JP7412745B2 - 量子画像伝送システム - Google Patents
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Description
図1は、本実施形態の量子画像伝送システム1の構成の一例を示す図である。
偏光量子もつれ光源11は、例えば、レーザ111と、光学系112と、非線形光学結晶113と、光学系114とを備える。レーザ111は、レーザ光を出射する。光学系112は、レーザ111から出射されたレーザ光を非線形光学結晶113に入射させる。非線形光学結晶113は、例えば、擬似位相整合非線形光学結晶(QPM-NC:Quasi-Phase Matching Nonlinear Optical Crystal)であり、自然パラメトリック下方変換(SPDC:Spontaneous Parametric Down Conversion)によって、レーザ111が出力したレーザ光から量子もつれ光子対を生成する。光学系114は、レーザ光を取り除き、非線形光学結晶113から出力された量子もつれ光子対だけを偏光量子もつれ光源11の外部に出射する。
なお、以下の説明において量子もつれ光子対のことを、単に「光子対P」ともいう。この光子対Pの受信側装置20に伝送される光子の波長は、光ファイバ30による伝送路において減衰されにくい波長であることが好ましく、例えば、1550nm(ナノメートル)である。
ダイクロイックミラー12は、特定の波長を有する光を反射させ、それ以外の波長を有する光を透過させる。ダイクロイックミラー12は、この波長に応じて光を反射させ又は透過させる特性によって、光子対Pをシグナル光子とアイドラ光子とに分離する。
なお、分離された光子のいずれをシグナル光子といい、いずれをアイドラ光子というのかは、説明の便宜による。この一例では、ダイクロイックミラー12は、アイドラ光子を送信側観測部13に出射し、シグナル光子を光学系(反射鏡)14に出射する。この一例においては、アイドラ光子を「一方の光子」ともいい、シグナル光子を「他方の光子」ともいう。
また、光子対Pのうち、一方の光子の波長と他方の光子の波長とが一致している場合など、ダイクロイックミラー12による光子対Pの分離が困難である場合には、送信側装置10は、ダイクロイックミラー12に代えて、ハーフミラー(不図示)を備えていてもよい。
具体的には、送信側観測部13は、互いに異なる偏光基底で偏光状態を観測可能な、少なくとも2種類の観測系(この一例では、観測系131及び観測系132)と、ハーフミラー133とを備える。ハーフミラー133は、ダイクロイックミラー12から入射するアイドラ光子を、各観測系のいずれかにランダムに導光する。
観測系132は、偏光ビームスプリッタ1321と、単一光子検出器1322と、単一光子検出器1323と、波長板1324とを備える。波長板1324は、ハーフミラー133から入射するアイドラ光子の偏光を変更する。一例として、波長板1324とは、λ/2板であり、ハーフミラー133から入射するアイドラ光子の偏光を45°変更する。偏光ビームスプリッタ1321は、波長板1324から出射されるアイドラ光子を、単一光子検出器1322と単一光子検出器1323とのいずれかの検出器にランダムに導光する。
なお、上述した観測系の種類や偏光状態の種類は、一例であって、例示したものに限られない。
画像提示部151は、例えば、複数の画素を備える透過型の液晶表示面を備えており、送信側装置10に入力される画像情報IMGに基づく画像を提示する。画像提示部151をシグナル光子が透過すると、提示された画像によってシグナル光子の空間状態が変化する。
変調部光学系152は、画像提示部151から出射されるシグナル光子をマイクロミラーデバイス153に導光する。
各マイクロミラーは、例えば、一辺が数十μm(マイクロメートル)の正方形の鏡面を有しており、各鏡面の裏側に設けられている電極を駆動することにより、当該鏡面をねじれ軸周りに+12度又は-12度傾けることができる。各マイクロミラーは、鏡面が+12度傾いている場合、オン状態であり、鏡面が-12度傾いている場合、オフ状態である。
空間変調部15は、マイクロミラーデバイス153が備えるそれぞれのマイクロミラーを所定の変調パターンに基づいて駆動する。この結果、空間変調部15は、入射するシグナル光子の空間状態を変化させる。
すなわち、空間変調部15は、格子状に配列された光変調素子の変調状態を光変調素子に供給される画像情報IMGと所定の変調パターンに基づいて変化させることにより、光変調素子に入射する他方の光子の空間状態を変化させてもよい。
つまり、マイクロミラーデバイス153とは、空間変調部15が備える構成の一例である。
また、送信側装置10は、送信側観測部13によるアイドラ光子の偏光状態の観測結果と、マイクロミラーデバイス153による変調パターンとを、受信側装置20に出力する。ここで、アイドラ光子の偏光状態の観測結果には、アイドラ光子を測定した偏光基底を示す情報と、アイドラ光子の観測時刻と、アイドラ光子の偏光測定結果の一部とを示す情報が含まれる。
