JP5079657B2 - Quantum interference device and quantum communication system - Google Patents
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Description
本発明は、光周波数の異なる２光子を、２光子の基底状態であるベル状態に対して射影測定するための量子干渉装置に関する。また、このような量子干渉装置を用いて量子状態の転送を行うためのシステム、および量子もつれ状態を遠隔の２者で共有するためのシステムに関する。 The present invention relates to a quantum interference device for projective measurement of two photons having different optical frequencies with respect to a bell state which is a ground state of two photons. The present invention also relates to a system for transferring a quantum state using such a quantum interference device and a system for sharing a entangled state between two remote parties.
光子の量子状態を遠方に転送する技術として、量子テレポーテーションという手法が知られている（非特許文献１）。図１に、量子テレポーテーションを説明するための系を示す。この系において、ユーザＡのノード１００にある単一光子光源１０２からの光子１の偏波に関する量子状態α｜１，０＞１＋β｜０，１＞１をユーザＢのノード２００に転送したいとする。ここで、｜ａ，ｂ＞１は水平偏波モードに光子がａ個、垂直偏波モードに光子がｂ個存在する状態を表す量子状態ベクトルであり、α，βは｜α｜２＋｜β｜２＝１を満たす複素数である。添え字１は光子１であることを示している。図に示すように、中継ノード１０，２０を配置して量子状態をユーザＢに転送する。 A technique called quantum teleportation is known as a technique for transferring the quantum state of a photon to a distance (Non-Patent Document 1). FIG. 1 shows a system for explaining quantum teleportation. In this system, the quantum state related to polarization of photons 1 from a single-photon source 102 in the node 100 of the user A α | 1,0> 1 + β | 0,1> 1 a and want to transfer to the node 200 of the user B To do. Here, | a, b> 1 is a quantum state vector representing a state in which a photon is present in the horizontal polarization mode and b photons are present in the vertical polarization mode, and α, β are | α | 2 + | It is a complex number satisfying β | 2 = 1. Subscript 1 indicates photon 1. As shown in the figure, the relay nodes 10 and 20 are arranged to transfer the quantum state to the user B.
中継ノード２０には偏波に関する量子もつれ光子対を発生する量子もつれ光源２２を配置する。この光源２２により、例えば２光子の量子状態が次式で表される光子２，３を発生する。 The relay node 20 is provided with a quantum entangled light source 22 that generates a pair of quantum entangled photons relating to polarization. The light source 22 generates photons 2 and 3 in which, for example, the quantum state of two photons is expressed by the following equation.
これは、偏波に関する量子もつれ状態の一つである。この光子２を中継ノード１０に、光子３をユーザＢにそれぞれ送付する。一方、ユーザＡが用意した光子１もまた中継ノード１０に送付する。 This is one of the entangled states related to polarization. The photon 2 is sent to the relay node 10 and the photon 3 is sent to the user B. On the other hand, the photon 1 prepared by the user A is also sent to the relay node 10.
光子１，２，３をまとめた全系の量子状態は次式で表される。 The quantum state of the entire system combining photons 1, 2, and 3 is expressed by the following equation.
ここで、式（２）は次のように変形することができる。 Here, equation (2) can be modified as follows.
ここで、｜Φ＋＞１２，｜Φ−＞１２，｜Ψ＋＞１２，｜Ψ−＞１２は光子１、２の偏波状態に対する固有状態（ベル状態）であり、次式で表される。 Here, | Φ + > 12 , | Φ − > 12 , | Ψ + > 12 , and | Ψ − > 12 are eigenstates (bell states) with respect to the polarization states of photons 1 and 2, and are expressed by the following equations. The
式（３）は、光子１，２が４つのベル状態のいずれかに射影測定されれば、光子３の状態が光子１の初期状態をユニタリ変換したものに定まることを示唆している。そこで、光子１、２を中継ノード１０においてベル状態測定器（ＢＳＭ）１２でベル状態への射影測定を行い、その結果をユーザＢに通常の通信回線３０を通じて送付する。ユーザＢにおいては、ユニタリ変換器（ＵＴ）２０２でベル状態測定の結果に応じて、光子３の状態を適切にユニタリ変換する。これにより、光子１の初期状態を光子３の転送することができる。 Equation (3) suggests that if the photons 1 and 2 are projected and measured in one of the four bell states, the state of the photon 3 is determined to be a unitary transform of the initial state of the photon 1. Therefore, the projection measurement of the photons 1 and 2 to the bell state is performed by the bell state measuring device (BSM) 12 in the relay node 10, and the result is sent to the user B through the normal communication line 30. In the user B, the unitary converter (UT) 202 appropriately unitarily converts the state of the photon 3 according to the result of the bell state measurement. Thereby, the initial state of the photon 1 can be transferred by the photon 3.
ベル状態測定の手法として最もよく用いられるのは、図２に示すように２入力２出力のビームスプリッタ（ＢＳ）１２０と光子検出器１２２，１２４を用いる手法である。この手法は、非特許文献２において報告された、Hong-On-Mandel（ＨＯＭ）効果に基づく。ＨＯＭ効果とは、識別不可能な光子がＢＳの２入力ポートに一個ずつ入力されると、２光子はＢＳの同じ出力ポートから出力されるというものである。ここで２光子が識別不可能であるとは、光子の偏波モード、時間モード、周波数モードなど、すべての物理パラメータが２光子で同一になっている状況を表す。 The most commonly used bell state measurement technique is a technique using a two-input two-output beam splitter (BS) 120 and photon detectors 122 and 124 as shown in FIG. This method is based on the Hong-On-Mandel (HOM) effect reported in Non-Patent Document 2. The HOM effect is that when indistinguishable photons are input to the two input ports of the BS one by one, the two photons are output from the same output port of the BS. Here, the fact that two photons are indistinguishable represents a situation in which all physical parameters such as the photon polarization mode, time mode, and frequency mode are the same for the two photons.
ＢＳに入力される２光子は、偏波状態以外の物理パラメータは識別不可能となっているとする。ＢＳ１２０の２入力ポートに相当するモードをｍ，ｎ、２出力ポートをｘ，ｙとラベル付けすると、ＢＳに光子を入力することにより次のようなユニタリ変換を行うことができる。 It is assumed that physical parameters other than the polarization state cannot be identified for the two photons input to the BS. When the modes corresponding to the two input ports of the BS 120 are labeled m and n and the two output ports are labeled x and y, the following unitary conversion can be performed by inputting photons to the BS.
ここでｋｈ，ｋｖはそれぞれＨ偏波モードおよびＶ偏波モードに存在する光子数である。 Here, k h and k v are the numbers of photons existing in the H polarization mode and the V polarization mode, respectively.
ＢＳの２入力ポートより、量子状態が｜Φ±＞１２で表される２光子が、光子１が上記入力ポートｍから、光子２が入力ポートｎから入力されたとする。このとき、式（６），（７）で表されるユニタリ変換により、ＢＳ出力における２光子の量子状態は次のように変換される。 It is assumed that two photons whose quantum state is represented by | Φ ± > 12 are input from the input port m and the photon 2 is input from the input port n from the two input ports of the BS. At this time, the quantum state of the two photons in the BS output is converted as follows by the unitary conversion expressed by the equations (6) and (7).
このように、ＢＳの出力ポートにおいては、２光子は常に同一のポートかつ同一の偏波モードに観測される。これは、状態｜Ψ±＞１２が入力しているとき、ＢＳに入力されている２光子は同一の偏波状態を持つため、すべての物理パラメータに関して識別不可能の状態になり、前述のＨＯＭ効果による同一の出力ポートから２光子が出力されると考えることができる。 Thus, at the output port of the BS, two photons are always observed in the same port and the same polarization mode. This is because when the state | Ψ ± > 12 is input, the two photons input to the BS have the same polarization state, and therefore cannot be identified for all physical parameters. It can be considered that two photons are output from the same output port due to the effect.
次に、量子状態が｜Ψ＋＞１２で表される２光子が上記と同様に入力された場合は、ＢＳ出力における量子状態は以下のようになる。 Next, when two-photons whose quantum state is represented by | ψ + > 12 are input in the same manner as described above, the quantum state at the BS output is as follows.
最後に、量子状態が｜Ψ−＞１２で表される２光子が入力された場合は、ＢＳ出力における量子状態は以下のようになる。 Finally, when a two-photon whose quantum state is represented by | ψ − > 12 is input, the quantum state at the BS output is as follows.
式（８），（９），（１０）から、ＢＳの２出力ポートから光子が一個ずつ出力されるのは、入力された２光子の量子状態が｜Ψ−＞１２であるときのみであることがわかる。よって、ＢＳの出力に配置された２つの光子検出器１２２，１２４が同時に光子を検出したとき、入力された２光子の量子状態は｜Ψ−＞１２に射影されたことになる。 From equations (8), (9), and (10), photons are output one by one from the two output ports of the BS only when the quantum state of the input two-photons is | ψ − > 12. I understand that. Therefore, when the two photon detectors 122 and 124 arranged at the output of the BS simultaneously detect a photon, the quantum state of the input two-photon is projected to | Ψ − > 12 .
また、式（９）の状態は、同一ポートから異なる偏波モードの光子が出力される状況に相当する。よって、図３に示すように、ＢＳ出力ポートにさらに偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１２６，１２８を配置し、その出力ポートにそれぞれ光子検出器１２２−１，１２２−２，１２４−１，１２４−２を配置する。出力ポートｘにおけるＨ偏波モードの光子検出器１２２−１とＶ偏波モードの光子検出器１２２−２、または出力ポートｙにおけるＨ偏波モードの光検出器１２４−１とＶ偏波モードの光子検出器１２４−２の同時計数を観測すれば、入力された２光子は｜Ψ＋＞１２に射影される。また、ＰＢＳの出力にかかわらず、出力ポートｘ側の光子検出器１２２−１，１２２−２と出力ポートｙ側の光子検出器１２４−１，１２４−２の同時計数を観測すれば、入力２光子は｜Ψ−＞１２に射影されたことになる。 Further, the state of Equation (9) corresponds to a situation where photons of different polarization modes are output from the same port. Therefore, as shown in FIG. 3, polarization beam splitters (PBS) 126, 128 are further arranged at the BS output port, and photon detectors 122-1, 122-2, 124-1, 124- are respectively provided at the output ports. 2 is placed. H-polarization mode photon detector 122-1 and V-polarization mode photon detector 122-2 at output port x, or H-polarization mode photodetector 124-1 and V-polarization mode at output port y. If the coincidence count of the photon detector 124-2 is observed, the input two photons are projected to | ψ + > 12 . Regardless of the output of the PBS, if the coincidence count of the photon detectors 122-1 and 122-2 on the output port x side and the photon detectors 124-1 and 124-2 on the output port y side is observed, the input 2 The photon is projected to | Ψ − > 12 .
一方、式（８）の状態は、現在の技術では｜Φ＋＞１２と｜Φ−＞１２のいずれかであることを区別することは困難である。 On the other hand, it is difficult to distinguish whether the state of Expression (8) is either | Φ + > 12 or | Φ − > 12 with the current technology.
