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、光経路の一部に光路長の等しい２つの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、ハーフビームスプリッターにおいてローカルオシレーター光と混合させた後で前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。
【解決手段】 受信者は、光経路の一部に光路長の等しい２つの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、ハーフビームスプリッターにおいてローカルオシレーター光と混合させた後で前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）
【非特許文献６】古澤 明著「量子光学と量子情報科学」、数理工学社
【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】
前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、光路長の等しい２つの非線形光学材料を用いたサニャック干渉計を準備する。前記サニャック干渉計には、光経路の一部に、前記２つの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、前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、第２の光子をハーフビームスプリッターにおいてローカルオシレーター光と混合し、第１の出力光と第２の出力光を生成する。
【００１１】
次に受信者は第１の出力光と第２の出力光を前記サニャック干渉計に入力する。更に参照光を前記サニャック干渉計へ入射し、互いに反対方向にサニャック干渉計を伝播する参照光の２つの成分のうち一方を、前記２つの非線形光学材料の一方において（非線形屈折率効果によって）第１の出力光と相互作用させる。また互いに反対方向にサニャック干渉計を伝播する参照光の２つの成分のうち他方を、前記２つの非線形光学材料の他方において（非線形屈折率効果によって）第２の出力光と相互作用させる。
【００１２】
この参照光と第１の出力光または第２の出力光との（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、前記信号光の位相変調量を測定して「信号光の位相変調量の絶対値が０またはαδ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の絶対値がαδ／Ｋの場合」には信号「０」と判別する。ここでＫは２の平方根、αは比例定数とする。
【００１３】
前記の方法では、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。そのため前記時刻１と前記時刻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】
【００１４】
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】
【００１５】
【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１４Ａ、１４Ｂ、１５Ａ、１５Ｂに代えて周波数依存のあるミラー２７Ａ、２７Ｂ、２８Ａ、２８Ｂを用いた構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。以下で定数Ｋを２の平方根とする。
【実施例】
【００１７】
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３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。ポンプ光と非線形光学材料による偏光のエンタングル状態の生成方法については、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章に詳しく説明されている。図１では第３の非線形光学材料２４だけを図示しているが、実際には前記の非特許文献１に紹介されている単一または複数の非線形光学材料を用いる方法で偏光のエンタングル状態が生成できる。また図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、前記エンタングル状態は以下の（式１）で表される。
【００１８】
【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。したがって前記の（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）。
【００１９】
図１において、垂直偏光を透過する偏光板４により第１の光子２の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）。
【００２０】
図１において、第１の光子２に対する前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。これは前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）。
【００２１】
前記第１の光子２に対する測定の後、第２の光子３は、ハーフビームスプリッター２５へ入射する。このとき同時にローカルオシレーター光２６もハーフビームスプリッター２５へ入射して、第２の光子３とローカルオシレーター光２６が混合され、第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂがハーフビームスプリッター２５から出力される。ローカルオシレーター光２６は第２の光子３と同じ周波数で、垂直偏光しているものとする。更にローカルオシレーター光２６は第２の光子３よりも十分に光強度が大きいものとする。ここでハーフビームスプリッター２５を、第１の出力光３Ａでは第２の光子３とローカルオシレーター光２６が逆位相で混合され、第２の出力光３Ｂでは同位相で混合されるように設定されているものとする。（例えば非特許文献６「量子光学と量子情報科学」、数理工学社、第１章１．４節参照）
