JPH11112495A

JPH11112495A - 量子通信方法及び装置

Info

Publication number: JPH11112495A
Application number: JP9269418A
Authority: JP
Inventors: Akio Motoyoshi; 明夫元吉; Koichi Yamaguchi; 公一山口; Tetsuya Ogura; 徹也小倉; Tetsuya Yoneda; 哲也米田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-10-02
Filing date: 1997-10-02
Publication date: 1999-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】量子ビットのテレポーテェイションを実現
できる量子通信方法及び装置を提供する。【解決手段】送信しようとする情報に応じた量子状態
を有する第１の粒子［１］と量子力学的にもつれた状態
を含む互いに相関する第２の粒子［２］と第３の粒子
［３］を用意する。第１の粒子と第２の粒子は送信者
が、第３の粒子は受信者が保有する。第２と第３の粒子
の合成系で得られる量子状態と第１の粒子の量子的状態
並びにその直交状態との積状態から得られる状態を所定
の比率で混合した状態１６を送、受信者が共有する。第
１と第２の粒子からなる系で送信者により行なわれた測
定結果が古典通信路で受信者に送信され、受信者は、古
典通信路で送信された情報に基づいて第３の粒子を測定
することにより第１の粒子から消滅した量子状態を第３
の粒子に再現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、量子通信方法及び
装置、さらに詳細には、量子力学的状態を送信者から受
信者に送信する量子通信方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在の情報通信は、通信路を経由しての
古典ビッツ（ｂｉｔｓ）、即ち０、１を直接送信するこ
とにより行なわれており、近年の情報通信網の急激な発
達と共に、暗号通信など、通信の機密保持、送受信相手
の確認が大きな課題となっている。

【０００３】一方、近未来の量子情報通信は、２状態系
（量子ビッツ（ｑｕｂｉｔｓ）、実用的には光の偏光）
の任意の重ね合わせ状態に、古典ビットを符号化（ｅｎ
ｃｏｄｉｎｇ）して送信するものである。この状態の送
信は、いかなる量子ビットも通信路を経由せず、量子遠
隔輸送（ｑｕａｎｔｕｍｔｅｌｅｐｏｒｔａｔｉｏ
ｎ）により可能であるため、情報通信の際の安全（ｓｅ
ｃｕｒｉｔｙ）の保証が得られる。

【０００４】このような量子情報通信は、例えば、１９
９３年、アメリカのベネット（Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔ
ｔ）達により提案されている（２９ＭＡＲＣＨ１９
９３、ＶＯＬＵＭＥ７０ＮＵＭＢＥＲ１３フィ
ジカルレビューレターズ（ＰＨＹＳＩＣＡＬＲＥ
ＶＩＥＷＬＥＴＴＥＲＳ１８９５―１８９９ペー
ジ）。この方法では、送信者と受信者の間で、あらかじ
め量子力学的にもつれた粒子のペアー（ＥＰＲペアー）
が共有されており、送信者は、送りたい情報を符号化し
た粒子と送信者の持っている粒子（ＥＰＲペアーの一
方）の合成系で、ある物理量の測定を行なう。送信者
は、送信者の観測する２粒子系の４つの可能な測定結果
の内、１／４の確率で１つの測定結果を得るので、その
測定結果を古典通信路で受信者に知らせる。受信者は、
送信者から古典通信路を介して送られてくる測定結果に
基づき、受信者が保有しているＥＰＲペアーのもう一方
の粒子を操作することにより送信者が符号化した粒子、
即ち量子ビットを再現し、これを復号（ｄｅｃｏｄｉｎ
ｇ）してｌビットの送信を完了させることができる。

