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量子エンタングルメント生成装置及び方法並びに量子エンタングルメント生成検出装置及び方法

国内特許コード P110004419
整理番号 A291P05
掲載日 2011年7月13日
出願番号 特願2009-529007
登録番号 特許第5041256号
出願日 平成20年8月11日(2008.8.11)
登録日 平成24年7月20日(2012.7.20)
国際出願番号 JP2008064436
国際公開番号 WO2009025195
国際出願日 平成20年8月11日(2008.8.11)
国際公開日 平成21年2月26日(2009.2.26)
優先権データ
  • 特願2007-213205 (2007.8.18) JP
発明者
  • 平野 琢也
  • 衛藤 雄二郎
出願人
  • 学校法人 学習院
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 量子エンタングルメント生成装置及び方法並びに量子エンタングルメント生成検出装置及び方法
発明の概要 量子エンタングルメント生成装置(30)は、光周波数2fの光を発生するレーザー光源(1)と、光周波数2fの光が入射されるビームスプリッタ(4)及び複数の鏡(5,7,8)でリング状光路が構成されるリング型干渉計(20)と、リング型干渉計の光路中に挿入され、光周波数2fの光が入射すると光周波数fの光を発生する光パラメトリック増幅器(6)と、リング型干渉計の光路中に挿入され、光周波数2fの光と光周波数fとの相対的な光路長を変化させる分散媒質(9)と、を備え、ビームスプリッタ(4)で分岐されリング型干渉計(20)内を互いに反対方向へ進む2つの光周波数2fの光を、光パラメトリック増幅器(6)に入射させることで、リング型干渉計内を互いに反対方向へ進む第1及び第2のスクイーズ光を発生させ、第1及び第2のスクイーズ光の相対的な位相を分散媒質(9)により所定の値に調整し、第1及び第2のスクイーズ光を、ビームスプリッタ(4)で合波することにより量子エンタングルビーム(10,11)を生成する。
従来技術、競合技術の概要


量子情報技術は、量子力学的効果を直接的に利用することにより、従来よりも優れた情報処理を実現する技術あるいは技術分野である。量子エンタングルメントは、量子情報技術の最も重要な資源である。量子エンタングルメントを利用することにより、絶対に安全な通信や、従来よりも桁違いに高速な計算処理を実現することができる。



量子的にエンタングルした状態は、複数の離れた場所にある物理系が互いに相関を持った状態であり、それら複数の物理系を分離して扱うことができない状態である。2つの離れた場所にある物理系が量子的にエンタングルした状態を共有しているとき、2つの場所で行う測定の結果には、古典論では説明することができない相関が生じる。



量子エンタングルメントという言葉は、一般に、量子的にエンタングルした状態そのもの、あるいは、エンタングルした状態が示す量子論特有の物理現象、または、量子論が非分離の特性を内包しているという概念を表すのに用いられる。しかし、本明細書では、量子エンタングルメントを、量子的にエンタングルした状態を示す言葉として用いる。



量子情報処理には、主に2つのアプローチがあり、ひとつは離散的な物理量を用いるもの、もう一つは連続的な物理量を用いるものである(例えば、非特許文献1参照)。光の場合には、通常、電場の直交振幅を連続的な値をとる物理量として用いる。連続的な物理量に対する量子エンタングルメントのことを、連続変数量子エンタングルメントと呼ぶ。



従来の連続変数エンタングルメントの生成方法を説明する。最も初期に用いられた方法は、非縮退のパラメトリック増幅器を用いる方法である(例えば、特許文献1参照)。特許文献1で紹介されている実験では、非線型媒質としてチタン酸リン酸カリウム(KTP)を用い、タイプII(type II)の位相整合を行うことで、互いに直交した偏光状態のシグナル光とアイドラ光を発生した。非縮退とは、偏光状態が異なるということである。パラメトリック増幅をタイプIIの位相整合で行ったときのシグナル光とアイドラ光は、量子的な相関を有しており、連続変数量子エンタングルメントを生成することができる。



しかしながら、従来のタイプIIの位相整合を用いる方法では、シグナル光とアイドラ光に対する非線型媒質の屈折率が異なるため、これらの2つの光に対して光共振器を同時に共鳴させることが技術的に困難であった。また、一般に、タイプIIの位相整合ではビームのウォークオフが起こり、量子エンタングルメントの質が低下していた。