【００２２】
したがって前記第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂの光強度は、下記の（式２）のようになる。（式２）中のＥＳの符号は、第１の出力光３Ａではマイナス、第２の出力光３Ｂではプラスとなる。ここでＥＳはハーフビームスプリッター２５へ入射する第２の光子３の光電場を表し、ＥＬはローカルオシレーター光２６の光電場を表す。またＥＳ＊はＥＳの複素共役、ＥＬ＊はＥＬの複素共役を表す。ＥＬ＊・ＥＳまたはＥＬ・ＥＳ＊は光電場ベクトル同士の内積を表す。１／２の因子はハーフビームスプリッター２５での光の２分割に起因する。また、ローカルオシレーター光２６は第２の光子３よりも十分強い光であることを想定しているため、下記の（式２）中の２行目以降でＥＳの２乗の項を省略した。（式２）より第２の光子３の光電場ＥＳ（またはＥＳ＊）に依存する項δは、ローカルオシレーター光２６の光電場ＥＬ＊（またはＥＬ）との内積である。そのため、第２の光子３の光電場ＥＳのうちローカルオシレーター光２６と同じ偏光方向（垂直偏光）の成分のみが取り出されることになる。
【００２３】
【数２】
【００２４】
次に第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂ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１４Ａと１５Ａ、偏光ビームスプリッター１４Ｂと１５Ｂ、光路長が等しい第１の非線形光学材料１１Ａと第２の非線形光学材料１１Ｂ、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１の出力光３Ａの垂直偏光成分が、偏光ビームスプリッター１４Ａ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１１Ａを通過し、偏光ビームスプリッター１５Ａからサニャック干渉計１８の外へ出る。第２の出力光３Ｂもその垂直偏光成分が、偏光ビームスプリッター１４Ｂからサニャック干渉計１８の中へ入射して、第２の非線形光学材料１１Ｂを通過し、偏光ビームスプリッター１５Ｂからサニャック干渉計１８の外へ出る。
【００２５】
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。サニャック干渉計１８へ入射する前、参照光１６は同じ割合の垂直偏光と水平偏光からなる｜Ｈ＞＋｜Ｖ＞で表される状態とする。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の間と、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１４Ａ、１４Ｂと偏光ビームスプリッター１５Ａ，１５Ｂ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。前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）
【００２６】
ここで前記第１の非線形光学材料１１Ａの中では、第１の出力光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１１Ａ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１の出力光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１の出力光３Ａと交差する時間がないため、第１の出力光３Ａの影響を受けない。同様に前記第２の非線形光学材料１１Ｂの中では、第２の出力光３Ｂの光強度に比例して、参照光１６Ｈが感じる屈折率が変化する。
【００２７】
前記（式２）に示したように、第１の出力光３Ａの光強度は（β−δ）／２、第２の出力光３Ｂの光強度は（β＋δ）／２なので、参照光１６Ｖは参照光１６Ｈと比べて、−δ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ローカルオシレーター光２６と同じ偏光方向のため光子１個分の光電場による位相変調−αδとなり、第２の光子３が水平偏光の場合はローカルオシレーター光２６と直交するため位相変調０となる。これは前記のようにδが第２の光子３の光電場とローカルオシレーター光２６の光電場の内積からなっているためである。ここでαは比例定数を表すものとする。また、前記のように実際には第１の出力光３Ａ（または第２の出力光３Ｂ）の垂直偏光成分のみがサニャック干渉計１８の中に入射するが、ローカルオシレーター光２６が垂直偏光であるため、サニャック干渉計１８の中での第１の出力光３Ａ（または第２の出力光３Ｂ）の光強度はやはり前記と同じ（β−δ）／２（または（β＋δ）／２）となり、位相変調の量も同じ結果となる。
【００２８】
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）で表される前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）。
【００２９】
次に第２の光子３が、ハーフビームスプリッター２５へ入射する。図１の場合と同様にローカルオシレーター光２６もハーフビームスプリッター２５へ入射して、第２の光子３とローカルオシレーター光２６が混合され、第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂがハーフビームスプリッター２５から出力される。ここで、ローカルオシレーター光２６は図１の場合と同じ光強度で垂直偏光しているものとする。この図２の場合には、（式２）の中で第２の光子３の光電場ＥＳに依存する項δは、第２の光子３が４５度偏光のため図１の垂直偏光の場合の１／Ｋ倍になる（ここでＫは２の平方根）。これは前記のようにδが第２の光子３の光電場とローカルオシレーター光２６の光電場の内積からなっていて、垂直偏光と４５度偏光の内積が１／Ｋとなるためである。
