かれる。従って、導光工程において、光子の偏光方向が変化しないものとすると、光子対｜Ｈ₁、Ｖ₁〉、｜Ｈ₂、Ｖ₂〉、…、｜Ｈ_N、Ｖ_N〉の重ね合わせ状態｜Ψ_in〉は、光子対｜Ｈ₁´、Ｖ_N´〉、｜Ｈ₂´、Ｖ_N−1´〉、…、｜Ｈ_N´、Ｖ₁´〉の重ね合わせ状態｜Ψ_out〉に変換される。ここで、｜Ｈ_i´、Ｖ_j´〉は、ｉ´番目の出射光路から出射する第１の偏光方向をもつ光子｜Ｈ_i´〉と、ｊ´番目の出射光路から出射する第２の偏光方向をもつ光子｜Ｖ_i´〉とからなる光子対の状態ベクトルを表す。

すなわち、上記量子もつれ光子発生方法により、偏光方向についての量子相関をもつ、Ｎチャンネルの量子もつれ光子対｜Ψ_out〉を発生させることができるという効果を奏する。

なお、本発明の導光工程においては、第１の偏光方向をもつ光子の偏光方向が第２の偏光方向に変換され、第２の偏光方向をもつ光子の偏光方向が第１の偏光方向に変換されても良い。この場合でも、光子対｜Ｈ₁、Ｖ₁〉、｜Ｈ₂、Ｖ₂〉、…、｜Ｈ_N、Ｖ_N〉の重ね合わせ状態｜Ψ_in〉を、光子対｜Ｖ₁´、Ｈ_N´〉、｜Ｖ₂´、Ｈ_N−1´〉、…、｜Ｖ_N´、Ｈ₁´〉の重ね合わせ状態｜Ψ_out〉に変換されるので、やはり、偏光方向についての量子相関をもつ、Ｎチャンネルの量子もつれ光子対｜Ψ_out〉を発生させることができる。

本発明の他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十分分かるであろう。また、本発明の利点は、添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。

本発明の実施形態を示すものであり、量子もつれ光子対発生装置の概略構成を示す概略構成図である。 本発明の実施形態を示すものであり、４チャンネルの量子もつれ光子対を発生することができる量子もつれ光子対発生装置の概略構成を示す概略構成図である。 本発明の実施形態を示すものであり、導波路型疑似位相整合素子にて光子対を生成する重ね合わせ状態生成手段の概略構成を示した概略構成図である。 本発明の実施形態を示すものであり、４チャンネルの量子もつれ光子対を発生することができる量子もつれ光子対発生装置に適用可能な導波路型疑似位相整合素子の概略構成を示す概略構成図である。 本発明の実施例を示すものであり、本発明の量子もつれ光子対発生装置が、偏光方向についての量子相関を有する量子もつれ光子対を発生することを実験的に検証するために用いた、実験装置の構成図である。 本発明の実施例を示すものであり、本発明の量子もつれ光子対発生装置が、偏光方向についての量子相関を有する量子もつれ光子対を発生することを実証するグラフである。

符号の説明

１００、２００ 量子もつれ光子対発生装置
１１０ 重ね合わせ状態生成手段
１０１ レーザー光源
１０２ 非線形光学結晶
１０３ スリット板
１２０ 導光手段
１０４ 偏光ビームスプリッタ
１０４´ 機能面
１０５、１０７ １／４波長板
１０６ 反射ミラー
１０８ 折り返しミラー
１０９ 分割ミラー
１３０ 重ね合わせ状態生成手段
１３２ ビームスプリッタ
１３３ 導波路型疑似位相整合素子

本発明の量子もつれ光子対発生装置の一実施形態について、図１に基づいて説明する。

図１は、量子もつれ光子対発生装置１００の概略構成を示した概略構成図である。図１に示したように、量子もつれ光子対発生装置１００は、概略的に、（１）異なる２つの入射光路から入射する、偏光方向の異なる光子からなる光子対の重ね合わせ状態を生成する重ね合わせ状態生成手段１１０と、（２）上記２つの入射光路から光子対を水平偏光をもつ光子と垂直偏光をもつ光子とに分離し、１番目の出射光路に、１番目の入射光路から入射した水平偏光をもつ光子と、２番目の入射光路から入射した垂直偏光をもつ光子とを導き、２番目の出射光路に、２番目の入射光路から入射した水平偏光をもつ光子と、１番目の入射光路から入射した垂直偏光をもつ光子とを導く導光手段１２０とを備えている。以下、重ね合わせ状態生成手段１１０と、導光手段１２０とについて、順に説明する。

