JP5534568B2 - Quantum communication method, quantum communication system, and receiver - Google Patents

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本発明は、送信者側で量子系を或る量子状態に準備して受信者側へ送る工程と、受信者側でその量子系に対して量子測定を行う工程とを含む量子通信技術に関する。   The present invention relates to a quantum communication technique including a step of preparing a quantum system in a certain quantum state on the transmitter side and sending the quantum system to the receiver side, and a step of performing quantum measurement on the quantum system on the receiver side.

本明細書において、量子系とは、その振る舞いが量子論で記述される系をいい、例えば光子、電子、その他の素粒子、原子、C60フラーレンその他の分子が挙げられる。 In the present specification, the quantum system, the behavior refers to a system described by quantum theory, for example photons, electrons, and other particles, atoms, include C 60 fullerene other molecules.

本明細書において、PVMとは、射影作用素値測度(Projection Valued Measure)の略であり、要素が互いに直交する射影演算子からなるPOVMをいう。射影測定とは、測定演算子がPVMで記述される量子測定をいう。なお、POVMとは、正作用素値測度(Positive Operator Valued Measure)の略であり、正値性と完全性とを満たす作用素(演算子)の集合である。PVMやPOVM等の集合を構成する演算子を要素とも呼ぶ。   In this specification, PVM is an abbreviation for Projection Valued Measure, and refers to POVM composed of projection operators whose elements are orthogonal to each other. Projection measurement refers to quantum measurement in which the measurement operator is described in PVM. Note that POVM is an abbreviation of Positive Operator Valued Measure, and is a set of operators (operators) that satisfy both positive value and completeness. An operator constituting a set such as PVM or POVM is also called an element.

非特許文献1は、当該技術分野における市販の一般的教科書である。上記各用語及びその定義は、非特許文献1にも記載の通りである。   Non-Patent Document 1 is a commercially available general textbook in this technical field. The above terms and their definitions are as described in Non-Patent Document 1.

非特許文献2に、量子通信技術として今日では周知化したBB84(Bennett Brassard 84)プロトコルが開示されている。以下、制限的意味なく、量子系が2準位系としての光子であり、量子状態が光子の偏光状態である場合を例に挙げて、BB84プロトコルを概説する。   Non-Patent Document 2 discloses a BB84 (Bennett Brassard 84) protocol that is now widely known as a quantum communication technique. Hereinafter, without limitation, the BB84 protocol will be outlined by taking as an example the case where the quantum system is a photon as a two-level system and the quantum state is the polarization state of the photon.

前提として、送信者と受信者は、或る第1のPVMと、この第1のPVMの要素とは非直交な要素よりなる第2のPVMとを決めておく。ここでは、第1のPVMが|H><H|及び|V><V|を要素とし、第2のPVMが|R><R|及び|L><L|を要素とする場合を説明する。   As a premise, the sender and the receiver determine a certain first PVM and a second PVM composed of elements that are not orthogonal to the elements of the first PVM. Here, a case where the first PVM has | H> <H | and | V> <V | as elements and the second PVM has | R> <R | and | L> <L | To do.

ここで、|H>は水平方向直線偏光状態、|V>は垂直方向直線偏光状態、|R>は右回り円偏光状態、|L>は左回り円偏光状態をそれぞれディラックのブラケット記法で表したものである。第1及び第2のPVMの各要素は、測定演算子であると共に、密度演算子で表現された偏光状態でもある。   Where | H> is a horizontal linear polarization state, | V> is a vertical linear polarization state, | R> is a clockwise circular polarization state, and | L> is a counterclockwise circular polarization state in Dirac bracket notation. It is a thing. Each element of the first and second PVMs is a measurement operator and also a polarization state expressed by a density operator.

図7に、BB84プロトコルを実施する量子通信システムの概念図を示す。送信者側に配置された送信装置20と、受信者側に配置された受信装置21とが、量子チャンネル22及び公衆チャンネル23で接続されている。   FIG. 7 shows a conceptual diagram of a quantum communication system that implements the BB84 protocol. A transmitting device 20 arranged on the sender side and a receiving device 21 arranged on the receiver side are connected by a quantum channel 22 and a public channel 23.

送信装置20において、光子出射器24が、第1及び第2のPVMの和集合{|H><H|,|V><V|,|R><R|,|L><L|}からランダムに選ばれる偏光状態に準備した光子を、量子チャンネル22を通じて、受信装置21へ次々に出射する。   In the transmission device 20, the photon emitter 24 includes a sum set {| H> <H |, | V> <V |, | R> <R |, | L> <L |} of the first and second PVMs. The photons prepared in the polarization state selected at random are sequentially emitted to the receiving device 21 through the quantum channel 22.

送信者側コンピュータ25が、光子出射器24から出射する各光子を識別する識別情報に、その光子の偏光状態を対応付けて記憶する。ここで、識別情報とは、具体的には、その光子が光子出射器24から出射される順番を表す時間スロットの情報である。   The transmitter computer 25 stores the identification information for identifying each photon emitted from the photon emitter 24 in association with the polarization state of the photon. Here, the identification information is specifically time slot information indicating the order in which the photons are emitted from the photon emitter 24.

第1のPVMと第2のPVMの要素同士は非直交であるため、受信装置21では、取得した光子に対して、状態|H>、|V>、|R>、及び|L>の4つのどれに該当するかを判別する量子測定(POVM測定)を行っても意味がない。即ち、その測定結果からは、光子出射器24が準備した偏光状態について何ら確定的なことが言えない。   Since the elements of the first PVM and the second PVM are non-orthogonal, the receiving device 21 has four states of | H>, | V>, | R>, and | L> with respect to the acquired photons. It does not make sense to perform quantum measurement (POVM measurement) to determine which one of them corresponds. That is, from the measurement result, it cannot be said that there is any definiteness about the polarization state prepared by the photon emitter 24.

そこで、受信装置21では、取得した各光子を、振り分け器26によって第1及び第2の射影測定器27及び28のいずれかにランダムに入射させる。第1の射影測定器27は、第1のPVMを基底とする射影測定、即ち|H>であるか|V>であるかの判定を行う。第2の射影測定器28は、第2のPVMを基底とする射影測定、即ち|R>であるか|L>であるかの判定を行う。   Therefore, in the receiving device 21, the acquired photons are randomly incident on one of the first and second projection measuring devices 27 and 28 by the distributor 26. The first projection measuring device 27 performs projection measurement based on the first PVM, that is, determines whether | H> or | V>. The second projection measuring device 28 performs projection measurement based on the second PVM, that is, determines whether | R> or | L>.

振り分け器26によって、正しいPVM、即ち光子出射器24が準備した偏光状態が属するPVMと同一のPVMが基底に選ばれた場合は、射影測定の結果から、光子出射器24が準備した偏光状態を正しく知ることができる。振り分け器26は50%の確率で正しい基底を選ぶことができる。   When the sorter 26 selects the correct PVM, that is, the same PVM to which the polarization state prepared by the photon emitter 24 belongs, as the basis, the polarization state prepared by the photon emitter 24 is determined from the result of the projection measurement. You can know correctly. The sorter 26 can select the correct base with a probability of 50%.

受信者側コンピュータ29は、各光子を識別する識別情報に、射影測定の基底に用いられたPVM(第1又は第2のPVM)と、射影測定結果とを対応付けて記憶する。なお、送信装置20と受信装置21との間で各光子の時間スロットについて同期がとれていて、双方で同一の光子を識別できる。   The receiver-side computer 29 stores the identification information for identifying each photon in association with the PVM (first or second PVM) used as the basis of the projection measurement and the projection measurement result. Note that the time slot of each photon is synchronized between the transmitting device 20 and the receiving device 21, and the same photon can be identified by both.

以上のようにして、光子の送信と射影測定とが多数回繰り返されたのち、受信者側コンピュータ29が、各光子の射影測定の基底に用いたPVMを、公衆チャンネル23を通じて、送信者側コンピュータ25に通知する。射影測定結果そのものは知らせない。   After the photon transmission and the projection measurement are repeated many times as described above, the receiver computer 29 uses the PVM used as the basis for the projection measurement of each photon through the public channel 23 to the sender computer. 25. The projection measurement result itself is not informed.

それに対して、送信者側コンピュータ25は、各光子について通知されたPVMが、その光子に対して光子出射器24が準備した偏光状態が属するPVMと一致するか否かを照合し、PVMが一致したイベントの識別情報を抽出して、公衆チャンネル23を通じて、受信者側コンピュータ29に回答する。   On the other hand, the sender-side computer 25 checks whether the PVM notified of each photon matches the PVM to which the polarization state prepared by the photon emitter 24 belongs for that photon. The event identification information is extracted, and the response is sent to the recipient computer 29 through the public channel 23.

受信者側コンピュータ29は、その回答によって送受信者間でPVMが一致したイベントを特定できると、その各イベントの射影測定結果において、光子出射器24が準備した偏光状態がそのPVMのどの要素に該当するかも同時に特定できる。これにより、その各イベントにおいて、受信者側に1ビットの情報が伝達されたこととなる。   When the receiver-side computer 29 can identify the event in which the PVM matches between the sender and the receiver by the answer, the polarization state prepared by the photon emitter 24 corresponds to which element of the PVM in the projection measurement result of each event. You can identify at the same time. Thereby, 1-bit information is transmitted to the receiver side in each event.

なお、送受信者間でPVMが一致しなかったイベント、即ち光子出射器24が準備した偏光状態が属するPVMとは異なる方のPVMを振り分け器26が選んだイベントにおいては、光子出射器24が準備した偏光状態について射影測定結果から何も知り得ない。従って、その射影測定結果のデータは破棄される。   In the event that the PVM does not match between the sender and the receiver, that is, the event in which the distributor 26 selects a PVM that is different from the PVM to which the polarization state prepared by the photon emitter 24 belongs, the photon emitter 24 is prepared. No information can be obtained from the projection measurement results regarding the polarization state. Accordingly, the projection measurement result data is discarded.

以上、図7のシステムを参照して説明したが、BB84の本質は、その各工程の実行主体がシステムか人間かの如何によらず、全体として、(i)1つのPVM内では要素同士が直交するため、或る量子状態に準備された量子系に対し、その量子状態を要素に含むPVMを基底とする射影測定を行った場合は、測定結果として必ずその量子状態が得られること、及び(ii)第1のPVMと第2のPVMの要素同士は非直交であるため、一方のPVMの要素が表す量子状態に準備された量子系に対し、他方のPVMを基底とする射影測定を行っても、測定結果からは量子系の量子状態について確定的な情報を得ることが原理的にできないこと、といった自然法則(量子力学)を利用した点にある。   As described above with reference to the system of FIG. 7, the essence of BB84 is as follows. (I) The elements in one PVM are different regardless of whether the execution subject of each process is a system or a human being. Since orthogonal measurement is performed on a quantum system prepared for a certain quantum state, when the projection measurement based on the PVM including the quantum state as an element is performed, the quantum state is always obtained as a measurement result, and (Ii) Since the elements of the first PVM and the second PVM are non-orthogonal, a projection measurement based on the other PVM is performed on the quantum system prepared in the quantum state represented by the element of one PVM. Even if it is performed, the natural law (quantum mechanics) that the deterministic information about the quantum state of the quantum system cannot be obtained in principle from the measurement result is used.

特開2013−108806号公報JP 2013-108806 A

石坂智ら、「量子情報科学入門」、初版、共立出版株式会社、2012年6月10日、p.117-120Satoshi Ishizaka et al. "Introduction to Quantum Information Science", First Edition, Kyoritsu Publishing Co., Ltd., June 10, 2012, p.117-120 C.H.Bennett, G.Brassard,“QuantumCryptography: Public Key Distribution and Coin Tossing”,Proceedingsof IEEE International Conference on Computers Systems and Signal Processing,Bangalore India, pp.175-179 (1984)C.H.Bennett, G.Brassard, “QuantumCryptography: Public Key Distribution and Coin Tossing”, Proceedingsof IEEE International Conference on Computers Systems and Signal Processing, Bangalore India, pp.175-179 (1984) Y.Aharonov et al., Phys. Rev. Lett. 60, 1351 (1988)Y. Aharonov et al., Phys. Rev. Lett. 60, 1351 (1988) 北野正雄、「量子力学の基礎」、初版、共立出版株式会社、2010年1月30日、p.184-185Masao Kitano, “Basics of Quantum Mechanics”, first edition, Kyoritsu Publishing Co., Ltd., January 30, 2010, p.184-185 G.J.Pryde et al. “Measurement of QuantumWeak Values of Photon Polarization” Phys. Rev. Lett.94, 220405 (2005)G.J.Pryde et al. “Measurement of QuantumWeak Values of Photon Polarization” Phys. Rev. Lett. 94, 220405 (2005) 横田一広、井元信之、“弱い量子測定によるハーディーのパラドックスの観測”、日本物理学会誌、Vol. 65, No. 8 (2010)Kazuhiro Yokota and Nobuyuki Imoto, “Observation of Hardy's Paradox by Weak Quantum Measurement”, Journal of the Physical Society of Japan, Vol. 65, No. 8 (2010) Masataka Iinuma et al. “Weak measurement of photonpolarization by back-action-induced path interference”New J. Phys. 13, 033041 (2011)Masataka Iinuma et al. “Weak measurement of photonpolarization by back-action-induced path interference” New J. Phys. 13, 033041 (2011)

量子通信においては、単に送信者側から受信者側に量子系を送信するだけでは、情報伝達を実現することができない。   In quantum communication, information transmission cannot be realized simply by transmitting a quantum system from the sender side to the receiver side.

BB84プロトコルでは、受信者が、送信者から取得した光子ごとに、自己が射影測定の基底に選んだPVMを送信者に報告する必要がある。また、送信者も、光子ごとに、受信者が正しいPVMを選んだか否かを確かめて回答する必要がある。このため、送受信者間での古典通信が煩雑となる。   The BB84 protocol requires the receiver to report to the sender the PVM that he has chosen as the basis for the projection measurement for each photon acquired from the sender. In addition, the sender also needs to confirm and answer for each photon whether or not the receiver has selected the correct PVM. For this reason, classical communication between the sender and the receiver becomes complicated.

本明細書において、古典通信とは、量子系を用いた情報伝達を実現するために、その量子系の送信に付随して行われる送受信者間の通信を指す。図7の例では、公衆チャンネル23を通じた双方のコンピュータ25及び29間の通信が古典通信である。但し、古典通信は、用いるチャンネル(通信路)の物理的実体にはよらない概念であり、例えば古典通信と量子系の送信とで同一のチャンネルを共有する場合もありうるものとする。   In this specification, classical communication refers to communication between a transmitter and a receiver that is performed accompanying transmission of a quantum system in order to realize information transmission using the quantum system. In the example of FIG. 7, the communication between both computers 25 and 29 through the public channel 23 is classical communication. However, classical communication is a concept that does not depend on the physical entity of the channel (communication channel) to be used. For example, classical communication and quantum transmission may share the same channel.

盗聴に対する安全性を高める研究が進められている一方で、BB84プロトコルほどは厳格な手続きを必要としない簡便な量子通信技術も望まれている。   While research to increase safety against eavesdropping is underway, a simple quantum communication technology that does not require as strict procedures as the BB84 protocol is also desired.

本発明の目的は、付随して行われる古典通信が煩雑化しにくい量子通信技術を提供することである。   An object of the present invention is to provide a quantum communication technique in which accompanying classical communication is difficult to complicate.

本願発明者は、弱測定を用いることにより、上記目的を達成しうることを見出した。   The inventor of the present application has found that the above object can be achieved by using weak measurement.

非特許文献3及び4に開示されるように、弱測定(Weak Measurement)それ自体は既に公知である。   As disclosed in Non-Patent Documents 3 and 4, weak measurement itself is already known.

非特許文献5〜7や特許文献1に開示されるように、弱測定の実現例についても、これまで当業者によって種々検討されている。しかし、弱測定を下記本願発明の態様で量子通信に適用した例はこれまでみられない。   As disclosed in Non-Patent Documents 5 to 7 and Patent Document 1, various examples of weak measurement have been studied by those skilled in the art. However, no example of applying weak measurement to quantum communication in the following aspect of the present invention has been found.

本発明の一観点によれば、(a)送信装置が、予め送受信者間で決められた第1のPVMとこの第1のPVMの要素とは非直交な要素よりなる第2のPVMとの和集合からランダムに選ばれる要素が表す量子状態に準備された量子系を次々に受信装置に送る工程と、(b)受信装置が、送信装置から取得した前記量子系の各々に対して、前記第1のPVMを基底とする第1の射影測定及びそれを最終測定とする第1の弱測定、並びに前記第2のPVMを基底とする第2の射影測定及びそれを最終測定とする第2の弱測定のいずれかの連続測定をランダムに選んで行う工程であって、前記第1の弱測定は、送信装置から取得した量子系の量子状態が前記第2のPVMに属する場合に、前記第2のPVMを固有状態の集合とする縮退のないオブザーバブルについてなされ、前記第2の弱測定は、送信装置から取得した量子系の量子状態が前記第1のPVMに属する場合に、前記第1のPVMを固有状態の集合とする縮退のないオブザーバブルについてなされる工程と、(c)送信装置が、前記工程(a)で送った量子系のうち同一の量子状態で送ったものを複数特定する識別情報群を受信装置に通知する工程と、(d)受信装置が、前記識別情報群に対応する各量子系についての前記工程(b)での射影測定結果の統計分布及び弱測定結果から得られる弱値を求め、求めた統計分布及び弱値を用いて前記同一の量子状態を特定する工程とを含む量子通信方法が提供される。 According to one aspect of the present invention, (a) a transmission apparatus includes a first PVM determined in advance between a sender and a receiver and a second PVM formed of elements that are not orthogonal to the elements of the first PVM. A step of sequentially sending a quantum system prepared in a quantum state represented by an element randomly selected from a union to a receiving device, and (b) the receiving device for each of the quantum systems acquired from the transmitting device, the the first projective measurement and it first weak value of the last measurement, as well as the second projection measurements to base the second PVM and it final measurement to base the first PVM 2 The first weak measurement is performed when the quantum state of the quantum system acquired from the transmission device belongs to the second PVM. A non-degenerate observer of the second PVM as a set of eigenstates The second weak measurement is performed for a bubble, and the quantum system obtained from the transmitting device belongs to the first PVM, and the degenerate observable with the first PVM as a set of eigenstates. (C) a step in which the transmitting device notifies the receiving device of an identification information group that specifies a plurality of quantum systems sent in the same quantum state among the quantum systems sent in the step (a); d) The receiving apparatus obtains the statistical distribution of the projection measurement result and the weak value obtained from the weak measurement result in the step (b) for each quantum system corresponding to the identification information group, and obtains the statistical distribution and the weak value obtained. quantum communication method including the step that identifies the same quantum state with is provided.

