TW479427B - Apparatus for generating the status of photon number - Google Patents

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五、發明說明（1 ) [本發明技術領域] (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明為關於在已知產生時刻產生一定數量光子之光 子產生裝置，尤其是關於以已知時程產生一定數量光子的 產生裝置。尤是重要的是前述一定數量為丨而可利用為量 子暗號通訊者。 [背景技術] 量子暗號通訊系統，係將資訊載置於每一個光子，由 此可以量子力學原理發現竊聽者。但是，如果有相同資訊 載置於2個以上光子時，則有可能被竊聽者利用該光子之 一部份，而有無法檢出竊聽者之可能性。如此，理想上， 必須利用最多只含有1個光子之脉衝。此種脉衝，一般係 將雷射光源之光，以衰減器衰減而使1脉衝之光子的平均 數「μ」成為大約〇.1。如此，可減少脉衝中含有2個以上 光子之可能率為1/100，但同時亦使脉衝中含有1個光子 的可能率減少到約0 · 1。換言之，μ = 〇 1時，每1 〇次只有 約一次呈實際上達成傳送。 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 用以改善該法之習用技術之一例，茲以第1 1圖說明 之’該第11圖即相當於在日本專利特表平8-505019號公 報的「使用量子暗號之鍵分配系統及方法」所述的該發明 實施形態中之第5圖。在第11圖中，7為用以產生泵（pump) 光8’將非線型光學媒質9激能（pumping)的雷射。由非線 型光學結晶9產生可使使1個泵P光之光子依可能率產生 2個光子的參數變化（pai»ametric)螢光對。其中之1個光子 (此處稱閒置光子（idler photon)5)，以光檢測器及閘控制裝 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1 311581 479427

五、發明說明（2 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 置38檢出。在檢出時，開啟閘（gate)裝置4，使另一方之 光子（稱信號光子6)通過。以往的習用技術，係如日本專利 特表平8-505019號公報之「使用量子暗號之key分配系統 及方法」中所述實施形態所記載，使用以光電子增倍器或 用以為淬熄（quenching)控制之半導體累增（avalanche)光二 極體（以下簡稱AQ-APD)形成之光檢測器。 但是’如以往技術所用，直接以檢測器為光子檢測器 時’如果在檢測器之反應時間内，有複數個入射時，則不 能檢出其複數入射。舉例來說，AQ-APD是不管入射幾個， 脉波的大小都是一定，所以即使檢測出有光子入射，亦不 能得到有關入射光子數目之資訊。再且，在使用光電子增 倍管時，其量子效率7?，最大亦約低20%，而2光子檢出 之效率成為2乘方，故極低（4%)，而無法用以檢出2個 以上光子之入射。 習用技術因為使用該種檢出器為前提，所以迄無用以 判定入射光子數之手段。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 因此，在約由參數變化（parametric)螢光至檢測器之反 應時間内之程度之極短時間内，連績產生複數個光子時， 亦會開啟閘門，而有成為射出2光子狀態之問題。 但是，另一方面，2光子在檢測器之反應時間内之程 度之極短時間内，連續存在的r 2光子狀態」不可能產生。 如上所述，習用技術中，檢測器不能檢出入射光子數， 且無用以判定入射光子數量的手段，在光子檢測器之反應 時間内連續產生光子對時，閘極也會開啟，而有在檢測器 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） 2 311581 479427 A7

