WO2023223949A1 - 量子もつれを共有するシステム - Google Patents

量子もつれを共有するシステム Download PDF

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WO2023223949A1
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quantum
multiplexing
photons
frequency
time
Prior art date
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PCT/JP2023/017848
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English (en)
French (fr)
Inventor
大輔 吉田
和哉 新関
Original Assignee
Ｌｑｕｏｍ株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/70—Photonic quantum communication
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J14/00—Optical multiplex systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/12—Transmitting and receiving encryption devices synchronised or initially set up in a particular manner

Definitions

  • the present invention relates to a system that shares quantum entanglement.
  • Patent Document 1 discloses a multiplexed quantum communication system that wavelength-multiplexes photons and transmits and receives them (paragraph [0018], FIG. 1, claim 9).
  • multiplexing is limited to multiplexing at optical wavelengths, and communication efficiency cannot necessarily be said to be good.
  • One aspect of the present invention aims to realize a system that efficiently shares quantum entanglement.
  • a system is a system that shares quantum entanglement, and includes a first device, a plurality of second devices, the first device, A classical communication path connecting each of the plurality of second devices, a multiplexing device connected to the second device, and a quantum communication path connecting the first device and the multiplexing device.
  • the first device outputs photons multiplexed by a combination of degrees of freedom in time, frequency, and space to the quantum communication channel; Perform demultiplexing by combining degrees of freedom.
  • efficient sharing of quantum entanglement can be realized in a system that shares quantum entanglement.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a multiple quantum communication system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a state of frequency multiplexing.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a time multiplexed state.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a state of spatial multiplexing.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a state in which frequency multiplexing, time multiplexing, and spatial multiplexing are combined.
  • 1 is a schematic diagram showing a more specific example of a multiple quantum communication system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing another example of a more specific multiple quantum communication system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flow diagram showing a procedure for generating an encryption key.
  • FIG. 1 is a diagram showing the device configuration of a multiple quantum communication system 100 according to an embodiment.
  • the multiple quantum communication system 100 includes a quantum communication channel 1, classical communication channels 2(1), 2(2), a transmitting device 10, receiving devices 20(1), 20(2), and a multiplexing device 30. Quantum entanglement is shared between 10 and receiving devices 20(1) and 20(2).
  • the classical communication channels 2(1) and 2(2) are collectively explained, they are referred to as the classical communication channel 2, and when the receiving devices 20(1) and 20(2) are collectively explained, the receiving device 20 It is expressed as
  • the quantum communication path 1 is an optical fiber that transmits and receives a single photon, and connects the transmitting device 10 (first device) and the multiplexing device 30.
  • a plurality of quantum communication channels 1 may be arranged in parallel. As will be described later, spatial multiplexing using a plurality of quantum communication channels 1 becomes possible.
  • the plurality of quantum communication channels 1 may be formed not only from a plurality of optical fibers but also from a single optical fiber. If a single optical fiber has multiple propagation modes, it can function as multiple quantum communication channels 1.
  • the transmitting device 10 (first device) sequentially generates a pair of photons corresponding to information, multiplexes one of the pair of photons, and sends it to the multiplexing device 30 via the quantum communication path 1, and then to the receiving device. to the device 20.
  • a pair of photons are in a state of quantum entanglement, and when the state of one photon is determined, the state of the other photon is also determined.
  • the transmitting device 10 transmits one of a pair of photons and retains the other photon.
  • the transmitting device 10 transmits photons (one of a pair of photons) multiplexed by a combination of degrees of freedom in time, frequency, and space. That is, one of a plurality of pairs of photons (eventually, a plurality of photons) is multiplexed by a combination of degrees of freedom in time, frequency, and space.
  • 2 to 4 are schematic diagrams representing frequency multiplexing, time multiplexing, and spatial multiplexing of photons, respectively.
  • multiple photons In frequency multiplexing, one of multiple pairs of photons (hereinafter referred to as “multiple photons”) is multiplexed and transmitted so that the frequencies (wavelengths) differ.
  • the frequency range to be multiplexed may be wideband, for example, greater than 100 [GHz].
  • photons are arranged at narrow time intervals.
  • photons may be arranged at time intervals smaller than 10 [ns] to form a time-multiplexed band with a bandwidth larger than 100 [ns].
  • spatial multiplexing is represented as states held at different locations, such as in quantum memory.
  • a plurality of quantum communication channels 1 for example, a plurality of optical fibers arranged in parallel.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a state in which frequency multiplexing, time multiplexing, and spatial multiplexing are combined.
  • the multiplicity (number of modes) at this time is expressed as the number of lattices inside the rectangular parallelepiped in FIG. Note that when phase multiplexing is performed in addition to frequency multiplexing, time multiplexing, and spatial multiplexing, the number of modes increases dramatically.
  • frequency multiplexing, time multiplexing, and spatial multiplexing can be expressed by the following equations (1), (2), and (3), respectively.
  • the multiplexed quantum state obtained by combining the degrees of freedom of time, frequency, and space is
  • the multiplexing device 30 receives the multiplexed photons from the transmitting device 10, performs demultiplexing processing by combining each degree of freedom in time, frequency, and space, and generates demultiplexed photons. is sent to the receiving devices 20(1) and 20(2).
  • the receiving devices 20(1) and 20(2) receive the demultiplexed photons and reproduce the information transmitted from the transmitting device 10.
  • the transmitting device 10 encrypts information using an encryption key (common key) and transmits it as encrypted information, and the receiving devices 20 (1) and (2) encrypt the information received using the encryption key (common key). Decrypt information. Therefore, processing for generating an encryption key is performed between the transmitting device 10 and the receiving devices 20(1) and 20(2).
  • the classical communication channels 2(1) and 2(2) transmit and receive control information for generating encryption keys.
  • the control information is, for example, a synchronization signal for synchronizing the transmitting device 10 and the receiving device 20.
  • the classical communication channel 2 may be wired, such as an optical fiber, or wireless, or may be realized by a combination of wired and wireless.
  • the device that transmits photons is referred to as the transmitting device 10, but the transmitting device 10 may have a function of receiving photons. Similarly, the receiving device 20 may have a function of transmitting photons.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the functional configuration of the transmitting device 10 and the receiving device 20 of the embodiment.
  • the transmitting device 10 includes a generation section 11 and a control section 12.
  • the receiving device 20(1) includes a detection section 21(1) and a control section 22(1).
