JP6483643B2 - Quantum state measurement device - Google Patents

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Description

本発明は、時間位置量子状態の測定を行う量子状態測定装置に関する。   The present invention relates to a quantum state measurement device that measures time position quantum states.

従来キュービットと呼ばれる、光子の偏光状態や時間位置状態に0と1を対応させた量子力学的な2値状態が、量子暗号、量子テレポーテーション、量子コンピューティングなどの量子情報処理技術において研究されてきた。これに対して、近年キューディットと呼ばれる2よりも大きな次元のヒルベルト空間に単一光子が存在している高次元量子状態が注目を集めている。これは光子の時間位置、軌道角運動量、周波数などに対してd種類(d>2)の互いに直交する状態を用いて情報をマッピングしたものである。大きな次元のキューディットを量子情報処理に用いると、例えば量子暗号の場合には、雑音に対する耐性が向上することが、非特許文献1において知られている。   Quantum mechanical binary states in which 0 and 1 correspond to polarization states and time position states of photons, which are conventionally called qubits, are studied in quantum information processing technology such as quantum cryptography, quantum teleportation, and quantum computing. It has On the other hand, high-dimensional quantum states in which single photons exist in a Hilbert space of more than two dimensions, which is called qudit in recent years, are drawing attention. This is a mapping of information using d types (d> 2) of mutually orthogonal states with respect to the time position of photons, orbital angular momentum, frequency and the like. It is known in Non-Patent Document 1 that using a large dimension of qudits for quantum information processing improves the resistance to noise, for example, in the case of quantum cryptography.

量子情報処理を行うに当たっては、高品質かつ用いる情報処理に応じた適切な量子状態を用意する必要がある。この、用意された状態を評価するために用いられる量子状態測定の技術が、量子状態トモグラフィーである。より具体的には、量子状態トモグラフィーは、測定対象の量子状態密度関数ρを測定する技術である。   In performing quantum information processing, it is necessary to prepare high quality and appropriate quantum states according to the information processing used. The technique of quantum state measurement used to evaluate this prepared state is quantum state tomography. More specifically, quantum state tomography is a technique for measuring the quantum state density function ρ of the object to be measured.

量子状態トモグラフィーは大きく分けて、測定データの線型変換によって量子状態密度関数を再構築する方法と、物理的に許容される量子状態密度関数のパラメータの中で、測定データとの誤差が最も小さいものを数値計算による最適化で求める方法とが存在する。ここでは、後者の場合について説明する。簡単のため、ここでは2次元の時間位置量子状態の場合の量子状態トモグラフィーについて説明する。単一光子が時間位置t0に存在する状態を表す状態ベクトルを|0〉、時間位置t1に存在する状態を表す状態ベクトルを|1〉とすると、2次元の時間位置量子状態の量子状態密度関数は、次式のように表すことができる。 Quantum state tomography can be roughly divided into a method of reconstructing a quantum state density function by linear transformation of measured data, and one of the physically acceptable parameters of the quantum state density function that has the smallest error from the measured data There is a method of obtaining by optimization by numerical calculation. Here, the latter case will be described. For simplicity, we will describe here the quantum state tomography in the case of two-dimensional time position quantum states. Assuming that a state vector representing a state in which a single photon exists at time position t 0 is | 0> and a state vector representing a state existing at time position t 1 is | 1>, the quantum state of a two-dimensional time position quantum state The density function can be expressed as the following equation.

Figure 0006483643
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ただし、ci,jは量子状態密度関数を決定するパラメータであり、ρはエルミート演算子であるため、c0,0、c1,1は、実数、c0,1、c1,0は、c0,1=c1,0 **は、複素共役)を満たす複素数となる。また、確率の総和が1となるために、c0,0+c1,1=1となる。 However, since c i, j is a parameter for determining the quantum state density function and ρ is a Hermitian operator, c 0,0 and c 1,1 are real numbers and c 0,1 and c 1,0 are , C 0,1 = c 1,0 * ( * is a complex conjugate). In addition, c 0,0 + c 1,1 = 1 because the sum of probabilities is 1.

i,jは、行列の要素と見なせるので、上式は、以下のように表すことができる。 Since c i, j can be regarded as an element of a matrix, the above equation can be expressed as follows.

Figure 0006483643
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量子状態トモグラフィーにおいて行うことは、実験結果から全てのci,jを推定することである。ここで、先に述べたci,jが満たすべき条件から、求めなくてはならない実数のパラメータは、c0,0、cR=Re(c0,1)、cI=Im(c0,1)の3つとなる(ただしRe、Imはそれぞれ実部、虚部を取り出す関数)。従って、最低3種類の異なる測定に対する結果が得られれば、量子状態密度関数の値を推定することができる。実際の実験では、得られるデータは確率ではなく頻度のデータであるために、確率の総和1に相当する頻度の和を求めるため、4種類の異なる測定を行う。4種類の測定としては、状態|0〉、|1〉および次で定義される2つの状態|L〉、|D+〉への射影測定がしばしば用いられる。 What we do in quantum state tomography is to estimate all c i, j from experimental results. Here, the real parameters that must be obtained from the above-described conditions that c i, j should satisfy are c 0,0 , c R = Re (c 0,1 ), c I = Im (c 0 , 1 ) (where Re and Im are functions for extracting the real and imaginary parts, respectively). Therefore, if the results for at least three different measurements are obtained, the value of the quantum state density function can be estimated. In actual experiments, since the obtained data is not probability but frequency data, four different measurements are performed to obtain the sum of frequencies corresponding to the sum of probabilities 1. As four types of measurements, projective measurements to the state | 0>, | 1> and the two states | L> and | D + > defined below are often used.

Figure 0006483643
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ここで、射影測定演算子P0=|0〉〈0|、P1=|1〉〈1|、PL=|L〉〈L|、PD+=|D+〉〈D+|を定義する。状態密度関数ρを持つN個の光子に対し、これらの測定を行ったときに得られる測定頻度の期待値n0 p、n1 p、nL p、nD+ pは、「n0 p=NTr(P0ρ)・・・(5)」、「n1 p=NTr(P1ρ)・・・(6)」、「nL p=NTr(PLρ)・・・(7)」、「nD+ p=NTr(PD+ρ)・・・(8)」となる。なお、Tr(x)は、xのトレースである。 Here, the projective measurement operator P 0 = | 0 〈0 、, P 1 = | 1 〈1 P, P L = L L 〈L 、, P D + = D D ++ D + | Do. The expected values n 0 p , n 1 p , n L p , n D + p of the measurement frequency obtained when these measurements are performed for N photons having a state density function は, “n 0 p = NTr (P 0 )) (5), “n 1 p = NTr (P 1 )) (6)”, “n L p = NTr (P L )) (7) “N D + p = NTr (P D + ))” (8) ”. Tr (x) is a trace of x.

これらの理論的に予測される期待値と、実験結果との誤差を評価し、誤差が最小になるようなN、c0,0、cR、cIを数値最適化によって求めれば、光子の状態密度関数が式(2)により決定できる。 If the errors between these theoretically expected expectations and the experimental results are evaluated, and N, c 0 , 0 , c R , c I such that the error is minimized can be obtained by numerical optimization, The density of states function can be determined by equation (2).

誤差の評価としては、理論的に予測される頻度ベクトルnp=(n0 p,n1 p,nL p,nD+ p)と、対応する実験結果の頻度ベクトルne=(n0 e,n1 e,nL e,nD+ e)とのユークリッド距離を最小にする方法がある。 As the evaluation of the error, the theoretically predicted frequency vector n p = (n 0 p , n 1 p , n L p , n D + p ) and the corresponding frequency vector of the experimental result n e = (n 0 e , N 1 e , n L e , n D + e ), and there is a method of minimizing the Euclidean distance.

また、誤差の評価としては、次式で決定される尤度関数χ(np)を最小化する方法などが一般的である。 Moreover, as an evaluation of the error, a method of minimizing the likelihood function χ (n p ) determined by the following equation is generally used.

