説明

エンタングル状態を用いた通信方法

【課題】 エンタングル状態を用いて、光速を超える信号伝達速度を実現する通信方法を提供すること。
【解決手段】 受信者は、偏光板と、光経路の一部に非線形光学材料を用いたサニャック干渉計を準備する。偏光方向がエンタングル状態にある2光子のうち、第1の光子を送信者に送付し、残りの第2の光子を受信者へ送付する。送信者は、送りたい情報に応じて垂直方向または45度方向を選択し、時刻1に垂直偏光または45度偏光を透過する偏光板を通過させた後で第1の光子の測定を行う。受信者は時刻1よりも後の時刻2に第2の光子を、上記偏光板を通過させた後で上記サニャック干渉計に入力し、非線形光学材料中で参照光と相互作用させる。受信者はサニャック干渉計から出力される信号光の位相変調量を測定して送信者の情報を判別する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、量子状態であるエンタングル状態を利用した通信方法に関し、特に非線形光学材料の非線形屈折率効果による交差位相変調を利用する通信方法に関する。
【背景技術】
【0002】
現在の通信技術は電気通信、電波通信または光ファイバー通信が広く実用化されている。この電気、電波または光を用いる通信では、信号伝達速度は光速以下となる。一方、基礎研究の分野では量子力学の原理を元にした、量子通信技術の研究が盛んに行われている。この量子通信技術の分野ではエンタングル状態(もつれた状態)を用いて、盗聴攻撃に強い量子暗号を開発する研究が行われている(例えば非特許文献1「工学系のための量子光学」、森北出版、第10章、または特許文献1「特願平11−700号」参照)。また、エンタングル状態とベル測定と呼ばれる操作を用いて、コピー元の量子状態を別の系に再現させる量子テレポーテーションも研究されている(例えば非特許文献1「工学系のための量子光学」、森北出版、第10章参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特願平11−700号
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】井上 恭著「工学系のための量子光学」、森北出版
【非特許文献2】尾崎義治、朝倉利光訳「基本光工学1」、森北出版
【非特許文献3】尾崎義治、朝倉利光訳「基本光工学2」、森北出版
【非特許文献4】G.P.アグラワール著「非線形ファイバー光学」、吉岡書店
【非特許文献5】N.Matsuda,R.Shimizu,Y.Mitsumori,H.Kosaka,and K.Edamatsu,Nature.Photonics 3,95(2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、これらの量子暗号または量子テレポーテーションにおいても、実際に情報を伝達するには光速以下の速度での通信過程が必要とされており、信号伝達速度は光速以下となる。エンタングル状態に対する測定を行うと、波束の収縮(エンタングル状態の干渉性の消失)が瞬時に起こり、エンタングル状態の各部分系の測定結果に強い相関(100%の相関)が生じる。しかし、エンタングル状態に対する個々の測定結果は全くランダムであり、測定結果を任意に選ぶことができないため、送信者が情報を送信することには利用できないと言われている(例えば非特許文献1「工学系のための量子光学」、森北出版、第9章参照)。
【0006】
そこで本発明の目的は、エンタングル状態に対する測定結果のランダム性に起因した通信技術への応用の困難を克服して、光速を超える信号伝達速度を実現する通信方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】
【0007】
上記の目的を達成するために、本発明の第1の側面によれば、受信者は、垂直偏光を透過する偏光板と非線形光学材料を用いたサニャック干渉計を準備する。上記サニャック干渉計には、光経路の一部に、上記非線形光学材料が配置されている。
【0008】
