WO2021215479A1

WO2021215479A1 - 光源装置および光断層撮影システム

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Publication number: WO2021215479A1
Application number: PCT/JP2021/016201
Authority: WO
Inventors: 竹内　繁樹; 亮岡本; 博曹
Original assignee: 国立大学法人京都大学
Priority date: 2020-04-22
Filing date: 2021-04-21
Publication date: 2021-10-28
Also published as: JPWO2021215479A1

Abstract

量子もつれ光子対源（４Ａ）はサニャック干渉計（４０）を備える。サニャック干渉計（４０）は、ビームスプリッタ（４０１）と、ＱＰＭ素子（４０６）とを含む。ビームスプリッタ（４０１）は、サニャック干渉計（４０）の外部から供給されるポンプ光を第１のポンプ光と第２のポンプ光とに分割する。ＱＰＭ素子（４０６）は、リッジ型導波路（ＷＧ）が配置され、第１のポンプ光から周波数もつれ状態にある第１の量子もつれ光子対を生成するとともに、第２のポンプ光から周波数もつれ状態にある第２の量子もつれ光子対を生成する。ビームスプリッタ（４０１）は、第１の量子もつれ光子対と第２の量子もつれ光子対との統合により量子干渉を起こさせることによって、シグナル光子とアイドラー光子とを別々の方向に出射する。

Description

光源装置および光断層撮影システム

　本開示は、光源装置および光断層撮影システムに関し、より特定的には、量子もつれ光子対を生成する光源装置、および、それを備えた光断層撮影システムに関する。

　光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ：Optical　Coherence　Tomography）の原理を用いた光断層撮影システムが知られている。光断層撮影システムは広く普及しており、病院における患者の眼底検査、工場における製品の品質検査などに使用されている。

　一方、近年、量子計測、量子通信および量子演算などの分野において、２つの光子が量子力学的な相関を持つ「量子もつれ」が生じた光子対を利用することで新規機能を実現する研究が進められている。このような光子対は「量子もつれ光子対」と呼ばれる。

"On-chip　quantum　interference　between　silicon　photon-pair　sources",　J.　W.　Silverstone,　D.　Bonneau,　K.　Ohira,　N.　Suzuki,　H.　Yoshida,　N.　Iizuka,　M.　Ezaki,　C.　M.　Natarajan,　M.　G.　Tanner,　R.　H.　Hadfield,　V.　Zwiller,　G.　D.　Marshall,　J.　G.　Rarity,　J.　L.　O'Brien　&　M.　G.　Thompson,　Nature　Photonics　8,　104-108　(2014) "0.54　μm　resolution　two-photon　interference　with　dispersion　cancellation　for　quantum　optical　coherence　tomography",　Masayuki　Okano,　Hwan　Hong　Lim,　Ryo　Okamoto,　Norihiko　Nishizawa,　Sunao　Kurimura,　Shigeki　Takeuchi,　　Scientific　Reports　5,　18042　(2015) "Dispersion　cancellation　and　high-resolution　time　measurements　in　a　fourth-order　optical　interferometer",　Steinberg,　Kwiat,　Chiao　Physical　Review　A,　45,　9　(1992) "Beating　the　Standard　Quantum　Limit　with　Four-Entangled　Photons",　Tomohisa　Nagata,　Ryo　Okamoto,　Jeremy　L.　O’Brien,　Keiji　Sasaki,　Shigeki　Takeuchi,　Science　316,　726　(2007) 量子もつれ光子を用いた光位相計測技術、岡本亮、竹内繁樹、光学、第４２巻第１０号（２０１３）、５００～５０５ページ

　試料の詳細な断層像を撮影するため、光断層撮影システムの分解能（特に深さ方向分解能）を向上させる要望が常に存在する。また、実用上の観点からは断層像の撮影時間をできるだけ短縮することが望ましい。

　本発明者らは、周波数もつれ状態にある量子もつれ光子対を生成する光源装置における、ポンプ光から量子もつれ光子対への変換効率に着目した。この変換効率を向上させるべく、適切な量子光学系を採用した光源装置を光断層撮影システムに適用する。詳細は後述するが、これにより、従来の光断層撮影システムと比べて分解能を向上させつつ、撮影時間を一定程度短縮することが可能である。

　本開示は上記課題を解決するためになされたものであり、本開示の目的は、ポンプ光から量子もつれ光子対への変換効率を向上可能な光源装置を提供することである。また、本開示の他の目的は、光断層撮影システムにおいて、断層像の分解能を向上させつつ、断層像の撮影時間を短縮することである。

　（１）本開示のある局面に係る光源装置は、サニャック干渉計を備える。サニャック干渉計は、ビームスプリッタと、擬似位相整合部とを含む。ビームスプリッタは、サニャック干渉計の外部から供給される外部ポンプ光を第１のポンプ光と第２のポンプ光とに分割する。擬似位相整合部は、リッジ型導波路が配置され、第１のポンプ光から周波数もつれ状態にある第１の量子もつれ光子対を生成するとともに、第２のポンプ光から周波数もつれ状態にある第２の量子もつれ光子対を生成する。ビームスプリッタは、第１の量子もつれ光子対と第２の量子もつれ光子対との統合により量子干渉を起こさせることによって、シグナル光子とアイドラー光子とを別々の方向に出射する。

　（２）擬似位相整合部は、単一の擬似位相整合素子を含む。サニャック干渉計は、外部ポンプ光から第１および第２のポンプ光の分割位置と、第１の量子もつれ光子対と第２の量子もつれ光子対との統合位置とが同じになるように構成されている。

　（３）サニャック干渉計は、第１および第２のミラーをさらに含む。擬似位相整合素子は、第１のミラーと第２のミラーとの間に配置されている。ビームスプリッタは、第１のポンプ光を第１のミラーに出射するとともに、第２のポンプ光を第２のミラーに出射する。擬似位相整合素子は、第１のミラーからの第１のポンプ光の入射により生成された第１の量子もつれ光子対を第２のミラーに出射し、かつ、第２のミラーからの第２のポンプ光の入射により生成された第２の量子もつれ光子対を第１のミラーに出射するように構成されている。第１および第２のミラーは、ビームスプリッタにおいて、外部ポンプ光から第１および第２のポンプ光への分割位置と、第１の量子もつれ光子対と第２の量子もつれ光子対との統合位置とが同じになるように構成されている。

　（４）リッジ型導波路は、擬似位相整合素子の互いに対向する第１端面と第２端面との間に延在する。擬似位相整合素子は、第１のポンプ光が第１端面からリッジ型導波路に入射することで生成された第１の量子もつれ光子対を第２端面から出射し、かつ、第２のポンプ光が第２端面からリッジ型導波路に入射することで生成された第２の量子もつれ光子対を第１端面から出射する。

　（５）擬似位相整合素子は、第１端面と第２端面との間に設けられた複数の分極反転構造を有する。複数の分極反転構造における分極反転周期は、第１端面から第２端面に向けて単調に変化する。

　（６）擬似位相整合素子は、第１端面と第２端面との間に設けられた複数の分極反転構造を有する。複数の分極反転構造における分極反転周期は、第１端面と第２端面との間の中央面に関して対称的に変化する。

　（７）擬似位相整合部は、各々にリッジ型導波路が配置された第１および第２の擬似位相整合素子を含む。第１および第２の擬似位相整合素子の各々は、互いに対向する第１端面と第２端面との間に設けられた複数の分極反転構造を有する。第１の擬似位相整合素子と第２の擬似位相整合素子との間では、第１または第２の量子もつれ光子対の伝搬方向における複数の分極反転構造の分極反転周期の変化の仕方が同じである。サニャック干渉計は、変形サニャック干渉計であり、外部ポンプ光から第１および第２のポンプ光への分割位置と、第１の量子もつれ光子対と第２の量子もつれ光子対との統合位置とが異なるように構成されている。

　（８）サニャック干渉計は、第１～第３のミラーをさらに含む。第１の擬似位相整合素子は８第１のミラーと第３のミラーとの間に配置されている。第２の擬似位相整合素子は、第２のミラーと第３のミラーとの間に配置されている。ビームスプリッタは、第１のポンプ光を第１のミラーに出射するとともに、第２のポンプ光を第２のミラーに出射する。第１の擬似位相整合素子は、第１のミラーからの第１のポンプ光の入射により生成された第１の量子もつれ光子対を第３のミラーを介して第２のミラーに出射する。第２の擬似位相整合素子は、第２のミラーからの第２のポンプ光の入射により生成された第２の量子もつれ光子対を第３のミラーを介して第１のミラーに出射する。第１～第３のミラーは、ビームスプリッタにおいて、外部ポンプ光から第１および第２のポンプ光への分割位置と、第１の量子もつれ光子対と第２の量子もつれ光子対との統合位置とが同じになるように構成されている。

　（９）第１の擬似位相整合素子と第２の擬似位相整合素子とは、一体形成されている。
　（１０）サニャック干渉計は、第１～第３のミラーをさらに含む。第１および第２の擬似位相整合素子は、第１のミラーと第３のミラーとの間に配置されている。ビームスプリッタは、第１のポンプ光を第１のミラーに出射するとともに、第２のポンプ光を第２のミラーに出射する。第１の擬似位相整合素子は、第１のミラーからの第１のポンプ光の入射により生成された第１の量子もつれ光子対を第３のミラーを介して第２のミラーに出射する。第２の擬似位相整合素子は、第２のミラーから第３のミラーを介した第２のポンプ光の入射により生成された第２の量子もつれ光子対を第１のミラーに出射する。第１～第３のミラーは、ビームスプリッタにおいて、外部ポンプ光から第１および第２のポンプ光への分割位置と、第１の量子もつれ光子対と第２の量子もつれ光子対との統合位置とが同じになるように構成されている。

　（１１）第１および第２の擬似位相整合素子の各々における分極反転周期は、第１端面から第２端面に向けて単調に変化する。

　（１２）サニャック干渉計は、第１の量子もつれ光子対と第２の量子もつれ光子対との間の位相差を調整可能に構成された位相板をさらに含む。位相板は、第１の量子もつれ光子対の光路に配置されている。

　（１３）サニャック干渉計は、位相板による第１の量子もつれ光子対への損失を補償するための損失補償素子をさらに含む。損失補償素子は、第２の量子もつれ光子対の光路に配置されている。

　（１４）擬似位相整合部は、可視域から近赤外域までの広帯域に亘る周波数の重ね合わせ状態の量子もつれ光子対を生成する。

　（１５）本開示の他の局面に従う光源装置は、偏光干渉計を備える。偏光干渉計は、擬似位相整合素子と、半波長板と、ビームスプリッタとを含む。擬似位相整合素子は、分極方向が互いに直交する２つの分極反転領域を有し、ポンプ光から縦偏光を持つ第１の量子もつれ光子対と横偏光を持つ第２の量子もつれ光子対とを生成する。半波長板は、主面および光学軸を有し、光学軸が主面内において第１または第２の量子もつれ光子対の偏光方向から２２．５°だけ傾いていることで第１および第２の量子もつれ光子対の各々の偏光を回転させる。ビームスプリッタは、第１の量子もつれ光子対と第２の量子もつれ光子対との間に量子干渉を起こさせることによって、シグナル光子とアイドラー光子とを別々の方向に出射する。

　（１６）本開示のさらに他の局面に係る光断層撮影システムは、量子ＯＣＴサブシステムを備える。量子ＯＣＴサブシステムは、上記（１）～（１５）のいずれかの光源装置と、量子干渉光学系とを含む。量子干渉光学系は、光源装置からのシグナル光子とアイドラー光子との量子干渉に基づいて試料の断層像を撮影する。

　（１７）光断層撮影システムは、古典ＯＣＴサブシステムをさらに備える。古典ＯＣＴサブシステムは、干渉光学系を含む。干渉光学系は、低コヒーレント光源からの低コヒーレント光を分割することで生成される測定光と参照光との干渉に基づいて試料の断層像を撮影する。

　（１８）光断層撮影システムは、光源装置を低コヒーレント光源としても使用可能に構成されている。

　本開示によれば、光源装置におけるポンプ光から量子もつれ光子対への変換効率を向上させることができる。また、本開示によれば、光断層撮影システムにおける断層像の分解能を向上させつつ、断層像の撮影時間を短縮できる。

実施の形態１に係る光断層撮影システムの全体構成を概略的に示すブロック図である。古典ＯＣＴサブシステムの構成を概略的に示す図である。比較例に係る量子ＯＣＴサブシステムの構成を概略的に示す図である。ビームスプリッタにおけるＨＯＭ干渉を説明するための概念図である。広帯域周波数もつれ状態にある量子もつれ光子対を生成する原理的背景を説明するための図である。極短パルスレーザ光の特徴と量子もつれ光子対の特徴とを比較するための図である。比較例における量子もつれ光子対源の構成例を示す図である。量子ＯＣＴサブシステムの群速度分散耐性を説明するための図である。古典ＯＣＴサブシステムおよび量子ＯＣＴサブシステムの深さ方向分解能の評価結果を示す図である。古典ＯＣＴサブシステムおよび量子ＯＣＴサブシステムにより撮影された試料の断層像の一例を示す図である。本実施の形態におけるリッジ型導波路が設けられたＱＰＭ素子の構成を説明するための図である。ＱＰＭ素子の正面図である。ＱＰＭ素子の側面図である。ＱＰＭ素子の上面図である。実施の形態１に係る量子ＯＣＴサブシステムの構成を概略的に示す図である。左回りの量子もつれ光子対と右回りの量子もつれ光子対との重ね合わせを説明するための概念図である。実施の形態１にて採用されるサニャック干渉計における量子干渉を数式を用いて説明するための図である。空間的に分離された光子対のスペクトルの測定結果の一例を示す図である。２光子量子干渉の量子干渉縞の測定結果の一例を示す図である。シグナル光子とアイドラー光子との間の周波数相関の測定結果の一例を示す図である。ＨＯＭ干渉の測定結果の一例を示す図である。実施の形態１の変形例に係る量子もつれ光子対源の構成を概略的に示す図である。実施の形態２に係る量子もつれ光子対源の構成を概略的に示す図である。実施の形態２にて採用されるサニャック干渉計における量子干渉を数式を用いて説明するための図である。実施の形態３に係る量子もつれ光子対源の構成を概略的に示す図である。実施の形態３の変形例に係る量子もつれ光子対源の構成を概略的に示す図である。実施の形態４に係る量子もつれ光子対源の構成を概略的に示す図である。偏光干渉計の構成をより詳細に示す拡大図である。