五、發明說明（3 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 之反應時間内，成為射出2個以上光子之狀態之缺點。 而且，習用方法不能在1脉衝内，正確產生複數個光 再且’亦不能控制脉波内光子產生之時序。 本發明乃鑑於上情而提出用以解消上述問題之方案， 以實現抑制檢測器反應時間内含不相關的2個或2個以上 光子’而正確產生一脉波内的相關複數個光子，以及可以 控制脉衝内部產生光子之時序的裝置為目的。 [本發明之揭示] 有關本發明之光子數狀態產生裝置，係設有；產生具 有與#號光子與閒置光子所成之與產生時刻相關的光子對 的光子對源；檢測閒置光子之光子數的光子數檢測器；響 應於光子數檢測器檢輸出之光子數資訊而控制閘裝置之控 制裝置；以及控制信號光子之射出的閘裝置。 作為上述之產生光子對之光子對源，設置泵光光源， 以及使泵光光源發出之泵光射入之非線型光學媒質。 作為上述之使泵光射入之非線型光學媒質，設置使泵 光與非線型光學媒質的光學轴之角度設定為使其調諧曲線 (tunning cwve)與對應於特定單一波長a的直線相切 -(tangent)之角度之非線型先學結晶。 作為上述之使泵光射入之非線型光學媒質，設置使泵 光與非線型光學媒質的光學軸之角度設定為使其調諧曲線 與對應於特定之2個波長a，b之直線相切之角度之非線型 光學結晶。 --------^---------^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 3 311581 479427 A7 B7 五、發明說明（4 ) 作為上述之使泵光射入之非線型光學媒質，係具備導 波路型的非線型光學媒質。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 作為上述之使泵光射入之非線型光學媒質，係具備虛 擬相位整合型非線型光學媒質。 此外，還具備將光子檢測器輸出之光子數資訊，區分 為一定範圍之區分部。 還具備響應於入射光子數而輸出輸出脉衝之高度可變 化之信號的光子數檢測器，而在控制裝置中具備將光子數 檢測器輸出之輸出脉衝的高度在一定範圍者予以區分出之 波南區分部。 又，具備將光子檢測器輸出之光子數資訊為射入光子 數檢測器之光子數為1時者予以區分之區分部σ 又，具備光子檢測器輸出脈衝的高度為相當於射入光 子檢測器之光子數為1時之高度者予以區分之波高區分 部。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 又，在控制裝置中，具備時脉產生部，以及在由該時 脉所規定之一定時間内，只對來自最初光子數檢測器之信 號開閉閘裝置之開閉次數判定部。 且在用以控制信號光子射出之閘裝置，具備以此開閉 時間短的時間差開閉之複數個開閉器（shutter)。 又’具備將由光子對產生之信號光子，送到用以控制 該光子之射出的閘裝置之光纖。 在本發明中，於光子源所產生之與產生時刻相關之信 號光子及閒置光子所成之光子對中，以光子數檢測器檢出 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 4 311581 479427 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 Α7 Β7 五、發明說明（5 ) 閒置光子之光子數，響應於光子數檢測器輸出之光子數資 訊，而控制閘裝置，以控制會於信號光子之光子數。 使來自泵光光源之泵光射入，而將由非線型光學媒質 產生之與產生時刻相關之光子對，做為閒置光子及信號光 子而使用。 當設置使泵光射入之非線型光學媒質時，將泵光與非 線型光學媒質之光學軸所形成之角度，設定成使具調諳曲 線與對應於特定之單一波長a之直線相切之角度。 當設置使泵光射入之非線型光學媒質時，將泵光與非 線型光學媒質之光學軸所形成之角度，設定成使具調諧曲 線與對應於特定之2個波長a，b之直線相切之角度。 又，將泵光射入導波路型之非線型光學媒質。 又，將泵光射入虛擬相位整合型非線型光學媒質。 又’將光子數輸出之資訊在一定範圍内者，以控制裝 置的區分部區分。 又’將由光子數檢出器輸出之因應射入光子數而改變 輸出脉衝高度之信號，以控制裝置所具備之波高區分部將 輸出脈衝之高度在一定範圍内者予以區分。 又’將來自光子數檢測器之光子數之資訊中，射入於 光子數檢測器之光子數為1者予以區分。 又，將來自光子檢測器之輸出脈衝高度為相當於射入 於光子數檢測器之光子數為丨之高度者予以區分。 又’在由控制裝置之時脉產生部所產生時脉所規定之 一定時間内將閘裝置開閉僅為低於特定次數之次數。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21G χ 29 --：-—---- ^ 311581 ---------------------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 479427 A7