次に実施された方法は、2つのスクイーズ光を発生し、それらを透過率と反射率がともに50%のビームスプリッタで重ね合わせることで、量子エンタングルメントを生成するというものである。このとき、2つのスクイーズ光の相対的な位相差がπ/2となるように精密に制御する必要がある。



例えば、非特許文献2では、リング共振器内に置かれたタイプIの位相整合を行うパラメトリック増幅により、リングを右回りと左回りに進行するスクイーズ光を発生し、それらをリングの外に置いたビームスプリッタで重ね合わせることで、量子エンタングルメントを発生した。この方法の問題点は、リング共振器を出た後にビームスプリッタで重なり合うまでに、2つのスクイーズ光は別の経路をたどるので、2つの経路間の相対的な光路長が不安定になることである。



【特許文献1】
H. J. Kimble et al., U.S.Patent 5,339,182, Aug. 16, 1994
【非特許文献1】
S. L. Braunstein and P. van Loock, Rev. Mod. Phys. Vol.77, p.513, 2005
【非特許文献2】
T. C. Zhang, et al., Phys. Rev. A, Vol.67, p.033802, 2003
【非特許文献3】
Yujiro Eto, et al., Optics Letters, Vol. 32, pp. 1698-1700, 2007
【非特許文献4】
L. M. Duan, et al., Physical Review Letters, Vol. 84, p.2722, 2000

