WO2007102408A1

WO2007102408A1 - 量子もつれ光子対発生装置、及び、量子もつれ光子対発生方法

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Publication number: WO2007102408A1
Application number: PCT/JP2007/053974
Authority: WO
Inventors: Keiichi Edamatsu; Ryosuke Shimizu
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2007-03-01
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2008-09-03
Also published as: JPWO2007102408A1; JP4781426B2; US7570419B2; US20090016386A1

Abstract

　本発明の量子もつれ光子対発生装置（１００）は、異なるＮ個（Ｎ≧２）の入射光路から入射する光子対であって、偏光方向の異なる光子からなる光子対の重ね合わせ状態を生成する重ね合わせ状態生成手段（１１０）と、上記Ｎ個（例えば２個）の入射光路Ｌａ、Ｌｂから入射する光子対を第１の偏光方向（例えば、水平偏光）をもつ光子と第２の偏光方向（例えば垂直偏光）をもつ光子とに分離し、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）（例えば１番目）の入射光路Ｌａから入射した第１の偏光方向をもつ光子と、Ｎ－ｉ＋１番目（例えば２番目）の入射光路Ｌｂから入射した第２の偏光方向をもつ光子とを、同一光路長の光路を介して、ｉ番目（例えば１番目）の出射光路Ｌａ´に導く導光手段（１２０）と、を備えているので、偏光方向についての量子相関をもつ、Ｎチャンネルの量子もつれ光子｜Ψout〉を発生させることができる。これにより、偏光方向について量子相関をもつ多チャンネルの量子もつれ光子対を、高い生成効率で発生させることが可能な量子もつれ光子対発生装置を実現する。

Description

明細書

量子もつれ光子対発生装置、及び、量子もつれ光子対発生方法技術分野

[0001] 本発明は、量子もつれ光子対、特に、偏光方向についての量子相関をもつ量子もつれ光子対を発生させる、量子もつれ光子対発生装置、及び、量子もつれ光子対発生方法に関するものである。

背景技術

[0002] 近年、電子商取引や電子メール等による情報通信技術の進展が著しぐこれに伴い、情報伝送における暗号技術についても研究開発が行われている。該暗号技術として、最近注目^^めているものとして、量子暗号がある。

[0003] 量子暗号では、量子力学におけるハイゼンベルグの不確定性原理により、物理現象によって安全性が保証される。該不確定性原理では、観測によってその状態は変化するため、通信が盗聴 (観測）されると、必ずそれが明らかになり、それに応じて通信を遮断するなどの処置が可能なため、盗聴が物理学的に不可能とされる。また、粒子を複製することも不確定性原理によって不可能である。

[0004] 量子暗号における重要な要素として量子テレポーテーシヨンがあげられる。量子テレポ一テーシヨンは、粒子の量子的な情報だけを別の場所に移す技術である。該量子テレポ一テーシヨンは、量子の絡み合い（量子もつれ)を利用して、光子同士が情報をやり取りすることにより実現される。量子もつれの状態にある光子対は、一方の量子状態が決まると、他方の量子状態も決まるという性質があり、この性質は、 2光子間の距離に依存しない。

[0005] 上述した量子テレポーテーシヨンを実現するためには、量子もつれの状態にある光子対を生成することが必要不可欠となる。量子もつれの状態にある光子対は、二次の非線形光学過程の一つであるパラメトリック下方変換を利用して発生させることができる。

[0006] ノメトリック下方変換により量子もつれ光子対を発生させる技術として、タイプ IIの位相整合条件に基づいて、偏光方向が互いに直交する光子からなる量子もつれ光子対を結晶から自発的に発生させる技術が、非特許文献 1に開示されている。また、非特許文献 2には、 90度回転させて重ねられた 2つの非線形光学結晶において、パラメトリック下方変換により、タイプ Iの位相整合条件に基づいて、偏光方向が互いに平行な光子カゝらなる量子もつれ光子対を発生させる技術が開示されている。

[0007] また、非線形光学結晶によりポンプ光と同軸方向に出射された光子対を利用して量子もつれ光子対を発生させる技術として、マッハ ·ツェンダー干渉計を用いた量子もつれ光子対発生装置が知られている (非特許文献 3、非特許文献 4参照)。これらの量子もつれ光子対発生装置においては、 2つの非線形光学結晶から出射される光子対を、干渉計の出力側の偏光ビームスプリッタによって合成することによって、量子もつれ光子対が生成される。

非特干文献 1： New high-intensity source of polarization-entangled photon pairs ^ P.G. Kwiat、 et al.、 Phys. Rev. Lett. 75、 4337 (1995).

非特許文献 2 : "Ultrabright source of polarization-entangled photons ^ " P. G. Kwiat 、 et al.、 Phys. Rev. A 60、 R773 (1999)

特許文献 3： "Interferometric Bell-state preparation using femtosecond-pulse pum ped spontaneous parametric down-conversion^ Yoon— Ho Kim、 et al.、 Phys. Rev. A 63、 062301 (2001)

非特許文献 4： "Generation of ultrabright tunable polarization entanglement without spatial、 spectral、 or temporal constrains ^ M. Fiorentino、 et al.、 Phys. Rev. A 6 9、 041801(R) (2004)

発明の開示

[0008] しかしながら、パラメトリック下方変換により非線形光学結晶から量子もつれ光子対を発生させる上記従来の技術においては、導波路構造を用いるなどして、光子対の生成効率を上げることができないという問題があった。この問題に対して、導波路型擬似位相整合素子を用いて高効率に量子もつれ光子対を生成する技術も知られているが、この場合ポンプ光と同軸方向にしか光子対を生成をできな、と、う問題を生じていた。

[0009] また、マッハ'ツェンダー干渉計を用いた従来の量子もつれ光子対発生装置においては、一糸且の量子もつれ光子対しか生成できず、多チャンネルの量子もつれ光子対を発生させることは不可能であるという問題があった。また、マッハ'ツェンダー干渉計を用いて量子もつれ光子対を発生させるためには、同様の結晶を二つ用意しなければならなヽとヽぅ問題もあった。