Figure 0006483643
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また、式(2)によるρの表現では、パラメータの設定次第でしばしば非物理的な状態密度関数となるため、ρとして次の表現を用いることも行われる。   In addition, in the expression of に よ る by the equation (2), since it often becomes a non-physical state density function depending on the setting of parameters, the following expression is also used as ρ.

Figure 0006483643
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実際に、2次元の場合の時間位置量子状態に対してこの量子状態トモグラフィーを行う方法は、特許文献1などが知られている。   In fact, Patent Document 1 and the like are known as a method of performing this quantum state tomography on a two-dimensional time position quantum state.

以上が量子状態トモグラフィーの基本的な内容である。上記の内容をその他の状態、例えばd次元n光子の量子状態トモグラフィーに拡張したい場合、状態密度関数ρとしてdn×dnエルミート行列、測定演算子としてd2n種類の異なる同時測定演算子、またその同時測定に対応する長さd2nの頻度ベクトルで上記の議論を置き換えることで、d次元n光子の量子状態トモグラフィーが可能になる。 The above is the basic contents of quantum state tomography. If we want to extend the above contents to other states, for example, quantum state tomography of d-dimensional n photons, we use d n × d n Hermitian matrix as state density function 、, d 2n different simultaneous measurement operators as measurement operators, By replacing the above discussion with a frequency vector of length d 2 n corresponding to the simultaneous measurement, quantum state tomography of d-dimensional n photons becomes possible.

キュービットの場合の量子状態トモグラフィーは広く行われているが、キューディットの場合の量子状態トモグラフィーはいまだ報告が少ない。具体的には、キューディットの場合の量子状態トモグラフィーは、光子の軌道角運動量に状態をエンコードしたもの、光子の周波数に状態をエンコードしたものが報告されている。   Quantum state tomography in the case of qubits is widespread, but quantum state tomography in the case of qubits is still unreported. Specifically, quantum state tomography in the case of qudits has been reported in which the state is encoded in the orbital angular momentum of a photon and the state is encoded in the frequency of the photon.

特開2008−225341号公報JP 2008-225341 A

N. J. Cerf et al., "Security of Quantum Key Distribution Using d-Level Systems", Physical Review Letters, vol.88, no.12, 127902, 2002.N. J. Cerf et al., "Security of Quantum Key Distribution Using d-Level Systems", Physical Review Letters, vol. 88, no. 12, 127902, 2002. T. Ikuta and H. Takesue, "Enhanced violation of the Collins-Gisin-Linden-Massar-Popescu inequality with optimized time-bin-entangled ququarts", Physical Review A, vol.93, no.2, 022307, 2016.T. Ikuta and H. Takesue, "Enhanced violation of the Collins-Gisin-Linden-Massar-Popescu inequity with optimized time-bin-entangled ququarts", Physical Review A, vol. 93, no. 2, no. 2, 022307, 2016.

前述したように、量子状態トモグラフィーを行うためには、キュービットの場合の|L〉、|D+〉に相当するような時間位置の重ね合わせ状態に対応する測定と、時間位置状態|0〉、|1〉に対応する測定を行う必要がある。高次元時間位置量子状態の場合の重ね合わせ状態に対応する測定の実装方法として非特許文献2が知られている。しかしながら、後述するように、従来の技術では、時間位置状態に相当する測定を、マッハツェンダー干渉計などを用いて行うことが困難である。 As described above, in order to perform quantum state tomography, measurement corresponding to the superposition of time positions corresponding to | L> and | D + > in the case of qubits, and time position state | 0> , | 1> needs to be measured. Non-Patent Document 2 is known as an implementation method of measurement corresponding to the superposition state in the case of a high dimensional time position quantum state. However, as described later, in the prior art, it is difficult to perform measurement corresponding to the time position state using a Mach-Zehnder interferometer or the like.

また、これまで提示されている手法に共通の欠点として、量子状態トモグラフィーを行うために必要な測定の種類と同じ数だけ、実際に測定を行う際のセットアップを変更しなくてはならないという欠点が存在する。   In addition, as a common drawback to the methods presented so far, there is the disadvantage that the setup for actually performing the measurement must be changed by the same number as the types of measurements required to perform quantum state tomography. Exists.

従来の測定では、光子検出器の前段にフィルタを設け、フィルタを透過して光子検出器で光子が検出される場合に、この光子は、フィルタにより定義される量子状態であったと判断している。例えば、2次元の場合、状態が|0〉の光子だけを透過するフィルタを用いる場合、このフィルタは、式(5)、式(6)、式(7)、式(8)で使われている射影測定演算子のうち、P0による測定を定義していることになる。 In the conventional measurement, when a filter is provided in front of the photon detector and the photon is detected by the photon detector after passing through the filter, it is determined that the photon is in the quantum state defined by the filter. . For example, in the two-dimensional case, if a filter that transmits only photons of state | 0> is used, this filter is used in Equation (5), Equation (6), Equation (7), and Equation (8). Among the projection measurement operators, there is defined a measurement by P 0 .

このように、特定の状態だけを透過させるフィルタを用いる測定では、1回の測定では特定の1状態しか対象とならない。上述の例では、P0以外の他の3つの状態への測定を行うためには、各々の状態に対応するフィルタに変更して測定を行うことになる。 Thus, in a measurement using a filter that transmits only a specific state, only one specific state is covered in one measurement. In the above example, in order to perform measurements on other three states other than P 0 will be measured by changing the filter corresponding to each state.

量子状態トモグラフィーに必要な測定の種類は、次元dに対してd2となるので、次元が大きくなれば、非常に多くの測定回数が必要となり、測定のセットアップの誤差の影響が蓄積されやすくなり、測定された状態に対する誤差、および劣化を招くこととなる。 Since the type of measurement required for quantum state tomography is d 2 for dimension d, the larger the dimension, the greater the number of measurements required, and the more likely it is the effect of measurement setup errors to accumulate. It will lead to errors and deterioration to the measured condition.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、測定結果の誤差や劣化を小さくしより簡便に量子状態が測定できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the problems as described above, and it is an object of the present invention to reduce the error and deterioration of measurement results and to enable the measurement of the quantum state more easily.

本発明に係る量子状態測定装置は、光子が存在可能な4つの時間位置および一定の時間位置間隔Tをもつ4次元時間位置単一光子の時間位置量子状態の測定を行う量子状態測定装置であり、2つの経路の間の遅延時間差を2Tとし、2つの経路の間の位相差を0もしくはπ/2に設定可能とされて4次元時間位置単一光子が入力されるマッハツェンダー型の第1遅延干渉計と、第1遅延干渉計の一方の出力端に入力端が接続されることで縦列接続とされ、2つの経路の間の遅延時間差をTとし、2つの経路の間の位相差を0もしくはπ/2に設定可能なマッハツェンダー型の第2遅延干渉計と、第2遅延干渉計の一方の出力端から出力される光子の到達時刻を検出する光子検出器と、第1遅延干渉計における位相差を0とし、第2遅延干渉計における位相差を0とした第1測定条件における光子検出器で検出された光子の到達時刻と、第1遅延干渉計における位相差をπ/2とし、第2遅延干渉計における位相差を0とした第2測定条件における光子検出器で検出された光子の到達時刻と、第1遅延干渉計における位相差を0とし、第2遅延干渉計における位相差をπ/2とした第3測定条件における光子検出器で検出された光子の到達時刻と、第1遅延干渉計における位相差をπ/2とし、第2遅延干渉計における位相差をπ/2とした第4測定条件における光子検出器で検出された光子の到達時刻とを測定条件毎に記録し、記録した測定条件毎の到達時刻の頻度についての情報から4次元時間位置単一光子の時間位置量子状態を求める処理部とを備える。   The quantum state measuring device according to the present invention is a quantum state measuring device for measuring the time position quantum state of a four-dimensional time position single photon having four time positions where photons can exist and a predetermined time position interval T. , The delay time difference between the two paths is 2T, the phase difference between the two paths can be set to 0 or π / 2, and a Mach-Zehnder type 1st one receives a four-dimensional time position single photon The delay interferometer and the input end are connected to the output end of one of the first delay interferometers to be cascaded, and the delay time difference between the two paths is T, and the phase difference between the two paths is Mach-Zehnder type second delay interferometer which can be set to 0 or π / 2, photon detector for detecting arrival time of photon output from one output end of second delay interferometer, and first delay interference The phase difference in the measurement is 0, and the second delay interferometer Let the phase difference in the first delay interferometer be π / 2, the phase difference in the second delay interferometer be 0, and the phase difference in the first delay interferometer be π / 2. Under the third measurement condition, the arrival time of the photon detected by the photon detector under the second measurement condition and the phase difference in the first delay interferometer are 0, and the phase difference in the second delay interferometer is π / 2 The photon detector under the fourth measurement condition where the arrival time of the photon detected by the photon detector and the phase difference in the first delay interferometer are π / 2 and the phase difference in the second delay interferometer is π / 2 And a processing unit which records the arrival time of the detected photon for each measurement condition, and obtains the time position quantum state of the four-dimensional time position single photon from the information about the frequency of the arrival time for each measurement condition recorded.