　以下、本開示の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

　本開示およびその実施の形態において、可視域とは、４００ＴＨｚ～８００ＴＨｚの周波数域（３６０ｎｍ～７００ｎｍの波長域）を意味する。近赤外域とは、１５ＴＨｚ～４００ＴＨｚの周波数域（７００ｎｍ～２μｍの波長域）を意味する。

　以下、本開示に係る光源装置が光断層撮影システムに適用される構成を例に説明する。しかし、本開示に係る光源装置の用途は光断層撮影に限定されず、他の量子計測技術（たとえば時間分解分光法）、量子情報技術などであってもよい。

　［実施の形態１］
　＜システム構成＞
　図１は、実施の形態１に係る光断層撮影システムの全体構成を概略的に示すブロック図である。光断層撮影システム１００は、従来知られた古典ＯＣＴの原理、および、後述する量子ＯＣＴの原理のいずれかに従って、試料ＳＰの断層像を非侵襲的に撮影するように構成されている。光断層撮影システム１００は、試料ＳＰの断層像撮影中に上記２つの撮影原理を切り替え可能な、いわばハイブリッド光断層撮影システムである。

　なお、試料ＳＰの種類は、光（光子）を通すものであれば特に限定されない。試料ＳＰは、溶液等の液体試料であってもよいし、結晶等の固体試料であってもよい。また、試料ＳＰは、人体等の生体試料であってもよい。

　光断層撮影システム１００は、低コヒーレント光源１と、古典ＯＣＴサブシステム２と、ポンプ光源３と、量子ＯＣＴサブシステム４と、コントローラ５と、モニタ６とを備える。

　低コヒーレント光源１は、古典ＯＣＴサブシステム２に供給するための広帯域の低コヒーレント光Ｌ_ＬＣ（たとえば白色光）を発する。低コヒーレント光源１は、たとえばスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ：Super　Luminescent　Diode）である。

　古典ＯＣＴサブシステム２は、低コヒーレント光源１からの低コヒーレント光Ｌ_ＬＣを用いて試料ＳＰの断層像を撮影する。古典ＯＣＴサブシステム２は、低コヒーレント光Ｌ_ＬＣが照射された試料ＳＰからの測定光Ｌ_Ｍと、その測定光Ｌ_Ｍに対応する参照光Ｌ_Ｒとの干渉を利用する。古典ＯＣＴサブシステム２の構成については図２にて簡単に説明する。

　なお、量子光学分野では、量子もつれ等の量子特性を有する量子光との対比において、量子特性を有さない通常の光を「古典光」とも呼ぶ。古典ＯＣＴサブシステム２は、古典光を使用可能な点において古典的であると言える。だだし、古典ＯＣＴサブシステム２には、量子ＯＣＴサブシステム４内に配置された擬似位相整合素子（後述）において生成される量子もつれ光子対を低コヒーレント光Ｌ_ＬＣとして使用することも可能である（図９および図１０参照）。したがって、低コヒーレント光源１を設けず、量子ＯＣＴサブシステム４から古典ＯＣＴサブシステム２に量子もつれ光子対を供給してもよい。

　ポンプ光源３は、量子ＯＣＴサブシステム４内に設けられた擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi-Phase-Matched）素子を励起するためのポンプ光（Ｌｐで示す）を発する。実施の形態１において、ポンプ光源３は、連続波（ＣＷ：Continuous　wave）のレーザ光を発する。一例として、紫外域～可視域（たとえば波長４０５ｎｍ程度）のレーザ光を発する半導体レーザ（ＬＤ：Laser　Diode）をポンプ光源３として採用できる。

　量子ＯＣＴサブシステム４は、ポンプ光源３からのポンプ光をＱＰＭ素子に入射することで、シグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対を生成し、生成された量子もつれ光子対を用いて試料ＳＰの断層像を撮影する。量子ＯＣＴサブシステム４は、量子もつれ光子対の間で起こる量子力学的な干渉を利用する。量子ＯＣＴサブシステム４の構成については後に詳細に説明する。

　コントローラ５は、たとえば、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）などのプロセッサと、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）およびＲＡＭ（Random　Access　Memory）などのメモリと、各種信号が入出力される入出力ポートとを含むマイクロコンピュータである。コントローラ５は、光断層撮影システム１００内の各機器（低コヒーレント光源１、ポンプ光源３および量子ＯＣＴサブシステム４）を制御する。また、コントローラ５は、古典ＯＣＴサブシステム２または量子ＯＣＴサブシステム４からの検出信号に基づいて試料ＳＰの断層像を作成する。

　モニタ６は、たとえば液晶ディスプレイであって、コントローラ５により作成された断層像を表示する。これにより、測定者が試料ＳＰの内部構造を観察できる。

　図２は、古典ＯＣＴサブシステム２の構成を概略的に示す図である。古典ＯＣＴサブシステム２は、たとえばマイケルソン（Michelson）型の干渉計を構成する光学系を含む。より詳細には、古典ＯＣＴサブシステム２は、ビームスプリッタ２１と、ミラー２２と、検出器２３とを備える。

　ビームスプリッタ２１は、低コヒーレント光源１からの低コヒーレント光Ｌ_ＬＣを測定光Ｌ_Ｍと参照光Ｌ_Ｒとに分割する。より詳細には、ビームスプリッタ２１は、ビームスプリッタ２１に入射した低コヒーレント光Ｌ_ＬＣのうちの一部の光がコート面で反射して測定光Ｌ_Ｍとなる一方で、残りの光がコート面を透過して参照光Ｌ_Ｒとなるように構成されている。測定光Ｌ_Ｍは、試料ＳＰに向かい、試料ＳＰに深さ方向に侵入するうちに反射されてビームスプリッタ２１へと戻る。一方、参照光Ｌ_Ｒは、ミラー２２に向かい、ミラー２２により反射されてビームスプリッタ２１へと戻る。ビームスプリッタ２１は、試料ＳＰからの測定光Ｌ_Ｍとミラー２２からの参照光Ｌ_Ｒとを合流させ、合流した光を検出器２３に出射する。

　検出器２３は、複数の受光素子が二次元アレイ状に配列されたマルチピクセル型の光検出器である。そのような光検出器としては、ＣＣＤ(Charged-Coupled　Device）イメージセンサまたはＣＭＯＳ（Complementary　Metal-Oxide-Semiconductor）イメージセンサなどが挙げられる。検出器２３は、ビームスプリッタ２１からの光を検出し、その検出信号をコントローラ５に出力する。

　測定光Ｌ_Ｍの光路長と参照光Ｌ_Ｒの光路長とが厳密に一致する場合、測定光Ｌ_Ｍと参照光Ｌ_Ｒとが干渉により打ち消し合うため、検出器２３では光が検出されない。しかし、低コヒーレント光Ｌ_ＬＣは様々な波長の光を含む。そのため、測定光Ｌ_Ｍおよび参照光Ｌ_Ｒのうちの短波長成分（たとえば青色の波長域）では強め合うが長波長成分（たとえば赤色の波長域）では弱め合うなど、波長毎に干渉（白色干渉）が起こり、検出器２３により光が検出される。これにより、測定光Ｌ_Ｍの反射が試料ＳＰの深さ方向のどの位置で起こったかが分かるので、試料ＳＰの断層像を作成できる。

　古典ＯＣＴサブシステム２における深さ方向分解能は、一般的には約１０μｍとされ、高くてもサブミクロンオーダー（３～５μｍ程度）である。これは、後述するように、試料ＳＰによる光の分散の影響によるものである。

　＜比較例＞
　以下では、実施の形態１に係る量子ＯＣＴサブシステム４の特徴の理解を容易にするため、まず、比較例に係る量子ＯＣＴサブシステムの構成を説明する。

　図３は、比較例に係る量子ＯＣＴサブシステムの構成を概略的に示す図である。量子ＯＣＴサブシステム９は、量子もつれ光子対源９１と、量子干渉光学系９２とを備える。量子干渉光学系９２は、ミラー９２１～９２４と、ディレイミラー９２５と、ビームスプリッタ９２６と、検出器９２７，９２８と、同時計数回路９２９とを含む。

　量子もつれ光子対源９１はＱＰＭ素子９１２を含む。ＱＰＭ素子９１２は、ポンプ光源３からのポンプ光の自発パラメトリック下方変換（ＳＰＤＣ：Spontaneous　Parametric　Down-Conversion）により、シグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対を生成する。図中ではシグナル光子の光路（シグナル光路）にＬｓを付し、アイドラー光子の光路（アイドラー光路）にＬｉを付すことで、両者を区別する。図３に示すように、シグナル光子とアイドラー光子とは、ＱＰＭ素子９１２から別々の方向に出射される。

　ＱＰＭ素子９１２の構成については図７にて詳細に説明するが、ＱＰＭ素子９１２を用いることで、可視域から近赤外域までの広帯域に亘る様々な周波数の重ね合わせ状態の量子もつれ光子対を生成可能である。このことを、ＱＰＭ素子９１２が「広帯域周波数もつれ状態」を形成可能であると言う。

　一般に、ＱＰＭ素子は、その構造に応じて、バルク型、スラブ型またはリッジ型などに分類される。比較例におけるＱＰＭ素子９１２は、バルク型のＱＰＭ素子であり、本実施の形態にて採用される、リッジ型導波路が配置されたＱＰＭ素子４０６（図１１参照）とは異なることに留意する。

　ミラー９２１は、量子もつれ光子対源９１からのシグナル光子を反射して試料ＳＰに向かわせる。図示しないが、ミラー９２１は、試料ＳＰに対するシグナル光子の照射位置を走査可能に構成されている。シグナル光子は、試料ＳＰに深さ方向に侵入するうちに反射してミラー９２２に向かう。ミラー９２２は、試料ＳＰからのシグナル光子を反射してビームスプリッタ９２６に向かわせる。ミラー９２３は、量子もつれ光子対源９１からのアイドラー光子を反射してディレイミラー９２５に向かわせる。アイドラー光子は、ディレイミラー９２５により反射してミラー９２４に向かう。ミラー９２４は、ディレイミラー９２５からのアイドラー光子を反射してビームスプリッタ９２６に向かわせる。

　ディレイミラー９２５にはアクチュエータが設けられている。アクチュエータは、たとえばピエゾ素子であって、コントローラ５からの指令に従ってディレイミラー９２５を光軸方向（図中の矢印方向）に変位させる。これにより、アイドラー光子の光路長を調整できる。このことは、同時に生成されたシグナル光子およびアイドラー光子に関し、シグナル光子がビームスプリッタ９２６に到達する時刻に対する、アイドラー光子がビームスプリッタ９２６に到達する時刻の時間差を設定できることを意味する。この時間差を「遅延時間τ」と記載する。

　ビームスプリッタ９２６は、シグナル光子およびアイドラー光子を所定の確率で反射または透過する。これにより、ビームスプリッタ９２６は、シグナル光子とアイドラー光子との間でホン・ウー・マンデル（ＨＯＭ：Hong-Ou-Mandel）干渉と呼ばれる量子干渉を生じさせる。ＨＯＭ干渉については図４にて説明する。ビームスプリッタ９２６による反射／透過を経たシグナル光子およびアイドラー光子は、検出器９２７，９２８に到達する。

　検出器９２７，９２８の各々は、たとえば、フォトダイオード、光電管、光電子増倍管、超伝導光子検出器（ＳＳＰＤ：Superconducting　Single　Photon　Detector）などのシングルピクセル型の光検出器である。ただし、検出器９２７，９２８は、ＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサなどのマルチピクセル型の光検出器であってもよい。各検出器９２７，９２８は、ビームスプリッタ９２６からのシグナル光子またはアイドラー光子を検出し、その検出信号を同時計数回路９２９に出力する。

　同時計数回路９２９は、シグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対が検出器９２７，９２８によって所定の時間窓内に（すなわち同時に）検出された場合に、その旨を示す信号をコントローラ５に出力する。これにより、コントローラ５は、シグナル光子とアイドラー光子との同時計数の回数（カウント数）を取得できる。

　コントローラ５は、試料ＳＰに対するシグナル光子の照射位置が走査されるようにミラー９２１を制御する。さらに、コントローラ５は、シグナル光子の照射位置毎に、アイドラー光子の光路長を所定範囲内で順次変更することで遅延時間τを走査する。そして、コントローラ５は、シグナル光子の照射位置毎に、かつ、遅延時間τ毎に、シグナル光子とアイドラー光との同時計数のカウント数を取得する。シグナル光子の光路長とアイドラー光子の光路長とが一致して遅延時間τが０になると、ＨＯＭ干渉により同時計数がほとんど起こらなくなる。したがって、図３の右下に示すように、同時計数回路９２９からの信号にτ＝０付近に窪み（量子干渉縞）が生じる。この量子干渉縞を「ＨＯＭディップ」とも呼ぶ。ＨＯＭディップを解析することでシグナル光子の光路長（すなわち、シグナル光子の反射が試料ＳＰの深さ方向のどの位置で起こったか）が分かるので、試料ＳＰの断層像を作成できる。

　＜ＨＯＭ干渉＞
　図４は、ビームスプリッタ９２６におけるＨＯＭ干渉を説明するための概念図である。図３にて説明したように、シグナル光子（ｓで示す）が一方向からビームスプリッタ９２６に入射し、アイドラー光子（ｉで示す）が別方向からビームスプリッタ９２６に入射する。ビームスプリッタ９２６は、スプリット比が５０：５０である半透鏡である。すなわち、ビームスプリッタ９２６のコート面は、シグナル光子およびアイドラー光子を５０％の確率で反射し、５０％の確率で透過する。なお、ビームスプリッタ９２６のスプリット比は、コート面の厚み等により調整できる。

　シグナル光子およびアイドラー光子がビームスプリッタ９２６を通過（反射／透過）する事象には、４通りのパターン（第１～第４の物理過程）が考えられる。第１の物理過程は、シグナル光子がコート面を透過し、アイドラー光子がコート面で反射するパターンである。第２の物理過程は、シグナル光子がコート面で反射し、アイドラー光子がコート面を透過するパターンである。第３の物理過程は、シグナル光子もアイドラー光子もコート面で反射するパターンである。第４の物理過程は、シグナル光子もアイドラー光子もコート面を透過するパターンである。ビームスプリッタ９２６のスプリット比が５０：５０であるため、第１～第４の物理過程は等確率で観測されるようにも思われる。