[0010] 本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、偏光方向につ V、て量子相関をもつ多チャンネル（2チャンネル以上の任意チャンネル数）の量子もつれ光子対を、高ヽ生成効率で発生させることが可能な量子もつれ光子対発生装置を実現することである。

[0011] 本発明に係る量子もつれ光子対発生装置は、上記課題を解決するために、異なる N個（N≥ 2)の入射光路力も入射する光子対であって、偏光方向の異なる光子からなる光子対の重ね合わせ状態を生成する重ね合わせ状態生成手段と、上記 N個の入射光路から入射する光子対を第 1の偏光方向をもつ光子と第 2の偏光方向をもつ光子とに分離し、潘目の入射光路力入射した第 1の偏光方向をもつ光子と、 N— i + 1番目の入射光路から入射した第 2の偏光方向をもつ光子とを、同一光路長の光路を介して i番目（l≤i≤N)の出射光路に導く導光手段と、を備えていることを特徴としている。

[0012] 上記の構成によれば、重ね合わせ状態生成手段の作用により、異なる N個（N≥2) の入射光路から入射する光子対 I H、V〉、 | Η、ν〉、···、 | H、V〉の重ね合わ

1 1 2 2 N N

せ状態 I Ψ〉が生成される。ここで、 I H、V〉は、 i番目の入射光路力も入射する第

1の偏光方向（例えば水平偏光)をもつ光子 I H〉と、 i番目の入射光路から入射する第 2の偏光方向（例えば垂直偏光)をもつ光子 I V〉とからなる光子対の状態ベクトルである。

[0013] 上記の構成によれば、導光手段の作用により、各光子対 I H、 V〉は、第 1の偏光方向をもつ光子 I H〉と、第 2の偏光方向をもつ光子 I V〉とに分離される。そして、 1 番目の入射光路から入射した第 1の偏光方向をもつ光子 I H 1

1〉は番目の出射光路に導かれ、 2番目の入射光路力入射した第 1の偏光方向をもつ光子 I H〉は 2番目

2 の出射光路に導かれ、 · · ·、 N番目の入射光路力入射した第 1の偏光方向をもつ光子 I H ¾N番目の出射光路に導かれる。一方、 1番目の入射光路から入射した第 2の偏光方向をもつ光子 I V ¾N番目の出射光路に導かれ、 2番目の入射光路

1

から入射した第 2の偏光方向をもつ光子 I V ¾N— 1番目の出射光路に導かれ、 ·

2

•·、Ν番目の入射光路力入射した第 2の偏光方向をもつ光子 I V〉は 1番目の出

Ν

射光路に導かれる。従って、導光手段によって光子の偏光方向が変化しないものとすると、光子対 I H、V〉、 | Η、ν〉、 · ··、

1 1 2 2 I Η、 V〉の重ね合わせ状態

N N I Ψ〉は、 in 光子対 | H W〉、 I H v 、…、

1 Ν 2 Ν- 1 I Η 〉の重ね合わせ状態

Ν 1 I Ψ > out に変換される。ここで、 I H \ V ')は、 r番目の出射光路力も出射する第 1の偏光方向をもつ光子 I と、 Γ番目の出射光路から出射する第 2の偏光方向をもつ光子 I v ,〉とからなる光子対の状態ベクトルを表す。

[0014] すなわち、上記の構成によれば、上記量子もつれ光子対発生装置は、偏光方向についての量子相関をもつ、 Nチャンネルの量子もつれ光子対 I Ψ 〉を発生させるこ out

とができると!、う効果を奏する。

[0015] なお、本発明の導光手段は、光子を入射光路から出射光路に導く過程で、第 1の偏光方向をもつ光子の偏光方向を第 2の偏光方向に変換し、第 2の偏光方向をもつ光子の偏光方向を第 1の偏光方向に変換するものであっても良い。この場合でも、上記導光手段は、光子対 I H、V〉、 | Η、ν〉、 · ··、 I Η、 V〉の重ね合わせ状態

1 1 2 2 N N I

Ψ〉を、光子対 I V H '〉、 \ V H 、…、 I V H ^の重ね合わせ状態 in I N 2 N- l N 1

I Ψ

out >に変換するので、やはり、偏光方向についての量子相関をもつ、 Nチャンネルの量子もつれ光子対 I ψ 〉を発生させることができる。

out

[0016] なお、上記導光手段は、例えば、マイケルソン干渉計により実現することができる。

[0017] 本発明に係る量子もつれ光子対発生装置において、上記重ね合わせ状態生成手段は、入射したポンプ光により光子対を生成する非線形光学結晶と、上記非線形光学結晶により生成された光子対を個別の光子に分離することなく通過させ、該光子対の光路を上記 N個の入射光路に分岐させるスリットと、を備えて!/、ることが好まヽ

[0018] 上記の構成によれば、スリットの作用により、異なる N個（N≥ 2)の入射光路力も入射する光子対 | H、V〉、 | Η、ν〉、 · ··、 I Η、 V〉の重ね合わせ状態 I Ψ〉が実

1 1 2 2 N N in 現される。従って、上記構成によれば、 Nチャンネルの量子もつれ光子対 I Ψ 〉を発生させることができる量子もつれ光子対発生装置を、容易に、かつ、安価に実現することができると!/、ぅ更なる効果を奏する。

[0019] 本発明に係る量子もつれ光子対発生装置において、上記重ね合わせ状態生成手段は、入射したポンプ光の光路を N個の光路に分岐させるビームスプリッタと、上記ビ一ムスプリッタにより分岐されたポンプ光により光子対を生成して上記入射光路に入射させる N個の導波路を有する導波路型擬似位相整合素子と、を備えて!/、ることが好ましい。

