JP5590601B2

JP5590601B2 - 縺れ光源のタイムビン偏光フォーマット変換技術

Info

Publication number: JP5590601B2
Application number: JP2010005517A
Authority: JP
Inventors: 幹生藤原; 守生豊嶋; 雅英佐々木; 章久富田; 芳弘南部; 健一郎吉野
Original assignee: NEC Corp; National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: NEC Corp; National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-01-14
Also published as: US20110170695A1; JP2011146886A; US8509446B2

Description

本発明は，自由空間とファイバにおける量子鍵配送のネットワークを構築できる，縺れ光源のタイムビン偏光フォーマット変換技術に関するものである。

特開２００８−２０５９９３号公報（特許文献１）には，非対称マッハツェンダー干渉計（ＡＭＺＩ）を用いた量子暗号装置が開示されている。この量子暗号装置は，偏波モードとタイムビン（ｔｉｍｅ−ｂｉｎ）モードの最大縺れ状態を達成することができるとされている（図４，段落［００４９］）。

特開２００８−２０５９９３号公報

特開２００８−２０５９９３号公報（特許文献１）に開示された量子暗号装置は，主にタイムビンパルスの自由度に情報を載せてファイバなどの伝送路を伝搬させる。一方，自由空間を空間伝送する量子鍵配送（ＱＫＤ）システムが計画されている。このような空間通信では，光子の偏光の自由度に情報を載せて自由空間を伝搬させることが想定されている。

すなわち，上記特開２００８−２０５９９３号公報に開示された量子暗号装置は，ファイバを経由したＱＫＤを達成することはできるものの，自由空間におけるＱＫＤに使用することはできない。

そこで，本発明は，自由空間とファイバの両方を伝送路とすることができるハイブリッド量子鍵配送（ＱＫＤ）のネットワークシステムを提供することを目的とする。

本発明は，基本的には，波長の異なる２種の光子対を発生させ，それぞれを非対称マッハツェンダー干渉計に入射させタイムビン（ｔｉｍｅ−ｂｉｎ）縺れ状態とし，一方の光子対には更に偏光情報を重畳させることによってハイブリッド量子縺れを得ることができるという知見に基づく。本発明のシステムは，自由空間・ファイバ統合型の量子鍵配送システムとして利用しうるものである。

本発明によれば，自由空間とファイバの両方を伝送路とすることができるハイブリッド量子鍵配送（ＱＫＤ）のネットワークシステムを提供することができる。

図１は，量子鍵配送システムを説明するためのブロック図である。図２は，光子発生源の例を示すブロック図である。図３は，ボブ側を構成する非対称マッハツェンダー干渉計の例を示す図である。図４は，偏光・時間遅延付与装置を説明するためのブロック図である。図５は，自由空間とファイバネットワークとをつなぐ量子鍵配送のネットワークシステムを示すブロック図図６は，本発明のハイブリッドエンタングルメント光子対生成装置を示すブロック図である。図７は，ポアンカレ球の概念図である。図８は，フォーマット変換機を示すブロック図である。図８（ａ）は，グランレーザープリズムを用いたフォーマット変換機を示す。図８（ｂ）は，偏光子及び２つの偏光ビームスプリッタを用いたフォーマット変換機を示す。図９（ａ）は量子鍵配送２者同時計数の遅延時間依存性を示すグラフである。図９（ｂ）は量子鍵配送２者同時計数の干渉計動作温度依存性を示すグラフである。

本発明の第１の側面は，量子鍵配送システムに関する。図１は，量子鍵配送システムを説明するためのブロック図である。図１に示されるように，この量子鍵配送システムは，第１の光子（例：１５５０ｎｍ）と第２の光子（例：８１０ｎｍ）を発生するための光子発生源１１と，光子発生源１１から発生した第１の光子が入射する非対称マッハツェンダー干渉計（例：ＰＬＣ上に設けられたＡＭＺＩ）１２と，光子発生源１１から発生した第２の光子に対し，偏光と時間遅延とを与える偏光・時間遅延付与装置１３とを含む。

量子鍵配送（ＱＫＤ）システムは，量子暗号通信などの情報通信において広く知られているシステムである。本発明のシステムは，ＱＫＤシステムにおいて既に知られた構成を適宜採用することができる。

光子発生源１１は，第１の光子及び第２の光子を発生するための装置である。

第１の光子は，ファイバ伝送に適した可視光または近赤外光の光子であることが好ましい。このような光子の波長の例は１５５０ｎｍである。第１の光子の波長は，８００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であることが好ましい。第１の光子は，ボブ側へ送られる。