  • the receiving device 20(2) includes a detection section 21(2) and a control section 22(2).
  • the generation unit 11 is a quantum light source that generates wavelength-multiplexed photons (photon pairs).
  • a quantum light source includes, for example, an optical crystal and a resonator. As shown below, by combining an optical crystal and a resonator, photons in multiple wavelength modes (photons in a wavelength multiplexed state) can be generated.
  • Optical crystals have high nonlinear optical constants (or high effective nonlinear optical constants) and form photons.
  • the optical crystal can generate entangled photon pairs over a wider wavelength band than the wavelengths used for communication by spontaneous parametric downward conversion that propagates forward.
  • a resonator limits (subdivides) this wide wavelength band into a plurality of wavelength modes (repetitive structures) by causing light to reciprocate (resonate) within the resonator.
  • photons having multiple wavelength modes can be generated. Note that the photons do not have to travel back and forth (orbit) within the resonator a predetermined number of times.
  • the optical crystal may include a dispersion compensation crystal or a birefringence phase compensation crystal.
  • a dispersion compensating crystal makes it possible to widen the wavelength band in which the peak of each wavelength mode exists and to increase the fidelity to the Bell state of the quantum state. By increasing the fidelity of the quantum state, it becomes possible to reduce the number of entanglement purifications and improve the communication rate.
  • the generation unit 11 is capable of combining not only wavelength multiplexing (that is, frequency multiplexing) but also time multiplexing and spatial multiplexing.
  • frequency multiplexing for example, time multiplexing using pulse train formation by mode locking of the resonators constituting the generation unit 11 can be used in combination.
  • spatial multiplexing is also possible by forming higher-order Hermitian or Laguerre Gaussian spatial modes using the transverse mode of the resonator.
  • the control unit 12 controls the operation of the generation unit 11.
  • the control unit 12 also executes processing for generating an encryption key.
  • the detection unit 21 detects the photons output from the multiplexer 30, decodes the received bits from the single photons based on polarization, and reproduces the encrypted information.
  • a photon detection element such as an avalanche photodiode (APD) may be used in the detection unit 21 to receive (detect) photons.
  • APDs are photodetecting elements made of, for example, indium gallium arsenide, silicon, germanium or gallium nitride.
  • the APD is driven in an operation mode called Geiger mode.
  • Geiger mode the reverse voltage of the APD is set to be higher than the breakdown voltage, and a large pulse is generated in response to the incidence of received photons due to the avalanche effect.
  • the detection unit 21 continuously performs a single photon detection operation by supplying a square wave or sinusoidal voltage consisting of a voltage exceeding the breakdown voltage and a voltage below the breakdown voltage.
  • the control unit 22 controls the operation of the detection unit 21 to output the encrypted information, and uses the encryption key to reproduce the information before encryption.
  • the control unit 22 also executes processing for generating an encryption key.
  • FIG. 7 is a diagram showing another example of the functional configuration of the transmitting device 10 and receiving device 20 of the embodiment.
  • the transmitting device 10 includes generators 11(1) and 11(2), a controller 12, and a multiplexer 13.
  • the receiving device 20(1) includes a detection section 21(1) and a control section 22(1).
  • the receiving device 20(2) includes a detection section 21(2) and a control section 22(2).
  • the generation units 11(1) and 11(2) are a plurality of spatially arranged quantum light sources.
  • the quantum light source can be configured to include, for example, an optical crystal and a resonator.
  • two generation units 11 are shown here for ease of understanding, there may be three or more generation units 11. Further, although the number of generation units 11 and the number of reception devices 20 are the same, this number may be different.
  • phase relationship is important for quantum (photon) multiplexing. That is, if there is variation in the phase of the quantum to be multiplexed, this variation becomes noise, which impedes demultiplexing.
  • quantum light source with a pulsed correlation function, it is possible to align the phase relationship at locations where the probability of existence of photons is non-zero.
  • there is a Fourier transform relationship in which pulsing occurs at the timing when the frequencies align and this can be realized by including a resonator in the quantum light source.
  • the multiplexing unit 13 executes multiplexing processing by combining the light from the generation units 11(1) and 11(2) (a plurality of quantum light sources) in terms of degrees of freedom in time, frequency, and space.
  • the generation unit 11 is capable of combining not only wavelength multiplexing (that is, frequency multiplexing) but also time multiplexing and spatial multiplexing.
  • the degree of multiplexing can be increased.
  • the single generation unit 11 may not have multiplexing, and only the multiplexing unit 13 may ensure multiplexing.
  • the multiplexing unit 13 can be configured by a combination of a frequency shifter, a delay device, and a distributor.
  • the frequency shifter shifts the frequency so that the frequencies related to photons from the generation units 11(1) and 11(2) are different from each other.
  • Examples of frequency shifters include acousto-optic modulators and electro-optic modulators. Frequency multiplexing of light can be achieved by changing the modulation frequency applied to the acousto-optic modulator. Furthermore, by applying a sawtooth wave to the electro-optic modulator, the frequency (wavelength) of light can be shifted at high speed.
  • the delay device delays the photons from the generation units 11(1) and 11(2) so that the times at which they pass through the quantum communication channel 1 are different from each other.
  • the delay device may be configured by combining a beam splitter and a plurality of optical fibers of different lengths.
  • a delay device can be constructed from a beam splitter that splits light into two lights at a ratio of 50:50 and two optical fibers of different lengths.
  • a polarizing beam splitter may be used as the beam splitter to separate the light into two polarized lights.
  • the delay device may be included in the multiplexing unit 13 as part of a Mach-Zehnder interferometer or a Michelson interferometer.
  • the Mach-Zehnder interferometer may be a multi-arm Mach-Zehnder interferometer using a plurality of optical fibers of different lengths.
  • the distributor distributes photons from the generation units 11(1) and 11(2) to mutually different quantum communication channels 1.
  • the distributor is, for example, a switching mechanism that switches the quantum communication channel 1 to which the generation units 11(1) and 11(2) are connected.
  • Examples of distributors include optical switches and acousto-optic modulators. It becomes possible to switch the quantum communication path 1 at high speed using an optical switch. In the acousto-optic modulator, the quantum communication channel 1 can be switched by changing the diffraction angle of light depending on the modulation frequency. Note that as an optical switch, the direction of light may be changed by slightly rotating a lens.