以上より、図２に示す系より、４つのレベル基底状態から｜Ψ−＞１２を選択して射影するベル状態測定が、図３に示す系により｜Ψ＋＞１２と｜Ψ−＞１２を区別して射影することのできるベル状態測定がそれぞれ実現可能である。非特許文献１においては、前者のベル状態測定を用いて量子テレポーテーション実験に成功している。 From the above, the bell state measurement in which | Ψ − > 12 is selected and projected from the four level ground states from the system shown in FIG. 2 can be changed to | Ψ + > 12 and | Ψ − > 12 by the system shown in FIG. Each of the bell state measurements that can be projected separately can be realized. In Non-Patent Document 1, quantum teleportation experiments have been successfully performed using the former bell state measurement.
上に述べた量子もつれ光子対は、主に２次または３次の非線形光学効果を用いて発生されている。最近では、例えば非特許文献３などで、光ファイバでの伝送に適した１．５μｍ帯の量子もつれ光子対の発生が盛んに行われている。１．５μｍ帯の量子もつれ光子対を用いると、数１０ｋｍを超える距離にわたり量子もつれ状態を分配することが可能である（非特許文献４）。このようにして長距離伝送した量子もつれ光子対を用いて、光ファイバ網上で長距離の量子テレポーテーションを行うことが可能である。 The above-described entangled photon pair is generated mainly using a second-order or third-order nonlinear optical effect. Recently, for example, Non-Patent Document 3 and the like are actively generating entangled photon pairs in a 1.5 μm band suitable for transmission on an optical fiber. When a entangled photon pair in the 1.5 μm band is used, it is possible to distribute the entangled state over a distance exceeding several tens of kilometers (Non-Patent Document 4). It is possible to perform long-distance quantum teleportation on the optical fiber network using the entangled photon pair transmitted in a long distance in this way.
また、転送するための単一光子状態を発生する技術として、単一の量子系からの発光を用いる手法がある。量子系としては、半導体量子ドットや原子などを用いる。例えば、非特許文献５に報告されている半導体量子ドットを用いた手法においては、既に同一のドットから出力された２光子を用いて前述のＨＯＭ効果を観測している。これはすなわち、同一のドットから出力される光子は、その光周波数および時間波形が同一であり、識別不可能になっていることを表している。この単一光子光源は、量子テレポーテーションを含む、量子情報処理のための単一光子を供給するものとして期待されている。 As a technique for generating a single photon state for transfer, there is a technique using light emission from a single quantum system. As the quantum system, semiconductor quantum dots or atoms are used. For example, in the technique using semiconductor quantum dots reported in Non-Patent Document 5, the above-described HOM effect is observed using two photons already output from the same dot. This means that the photons output from the same dot have the same optical frequency and time waveform and cannot be identified. This single photon light source is expected to provide single photons for quantum information processing, including quantum teleportation.
量子テレポーテーションは、量子状態を観測することなく遠方に転送できることから、例えば量子暗号の中継器として応用することが可能である。 Quantum teleportation can be applied as a repeater of quantum cryptography, for example, because it can be transferred far away without observing the quantum state.
先に述べたように、１．５μｍ帯の量子もつれ光子対を用いることにより、長距離の光ファイバ上で量子もつれを分配することが可能となっている。また、単一の量子系を用いて単一光子状態を生成することが可能となっている。しかし、現在の技術では、このような単一光子状態の発生はほとんどの場合５００ｎｍから８００ｎｍ近辺の波長帯において行われている。このため、従来の技術を用いて発生した単一光子は、光周波数の違いによる識別可能性のため、長距離ファイバ伝送に適した１．５μｍ量子もつれ光子対を用いて量子テレポーテーションすることができなかった。よって、従来技術を用いて発生した単一光子源のほとんどは、長距離の光ファイバ網上を量子テレポーテーションすることは困難であった。 As described above, by using a entangled photon pair in the 1.5 μm band, it is possible to distribute the entangled light on a long-distance optical fiber. It is also possible to generate a single photon state using a single quantum system. However, in the current technology, such a single photon state is almost always generated in a wavelength band around 500 nm to 800 nm. For this reason, single photons generated using conventional techniques can be identified by the difference in optical frequency, so that they can be quantum teleported using a 1.5 μm entangled photon pair suitable for long-distance fiber transmission. could not. Therefore, most of the single photon sources generated using the prior art have been difficult to quantum teleport on a long-distance optical fiber network.
また、第２の課題として以下が挙げられる。現在、非特許文献６の例に見られるように、複数の光周波数の量子もつれ光子対を一括発生する技術が開発されている。しかし、前述のように、ベル状態測定における２光子は識別不可能であることが要請されるため、転送したい光子の光周波数が定まっている場合、量子もつれ光子対源から複数の光周波数の量子もつれ光子対が発生している場合にも、テレポーテーションに使用できる光子対は一組に限られていた。これにより、複数の光周波数の量子もつれ光子対を一括発生する光源の量子テレポーテーションへの応用が制限されていた。 Moreover, the following is mentioned as a 2nd subject. Currently, as seen in the example of Non-Patent Document 6, a technique has been developed that collectively generates quantum entangled photon pairs of a plurality of optical frequencies. However, as described above, since it is required that the two photons in the bell state measurement are indistinguishable, when the optical frequency of the photon to be transferred is determined, the quantum entangled photon pair source can generate a plurality of optical frequencies. Even when entangled photon pairs are generated, only one set of photon pairs can be used for teleportation. As a result, the application to a quantum teleportation of a light source that collectively generates entangled photon pairs of a plurality of optical frequencies has been limited.
本発明は、このような課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、光周波数の異なる２光子のベル状態測定を行うための量子干渉装置であって、前記２光子の一方の光周波数を他方の光周波数に変換する光周波数変換手段と、前記光周波数変換手段により光周波数が一致した２光子のベル状態測定を行うベル状態測定手段とを備え、前記光周波数変換手段は、２次の非線形光学媒質を備え、光周波数ｆ ｓ の光子および光周波数ｆ ｐ のポンプ光を入力して、ｆ ｃ ＝ｆ ｓ ＋ｆ ｐ を満たす光周波数ｆ ｃ の光子を出力すること特徴とする。
請求項２に記載の発明は、光周波数の異なる２光子のベル状態測定を行うための量子干渉装置であって、前記２光子の一方の光周波数を他方の光周波数に変換する光周波数変換手段と、前記光周波数変換手段により光周波数が一致した２光子のベル状態測定を行うベル状態測定手段とを備え、前記光周波数変換手段は、３次の非線形光学媒質を備え、光周波数ｆ ｓ の光子、光周波数ｆ ｐ１ の第１のポンプ光および光周波数ｆ ｐ２ の第２のポンプ光を入力して、ｆ ｓ ＋ｆ ｐ１ ＝ｆ ｃ ＋ｆ ｐ２ を満たす光周波数ｆ ｃ の光子を出力すること特徴とする。
In order to solve such a problem, the present invention provides a quantum interference device for measuring a bell state of two photons having different optical frequencies, wherein one of the two photons is measured. An optical frequency converting means for converting an optical frequency to the other optical frequency, and a bell state measuring means for measuring a bell state of two photons whose optical frequencies are matched by the optical frequency converting means, the optical frequency converting means, comprising a second-order nonlinear optical medium, to input pump light photons and the optical frequency f p of the optical frequency f s, and this and features outputting photons of light frequency f c satisfying f c = f s + f p .
The invention according to claim 2 is a quantum interference device for measuring the bell state of two photons having different optical frequencies, and optical frequency conversion means for converting one optical frequency of the two photons into the other optical frequency. And a bell state measuring means for measuring a bell state of two photons having the same optical frequency by the optical frequency converting means. The optical frequency converting means includes a third-order nonlinear optical medium, and has an optical frequency f s . photons, characterized in that by entering a second pump light of the first pump light and the optical frequency f p2 of the optical frequency f p1, and outputs the photons of the optical frequency f c satisfying f s + f p1 = f c + f p2 And
また、請求項３に記載の発明は、光周波数の異なる２光子のベル状態測定を行うための量子干渉装置であって、前記２光子の一方の光周波数をある特定の光周波数に変換する第１の光周波数変換手段と、前記２光子の他方の光周波数を前記特定の光周波数に変換する第２の光周波数変換手段と、前記第１および第２の光周波数変換手段により光周波数が一致した２光子のベル状態測定を行うベル状態測定手段とを備え、前記第１および第２の光周波数変換手段は、２次の非線形光学媒質を備え、光周波数ｆ ｓ の光子および光周波数ｆ ｐ のポンプ光を入力して、ｆ ｃ ＝ｆ ｓ ＋ｆ ｐ を満たす光周波数ｆ ｃ の光子を出力すること特徴とする。
請求項４に記載の発明は、光周波数の異なる２光子のベル状態測定を行うための量子干渉装置であって、前記２光子の一方の光周波数をある特定の光周波数に変換する第１の光周波数変換手段と、前記２光子の他方の光周波数を前記特定の光周波数に変換する第２の光周波数変換手段と、前記第１および第２の光周波数変換手段により光周波数が一致した２光子のベル状態測定を行うベル状態測定手段とを備え、前記第１および第２の光周波数変換手段は、３次の非線形光学媒質を備え、光周波数ｆ ｓ の光子、光周波数ｆ ｐ１ の第１のポンプ光および光周波数ｆ ｐ２ の第２のポンプ光を入力して、ｆ ｓ ＋ｆ ｐ１ ＝ｆ ｃ ＋ｆ ｐ２ を満たす光周波数ｆ ｃ の光子を出力すること特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a quantum interference device for measuring a bell state of two photons having different optical frequencies, wherein the optical frequency of one of the two photons is converted into a specific optical frequency. The optical frequency is matched by the first optical frequency converting means, the second optical frequency converting means for converting the other optical frequency of the two photons into the specific optical frequency, and the first and second optical frequency converting means. Bell state measuring means for measuring the bell state of the two photons , wherein the first and second optical frequency converting means comprise a second-order nonlinear optical medium, and a photon having an optical frequency f s and an optical frequency f p enter the pump light, and this and features outputting photons of light frequency f c satisfying f c = f s + f p .
The invention according to claim 4 is a quantum interference device for measuring the bell state of two photons having different optical frequencies, wherein the first optical frequency of one of the two photons is converted into a specific optical frequency. The optical frequency is matched by the optical frequency conversion means, the second optical frequency conversion means for converting the other optical frequency of the two photons into the specific optical frequency, and the first and second optical frequency conversion means. Bell state measuring means for measuring the bell state of a photon, wherein the first and second optical frequency converting means comprise a third-order nonlinear optical medium, a photon having an optical frequency f s , and a first optical frequency f p1 . One pump light and a second pump light having an optical frequency f p2 are input, and photons having an optical frequency f c satisfying f s + f p1 = f c + f p2 are output.