（重ね合わせ状態生成手段）
量子もつれ光子対発生装置１００の重ね合わせ状態生成手段１１０は、図１に示したように、レーザ光源１０１、非線形光学結晶１０２、および、スリット板１０３を含んでいる。

レーザー光源１０１は、非線形光学結晶１０２に対してレーザー光を出射する。レーザー光源１０１から出射されたレーザー光は、該レーザー光の光軸上に設けられた非線形光学結晶１０２に入射する。非線形光学結晶１０２は、入射したレーザー光をポンプ光とし、パラメトリック下方変換過程によって光子対を生成する。ここで、非線形光学結晶１０２により生成される光子対は、互いに直交した偏光方向を有する２光子からなる光子対である。

量子もつれ光子対発生装置１００における重ね合わせ状態生成手段１１０は、図１に示したように、さらにスリット板１０３を含んでいる。スリット板１０３は、ダブルスリット、すなわち、２つのスリット１０３ａとスリット１０３ｂとを備えたスリット板であり、非線形光学結晶１０２から出射された光子対の光路を、スリット１０３ａを通る入射光路Ｌａと、スリット１０３ｂを通り入射光路Ｌａに平行な入射光路Ｌｂとに分岐する。

ここで、スリット１０３ａおよびスリット１０３ｂは、それぞれ、光子対を２つの光子に分離することなく通過させるスリットである。従って、非線形光学結晶１０２から出射された光子対は、２つの光子対に分離されることなく、スリット１０３ａとスリット１０３ｂとのうち何れか一方を通過する。従って、スリット通過後の光子対の状態｜Ψ_in〉は、２つの光子がともにスリット１０３ａを通過した状態｜Ｈ_a、Ｖ_a〉と、２つの光子がともにスリット１０３ｂを通過した状態｜Ｈ_b、Ｖ_b〉との重ね合わせ状態になる。

ここで、φは状態ベクトル｜Ｈ_b、Ｖ_b〉の状態ベクトル｜Ｈ_a、Ｖ_a〉に対する相対位相である。

スリット１０３通過直後の光子対の状態｜Ψ_in〉は、空間的な量子もつれ状態を形成しているが、偏光に関する量子もつれ状態を形成してはいない。すなわち、光子対を構成する２つの光子は、通過するスリットについての量子相関をもつが、偏光方向についての量子相関はもたない。

（導光手段の構成）
量子もつれ光子対発生装置１００における導光手段１２０は、偏光ビームスプリッタ１０４、１／４波長板１０５・１０７、反射ミラー１０６、折り返しミラー１０８、及び、分割ミラー１０９を含む、マイケルソン干渉計である。導光手段１２０について、以下、図１を参照しながら、詳細に説明する。

スリット１０３ａ・ｂから出射する光子の入射光路Ｌａ・Ｌｂ上には、偏光ビームスプリッタ１０４が配置されている。入射光路Ｌａ（Ｌｂ）が偏光ビームスプリッタに入射する位置にはポートＰ１（Ｐ２）が設けられており、スリット１０３ａ（１０３ｂ）を通過した光子対は、このポートＰ１（Ｐ２）を通って偏光ビームスプリッタ１０４に入射する。

この偏光ビームスプリッタ１０４は、水平偏光もつ光子を透過し、垂直偏光をもつ光子を反射する機能面１０４´を備えている。該機能面１０４´は、その法線が入射光路Ｌａ・Ｌｂと４５度をなすように配置されており、入射光路Ｌａ（Ｌｂ）から入射した垂直偏光をもつ光子を反射して、ポートＰ６（Ｐ５）を介して、入射光路Ｌａと直交する光路Ｌｅ（Ｌｆ）に導く。一方、入射光路Ｌａ（Ｌｂ）から入射した水平偏光をもつ光子は、偏光ビームスプリッタ１０４の機能面１０４´を透過して直進し、ポートＰ３（Ｐ４）を介して、光路Ｌｃ（Ｌｄ）へと導かれる。すなわち、偏光ビームスプリッタ１０４は、対になって入射した水平偏光をもつ光子と垂直偏光をもつ光子とを分離し、水平偏光をもつ光子を光路ＬｃまたはＬｄに導き、垂直偏光をもつ光子を光路ＬｅまたはＬｆに導く。