送信者と受信者は偏光方向がエンタングル状態にある2光子を準備する。そして、上記エンタングル状態の2光子のうち、第1の光子を送信者に送付し、残りの第2の光子を受信者へ送付する。
【0009】
時刻1に、送信者は「1」を送信する場合は、垂直偏光を透過する偏光板を通過させた後で第1の光子の測定(光子の検出)を行う。また送信者は「0」を送信する場合は、45度偏光を透過する偏光板を通過させた後で第1の光子の測定を行う。
【0010】
次に受信者は時刻1よりも後の時刻2に、垂直偏光を透過する偏光板6を通過させた後で、第2の光子を上記サニャック干渉計に入力する。更に参照光を上記サニャック干渉計へ入射し、サニャック干渉計を互いに反対方向に伝播する参照光の2つの成分のうち一方を、非線形光学材料中において(非線形屈折率効果によって)第2の光子と相互作用させる。
【0011】
この参照光と第2の光子の(非線形屈折率効果による)相互作用の結果、サニャック干渉計から出力される信号光は位相変調を受ける。受信者は、上記信号光の位相変調量を測定して「信号光の位相変調量が0またはδの場合」には信号「1」と判別する。また受信者は、「信号光の位相変調量がδ/2の場合」には信号「0」と判別する。
【0012】
上記の方法では、送信者が第1の光子の偏光状態を垂直方向で測定するか45度方向で測定するかの2選択を通信に用いる。つまり、測定結果自体を送信に用いるわけではないため、エンタングル状態の測定結果自体はランダムであっても構わない。測定によるエンタングル状態の波束の収縮(干渉性の消失)は極短い時間に瞬間的に起こるとされている。そのため上記時刻1と上記時刻2は、送信者と受信者がどのような距離離れていても極短い時間に設定できる。したがって原理的に光速以上の信号伝達速度を達成しうる。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、エンタングル状態の測定結果のランダム性に起因した通信技術への応用の困難を克服して、光速を超える信号伝達速度を実現する通信方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】実施例1において、偏光板が垂直の場合の構成図。
【図2】実施例1において、偏光板が45度の場合の構成図。
【図3】実施例1の図1に対応する場合において、偏光ビームスプリッター14、15に代えて周波数依存のあるミラー25、26を用いた構成図。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。
【実施例】
【0016】
図1から図2を用いて実施例1を説明する。図1においてレーザー光源1から放射されたレーザー光21をビームスプリッター22で2方向へ分割する。図1中、ビームスプリッター22から上方へ伝播するポンプ光23は、第2の非線形光学材料24へ入射する。第2の非線形光学材料24からは、ポンプ光23からパラメトリックダウンコンバージョンにより発生する、偏光状態がエンタングルした(もつれた)第1の光子2と第2の光子3が放射される。図1中、第1の光子2と第2の光子3の伝播方向を実線矢印で図示した。光子の垂直方向の偏光状態を|V>、水平偏光状態を|H>とすると、上記エンタングル状態は以下の(式1)で表される。
【0017】
【数1】

ここで添え字Aは第1測定器5へ向かう第1の光子2を表し、添え字Bは第2の光子3を表す。したがって上記の(式1)は、第1の光子2と第2の光子3がともに水平偏光である状態と、第1の光子2と第2の光子3がともに垂直偏光である状態がエンタングルして(もつれて)いることを示している。特にこの(式1)であらわされる状態は、垂直方向と水平方向に限らず、任意の角度の偏光状態とそれに直交する偏光状態の組み合わせを用いても同様に表すことが出来る(例えば非特許文献1「工学系のための量子光学」、森北出版、第9章参照)。
【0018】