  • a distributor may be configured by combining a frequency shifter (eg, an acousto-optic modulator and an electro-optic modulator) and a spectrometer (eg, a diffraction grating).
  • the distributor for example, an optical switch
  • Pulses can be distributed with feedforward control.
  • the multiplexing unit 13 may have a plurality selected from a frequency shifter, a delay device, and a divider, or may have all of a frequency shifter, a delay device, and a divider.
  • the multiplexer 13 can be configured by combining the following frequency shifter (1), delay device (2), and distributor (3).
  • Multiple electro-optic modulators are used as frequency shifters to generate multiple frequency modes and frequency multiplex them. That is, a plurality of frequency modes are generated by applying a sine wave having a voltage larger than a half-wavelength voltage and having a different frequency to each of a plurality of electro-optic modulators.
  • Time multiplexing is performed using a multi-arm Mach-Zehnder interferometer as a delay device. By doing so, it is possible to equally assign a time mode to each frequency multiplexed frequency mode without being affected by the frequency. That is, it is possible to prevent decoherence caused by interference between frequency multiplexing and time multiplexing.
  • Spatial multiplexing is performed using a star coupler or tree coupler as a distributor. By doing so, a spatial mode can be equally given to each frequency mode and each time mode that are frequency and time multiplexed without being influenced by frequency and time.
  • the multiplexing unit 13 can be configured based on optical fibers and is easy to assemble. Note that two of (1) to (3) may be combined as appropriate, or the multiplexing unit 13 may be configured with only one of (1) to (3).
  • the multiplexing unit 13 may have a diffraction grating or a fiber Bragg grating, and may be capable of wavelength resolution or projection calculation onto the time axis.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of secret key generation processing according to the embodiment. The secret key generation process will be explained below based on FIGS. 8 and 1.
  • step S1a, S1b The transmitting device 10 transmits one of the photon pairs in the quantum entangled state to the receiving device 20 via the quantum communication channel 1 and the multiplexing device 30.
  • N(1+2 ⁇ ) photons are multiplexed and transmitted, demultiplexed by the multiplexer 30, and received by the receiver 20.
  • the receiving device 20 holds one of the N(1+2 ⁇ ) photon pairs (N(1+2 ⁇ ) photons)
  • the transmitting device 10 holds the other of the N(1+2 ⁇ ) photon pairs (N(1+2 ⁇ ) ) photons).
  • step S2a Selection and measurement of quantum
  • the transmitting device 10 randomly selects N ⁇ photons from the N(1+2 ⁇ ) photons, measures them on the HV basis or the DA basis, and transmits the results to the receiving device 20 via the classical communication channel 2.
  • the transmitting device 10 measures on an HV basis.
  • the HV basis and the DA basis are basis corresponding to the polarization state of a photon.
  • the H (Horizontal) state, the V (Vertical) state, the D (Diagonal) state, and the A (Anti-diagonal) state mean a linearly polarized state of horizontal direction, vertical direction, +45° diagonal, and ⁇ 45° diagonal, respectively.
  • the H state and the V state are orthogonal to each other, and the D state and the A state are orthogonal to each other.
  • step S2b The receiving device 20 selects N ⁇ photons corresponding to the photons measured on the transmitting device 10 side from the received N(1+2 ⁇ ) photons and measures them on the HV basis. The receiving device 20 calculates the error occurrence rate by comparing this measurement result with the measurement result of the transmitting device 10. If the error rate exceeds a predetermined value, encryption key generation is stopped.
  • step S3a The transmitting device 10 randomly selects N ⁇ photons from the remaining N(1+ ⁇ ) photons, measures them on the DA basis, and transmits the measurement results to the receiving device 20 via the classical communication channel 2.
  • step S3b Selection and measurement of quantum
  • the receiving device 20 measures N ⁇ corresponding photons in a DA basis.
  • the receiving device 20 calculates the error occurrence rate by comparing this measurement result with the measurement result of the transmitting device 10. If the error rate exceeds a predetermined value, encryption key generation is stopped.
  • the transmitting device 10 and the receiving device 20 each hold N unmeasured photons.
  • the transmitting device 10 determines the N ⁇ N regular binary matrix C1 and the mapping h1, and transmits them to the receiving device 20 via the classical communication channel 2.
  • the transmitting device 10 performs unitary transformation Ua (C1) on the N photons on the transmitting device 10 side.
  • the receiving device 20 performs unitary transformation Ub (C1) on the N photons on the receiving device 20 side.
  • step S5a The transmitting device 10 measures Kz photons from the (N-Kz+1)th to the Nth in the HV basis, and transmits the obtained Kz bit string zA to the receiving device 20 via the classical communication channel 2. do.
  • step S5b Quantum measurement/s1 calculation/inversion
  • the receiving device 20 performs HV inversion on (N-Kz) photons from the first to (N-Kz)th photons using s1.
  • the transmitting device 10 selects the (N ⁇ Kz) ⁇ (N ⁇ Kz) regular binary matrix C2 and the mapping h2, and transmits them to the receiving device 20 via the classical communication channel 2.
  • the transmitting device 10 performs unitary conversion UA (C2) on (N ⁇ Kz) photons.
  • the receiving device 20 performs unitary transformation UB (C2) on (N-Kz) photons from the first to (N-Kz)th photons.
  • step S7a The transmitting device 10 measures Kx photons from the (N-Kz-Kx+1)th to the (N-Kz)th according to the DA standard, and transmits the obtained Kx bit string xA via the classical communication channel 2. and transmits it to the receiving device 20.
  • Quantum measurement (steps S8a, S8b)
  • the transmitting device 10 measures the remaining photons using the HV basis, and uses the obtained bit string as an encryption key.
  • the receiving device 20 measures the remaining photons using the HV basis, and uses the obtained bit string as an encryption key.
  • the transmitting device 10 generates a plurality of photon pairs in a state of quantum entanglement, and transmits one of the photon pairs to the receiving device 20 via the multiplexing device 30.
  • the receiving device 20 measures a portion of the plurality of received photons
  • the transmitting device 10 measures a portion of the plurality of photons and transmits the measurement results. If the measurement results correspond, a cryptographic key sequence is generated based on the plurality of photons for which measurement results have not been transmitted.
  • time bin basis may be used instead of the polarization basis.
  • time bin bases 1-0, 1-1, 2-0, and 2-1 are randomly selected and used for measurement.
  • time bin base 1-0 etc. represents the following.