五、發明說明（6 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 又，在由控制裝置之時脉產生部所產生時脉，所規定 之一定時間内，只對光子數檢測器最先輸出之信號，開閉 閘裝置。 又’以光子檢測器檢測閒置光子之射入，在時脉產生 器所輸出之時脉所規定之一定時間内，將用以控制信號光 子之射出之閘裝置開閉僅為低於特定次數之次數。 又，以比開閉時間短之時間差作開閉動的複數個開閉 器控制信號光子之射出。 又’使用光纖使由光子對輸出之信號光子，到達用以 控制該光子射出之閘裝置。 [圖式之簡單說明] 第1圖為本發明一實施形態之全體構成圖。 第2圖表示非線型光學媒質產生光子之波長與放出角 度之關係圖。 第3圖表示本發明一實施形態所用光子數檢測器之入 射光子與輸出信號之關係圖。 第4圖表示本發明一實施形態所用光子數檢測器之入 射光子數與輸出信號之高度之關係之圖。 第5圖為本發明一實施形態所用光子數檢測器之構成 圖。 第6圖為使用於本發明一實施形態之光子數檢測器之 構成圖。 第7圖為本發明一實施形態所用閘裝置部之構成圖。 第8圖為用以說明本發明一實施形態所用閘裝置部之 ΓI t b---Aw* I ^---------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 6 311581 479427 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（7 ) 動作的圖。 第9圖為本發明一實施形態的全體構成圖。 第10圖為用以說明本發明一實施形態之動作之圖。 第11圖為習用技術之一例的全體構成圖。 [符號說明] 1 光子對源 2、26至29光子檢測器 4 閘裝置 5 間置（idler)光子 6 信號光子 7、8 雷射（泵光光源） 9 非線型光學媒質(結晶）10、11、18光纖 12 波高分別部 13 閘裝置控制部 14 微動裝置 15 透鏡 16 > 17 濾光鏡 19 導波路非線型媒質 20 導波型遽光鏡 21 射出口 22 導波型濾光鏡 23、24、25導波型光束分光鏡 30 ' 31 電氣光學元件 32、33、34偏光板 35 NOT閘 36 遲延器 37 時脉產生器 [本發明推荐實施形態] 第1 實施形態 第1圖為木發明一實施形態的全體構成圖。在本實施 形態中，為在檢測器的分解時間r内，使2個光子以不密 集存在的方式，產生單一光子狀態的裝置。 (構成說明） 在第1圖中，1為產生具有與產生時刻之關連的光子 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 311581 -------I----I ---I--1—訂-------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 479427 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（8 ) 對之光子對源，2為用以檢測閒置光子5之光子數檢測器， 3為響應於光子數檢測器輸出之光子數資訊以控制閘裝置 4之控制裝置。閘裝置4係用以控制信號光子6之射出。 光子對源1為由非線型光學媒質9與將該非線型光學媒質 9激能（栗）的栗光8之光源7所構成。由非線型光學媒質9 所產生之閒置光子5 ’以透鏡15經過遽光鏡17，使目標閒 置光子5選擇性的透過而集光於光子檢測器2。由光子數 檢測器2,響應於一齊射入之光子數，輸出波高不同之脉 衝。該脉衝之波南只有在入射光子數為1光子時，由波高 區分部12觸發閘裝置控制部13，閘裝置控制部13即依該 觸發，使閘裝置開啟一定時間。 另一方面，信號光子6以透鏡15，將信號光波長為2 λ之光子選擇性的透過濾光鏡16，而集光於光纖10。圖 中’ 14為用以使光纖外部之光有效地射入之微動裝置。光 纖1 0係用以使依上述順序由間置光子5射入於檢測器2 至閘裝置4被控制所需之時間申，使信號光子6到達閘裝 置之時間延遲。 (光子對產生器之說明） 非線型光學媒質9使用下轉換（down conversion)，產 生具有泵光8之波長λ的2倍的波長之閒置光子5及信號 光子6。本實施形態採用具有35 1 · 1 nm之波長之氬（Ar)雷 射為栗光源7。