上記光路Ｌｃ・Ｌｄ上には、１／４波長板１０５と反射ミラー１０６とが配置されている。反射ミラー１０６の反射面は光路Ｌｃ・Ｌｄと直交しており、光路Ｌｃ（Ｌｄ）を経て反射ミラー１０６に入射する光子は、該反射ミラー１０６により反射され、同一の光路Ｌｃ（Ｌｄ）を経て再び偏光ビームスプリッタ１０４に入射する。１／４波長板１０５は、偏光ビームスプリッタ１０４側から入射する水平偏光を円偏光に変換し、反射ミラー１０６側から再入射する円偏光を垂直偏光に変換する作用を持つ。従って、ポートＰ３（Ｐ４）から出射された水平偏光をもつ光子は、往路と復路とで１／４波長板１０５の上記作用を受け、垂直偏光となってポートＰ３（Ｐ４）から偏光ビームスプリッタ１０４に再入射する。そして、ポートＰ３（Ｐ４）から再入射した光子は、垂直偏光であるが故に機能面１０４´に反射され、光路Ｌｃ（Ｌｄ）と直交する出射光路Ｌａ´（Ｌｂ´）に導かれる。

一方、上記光路Ｌｅ・Ｌｆ上には、１／４波長板１０７と折り返しミラー１０８とが配置されている。折り返しミラー１０８は、直交する２つの反射面１０８ａ・ｂにより構成されている。反射面１０８ｂは、光路Ｌｆ上、上述した偏光ビームスプリッタ１０４の機能面１０４´と平行に配置されている。一方、反射面１０８ａは、光路Ｌｅ上、反射面１０８ｂと直交するように配置されている。従って、光路Ｌｅを経て折り返しミラー１０８に入射した光子は、反射面１０８ａに反射され、光路Ｌｇに導かれ、さらに反射面１０８ｂに反射されて光路Ｌｆへと導かれる。逆に、光路Ｌｆを経て折り返しミラー１０８に入射した光子は、反射面１０８ｂに反射され、光路Ｌｇに導かれ、さらに反射面１０８ａに反射されて光路Ｌｅへと導かれる。ただし、光路Ｌｅ・Ｌｆ上には、１／４波長板１０７が配設されている。従って、ポートＰ６（Ｐ５）から出射された垂直偏光をもつ光子は、上記１／４波長板１０５と同様の１／４波長板１０７の作用により、水平偏光となってポートＰ５（Ｐ６）から偏光ビームスプリッタ１０４に再入射する。そして、ポートＰ５（Ｐ６）から再入射した光子は、水平偏光であるが故に機能面１０４´を透過し、上述の出射光路Ｌｂ´（Ｌａ´）に導かれる。

従って、導光手段１２０は、１番目の入射光路Ｌａと２番目の入射光路Ｌｂとから入射する光子対を、水平偏光（第１の偏光方向）をもつ光子と垂直偏光（第２の偏光方向）をもつ光子とに分離する。そして、導光手段１２０は、１番目の出射光路Ｌａ´に、１番目の入射光路Ｌａから入射した水平偏光をもつ光子と、２番目の入射光路Ｌｂら入射した垂直偏光をもつ光子とを導き、２番目の出射光路Ｌｂ´に、２番目入射光路Ｌｂから入射した水平偏光をもつ光子と、１番目の入射光路Ｌａら入射した垂直偏光をもつ光子とを導く。ただし、入射時と出射時とでは、全ての光子の偏光方向が、垂直偏光から水平偏光へと、あるいは、水平偏光から垂直偏光へと逆転される。

出射光路Ｌａ´と出射光路Ｌｂ´との光路上に、さらに分離ミラー１０９を配置することにより、出射光路Ｌａ´と出射光路Ｌｂ´とから出射される光子を任意の方向に反射して導くことができる。図１に示した例では、反射面１０９ａと１０９ｂとを直交するように配置し、出射光路Ｌａ´と出射光路Ｌｂ´とから出射される光子を互いに逆方向に導いている。

（導光手段の作用）
次に、２つの光子がともにスリット１０３ａを通過した状態｜Ｈ_a、Ｖ_a〉と、２つの光子がともにスリット１０３ｂを通過した状態｜Ｈ_b、Ｖ_b〉とに対する、上記導光手段１２０の作用について説明する。以下、ポートＰｉに局在する水平偏光をもつ１光子の状態ベクトルを｜Ｈ_Pi〉、ポートＰｉに局在する垂直偏光をもつ１光子の状態ベクトルを｜Ｖ_Pi〉と記す。

