JP6882773B2

JP6882773B2 - 量子通信システム

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Publication number: JP6882773B2
Application number: JP2017161074A
Authority: JP
Inventors: 智之堀切; 鋒雷洪
Original assignee: Yokohama National University NUC
Current assignee: Yokohama National University NUC
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2017-08-24
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2037-08-24
Also published as: JP2019040022A

Description

本発明は、量子通信システムに関する。

量子通信とは、光子を用いた通信技術である。量子通信は、インターネット通信や独自のネットワークを用いた通信に用いられる、乱数ビット列である暗号鍵の効率的な生成や、クラウド量子計算への応用が可能である。現在の通信において用いられる暗号化技術は、暗号を解読に膨大な計算が必要であるため実質的に解読が不可能という意味において安全性を有している。一方、量子通信を用いた暗号化技術は完全な情報セキュリティを保証する。

量子通信では、ネットワークを構成するノード間を繋ぐ光ファイバーにおける伝送損失及びデコヒーレンスのために、長距離になると光ファイバー中を伝搬するもつれ光子が指数関数的に減衰するという課題があった。量子通信の長距離化の課題を解決するために、量子通信においてノード間を中継する量子中継技術の開発が進められている。量子メモリーとして原子やイオンを用いた量子中継の方法が提案されている（特許文献１）。特許文献１に記載の方法においては、光ファイバー中を伝搬するもつれ光子は、多項式的な減衰をする。

Ｌ−Ｍ．Ｄｕａｎ、Ｍ．Ｄ．Ｌｕｋｉｎ、Ｊ．Ｉ．ＣｉｒａｃａｎｄＰ.Ｚｏｌｌｅｒ、"Ｌｏｎｇ−ｄｉｓｔａｎｃｅｑｕａｎｔｕｍｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈａｔｏｍｉｃｅｎｓｅｍｂｌｅｓａｎｄｌｉｎｅａｒｏｐｔｉｃｓ"、ＮＡＴＵＲＥ、ＭａｃｍｉｌｌａｎＭａｇａｚｉｎｅｓＬｔｄ、２００１年１１月２２日、Ｖｏｌ４１４、ｐ．４１３‐４１８

しかしながら、量子通信システムは、数百キロメートル以下の短距離の通信においてのみ実証されているのが現状である。量子通信の実用化に向けて、数百キロメートル以上の長距離における量子通信を実現しなくてはらない。
量子中継技術には、量子メモリーが必須である。現在使用可能な量子メモリーでは、吸収波長帯が可視光領域にある場合が多い。一方、量子もつれ光源において生成されるもつれ光子の波長は、光ファイバーにおける伝送損失が少ない通信波長帯である１．５マイクロメートルである。そこで、もつれ光子の波長を、量子メモリーへ高い効率において吸収される波長へと変換することが求められている。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、量子中継において、もつれ光子の波長を、量子メモリーへ高い効率において吸収される波長へと変換することができる波長変換器、及び量子通信システムを提供する。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の一態様は、波長変換器と、狭線幅量子光源と、量子メモリーと、を備える量子通信システムであって、前記波長変換器は、量子中継に用いられる波長変換器であって、量子通信の伝送路の減衰特性に応じた第１の周波数をもつ第１のもつれ光子と、量子メモリーの吸収波長帯に応じた第２の周波数及び前記第１の周波数の２つの周波数に応じた第３の周波数を前記量子メモリーの吸収波長帯に応じた狭線幅においてもつ光とが入射されると、前記第２の周波数をもつ第２のもつれ光子を出射する非線形媒質と、前記第３の周波数をもつ光を発生させる波長変換励起レーザと、前記第３の周波数を含む吸収波長帯をもつ気体が封入された気体セルと、を備え前記狭線幅量子光源は、前記第１の周波数を含む吸収波長帯をもつ気体が封入された気体セルである光源用気体セルを備え、前記第１の周波数をもつもつれ光子を所定の狭線幅において生成し、前記量子メモリーは、前記第２の周波数を含む吸収波長帯をもち、前記光源用気体セルが含む前記気体の吸収波長帯と、前記波長変換器に備えられた前記気体セルが含む前記気体の吸収波長帯とに応じて、前記第１の周波数と前記第３の周波数との和が前記第２の周波数に等しくなる組み合わせが複数存在する量子通信システムである。