また、本発明に係る他の量子状態測定装置は、n個の光子が各々存在可能なd個の時間位置および一定の時間位置間隔Tをもつd次元時間位置n光子の時間位置量子状態の測定を行う量子状態測定装置であり、d次元時間位置n光子を入力してn個の光子を異なる出力ポートへ出力する光分波器と、光分波器の各々の出力ポートに縦列接続されたK種(Kはlog2dより大きい最小の整数)のマッハツェンダー型の遅延干渉計からなるn個の多段干渉計と、n個の多段干渉計の各々に接続され、多段干渉計の一方の出力端から出力される光子の到達時刻を検出するn個の光子検出器と、光子検出器で検出された光子の到達時刻を記録する処理部とを備え、各々の多段干渉計を構成するK種の遅延干渉計は、2経路の間の遅延時間差が各々異なる2kT(0≦k≦K−1)とされ、各々の多段干渉計を構成するK種の遅延干渉計は、2経路の間の位相差が0もしくはπ/2に設定可能とされ、処理部は、各々の光子検出器で検出される光子毎に最大K2K+(K+1)d種類の時間的に異なる検出信号と、各々の遅延干渉計に設定される0もしくはπ/2の位相差による2K種類の位相の組み合わせによる複数の測定条件の測定から、2Kn{K2K+(K+1)d}n種類の信号の到達時刻を測定条件毎に記録し、記録した測定条件毎の到達時刻の頻度についての情報からd次元時間位置n光子の時間位置量子状態を求める。 Further, another quantum state measuring apparatus according to the present invention measures the time position quantum states of d-dimensional time position n photons having d time positions at which n photons can be present and a predetermined time position interval T. State-of-the-art measuring device, which is connected in cascade to each output port of the optical demultiplexer, and an optical demultiplexer that inputs d photons at n-dimensional time position n and outputs n photons to different output ports One of the multistage interferometers is connected to n multistage interferometers consisting of K type (K is the smallest integer greater than log 2 d) Mach-Zehnder type delay interferometers and n multistage interferometers. K comprising n photon detectors for detecting arrival times of photons output from the output end and a processing unit for recording arrival times of photons detected by the photon detectors, and configuring each multistage interferometer Delay interferometers of different types have different delay time differences between the two paths. is a k T (0 ≦ k ≦ K -1), K species of the delay interferometer constituting each of the multi-stage interferometer, the phase difference between the two paths is settable to zero or [pi / 2, the processing The unit has a maximum of K2 K + (K + 1) d kinds of temporally different detection signals for each photon detected by each photon detector and a phase difference of 0 or π / 2 set in each delay interferometer. The arrival time of 2 Kn {K2 K + (K + 1) d} n kinds of signals is recorded for each measurement condition from the measurement of a plurality of measurement conditions by combination of 2 K kinds of phases by. From the information on the frequency of time, the time position quantum state of the d-dimensional time position n photon is determined.

上記量子状態測定装置において、縦列接続されている最終段の遅延干渉計の一方に接続されている光子検出器に加え、最終段以外の遅延干渉計の後段の遅延干渉計が接続されていない出力端に接続された光子検出器を備えるようにしてもよい。   In the above-described quantum state measurement apparatus, in addition to the photon detector connected to one of the last stage delay interferometers connected in cascade, an output to which the delay interferometers of the subsequent stages of delay interferometers other than the last stage are not connected A photon detector connected to the end may be provided.

上記量子状態測定装置において、処理部は、予め測定されている遅延干渉計内の経路に依存した導波ロスおよび分岐比のずれをもとに、到達時刻の頻度を補正して時間位置量子状態を求めるようにするとよい。   In the above-described quantum state measuring apparatus, the processing unit corrects the frequency of arrival time based on the waveguide loss and deviation of the branching ratio depending on the path in the delay interferometer, which has been measured in advance, to obtain the time position quantum state. It is good to ask for

以上説明したことにより、本発明によれば、測定結果の誤差や劣化を小さくしより簡便に量子状態が測定できるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, an excellent effect can be obtained that the error and deterioration of the measurement result can be reduced and the quantum state can be measured more easily.

図1は、本発明の実施の形態1における量子状態測定装置の構成を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a quantum state measurement device according to Embodiment 1 of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態2における量子状態測定装置の構成を示す構成図である。FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the quantum state measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. 図3は、本発明の実施の形態3における量子状態測定装置の構成を示す構成図である。FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the quantum state measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1について、図1を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態1における量子状態測定装置(トモグラフィー装置)の構成を示す構成図である。以下では、光子が存在可能な4つの時間位置および一定の時間位置間隔Tをもつ4次元時間位置単一光子の量子状態測定を例に説明する。
First Embodiment
First, the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a quantum state measurement apparatus (tomography apparatus) according to a first embodiment of the present invention. In the following, quantum state measurement of a four-dimensional time position single photon having four time positions where photons can exist and a fixed time position interval T will be described as an example.

この量子状態測定装置は、2ビット遅延干渉計(第1遅延干渉計)101、1ビット遅延干渉計(第2遅延干渉計)102、光子検出器103、処理部104を備える。干渉計は、例えば、導波路型の光干渉計である。   The quantum state measurement apparatus includes a 2-bit delay interferometer (first delay interferometer) 101, a 1-bit delay interferometer (second delay interferometer) 102, a photon detector 103, and a processing unit 104. The interferometer is, for example, a waveguide type optical interferometer.

2ビット遅延干渉計101は、マッハツェンダー型であり、2つの経路の間の遅延時間差を2Tとし、2つの経路の間の位相差を0もしくはπ/2に設定可能とされている。2ビット遅延干渉計101に、測定対象となる4次元時間位置単一光子が入力される。   The 2-bit delay interferometer 101 is of the Mach-Zehnder type, and the delay time difference between two paths is 2T, and the phase difference between the two paths can be set to 0 or π / 2. A 4-bit time position single photon to be measured is input to the 2-bit delay interferometer 101.

より詳細には、2ビット遅延干渉計101は、入力光子を2経路に分岐するビームスプリッタ111と、2経路に分岐された光を合波して2つの出力ポートに出力するビームスプリッタ112と、ビームスプリッタ111によって分波された光のうち一方に2Tの遅延時間を与えてビームスプリッタ112に入力する遅延部113とを備える。また、遅延部113により構成されるアームには、ビームスプリッタ111によって分波された2経路の光の位相差を調整する位相差調整部114を備える。   More specifically, the 2-bit delay interferometer 101 splits an input photon into two paths, a beam splitter 111, and a beam splitter 112 combines the light split into two paths and outputs the combined light to two output ports. And a delay unit 113 which gives a delay time of 2T to one of the lights separated by the beam splitter 111 and inputs the light to the beam splitter 112. The arm configured by the delay unit 113 includes a phase difference adjustment unit 114 that adjusts the phase difference between the two paths of light split by the beam splitter 111.