本発明の他の観点によれば、予め送受信者間で決められた第1のPVMとこの第1のPVMの要素とは非直交な要素よりなる第2のPVMとの和集合からランダムに選ばれる要素が表す量子状態に量子系を準備して次々に出射する量子系出射器と、前記量子系出射器から出射される各量子系を識別する識別情報に、前記量子系出射器によって準備された量子系の量子状態を対応付けて記憶する送信者側コンピュータと、自己に入射した量子系に対して、前記第1のPVMを基底とする第1の射影測定及びそれを最終測定とする第1の弱測定を行い、前記第1の弱測定が、自己に入射した量子系の量子状態が前記第2のPVMに属する場合に、前記第2のPVMを固有状態の集合とする縮退のないオブザーバブルについて行われるように構成された第1の連続測定器と、自己に入射した量子系に対して、前記第2のPVMを基底とする第2の射影測定及びそれを最終測定とする第2の弱測定を行い、前記第2の弱測定が、自己に入射した量子系の量子状態が前記第1のPVMに属する場合に、前記第1のPVMを固有状態の集合とする縮退のないオブザーバブルについて行われるように構成された第2の連続測定器と、前記量子系出射器から出射された各量子系を、前記第1の連続測定器及び前記第2の連続測定器のいずれかにランダムに入射させる振り分け器と、前記送信者側コンピュータに通信可能に接続された受信者側コンピュータであって、前記送信者側コンピュータにおける前記識別情報と対応がとれて受信者側で前記量子系出射器から出射された各量子系を識別する識別情報に、その量子系についての前記第1又は第2の連続測定器の測定結果を対応付けて記憶する機能、並びに前記送信者側コンピュータから、前記量子系出射器から出射された量子系のうち同一の量子状態で出射されたものを複数特定する識別情報群が送信されてきた場合に、その識別情報群に対応する各量子系についての前記第1及び第2の連続測定器での射影測定結果の統計分布及び弱測定結果から得られる弱値を求め、求めた統計分布及び弱値を用いて前記同一の量子状態を特定する機能を有する受信者側コンピュータとを備えた量子通信システムも提供される。 According to another aspect of the present invention, the first PVM predetermined between the sender and the receiver and the first PVM element are randomly selected from the union of the second PVM including non-orthogonal elements. The quantum system emitter prepares a quantum system emitter that emits one after another by preparing a quantum system in the quantum state represented by the element and identification information that identifies each quantum system emitted from the quantum emitter. A first computer that uses the first PVM as a basis and a final measurement for a quantum system incident on the sender computer that stores the quantum state of the quantum system in association with each other. 1 weak measurement is performed, and when the quantum state of the quantum system incident on the first weak measurement belongs to the second PVM, there is no degeneracy with the second PVM as a set of eigenstates. Configured to be done about observable A first continuous measurement instrument was for quantum systems which enters the self performs second projection measurements to base the second PVM and second weak measurements it with the final measurement, the first When the quantum state of the quantum system incident on itself belongs to the first PVM, the weak measurement of 2 is configured to be performed for an undegenerate observable having the first PVM as a set of eigenstates. A second continuous measuring device, and a distributor that randomly injects each quantum system emitted from the quantum system emitting device into either the first continuous measuring device or the second continuous measuring device, A receiver-side computer communicably connected to the sender-side computer, each quantum system emitted from the quantum-system emitter on the receiver side in correspondence with the identification information in the sender-side computer Identify to identify Information, the function of storing the measurement results of the first or second continuous measuring device in association with the quantum system, and the quantum system emitted from the quantum-system emitter from the sender-side computer When a plurality of identification information groups specifying a plurality of light emitted in the same quantum state are transmitted, the projection measurement is performed by the first and second continuous measuring devices for each quantum system corresponding to the identification information group. seeking Yowachi obtained from the statistical distribution and weak measurement results, even quantum communication system comprising a receiver-side computer having a function to identify the same quantum state using the statistical distribution and Yowachi determined Provided.

受信者側では、射影測定結果の統計分布から、送信者側で識別情報群の抽出に用いられた共通の量子状態について、少なくともそれが第1及び第2のPVMのどちらに属するかを特定しうる。射影測定の基底の選択を誤ったイベントにおいても、正しい方のPVMを固有状態の集合とするオブザーバブルの弱測定がなされるため、弱値より、上記特定したPVMのどの要素が上記共通の量子状態であるかをさらに絞り込むことができる。   On the receiver side, at least whether the common quantum state used for extracting the identification information group on the sender side belongs to the first or second PVM from the statistical distribution of the projection measurement result. sell. Even in the event that the projection measurement base is wrongly selected, an observable weak measurement with the correct PVM as a set of eigenstates is performed. Therefore, which element of the specified PVM is determined from the weak value by the common quantum. The state can be further narrowed down.

これにより、量子系をN準位系(但し、Nは2以上の自然数とする。)とすると、1回の識別情報群の通知ごとに1+logNビットの情報を伝達することができ、この情報伝達に際して、量子系ごとに送受信者間でPVMを照合する必要がないので、古典通信の煩雑さが緩和される。 Thus, if the quantum system is an N level system (where N is a natural number of 2 or more), 1 + log 2 N bits of information can be transmitted for each notification of the identification information group. When transmitting information, it is not necessary to check the PVM between the sender and receiver for each quantum system, so that the complexity of classical communication is alleviated.

本発明の実施形態による量子通信システムの概念図である。1 is a conceptual diagram of a quantum communication system according to an embodiment of the present invention. (a)は送信者側コンピュータに記憶されるデータの概念図であり、(b)は受信者側コンピュータに記憶されるデータの概念図である。(A) is a conceptual diagram of data stored in the sender computer, and (b) is a conceptual diagram of data stored in the receiver computer. 本発明の実施形態による量子通信方法のフローチャートである。3 is a flowchart of a quantum communication method according to an embodiment of the present invention. 射影測定結果のヒストグラムを例示する概念図である。It is a conceptual diagram which illustrates the histogram of a projection measurement result. 第1の連続測定器の構成例を示す概略図である。It is the schematic which shows the structural example of a 1st continuous measuring device. 第2の連続測定器の構成例を示す概略図である。It is the schematic which shows the structural example of a 2nd continuous measuring device. 従来の量子通信システムの概念図である。It is a conceptual diagram of the conventional quantum communication system.

図1に、本発明の実施形態による量子通信システムの概念図を示す。送信者側に、送信装置1が配置され、受信者側には、受信装置2が配置されている。   FIG. 1 shows a conceptual diagram of a quantum communication system according to an embodiment of the present invention. A transmitter 1 is arranged on the sender side, and a receiver 2 is arranged on the receiver side.

送信装置1は、量子系出射器としての光子出射器4、及び送信者側コンピュータ5を備える。受信装置2は、振り分け器6、第1の連続測定器7、第2の連続測定器10、及び受信者側コンピュータ13を備える。   The transmitter 1 includes a photon emitter 4 as a quantum emitter and a transmitter computer 5. The receiving device 2 includes a sorting device 6, a first continuous measuring device 7, a second continuous measuring device 10, and a receiver computer 13.

量子チャンネル3によって、光子出射器4と振り分け器6とが接続されている。量子チャンネル3は、例えば、光ファイバや自由空間等で構成される。   The photon emitter 4 and the distributor 6 are connected by the quantum channel 3. The quantum channel 3 is composed of, for example, an optical fiber or a free space.

公衆チャンネル14によって、送信者側コンピュータ5と受信者側コンピュータ13とが接続されている。公衆チャンネル14は、例えば、電話回線やインターネット回線等で構成される。   The sender computer 5 and the receiver computer 13 are connected by the public channel 14. The public channel 14 is composed of, for example, a telephone line or an internet line.

以下、本発明の実施形態による量子通信方法について説明する。   Hereinafter, a quantum communication method according to an embodiment of the present invention will be described.

前提として、送受信者間で、第1のPVMと、この第1のPVMの要素とは非直交な要素よりなる第2のPVMとを予め決めている。第1及び第2のPVMの一方のPVMの全要素は、他方のPVMの任意の要素に対して互いに不偏(mutually unbiased)である。   As a premise, a first PVM and a second PVM made up of elements that are not orthogonal to the elements of the first PVM are determined in advance between the sender and the receiver. All elements of one PVM of the first and second PVMs are mutually unbiased with respect to any element of the other PVM.

本実施形態では、第1のPVMは|H><H|及び|V><V|よりなり、第2のPVMは|R><R|及び|L><L|よりなるものとする。これら第1及び第2のPVMの各要素は、測定演算子であると共に、密度演算子で表現された偏光状態でもある。   In the present embodiment, it is assumed that the first PVM includes | H> <H | and | V> <V |, and the second PVM includes | R> <R | and | L> <L |. Each element of the first and second PVMs is a measurement operator and also a polarization state expressed by a density operator.

光子出射器4が、第1及び第2のPVMの和集合{|H><H|,|V><V|,|R><R|,|L><L|}からランダムに選ばれる偏光状態に光子を準備して次々に出射する。出射された光子は、量子チャネル3を通じて、振り分け器6に入射する。   The photon emitter 4 is randomly selected from the union {| H> <H |, | V> <V |, | R> <R |, | L> <L |} of the first and second PVMs. Photons are prepared in the polarization state and emitted one after another. The emitted photons enter the sorter 6 through the quantum channel 3.

光子出射器4は、例えば、エンタングル光子対の一方を振り分け器6に、他方を送信者側に出射するエンタングル源と、その他方の光子に対して第1及び第2のPVMの和集合よりなるPOVMで記述されるPOVM測定を行うPOVM測定器とを備えて構成することができる。   For example, the photon emitter 4 includes an entanglement source that emits one of the entangled photon pairs to the distributor 6 and the other to the sender side, and a union of the first and second PVMs for the other photon. And a POVM measuring device that performs POVM measurement described in POVM.

図2(a)は、送信者側コンピュータ5が記憶するデータの概念図である。送信者側コンピュータ5は、光子出射器4から光子が出射される毎に、その光子を識別する識別情報と対応付けて、その光子の、光子出射器4によって準備された偏光状態を自己のメモリに記憶する。   FIG. 2A is a conceptual diagram of data stored in the sender computer 5. Each time a photon is emitted from the photon emitter 4, the transmitter computer 5 associates the photon with the identification information for identifying the photon, and stores the polarization state of the photon prepared by the photon emitter 4 in its own memory. To remember.

識別情報は、具体的には、光子が光子出射器4から出射される時刻又は順番を表す時間スロットの情報である。光子出射器4から或る一定時間間隔で光子が次々に出射される場合、光子が何番目に出射されたかの順番を特定できれば、各光子を識別できる。   Specifically, the identification information is time slot information indicating the time or order in which photons are emitted from the photon emitter 4. When photons are sequentially emitted from the photon emitter 4 at certain time intervals, each photon can be identified if the order in which the photons are emitted can be specified.

図1に戻って説明を続ける。振り分け器6が、光子出射器4から取得した各光子を第1及び第2の連続測定器7及び10のいずれかにランダムに入射させる。振り分け器6は、例えば、音響光学偏向器や電気光学偏向器等の光偏向器を備えて構成することができる。   Returning to FIG. 1, the description will be continued. The sorter 6 causes each photon acquired from the photon emitter 4 to randomly enter one of the first and second continuous measuring devices 7 and 10. For example, the distributor 6 can include an optical deflector such as an acousto-optic deflector or an electro-optic deflector.

第1の連続測定器7は、第1の射影測定器8、及び第1の弱測定器9を備える。第1の射影測定器8は、第1のPVMを基底とする射影測定(以下、第1の射影測定という。)、即ち偏光状態が|H>であるか|V>であるかの判定を行う。   The first continuous measuring instrument 7 includes a first projection measuring instrument 8 and a first weak measuring instrument 9. The first projection measuring device 8 performs projection measurement based on the first PVM (hereinafter referred to as first projection measurement), that is, a determination as to whether the polarization state is | H> or | V>. Do.

第1の弱測定器9は、第1の射影測定を最終測定とする弱測定を行う。その弱測定は、第1の連続測定器7に入射する光子の偏光状態が第2のPVMに属する場合には、第2のPVMを固有状態の集合とする縮退のないオブザーバブル(以下、第2のオブザーバブルという。)についてなされる。本実施形態では、第2のオブザーバブルとして、パウリ演算子σを採用する。 The first weak measuring device 9 performs weak measurement with the first projection measurement as the final measurement . In the weak measurement, when the polarization state of a photon incident on the first continuous measuring device 7 belongs to the second PVM, the degenerate observable (hereinafter referred to as the first degenerate state) having the second PVM as a set of eigenstates. 2). In the present embodiment, the Pauli operator σ Y is employed as the second observable.

なお、第1の連続測定器7に入射する光子の偏光状態が第1のPVMに属する場合は、その偏光状態を第1の射影測定器8で正しく知ることができるから、その場合の、第1の弱測定器9の測定結果は用いなくてよい。従って、その場合に、第1の弱測定器9がどのような弱測定を行うかは任意である。弱測定である以上、その弱測定行為が被測定光子の偏光状態に与える擾乱は無視できる程小さい。   If the polarization state of the photon incident on the first continuous measuring instrument 7 belongs to the first PVM, the first projection measuring instrument 8 can correctly know the polarization state. The measurement result of one weak measuring device 9 may not be used. Therefore, in that case, what kind of weak measurement the first weak measuring device 9 performs is arbitrary. As long as it is a weak measurement, the disturbance that the weak measurement act gives to the polarization state of the photon to be measured is so small that it can be ignored.

第2の連続測定器10は、第2の射影測定器11、及び第2の弱測定器12を備える。第2の射影測定器11は、第2のPVMを基底とする射影測定(以下、第2の射影測定という。)、即ち偏光状態が|R>であるか|L>であるかの判定を行う。   The second continuous measuring device 10 includes a second projection measuring device 11 and a second weak measuring device 12. The second projection measuring device 11 performs projection measurement based on the second PVM (hereinafter referred to as second projection measurement), that is, determination of whether the polarization state is | R> or | L>. Do.

第2の弱測定器12は、第2の射影測定を最終測定とする弱測定を行う。その弱測定は、第2の連続測定器10に入射する光子の偏光状態が第1のPVMに属する場合には、第1のPVMを固有状態の集合とする縮退のないオブザーバブル(以下、第1のオブザーバブルという。)についてなされる。本実施形態では、第1のオブザーバブルとして、パウリ演算子σを採用する。 The second weak measuring device 12 performs weak measurement with the second projection measurement as the final measurement . In the weak measurement, when the polarization state of a photon incident on the second continuous measuring device 10 belongs to the first PVM, the degenerate observable (hereinafter referred to as the first degenerate state) having the first PVM as a set of eigenstates. 1). In the present embodiment, the Pauli operator σ Z is employed as the first observable.

なお、第2の連続測定器10に入射する光子の偏光状態が第2のPVMに属する場合は、その偏光状態を第2の射影測定器11で正しく知ることができるから、その場合の、第2の弱測定器12の測定結果は用いなくてよい。従って、その場合に、第2の弱測定器12がどのような弱測定を行うかは任意である。弱測定である以上、その弱測定行為が被測定光子の偏光状態に与える擾乱は無視できる程小さい。   If the polarization state of a photon incident on the second continuous measuring instrument 10 belongs to the second PVM, the second projection measuring instrument 11 can correctly know the polarization state. The measurement result of the second weak measuring device 12 may not be used. Therefore, in that case, what kind of weak measurement the second weak measuring device 12 performs is arbitrary. As long as it is a weak measurement, the disturbance that the weak measurement act gives to the polarization state of the photon to be measured is so small that it can be ignored.

図2(b)は、受信者側コンピュータ13が記憶するデータの概念図である。受信者側コンピュータ13は、光子出射器4から取得した光子について第1又は第2の連続測定器7又は10による弱測定及び射影測定がなされる毎に、受信者側でその光子を識別する識別情報と対応付けて、その弱測定結果及び射影測定結果を自己のメモリに記憶する。   FIG. 2B is a conceptual diagram of data stored in the recipient computer 13. Each time the receiver side computer 13 performs a weak measurement and a projection measurement on the photon obtained from the photon emitter 4 by the first or second continuous measuring device 7 or 10, an identification for identifying the photon on the receiver side is performed. In association with the information, the weak measurement result and the projection measurement result are stored in its own memory.

なお、受信者側の識別情報は、送信者側の識別情報と対応がとれている。具体的には、各光子の時間スロットは、送受信者間で同期がとれている。従って、双方のコンピュータ5及び13の間で、共通の識別情報によって同一の光子を識別できる。識別情報は、いわば各光子に割り当てたラベルである。   The identification information on the receiver side corresponds to the identification information on the sender side. Specifically, the time slot of each photon is synchronized between the sender and receiver. Therefore, the same photon can be identified by common identification information between both computers 5 and 13. The identification information is a label assigned to each photon.

以上のようにして、充分な数(例えば、1千個以上、好ましくは1万個以上)の光子が光子出射器4から第1又は第2の連続測定器7又は10に送信され、送信者側コンピュータ5及び受信側コンピュータ13にそれぞれ充分な数のデータ(図2(a)及び(b)参照)が蓄積される。   As described above, a sufficient number of photons (for example, 1,000 or more, preferably 10,000 or more) are transmitted from the photon emitter 4 to the first or second continuous measuring device 7 or 10, and the sender A sufficient number of data (see FIGS. 2A and 2B) is stored in the side computer 5 and the reception side computer 13, respectively.

図3を参照し、以降のフローについて説明する。   The subsequent flow will be described with reference to FIG.