また、本発明の一態様は、上記の量子通信システムにおいて、前記第３の周波数とは、前記第１の周波数と前記第３の周波数との和が前記第２の周波数に等しくなる周波数である。

また、本発明の一態様は、上記の量子通信システムにおいて、前記気体セルに封入された前記気体とは、ヨウ素である。

本発明によれば、量子中継において、もつれ光子の波長を、量子メモリーへ高い効率において吸収される波長へと変換することができる。

本発明の第１の実施形態に係る通信システムの一例を示す概念図である。本実施形態に係る波長変換器の構成の一例を示す図である。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。図１は、本実施形態に係る量子通信システムＳ１の一例を示す図である。量子通信システムＳ１は、ノードＡ１と、中継器Ｂと、ノードＡ２とを備える。ノードＡ１とノードＡ２とは、中継器Ｂを介して量子通信を行う。ノードＡ１と中継器Ｂとは光ファイバーＦ１を通じて接続され、中継器ＢとノードＡ２とは光ファイバーＦ２を通じて接続されている。ただし、図１に示す量子通信システムＳ１は、後述するように、ノードＡ１と中継器ＢとノードＡ２と同様の構成を構成単位として、この構成単位を量子通信システムＳ１に直列に複数追加することにより通信距離を延長することができる。ノードＡ１と中継器ＢとノードＡ２と同様の構成単位を量子通信システムＳ１に追加する場合、図１に示す量子通信システムＳ１は、ノードＡ１と中継器ＢとノードＡ２と同様の構成単位が複数追加された量子通信システムの一部に対応する。

ノードＡ１に備えられた量子もつれ光源Ａ１１は、通信波長帯である１．５マイクロメートルの波長をもつもつれ光子対を発生させる。量子もつれ光源Ａ１１が発生させたもつれ光子対の一方は、波長変換器Ａ１２により量子メモリーＡ１３のメモリー物質の吸収波長帯波長をもつ光へと変換される。波長変換器Ａ１２により波長を変換されたもつれ光子は、量子メモリーＡ１３のメモリー物質に吸収され保存される。

一方、ノードＡ２に備えられた量子もつれ光源Ａ２１は、通信波長帯である１．５マイクロメートルの波長をもつもつれ光子対を発生させる。量子もつれ光源Ａ２１が発生させたもつれ光子対の一方は、波長変換器Ａ２２により量子メモリーＡ２３のメモリー物質の吸収波長帯波長をもつ光へと変換される。波長変換器Ａ２２により波長を変換されたもつれ光子は、量子メモリーＡ２３のメモリー物質に吸収され保存される。

量子もつれ光源Ａ１１が発生させたもつれ光子対の他方は、光ファイバーＦ１を通じて光ＬＴ１−２として中継器Ｂへと伝送される。量子もつれ光源Ａ２１が発生させたもつれ光子対の他方は、光ファイバーＦ２を通じて光ＬＴ２−２として中継器Ｂへと伝送される。中継器Ｂへと伝送されたもつれ光子である光ＬＴ１−２は、中継器Ｂに備えられた波長変換器Ｂ１によりメモリー物質の吸収波長帯波長をもつ光へと変換される。波長変換器Ｂ１により波長を変換されたもつれ光子は、量子メモリーＢ２のメモリー物質に吸収され保存される。中継器Ｂへと伝送されたもつれ光子である光ＬＴ２−２は、中継器Ｂに備えられた波長変換器Ｂ４によりメモリー物質の吸収波長帯波長をもつ光へと変換される。波長変換器Ｂ４により波長を変換されたもつれ光子は、量子メモリーＢ３のメモリー物質に吸収され保存される。量子メモリーＢ２と量子メモリーＢ３とのうち光が早く届いた方はメモリーに光量子状態を保存する。量子メモリーＢ２と量子メモリーＢ３とのうち光が遅く届いた方は、遅い方の光が届いたときに、早く届いた光の量子状態を量子メモリーＢ２と量子メモリーＢ３とのうち光が早く届いた方のメモリーから再生して、ベル測定と呼ばれる測定を施す。これにより、量子メモリーＢ２及び量子メモリーＢ３は、ノードＡ１の量子メモリーＡ１３とノードＡ２の量子メモリーＡ２３に量子もつれと呼ばれる量子相関を生成することができる。
ノードＡ１とノードＡ２とは、この量子もつれにより無条件安全な暗号鍵生成などのタスクを行うことができる。