此時，閒置光子5及信號光子6，分別產生 彼此產生光子之能量之和為與351.1 nm波長之光子的能量 相等之對，亦即個別產生為702.2nm之波長之光子。.. ----f— 1』---Μ--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _ 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 8 311581 479427 、 A7 - _____B7 五、發明說明（9 ) 如曰本專利申請案特願平9-3 53 07 8之「光子光束產生 裝置」所詳述，將非線型光學媒質之光學轴，對泵光設定 成某特定角度，可使所產生閒置光子5及信號光子6成為 光束狀’且可兩效產生第2圖表示召-Bariuni-Boron-Oxide(BBO)結晶之光學轴，對泵光設定成5〇 4度的角度時 之調諧曲線（tuning curve)。在第2圖中，橫軸表示所產生 光子之波長，而縱軸表示相對於泵光之射入方向的光子之 射出方向。如圖所示，2條調諧曲線與對應於波長702 2nm 的直線相切。依此條件，該波長702.2nm之螢光對，分別 以正3度及負3度之方向，以光束狀射出。使用此種非線 型光學媒質，可產生對泵光之入射功率的高效率地光子 對，結果，在以相同射出率（rate)產生單一光子時，可降低 裝置之消費電力。 此時雖然係以參數變化螢光對，做為產生具有與發生 時刻之關連之光子對之產生方法。但是，當然亦可以其他 方法產生。例如，使用由勵起狀態之串接（cascade)放出過 程。 (光子數檢測器之說明） 在本實施形態係使用Boeing(波音公司）所開發之 Visual Light Photon Counter(可見光子計數器以下簡稱 VLPC)。該VLPC揭示於1999年2月15日號之Applied Physics Letters 中，Jungsang Kim，Shigeki Takeuchi 及 Henry H. Hogue 所著之以「Multi-Photon Counting using Visible Light Photon Counter」為題之論文中所詳述，可以 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） --------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Η^τ· •線· 經·濟部智慧財產局員工消費合作社印製 311581 479427 Α7 Β7 五、發明說明（10 ) 高量子效率，檢測所射入光子有多少個。 ----F---l· I I —AVI I I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 以下以第3圖，說明該檢測器入射多數個光子時之動 作。第3圖中’橫軸表示時間，縱轴表示vLpc輸出脉波 之高度（波高）。在曲線圖中，從上往下者，分別表示（a)只 射入1光子，（b)同時射入2光子，（c)2光子以間隔3ns射 入及（d>2光子以間隔5ns射入時之輸出脉衝。如此，2光 子同時射入時，脉衝之高度為1光子射入之約2倍。 .¾ 第4圖分別表示射入檢測器之光子數為1光子及2光 子時之脉衝尚度之分佈。因為2光子係以參數變化螢光對 射入’所以有光學的調整問題，並不表示對該產生之所有 全部光子對之光子兩方為以VLPc射入。曲線中1〇mV以 下之部份為雜訊，其以37mV為中心之峯值（peak)相當於j 個光子之檢測，而以74mV為中心之峯值則相當於2個光 子之檢測。此時，而VLPC在其構造上，於射入2個以上 光子時，輸出大致比例於其個數的高度之檢測脉波。 (控制裝置的具體構成之說明） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 依據對經過光學調整問題補償後之評估，只將該檢測 器由波高l〇mV至56mV之範圍判斷為「1光子檢出」時， 使用VLPC之光子數檢測器之對χ光子射入之量子效率為 75%時，即使射入2光子亦判斷為「i光子」之可能率為 約3 5%。在波高區分部12則使用波高分析器，只在該種 波高之信號由光子數檢測器射入時，才激發閘裝置控制 部。依據該激發’開閉閘裝置。閘裝置之開啟時間，以檢 測器之分解時間之程度為佳’在本實施形態中，以約為2 n s 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 10 311581 經·濟部智慧財產局員工消費合作社印製 479427 、 A7 - ---- B7 五、發明說明（Π ) 至5ns程度為佳。 將前述將2光子誤判斷為1光子之或然率，可將使用 VLPC的光子檢測器之量子效率提高來以改善。