送信者側コンピュータ5が、第1及び第2のPVMの和集合{|H><H|,|V><V|,|R><R|,|L><L|}から1つの偏光状態を選択する(ステップS1)。この選択の仕方はランダムでもよいし恣意的であってもよいが、盗聴に対する安全性の面からランダムであることが好ましい。なお、選択の主体は送信者であってもよい。   The sender-side computer 5 selects one polarization from the union {| H> <H |, | V> <V |, | R> <R |, | L> <L |} of the first and second PVMs. A state is selected (step S1). This selection method may be random or arbitrary, but is preferably random in terms of security against eavesdropping. The subject of selection may be a sender.

次に、送信者側コンピュータ5は、自己のメモリに蓄積されたデータ(図2(a)参照)を参照し、ステップS1で選択した偏光状態で受信者側へ送られた光子を複数個(例えば、100個以上)特定し、それら光子の識別情報(以下、識別情報群という。)を抽出して、公衆チャンネル14を通じて、受信者側コンピュータ13に通知する(ステップS2)。   Next, the sender computer 5 refers to the data stored in its own memory (see FIG. 2 (a)), and determines a plurality of photons (see FIG. 2A) sent to the receiver in the polarization state selected in step S1. For example, the identification information of these photons (hereinafter referred to as an identification information group) is extracted and notified to the receiver side computer 13 through the public channel 14 (step S2).

受信者側コンピュータ13は、識別情報群を通知されると、自己のメモリに蓄積されたデータ(図2(b)参照)を参照し、その識別情報群に対応する第1及び第2の射影測定結果の統計分布、具体的にはヒストグラムを求める(ステップS3)。   When the recipient computer 13 is notified of the identification information group, the receiver computer 13 refers to the data stored in its own memory (see FIG. 2B), and the first and second projections corresponding to the identification information group. A statistical distribution of measurement results, specifically, a histogram is obtained (step S3).

次に、受信者側コンピュータ13は、求めたヒストグラムに基づいて、ステップS1で送信者側コンピュータ5が選択した偏光状態、即ち送信者側で識別情報群の抽出に用いられた共通の偏光状態(以下、送信者側で選ばれた共通の偏光状態という。)を推定できるか否か判定する(ステップS4)。   Next, the receiver-side computer 13 based on the obtained histogram, the polarization state selected by the sender-side computer 5 in step S1, that is, the common polarization state (used for extracting the identification information group on the sender side) ( Hereinafter, it is determined whether or not the common polarization state selected on the sender side can be estimated (step S4).

以下、ステップS1で、送信者側コンピュータ5が状態|H>を選択し、ステップS2で、それに対応する識別情報群を受信者側コンピュータ13に通知した場合を例に挙げて具体的に説明する。   Hereinafter, the case where the sender computer 5 selects the state | H> in step S1 and notifies the receiver computer 13 of the corresponding identification information group in step S2 will be described in detail. .

図4に、この場合にステップS3で受信者側コンピュータ13が求めるヒストグラムを例示する。受信者側コンピュータ13は、図4(a)及び(b)の少なくともいずれか一方のヒストグラムを得る。   FIG. 4 exemplifies a histogram that the receiver computer 13 obtains in step S3 in this case. The receiver computer 13 obtains at least one of the histograms shown in FIGS.

図4(a)は、第1の射影測定がなされた光子についてのヒストグラムである。状態|H>で送られてきた光子に対し、|H>であるか|V>であるかの判定を行うのだから、正しい結果|H>を得る度数が、誤った結果|V>を得る度数よりも大きい。このような偏りがみられるヒストグラムが得られた場合、受信者側では、送信者側で選ばれた共通の偏光状態が|H>であると推定できる。即ち、ステップS4でYESと判定できる。   FIG. 4A is a histogram of photons for which the first projection measurement has been performed. Since it is determined whether or not | H> or | V> for a photon sent in the state | H>, the frequency of obtaining a correct result | H> obtains an incorrect result | V>. Greater than frequency. When a histogram with such a bias is obtained, the receiver side can estimate that the common polarization state selected on the sender side is | H>. That is, YES can be determined in step S4.

一般に、振り分け器6によって射影測定の基底に選ばれたPVMが、送信者側で選ばれた共通の偏光状態の属するPVMと偶然一致したイベントの、射影測定結果のヒストグラムには偏りがみられる。従って、そのヒストグラムによれば、送信者側で選ばれた共通の偏光状態を原理的には正しく推定できる。   In general, there is a bias in the histogram of the projection measurement result of an event in which the PVM selected as the base of the projection measurement by the distributor 6 coincides with the PVM belonging to the common polarization state selected on the sender side. Therefore, according to the histogram, the common polarization state selected on the sender side can be correctly estimated in principle.

なお、図4(a)には、理想的に偏りがみられる結果を示したが、射影測定結果のヒストグラムにおいて、最も高い度数をUとし、次に高い度数をVとしたとき、U/Vが、例えば1.5以上、好ましくは2以上であるような偏りが得られれば、その最も高い頻度を得た量子状態を、送信者側で選ばれた共通の量子状態であると推定してよい。   FIG. 4A shows an ideally biased result. In the projection measurement result histogram, when U is the highest frequency and V is the next highest frequency, U / V However, if a bias such as 1.5 or more, preferably 2 or more is obtained, it is estimated that the quantum state having the highest frequency is the common quantum state selected on the transmitter side. Good.

図4(b)は、第2の射影測定がなされた光子についてのヒストグラムである。状態|H>で送られてきた光子に対し、間違った基底による射影測定、即ち|R>であるか|L>であるかの判定を行うのだから、どちらの結果を得る確率も1/2であり、測定結果に偏りがみられない。このため、図4(b)の測定結果のみからは、射影測定の基底に選んだPVMが間違いであったということ、従って、送信者側で選ばれた共通の偏光状態が|H>又は|V>であるということは分かるものの(∵|<H|R>|=|<V|R>|=|<H|L>|=|<V|L>|=1/2)、そのどちらであるかについては何も言えない。即ち、ステップS4でNOと判定する。 FIG. 4B is a histogram of photons for which the second projection measurement has been performed. Since the photon transmitted in the state | H> is subjected to the projection measurement by the wrong basis, that is, whether it is | R> or | L>, the probability of obtaining either result is ½. And there is no bias in the measurement results. For this reason, only from the measurement result of FIG. 4B, the PVM selected as the basis of the projection measurement is incorrect, and therefore the common polarization state selected on the sender side is | H> or | Although it is understood that V> (∵ | <H | R> | 2 = | <V | R> | 2 = | <H | L> | 2 = | <V | L> | 2 = 1/2 ), I can't say anything about it. That is, NO is determined in step S4.

一般に、振り分け器6によって射影測定の基底に選ばれたPVMが、送信者側で選ばれた共通の偏光状態の属するPVMと一致しなかったイベントの、射影測定結果のヒストグラムには偏りがみられない。このため、そのヒストグラムからは、射影測定の基底に選んだPVMが間違いであったということ、従って、送信者側で選ばれた共通の偏光状態が第1及び第2のPVMのどちらに属するかは特定しうるものの、その正しいPVM内のどの偏光状態かについては原理的に推定できない。   In general, there is a bias in the histogram of the projection measurement results of events in which the PVM selected as the basis of the projection measurement by the distributor 6 does not match the PVM to which the common polarization state selected on the sender side belongs. Absent. For this reason, the histogram indicates that the PVM selected as the basis of the projection measurement was incorrect, and therefore whether the common polarization state selected on the sender side belongs to the first or second PVM. Can be specified, but in principle it cannot be estimated which polarization state in the correct PVM.

なお、図4(b)には、理想的に偏りのない結果を示したが、総度数が、識別情報群が表す光子数の1/2超、好ましくは3/5超の第iの射影測定結果のヒストグラムにおいて、最も高い度数をUとし、最も低い度数をVとしたとき、U/Vが、例えば1.5未満、好ましくは1.2未満であれば、送信者側で選ばれた共通の量子状態は第jのPVMに属すると特定し、かつその第jのPVM内のどの量子状態かについては推定できないと判断してよい。ここでiは1又は2、jはiが1のとき2、iが2のとき1である。   Although FIG. 4B shows an ideally unbiased result, the i-th projection whose total frequency is more than 1/2 of the number of photons represented by the identification information group, preferably more than 3/5. In the measurement result histogram, when the highest frequency is U and the lowest frequency is V, if U / V is less than 1.5, for example, less than 1.2, it is selected by the sender. The common quantum state may be specified as belonging to the j-th PVM, and it may be determined that the quantum state in the j-th PVM cannot be estimated. Here, i is 1 or 2, j is 2 when i is 1, and 1 when i is 2.

振り分け器6は50%の確率で正しい基底を選ぶので、受信者側コンピュータ13は通常、図4(b)のヒストグラムと共に図4(a)のヒストグラムも得る。その場合は、図4(b)のヒストグラムは無視して、図4(a)のヒストグラムのみから、送信者側で選ばれた共通の偏光状態が|H>であると推定できる。   Since the distributor 6 selects the correct base with a probability of 50%, the receiver computer 13 usually obtains the histogram of FIG. 4A together with the histogram of FIG. 4B. In that case, it can be estimated that the common polarization state selected on the sender side is | H> from only the histogram of FIG.

しかし、識別情報群が特定する光子数(イベント数)は有限であり、かつその数は盗聴に対する安全性の観点からできるだけ少ないことが望まれるため、識別情報群が特定するイベントの実質すべてにおいて振り分け器6が間違った基底を選ぶこともありうる。即ち、受信者側では、実質的に図4(b)のヒストグラムしか得ない場合もありうる。   However, since the number of photons (number of events) specified by the identification information group is finite and the number is desired to be as small as possible from the viewpoint of safety against eavesdropping, it is distributed in virtually all the events specified by the identification information group. It is possible that the vessel 6 chooses the wrong basis. That is, there may be a case where the receiver side can substantially obtain only the histogram of FIG.

ここで実質的にとは、正しい基底(いまの場合、第1のPVM)を選んだイベント数はゼロではないものの、そのイベント数が少なすぎ、かつノイズや弱測定の反作用の影響等も受けて、図4(a)のような明瞭なHとVの度数の偏りが現れないため、|H>か|V>かが判然としない場合も含むことを指す。   Here, “substantially” means that the number of events for which the correct basis (in this case, the first PVM) is selected is not zero, but the number of events is too small, and it is also affected by noise and weak measurement reaction. Thus, since there is no clear frequency deviation between H and V as shown in FIG. 4 (a), this also includes the case where | H> or | V> is unclear.

総度数が、識別情報群が特定する光子数の例えば1/15未満、好ましくは1/10未満のヒストグラムは、たとえそれが正しい基底が選ばれた射影測定の結果と特定できる場合であっても、ステップS4の判定に際して考慮しないことが好ましい。   A histogram whose total frequency is, for example, less than 1/15, preferably less than 1/10 of the number of photons specified by the identification information group, even if it can be identified as the result of the projection measurement with the correct basis selected. It is preferable not to consider in the determination in step S4.

図3に戻って説明を続ける。受信者側コンピュータ13は、図4(a)の結果が得られた場合のように、射影測定結果のヒストグラムから、送信者側で選ばれた共通の偏光状態を推定できるならば(ステップS4;YES)、推定完了として再びステップS1に戻り、送信者側コンピュータ5に次の識別情報群を通知してもらう(return)。   Returning to FIG. 3, the description will be continued. If the receiver-side computer 13 can estimate the common polarization state selected on the sender side from the histogram of the projection measurement result, as in the case where the result of FIG. 4A is obtained (step S4; YES), the process returns to step S1 again as the estimation is completed, and the sender computer 5 is notified of the next identification information group (return).

一方、受信者側コンピュータ13は、実質的に図4(b)の結果しか得られなかった場合のように、射影測定結果のヒストグラムからは、送信者側で選ばれた共通の偏光状態を推定できないと判断する場合(ステップS4;NO)、その間違った基底の射影測定を最終測定とする弱測定の結果から、その平均値としての弱値を求める(ステップS5)。 On the other hand, the receiver-side computer 13 estimates the common polarization state selected on the sender side from the projection measurement result histogram, as in the case where only the result of FIG. When it is determined that it cannot be performed (step S4; NO), a weak value as an average value is obtained from the result of the weak measurement using the wrong base projection measurement as the final measurement (step S5).

ステップS4でNOの場合、受信者側では、送信者側で選ばれた共通の偏光状態が第1及び第2のPVMのどちらに属するかは特定できている。弱値を求めることにより、その特定したPVMのどの要素が、送信者側で選ばれた共通の偏光状態であるかを絞り込むことができる。   In the case of NO in step S4, the receiver side can identify whether the common polarization state selected on the transmitter side belongs to the first or second PVM. By obtaining the weak value, it is possible to narrow down which element of the specified PVM is the common polarization state selected on the transmitter side.

以下、弱値に基づいて、送信者側で選ばれた共通の偏光状態を推定し得る点について、理論的な観点から説明する。   Hereinafter, the point that the common polarization state selected on the transmitter side can be estimated based on the weak value will be described from a theoretical viewpoint.

一般に、弱測定は、量子系の或る始状態|i>の準備と、POVM{|f><f|}(但し、mは測定結果を識別するインデックスである。)で記述される最終測定との間の中間段階で、その量子系に無視できる程小さな擾乱しか与えない条件で、その量子系のオブザーバブルに関する情報を取得する操作をいう。量子系に与える擾乱は無視できる程小さいが、1回の弱測定では量子系から充分な情報が得られない。しかし、同じ始状態の準備と最終測定を繰り返すことができる場合、その繰り返し数に応じた数の弱測定結果のアンサンブルを得、そのアンサンブルを最終測定の結果別にサブアンサンブルに分類すると、各サブアンサンブル内での平均値が繰り返し数の増大に伴って弱値と呼ばれる値(の実部)に収束する。なお、そのように弱測定結果を最終測定の結果別に分類することを事後選択という。最終測定結果の状態、即ち終状態|f>に事後選択されたオブザーバブルAの弱値の理論値は次式で与えられる。 In general, a weak measurement is described by the preparation of a certain initial state | i> of the quantum system and POVM {| f m ><f m |} (where m is an index for identifying the measurement result). This is an operation to acquire information related to the observable of the quantum system under the condition that only a negligible disturbance is given to the quantum system at an intermediate stage from the final measurement. The disturbance given to the quantum system is negligibly small, but sufficient information cannot be obtained from the quantum system in one weak measurement. However, if the same initial state preparation and final measurement can be repeated, the number of weak measurement result ensembles corresponding to the number of repetitions is obtained, and the ensembles are classified into sub-ensembles according to the final measurement results. The average value converges to a value (real part) called a weak value as the number of repetitions increases. In addition, such a weak measurement result is classified according to the final measurement result as post-selection. The state of the final measurement result, that is, the theoretical value of the weak value of the observable A selected after the final state | f m > is given by the following equation.

本実施形態では、式(1)の弱値を、始状態|i>を推定するための手段として用いる。即ち、始状態|i>を具体的に知らなくても弱値を計算できるならば、既知のオブザーバブルAと終状態|f>とから|i>を推定できる。 In the present embodiment, the weak value of Equation (1) is used as a means for estimating the starting state | i>. That is, if a weak value can be calculated without specifically knowing the starting state | i>, | i> can be estimated from the known observable A and the final state | f m >.

受信者は、始状態としての、送信者側で選ばれた共通の偏光状態が、具体的にどの偏光状態かは知らなくても、識別情報群の通知によって、とにかく始状態が同じイベントを特定できるので、弱測定結果を、最終測定としての射影測定の結果に応じて事後選択することにより、弱値を算出できる。従って、その弱値と既知のオブザーバブルσ又はσと終状態|R>,|L>,|H>,又は|V>とから、始状態を推定できる。 Even if the receiver does not know which polarization state is the common polarization state selected on the sender side as the starting state, the event with the same starting state can be identified by the notification of the identification information group. Therefore, the weak value can be calculated by selecting the result of the weak measurement according to the result of the projection measurement as the final measurement. Therefore, the starting state can be estimated from the weak value, the known observable σ Z or σ Y, and the final state | R>, | L>, | H>, or | V>.

例えば、図4(b)のヒストグラムしか得られなかった場合のように、始状態が第1のPVMに属することは特定できても、それが|H>なのか|V>なのかは判然としない状況を考える。第2のPVM(|R>又は|L>)を基底とする第2の射影測定がなされ、それを最終測定とする、第2の弱測定器12によるオブザーバブルσZの弱測定がなされている。その弱測定結果のアンサンブルを、終状態が|R>であるか|L>であるかによって2つのサブアンサンブルに分類する。即ち、事後選択する。すると、その各サブアンサンブル内の平均値として弱値を計算できる。 For example, even if it is possible to specify that the starting state belongs to the first PVM as in the case where only the histogram of FIG. 4B is obtained, it is obvious whether it is | H> or | V>. Think of a situation that does not. The second projection measurement based on the second PVM (| R> or | L>) is performed, and the weak measurement of the observable σZ is performed by the second weak measuring device 12 using the second projection measurement as the final measurement . . The ensemble of the weak measurement result is classified into two subensembles depending on whether the final state is | R> or | L>. That is, select after the fact. Then, a weak value can be calculated as an average value in each sub-ensemble.

一方、始状態が|H>又は|V>ということは分かっているので、それぞれの場合についての、終状態|R>に事後選択されたオブザーバブルσの弱値として、式(1)より、次の各理論値が与えられる。 On the other hand, since it is known that the start state is | H> or | V>, the weak value of the observable σ Z that is selected after the end state | R> for each case is obtained from the equation (1). The following theoretical values are given.

受信者は、始状態が|H>なのか|V>なのか知らないが、終状態|R>に事後選択されたオブザーバブルσの弱値の計算値が1に近い値であれば、式(2)より、始状態が|H>であると特定できる。また、その弱値の計算値が−1に近い値であれば、式(3)より、始状態が|V>であると特定できる。 The receiver does not know whether the initial state is | H> or | V>, but if the calculated value of the weak value of the observable σ Z that is selected after the final state | R> is close to 1, From the equation (2), it can be specified that the starting state is | H>. Further, if the calculated value of the weak value is close to −1, it can be specified from the equation (3) that the starting state is | V>.