【０００５】このテレポーテェイション（ｔｅｌｅｐｏ
ｒｔａｔｉｏｎ）は、量子ビット（粒子［1］）の全情
報を古典通信路と量子ルートに分け、古典通信路を介し
て２ビットの情報として伝達するとともに（４つの測定
結果は２ビットで表現できる）、ＥＰＲペアー（粒子
［2］、［3］）の量子力学的なもつれを量子ルートを介
して保有することにより、測定により量子状態が破壊さ
れた粒子［1］の量子状態を受信者の保有する粒子［3］
において再現することができることを特徴としている。
このテレポーテェイションでの量子ルートには、量子力
学的なもつれによる相関が存在するだけで、古典通信路
のような通信路があるわけではないので、通信路を介し
た盗聴はそもそも有り得ず、また古典通信路を介した情
報は盗聴されてもその情報だけでは粒子［1］の量子状
態を再現することはできないので、絶対的に盗聴不可能
な量子通信が可能になると、いわれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この量子ビットのテレ
ポーテェイションという通信技術では、量子力学でＥＰ
Ｒ問題と呼ばれるものの正しい理解と合理的な観測理論
が不可欠であり、重要な役割を果たす。ところがベネッ
ト達の方法は、ＥＰＲ問題の不明朗な扱いと、量子力学
誕生の頃（１９２６年）のノイマン（ｖｏｎＮｅｕｍ
ａｎｎ）の射影仮説と呼ばれる観測理論に基づいてお
り、この仮説を採用しない限り実現不可能である（送信
者側で破壊された量子ビットを受信者側で再現する操作
ができない）。今日では、ノイマンの射影仮説を認める
と、物理過程として説明できない現象（否定的測定実
験、中性子干渉実験など）が見つかっており、又この仮
説によるとＥＰＲ問題は物理的に説明不可能なパラドッ
クス（ＥＰＲパラドックスと呼ばれている）となり、哲
学的議論にたよるしかなく、自然法則に従う物理の問題
ではなくなる。

【０００７】従って、本発明は、このような問題点に鑑
みてなされたもので、量子ビットのテレポーテェイショ
ンを実現できる量子通信方法及び装置を提供することを
課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、この課題を解
決するために、量子状態を送信者から受信者に送信する
量子通信方法において、送信しようとする情報に応じた
量子状態を有する第１の粒子と量子力学的にもつれた状
態を含む互いに相関する第２と第３の粒子を用意して、
第１の粒子と第２の粒子を送信者が、第３の粒子を受信
者が保有し、前記第２と第３の粒子の合成系で得られる
量子状態と第１の粒子の量子的状態並びにその直交状態
との積状態から得られる状態を所定の比率で混合した状
態を送、受信者が共有し、第１と第２の粒子からなる系
で送信者により行なわれた測定結果を古典通信路で受信
者に送信し、受信者は、古典通信路で送信された情報に
基づいて第３の粒子を測定することにより第１の粒子か
ら消滅した量子状態を第３の粒子に再現する構成を採用
している。

【０００９】また、本発明では、量子状態を送信者から
受信者に送信する量子通信装置において、光子を発生す
る手段と、前記光子から送信しようとする情報に応じて
偏光状態が変化された第１の光子を発生する手段と、前
記光子から所定の偏光を有する第２と第３の光子を発生
する手段と、第１の光子の偏光のｘ、ｙ方向成分と第２
の光子の偏光のｘ、ｙ成分から第１の光子のｘ、ｙ方向
成分の係数に対応する変数を測定する測定手段とを備
え、送信者は前記測定された変数を古典通信路を介して
第３の光子を保有する受信者に送信し、受信者は送信さ
れてきた変数（同時計数結果）と第３の光子のｘ、ｙ方
向の偏光に基づき第１の光子の偏光状態を再現する構成
も採用している。

【００１０】

【発明の実施の形態】

［原理の説明］テレポーテェイションによる量子通信を
理解するためには、粒子の物理量の測定過程を理解する
ことが不可欠になる。測定過程を物理過程として、現在
の量子力学の枠内で合理的に説明する観測理論は、量子
力学の誕生以来、紆余曲折の末、１９８０年、町田一並
木理論として提唱されている。この理論では、測定過程
で起こるのは、ノイマンの射影仮説のように分波の消失
ではなく量子力学的干渉可能性の消失であり、この過程
を記述するには、量子力学で通常考えられているように
量子力学的状態を波動関数で記述するのではなく、密度
行列（統計作用素、密度作用素とも呼ばれている）で記
述しなければならないことが主張されている。

【００１１】又この場合、測定される系と測定装置で複
合系をなしており、ＥＰＲ問題は２粒子の複合系とその
部分系での測定の問題であり、テレポーテェイションは
３粒子の複合系とその部分系での測定の問題である。こ
のように測定過程や複合系とその部分系を扱うときは、
量子力学的状態は密度行列で記述しなければならない。
この考えに沿ってＥＰＲ問題を密度行列で記述し、角運
動量の保存法則を用いると、どこにもパラドックスは存
在せず、ＥＰＲ問題は正しく合理的に理解できることを
町田（１９９１年）は示した。これに対して、ベネット
達の方法では、この保存法則の重要性への認識がなく、
測定する物理量も明瞭ではない。