此種檢測 器如 1999 年 2 月 22 日之 Applied Physics Letters 中， Shigeki Takeuchi，Jungsang Kim，Yoshihisa Yamamoto,及 Henry Η· Hogue 等著之論文「High quantum(光子）-efficiency single-photon counting system」所述，可改善至 接近90%之量子效率。此時，可將2光子誤判為1光子之 可能率，抑制至18%以下。 使用此種檢測器，對習用技術「由參數變化螢光，在 約檢測器之反應時間内，產生連續複數光子，則會開啟閘 門而射出2光子」之現象可減低至5分之1以下。又，習 用技術為了避免射出2光子，而使1脉波之平均光子數減 小（例如0.1)，故使用於通信時，傳送效率亦降低至該程 度。相比之下，以本實施形態則可以每1脉衝平均射出i 個光子，可提高傳送效率。 第2實施形態 在第1實施形態中，所生信號光之波長為702.2nm。 當然，此波長可選擇適當之泵光源用雷射及非線型光學媒 質而任意變更。舉例來說，一般使用光纖通信，可產生 1 550nm，13 1 Onm，及 800nm 附近之波長。 第1實施形態（第2圖）所示之光子對之產生方法，為 獲得波長相等而角度擴大較小的光子對光束之適當方法， 對於別的目的則可改變BBO結晶之光學軸方向，以獲得不 --------------裝---------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 11 311581 479427 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（12 ) 同波長之光子對。此時，第2圖之兩條調諧曲線即分別與 對應於不同波長之直線相切。即使在此情況下，光子之取 出方向係與第2圖所示調諧曲線與對應於各波長之直線相 切的角度取出。以此種條件，通常可獲得將圓錐狀擴展之 光子集中為一光束之分佈密度高之光子束。 本發明其他此種實施形態，有如在第1圖中，具有以 半導體激勵Yag雷射之上轉換雷射（Up c〇nversi〇n)為栗光 源7而產生532nm之泵光8 ;及產生i31〇nm之光子作為 信號光子6,以產生896nm之光子作為閒置光子5之裝置。 此時，以詳細記載於特願平9-3 53078之「光子光束產生裝 置」之方法，將非線型光學媒質之光學軸之角度，設定成 使該調諧曲線分別與13 1 Onm及896nm之直線相切之角 度’以提高光子對之產生效率。又，如此將閒置光子之波 長設定為接近可視光之近紅外域，則可以提高光子數檢測 益2篁子效率狀態檢出光子數。 以此種構成’可使光纖中產生傳送損失小的丨3 i 〇ηπι 附近之光子’而使2光子不會集中存在於檢測器之分解時 間τ以内。又，在本實施形態中，結晶之角度可如上述設 定，而產生高效率光子對，且可維持閒置光子之光子數之 高檢測效率。結果，可減少裝置之消費電力。 第3實施形態 第5圖表示本發明另一實施形態。在該實施形態中，7 為泵光源，1 8為將泵光導波之光纖，丨9為導波路型非線型 媒質，為用以將導波路型非線型光學媒質19所產生之 本&張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐i""""' --- 12 311581 -ρ I I I I I —Awl I ---1 I ---I ^ » I I---I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 479427 經·濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（13 螢光對與泵光區分之導波路型濾波鏡，21為泵光之射出 口，22為將螢光對區分為2個分岐的導波型濾光鏡。 在本實施形態中，參數變化螢光對係壓導波路型非線 型光學媒質19產生。螢光對分別持有縱、橫偏光，在做為 偏光束分光器動作之導波路型濾光鏡22,其中之具有一方 偏光者向光子數檢測器2傳達，而另一方則向光纖1〇傳 以此種構成，可使裝置小型化，而且，不需做光學的 對準（alighment)。 在本實施形態中，使用導波路型光學媒質19作為非線 型光學媒質。如日本物理學會講演概要集第53卷第2號第 2分冊341頁之佐中等人在「光導波路型非線型元件對2 光子之相關相象I」所敘述之虛擬相位整合型之導波路型 非線型媒質，可用擬似位相整合之方法獲得能滿足令所使 用之泵光與所產生光子平行產生的條件之非線型性。 