同様に、終状態|L>に事後選択されたオブザーバブルσの弱値の理論値は、式(1)より、次のように与えられる。 Similarly, the theoretical value of the weak value of the observable σ Z that is selected after the final state | L> is given by the following equation (1).

この場合も、受信者は、終状態|L>に事後選択されたオブザーバブルσの弱値の計算値が1に近い値であれば、式(4)より、始状態が|H>であると特定でき、その弱値の計算値が−1に近い値であれば、式(5)より、始状態が|V>であると特定できる。 Also in this case, if the calculated value of the weak value of the observable σ Z that has been selected in the final state | L> is close to 1, the receiver determines that the initial state is | H> from Equation (4). If the calculated value of the weak value is close to −1, the starting state can be specified as | V> from the equation (5).

結局、式(3)〜(5)より、終状態としての第2の射影測定結果の状態が|R>であろうと|L>であろうと、弱値の計算値が1に近いか−1に近いかによって始状態を特定できることが分かる。このことは、事後選択の必要がないことを意味する。即ち、第2の射影測定結果には着目せずに、とにかく第2の弱測定結果の平均値を求めればよい。その平均値は、事後選択をしない場合の弱値である。   After all, from the formulas (3) to (5), whether the calculated value of the weak value is close to 1 regardless of whether the state of the second projection measurement result as the final state is | R> or | L>. It can be seen that the starting state can be specified depending on whether it is close to. This means that there is no need for post-selection. That is, the average value of the second weak measurement results may be obtained anyway without paying attention to the second projection measurement results. The average value is a weak value when no subsequent selection is made.

簡単な計算により、事後選択をしない場合の弱値の理論値は、次式に示すように、始状態についての期待値と等価であることが示される。   A simple calculation shows that the theoretical value of the weak value without the post-selection is equivalent to the expected value for the starting state, as shown in the following equation.

そこで、受信者は、最終測定としての第2の射影測定に付随する弱測定の結果、即ち、第2の弱測定器12の測定結果の平均値を算出し、その値(事後選択をしない場合の弱値)が1に近ければ、式(6)より始状態が|H>であると特定でき、−1に近ければ、式(7)より始状態が|V>であると特定できる。   Therefore, the receiver calculates the result of the weak measurement accompanying the second projection measurement as the final measurement, that is, the average value of the measurement result of the second weak measuring device 12, and the value (when the post-selection is not performed) If it is close to 1, the starting state can be specified as | H> from Equation (6), and if it is close to −1, the starting state can be specified as | V> from Equation (7).

以上、始状態が第1のPVMに属するにも関わらず、受信者側で第2の射影測定を選んだ場合について述べた。同様に、始状態が第2のPVMに属するにも関わらず、受信者側で第1の射影測定を選んだ場合についても、事後選択をしない場合のオブザーバブルσの弱値の理論値は、次式に示すように始状態についての期待値と等価である。 The case has been described above where the second projection measurement is selected on the receiver side even though the start state belongs to the first PVM. Similarly, even when the initial state belongs to the second PVM and the first projection measurement is selected on the receiver side, the theoretical value of the weak value of the observable σ Y without the subsequent selection is This is equivalent to the expected value for the starting state as shown in the following equation.

そこで、受信者は、第1の射影測定に付随する弱測定の結果、即ち、第1の弱測定器9の測定結果の平均値を算出し、その値(事後選択をしない場合の弱値)が1に近ければ、式(8)より始状態が|R>であると特定でき、−1に近ければ、式(9)より始状態が|L>であると特定できる。   Therefore, the receiver calculates the result of the weak measurement accompanying the first projection measurement, that is, the average value of the measurement result of the first weak measuring device 9, and the value (weak value when the post-selection is not performed). Is close to 1, the starting state can be specified as | R> from Equation (8), and when it is close to −1, the starting state can be specified from | L>.

図3に戻って、ステップS5以降のフローの説明を続ける。   Returning to FIG. 3, the description of the flow after step S5 is continued.

受信者側コンピュータ13は、ステップS4でNOと判定する場合、識別情報群に対応する弱測定結果の全アンサンブルの中から、間違った基底での射影測定を最終測定とする弱測定の結果を抽出し、その抽出したサブアンサンブル内での平均値を算出する(ステップS5)。この平均値は、既述のように、事後選択をしない場合の弱値に相当する。 If the receiver-side computer 13 determines NO in step S4, it extracts a weak measurement result whose final measurement is a projection measurement on the wrong basis from all ensembles of weak measurement results corresponding to the identification information group. Then, the average value in the extracted subensemble is calculated (step S5). As described above, this average value corresponds to a weak value when no post-selection is performed.

次に、受信者側コンピュータ13は、その算出した弱値に基づき、送信者側で選ばれた共通の偏光状態を特定できるか否かを判定する(ステップS6)。   Next, the receiver side computer 13 determines whether or not the common polarization state selected on the sender side can be specified based on the calculated weak value (step S6).

例えば、ステップS3で図4(b)のヒストグラムしか得られなかった場合でも、その弱値が1に近ければ、式(6)より送信者側で選ばれた共通の偏光状態が|H>であると特定でき、−1に近ければ、式(7)よりそれが|V>であると特定できる。即ち、ステップS6でYESと判定できる。   For example, even if only the histogram of FIG. 4B is obtained in step S3, if the weak value is close to 1, the common polarization state selected on the sender side from Equation (6) is | H>. If it is close to −1, it can be specified as | V> from Equation (7). That is, YES can be determined in step S6.

同様に、受信者側コンピュータ13は、ステップS3で基底{|H>、|V>}について図4(b)と同様のヒストグラムしか得られなかった場合でも、事後選択をしない場合の弱値を算出し、それが1に近ければ、式(8)より送信者側で選ばれた共通の偏光状態が|R>であると特定でき、−1に近ければ、式(9)よりそれが|L>であると特定できる。即ち、ステップS6でYESと判定できる。   Similarly, even if only the same histogram as in FIG. 4B is obtained for the basis {| H>, | V>} in step S3, the receiver-side computer 13 obtains a weak value in the case where no subsequent selection is performed. If it is calculated and if it is close to 1, the common polarization state selected on the sender side from the equation (8) can be specified as | R>, and if close to −1, it can be determined from the equation (9) as | It can be specified that L>. That is, YES can be determined in step S6.

具体的には、例えば、事後選択をしない場合の弱値をW、弱測定する縮退のないオブザーバブルの1つの固有値をM、これに最も近い他の固有値をN(但し、N>Mとする。)、δ=|N−M|/10としたとき、W<(M+N)/2−δならば、WはMに近いため送信者側で選ばれた共通の量子状態は固有値Mに対応する固有状態であると判断し、W>(M+N)/2+δならば、WはNに近いため送信者側で選ばれた共通の量子状態は固有値Nに対応する固有状態であると判断してよい(ステップS6;YES)。一方、任意のM、Nについて、(M+N)/2−δ≦W≦(M+N)/2+δであれば、送信者側で選ばれた共通の量子状態を推定不可能と判断すればよい(ステップS6;NO)。なお、δは|N−M|/5であることが好ましい。   Specifically, for example, the weak value when the post-selection is not performed is W, one eigenvalue of an observable without degeneration that is weakly measured is M, and the other eigenvalue closest thereto is N (where N> M) ), Where δ = | N−M | / 10, if W <(M + N) / 2−δ, since W is close to M, the common quantum state selected on the sender side corresponds to the eigenvalue M. If W> (M + N) / 2 + δ, since W is close to N, it is determined that the common quantum state selected on the transmitter side is an eigenstate corresponding to the eigenvalue N. Good (step S6; YES). On the other hand, for any M and N, if (M + N) / 2−δ ≦ W ≦ (M + N) / 2 + δ, it may be determined that the common quantum state selected on the sender side cannot be estimated (step S6; NO). Note that δ is preferably | N−M | / 5.

いまの具体例では、事後選択をしない場合の弱値が、−0.2未満であれば送信者側で選ばれた共通の偏光状態が|V>であると特定し(ステップS6;YES)、0.2超であれば|H>であると特定し(ステップS6;YES)、−0.2以上0.2以下であれば、特定不可能と判断する(ステップS6;NO)。   In the present specific example, if the weak value in the case of no subsequent selection is less than −0.2, the common polarization state selected on the sender side is specified as | V> (step S6; YES). If it exceeds 0.2, it is specified that | H> (step S6; YES), and if it is −0.2 or more and 0.2 or less, it is determined that it cannot be specified (step S6; NO).

受信者側コンピュータ13は、事後選択をしない場合の弱値に基づいて、送信者側で選ばれた共通の偏光状態を特定できるならば(ステップS6;YES)、推定完了として再びステップS1に戻り、送信者側コンピュータ5に次の識別情報群を通知してもらう(return)。   If the receiver-side computer 13 can identify the common polarization state selected on the sender side based on the weak value in the case where the post-selection is not performed (step S6; YES), the process returns to step S1 again as the completion of estimation. The sender computer 5 is notified of the next group of identification information (return).

送信者側で選ばれた共通の偏光状態を特定できたとき(ステップS4;YES及びステップS6;YES)、第1及び第2のPVMの和集合の要素数、即ちいまの場合4つの要素から1つを特定できたという意味で2ビットの情報が送信者側から受信者側に伝達されたことになる。なお、一般には、量子系をN準位系とすると、1回の識別情報群の通知ごとに、1+logNビットの情報が伝達されることとなる。 When the common polarization state selected on the sender side can be specified (step S4; YES and step S6; YES), the number of elements of the union of the first and second PVMs, that is, four elements in this case, This means that 2-bit information is transmitted from the sender side to the receiver side in the sense that one could be specified. In general, if the quantum system is an N-level system, 1 + log 2 N-bit information is transmitted for each notification of the identification information group.

本実施形態によれば、この情報伝達に際し、BB84プロトコルでは必要であった送受信者間での量子系ごとのPVMの照合が不要となるので、古典通信、具体的には公衆チャンネル14を通じた双方のコンピュータ5及び13間の通信の煩雑さが緩和される。ステップS1に戻って次の識別情報群を通知してもらうことを繰り返すことにより(return)、所望のビット数の情報、例えば鍵データを送受信者間で共有できる。   According to the present embodiment, when this information is transmitted, it is not necessary to check the PVM for each quantum system between the sender and the receiver, which is necessary for the BB84 protocol. The complexity of communication between the computers 5 and 13 is reduced. By returning to step S1 and notifying the next group of identification information (return), information of a desired number of bits, for example, key data can be shared between the sender and the receiver.

一方、受信者側コンピュータ13は、事後選択をしない場合の弱値に基づき、送信者側で選ばれた共通の偏光状態を特定できないならば(ステップS6;NO)、盗聴の可能性がある旨を、公衆チャンネル14を通じて、送信者側コンピュータ5に伝える(ステップS7)。   On the other hand, if the receiver-side computer 13 cannot identify the common polarization state selected on the sender side based on the weak value in the case where no subsequent selection is made (step S6; NO), there is a possibility of wiretapping. Is transmitted to the sender computer 5 through the public channel 14 (step S7).

これは、識別情報群が表すイベントでは始状態は同じであるにも関わらず、射影測定結果からも、弱測定結果からも、その始状態を推定できない場合は、光子が量子チャンネル3を通過する過程で、第三者が盗聴目的のPOVM測定又は射影測定をその光子に行った可能性があるからである。即ち、盗聴目的の測定によって、振り分け器6に到達時点の偏光状態が始状態とは異なる状態にばらつくと、射影測定結果も弱測定結果もノイジーとなって結果の統計分布に偏りがみられなくなる。即ち、明瞭度が低下する。   This is because the photon passes through the quantum channel 3 when the start state cannot be estimated from the projection measurement result or the weak measurement result even though the start state is the same in the event represented by the identification information group. This is because a third party may have performed a POVM measurement or projection measurement on the photon for eavesdropping in the process. That is, if the polarization state at the time of reaching the sorter 6 varies from the initial state due to wiretapping measurement, both the projection measurement result and the weak measurement result are noisy, and the statistical distribution of the result is not biased. . That is, the clarity is reduced.

本実施形態によれば、このように、受信者側において、識別情報群に対応する射影測定結果の統計分布及び弱値より、盗聴目的のPOVM測定又は射影測定が行われた可能性も評価することができる。   According to the present embodiment, in this way, the receiver side also evaluates the possibility that the eavesdropping POVM measurement or the projection measurement has been performed from the statistical distribution and the weak value of the projection measurement result corresponding to the identification information group. be able to.

ステップS7で盗聴の可能性がある旨を送信者側に通知した場合の対処としては、再びステップS1に戻り、送信者側に別の識別情報群を通知してもらってもよいし(return)、本フロー自体を中止してもよい。   As a countermeasure when notifying the sender that there is a possibility of eavesdropping in step S7, it is possible to return to step S1 again to notify the sender of another group of identification information (return). This flow itself may be canceled.

なお、盗聴目的の量子測定が弱測定の場合は、受信者側でこれを検知できないが、弱測定は最終測定と組み合わせて始めて意味をもつところ、本実施形態によれば、受信者側
コンピュータ13は、最終測定としての射影測定の結果は勿論、その基底が第1のPVMなのか第2のPVMなのかさえ公表しないので、盗聴者は弱測定結果から意味のある情報を原理的に得ることができない。このため、盗聴に対する安全性を確保できる。
When the quantum measurement for eavesdropping is weak measurement, this cannot be detected on the receiver side, but the weak measurement is meaningful only in combination with the final measurement. According to the present embodiment, the receiver computer 13 Does not disclose whether the basis is the first PVM or the second PVM as well as the result of the projection measurement as the final measurement, so that an eavesdropper can obtain meaningful information from the weak measurement result in principle. I can't. For this reason, safety against eavesdropping can be ensured.

以上、実施形態による量子通信方法について説明したが、本発明はこれに限られない。   Although the quantum communication method according to the embodiment has been described above, the present invention is not limited to this.

例えば、図3の例では、ステップS4でYESならば、直ちにreturnとしたが、確認的に、誤った方の射影測定結果に付随する弱測定結果から得られる弱値を求めてもよい。例えば、図4(a)及び(b)の両方のヒストグラムが得られ、図4(a)のみから始状態が|H>であると推定できる場合でも、確認的に図4(b)の射影測定結果に付随する弱測定結果から得られる弱値を求めてもよい。その結果、1に近い弱値が得られれば、始状態が|H>であることが首肯されることとなる。   For example, in the example of FIG. 3, if “YES” is determined in step S4, “return” is set immediately. However, a weak value obtained from the weak measurement result associated with the wrong projection measurement result may be obtained for confirmation. For example, even when the histograms of both FIGS. 4A and 4B are obtained and it can be estimated that the starting state is | H> only from FIG. 4A, the projection of FIG. You may obtain | require the weak value obtained from the weak measurement result accompanying a measurement result. As a result, if a weak value close to 1 is obtained, it is confirmed that the starting state is | H>.

また、図3のステップS4でYESの場合に、確認的に、正しい方の射影測定結果に付随する弱測定結果から得られる弱値を求めてもよい。この場合にノイジーな弱値、具体的にはステップS6でNOと判定する場合と同様の弱値(理想的にはゼロ)が得られるようにしておけば、そのノイジーな弱値が得られることによって、付随する射影測定の基底の選択が正しいことが首肯されることとなる。   Further, in the case of YES in step S4 of FIG. 3, the weak value obtained from the weak measurement result accompanying the correct projection measurement result may be obtained for confirmation. In this case, if it is made to obtain a noisy weak value, specifically, the same weak value (ideally zero) as in the case of determining NO in step S6, the noisy weak value can be obtained. This confirms that the base selection of the associated projection measurement is correct.

この意味で、第i(但しiは1又は2とする。)の弱測定器は、第iの連続測定器に入射する光子の偏光状態が第iのPVMに属する場合には、第iのPVMの全要素に対して不偏な状態を固有状態の集合とする縮退のないオブザーバブルについての弱測定を行うように構成されていることが好ましい。なお、第1のPVM(|H>又は|V>)の全要素に対して不偏な状態を固有状態の集合とする縮退のないオブザーバブルとしては、例えば第2のオブザーバブルとしてのパウリ演算子σの他、σ等も挙げられる。また、第2のPVM(|R>又は|L>)の全要素に対して不偏な状態を固有状態の集合とする縮退のないオブザーバブルとしては、例えば第1のオブザーバブルとしてのパウリ演算子σの他、σ等も挙げられる。 In this sense, the i-th weak measurement device (where i is 1 or 2) is the i-th PVM when the polarization state of the photon incident on the i-th continuous measurement device belongs to the i-th PVM. It is preferable that a weak measurement is performed for an observable without degeneracy with a set of eigenstates as a set of eigenstates for all elements of the PVM. Note that, as an undamaged observable whose state is a set of eigenstates with respect to all elements of the first PVM (| H> or | V>), for example, a Pauli operator as a second observable In addition to σ Y , σ X and the like can also be mentioned. Further, as an undegenerate observable whose state is a set of eigenstates with respect to all elements of the second PVM (| R> or | L>), for example, a Pauli operator as the first observable In addition to σ Z , σ X and the like can also be mentioned.

また、図3のフローを複数回繰り返す場合、送信者側コンピュータ5は、ステップS1において、以前のステップS1で既に選んだ偏光状態と同じ偏光状態を再び選ぶことがある。その場合に、送信者側コンピュータ5が通知する識別情報群は、同じ偏光状態について既に通知した識別情報群が含まない識別情報を含むことが、盗聴に対する安全上、好ましい。これは、識別情報の通知は公衆チャンネル14を通じて行われるため、同じ偏光状態についての識別情報群が毎回同じであると、盗聴者は、少なくとも同じ情報についての伝達が行われていることを察知しうるからである。   Further, when the flow of FIG. 3 is repeated a plurality of times, the sender computer 5 may select the same polarization state as the polarization state already selected in the previous step S1 in step S1 again. In this case, it is preferable for safety against eavesdropping that the identification information group notified by the sender-side computer 5 includes identification information that does not include the identification information group already notified of the same polarization state. This is because notification of identification information is performed through the public channel 14, and if the identification information group for the same polarization state is the same every time, the eavesdropper detects that at least the same information is transmitted. Because it is possible.