  • Time bin base 1-0 Select early from two bases ⁇ early, late ⁇
  • Time bin base 1-1 Select late from two bases ⁇ early, late ⁇
  • Time bin base 2-0 2 Selection of early+late from two bases ⁇ early+late,early-late ⁇
  • Time bin base 2-1 Selection of early-late from two bases ⁇ early+late,early-late ⁇
  • the system according to aspect 1 of the present invention is a system that shares quantum entanglement, and includes a first device (transmitting device 10) and a plurality of second devices (receiving devices 20(1), 20()). 2)), a classical communication channel (2(1), 2(2)) connecting the first device and each of the plurality of second devices, and a multiplex communication channel connected to the second device. a quantum communication path (1) connecting the first device and the multiplexing device; The multiplexing device outputs the multiplexed photons to the quantum communication channel, and the multiplexing device performs demultiplexing processing by combining the degrees of freedom of time, frequency, and space.
  • quantum entanglement can be efficiently shared by multiplexing by combining the degrees of freedom of time, frequency, and space.
  • the first device is a transmitting device
  • the second device is a receiving device
  • the first device includes a quantum light source (generation unit 11) that generates wavelength-multiplexed photons.
  • Aspect 3 of the present invention enables multiplexing using a quantum light source that generates photons in a wavelength multiplexed state.
  • the first device includes a plurality of spatially arranged quantum light sources (generation units 11(1), 11(2)).
  • photons from a plurality of spatially arranged quantum light sources can be multiplexed.
  • the first device multiplexes the light from the plurality of quantum light sources by combining degrees of freedom in time, frequency, and space. It has a multiplexing unit (13) that executes.
  • photons from a plurality of quantum light sources can be multiplexed by the multiplexing unit.
  • the multiplexing section includes a frequency shifter that makes frequencies of photons from the plurality of quantum light sources different from each other.
  • photons from a plurality of quantum light sources can be frequency multiplexed by a frequency shifter.
  • the multiplexing unit includes a delay device that makes the times at which photons from the plurality of quantum light sources pass through the quantum communication path different from each other. .
  • photons from a plurality of quantum light sources can be time-multiplexed by a delay device.
  • a system according to aspect 8 of the present invention in any one of aspects 5 to 7, includes a plurality of quantum communication paths connecting the first device and the multiplexing device, and the multiplexing unit is , a distributor that distributes photons from the plurality of quantum light sources to different quantum communication paths.
  • photons from multiple quantum light sources can be spatially multiplexed by multiple quantum communication channels (eg, multiple optical fibers) and a distributor.
  • multiple quantum communication channels eg, multiple optical fibers