【００１２】本発明は、保存法則が成立するよく知られ
た物理量を観測することによりテレポーテェイションに
よる量子通信を実現しようとするものであり、町田―並
木理論に基づき量子力学的状態を密度行列で記述するこ
とによりこの量子通信を完全に理解することができるの
で、以下で説明する実施形態では、量子力学的状態を密
度行列で記述することにする。

【００１３】古典ビット「０」、「１」は、量子ビット
（ｑｕｂｉｔ）では、それぞれ

【００１４】

【数１】

【００１５】で表現される。ここで、｜φ_i＞（i=0,1）
は、粒子［1］の送信しようとする量子状態で、ディラ
ックのケット表記｜＞を用いた粒子［1］の状態ベクト
ルである。粒子［1］を電子とすると、電子の状態ベク
トルは、上向きのスピン↑状態と下向きのスピン↓状態
の重ね合わせで表現される。ａ_i、ｂ_iを任意の複素数と
して、

【００１６】

【数２】

【００１７】の関係があるので、古典ビット「０」は、
スピンの上下成分を測定すれば、状態｜↑＞がａ₀の絶
対値の２乗の確率で、また状態｜↓＞がｂ₀の絶対値の
２乗の確率で現れる波動の重ね合わせで表現される量子
ビット｜φ₀＞に対応し、また古典ビット「１」は、ス
ピンの上下成分を測定すれば、状態｜↑＞がａ₁の絶対
値の２乗の確率で、また状態｜↓＞がｂ₁の絶対値の２
乗の確率で現れる波動の重ね合わせで表現される量子ビ
ット｜φ₁＞に対応する。

【００１８】量子力学的にもつれた１００％の相関をも
つ２個の補助粒子は、ＥＰＲペアー（ＥＰＲは、Ｅｉｎ
ｓｔｅｉｎ―Ｐｏｄｏｌｓｋｙ―Ｒｏｓｅｎの頭文字）
とも呼ばれており、例えば、スピン１重項（ｓｉｎｇｌ
ｅｔ）、即ち全スピンの大きさが０で上下成分もゼロの
状態にあるスピン１／２の２電子で実現される。

【００１９】この状態Ψのケットは、

【００２０】

【数３】

【００２１】で定式化される。ここで、｜↑＞₁｜↓＞₂
は一方の電子［1］がスピン上向き状態に、他方の電子
［2］がスピン下向き状態にあり、一方｜↓＞₁｜↑＞₂
は一方の電子［1］がスピン下向き状態に、他方の電子
［2］がスピン上向き状態にあって、もしスピンの上下
成分を測定すれば、それぞれ１／２の確率で｜↑＞₁｜
↓＞₂あるいは｜↓＞₁｜↑＞₂が観測されることを示し
ている。これらの補助粒子は、量子力学的にもつれた状
態にあり、１００％相関しているので、これらがたとえ
巨視的距離離れていたとしても、一方の粒子のスピン状
態が上向きと観測されれば（５０％の確率）、他方の粒
子のスピン状態の観測結果を確実に（１００％）下向き
であると予言できることを示している。フォン・ノイマ
ンの射影仮説に従いＥＰＲペアーを数３のように記述す
ると、いわゆるＥＰＲパラドックスが発生する。測定に
より純粋状態は、混合状態へと変化するので、ＥＰＲペ
アーの量子状態は、統計作用素（密度行列）ρを用い
て、

【００２２】

【数４】

【００２３】のように記述しなければならない。この密
度行列の記述で、一方の粒子のスピンの上下成分の測定
後の全体の系の状態は

【００２４】

【数５】

【００２５】に変換される（∞は、測定後所定の時間が
経過したことを示す）。この密度行列の変化は、もつれ
がほどけ干渉項が消えて全系が混合状態となったことを
示している。また、測定後各粒子の状態は、それぞれ

【００２６】

【数６】

【００２７】となる。但し、

【００２８】

【数７】

【００２９】は部分トレース（行列の対角要素の和を部
分的にとる）を示す。

【００３０】数６の第２式は、他方の粒子［2］の量子
力学的状態は、一方の粒子［1］の測定によって何の変
化も受けていないことを示しているので、量子状態を数
３のように記述した場合に発生するＥＰＲパラドックス
を回避することができる。

【００３１】ここで、上述した量子力学的にもつれた状
態を含む２個の粒子（ＥＰＲペアーの拡張）を補助粒子
として用い、送信しようとする古典ビットに応じた量子
ビットをテレポーテェイションする量子通信の具体的な
方法を説明する。