1ビット遅延干渉計102は、マッハツェンダー型であり、2つの経路の間の遅延時間差をTとし、2つの経路の間の位相差を0もしくはπ/2に設定可能とされている。また、1ビット遅延干渉計102は、2ビット遅延干渉計101の一方の出力端に入力端が接続されている。   The 1-bit delay interferometer 102 is of the Mach-Zehnder type, and the delay time difference between the two paths is T, and the phase difference between the two paths can be set to 0 or π / 2. Further, the input end of the 1-bit delay interferometer 102 is connected to one output end of the 2-bit delay interferometer 101.

より詳細には、1ビット遅延干渉計102は、入力した光子を2経路に分岐するビームスプリッタ121と、2経路に分岐された光を合波し2つの出力ポートに出力するビームスプリッタ122と、ビームスプリッタ121によって分波された光のうち一方にTの遅延時間を与えてビームスプリッタ122に入力する遅延部123とを備える。また、遅延部123により構成されるアームには、ビームスプリッタ121によって分波された2経路の光の位相差を調整する位相差調整部124を備える。   More specifically, the 1-bit delay interferometer 102 includes a beam splitter 121 that splits input photons into two paths, and a beam splitter 122 that combines the light split into two paths and outputs the combined light to two output ports. And a delay unit 123 for giving a delay time of T to one of the lights demultiplexed by the beam splitter 121 and inputting the delay time to the beam splitter 122. The arm configured by the delay unit 123 is provided with a phase difference adjustment unit 124 that adjusts the phase difference between the two paths of light split by the beam splitter 121.

光子検出器103は、1ビット遅延干渉計102の一方の出力端から出力される光子の到達時刻を検出する。   The photon detector 103 detects the arrival time of photons output from one output end of the 1-bit delay interferometer 102.

処理部104は、2ビット遅延干渉計101における位相差を0とし、1ビット遅延干渉計102における位相差を0とした第1測定条件、2ビット遅延干渉計101における位相差をπ/2とし、1ビット遅延干渉計102における位相差を0とした第2測定条件、2ビット遅延干渉計101における位相差を0とし、1ビット遅延干渉計102における位相差をπ/2とした第3測定条件、2ビット遅延干渉計101における位相差をπ/2とし、1ビット遅延干渉計102における位相差をπ/2とした第4測定条件における光子検出器103で検出された光子の到達時刻を、測定条件毎に記録する。また、処理部104は、記録した測定条件毎の到達時刻の頻度についての情報から、後述するように、4次元時間位置単一光子の時間位置量子状態を求める。   The processing unit 104 sets the phase difference in the 2-bit delay interferometer 101 to 0 and the phase difference in the 2-bit delay interferometer 101 to π / 2 under the first measurement condition where the phase difference in the 1-bit delay interferometer 102 is 0. A second measurement condition in which the phase difference in the 1-bit delay interferometer 102 is 0, a third measurement in which the phase difference in the 2-bit delay interferometer 101 is 0 and the phase difference in the 1-bit delay interferometer 102 is π / 2 The arrival time of the photon detected by the photon detector 103 under the fourth measurement condition where the phase difference in the 2-bit delay interferometer 101 is π / 2 and the phase difference in the 1-bit delay interferometer 102 is π / 2 is Record for each measurement condition. Further, the processing unit 104 obtains the time position quantum state of the four-dimensional time position single photon, as will be described later, from the recorded information about the frequency of arrival time for each measurement condition.

4次元時間位置単一光子が2ビット遅延干渉計101に入力されるので、2ビット遅延干渉計101からは、各々異なる時刻に6つの光子が出力される可能性があり、1ビット遅延干渉計102からは、各々異なる時刻に7つの光子が出力される可能性がある。処理部104は、光子検出器103で検出される可能性のある7つの時間位置のうち、どの時刻において光子検出器103が光子を検出したかを記録する。また、処理部104は、光子検出器103における光子の検出時刻のみでなく、位相差調整部114と、位相差調整部124に与える位相差情報(第1測定条件、第2測定条件、第3測定条件、第4測定条件)も記録することで、後述する光子検出時刻において対応する測定の状態を記録する。   Since a four-dimensional time position single photon is input to the two-bit delay interferometer 101, six photons may be output from the two-bit delay interferometer 101 at different times. From 102, seven photons may be output at different times. The processing unit 104 records at which time of the seven possible time positions detected by the photon detector 103 the photon detector 103 detects a photon. Further, the processing unit 104 is not only the detection time of photons in the photon detector 103 but also phase difference information (first measurement condition, second measurement condition, third condition) to be supplied to the phase difference adjustment unit 114 and the phase difference adjustment unit 124. By also recording the measurement condition and the fourth measurement condition, the state of measurement corresponding to the photon detection time described later is recorded.

2ビット遅延干渉計101に、0≦i≦3である時間位置iにおいて光子が存在する状態|i〉が入力されたとする。入力された光子は、ビームスプリッタ111で2経路に分岐される。分岐される一方の経路において遅延部113による時間遅延2Tおよび位相差調整部114による位相差θ2が付与される。ビームスプリッタ112では、異なる経路を通った光子が合波される。従って、ビームスプリッタ112の出力ポートのうち、ビームスプリッタ121に接続されている方のポートにおける出力状態は、次式の入出力関係によって与えられる。 It is assumed that a state | i> in which a photon is present at time position i where 0 ≦ i ≦ 3 is input to the 2-bit delay interferometer 101. The input photons are branched into two paths by the beam splitter 111. Phase difference theta 2 by time delay 2T and the phase difference adjustment unit 114 by the delay unit 113 at one of the routes branch is granted. In the beam splitter 112, photons passing through different paths are combined. Accordingly, among the output ports of the beam splitter 112, the output state at the port connected to the beam splitter 121 is given by the input / output relationship of the following equation.

Figure 0006483643
Figure 0006483643

ただし、ビームスプリッタ121に接続されていない他方のビームスプリッタ112の出力ポートとのエネルギー保存を考慮して状態振幅の規格化を行っている。   However, the state amplitude is normalized in consideration of energy storage with the output port of the other beam splitter 112 not connected to the beam splitter 121.

式(12)における入出力状態の関係は、次式で定義される測定演算子Μ2を入力状態に左から乗ずることと等価である。 The relationship between input and output states in equation (12) is equivalent to multiplying the input state by the measurement operator Μ 2 defined by the following equation from the left.

Figure 0006483643
Figure 0006483643

従って、2ビット遅延干渉計101に光子を入力することは、測定演算子Μ2による測定を行うことと等価である。 Therefore, the entering photons to 2-bit delay interferometer 101 is equivalent to performing a measurement by the measuring operator Micromax 2.

同様に、1ビット遅延干渉計102に光子が入力したときの測定演算子Μ1が次式で定義できる。 Similarly, the measurement operator Μ 1 when photons are input to the 1-bit delay interferometer 102 can be defined by the following equation.

Figure 0006483643
Figure 0006483643

ただし、θ1は、位相差調整部124によって与えられる位相差である。 However, θ 1 is the phase difference given by the phase difference adjustment unit 124.

光子検出器103で光子の到着時刻を検出するという測定は、光子検出器103で光子を検出しうる7つの時間位置における射影測定と対応している。従って、2ビット遅延干渉計101に入力された光子が、続く1ビット遅延干渉計102に入力され、さらに、光子検出器103において時刻j(0≦j≦6)で検出される場合、検出される光子の状態は、入力光子の状態に対して次式で定義される測定演算子Μwによる測定を行った状態となる。 The measurement that the photon detector 103 detects the arrival time of the photon corresponds to the projection measurement at seven time positions where the photon detector 103 can detect the photon. Therefore, photons input to the 2-bit delay interferometer 101 are detected if they are input to the subsequent 1-bit delay interferometer 102 and are further detected by the photon detector 103 at time j (0 ≦ j ≦ 6). The state of the photon is the state in which the measurement by the measurement operator 光子w defined by the following equation is performed on the state of the input photon.