[0020] 上記の構成によれば、上記ビームスプリッタにより分岐されたポンプ光により、上記導波路型擬似位相整合素子の N個の導波路内で光子対が発生し、発生した光子対は上記 N個の入射光路に入射される。従って、異なる N個（N≥ 2)の入射光路力も入射する光子対 | H、V〉、 | Η、ν〉、 · · ·、 V〉の重ね合わせ状態

1 1 2 2 I Η、

N N I Ψ〉が実

in 現される。

[0021] し力も、上記構成によれば、導波路型擬似位相整合素子の導波路内に閉じ込めたられたポンプ光により光子対を発生させることができるので、光子対の発生率を上昇させることができるという更なる効果を奏する。しかも、上記構成によれば、 N個の導波路内で光子対が発生し得るので、単に 1つの導波路で光子対を発生させる場合に比べ、さらに光子対の発生率を高めることができるという更なる効果を奏する。

[0022] 本発明に係る量子もつれ光子対発生方法は、上記課題を解決するために、異なる N個（N≥ 2)の入射光路力も入射する光子対であって、偏光方向の異なる光子からなる光子対の重ね合わせ状態を生成する重ね合わせ状態生成工程と、上記 N個の入射光路から入射する光子対を第 1の偏光方向をもつ光子と第 2の偏光方向をもつ光子とに分離し、潘目（l≤i≤N)の出射光路に、潘目の入射光路から入射した第 1 の偏光方向をもつ光子と N— i+ 1番目の入射光路から入射した第 2の偏光方向をもつ光子とを、同一光路長の光路を介して導く導光工程と、を有していることを特徴としている。

[0023] 上記の構成によれば、重ね合わせ状態生成工程において、異なる N個（N≥2)の入射光路から入射する光子対 I H、V〉、 | Η、ν〉、 · · ·、 | H、V〉の重ね合わせ

1 1 2 2 N N

状態 I Ψ〉が生成される。ここで、 I H、 V〉は、 i番目の入射光路力も入射する第 1 の偏光方向（例えば水平偏光)をもつ光子 I H_;〉と、潘目の入射光路から入射する第 2の偏光方向（例えば垂直偏光)をもつ光子 I V〉とからなる光子対の状態ベクトルである。

[0024] 上記の構成によれば、導光工程において、各光子対 I H_;、 V)は、第 1の偏光方向をもつ光子 I H〉と、第 2の偏光方向をもつ光子 I VMこ分離される。そして、 1番目の入射光路から入射した第 1の偏光方向をもつ光子 I H〉は 1番目の出射光路に導

1

かれ、 2番目の入射光路力入射した第 1の偏光方向をもつ光子 I H〉は 2番目の出

2

射光路に導かれ、 · · ·、 N番目の入射光路から入射した第 1の偏光方向をもつ光子

I H ¾N番目の出射光路に導かれる。一方、 1番目の入射光路から入射した第 2

N

の偏光方向をもつ光子 I V ¾N番目の出射光路に導かれ、 2番目の入射光路から

1

入射した第 2の偏光方向をもつ光子 I V ¾N— 1番目の出射光路に導かれ、 · · ·、

2

N番目の入射光路力入射した第 2の偏光方向をもつ光子 I V〉は 1番目の出射光

N

路に導かれる。従って、導光工程において、光子の偏光方向が変化しないものとすると、光子対 | H、V〉、 | Η、ν〉、 · ··、 I H、V〉の重ね合わせ状態 I Ψ〉は、光

1 1 2 2 N N in 子対 | H W〉、 I H v ' …、 I H 〉の重ね合わせ状態 I Ψ Mこ

1 N 2 N- 1 N 1 out 変換される。ここで、 I H W〉は、 f番目の出射光路力も出射する第 1の偏光方向をもつ光子 I ίΤ〉と、 Γ番目の出射光路から出射する第 2の偏光方向をもつ光子 I V 〉とからなる光子対の状態ベクトルを表す。

[0025] すなわち、上記量子もつれ光子発生方法により、偏光方向についての量子相関をもつ、 Νチャンネルの量子もつれ光子対 I Ψ 〉を発生させることができるという効果 out

を奏する。

[0026] なお、本発明の導光工程においては、第 1の偏光方向をもつ光子の偏光方向が第 2の偏光方向に変換され、第 2の偏光方向をもつ光子の偏光方向が第 1の偏光方向に変換されても良い。この場合でも、光子対 | H、V〉、 | H、V〉、 ···、 I H、 V〉

1 1 2 2 N N の重ね合わせ状態 I Ψ〉を、光子対 I V '、H '〉、 \ V H 、…、 \ V H in I N 2 N- 1 N 1

^の重ね合わせ状態 I Ψ Mこ変換されるので、やはり、偏光方向についての量子 out

相関をもつ、 Nチャンネルの量子もつれ光子対 I Ψ 〉を発生させることができる。

out

[0027] 本発明の他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十分分かるであろう。また、本発明の利点は、添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。

図面の簡単な説明

[0028] [図 1]本発明の実施形態を示すものであり、量子もつれ光子対発生装置の概略構成を示す概略構成図である。

[図 2]本発明の実施形態を示すものであり、 4チャンネルの量子もつれ光子対を発生することができる量子もつれ光子対発生装置の概略構成を示す概略構成図である。

[図 3]本発明の実施形態を示すものであり、導波路型疑似位相整合素子にて光子対を生成する重ね合わせ状態生成手段の概略構成を示した概略構成図である。

[図 4]本発明の実施形態を示すものであり、 4チャンネルの量子もつれ光子対を発生することができる量子もつれ光子対発生装置に適用可能な導波路型疑似位相整合素子の概略構成を示す概略構成図である。

[図 5]本発明の実施例を示すものであり、本発明の量子もつれ光子対発生装置が、偏光方向についての量子相関を有する量子もつれ光子対を発生することを実験的に検証するために用いた、実験装置の構成図である。

[図 6]本発明の実施例を示すものであり、本発明の量子もつれ光子対発生装置が、偏光方向にっヽての量子相関を有する量子もつれ光子対を発生することを実証するグラフである。