【００３２】図１に示したように、送信者１０は、送信
しようとする古典情報に応じて符号化された量子ビット
｜φ_i＞₁（古典ビット「０」、「１」に応じてｉ＝０、
１、｜φ₀＞₁と｜φ₁＞₁は非直交状態にある）と、その
直交状態｜ψ_i＞₁である粒子［1］のブロック１１を用
意する。

【００３３】また、送、受信者は、量子力学的にもつれ
た状態を含む２個の補助粒子［2］、［3］を準備し、一
方の粒子［2］を送信者１０が、また他方の粒子［3］を
受信者１２が保有する。そして、送、受信者は粒子
［2］と［3］の合成系１４で角運動量の大きさ１、その
ｚ-成分が０、１、−１の３つの状態｜１，０＞₂₃、｜
１，１＞₂₃、｜１，―１＞₂₃を共有する。また、送信者
１０は、これらの３つの状態と粒子［1］の積状態｜φ_i
＞₁｜１，０＞₂₃、｜ψ_i＞₁｜１，１＞₂₃、｜ψ_i＞₁｜
１，―１＞₂₃を作り、これを２：１：１の強度比で混ぜ
た混合状態１６を作る。この全系の状態を密度行列を用
いて記述すると、｜１，０＞＝｜Ψ⁽⁺⁾＞、｜１，１＞
＝｜１＞、｜１，―１＞＝｜−１＞と書いて、

【００３４】

【数８】

【００３５】のようになる。但し

【００３６】

【数９】

【００３７】である。部分トレースをとることにより、
ブロック１１、１４に対応する

【００３８】

【数１０】

【００３９】が得られ、上記の（１，２３）系を（１
２，３）系に組み直すことにより、ブロック１８と２０
に対応する

【００４０】

【数１１】

【００４１】が得られる。

【００４２】次に、送信者１０は自分の保有する粒子
［1］と［2］からなる（１，２）系１８で角運動量のｚ
-成分の測定を行なう。この測定により全系の密度行列
は、

【００４３】

【数１２】

【００４４】のように変換され、最終的に

【００４５】

【数１３】

【００４６】を得る。

【００４７】送信者１０は、（１，２）系の測定により
０又は±１の測定結果を得るので、その測定結果（又
は、測定が完了したこと）を古典通信路で受信者１２に
知らせる。この情報を受け取った受信者１２は自分の持
つ粒子［3］の状態２０に、それぞれ｜φ_i＞₃又は｜ψ_i
＞₃が現れたことを角運動量の保存法則から知り、受信
者は粒子［3］の測定による復号化で｜φ₀＞₁、又は｜
φ₁＞₁が送られたことを知ることができる。

【００４８】古典ビット０、１の符号化、復号化の方向
及びｚ軸の方向は、あらかじめ送受信者で決めておいて
もよいし、復号化の際の測定結果の確率の差から読み出
すこともできる。この方法は、ベネット達のものと違
い、送信者側で測定により破壊された量子ビットを受信
者側で再現する操作は不要であり、日本で生まれた観測
理論に基づき、我が国の国際的な雑誌に公表した量子通
信技術のための純国産の理論である。

【００４９】［光子を用いた実施形態］上述した原理
は、スピン１／２の粒子（電子、中性子など）で可能で
あるが、実用化に適した光子を粒子とする例に基づきテ
レポーテェイションの具体例を説明する。光の偏光をス
ピンの代わりに用いる場合は、

【００５０】

【数１４】

【００５１】（ｘは水平偏光状態、ｙは垂直偏光状態）
とし、スピン１／２の粒子のスピン状態｜↑＞と｜↓＞
を、例えば｜↑＞＝ｘ、｜↓＞＝ｙあるいはその逆に読
み替えることで、スピン１／２の粒子について述べたこ
とが、原理的には光子について、全てあてはまる。しか
し、３個の光子を用いる場合、光子の偏光状態の測定は
１個１個の光子についてしかできず、図１のブロック１
６である３光子の数８に対応する状態及び図１のブロッ
ク１８、２０である数１１を導く３光子の状態の直接の
作成は困難などの実際上の制約があるため、光子３個で
量子通信を実現するには特別の工夫が必要である。