由此，即可任意選擇泵光與所產生光子之波長。 第4實施形態 第6圖表示將第3至4圖所示第1實施形態之光子數 檢測器，以複數個光子檢測器組合構成之另一實施形態。 在第6圖中，23、24及25為具有50 : 50分割比之導波器 型光束分光鏡，26至29為光子檢測器。該光子檢測器26 至29可使用可檢出光子之射入但不能區分光子數之檢測 器。舉例來說可使用將所射入光子數累增光二極體 (avalanche photo diode) > 以蓋格（Geiger mode)驅動之如精 -------------^--------^----------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 13 311581 479427 Α7 Β7 五、發明說明（14 ) 工社 EG&G 製之 sPCM(Single Photon Counting Module). AQ 〇 以光纖傳播之光子，經光束分光鏡23至25期間，對 光子檢測器26至29分別以4分之1之或然率射入。因此， 如果在檢測益之反應時間内射入2光子時，有3/4之可能 率有2個檢測器響應，而區別為2個光子。 檢測器26至29之檢測信號，可以直接當作平行信號 而傳達至第3圖之分別部12，亦可以適當之形式壓縮成串 聯信號傳達。又，可將邏輯電路組入於各檢測器後段，而 使光子器檢測器與區分部12成為一體化。 又，以上係將4個檢測器並連為例說明，事實上，可 以使用任意個數之檢測器。通常，並連使用Ν個檢測器， 並設置使光子以相等之或然率射入之分光鏡時，2光子射 入之檢出或然率為（Ν-1 )/Ν。 又，該實施形態分光鏡23至25係使用50: 50之分光 鏡，但亦可使用對應於各檢測器之量子效率之適當分割率 之分光鏡。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -----U.!卜---0! ^--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 又，以並連設置的複數個檢測器接受光子之光的方 法，此處係採用以分光鏡將光路分割成複數個光路之方 法，但在例如可將受光面鄰接設置時，可使用透鏡而由該 等複數個光子檢測器分別以均勻之檢出率檢測。 第5實施形態 其他實施形態有在第1圖所示之波高分別部1 2使光子 數檢測器輸出之檢測信號，只分離出相當於2個光子射入 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公31 ) 14 311581 479427 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明) 時之成份。此時，即成鼻太仏 |取马在檢出器之反應時間内，由閘射 出含2個光子之狀態。冬缺 田然’亦可分離出N個光子數之狀 況，亦可產生含有2個以卜也2 上光子之狀態，同樣也可以產生 偶數個光子數狀態等任意之組合之狀態。 第6實施形態 第7圖表示於第1圖的閘裝置4具備2個開閉門之另 一實施形態。在第7圖中，1G為用以延遲往信號光子至閑 裝置的到達時刻之光纖；30、3丨為電氣光學元件；32、33、 34為偏光板；35為Ν〇τ閘；36為遲延器；13為控制裝置。 其中，偏光板33及34具有對通過偏光板32之光的偏光的 最大透過率，而設定成不使與其直交偏光之光透過。又， 電氣光學元件30及31，在控制信號之邏輯為丨時，使偏 光旋轉90°，如為〇則偏光不旋轉。 閘裝置儘可能在光子存在期間保持開啟，其他時間保 持關閉。但是，電氣光學元件單體之閘時間未能能設定低 於該電氣光學元件往返響應時間所規定時間。而本實施形 態則因為具備2個開閉門，所以可實現比開閉門往返響應 時間更短時間之閘操作。 以下以第8圖說明該閘電路之動作。在第8圖中，橫 軸表示時間。最上方之曲線表示作為目標之光子數狀態到 達閘操作部之或然率；曲線A表示第7圖A點之信號，而 曲線B同樣表示第7圖B點的信號狀態。A點可以認為是 由控制裝置輸出之控制信號本身。電氣光學元件31在偏光 旋轉子33、34組合而有邏輯〇輸入時，使光子透過，而有 I —------«^—------線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） 15 311581 479427 A7 _ B7 五、發明說明（I6 ) 邏輯1輸入時，遮蔽光子。 電氣光學元件30亦以偏光子32、33之組合，同樣運 作。 