量子中継技術は理論的な提案がなされているのみであり、実証されていなかった。量子中継技術の実証を困難にしていたのは、中継に必要な量子光源や量子メモリーが非効率であったり、量子光源や量子メモリーが効率的に接続されていなかったりしたためである。量子中継技術を実証するために、量子光源及び量子メモリーの効率化と、量子光源と量子メモリーとの効率的な結合が必要とされている。

量子もつれ光源Ａ１１及び量子もつれ光源Ａ２１は、一例として２光子コムを用いた共振器増強量子もつれ光源である。量子もつれ光源Ａ１１及び量子もつれ光源Ａ２１では、２光子コムを用いることによりもつれ光子対の発生効率を高める。量子もつれ光源Ａ１１及び量子もつれ光源Ａ２１では、通信波長帯に波長をもつ２個のもつれ光子を生成する。通信波長帯とは、光ファイバーによる長距離の伝送に適した波長帯であり、１．５５マイクロメートル付近の波長を指す。
量子もつれ光源Ａ１１及び量子もつれ光源Ａ２１では、発生させたもつれ光子対の波長を、共振器を用いて数メガヘルツ以下の狭線幅にする。波長変換器Ａ１２、波長変換器Ｂ１、波長変換器Ｂ４、及び波長変換器Ａ２２により波長変換されたもつれ光子を、量子メモリーＡ１３、量子メモリーＢ２、量子メモリーＢ３、及び量子メモリーＡ２３に吸収させるためには、波長変換後のもつれ光子の波長の線幅を数メガヘルツ以下にするとよい。

量子もつれ光源が生成したもつれ光子の波長を、量子メモリーの吸収波長帯の周波数に安定化するためには、波長変換器を含めた量子通信システムの構成要素を最適化する必要がある。量子通信システムＳ１においては、量子もつれ光源が生成するもつれ光子の波長、及び波長変換器において用いられる波長変換励起レーザが生成する波長変換のための光の波長を、各々原子ガスを用いて安定化させる。ただし、もつれ光子の周波数と、波長変換のための光の周波数との和は、量子メモリーの吸収スペクトル幅に数メガヘルツ以下の精度において一致するとよい。

量子通信システムＳ１においては、量子もつれ光源が生成するもつれ光子の波長の安定化に、一例としてアセチレンガスを用い、波長変換励起レーザが生成する波長変換のための光の波長の安定化に、一例としてヨウ素ガスを用いる。アセチレン及びヨウ素は、非常に膨大な数の吸収線スペクトルが、可視光帯及び通信波長帯を含む広いスペクトル帯域に渡り広がっている。量子通信システムＳ１においては、アセチレンの吸収線スペクトルと、ヨウ素の吸収線スペクトルとの和が量子メモリーの吸収スペクトルに一致するように選択できるという汎用性がある。量子通信システムＳ１においては、アセチレン及びヨウ素の吸収線スペクトルのデータベースを利用してもよい。

ここで、ノードＡ１と中継器ＢとノードＡ２との組と同様の構成単位を量子通信システムＳ１に追加することにより通信距離を延長する場合について説明する。この追加される構成単位は、ノードＵＡ１と、中継器ＵＢと、ノードＵＡ２とを備える。ノードＵＡ１は、図１に示すノードＡ２と同じ位置に備えられる。つまり、ノードＵＡ１は、ノードＡ２と同じステーションに備えられる。図１に示す量子メモリーＡ２３と、ノードＵＡ１に備えられる量子メモリーＵＡ１３との間において、各々のメモリーに保存された光の量子状態についてベル測定が行われることにより、量子メモリーＡ２３と量子メモリーＵＡ１３との間に量子もつれが生成される。これにより、量子メモリーＡ２３との間に量子もつれが生成されている量子メモリーＡ１３と、量子メモリーＵＡ１３との間に量子もつれが生成されているノードＵＡ２に備えられる量子メモリーＵＡ２３との間に量子もつれが生成される。量子通信システムＳ１は、追加された構成単位の分だけ通信距離を延長することが可能である。
一方、ノードＶＡ１と、中継器ＶＢと、ノードＶＡ２とを備える構成単位を量子通信システムＳ１にさらに追加し、ノードＶＡ２が図１に示すノードＡ１と同じ位置に備えられることも可能である。上記と同様に、量子通信システムＳ１は、追加された構成単位の分だけ通信距離を延長することが可能である。
上記の構成単位は目標となる通信距離に応じて適切な個数だけ量子通信システムＳ１に追加されてよい。量子通信システムＳ１は、構成単位を複数追加することにより、図１に示す場合に比べより長距離かつグローバルな運用が可能となる。
以下では、本実施形態に係る中継器Ｂにおけるもつれ光子の波長変換及び周波数の安定化について詳しく説明する。