  • Quantum communication channel 2 Classical communication channel 10 Transmission device 11 Generation units 12, 22 Control unit 13 Multiplexing unit 20 Receiving device 21 Detection unit 30 Multiplexing device 100 Multiple quantum communication system

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Abstract

量子もつれを効率的に共有するシステムを実現する。量子もつれを共有するシステム（１００）において、第１の装置（１０）と、複数の第２の装置（２０）と、多重化装置とを備え、第１の装置は、時間、周波数、及び空間の各自由度の組み合わせにより多重化された光子を前記量子通信路に出力し、多重化装置は、時間、周波数、及び空間の各自由度を組み合わせることによる逆多重化処理を実行する。

Description

量子もつれを共有するシステム
　本発明は、量子もつれを共有するシステムに関する。
　量子を用いて信号を送受信する量子通信システムが知られている。特許文献１は、光子を光波長多重化して送受信する多重化量子通信システムを開示する（段落［００１８］、図１、請求項９）。
日本国特開２０１８－１５７４０５号公報
　しかしながら、上述の多重化量子通信システムは、多重化が光波長での多重化に限定され、必ずしも、通信の効率が良好とは言い難い。
　本発明の一態様は、量子もつれを効率的に共有するシステムを実現することを目的とする。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るシステムは、量子もつれを共有するシステムであって、第１の装置と、複数の第２の装置と、前記第１の装置と、前記複数の第２の装置の各々とを繋ぐ古典通信路と、前記第２の装置に接続された多重化装置と、前記第１の装置と、前記多重化装置とを繋ぐ量子通信路とを備え、前記第１の装置は、時間、周波数、及び空間の各自由度の組み合わせにより多重化された光子を前記量子通信路に出力し、前記多重化装置は、時間、周波数、及び空間の各自由度を組み合わせることによる逆多重化処理（Demultiplexing）を実行する。
　本発明の一態様によれば、量子もつれを共有するシステムにおいて、量子もつれの効率的な共有を実現することができる。
本発明の実施形態に係る多重量子通信システムを表す模式図である。 周波数多重の状態を表す模式図である。 時間多重の状態を表す模式図である。 空間多重の状態を表す模式図である。 周波数多重、時間多重、および空間多重を組み合わせた状態を表す模式図である。 本発明の実施形態に係る多重量子通信システムをより具体化した例を表す模式図である。 本発明の実施形態に係る多重量子通信システムをより具体化した他の例を表す模式図である。 暗号鍵を生成する手順を表すフロー図である。
　以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。図１は、実施形態に係る多重量子通信システム１００の装置構成を示す図である。
　多重量子通信システム１００は、量子通信路１、古典通信路２（１）、２（２）、送信装置１０、受信装置２０（１）、２０（２）、多重化装置３０を備え、送信装置１０と受信装置２０（１）、２０（２）との間で量子もつれを共有する。
　以下において、古典通信路２（１）、２（２）を纏めて説明する場合、古典通信路２と表し、受信装置２０（１）、２０（２）を纏めて説明する場合、受信装置２０と表わす。
　量子通信路１は、単一の光子を送受信する光ファイバーであり、送信装置１０（第１の装置）と多重化装置３０とを繋ぐ。なお、複数の量子通信路１が並列に配置されても良い。後述のように、複数の量子通信路１を用いる空間多重化が可能となる。ここで、複数の量子通信路１は、複数の光ファイバーのみならず、単一の光ファイバーで構成されてもよい。単一の光ファイバーが複数の伝搬モードを有すれば、複数の量子通信路１として機能し得る。
　送信装置１０（第１の装置）は、情報に対応する一対の光子を順次に生成し、一対の光子の一方を多重化して、量子通信路１を介して、多重化装置３０、ひいては、受信装置２０に送信する。
　一対の光子は、量子もつれの状態にあり、一方の光子の状態が確定すると他方の光子の状態も対応して確定する。送信装置１０は、一対の光子の一方を送信し、他方の光子を保持する。
　送信装置１０は、時間、周波数、及び空間の各自由度の組み合わせにより多重化された光子（一対の光子の一方）を送信する。すなわち、複数対の光子の一方（結局は、複数の光子）は、時間、周波数、及び空間の各自由度の組み合わせにより多重化されている。
　図２～図４はそれぞれ、光子の周波数多重、時間多重、空間多重を表す模式図である。
　周波数多重では、複数対の光子の一方（以下、「複数の光子」という）が、周波数（波長）が異なるように、多重化されて送信される。多重化される周波数の範囲は、広帯域、例えば、１００［ＧＨｚ］より大きくてもよい。
　時間多重では、複数の光子が狭い時間間隔で配置される。例えば、１０［ｎｓ］より小さい時間間隔で光子が配置され、１００［ｎｓ］より大きい帯域幅の時間多重帯域が形成されてもよい。
　図４において、空間多重は、量子メモリ等の異なる位置に保持された状態として表されている。空間多重での通信を行う場合、複数の量子通信路１（例えば、並列に配置される複数の光ファイバー）を用いることが考えられる。
　図５は、周波数多重、時間多重、および空間多重を組み合わせた状態を表す模式図である。時間、周波数、及び空間の各自由度を組み合わせることにより、より効率的な情報の送受信が可能となる。ここでは、多重化される光子全ての位相が等しい（例えば、ｅ０＝１）の場合を表す。このときの多重度（モード数）は、図５の直方体内部の格子数として表される。なお、周波数多重、時間多重、および空間多重に加えて、位相多重を行うと、モード数は飛躍的に増加する。
　ここで、周波数多重、時間多重、空間多重はそれぞれ、次の式（１）、（２）、（３）によって表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　また、周波数多重、時間多重、空間多重の組み合わせは、次の式（４）によって表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　すなわち、実施形態において時間、周波数、及び空間の各自由度を組み合わせることによる多重化された量子状態は、式（４）の右辺の掛け合わせで表現された｜φ>である。なお、時間、周波数、及び空間の全てにおいて多重化されていなくても差し支えない。時間、周波数、及び空間のいずれかが多重化に用いられていなくてもよい。
　多重化装置３０は、送信装置１０からの多重化された光子を受信し、時間、周波数、及び空間の各自由度を組み合わせることによる逆多重化処理を実行して、多重化が解消された光子を受信装置２０（１）、２０（２）に送る。