　一般に、２つの物理過程がコヒーレントである場合（２つの物理過程を見分けられる観測を行っていない場合）に、２つの物理過程の間で量子干渉が起こり得る。一方の物理過程を表す確率振幅と他方の物理過程を表す確率振幅とを足し合わせた場合に、２つの確率振幅が同位相であれば２つの物理過程が強め合う一方で、２つの確率振幅が逆位相であれば２つの物理過程が打ち消し合う。２つの物理過程が打ち消し合う干渉を「破壊的干渉」と呼ぶ。

　最初に、シグナル光子がビームスプリッタ９２６に入射するタイミングと、アイドラー光子がビームスプリッタ９２６に入射するタイミングとが完全に一致する状況を想定する。この場合、第１～第４の物理過程の間で、シグナル光子およびアイドラー光子がビームスプリッタ９２６に入射する態様は共通である。すなわち、第１～第４の物理過程のいずれにおいても、シグナル光子およびアイドラー光子がビームスプリッタ９２６を通過する事象の始状態が等しい。

　第３および第４の物理過程では、ビームスプリッタ９２６から一方向に１光子が出射され、別方向に１光子が出射される。ビームスプリッタ９２６から各方向に出射された光子がシグナル光子なのかアイドラー光子なのかは区別できない。つまり、第３および第４の物理過程では、シグナル光子およびアイドラー光子がビームスプリッタ９２６を通過する事象の終状態も等しい。

　このように、第３の物理過程と第４の物理過程とは始状態も終状態も等しいため見分けが付かず、かつ、第４の物理過程（両方透過）の確率振幅に対して第３の物理過程（両方反射）の確率振幅は逆位相である。そのため、第３の物理過程と第４の物理過程との間で破壊的干渉が起こる。したがって、実際には、第３および第４の物理過程は観測されず、第１または第２の物理過程のみが観測される。つまり、一方向で１光子が検出され、別方向で１光子が検出されることはなく、２光子は必ず同一方向で検出される。

　次に、シグナル光子がビームスプリッタ９２６に入射するタイミングと、アイドラー光子がビームスプリッタ９２６に入射するタイミングとがずれた状況を想定する。たとえば、ビームスプリッタ９２６に対して、まず、シグナル光子が入射し、その後、アイドラー光子が入射するものとする。この場合も、第３および第４の物理過程の間で、シグナル光子およびアイドラー光子がビームスプリッタ９２６を通過する事象の始状態は等しい。

　一方、第３の物理過程では、先に検出器９２７により１光子（反射したシグナル光子）が検出され、それに続いて検出器９２８により１光子（反射したアイドラー光子）が検出される。逆に、第４の物理過程では、先に検出器９２８により１光子（透過したシグナル光子）が検出され、それに続いて検出器９２７により１光子（透過したアイドラー光子）が検出される。したがって、第３および第４の物理過程では、シグナル光子およびアイドラー光子がビームスプリッタ９２６を通過する事象の終状態が異なる。よって、第３の物理過程と第４の物理過程との見分けが付き、破壊的干渉が起こらない。

　以上のように、シグナル光子がビームスプリッタ９２６に入射するタイミングとアイドラー光子がビームスプリッタ９２６に入射するタイミングとがずれている場合（遅延時間τが一定程度の長さである場合）、第３の物理過程と第４の物理過程との間の破壊的干渉が起こらない。そのため、第１または第２の物理過程に加えて第３または第４の物理過程が観測される。そうすると、一方向で１光子が検出され、別方向で１光子が検出されることで、検出器９２７，９２８による同時計数が起こり得る。しかし、遅延時間τが０に近付くにつれて破壊的干渉が起こりやすくなり、第１または第２の物理過程しか観測されにくくなる。つまり、同一方向の２光子しか検出されにくくなるので、検出器９２７，９２８による同時計数のカウント数が減少する。その結果、同時計数回路９２９からの信号にＨＯＭディップが生じる。

　＜広帯域周波数もつれ状態＞
　ＱＰＭ素子９１２を採用することで試料ＳＰの断層像の分解能を向上可能な理由について図５～図７を用いて説明する。第１の理由は、広帯域周波数もつれ状態の形成である。

　図５は、広帯域周波数もつれ状態にある量子もつれ光子対を生成する原理的背景を説明するための図である。ポンプ光の自発パラメトリック下方変換により量子もつれ光子対が生成される際には、エネルギー保存則が満たされている。ポンプ光、シグナル光子およびアイドラー光子の角周波数をω_０、ω_ｓおよびω_ｉとそれぞれ記載すると、エネルギー保存則は、ω_０＝ω_ｓ＋ω_ｉと表される。そのため、左図に示すように、角周波数ω_ｓ，ω_ｉのうちの一方が高いと他方は低くなる。

　広帯域周波数もつれ状態を形成可能なＱＰＭ素子９１２を採用した場合、角周波数ω_ｓ，ω_ｉの分布幅Δωが広い。なお、個々の量子もつれ光子対に着目した場合、角周波数ω_ｓ，ω_ｉは、外部から観測するまでは定まっておらず、確率論的にしか記述できない。この図では、角周波数ω_ｓ，ω_ｉの観測値の確率分布を影の濃淡で表現している。

　左図に示す周波数領域表現をフーリエ変換（二重フーリエ変換）することで、右図に示す時間領域表現が得られる。この時間領域表現に示されるように、シグナル光子の観測時刻とアイドラー光子の観測時刻との間には時間相関が存在する。基本的に、シグナル光子が早い時刻に観測された場合にはアイドラー光子も早い時刻で観測され、シグナル光子が遅い時刻に観測された場合にはアイドラー光子も遅い時刻に観測される。図３にて、試料ＳＰの断層像がシグナル光子とアイドラー光子との同時計数に基づき作成されると説明した。このことから、断層像の深さ方向分解能の向上には、シグナル光子とアイドラー光子との間に高い時間相関（同時刻性）が要求されることが理解される。右図に示す時間幅Δｔが小さいほど、時間相関が高い。

　ΔｔとΔωとの間には、Δｔ～２π／Δωと表される不確定性関係が存在する。したがって、Δωが広くなるほど、Δｔは小さくなる。このことから、シグナル光子およびアイドラー光子の観測の時間相関を向上させる（同時刻性を高める）には、広帯域で周波数もつれ状態を形成可能な光源装置を採用すればよいことが分かる。

　近年、フェムト秒レーザ等の極短パルスレーザの研究開発が進められている。量子もつれ光子対に代えて極短パルスレーザ光を用いることも考えられる。

　図６は、極短パルスレーザ光の特徴と量子もつれ光子対の特徴とを比較するための図である。量子もつれ光子対の場合、２光子は数フェムト秒の時間間隔（Δｔ）で存在する。一方の極短パルスレーザ光のパルス幅（Δｔ）も数フェムト秒程度である。そのため、極短パルスに含まれる光子間の時間相関は十分に高いと言える。

　しかしながら、極短パルスレーザ光の各パルス中の光子数は、ポアソン分布に従い、必ずしも等しくない。さらに、光子数が２であるパルス同士を比較しても、その２光子のエネルギーの和は不定である。これに対し、自発パラメトリック下方変換により生成される量子もつれ光子対は、前述のようにエネルギー保存則を満たすため、２光子のエネルギーの和は一定である。このことは以下に説明するように、広帯域周波数もつれ状態の形成に不可欠である。

　なお、図中、極短パルスレーザ光のパルスに含まれる２光子に付すハッチングを同じ向きにすることで、２光子のエネルギーが同程度であることを表現している。一方、量子もつれ光子対に付すハッチングを逆向きにすることで、一方の光子のエネルギーが高いと、もう一方の光子のエネルギーは低いことを表現している。

　図７は、比較例における量子もつれ光子対源９１の構成例を示す図である。量子もつれ光子対源９１は、レンズ９１１と、ＱＰＭ素子９１２と、ロングパスフィルタ９１３と、レンズ９１４と、シャープカットフィルタ９１５とを含む。

　ＱＰＭ素子９１２の材料は、入射光（ポンプ光）および出射光（シグナル光子およびアイドラー光子）の偏光がすべて平行となるタイプ０型の非線形光学結晶である。そのような材料としては、たとえばマグネシウム添加定比タンタル酸リチウム（Mg　doped　stoichiometric　lithium　tantalate）が挙げられる。

　ＱＰＭ素子９１２は直方体形状を有する。この直方体の長手方向において互いに対向する端面を第１端面Ｐ１および第２端面Ｐ２と記載する。ＱＰＭ素子９１２は微細であり、第１端面Ｐ１および第２端面Ｐ２のサイズは５００μｍ×５００μｍ程度しかない。しかし、レンズ９１１を含む入射光学系を精密に調整することで、ポンプ光をビーム径４０μｍ程度に絞り、絞ったポンプ光を第１端面Ｐ１から第２端面Ｐ２までＱＰＭ素子９１２の内部を通過させることが可能である。そうすると、ポンプ光の自発パラメトリック下方変換が起こり、シグナル光子とアイドラー光子とが第２端面Ｐ２から別方向に出射される。

　ＱＰＭ素子９１２の分極方向は、元々、同じ方向に揃っている（自発分極）。しかし、ＱＰＭ素子９１２の上下に電極を形成し、その電極間に高電圧を印加することで、分極方向を反転させることができる。図中の矢印は高電圧印加後の分極方向を表している。なお、電極は高電圧印加後に除去されるため図示されていない。ＱＰＭ素子９１２に電極を周期的に形成することで、分極方向が周期的に反転した構造（分極反転構造）を作り出すことができる。

　分極方向が反転する周期（分極反転周期）が等しい区間を「セクション」と呼ぶ。第１端面Ｐ１から入射したポンプ光は、第２端面Ｐ２に到達するまでの間に分極反転周期が異なる複数のセクションを通過する。この例では、セクション幅が第１端面Ｐ１から第２端面Ｐ２に向けて単調増加している。なお、図７には、５つのセクションを有するＱＰＭ素子９１２が模式的に示されている。しかし、実際のＱＰＭ素子９１２は、より多く（たとえば数百）のセクションを有し得る。

　ポンプ光の自発パラメトリック下方変換においては、エネルギー保存則に加えて位相整合条件が満たされる。位相整合条件とは、自発パラメトリック下方変換の前後で波数ベクトルが保存されること（運動量保存則）を意味し、ｋ_ｐ＝ｋ_ｓ＋ｋ_ｉと表される。ｋ_ｐ、ｋ_ｓおよびｋ_ｉは、それぞれ、ポンプ光、シグナル光子およびアイドラー光子の波数である。ＱＰＭ素子９１２に分極反転構造を設けることで、分極反転構造が設けられていない場合とは異なる位相整合条件が成立する。分極反転構造を設けた場合の位相整合条件は、ｋ_ｐ＝ｋ_ｓ＋ｋ_ｉ＋Δｋと表される。末項Δｋは、分極方向の反転周期に応じて定まる波数変化量である。分極反転周期が異なる多くのセクションを設けることで、Δｋも多様な値となる。その結果、様々な波数の組合せ（ｋ_ｓ，ｋ_ｉ）において位相整合条件が成立する。

　ポンプ光の角周波数ω_０は一定であるため、シグナル光子の角周波数ω_ｓが決まると、アイドラー光子の角周波数ω_ｉも決まる（エネルギー保存則）。また、シグナル光子の波数ｋ_ｓとアイドラー光子の波数ｋ_ｉとの組合せも様々である（位相整合条件）。このように、エネルギー保存則が成立しつつ様々な位相整合条件が成立することで、ポンプ光が第１端面Ｐ１から第２端面Ｐ２まで通過する間に、広帯域周波数もつれ状態にある量子もつれ対が生成される。

　より詳細には、分極反転周期が長いセクションでは、シグナル光子の角周波数ω_ｓとアイドラー光子の角周波数ω_ｉとが互いに近い値となる。つまり、シグナル光子およびアイドラー光子の両方が周波数域の中心付近の光子（たとえば緑色の光子）となる。一方、分極反転周期が短いセクションでは、角周波数ω_ｓ，ω_ｉが互いから離れた値となる。つまり、シグナル光子およびアイドラー光子のうちの一方が周波数域の高周波側の光子（たとえば青色の光子）となり、他方が周波数域の低周波側の光子（たとえば赤色の光子）となる。なお、ＱＰＭ素子９１２の構造および製造方法の詳細については非特許文献２を参照できる。

　＜群速度分散耐性＞
　続いて図８を用いて、ＱＰＭ素子９１２を採用することで試料ＳＰの断層像の分解能を向上可能な第２の理由について説明する。一般に、光が分散媒質中を伝搬する際には群速度分散が生じる。古典ＯＣＴサブシステム２（図２参照）では、広帯域の低コヒーレント光Ｌ_ＬＣが用いられる。低コヒーレント光Ｌ_ＬＣを分割することで生成される測定光Ｌ_Ｍのうち、低周波（長波長）の光は分散媒質（ここでは試料ＳＰ）中を速く進み、高周波（短波長）の光は分散媒質中を遅く進む。低コヒーレント光Ｌ_ＬＣが広帯域であるほど、測定光Ｌ_Ｍは広がる。そうすると、検出器２３からの検出信号がブロードになり、断層像の分解能（深さ方向分解能）が低下し得る。

　古典ＯＣＴサブシステム２における低コヒーレント光Ｌ_ＬＣの広帯域化には、断層像の分解能向上に対して、角周波数と時間との間の不確定性関係が有利に作用する一方で群速度分散は不利に作用する点において、ジレンマが存在する。これに対し、量子ＯＣＴサブシステム９における量子もつれ光子対の広帯域化には、そのようなジレンマは存在しない。これは量子ＯＣＴサブシステム９が群速度分散に耐性を有するためである。

　図８は、量子ＯＣＴサブシステム９の群速度分散耐性を説明するための図である。ＱＰＭ素子９１２により生成された量子もつれ光子対が検出器９２７，９２８に到達するまで伝搬する事象として下記２つのパターンを想定できる。

　なお、図８では、量子もつれ光子対のうち、相対的に低周波の光子（たとえば赤色の光子）にハッチングが付される一方、相対的に高周波の光子（たとえば青色の光子）にはハッチングは付されていない。また、測定時刻の基準となる基準光子も併せて破線で図示されている。基準光子は、高周波と低周波との間の周波数の光子（たとえば緑色の光子）である。