また、請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の量子干渉装置であって、前記ベル状態測定手段は、ベル状態測定を行う２光子を入力して干渉させる２入力２出力のビームスプリッタと、前記ビームスプリッタの各々の出力に接続された光子検出手段と
を備えたことを特徴とする。
The invention according to claim 5 is the quantum interference device according to any one of claims 1 to 4 , wherein the bell state measurement means inputs two photons for performing bell state measurement and causes interference. And a photon detection means connected to each output of the beam splitter.
また、請求項６に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の量子干渉装置であって、前記ベル状態測定手段は、ベル状態測定を行う２光子を入力して干渉させる２入力２出力のビームスプリッタと、前記ビームスプリッタの各出力に接続された偏波ビームスプリッタと、前記偏波ビームスプリッタの各出力に接続された光子検出手段とを備えたことを特徴とする。 The invention according to claim 6 is the quantum interference device according to any one of claims 1 to 4 , wherein the bell state measurement means inputs two photons for performing bell state measurement and causes interference. It comprises an input 2-output beam splitter, a polarization beam splitter connected to each output of the beam splitter, and a photon detection means connected to each output of the polarization beam splitter.
また、請求項７に記載の発明は、第１のノードから第２のノードへ中継ノードを介して光子の量子状態を転送するための量子通信システムであって、単一光子を発生する第１のノードと、請求項１から６のいずれかに記載の量子干渉装置を備えた第１のタイプの中継ノードであって、２光子を受信して、ベル状態測定を行う１つまたは複数の第１のタイプの中継ノードと、量子もつれ状態にある光子対を発生する１つまたは複数の第２のタイプの中継ノードと単一光子を受信し、ユニタリ変換して光子の状態を測定する第２のノードとを備え、前記第１のノードは、前記第１のタイプの中継ノードの最初の中継ノードに前記単一光子を送信するように構成され、前記第１のタイプの中継ノードは、前記第１のノードおよび前記第２のタイプの中継ノードのうち２つのノードからそれぞれ単一の光子を受信し、該受信した２光子のベル状態測定を行うように構成され、前記第２のノードは、前記第２のタイプの中継ノードの最終の中継ノードから前記光子対の一方を受信し、各第１のタイプの中継ノードからベル状態測定の結果を受信して、その結果に基づいて、前記光子対の一方の状態を操作し、該光子の状態を測定するように構成されたことを特徴とする。 The invention according to claim 7 is a quantum communication system for transferring a quantum state of a photon from a first node to a second node via a relay node, wherein the first communication node generates a first photon. And a first type of relay node comprising the quantum interference device according to any one of claims 1 to 6, wherein the one or more second nodes receive two photons and perform bell state measurement. A second type of receiving a single photon with one type of relay node and one or more second type of relay nodes that generate a photon pair in a entangled state, and measuring the state of the photon by unitary conversion The first node is configured to transmit the single photon to a first relay node of the first type of relay node, the first type of relay node comprising: A first node and the second type Each of the relay nodes is configured to receive a single photon from each of the two nodes and perform a bell state measurement of the received two photons, and the second node is a final node of the second type relay node. Receiving one of the photon pairs from each of the relay nodes, receiving a bell state measurement result from each first type relay node, and operating one of the photon pairs based on the result, It is configured to measure the state of photons.
また、請求項８に記載の発明は、第１のノードと第２のノードの間に中継ノードを介して量子もつれ状態を共有するための量子通信システムであって、単一光子を受信し、ユニタリ変換して光子の状態を測定する第１のノードと、請求項１から６のいずれかに記載の量子干渉装置を備えた第１のタイプの中継ノードであって、２光子を受信して、ベル状態測定を行う１つまたは複数の第１のタイプの中継ノードと、量子もつれ状態にある光子対を発生する複数の第２のタイプの中継ノードと単一光子を受信し、ユニタリ変換して光子の状態を測定する第２のノードとを備え、前記第１のノードは、前記第２のタイプの中継ノードの最初の中継ノードから前記光子対の一方を受信し、各第１のタイプの中継ノードからベル状態測定の結果を受信して、その結果に基づいて、前記光子対の一方の状態を操作し、該光子の状態を測定するように構成され、前記第１のタイプの中継ノードは、前記第２のタイプの中継ノードのうち２つの中継ノードからそれぞれ単一の光子を受信し、該受信した２光子のベル状態測定を行うように構成され、前記第２のノードは、前記第２のタイプの中継ノードの最終の中継ノードから前記光子対の一方を受信し、各第１のタイプの中継ノードからベル状態測定の結果を受信して、その結果に基づいて、前記光子対の一方の状態を操作し、該光子の状態を測定するように構成されたことを特徴とする。 The invention according to claim 8 is a quantum communication system for sharing a quantum entangled state between a first node and a second node via a relay node, receiving a single photon, A first node that unitarily transforms and measures the state of a photon, and a first type relay node that includes the quantum interference device according to any one of claims 1 to 6, and that receives two photons receive one or more first type of relay node performing Bell state measurement, the second type of relay node and a single photon of multiple that occur photon pairs in the entangled state, unitary A second node that converts and measures the state of the photons, wherein the first node receives one of the photon pairs from a first relay node of the second type of relay node, and Receive bell state measurement results from any type of relay node Then, based on the result, it is configured to operate one state of the photon pair and measure the state of the photon, and the first type of relay node is the second type of relay node. Each of the two relay nodes receives a single photon, and is configured to measure the bell state of the received two photons. The second node is a final relay of the second type relay node. Receiving one of the photon pairs from the node, receiving a bell state measurement result from each first type relay node, and operating one of the photon pairs based on the result, It is configured to measure a state.
また、請求項９に記載の発明は、第１のノードから複数の第２のノードへ中継ノードを介して光子の量子状態を転送するための量子通信システムであって、単一光子を発生する第１のノードと、請求項１から６のいずれかに記載の量子干渉装置を備えた第１のタイプの中継ノードであって、２光子を受信して、ベル状態測定を行う１つまたは複数の第１のタイプの中継ノードと、量子もつれ状態にある多チャネルの光子対を発生する１つまたは複数の第２のタイプの中継ノードと、単一光子を受信し、ユニタリ変換して光子の状態を測定する複数の第２のノードとを備え、前記第１のノードは、前記第１のタイプの中継ノードの最初の中継ノードに前記単一光子を送信するように構成され、前記第１のタイプの中継ノードは、前記第１のノードおよび前記第２のタイプの中継ノードのうち２つのノードからそれぞれ単一の光子を受信し、該受信した２光子のベル状態測定を行うように構成され、前記複数の第２のノードの各々は、前記第２のタイプの中継ノードの最終の中継ノードから前記多チャンネルのそれぞれの光子対の一方を受信し、前記第１のタイプの中継ノードから前記光子対の他方に対応するベル状態測定の結果を受信して、その結果に基づいて、前記光子対の一方の状態を操作し、該光子の状態を測定するように構成されたことを特徴とする。 The invention according to claim 9 is a quantum communication system for transferring a quantum state of a photon from a first node to a plurality of second nodes via a relay node, and generates a single photon. A first type relay node comprising a first node and a quantum interference device according to any one of claims 1 to 6, wherein one or a plurality of two-photons are received and bell state measurement is performed A first type of relay node, one or more second type of relay nodes that generate multi-channel photon pairs in a entangled state, and a single photon received, unitarily transformed to photon A plurality of second nodes measuring state, wherein the first node is configured to transmit the single photon to a first relay node of the first type of relay node; The type of relay node is the first node. And receiving a single photon from each of two of the relay nodes of the second type, and performing a bell state measurement of the received two photons, each of the plurality of second nodes being Receiving one of each of the multi-channel photon pairs from the last relay node of the second type relay node and measuring the bell state corresponding to the other of the photon pairs from the first type relay node. A result is received, and based on the result, one state of the photon pair is manipulated to measure the state of the photon.
また、請求項１０に記載の発明は、複数の第１のノードと複数の第２のノード間に中継ノードを介して量子もつれ状態を共有するための量子通信システムであって、単一光子を受信し、ユニタリ変換して光子の状態を測定する複数の第１のノードと、請求項１から６のいずれかに記載の量子干渉装置を備えた第１のタイプの中継ノードであって、２光子を受信して、ベル状態測定を行う１つまたは複数の第１のタイプの中継ノードと、量子もつれ状態にある多チャネルの光子対を発生する複数の第２のタイプの中継ノードと、単一光子を受信し、ユニタリ変換して光子の状態を測定する複数の第２のノードとを備え、前記複数の第１のノードの各々は、前記第２のタイプの中継ノードの最初の中継ノードから前記多チャネルのそれぞれの光子対の一方を受信し、前記第１のタイプの中継ノードから前記光子対の他方に対応するベル状態測定の結果を受信して、その結果に基づいて、前記光子対の一方の状態を操作し、該光子の状態を測定するように構成され、前記第１のタイプの中継ノードは、前記第２のタイプの中継ノードのうち２つの中継ノードから前記多チャネルのそれぞれの光子対の一方を受信し、該受信した２光子のベル状態測定を行うように構成され、前記複数の第２のノードの各々は、前記第２のタイプの中継ノードの最終の中継ノードから前記多チャネルのそれぞれの光子対の一方を受信し、前記第１のタイプの中継ノードから前記光子対の他方に対応するベル状態測定の結果を受信して、その結果に基づいて、前記光子対の一方の状態を操作し、該光子の状態を測定するように構成されたことを特徴とする。 The invention according to claim 10 is a quantum communication system for sharing a quantum entangled state between a plurality of first nodes and a plurality of second nodes via a relay node, wherein a single photon is transmitted. A first type relay node comprising: a plurality of first nodes that receive and unitarily transform and measure a photon state; and the quantum interference device according to any one of claims 1 to 6; receiving photons, and one or more first type of relay node performing Bell state measurement, and a second type of relaying multiple nodes that occur photon pairs of multi-channels in entangled state A plurality of second nodes that receive a single photon and unitarily transform to measure a photon state, wherein each of the plurality of first nodes is a first node of the second type relay node Each photon of the multichannel from the relay node And receiving a bell state measurement result corresponding to the other of the photon pairs from the first type relay node, and operating one state of the photon pair based on the result, Configured to measure the state of the photons, wherein the first type of relay node receives one of each of the multi-channel photon pairs from two of the second type of relay nodes. , Configured to perform bell state measurement of the received two-photons, wherein each of the plurality of second nodes is configured such that each of the multi-channel photon pairs from the last relay node of the second-type relay node. And receiving a bell state measurement result corresponding to the other of the photon pairs from the first type relay node, and operating one state of the photon pair based on the result, The state of the photon Characterized in that it is configured to constant.
本発明により、光周波数の異なる２光子を、２光子の基底状態であるベル状態に対して射影測定するための量子干渉装置を構築することが可能となる。また、このような量子干渉装置を用いて、量子状態の転送を行う量子通信システム、および量子もつれ状態を遠隔の２者で共有する量子通信システムの構築が可能となる。 According to the present invention, it is possible to construct a quantum interference device for projecting and measuring two photons having different optical frequencies with respect to a bell state which is a ground state of the two photons. In addition, using such a quantum interference device, it is possible to construct a quantum communication system that transfers quantum states and a quantum communication system that shares two entangled states remotely.