符号の説明

[0029] 100、 200 量子もつれ光子対発生装置

110 重ね合わせ状態生成手段

101 レーザー光源

102 非線形光学結晶

103 スリット板

120 導光手段

104 偏光ビームスプリッタ

104' 機能面

105、 107 1Z4波長板 106 反射ミラー

108 折り返しミラー

109 分割ミラー

130 重ね合わせ状態生成手段

132 ビームスプリッタ

133 導波路型疑似位相整合素子

発明を実施するための最良の形態

[0030] 本発明の量子もつれ光子対発生装置の一実施形態について、図 1に基づいて説明する。

[0031] 図 1は、量子もつれ光子対発生装置 100の概略構成を示した概略構成図である。

図 1に示したように、量子もつれ光子対発生装置 100は、概略的に、（1)異なる 2つの入射光路から入射する、偏光方向の異なる光子からなる光子対の重ね合わせ状態を生成する重ね合わせ状態生成手段 110と、（2)上記 2つの入射光路から光子対を水平偏光をもつ光子と垂直偏光をもつ光子とに分離し、 1番目の出射光路に、 1番目の入射光路から入射した水平偏光をもつ光子と、 2番目の入射光路から入射した垂直偏光をもつ光子とを導き、 2番目の出射光路に、 2番目の入射光路から入射した水平偏光をもつ光子と、 1番目の入射光路カゝら入射した垂直偏光をもつ光子とを導く導光手段 120とを備えている。以下、重ね合わせ状態生成手段 110と、導光手段 12 0とについて、順に説明する。

[0032] (重ね合わせ状態生成手段）

量子もつれ光子対発生装置 100の重ね合わせ状態生成手段 110は、図 1に示したように、レーザ光源 101、非線形光学結晶 102、および、スリット板 103を含んでいる

[0033] レーザー光源 101は、非線形光学結晶 102に対してレーザー光を出射する。レーザ一光源 101から出射されたレーザー光は、該レーザー光の光軸上に設けられた非線形光学結晶 102に入射する。非線形光学結晶 102は、入射したレーザー光をボンプ光とし、パラメトリック下方変換過程によって光子対を生成する。ここで、非線形光学結晶 102により生成される光子対は、互いに直交した偏光方向を有する 2光子からなる光子対である。

[0034] 量子もつれ光子対発生装置 100における重ね合わせ状態生成手段 110は、図 1に示したように、さらにスリット板 103を含んでいる。スリット板 103は、ダブルスリット、すなわち、 2つのスリット 103aとスリット 103bとを備えたスリット板であり、非線形光学結晶 102から出射された光子対の光路を、スリット 103aを通る入射光路 Laと、スリット 1 03bを通り入射光路 Laに平行な入射光路 Lbとに分岐する。

[0035] ここで、スリット 103aおよびスリット 103bは、それぞれ、光子対を 2つの光子に分離することなく通過させるスリットである。従って、非線形光学結晶 102から出射された光子対は、 2つの光子対に分離されることなぐスリット 103aとスリット 103bとのうち何れか一方を通過する。従って、スリット通過後の光子対の状態 I Ψ〉は、 2つの光子力 Sともにスリット 103aを通過した状態 I H、 V〉と、 2つの光子がともにスリット 103bを a a

通過した状態 I H、 V〉との重ね合わせ状態になる。

b b

[0036] [数 1] k_in ) = ^¾ H_a ,V_a ) + ^| H_b , V_b )) [0037] ここで、 φは状態ベクトル I H、 V〉の状態ベクトル対する相対位相であ b I H、 V〉に

a a

る。

[0038] スリット 103通過直後の光子対の状態 I Ψ〉は、空間的な量子もつれ状態を形成しているが、偏光に関する量子もつれ状態を形成してはいない。すなわち、光子対を構成する 2つの光子は、通過するスリットについての量子相関をもつ力偏光方向につ、ての量子相関はもたな、。

[0039] (導光手段の構成）

量子もつれ光子対発生装置 100における導光手段 120は、偏光ビームスプリッタ 1

04、 1Z4波長板 105 · 107、反射ミラー 106、折り返しミラー 108、及び、分割ミラー 1

09を含む、マイケルソン干渉計である。導光手段 120について、以下、図 1を参照しながら、詳細に説明する。

[0040] スリット 103a'bから出射する光子の入射光路 La'Lb上には、偏光ビームスプリッタ

104が配置されている。入射光路 La (Lb)が偏光ビームスプリッタに入射する位置にはポート PI (P2)が設けられており、スリット 103a (103b)を通過した光子対は、このポート PI (P2)を通って偏光ビームスプリッタ 104に入射する。

[0041] この偏光ビームスプリッタ 104は、水平偏光もつ光子を透過し、垂直偏光をもつ光子を反射する機能面 104'を備えている。該機能面 104Ίま、その法線が入射光路 L a 'Lbと 45度をなすように配置されており、入射光路 La (Lb)力も入射した垂直偏光をもつ光子を反射して、ポート P6 (P5)を介して、入射光路 Laと直交する光路 Le (Lf )に導く。一方、入射光路 La (Lb)から入射した水平偏光をもつ光子は、偏光ビームスプリッタ 104の機能面 104'を透過して直進し、ポート P3 (P4)を介して、光路 Lc (L d)へと導かれる。すなわち、偏光ビームスプリッタ 104は、対になって入射した水平偏光をもつ光子と垂直偏光をもつ光子とを分離し、水平偏光をもつ光子を光路 Lcまたは Ldに導き、垂直偏光をもつ光子を光路 Leまたは Lfに導く。