産業上の利用分野


本発明は、量子エンタングルメント生成装置と量子エンタングルメント生成検出装置、並びに量子エンタングルメントの生成方法と量子エンタングルメント生成検出方法に関する。さらに詳細には、2次の非線型光学効果を用いる連続変数の量子エンタングルメント生成装置及び生成方法と、この量子エンタングルメント生成装置で生成した量子エンタングルビームの検出も同時に行うことができる装置とその検出方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】 光周波数2fの光を発生するレーザー光源と、
一つのビームスプリッタと複数の鏡でリング状の光路を形成するリング型干渉計と、
上記リング型干渉計の光路中に挿入され、光周波数2foの光が入射すると光周波数foの光を発生する光パラメトリック増幅器と、
上記リング型干渉計の光路中に挿入された分散媒質と、
を備え、
光周波数2foの光が上記レーザー光源から上記ビームスプリッタに入射し、
上記ビームスプリッタが2foの光周波数を有する光を分岐して上記リング型干渉計内を互いに反対方向へ進ませ、分岐した各光が上記光パラメトリック増幅器に入射することで、上記リング型干渉計内を互いに反対方向へ進む第1及び第2のスクイーズ光が発生し、
上記分散媒質が上記第1及び第2のスクイーズ光の相対的な位相を所定の値に調整し、
上記ビームスプリッタが上記第1及び第2のスクイーズ光を合波して、量子エンタングルビームが生成される、量子エンタングルメント生成装置。
【請求項2】 前記リング型干渉計は、三角形以上の多角形の各辺で光路が構成され、
前記ビームスプリッタは、上記多角形の一頂点に配置され、
前記複数の鏡は、上記多角形の残りの頂点に配置されている、請求項1に記載の量子エンタングルメント生成装置。
【請求項3】 前記リング型干渉計は、前記ビームスプリッタと前記複数の鏡のうち第1及び第2の鏡とが反時計方向に順に配設されて形成された三角形状の光路を有しており、
前記分散媒質は、前記ビームスプリッタと上記第1の鏡との間の光路に配置され、
前記光パラメトリック増幅器は、上記第1の鏡と上記第2の鏡との間の光路に配置される、請求項1に記載の量子エンタングルメント生成装置。
【請求項4】 前記リング型干渉計は、前記ビームスプリッタと前記複数の鏡のうち第1~第3の鏡とが反時計方向に順に配設されて形成された矩形形状の光路を有しており、
前記光パラメトリック増幅器は上記第1の鏡と上記第2の鏡との間の光路に配置され、
前記分散媒質は前記ビームスプリッタと上記第3の鏡との間の光路に配置される、請求項1に記載の量子エンタングルメント生成装置。
【請求項5】 前記光パラメトリック増幅器と前記第1の鏡との光軸上及び前記光パラメトリック増幅器と前記第2の鏡との光軸上には、それぞれ集光手段が配設される、請求項3又は4に記載の量子エンタングルメント生成装置。
【請求項6】 前記光パラメトリック増幅器は、電気光学結晶からなる光導波路構造を有している、請求項1に記載の量子エンタングルメント生成装置。
【請求項7】 前記分散媒質は2枚のガラス板からなる、請求項1に記載の量子エンタングルメント生成装置。
【請求項8】 前記レーザー光源が、光周波数fの光を発生する光源と、該光源から入射される光周波数fの光を光周波数2fに変換する第2高調波発生器と、からなる、請求項1に記載の量子エンタングルメント生成装置。
【請求項9】 前記第2高調波発生器が、電気光学結晶からなる光導波路構造を有している、請求項8に記載の量子エンタングルメント生成装置。
【請求項10】 前記ビームスプリッタは、光周波数f及び光周波数2fの両方の光に対して透過率及び反射率が共に約50%である、請求項1に記載の量子エンタングルメントの生成装置。
【請求項11】 前記リング型干渉計が面上に形成されている、請求項1に記載の量子エンタングルメント生成装置。
【請求項12】 レーザー光源から光周波数2fの光を発生し、
一つのビームスプリッタと複数の鏡とでリング状の光路を形成するリング型干渉計に、上記レーザー光源からの光を入射し、
入射する光を上記ビームスプリッタで分岐して上記リング型干渉計内で互いに反対方向へ進む2つの光とし、
上記ビームスプリッタで分岐された一方の光を、上記リング型干渉計内の光路に配置された光パラメトリック増幅器から、該リング型干渉計内の光路に配置された分散媒質へ進ませて、光周波数fの第1のスクイーズ光を発生させ、
上記ビームスプリッタで分岐された他方の光を、上記分散媒質から上記光パラメトリック増幅器へ進ませて、光周波数fの第2のスクイーズ光を発生させ、
上記第1及び第2のスクイーズ光の相対的な位相を、上記分散媒質によって所定の値に調整し、かつ、上記第1及び第2のスクイーズ光を、上記ビームスプリッタで合波することにより量子エンタングルビームを生成する、量子エンタングルメント生成方法。
【請求項13】 前記第1及び第2のスクイーズ光の相対的な位相をπ/2とする、請求項12に記載の量子エンタングルメント生成方法。
【請求項14】 前記量子エンタングルビームを、前記ビームスプリッタを透過する第1の量子エンタングルビームとし、前記ビームスプリッタを反射する第2の量子エンタングルビームとする、請求項12に記載の量子エンタングルメント生成方法。
【請求項15】 光周波数fのパルスレーザー光源と光周波数fの光が入射すると光周波数2fの光を発生する第2高調波発生器とからなり、光周波数fのパルスレーザー光と光周波数2fのパルスレーザー光を同じ光軸上に出射する光源部と、
一つのビームスプリッタ及び複数の鏡でリング状の光路を形成するリング型干渉計と、