　上図のパターンでは、シグナル光子が低周波であり、アイドラー光子が高周波である。分散媒質中を伝搬するシグナル光子は、群速度分散の影響により基準光子よりも速い。真空中（空気中であってもよい）を伝搬するアイドラー光子には群速度分散の影響はなく、基準光子と等速である。そのため、シグナル光子およびアイドラー光子がいずれもビームスプリッタ９２６を透過する場合、先にシグナル光子が検出器９２８に到達し、その後にアイドラー光子が検出器９２７に到達する。

　さらに、下図のパターンのように、シグナル光子が高周波であり、アイドラー光子が低周波である量子もつれ光子対も生成される。この場合、分散媒質中を伝搬するシグナル光子は、群速度分散の影響により基準光子よりも遅い。アイドラー光子は基準光子と等速である。そのため、シグナル光子およびアイドラー光子がビームスプリッタ９２６で反射する場合、先にアイドラー光子が検出器９２８に到達し、その後にシグナル光子が検出器９２７に到達する。

　ＱＰＭ素子９１２により生成された量子もつれ光子対は、広帯域に亘って重ね合わせられた状態である。そのため、検出器９２７，９２８に到達する光子がシグナル光子なのかアイドラー光子なのかは区別できず、上図に示す物理過程の終状態と、下図に示す物理過程の終状態とは等しい。また、これら２つの物理過程の始状態も互いに等しい。したがって、群速度分散に起因する上記２つの物理過程は見分けが付かない。その一方で、上記２つの物理過程には反射／透過の違いが存在するため、確率振幅が互いに逆位相になる。したがって、上記２つの物理過程はＨＯＭ干渉により打ち消し合うため、検出器９２７，９２８による同時計数のカウント数にも影響しない。よって、量子ＯＣＴサブシステム９が群速度分散に耐性を有すると言える。なお、群速度分散耐性の詳細については非特許文献３を参照できる。

　＜測定結果＞
　図９は、古典ＯＣＴサブシステム２および量子ＯＣＴサブシステム９の分解能の評価結果を示す図である。図１０は、古典ＯＣＴサブシステム２および量子ＯＣＴサブシステム９により撮影された分散媒質の断層像の一例を示す図である。図９および図１０では、分散媒質を設置しなかった場合に得られた結果と、分散媒質を設置した場合に得られた結果とが対比されている。

　ここでは、比較例におけるバルク型のＱＰＭ素子９１２（図７参照）を用いた。また、古典ＯＣＴサブシステム２に供給する低コヒーレント光Ｌ_ＬＣとして、ＱＰＭ素子９１２により生成された広帯域の量子もつれ光子対を用いた。

　図９に示す分解能評価には、厚さ１ｍｍの水を分散媒質として用いた。古典ＯＣＴサブシステム２では、分散媒質が設置されていない場合、分解能１．５μｍの白色干渉縞が得られた（左上図参照）。この分解能は、古典ＯＣＴの世界的なチャンピオンデータである分解能０．７５μｍには及ばないものの十分に高い。しかし、分散媒質が設置された場合、分解能は７．８μｍまで低下した（右上図参照）。

　これに対し、量子ＯＣＴサブシステム９においては、分散媒質が設置されていない場合の分解能は０．５４μｍであった（左下図参照）。分散媒質が設置された場合でも分解能は０．５６μｍであった（右下図参照）。これらの分解能の差は誤差範囲内であるため、量子ＯＣＴサブシステム９では、分散媒質が分散媒質であっても分解能の低下は起こらないことが分かる。したがって、量子ＯＣＴサブシステム９が群速度分散耐性を有することが実証されたと言える。

　図１０には、分散媒質がセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）結晶である場合の断層像が示されている。この分散媒質による群速度分散の影響は、厚さ４０ｍｍの水による群速度分散の影響に相当する。なお、古典ＯＣＴサブシステム２により得られる断層像では、測定光Ｌ_Ｍと参照光Ｌ_Ｒとの干渉が強い部分が黒く示され、当該干渉が弱い部分が白く示されている。量子ＯＣＴサブシステム９により得られる断層像では、同時計数のカウント数が少ない部分が黒く示され、同時計数のカウント数が多い部分が白く示されている。

　古典ＯＣＴサブシステム２では、分散媒質が設置された場合（右上図参照）、分散媒質が設置されていない場合（左上図参照）と比べて、断層像の分解能が大幅に低下した。一方、量子ＯＣＴサブシステム９においては、古典ＯＣＴサブシステム２と異なり、分散媒質の設置の有無が断層像の分解能に影響しないことが理解される（左下図および右下図参照）。それに加えて、量子ＯＣＴサブシステム９による断層像の分解能が古典ＯＣＴサブシステム２による断層像の分解能よりも高いことも分かる。

　このように、量子ＯＣＴサブシステム９を用いて分散媒質を撮影することで、断層像の分解能（深さ方向分解能）を大幅に向上させることができる。しかしながら、量子ＯＣＴサブシステム９による撮影には長時間を要し得る。より具体的に説明すると、図１０に示す断層像は横方向に２００画素を含む。各画素の測定（同時計数）の所要時間は約１秒であった。そのため、断層像の横方向を１回走査するだけで約２００秒を要し、断層像全体の作成には数時間を要した。量子ＯＣＴサブシステム９の実用化の観点からは、断層像の撮影時間を、より短縮することが望ましい。

　断層像の撮影時間が長い主要因として、ＱＰＭ素子９１２がバルク型である点が挙げられる。具体的に説明すると、シグナル光子とアイドラー光子との量子干渉を利用する測定原理上、量子もつれ光子対をシグナル光子とアイドラー光子とに空間的に分離することを要する（図３参照）。図７に示したバルク型のＱＰＭ素子９１２の内部を伝搬する光（ポンプ光および量子もつれ光子対）は、ＱＰＭ素子９１２の縦方向（ｚ方向）および横方向（ｙ方向）の両方に自由度を有する。この高い自由度は、量子もつれ光子対の分離に有効である反面、ＱＰＭ素子９１２の内部への量子もつれ光子対の閉じ込め効果を低下させる。したがって、バルク型のＱＰＭ素子９１２では、自発パラメトリック下方変換によるポンプ光から量子もつれ光子対への変換効率が相対的に低い。よって、断層像の作成（所定回数の同時計数の実施）に必要な量の量子もつれ光子対を生成するのに時間が掛かる。

　図示しないが、スラブ型導波路をＱＰＭ素子に設けることも考えられる。スラブ型導波路が設けられたＱＰＭ素子は、ポンプ光および量子もつれ光子対に横方向の自由度を与える一方、縦方向の自由度を制限する。この横方向の自由度を用いることで、シグナル光子とアイドラー光子とを別々の方向に出射させることが可能である。しかし、ポンプ光の閉じ込め効果は縦方向の１方向しか得られない。したがって、ポンプ光から量子もつれ光子対への変換効率がバルク型との比較では向上するものの、依然として十分でない。

　なお、以下では簡略化のため、自発パラメトリック下方変換によるポンプ光から量子もつれ光子対への変換効率を「量子もつれ光子対の生成効率」とも記載する。量子もつれ光子対の生成効率を単位時間当たりの量子もつれ光子対の生成数と読み替えてもよい。

　＜リッジ型の光導波路＞
　図１１は、本実施の形態における、リッジ型導波路が設けられたＱＰＭ素子４０６の構成を説明するための図である。図１２は、ＱＰＭ素子４０６の正面図である。図１３は、ＱＰＭ素子４０６の側面図である。図１４は、ＱＰＭ素子４０６の上面図である。

　図１１～図１４を参照して、ＱＰＭ素子４０６は、ＱＰＭ素子９１２と同様に、タイプ０型の位相整合条件を満たす非線形光学結晶材料を用いて作製され得る。具体的には、マグネシウム添加定比タンタル酸リチウム（LiTaO₃）を用いることができる。それ以外にもニオブ酸リチウム（LiNbO₃）、リン酸チタニルカリウム（KTiOPO₄）、ニオブ酸カリウム（KNbO₃）などを用いてもよい。

　ＱＰＭ素子４０６の外形形状は、たとえば直方体である。この直方体の長手方向（ｘ軸方向）において互いに対向する端面を第１端面Ｑ１および第２端面Ｑ２と記載する。セクション幅は、第１端面Ｑ１から第２端面Ｑ２に向けて単調に増加している。なお、単調増加の態様は、線形増加（直線的な増加）を含むがこれに限定されず、非線形増加（曲線的な増加）またはステップ的な増加を含み得る。たとえば線形増加をベースにセクション幅を微調整することで、スペクトル形状を最適化することも可能である。

　ＱＰＭ素子４０６は、第１端面Ｑ１と第２端面Ｑ２との間に延在するリッジ型導波路ＷＧを有する。リッジ型導波路ＷＧを採用することで、縦方向（ｚ方向）に加えて横方向（ｙ方向）にもポンプ光を閉じ込めることができる。ポンプ光をリッジ型導波路ＷＧに導入するためにはポンプ光を極度に集光しなければならないものの、リッジ型導波路ＷＧによる量子もつれ光子対の生成効率は非常に高い。たとえば、ポンプ光をビーム径２～３μｍに集光してリッジ型導波路ＷＧに導入する場合、同一強度のポンプ光をビーム径４０μｍに集光してバルク型のＱＰＭ素子９１２に導入する場合と比べて、量子もつれ光子対の生成効率は１０００倍程度になる。

　その一方で、リッジ型導波路ＷＧが量子もつれ光子対に与える自由度は低く、生成された量子もつれ光子対が縦方向の自由度も横方向の自由度も有さない。言い換えると、リッジ型導波路ＷＧでは、量子もつれ光子対が同一の空間モードに生成される。比較例と同様の光学系を採用した場合（すなわち、単にＱＰＭ素子９１２をＱＰＭ素子４０６に置き換えた場合）、シグナル光子とアイドラー光子とは同一方向に出射される。したがって、シグナル光子とアイドラー光子とを空間的に分離しない限り、シグナル光子とアイドラー光子との間で量子干渉を起こさせることができない。

　シグナル光子とアイドラー光子とを偏光の違いに基づいて分離することも考えられる。具体的には、シグナル光子の偏光とアイドラー光子の偏光とが直交するような非線形光学結晶を材料とするＱＰＭ素子を採用することも考えられる。しかし、そのようなタイプ２型の位相整合条件を満たす非線形光学結晶の材料は限られている。よって、タイプ０型の位相整合条件を満たすＱＰＭ素子４０６を用いつつ、シグナル光子とアイドラー光子とを空間的に分離することが望ましい。

　＜サニャック干渉計＞
　図１５は、実施の形態１に係る量子ＯＣＴサブシステム４の構成を概略的に示す図である。量子ＯＣＴサブシステム４は、量子もつれ光子対源４Ａと、量子干渉光学系４Ｚとを備える。量子もつれ光子対源４Ａは、サニャック（Sagnac）干渉計４０と、ダイクロイックミラー４１と、フィルタ４２と、ミラー４３とを備える。サニャック干渉計４０は、ビームスプリッタ４０１と、位相板４０２と、分散補償素子４０３と、ミラー４０４と、レンズ４０５と、ＱＰＭ素子４０６と、レンズ４０７と、ミラー４０８とを含む。なお、量子もつれ光子対源４Ａは、本開示に係る「光源装置」に相当する。

　サニャック干渉計４０では、ポンプ光源３からのポンプ光のビームスプリッタ４０１への入射位置と、光学系を周回したポンプ光のビームスプリッタ４０１への戻り位置とが同じである。具体的には、ビームスプリッタ４０１は、ダイクロイックミラー４１と位相板４０２との間に配置されるとともに、ダイクロイックミラー４１とミラー４０８との間に配置されている。サニャック干渉計４０を構成する素子は、ビームスプリッタ４０１－位相板４０２－分散補償素子４０３－ミラー４０４－レンズ４０５－ＱＰＭ素子４０６－レンズ４０７－ミラー４０８－ビームスプリッタ４０１の順に配置されている。

　ポンプ光源３からのポンプ光はダイクロイックミラー４１に入射する。ダイクロイックミラー４１は、ポンプ光の波長域の光を反射する一方で、それ以外の波長域の光（シグナル光子またはアイドラー光子）は透過するように構成されている。ダイクロイックミラー４１で反射したポンプ光は、ビームスプリッタ４０１に入射する。ビームスプリッタ４０１は、スプリット比が５０：５０の半透鏡である。ビームスプリッタ４０１は、偏光ビームスプリッタと半波長板との組合せであってもよい。サニャック干渉計４０が光ファイバサニャック干渉計である場合、ビームスプリッタ４０１も光ファイバによって構成され得る。ビームスプリッタ４０１は、ダイクロイックミラー４１からのポンプ光の半分を反射し、残り半分を透過する。

　ビームスプリッタ４０１で反射したポンプ光は、サニャック干渉計４０を右回り（時計回り）に伝搬する。すなわち、反射光は、ビームスプリッタ４０１－位相板４０２－分散補償素子４０３－ミラー４０４－レンズ４０５－ＱＰＭ素子４０６－レンズ４０７－ミラー４０８－ビームスプリッタ４０１の順に伝搬する。この右回りの光路を伝搬する光がＱＰＭ素子４０６に入射することによって、右回りの量子もつれ光子対（第１の量子もつれ光子対）が生成される。右回りの量子もつれ光子対は、１点鎖線で示すように、レンズ４０７およびミラー４０８を経由してビームスプリッタ４０１に到達する。

　一方、ビームスプリッタ４０１を透過したポンプ光は、サニャック干渉計４０を左回り（反時計回り）に伝搬する。すなわち、透過光は、ビームスプリッタ４０１－ミラー４０８－レンズ４０７－ＱＰＭ素子４０６－レンズ４０５－ミラー４０４－分散補償素子４０３－位相板４０２－ビームスプリッタ４０１の順に伝搬する。この左回りの光路を伝搬する光がＱＰＭ素子４０６に入射することによって、左回りの量子もつれ光子対（第２の量子もつれ光子対）が生成される。左回りの量子もつれ光子対は、破線で示すように、レンズ４０５、ミラー４０４、分散補償素子４０３および位相板４０２を経由してビームスプリッタ４０１に到達する。