状態｜Ｈ_a、Ｖ_a〉にある光子対、すなわち入射光路Ｌａから入射する光子対は、ポートＰ１から偏光ビームスプリッタ１０４に入射する（｜Ｈ_P1〉｜Ｖ_P1〉）。一方、状態｜Ｈ_b、Ｖ_b〉にある光子対、すなわち入射光路Ｌｂから入射する光子対は、ポートＰ２から偏光ビームスプリッタ１０４に入射する（｜Ｈ_P2〉｜Ｖ_P2〉）。

ポートＰ１から偏向ビームスプリッタ１０４に入射した光子対｜Ｈ_P1〉｜Ｖ_P1〉は、機能面１０４´の作用により、水平偏向をもつ光子と垂直偏向をもつ光子とに分離され、水平偏向をもつ光子はポートＰ３から出力され（｜Ｈ_P3〉）、垂直偏向をもつ光子はポートＰ６から出力される（｜Ｖ_P6〉）。

ポートＰ３から出力された光子｜Ｈ_P3〉は、１／４波長板１０５の作用により、光路Ｌｃを往復する過程で偏向方向を９０度変換され、垂直偏向となってポートＰ３に再入射する（｜Ｖ_P3〉）。そして、機能面１０４´により反射されて、ポートＰ８から、出射光路Ｌｂ´に出力される（｜Ｖ_P8〉）。

結果、入射光路Ｌａから入射する水平偏向をもつ光子｜Ｈ_a〉は、以下の各状態を経て、垂直偏向に変換されて、出射光路Ｌａ´に導かれる。

｜Ｈ_a〉→｜Ｈ_P1〉→｜Ｈ_P3〉→｜Ｖ_P3〉→｜Ｖ_P8〉→｜Ｖ_a´〉
一方、ポートＰ６から出力された光子｜Ｖ_P6〉は、１／４波長板１０７の作用により、光路Ｌｅ、Ｌｇ、Ｌｆを経る過程で偏向方向を９０度変換され、水平偏向となってポートＰ５に入射する（｜Ｈ_P5〉）。そして、機能面１０４´を透過して、ポートＰ７から、出射光路Ｌｂ´に出力される（｜Ｖ_P7〉）。

結果、入射光路Ｌａから入射する垂直偏向をもつ光子｜Ｖ_a〉は、以下の各状態を経て、水平偏向に変換されて、出射光路Ｌｂ´に導かれる。

｜Ｖ_a〉→｜Ｖ_P1〉→｜Ｖ_P6〉→｜Ｈ_P5〉→｜Ｈ_P7〉→｜Ｈ_b´〉
ポートＰ２から偏向ビームスプリッタ１０４に入射した光子対｜Ｈ_P2〉｜Ｖ_P2〉は、機能面１０４´の作用により、水平偏向をもつ光子と垂直偏向をもつ光子とに分離され、水平偏向をもつ光子はポートＰ４から出力され（｜Ｈ_P4〉）、垂直偏向をもつ光子はポートＰ５から出力される（｜Ｖ_P5〉）。

ポートＰ４から出力された光子｜Ｈ_P4〉は、１／４波長板１０５の作用により、光路Ｌｄを往復する過程で偏向方向を９０度変換され、垂直偏向をとなってポートＰ４に再入射する（｜Ｖ_P4〉）。そして、機能面１０４´により反射されて、ポートＰ７から、出射光路Ｌａ´に出力される（｜Ｖ_P7〉）。

結果、入射光路Ｌｂから入射する水平偏向をもつ光子｜Ｈ_b〉は、以下の各状態を経て、垂直偏向に変換されて、出射光路Ｌｂ´に導かれる。

｜Ｈ_b〉→｜Ｈ_P2〉→｜Ｈ_P4〉→｜Ｖ_P4〉→｜Ｖ_P7〉→｜Ｖ_b´〉
一方、ポートＰ５から出力された光子｜Ｖ_P5〉は、１／４波長板１０７の作用により、光路Ｌｆ、Ｌｇ、Ｌｅを経る過程で偏向方向を９０度変換され、水平偏向をもってポートＰ６に入射する（｜Ｈ_P6〉）。そして、機能面１０４´を透過して、ポートＰ８から、出射光路Ｌａ´に出力される（｜Ｖ_P8〉）。