　受信装置２０（１）、２０（２）（複数の第２の装置）は、多重化が解消された光子を受信し、送信装置１０から送信された情報を再生する。
　ここで、送信装置１０は、暗号鍵（共通鍵）によって情報を暗号化して暗号化情報として送信し、受信装置２０（１）、（２）は、暗号鍵（共通鍵）によって受信した暗号化情報を復号化する。このため、送信装置１０と受信装置２０（１）、（２）間で暗号鍵を生成するための処理が行われる。
　古典通信路２（１）、２（２）は、暗号鍵を生成するための制御情報を送受信する。制御情報は、例えば、送信装置１０及び受信装置２０との間で同期を取るための同期信号等である。古典通信路２は、光ファイバー等の有線であっても、無線であってもよく、また有線及び無線を組み合わせて実現してもよい。
　なお、実施形態では、説明の便宜上、光子を送信する側の装置を送信装置１０と呼ぶが、送信装置１０が光子を受信する機能を有していてもよい。同様に、受信装置２０が光子を送信する機能を有していてもよい。
［機能構成例］
　図６は、実施形態の送信装置１０及び受信装置２０の機能構成の一例を示す図である。送信装置１０は、生成部１１、及び制御部１２を備える。受信装置２０（１）は、検出部２１（１）及び制御部２２（１）を備える。受信装置２０（２）は、検出部２１（２）及び制御部２２（２）を備える。
　生成部１１は、波長多重状態の光子（光子対）を生成する量子光源である。量子光源は、例えば、光学結晶と共振器とを含んで構成される。次に示すように、光学結晶と共振器とを組み合わせることで、複数の波長モードの光子（波長多重状態の光子）を生成できる。
　光学結晶は、高い非線形光学定数（または高い実効非線形光学定数）を有し、光子を形成する。ここで、光学結晶は、前方へ伝搬する自発パラメトリック下方変換によって、通信に用いる波長よりも、広い波長帯域に渡る、量子もつれ状態の光子対を生成できる。共振器は、その内部で、光を往復させる（共振させる）ことで、この広い波長帯域を複数の波長モード（繰り返し構造）に制限（細分化）する。この結果、光学結晶と共振器とを組み合わせることで、複数の波長モードを有する（波長多重状態の）光子を生成できる。なお、共振器内を光子が所定の回数、往復（周回）しなくてもよい。
　ここで、光学結晶は、分散補償結晶または複屈折位相補償結晶を含んでもよい。分散補償結晶を用いると、波長モード各々のピークが存在する波長帯域を広くすること、および、量子状態のベル状態に対する忠実度を高めることが可能となる。量子状態の忠実度を高めることによって、もつれ純粋化の回数を少なくして、通信レートを向上することが可能となる。
　生成部１１は、波長多重（すなわち、周波数多重）に留まらず、時間多重、および空間多重の組み合わせが可能である。周波数多重に加えて、例えば、生成部１１を構成する共振器のモード同期によるパルス列化を利用した時間多重を併用できる。また、波長多重に加えて、共振器の横モードを用いて、高次エルミート若しくはラゲールのガウシアン空間モードを形成することで、空間多重化か可能である。
　制御部１２は、生成部１１の動作を制御する。また、制御部１２は、暗号鍵を生成するための処理を実行する。
　検出部２１は多重化装置３０から出力された光子を検出し、例えば、偏光に基づき、単一光子から受信ビットをデコードして、暗号化された情報を再生する。
　検出部２１に、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）等の光子検出素子を用いて、光子を受信（検出）してもよい。ＡＰＤは、例えば、インジウムガリウムヒ素、シリコン、ゲルマニウムまたは窒化ガリウムで生成された光検出素子である。
　ＡＰＤは、ガイガーモードと呼ばれる動作モードで駆動する。ガイガーモードでは、ＡＰＤの逆電圧を降伏電圧（ブレークダウン電圧）以上として、アバランシェ効果により、受信光子の入射に対して、大きいパルスを発生させる。この結果、単一光子の検出が可能となる。検出部２１は、ブレークダウン電圧を超える電圧と、ブレークダウン電圧未満の電圧と、からなる方形波又は正弦波状の電圧を供給することによって、単一光子の検出動作を連続的に行う。
　制御部２２は、検出部２１の動作を制御して、暗号化された情報を出力させ、暗号鍵を用いて、暗号化前の情報を再生する。また、制御部２２は、暗号鍵を生成するための処理を実行する。
　図７は実施形態の送信装置１０及び受信装置２０の機能構成の他の例を示す図である。送信装置１０は、生成部１１（１）、１１（２）、制御部１２、及び多重化部１３を備える。受信装置２０（１）は、検出部２１（１）及び制御部２２（１）を備える。受信装置２０（２）は、検出部２１（２）及び制御部２２（２）を備える。
　生成部１１（１）、１１（２）は、空間的に配置された複数の量子光源である。既述のように、量子光源は、例えば、光学結晶と共振器とを含んで構成され得る。ここでは、判りやすさのために、２つの生成部１１を示しているが、３つ以上の生成部１１とすることができる。また、生成部１１と受信装置２０の個数を同一としているが、この数は異なっていてもよい。
　ここで、量子（光子）の多重化には位相関係が重要である。すなわち、多重化する量子の位相にバラツキがあると、このばらつきがノイズとなり、逆多重化を阻害することになる。パルス化された相関関数を持つ量子光源を用いることで、光子の存在確率がnon-zeroの場所での位相関係をそろえることができる。同様に周波数同士の位相がそろうタイミングでパルス化が起こるというフーリエ変換の関係があり、これは、量子光源に共振器を含めることで実現可能である。
　空間モードに関しては別途レーザーで干渉を取得することで位相をそろえることが可能である。
　多重化部１３は、生成部１１（１）、１１（２）（複数の量子光源）からの光を時間、周波数、及び空間の各自由度を組み合わせることによって多重化処理を実行する。既述のように、生成部１１は、波長多重（すなわち、周波数多重）に留まらず、時間多重、および空間多重の組み合わせが可能である。多重化部１３を追加することで、多重度を上げることができる。このとき、単一の生成部１１は多重性を有さず、多重化部１３のみで多重性を確保してもよい。
　多重化部１３は、周波数シフタ、遅延器、および分配器の組み合わせにより構成できる。
　周波数シフタは、生成部１１（１）、１１（２）からの光子に関わる周波数を互いに異ならせるように、周波数をシフトさせる。周波数シフタの例として、音響光学変調器、および電気光学変調器を挙げることができる。音響光学変調器に印加する変調周波数によって、光の周波数多重化を図ることができる。また、電気光学変調器にノコギリ波を印可することによって、光の周波数（波長）を高速でシフトすることができる。なお、音響光学変調器内を光が通過するときに、光は変調周波数に依存した回折を受ける（回折角の発生）が、音響光学変調器内で光を往復されることにより、回折の影響を低減できる。
　遅延器は、生成部１１（１）、１１（２）からの光子が量子通信路１を通過する時刻を互いに異ならせるように、遅延させる。遅延器は、ビームスプリッタと長さの異なる複数の光ファイバーとを組み合わせて、構成してもよい。例えば、光を５０：５０の２つの光に分解するビームスプリッタと２本の長さの異なる光ファイバーとから遅延器を構成できる。ここで、ビームスプリッタとして、偏光ビームスプリッタを用いて、光を２つの偏光に分解してもよい。