　位相板４０２は、たとえば可変波長板またはリターダであり、右回りの量子もつれ光子対と左回りの量子もつれ光子対との間の位相差φを調整可能に構成されている。

　分散補償素子４０３は、左回りの量子もつれ光子対の分散を補償（チャープを補正）する。この分散補償については後述する。

　なお、図１５では見やすさのため、右回りの光路と左回りの光路とを僅かにずらして図示しているが、これらの２つの光路は実際には略一致している。

　以下に説明するように、右回りの量子もつれ光子対と左回りの量子もつれ光子対とがビームスプリッタ４０１への入射時に統合されることで、当該２対の量子もつれ光子対の重ね合わせ状態が形成され得る。その結果、ビームスプリッタ４０１からシグナル光子とアイドラー光子とが別々の方向に出射される。シグナル光子の出射方向にはフィルタ４２が配置されている。フィルタ４２は、たとえばダイクロイックミラーである。シグナル光子は、フィルタ４２を透過して量子干渉光学系４Ｚに供給される。アイドラー光子の出射方向にはダイクロイックミラー４１およびミラー４３が配置されている。アイドラー光子は、ダイクロイックミラー４１を透過し、ミラー４３により反射されて量子干渉光学系４Ｚに供給される。なお、量子もつれ光子対源４Ａから量子干渉光学系４Ｚへのポンプ光の伝搬はフィルタ４２により遮断される。

　ポンプ光源３から発せられた、サニャック干渉計４０への入射前のポンプ光は、本開示に係る「外部ポンプ光」に相当する。ビームスプリッタ４０１の反射光および透過光のうちの一方が本開示に係る「第１のポンプ光」に相当し、他方が「第２のポンプ光」に相当する。また、ミラー４０４，４０８のうちの一方が本開示に係る「第１のミラー」に相当し、他方が本開示に係る「第２のミラー」に相当する。実施の形態１ではＱＰＭ素子４０６が単体で本開示に係る「擬似位相整合部」を構成する。

　図１６は、右回りの量子もつれ光子対と左回りの量子もつれ光子対との重ね合わせを説明するための概念図である。図１６は図４と対比される。上記のようにサニャック干渉計４０が構成されていることで、図１６に示すように、左回りの量子もつれ光子対が第１方向（図中、左から右への方向）からビームスプリッタ４０１に入射するとともに、右回りの量子もつれ光子対が第２方向（上から下への方向）からビームスプリッタ４０１に入射する。つまり、左回りの量子もつれ光子対と右回りの量子もつれ光子対とが互いに異なる方向からビームスプリッタ４０１に入射する状況が生じる。また、左回りの量子もつれ光子対が生成される物理過程と、右回りの量子もつれ光子対が生成される物理過程とを見分けるための観測も行われていない。したがって、サニャック干渉計４０においては、左回りの量子もつれ光子対と右回りの量子もつれ光子対との重ね合わせにより、広帯域周波数もつれ状態が形成されている（詳細については非特許文献４参照）。

　以下、このような左回りの量子もつれ光子対と右回りの量子もつれ光子対との重ね合わせ状態がビームスプリッタ４０１に入力された場合に、どのような出力がビームスプリッタ４０１から得られるかを数式を用いて説明する。

　図１７は、実施の形態１にて採用されるサニャック干渉計４０における量子干渉を数式を用いて説明するための図である。左回りの量子もつれ光子対の量子状態（２光子波動関数）は下記式（１）のように記述される。右回りの量子もつれ光子対の量子状態は下記式（２）のように記述される。

　Ψ（ω）は、ＱＰＭ素子４０６内での分散の影響がない場合の確率振幅である。ケット｜ω_０／２－ω＞および｜ω_０／２＋ω＞のうちの一方はシグナル光子の状態を表し、他方はアイドラー光子の状態を表す。エクスポネンシャル（ｅｘｐ）を用いて記述される残りの部分がＱＰＭ素子４０６内での分散の影響を表す。ｅｘｐの肩において、ＱＰＭ素子４０６によって与えられる単位長さ当たりの位相をφ（ω）と記載している。

　なお、式（１）および式（２）では、ＱＰＭ素子４０６内の位置に拘わらず（すなわち分極反転によらず）、ＱＰＭ素子４０６の材料特性（屈折率等）は一様と仮定している。また、ＱＰＭ素子４０６のいずれの位置においても量子もつれ光子対が周波数的にオーバーラップしない形で生成されると仮定している。つまり、ＱＰＭ素子４０６の各位置で生成される量子もつれ光子対は単一の周波数を有する。さらに、ＱＰＭ素子４０６において生成される量子もつれ光子対の周波数は時間的に変動せず、量子もつれ光子対はチャープされている。これらの仮定は、上記式（１）および式（２）の記述を単純にするために導入されたものであるが、ＱＰＭ素子４０６にて起こる現象の実体を反映する妥当なものである。

　図１５に示したサニャック干渉計４０の構成では、左回りの量子もつれ光子対は、分極反転周期が減少する方向にリッジ型導波路ＷＧを伝搬する。右回りの量子もつれ光子対は、分極反転周期が増加する方向にリッジ型導波路ＷＧを伝搬する。図１７では、左回りの量子もつれ光子対の伝搬方向は、右から左への方向である。右回りの量子もつれ光子対の伝搬方向は、左から右への方向である。量子もつれ光子対の伝搬方向におけるＱＰＭ素子４０６の長さ（リッジ型導波路ＷＧの長さ）をＬと記載する。

　前述のように、分極反転周期が長いセクションほど、そのセクションで生成される量子もつれ光子対の角周波数ωとポンプ光の角周波数（ω_０／２）との間の差が大きい。量子もつれ光子対の角周波数ωの最大値をΩと記載する。量子もつれ光子対の角周波数ωの最小値は０である。

　左回りの量子もつれ光子対に関し、ＱＰＭ素子４０６の入射端（第２端面Ｑ２）はω＝Ωに対応し、ＱＰＭ素子４０６の出射端（第１端面Ｑ１）はω＝０に対応する。入射端と出射端との間の任意の位置で生成される左回りの量子もつれ光子対を考えると（つまり、図１の積分記号のなかから特定の角周波数ωで量子もつれが生じた項を抜き出して考えると）、その位置から出射端までの長さは、Ｌ×（ω／Ω）である。したがって、ＱＰＭ素子４０６が左回りの量子もつれ光子対に与える位相は、ｅｘｐ｛ｉφ（ω）Ｌ（ω／Ω）｝と表される。

　一方、右回りの量子もつれ光子対に関しては、ＱＰＭ素子４０６の入射端（第１端面Ｑ１）がω＝０に対応し、ＱＰＭ素子４０６の出射端（第２端面Ｑ２）がω＝Ωに対応する。入射端と出射端との間の任意の位置で生成される右回りの量子もつれ光子対を考えると、その位置から出射端までの長さは、Ｌ×（１－ω／Ω）である。したがって、ＱＰＭ素子４０６が右回りの量子もつれ光子対に与える位相は、ｅｘｐ｛ｉφ（ω）Ｌ（１－ω／Ω）｝と表される。

　式（１）および式（２）から理解されるように、左回りの量子もつれ光子対の量子状態と右回りの量子もつれ光子対の量子状態とは異なる。したがって、左回りの量子もつれ光子対が生成される事象（第１の物理過程）と右回りの量子もつれ光子対が生成される事象（第２の物理過程）との見分けが付く。そうすると、第１の物理過程と第２の物理過程との間で完全な量子干渉は起こりにくい（言い換えると、量子干渉が角周波数毎に不均一になる）。そこで、実施の形態１ではサニャック干渉計４０内に分散補償素子４０３が配置されている。

　分散補償素子４０３は、左回りの量子もつれ光子対と右回りの量子もつれ光子対との間で分散（波長分散）の影響を補償する。具体的には、分散補償素子４０３は、左回りの量子もつれ光子対の量子状態（上記式（１））が右回りの量子もつれ光子対の量子状態（上記式（２））と同じに記述されるように、左回りの量子もつれ光子対の位相を調整する。

　分散補償素子４０３の役割について定性的に説明する。右回りのポンプ光がＱＰＭ素子４０６を通過する際には、入射端に近く分極反転周期が短いセクションをポンプ光が通過することで、角周波数ω_ｓ，ω_ｉが互いに近い組合せの光子対（たとえば各々が緑色の光子対）が生成される。その後、出射端に近く分極反転周期が長いセクションをポンプ光が通過することで、角周波数ω_ｓ，ω_ｉが互いから離れた組合せの光子対（たとえば青色および赤色の光子対）が生成される。この場合、緑色の光子対は、出射端までの残りのセクション（分極反転周期が中程度または長いセクション）を経由してからＱＰＭ素子４０６の外部に出射される。そうすると、緑色の光子対は、分極反転周期の変化に伴う屈折率変化を経験するため、分散の影響を受けやすい。これに対し、青色および赤色の光子対は、出射端近傍での生成後、直ちにＱＰＭ素子４０６の外部に出射される。青色および赤色の光子対は、屈折率変化をほとんど経験しないため、分散の影響を受けにくい。左回りのポンプ光がＱＰＭ素子４０６を通過する際には逆に、緑色の光子が分散の影響を受けにくく、青色および赤色の光子対が分散の影響を受けやすい。

　このように、左回りの量子もつれ光子対と右回りの量子もつれ光子対とでは分散の影響が相違する。そのため、第１の物理過程と第２の物理過程との間の量子干渉は周波数毎に不均一になり得る。分散補償素子４０３は、左回りの量子もつれ光子対の位相を調整することで、左回りの量子もつれ光子対と右回りの量子もつれ光子対との間で分散の影響を同程度にする。これにより、光子対源４Ａにおいて完全な量子干渉を起こすことが可能になる。

　第１の物理過程と第２の物理過程との間で量子干渉が起こる場合、広帯域周波数もつれ状態が維持されたまま、ビームスプリッタ４０１から１光子ずつが別々の方向（第１方向および第２方向）に出射される。その理由は、直感的には、当該物理過程が図４にて説明した量子干渉（第１～第４の物理過程）の逆過程に相当するためであると説明できるが、より厳密には以下のように記述される。

　ビームスプリッタ４０１への入射前の２つの空間モードをａ，ｂと記載し、ビームスプリッタ４０１からの出射後の２つの空間モードをｃ，ｄと記載する。ここでも特定の角周波数ωでもつれ合った項を抜き出して考える。ビームスプリッタ４０１への入射前における量子もつれ光子対の量子状態は、下記式（３）のように表される。

　ビームスプリッタ４０１からの出射後における量子もつれ光子対の量子状態は、下記式（４）のように表される。

　式（４）は下記式（５）のように整理される。式（５）より、周波数ωでもつれ合った光子がビームスプリッタ４０１から別々に出射されることが分かる。

　以上のように、リッジ型導波路ＷＧが配置されたＱＰＭ素子４０６であっても、ＱＰＭ素子４０６をサニャック干渉計４０に組み込むことによって、量子もつれ光子対をシグナル光子とアイドラー光子とに空間的に分離できる。便宜上、第１方向（図１６参照）に出射される光子をシグナル光子と呼び、第２方向に出射される光子をアイドラー光子と呼ぶ。

　図１５に戻り、量子干渉光学系４Ｚは、ミラー５１～５４と、アクチュエータ付きのディレイミラー５５と、ビームスプリッタ５６と、検出器５７，５８と、同時計数回路５９とを備える。量子もつれ光子対源４Ａからのシグナル光子はミラー５１に導かれ、アイドラー光子はミラー５３に導かれる。ミラー５１，５３よりも後段に配置された構成要素（光学素子および機器）は、比較例にて説明した量子干渉光学系９２（図３参照）における対応する構成要素と同等である。ミラー５１，５３よりも後段に配置された構成要素を比較例と同様に制御することで、遅延時間τに応じてＨＯＭ干渉が起こり、同時計数回路５９からの信号にＨＯＭディップが生じる。したがって、試料ＳＰへのシグナル光子の照射位置を変えながら繰り返し測定を実施することで、試料ＳＰの断層像を作成できる。

　以上のように、実施の形態１に係る量子ＯＣＴサブシステム４においては、リッジ型導波路ＷＧが設けられたＱＰＭ素子４０６がサニャック干渉計４０の内部に配置された上で、左回りの量子もつれ光子対と右回りの量子もつれ光子対との量子干渉が利用される。これにより、２つの量子もつれ光子対から、広帯域周波数もつれ状態が維持されたまま空間的に分離されたシグナル光子およびアイドラー光子を得ることができる。

　広帯域周波数もつれ状態を形成可能なＱＰＭ素子４０６を採用することで、シグナル光子およびアイドラー光子の観測の時間相関を向上させることができる（図５参照）。また、量子もつれ光子対間のＨＯＭ干渉を利用することで、群速度分に耐性を持たせることができる（図８参照）。したがって、実施の形態１によれば、試料ＳＰの断層像の分解能を向上させることができる。さらに、ＱＰＭ素子４０６には、量子もつれ光子対の閉じ込め効果が高いリッジ型導波路ＷＧが設けられているため、量子もつれ光子対の生成効率を向上させることができる。したがって、実施の形態１によれば、試料ＳＰの断層像の撮影時間を短縮できる。

　一般に、干渉計を構成する光学系は、環境温度の変化または外部から加わる振動などによって時間的に変化し得る。そのため、典型的な干渉計（マイケルソン干渉計など）を量子ＯＣＴサブシステム４に採用した場合、干渉させる２つの光路間の光路長差の時間的な変化量が所定量を下回るように（たとえば１０ｎｍオーダーに収まるように）することが望ましい。しかし、そのような光路長差の安定化は現実には困難である。

　これに対し、サニャック干渉計４０では、左回りの量子もつれ光子対の光路と右回りの量子もつれ光子対の光路との間で一部の光学素子（具体的にはミラー４０４，４０８など）が共有されている。そのため、温度変化または振動などの外乱によってミラー４０４，４０８の位置が若干ずれたとしても、左回りの量子もつれ光子対の光路長変化量と右回りの量子もつれ光子対の光路長変化量とは等しい。したがって、サニャック干渉計４０を採用することで外乱に対する耐性が高い光学系を構築できる。その結果、光路長差の安定化を容易に実現できる。

　光断層撮影システム１００は、古典ＯＣＴサブシステム２と量子ＯＣＴサブシステム４とのハイブリッドシステムである。量子ＯＣＴサブシステム４によれば断層像の撮影時間を短縮できるものの、古典ＯＣＴサブシステム２による断層像の撮影時間の方がさらに短い。したがって、まず、古典ＯＣＴサブシステム２を用いて全体像を撮影し、全体像のなかに確認を要する箇所または拡大したい箇所などが存在する場合に、量子ＯＣＴサブシステム４を用いて詳細な断層像を撮影すればよい。これにより、ハイブリッドシステムの利点を活かすことができる。