結果、入射光路Ｌｂから入射する垂直偏向をもつ光子｜Ｖ_b〉は、以下の各状態を経て、水平偏向に変換されて、出射光路Ｌａ´に導かれる。

｜Ｖ_b〉→｜Ｖ_P2〉→｜Ｖ_P5〉→｜Ｈ_P6〉→｜Ｈ_P8〉→｜Ｈ_a´〉
導光手段１２０は、上記各光子の光路について、ポートＰ１あるいはポートＰ２に入射してから、ポートＰ７あるいはポートＰ８から出射されるまでの光路長が同一になるよう設計されている。従って、ポートＰ１とポートＰ２とに同時に入射した光子は、ポートＰ７とポートＰ８とから同時に出力される。

このように、導光手段１２０の作用により、入射光路Ｌａから入射した水平偏光をもつ光子｜Ｈ_a〉と入射光路Ｌｂから入射した垂直偏光をもつ光子｜Ｖ_b〉とは、同時に出力光路Ｌａ´に導かれる。また、入射光路Ｌｂから入射した水平偏光をもつ光子｜Ｈ_b〉と入射光路Ｌａから入射した垂直偏光をもつ光子｜Ｖ_a〉とは、同時に出力光路Ｌｂ´に導かれる。従って、２つの光子がともにスリット１０３ａを通過した状態｜Ｈ_a、Ｖ_a〉と、２つの光子がともにスリット１０３ｂを通過した状態｜Ｈ_b、Ｖ_b〉との重ね合わせ状態は、導光手段１２０の作用により、状態｜Ｖ_a´、Ｈ_b´〉と状態｜Ｖ_b´、Ｈ_a´〉との重ね合わせ状態｜Ψ_out〉に変換される。

ここで、φ´は、状態ベクトル｜Ｖ_a´、Ｈ_b´〉に対する状態ベクトル｜Ｖ_b´、Ｈ_a´〉の相対位相である。

変換後の状態｜Ψ_out〉は、偏光の量子もつれ状態である。すなわち、出力光路Ｌａ´に出力される光子の偏光方向と出力光路Ｌｂ´に出力される光子の偏光方向とは量子相関を持ち、何れか一方の出射光路において光子の偏光方向の観測を行えば、他方の出射光路に出力される光子の偏光方向が定まる。図１に示したように、分割ミラー１０９によって２つの光子が互いに逆方向に出射され、２光子間の距離が任意に大きくなった状態でも、この２光子間の量子相関は保たれ続ける。

（変形例１）
上記量子もつれ光子対発生装置１００においては、２つのスリット１０３ａ・ｂを有するスリット板１０３により光子対の光路を２つの光路に分岐する構成を採用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明の量子もつれ光子対発生装置における重ね合わせ状態生成手段は、光子対の光路を、３つ以上のスリットにより分岐するものであっても良い。また、多数のスリットをもつスリット板として、ポンプ光の光軸方向に対して直交する方向に周期構造をもつ一次元回折格子を採用することも可能である。

一例として、スリット板１０３のスリット数を４つに変更した量子もつれ光子対発生装置２００の概略構成を図２に示す。図１の量子もつれ光子対発生装置１００と、図２に示した量子もつれ光子対発生装置２００との相違点は、スリット板１０３のスリット数のみであるので、対応する部材には共通の部材番号を付すことで、その説明は省略する。

図２に示したように、量子もつれ光子対発生装置２００のスリット板１０３は、入射する光子対の光路を、４つの入射光路Ｌａ〜Ｌｄに分岐する。量子もつれ光子対発生装置２００の導光手段１２０は、量子もつれ光子対発生装置１００と同様マイケルソン干渉計として構成されており、４つの入射光路Ｌａ〜Ｌｄから入射する光子対を水平偏光をもつ光子と垂直偏光をもつ光子とに分離し、分離した光子を４つの出射光路Ｌａ´〜Ｌｄ´に導く。