図４に、本発明の第１の実施形態による量子干渉装置の構成例を示す。この量子干渉装置は、２光子のベル状態を測定するベル状態測定器１２と、光子の光周波数を変換する光周波数変換器１４とを備えている。量子干渉装置には、光周波数ｆ１を有する光子１と、光周波数ｆ２を有する光子２がそれぞれのポートから入力される。ただし、ｆ１≠ｆ２とする。光子１は、光周波数変換器１４に入力され、光周波数ｆ２の光子１’に変換される。ここで、光周波数変換器１４は、光子１の光周波数だけを変換し、他の物理パラメータは変換しない。光子１’と光子２はベル状態測定器１２に入力され、４つのベル状態のいずれかに射影測定され、測定結果が出力される。光周波数変換器の構成例については後述する。 FIG. 4 shows a configuration example of the quantum interference device according to the first embodiment of the present invention. The quantum interference device includes a bell state measuring device 12 that measures the bell state of two photons, and an optical frequency converter 14 that converts the optical frequency of the photons. A photon 1 having an optical frequency f 1 and a photon 2 having an optical frequency f 2 are input to the quantum interference device from respective ports. However, it is assumed that f 1 ≠ f 2 . Photon 1 is inputted to the optical frequency converter 14, it is converted to photons 1 'of the optical frequency f 2. Here, the optical frequency converter 14 converts only the optical frequency of the photon 1 and does not convert other physical parameters. The photon 1 ′ and the photon 2 are input to the bell state measuring device 12, and the projection measurement is performed on any of the four bell states, and the measurement result is output. A configuration example of the optical frequency converter will be described later.
図５に、本発明の第２の実施形態による量子干渉装置の構成例を示す。この量子干渉装置は、２光子のベル状態を測定するベル状態測定器１２と、光子の光周波数を変換する２つの光周波数変換器１４−１，１４−２とを備えている。量子干渉装置には、光周波数ｆ１を有する光子１と、光周波数ｆ２を有する光子２がそれぞれのポートから入力される。ただし、ｆ１≠ｆ２とする。光子１は、光周波数変換器１４−１に入力され、光周波数ｆｃの光子１’に変換される。また、光子２は、光周波数変換器１４−２に入力され、光周波数ｆｃの光子２’に変換される。ここで、光周波数変換器１４−１，１４−２は、光子の光周波数だけを変換し、他の物理パラメータは変換しない。光子１’と光子２’はベル状態測定器１２に入力され、４つのベル状態のいずれかに射影測定され、測定結果が出力される。光周波数変換器の構成例については後述する。 FIG. 5 shows a configuration example of a quantum interference device according to the second embodiment of the present invention. This quantum interference device includes a bell state measuring device 12 that measures the bell state of two photons, and two optical frequency converters 14-1 and 14-2 that convert the optical frequency of the photons. A photon 1 having an optical frequency f 1 and a photon 2 having an optical frequency f 2 are input to the quantum interference device from respective ports. However, it is assumed that f 1 ≠ f 2 . Photon 1 is inputted to the optical frequency converter 14-1, and is converted into photons 1 'of the optical frequency f c. Also, photon 2 is inputted to the optical frequency converter 14-2, and is converted into photons 2 'of the optical frequency f c. Here, the optical frequency converters 14-1 and 14-2 convert only the optical frequency of the photon, and do not convert other physical parameters. The photon 1 ′ and the photon 2 ′ are input to the bell state measuring device 12, and projected to any of the four bell states, and the measurement result is output. A configuration example of the optical frequency converter will be described later.
図６に、本発明の第３の実施形態による量子干渉装置の構成例を示す。この量子干渉装置は、２入力２出力のビームスプリッタ（ＢＳ）１２０と、ＢＳからの光子を検出する２つの光子検出器１２２，１２４と、２つの光子検出器の検出信号を解析する解析装置１６とを備えている。量子干渉装置には、光周波数ｆ１を有する光子１と、光周波数ｆ２を有する光子２がそれぞれのポートから入力される。ただし、ｆ１≠ｆ２とする。光子１は、光周波数変換器１４に入力され、光周波数ｆ２の光子１’に変換される。ここで、光周波数変換器１４は、光子１の光周波数だけを変換し、他の物理パラメータは変換しない。光子１’と光子２はそれぞれＢＳ１２０の入力ポートｍおよびｎから入力される。ＢＳ１２０の出力ポートｘおよびｙから出力された光子はそれぞれ光子検出器１２２，１２４により検出される。光子検出器１２２，１２４からの検出信号は、解析装置１６に入力される。従来の技術で述べたように、２つの光子検出器において同時検出が得られた場合、２光子は｜Ψ−＞１２に射影されている。よって、解析装置１６は、２光子の同時計数が検出されると、出力信号を発生するよう動作する。 FIG. 6 shows a configuration example of a quantum interference device according to the third embodiment of the present invention. The quantum interference device includes a two-input two-output beam splitter (BS) 120, two photon detectors 122 and 124 that detect photons from the BS, and an analysis device 16 that analyzes detection signals from the two photon detectors. And. A photon 1 having an optical frequency f 1 and a photon 2 having an optical frequency f 2 are input to the quantum interference device from respective ports. However, it is assumed that f 1 ≠ f 2 . Photon 1 is inputted to the optical frequency converter 14, it is converted to photons 1 'of the optical frequency f 2. Here, the optical frequency converter 14 converts only the optical frequency of the photon 1 and does not convert other physical parameters. Photon 1 ′ and photon 2 are input from input ports m and n of BS 120, respectively. Photons output from the output ports x and y of the BS 120 are detected by photon detectors 122 and 124, respectively. Detection signals from the photon detectors 122 and 124 are input to the analysis device 16. As described in the prior art, when simultaneous detection is obtained with two photon detectors, the two photons are projected to | Ψ − > 12 . Thus, the analyzer 16 operates to generate an output signal when a coincidence of two photons is detected.
図７に、本発明の第４の実施形態による量子干渉装置の構成例を示す。この量子干渉装置は、光子の光周波数を変換する２つの光周波数変換器１４−１，１４−２と、２入力２出力のビームスプリッタ（ＢＳ）１２０と、ＢＳからの光子を検出する２つの光子検出器１２２，１２４と、２つの光子検出器の検出信号を解析する解析装置１６とを備えている。量子干渉装置は、光周波数ｆ１を有する光子１と、光周波数ｆ２を有する光子２がそれぞれのポートから入力される。ただし、ｆ１≠ｆ２とする。光子１は、光周波数変換器１４−１に入力され、光周波数ｆｃの光子１’に変換される。また、光子２は、光周波数変換器１４−２に入力され、光周波数ｆｃの光子２’に変換される。ここで、光周波数変換器１４−１，１４−２は、光子の光周波数だけを変換し、他の物理パラメータは変換しない。光子１’と光子２’は、第３の実施形態と同様、ビームスプリッタ１２０、光子検出器１２２，１２４、解析装置１６からなるベル状態測定器に入力され、２光子が｜Ψ−＞１２に射影された場合、出力信号を発生する。 FIG. 7 shows a configuration example of a quantum interference device according to the fourth embodiment of the present invention. This quantum interference device includes two optical frequency converters 14-1 and 14-2 that convert the optical frequency of photons, a two-input two-output beam splitter (BS) 120, and two photons that detect photons from the BS. Photon detectors 122 and 124 and an analysis device 16 for analyzing detection signals of the two photon detectors are provided. In the quantum interference device, a photon 1 having an optical frequency f 1 and a photon 2 having an optical frequency f 2 are input from respective ports. However, it is assumed that f 1 ≠ f 2 . Photon 1 is inputted to the optical frequency converter 14-1, and is converted into photons 1 'of the optical frequency f c. Also, photon 2 is inputted to the optical frequency converter 14-2, and is converted into photons 2 'of the optical frequency f c. Here, the optical frequency converters 14-1 and 14-2 convert only the optical frequency of the photon, and do not convert other physical parameters. Similar to the third embodiment, the photon 1 ′ and the photon 2 ′ are input to the bell state measuring device including the beam splitter 120, the photon detectors 122 and 124, and the analysis device 16, and the two photons satisfy | Ψ − > 12 . When projected, an output signal is generated.
なお、第１および第２の実施形態ともに、図３に述べたＢＳの出力ポートにそれぞれＰＢＳと２つの光子検出器を配置した系をとることも可能である。この場合、同時計数される光子検出器の組み合わせにより、｜Ψ＋＞１２および｜Ψ−＞１２の２状態に射影することが可能となる。 In both the first and second embodiments, it is possible to adopt a system in which the PBS and the two photon detectors are respectively arranged at the output port of the BS described in FIG. In this case, it is possible to project into two states of | Ψ + > 12 and | Ψ − > 12 by a combination of photon detectors that are simultaneously counted.
図８に、本発明に使用することができる光周波数変換器の一例を示す。この光周波数変換器は、入力光子とポンプ光を合波する合波手段１４０と、合波手段からの入力光子とポンプ光から周波数を変換した光子を生成する２次の非線形光学媒質１４２と、２次の非線形光学媒質からの不要成分を取り除くフィルタ１４４とを備えている。入力光子とポンプ光が合波手段により合波され、２次の非線形媒質に入力される。ポンプ光が十分強く、古典的な電磁場と近似できる場合、系の相互作用ハミルトニアンは次式で表される。 FIG. 8 shows an example of an optical frequency converter that can be used in the present invention. The optical frequency converter includes a combining unit 140 that combines the input photon and the pump light, a second-order nonlinear optical medium 142 that generates a photon whose frequency is converted from the input photon and the pump light from the combining unit, And a filter 144 that removes unnecessary components from the second-order nonlinear optical medium. The input photon and the pump light are combined by the combining means and input to the second-order nonlinear medium. When the pump light is strong enough to approximate a classical electromagnetic field, the interaction Hamiltonian of the system is expressed by the following equation.
ここで、 here,
は、入力光子と、周波数変換後の光子の消滅演算子である。また、χは２次の非線形感受率とポンプ光の電場に比例する定数である。入力光子、ポンプ光、周波数変換後の光子の光周波数をｆｓ，ｆｐ，ｆｃとすると、これらの間には次式の関係が成立する。 Is the annihilation operator of the input photon and the photon after frequency conversion. Χ is a constant proportional to the second-order nonlinear susceptibility and the electric field of the pump light. Input photons, the pump light, the photons of light frequency after frequency conversion f s, f p, When f c, the following relationship is established between them.
式（１１）より、ハイゼンベルグの運動方程式は次式のように得られる。 From equation (11), the Heisenberg equation of motion is obtained as:
上式の解は次のように得られる。 The solution of the above equation is obtained as follows.