【００３０】
次に第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂは、それぞれ偏光ビームスプリッター１４Ａと偏光ビームスプリッター１４Ｂからサニャック干渉計１８の中へ入射する。図１の場合と同様に、第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂのそれぞれ垂直偏光成分がサニャック干渉計１８の中へ入射する。ここでも図１の場合と同様に第１の非線形光学材料１１Ａの中で、参照光１６Ｖが第１の出力光３Ａの光強度に比例した屈折率変化を受ける。また参照光１６Ｈが第２の出力光３Ｂの光強度に比例した屈折率変化を受ける。図２の場合、参照光１６Ｈに対する参照光１６Ｖの位相変調量は−αδ／Ｋとなる（ここでＫは２の平方根）。これは前記のように、（式２）の中で第２の光子３の光電場ＥＳに依存する項δが、第２の光子３が４５度偏光のため図１の垂直偏光の場合の１／Ｋ倍になるためである。実際には第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂのそれぞれ垂直偏光成分のみがサニャック干渉計１８の中へ入射するが、ローカルオシレーター光２６が垂直偏光のため位相変調量の結果には影響しない。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。
【００３１】
前記で説明したように、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（−ｉαδ）｜Ｖ＞で表される状態となる。これは前記のように、参照光１６Ｈに対する参照光１６Ｖの位相変調が０または−αδ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（−ｉαδ／Ｋ）｜Ｖ＞で表される状態となる。この位相変調０または−αδまたは−αδ／Ｋは、非特許文献５に詳しく説明されている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。本実施例の方法では、（式２）に示されるように前記δが第２の光子３の光電場ＥＳの大きさとローカルオシレーター光２６の光電場ＥＬの大きさの積に比例する。したがって、ローカルオシレーター光２６の強い光電場ＥＬにより第２の光子３の微弱な光電場ＥＳを増幅して検出することが出来て、高感度に第２の光子３の偏光方向を判別できる。
【００３２】
ここで前記の構成を通信に用いる方法を説明する。受信者は、光路長の等しい第１の非線形光学材料１１Ａと第２の非線形光学材料１１Ｂを用いたサニャック干渉計１８を準備する。前記サニャック干渉計１８には、光経路の一部に、前記第１の非線形光学材料１１Ａと第２の非線形光学材料１１Ｂが配置されている。
【００３３】
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、前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。
【００３４】
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。
【００３５】
次に受信者は時刻１よりも後の時刻２に、第２の光子３をハーフビームスプリッター２５においてローカルオシレーター光２６と混合し、第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂを生成する。
【００３６】
受信者は第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂを前記サニャック干渉計１８に入力する。更に参照光１６を前記サニャック干渉計１８へ入射し、互いに反対方向にサニャック干渉計１８を伝播する参照光１６の２つの成分のうち一方を、第１の非線形光学材料１１Ａにおいて（非線形屈折率効果によって）第１の出力光３Ａと相互作用させる。また互いに反対方向にサニャック干渉計１８を伝播する参照光１６の２つの成分のうち他方を、第２の非線形光学材料１１Ｂにおいて（非線形屈折率効果によって）第２の出力光３Ｂと相互作用させる。この相互作用の結果、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、前記信号光１７の位相変調量を測定して「信号光１７の位相変調量の絶対値が０またはαδの場合」には信号「１」と判別する。また受信者は、「信号光１７の位相変調量の絶対値がαδ／Ｋの場合」には信号「０」と判別する。前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。
【００３７】
前記の方法では、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。しかし前記実施例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。
【００３８】
前記の方法では、第１の出力光３Ａ（または第２の出力光３Ｂ）を第１の非線形光学材料１１Ａ（または第２の非線形光学材料１１Ｂ）の中で参照光１６Ｖ（または参照光１６Ｈ）と相互作用させ、参照光１６Ｖ（または参照光１６Ｈ）に第１の出力光３Ａ（または第２の出力光３Ｂ）の光強度に比例した位相変調を生じさせ、参照光１６Ｖと参照光１６Ｈの間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。更に第２の光子３をローカルオシレーター光２６と混合することによって、微弱な第２の光子３の光電場をローカルオシレーター光２６の強い光電場により増幅して検知することができる点も特長である。