Figure 0006483643
Figure 0006483643

従って、同じ時間位置量子状態ρを持つ単一光子が、2ビット遅延干渉計101にN回繰り返し入力されるとき、光子検出器103で時刻jに光子を検出する頻度の期待値np jが、「np j=NTr(Μj wρΜj† w)=NTr(εjρ)・・・(16)」のように求められる。なお、「εj=Μj wΜj† w」である。 Therefore, when a single photon having the same time position quantum state ρ is repeatedly input to the 2-bit delay interferometer 101 N times, the expected value n p j of the frequency with which the photon detector 103 detects photons at time j is , “N p j = NT rj w Μ j w ) = NT rj ))” (16) ”. Here, “ε j = Μ j w Μ j † w ”.

演算子εjは、光子検出器103における測定時刻jだけでなく、位相差調整部114において与えられる位相差θ2、および位相差調整部124において与えられる位相差θ1にも依存している。従って、位相差θ2および位相差θ1とし、各々が0またはπ/2を取る状態にすると、位相差の組み合わせ4パターン(第1測定条件、第2測定条件、第3測定条件、第4測定条件)と、7つの光子到達時刻の組み合わせから、合計で28種のεjおよび対応する測定頻度の期待値np jを得ることができる。 The operator ε j depends not only on the measurement time j in the photon detector 103 but also on the phase difference θ 2 provided in the phase difference adjustment unit 114 and the phase difference θ 1 provided in the phase difference adjustment unit 124. . Therefore, assuming that the phase difference θ 2 and the phase difference θ 1 are each in a state of taking 0 or π / 2, four combinations of phase differences (first measurement condition, second measurement condition, third measurement condition, fourth condition) A total of 28 ε j and the corresponding expected measurement frequency n p j can be obtained from the combination of the measurement conditions) and the seven photon arrival times.

しかしながら、これらの28種の測定の中には、同じ測定を行っているものが含まれている。例えば、光子検出器103において時刻0で光子を検出した場合、この測定ε0は位相差の組み合わせによらず、ビームスプリッタ111に入力される前の状態における時間位置状態|0〉への射影測定に常に対応している。このような状態の区別は、次のようにする。 However, among these 28 types of measurements are included those making the same measurement. For example, when a photon is detected at time 0 in the photon detector 103, the measurement ε 0 is not based on the combination of the phase difference, and the projection measurement to the time position state | 0> in the state before being input to the beam splitter 111 Always correspond to The distinction between such states is as follows.

位相差θ2および位相差θ1にも依存することを表すため、上記εjを改めてεj,θ2,θ1と定義しなおす。ここでεj,θ2,θ1は、入力光子状態に対する射影測定演算子Pj,θ2,θ1を用い、「εj,θ2,θ1=wj,θ2,θ1j,θ2,θ1・・・(17)」の形に書き表すことができる。ただし、wj,θ2,θ1は、測定頻度の重みを表す実数である。wj,θ2,θ1は、測定の頻度に対する重みづけを表しているにすぎないため、本質的な測定の違いとしては、射影測定演算子Pj,θ2,θ1が異なっているかどうかを比較することで区別が可能となる。 In order to indicate that the phase difference θ 2 and the phase difference θ 1 also depend, the above ε j is redefined as ε j, θ 2 and θ 1 again. Here, ε j, θ 2, θ 1 use projection measurement operators P j, θ 2, θ 1 for the input photon state, and “ε j, θ 2, θ 1 = w j, θ 2, θ 1 P j, θ 2, θ 1. (17) "can be written. However, w j, θ2, θ1 is a real number representing the weight of the measurement frequency. Since w j, θ 2 and θ 1 only represent weighting for the frequency of measurement, the essential difference in measurement is to compare whether the projection measurement operators P j, θ 2 and θ 1 are different. This makes it possible to distinguish.

具体例として、(j,θ2,θ1)=(0,0,0)の場合、(j,θ2,θ1)=(0,0,π/2)の場合、(j,θ2,θ1)=(1,0,0)の場合の比較を行う。これらの場合の射影測定演算子は、上記手続きによりそれぞれ次のように求まる。 As a specific example, when (j, θ 2 , θ 1 ) = (0, 0, 0), (j, θ 2 , θ 1 ) = (0, 0, π / 2), (j, θ) A comparison is made in the case where 2 , θ 1 ) = (1, 0, 0). The projection measurement operators in these cases are respectively obtained by the above procedure as follows.

Figure 0006483643
Figure 0006483643

この場合、P0,0,0およびP0,0,π/2は、全ての要素が等しい行列となっているが、P1,0,0は他の2つの行列とは異なっている。従って、(j,θ2,θ1)=(0,0,0)の場合と(0,0,π/2)の場合は同じ測定をしていると見なし、得られた測定頻度をひとまとめに扱うが、(j,θ2,θ1)=(1,0,0)は別の測定として扱う。 In this case, P 0,0,0 and P 0,0, π / 2 are matrices in which all elements are equal, but P 1,0,0 is different from the other two matrices. Therefore, in the case of (j, θ 2 , θ 1 ) = (0, 0, 0) and (0, 0, π / 2), it is considered that the same measurement is performed, and the obtained measurement frequencies are summarized However, (j, θ 2 , θ 1 ) = (1, 0, 0) is treated as another measurement.

この射影測定演算子による比較を全ての(j,θ2,θ1)の場合について行うことで、上述した実施の形態1における量子状態測定装置では、18種類の異なる測定と、この測定に対応する頻度が得られることがわかる。 By performing the comparison by this projection measurement operator for all (j, θ 2 , θ 1 ) cases, the quantum state measurement apparatus according to the first embodiment described above is compatible with 18 types of different measurements and this measurement. It can be seen that the frequency of

4次元の場合の状態密度関数ρを決定するパラメータは16種あるため、パラメータの種類に対して測定の種類の方が多い。従って、これらの測定には、情報的に重複するものが含まれているが、これらの測定演算子と対応する測定頻度の期待値、および式(9)などを用いることで、誤差に対する評価から量子状態トモグラフィーを行うことができる。   There are 16 types of parameters for determining the state density function ρ in the four-dimensional case, so there are more types of measurement than types of parameters. Therefore, although these measurements include information that overlaps in an informational manner, by using the expected values of the measurement frequency corresponding to these measurement operators, equation (9), etc. Quantum state tomography can be performed.

従来の測定では、光子検出器103における光子の測定時刻jのうち、j=3のときの光子検出のみを使用するものである。この測定を区別するための射影測定演算子P3,θ2,θ1は、「|Θ〉θ2,θ1=1/2(|0〉+eiθ1|1〉+eiθ2|2〉+ei(θ1+θ2)|3〉)・・・(21)」で定義される状態|Θ〉θ2,θ1への射影測定演算子となる。 In the conventional measurement, among photon measurement times j in the photon detector 103, only photon detection at j = 3 is used. Projection Measurements operator P 3 to distinguish this measurement, .theta.2, .theta.1 is "| Θ> θ2, θ1 = 1 /2 (| 0> + e iθ1 | 1> + e iθ2 | 2> + e i (θ1 + θ2 ) | 3>) ... (21) ”becomes a projection measurement operator on θ2 and θ1 .

θ2、θ1を変化させたとしても、状態|Θ〉θ2,θ1は常に時間位置状態|i〉の重ね合わせ状態である。従って、量子状態トモグラフィーに必要なその他の測定、例えば時間位置状態|i〉そのものに対応する測定が実施できない。 theta 2, even changing the theta 1, the state | theta> .theta.2, .theta.1 is always time position state | a i overlapping state of>. Therefore, other measurements necessary for quantum state tomography, such as measurements corresponding to the time position state | i> itself, can not be performed.