図２は、本実施形態に係る波長変換器Ｂ１の構成の一例を示す図である。図２に示す量子通信システムＳ１の一部は、量子もつれ光源Ａ１１と、波長変換器Ｂ１と、量子メモリーＢ２とを備える。量子もつれ光源Ａ１１と波長変換器Ｂ１とは、光ファイバーＦ１により接続されている。

［量子もつれ光源］
量子もつれ光源Ａ１１は、通信波長帯である１．５マイクロメートルの波長に対応する周波数をもつ光を所定の狭線幅において生成する。量子もつれ光源Ａ１１は、光源励起レーザ１と、第１安定化気体セル２と、共振器３とを備える。

光源励起レーザ１は光ＬＴ１を出力する。光ＬＴ１の波長は１．５マイクロメートルである。光源励起レーザ１は、一例として外部共振器型の半導体レーザである。
光源励起レーザ１が発生させた光ＬＴ１は、不図示のビームスプリッターに入射する。光ＬＴ１は不図示のビームスプリッターにより、光ＬＴ１１と光ＬＴ１２とに分離される。

光ＬＴ１１は、第１安定化気体セル２に入射する。第１安定化気体セル２は、通信波長帯に含まれる波長に対応する周波数を含む吸収波長帯をもつ気体が封入された気体セルである。第１安定化気体セル２に入射した光ＬＴ１１は、一部が第１安定化気体セル２の気体セルに吸収され、第１安定化気体セル２の気体セルに吸収されなかった一部が第１安定化気体セル２から出射する。第１安定化気体セル２から出射した光は、不図示の光検出器により検出される。

第１安定化気体セル２は、光源励起レーザ１が出力する光ＬＴ１の波長の周波数安定度を所定の値以下にして安定化させるために備えられる。ここで、所定の値とは周波数にして数メガヘルツである。
第１安定化気体セル２の気体セルには、一例としてアセチレンガスが封入される。アセチレンは、通信波長帯である波長１．５マイクロメートルの付近に豊富な数の吸収線スペクトルをもつ。つまり、第１安定化気体セル２には、通信波長帯である波長１．５マイクロメートルの波長を吸収波長帯に含む気体が封入されている。なお、第１安定化気体セル２の気体セルに封入される気体は、シアンガスでもよい。

光検出器は、光ＬＴ１１が第１安定化気体セル２のアセチレンガスに吸収される割合に基づいて信号ＳＧ１を生成し光源励起レーザ１に出力する。
光検出器は、光ＬＴ１１が第１安定化気体セル２のアセチレンに吸収される割合が減少する吸収線スペクトルの中心において信号ＳＧ１の電圧をゼロとし、吸収線スペクトルの中心からずれる場合において信号ＳＧ１の電圧を正または負の値とする。光源励起レーザ１は、信号ＳＧ１の割合の変化をモニタし、信号ＳＧ１の電圧の値がゼロとなるように、光源励起レーザ１が出力する光ＬＴ１の波長を調整する。光源励起レーザ１は、通信波長帯である波長１．５マイクロメートル付近において、光ＬＴ１の波長の線幅を、周波数にして数メガヘルツ程度にまで安定化させる。

不図示のビームスプリッターにより光ＬＴ１から分離された光ＬＴ１２は、不図示の波長変換器に入射する。波長変換器に入射した光ＬＴ１２の波長は、１．５マイクロメートルから７５０ナノメートルへと変換される。７５０ナノメートルの波長の光へと変換された光ＬＴ１２は、共振器３へ入射する。ここで、波長変換器は、一例として周期的分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ：Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙｐｏｌｅｄｌｉｔｈｉｕｍｎｉｏｂａｔｅ）などの非線形結晶である。