【００３９】
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。
【００４０】
前記の実施例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３）または（式４）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。
【００４１】
【数３】
（式３）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４）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３）または（式４）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。これには前記実施例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、これらの場合にも前記実施例１と同じ通信方法を用いることが出来る。
【００４２】
また前記の実施例１では、図１と図２において第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂ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１４Ａ、１４Ｂと偏光ビームスプリッター１５Ａ、１５Ｂを用いた。第２の光子３はポンプ光２３から第３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３は参照光１６より周波数が小さい）。したがって前記の偏光ビームスプリッター１４Ａ、１４Ｂ、１５Ａ、１５Ｂに代えて、参照光１６の周波数では光を透過し、第２の光子３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１４Ａ、１４Ｂ、１５Ａ、１５Ｂに代えて、前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。
【００４３】
図３の中では、偏光ビームスプリッター１４Ａ、１４Ｂ、１５Ａ、１５Ｂに代えて、周波数依存をもつミラー２７Ａ、２７Ｂ、２８Ａ、２８Ｂが配置される。周波数依存をもつミラー２７Ａ、２７Ｂ、２８Ａ、２８Ｂは第１の出力光３Ａまたは第２の出力光３Ｂの周波数の光を反射するので、第１の出力光３Ａまたは第２の出力光３Ｂ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２７Ａ、２７Ｂ、２８Ａ、２８Ｂ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。
【００４４】
前記の実施例１では、信号光１７の位相変調量が０または−αδの場合と、信号光１７の位相変調量が−αδ／Ｋ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ていた。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、前記実施例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である。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ができる。
【００４５】
前記実施例１ではサニャック干渉計１８は偏光ビームスプリッターとミラー、第１の非線形光学材料、第２の非線形光学材料から構成されていたが、ミラーを用いずループ状の光ファイバーでサニャック干渉計１８を構成することもできる。（非特許文献５、Ｎａｔｕｒｅ．Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ３，９５（２００９）参照）
【符号の説明】
【００４６】
１ レーザー光源
２ 第１の光子
３ 第２の光子
３Ａ 第１の出力光
３Ｂ 第２の出力光
４ 偏光板
５ 第１測定器
７ ミラー
８ ミラー
９ ミラー
１０ 偏光ビームスプリッター
１１Ａ 第１の非線形光学材料
１１Ｂ 第２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
１４Ａ 偏光ビームスプリッター
１４Ｂ 偏光ビームスプリッター
１５Ａ 偏光ビームスプリッター
１５Ｂ 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３の非線形光学材料
２５ ハーフビームスプリッター
２６ ローカルオシレーター光
２７Ａ 周波数依存のあるミラー
２７Ｂ 周波数依存のあるミラー
２８Ａ 周波数依存のあるミラー
２８Ｂ 周波数依存のあるミラー
【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）
【非特許文献６】古澤 明著「量子光学と量子情報科学」、数理工学社
【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】
前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、光路長の等しい２つの非線形光学材料を用いたサニャック干渉計を準備する。前記サニャック干渉計には、光経路の一部に、前記２つの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、前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、第２の光子をハーフビームスプリッターにおいてローカルオシレーター光と混合し、第１の出力光と第２の出力光を生成する。
【００１１】