本発明においては、光子検出器103で異なる光子の到着時刻での測定結果を利用することによって、入力光子に関して一度により多くの情報を得ることができる。これにより、遅延干渉計を用いた高次元量子状態トモグラフィーが可能となる。また、量子状態トモグラフィーを行うに当たり、測定系に与える変化の種類が、位相差調整部114および位相差調整部124における位相差の組み合わせのみとなり、4種類の組み合わせで4次元時間位置量子状態の量子状態トモグラフィーが実行可能となる。   In the present invention, the photon detector 103 can obtain more information at one time for input photons by utilizing the measurement results at different arrival times of photons. This enables high-dimensional quantum state tomography using a delay interferometer. In addition, when performing quantum state tomography, the type of change given to the measurement system is only the combination of the phase differences in the phase difference adjustment unit 114 and the phase difference adjustment unit 124, and four types of combinations of four dimensional time position quantum state quantum State tomography can be performed.

以上に説明したように、実施の形態1によれば、マッハツェンダー型の遅延干渉計などを用いた簡便な構成で測定が可能であり、量子状態トモグラフィーが、より簡便な測定で実施可能である。   As described above, according to the first embodiment, measurement can be performed with a simple configuration using a Mach-Zehnder type delay interferometer or the like, and quantum state tomography can be performed by more simple measurement. .

ところで、上述の説明では、用いる全てのビームスプリッタが完全なハーフビームスプリッタであり、経路に依存した損失が存在していないことを仮定している。しかし、現実の導波路型マッハツェンダー型干渉計においては、しばしばこれらの点における不完全性が生じ、式(13)を完全に反映させることができない場合がある。   By the way, in the above description it is assumed that all beam splitters used are perfect half beam splitters and there is no path dependent loss. However, in a real waveguide Mach-Zehnder interferometer, imperfections at these points often occur, and it may not be possible to reflect equation (13) completely.

これに対し、処理部104において、予め測定されている遅延干渉計内の経路に依存した導波ロスおよび分岐比のずれをもとに、到達時刻の頻度を補正して時間位置量子状態を求めれば、式(13)を反映させることができる。経路に依存した損失を事前に測定しておくことにより、2ビット遅延干渉計の測定演算子Μ2を次式のように補正することができる。 On the other hand, the processing unit 104 corrects the frequency of arrival time based on the waveguide loss and the deviation of the branching ratio depending on the path in the delay interferometer, which is measured in advance, to obtain the time position quantum state. For example, equation (13) can be reflected. By measuring the path-dependent loss in advance, the measurement operator Μ 2 of the 2-bit delay interferometer can be corrected as follows.

Figure 0006483643
Figure 0006483643

ただし、Δη2は経路に依存した損失を示す実数である。1ビット遅延干渉計の測定演算子Μ1についても同様の補正を行うことで、遅延干渉計の経路差による損失が存在する場合でも高品質な測定が可能な量子状態測定装置が得られる。 However, Δη 2 is a real number indicating a path dependent loss. By performing the same correction on the measurement operator Μ 1 of the 1-bit delay interferometer, it is possible to obtain a quantum state measurement apparatus capable of high-quality measurement even when there is a loss due to the path difference of the delay interferometer.

[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について、図2を用いて説明する。図2は、本発明の実施の形態2における量子状態測定装置(トモグラフィー装置)の構成を示す構成図である。以下でも、前述した実施の形態1と同様に、光子が存在可能な4つの時間位置および一定の時間位置間隔Tをもつ4次元時間位置単一光子の量子状態測定を例に説明する。
Second Embodiment
Second Embodiment Next, a second embodiment of the present invention will be described using FIG. FIG. 2 is a configuration diagram showing a configuration of a quantum state measurement device (tomography device) according to a second embodiment of the present invention. Also in the following, as in the first embodiment described above, quantum state measurement of a four-dimensional time position single photon having four time positions where photons can exist and a constant time position interval T will be described as an example.

前述した実施の形態1では、ビームスプリッタ112およびビームスプリッタ122の出力ポートのうち他方は使用されていないため、原理的な光子の損失が発生してしまう。これに対し、実施の形態2においては、縦列接続されている最終段の遅延干渉計の一方に接続されている光子検出器に加え、最終段以外の遅延干渉計の後段の遅延干渉計が接続されていない出力端に接続された光子検出器を備えるようにする。より詳細には、図2に示すように、ビームスプリッタ112の他方のポートにも光子検出器131を接続し、ビームスプリッタ122の他方のポートにも光子検出器132を接続する。   In the first embodiment described above, since the other of the beam splitter 112 and the output port of the beam splitter 122 is not used, fundamental photon loss occurs. On the other hand, in the second embodiment, in addition to the photon detector connected to one of the last stage delay interferometers connected in cascade, the delay interferometers subsequent to the delay interferometers other than the last stage are connected. It has a photon detector connected to the non-output terminal. More specifically, as shown in FIG. 2, the photon detector 131 is also connected to the other port of the beam splitter 112, and the photon detector 132 is also connected to the other port of the beam splitter 122.

このようにすることで、光子の原理的な損失をなくし効率的に測定を行うことができる。これらの場合においても、光子検出器103に加え、光子検出器131および光子検出器132の測定結果を処理部104aで処理することで、実施の形態1と同様に量子状態測定(量子状態トモグラフィー)を行うことができる。処理部104aで用いられる測定演算子中には、実施の形態1の場合には用いられていない区別可能な測定演算子が存在するため、入力量子状態に関する情報を単なる損失の補正以上に得ることができる。   By doing this, it is possible to efficiently measure by eliminating the fundamental loss of photons. Also in these cases, by processing the measurement results of the photon detector 131 and the photon detector 132 in the processing unit 104 a in addition to the photon detector 103, quantum state measurement (quantum state tomography) as in the first embodiment. It can be performed. In the measurement operator used in the processing unit 104a, there is a distinguishable measurement operator which is not used in the case of the first embodiment, so that information on the input quantum state can be obtained more than simple correction of loss. Can.

[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3について、図3を用いて説明する。図3は、本発明の実施の形態3における量子状態測定装置(トモグラフィー装置)の構成を示す構成図である。以下は、n個の光子が各々存在可能なd個の時間位置および一定の時間位置間隔Tをもつd次元時間位置n光子の量子状態測定について説明する。
Third Embodiment
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a configuration diagram showing a configuration of a quantum state measurement apparatus (tomography apparatus) according to a third embodiment of the present invention. The following describes quantum state measurement of d-dimensional time position n photons with d time positions each having n photons available and a constant time position interval T.

前述した実施の形態1および実施の形態2は、4次元時間位置単一光子を対象としたが、光子がn個存在する場合には、実施例1,2に示した装置をn個並列接続して用いればよい。また、1つの光子の持つ次元が4より大きい場合には、多段に縦列接続する遅延干渉計の個数を増やすことで、任意の次元dの場合に対応させることができる。以下では、2光子8次元の時間位置光子を対象とした場合の量子状態測定装置について説明する。なお、2つの光子は各々の光波長によって区別できるとする。   The first embodiment and the second embodiment described above are directed to a four-dimensional time position single photon, but when there are n photons, n devices shown in the first and second embodiments are connected in parallel. It may be used as it is. In addition, when the dimension of one photon is larger than 4, it is possible to cope with the case of an arbitrary dimension d by increasing the number of delay interferometers cascade-connected in multiple stages. In the following, a quantum state measurement apparatus in the case where two-photon and eight-dimensional time position photons are targeted will be described. It is assumed that two photons can be distinguished by each light wavelength.

実施の形態3における量子状態測定装置は、まず、2光子8次元の時間位置光子を入力して2個の光子を異なる出力ポートへ出力する光分波器301を備える。また、光分波器301の各々の出力ポートに縦列接続された3種のマッハツェンダー型の遅延干渉計からなる2個の多段干渉計302a,多段干渉計302bを備える。なお、時間位置光子がd個の時間位置を持つ場合(d次元)、多段干渉計は、K種(Kはlog2dより大きい最小の整数)のマッハツェンダー型の遅延干渉計から構成する。 First, the quantum state measuring apparatus according to the third embodiment includes an optical demultiplexer 301 which inputs a two-photon eight-dimensional time position photon and outputs two photons to different output ports. Also, two multistage interferometers 302a and 302b are provided, each of which comprises three types of Mach-Zehnder delay interferometers connected in cascade to the output ports of the optical demultiplexer 301. When the time position photon has d time positions (d dimension), the multistage interferometer is configured of a Mach-Zehnder type delay interferometer of K type (K is a minimum integer larger than log 2 d).