第２の光子は，空間伝送に適した可視光の光子であることが好ましい。このような光子の波長の例は８１０ｎｍである。第２の光子の波長は，５００ｎｍ以上１０００ｎｍであることが好ましい。第２の光子は，アリス側へ送られる。

図２は，光子発生源の例を示すブロック図である。光子発生源１１の例は，近紫外領域又は可視領域の連続光を発生する光源２１と，光源２１からの連続光をダウンコンバージョンし，可視領域又は近赤外領域の光子を得るための非線形光学結晶２２とを含むものである。

光源２１の例はＹＡＧレーザーを用いた連続光光源である。光源２１が出力する近紫外領域又は可視領域の連続光の波長の例は５３２ｎｍである。光源２１が出力する近紫外領域又は可視領域の連続光の波長は，１００ｎｍ以上６００ｎｍ以下があげられる。光源２１が出力する連続光の強度の例は，１０μＷ以上１ｍＷ以下である。光源２１は，パルス光源であっても良い。光源２１としてパルス光源を用いる場合，パルス光源のコヒーレンス長を，非対称マッハツェンダー干渉計１２の遅延時間より長く設定する。

非線形光学結晶２２は，光学素子として既に知られている。よって，本発明においても既に知られた方法に従って，非線形光学結晶を設計することができる。

光源２１からの光と，ポンプ光２３とが非線形光学結晶に入射する。すると，第１の光子と第２の光子とが発生する。ポンプ光は，連続光であってもパルス光であっても良い。ポンプ光が，パルス光の場合，パルス光源のコヒーレンス長を，非対称マッハツェンダー干渉計１２の遅延時間より長く設定する。これらの光子を分離装置２４で分離して，アリス側及びボブ側へと導く。分離装置２４の例はダイクロイックミラーである。ビームスプリッタと光学フィルタを用いても，分離装置２４を構築することができる。

図３は，ボブ側を構成する非対称マッハツェンダー干渉計の例を示す図である。図３に示されるように，この非対称マッハツェンダー干渉計１２は，２入力４出力非対称マッハツェンダー干渉計である。そして，この非対称マッハツェンダー干渉計は，分岐部３１と，分岐部３１とつながる第１のアーム３２と，分岐部３１とつながる第２のアーム３３と，第１のアーム３２及び第２のアーム３３とつながる合波部３４とを有する。すなわち，この非対称マッハツェンダー干渉計１２は，分岐部３１で分離した一方の光が伝搬する第１のアーム３２と，分岐部３１で分離した残りの光が伝搬する第２のアーム３２とを有する。第１のアーム３２及び第２のアーム３３には，図示しない電極が設けられており，これにより伝搬する光の位相を制御できるようにしても良い。非対称マッハツェンダー干渉計１２は，平面光学回路（ＰＬＣ）上に実装されるものが好ましい。

第１のアーム３２と第２のアーム３３とは長さが異なっている。これにより，第１のアーム３２を伝搬する光が合波部３４に到達する時間に比べて第２のアーム３３を伝搬する光が合波部３４に到達する時間が所定時間遅くなる。このようにして，この非対称マッハツェンダー干渉計１２は，光子に時間遅延を与え，光子対を得ることができる。第１のアーム３２と第２のアーム３３との光路長差は，公知であるため，既に知られた光路長差に基づいて第１のアーム３２と第２のアーム３３とを設計すればよい。

図３に示す非対称マッハツェンダー干渉計１２は，４つの光検出器３５〜３８を有する。すなわち，この非対称マッハツェンダー干渉計１２は，第１のアーム３２と接続された第１の光検出器３５，第２のアーム３３と接続された第２の光検出器３６，及び合波部３４と接続された第３の光検出器３７，及び第２４光検出器３８を有する。

図４は，偏光・時間遅延付与装置を説明するためのブロック図である。偏光・時間遅延付与装置１３は，第２の光子に対し，偏光と時間遅延とを与えるための装置である。図４に示される偏光・時間遅延付与装置１３は，偏光調整器４１と，第１の偏光ビームスプリッタ４２と，第２の偏光ビームスプリッタ４３とを有する。