共振器３は、通信波長帯である１．５マイクロメートルの波長をもつもつれ光子対を生成し、生成したもつれ光子対の波長を所定の線幅以下にして出射する。
７５０ナノメートルの波長をもつ光ＬＴ１２は、共振器３内に備えらえた不図示の非線形結晶に入射する。共振器３内に備えらえた非線形結晶は、７５０ナノメートルの波長をもつ光ＬＴ１２から１．５マイクロメートルの波長をもつもつれ光子対を発生させる。共振器３内に備えらえた非線形結晶は、例えばＰＰＬＮである。
共振器３は、１．５マイクロメートルの波長をもつ発生させたもつれ光子対を、共振器３内において共振さることにより波長を所定の線幅以下にする。ここで所定の線幅とは、例えば数メガヘルツである。共振器３は、一例としてボウタイ型共振である。共振器３は、波長を所定の線幅以下にしたもつれ光子対を出射する。

もつれ光子対の一方は、光ＬＴ２として光ファイバーを通じて波長変換器Ｂ１へと伝送される。
［波長変換器］
波長変換器Ｂ１は、非線形媒質４と、波長変換励起レーザ５と、第２高調波発生装置６と、第２安定化気体セル７と、音響光学変調器８とを備える。波長変換器Ｂ１は量子中継に用いられる。波長変換器Ｂ１は、量子もつれ光源Ａ１１により生成された通信波長帯に波長をもつもつれ光子である光ＬＴ２を、量子メモリーＢ２の吸収波長帯に波長をもつもつれ光子である光ＬＴ５へと変換する。

波長変換励起レーザ５は光ＬＴ３を発生させる。光ＬＴ３の波長は、量子メモリーＢ２の吸収波長帯に含まれる波長に対応する周波数及び通信波長帯に含まれる波長に対応する周波数の２つの周波数に応じた周波数に対応する波長である。ここで通信波長帯に含まれる波長に対応する周波数とは、量子通信の伝送路の減衰特性に応じた周波数である。本実施形態においては、光ＬＴ３の波長は、一例として１．０マイクロメートルである。
波長変換励起レーザ５は、一例として外部共振器型の半導体レーザである。波長変換励起レーザ５は、増幅媒質に光ファイバーを用いてよい。非線形媒質４は導波路構造および入力ポートにファイバーピクテール構造を備えてよい。
波長変換励起レーザ５が発生させた光ＬＴ３は、不図示のビームスプリッターに入射する。光ＬＴ３は不図示のビームスプリッターにより、光ＬＴ３１と光ＬＴ３２とに分離される。

光ＬＴ３１は第２高調波発生装置６に入射する。第２高調波発生装置６は、シングルパス波長変換により、入射した光ＬＴ３１から第２高調波を発生させる。第２高調波発生装置６が光ＬＴ３１から発生させる第２高調波の波長は、光ＬＴ３１の波長の半分である。
第２高調波発生装置６は、発生させた第２高調波と光ＬＴ３１とを、一例としてハーモニック・セパレーターによって分離する。第２高調波発生装置６は、ハーモニック・セパレーターによって分離した第２高調波を光ＬＴ３１１として出射する。
第２高調波発生装置６は非線形結晶である。第２高調波発生装置６は一例としてＰＰＬＮである。

光ＬＴ３１１は、第２安定化気体セル７に入射する。第２安定化気体セル７は、量子メモリーＢ２の吸収波長帯に含まれる波長に対応する周波数及び通信波長帯に含まれる波長に対応する周波数の２つの周波数に応じた周波数を含む吸収波長帯をもつ気体が封入された気体セルである。第２安定化気体セル７に入射した光ＬＴ３１１は、一部が第２安定化気体セル７の気体セルに吸収され、第２安定化気体セル７の気体セルに吸収されなかった一部が第２安定化気体セル７から出射する。第２安定化気体セル７から出射した光は、不図示の光検出器により検出される。

第２安定化気体セル７は、波長変換励起レーザ５が出力する光ＬＴ３の中心波長を所定の値に安定化させるために備えられる。ここで、所定の値とは周波数にして数メガヘルツの範囲内にある。
第２安定化気体セル７に封入された気体とは、一例としてヨウ素ガスである。なお、第２安定化気体セル７の気体セルに封入される気体は、セシウムガスやルビジウムガスでもよい。また、第２安定化気体セル７の気体セルに封入される気体は、量子メモリーＢ２の吸収波長帯に応じて上記以外の気体であってもよい。第２安定化気体セル７の気体セルに封入される気体は、例えばアセチレンガスであってもよい。