【００５２】図２には、この工夫のなされた粒子を光子
とした場合のテレポーテイションの実施形態が図示され
ている。

【００５３】図２は、基本的に重要な部分のみを一つの
例で分かり易く示したものであり、同図に示したよう
に、送信者１０はブロック２１を、受信者１２はブロッ
ク５０を用意する。ブロック２１の中で符号２２で示す
ものは、最初の光源としてのレーザーパルス発振器で、
ナノ秒程度の間隔で角振動数ωのパルスを次々と発生す
る。各レーザーパルスは２次高調波発生結晶（例えば、
ＫＮｂＯ₃などの結晶、以下ＳＨＧという）２３に入射
される。ここでは、説明の便宜上、パルスレーザーを用
いたが、連続波レーザーを用いることも出来る。

【００５４】ＳＨＧ２３から、角振動数ωで素通りした
光子と角振動数が２ωに変わった光子の２光子が得ら
れ、角振動数ωの光子は光子［1］のブロック３０へ、
角振動数２ωの光子は、例えばＫＮｂＯ₃などのタイプ
Ｉの非線形結晶から構成されるパラメトリック変換器
（パラメトリック・ダウン・コンバージョン、以下ＰＤ
Ｃという）２４へ導かれる。このＰＤＣ２４で、角振動
数ωの２光子に変換され、一方の光子は、送信者側の光
子［2］のブロック４０へ、もう一方の光子は光ファイ
バー２５を経由して受信者側の光子［3］のブロック５
０へ送られる。ＰＤＣ２４から出た２光子はタイプＩの
結晶の場合、その偏光状態が互いにｘ（水平偏光）同
士、又は互いにｙ（垂直偏光）同士と決まった所定の偏
光状態で放出される。

【００５５】以下、光子［1］のブロック３０、光子
［2］のブロック４０、光子［3］のブロック５０の順に
説明する。

【００５６】ＳＨＧ２３からブロック３０に導かれた光
子［1］はハーフミラー３１で２つの光路に分割され、
ハーフミラー３１を通過した光子は偏光回転子（水晶）
３２を通り、偏光方向がθ回転されて｜φ＞₁状態が形
成される。垂直偏光（ｙ）を通過させ、水平偏光（ｘ）
を反射する偏光ビームスプリッター（以下ＰＢＳとい
う）３３で、偏光方向がθ回転された光子は、θに対応
する係数ａ、ｂを持つａｘ₁とｂｙ₁に分割され、ｂｙ₁
はそのまま光電子増倍管６２へ、またａｘ₁はミラー３
４で反射された後光電子増倍管６１へ導かれる。

【００５７】一方、ハーフミラー３１で反射された光は
ミラー３５で反射され偏光回転子３６で偏光方向が（π
−θ）回転され、｜ψ＞₁状態が形成される。この（π
−θ）偏光が回転された光子は、その後ＰＢＳ３７で、
（π−θ）に対応する係数ａ^*、−ｂ^*をもつａ^*ｙ₁と−
ｂ^*ｘ₁に分割され、ａ^*ｙ₁はそのまま光電子増倍管６４
へ、−ｂ^*ｘ₁はミラー３８で反射され光電子増倍管６３
へと導かれる。

【００５８】この光子［1］のブロック３０は、図１の
光子［1］のブロック１１に対応し、量子ビット｜φ＞₁
の光子と、その直交状態｜ψ＞₁の光子が形成されたこ
とになる。その場合、古典ビット「０」、「１」は偏光
回転子３２、３６で偏光方向θをそれに対応して設定す
ることにより量子ビットに変換することができる。

【００５９】ＰＤＣ２４からブロック４０に導かれた光
子［２］は、偏光状態はそのままで、ハーフミラー４１
で２つの光路に分割され、ハーフミラー４１を通過した
方は、ＰＢＳ４３で偏光ｘ₂とｙ₂の光子に分割され、偏
光ｙ₂の光子はそのまま光電子増倍管７２へ、偏光ｘ₂の
光子はミラー４２で反射された後、光電子増倍管７１へ
導かれる。一方ハーフミラー４１で反射された方はミラ
ー４４で反射された後ＰＢＳ４５で偏光ｘ₂とｙ₂の光子
に分割され、偏光ｙ₂の光子はそのまま光電子増倍管７
３へ、偏光ｘ₂の光子はミラー４６で反射された後光電
子増倍管７４へと導かれる。