　＜実証および評価＞
　量子ＯＣＴサブシステム４の実証および評価のために実施した各種の測定結果について説明する。まず、サニャック干渉計４０において空間的に分離されたシグナル光子とアイドラー光子との光子対のスペクトルを分光器（図示せず）を用いて測定した。ポンプ光には波長４０５ｎｍの単色光ＣＷレーザを用いた。ＱＰＭ素子４０６の非線形光学結晶にはタイプＩ型のβ-バリウムボレート（ＢＢＯ）結晶を用いた。

　図１８は、空間的に分離された光子対のスペクトルの測定結果の一例を示す図である。光子対の中心波長は８１０ｎｍであった。スペクトル形状から求められる半値全幅（帯域幅）は９０ｎｍであった。

　続いて、左回りの量子もつれ光子対と右回りの量子もつれ光子対との間の位相差φを位相板４０２の走査により変化させた場合に得られる量子干渉縞を測定した。より詳細には、図示しないが、ビームスプリッタ４０１からの第１方向および第２方向の出力の各々に、ポンプ光を除去するためのダイクロイックミラーおよびロングパスフィルタと、検出器（単一光子検出器）とを設置した。そして、２台の検出器による同時計数カウント数を同時計数回路を用いて測定した。

　図１９は、量子干渉縞の測定結果の一例を示す図である。横軸は、位相板４０２の走査による位相差φを表す。縦軸は、同時計数回路による同時計数カウント数を表す。図１９には、透過帯８１０±４ｎｍのバンドパスフィルタ（図示せず）を検出器の前段に設置した場合／設置しなかった場合についての量子干渉縞の測定結果が示されている。曲線は三角関数を用いたフィッティング結果を表す。

　同時計数カウント数の最大値Ｎ_ｍａｘと最小値Ｎ_ｍｉｎとを用いて量子干渉の明瞭度（visibility）Ｖ_ＱＩを下記式（６）のように定義できる。Ｖ_ＱＩ＝１が完全な量子干渉に相当し、Ｖ_ＱＩ＝０が量子干渉ゼロに相当する。バンドパスフィルタありの場合の明瞭度は、Ｖ_ＱＩ＝０．７９±０．０１であった。バンドパスフィルタなしの場合の明瞭度は、Ｖ_ＱＩ＝０．４０±０．０２であった。

　また、分離度Ｒを下記式（７）のように定義できる。分離度Ｒとは、サニャック干渉計４０において生成された量子もつれ光子対のうち空間的に分離された量子もつれ光子対の割合である。バンドパスフィルタありの場合の分離度は、Ｒ＝０．８９±０．０１であった。バンドパスフィルタなしの場合の分離度は、Ｒ＝０．７０±０．０２であった。

　以上の結果から、サニャック干渉計４０において完全ではないものの良好な量子干渉が起こっていること、および、シグナル光子およびアイドラー光子への空間的分離が高効率に行われていることが分かる。また、適切な帯域幅のバンドパスフィルタを設置することで、バンドパスフィルタ非設置の場合と比べて、明瞭度および分離度を向上可能であることが分かる。

　さらに、サニャック干渉計４０を用いて空間的に分離されたシグナル光子とアイドラー光子との間の周波数相関を測定した。この測定では、検出器５７，５８の各々の前段に分光器（回折格子）を配置することで、シグナル光子およびアイドラー光子の波長毎に同時計数カウント数を求めた。

　図２０は、シグナル光子とアイドラー光子との間の周波数相関の測定結果の一例を示す図である。横軸はシグナル光子の波長（シグナル波長）を表し、縦軸はアイドラー光子の波長（アイドラー波長）を表す。各波長のステップ幅は５ｎｍとした。シグナル波長とアイドラー波長との組み合わせ毎に、同時計数カウント数が多い組み合わせほど濃く示されている。同時計数窓は２ｎｓとし、ステップ当たりの積算時間は１０秒とした。

　図２０より、同時計数カウント数が多いシグナル波長とアイドラー波長との組み合わせが直線上に分布していること、すなわち、シグナル波長とアイドラー波長との和が一定であることが読み取れる。直線上の波長を角周波数に変換すると、シグナル光子の角周波数ω_ｓとアイドラー光子の角周波数ω_ｉとの和が一定であってポンプ光の周波数ω_ｐに等しいことが分かる（ω_ｓ＋ω_ｉ＝ω_ｐ）。よって、シグナル光子とアイドラー光子との間の周波数相関の存在が確認できたと言える。また、この周波数相関が存在する帯域幅が約９０ｎｍであり、図１８に示したスペクトル測定結果から求められた半値全幅９０ｎｍとよく一致していることも分かる。

　図２１は、２光子量子干渉（ＨＯＭ干渉）の測定結果の一例を示す図である。この測定では、シグナル光路とアイドラー光路との間の光路長差を掃引するのにディレイミラー５５（図１５参照）を用いるのに代えて、検出器５８を光軸方向に掃引可能な可動式ステージ（図示せず）を用いた。横軸は、可動式ステージによる掃引距離を表す。横軸を遅延時間τと読み替えてもよい。掃引のステップ幅は０．５ｍｍとし、ステップ数は４００とした。縦軸は、同時計数回路５９による同時計数カウント数を表す。ステップ当たりの積算時間は１秒とした。

　図２１に示すようにＨＯＭディップの存在を確認できた。曲線は、ガウシアン関数を用いたフィッティング結果を表している。ＨＯＭディップの半値全幅は２．３±０．２μｍであった。この値は、量子ＯＣＴサブシステム４が２．３μｍの深さ方向分解能を達成可能であることを意味している。また、上記の半値全幅から、空間的に分離されたシグナル光子およびアイドラー光子の光子対の半値全幅を算出すると、８７ｎｍであった。この値は、スペクトル（図１８参照）の半値全幅９０ｎｍとほぼ等しい。

　ＨＯＭ干渉に関しては明瞭度Ｖ_ＨＯＭを下記式（８）のように定義できる。一般に、干渉の明瞭度Ｖ_ＨＯＭが０．５を上回ると、その干渉は非古典的であると言われる。図２１に示す例では、明瞭度Ｖ_ＨＯＭ＝０．５８であった。

　［実施の形態１の変形例］
　図１９にて説明したように、実施の形態１に係る量子もつれ光子対源４Ａにおける量子干渉の明瞭度は、バンドパスフィルタありの場合であっても約０．７９であり、理論値である１には達しなかった。その理由の１つとしては、サニャック干渉計４０内の光学素子による損失、特に位相板４０２による損失が考えられる。実際に測定したところ、位相板４０２による損失は、波長４０５ｎｍにおいて約１５％であり、波長８１０ｎｍにおいて約１２％であった。

　図２２は、実施の形態１の変形例に係る量子もつれ光子対源の構成を概略的に示す図である。量子もつれ光子対源４Ｂは、サニャック干渉計４０（図１５参照）に代えてサニャック干渉計４０Ａを備える。サニャック干渉計４０Ａは、位相板４０２に加えて損失補償素子４０９をさらに含む点において、サニャック干渉計４０と異なる。損失補償素子４０９は、ビームスプリッタ４０１とミラー４０８との間に配置されている。

　実施の形態１のようにサニャック干渉計４０内に位相板４０２および分散補償素子４０３が１つずつ配置されている構成においても、左回りの光路および右回りの光路に共通に位相板４０２と分散補償素子４０３とが配置されているため、量子もつれ光子対の伝搬方向によらず同等の損失が生じるようにも思われる。しかし、より厳密に検討すると、左回りの光路においては、ＱＰＭ素子４０６において生成された左回りの量子もつれ光子対が位相板４０２および分散補償素子４０３を通過する際に損失を受ける。これに対し、右回りの光路においては、ＱＰＭ素子４０６への入射前のポンプ光は損失を受けるものの、ＱＰＭ素子４０６において生成された右回りの量子もつれ光子対は位相板４０２および分散補償素子４０３を通過しないため損失を受けない。したがって、サニャック干渉計４０は、左回りの光路と右回りの光路とが量子もつれ光子対の損失に関して非対称に構成されていると言える。

　そこで、本変形例に係るサニャック干渉計４０Ａにおいては、位相板４０２に加えて損失補償素子４０９が配置されている。これにより、左回りの量子もつれ光子対は位相板４０２および分散補償素子４０３を通過し、右回りの量子もつれ光子対は損失補償素子４０９を通過する。損失補償素子４０９は、位相板４０２および分散補償素子４０３が左回りの量子もつれ光子対に与える損失と同等の損失を右回りの量子もつれ光子対に与える。よって、量子もつれ光子対の伝搬方向に関する損失の対称性が改善される。その結果、実施の形態１と比べて、量子干渉の明瞭度を向上させることができる。なお、位相板４０２および分散補償素子４０３による損失が無視できるほど小さい場合には損失補償素子４０９を省略できる。

　［実施の形態２］
　実施の形態２～４に係る量子ＯＣＴサブシステムの構成について順に説明する。実施の形態２～４に係る量子ＯＣＴサブシステムは、実施の形態１に係る量子ＯＣＴサブシステム４とは異なる量子もつれ光子対源を備える。実施の形態２～４に係る量子ＯＣＴサブシステムのそれ以外の構成（量子干渉光学系４Ｚの構成）、および、光断層撮影システムの全体構成は、実施の形態１にて説明した構成と同様であるため、説明は繰り返さない。なお、実施の形態２，３においてもサニャック干渉計４０Ａ（図２２参照）と同様に、損失の対称性を改善するために損失補償素子を追加できる。

　図２３は、実施の形態２に係る量子もつれ光子対源の構成を概略的に示す図である。量子もつれ光子対源４Ｃは、サニャック干渉計４０（図１５参照）に代えてサニャック干渉計６０を備える。サニャック干渉計６０は、実施の形態１におけるＱＰＭ素子４０６に代えてＱＰＭ素子６０６を含む点、および、分散補償素子４０３を含まない点において、サニャック干渉計４０と異なる。ＱＰＭ素子４０６とＱＰＭ素子６０６とを比較すると、リッジ型導波路ＷＧが設けられている点は共通するが、分極反転周期（セクション幅）の変化の仕方が相違する。

　実施の形態２において、ＱＰＭ素子６０６は、第１端面Ｒ１と第２端面Ｒ２との中央に位置する面（対称面）Ｒ３に関して面対称に構成されている。この例では、ＱＰＭ素子６０６の分極反転周期は、第１端面Ｒ１から対称面Ｒ３に向けて次第に減少し、対称面Ｒ３から第２端面Ｒ２に向けて次第に増加している。

　右回りのポンプ光により第１端面Ｒ１付近で生成される青色および赤色の光子対は、第１端面Ｒ１から第２端面Ｒ２までのセクション通過中に屈折率変化を経験する。右回りのポンプ光により対称面Ｒ３付近で生成される緑色の光子対は、対称面Ｒ３から第２端面Ｒ２までのセクションの通過中に屈折率変化を経験する。右回りのポンプ光により第２端面Ｒ２付近で生成される青色および赤色の光子対は、屈折率変化をほとんど経験しない。

　一方、左回りのポンプ光により第２端面Ｒ２付近で生成される青色および赤色の光子対は、第２端面Ｒ２から第１端面Ｒ１までのセクション通過中に屈折率変化を経験する。左回りのポンプ光により対称面Ｒ３付近で生成される緑色の光子対は、対称面Ｒ３から第１端面Ｒ１までのセクションの通過中に屈折率変化を経験する。左回りのポンプ光により第１端面Ｒ１付近で生成される青色および赤色の光子対は、屈折率変化をほとんど経験しない。

　このように、左回りの量子もつれ光子対と右回りの量子もつれ光子対との間で分極反転周期の変化の仕方を同じにすることで、左回りの量子もつれ光子対が経験する屈折率変化と、右回りの量子もつれ光子対が経験する屈折率変化とが同等になる。その結果、分散の影響が相殺されるので、サニャック干渉計６０には分散補償素子４０３（図１５参照）を設けなくてよい。

　なお、ＱＰＭ素子６０６の分極反転周期は、第１端面Ｒ１から対称面Ｒ３に向けて増加し、対称面Ｒ３から第２端面Ｒ２に向けて減少してもよい。また、分極反転周期が連続的に増減することは必須ではなく、分極反転周期は、不連続に（たとえばステップ的に）増減してもよい。

　図２４は、実施の形態２にて採用されるサニャック干渉計６０における量子干渉を数式を用いて説明するための図である。上図に示すように、ＱＰＭ素子６０６を対称面Ｒ３で仮想的に分割する。ＱＰＭ素子６０６の長さを２Ｌとする。

　左回りの量子もつれ光子対に関し、まず、角周波数ωの量子もつれ光子対が第２端面Ｒ２（入射端）と対称面Ｒ３との間の任意の位置で生成される状況を考える（中段の図参照）。この位置から第１端面Ｒ１（出射端）までの長さは、当該位置から対称面Ｒ３までの長さ（＝Ｌ×（ω／Ω））と、対称面Ｒ３から第１端面Ｒ１までの長さ（＝Ｌ）との和であり、Ｌ×（ω／Ω）＋Ｌである。よって、この量子もつれ光子対に与えられる位相は、ｅｘｐ｛ｉφ（ω）Ｌ（１＋ω／Ω）｝と表される。

　同一の角周波数ωの量子もつれ光子対は、対称面Ｒ３と第１端面Ｒ１（出射端）との間でも生成される（下図参照）。この位置から第１端面Ｒ１までの長さは、Ｌ×（１－ω／Ω）と表される。よって、この量子もつれ光子対に与えられる位相は、ｅｘｐ｛ｉφ（ω）Ｌ（１－ω／Ω）｝と表される。

　左回りの量子もつれ光子対の位相は、上記２つの位相を加算することで算出される。したがって、左回りの量子もつれ光子対の量子状態は下記式（９）のように記述される。

　右回りの量子もつれ光子対に関しても同様に、まず、角周波数ωの量子もつれ光子対が対称面Ｒ３と第２端面Ｒ２（出射端）の間の任意の位置で生成される状況を考える（中段の図参照）。この位置から第２端面Ｒ２までの長さは、Ｌ（１－ω／Ω）である。この量子もつれ光子対に与えられる位相は、ｅｘｐ｛ｉφ（ω）Ｌ（１－ω／Ω）｝と表される。一方、第１端面Ｒ１（入射端）と対称面Ｒ３との間の位置での量子もつれ光子対の生成を考えると（下図参照）、その位置から第２端面Ｒ２までの長さは、Ｌ×（ω／Ω）＋Ｌである。よって、この量子もつれ光子対に与えられる位相は、ｅｘｐ｛ｉφ（ω）Ｌ（１＋ω／Ω）｝と表される。