光検出器は、光ＬＴ３１１が第２安定化気体セル７のヨウ素ガスに吸収される割合に基づいて信号ＳＧ２を生成し波長変換励起レーザ５に出力する。光検出器は、光ＬＴ３１１が第２安定化気体セル７のヨウ素ガスに吸収される割合が減少する吸収線スペクトルの中心において信号ＳＧ２の電圧をゼロとし、吸収線スペクトルの中心からずれる場合において信号ＳＧ２の電圧を正または負の値とする。波長変換励起レーザ５は、信号ＳＧ２の割合の変化をモニタし、信号ＳＧ２の電圧の値がゼロとなるように、波長変換励起レーザ５が出力する光ＬＴ３の波長を調整する。波長変換励起レーザ５は、光ＬＴ３の中心波長の安定度を、波長１．０マイクロメートル付近において、周波数にして数キロヘルツ程度にまでする。

不図示のビームスプリッターにより光ＬＴ３から分離された光ＬＴ３２は、非線形媒質４に入射する。光ＬＴ３２は、光ＬＴ３のうちビームスプリッターを透過した成分であり、光ＬＴ３２の波長と光ＬＴ３の波長とは等しい。また、非線形媒質４には、光ファイバーを通じて波長変換器Ｂ１へと伝送されたもつれ光子である光ＬＴ２が入射する。
非線形媒質４は、入射した光ＬＴ２及び入射した光ＬＴ３２から、和周波数発生により光ＬＴ４を発生させる。光ＬＴ４の周波数は、光ＬＴ２の波長に対応する周波数と、光ＬＴ３２の波長に対応する周波数との和に等しい。つまり、光ＬＴ４の周波数は、光ＬＴ２の波長に対応する周波数と、光ＬＴ３２の波長に対応する周波数とに応じた周波数である。本実施形態においては、光ＬＴ４の波長は６００ナノメートルである。非線形媒質４は、通信波長帯に波長をもつ光を可視光帯に波長をもつ光へと変換する。非線形媒質４が発生させた光ＬＴ４は、音響光学変調器８に入射する。
非線形媒質４は、一例としてＰＰＬＮ導波路である。

つまり、非線形媒質４は、光ＬＴ２と、光ＬＴ３２とが入射されると、量子メモリーＢ２の吸収波長帯に含まれる波長に対応する周波数をもつもつれ光子である光ＬＴ４を出射する。ここで、光ＬＴ２は量子通信の伝送路の減衰特性に応じた周波数をもつもつれ光子である。光ＬＴ３２は、量子メモリーＢ２の吸収波長帯に含まれる波長に対応する周波数及び量子通信の伝送路の減衰特性に応じた周波数の２つの周波数に応じた周波数を、量子メモリーＢ２の吸収波長帯に応じた狭線幅においてもつ。量子メモリーＢ２の吸収波長帯に含まれる波長に対応する周波数及び量子通信の伝送路の減衰特性に応じた周波数の２つの周波数に応じた周波数とは、量子メモリーＢ２の吸収波長帯に含まれる波長に対応する周波数をもつ。光ＬＴ３２の周波数とは、量子通信の伝送路の減衰特性に応じた周波数と光ＬＴ３２の周波数との和が、量子メモリーＢ２の吸収波長帯に含まれる波長に対応する周波数に等しくなる周波数である。

音響光学変調器（ＡＯＭ：Ａｃｏｕｓｔｏ−ＯｐｔｉｃＭｏｄｕｌａｔｏｒ）８は、光ＬＴ４が入射されると、光ＬＴ４の波長を変調して光ＬＴ５として出力する。音響光学変調器８は、量子メモリーＢ２の吸収波長に応じて光ＬＴ４の波長を調整する。音響光学変調器８は、周波数にしてギガヘルツ程度、光ＬＴ４の波長を量子メモリーＢ２の吸収波長に近づけるように調整する。

音響光学変調器８から出力される光ＬＴ５は、量子メモリーＢ２に入射する。入射した光ＬＴ５は量子メモリーＢ２のメモリー物質に吸収される。光ＬＴ５が量子メモリーＢ２のメモリー物質に吸収されることにより、光ＬＴ５の量子状態は量子メモリーＢ２のメモリー物質の例えば電子のスピン集団の量子状態へと転写され保存される。これにより量子もつれ光源Ａ１１が生成したもつれ光子の量子状態の転送が実現する。