　遅延器は、マッハツェンダ干渉計やマイケルソン干渉計の一部として多重化部１３に含まれてもよい。このとき、マッハツェンダ干渉計は、長さの異なる複数本の光ファイバーを用いた複数アームのマッハツェンダ干渉計であってもよい。
　分配器は、生成部１１（１）、１１（２）からの光子を互いに異なる量子通信路１に分配する。分配器は、例えば、生成部１１（１）、１１（２）が接続される量子通信路１を切り替える切り替え機構である。分配器の例として、光スイッチ、および音響光学変調器を挙げることができる。光スイッチによる高速の量子通信路１の切り替えが可能となる。音響光学変調器では、変調周波数に依存して光の回折角を変化させることで、量子通信路１を切り替えることができる。なお、光スイッチとして、レンズを微小回転させて、光の方向を変化させてもよい。また、周波数シフタ（例えば、音響光学変調器、および電気光学変調器）と分光器（例えば、回折格子）を組み合わせて、分配器を構成してもよい。
　なお、生成部１１（量子光源）からのポンプ光のパルスに対して、分配器（例えば、光スイッチ）を時間的に同期させてもよい。フィードフォワードコントロールでパルスを分配することができる。
　ここで、生成部１１（１）を量子通信路１（１）に接続し、生成部１１（２）を量子通信路１（２）に接続することで、分配器を構成することが可能である（接続先を切り替えない固定接続）。
　多重化部１３は、周波数シフタ、遅延器、および分配器から選択した複数を有してもよいし、周波数シフタ、遅延器、および分配器の全てを有してもよい。例えば、次の（１）の周波数シフタ、（２）の遅延器、および（３）の分配器を組み合わせることで、多重化部１３を構成できる。
　（１）周波数シフタとして、複数の電気光学変調器を用いて、複数の周波数モードを生成し、周波数多重化する。すなわち、複数の電気光学変調器それぞれに、半波長電圧より大きな電圧の、周波数が互いに異なる、正弦波を印加することで、複数の周波数モードを生成する。
　（２）遅延器として、複数アームのマッハツェンダ干渉計を用いて、時間多重化する。このようにすることで、周波数多重化された、各周波数モードに対して、周波数の影響を受けることなく、等価に時間モードを付与できる。すなわち、周波数多重と時間多重とが干渉して、デコヒーレンスになることを防止できる。
　（３）分配器として、スターカプラ、またはツリーカプラを用いて、空間多重化する。このようにすることで、周波数および時間多重化された、各周波数モードおよび各時間モードに対して、周波数および時間の影響を受けることなく、等価に空間モードを付与できる。
　以上のように、（１）～（３）を組み合わせることで、周波数、時間、および空間での多重化を行い、周波数多重、時間多重、および空間多重の相互間での干渉を防止し、かつ光ファイバーベースで、アセンブリ容易な多重化部１３を構成できる。なお、（１）～（３）の２つを適宜に組み合わせてもよいし、（１）～（３）のいずれか１のみで、多重化部１３を構成してもよい。
　なお、多重化部１３が回折格子やファイバブラッググレーティングを有し、波長の分解もしくは時間的軸への射影演算が可能であってもよい。
　［量子鍵生成処理］
　実施形態の秘密鍵生成処理の例について説明する。図８は、実施形態の秘密鍵生成処理の例を示す図である。以下、図８および図１に基づき、秘密鍵生成処理を説明する。
（１）量子通信（ステップＳ１ａ、Ｓ１ｂ）
　送信装置１０は、量子通信路１および多重化装置３０を介して、量子もつれ状態の光子対の一方を受信装置２０に送信する。Ｎ（１＋２ζ）個の光子が多重化されて送信され、多重化装置３０によって多重化が解消されて、受信装置２０に受信される。この結果、受信装置２０は、Ｎ（１＋２ζ）個の光子対の一方（Ｎ（１＋２ζ）個の光子）を保持し、送信装置１０は、Ｎ（１＋２ζ）個の光子対の他方（Ｎ（１＋２ζ）個の光子）を保持する。
（２）量子の選択・測定（ステップＳ２ａ）
　送信装置１０は、Ｎ（１＋２ζ）個の光子からＮζ個の光子を無作為に選択し、ＨＶ基底またはＤＡ基底で測定し、その結果を受信装置２０に古典通信路２を介して伝達する。ここでは、送信装置１０は、ＨＶ基底で測定することとする。
　ここで、ＨＶ基底およびＤＡ基底は、光子の偏光状態に対応する基底である。Ｈ（Horizontal）状態、Ｖ（Vertical）状態、Ｄ（Diagonal）状態、Ａ（Anti-diagonal）状態はそれぞれ、水平方向、垂直方向、斜め＋４５°、斜め－４５°の直線偏光状態を意味する。Ｈ状態とＶ状態は、互いに直交し、Ｄ状態とＡ状態は、互いに直交する。
（３）量子の選択・測定（ステップＳ２ｂ）
　受信装置２０は、受信したＮ（１＋２ζ）個の光子から、送信装置１０側で測定された光子と対応するＮζ個の光子を選択して、ＨＶ基底で測定する。受信装置２０は、この測定結果を送信装置１０の測定結果と比べることで、誤りの発生率を計算する。誤りの発生率が所定値を超えていたら暗号鍵の生成は中止される。
（４）量子の選択・測定（ステップＳ３ａ）
　送信装置１０は、残りのＮ（１＋ζ）個の光子からＮζ個を無作為に選択し、ＤＡ基底で測定し、古典通信路２を介して、測定結果を受信装置２０に送信する。
（５）量子の選択・測定（ステップＳ３ｂ）
　受信装置２０は、Ｎζ個の対応する光子をＤＡ基底で測定する。受信装置２０は、この測定結果を送信装置１０の測定結果と比べることで、誤りの発生率を計算する。誤りの発生率が所定値を超えていたら暗号鍵の生成は中止される。
　以上により、送信装置１０と受信装置２０はそれぞれ、未測定のＮ個の光子を保持する。
（５）量子の変換（ステップＳ４ａ、Ｓ４ｂ）
　送信装置１０は、Ｎ×Ｎの正則な２進行列Ｃ１と写像ｈ１を決定し、古典通信路２を介して受信装置２０に送信する。送信装置１０は、送信装置１０側のＮ個の光子に対してユニタリ変換Ｕａ（Ｃ１）を施す。一方、受信装置２０は、受信装置２０側のＮ個の光子に対してユニタリ変換Ｕｂ（Ｃ１）を施す。
（６）量子の測定（ステップＳ５ａ）
　送信装置１０は、（Ｎ－Ｋｚ＋１）番目からＮ番目までのＫｚ個の光子をＨＶ基底で測定し、得られたＫｚビットの列ｚＡを、古典通信路２を介して受信装置２０に送信する。
（７）量子の測定・ｓ１算出・反転（ステップＳ５ｂ）
　受信装置２０は、（Ｎ－Ｋｚ＋１）番目からＮ番目までのＫｚ個の光子をＨＶ基底で測定し、得られたＫｚビットの列ｚＢと、送信装置１０の結果ｚＡから、ｓ１＝ｚＢ－ｚＡを計算する。受信装置２０は、１番目から（Ｎ－Ｋｚ）番目までの（Ｎ－Ｋｚ）個の光子に対して、ｓ１を用いてＨＶ反転を施す。
（８）量子の変換（ステップＳ６ａ、Ｓ６ｂ）
　送信装置１０は、（Ｎ－Ｋｚ）×（Ｎ－Ｋｚ）の正則な２進行列Ｃ２と写像ｈ２を選び、古典通信路２を介して受信装置２０に送信する。送信装置１０は、（Ｎ－Ｋｚ）個の光子に対して、ユニタリ変換ＵＡ（Ｃ２）を施す。一方、受信装置２０は、１番目から（Ｎ－Ｋｚ）番目までの（Ｎ－Ｋｚ）個の光子に対して、ユニタリ変換ＵＢ（Ｃ２）を施す。
（９）量子の測定（ステップＳ７ａ）
　送信装置１０は、（Ｎ－Ｋｚ－Ｋｘ＋１）番目から（Ｎ－Ｋｚ）番目までのＫｘ個の光子をＤＡ規定で測定し、得られたＫｘビットの列ｘＡを、古典通信路２を介して受信装置２０に送信する。