或る識別情報群が、同じ偏光状態について既に通知した識別情報群が含まない識別情報を含む場合、受信者は、その或る識別情報群に対する偏光状態の推定の確かめの目的で、その或る識別情報群に対応する弱測定結果及び射影測定結果を、それぞれ既に終えた推定に用いた弱測定結果及び射影測定結果と併合し、その併合された射影測定結果の統計分布及び弱測定結果から得られる弱値を求めることが好ましい。   If a group of identification information includes identification information that is not included in the group of identification information that has already been notified of the same polarization state, the receiver uses the certain group for the purpose of confirming the estimation of the polarization state for the group of identification information The weak measurement result and the projection measurement result corresponding to the identification information group are merged with the weak measurement result and the projection measurement result used for the estimation already completed, respectively, and obtained from the statistical distribution and the weak measurement result of the merged projection measurement result. It is preferable to determine the weak value to be obtained.

また、図3の例では、識別情報群の通知のたびに、受信者側で偏光状態の推定を行ったが、まず送信者側から受信者側への識別情報群の通知を複数回繰り返し行った後に、受信者側で各々の識別情報群についての量子状態の推定を一括して行ってもよい。   In the example of FIG. 3, the polarization state is estimated on the receiver side every time the identification information group is notified. First, the notification of the identification information group from the transmitter side to the receiver side is repeatedly performed a plurality of times. Thereafter, estimation of the quantum state for each identification information group may be performed collectively on the receiver side.

また、送信者側から送信者側への識別情報群の複数回の通知によって受信者側が或るビット数のデータを得た後は、BB84の場合と同じように、受信者側から送信者側へそのデータの部分集合を送り、送信者側で誤り率を解析するようにしてもよい。誤り率が例えば25%以下ならば盗聴が行われておらず、送受信者間で残りのデータを秘密鍵として保持するようにしてもよい。さらに、誤り訂正を行うようにしてもよい。   In addition, after the receiver side obtains data of a certain number of bits by a plurality of notifications of the identification information group from the sender side to the sender side, as in the case of BB84, from the receiver side to the sender side It is also possible to send a subset of the navel data and analyze the error rate on the sender side. If the error rate is, for example, 25% or less, eavesdropping is not performed, and the remaining data may be held as a secret key between the sender and the receiver. Further, error correction may be performed.

図5は、図1の第1の連続測定器7の一構成例を示す。   FIG. 5 shows a configuration example of the first continuous measuring instrument 7 of FIG.

まず、偏光状態が第2のPVM(|R>又は|L>)に属する光子が入射する場合について説明する。   First, a case where a photon whose polarization state belongs to the second PVM (| R> or | L>) enters will be described.

1/4波長板91に、図1の光子出射器4から出射した光子が入射する。1/4波長板91は、右回り円偏光状態|R>を+45°方向の直線偏光状態(以下、|+>と表記する。)に変換し、左回り円偏光状態|L>を−45°方向の直線偏光状態(以下、|−>と表記する。)に変換する。ここで、|+>と|−>はそれぞれ|H>と|V>の重ね合せ状態、|+>∝|H>+|V>、|−>∝|H>−|V>で書き表せる。   Photons emitted from the photon emitter 4 of FIG. 1 are incident on the quarter-wave plate 91. The quarter-wave plate 91 converts the clockwise circular polarization state | R> into a linear polarization state in the + 45 ° direction (hereinafter referred to as | +>), and converts the counterclockwise circular polarization state | L> to −45. It is converted into a linearly polarized state in the direction of ° (hereinafter referred to as |->). Here, | +> and |-> can be expressed as an overlap state of | H> and | V>, respectively, and | +> ∝ | H> + | V>, |-> ∝ | H>-| V>. .

偏光ビームスプリッタ92に、偏光状態が|+>又は|−>の光子が入射する。偏光ビームスプリッタ92は、自己に入射する光子の|H>成分と|V>成分の間の位相関係を保ったまま、|H>成分(確率波)を透過させ、|V>成分(確率波)を反射させる。|H>成分は第1の内部光路aを伝搬し、|V>成分は第2の内部光路bを伝播する。   A photon whose polarization state is | +> or | −> is incident on the polarization beam splitter 92. The polarization beam splitter 92 transmits the | H> component (probability wave) while maintaining the phase relationship between the | H> component and | V> component of the photon incident on itself, and | V> component (probability wave). ) Is reflected. The | H> component propagates through the first internal optical path a, and the | V> component propagates through the second internal optical path b.

第1の1/2波長板93が、第1の内部光路a上に配置されている。第1の1/2波長板93はその主軸が水平方向から角度θだけ傾けられていて、自己に入射した|H>成分の偏光方向を角度2θだけ回転させる。   A first half-wave plate 93 is disposed on the first internal optical path a. The first half-wave plate 93 has its principal axis inclined by an angle θ from the horizontal direction, and rotates the polarization direction of the | H> component incident thereon by an angle 2θ.

第2の1/2波長板94が、第2の内部光路b上に配置されている。第2の1/2波長板94はその主軸が水平方向から角度−θだけ傾けられていて、自己に入射した|V>成分の偏光方向を角度−2θだけ回転させる。   A second half-wave plate 94 is disposed on the second internal optical path b. The second half-wave plate 94 has its principal axis inclined by an angle −θ from the horizontal direction, and rotates the polarization direction of the | V> component incident thereon by an angle −2θ.

ビームスプリッタ95が、第1の内部光路aと第2の内部光路bとが交差する位置に配置され、偏光ビームスプリッタ92と共にマッハツェンダ型干渉計を構成している。   A beam splitter 95 is disposed at a position where the first internal optical path a and the second internal optical path b intersect, and constitutes a Mach-Zehnder interferometer together with the polarizing beam splitter 92.

第1の内部光路aからビームスプリッタ95に入射する成分の偏光状態を|X>、第2の内部光路bからビームスプリッタ95に入射する成分の偏光状態を|Y>とすると、第1の内部光路aを、ビームスプリッタ95を透過させて延長させた第1の出射光路cに出射する光子の偏光状態は|X>−|Y>に比例し、第2の内部光路bを、ビームスプリッタ95を透過させて延長させた第2の出射光路dに出射する光子の偏光状態は|X>+|Y>に比例する。   If the polarization state of the component incident on the beam splitter 95 from the first internal optical path a is | X>, and the polarization state of the component incident on the beam splitter 95 from the second internal optical path b is | Y>, the first internal The polarization state of the photons emitted to the first outgoing optical path c that is extended by transmitting the optical path a through the beam splitter 95 is proportional to | X> − | Y>, and the second internal optical path b is changed to the beam splitter. The polarization state of the photon emitted to the second outgoing optical path d that is transmitted through 95 and is extended is proportional to | X> + | Y>.

第1の射影測定器8は、第2の出射光路d上に配置された偏光ビームスプリッタ80と、偏光ビームスプリッタ80を透過した光子が入射する第1の光子検出器81と、偏光ビームスプリッタ80で反射された光子が入射する第2の光子検出器82と、第1の出射光路c上に配置された偏光ビームスプリッタ83と、偏光ビームスプリッタ83を透過した光子が入射する第3の光子検出器84と、偏光ビームスプリッタ83で反射された光子が入射する第4の光子検出器85とを備える。光子検出器には、例えば、アバランシェフォトダイオード(APD)、光電子増倍管(PMT)、又は超伝導単一光子検出器(SSPD)等を用いることができる。   The first projection measuring device 8 includes a polarizing beam splitter 80 disposed on the second outgoing optical path d, a first photon detector 81 on which a photon transmitted through the polarizing beam splitter 80 is incident, and a polarizing beam splitter. A second photon detector 82 on which the photons reflected by 80 are incident, a polarization beam splitter 83 disposed on the first output optical path c, and a third photon on which the photons transmitted through the polarization beam splitter 83 are incident. A photon detector 84 and a fourth photon detector 85 on which the photons reflected by the polarization beam splitter 83 are incident are provided. As the photon detector, for example, an avalanche photodiode (APD), a photomultiplier tube (PMT), a superconducting single photon detector (SSPD), or the like can be used.

以上において、1/2波長板93及び94の、主軸からの回転角度を表すθが、オブザーバブルσについての測定強さを表す。 In the above description, θ representing the rotation angle of the half-wave plates 93 and 94 from the main axis represents the measurement strength for the observable σ Y.

θ=22.5°の場合に、測定強さが最も強くなる。このとき、内部光路a及びbを伝播する成分の偏光状態は、それぞれ1/2波長板93及び94によって共に|+>となり区別がつかなくなることにより最大の干渉が生じる。1/4波長板91に入射した光子の偏光状態が|R>のとき、内部光路aを伝播する成分|+>と内部光路bを伝播する成分|+>とが同位相であるため、両者が強め合う第2の出射光路dのみから状態|+>の光子が出射し、両者が相殺する第1の出射光路cからは光子は出射しない。同様に、1/4波長板91に入射した光子の偏光状態が|L>のとき、内部光路aを伝播する成分|+>と内部光路bを伝播する成分|+>とが逆位相であるため、第1の出射光路cのみから状態|+>の光子が出射し、第2の出射光路dからは光子は出射しない。   When θ = 22.5 °, the measured intensity is the strongest. At this time, the polarization state of the component propagating through the internal optical paths a and b becomes | +> by the half-wave plates 93 and 94, respectively, and becomes indistinguishable, causing maximum interference. When the polarization state of a photon incident on the quarter-wave plate 91 is | R>, the component | +> propagating through the internal optical path a and the component | +> propagating through the internal optical path b are in phase, so both Photons in the state | +> are emitted only from the second outgoing optical path d intensifying each other, and no photons are emitted from the first outgoing optical path c where both cancel each other. Similarly, when the polarization state of a photon incident on the quarter-wave plate 91 is | L>, the component | +> propagating through the internal optical path a and the component | +> propagating through the internal optical path b are in opposite phases. Therefore, photons in the state | +> are emitted only from the first emission optical path c, and no photons are emitted from the second emission optical path d.

このため、第1の出射光路cから光子が出射すれば、1/4波長板91に入射した光子の偏光状態が|L>だと確実に分かり、第2の出射光路dから光子が出射すれば、1/4波長板91に入射した光子の偏光状態が|R>だと確実に分かる。このような測定は射影測定に相当する。なお、|R>と判定することは、オブザーバブルσの測定結果が1ということであり、|L>と判定することは、オブザーバブルσの測定結果が−1ということである(σ=|R><R|−|L><L|)。 For this reason, if a photon is emitted from the first emission optical path c, it is surely found that the polarization state of the photon incident on the quarter-wave plate 91 is | L>, and the photon is emitted from the second emission optical path d. When it is emitted, it can be surely understood that the polarization state of the photon incident on the quarter-wave plate 91 is | R>. Such a measurement corresponds to a projection measurement. Note that determining | R> means that the measurement result of observable σ Y is 1, and determining | L> means that the measurement result of observable σ Y is −1 (σ Y = | R><R |-| L><L |).

但し、θ=22.5°とすると、1/4波長板91に入射した光子の偏光状態が第1のPVM(|H>又は|V>)に属する場合に、第1の射影測定器8において|H>なのか|V>なのかを全く判定できなくなるという弊害が生じる。   However, when θ = 22.5 °, when the polarization state of the photon incident on the quarter-wave plate 91 belongs to the first PVM (| H> or | V>), the first projection measuring device 8 In this case, there is a problem that it is impossible to determine at all whether | H> or | V>.

θ=0°の場合に、測定強さがゼロになる。このとき、内部光路a及びbを伝播する成分の偏光状態はそれぞれ|H>及び|V>と区別がつくため干渉が生じない。このとき、上記弊害は完全に解消されるものの、1/4波長板91に入射した光子の偏光状態が|R>であろうと|L>であろうと、第1の出射光路cから光子が出射する確率も、第2の出射光路dから光子が出射する確率も等しく50%となり、1/4波長板91に入射した光子の偏光状態が|R>なのか|L>なのかについては全く情報を得ることができない。   When θ = 0 °, the measured intensity becomes zero. At this time, the polarization states of the components propagating through the internal optical paths a and b can be distinguished from | H> and | V>, respectively, so that no interference occurs. At this time, although the above-described adverse effect is completely eliminated, no matter whether the polarization state of the photon incident on the quarter-wave plate 91 is | R> or | L>, the photon is emitted from the first emission optical path c. The probability of emission and the probability of emission of a photon from the second emission optical path d are equally 50%. Whether the polarization state of the photon incident on the quarter-wave plate 91 is | R> or | L>. No information can be obtained.

0°<θ<22.5°とすることにより、弱測定を実現できる。このとき、1/4波長板91に入射した光子の偏光状態が|R>であっても、第1の出射光路cから光子が出射する確率はゼロでなくなる。しかし、1/4波長板91に入射した光子の偏光状態が|R>の場合、第1の出射光路cから光子が出射する確率よりも、第2の出射光路dから光子が出射する確率の方が高い。   By setting 0 ° <θ <22.5 °, weak measurement can be realized. At this time, even if the polarization state of the photon incident on the quarter-wave plate 91 is | R>, the probability that the photon is emitted from the first emission optical path c is not zero. However, when the polarization state of the photon incident on the quarter-wave plate 91 is | R>, the photon is emitted from the second emission optical path d rather than the probability that the photon is emitted from the first emission optical path c. Probability is higher.

また、1/4波長板91に入射した光子の偏光状態が|L>であっても、第2の出射光路dから光子が出射する確率はゼロでなくなる。しかし、1/4波長板91に入射した光子の偏光状態が|L>の場合、第2の出射光路dから光子が出射する確率よりも、第1の出射光路cから光子が出射する確率の方が高い。   Even if the polarization state of the photon incident on the quarter-wave plate 91 is | L>, the probability that the photon is emitted from the second emission optical path d is not zero. However, when the polarization state of the photon incident on the quarter-wave plate 91 is | L>, the photon is emitted from the first emission optical path c rather than the probability that the photon is emitted from the second emission optical path d. Probability is higher.

こうして、光子が第1の出射光路cから出射するか、第2の出射光路dから出射するかによって、1/4波長板91に入射した光子の偏光状態が|R>なのか|L>なのかを正しく言い当てることができる確率をある程度残しつつ、1/4波長板91に入射した光子の偏光状態が第1のPVM(|H>又は|V>)に属する場合に、第1の射影測定器8で|H>なのか|V>なのかを正しく判定できなくなる弊害を抑えることができるという兼ね合いが図られる。   Thus, whether the polarization state of the photon incident on the quarter-wave plate 91 is | R> depending on whether the photon is emitted from the first emission optical path c or the second emission optical path d. If the polarization state of the photon incident on the quarter-wave plate 91 belongs to the first PVM (| H> or | V>) while leaving a certain probability that it can be correctly determined whether The trade-off measuring device 8 is able to suppress the adverse effect of not being able to correctly determine whether | H> or | V>.

かかる兼ね合いをより一層図るという観点から、θは、0°<θ≦16.875°であることが好ましく、5.625≦θ≦16.875°であることがより好ましい。例えば、θは11.25°とすることができる。   From the viewpoint of further achieving such a balance, θ is preferably 0 ° <θ ≦ 16.875 °, more preferably 5.625 ≦ θ ≦ 16.875 °. For example, θ can be 11.25 °.

1/4波長板91に入射した光子の偏光状態が|R>又は|L>の場合、弱測定の結果は、光子が第1の出射光路cから出射するのか、第2の出射光路dから出射するのかによって与えられる。光子が第1の出射光路cから出射した場合、1/4波長板91に入射した光子の偏光状態は|L>であったと判定し、オブザーバブルσの弱測定結果は−1と記録する。光子が第2の出射光路dから出射した場合、1/4波長板91に入射した光子の偏光状態は|R>であったと判定し、オブザーバブルσの弱測定結果は1と記録する。なお、これらの記録は図1の受信者側コンピュータ13が行う。 When the polarization state of the photon incident on the quarter-wave plate 91 is | R> or | L>, the result of the weak measurement is whether the photon is emitted from the first outgoing optical path c or the second outgoing optical path It is given by whether it radiates | emits from d. When the photon is emitted from the first emission optical path c, it is determined that the polarization state of the photon incident on the quarter-wave plate 91 is | L>, and the weak measurement result of the observable σ Y is recorded as -1. To do. When the photon is emitted from the second emission optical path d, it is determined that the polarization state of the photon incident on the quarter-wave plate 91 is | R>, and the weak measurement result of the observable σ Y is recorded as 1. . These recordings are performed by the recipient computer 13 in FIG.

但し、第1の出射光路cから出射する光子の偏光状態も、第2の出射光路dから出射する光子の偏光状態も、|+>又は|−>である。第1の射影測定器8は、その|+>又は|−>の状態の光子に対して|H>であるか|V>であるかの判定を行う訳であるが、これは|R>又は|L>の状態の光子に対して|H>であるか|V>であるかの判定を行うことと全く等価である。いずれも、50%の確率で|H>と判定し、50%の確率で|V>と判定し、元の偏光状態が|+>なのか|−>なのか、あるいは|R>なのか|L>なのかについて何も言うことができない。なお、こういった理由から、出射光路c及びdの各々に、基底{|+>,|−>}を{|R>,|L>}に戻す1/4波長板を配置するか否かは任意である。   However, the polarization state of the photon emitted from the first emission optical path c and the polarization state of the photon emitted from the second emission optical path d are | +> or | −>. The first projection measuring device 8 determines whether or not | H> or | V> with respect to the photons in the state of | +> or | −>. Alternatively, it is completely equivalent to determining whether | H> or | V> for a photon in a state of | L>. In either case, | H> is determined with a probability of 50%, | V> is determined with a probability of 50%, and whether the original polarization state is | +> or | −>, or | R>. I can't say anything about L>. For this reason, whether or not a quarter-wave plate that returns the base {| +>, |->} to {| R>, | L>} is arranged in each of the outgoing optical paths c and d. Is optional.

次に、偏光状態が第1のPVM(|H>又は|V>)に属する光子が、1/4波長板91に入射する場合について説明する。   Next, a case where a photon whose polarization state belongs to the first PVM (| H> or | V>) enters the quarter-wave plate 91 will be described.