[量子メモリー]
量子メモリーＢ２は、非線形媒質４が出射するもつれ光子である光ＬＴ４の周波数を含む吸収波長帯をもつ。
量子メモリーＢ２は、光ＬＴ５の量子状態を保存する際、可視光もしくは近赤外線のエネルギー差がある基底状態と励起状態の間の遷移に加え、基底状態超微細構造分裂などによる補助準位からなるΛ型３準位を用いてもよい。量子メモリーＢ２は、メモリー時間をオンデマンドに調節できる程度に長い緩和時間をもつ１つの準位を加えてもよい。量子メモリーＢ２に保存された光ＬＴ５の量子状態を読み出す場合、加えられた１つの準位から励起状態への遷移を制御するために、制御パルスが用いられてもよい。

量子メモリーＢ２のメモリー物質は、一例としてイットリウムシリケイト（ＹＳＯ）中にプラセオジムイオンを不純物として添加した物質（Ｐｒ^３＋：ＹＳＯ）である。Ｐｒ^３＋：ＹＳＯは６０６ナノメートルを吸収波長にもつ。量子メモリーＢ２のメモリー物質は、ＹＳＯ中にユウロピウムを不純物として添加した物質（Ｅｕ^３＋：ＹＳＯ）や、ダイヤモンド窒素空孔中心や、インジウム・ヒ素量子ドットであってもよい。Ｅｕ^３＋：ＹＳＯは５８０ナノメートルを吸収波長にもつ。ダイヤモンド窒素空孔中心は６３７．２ナノメートルに吸収波長をもつ。インジウム・ヒ素量子ドットは９００ナノメートル近辺に吸収波長をもつ。
波長変換励起レーザ５が発生させる光ＬＴ３の波長及び第２安定化気体セル７に封入される気体の種類は、量子メモリーＢ２のメモリー物質の吸収波長に応じて、本実施形態の例から変更されてよい。

通信波長帯である波長１．５マイクロメートルや、波長５３１ナノメートルの付近には、多くの原子や分子の吸収波長が存在する。第１安定化気体セル２に封入される気体であるアセチレンは、波長１．５マイクロメートルの付近に豊富な数の吸収線スペクトルをもつ。また、第２安定化気体セル７に封入されるヨウ素は、波長５３１ナノメートルの付近に豊富な数の吸収線スペクトルをもつ。

第１安定化気体セル２が含むアセチレンガスの吸収波長帯と、波長変換器Ｂ１に備えられた第２安定化気体セル７が含むヨウ素ガスの吸収波長帯とに応じて、もつれ光子である光ＬＴ２の周波数と波長変換励起レーザ５が発生させる光ＬＴ３との和が、量子メモリーＢ２の吸収波長帯に含まれる波長に対応する周波数に等しくなる組み合わせが複数存在する。
量子通信システムＳ１では、第１安定化気体セル２に封入される気体と、第２安定化気体セル７に封入される気体との各々の膨大な吸収線を組み合わせることにより、和周波数を量子メモリーＢ２の吸収波長帯にメガヘルツ以下の精度において一致させることができる。ここで、和周波数とは、量子もつれ光源Ａ１１において生成されるもつれ光子である光ＬＴ２と、波長変換励起レーザ５が生成する光ＬＴ３２とが、非線形媒質４に入射し発生する光の周波数である。和周波数は、光ＬＴ２の周波数と、光ＬＴ３の周波数との和に等しい。

[まとめ]
以上に説明したように、本実施形態に係る波長変換器Ｂ１は、量子通信に用いられる波長変換器であって、非線形媒質４と、波長変換励起レーザ５と、気体セル（第２安定化気体セル７）とを備える。
非線形媒質４は、量子通信の伝送路の減衰特性に応じた第１の周波数をもつ第１のもつれ光子（光ＬＴ２）と、量子メモリーの吸収波長帯に応じた第２の周波数及び第１の周波数の２つの周波数に応じた第３の周波数を量子メモリーＢ２の吸収波長帯に応じた狭線幅においてもつ光ＬＴ３２とが入射されると、第１の周波数をもつ第２のもつれ光子（光ＬＴ４）を出射する。
波長変換励起レーザ５は、第３の周波数をもつ光ＬＴ３を発生させる。
気体セル（第２安定化気体セル７）は、第３の周波数を含む吸収波長帯をもつ気体が封入されている。

この構成により、本実施形態に係る波長変換器Ｂ１は、もつれ光子の波長を、量子メモリーの吸収波長帯に含まれる波長へと変換するために用いられる波長変換用の光の波長を安定化することができるため、もつれ光子の波長を、量子メモリーへ高い効率において吸収される波長へと変換することができる。