[0042] 上記光路 Lc 'Ld上には、 1Z4波長板 105と反射ミラー 106とが配置されている。反射ミラー 106の反射面は光路 Lc · Ldと直交しており、光路 Lc (Ld)を経て反射ミラー 106に入射する光子は、該反射ミラー 106により反射され、同一の光路 Lc (Ld)を経て再び偏光ビームスプリッタ 104に入射する。 1Z4波長板 105は、偏光ビームスプリッタ 104側カゝら入射する水平偏光を円偏光に変換し、反射ミラー 106側から再入射する円偏光を垂直偏光に変換する作用を持つ。従って、ポート P3 (P4)から出射された水平偏光をもつ光子は、往路と復路とで 1Z4波長板 105の上記作用を受け、垂直偏光となってポート P3 (P4)力も偏光ビームスプリッタ 104に再入射する。そして、ポート P3 (P4)力も再入射した光子は、垂直偏光であるが故に機能面 104'に反射され、光路 Lc (Ld)と直交する出射光路 (Lb')に導かれる。

[0043] 一方、上記光路 Le'Lf上には、 1/4波長板 107と折り返しミラー 108とが配置されている。折り返しミラー 108は、直交する 2つの反射面 108a'bにより構成されている。反射面 108bは、光路 Lf上、上述した偏光ビームスプリッタ 104の機能面 104'と平行に配置されている。一方、反射面 108aは、光路 Le上、反射面 108bと直交するように配置されている。従って、光路 Leを経て折り返しミラー 108に入射した光子は、反射面 108aに反射され、光路 Lgに導かれ、さらに反射面 108bに反射されて光路 Lf へと導かれる。逆に、光路 Lfを経て折り返しミラー 108に入射した光子は、反射面 10 8bに反射され、光路 Lgに導かれ、さらに反射面 108aに反射されて光路 Leへと導かれる。ただし、光路 Le'Lf上には、 1Z4波長板 107が配設されている。従って、ポート P6 (P5)から出射された垂直偏光をもつ光子は、上記 1Z4波長板 105と同様の 1 Z4波長板 107の作用により、水平偏光となってポート P5 (P6)力も偏光ビームスプリッタ 104に再入射する。そして、ポート P5 (P6)力も再入射した光子は、水平偏光であるが故に機能面 104'を透過し、上述の出射光路 Lb' (La')に導かれる。

[0044] 従って、導光手段 120は、 1番目の入射光路 Laと 2番目の入射光路 Lbとから入射する光子対を、水平偏光 (第 1の偏光方向）をもつ光子と垂直偏光 (第 2の偏光方向）をもつ光子とに分離する。そして、導光手段 120は、 1番目の出射光路 La こ、 1番目の入射光路 Laから入射した水平偏光をもつ光子と、 2番目の入射光路 Lbら入射した垂直偏光をもつ光子とを導き、 2番目の出射光路 Lb こ、 2番目入射光路 Lbから入射した水平偏光をもつ光子と、 1番目の入射光路 Laら入射した垂直偏光をもつ光子とを導く。ただし、入射時と出射時とでは、全ての光子の偏光方向が、垂直偏光から水平偏光へと、あるいは、水平偏光から垂直偏光へと逆転される。

[0045] 出射光路 La'と出射光路 Lb'との光路上に、さらに分離ミラー 109を配置することにより、出射光路 L と出射光路 LITとから出射される光子を任意の方向に反射して導くことができる。図 1に示した例では、反射面 109aと 109bとを直交するように配置し、出射光路 La'と出射光路 Lb'とから出射される光子を互いに逆方向に導、て！/、る。

[0046] (導光手段の作用）

次に、 2つの光子がともにスリット 103aを通過した状態 I H、 V〉と、 2つの光子がと

a a

もにスリット 103bを通過した状態 I H、 V〉とに対する、上記導光手段 120の作用に

b b

ついて説明する。以下、ポート Piに局在する水平偏光をもつ 1光子の状態ベクトルを I H〉、ポート Piに局在する垂直偏光をもつ 1光子の状態ベクトルを I V〉と記す。

Pi Pi

[0047] 状態 I H、 V〉にある光子対、すなわち入射光路 Laから入射する光子対は、ポート

a a

PIから偏光ビームスプリッタ 104に入射する（ I H 〉方、状態

PI I V 〉）。一

PI I H、 V〉

b b にある光子対、すなわち入射光路 Lbから入射する光子対は、ポート P2から偏光ビームスプリッタ 104に入射する（ I H >

P2 I V 〉）。

P2

[0048] ポート P1から偏向ビームスプリッタ 104に入射した光子対 I H 〉 I V 〉は、機能面 104,の作用により、水平偏向をもつ光子と垂直偏向をもつ光子とに分離され、水平偏向をもつ光子はポート P3から出力され（ I H 〉）、垂直偏向をもつ光子はポート P6

P3

から出力される（ I V 〉）。

P6

[0049] ポート P3から出力された光子 I H 〉は、 1Z4波長板 105の作用により、光路 Lcを

P3

往復する過程で偏向方向を 90度変換され、垂直偏向となつてポート P3に再入射する（ I V 〉）。そして、機能面 104Ίこより反射されて、ポート P8から、出射光路 Lb こ

P3

出力される（ I V 〉）。

P8

[0050] 結果、入射光路 Laから入射する水平偏向をもつ光子 I H〉は、以下の各状態を経 a

て、垂直偏向に変換されて、出射光路 La こ導かれる。

[0051] I H〉→

a I H 〉→

PI I H >→

P3 I V >→

P8 I V ')

a

一方、ポート P6から出力された光子 I V 〉は、 1Z4波長板 107の作用により、光

P6

路 Le、 Lg、 Lfを経る過程で偏向方向を 90度変換され、水平偏向となってポート P5 に入射する（ I H 〉）。そして、機能面 104'を透過して、ポート P7から、出射光路 Lb