1/4波長板91は、自己に入射する光子の偏光状態が|H>又は|V>の場合は、その偏光状態を変えない。   The quarter-wave plate 91 does not change the polarization state when the polarization state of a photon incident on itself is | H> or | V>.

状態|H>の光子は、偏光ビームスプリッタ92を透過し、1/2波長板93で偏光方向を微小角度2θ(但し、0°<θ<22.5°)だけ回転させられる。その偏光状態を|H+ε>と表記する。そして、状態|H+ε>の光子が、出射光路c又はdから出射する。状態|H+ε>は元の状態|H>に近いので、第1の射影測定器8において|H>だと正しく判定される確率が、|V>だと誤って判定される確率より高い。即ち、|<H|H+ε>|≒1が|<V|H+ε>|≒0より大きい。 The photons in the state | H> are transmitted through the polarization beam splitter 92, and the polarization direction is rotated by a minute angle 2θ (where 0 ° <θ <22.5 °) by the half-wave plate 93. The polarization state is expressed as | H + ε>. Then, photons in the state | H + ε> are emitted from the emission optical path c or d. Since the state | H + ε> is close to the original state | H>, the probability that the first projection measuring device 8 correctly determines that | H> is higher than the probability that it is erroneously determined that | V>. That is, | <H | H + ε> | 2 ≈1 is larger than | <V | H + ε> | 2 ≈0.

状態|V>の光子は、偏光ビームスプリッタ92で反射し、1/2波長板94で偏光方向を微小角度−2θ(但し、0°<θ<22.5°)だけ回転させられる。その偏光状態を|V−ε>と表記する。そして、状態|V−ε>の光子が、出射光路c又はdから出射する。状態|V−ε>は元の状態|V>に近いので、第1の射影測定器8において|V>だと正しく判定される確率が、|H>だと誤って判定される確率より高い。即ち、|<V|V−ε>|≒1が|<H|V−ε>|≒0より大きい。 The photons in the state | V> are reflected by the polarization beam splitter 92, and the polarization direction is rotated by a minute angle −2θ (where 0 ° <θ <22.5 °) by the half-wave plate 94. The polarization state is expressed as | V−ε>. Then, photons in the state | V−ε> are emitted from the emission optical path c or d. Since the state | V−ε> is close to the original state | V>, the probability that the first projection measuring device 8 correctly determines that | V> is higher than the probability that it is erroneously determined that | H>. . That is, | <V | V−ε> | 2 ≈1 is larger than | <H | V−ε> | 2 ≈0.

以上のように、1/4波長板91に入射する光子の偏光状態が第1のPVM(|H>又は|V>)に属する場合の、第1の射影測定器8での測定結果の正確さは担保される。   As described above, when the polarization state of the photon incident on the quarter-wave plate 91 belongs to the first PVM (| H> or | V>), the measurement result of the first projection measuring instrument 8 is accurate. That is secured.

なお、1/4波長板91に入射する光子の状態が|H>の場合、状態|H+ε>の光子が、第1の出射光路cから出射する確率も、第2の出射光路dから出射する確率も共に50%である。また、1/4波長板91に入射する光子の状態が|H>の場合、状態|V−ε>の光子が、第1の出射光路cから出射する確率も、第2の出射光路dから出射する確率も共に50%である。   When the state of the photon incident on the quarter-wave plate 91 is | H>, the probability that the photon in the state | H + ε> is emitted from the first emission optical path c is also from the second emission optical path d. The probability of emission is also 50%. In addition, when the state of the photon incident on the quarter-wave plate 91 is | H>, the probability that the photon in the state | V−ε> is emitted from the first emission optical path c is also the second emission optical path. The probability of emission from d is also 50%.

このことは、第1の弱測定器9は、1/4波長板91に入射する光子の偏光状態が第1のPVM(|H>又は|V>)に属する場合には、第1のPVMの全要素に対して不偏な状態を固有状態の集合とする縮退のないオブザーバブルについての弱測定を行うことを意味する。この場合の弱測定結果は、|H>か|V>かについての情報を全く含んでいないため、必ずしも用いる必要がない。   This means that the first weak measuring device 9 has the first PVM when the polarization state of the photon incident on the quarter-wave plate 91 belongs to the first PVM (| H> or | V>). This means that a weak measurement is performed for an observable without degeneracy with a set of eigenstates as a set of eigenstates. The weak measurement result in this case does not necessarily need to be used because it does not include any information on whether | H> or | V>.

以下、図1の受信者側コンピュータ13の記憶動作について説明する。   Hereinafter, the storage operation of the recipient computer 13 in FIG. 1 will be described.

第1の光子検出器81で光子が検出された場合は、弱測定結果は1、かつ第1の射影測定結果は|H>であると、受信者側コンピュータ13が記憶する。弱測定結果を1とするのは、この場合、第2の出射光路dから光子が出射したと分かるからである。   When a photon is detected by the first photon detector 81, the receiver computer 13 stores that the weak measurement result is 1 and the first projection measurement result is | H>. The weak measurement result is set to 1 in this case because it is understood that a photon has exited from the second exit optical path d.

なお、この弱測定結果は、1/4波長板91に入射する光子の状態が第2のPVM(|R>又は|L>)に属する場合に特に意味があり、1/4波長板91に入射する光子の状態が第1のPVM(|H>又は|V>)に属する場合は必ずしも用いる必要がないデータとなるが、とりあえず1と記憶する。   This weak measurement result is particularly meaningful when the state of photons incident on the quarter-wave plate 91 belongs to the second PVM (| R> or | L>). When the state of the incident photon belongs to the first PVM (| H> or | V>), the data is not necessarily used, but is stored as 1 for the time being.

第2の光子検出器82で光子が検出された場合は、弱測定結果は1、かつ第1の射影測定結果は|V>であると、受信者側コンピュータ13が記憶する。弱測定結果を1とするのは、この場合、第2の出射光路dから光子が出射したと分かるからである。   When a photon is detected by the second photon detector 82, the receiver-side computer 13 stores that the weak measurement result is 1 and the first projection measurement result is | V>. The weak measurement result is set to 1 in this case because it is understood that a photon has exited from the second exit optical path d.

第3の光子検出器81で光子が検出された場合は、弱測定結果は−1、かつ第1の射影測定結果は|H>であると、受信者側コンピュータ13が記憶する。弱測定結果を−1とするのは、この場合、第1の出射光路cから光子が出射したと分かるからである。   When a photon is detected by the third photon detector 81, the receiver computer 13 stores that the weak measurement result is -1 and the first projection measurement result is | H>. The weak measurement result is set to −1 because in this case, it can be understood that a photon is emitted from the first emission optical path c.

第4の光子検出器85で光子が検出された場合は、弱測定結果は−1、かつ第1の射影測定結果は|V>であると、受信者側コンピュータ13が記憶する。弱測定結果を−1とするのは、この場合、第1の出射光路cから光子が出射したと分かるからである。   When a photon is detected by the fourth photon detector 85, the receiver-side computer 13 stores that the weak measurement result is -1 and the first projection measurement result is | V>. The weak measurement result is set to −1 because in this case, it can be understood that a photon is emitted from the first emission optical path c.

図6は、図1の第2の連続測定器10の一構成例を示す。   FIG. 6 shows a configuration example of the second continuous measuring instrument 10 of FIG.

まず、偏光状態が第1のPVM(|H>又は|V>)に属する光子が入射する場合について説明する。   First, a case where a photon whose polarization state belongs to the first PVM (| H> or | V>) enters will be described.

1/2波長板121に、図1の光子出射器4から出射した光子が入射する。1/2波長板121は、その主軸が水平方向から角度22.5°だけ傾けられていて、|H>を|+>に変換し、|V>を|−>に変換する。   Photons emitted from the photon emitter 4 of FIG. 1 are incident on the half-wave plate 121. The half-wave plate 121 has its principal axis inclined at an angle of 22.5 ° from the horizontal direction, and converts | H> to | +> and | V> to |->.

偏光ビームスプリッタ122に、状態|+>又は|−>の光子が入射する。偏光ビームスプリッタ122は、自己に入射する光子の|H>成分と|V>成分の間の位相関係を保ったまま、|H>成分(確率波)を透過させ、|V>成分(確率波)を反射させる。|H>成分は第1の内部光路eを伝搬し、|V>成分は第2の内部光路fを伝播する。   Photons in the state | +> or | −> are incident on the polarization beam splitter 122. The polarization beam splitter 122 transmits the | H> component (probability wave) while maintaining the phase relationship between the | H> component and | V> component of the photon incident thereon, and | V> component (probability wave). ) Is reflected. The | H> component propagates in the first internal optical path e, and the | V> component propagates in the second internal optical path f.

第1の1/2波長板123が、第1の内部光路e上に配置されている。第1の1/2波長板123はその主軸が水平方向から角度θだけ傾けられていて、自己に入射した|H>成分の偏光方向を角度2θだけ回転させる。   A first half-wave plate 123 is disposed on the first internal optical path e. The first half-wave plate 123 has its principal axis inclined by an angle θ from the horizontal direction, and rotates the polarization direction of the | H> component incident on itself by an angle 2θ.

第2の1/2波長板124が、第2の内部光路f上に配置されている。第2の1/2波長板124はその主軸が水平方向から角度−θだけ傾けられていて、自己に入射した|V>成分の偏光方向を角度−2θだけ回転させる。   A second half-wave plate 124 is disposed on the second internal optical path f. The second half-wave plate 124 has its principal axis inclined by an angle −θ from the horizontal direction, and rotates the polarization direction of the | V> component incident thereon by an angle −2θ.

ビームスプリッタ125が、内部光路eとfが交差する位置に配置され、偏光ビームスプリッタ122と共にマッハツェンダ型干渉計を構成している。第1の内部光路eからビームスプリッタ125に入射する成分の偏光状態を|X>、第2の内部光路fからビームスプリッタ125に入射する成分の偏光状態を|Y>とすると、第1の内部光路eを、ビームスプリッタ125を透過させて延長させた第1の出射光路gに出射する光子の偏光状態は|X>−|Y>に比例し、第2の内部光路fを、ビームスプリッタ125を透過させて延長させた第2の出射光路hに出射する光子の偏光状態は|X>+|Y>に比例する。   A beam splitter 125 is disposed at a position where the internal optical paths e and f intersect, and constitutes a Mach-Zehnder interferometer together with the polarizing beam splitter 122. If the polarization state of the component incident on the beam splitter 125 from the first internal optical path e is | X> and the polarization state of the component incident on the beam splitter 125 from the second internal optical path f is | Y>, the first internal The polarization state of the photons emitted to the first outgoing optical path g that is extended by transmitting the optical path e through the beam splitter 125 is proportional to | X> − | Y>, and the second internal optical path f is changed to the beam splitter. The polarization state of the photon emitted to the second outgoing optical path h that is transmitted through 125 and extended is proportional to | X> + | Y>.

第2の射影定器11は、第2の出射光路h上に配置された1/4波長板110、1/2波長板111、及び偏光ビームスプリッタ112と、偏光ビームスプリッタ112を透過した光子が入射する第1の光子検出器113と、偏光ビームスプリッタ112で反射された光子が入射する第2の光子検出器114と、第1の出射光路g上に配置された1/4波長板115、1/2波長板116、及び偏光ビームスプリッタ117と、偏光ビームスプリッタ117を透過した光子が入射する第3の光子検出器118と、偏光ビームスプリッタ119で反射された光子が入射する第4の光子検出器119とを備える。   The second projection determiner 11 includes a quarter-wave plate 110, a half-wave plate 111, a polarizing beam splitter 112, and a photon transmitted through the polarizing beam splitter 112, which are disposed on the second outgoing optical path h. First photon detector 113 on which light is incident, second photon detector 114 on which photons reflected by the polarizing beam splitter 112 are incident, and a quarter-wave plate disposed on the first outgoing optical path g 115, a half-wave plate 116, a polarizing beam splitter 117, a third photon detector 118 on which a photon transmitted through the polarizing beam splitter 117 is incident, and a fourth photon on which a photon reflected by the polarizing beam splitter 119 is incident. Photon detector 119.

以上において、1/2波長板123及び124の、主軸からの回転角度を表すθが、オブザーバブルσについての測定強さを表す。 In the above, θ representing the rotation angle of the half-wave plates 123 and 124 from the main axis represents the measurement strength for the observable σ Z.

θ=22.5°の場合に、測定強さが最も強くなる。このとき、内部光路e及びfを伝播する成分の偏光状態は、それぞれ1/2波長板123及び124によって共に|+>となり区別がつかなくなることにより最大の干渉が生じる。1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が|H>のとき、内部光路aを伝播する成分|+>と内部光路bを伝播する成分|+>とが同位相であるため、両者が強め合う第2の出射光路hのみから状態|+>の光子が出射し、両者が相殺する第1の出射光路gからは光子は出射しない。同様に、1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が|V>のとき、内部光路eを伝播する成分|+>と内部光路fを伝播する成分|+>とが逆位相であるため、第1の出射光路gのみから状態|+>の光子が出射し、第2の出射光路hからは光子は出射しない。   When θ = 22.5 °, the measured intensity is the strongest. At this time, the polarization state of the component propagating in the internal optical paths e and f becomes | +> by the half-wave plates 123 and 124, respectively, and becomes indistinguishable, thereby causing maximum interference. When the polarization state of a photon incident on the half-wave plate 121 is | H>, the component | +> propagating through the internal optical path a and the component | +> propagating through the internal optical path b are in phase. Photons in the state | +> are emitted only from the second outgoing optical path h intensifying each other, and no photons are emitted from the first outgoing optical path g where both cancel each other. Similarly, when the polarization state of a photon incident on the half-wave plate 121 is | V>, the component | +> propagating through the internal optical path e and the component | +> propagating through the internal optical path f are in opposite phases. Therefore, photons in the state | +> are emitted only from the first emission optical path g, and no photons are emitted from the second emission optical path h.

このため、第1の出射光路gから光子が出射すれば、1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が|V>だと確実に分かり、第2の出射光路hから光子が出射すれば、1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が|H>だと確実に分かる。このような測定は射影測定に相当する。なお、|H>と判定することは、オブザーバブルσの測定結果が1ということであり、|V>と判定することは、オブザーバブルσの測定結果が−1ということである(σ=|H><H|−|V><V|)。 For this reason, if a photon is emitted from the first emission optical path g, the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121 can be surely determined as | V>, and the photon is emitted from the second emission optical path h. If the light is emitted, it can be surely understood that the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121 is | H>. Such a measurement corresponds to a projection measurement. Note that determining that | H> is that the measurement result of the observable σ Z is 1, and determining that | V> is that the measurement result of the observable σ Z is −1 (σ Z = | H><H | − | V><V |).

但し、θ=22.5°とすると、1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が第2のPVM(|R>又は|L>)に属する場合に、第2の射影測定器11において|R>なのか|L>なのかを全く判定できなくなる弊害が生じる。   However, when θ = 22.5 °, when the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121 belongs to the second PVM (| R> or | L>), the second projection measuring instrument 11 In this case, there is a problem that it is impossible to determine at all whether | R> or | L>.

θ=0°の場合に、測定強さがゼロになる。このとき、内部光路e及びfを伝播する成分の偏光状態はそれぞれ|H>及び|V>と区別がつくため干渉が生じない。このとき、上記弊害は完全に解消されるものの、1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が|H>であろうと|V>であろうと、第1の出射光路gから光子が出射する確率も、第2の出射光路hから光子が出射する確率も共に50%となり、1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が|H>なのか|V>なのかについて何ら情報を得ることができない。   When θ = 0 °, the measured intensity becomes zero. At this time, the polarization states of the components propagating through the internal optical paths e and f can be distinguished from | H> and | V>, respectively, so that no interference occurs. At this time, although the above-described adverse effect is completely eliminated, the photon is incident from the first outgoing optical path g regardless of whether the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121 is | H> or | V>. The probability of emission and the probability of emission of a photon from the second emission optical path h are both 50%. What is the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121? I can't get information.

0°<θ<22.5°とすることにより、弱測定を実現できる。このとき、1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が|V>であっても、第2の出射光路hから光子が出射する確率はゼロでなくなる。しかし、1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が|V>の場合、第2の出射光路hから光子が出射する確率よりも、第1の出射光路gから光子が出射する確率の方が高い。   By setting 0 ° <θ <22.5 °, weak measurement can be realized. At this time, even if the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121 is | V>, the probability that the photon is emitted from the second emission optical path h is not zero. However, when the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121 is | V>, the photon is emitted from the first outgoing optical path g rather than the probability that the photon is emitted from the second outgoing optical path h. Probability is higher.

また、1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が|H>であっても、第1の出射光路gから光子が出射する確率はゼロでなくなる。しかし、1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が|H>の場合、第1の出射光路gから光子が出射する確率よりも、第2の出射光路hから光子が出射する確率の方が高い。   Even if the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121 is | H>, the probability that the photon is emitted from the first emission optical path g is not zero. However, when the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121 is | H>, the photon is emitted from the second emission optical path h rather than the probability that the photon is emitted from the first emission optical path g. Probability is higher.

こうして、光子が第1の出射光路gから出射するか、第2の出射光路hから出射するかによって、1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が|H>なのか|V>なのかを正しく言い当てることができる確率をある程度残しつつ、1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が第2のPVM(|R>又は|L>)に属する場合に、第2の射影測定器11で|R>なのか|L>なのかを正しく判定できなくなる弊害を抑えることができるという兼ね合いが図られる。   Thus, whether the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121 is | H> depending on whether the photon is emitted from the first emission optical path g or the second emission optical path h | V> If the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121 belongs to the second PVM (| R> or | L>) while leaving a certain probability that it can be correctly determined whether or not The trade-off measuring device 11 is able to suppress the adverse effect of not being able to correctly determine whether | R> or | L>.

かかる兼ね合いをより一層図るという観点から、θは、0°<θ≦16.875°であることが好ましく、5.625≦θ≦16.875°であることがより好ましい。例えば、θは11.25°とすることができる。   From the viewpoint of further achieving such a balance, θ is preferably 0 ° <θ ≦ 16.875 °, more preferably 5.625 ≦ θ ≦ 16.875 °. For example, θ can be 11.25 °.