　右回りの量子もつれ光子対の位相は、上記２つの位相を加算することで算出される。したがって、右回りの量子もつれ光子対の量子状態も上記式（９）により記述されることが分かる。

　このように、左回りの量子もつれ光子対の量子状態と右回りの量子もつれ光子対の量子状態とは等しい。そのため、左回りのポンプ光により左回りの量子もつれ光子対が生成される事象（第１の物理過程）と、右回りのポンプ光により右回りの量子もつれ光子対が生成される事象（第２の物理過程）との見分けが付かない。したがって、分散補償素子を設けなくても第１の物理過程と第２の物理過程との間で完全な量子干渉が起こり得る。

　以上のように、実施の形態２では、ＱＰＭ素子６０６がサニャック干渉計６０に配置されているため、量子もつれ光子対をシグナル光子とアイドラー光子とに空間的に分離可能である。また、量子もつれ光子対のＨＯＭ干渉により群速度分散の課題を解決できる。さらに、リッジ型導波路ＷＧが設けられたＱＰＭ素子６０６を採用することで、量子もつれ光子対の生成効率を向上させることもできる。したがって、実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、光断層撮影システムにおける断層像の分解能を向上させつつ、断層像の撮影時間を短縮できる。

　さらに、実施の形態２においては、ＱＰＭ素子６０６の分極反転周期を対称的に設けることによって、量子もつれ光子対の伝搬方向に由来する分散の影響の違いを低減できる。したがって、実施の形態２によれば、分散補償素子を省略しても完全な量子干渉を起こすことができる。

　［実施の形態３］
　図２５は、実施の形態３に係る量子もつれ光子対源の構成を概略的に示す図である。量子もつれ光子対源４Ｄは、変形サニャック干渉計７０と、ダイクロイックミラー７１と、ミラー７２とを備える。

　変形サニャック干渉計７０は、ビームスプリッタ７０１と、位相板７０２と、ミラー７０３～７０５と、レンズ７１１と、ＱＰＭ素子７１２と、レンズ７１３と、フィルタ７１４と、レンズ７１５と、ＱＰＭ素子７１６と、レンズ７１７と、フィルタ７１８とを含む。変形サニャック干渉計７０は、ポンプ光源３からビームスプリッタ７０１へのポンプ光の入射位置と、光学系を周回したポンプ光のビームスプリッタ７０１への戻り位置とが異なる点において、サニャック干渉計４０（図１５参照）およびサニャック干渉計６０（図２３参照）と異なる。

　具体的には、ビームスプリッタ７０１は、ダイクロイックミラー７１と位相板７０２との間に配置されるとともに、ダイクロイックミラー７１とミラー７０５との間に配置されている。変形サニャック干渉計７０を構成する一部の光学素子は、ビームスプリッタ７０１から左回りに、ビームスプリッタ７０１－位相板７０２－ミラー７０３－レンズ７１１－ＱＰＭ素子７１２－レンズ７１３－フィルタ７１４の順に配置されている。変形サニャック干渉計７０を構成する残り光学素子は、ビームスプリッタ７０１から右回りに、ビームスプリッタ７０１－ミラー７０５－レンズ７１５－ＱＰＭ素子７１６－レンズ７１７－フィルタ７１８の順に配置されている。

　ビームスプリッタ７０１を透過したポンプ光は、左回りに光学系を伝搬する。このポンプ光は、ミラー７０５を経由した後にレンズ７１５により集光されてＱＰＭ素子７１６に入射する。これにより、左回りの量子もつれ光子対（破線参照）が生成される。左回りの量子もつれ光子対は、レンズ７１７、ミラー７０４、フィルタ７１８およびミラー７０３を経由してビームスプリッタ７０１に到達する。なお、ＱＰＭ素子７１６を通過したポンプ光は、フィルタ７１８により遮断される。

　ビームスプリッタ７０１で反射したポンプ光は、右回りに光学系を伝搬する。このポンプ光は、位相板７０２およびミラー７０３を経由した後にレンズ７１１により集光されてＱＰＭ素子７１２に入射する。これにより、右回りの量子もつれ光子対（１点鎖線参照）が生成される。右回りの量子もつれ光子対は、レンズ７１３、ミラー７０４、フィルタ７１４およびミラー７０５を経由してビームスプリッタ７０１に到達する。なお、ＱＰＭ素子７１２を通過したポンプ光は、フィルタ７１４により遮断される。

　ミラー７０３～７０５を適宜調整することにより、左回りの量子もつれ光子対と右回りの量子もつれ光子対とがビームスプリッタ７０１にて合流する位置を、ポンプ光源３からのポンプ光がビームスプリッタ７０１に入射する位置から僅かにずらすことができる。これにより、変形サニャック干渉計７０を構築できる。

　ＱＰＭ素子７１２とＱＰＭ素子７１６とは共通の構成を有する。左回りのポンプ光がＱＰＭ素子７１６内（リッジ型導波路ＷＧ）を伝搬する方向は、ＱＰＭ素子７１６の分極反転周期が次第に増加する方向である。右回りのポンプ光がＱＰＭ素子７１２内を伝搬する方向も、ＱＰＭ素子７１２の分極反転周期が次第に増加する方向である。このように、変形サニャック干渉計７０においては、共通の構成を有するＱＰＭ素子７１２，７１６が、量子もつれ光子対の伝搬方向における分極反転周期の変化の仕方が同じになるように配置されている。これにより、左回りの量子もつれ光子対が経験する屈折率変化と、右回りの量子もつれ光子対が経験する屈折率変化とが同等になる。したがって、分散補償素子を追加しなくても分散の影響を相殺できる。

　実施の形態３においては、左回りの量子もつれ光子対の量子状態も右回りの量子もつれ光子対の量子状態も下記式（１０）のように記述される。左回り／右回りの量子もつれ光子対の位相の算出手法については特に繰り返さなくても実施の形態１での説明（図１７参照）から理解されるであろう。

　実施の形態３においても、実施の形態２（式（６）参照）と同様に、左回りの量子もつれ光子対の量子状態と右回りの量子もつれ光子対の量子状態とは等しい。したがって、左回りのポンプ光により左回りの量子もつれ光子対が生成される事象（第１の物理過程）と、右回りのポンプ光により右回りの量子もつれ光子対が生成される事象（第２の物理過程）との間で完全な量子干渉が起こる。

　実施の形態２におけるサニャック干渉計６０（図２３参照）では、左回りのポンプ光と右回りのポンプ光とがＱＰＭ素子６０６に設けられた共通の光路（リッジ型導波路ＷＧ）を伝搬する。それに加えて、ＱＰＭ素子６０６は、対称面Ｒ３に関して対称的な分極反転構造を有する。図２４にて説明したように、左回りのポンプ光により角周波数ωの量子もつれ光子対が生成される事象は、ポンプ光が対称面Ｒ３を通過する前と通過した後との両方で起こり得る。対称面Ｒ３の通過前に生成された角周波数ωの量子もつれ光子対と、対称面Ｒ３の通過後に生成された角周波数ωの量子もつれ光子対との見分けは付かない。したがって、対称面Ｒ３の通過前に量子もつれ光子対が生成される事象と、対称面Ｒ３の通過後に量子もつれ光子対が生成される事象との間で量子干渉が起こり得る。つまり、量子もつれ光子対の角周波数毎に、上記２つの事象が強め合う量子干渉（建設的干渉）が起こったり、上記２つの事象が弱め合う量子干渉（破壊的干渉）が起こったりする可能性がある。右回りのポンプ光により量子もつれ光子対が生成される事象についても同様である。

　上記のような量子干渉の結果、角周波数毎のシグナル光子およびアイドラー光子の生成数、すなわち量子もつれ光子対のスペクトル強度が不均一になり得る。量子もつれ光子対のスペクトル強度の不均一性を低減するためには、量子干渉を適切に制御すべく、ＱＰＭ素子６０６を通過する際に生じる左回りのポンプ光の分散と右回りのポンプ光の分散との間の差異を正確に設計することが要求され得る。よって、ＱＰＭ素子６０６の設計難易度が高くなる可能性がある。

　これに対し、実施の形態３に係る量子もつれ光子対源４Ｄにおいては、左回りのポンプ光の光路と右回りのポンプ光の光路とが分離され、かつ、２つのＱＰＭ素子７１２，７１６が変形サニャック干渉計７０に配置されている。これにより、ＱＰＭ素子７１２において角周波数ωの量子もつれ光子対が生成される事象と、ＱＰＭ素子７１６において同一の角周波数ωの量子もつれ光子対が生成される事象との見分けが付くため、角周波数ωの量子もつれ光子対が生成される事象間の量子干渉は起こらない。したがって、量子もつれ光子対のスペクトル強度の不均一性を低減するための設計が不要である。よって、より容易にＱＰＭ素子を設計できる。

　以上のように、実施の形態３では、サニャック干渉計の一種である変形サニャック干渉計７０にＱＰＭ素子７１２，７１６が配置されているため、量子もつれ光子対をシグナル光子とアイドラー光子とに空間的に分離可能である。また、実施の形態１，２と同様に、量子もつれ光子対のＨＯＭ干渉により群速度分散の課題を解決できる。さらに、リッジ型導波路ＷＧが設けられたＱＰＭ素子７１２，７１６を採用することで、量子もつれ光子対の生成効率を向上させることもできる。したがって、実施の形態３によれば、光断層撮影システムにおける断層像の分解能を向上させつつ、断層像の撮影時間を短縮できる。

　さらに、実施の形態３においては、右回りの量子もつれ光子対の伝搬方向におけるＱＰＭ素子７１２の分極反転周期の変化の仕方と、左回りの量子もつれ光子対の伝搬方向におけるＱＰＭ素子７１６の分極反転周期の変化の仕方とが同じである。これにより、量子もつれ光子対の伝搬方向による分散の影響の違いを低減できる。したがって、分散補償素子を省略しても完全な量子干渉を起こすことができる。

　それに加えて、実施の形態３においては、２つのＱＰＭ素子７１２，７１６を用いてポンプ光の伝搬方向毎に光路が分離されている。これにより、同一の角周波数ωの量子もつれ光子対が生成される事象間の量子干渉を抑制できる。したがって、ＱＰＭ素子７１２，７１６の設計におけるスペクトル強度の不均一性への対策を省くことができる。

　また、変形サニャック干渉計７０においても、左回りの量子もつれ光子対の光路と右回りの量子もつれ光子対の光路との間でミラー７０３～７０５が共有されている。そのため、外乱に伴ってミラー７０３～７０５の位置が若干ずれたとしても、左回りの量子もつれ光子対の光路長変化量と、右回りの量子もつれ光子対の光路長変化量とは等しい。したがって、変形サニャック干渉計７０も外乱に対して非常に安定している。

　なお、実施の形態３では、ＱＰＭ素子７１２とＱＰＭ素子７１６とが本開示に係る「擬似位相整合部」に相当する。ミラー７０３，７０５のうちの一方が本開示に係る「第１のミラー」に相当し、他方が本開示に係る「第２のミラー」に相当する。ミラー７０４は、本開示に係る「第３のミラー」に相当する。

　［実施の形態３の変形例］
　図２６は、実施の形態３の変形例に係る量子もつれ光子対源の構成を概略的に示す図である。量子もつれ光子対源４Ｅは変形サニャック干渉計７０Ａを備える。変形サニャック干渉計７０Ａは、ＱＰＭ素子７１２とＱＰＭ素子７１６とが一体形成されている点において、実施の形態３における変形サニャック干渉計７０（図２５参照）と異なる。

　この例では、ＱＰＭ素子７１６がＱＰＭ素子７１２とともに、ミラー７０３とミラー７０４との間に配置されている。また、ＱＰＭ素子７１６の配置変更に伴い、レンズ７１５，７１７もミラー７０３とミラー７０４との間に移転されている。左回りのポンプ光を遮断するためのフィルタ７１８もミラー７０３とビームスプリッタ７０１との間に移転されている。

　ＱＰＭ素子７１２における分極反転周期の増加方向（図中、下から上への方向）と、ＱＰＭ素子７１６における分極反転周期の増加方向（上から下への方向）とは、反対向きである。こうすることで、右回りのポンプ光のＱＰＭ素子７１２内での伝搬方向と、左回りのポンプ光のＱＰＭ素子７１６内での伝搬方向とが、いずれも分極反転周期の増加方向と一致する。なお、ＱＰＭ素子７１２に設けられるリッジ型導波路ＷＧとＱＰＭ素子７１６に設けられるリッジ型導波路ＷＧとの間の間隔をある程度（たとえば２０μｍ以上）空けることで、２つの光路間のクロストークを抑制できる。このようにＱＰＭ素子７１２，７１６を一体形成することにより、ＱＰＭ素子７１２，７１６が別々に形成されている場合（図２５参照）と比べて、変形サニャック干渉計を小型化できる。

　また、一体形成されたＱＰＭ素子７１２とＱＰＭ素子７１６とは似た温度変化を示す。かつ、共通の構成を有するＱＰＭ素子７１２とＱＰＭ素子７１６との間では、量子もつれ光子対の生成効率の温度依存性も等しい。そのため、測定中にＱＰＭ素子７１２，７１６の温度ゆらぎが生じた場合、量子もつれ光子対の生成効率が同じように変化する。したがって、ＱＰＭ素子７１２による量子もつれ光子の生成数と、ＱＰＭ素子７１６による量子もつれ光子の生成数との間に差が生じにくい。

　以上のように、実施の形態３の変形例によれば、外乱に伴うミラー７０３～７０５の変位に対して安定しているのに加えて、ＱＰＭ素子７１２，７１６の温度ゆらぎにも安定している光学系を構築できる。

　なお、実施の形態２、実施の形態３、および、実施の形態３の変形例においても実施の形態１の変形例（図２２参照）にて説明したのと同様に、左回りの量子もつれ光子対の光路および右回りの量子もつれ光子対の光路の両方に位相板を配置してもよい。これにより、量子干渉の明瞭度を向上させることができる。

　［実施の形態４］
　実施の形態４では、サニャック干渉計または変形サニャック干渉計を用いずに、量子もつれ光子対の偏光に応じて当該量子もつれ光子対をシグナル光子とアイドラー光子とに分離する構成について説明する。