P5

Ίこ出力される（ I V 〉）。

P7

[0052] 結果、入射光路 Laから入射する垂直偏向をもつ光子 I V〉は、以下の各状態を経 a

て、水平偏向に変換されて、出射光路 Lb こ導かれる。

[0053] I V >→ I V >→

PI I V 〉→

P6 I H 〉→

a P5 I H >→

P7 I H ')

b

ポート P2から偏向ビームスプリッタ 104に入射した光子対 I H 〉

P2 I V 〉は、機能面 P2

104,の作用により、水平偏向をもつ光子と垂直偏向をもつ光子とに分離され、水平偏向をもつ光子はポート P4から出力され（ I H 〉）、垂直偏向をもつ光子はポート P5

P4

から出力される（ I V 〉）。

P5

[0054] ポート P4から出力された光子 I H 〉は、 1Z4波長板 105の作用により、光路 Ldを

P4

往復する過程で偏向方向を 90度変換され、垂直偏向をとなつてポート P4に再入射する（ I V 〉）。そして、機能面 104Ίこより反射されて、ポート P7から、出射光路

P4

に出力される（ I V 〉）。

P7

[0055] 結果、入射光路 Lbから入射する水平偏向をもつ光子 I H〉は、以下の各状態を経 b

て、垂直偏向に変換されて、出射光路 Lb こ導かれる。

[0056] I H〉→ I H 〉→ I H >→ I V >→ I V >→ | V ') 一方、ポート P5から出力された光子 | V 〉は、 1Z4波長板 107の作用により、光

P5

路 Lf、 Lg、 Leを経る過程で偏向方向を 90度変換され、水平偏向をもってポート P6 に入射する（ I H 〉）。そして、機能面 104'を透過して、ポート P8から、出射光路 La

P6

Ίこ出力される（ I V 〉）。

P8

[0057] 結果、入射光路 Lbから入射する垂直偏向をもつ光子 I V〉は、以下の各状態を経 b

て、水平偏向に変換されて、出射光路 La こ導かれる。

[0058] I V >→ I V >→ I V 〉→ I H 〉→ I H >→

b P2 P5 P6 P8 I H ')

a

導光手段 120は、上記各光子の光路について、ポート P1あるいはポート P2に入射してから、ポート P7あるいはポート P8から出射されるまでの光路長が同一になるよう設計されている。従って、ポート P1とポート P2とに同時に入射した光子は、ポート P7 とポート P8とから同時に出力される。

[0059] このように、導光手段 120の作用により、入射光路 Laから入射した水平偏光をもつ光子 I H〉と入射光路 Lbから入射した垂直偏光をもつ光子 I V〉とは、同時に出力 a b 光路 Ι^Ίこ導かれる。また、入射光路 Lbから入射した水平偏光をもつ光子 I H〉と b 入射光路 Laから入射した垂直偏光をもつ光子 I V〉とは、同時に出力光路 Lb こ導 a

かれる。従って、 2つの光子がともにスリット 103aを通過した状態 I H、 V〉と、 2つの a a 光子がともにスリット 103bを通過した状態 I H、 V〉との重ね合わせ状態は、導光手 b b

段 120の作用により、状態 I V H ^と状態 I V H ^との重ね合わせ状態 a b b a I Ψ out Mこ変換される。

[0060] [数 2]

[0061] ここで、 φ Ίま、状態ベクトル I V H '〉に対する状態ベクトル相対 a b I V H ^の

b a 位相である。

[0062] 変換後の状態 I Ψ 〉は、偏光の量子もつれ状態である。すなわち、出力光路 L out

に出力される光子の偏光方向と出力光路 Lb こ出力される光子の偏光方向とは量子相関を持ち、何れか一方の出射光路において光子の偏光方向の観測を行えば、他方の出射光路に出力される光子の偏光方向が定まる。図 1に示したように、分割ミラー 109によって 2つの光子が互いに逆方向に出射され、 2光子間の距離が任意に大きくなつた状態でも、この 2光子間の量子相関は保たれ続ける。

[0063] (変形例 1)

上記量子もつれ光子対発生装置 100においては、 2つのスリット 103a'bを有するスリット板 103により光子対の光路を 2つの光路に分岐する構成を採用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明の量子もつれ光子対発生装置における重ね合わせ状態生成手段は、光子対の光路を、 3つ以上のスリットにより分岐するものであっても良い。また、多数のスリットをもつスリット板として、ボンプ光の光軸方向に対して直交する方向に周期構造をもつ一次元回折格子を採用することち可會である。

[0064] 一例として、スリット板 103のスリット数を 4つに変更した量子もつれ光子対発生装置 200の概略構成を図 2に示す。図 1の量子もつれ光子対発生装置 100と、図 2に示した量子もつれ光子対発生装置 200との相違点は、スリット板 103のスリット数のみであるので、対応する部材には共通の部材番号を付すことで、その説明は省略する。

[0065] 図 2に示したように、量子もつれ光子対発生装置 200のスリット板 103は、入射する光子対の光路を、 4つの入射光路 La〜Ldに分岐する。量子もつれ光子対発生装置 200の導光手段 120は、量子もつれ光子対発生装置 100と同様マイケルソン干渉計として構成されており、 4つの入射光路 La〜Ldから入射する光子対を水平偏光をもつ光子と垂直偏光をもつ光子とに分離し、分離した光子を 4つの出射光路 La'〜Ld

Ίこ導く。

[0066] 量子もつれ光子対発生装置 100と同様の原理により、量子もつれ光子対発生装置 200の導光手段 120は、 1番目の入射光路 Laから入射した水平偏光をもつ光子 | H 〉と、 4番目の入射光路 Ldから入射した垂直偏光をもつ光子 I V〉とを、 1番目の出 a