第１の偏光ビームスプリッタ４２と第２の偏光ビームスプリッタ４３とは，第１のパス４４及び第２のパス４５を介して，光学的に接続されている。一方，第１のパス４４と第２のパス４５とは，光路長が異なっている。すなわち，第１の偏光ビームスプリッタ４２と第２の偏光ビームスプリッタ４３とを含む部分は，非対称マッハツェンダー干渉計４６を構成する。第１のパス４４の光路長は，第１の偏光ビームスプリッタ４２と第２の偏光ビームスプリッタ４３との距離を調整することにより，調整することができる。第２のパス４５の光路長は，図示しないミラーの位置を調整することにより調整することができる。このように，第１のパス４４の光路長と第２のパス４５の光路長との差は，適宜調整することができる。

第２の光子が偏光調整器４１に入射する。すると，偏光調整器４１により，第２の光子の偏光面が調整される。偏光調整器４１から出力された光子は，第１の偏光ビームスプリッタ４２に入射し，偏光面に応じて分離される。第１の偏光ビームスプリッタ４２により偏光分離された一方の光は，第１のパス４４を介して第２の偏光ビームスプリッタ４３へ入射する。第１の偏光ビームスプリッタ４２により偏光分離された残りの光は，第２のパス４５を介して第２の偏光ビームスプリッタ４３へ入射する。第２のパスの方が第１のパスに比べて光路長が長い。これにより，第２のパス４５を経た光子に時間遅延を与えることができる。すると，第２の偏光ビームスプリッタ４３には，第１のパス４４を経た光子と，第２のパス４５を経た光子の光子対が生成することとなる。そして，この光子対を構成する２つの光子は，それぞれ偏光状態が異なっている。このようにして，タイムビンモードに偏光モードを載せることができる。すなわち，偏光・時間遅延付与装置１３は，タイムビンモード光子対に偏光情報を重畳できるため，ハイブリッド量子縺れ光源として機能する。

偏光・時間遅延付与装置を経て得られた光子対は，自由空間を経てアリスへ到達する。アリス側は，偏光素子及び光子検出器のみを用いて構築できる。

なお，非対称マッハツェンダー干渉計１２により与えられる遅延時間と，偏光・時間遅延付与装置１３により与えられる遅延時間とは，同じ値であることが好ましい。この遅延時間の例は，１０ｐ秒以上１００ｎ秒以下である。

図５は，自由空間とファイバネットワークとをつなぐ量子鍵配送のネットワークシステムを示すブロック図である。

図６は，本発明のハイブリッドエンタングルメント光子対生成装置を示すブロック図である。光源は，ＹＡＧレーザーの第２高調波を用いた。ＹＡＧレーザーからの５３２ｎｍの連続光を，その強度が１６０μＷとなるように調整した。この連続光を３０ｍｍの長さの非線形光学結晶（ＰＰＬＮ）に導いた。このＰＰＬＮ（ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙｐｏｌｅｄｌｉｔｈｉｕｍｎｉｏｂａｔｅ）は，生成される８１０ｎｍと１５５０ｎｍの光がお互いにエンタングルメント状態となるように調整されたものである。ポンプ光として，５３２ｎｍの波長を有する光を用いた。ポンプ光，８１０ｎｍの光，１５５０ｎｍの光のモード直径はシングルモードファイバに適合するように，それぞれ８４μｍ，８４μｍ，１０４μｍとなるように最適化した。図６に示される装置を用いて，５３２ｎｍの光をダウンコンバージョンし，８１０ｎｍと１５５０ｎｍの光子をえた。

ダイクロイックミラーを用いて８１０ｎｍの光子と１５５０ｎｍの光子を分離した。なお，漏れ出す光子を軽減するため長波長用パスフィルタを用いた。ダウンコンバージョン後，１５５０ｎｍの光子をボブのディテクターへと導いた。ディテクターは，シリコン基板上に設けられた２入力４出力形の非対称マッハツェンダー干渉計を有していた。非対称マッハツェンダー干渉計は，５０ｃｍのスパイラル型のパターンが形成されており，これにより２．５ナノ秒の遅延時間を与えることができるものであった。

ディテクターにより観測される出力光子は，｜０＞，｜０＞−｜１＞，｜０＞＋｜１＞，及び｜１＞のポアンカレ球への射影を示す。図７は，ポアンカレ球の概念図である。ここで，｜１＞は第１のタイムビンにおける光子（すなわち，短い方のアームを経た光子）をあらわし，｜０＞は第２のタイムビンにおける光子（すなわち，長い方のアームを経た光子）をあらわす。｜０＞と｜１＞は，極状態（ｚ軸）にマッピングされ，｜０＞−｜１＞及び｜０＞＋｜１＞は，赤道状態（ｘ軸）にマッピングされる。１５５０ｎｍの光子を１０％の検出率効果を有するガイガーモードのＩｎＧａＡｓベースのアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤｓ）を用いて検出した。