與第8圖曲線A之時刻TO之狀態同理，可常時將控 制裝置輸出之控制信號設定為1。此時，以電氣光學元件 31，可使光子不能透過閘裝置。此時，電子光學元件3〇 以/NOT閘35輸入有邏輯〇，而使光子透過。 控制裝置13在可預測偏光於光子到達閘操作部前之 時刻T1，使輸出由邏輯1變化為〇，而開啟電氣光學元件 31。此時，由於遲延器36之功用，使電氣光學元件30保 持邏輯值為〇。此時，光子可透過閘裝置。此種狀態可以 在遲延機所設定時間之間繼續。在該延遲之後，在T2使 加至電氣光學元件之邏輯轉為1，電氣光學元件30部份， 即不能籩過光子。在時刻T3,控制信號再由0變化為1， 使電氣光學元件3 1遷移為關閉狀態，在T4又恢復初始狀 如上所述構成，可以將閘裝置，只開啟比各電氣光學 元件之響應時間更短之時間選擇所必要之光子射出所需光 子。 第7實施形態 第9圖表示本發明之另一實施形態。在第9圖中，37 為產生供給控制裝置之時脉信號的時脉產生部。以下以第 1 0圖說明該實施形態之動作。在第1 〇圖中，橫軸表示時 間。曲線C為第9圖點C所觀測之時脉信號。曲線D為第 I I I — p I 1 1 —看 ·1 I f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I · 4 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 16 311581 479427

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（口） 9圖D點所觀測之光子數檢測器12輸出之信號。曲線e 為由控制裝置1 3輸出之閘控制信號。曲線F為經過閘裝 置4然後可在光纖11觀測之光子分佈。 如曲線D所示，經常由光子數檢測器2,輸出對應該 時刻的入射光子數之波南的信號。波高區分部12 一次選擇 一個射入光子之波高。控制裝置13僅對時脉上升後由波高 區分部最早輸入之信號，開啟閘裝置4(曲線E)。結果，可 由光纖11，以曲線F所示，大約一定間隔，射出單一光子。 在該實施开> 態中’波南區分部12係在光子數檢測器2 之感度（靈敏度）時間内，只選別光子為i個之狀態。當然， 亦可選別對應2個或2個以上光子數之狀態。如此，即可 以隔著一定間隔之間隔產生多光子數狀態。如果將產生光 子對之數增加，則可使其間隔更接近一定值。 第8實施形態 第7實施形態係在一定時間間隔内，只開啟一次閘裝 置，但亦可在一定間隔内開啟N次閘門裝置。如此，可以 產生每一定時間内含N個光子之狀態。此時，如將產生光 子對之數增加，則可以一定間隔重複產生含有N個光子組 合之狀態。 如以上所述，本發明光子數狀態產生裝置中，具備： 產生含有與發生時刻相關的光子對之光子源，用以檢出一 方之光子之光子對檢測器，以及響應於由光子數檢測器輸 出之光子數資訊以控制閘裝置之控制裝置；而可以與檢測 器之響應速度無關，產生任意之光子數狀態。 — — — —— — — — — — — 1« I I I ί I I I ^ «— — If — — — — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 17 311581 479427 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（18 ) 又，具備：產生光子對的光子對源之泵光光源，及使 由果光光源輪出之泵光射入之非線型光學媒質，故可高效 產生任意之光子數狀態。 又，適當調節非線型光學元件，以高效率產生光子數 狀態。 而具備作為非線型光學媒質之導波路型之非線型光學 媒質，所以不需要光學對準（整合），故容易使用。 又，在控制裝置具備時脉產生部，及在依該時脉規定 一定時間内，以低於預定次數之次數來開閉閘之開閉次數 判定部。故可在一定時間間隔產生光子數狀態。 又，閘裝置具備比開閉時間短的時間差開閉的複數個 開閉門’所以可以用比開閉門本身之重覆的頻率更為非常 短之時間，實現閘開閉。 [產業上的利用可能性] 本發生之光子數狀態產生裝置具備··產生具有與產生 時刻的關連性光子對之光子對源，用以檢出其一方光子之 光子數檢測器，以及響應於光子數檢測器輸出之光子數資 訊。而控制閘裝置之控制裝置，因此可以與檢測器之響應 速度無關而產生任意光子數狀態，對於產生時刻為已知之 產生一疋數光子的產生裝置極為有用。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