次に受信者は第１の出力光と第２の出力光を前記サニャック干渉計に入力する。更に参照光を前記サニャック干渉計へ入射し、互いに反対方向にサニャック干渉計を伝播する参照光の２つの成分のうち一方を、前記２つの非線形光学材料の一方において（非線形屈折率効果によって）第１の出力光と相互作用させる。また互いに反対方向にサニャック干渉計を伝播する参照光の２つの成分のうち他方を、前記２つの非線形光学材料の他方において（非線形屈折率効果によって）第２の出力光と相互作用させる。
【００１２】
この参照光と第１の出力光または第２の出力光との（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、前記信号光の位相変調量を測定して「信号光の位相変調量の絶対値が０またはαδ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の絶対値がαδ／Ｋの場合」には信号「０」と判別する。ここでＫは２の平方根、αは比例定数とする。
【００１３】
前記の方法では、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。そのため前記時刻１と前記時刻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】
【００１４】
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】
【００１５】
【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１４Ａ、１４Ｂ、１５Ａ、１５Ｂに代えて周波数依存のあるミラー２７Ａ、２７Ｂ、２８Ａ、２８Ｂを用いた構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。以下で定数Ｋを２の平方根とする。
【実施例】
【００１７】
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３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。ポンプ光と非線形光学材料による偏光のエンタングル状態の生成方法については、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章に詳しく説明されている。図１では第３の非線形光学材料２４だけを図示しているが、実際には前記の非特許文献１に紹介されている単一または複数の非線形光学材料を用いる方法で偏光のエンタングル状態が生成できる。また図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、前記エンタングル状態は以下の（式１）で表される。
【００１８】
【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。したがって前記の（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）。
【００１９】
図１において、垂直偏光を透過する偏光板４により第１の光子２の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）。
【００２０】
図１において、第１の光子２に対する前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。これは前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）。
【００２１】
前記第１の光子２に対する測定の後、第２の光子３は、ハーフビームスプリッター２５へ入射する。このとき同時にローカルオシレーター光２６もハーフビームスプリッター２５へ入射して、第２の光子３とローカルオシレーター光２６が混合され、第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂがハーフビームスプリッター２５から出力される。ローカルオシレーター光２６は第２の光子３と同じ周波数で、垂直偏光しているものとする。更にローカルオシレーター光２６は第２の光子３よりも十分に光強度が大きいものとする。ここでハーフビームスプリッター２５を、第１の出力光３Ａでは第２の光子３とローカルオシレーター光２６が逆位相で混合され、第２の出力光３Ｂでは同位相で混合されるように設定されているものとする。（例えば非特許文献６「量子光学と量子情報科学」、数理工学社、第１章１．４節参照）
【００２２】
したがって前記第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂの光強度は、下記の（式２）のようになる。（式２）中のＥＳの符号は、第１の出力光３Ａではマイナス、第２の出力光３Ｂではプラスとなる。ここでＥＳはハーフビームスプリッター２５へ入射する第２の光子３の光電場を表し、ＥＬはローカルオシレーター光２６の光電場を表す。またＥＳ＊はＥＳの複素共役、ＥＬ＊はＥＬの複素共役を表す。ＥＬ＊・ＥＳまたはＥＬ・ＥＳ＊は光電場ベクトル同士の内積を表す。１／２の因子はハーフビームスプリッター２５での光の２分割に起因する。また、ローカルオシレーター光２６は第２の光子３よりも十分強い光であることを想定しているため、下記の（式２）中の２行目以降でＥＳの２乗の項を省略した。（式２）より第２の光子３の光電場ＥＳ（またはＥＳ＊）に依存する項δは、ローカルオシレーター光２６の光電場ＥＬ＊（またはＥＬ）との内積である。そのため、第２の光子３の光電場ＥＳのうちローカルオシレーター光２６と同じ偏光方向（垂直偏光）の成分のみが取り出されることになる。
【００２３】
【数２】
【００２４】