量子もつれ光子対発生装置１００と同様の原理により、量子もつれ光子対発生装置２００の導光手段１２０は、１番目の入射光路Ｌａから入射した水平偏光をもつ光子｜Ｈ_a〉と、４番目の入射光路Ｌｄから入射した垂直偏光をもつ光子｜Ｖ_b〉とを、１番目の出力光路Ｌａ´に導く。また、２番目の入射光路Ｌｂから入射した水平偏光をもつ光子｜Ｈ_b〉と、３番目の入射光路Ｌｃから入射した垂直偏光をもつ光子｜Ｖ_c〉とを、２番目の出力光路Ｌｂ´に導く。また、３番目の入射光路Ｌｃから入射した水平偏光をもつ光子｜Ｈ_c〉と、２番目の入射光路Ｌｂから入射した垂直偏光をもつ光子｜Ｖ_b〉とを、３番目の出力光路Ｌｃ´に導く。また、４番目の入射光路Ｌｄから入射した水平偏光をもつ光子｜Ｈ_d〉と、１番目の入射光路Ｌａから入射した垂直偏光をもつ光子｜Ｖ_a〉とを、４番目の出力光路Ｌｄ´に導く。１／４波長板１０５あるいは１／４波長板１０７の作用により、入射時と出射時とで偏光方向が逆転されるので、量子もつれ光子対発生装置２００の導光手段１２０は、入射時の重ね合わせ状態｜Ψ_in〉を、偏光の量子もつれ状態｜Ψ_out〉に変換する。

すなわち、量子もつれ光子対発生装置２００は、多チャンネルの量子もつれ光子対を発生する。

（変形例２）
上記量子もつれ光子対発生装置１００・２００では重ね合わせ状態生成手段としてスリットあるいは一次元回折格子を採用したが、本発明の重ね合わせ状態生成手段はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明の重ね合わせ状態生成手段として、スリット板１０３の代わりに、ビームスプリッタ１３２と導波路型疑似位相整合素子１３３とを含む、図３に示した重ね合わせ状態生成手段１３１を採用することも可能である。

この重ね合わせ合わせ状態生成手段１３０について、図３を参照しながら説明する。ビームスプリッタ１３２は、入力ポート１３２ａから入射されたポンプ光を分割し、分割されたポンプ光を出力ポート１３２ｂと出力ポート１３２ｃとから出射する。出力ポート１３２ｂ（１３２ｃ）から出射されるポンプ光の光路上には、ミラー１３４ａ（１３４ｂ）が配置されており、該ポンプ光を導波路型疑似位相整合素子１３３に設けられた導波路１３３ａ（１３３ｂ）へと導く。ここで、ビームスプリッタ１３２、導波路型疑似位相整合素子１３３、及び、ミラー１３４ａ・ｂは、出力ポート１３２ｂから導波路入力ａ_inまでの光路長と、出力ポート１３２ｃから導波路入力ｂ_inまでの光路長とが同一になるように配置・調整されている。従って、導波路１３３ａ・１３３ｂからは、導波路１３３ａで生成される光子対｜Ｈ_a、Ｖ_a〉と導波路１３３ｂで生成される光子対｜Ｈ_b、Ｖ_b〉との重ね合わせ状態｜Ψ_in〉が出力される。

上記重ね合わせ状態生成手段１３０を利用した場合、原理的には、導波路中で発生した光子対のすべてを偏光量子もつれ光子対へと変換できる。すなわち、重ね合わせ状態生成手段にスリットを採用した場合と比べ、偏光量子もつれ光子対の発生効率を向上することができる。これは、導波路型疑似位相整合素子１３３にて光子対を生成する場合、スリットを透過できずにマイケルソン干渉計に入力されない光子対が現れることがないためである。また、上記重ね合わせ状態生成手段１３０を採用した場合、ポンプ光を狭い空間（導波路）に閉じ込めたまま伝播させるので、高い効率で光子対を発生させることができる。そのため、導波路中で２光子からなる光子対だけでなく、４光子、６光子といった多光子からなる光子対が生成される確率を高めることができる。

なお、導波路型疑似位相整合素子１３３により光子対を生成する重ね合わせ合わせ状態生成手段１３１においても、導波路型疑似位相整合素子１３３に設けられている導波路を多数化することにより、３以上の入射光路から入射する光子対の重ね合わせ状態を生成することができる。一例として、４つの導波路１３３ａ〜ｄを備えている導波路型疑似位相整合素子１３３を図４に示す。図４に示した導波路型疑似位相整合素子１３３を量子もつれ光子対発生装置２００に適用すれば、高い効率で４チャンネルの量子もつれ光子対を発生することができる量子もつれ光子対発生装置を実現することができる。このように多数の導波路を備えている導波路型疑似位相整合素子を利用した量子もつれ光子対発生装置においては、別々の導波路で同時に光子対が２組、３組と発生する確率も高めることが出来る。