【００６０】ＰＤＣ２４から、光ファイバー２５を経由
して受信者側のブロック５０へ送られた光子［３］はハ
ーフミラー５１で２つの光路に分割され、ハーフミラー
５１を通過した方はＰＢＳ５２で偏光ｘ₃、ｙ₃の光子に
分割され偏光ｙ₃の光子はそのまま光電子増倍管８２
へ、偏光ｘ₃の光子はミラー５３で反射された後光電子
増倍管８１へと導かれる。ハーフミラー５１で反射され
た方はπ／２の偏光回転子５４でｘ偏光とｙ偏光が入れ
換えられた後、ミラー５５で反射されＰＢＳ５６で偏光
ｘ₃とｙ₃の光子に分割され、偏光ｙ₃の光子はそのまま
光電子増倍管８３へ、偏光ｘ₃の光子はミラー５７で反
射された後光電子増倍管８４へと導かれる。

【００６１】この装置では、レーザーパルス発生器２２
の各パルスごとにブロック３０の光電子増倍管６１〜６
４のどれか、ブロック４０の光電子増倍管７１〜７４の
どれか、ブロック５０の光電子増倍管８１〜８４のどれ
かに、それぞれ光子が１個づつ現れるので、光子［１］
と光子［２］で作る部分系で送信者が行う測定は、図３
に図示したように、２つのペアー端子で、それぞれ偏光
をカウンタ１１１〜１１８を用いて同時計数を行うこと
により行なわれる。

【００６２】カウンタ１１１〜１１４は、光電子増倍管
６３と７１、６１と７４、６２と７３、６４と７２の各
ペアーからの光子が同時に現れる順序と回数を計数し、
係数ａ、ｂに対応した計数確率ｂ、ａ、ｂ、ａの絶対値
の２乗がそれぞれカウンタの出力端子９１〜９４に得ら
れる。

【００６３】同様に、カウンタ１１５〜１１８は、光電
子増倍管６１と７３、６３と７２、６４と７１、６２と
７４の各ペアーからの光子が同時に現れる順序と回数を
計数し、係数ａ、ｂに対応した計数確率ａ、ｂ、ａ、ｂ
の絶対値の２乗がそれぞれカウンタの出力端子９５〜９
８に得られる。

【００６４】この測定結果を与えるパルスごとの同時計
数、すなわち、カウンターの出力端子９１〜９８のどの
端子に同時計数が得られたかと、その計数順序を受信者
に古典通信する。受信者側では、光電子増倍管８１〜８
４に附属のどの端子に光子が現れたかを測定し、その順
序を記録しておくと、図４に示したように、古典通信の
結果に応じて、それぞれ測定端子が１０１〜１０８のよ
うに決まるので、それぞれの決まった測定端子に古典通
信で送られた送信者の同時計数順序に、９１と１０１，
９２と１０２，…，９８と１０８に同時計数の得られた
記録と照合し、３光子の同時計数の得られた結果のみを
集め、その回数を計数すると、結果が対応する確率で１
０１〜１０８のように得られる。端子１０１〜１０４で
は、確率ｂの絶対値の２乗でｘ₃が、また確率ａの絶対
値の２乗でｙ₃が得られるので、端子１０１〜１０４よ
り｜ψ＞₃が得られる。また端子１０５〜１０８では、
確率ａの絶対値の２乗でｘ₃が、また確率ｂの絶対値の
２乗でｙ₃が得られるので、端子１０５〜１０８より｜
φ＞₃が得られる。

【００６５】例えば、送信者１０は「０」の１ビットを
送信しようとする。そこで、図２のレーザーパルス光源
２２からナノ秒程度の間隔でパルスを順次発生させ、偏
光回転子３２と３６で「０」に対応してθを任意に決
める。これにより偏光回転子３２、３６により「０」に
対応した係数ａの水平偏光ｘ₁と係数ｂの垂直偏光ｙ₁の
重ね合わせからなる量子状態｜φ₀＞₁とその直交状態の
｜ψ₀＞₁が得られる（光子［１］）。ＰＤＣ２４により
所定の偏光ｘ／ｙを有する光子［２］、光子［３］を作
成し、光子［３］を光ファイバー２５を介して受信者１
２に送る。

【００６６】送信者１０は、光源２２からのレーザーパ
ルスを１００パルス（１０のマイナス７乗秒）〜１００
０パルス（１０のマイナス６乗秒）についてカウンタ１
１１〜１１８を用いて同時計数する。量子力学に従って
起こる現象は確率的であるので、その測定結果が「０」
に応じた係数ａ、ｂに対応する上記のような計数確率と
して得られる。そこで、送信者１０はカウンターの出力
端子９１〜９８のどの端子に同時計数が得られたかと、
その順序を古典通信路を用いて受信者１２に送信する。