（１０）量子の測定・ｓ２算出・反転（ステップＳ７ｂ）
　受信装置２０は、（Ｎ－Ｋｚ－Ｋｘ＋１）番目から（Ｎ－Ｋｚ）番目までのＫｘ個の光子をＤＡ規定で測定し、得られたＫｘビットの列ｘＢと、送信装置１０の結果ｘＡから、ｓ２＝ｘＢ－ｘＡを計算する。受信装置２０は、１番目から（Ｎ－Ｋｚ－Ｋｘ）番目までの（Ｎ－Ｋｚ－Ｋｘ）個の光子に対して、ｓ２を用いて、ＤＡ反転を施す。
（１１）量子の測定（ステップＳ８ａ、Ｓ８ｂ）
　送信装置１０は、残った光子をＨＶ基底で測定し、得られたビット列を暗号鍵とする。受信装置２０は、残った光子をＨＶ基底で測定し、得られたビット列を暗号鍵とする。
　以上を纏めると次のようになる。すなわち、送信装置１０は、量子もつれの状態にある光子対を複数生成し、多重化装置３０を介して、光子対の一方を受信装置２０に送信する。受信装置２０は受信した複数の光子の一部を測定し、送信装置１０は複数の光子の一部を測定して、測定結果を送信する。測定結果が対応すれば、測定結果が送信されていない複数の光子に基づき、暗号鍵用数列が生成される。
　以上では、偏光基底を用いた例を示したが、偏光基底に替えて、時間ビン基底を用いてもよい。この場合、時間ビン基底１－０、１－１、２－０、２－１がランダムに選択されて、測定に用いられる。左側の値が送信装置１０と受信装置２０で一致した場合に、右側の値を鍵用の数列とする。
　ここで、時間ビン基底１－０等は、以下を表す。
　時間ビン基底１－０：　２つの基底{early,late}中からのearlyの選択
　時間ビン基底１－１：　２つの基底{early,late}中からのlateの選択
　時間ビン基底２－０：　２つの基底{early+late,early-late}中からのearly+lateの選択
　時間ビン基底２－１：　２つの基底{early+late,early-late}中からのearly-lateの選択
　本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、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。
（まとめ）
（１）本発明の態様１に係るシステムは、量子もつれを共有するシステムであって、第１の装置（送信装置１０）と、複数の第２の装置（受信装置２０（１）、２０（２））と、前記第１の装置と、前記複数の第２の装置の各々とを繋ぐ古典通信路（２（１）、２（２））と、前記第２の装置に接続された多重化装置（３０）と、前記第１の装置と、前記多重化装置とを繋ぐ量子通信路（１）とを備え、前記第１の装置は、時間、周波数、及び空間の各自由度の組み合わせにより多重化された光子を前記量子通信路に出力し、前記多重化装置は、時間、周波数、及び空間の各自由度を組み合わせることによる逆多重化処理を実行する。
　本発明の態様１では、時間、周波数、及び空間の各自由度を組み合わせることによる多重化によって、量子もつれを効率的に共有することができる。
（２）本発明の態様２に係るシステムは、態様１において、前記第１の装置は送信装置であり、前記第２の装置は受信装置である。
　本発明の態様２では、時間、周波数、及び空間の各自由度を組み合わせることによる多重化によって、量子もつれを用いる効率的な通信が可能となる。
（３）本発明の態様３に係るシステムは、態様１又は２において、前記第１の装置は、波長多重状態の光子を生成する量子光源（生成部１１）を備える。
　本発明の態様３では、波長多重状態の光子を生成する量子光源を用いた多重化が可能となる。
（４）本発明の態様４に係るシステムは、態様１又は２において、前記第１の装置は、空間的に配置された複数の量子光源（生成部１１（１）、１１（２））を有する。
　本発明の態様４では、空間的に配置された複数の量子光源からの光子を多重化できる。
（５）本発明の態様５に係るシステムは、態様４において、前記第１の装置は、前記複数の量子光源からの光を時間、周波数、及び空間の各自由度を組み合わせることによって多重化処理を実行する多重化部（１３）を有する。
　本発明の態様５では、多重化部によって複数の量子光源からの光子を多重化できる。
（６）本発明の態様６に係るシステムは、態様５において、前記多重化部は、前記複数の量子光源からの光子の周波数を互いに異ならせる周波数シフタを有する。
　本発明の態様６では、周波数シフタによって、複数の量子光源からの光子を周波数多重化できる。
（７）本発明の態様７に係るシステムは、態様５又は６において、前記多重化部は、前記複数の量子光源からの光子が前記量子通信路を通過する時刻を互いに異ならせる遅延器を有する。
　本発明の態様７では、遅延器によって、複数の量子光源からの光子を時間多重化できる。
（８）本発明の態様８に係るシステムは、態様５～７の何れかにおいて、前記第１の装置と、前記多重化装置とを繋ぐ複数の前記量子通信路を備え、前記多重化部は、前記複数の量子光源からの光子を互いに異なる量子通信路に分配する分配器を有する。
　本発明の態様８では、複数の量子通信路（例えば、複数の光ファイバ）および分配器によって、複数の量子光源からの光子を空間多重化できる。
１　量子通信路
２　古典通信路
１０　送信装置
１１　生成部
１２、２２　制御部
１３　多重化部
２０　受信装置
２１　検出部
３０　多重化装置
１００　多重量子通信システム

Claims (8)

  1. 　量子もつれを共有するシステムにおいて、
    　第１の装置と、
    　複数の第２の装置と、
    　前記第１の装置と、前記複数の第２の装置の各々とを繋ぐ古典通信路と、
    　前記第２の装置に接続された多重化装置と、
    　前記第１の装置と、前記多重化装置とを繋ぐ量子通信路と、
    を備え、
    　前記第１の装置は、時間、周波数、及び空間の各自由度の組み合わせにより多重化された光子を前記量子通信路に出力し、
    　前記多重化装置は、時間、周波数、及び空間の各自由度を組み合わせることによる逆多重化処理を実行する、システム。
  2. 　前記第１の装置は送信装置であり、
    　前記第２の装置は受信装置である、請求項１に記載のシステム。
  3. 　前記第１の装置は、波長多重状態の光子を生成する量子光源を備える、請求項１に記載のシステム。
  4. 　前記第１の装置は、空間的に配置された複数の量子光源を有する、請求項１に記載のシステム。
  5. 　前記第１の装置は、前記複数の量子光源からの光を時間、周波数、及び空間の各自由度を組み合わせることによって多重化処理を実行する多重化部を有する、請求項４に記載のシステム。
  6. 　前記多重化部は、前記複数の量子光源からの光子の周波数を互いに異ならせる周波数シフタを有する、請求項５に記載のシステム。
  7. 　前記多重化部は、前記複数の量子光源からの光子が前記量子通信路を通過する時刻を互いに異ならせる遅延器を有する、請求項５に記載のシステム。
  8. 　前記第１の装置と、前記多重化装置とを繋ぐ複数の前記量子通信路を備え、
    　前記多重化部は、前記複数の量子光源からの光子を互いに異なる量子通信路に分配する分配器を有する、請求項５に記載のシステム。
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