1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が|H>又は|V>の場合、弱測定の結果は、光子が第1の出射光路gから出射するのか、第2の出射光路hから出射するのかによって与えられる。光子が第1の出射光路gから出射した場合、1/2波長板121に入射した光子の偏光状態は|V>であったと判定し、オブザーバブルσの弱測定結果は−1と判定する。光子が第2の出射光路hから出射した場合、1/2波長板121に入射した光子の偏光状態は|H>であったと判定し、オブザーバブルσの弱測定結果は1と判定する。 When the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121 is | H> or | V>, the result of the weak measurement is whether the photon is emitted from the first outgoing optical path g or the second outgoing optical path It is given by whether it radiates from h. When the photon is emitted from the first emission optical path g, it is determined that the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121 is | V>, and the weak measurement result of the observable σ Z is determined to be -1. To do. When the photon is emitted from the second emission optical path h, it is determined that the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121 is | H>, and the weak measurement result of the observable σ Z is determined to be 1. .

但し、第1の出射光路gから出射する光子の偏光状態も、第2の出射光路hから出射する光子の偏光状態も|+>又は|−>である。第2の射影測定器11は、その|+>又は|−>の状態の光子に対して|R>であるか|L>であるかの判定を行う訳であるが、これは|H>又は|V>の状態の光子に対して|R>であるか|L>であるかの判定を行うことと全く等価である。いずれも、50%の確率で|R>と判定し、50%の確率で|L>と判定し、元の偏光状態が|+>なのか|−>なのか、あるいは|H>なのか|V>なのかについて何も言うことができない。なお、こういった理由から、出射光路h及びgの各々に、基底{|+>,|−>}を{|H>,|V>}に戻す光学素子を配置するか否かは任意である。   However, the polarization state of the photon emitted from the first emission optical path g and the polarization state of the photon emitted from the second emission optical path h are | +> or | −>. The second projection measuring device 11 determines whether or not | R> or | L> with respect to the photons in the | +> or |-> state. Alternatively, it is completely equivalent to determining whether or not | R> or | L> for a photon in a state of | V>. In either case, it is determined as | R> with a probability of 50%, and determined as | L> with a probability of 50%, and whether the original polarization state is | +> or | −> or | H>. I can't say anything about V>. For these reasons, it is optional whether an optical element for returning the base {| +>, |->} to {| H>, | V>} is arranged in each of the outgoing optical paths h and g. It is.

次に、偏光状態が第2のPVM(|R>又は|L>)に属する光子が、1/2波長板121に入射する場合について説明する。   Next, a case where a photon whose polarization state belongs to the second PVM (| R> or | L>) enters the half-wave plate 121 will be described.

1/2波長板121は、|R>を|L>に変換し、|L>を|R>に変換する。   The half-wave plate 121 converts | R> to | L> and converts | L> to | R>.

偏光ビームスプリッタ122に、状態|R>又は|L>の光子が入射する。偏光ビームスプリッタ122は、自己に入射する光子の|H>成分と|V>成分の間の位相関係を保ったまま、|H>成分(確率波)を透過させ、|V>成分(確率波)を反射させる。|H>成分は第1の内部光路eを伝搬し、|V>成分は第2の内部光路fを伝播する。   Photons in the state | R> or | L> are incident on the polarization beam splitter 122. The polarization beam splitter 122 transmits the | H> component (probability wave) while maintaining the phase relationship between the | H> component and | V> component of the photon incident thereon, and | V> component (probability wave). ) Is reflected. The | H> component propagates in the first internal optical path e, and the | V> component propagates in the second internal optical path f.

第1の1/2波長板123が、|H>成分の偏光方向を微小角度2θ(但し、0°<θ<22.5°)だけ回転させる。その偏光状態を|H+ε>と表記する。   The first half-wave plate 123 rotates the polarization direction of the | H> component by a minute angle 2θ (where 0 ° <θ <22.5 °). The polarization state is expressed as | H + ε>.

第2の1/2波長板124が、|V>成分の偏光方向を微小角度−2θ(但し、0°<θ<22.5°)だけ回転させる。その偏光状態を|V−ε>と表記する。   The second half-wave plate 124 rotates the polarization direction of the | V> component by a minute angle −2θ (where 0 ° <θ <22.5 °). The polarization state is expressed as | V−ε>.

1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が|R>のとき、50%の確率で第2の出射光路hから|H+ε>−i|V−ε>なる状態の光子が出射し、残り50%の確率で第1の出射光路gから|H+ε>+i|V−ε>なる状態の光子が出射する(但し、ここでは簡単のため状態の規格化定数は省略した)。   When the polarization state of a photon incident on the half-wave plate 121 is | R>, a photon in a state of | H + ε> −i | V−ε> is emitted from the second output optical path h with a probability of 50%. Then, photons in a state of | H + ε> + i | V−ε> are emitted from the first outgoing light path g with a probability of the remaining 50% (however, the normalization constant of the state is omitted here for simplicity).

|H+ε>−i|V−ε>なる状態は左回り円偏光状態|L>に近い左回り楕円偏光状態であるため、簡単のため、状態|L>の光子が第2の出射光路hから第2の射影測定器11に入射する場合を説明する。1/4波長板110が|L>を|−>に変換し、1/2波長板111が|−>を|V>に変換する。なお、1/4波長板110及び1/2波長板111を偏角45°の1つの1/4波長板で兼ねることもできる。   Since the state of | H + ε> −i | V−ε> is a counterclockwise elliptical polarization state close to the counterclockwise circular polarization state | L>, a photon in the state | L> has a second emission optical path h for simplicity. A case where the light enters the second projection measuring device 11 will be described. The quarter-wave plate 110 converts | L> to |->, and the half-wave plate 111 converts |-> to | V>. In addition, the quarter wavelength plate 110 and the half wavelength plate 111 may be combined with one quarter wavelength plate having a declination angle of 45 °.

状態|V>の光子は偏光ビームスプリッタ112で反射されて第2の光子検出器114に入射する。こうして、第2の光子検出器114で光子が検出されると、1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が|R>であると推定できる。   Photons in the state | V> are reflected by the polarization beam splitter 112 and enter the second photon detector 114. Thus, when a photon is detected by the second photon detector 114, it can be estimated that the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121 is | R>.

|H+ε>+i|V−ε>なる状態は右回り円偏光状態|R>に近い右回り楕円偏光状態であるため、簡単のため、状態|R>の光子が第1の出射光路gから第2の射影測定器11に入射する場合を説明する。1/4波長板115が|R>を|+>に変換し、1/2波長板116が|+>を|H>に変換する。なお、1/4波長板115及び1/2波長板116を偏角45°の1つの1/4波長板で兼ねることもできる。   Since the state | H + ε> + i | V−ε> is a clockwise elliptical polarization state close to the clockwise circular polarization state | R>, the photons in the state | R> are removed from the first outgoing optical path g for simplicity. A case where the light enters the second projection measuring device 11 will be described. The quarter-wave plate 115 converts | R> to | +>, and the half-wave plate 116 converts | +> to | H>. The quarter wavelength plate 115 and the half wavelength plate 116 can also serve as one quarter wavelength plate having a declination angle of 45 °.

状態|H>の光子は偏光ビームスプリッタ117を透過して第3の光子検出器118に入射する。こうして、第3の光子検出器118で光子が検出されると、1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が|R>であると推定できる。   Photons in the state | H> pass through the polarization beam splitter 117 and enter the third photon detector 118. Thus, when a photon is detected by the third photon detector 118, it can be estimated that the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121 is | R>.

1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が|L>のとき、50%の確率で第2の出射光路hから|H+ε>+i|V−ε>なる状態の光子が出射し、残り50%の確率で第1の出射光路gから|H+ε>−i|V−ε>なる状態の光子が出射する(但し、ここでは簡単のため状態の規格化定数は省略した)。   When the polarization state of a photon incident on the half-wave plate 121 is | L>, a photon in a state of | H + ε> + i | V−ε> is emitted from the second output optical path h with a probability of 50%. A photon in a state of | H + ε> −i | V−ε> is emitted from the first outgoing light path g with a probability of the remaining 50% (however, the normalization constant of the state is omitted here for simplicity).

状態|H+ε>+i|V−ε>は|R>に近いため、簡単のため、状態|R>の光子が第2の出射光路hから第2の射影測定器11に入射する場合を説明する。1/4波長板110が|R>を|+>に変換し、1/2波長板111が|+>を|H>に変換する。状態|H>の光子は偏光ビームスプリッタ112を透過して第1の光子検出器113に入射する。こうして、第1の光子検出器113で光子が検出されると、1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が|L>であると推定できる。   Since the state | H + ε> + i | V−ε> is close to | R>, a case where a photon in the state | R> is incident on the second projecting measuring instrument 11 from the second outgoing optical path h will be described. To do. The quarter-wave plate 110 converts | R> to | +>, and the half-wave plate 111 converts | +> to | H>. The photons in the state | H> pass through the polarization beam splitter 112 and enter the first photon detector 113. Thus, when a photon is detected by the first photon detector 113, it can be estimated that the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121 is | L>.

状態|H+ε>−i|V−ε>は|L>に近いため、簡単のため、状態|L>の光子が第1の出射光路gから第2の射影測定器11に入射する場合を説明する。1/4波長板115が|L>を|−>に変換し、1/2波長板116が|−>を|V>に変換する。状態|V>の光子は偏光ビームスプリッタ117で反射されて第4の光子検出器119に入射する。こうして、第4の光子検出器119で光子が検出されると、1/2波長板121に入射した光子の偏光状態が|L>であると推定できる。   Since the state | H + ε> −i | V−ε> is close to | L>, the photon in the state | L> is incident on the second projecting measuring instrument 11 from the first outgoing optical path g for simplicity. explain. The quarter-wave plate 115 converts | L> to |->, and the half-wave plate 116 converts |-> to | V>. Photons in the state | V> are reflected by the polarization beam splitter 117 and enter the fourth photon detector 119. Thus, when a photon is detected by the fourth photon detector 119, it can be estimated that the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121 is | L>.

なお、第2の射影測定器11は、状態|H+ε>−i|V−ε>を|R>と判定してしまうこともありうるが、これを|L>と判定する確率の方が高い。即ち、|<L|(|H+ε>−i|V−ε>)|≒1が|<R|(|H+ε>−i|V−ε>)|≒0より大きい。また、第2の射影測定器11は、状態|H+ε>+i|V−ε>を|L>と判定してしまうこともありうるが、これを|R>と判定する確率の方が高い。即ち、|<R|(|H+ε>+i|V−ε>)|≒1が|<L|(|H+ε>+i|V−ε>)|≒0より大きい。 The second projection measuring instrument 11 may determine the state | H + ε> −i | V−ε> as | R>, but the probability of determining this as | L> is higher. . That is, | <L | (| H + ε> −i | V−ε>) | 2 ≈1 is larger than | <R | (| H + ε> −i | V−ε>) | 2 ≈0. Further, the second projection measuring instrument 11 may determine the state | H + ε> + i | V−ε> as | L>, but the probability of determining this as | R> is higher. That is, | <R | (| H + ε> + i | V−ε>) | 2 ≈1 is larger than | <L | (| H + ε> + i | V−ε>) | 2 ≈0.

従って、1/2波長板121に入射する光子の偏光状態が第2のPVM(|R>又は|L>)に属する場合の、第2の射影測定器11での測定結果の正確さは担保される。   Therefore, when the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121 belongs to the second PVM (| R> or | L>), the accuracy of the measurement result in the second projection measuring instrument 11 is guaranteed. Is done.

なお、1/2波長板121に入射する光子の状態が|R>の場合、光子が第1の出射光路gから出射する確率も、第2の出射光路hから出射する確率も共に50%である。1/2波長板121に入射する光子の状態が|L>の場合も、光子が第1の出射光路gから出射する確率も、第2の出射光路hから出射する確率も共に50%である。   When the state of the photon incident on the half-wave plate 121 is | R>, both the probability that the photon is emitted from the first emission optical path g and the probability that the photon is emitted from the second emission optical path h are 50. %. Even when the state of the photon incident on the half-wave plate 121 is | L>, both the probability that the photon is emitted from the first emission optical path g and the probability that the photon is emitted from the second emission optical path h are 50%. It is.

このことは、第2の弱測定器12は、1/2波長板121に入射する光子の偏光状態が第2のPVM(|R>又は|L>)に属する場合には、第2のPVMの全要素に対して不偏な状態を固有状態の集合とする縮退のないオブザーバブルについての弱測定を行うことを意味する。この場合の弱測定結果は、|R>か|L>かについての情報を全く含んでいないため、必ずしも用いる必要がない。   This means that the second weak measuring device 12 uses the second PVM when the polarization state of the photon incident on the half-wave plate 121 belongs to the second PVM (| R> or | L>). This means that a weak measurement is performed for an observable without degeneracy with a set of eigenstates as a set of eigenstates. The weak measurement result in this case does not necessarily need to be used because it does not include any information about whether | R> or | L>.

以下、図1の受信者側コンピュータ13の記憶動作について説明する。   Hereinafter, the storage operation of the recipient computer 13 in FIG. 1 will be described.

第1の光子検出器113で光子が検出された場合は、弱測定結果は1、かつ第2の射影測定結果は|L>であると、受信者側コンピュータ13が記憶する。弱測定結果を1とするのは、この場合、第2の出射光路hから光子が出射したと分かるからである。   When a photon is detected by the first photon detector 113, the receiver computer 13 stores that the weak measurement result is 1 and the second projection measurement result is | L>. The weak measurement result is set to 1 in this case because it is understood that a photon has exited from the second exit optical path h.

なお、この弱測定結果は、1/2波長板121に入射する光子の偏光状態が第1のPVM(|H>又は|V>)に属する場合に特に意味があり、1/2波長板121に入射する光子の偏光状態が第2のPVM(|R>又は|L>)に属する場合は必ずしも用いる必要がないデータとなるが、とりあえず1と記憶する。   This weak measurement result is particularly meaningful when the polarization state of a photon incident on the half-wave plate 121 belongs to the first PVM (| H> or | V>). If the polarization state of the photon incident on the light beam belongs to the second PVM (| R> or | L>), the data is not necessarily used, but is stored as 1 for the time being.

第2の光子検出器114で光子が検出された場合は、弱測定結果は1、かつ第2の射影測定結果は|R>であると、受信者側コンピュータ13が記憶する。弱測定結果を1とするのは、この場合、第2の出射光路hから光子が出射したと分かるからである。   When the second photon detector 114 detects a photon, the receiver computer 13 stores that the weak measurement result is 1 and the second projection measurement result is | R>. The weak measurement result is set to 1 in this case because it is understood that a photon has exited from the second exit optical path h.

第3の光子検出器118で光子が検出された場合は、弱測定結果は−1、かつ第2の射影測定結果は|R>であると、受信者側コンピュータ13が記憶する。弱測定結果を−1とするのは、この場合、第1の出射光路gから光子が出射したと分かるからである。   When photons are detected by the third photon detector 118, the receiver computer 13 stores that the weak measurement result is -1 and the second projection measurement result is | R>. The weak measurement result is set to −1 because in this case, it is understood that a photon is emitted from the first emission optical path g.

第4の光子検出器119で光子が検出された場合は、弱測定結果は−1、かつ第2の射影測定結果は|L>であると、受信者側コンピュータ13が記憶する。弱測定結果を−1とするのは、この場合、第1の出射光路gから光子が出射したと分かるからである。   When a photon is detected by the fourth photon detector 119, the receiver-side computer 13 stores that the weak measurement result is -1 and the second projection measurement result is | L>. The weak measurement result is set to −1 because in this case, it is understood that a photon is emitted from the first emission optical path g.

なお、図5及び6の構成は一具体例にすぎない。一般に、第1及び第2の各連続測定器として、第1の出射光路(c;g)から入射する光子、及び第2の出射光路(d;h)から入射する光子の各々に対して、最終測定用PVMを基底とする射影測定を行う射影測定器(8;11)と、自己に入射する光子の光路を、直交する直線偏光成分によって第1の内部光路(a;e)と第2の内部光路(b;f)とに分岐させた後、再び重ね合わせることにより前記第1及び第2の出射光路を画定する干渉計と、前記第1及び第2の各内部光路を伝播する成分の偏光方向が互いに近づくように、第1及び第2の少なくともいずれか一方の内部光路を伝播する成分の偏光方向を回転させる偏光回転子(93,94;123,24)とを備えた量子測定器を用いることができる。干渉計としてはマッハツェンダ型干渉計のみならずサニャック型干渉計等も挙げられる。用いる第1及び第2のPVMに応じて、かかる量子測定器をどのように実現するかは当業者の設計事項である。   5 and 6 are only a specific example. Generally, as each of the first and second continuous measuring devices, for each of a photon incident from the first outgoing optical path (c; g) and a photon incident from the second outgoing optical path (d; h) Then, the projection measuring device (8; 11) that performs the projection measurement based on the final measurement PVM, and the first optical path (a; e) of the photon incident on itself by the orthogonal linearly polarized light component. After branching to the second internal optical path (b; f), the interferometer that demarcates the first and second outgoing optical paths by overlapping again, and the first and second internal optical paths A polarization rotator (93, 94; 123, 24) for rotating the polarization direction of the component propagating in at least one of the first and second internal optical paths so that the polarization direction of the propagating component approaches each other. Quantum measuring instruments can be used. Examples of the interferometer include not only a Mach-Zehnder interferometer but also a Sagnac interferometer. It is a matter of design for those skilled in the art how to implement such a quantum measuring device depending on the first and second PVM used.

以上、実施形態に沿って本発明を説明したが、本発明はこれに限られない。   As mentioned above, although this invention was demonstrated along embodiment, this invention is not limited to this.

上記実施形態では、情報を光子の偏光状態にのせる偏光エンコードの例を示したが、光子が第1の時間位置に存在する状態と、この第1の時間位置より後の第2の時間位置に存在する状態との重ね合せ状態を用い、それら2つの成分の位相差に情報をのせる位相エンコードを用いてもよい。   In the above embodiment, an example of polarization encoding that puts information on the polarization state of a photon has been shown. However, a state in which a photon exists at a first time position and a second time position after the first time position. It is also possible to use a phase encoding in which information is put on the phase difference between these two components using a superposition state with a state existing in.