力光路 La こ導く。また、 2番目の入射光路 Lbから入射した水平偏光をもつ光子 I H〉と、 3番目の入射光路 Lcから入射した垂直偏光をもつ光子 I V〉とを、 2番目の出力光路 Lb こ導く。また、 3番目の入射光路 Lcから入射した水平偏光をもつ光子 I H〉と、 2番目の入射光路 Lbから入射した垂直偏光をもつ光子 I V〉とを、 3番目の出力光路 LcHこ導く。また、 4番目の入射光路 Ldから入射した水平偏光をもつ光子 I H〉と、 1番目の入射光路 Laから入射した垂直偏光をもつ光子、 4番 d I V〉とを

a

目の出力光路 LcTに導く。 1Z4波長板 105あるいは 1Z4波長板 107の作用により、入射時と出射時とで偏光方向が逆転されるので、量子もつれ光子対発生装置 200の導光手段 120は、入射時の重ね合わせ状態 I Ψ〉を、偏光の量子もつれ状態

in I Ψ

0 ut Mこ変換する。

[0067] [数 3]

[0068] [数 4]

〉 = ;^ V_a'' H_d,〉 + | V_b.，H _{+ e} V_c,，H_b,〉WnV_d.,H_a.〉）

[0069] すなわち、量子もつれ光子対発生装置 200は、多チャンネルの量子もつれ光子対を発生する。

[0070] (変形例 2)

上記量子もつれ光子対発生装置 100 · 200では重ね合わせ状態生成手段としてスリットあるいは一次元回折格子を採用したが、本発明の重ね合わせ状態生成手段はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明の重ね合わせ状態生成手段として、スリット板 103の代わりに、ビームスプリッタ 132と導波路型疑似位相整合素子 13 3とを含む、図 3に示した重ね合わせ状態生成手段 131を採用することも可能である

[0071] この重ね合わせ合わせ状態生成手段 130について、図 3を参照しながら説明する。

ビームスプリッタ 132は、入力ポート 132aから入射されたポンプ光を分割し、分割されたポンプ光を出力ポート 132bと出力ポート 132cとから出射する。出力ポート 132b (132c)から出射されるポンプ光の光路上には、ミラー 134a (134b)が配置されており、該ポンプ光を導波路型疑似位相整合素子 133に設けられた導波路 133a (133b )へと導く。ここで、ビームスプリッタ 132、導波路型疑似位相整合素子 133、及び、ミラー 134a'bは、出力ポート 132bから導波路入力 aまでの光路長と、出力ポート 132

in

cから導波路入力 bまでの光路長とが同一になるように配置 '調整されている。従って

in 、導波路 133a' 133bからは、導波路 133aで生成される光子対 | H、 V〉と導波路 1

a a

33bで生成される光子対 I H、V〉との重ね合わせ状態

b b I Ψ〉が出力される。

in

[0072] 上記重ね合わせ状態生成手段 130を利用した場合、原理的には、導波路中で発生した光子対のすべてを偏光量子もつれ光子対へと変換できる。すなわち、重ね合わせ状態生成手段にスリットを採用した場合と比べ、偏光量子もつれ光子対の発生効率を向上することができる。これは、導波路型疑似位相整合素子 133にて光子対を生成する場合、スリットを透過できずにマイケルソン干渉計に入力されない光子対が現れることがないためである。また、上記重ね合わせ状態生成手段 130を採用した場合、ポンプ光を狭い空間（導波路）に閉じ込めたまま伝播させるので、高い効率で光子対を発生させることができる。そのため、導波路中で 2光子からなる光子対だけでなぐ 4光子、 6光子といった多光子力もなる光子対が生成される確率を高めることができる。

[0073] なお、導波路型疑似位相整合素子 133により光子対を生成する重ね合わせ合わせ状態生成手段 131においても、導波路型疑似位相整合素子 133に設けられて、る導波路を多数ィヒすることにより、 3以上の入射光路から入射する光子対の重ね合わせ状態を生成することができる。一例として、 4つの導波路 133a〜dを備えている導波路型疑似位相整合素子 133を図 4に示す。図 4に示した導波路型疑似位相整合素子 133を量子もつれ光子対発生装置 200に適用すれば、高ヽ効率で 4チャンネルの量子もつれ光子対を発生することができる量子もつれ光子対発生装置を実現することができる。このように多数の導波路を備えて、る導波路型疑似位相整合素子を利用した量子もつれ光子対発生装置においては、別々の導波路で同時に光子対が 2 組、 3組と発生する確率も高めることが出来る。

[0074] (実施例）

最後に、本発明の量子もつれ光子対発生装置が、偏光方向についての量子相関を有する光子対を発生することを実証する実験結果を示す。

[0075] 図 5は、当該実験に用いた実験装置の構成を示した図である。

[0076] 図 5に示したように、当該実験では、モード同期レーザー (Ti:サファイア） 111から発振されたレーザー光を、 LBO (Lithium 1¾1>0 & 6)結晶112を介して非線形光学結晶 102に入射させ、ポンプ光とした。また、非線形光学結晶 102にて生成され、スリツト板 103の 2つのスリットを通過した光子の光路上にコリメートレンズ 113を設け、該コリメ一トレンズ 113を透過した光子を導光手段 120に入射させるようにした。導光手段 120としては、図 1に示した導光手段 120と同様に構成されたマイケルソン干渉計を用いた。

[0077] また、図 5に示したように、当該実験では、分割ミラー 141a 'b、偏光子 142a 'b、反射ミラー 143a 'b、バンドパスフィルター 144a ' b、アバランシェフオトダイオード 145a' b、および、同時計数器 146からなる観測装置 140を用いた。なお、ノンドパスフィルター 144a'bとしては、中心波長が 800nmの 3nm-バンドパスフィルターを用いた。

[0078] 観測装置 140において、ポート P7から出射された光子は、分割ミラー 141aにより、偏光子 142aに導かれる。そして、偏光方向 Θ 'を有する光子のみが偏光子 142aを

A

透過し、バンドパスフィルター 143を介してアバランシェフオトダイオード 145aに入射する。一方、ポート P8から出射された光子は、分割ミラー 141bにより、偏光子 142b に導かれる。そして、偏光方向 Θ 'を有する光子のみが偏光子 142bを透過し、バン

B

ドパスフィルター 143bを介してアバランシェフオトダイオード 145bに入射する。アバランシェフオトダイオード 145aおよび 145bが光子を検出すると、電気信号が同時計数器 146に入力される。同時計数器 146は、アバランシェフオトダイオード 145aおよび 145bにて光子が同時に検出された回数をカウントする。