ここで、 here,
は時刻ｔ＝０におけるモードｘの消滅演算子である。周波数変換後の光子の平均光子数 Is the extinction operator of mode x at time t = 0. Average number of photons after frequency conversion
は次式で与えられる。 Is given by:
特に、光周波数変換の場合、ｔ＝０における光周波数ｆｃの光子数は In particular, when the optical frequency conversion, the photon number of the optical frequency f c at t = 0 is
だから、 So,
となる。上式より、１個の入力光子が入力された場合、ｓｉｎ２χｔの確率で光周波数変換されることがわかる。特に、χｔ＝π／２のとき、入力光子は１００％の確率で周波数変換される。 It becomes. From the above equation, it can be seen that when one input photon is input, optical frequency conversion is performed with a probability of sin 2 χt. In particular, when χt = π / 2, the input photon is frequency converted with a probability of 100%.
２次の非線形媒質から出力された光子は、光周波数ｆｃを透過するフィルタを通過させることにより残留ポンプ光や他の雑音光子などを除去させる。その結果、出力ポートからは周波数変換後の光子を取り出すことができる。 Photon output from the second-order nonlinear medium is removed and the residual pump light and other noise photons by passing a filter which transmits light frequency f c. As a result, photons after frequency conversion can be taken out from the output port.
本実施形態の光周波数変換器によると、式（１２）より、入力光子の光周波数ｆｓは、周波数変換後の光周波数ｆｃに比べて小さくなることがわかる。すなわち、本光周波数変換器は、必ず周波数を増大する方向に光周波数変換する。言いかえれば、波長を短くする方向に波長変換する。 According to the optical frequency converter of the present embodiment, the equation (12), the optical frequency f s of the input photon, it can be seen that smaller than the optical frequency f c of the frequency-converted. That is, this optical frequency converter always performs optical frequency conversion in the direction of increasing the frequency. In other words, wavelength conversion is performed in the direction of shortening the wavelength.
図９に、本発明に使用することができる光周波数変換器の別の一例を示す。この光周波数変換器は、入力光子と２つのポンプ光を合波する合波手段１４０と、合波手段からの入力光子と２つのポンプ光から周波数を変換した光子を生成する３次の非線形光学媒質１４６と、３次の非線形光学媒質からの不要成分を取り除くフィルタ１４４とを備えている。入力光子と光周波数ｆｐ１およびｆｐ２を持つ２つのポンプ光が合波手段により合波され、３次の非線形媒質に入力される。２つのポンプ光が十分強く、古典的な電磁場と近似できる場合、その周波数変換の特性は式（１１）、（１３）、（１４）、（１５）、（１６）、（１７）、（１８）とまったく同一の式で表される。ただし、式（１１）のχはここでは３次の非線形感受率と２つのポンプ光の電場に比例する定数となり、２ポンプ光と入力光子、周波数変換後の光子の光周波数の間には次の関係が成立する。 FIG. 9 shows another example of an optical frequency converter that can be used in the present invention. This optical frequency converter includes a combining unit 140 that combines an input photon and two pump lights, and a third-order nonlinear optical that generates a photon whose frequency is converted from the input photon and the two pump lights from the combining unit. A medium 146 and a filter 144 that removes unnecessary components from the third-order nonlinear optical medium are provided. Two pump lights having an input photon and optical frequencies f p1 and f p2 are combined by a combining unit and input to a third-order nonlinear medium. When the two pump lights are sufficiently strong and can be approximated to a classical electromagnetic field, the frequency conversion characteristics are expressed by the equations (11), (13), (14), (15), (16), (17), (18 ) And the exact same formula. However, χ in equation (11) is a constant proportional to the third-order nonlinear susceptibility and the electric fields of the two pump lights, and is between the two pump lights, the input photons, and the optical frequencies of the photons after frequency conversion. The relationship is established.
この式より、図８の光周波数変換器と異なり、ｆｓとｆｃの大小関係は、２ポンプ光の周波数を適当に配置することにより、ｆｓ＜ｆｃ，ｆｓ＞ｆｃのどちらにでも設定できることがわかる。よって、この光周波数変換器により、入力光子の周波数を、増大および減少の両方向に変換することが可能となる。 From this equation, unlike the optical frequency converter of FIG. 8, the magnitude relationship between f s and f c is either f s <f c or f s > f c by appropriately arranging the frequencies of the two pump lights. It can be seen that it can be set even in Therefore, this optical frequency converter can convert the frequency of the input photon in both the increasing and decreasing directions.
図８の場合と同様に、３次の非線形媒質から出力された光子は、光周波数ｆｃを透過するフィルタを通過させることにより残留ポンプ光や他の雑音光子などを除去させる。その結果、出力ポートからは周波数変換後の光子を取り出すことができる。 As in the case of FIG. 8, the photons outputted from the third-order nonlinear medium is removed and the residual pump light and other noise photons by passing a filter which transmits light frequency f c. As a result, photons after frequency conversion can be taken out from the output port.
図１０に、本発明による量子干渉装置を用いた量子通信システムの第１の実施例を示す。この量子通信システムは、ユーザＡのノード１００と、２つの中継ノード１０，２０と、ユーザＢのノード２００とから構成されている。この通信システムにおいて、ユーザＡのノード１００にある単一光子光源１０２からの光子１の偏波に関する量子状態を、中継ノード１０，２０を介してユーザＢのノード２００に転送する。 FIG. 10 shows a first embodiment of a quantum communication system using a quantum interference device according to the present invention. This quantum communication system includes a user A node 100, two relay nodes 10 and 20, and a user B node 200. In this communication system, the quantum state relating to the polarization of the photon 1 from the single photon light source 102 in the node 100 of the user A is transferred to the node 200 of the user B via the relay nodes 10 and 20.
ユーザＡのノード１００は単一光子光源１０２を備え、光周波数がｆ１であり、送付したい量子状態をもつ単一光子１を発生する。この光源から発生した光子１は、光伝送路を介して中継ノード１０に送付される。中継ノード２０は、量子もつれ発生装置２２を備え、量子もつれ状態にある光周波数ｆ２の光子２および光周波数ｆ３の光子３を発生する。光子２は光伝送路を介して中継ノード１０に送付され、光子３は光伝送路を介してユーザＢに送付される。中継ノード１０は、図４から図７で述べた量子干渉装置１５を有し、光子１および光子２についてベル状態測定を行う。ベル状態測定の結果は、通信手段３０を介してユーザＢに送付される。 User A's node 100 includes a single photon light source 102, which generates a single photon 1 having an optical frequency of f 1 and having a quantum state to be sent. The photon 1 generated from this light source is sent to the relay node 10 through the optical transmission line. The relay node 20 includes entangled generator 22 to generate photons 3 of photons 2 and the optical frequency f 3 of the optical frequency f 2 in the entangled state. The photon 2 is sent to the relay node 10 via the optical transmission line, and the photon 3 is sent to the user B via the optical transmission line. The relay node 10 includes the quantum interference device 15 described with reference to FIGS. 4 to 7 and performs bell state measurement on the photon 1 and the photon 2. The result of the bell state measurement is sent to the user B via the communication means 30.
ユーザＢのノード２００は、制御装置２１２と光子測定装置２１４とを備えている。ユーザＢのノード２００は、送付されたベル状態測定の結果に基づき、制御装置２１２により光子３の状態を操作し（ユニタリ変換）、光子測定装置２１４により光子３の状態を測定する。本実施例においては、光子３の偏波に関する量子状態を測定する。また、測定可能な量子状態のときだけ、ゲートを開け、他は捨てるといった制御を行ってもよい。これは、例えば、光子検出器をゲート動作させたり、あるいは取得したデータからソフトウェア上で削除するなどして実現することができる。これにより、ユーザＢはユーザＡが光子１により用意した量子状態を光子３として受信し、測定することができる。なお、図２に示す系より、４つのレベル基底状態のうち｜Ψ−＞１２のみを選択して射影するベル状態測定においては、測定した２光子の量子状態を送付する必要はなく、ベル状態測定が成功した時刻を送付するだけでよい。 User B's node 200 includes a control device 212 and a photon measurement device 214. The node 200 of the user B operates the state of the photon 3 by the control device 212 (unitary conversion) based on the sent bell state measurement result, and measures the state of the photon 3 by the photon measurement device 214. In this embodiment, the quantum state relating to the polarization of the photon 3 is measured. Also, control may be performed such that the gate is opened and the others are discarded only when the quantum state is measurable. This can be realized, for example, by gating the photon detector or deleting the acquired data from software. Thereby, the user B can receive and measure the quantum state prepared by the user A using the photon 1 as the photon 3. In the bell state measurement in which only | Ψ − > 12 is selected and projected from the four level ground states from the system shown in FIG. 2, it is not necessary to send the measured two-photon quantum state, and the bell state It is only necessary to send the time when the measurement was successful.
図１１に、本発明による量子干渉装置を用いた量子通信システムの第２の実施例を示す。この量子通信システムは、ユーザＡのノード１００と、３つの中継ノード１０，２０−１，２０−２と、ユーザＢのノード２００とから構成されている。中継ノード２０−１は量子もつれ発生装置２２−１を備え、量子もつれ状態にある光子１（光周波数ｆ１）と光子４（光周波数ｆ４）を発生する。同様に、中継ノード２０−２は量子もつれ発生装置２２−２を備え、量子もつれ状態にある光子２（光周波数ｆ２）と光子３（光周波数ｆ３）を発生する。光子１と光子２は光伝送路を介して中継ノード１０に送付される。光子４と光子３は、光伝送路を介してそれぞれユーザＡおよびユーザＢに送付される。 FIG. 11 shows a second embodiment of the quantum communication system using the quantum interference device according to the present invention. This quantum communication system includes a user A node 100, three relay nodes 10, 20-1 and 20-2, and a user B node 200. The relay node 20-1 includes a quantum entanglement generator 22-1 and generates a photon 1 (optical frequency f 1 ) and a photon 4 (optical frequency f 4 ) in a quantum entangled state. Similarly, the relay node 20-2 includes a quantum entanglement generator 22-2, and generates a photon 2 (optical frequency f 2 ) and a photon 3 (optical frequency f 3 ) in a quantum entangled state. Photon 1 and photon 2 are sent to relay node 10 via an optical transmission line. Photon 4 and photon 3 are sent to user A and user B, respectively, via an optical transmission line.
中継ノード１０は、図４から図７で述べた量子干渉装置１５を有し、光子１および光子２についてベル状態測定を行う。ベル状態測定の結果は、通信手段３０ａ，３０ｂを介してそれぞれユーザＡおよびユーザＢに送付される。ユーザＡおよびユーザＢのノード１００，２００はそれぞれ、制御装置１１２，２１２と光子測定装置１１４，２１４とを備えている。ユーザＡおよびユーザＢの各ノードは、送付されたベル状態測定の結果に基づき、制御装置１１２，２１２により光子４，３の状態を操作し（ユニタリ変換）、光子測定装置１１４，２１４により光子４，３の状態を測定する。本実施例においては、光子４，３それぞれの偏波に関する量子状態を測定する。この方法によると、光子４と量子もつれの関係にある光子１の量子状態は、量子テレポーテーションにより光子３の量子状態へと転送される。その結果、光子４と光子３の間に量子もつれ状態を形成することが可能となる。 The relay node 10 includes the quantum interference device 15 described with reference to FIGS. 4 to 7 and performs bell state measurement on the photon 1 and the photon 2. The result of the bell state measurement is sent to the user A and the user B via the communication means 30a and 30b, respectively. The nodes 100 and 200 of the user A and the user B are provided with control devices 112 and 212 and photon measurement devices 114 and 214, respectively. Each node of the user A and the user B operates the state of the photons 4 and 3 by the control devices 112 and 212 (unitary conversion) based on the sent bell state measurement result, and the photon measurement devices 114 and 214 use the photon 4 , 3 are measured. In this embodiment, the quantum state relating to the polarization of each of the photons 4 and 3 is measured. According to this method, the quantum state of the photon 1 in a quantum entanglement relationship with the photon 4 is transferred to the quantum state of the photon 3 by quantum teleportation. As a result, a entangled state can be formed between the photon 4 and the photon 3.