また、情報を担う媒体たる量子系としては、光子に限らず、電子その他の素粒子、天然又は人工の原子、分子、もしくは超伝導体その他の巨視系を用いることもできる。この他、種々の変更、改良、及び組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。   In addition, the quantum system serving as a medium for carrying information is not limited to photons, but may be electrons or other elementary particles, natural or artificial atoms, molecules, superconductors, or other macroscopic systems. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

以下、本願明細書の記載から抽出される本発明の好ましい態様を付記する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention extracted from the description of the present specification will be added.

(付記1)
前記工程(d)が、(d1)受信装置が、前記識別情報群に対応する各量子系についての前記工程(b)での射影測定結果の統計分布から、前記同一の量子状態を推定できるか否か判定する工程と、(d2)前記同一の量子状態を推定できないと判定した場合に、受信装置が、前記識別情報群に対応する各量子系についての前記工程(b)での弱測定結果のアンサンブルを、第1及び第2のいずれの射影測定が行われたかによって分類し、分類されたサブアンサンブル内での平均値を前記弱値として求め、その値によって前記同一の量子状態を推定する工程とを含む量子通信方法。
(Appendix 1)
Whether the step (d) is (d1) the receiving device can estimate the same quantum state from the statistical distribution of the projection measurement result in the step (b) for each quantum system corresponding to the identification information group. And (d2) the weak measurement result in step (b) for each quantum system corresponding to the identification information group when it is determined that the same quantum state cannot be estimated. Are classified according to which of the first and second projection measurements is performed, an average value in the classified sub-ensemble is obtained as the weak value, and the same quantum state is estimated based on the average value. A quantum communication method including a process.

(付記2)
前記工程(d2)が、(d3)受信装置が、前記弱値から前記同一の量子状態を推定できるか否か判定する工程と、(d4)推定できないと判定した場合に、受信装置が、盗聴の可能性がある旨を送信装置に通知する工程とを含む付記1に記載の量子通信方法。
(Appendix 2)
When the step (d2) (d3) determines whether the receiving apparatus can estimate the same quantum state from the weak value, and (d4) determines that the receiving apparatus cannot estimate, the receiving apparatus The quantum communication method according to appendix 1, including a step of notifying the transmitting apparatus that there is a possibility of

(付記3)
前記工程(c)では、或る量子状態で送った量子系を複数特定する識別情報群が、同じ量子状態について既に通知した識別情報群が含まない識別情報を含む条件で、受信装置への識別情報群の通知を繰り返し行う量子通信方法。
(Appendix 3)
In the step (c), the identification information group for specifying a plurality of quantum systems transmitted in a certain quantum state includes identification information that does not include the identification information group already notified of the same quantum state. A quantum communication method that repeatedly notifies information groups.

(付記4)
前記工程(d)が、1つの識別情報群に対応する弱測定結果及び射影測定結果を、他の識別情報群に対応する弱測定結果及び射影測定結果と併合し、併合されて得られた射影測定結果の統計分布及び弱測定結果から得られる弱値を求める工程を含む付記3に記載の量子通信方法。
(Appendix 4)
Projection obtained by merging the weak measurement result and the projection measurement result corresponding to one identification information group with the weak measurement result and the projection measurement result corresponding to another identification information group in the step (d). The quantum communication method according to appendix 3, including a step of obtaining a weak distribution obtained from a statistical distribution of measurement results and a weak measurement result.

(付記5)
前記第1及び第2の各連続測定器が、第1の出射光路から入射する光子、及び第2の出射光路から入射する光子の各々に対して、最終測定用PVMを基底とする射影測定を行う射影測定器と、自己に入射する光子の光路を、直交する偏光成分によって第1の内部光路と第2の内部光路とに分岐させた後、再び重ね合わせることにより前記第1及び第2の出射光路を画定する干渉計と、前記第1及び第2の各内部光路を伝播する成分の偏光方向が互いに近づくように、第1及び第2の少なくともいずれか一方の内部光路を伝播する成分の偏光方向を回転させる偏光回転子とを備える量子通信システム。
(Appendix 5)
Each of the first and second continuous measuring devices projects a photon incident from the first outgoing optical path and a photon incident from the second outgoing optical path based on the final measurement PVM. The first and second projection measuring instruments that perform the measurement and the optical paths of the photons incident on the self are split into a first internal optical path and a second internal optical path by orthogonal polarization components, and then overlapped again. Two interferometers that define two outgoing optical paths and at least one of the first and second internal optical paths so that the polarization directions of the components propagating through the first and second internal optical paths are close to each other A quantum communication system comprising a polarization rotator that rotates a polarization direction of a component to be rotated.

(付記6)
前記最終測定用PVMとは非直交な要素からなる弱測定用PVMに属する偏光状態の光子が前記干渉計に入射したときは、その偏光状態に応じて、第1の出射光路からの出射確率と第2の出射光路からの出射確率とに偏りが生じる条件で、いずれかの出射光路から、射影測定結果に偏りを生じさせない偏光状態の前記光子が出射する付記5に記載の量子通信システム。
(Appendix 6)
When a photon in a polarization state belonging to a weak measurement PVM made of a non-orthogonal element with respect to the final measurement PVM is incident on the interferometer, the emission probability from the first emission optical path according to the polarization state 6. The quantum communication according to appendix 5, wherein the photon in a polarization state that does not cause a bias in the projection measurement result is emitted from any of the outgoing light paths under a condition in which a bias occurs in the emission probability from the second outgoing light path. system.

(付記7)
前記最終測定用PVMに属する偏光状態の光子が入射したときは、前記第1及び第2のいずれかの出射光路から、射影測定結果に偏りを生じさせる偏光状態の前記光子が出射する付記5又は6に記載の量子通信システム。
(Appendix 7)
Supplementary Note 5: When a photon in a polarization state belonging to the final measurement PVM is incident, the photon in a polarization state that causes a bias in the projection measurement result is emitted from one of the first and second emission optical paths. Or a quantum communication system according to 6;

(付記8)
前記最終測定用PVMに属する偏光状態の光子が入射したときの、前記第1の出射光路からの前記光子の出射確率と、前記第2の出射光路からの前記光子の出射確率とが等しい付記7に記載の量子通信システム。
(Appendix 8)
The probability of emission of the photon from the first output optical path is equal to the probability of output of the photon from the second output optical path when a polarized photon belonging to the final measurement PVM is incident. The quantum communication system according to appendix 7.

本発明の量子通信技術は、例えば、暗号に必要な鍵データを共有する量子鍵配送に用いることができる。例えば、本発明の量子通信技術を用いて共有したデータをワンタイムパッドの鍵とすることで安全な暗号通信を実現することができる。   The quantum communication technique of the present invention can be used, for example, for quantum key distribution that shares key data necessary for encryption. For example, secure encryption communication can be realized by using data shared using the quantum communication technology of the present invention as a key of a one-time pad.

1,20…送信装置、2,21…受信装置、3,22…量子チャンネル、4,24…光子出射器(量子系出射器)、5,25…送信者側コンピュータ、6,26…振り分け器、7…第1の連続測定器、8,27…第1の射影測定器、9…第1の弱測定器、10…第2の連続測定器、11,28…第2の射影測定器、12…第2の弱測定器、13,29…受信者側コンピュータ、14,23…公衆チャンネル、80,83…偏光ビームスプリッタ、81,82,84,85…光子検出器、91…1/4波長板、92…偏光ビームスプリッタ、93,94…1/2波長板(偏光回転子)、95…ビームスプリッタ、110,115…1/4波長板、111,116…1/2波長板、112,117…偏光ビームスプリッタ、113,114,118,119…光子検出器、121…1/2波長板、122…偏光ビームスプリッタ、123,124…1/2波長板(偏光回転子)、125…ビームスプリッタ、a,e…第1の内部光路、b,f…第2の内部光路、c,g…第1の出射光路、d,h…第2の出射光路。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,20 ... Transmitter, 2, 21 ... Receiver, 3, 22 ... Quantum channel, 4, 24 ... Photon emitter (quantum emitter), 5, 25 ... Sender computer, 6, 26 ... Sorter , 7 ... 1st continuous measuring device, 8, 27 ... 1st projection measuring device, 9 ... 1st weak measuring device, 10 ... 2nd continuous measuring device, 11, 28 ... 2nd projection measuring device, DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... 2nd weak measuring device, 13, 29 ... Receiver computer, 14, 23 ... Public channel, 80, 83 ... Polarizing beam splitter, 81, 82, 84, 85 ... Photon detector, 91 ... 1/4 Wave plate, 92... Polarizing beam splitter, 93, 94... Half wave plate (polarization rotator), 95... Beam splitter, 110, 115. , 117... Polarization beam splitter, 113, 114, 11 , 119 ... Photon detector, 121 ... 1/2 wavelength plate, 122 ... Polarization beam splitter, 123, 124 ... 1/2 wavelength plate (polarization rotator), 125 ... Beam splitter, a, e ... First internal optical path , B, f ... second internal optical path, c, g ... first outgoing optical path, d, h ... second outgoing optical path.

Claims (3)

(a)送信装置が、予め送受信者間で決められた第1のPVMとこの第1のPVMの要素とは非直交な要素よりなる第2のPVMとの和集合からランダムに選ばれる要素が表す量子状態に準備された量子系を次々に受信装置に送る工程と、
(b)受信装置が、送信装置から取得した前記量子系の各々に対して、前記第1のPVMを基底とする第1の射影測定及びそれを最終測定とする第1の弱測定、並びに前記第2のPVMを基底とする第2の射影測定及びそれを最終測定とする第2の弱測定のいずれかの連続測定をランダムに選んで行う工程であって、前記第1の弱測定は、送信装置から取得した量子系の量子状態が前記第2のPVMに属する場合に、前記第2のPVMを固有状態の集合とする縮退のないオブザーバブルについてなされ、前記第2の弱測定は、送信装置から取得した量子系の量子状態が前記第1のPVMに属する場合に、前記第1のPVMを固有状態の集合とする縮退のないオブザーバブルについてなされる工程と、
(c)送信装置が、前記工程(a)で送った量子系のうち同一の量子状態で送ったものを複数特定する識別情報群を受信装置に通知する工程と、
(d)受信装置が、前記識別情報群に対応する各量子系についての前記工程(b)での射影測定結果の統計分布及び弱測定結果から得られる弱値を求め、求めた統計分布及び弱値を用いて前記同一の量子状態を特定する工程と
を含む量子通信方法。
(A) An element selected at random from a union of a first PVM determined in advance between a sender and a receiver and a second PVM composed of elements that are non-orthogonal to the elements of the first PVM. Sending a quantum system prepared for the quantum state to be represented to the receiver one after another;
(B) For each of the quantum systems acquired from the transmission device by the reception device, a first projection measurement based on the first PVM and a first weak measurement based on the first projection measurement; and A step of randomly selecting any one of the continuous measurement of the second projection measurement based on the second PVM and the second weak measurement based on the second projection measurement, wherein the first weak measurement includes: When the quantum state of the quantum system acquired from the transmission device belongs to the second PVM, the second weak measurement is performed for the non-degenerate observable with the second PVM as a set of eigenstates. When a quantum state of a quantum system acquired from a device belongs to the first PVM, a process performed for a non-degenerate observable having the first PVM as a set of eigenstates;
(C) a step of notifying the receiving device of an identification information group for specifying a plurality of the quantum systems sent in the same quantum state among the quantum systems sent in the step (a);
(D) The receiving device obtains a weak value obtained from the statistical distribution of the projection measurement result and the weak measurement result in the step (b) for each quantum system corresponding to the identification information group, and obtains the statistical distribution and the weak quantum communication method including the step that identifies the same quantum state using the value.
自己に入射した量子系に対して、第1のPVMを基底とする第1の射影測定及びそれを最終測定とする第1の弱測定を行い、前記第1の弱測定が、自己に入射した量子系の量子状態が前記第1のPVMの要素とは非直交な要素よりなる第2のPVMに属する場合に、前記第2のPVMを固有状態の集合とする縮退のないオブザーバブルについて行われるように構成された第1の連続測定器と、
自己に入射した量子系に対して、前記第2のPVMを基底とする第2の射影測定及びそれを最終測定とする第2の弱測定を行い、前記第2の弱測定が、自己に入射した量子系の量子状態が前記第1のPVMに属する場合に、前記第1のPVMを固有状態の集合とする縮退のないオブザーバブルについて行われるように構成された第2の連続測定器と、
外部から次々に取得する量子系の各々を、前記第1の連続測定器及び前記第2の連続測定器のいずれかにランダムに入射させる振り分け器と、
前記振り分け器によって取得された各量子系を識別する識別情報に、その量子系についての前記第1又は第2の連続測定器の測定結果を対応付けて記憶する機能、並びに前記振り分け器によって取得された量子系のうち同一の量子状態で取得されたものを複数特定する識別情報群を外部から取得し、その取得した識別情報群に対応する各量子系についての前記第1及び第2の連続測定器での射影測定結果の統計分布及び弱測定結果から得られる弱値を求め、求めた統計分布及び弱値を用いて前記同一の量子状態を特定する機能を有する受信者側コンピュータと
を備えた量子通信用受信装置。
The first projection measurement based on the first PVM and the first weak measurement based on the first projection measurement are performed on the quantum system incident on the self, and the first weak measurement is incident on the self. When the quantum state of the quantum system belongs to the second PVM composed of elements that are non-orthogonal to the elements of the first PVM, the degenerate observable with the second PVM as a set of eigenstates is performed. A first continuous measuring instrument configured as follows:
A second projection measurement based on the second PVM and a second weak measurement using the second projection measurement as a final measurement are performed on the quantum system incident on the self, and the second weak measurement is incident on the self. A second continuous measuring device configured to be performed on an undegenerate observable having the first PVM as a set of eigenstates when the quantum state of the quantum system belongs to the first PVM;
A sorter that randomly enters each of the quantum systems acquired one after another from the outside to either the first continuous measuring device or the second continuous measuring device;
The identification information identifying each quantum system acquired by the distributor, the ability to the first or second continuous instrument measurement results association with each other about the quantum system, and acquired by the distributor The identification information group for specifying a plurality of acquired quantum systems in the same quantum state is acquired from the outside, and the first and second continuous measurements for each quantum system corresponding to the acquired identification information group seeking Yowachi obtained from the statistical distribution and weak measurements of projection measurements at vessels, using statistical distributions and Yowachi asked a recipient's computer having a function to identify the same quantum state Quantum communication receiver.
予め送受信者間で決められた第1のPVMとこの第1のPVMの要素とは非直交な要素よりなる第2のPVMとの和集合からランダムに選ばれる要素が表す量子状態に量子系を準備して次々に出射する量子系出射器と、
前記量子系出射器から出射される各量子系を識別する識別情報に、前記量子系出射器によって準備された量子系の量子状態を対応付けて記憶する送信者側コンピュータと、
自己に入射した量子系に対して、前記第1のPVMを基底とする第1の射影測定及びそれを最終測定とする第1の弱測定を行い、前記第1の弱測定が、自己に入射した量子系の量子状態が前記第2のPVMに属する場合に、前記第2のPVMを固有状態の集合とする縮退のないオブザーバブルについて行われるように構成された第1の連続測定器と、
自己に入射した量子系に対して、前記第2のPVMを基底とする第2の射影測定及びそれを最終測定とする第2の弱測定を行い、前記第2の弱測定が、自己に入射した量子系の量子状態が前記第1のPVMに属する場合に、前記第1のPVMを固有状態の集合とする縮退のないオブザーバブルについて行われるように構成された第2の連続測定器と、
前記量子系出射器から出射された各量子系を、前記第1の連続測定器及び前記第2の連続測定器のいずれかにランダムに入射させる振り分け器と、
前記送信者側コンピュータに通信可能に接続された受信者側コンピュータであって、前記送信者側コンピュータにおける前記識別情報と対応がとれて受信者側で前記量子系出射器から出射された各量子系を識別する識別情報に、その量子系についての前記第1又は第2の連続測定器の測定結果を対応付けて記憶する機能、並びに前記送信者側コンピュータから、前記量子系出射器から出射された量子系のうち同一の量子状態で出射されたものを複数特定する識別情報群が送信されてきた場合に、その識別情報群に対応する各量子系についての前記第1及び第2の連続測定器での射影測定結果の統計分布及び弱測定結果から得られる弱値を求め、求めた統計分布及び弱値を用いて前記同一の量子状態を特定する機能を有する受信者側コンピュータと
を備えた量子通信システム。
The quantum system is represented in a quantum state represented by an element selected at random from a union of a first PVM determined in advance between a sender and a receiver and a second PVM consisting of non-orthogonal elements. A quantum-based emitter that prepares and emits one after another;
A sender-side computer that stores identification information for identifying each quantum system emitted from the quantum-system emitter in association with a quantum state of the quantum system prepared by the quantum-system emitter;
A first projection measurement based on the first PVM and a first weak measurement based on the first projection measurement are performed on the quantum system incident on the self, and the first weak measurement is incident on the self. A first continuous measuring device configured to be performed on an undegenerate observable having the second PVM as a set of eigenstates when the quantum state of the quantum system belongs to the second PVM;
A second projection measurement based on the second PVM and a second weak measurement using the second projection measurement as a final measurement are performed on the quantum system incident on the self, and the second weak measurement is incident on the self. A second continuous measuring device configured to be performed on an undegenerate observable having the first PVM as a set of eigenstates when the quantum state of the quantum system belongs to the first PVM;
A sorter that causes each quantum system emitted from the quantum system emitter to randomly enter one of the first continuous measurement device and the second continuous measurement device,
A receiver-side computer communicably connected to the sender-side computer, each quantum system emitted from the quantum-system emitter on the receiver side in correspondence with the identification information in the sender-side computer The identification information for identifying the quantum system and the function of storing the measurement result of the first or second continuous measurement device in association with the quantum system, as well as emitted from the quantum system emitter from the sender computer When a plurality of identification information groups specifying a plurality of quantum systems emitted in the same quantum state are transmitted, the first and second continuous measuring devices for each quantum system corresponding to the identification information group recipient computer to determine the Yowachi obtained from the statistical distribution and weak measurements of projection measurements, has the ability to identify the same quantum state using the statistical distribution and Yowachi determined in Quantum communication systems with and.
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