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Claims (1)

1. 479427 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種光子數狀態產生裝置，具備：產生由信號光子與閒 置光子而具有與產生時刻之相關連之光子對光子對 源；用以檢測間置光子之光子數的光子數檢測器；響應 於光子數檢測器輸出之光子數資訊以控制閘裝置之控 制裝置；以及用以控制信號光子之射出的閘裝置為特徵 者。 2·依據申請專利範圍第1項之光子數狀態產生裝置，其中 具備·作為用以產生光子對之光子對源之果光光源，以 及使由栗光光源輸出之果光輸入之非線型光學媒質 者。 3·依據申請專利範圍第2項之光子數狀態產生裝置，其 中：作為使泵光射入的非線型光學媒質係非線型光學結 晶，該非線型光學結晶係將泵光與非線型光學媒質之光 學軸所形成之角度，設定成使該調諧曲線與對應於某特 定之單一波長a之直線相切之角度者。 4.依據申請專利範圍第2項之光子數狀態產生裝置，其中 作為使泵光射入的非線型光學媒質係非線型光學結 晶，該非線型光學結晶係將泵光與非線型光學媒質之光 學轴所形成之角度，設定成使該調諧曲線與對應於某特 定波長a，b之直線相切之角度者。 5·依據申請專利範圍第2項之光子數狀態產生裝置，其中 作為使泵光射入的非線型光學媒質為具備導波路型之 非線型光學媒質者。 6·依據申請專利範圍第2項之光子數狀態產生裝置，其中 ----------------- (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 言· Γ 經聲(部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國豕標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 19 311581 479427 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 作為使栗光射入的非線型光學媒質為具備虛擬相位整 合型之非線型光學媒質者。 7·依據申請專利範圍第1項之光子數狀態產生裝置，其中 在響應於光子數檢測器輸出之光子數資訊而控制閘裝 置之控制裝置，係具備用以將由光子數檢測器輸出之光 子數區分出該光子數之資訊在一定範圍之區分部者。 8·依據申請專利範圍第丨項之光子數狀態產生裝置，其 中’具備用以輸出響應於射入光子數而變化輸出脉衝之 南度的信號之光子數檢測器，且其控制裝置具備用以將 由光子數檢測器輸出之輸出脉衝的高度在一定範圍 者，予以區分之波高區分部者。 9.依據申請專利範圍第1項之光子數狀態產生裝置，其 中’具備用以區分光子數檢測器輸出之光子數資訊為相 當於射入於光子檢測器之光子數為丨時之資訊之區分 部者。 10·依據申請專利範圍第1項之光子數狀態產生裝置，其 中’具備用以區分光子數檢測器輸出之輸出脉衝之高 度’為相當於射入於光子數檢測器之光子數為1時之波 南者之波南分別部者。 11·依據申請專利範圍第7項之光子數狀態產生裝置，其 中’在控制裝置具備時脉產生部，及在依該時脉規定之 一定時間内，僅以低於預定次數之次數，開閉閘之開閉 次數判定部者。 12.依據申請專利範圍第7項之光子數狀態產生裝置，其 ------r-----A__w— --------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 20 311581 479427 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 中’在控制裝置具備時刻產生部，及在依該時脉規定之 一定時間内’僅對光子數檢測器最早輸出之信號開閉閘 之開閉次數判定部者。 13·依據申請專利範圍第1項之光子數狀態產生裝置，其 / 中，作為用以控制信號光子之射出的閘裝置，具備以比 開閉時間更短的時間差開閉之複數個開閉者。 Φ 14·依據申請專利範圍第1項之光子數狀態產生裝置，其 中，具備將光子對產生之閒置光子，傳達至控制該光子 之射出的閘裝置之光纖者。 -------------· I . (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂-· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公爱） 21 311581