次に第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂ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１４Ａと１５Ａ、偏光ビームスプリッター１４Ｂと１５Ｂ、光路長が等しい第１の非線形光学材料１１Ａと第２の非線形光学材料１１Ｂ、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１の出力光３Ａの垂直偏光成分が、偏光ビームスプリッター１４Ａ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１１Ａを通過し、偏光ビームスプリッター１５Ａからサニャック干渉計１８の外へ出る。第２の出力光３Ｂもその垂直偏光成分が、偏光ビームスプリッター１４Ｂからサニャック干渉計１８の中へ入射して、第２の非線形光学材料１１Ｂを通過し、偏光ビームスプリッター１５Ｂからサニャック干渉計１８の外へ出る。
【００２５】
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。サニャック干渉計１８へ入射する前、参照光１６は同じ割合の垂直偏光と水平偏光からなる｜Ｈ＞＋｜Ｖ＞で表される状態とする。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の間と、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１４Ａ、１４Ｂと偏光ビームスプリッター１５Ａ，１５Ｂ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。前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）
【００２６】
ここで前記第１の非線形光学材料１１Ａの中では、第１の出力光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１１Ａ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１の出力光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１の出力光３Ａと交差する時間がないため、第１の出力光３Ａの影響を受けない。同様に前記第２の非線形光学材料１１Ｂの中では、第２の出力光３Ｂの光強度に比例して、参照光１６Ｈが感じる屈折率が変化する。
【００２７】
前記（式２）に示したように、第１の出力光３Ａの光強度は（β−δ）／２、第２の出力光３Ｂの光強度は（β＋δ）／２なので、参照光１６Ｖは参照光１６Ｈと比べて、−δ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ローカルオシレーター光２６と同じ偏光方向のため光子１個分の光電場による位相変調−αδとなり、第２の光子３が水平偏光の場合はローカルオシレーター光２６と直交するため位相変調０となる。これは前記のようにδが第２の光子３の光電場とローカルオシレーター光２６の光電場の内積からなっているためである。ここでαは比例定数を表すものとする。また、前記のように実際には第１の出力光３Ａ（または第２の出力光３Ｂ）の垂直偏光成分のみがサニャック干渉計１８の中に入射するが、ローカルオシレーター光２６が垂直偏光であるため、サニャック干渉計１８の中での第１の出力光３Ａ（または第２の出力光３Ｂ）の光強度はやはり前記と同じ（β−δ）／２（または（β＋δ）／２）となり、位相変調の量も同じ結果となる。
【００２８】
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）で表される前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）。
【００２９】
次に第２の光子３が、ハーフビームスプリッター２５へ入射する。図１の場合と同様にローカルオシレーター光２６もハーフビームスプリッター２５へ入射して、第２の光子３とローカルオシレーター光２６が混合され、第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂがハーフビームスプリッター２５から出力される。ここで、ローカルオシレーター光２６は図１の場合と同じ光強度で垂直偏光しているものとする。この図２の場合には、（式２）の中で第２の光子３の光電場ＥＳに依存する項δは、第２の光子３が４５度偏光のため図１の垂直偏光の場合の１／Ｋ倍になる（ここでＫは２の平方根）。これは前記のようにδが第２の光子３の光電場とローカルオシレーター光２６の光電場の内積からなっていて、垂直偏光と４５度偏光の内積が１／Ｋとなるためである。
【００３０】
次に第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂは、それぞれ偏光ビームスプリッター１４Ａと偏光ビームスプリッター１４Ｂからサニャック干渉計１８の中へ入射する。図１の場合と同様に、第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂのそれぞれ垂直偏光成分がサニャック干渉計１８の中へ入射する。ここでも図１の場合と同様に第１の非線形光学材料１１Ａの中で、参照光１６Ｖが第１の出力光３Ａの光強度に比例した屈折率変化を受ける。また参照光１６Ｈが第２の出力光３Ｂの光強度に比例した屈折率変化を受ける。図２の場合、参照光１６Ｈに対する参照光１６Ｖの位相変調量は−αδ／Ｋとなる（ここでＫは２の平方根）。これは前記のように、（式２）の中で第２の光子３の光電場ＥＳに依存する項δが、第２の光子３が４５度偏光のため図１の垂直偏光の場合の１／Ｋ倍になるためである。実際には第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂのそれぞれ垂直偏光成分のみがサニャック干渉計１８の中へ入射するが、ローカルオシレーター光２６が垂直偏光のため位相変調量の結果には影響しない。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。
【００３１】