【００６７】光子［３］を測定する受信者１２の測定端
子ａx、ａy、ｂx、ｂyは、送信者１０の光子［２］の測
定端子Ａx、Ａy、Ｂy、Ｂxとそれぞれ対応（相関）して
おり、各測定端子１０１〜１０８には、それぞれ水平偏
光ないし垂直偏光が現れる。従って、受信者１２は、光
電子増倍管８１〜８４に附属のどの端子に光子が現れた
かを測定し、その順序を記録しておき、パルスごとの送
信者側での同時計数結果の古典通信に応じて定まった測
定端子に光子が現れた記録、つまり９１と１０１，９２
と１０２，…，９８と１０８に同時計数の得られた記録
と照合し、その結果を集めると、水平偏光（ｘ₃）の現
れる測定端子１０１、１０３と垂直偏光（ｙ₃）に現れ
る測定端子１０２、１０４とから、受信者１２は、係数
−ｂ^*の水平偏光ｘ₃と係数ａ^*の垂直偏光ｙ₃の重ね合わ
せからなる量子状態｜ψ₀＞₃を作成することができ、｜
ψ₀＞₁ を再現することができる。このとき、同様に測
定端子１０５〜１０８を介して｜φ₀＞₃を作成し、｜φ
₀＞₁を再現することができる。

【００６８】一方、送信者１０が「１」の１ビットを送
信しようとする場合には、それに応じて「０」の送信時
と異る量だけθ（その差が０、π以外の任意の角度）を
変化させる。それに応じて係数ａ、ｂが変化し、計数確
率も変化して「１」に対応する｜ψ₁＞₃、｜φ₁＞₃を作
成することができ、｜ψ₁＞₁、｜φ₁＞₁を再現すること
ができる。

【００６９】光子［１］の量子状態を受信者で再現する
には、古典通信路を介して送信されてくるパルスごとの
同時計数結果と、光ファイバー２５から送られてくる光
子［３］の偏光状態（光子［２］の偏光状態に相関す
る）を知る必要があるので、古典通信路を介して送られ
るパルスごとの同時計数結果だけ盗聴しても、あるいは
光ファイバーを通過する光子［３］の偏光状態だけを測
定しても、光子［１］の量子状態を再現することはでき
ない。

【００７０】通信路には、いかなる情報も持たぬ偏光し
た光子が通っているだけであるから、通信路２５におけ
る盗聴は全く不可能である。すなわち、量子ルート（通
信路２５）は、単なる偏光光子が通過するだけであり、
古典通信路には受信者の測定端子を決める情報が流れる
だけなので、１００〜１０００パルスの情報を集めない
と、送信者から送られた情報が「０」か「１」かがわか
らない。したがって、通信路２５を介しての盗聴があ
り、パルスの数が１／２になると、受信者も盗聴者も送
信者からの情報を再生することが不可能になる。この意
味で通信の破壊は可能であるが、送信者と受信者の間で
「０」か「１」のどちらかのａ，ｂを一つ決めておく
と、受信者では、送信者の情報を再現できるが、盗聴者
にはどのような情報が送られてきたのか不明であるよう
にすることができる。

【００７１】光子を用いたテレポーテェイションでは、
測定並びに古典通信が［原理の説明］で図１を用いて説
明したものよりも複雑になるが、これは［原理の説明］
の最後に述べた光子を用いる場合の特別の事情による。
なお、受信者の測定は送信者からの古典通信に応じて自
動化して記録しておけば、後で読み出すことができる。

【００７２】ここで、端子９１〜９４での測定結果は、
スピン測定の場合の±１に、端子９５〜９８の測定結果
は０に対応しているので光電子増倍管６１〜６４、７１
〜７４の測定端子にエレクトロニクスでＡＮＤ、ＯＲの
回路を組むことにより、送信者での測定及び送信者から
の古典通信を簡単化することができる。受信者での端子
１０１〜１０８の測定も同様に簡単化できるが、端子１
０１〜１０８の測定は、あらかじめ送受信者間で偏光回
転子３２と３６のθを決めておくことにより、｜φ＞₃
と｜ψ＞₃の測定におき換えることにより簡単化するこ
ともできる。