[0079] 当該実験では、偏光方向 0 を +45° に固定した上で、偏光方向 0 を変えなが

A B

ら光子計数率を測定した。ここで測定した光子計数率は、アバランシェフオトダイォード 145aおよび 145bにて光子が同時に検出された回数を、同時計数器 146により 10 秒間に渡ってカウントしたものである。

[0080] 図 6は、光子計数率の測定結果を示すグラフである。図 6に示したように、光子計数率は、 θ Ίこ対して正弦的な変化を示し、 Θ ' = +45° ( θ

B A Ίで極大値をとること

B

が確認された。すなわち、ポート P7およびポート P8から出射された光子が、偏光方向についての量子相関を有することが確認された。なお、図 6に示した干渉縞のコントラスト（可視性）は、〔数 2〕により与えられる三重項状態に従って、 85%となった。

[0081] さらに、以上のようにして得られた、偏光方向についての量子相関を有する光子対を用いて、 Bellの不等式 (CHSH不等式)を検証した。結果、 BeUパラメータ Sとして、古典極限 S = 2を超える値、 S = 2.28±0.07が得られた。すなわち、 Bellの不等式の破れが確認された。

[0082] 上記の実験により、干渉縞のコントラストとして 85%という値が得られたこと、および、 Bellパラメータ Sとして、古典極限 S = 2を超える値 S = 2.28±0.07が得られたことから、本発明の量子もつれ光子対発生装置から生成された光子対が、純度の高い量子もつれ状態を形成していることが実証された。これにより、本発明の量子もつれ光子対発生装置および方法を、量子暗号や量子テレポーテーシヨン技術をはじめとした、量子もつれ光子を用いて実現される量子通信のための装置、および方法に十分に適用可能であることが確認された。

[0083] (付記事項）

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなぐ請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

[0084] 本発明に係る量子もつれ光子対発生装置は、以上のように、異なる N個（N≥2)の入射光路から入射する、偏光方向の異なる光子からなる光子対の重ね合わせ状態を生成する重ね合わせ状態生成手段と、上記 N個の入射光路から入射する光子対を第 1の偏光方向をもつ光子と第 2の偏光方向をもつ光子とに分離し、 i番目（l≤i≤ N)の出射光路に、 i番目の入射光路から入射した第 1の偏光方向をもつ光子と、 N— i+ 1番目の入射光路から入射した第 2の偏光方向をもつ光子とを、同一光路長の光路を介して導く導光手段と、を備えているので、偏光方向についての量子相関をもつ、 Nチャンネルの量子もつれ光子対 I Ψ 〉を発生させることができる。

out

[0085] また、本発明に係る量子もつれ光子対発生方法は、以上のように、異なる N個（N ≥ 2)の入射光路から入射する、偏光方向の異なる光子からなる光子対の重ね合わせ状態を生成する重ね合わせ状態生成工程と、上記 N個の入射光路から入射する光子対を第 1の偏光方向をもつ光子と第 2の偏光方向をもつ光子とに分離し、 i番目（ l≤i≤N)の出射光路に、潘目の入射光路力も入射した第 1の偏光方向をもつ光子と、 N— i+ 1番目の入射光路から入射した第 2の偏光方向をもつ光子とを、同一光路長の光路を介して導く導光工程と、を有しているので、偏光方向についての量子相関をもつ、 Nチャンネルの量子もつれ光子対 | Ψ 〉を発生させることができる。

out

[0086] 発明の詳細な説明の項においてなされた具体的な実施形態または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなぐ本発明の精神と次に記載する請求の範囲内で、、ろ、ろと変更して実施することができるものである。

産業上の利用可能性

[0087] 本発明の量子もつれ光子対発生装置は、量子もつれ光子を用いて実現される量子通信のための装置、あるいは、方法に適用することが可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 異なる N個（N≥ 2)の入射光路力も入射する光子対であって、偏光方向の異なる光子からなる光子対の重ね合わせ状態を生成する重ね合わせ状態生成手段と、上記 N個の入射光路から入射する光子対を第 1の偏光方向をもつ光子と第 2の偏光方向をもつ光子とに分離し、潘目（l≤i≤N)の入射光路力も入射した第 1の偏光方向をもつ光子と、 N-1+ 1番目の入射光路から入射した第 2の偏光方向をもつ光子とを、同一光路長の光路を介して i番目の出射光路に導く導光手段と、

を備えて!/ヽることを特徴とする量子もつれ光子対発生装置。

[2] 上記重ね合わせ状態生成手段は、

入射したポンプ光により光子対を生成する非線形光学結晶と、

上記非線形光学結晶により生成された光子対を個別の光子に分離することなく通過させ、該光子対の光路を上記 N個の入射光路に分岐させるスリットと、

を備えていることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の量子もつれ光子対発生装置。

[3] 上記重ね合わせ状態生成手段は、

入射したポンプ光の光路を N個の光路に分岐させるビームスプリッタと、上記ビームスプリッタにより分岐されたポンプ光により光子対を生成して上記入射光路に入射させる N個の導波路を有する導波路型擬似位相整合素子と、を備えていることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の量子もつれ光子対発生装置。

[4] 異なる N個（N≥2)の入射光路力も入射する光子対であって、偏光方向の異なる光子からなる光子対の重ね合わせ状態を生成する重ね合わせ状態生成工程と、上記 N個の入射光路から入射する光子対を第 1の偏光方向をもつ光子と第 2の偏光方向をもつ光子とに分離し、潘目（1≤i≤N)の出射光路に、 i番目の入射光路から入射した第 1の偏光方向をもつ光子と、 N-1+ 1番目の入射光路から入射した第 2 の偏光方向をもつ光子とを、同一光路長の光路を介して導く導光工程と、を有して!/ヽることを特徴とする量子もつれ光子対発生方法。