（実施例）
最後に、本発明の量子もつれ光子対発生装置が、偏光方向についての量子相関を有する光子対を発生することを実証する実験結果を示す。

図５は、当該実験に用いた実験装置の構成を示した図である。

図５に示したように、当該実験では、モード同期レーザー（Ｔｉ：サファイア）１１１から発振されたレーザー光を、ＬＢＯ（Lithium Triborate）結晶１１２を介して非線形光学結晶１０２に入射させ、ポンプ光とした。また、非線形光学結晶１０２にて生成され、スリット板１０３の２つのスリットを通過した光子の光路上にコリメートレンズ１１３を設け、該コリメートレンズ１１３を透過した光子を導光手段１２０に入射させるようにした。導光手段１２０としては、図１に示した導光手段１２０と同様に構成されたマイケルソン干渉計を用いた。

また、図５に示したように、当該実験では、分割ミラー１４１ａ・ｂ、偏光子１４２ａ・ｂ、反射ミラー１４３ａ・ｂ、バンドパスフィルター１４４ａ・ｂ、アバランシェフォトダイオード１４５ａ・ｂ、および、同時計数器１４６からなる観測装置１４０を用いた。なお、バンドパスフィルター１４４ａ・ｂとしては、中心波長が８００ｎｍの３ｎｍ‐バンドパスフィルターを用いた。

観測装置１４０において、ポートＰ７から出射された光子は、分割ミラー１４１ａにより、偏光子１４２ａに導かれる。そして、偏光方向θ_A´を有する光子のみが偏光子１４２ａを透過し、バンドパスフィルター１４３を介してアバランシェフォトダイオード１４５ａに入射する。一方、ポートＰ８から出射された光子は、分割ミラー１４１ｂにより、偏光子１４２ｂに導かれる。そして、偏光方向θ_B´を有する光子のみが偏光子１４２ｂを透過し、バンドパスフィルター１４３ｂを介してアバランシェフォトダイオード１４５ｂに入射する。アバランシェフォトダイオード１４５ａおよび１４５ｂが光子を検出すると、電気信号が同時計数器１４６に入力される。同時計数器１４６は、アバランシェフォトダイオード１４５ａおよび１４５ｂにて光子が同時に検出された回数をカウントする。

当該実験では、偏光方向θ_A´を＋４５°に固定した上で、偏光方向θ_B´を変えながら光子計数率を測定した。ここで測定した光子計数率は、アバランシェフォトダイオード１４５ａおよび１４５ｂにて光子が同時に検出された回数を、同時計数器１４６により１０秒間に渡ってカウントしたものである。

図６は、光子計数率の測定結果を示すグラフである。図６に示したように、光子計数率は、θ_B´に対して正弦的な変化を示し、θ_B´＝＋４５°（θ_A´）で極大値をとることが確認された。すなわち、ポートＰ７およびポートＰ８から出射された光子が、偏光方向についての量子相関を有することが確認された。なお、図６に示した干渉縞のコントラスト（可視性）は、〔数２〕により与えられる三重項状態に従って、８５％となった。

さらに、以上のようにして得られた、偏光方向についての量子相関を有する光子対を用いて、Ｂｅｌｌの不等式（ＣＨＳＨ不等式）を検証した。結果、ＢｅｌｌパラメータＳとして、古典極限Ｓ＝２を超える値、Ｓ＝２.２８±０.０７が得られた。すなわち、Ｂｅｌｌの不等式の破れが確認された。

上記の実験により、干渉縞のコントラストとして８５％という値が得られたこと、および、ＢｅｌｌパラメータＳとして、古典極限Ｓ＝２を超える値Ｓ＝２.２８±０.０７が得られたことから、本発明の量子もつれ光子対発生装置から生成された光子対が、純度の高い量子もつれ状態を形成していることが実証された。これにより、本発明の量子もつれ光子対発生装置および方法を、量子暗号や量子テレポーテーション技術をはじめとした、量子もつれ光子を用いて実現される量子通信のための装置、および方法に十分に適用可能であることが確認された。