【００７３】図２において、光子［１］のブロック３０
が数１０の第１式に、ブロック４０とブロック５０が数
１０の第２式に対応する。又、端子９１〜９８の測定後
のブロック２１が数１１の第２式に、その時のブロック
５０が数１１の第１式に対応する。同じく端子９１〜９
８の測定後のブロック２１と５０の全体は数１２に対応
する。しかし、［原理の説明］の最後に述べた事情によ
り、これらの対応は数１０、数１１あるいは数１２と全
く同じという意味ではなく、量子通信として［原理の説
明］で述べたことと同じ結果を与えるという意味での対
応である。

【００７４】図２では、ブロック３０、４０、５０の間
で［原理の説明］で述べた部分的に必要な光の強度調整
（フィルター又はダミーミラーを用いる）と光電子増倍
管６１〜６４、７１〜７４及び８１〜８４に光が測定器
の応答時間内に同時到着するための光路長調整は簡単に
行うことができるが、図が不必要に複雑にならないよう
に省略してある。又、ＰＤＣ結晶の温度調整なども当然
のことなので省略してある。その他、通信精度向上、測
定精度向上のための偏光子なども省略されているが、い
ずれも必要に応じて適宜設けられるものである。

【００７５】さらに、ＰＤＣ２４のタイプＩをタイプＩ
Ｉにするとか、偏光ビームスプリッターの代わりにπ／
２の偏光回転子を用いるとか、θの偏光回転子を透過度
と反射度が５０：５０でないハーフミラーにおき換える
など色々の光学素子の入れ換えが可能であり、その時、
図も変わってくるが、図２では、基本的に重要な部分の
みが一例として示されている。

【００７６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、量子
状態の混合状態と保存法則に基づいてテレポーテェイシ
ョンを行なっているので、受信者は、このテレポーテェ
イションにより送信者が送信しようとする情報に応じた
量子状態を受信者が保有する粒子に再現することがで
き、盗聴から高度に保護された量子暗号通信が可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】量子通信の原理を説明する説明図である。

【図２】粒子を光子とした場合の量子通信装置の構成を
示す構成図である。

【図３】光子の偏光成分の同時計数を測定する状態を示
した構成図である。

【図４】送信者の同時計数の測定結果を受信者に古典通
信する状態を示した説明図である。

【符号の説明】

１０送信者１２受信者２２レーザーパルス光源２３２次高調波発生結晶２４パラメトリック変換器２５光ファイバー

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０４Ｌ 9/08 Ｈ０４Ｌ 9/00 ６０１Ｅ (72)発明者米田哲也熊本県熊本市清水亀井町４番10号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】量子状態を送信者から受信者に送信する
量子通信方法において、送信しようとする情報に応じた量子状態を有する第１の
粒子と量子力学的にもつれた状態を含む互いに相関する
第２と第３の粒子を用意して、第１の粒子と第２の粒子
を送信者が、第３の粒子を受信者が保有し、前記第２と第３の粒子の合成系で得られる量子状態と第
１の粒子の量子的状態並びにその直交状態との積状態か
ら得られる状態を所定の比率で混合した状態を送、受信
者が共有し、第１と第２の粒子からなる系で送信者により行なわれた
測定結果を古典通信路で受信者に送信し、受信者は、古典通信路で送信された情報に基づいて第３
の粒子を測定することにより第１の粒子から消滅した量
子状態を第３の粒子に再現することを特徴とする量子通
信方法。
【請求項２】前記粒子は、光子、電子あるいは中性子
であることを特徴とする請求項１に記載の量子通信方
法。
【請求項３】量子状態を送信者から受信者に送信する
量子通信装置において、光子を発生する手段と、前記光子から送信しようとする情報に応じて偏光状態が
変化された第１の光子を発生する手段と、前記光子から所定の偏光を有する第２と第３の光子を発
生する手段と、第１の光子の偏光のｘ、ｙ方向成分と第２の光子の偏光
のｘ、ｙ成分から第１の光子のｘ、ｙ方向成分の係数に
対応する変数を測定する測定手段とを備え、送信者は前記測定された変数を古典通信路を介して第３
の光子を保有する受信者に送信し、受信者は送信されて
きた変数と第３の光子のｘ、ｙ方向の偏光に基づき第１
の光子の偏光状態を再現することを特徴とする量子通信
装置。
【請求項４】前記測定手段は、偏光がｘ、ｙ方向の第
１と第２の光子がそれぞれ同時に現れる確率も計数する
ことを特徴とする請求項３に記載の量子通信装置。