図1において、第1の光子2は垂直偏光を透過する偏光板4により垂直偏光成分のみが第1測定器5へ向かう。図中、偏光板4を通過した第1の光子2を点線矢印で図示した。また偏光板4を通過した第1の光子2が垂直偏光成分であることを縦方向の両側矢印で図示した。ここで第1測定器5にて第1の光子2が検出されると、第1の光子2が垂直偏光であることが確定する。また第1測定器5にて第1の光子2が検出されなかった場合は第1の光子2が水平偏光であることが確定する(例えば非特許文献1「工学系のための量子光学」、森北出版、第9章参照)。
【0019】
図1において、第1の光子2に対する上記測定により波束の収縮(干渉性の消失)が起こり、第2の光子3も第1の光子2と同じ偏光状態に確定する。これは上記エンタングル状態の特性である(例えば非特許文献1「工学系のための量子光学」、森北出版、第9章参照)。
【0020】
上記第1の光子2に対する測定の後、第2の光子3は垂直偏光を透過する偏光板6を通過する。このとき、第2の光子3が垂直偏光の場合には第2の光子3は偏光板6を通過し、第2の光子3が水平偏光の場合には第2の光子3は偏光板6を通過しない。図1中、偏光板6を通過した後の第2の光子3Aを点線矢印で示した。
【0021】
次に第2の光子3Aは、ミラー7、ミラー8、ミラー9、偏光ビームスプリッター10、偏光ビームスプリッター14、偏光ビームスプリッター15、第1の非線形光学材料11、ファラデーユニット12、ファラデーユニット13から構成されるサニャック干渉計18に入射する。第2の光子3Aは偏光板6により垂直偏光状態になっているので、偏光ビームスプリッター14からサニャック干渉計18の中へ入射して、第1の非線形光学材料11を通過し、偏光ビームスプリッター15からサニャック干渉計18の外へ出る。
【0022】
また、ビームスプリッター22で分割された(ポンプ光23とは別の)もう一方の光ビームである参照光16が、偏光ビームスプリッター10からサニャック干渉計18へ入射する。参照光16は偏光方向を調整してサニャック干渉計18へ入射する際に|H>+|V>の状態であるようにしておく。図1中、参照光16は偏光ビームスプリッター10により、サニャック干渉計18を時計まわりに伝播する参照光16Hと、反時計まわりに伝播する参照光16Vの2つの成分に分割される。ただし、ファラデーユニット12またはファラデーユニット13による偏光方向の変換により、ファラデーユニット12から時計まわりにファラデーユニット13へ至る区間では、参照光16Hと参照光16Vはともに水平偏光の状態で伝播するように設定できる。その他のファラデーユニット12から偏光ビームスプリッター10と、偏光ビームスプリッター10からファラデーユニット13の間の区間では、参照光16Hと参照光16Vはそれぞれ水平偏光と垂直偏光になっている。したがって参照光16Hと参照光16Vは、偏光ビームスプリッター14と偏光ビームスプリッター15を透過して、サニャック干渉計18をそれぞれ反対方向に1周する。サニャック干渉計18を1周した2つの参照光を、参照光16HAと参照光16VAとして図示した。参照光16HAと参照光16VAは偏光ビームスプリッター10において合成されて信号光17として出力される。上記のサニャック干渉計18は非特許文献5に詳しく説明されている。(非特許文献5、Nature.Photonics 3,95(2009)参照)
【0023】
ここで上記第1の非線形光学材料11の中では、第2の光子3Aの光強度に比例して、参照光16Vが感じる屈折率が変化する。これは第1の非線形光学材料11の非線形屈折率効果によるもので、交差位相変調(XPM)とよばれる。(非特許文献4、非線形ファイバー光学、第7章参照)一方、第2の光子3Aと逆方向にサニャック干渉計18を伝播する参照光16Hは、ほとんど第2の光子3Aと交差する時間がないため、第2の光子3Aの影響を受けない。したがって参照光16Vは参照光16Hと比べて、第2の光子3Aの強度に比例した位相変調を受ける。この位相変調の量は、第2の光子3が垂直偏光の場合は偏光板6を透過するため光子1個分の光強度による位相変調δとなり、第2の光子3が水平偏光の場合は偏光板6を透過しないため位相変調0となる。
【0024】