前記で説明したように、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（−ｉαδ）｜Ｖ＞で表される状態となる。これは前記のように、参照光１６Ｈに対する参照光１６Ｖの位相変調が０または−αδ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（−ｉαδ／Ｋ）｜Ｖ＞で表される状態となる。この位相変調０または−αδまたは−αδ／Ｋは、非特許文献５に詳しく説明されている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。本実施例の方法では、（式２）に示されるように前記δが第２の光子３の光電場ＥＳの大きさとローカルオシレーター光２６の光電場ＥＬの大きさの積に比例する。したがって、ローカルオシレーター光２６の強い光電場ＥＬにより第２の光子３の微弱な光電場ＥＳを増幅して検出することが出来て、高感度に第２の光子３の偏光方向を判別できる。
【００３２】
ここで前記の構成を通信に用いる方法を説明する。受信者は、光路長の等しい第１の非線形光学材料１１Ａと第２の非線形光学材料１１Ｂを用いたサニャック干渉計１８を準備する。前記サニャック干渉計１８には、光経路の一部に、前記第１の非線形光学材料１１Ａと第２の非線形光学材料１１Ｂが配置されている。
【００３３】
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、前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。
【００３４】
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。
【００３５】
次に受信者は時刻１よりも後の時刻２に、第２の光子３をハーフビームスプリッター２５においてローカルオシレーター光２６と混合し、第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂを生成する。
【００３６】
受信者は第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂを前記サニャック干渉計１８に入力する。更に参照光１６を前記サニャック干渉計１８へ入射し、互いに反対方向にサニャック干渉計１８を伝播する参照光１６の２つの成分のうち一方を、第１の非線形光学材料１１Ａにおいて（非線形屈折率効果によって）第１の出力光３Ａと相互作用させる。また互いに反対方向にサニャック干渉計１８を伝播する参照光１６の２つの成分のうち他方を、第２の非線形光学材料１１Ｂにおいて（非線形屈折率効果によって）第２の出力光３Ｂと相互作用させる。この相互作用の結果、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、前記信号光１７の位相変調量を測定して「信号光１７の位相変調量の絶対値が０またはαδの場合」には信号「１」と判別する。また受信者は、「信号光１７の位相変調量の絶対値がαδ／Ｋの場合」には信号「０」と判別する。前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。
【００３７】
前記の方法では、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。しかし前記実施例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。
【００３８】
前記の方法では、第１の出力光３Ａ（または第２の出力光３Ｂ）を第１の非線形光学材料１１Ａ（または第２の非線形光学材料１１Ｂ）の中で参照光１６Ｖ（または参照光１６Ｈ）と相互作用させ、参照光１６Ｖ（または参照光１６Ｈ）に第１の出力光３Ａ（または第２の出力光３Ｂ）の光強度に比例した位相変調を生じさせ、参照光１６Ｖと参照光１６Ｈの間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。更に第２の光子３をローカルオシレーター光２６と混合することによって、微弱な第２の光子３の光電場をローカルオシレーター光２６の強い光電場により増幅して検知することができる点も特長である。
【００３９】
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。
【００４０】
前記の実施例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３）または（式４）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。
【００４１】
【数３】
（式３）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４）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３）または（式４）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。これには前記実施例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、これらの場合にも前記実施例１と同じ通信方法を用いることが出来る。
【００４２】
また前記の実施例１では、図１と図２において第１の出力光３Ａと第２の出力光３Ｂ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１４Ａ、１４Ｂと偏光ビームスプリッター１５Ａ、１５Ｂを用いた。第２の光子３はポンプ光２３から第３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３は参照光１６より周波数が小さい）。したがって前記の偏光ビームスプリッター１４Ａ、１４Ｂ、１５Ａ、１５Ｂに代えて、参照光１６の周波数では光を透過し、第２の光子３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１４Ａ、１４Ｂ、１５Ａ、１５Ｂに代えて、前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。