また、実施の形態3における量子状態測定装置は、2個の多段干渉計302a,多段干渉計302bの各々に接続され、多段干渉計302a,多段干渉計302bの一方の出力端から出力される光子の到達時刻を検出する2個の光子検出器303a,光子検出器303bを備える。また、光子検出器303a,光子検出器303bで検出された光子の到達時刻を記録する処理部304を備える。   In addition, the quantum state measuring apparatus according to the third embodiment is connected to each of two multistage interferometers 302a and 302b, and the photons output from one output end of the multistage interferometer 302a and the multistage interferometer 302b. And two photon detectors 303 a and photon detectors 303 b for detecting the arrival time of Further, the processing unit 304 is provided to record arrival times of photons detected by the photon detector 303a and the photon detector 303b.

ここで、各々の多段干渉計302a,多段干渉計302bを構成するK種の遅延干渉計は、2経路の間の遅延時間差が各々異なる2kT(0≦k≦K−1)とされている。また、各々の多段干渉計302a,多段干渉計302bを構成するK種の遅延干渉計は、2経路の間の位相差が0もしくはπ/2に設定可能とされている。 Here, the K types of delay interferometers constituting each of the multistage interferometers 302a and 302b have 2 k T (0 ≦ k ≦ K−1) in which the delay time difference between the two paths is different. There is. In addition, the K types of delay interferometers constituting each of the multistage interferometers 302a and 302b can set the phase difference between the two paths to 0 or π / 2.

より詳細には、多段干渉計302aは、2つの経路の間に4Tの伝搬時間差と位相差θ3aの調整手段を有する4ビット遅延干渉計305aと、2つの経路の間に2Tの伝搬時間差と位相差θ2aの調整手段を有する2ビット遅延干渉計306aと、2つの経路の間にTの伝搬時間差と位相差θ1aの調整手段を有する1ビット遅延干渉計307aから構成されている。 More specifically, the multistage interferometer 302a has a 4-bit delay interferometer 305a having a 4T propagation time difference and adjustment means of the phase difference θ 3a between two paths, and a 2T propagation time difference between the two paths. and 2-bit delay interferometer 306a having adjusting means of the phase difference theta 2a, and a 1-bit delay interferometer 307a having a regulating means of the propagation time difference and phase difference theta 1a of T between the two paths.

また、多段干渉計302bは、2つの経路の間に4Tの伝搬時間差と位相差θ3bの調整手段を有する4ビット遅延干渉計305bと、2つの経路の間に2Tの伝搬時間差と位相差θ2bの調整手段を有する2ビット遅延干渉計306bと、2つの経路の間にTの伝搬時間差と位相差θ1bの調整手段を有する1ビット遅延干渉計307bから構成されている。各遅延干渉計における位相差は、全て0もしくはπ/2の値を各々個別に設定可能とされている。 Also, the multistage interferometer 302b has a 4-bit delay interferometer 305b having a means for adjusting the propagation time difference of 4T and the phase difference θ 3b between the two paths, and a propagation time difference and phase difference θ of 2T between the two paths. A 2-bit delay interferometer 306b having 2b adjustment means and a 1-bit delay interferometer 307b having adjustment means for T propagation time difference and phase difference θ 1b between two paths. The phase difference in each delay interferometer can be individually set to a value of 0 or π / 2.

また、処理部304は、各々の光子検出器303a,光子検出器303bで検出される光子毎に最大K2K+(K+1)d種類の時間的に異なる検出信号と、各々の遅延干渉計に設定される0もしくはπ/2の位相差による2K種類の位相の組み合わせによる複数の測定条件の測定から、2Kn{K2K+(K+1)d}n種類の信号の到達時刻を測定条件毎に記録し、記録した測定条件毎の到達時刻の頻度についての情報から、後述するように、2光子8次元の時間位置光子の時間位置量子状態を求める。 In addition, the processing unit 304 sets the maximum K2 K + (K + 1) d types of temporally different detection signals and the respective delay interferometers for each photon detected by each photon detector 303a and photon detector 303b. From the measurement of a plurality of measurement conditions by the combination of 2 K phases by the phase difference of 0 or π / 2, the arrival times of 2 Kn {K 2 K + (K + 1) d} n types of signals are measured for each measurement condition From the information about the frequency of arrival time for each measurement condition recorded and recorded, the time position quantum state of the two-photon eight-dimensional time position photon is determined as described later.

上記構成とした実施の形態3において、光子検出器303aにおける測定結果が光子Aに関する状態の測定に、光子検出器303bにおける測定結果が光子Bに関する状態の測定に対応するため、これらの測定結果を組み合わせた同時測定について考えることで、2光子の状態に対する量子状態トモグラフィーを行うことができる。   In the third embodiment configured as described above, the measurement result of the photon detector 303a corresponds to the measurement of the state related to the photon A, and the measurement result of the photon detector 303b corresponds to the measurement of the state related to the photon B. By considering combined simultaneous measurements, we can perform quantum state tomography for the two-photon state.

また、実施の形態1、実施の形態2と比較すると、4ビット遅延干渉計305a、4ビット遅延干渉計305bが加わっていることによって、光子検出器303a、光子検出器303bにおいて光子を検出する可能性のある時刻の種類が増える。また、各遅延干渉計が取りうる位相の組み合わせも増加することにより、8次元の場合の量子状態トモグラフィーに必要な測定の種類以上の測定結果を得ることが可能となる。従って、8次元の量子状態トモグラフィーを行うことができる。これらの結果として、2光子8次元の場合の高次元量子状態トモグラフィーを行うことが可能となる。   Further, compared with the first embodiment and the second embodiment, the photon detector 303a and the photon detector 303b can detect photons by adding the 4-bit delay interferometer 305a and the 4-bit delay interferometer 305b. The kind of time with sex increases. Also, by increasing the combinations of phases that can be taken by each delay interferometer, it becomes possible to obtain measurement results more than the types of measurements required for quantum state tomography in the case of eight dimensions. Thus, eight-dimensional quantum state tomography can be performed. As a result of these, it is possible to perform high-dimensional quantum state tomography in the case of two-photon eight-dimensional case.

実施の形態3では、多段干渉計302a、多段干渉計302bによって光子A、光子B毎に与える位相差の組み合わせはそれぞれ8パターンであり、従来の技術において必要であった642通りの測定のセットアップを、82通りのセットアップで実現できる。 In the third embodiment, a combination of a phase difference provided multistage interferometer 302a, the multi-stage interferometer 302b photons A, for each photon B is 8 patterns each, the measurement setup 64 2 ways which was necessary in the prior art Can be achieved with 8 2 setups.

以上に説明したように、本発明では、マッハツェンダー型の遅延干渉計を多段に縦列接続し、各遅延干渉計においては、2経路の間の位相差が0もしくはπ/2に設定可能とし、最終段の遅延干渉計より出力される光子の到達時刻を、0もしくはπ/2の位相差による測定条件毎に記録し、記録した測定条件毎の到達時刻の頻度についての情報から時間位置光子の時間位置量子状態を求めるようにした。この結果、本発明によれば、測定結果の誤差や劣化を小さくしより簡便に量子状態が測定できるようになる。   As described above, in the present invention, Mach-Zehnder delay interferometers are cascaded in multiple stages, and in each delay interferometer, the phase difference between the two paths can be set to 0 or π / 2, The arrival time of photons output from the delay interferometer of the final stage is recorded for each measurement condition with a phase difference of 0 or π / 2, and the information on the frequency of the arrival time for each measurement condition recorded indicates the time position photon I made it to obtain the time position quantum state. As a result, according to the present invention, it is possible to reduce the error and deterioration of the measurement result and to measure the quantum state more easily.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。   The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications and combinations can be made by those skilled in the art within the technical concept of the present invention. It is clear.