図１２に、本発明による量子干渉装置を用いた量子通信システムの第３の実施例を示す。この量子通信システムは、ユーザＡのノード１００と、２つの中継ノード１０，２０と、ユーザＢ１からＢｎで表されるｎ個のノード２００−１〜２００−ｎ（ｎは２以上の自然数）とから構成されている。なお、図１２はｎ＝２の場合を示している。 FIG. 12 shows a third embodiment of a quantum communication system using the quantum interference device according to the present invention. This quantum communication system includes a node 100 of a user A, two relay nodes 10 and 20, and n nodes 200-1 to 200-n (n is a natural number of 2 or more) represented by users B1 to Bn. It is composed of FIG. 12 shows a case where n = 2.
中継ノード２０は広帯域量子もつれ発生装置２４を備え、量子もつれ状態にある光周波数ｆ２−ｋ（ｋ＝１，２，・・・，ｎ）の光子２−ｋと光周波数ｆ３−ｋの光子３−ｋ（ｋ＝１，２，・・・，ｎ）の計ｎ組の光子対を発生する。ユーザＡのノード１００は、広帯域量子もつれ発生装置１０４を備え、光子１を発生する。光子１は光伝送路を介して中継ノード１０に送付される。合計ｎ個の光子２−１〜２−ｎは光伝送路を介してすべて中継ノード１０に送付される。一方、光子３−１〜３−ｎは光伝送路を介してそれぞれ異なるユーザのノード２００−１〜２００−ｎに送付される。 The relay node 20 includes a broadband quantum entanglement generator 24, which has a photon 2-k having an optical frequency f 2-k (k = 1, 2,..., N) and an optical frequency f 3-k in a quantum entangled state. A total of n photon pairs of photons 3-k (k = 1, 2,..., N) are generated. User A's node 100 includes a broadband quantum entanglement generator 104 and generates a photon 1. The photon 1 is sent to the relay node 10 through the optical transmission line. A total of n photons 2-1 to 2-n are all sent to the relay node 10 via the optical transmission line. On the other hand, photons 3-1 to 3-n are sent to different user nodes 200-1 to 200-n through optical transmission lines.
中継ノード１０は、図４から図７で述べた量子干渉装置１５を有する。送付された光子１および光子２−１〜２−ｎは、この量子干渉装置１５に入力される。量子干渉装置中の光周波数変換器は、入力された光子２−１〜２−ｎのうち一つの光子２−ｋ（ｋ＝１，２，・・・，ｎ）だけが光子１と干渉するように、光子１または光子２−ｋまたはその両方を光周波数変換する。その結果、光子１とある一つの光子２−ｋについてベル状態測定がなされる。ベル状態測定の結果は、通信手段３０を用いてユーザＢｋに送付される。ユーザＢｋのノード２００−ｋは、制御装置２１２−ｋと光子測定装置２１４−ｋとを備えている。ユーザＢｋのノード２００−ｋは、送付されたベル状態測定の結果に基づき、制御装置２１２−ｋにより光子３−ｋの状態を操作し（ユニタリ変換）、光子測定装置２１４−ｋにより光子３−ｋの状態を測定する。本実施例においては、光子３−ｋの偏波に関する量子状態を測定する。これにより、ユーザＢｋはユーザＡが光子１により用意した量子状態を光子３−ｋとして受信し、測定することができる。 The relay node 10 includes the quantum interference device 15 described with reference to FIGS. The transmitted photon 1 and photons 2-1 to 2-n are input to the quantum interference device 15. In the optical frequency converter in the quantum interference device, only one photon 2-k (k = 1, 2,..., N) of the input photons 2-1 to 2-n interferes with the photon 1. Thus, photon 1 or photon 2-k or both are optical frequency converted. As a result, the bell state measurement is performed for the photon 1 and one photon 2-k. The result of the bell state measurement is sent to the user Bk using the communication means 30. The node 200-k of the user Bk includes a control device 212-k and a photon measurement device 214-k. The node 200-k of the user Bk operates the state of the photon 3-k (unitary conversion) by the control device 212-k based on the sent bell state measurement result, and the photon 3-device by the photon measurement device 214-k. Measure the state of k. In this embodiment, the quantum state relating to the polarization of the photon 3-k is measured. Thereby, the user Bk can receive and measure the quantum state prepared by the user A using the photon 1 as the photon 3-k.
本構成によると、量子干渉装置１５において光子１と量子干渉させる光子２−ｋを任意に変更することが可能である。よって、ユーザＡが送付したい量子状態を、任意のユーザＢｋに転送することが可能となる。 According to this configuration, the photon 2-k that causes quantum interference with the photon 1 in the quantum interference device 15 can be arbitrarily changed. Therefore, the quantum state that the user A wants to send can be transferred to any user Bk.
図１３に、本発明による量子干渉装置を用いた量子通信システムの第４の実施例を示す。この量子通信システムは、ユーザＡ１からＡｎで表されるｎ個のノード１００−１〜１００−ｎ（ｎは２以上の自然数）と、３つの中継ノード１０，２０−１，２０−２と、ユーザＢ１からＢｍで表されるｍ個のノード２００−１〜２００−ｍ（ｍは２以上の自然数）とから構成されている。なお、図１３はｎ＝ｍ＝２の場合を示している。 FIG. 13 shows a fourth embodiment of the quantum communication system using the quantum interference device according to the present invention. This quantum communication system includes n nodes 100-1 to 100-n (n is a natural number of 2 or more) represented by users A1 to An, three relay nodes 10, 20-1, and 20-2, It consists of m nodes 200-1 to 200-m (m is a natural number of 2 or more) represented by users B1 to Bm. FIG. 13 shows a case where n = m = 2.
中継ノード２０−１は広帯域量子もつれ発生装置２４−１を備え、量子もつれ状態にある光周波数ｆ１−ｋの光子１−ｋ（ｋ＝１，２，・・・，ｎ）と光周波数ｆ４−ｋの光子４−ｋ（ｋ＝１，２，・・・，ｎ）のｎ組の光子対を発生する。同様に、中継ノード２０−２は広帯域量子もつれ発生装置２４−２を備え、量子もつれ状態にある光周波数ｆ２−ｊの光子２−ｊ（ｊ＝１，２，・・・，ｍ）と光周波数ｆ３−ｊの光子３−ｊ（ｊ＝１，２，・・・，ｍ）のｍ組の光子対を発生する。合計ｎ個の光子１−１〜１−ｎおよび合計ｍ個の光子２−１〜２−ｍはそれぞれ光伝送路を介してすべて中継ノード１０に送付される。一方、ｎ個の光子４−１〜４−ｎは光伝送路を介してそれぞれことなるユーザのノード１００−１〜１００−ｎに送付され、ｍ個の光子３−１〜３−ｍは光伝送路を介してそれぞれ異なるユーザのノード２００−１〜２００−ｍに送付される。 The relay node 20-1 includes a broadband quantum entanglement generating device 24-1, and a photon 1-k (k = 1, 2,..., N) having an optical frequency f 1-k in a quantum entangled state and an optical frequency f. Generate n photon pairs of 4-k photons 4-k (k = 1, 2,..., N). Similarly, the relay node 20-2 includes a broadband quantum entanglement generator 24-2, and the photons 2-j (j = 1, 2,..., M) of the optical frequency f 2-j in the quantum entanglement state. Generate m photon pairs of photons 3-j (j = 1, 2,..., M) of optical frequency f 3-j . A total of n photons 1-1 to 1-n and a total of m photons 2-1 to 2-m are all sent to the relay node 10 via optical transmission lines. On the other hand, n photons 4-1 to 4-n are sent to different user nodes 100-1 to 100-n via optical transmission lines, and m photons 3-1 to 3-m are optical. It is sent to nodes 200-1 to 200-m of different users via transmission lines.
中継ノード１０は、図４から図７で述べた量子干渉装置１５を有する。送付された光子１−１〜１−ｎおよび光子２−１〜２−ｍは、この量子干渉装置１５に入力される。量子干渉装置中の光周波数変換器は、入力された光子１−１〜１−ｎのうち一つの光子１−ｋ（ｋ＝１，２，・・・，ｎ）と光子２−１〜２−ｍのうち一つの光子２−ｊ（ｊ＝１，２，・・・，ｍ）のうちの一組だけが干渉するように、光子１−ｋまたは光子２−ｊまたはその両方を光周波数変換する。その結果、ある一つの光子１−ｋとある一つの光子２−ｊについてベル状態測定がなされる。ベル状態測定の結果は、通信手段３０を用いてユーザＡｋおよびユーザＢｊに送付される。ユーザＡｋのノード１００−ｋは、制御装置１１２−ｋと光子測定装置１１４−ｋとを備えている。ユーザＢｊのノード２００−ｊは、制御装置２１２−ｊと光子測定装置２１４−ｊとを備えている。ユーザＡｋは、送付されたベル状態測定の結果に基づき、制御装置１１２−ｋにより光子４−ｋの状態を操作し（ユニタリ変換）、光子測定装置１１４−ｋにより光子４−ｋの状態を測定する。また、ユーザＢｊは、送付されたベル状態測定の結果に基づき、制御装置２１２−ｊにより光子３−ｊの状態を操作し（ユニタリ変換）、光子測定装置２１４−ｊにより光子３−ｊの状態を測定する。本実施例においては、光子４−ｋ，３−ｊそれぞれの偏波に関する量子状態を測定する。これにより、光子４−ｋと光子３−ｊの間に量子もつれ状態を形成することが可能となる。本実施例により、ｎ個のユーザＡｋとｍ個のユーザＢｊの任意の組み合わせの間に量子もつれ状態を分配することが可能となる。 The relay node 10 includes the quantum interference device 15 described with reference to FIGS. The transmitted photons 1-1 to 1-n and photons 2-1 to 2-m are input to the quantum interference device 15. The optical frequency converter in the quantum interference device includes one photon 1-k (k = 1, 2,..., N) and photons 2-1 to 2 out of input photons 1-1 to 1-n. The photon 1-k and / or photon 2-j or both are optical frequencies so that only one set of photons 2-j (j = 1, 2,..., M) of -m interfere. Convert. As a result, bell state measurement is performed for one photon 1-k and one photon 2-j. The result of the bell state measurement is sent to the user Ak and the user Bj using the communication means 30. The node 100-k of the user Ak includes a control device 112-k and a photon measurement device 114-k. The node 200-j of the user Bj includes a control device 212-j and a photon measurement device 214-j. The user Ak operates the state of the photon 4-k by the control device 112-k based on the sent bell state measurement result (unitary conversion), and measures the state of the photon 4-k by the photon measurement device 114-k. To do. Further, the user Bj operates the state of the photon 3-j by the control device 212-j (unitary conversion) based on the sent bell state measurement result, and the state of the photon 3-j by the photon measurement device 214-j. Measure. In this embodiment, the quantum state relating to the polarization of each of the photons 4-k and 3-j is measured. This makes it possible to form a quantum entangled state between the photon 4-k and the photon 3-j. According to the present embodiment, it is possible to distribute the entangled state between arbitrary combinations of n users Ak and m users Bj.