光学系(反射鏡)22は、上述した光学系(反射鏡)14に対応する光学系である。光学系(反射鏡)22は、空間変調部15から光ファイバ30を介して入射するシグナル光子を受信側観測部21に入射させる。
具体的には、受信側観測部21は、互いに異なる偏光基底で偏光状態を観測可能な、少なくとも2種類の観測系(この一例では、観測系211と、観測系212)と、ハーフミラー213とを備える。
観測系212は、上述した観測系132に対応する観測系である。観測系212は、偏光ビームスプリッタ2121と、単一光子検出器2122と、単一光子検出器2123と、波長板2124とを備える。波長板2124は、上述した波長板1324に対応する波長板である。波長板2124は、ハーフミラー213から入射するシグナル光子の偏光を変更する。一例として、波長板2124とは、λ/2板であり、ハーフミラー213から入射するシグナル光子の偏光を45°変更する。偏光ビームスプリッタ2121は、波長板2124から出射されるシグナル光子を、単一光子検出器2122と単一光子検出器2123とのいずれかの検出器にランダムに導光する。
また、判定部231は、送信側観測部13が出力するアイドラ光子の偏光状態の観測結果を取得する。上述したように、このアイドラ光子の偏光状態の観測結果には、アイドラ光子を測定した偏光基底を示す情報と、アイドラ光子の観測時刻と、アイドラ光子の偏光測定結果の一部を示す情報が含まれる。
なお、送信側観測部13は、アイドラ光子の偏光基底・アイドラ光子の光子検出時刻・アイドラ光子の偏光状態の測定結果のうちの一部を、受信側観測部21に出力する。なお、以下の説明において、アイドラ光子の偏光基底・アイドラ光子の光子検出時刻・アイドラ光子の偏光状態の測定結果のうちの一部のことを、アイドラ光子の偏光基底・光子検出時刻・偏光状態の測定結果の一部とも記載する。判定部231は、送信側観測部13が出力するアイドラ光子の偏光基底・光子検出時刻・偏光状態の測定結果のうちの一部と、受信側観測部21が観測したシグナル光子の偏光状態の観測とを比較する。
ここで、復号部232は、判定部231が光子の送受信の盗聴安全性が確保されていると判定した場合に、画像情報IMGを復号してもよい。
また、上述した各単一光子検出器は、超伝導転移端センサ(TES:Transition Edge Sensor)によって構成されていてもよい。超伝導転移端センサによって構成された単一光子検出器を備える量子画像伝送システム1によれば、RGB3色の波長の量子もつれ光源を用いれば、カラー画像を伝送することも可能である。
本実施形態の量子画像伝送システム1によれば、従来技術のように暗号鍵の共有が不要になる。本実施形態の量子画像伝送システム1によれば、従来技術のように暗号鍵の共有と画像伝送との二段階を経ることなく、安全性が確保された画像伝送を行うことができる。すなわち、本実施形態の量子画像伝送システム1によれば、安全性が確保された画像伝送を行う際の手間と時間とを低減することができる。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD-ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
Claims (4)
- 偏光量子もつれによって互いに関係づけられる光子対を出射する偏光量子もつれ光源と、
前記偏光量子もつれ光源から出射された1対の光子対のうち一方の光子の偏光状態を、互いに異なる偏光基底で偏光状態を観測可能な少なくとも2種類の観測系のうちのいずれかの観測系によって観測する送信側観測部と、
前記1対の光子対のうち他方の光子の空間状態を、所定の変調パターンと画像情報とに基づいて変化させる空間変調部と、
前記空間変調部が変化させた前記他方の光子の偏光状態及び変調パターンに対応した光子検出回数を測定する受信側観測部と、
前記送信側観測部が前記一方の光子の偏光基底・光子検出時刻・偏光状態の測定結果の一部と、前記受信側観測部が観測した前記他方の光子の偏光状態とに基づいて、光子の送受信の盗聴安全性を判定する判定部と、
前記所定の変調パターンを示す情報と、前記所定の変調パターンに対応して前記受信側観測部が観測した前記他方の光子の個数とに基づいて、前記画像情報を復号する復号部と、
を備える量子画像伝送システム。 - 前記空間変調部は、格子状に配列されたマイクロミラーを前記所定の変調パターンに基づいて駆動することにより、前記マイクロミラーに入射する前記他方の光子の空間状態を変化させる
請求項1に記載の量子画像伝送システム。 - 前記空間変調部は、格子状に配列された光変調素子の変調状態を前記所定の変調パターンに基づいて変化させることにより、前記光変調素子に入射する前記他方の光子の空間状態を変化させる
請求項1に記載の量子画像伝送システム。 - 送信側装置が、前記偏光量子もつれ光源と、前記送信側観測部と、前記空間変調部とを備え、
受信側装置が、前記受信側観測部と、前記判定部と、前記復号部とを備える
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の量子画像伝送システム。
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