　図２７は、実施の形態４に係る量子もつれ光子対源の構成を概略的に示す図である。量子もつれ光子対源４Ｆは、偏光干渉計８０と、ミラー８１とを備える。

　図２８は、偏光干渉計８０の構成をより詳細に示す拡大図である。偏光干渉計８０は、レンズ８０１と、ＱＰＭ素子８０２と、レンズ８０３と、ダイクロイックミラー８０４と、分散補償素子８０５と、半波長板８０６と、偏光ビームスプリッタ８０７とを含む。レンズ８０１、ＱＰＭ素子８０２、レンズ８２、ダイクロイックミラー８０４、分散補償素子８０５、半波長板８０６および偏光ビームスプリッタ８０７は、ポンプ光源３からのポンプ光の光路に、この順に配置されている。

　レンズ８０１は、ポンプ光を集光し、集光したポンプ光をＱＰＭ素子８０２に入射させる。ポンプ光は、ＱＰＭ素子８０２に斜め偏光で入射する。すなわち、ポンプ光は、縦偏光成分と横方向成分とを含む。

　ＱＰＭ素子８０２は、分極方向が互いに直交する２つの分極反転領域８０２Ａ，８０２Ｂを含む。図２８に示すように、ＱＰＭ素子８０２の前半分に分極反転領域８０２Ａが配置され、ＱＰＭ素子８０２の後半分に分極反転領域８０２Ｂが配置されている。この例では、分極反転領域８０２Ａにおける分極方向は鉛直方向（ｚ方向）である。分極反転領域８０２Ｂにおける分極方向は水平方向（ｙ方向）である。図２８に示す例ではＱＰＭ素子８０２はバルク型であるが、ＱＰＭ素子８０２にはリッジ型導波路ＷＧが設けられていてもよい。

　分極反転領域８０２Ａにおいて、ポンプ光の縦偏光成分から縦偏光を持つ量子もつれ光子対が生成される。量子もつれ光子対の縦偏光はｚ軸方向である。さらに、分極反転領域８０２Ｂにおいて、ポンプ光の横偏光成分から横偏光を持つ量子もつれ光子対が生成される。量子もつれ光子対の横偏光はｙ軸方向である。量子もつれ光子対（縦偏光を持つ量子もつれ光子対および横偏光を持つ量子もつれ光子対）とポンプ光とは、レンズ８０３を介してダイクロイックミラー８０４に到達する。

　ダイクロイックミラー８０４は、量子もつれ光子対を透過する一方で、ポンプ光を反射する。これにより、ポンプ光が除去される。

　分散補償素子８０５は、ＱＰＭ素子８０２内で量子もつれ光子対に生じた分散を補償する。

　半波長板８０６は主面を有する。図２８に示す例では、半波長板８０６の主面は、量子もつれ光子対の伝搬方向（ｘ方向）に直交する平面（ｙｚ平面）内に存在する。半波長板８０６の光学軸（ＡＸで示す）は、半波長板８０６の主面（ｙｚ平面）内において、量子もつれ光子対の伝搬方向（ｘ軸方向）を中心に縦偏光の方向（ｚ軸方向）から２２．５°だけ傾いている。これにより、半波長板８０６は、縦偏光を持つ量子もつれ光子対および横偏光を持つ量子もつれ光子対の各々の偏光を回転させる。

　偏光ビームスプリッタ８０７は、半波長板８０６から量子もつれ光子対を受ける。偏光ビームスプリッタ８０７は、量子もつれ光子対を偏光に応じて、周波数がもつれ合ったシグナル光子およびアイドラー光子とに空間的に分離する。

　以下、数式を用いて説明する。ここではＱＰＭ素子８０２内での分散を無視し、特定の角周波数ωでもつれ合った項を抜き出して考える。水平偏光モードをＨと記載し、垂直偏光モードをＶと記載する。半波長板８０６を通過する前における量子もつれ光子対の量子状態は、下記式（１１）のように表される。

　半波長板８０６を通過した後における量子もつれ光子対の量子状態は、下記式（１２）のように表される。

　式（１２）を整理すると下記式（１３）が得られる。式（１３）より、周波数がもつれ合った光子が偏光ビームスプリッタ８０７から１個ずつ別々に出射されることが分かる。

　以上のように、実施の形態４によれば、２２．５°だけ傾いた光学軸を有する半波長板８０６と偏光ビームスプリッタ８０７とを用いることで、ＱＰＭ素子８０２において生成される量子もつれ光子対を空間的に分離できる。

　今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１００　光断層撮影システム、１　低コヒーレント光源、２　古典ＯＣＴサブシステム、３　ポンプ光源、４　量子ＯＣＴサブシステム、４Ａ～４Ｆ　量子もつれ光子対源、４Ｚ　量子干渉光学系、５　コントローラ、６　モニタ、４０，４０Ａ，６０　サニャック干渉計、７０，７０Ａ　変形サニャック干渉計、８０　偏光干渉計、２１，５６，４０１，７０１　ビームスプリッタ、２２，４３，４８，５１，５３，５４，７２，８１，４０４，４０８，７０３，７０４，７０５　ミラー、２３，５７，５８　検出器、４１，７１，８０４　ダイクロイックミラー、４０２，６０２　位相板、４０５，４０７，７１１，７１３，７１５，７１７，８０１，８０３　レンズ、４０６，６０６，７１２，７１６，８０２　ＱＰＭ素子、４０３，８０５　分散補償素子、４０９　損失補償素子、ＷＧ　リッジ型導波路、５５　ディレイミラー、５９　同時計数回路、４２，７１４，７１８　フィルタ、９　量子ＯＣＴサブシステム、９１　量子もつれ光子対源、９１１，９１４　レンズ、９１２　ＱＰＭ素子、９１３　ロングパスフィルタ、９１５　シャープカットフィルタ、９２　量子干渉光学系、９２１～９２４　ミラー、９２５　ディレイミラー、９２６　ビームスプリッタ、９２７，９２８　検出器、９２９　同時計数回路。

Claims

　サニャック干渉計を備え、
　前記サニャック干渉計は、
　　前記サニャック干渉計の外部から供給される外部ポンプ光を第１のポンプ光と第２のポンプ光とに分割するビームスプリッタと、
　　リッジ型導波路が配置され、前記第１のポンプ光から周波数もつれ状態にある第１の量子もつれ光子対を生成するとともに、前記第２のポンプ光から周波数もつれ状態にある第２の量子もつれ光子対を生成する擬似位相整合部とを含み、
　前記ビームスプリッタは、前記第１の量子もつれ光子対と前記第２の量子もつれ光子対との統合により量子干渉を起こさせることによって、シグナル光子とアイドラー光子とを別々の方向に出射する、光源装置。
　前記擬似位相整合部は、単一の擬似位相整合素子を含み、
　前記サニャック干渉計は、前記外部ポンプ光から前記第１および第２のポンプ光への分割位置と、前記第１の量子もつれ光子対と前記第２の量子もつれ光子対との統合位置とが同じになるように構成されている、請求項１に記載の光源装置。
　前記サニャック干渉計は、第１および第２のミラーをさらに含み、
　前記擬似位相整合素子は、前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間に配置され、
　前記ビームスプリッタは、前記第１のポンプ光を前記第１のミラーに出射するとともに、前記第２のポンプ光を前記第２のミラーに出射し、
　前記擬似位相整合素子は、前記第１のミラーからの前記第１のポンプ光の入射により生成された前記第１の量子もつれ光子対を前記第２のミラーに出射し、かつ、前記第２のミラーからの前記第２のポンプ光の入射により生成された前記第２の量子もつれ光子対を前記第１のミラーに出射するように構成され、
　前記第１および第２のミラーは、前記ビームスプリッタにおいて、前記外部ポンプ光から前記第１および第２のポンプ光への分割位置と、前記第１の量子もつれ光子対と前記第２の量子もつれ光子対との統合位置とが同じになるように構成されている、請求項２に記載の光源装置。
　前記リッジ型導波路は、前記擬似位相整合素子の互いに対向する第１端面と第２端面との間に延在し、
　前記擬似位相整合素子は、前記第１のポンプ光が前記第１端面から前記リッジ型導波路に入射することで生成された前記第１の量子もつれ光子対を前記第２端面から出射し、かつ、前記第２のポンプ光が前記第２端面から前記リッジ型導波路に入射することで生成された前記第２の量子もつれ光子対を前記第１端面から出射する、請求項３に記載の光源装置。
　前記擬似位相整合素子は、前記第１端面と前記第２端面との間に設けられた複数の分極反転構造を有し、
　前記複数の分極反転構造における分極反転周期は、前記第１端面から前記第２端面に向けて単調に変化する、請求項４に記載の光源装置。
　前記擬似位相整合素子は、前記第１端面と前記第２端面との間に設けられた複数の分極反転構造を有し、
　前記複数の分極反転構造における分極反転周期は、前記第１端面と前記第２端面との間の中央面に関して対称的に変化する、請求項４に記載の光源装置。
　前記擬似位相整合部は、各々に前記リッジ型導波路が配置された第１および第２の擬似位相整合素子を含み、
　前記第１および第２の擬似位相整合素子の各々は、互いに対向する第１端面と第２端面との間に設けられた複数の分極反転構造を有し、
　前記第１の擬似位相整合素子と前記第２の擬似位相整合素子との間では、前記第１または第２の量子もつれ光子対の伝搬方向における前記複数の分極反転構造の分極反転周期の変化の仕方が同じであり、
　前記サニャック干渉計は、変形サニャック干渉計であり、前記外部ポンプ光から前記第１および第２のポンプ光への分割位置と、前記第１の量子もつれ光子対と前記第２の量子もつれ光子対との統合位置とが異なるように構成されている、請求項１に記載の光源装置。
　前記サニャック干渉計は、第１～第３のミラーをさらに含み、
　前記第１の擬似位相整合素子は、前記第１のミラーと前記第３のミラーとの間に配置され、
　前記第２の擬似位相整合素子は、前記第２のミラーと前記第３のミラーとの間に配置され、
　前記ビームスプリッタは、前記第１のポンプ光を前記第１のミラーに出射するとともに、前記第２のポンプ光を前記第２のミラーに出射し、
　前記第１の擬似位相整合素子は、前記第１のミラーからの前記第１のポンプ光の入射により生成された前記第１の量子もつれ光子対を前記第３のミラーを介して前記第２のミラーに出射し、
　前記第２の擬似位相整合素子は、前記第２のミラーからの前記第２のポンプ光の入射により生成された前記第２の量子もつれ光子対を前記第３のミラーを介して前記第１のミラーに出射し、
　前記第１～第３のミラーは、前記ビームスプリッタにおいて、前記外部ポンプ光から前記第１および第２のポンプ光への分割位置と、前記第１の量子もつれ光子対と前記第２の量子もつれ光子対との統合位置とが同じになるように構成されている、請求項７に記載の光源装置。
　前記第１の擬似位相整合素子と前記第２の擬似位相整合素子とは、一体形成されている、請求項７に記載の光源装置。
　前記サニャック干渉計は、第１～第３のミラーをさらに含み、
　　前記第１および第２の擬似位相整合素子は、前記第１のミラーと前記第３のミラーとの間に配置され、
　前記ビームスプリッタは、前記第１のポンプ光を前記第１のミラーに出射するとともに、前記第２のポンプ光を前記第２のミラーに出射し、
　前記第１の擬似位相整合素子は、前記第１のミラーからの前記第１のポンプ光の入射により生成された前記第１の量子もつれ光子対を前記第３のミラーを介して前記第２のミラーに出射し、
　前記第２の擬似位相整合素子は、前記第２のミラーから前記第３のミラーを介した前記第２のポンプ光の入射により生成された前記第２の量子もつれ光子対を前記第１のミラーに出射し、
　前記第１～第３のミラーは、前記ビームスプリッタにおいて、前記外部ポンプ光から前記第１および第２のポンプ光への分割位置と、前記第１の量子もつれ光子対と前記第２の量子もつれ光子対との統合位置とが同じになるように構成されている、請求項９に記載の光源装置。
　前記第１および第２の擬似位相整合素子の各々における前記分極反転周期は、前記第１端面から前記第２端面に向けて単調に変化する、請求項７～１０のいずれか１項に記載の光源装置。
　前記サニャック干渉計は、前記第１の量子もつれ光子対と前記第２の量子もつれ光子対との間の位相差を調整可能に構成された位相板をさらに含み、
　前記位相板は、前記第１の量子もつれ光子対の光路に配置されている、請求項１～１１のいずれか１項に記載の光源装置。
　前記サニャック干渉計は、前記位相板による前記第１の量子もつれ光子対への損失を補償するための損失補償素子をさらに含み、
　前記損失補償素子は、前記第２の量子もつれ光子対の光路に配置されている、請求項１２に記載の光源装置。
　前記擬似位相整合部は、可視域から近赤外域までの広帯域に亘る周波数の重ね合わせ状態の量子もつれ光子対を生成するように構成された分極反転領域を含む、請求項１～１３のいずれか１項に記載の光源装置。
　偏光干渉計を備え、
　前記偏光干渉計は、
　　分極方向が互いに直交する２つの分極反転領域を有し、ポンプ光から縦偏光を持つ第１の量子もつれ光子対と横偏光を持つ第２の量子もつれ光子対とを生成する擬似位相整合素子と、
　　主面および光学軸を有し、前記光学軸が前記主面内において前記第１または第２の量子もつれ光子対の偏光方向から２２．５°だけ傾いていることで前記第１および第２の量子もつれ光子対の各々の偏光を回転させる半波長板と、
　　前記半波長板からの前記第１の量子もつれ光子対と前記第２の量子もつれ光子対との間に量子干渉を起こさせることによって、シグナル光子とアイドラー光子とを別々の方向に出射するビームスプリッタとを含む、光源装置。
　光断層撮影システムであって、
　量子ＯＣＴ（Optical　Coherence　Tomography）サブシステムを備え、
　前記量子ＯＣＴサブシステムは、
　　請求項１～１５のいずれか１項に記載の光源装置と、
　　前記光源装置からの前記シグナル光子と前記アイドラー光子との量子干渉に基づいて試料の断層像を撮影するように構成された量子干渉光学系とを含む、光断層撮影システム。
　前記光断層撮影システムは、古典ＯＣＴサブシステムをさらに備え、
　前記古典ＯＣＴサブシステムは、低コヒーレント光源からの低コヒーレント光を分割することで生成される測定光と参照光との干渉に基づいて前記試料の断層像を撮影するように構成された干渉光学系を含む、請求項１６に記載の光断層撮影システム。
　前記光断層撮影システムは、前記光源装置を前記低コヒーレント光源としても使用可能に構成されている、請求項１７に記載の光断層撮影システム。