101…2ビット遅延干渉計(第1遅延干渉計)、102…1ビット遅延干渉計(第2遅延干渉計)、103…光子検出器、104…処理部、111,112…ビームスプリッタ、113…遅延部、114…位相差調整部、121,122…ビームスプリッタ、123…遅延部、124…位相差調整部。   101: 2-bit delay interferometer (first delay interferometer) 102: 1-bit delay interferometer (second delay interferometer) 103: photon detector 104: processing unit 111, 112: beam splitter 113: Delay unit 114 phase difference adjustment unit 121, 122 beam splitter 123 delay unit 124 phase difference adjustment unit

Claims (4)

光子が存在可能な4つの時間位置および一定の時間位置間隔Tをもつ4次元時間位置単一光子の時間位置量子状態の測定を行う量子状態測定装置であって、
2つの経路の間の遅延時間差を2Tとし、2つの前記経路の間の位相差を0もしくはπ/2に設定可能とされて前記4次元時間位置単一光子が入力されるマハツェンダー型の第1遅延干渉計と、
前記第1遅延干渉計の一方の出力端に入力端が接続されることで縦列接続とされ、2つの経路の間の遅延時間差をTとし、2つの前記経路の間の位相差を0もしくはπ/2に設定可能なマハツェンダー型の第2遅延干渉計と、
前記第2遅延干渉計の一方の出力端から出力される光子の到達時刻を検出する光子検出器と、
前記第1遅延干渉計における位相差を0とし、前記第2遅延干渉計における位相差を0とした第1測定条件における前記光子検出器で検出された光子の到達時刻と、
前記第1遅延干渉計における位相差をπ/2とし、前記第2遅延干渉計における位相差を0とした第2測定条件における前記光子検出器で検出された光子の到達時刻と、
前記第1遅延干渉計における位相差を0とし、前記第2遅延干渉計における位相差をπ/2とした第3測定条件における前記光子検出器で検出された光子の到達時刻と、
前記第1遅延干渉計における位相差をπ/2とし、前記第2遅延干渉計における位相差をπ/2とした第4測定条件における前記光子検出器で検出された光子の到達時刻と
を測定条件毎に記録し、記録した測定条件毎の到達時刻の頻度についての情報から前記4次元時間位置単一光子の時間位置量子状態を求める処理部と
を備えることを特徴とする量子状態測定装置。
A quantum state measurement device for measuring the time position quantum state of a four-dimensional time position single photon having four time positions where photons can exist and a constant time position interval T,
A delay time difference between two paths is 2T, a phase difference between the two paths can be set to 0 or π / 2, and a four-dimensional time position single photon is input. 1 delay interferometer,
The input end is connected to one output end of the first delay interferometer to be cascaded, and the delay time difference between two paths is T, and the phase difference between the two paths is 0 or π. And a second Mach-Zehnder delay interferometer that can be set to
A photon detector for detecting arrival time of photons output from one output end of the second delay interferometer;
The arrival time of the photon detected by the photon detector under the first measurement condition where the phase difference in the first delay interferometer is 0 and the phase difference in the second delay interferometer is 0,
The arrival time of the photon detected by the photon detector under the second measurement condition where the phase difference in the first delay interferometer is π / 2 and the phase difference in the second delay interferometer is 0,
The arrival time of the photon detected by the photon detector under the third measurement condition where the phase difference in the first delay interferometer is 0 and the phase difference in the second delay interferometer is π / 2,
The phase difference in the first delay interferometer is π / 2, and the phase difference in the second delay interferometer is π / 2. The arrival time of the photon detected by the photon detector under the fourth measurement condition is measured. And a processing unit for recording for each condition and obtaining the time position quantum state of the four-dimensional time position single photon from the information on the frequency of arrival time for each measurement condition recorded.
n個の光子が各々存在可能なd個の時間位置および一定の時間位置間隔Tをもつd次元時間位置n光子の時間位置量子状態の測定を行う量子状態測定装置であって、
前記d次元時間位置n光子を入力してn個の光子を異なる出力ポートへ出力する光分波器と、
前記光分波器の各々の前記出力ポートに縦列接続されたK種(Kはlog2dより大きい最小の整数)のマッハツェンダー型の遅延干渉計からなるn個の多段干渉計と、
n個の前記多段干渉計の各々に接続され、前記多段干渉計の一方の出力端から出力される光子の到達時刻を検出するn個の光子検出器と、
前記光子検出器で検出された光子の到達時刻を記録する処理部と
を備え、
各々の前記多段干渉計を構成するK種の前記遅延干渉計は、2経路の間の遅延時間差が各々異なる2kT(0≦k≦K−1)とされ、
各々の前記多段干渉計を構成するK種の前記遅延干渉計は、2経路の間の位相差が0もしくはπ/2に設定可能とされ、
前記処理部は、各々の前記光子検出器で検出される光子毎に最大K2K+(K+1)d種類の時間的に異なる検出信号と、各々の前記遅延干渉計に設定される0もしくはπ/2の位相差による2K種類の位相の組み合わせによる複数の測定条件の測定から、2Kn{K2K+(K+1)d}n種類の信号の到達時刻を測定条件毎に記録し、記録した測定条件毎の到達時刻の頻度についての情報から前記d次元時間位置n光子の時間位置量子状態を求める
ことを特徴とする量子状態測定装置。
A quantum state measurement apparatus for measuring the time position quantum states of d-dimensional time position n photons having d time positions at which n photons can each be present and a constant time position interval T,
An optical demultiplexer that inputs the d-dimensional time position n photons and outputs n photons to different output ports;
N multistage interferometers comprising K type (K is a minimum integer larger than log 2 d) Mach-Zehnder type delay interferometers cascade-connected to the output port of each of the optical splitters;
n photon detectors connected to each of the n multistage interferometers to detect arrival times of photons output from one output end of the multistage interferometers;
A processing unit that records arrival times of photons detected by the photon detector;
The K types of delay interferometers constituting each of the multistage interferometers have 2 k T (0 ≦ k ≦ K−1), each having a different delay time difference between the two paths,
The K types of delay interferometers constituting each of the multistage interferometers are configured such that the phase difference between the two paths can be set to 0 or π / 2,
The processing unit sets up to K2 K + (K + 1) d temporally different detection signals for each photon detected by each of the photon detectors and 0 or π / set in each of the delay interferometers. Measured by recording the arrival times of 2 Kn {K2 K + (K + 1) d} n kinds of signals for each measurement condition from measurement of a plurality of measurement conditions by combination of 2 K kinds of phases by phase difference of 2 A quantum state measuring device, wherein a time position quantum state of the d-dimensional time position n photon is obtained from information on frequency of arrival time for each condition.
請求項1または2記載の量子状態測定装置において、
縦列接続されている最終段の前記遅延干渉計の一方に接続されている前記光子検出器に加え、
最終段以外の前記遅延干渉計の後段の遅延干渉計が接続されていない出力端に接続された光子検出器を備える
ことを特徴とする量子状態測定装置。
In the quantum state measuring device according to claim 1 or 2,
In addition to the photon detector connected to one of the delay interferometers of the last stage connected in cascade,
What is claimed is: 1. A quantum state measuring device comprising a photon detector connected to an output end to which a delay interferometer of a stage subsequent to the delay interferometer other than the final stage is not connected.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の量子状態測定装置において、
前記処理部は、予め測定されている前記遅延干渉計内の経路に依存した導波ロスおよび分岐比のずれをもとに、到達時刻の頻度を補正して時間位置量子状態を求める
ことを特徴とする量子状態測定装置。
In the quantum state measuring device according to any one of claims 1 to 3,
The processing unit determines the time position quantum state by correcting the frequency of arrival time based on the waveguide loss and deviation of the branching ratio depending on the path in the delay interferometer, which is measured in advance. Quantum state measuring device to be.
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