図１４に、本発明による量子干渉装置を用いた量子通信システムの第５の実施例を示す。この実施例は、第４の実施例と比べて、中継ノード１０の構成が異なっている。本実施例における中継ノード１０は、ｍ＞ｎとして、ｎ個の量子干渉装置１５−１〜１５−ｎと、２つの波長分離器１８ａ，１８ｂと、ｎ×ｎの光スイッチ１９とを備えている。 FIG. 14 shows a fifth embodiment of a quantum communication system using the quantum interference device according to the present invention. This embodiment is different from the fourth embodiment in the configuration of the relay node 10. The relay node 10 in this embodiment includes n quantum interference devices 15-1 to 15-n, two wavelength separators 18a and 18b, and an n × n optical switch 19 where m> n. Yes.
中継ノード２０−１，２０−２の構成および動作は、第４の実施例と同様である。中継ノード２０−１から光伝送路により中継ノード１０へ送付されたｎ個の光子１−１〜１−ｎは、波長分離器１８ａによりｎ個の異なる光路に分離され、それぞれ光スイッチ１９に入力される。光スイッチ１９は、ｎ個の入力ポートとｎ個の入力ポートを有し、任意の入力および出力ポート間を接続することが可能である。光スイッチの出力ポートはそれぞれ量子干渉装置１５−１〜１５−ｎに接続されている。一方、中継ノード２０−２から光伝送路により中継ノード１０へ送付されたｍ個の光子２−１〜２−ｍは、波長分離器１８ｂによりｍ個の異なる光路に分離され、それぞれ量子干渉装置１５−１〜１５−ｎに入力される。光スイッチ１９において、入力ポートと出力ポートの接続の組み合わせを変更することにより、ｎ組の任意の組み合わせの光子１−ｋと光子２−ｊについてベル状態測定を同時に行うことができる。このようにして得られたベル状態測定結果を通信手段を介してユーザＡｋおよびユーザＢｊに送付することにより、任意のｎ個の組み合わせのユーザＡｋおよびユーザＢｊの間で同時に量子もつれ状態を分配することが可能となる。 The configuration and operation of the relay nodes 20-1 and 20-2 are the same as in the fourth embodiment. The n photons 1-1 to 1-n sent from the relay node 20-1 to the relay node 10 through the optical transmission path are separated into n different optical paths by the wavelength separator 18a, and input to the optical switch 19, respectively. Is done. The optical switch 19 has n input ports and n input ports, and can connect any input and output ports. The output ports of the optical switch are connected to the quantum interference devices 15-1 to 15-n, respectively. On the other hand, the m photons 2-1 to 2-m sent from the relay node 20-2 to the relay node 10 through the optical transmission path are separated into m different optical paths by the wavelength separator 18b, respectively. 15-1 to 15-n. In the optical switch 19, by changing the combination of the connection between the input port and the output port, it is possible to simultaneously measure the bell state for n pairs of photons 1-k and photons 2-j. The bell state measurement result obtained in this way is sent to the user Ak and the user Bj via the communication means, so that the entangled state is simultaneously distributed among any n combinations of the users Ak and the user Bj. It becomes possible.
図１５に、本発明による量子干渉装置を用いた量子通信システムの第６の実施例を示す。この量子通信システムは、ユーザＡのノード１００と、ｎ個の中継ノード１０−１〜１０−ｎと、ｎ＋１個の中継ノード２０−１〜２０−（ｎ＋１）とから構成されている。これら各ノードは、図１１の各ノードと同じ構成を有している。各中継ノード１０−ｋは、中継ノード２０−ｋおよび２０−（ｋ＋１）からの光子を受信し、量子干渉装置によりベル状態測定をして、その結果を通信手段３０によりユーザＡのノード１００およびユーザＢのノード２００に送付する。ただし、最初の中継ノード２０−１および最終の中継２０−（ｎ＋１）からの光子対の一方をそれぞれユーザＡのノード１００およびユーザＢのノード２００に送付する。図１１の場合と同様に、ユーザＡおよびＢは、通信手段３０により送付された中継ノード１０−１〜１０−ｎのベル状態測定結果を元に、制御装置により受信した光子の状態を操作し、光子測定装置により光子の状態を測定する。このような構成により、図１１の場合に比べて、より長い距離を隔てた２者間に量子もつれ状態を分配することが可能となる。 FIG. 15 shows a sixth embodiment of the quantum communication system using the quantum interference device according to the present invention. This quantum communication system includes a node 100 of user A, n relay nodes 10-1 to 10-n, and n + 1 relay nodes 20-1 to 20- (n + 1). Each of these nodes has the same configuration as each node in FIG. Each relay node 10-k receives the photons from the relay nodes 20-k and 20- (k + 1), measures the bell state by the quantum interference device, and transmits the result by the communication means 30 to the node 100 of the user A and Send to user B's node 200. However, one of the photon pairs from the first relay node 20-1 and the last relay 20- (n + 1) is sent to the node 100 of the user A and the node 200 of the user B, respectively. As in the case of FIG. 11, the users A and B operate the photon states received by the control device based on the bell state measurement results of the relay nodes 10-1 to 10 -n sent by the communication means 30. Then, the state of the photon is measured by a photon measuring device. With such a configuration, it becomes possible to distribute the entangled state between the two persons separated by a longer distance than in the case of FIG.
なお、この実施例と同様に、複数個の中継ノードを用いて量子状態を転送する距離を延長する方法は、他の実施例にも適用可能である。 As in this embodiment, the method of extending the distance for transferring the quantum state using a plurality of relay nodes can be applied to other embodiments.
１，１’，２，２’，２−１，２−２，３，３−１，３−２，４，４−１，４−２ 光子
１０，２０，２０−１，２０−２ 中継ノード
１８ａ，１８ｂ 波長分離器
１９ 光スイッチ
３０ 通信回線
１００，１００−１，１００−２，２００，２００−１，２００−２ ユーザノード
１２０ ビームスプリッタ
１２２，１２２−１，１２２−２，１２４，１２４−１，１２４−２ 光子検出器
１２６，１２８ 偏波ビームスプリッタ
1,1 ′, 2,2 ′, 2-1,2-2,3,3-1,3-2,4,4-1,4-2 photon 10, 20, 20-1, 20-2 relay Node 18a, 18b Wavelength separator 19 Optical switch 30 Communication line 100, 100-1, 100-2, 200, 200-1, 200-2 User node 120 Beam splitter 122, 122-1, 122-2, 124, 124 -1,124-2 Photon detector 126,128 Polarization beam splitter
Claims (10)
前記２光子の一方の光周波数を他方の光周波数に変換する光周波数変換手段と、
前記光周波数変換手段により光周波数が一致した２光子のベル状態測定を行うベル状態測定手段とを備え、
前記光周波数変換手段は、２次の非線形光学媒質を備え、光周波数ｆ ｓ の光子および光周波数ｆ ｐ のポンプ光を入力して、ｆ ｃ ＝ｆ ｓ ＋ｆ ｐ を満たす光周波数ｆ ｃ の光子を出力すること特徴とする量子干渉装置。 A quantum interference device for measuring bell states of two photons having different optical frequencies,
Optical frequency conversion means for converting one optical frequency of the two photons to the other optical frequency;
And a Bell state measurement means for performing Bell state measurement of the two-photon light frequency matching by the optical frequency conversion means,
Said optical frequency conversion means comprises a second-order nonlinear optical medium, to input pump light photons and the optical frequency f p of the optical frequency f s, photons of the optical frequency f c satisfying f c = f s + f p Output a quantum interference device.
前記２光子の一方の光周波数を他方の光周波数に変換する光周波数変換手段と、
前記光周波数変換手段により光周波数が一致した２光子のベル状態測定を行うベル状態測定手段とを備え、
前記光周波数変換手段は、３次の非線形光学媒質を備え、光周波数ｆ ｓ の光子、光周波数ｆ ｐ１ の第１のポンプ光および光周波数ｆ ｐ２ の第２のポンプ光を入力して、ｆ ｓ ＋ｆ ｐ１ ＝ｆ ｃ ＋ｆ ｐ２ を満たす光周波数ｆ ｃ の光子を出力すること特徴とする量子干渉装置。 A quantum interference device for measuring bell states of two photons having different optical frequencies,
Optical frequency conversion means for converting one optical frequency of the two photons to the other optical frequency;
And a Bell state measurement means for performing Bell state measurement of the two-photon light frequency matching by the optical frequency conversion means,
The optical frequency conversion means includes a third-order nonlinear optical medium, and receives a photon having an optical frequency f s, a first pump light having an optical frequency f p1 , and a second pump light having an optical frequency f p2 , and f A quantum interference device that outputs a photon having an optical frequency f c satisfying s + f p1 = f c + f p2 .
前記２光子の一方の光周波数をある特定の光周波数に変換する第１の光周波数変換手段と、
前記２光子の他方の光周波数を前記特定の光周波数に変換する第２の光周波数変換手段と、
前記第１および第２の光周波数変換手段により光周波数が一致した２光子のベル状態測定を行うベル状態測定手段とを備え、
前記第１および第２の光周波数変換手段は、２次の非線形光学媒質を備え、光周波数ｆ ｓ の光子および光周波数ｆ ｐ のポンプ光を入力して、ｆ ｃ ＝ｆ ｓ ＋ｆ ｐ を満たす光周波数ｆ ｃ の光子を出力すること特徴とする量子干渉装置。 A quantum interference device for measuring bell states of two photons having different optical frequencies,
First optical frequency conversion means for converting one optical frequency of the two photons into a specific optical frequency;
Second optical frequency conversion means for converting the other optical frequency of the two photons into the specific optical frequency;
And a Bell state measurement means for performing Bell state measurement of the two-photon light frequency matching by said first and second optical frequency conversion means,
It said first and second optical frequency conversion means comprises a second-order nonlinear optical medium, to input pump light photons and the optical frequency f p of the optical frequency f s, satisfy f c = f s + f p quantum interference device according to this and features outputting photons of the optical frequency f c.