また、本実施形態に係る波長変換器Ｂ１では、第３の周波数とは、第１の周波数と第３の周波数との和が第２の周波数に等しくなる周波数である。
この構成により、本実施形態に係る波長変換器Ｂ１では、もつれ光子の波長を量子メモリーへ高い効率において吸収される波長へと変換する際に、非線形媒質４による和周波数発生を利用することができる。

また、本実施形態に係る波長変換器Ｂ１では、気体セル（第２安定化気体セル７）に封入された気体とは、ヨウ素である。
この構成により、本実施形態に係る波長変換器Ｂ１では、ヨウ素の吸収波長帯を利用して波長変換励起レーザ５が発生させる光の波長を安定化させることができる。

また、本実施形態に係る量子通信システムＳ１は、波長変換器Ｂ１と、狭線幅量子光源（量子もつれ光源Ａ１１）と、量子メモリーＢ２とを備える。
狭線幅量子光源（量子もつれ光源Ａ１１）は、第１の周波数をもつもつれ光子を所定の狭線幅において生成する。
量子メモリーＢ２は、第２の周波数を含む吸収波長帯をもつ。
この構成により、本実施形態に係る量子通信システムＳ１では、第１の周波数をもつもつれ光子を量子メモリーへ高い効率において吸収される波長へと変換することができるため、狭線幅量子光源（量子もつれ光源Ａ１１）と量子メモリーＢ２とが、波長変換器Ｂ１を介して効率よく接続することができる。

また、本実施形態に係る量子通信システムＳ１では、狭線幅量子光源（量子もつれ光源Ａ１１）は、第１の周波数を含む吸収波長帯をもつ気体（アセチレンガス）が封入された気体セルである光源用気体セル（第１安定化気体セル２）を備える。
光源用気体セル（第１安定化気体セル２）が含む気体（アセチレンガス）の吸収波長帯と、波長変換器Ｂ１に備えられた気体セル（第２安定化気体セル７）が含む気体（ヨウ素ガス）の吸収波長帯とに応じて、第１の周波数と第３の周波数との和が第２の周波数に等しくなる組み合わせが複数存在する。

この構成により、本実施形態に係る量子通信システムＳ１では、狭線幅量子光源（量子もつれ光源Ａ１１）が生成するもつれ光子（光ＬＴ２）の波長を安定化するために、第１の周波数と等しい吸収波長帯をもつ気体（アセチレンガス）を用いることができ、波長変換励起レーザ５が発生させる光ＬＴ３の波長を安定化するために、第３の周波数と等しい吸収波長帯をもつ気体（ヨウ素ガス）を用いることができる。そのため、本実施形態に係る量子通信システムＳ１では、量子メモリーＢ２の吸収波長帯に応じて、第２の周波数をもつ光ＬＴ５の波長を安定化することができる。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

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Claims

波長変換器と、
狭線幅量子光源と、
量子メモリーと、
を備える量子通信システムであって、
前記波長変換器は、量子中継に用いられる波長変換器であって、
量子通信の伝送路の減衰特性に応じた第１の周波数をもつ第１のもつれ光子と、量子メモリーの吸収波長帯に応じた第２の周波数及び前記第１の周波数の２つの周波数に応じた第３の周波数を前記量子メモリーの吸収波長帯に応じた狭線幅においてもつ光とが入射されると、前記第２の周波数をもつ第２のもつれ光子を出射する非線形媒質と、
前記第３の周波数をもつ光を発生させる波長変換励起レーザと、
前記第３の周波数を含む吸収波長帯をもつ気体が封入された気体セルと、
を備え、
前記狭線幅量子光源は、前記第１の周波数を含む吸収波長帯をもつ気体が封入された気体セルである光源用気体セルを備え、前記第１の周波数をもつもつれ光子を所定の狭線幅において生成し、
前記量子メモリーは、前記第２の周波数を含む吸収波長帯をもち、
前記光源用気体セルが含む前記気体の吸収波長帯と、前記波長変換器に備えられた前記気体セルが含む前記気体の吸収波長帯とに応じて、前記第１の周波数と前記第３の周波数との和が前記第２の周波数に等しくなる組み合わせが複数存在する
量子通信システム。
前記第３の周波数とは、前記第１の周波数と前記第３の周波数との和が前記第２の周波数に等しくなる周波数である
請求項１に記載の量子通信システム。
前記気体セルに封入された前記気体とは、ヨウ素である
請求項１または請求項２に記載の量子通信システム。