次に図2に、第1の光子2が45度偏光を透過する偏光板4を通った後で、第1測定器5において第1の光子2が測定される場合を示す。図2は偏光板4の角度が45度であること以外は図1と同じ構成となっている。この場合、第1測定器5において第1の光子2が検出されると、第1の光子2と第2の光子3の偏光がともに45度偏光に確定する。第1の光子2が検出されない場合は、第1の光子2と第2の光子3の偏光がともに−45度偏光に確定する。これは、(式1)で表される上記エンタングル状態が、任意の角度の偏光状態とそれに直交する偏光状態の組み合わせを用いても同様に表すことが出来ることに起因している(例えば非特許文献1「工学系のための量子光学」、森北出版、第9章参照)。
【0025】
そのため第2の光子3が偏光板6へ入射すると、50%の確率(50%の光強度)で透過する。図2中、偏光板6を通過した後の第2の光子3Aは、偏光板6を通過する前の1/2の光強度となっている。そして、この偏光板6を通過した後の第2の光子3Aがサニャック干渉計18へ入射する。図1の場合と同様に参照光16もサニャック干渉計18へ入射する。
【0026】
ここでも図1の場合と同様に第1の非線形光学材料11の中で、参照光16Vが第2の光子3Aの光強度に比例した屈折率変化を受ける。しかし、この図2の場合では第2の光子3Aの光強度は1光子の1/2の光強度であるため、屈折率変化による参照光16Vの位相変調もδ/2となる。そして、サニャック干渉計18を1周した参照光16HAと参照光16VAは偏光ビームスプリッター10において合成されて信号光17として出力される。
【0027】
図1の場合において、サニャック干渉計18から出力される信号光17は|H>+|V>または|H>+exp(iδ)|V>で表される状態となる。これは上記のように、第2の光子3Aの光強度に比例した屈折率変化による参照光16Vの位相変調が0またはδであることによる。一方で図2の場合においては、サニャック干渉計18から出力される信号光17は|H>+exp(iδ/2)|V>で表される状態となる。これは図2の場合においては、上記のように、第2の光子3Aの光強度に比例した屈折率変化による参照光16Vの位相変調がδ/2であることによる。この位相変調0またはδまたはδ/2は、非特許文献5に詳しく説明されているようにオプティカルブリッジテクニックと呼ばれる手法により、信号光17の微少な偏光角度の違いとして検出できる。(非特許文献5、Nature.Photonics 3,95(2009)参照)したがって信号光17の位相変調量を検出することより、図1の場合(偏光板4が垂直)と図2の場合(偏光板4が45度)を判別することができる。
【0028】
ここで上記の構成を通信に用いる方法を説明する。受信者は、垂直偏光を透過する偏光板6と第1の非線形光学材料11を用いたサニャック干渉計18を準備する。上記サニャック干渉計18には、光経路の一部に、上記第1の非線形光学材料11が配置されている。
【0029】
送信者と受信者は偏光方向がエンタングル状態にある2光子を準備する。そして、上記エンタングル状態の2光子のうち、第1の光子2を送信者に送付し、残りの第2の光子3を受信者へ送付する。
【0030】
予め送信者と受信者間で決めておいた時刻1に、送信者は「1」を送信する場合は、垂直偏光を透過する偏光板4を通過させた後で第1の光子2の測定(光子の検出)を行う。また送信者は「0」を送信する場合は、45度偏光を透過する偏光板4を通過させた後で第1の光子2の測定を行う。
【0031】
次に受信者は時刻1よりも後の時刻2に、垂直偏光を透過する偏光板6を通過させた後で、第2の光子3Aを上記サニャック干渉計18に入力する。更に参照光16を上記サニャック干渉計18へ入射し、サニャック干渉計18を互いに反対方向に伝播する2つの成分のうち一方を、第1の非線形光学材料11において(非線形屈折率効果によって)第2の光子3Aと相互作用させる。この参照光16と第2の光子3Aの(非線形屈折率効果による)相互作用の結果、サニャック干渉計18から出力される信号光17は位相変調を受ける。受信者は、上記信号光17の位相変調量を測定して「信号光17の位相変調量が0またはδの場合」には信号「1」と判別する。また受信者は、「信号光17の位相変調量がδ/2の場合」には信号「0」と判別する。上記で説明したことから、この方法で第2の光子3の偏光状態を判別することが可能であることが分かる。