アリス側のシリコンベースのＡＰＤｓ（パーキンエルマー社製単一光子測定モジュールＳＰＣＭｓ）での観測に基づいて，遅延生成器を介して，ＩｎＧａＡｓベースのＡＰＤｓ用の検出トリガーを得た。ＳＰＣＭの８１０ｎｍの光子測定効率は，約５５％であった。

以下，偏光情報を載せたタイムビンエンタングルメントのハイブリダイゼイションについて説明する。

アリスへ送信される８１０ｎｍの光子対をフォーマット変換機（偏光・置換遅延付与装置）に入力した。図８は，フォーマット変換機を示す。図８（ａ）は，グランレーザープリズムを用いたフォーマット変換機を示す。図８（ｂ）は，偏光子及び２つの偏光ビームスプリッタを用いたフォーマット変換機を示す。図８（ａ）のフォーマット変換機と図８（ｂ）のフォーマット変換機とは光学的に等価な回路である。図８（ｂ）のフォーマット変換機は，非対称マッハツェンダー干渉計を有するものである。

図８（ａ）のフォーマット変換機は，偏波分岐比５０ｄＢのグランレーザープリズムと偏波保持ファイバ（ＰＭＦ）および偏光子を有する。遅延時間は遅延用ファイバ入射端に接続されたマイクロメータにより調整できる。ＰＭＦで反射端から導かれた光は，２．５ナノ秒の遅延が与えられ，グランレーザープリズムのもう一方の端面に入射される。このフォーマット変換機中の損失は約１．５ｄＢである。フォーマット変換機は，発生時刻ｔ＝０の光子対と発生時刻ｔ＝−タウの光子対の重ね合わせによる縺れ状態を

から，

へと変換する。

ここで｜Ｈ＞と｜Ｖ＞は，それぞれ水平及び垂直偏光状態を示す。またＡとＢはそれぞれアリス（Ａｌｉｃｅ）とボブ（Ｂｏｂ）を表現する。シータ（ｔ）は相対位相差を示す。なお，相対位相差であるシータ（ｔ）は，タウに関連して定義される。

フォーマット変換後，空間を伝搬させアリスで受光する。アリスの受光装置は，ビームスプリッタ（ＢＳ）と偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）および半波長板のみで構成できる。極状態（ｚ軸）すなわち，｜０＞と｜１＞とは，｜Ｈ＞と｜Ｖ＞とにフォーマット変換されているので，ＰＢＳを用いて容易に区別できる。一方，赤道状態（ｘ軸）の｜０＞−｜１＞及び｜０＞＋｜１＞は，２２．５°に設定された半波長板を経由させた後に，観測することができる。

発生時刻ｔ＝０の光子対と発生時刻ｔ＝−タウの光子対の重ね合わせによる縺れ状態は，以下の式のように表すことができる。

ここで，｜−＞_Ａ及び｜＋＞_Ａは，それぞれ，以下のとおりである。

上記の式は，赤道状態（ｘ軸）を示しており，これがＰＢＳとＳＰＣＭを用いて測定できることを明確に示している。

エンタングルメントが存在することを示すため，適切なタイムウィンドウ（４０ｎ秒）における８１０ｎｍと１５５０ｎｍの光子測定における同時現象を測定した。アリス側のＳＰＣＭｓからの検出出力のＯＲをゲートパルスのトリガーとし，遅延生成機を介して，ボブ側のＡＰＤｓに与えた。

Ｂｏｂ側（１５５０ｎｍ側）のパルス位置縺れはＡｌｉｃｅ側（８１０ｎｍ側）の初段のＢＳを通過後ＰＢＳに向かう基底でのＨ，Ｖの縺れに相当する。またパルス間位相差の縺れは初段のＢＳ後半波長板により偏波を４５度回転後ＰＢＳに向かう基底での測定となる。このＡｌｉｃｅ側の光学系は干渉計を必要とせずＢＳ，ＰＢＳ及び半波長板で構成されており，非常に簡便な構造となっている。