（付記事項）
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。

本発明に係る量子もつれ光子対発生装置は、以上のように、異なるＮ個（Ｎ≧２）の入射光路から入射する、偏光方向の異なる光子からなる光子対の重ね合わせ状態を生成する重ね合わせ状態生成手段と、上記Ｎ個の入射光路から入射する光子対を第１の偏光方向をもつ光子と第２の偏光方向をもつ光子とに分離し、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）の出射光路に、ｉ番目の入射光路から入射した第１の偏光方向をもつ光子と、Ｎ−ｉ＋１番目の入射光路から入射した第２の偏光方向をもつ光子とを、同一光路長の光路を介して導く導光手段と、を備えているので、偏光方向についての量子相関をもつ、Ｎチャンネルの量子もつれ光子対｜Ψ_out〉を発生させることができる。

また、本発明に係る量子もつれ光子対発生方法は、以上のように、異なるＮ個（Ｎ≧２）の入射光路から入射する、偏光方向の異なる光子からなる光子対の重ね合わせ状態を生成する重ね合わせ状態生成工程と、上記Ｎ個の入射光路から入射する光子対を第１の偏光方向をもつ光子と第２の偏光方向をもつ光子とに分離し、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）の出射光路に、ｉ番目の入射光路から入射した第１の偏光方向をもつ光子と、Ｎ−ｉ＋１番目の入射光路から入射した第２の偏光方向をもつ光子とを、同一光路長の光路を介して導く導光工程と、を有しているので、偏光方向についての量子相関をもつ、Ｎチャンネルの量子もつれ光子対｜Ψ_out〉を発生させることができる。

発明の詳細な説明の項においてなされた具体的な実施形態または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する請求の範囲内で、いろいろと変更して実施することができるものである。

本発明の量子もつれ光子対発生装置は、量子もつれ光子を用いて実現される量子通信のための装置、あるいは、方法に適用することが可能である。

Claims (6)

1. 重ね合わせ状態生成手段と導光手段とを備えた量子もつれ光子対発生装置であって、
   上記重ね合わせ状態生成手段は、互いに平行な異なるＮ個（Ｎ≧２）の入射光路を介して同一方向より上記導光手段に入射する光子対であって、偏光方向の異なる光子からなる光子対の重ね合わせ状態を生成し、
   上記導光手段は、上記Ｎ個の入射光路を介して同一方向より入射する光子対を第１の偏光方向をもつ光子と第２の偏光方向をもつ光子とに分離し、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）の入射光路から入射した第１の偏光方向をもつ光子と、Ｎ−ｉ＋１番目の入射光路から入射した第２の偏光方向をもつ光子とを、同一光路長の光路を介してｉ番目の出射光路に導く、
   ことを特徴とする量子もつれ光子対発生装置。
2. 上記重ね合わせ状態生成手段は、
   入射したポンプ光により光子対を生成する非線形光学結晶と、
   上記非線形光学結晶により生成された光子対を個別の光子に分離することなく通過させ、該光子対の光路を上記Ｎ個の入射光路に分岐させるスリットと、
   を備えていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の量子もつれ光子対発生装置。
3. 上記重ね合わせ状態生成手段は、
   入射したポンプ光の光路をＮ個の光路に分岐させるビームスプリッタと、
   上記ビームスプリッタにより分岐されたポンプ光により光子対を生成して上記入射光路に入射させるＮ個の導波路を有する導波路型擬似位相整合素子と、
   を備えていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の量子もつれ光子対発生装置。
4. 上記導光手段は、マイケルソン干渉計である、
   ことを特徴とする請求の範囲第１項から第３項までの何れか１項に記載の量子もつれ光子対発生装置。
5. 上記Ｎは３以上である、
   ことを特徴とする請求の範囲第１項から第４項までの何れか１項に記載の量子もつれ光子対発生装置。
6. 互いに平行な異なるＮ個（Ｎ≧２）の入射光路を介して同一方向より導光手段に入射する光子対であって、偏光方向の異なる光子からなる光子対の重ね合わせ状態を生成する重ね合わせ状態生成工程と、
   上記導光手段を用いて、上記Ｎ個の入射光路を介して同一方向より入射する光子対を第１の偏光方向をもつ光子と第２の偏光方向をもつ光子とに分離し、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）の出射光路に、ｉ番目の入射光路から入射した第１の偏光方向をもつ光子と、Ｎ−ｉ＋１番目の入射光路から入射した第２の偏光方向をもつ光子とを、同一光路長の光路を介して導く導光工程と、
   を有していることを特徴とする量子もつれ光子対発生方法。

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