【0032】
上記の方法では、送信者が第1の光子2の偏光状態を垂直方向で測定するか45度方向で測定するかの2選択を通信に用いる。つまり、測定結果自体を送信に用いるわけではないため、エンタングル状態の測定結果自体はランダムであっても構わない。実際、送信者が第1の光子2の偏光状態を垂直方向で測定した場合には、測定結果は垂直偏光または水平偏光となる。また、送信者が第1の光子の偏光状態を45度方向で測定した場合には、測定結果は±45度偏光となる。このように測定結果自体はランダムである。しかし上記実施例1の方法によって受信者は、送信者が行った垂直方向または45度方向の2選択を判別することができる。
【0033】
また上記の方法では、第2の光子3Aを非線形光学材料の中で参照光16Vと相互作用させ、参照光16Vに第2の光子3Aの光強度に比例した位相変調を生じさせ、その位相変調量を測定することにより送信者の情報を判別することが本質的である。
【0034】
測定によるエンタングル状態の波束の収縮(干渉性の消失)は極短い時間に瞬間的に起こるとされている。そのため時刻1と時刻2は送信者と受信者がどのような距離離れていても極短い時間に設定できる。したがって原理的に光速以上の信号伝達速度を達成しうる。
【0035】
上記の実施例1では(式1)で表される偏光状態がエンタングルした(もつれた)2光子を用いたが、下記の(式2)または(式3)で表されるエンタングルした(もつれた)2光子を用いても良い。
【0036】
【数2】

(式2)のエンタングル状態は第1の光子2と第2の光子3の片方が垂直偏光、片方が水平偏光である2状態がエンタングルしたものになっている。(式3)は(式1)と第2項の符号のみが異なる(例えば非特許文献1「工学系のための量子光学」、森北出版、第9章参照)。(式2)または(式3)で表されるエンタングル状態でも、第1の光子2と第2の光子3が垂直偏光と水平偏光のどちらかであるか、または±45度偏光のどちらかであるようにすることができる。これには上記実施例1と同様に、第1の光子2の偏光状態を垂直方向で測定するか45度方向で測定するかの2選択を行えば良い。したがって、これらの場合にも上記実施例1と同じ通信方法を用いることが出来る。
【0037】
また上記の実施例1では、図1と図2において第2の光子3Aをサニャック干渉計18に入射または取り出すために、偏光ビームスプリッター14と偏光ビームスプリッター15を用いた。第2の光子3Aはポンプ光23から第2の非線形光学材料24でのパラメトリックダウンコンバージョンによって生成されるため、参照光16とは周波数が異なる(第2の光子3Aは参照光16より周波数が小さい)。したがって上記の偏光ビームスプリッター14、15に代えて、参照光16の周波数では光を透過し、第2の光子3Aの周波数では光を反射する周波数依存をもつミラーを用いても良い。図1の場合に、偏光ビームスプリッター14、15に代えて、上記の周波数依存をもつミラーを用いた場合を図3に示した。
【0038】
図3の中では、偏光ビームスプリッター14、15に代えて、周波数依存をもつミラー25、26が配置される。周波数依存をもつミラー25、26は第2の光子3Aの周波数の光を反射するので、第2の光子3Aをサニャック干渉計18に入射または取り出すことが可能となる。一方で、周波数依存をもつミラー25、26は参照光16の周波数の光は透過するため参照光16の伝播には影響を与えない。この図3の例では偏光板6は水平偏光を透過する方向に設置される。したがってサニャック干渉計18に入射する第2の光子3Aは水平偏光となる。実施例1のようにサニャック干渉計18のなかで第1の非線形光学材料11を含む区間では参照光16Vは水平偏光となっており、図3の場合では参照光16Vは第1の非線形光学材料11のなかで同じ水平偏光の第2の光子3Aと相互作用する。非線形屈折率効果による非線形光学材料中の(光強度に比例した)屈折率変化は、2つの光が同じ偏光方向である場合のほうが、直交する偏光方向である場合よりも(2倍)屈折率変化が大きい。したがって図3の場合では図1の場合より大きな信号光17の位相変調が生じるため、信号光17の位相変調量の計測が容易になる。