前記２光子の一方の光周波数をある特定の光周波数に変換する第１の光周波数変換手段と、
前記２光子の他方の光周波数を前記特定の光周波数に変換する第２の光周波数変換手段と、
前記第１および第２の光周波数変換手段により光周波数が一致した２光子のベル状態測定を行うベル状態測定手段とを備え、
前記第１および第２の光周波数変換手段は、３次の非線形光学媒質を備え、光周波数ｆ ｓ の光子、光周波数ｆ ｐ１ の第１のポンプ光および光周波数ｆ ｐ２ の第２のポンプ光を入力して、ｆ ｓ ＋ｆ ｐ１ ＝ｆ ｃ ＋ｆ ｐ２ を満たす光周波数ｆ ｃ の光子を出力すること特徴とする量子干渉装置。 A quantum interference device for measuring bell states of two photons having different optical frequencies,
First optical frequency conversion means for converting one optical frequency of the two photons into a specific optical frequency;
Second optical frequency conversion means for converting the other optical frequency of the two photons into the specific optical frequency;
And a Bell state measurement means for performing Bell state measurement of the two-photon light frequency matching by said first and second optical frequency conversion means,
The first and second optical frequency conversion means include a third-order nonlinear optical medium, and include a photon having an optical frequency f s, a first pump light having an optical frequency f p1, and a second pump light having an optical frequency f p2 . And a photon having an optical frequency f c satisfying f s + f p1 = f c + f p2 is output .
ベル状態測定を行う２光子を入力して干渉させる２入力２出力のビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタの各々の出力に接続された光子検出手段と
を備えたことを特徴とする量子干渉装置。 5. The quantum interference device according to claim 1, wherein the bell state measurement unit includes:
A two-input two-output beam splitter that inputs and interferes with two photons for bell state measurement;
And a photon detection means connected to the output of each of the beam splitters.
ベル状態測定を行う２光子を入力して干渉させる２入力２出力のビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタの各出力に接続された偏波ビームスプリッタと、
前記偏波ビームスプリッタの各出力に接続された光子検出手段と
を備えたことを特徴とする量子干渉装置。 5. The quantum interference device according to claim 1, wherein the bell state measurement unit includes:
A two-input two-output beam splitter that inputs and interferes with two photons for bell state measurement;
A polarization beam splitter connected to each output of the beam splitter;
And a photon detection means connected to each output of the polarization beam splitter.
単一光子を発生する第１のノードと、
請求項１から６のいずれかに記載の量子干渉装置を備えた第１のタイプの中継ノードであって、２光子を受信して、ベル状態測定を行う１つまたは複数の第１のタイプの中継ノードと、
量子もつれ状態にある光子対を発生する１つまたは複数の第２のタイプの中継ノードと
単一光子を受信し、ユニタリ変換して光子の状態を測定する第２のノードと
を備え、
前記第１のノードは、前記第１のタイプの中継ノードの最初の中継ノードに前記単一光子を送信するように構成され、前記第１のタイプの中継ノードは、前記第１のノードおよび前記第２のタイプの中継ノードのうち２つのノードからそれぞれ単一の光子を受信し、該受信した２光子のベル状態測定を行うように構成され、前記第２のノードは、前記第２のタイプの中継ノードの最終の中継ノードから前記光子対の一方を受信し、各第１のタイプの中継ノードからベル状態測定の結果を受信して、その結果に基づいて、前記光子対の一方の状態を操作し、該光子の状態を測定するように構成されたことを特徴とする量子通信システム。 A quantum communication system for transferring a quantum state of a photon from a first node to a second node via a relay node,
A first node generating a single photon;
A first type relay node comprising the quantum interference device according to any one of claims 1 to 6, wherein the one or more first type relay nodes receive two photons and perform bell state measurement. A relay node;
One or more second-type relay nodes that generate photon pairs in a entangled state and a second node that receives a single photon, unitarily transforms and measures the state of the photon, and
The first node is configured to transmit the single photon to the first relay node of the first type of relay node, the first type of relay node comprising the first node and the first node Each of the second type relay nodes is configured to receive a single photon from each of the two nodes and perform a bell state measurement of the received two photons, and the second node is configured to receive the second type. One of the photon pairs is received from the last relay node of the relay node, and the result of the bell state measurement is received from each first type relay node, and based on the result, one state of the photon pair is received. And a quantum communication system configured to measure the state of the photon.
単一光子を受信し、ユニタリ変換して光子の状態を測定する第１のノードと、
請求項１から６のいずれかに記載の量子干渉装置を備えた第１のタイプの中継ノードであって、２光子を受信して、ベル状態測定を行う１つまたは複数の第１のタイプの中継ノードと、
量子もつれ状態にある光子対を発生する複数の第２のタイプの中継ノードと
単一光子を受信し、ユニタリ変換して光子の状態を測定する第２のノードと
を備え、
前記第１のノードは、前記第２のタイプの中継ノードの最初の中継ノードから前記光子対の一方を受信し、各第１のタイプの中継ノードからベル状態測定の結果を受信して、その結果に基づいて、前記光子対の一方の状態を操作し、該光子の状態を測定するように構成され、前記第１のタイプの中継ノードは、前記第２のタイプの中継ノードのうち２つの中継ノードからそれぞれ単一の光子を受信し、該受信した２光子のベル状態測定を行うように構成され、前記第２のノードは、前記第２のタイプの中継ノードの最終の中継ノードから前記光子対の一方を受信し、各第１のタイプの中継ノードからベル状態測定の結果を受信して、その結果に基づいて、前記光子対の一方の状態を操作し、該光子の状態を測定するように構成されたことを特徴とする量子通信システム。 A quantum communication system for sharing a entangled state between a first node and a second node via a relay node,
A first node that receives a single photon, unitary transforms and measures the state of the photon;
A first type relay node comprising the quantum interference device according to any one of claims 1 to 6, wherein the one or more first type relay nodes receive two photons and perform bell state measurement. A relay node;
Receiving a second type of relay node and a single photon of multiple that occur photon pairs in the entangled state, and a second node for measuring a state of photons unitary transformation,
The first node receives one of the photon pairs from the first relay node of the second type relay node, receives the bell state measurement result from each first type relay node, and Based on the result, it is configured to manipulate one state of the photon pair and measure the state of the photon, wherein the first type of relay node includes two of the second type of relay nodes Each configured to receive a single photon from a relay node and perform a bell state measurement of the received two photons, the second node from the last relay node of the second type of relay node; One of the photon pairs is received, the result of the bell state measurement is received from each first type relay node, and one of the photon pairs is manipulated based on the result, and the state of the photon is measured. Specially configured to Quantum communication system according to.
単一光子を発生する第１のノードと、
請求項１から６のいずれかに記載の量子干渉装置を備えた第１のタイプの中継ノードであって、２光子を受信して、ベル状態測定を行う１つまたは複数の第１のタイプの中継ノードと、
量子もつれ状態にある多チャネルの光子対を発生する１つまたは複数の第２のタイプの中継ノードと、
単一光子を受信し、ユニタリ変換して光子の状態を測定する複数の第２のノードと
を備え、
前記第１のノードは、前記第１のタイプの中継ノードの最初の中継ノードに前記単一光子を送信するように構成され、前記第１のタイプの中継ノードは、前記第１のノードおよび前記第２のタイプの中継ノードのうち２つのノードからそれぞれ単一の光子を受信し、該受信した２光子のベル状態測定を行うように構成され、前記複数の第２のノードの各々は、前記第２のタイプの中継ノードの最終の中継ノードから前記多チャンネルのそれぞれの光子対の一方を受信し、前記第１のタイプの中継ノードから前記光子対の他方に対応するベル状態測定の結果を受信して、その結果に基づいて、前記光子対の一方の状態を操作し、該光子の状態を測定するように構成されたことを特徴とする量子通信システム。 A quantum communication system for transferring a quantum state of a photon from a first node to a plurality of second nodes via a relay node,
A first node generating a single photon;
A first type relay node comprising the quantum interference device according to any one of claims 1 to 6, wherein the one or more first type relay nodes receive two photons and perform bell state measurement. A relay node;
One or more second type relay nodes generating multi-channel photon pairs in a entangled state;
A plurality of second nodes for receiving a single photon and unitarily transforming it to measure the state of the photon;
The first node is configured to transmit the single photon to the first relay node of the first type of relay node, the first type of relay node comprising the first node and the first node Each of the plurality of second nodes is configured to receive a single photon from each of two nodes of the second type of relay node and perform a bell state measurement of the received two photons. One of the multi-channel photon pairs is received from the final relay node of the second type relay node, and the result of the bell state measurement corresponding to the other of the photon pairs from the first type relay node is obtained. A quantum communication system configured to receive and operate one state of the photon pair based on the result to measure the state of the photon.
単一光子を受信し、ユニタリ変換して光子の状態を測定する複数の第１のノードと、
請求項１から６のいずれかに記載の量子干渉装置を備えた第１のタイプの中継ノードであって、２光子を受信して、ベル状態測定を行う１つまたは複数の第１のタイプの中継ノードと、
量子もつれ状態にある多チャネルの光子対を発生する複数の第２のタイプの中継ノードと、
単一光子を受信し、ユニタリ変換して光子の状態を測定する複数の第２のノードと
を備え、
前記複数の第１のノードの各々は、前記第２のタイプの中継ノードの最初の中継ノードから前記多チャネルのそれぞれの光子対の一方を受信し、前記第１のタイプの中継ノードから前記光子対の他方に対応するベル状態測定の結果を受信して、その結果に基づいて、前記光子対の一方の状態を操作し、該光子の状態を測定するように構成され、前記第１のタイプの中継ノードは、前記第２のタイプの中継ノードのうち２つの中継ノードから前記多チャネルのそれぞれの光子対の一方を受信し、該受信した２光子のベル状態測定を行うように構成され、前記複数の第２のノードの各々は、前記第２のタイプの中継ノードの最終の中継ノードから前記多チャネルのそれぞれの光子対の一方を受信し、前記第１のタイプの中継ノードから前記光子対の他方に対応するベル状態測定の結果を受信して、その結果に基づいて、前記光子対の一方の状態を操作し、該光子の状態を測定するように構成されたことを特徴とする量子通信システム。 A quantum communication system for sharing a quantum entangled state between a plurality of first nodes and a plurality of second nodes via a relay node,
A plurality of first nodes that receive a single photon, unitary transform and measure the state of the photon;
A first type relay node comprising the quantum interference device according to any one of claims 1 to 6, wherein the one or more first type relay nodes receive two photons and perform bell state measurement. A relay node;
A second type of relaying multiple nodes that occur photon pairs of multi-channels in entangled state,
A plurality of second nodes for receiving a single photon and unitarily transforming it to measure the state of the photon;
Each of the plurality of first nodes receives one of the multi-channel respective photon pairs from a first relay node of the second type relay node, and receives the photons from the first type relay node. Receiving the result of the bell state measurement corresponding to the other of the pair and, based on the result, operating one state of the photon pair to measure the state of the photon, the first type The relay node is configured to receive one of the multi-channel photon pairs from two of the second type of relay nodes and to measure the received two-photon bell state; Each of the plurality of second nodes receives one of the multi-channel respective photon pairs from the last relay node of the second type relay node and receives the photon from the first type relay node. versus Quantum communication configured to receive a bell state measurement result corresponding to the other, operate one state of the photon pair based on the result, and measure the state of the photon system.
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