上記リング型干渉計の光路中に挿入され、光周波数2fの光が入射すると光周波数fの光を発生する光パラメトリック増幅器と、
上記リング型干渉計の光路中に挿入された分散媒質と、
ホモダイン検出器と、
を備え、
光周波数2foの光が上記レーザー光源から上記ビームスプリッタに入射し、
上記ビームスプリッタが2foの光周波数を有する光を分岐して上記リング型干渉計内を互いに反対方向へ進ませ、分岐した各光が上記光パラメトリック増幅器に入射することで、上記リング型干渉計内を互いに反対方向へ進む光周波数foの直線偏光した第1及び第2のスクイーズ光を発生し、
上記分散媒質が上記第1及び第2のスクイーズ光の相対的な位相を所定の値に調整し、
上記ビームスプリッタが上記第1及び第2のスクイーズ光を合波して、光周波数fの直線偏光した量子エンタングルビームが生成され、
上記ホモダイン検出器に対して、光周波数fの直線偏光した量子エンタングルビーム光が信号光として、上記光源部から出射される光周波数fで該信号光とは直交する偏光を有しているパルスレーザー光が局部発振光として、それぞれ入射し、直交位相振幅が検出される、量子エンタングルメントの生成検出装置。
【請求項16】 前記量子エンタングルビームは第1及び第2の量子エンタングルビームからなり、上記ホモダイン検出器は第1及び第2のホモダイン検出器からなり、上記第1及び第2の量子エンタングルビーム光が、それぞれ、上記第1及び第2のホモダイン検出器への信号光となる、請求項15に記載の量子エンタングルメントの生成検出装置。
【請求項17】 前記ビームスプリッタは、光周波数f及び光周波数2fの水平直線偏光の光に対して透過率及び反射率が共に約50%であり、光周波数fの垂直直線偏光の光に対して反射率が約100%である、請求項15に記載の量子エンタングルメントの生成検出装置。
【請求項18】 前記ホモダイン検出器は、前記信号光及び前記局部発振光が入射される電気光学結晶と、該電気光学結晶から入射する光を偏光させる1/2波長板と、該1/2波長板で偏光した光を重ね合わせると共に透過光と反射光とに分岐するビームスプリッタと、該ビームスプリッタで分岐される2つの光をそれぞれ検出する検出器と、該検出器の差分を出力する手段と、からなる、請求項15に記載の量子エンタングルメントの生成検出装置。
【請求項19】 前記ホモダイン検出器は、前記信号光及び前記局部発振光が入射され、光周波数f及び光周波数2fを透過させるフィルタと、該フィルタからの光の位相を変化させる1/4波長板と、該1/4波長板からの光を重ね合わせると共に透過光と反射光とに分岐するビームスプリッタと、該ビームスプリッタで分岐される2つの光をそれぞれ検出する検出器と、該検出器の差分を出力する手段と、からなる、請求項15に記載の量子エンタングルメントの生成検出装置。
【請求項20】 さらに、前記局部発振光及び前記信号光と前記ホモダイン検出器との間に配設される分散媒質を備え、該ホモダイン検出器は、上記分散媒質を通過した光から光周波数f及び光周波数2fを透過させるフィルタと、該フィルタからの光を重ね合わせると共に透過光と反射光とに分岐するビームスプリッタと、該ビームスプリッタで分岐される2つの光をそれぞれ検出する検出器と、該検出器の差分を出力する手段と、からなる、請求項15に記載の量子エンタングルメントの生成検出装置。
【請求項21】 前記リング型干渉計が、面上に形成されている、請求項15に記載の量子エンタングルメントの生成検出装置。
【請求項22】 光周波数fのレーザー光源からの光と該レーザー光源から第2高調波発生器を介して発生させた光周波数2fの光とを、同じ光軸上に発生し、
一つのビームスプリッタ及び複数の鏡でリング状の光路を形成するリング型干渉計に、上記レーザー光源からの光周波数2fの光を入射し、
入射する光を、上記ビームスプリッタで分岐して上記リング型干渉計内で互いに反対方向へ進む2つの光とし、
上記ビームスプリッタで分岐された一方の光を、上記リング型干渉計内の光路に配置された光パラメトリック増幅器から、該リング型干渉計内の光路に配置された分散媒質へ進む光とし、光周波数fの直線偏光した第1のスクイーズ光を発生し、
上記ビームスプリッタで分岐された他方の光を、上記分散媒質から上記光パラメトリック増幅器へ進む光とし、光周波数fの直線偏光した第2のスクイーズ光を発生し、
上記第1及び第2のスクイーズ光の相対的な位相を、上記分散媒質によって所定の値に調整し、かつ、上記第1及び第2のスクイーズ光を、上記ビームスプリッタで合波することにより、光周波数fの直線偏光した量子エンタングルビームを生成し、
光周波数fの直線偏光した量子エンタングルビームをホモダイン検出器の信号光とし、上記ビームスプリッタで分岐された一方の光と同じ光路を介して上記レーザー光源からの光周波数fの光を上記リング型干渉計内を通過させると共に、上記信号光とは直交する偏光とし、上記ホモダイン検出器の局部発振光とし、上記ホモダイン検出器が、上記信号光の直交位相振幅を検出する、量子エンタングルメントの生成及び検出方法。
【請求項23】 前記光パラメトリック増幅器の前後の光軸上に光周波数2fを阻止するフィルタを挿入し、前記量子エンタングルビームの発生を停止する、請求項22に記載の量子エンタングルメントの生成及び検出方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2009529007thum.jpg
出願権利状態 登録
参考情報 (研究プロジェクト等) CREST 量子情報処理システムの実現を目指した新技術の創出 領域
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