【0039】
上記の実施例1では、信号光17の位相変調量が0またはδの場合(図1の場合)と、信号光17の位相変調量がδ/2の場合(図2の場合)とをオプティカルブリッジテクニックによる測定で判別した。このオプティカルブリッジテクニックでは信号光17を偏光ビームスプリッターで2分岐して、それぞれをフォトダイオードで光電流へ変換して差分を取ることで、信号光17の位相変調量を検出している(非特許文献5、Nature.Photonics 3,95(2009)参照)。したがって偏光ビームスプリッターの角度調整または電気回路上の処理により、信号光17の位相変調量がδ/2の場合に生じる光電流差分が0となるように0点補正(オフセット補正)を行い、信号光17の位相変調量がδまたは0のときに光電流差分が±αδとなるように設定することも可能である。このように設定した上で更に光電流差分を全波整流すると最終的な電気的出力は、信号光17の位相変調量がδ/2の場合には出力0で、信号光17の位相変調量がδまたは0のときには出力αδとなるように設定できる。
【0040】
このように設定された場合には、上記実施例1の(第2の光子3Aの)測定を連続して複数回測定し、出力値を積分することが可能となる。これにより微少な位相変調量の測定精度を向上させることもできる。
【符号の説明】
【0041】
1 レーザー光源
2 第1の光子
3 第2の光子
3A 偏光板6を通過した後の第2の光子
4 偏光板
5 第1測定器
6 偏光板
7 ミラー
8 ミラー
9 ミラー
10 偏光ビームスプリッター
11 第1の非線形光学材料
12 ファラデーユニット
13 ファラデーユニット
14 偏光ビームスプリッター
15 偏光ビームスプリッター
16 参照光
17 信号光
18 サニャック干渉計
21 レーザー光
22 ビームスプリッター
23 ポンプ光
24 第2の非線形光学材料
25 周波数依存のあるミラー
26 周波数依存のあるミラー

【特許請求の範囲】
【請求項1】
受信者は、垂直偏光を透過する偏光板と、光経路の一部に第1の非線形光学材料を用いたサニャック干渉計を準備し、
偏光方向がエンタングル状態にある2光子のうち、第1の光子を送信者に送付し、残りの第2の光子を受信者へ送付し、
時刻1に、送信者は第1信号を送信する場合は、垂直偏光を透過する偏光板を通過させた後で第1の光子の測定を行い、
また送信者は第2信号を送信する場合は、45度偏光を透過する偏光板を通過させた後で第1の光子の測定を行い、
次に受信者は時刻1よりも後の時刻2に、垂直偏光を透過する偏光板または水平偏光を透過する偏光板を通過させた後で、第2の光子を上記サニャック干渉計に入力し、
更に受信者は参照光を上記サニャック干渉計へ入射させ、サニャック干渉計を互いに反対方向に伝播する参照光の2つの成分のうち一方を、上記第1の非線形光学材料中において第2の光子と相互作用させ、サニャック干渉計から出力される信号光に位相変調を生じさせ、
受信者は、信号光の位相変調量が0またはδの場合には第1信号と判別し、
また受信者は、信号光の位相変調量がδ/2の場合には第2信号と判別する、
以上の過程を含むことを特徴とした通信方法。
【請求項2】
請求項1において、
第1の光子と第2の光子は、レーザー光から2分岐された一方のポンプ光により、第2の非線形光学材料でのパラメトリックダウンコンバージョンにより生成されたエンタングル状態であり、
参照光はレーザー光から2分岐された残りの一方の光ビームであることを特徴とする通信方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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