【００４３】
図３の中では、偏光ビームスプリッター１４Ａ、１４Ｂ、１５Ａ、１５Ｂに代えて、周波数依存をもつミラー２７Ａ、２７Ｂ、２８Ａ、２８Ｂが配置される。周波数依存をもつミラー２７Ａ、２７Ｂ、２８Ａ、２８Ｂは第１の出力光３Ａまたは第２の出力光３Ｂの周波数の光を反射するので、第１の出力光３Ａまたは第２の出力光３Ｂ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２７Ａ、２７Ｂ、２８Ａ、２８Ｂ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。
【００４４】
前記の実施例１では、信号光１７の位相変調量が０または−αδの場合と、信号光１７の位相変調量が−αδ／Ｋ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ていた。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、前記実施例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である。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ができる。
【００４５】
前記実施例１ではサニャック干渉計１８は偏光ビームスプリッターとミラー、第１の非線形光学材料、第２の非線形光学材料から構成されていたが、ミラーを用いずループ状の光ファイバーでサニャック干渉計１８を構成することもできる。（非特許文献５、Ｎａｔｕｒｅ．Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ３，９５（２００９）参照）
【符号の説明】
【００４６】
１ レーザー光源
２ 第１の光子
３ 第２の光子
３Ａ 第１の出力光
３Ｂ 第２の出力光
４ 偏光板
５ 第１測定器
７ ミラー
８ ミラー
９ ミラー
１０ 偏光ビームスプリッター
１１Ａ 第１の非線形光学材料
１１Ｂ 第２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
１４Ａ 偏光ビームスプリッター
１４Ｂ 偏光ビームスプリッター
１５Ａ 偏光ビームスプリッター
１５Ｂ 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３の非線形光学材料
２５ ハーフビームスプリッター
２６ ローカルオシレーター光
２７Ａ 周波数依存のあるミラー
２７Ｂ 周波数依存のあるミラー
２８Ａ 周波数依存のあるミラー
２８Ｂ 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、光経路の一部に光路長の等しい第１の非線形光学材料と第２の非線形光学材料を備え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、第２の光子をハーフビームスプリッターにおいてローカルオシレーター光と混合し、ハーフビームスプリッターからの第１の出力光と第２の出力光を前記サニャック干渉計に入射し、
更に受信者は参照光を前記サニャック干渉計へ入射させ、互いに反対方向にサニャック干渉計を伝播する参照光の２つの成分のうち一方を前記第１の非線形光学材料中において第１の出力光と相互作用させ、参照光の２つの成分のうち残り一方を前記第２の非線形光学材料中において第２の出力光と相互作用させ、
受信者は、前記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計測することで第１信号と第２信号とを判別する、
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３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。
【請求項１】
受信者は、光経路の一部に光路長の等しい第１の非線形光学材料と第２の非線形光学材料を備え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、第２の光子をハーフビームスプリッターにおいてローカルオシレーター光と混合し、ハーフビームスプリッターからの第１の出力光と第２の出力光を前記サニャック干渉計に入射し、
更に受信者は参照光を前記サニャック干渉計へ入射させ、互いに反対方向にサニャック干渉計を伝播する参照光の２つの成分のうち一方を前記第１の非線形光学材料中において第１の出力光と相互作用させ、参照光の２つの成分のうち残り一方を前記第２の非線形光学材料中において第２の出力光と相互作用させ、
受信者は、前記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計測することで第１信号と第２信号とを判別する、
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３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】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１０５１３６（Ｐ２０１２−１０５１３６Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５２７８５（Ｐ２０１０−２５２７８５）
【出願日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【出願人】（７１００００８５９）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【出願人】（７１００００８５９）
【Ｆターム（参考）】
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