図９（ａ）は量子鍵配送２者同時計数（コインシデンスカウント）の遅延時間依存性を示すグラフである。図９（ａ）はＺ基底およびＸ基底でのエンタングル光子対生成モジュールとフォーマット変換機を用い８１０ｎｍおよび１５５０ｎｍの光子の同時計数の１５５０ｎｍＰＬＣのトリガー遅延時間依存性を示す。図中１点は１０秒間でのカウント数を示す。カウントレートはＺ基底で８２０ｃ／ｓ，Ｘ基底では９５０ｃ／ｓであった。光検出器としては８１０nmにＳｉＡＰＤ，１５５０ｎｍ用にはＩｎＧａＡｓＡＰＤを用いた。測定は１基底ごとに行い，図５でのＡｌｉｃｅ側でのＢＳを省いた系で行った。ディテクターＺ０（Ｚ１）は，Ｚ軸の０（１）信号を検出するディテクターを示す。Ｚ０（アリス）−Ｚ０（ボブ）とＺ１（アリス）−Ｚ１（ボブ）の同時事象は，同じ遅延時間後に測定される必要がある。図９（ｂ）は量子鍵配送２者同時計数の干渉計動作温度依存性を示すグラフである。図９（ｂ）はＺ基底およびＸ基底でのエンタングル光子対生成モジュールとフォーマット変換機を用い８１０ｎｍおよび１５５０ｎｍの光子の同時計数の１５５０ｎｍＰＬＣの温度依存性を示す。図９（ａ）及び図９（ｂ）から，Ｚ基底で９８％超，Ｘ基底で８８％超の明瞭度を得たことがわかる。なお，Ｘ基底の明瞭度の劣化はフォーマット変換機での過度な遅延時間が発生し，干渉性の劣化が起こったためと考えられる。

本発明は，情報コミュニケーション通信の分野において利用されうる。

１１光子発生源
１２非対称マッハツェンダー干渉計
１３偏光・時間遅延付与装置
２１連続光光源
２２非線形光学結晶
３１分岐部
３２第１のアーム
３３第２のアーム
３４合波部
４１偏光調整器
４２第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
４３第２の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
４４第１のパス
４５第１の時間遅延付与装置（第２のパス）

Claims

波長が８００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である第１の光子と，波長が５００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であって前記第１の光子より波長が短い第２の光子を発生するための光子発生源（１１）と，
前記光子発生源（１１）から発生した前記第１の光子がファイバを伝搬して入射し，前記第１の光子に対して時間遅延を与える非対称マッハツェンダー干渉計（１２）と，
前記光子発生源（１１）から発生した前記第２の光子がファイバを伝搬して入射し，前記第２の光子に対して偏光と時間遅延とを与える偏光・時間遅延付与装置（１３）と，
前記偏光・時間遅延付与装置（１３）を経た前記第２の光子が自由空間を伝搬して入射する受光装置と，を含み，
前記偏光・時間遅延付与装置（１３）は，前記第２の光子に対し，前記非対称マッハツェンダー干渉計（１２）により前記第１の光子に与えられる遅延時間と等しい時間遅延を与えて，前記第１の光子と前記第２の光子との間に量子縺れ状態を発生させると共に，前記第２の光子に対して水平偏光状態と垂直偏光状態を重畳して，｜０＞と｜１＞の量子状態を，それぞれ，水平偏光状態｜Ｈ＞と垂直偏光状態｜Ｖ＞とにフォーマット変換する
量子鍵配送システム。
前記受光装置は，偏光素子及び光子検出器によって構築されている
請求項１に記載の量子鍵配送システム。
前記非対称マッハツェンダー干渉計（１２）は，
前記第１の光子が入射し，分岐する分岐部（３１）と，
前記分岐部（３１）で分離した一方の光が伝搬する第１のアーム（３２）と，
前記分岐部（３１）で分離した残りの光が伝搬するアームであって，前記第１のアーム（３２）とは光路長が異なり，これにより前記第１のアーム（３２）を伝搬した光に対し，時間遅延を与えた光を出力できる第２のアーム（３３）と，
を有する，
請求項１に記載の量子鍵配送システム。
前記偏光・時間遅延付与装置（１３）は，
前記第２の光子が入射する偏光調整器（４１）と，
前記偏光調整器（４１）からの光を偏光面に応じて分離する第１の偏光ビームスプリッタ（４２）と，
前記１の偏光ビームスプリッタ（４２）により偏光分離された一方の光と残りの光とが入射する第２の偏光ビームスプリッタ（４３）と，
前記１の偏光ビームスプリッタ（４２）により偏光分離された残りの光に，前記１の偏光ビームスプリッタ（４２）により偏光分離された一方の光に対して，時間遅延を与える第１の時間遅延付与装置（４５）と，
を含む，
請求項１に記載の量子鍵配送システム。