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】 光子の左へ向かう成分と右へ向かう成分がエンタングルした状態のうち、左へ向かう成分を送信者に送付し、右へ向かう成分を受信者へ送付する。送信者は「１」を送信する場合は、左へ向かう成分の測定を行って波動関数の収縮を起こし、「０」を送信する場合は、左へ向かう成分の測定を行わない。次に受信者は右へ向かう成分と参照光を、干渉計の中に配置した非線形光学材料において相互作用させる。右へ向かう成分との相互作用により参照光に生じる位相変調量を測定することで、受信者は「１」と「０」を判別することができる。
【解決手段】 光子の左へ向かう成分と右へ向かう成分がエンタングルした状態のうち、左へ向かう成分を送信者に送付し、右へ向かう成分を受信者へ送付する。送信者は「１」を送信する場合は、左へ向かう成分の測定を行って波動関数の収縮を起こし、「０」を送信する場合は、左へ向かう成分の測定を行わない。次に受信者は右へ向かう成分と参照光を、干渉計の中に配置した非線形光学材料において相互作用させる。右へ向かう成分との相互作用により参照光に生じる位相変調量を測定することで、受信者は「１」と「０」を判別することができる。
【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、特に非線形光学効果（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）。
【０００３】
前記エンタングル状態は例えば、単一光子状態をハーフビームスプリッターにおいて２分割することにより、２方向へ向かう光の２つの成分の重ね合わせ状態として実現することができる。（例えば非特許文献６「量子光学と量子情報科学」、数理光学社、第１章１．１１節参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特願平１１−７００号
【非特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
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）。
【０００７】
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】
【０００８】
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、送信者と受信者は単一光子状態である第１の光子を準備する。そして、第１の光子をハーフビームスプリッターで２分割して、左へ向かう成分を送信者に送付し、右へ向かう成分を受信者へ送付する。
【０００９】
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、第１測定器の直前に配置した光スイッチを光透過の状態にして、第１測定器において第１の光子の左へ向かう成分の測定（光子の検出）を行う。また送信者は「０」を送信する場合は、光スイッチにより第１測定器へ光が進まないようにして、第１の光子の左へ向かう成分の測定を行わないようにする。
【００１０】
受信者は時刻１の後の時刻２に、第１の光子の右へ向かう成分をサニャック干渉計へ入射する。同時に受信者はサニャック干渉計に参照光を入射させる。サニャック干渉計にはその一部に非線形光学材料を配置しておく。受信者は、サニャック干渉計を反対方向に伝播する参照光の２つの成分のうち一方と、前記の第１の光子の右へ向かう成分を前記非線形光学材料において相互作用させる。これによりサニャック干渉計から出力される信号光には、第１の光子の右へ向かう成分の光電場の強度に比例した位相変調が生じる。
【００１１】
受信者は前記の位相変調量を測定して、「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、「位相変調量が０またはδ／２の場合」には信号「０」と判別する。
【００１２】
前記の方法では、送信者が第１の光子の左へ向かう成分を測定するか測定しないかの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、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】
【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、第１測定器において測定が行われる場合の構成図。
【図２】実施例１において、第１測定器において測定が行われない場合の構成図。
【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。下記でＫは２の平方根を表すとする。
【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において単一光子状態である第１の光子２１はハーフビームスプリッター２２へ入射する。ここで第１の光子２１は垂直偏光状態であるとする。ハーフビームスプリッター２２において、第１の光子２１は左へ向かう成分２と右へ向かう成分３に分割される。これによって第１の光子２１は左へ向かう成分２と右へ向かう成分３の重ね合わせであるエンタングル状態となる。図１において、第１の光子２１の左へ向かう成分２は第１測定器５において測定される。第１測定器５の直前に光スイッチ６が配置されており、図１の場合では光スイッチは光透過の状態となっている。一方で第１の光子２１の右へ向かう成分３は、第１の光子２１の左へ向かう成分２が第１測定器５において測定された後、サニャック干渉計１８へ入射する。図１中で、第１の光子２１の左へ向かう成分２が第１測定器５において測定された後の右へ向かう成分を点線矢印と３Ａの記号で示した。
【００１７】
サニャック干渉計１８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。第１の光子２１の右へ向かう成分３は垂直偏光状態なので、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。
【００１８】
また参照光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。ここで｜Ｈ＞は光の水平偏光状態を表し、｜Ｖ＞は光の垂直偏光状態を表すものとする。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。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）
【００１９】
ここで前記第１の非線形光学材料１１の中では、第１の光子２１の右へ向かう成分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１の光子２１の右へ向かう成分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の光子２１の右へ向かう成分３Ａと交差する時間がないため影響を受けない。
【００２０】
ここで図１において第１測定器５での測定が行われる前、第１の光子２１の左へ向かう成分２と右へ向かう成分３、参照光１６の全体の状態を表す波動関数は下記の（式１）となる。
【００２１】
【数１】
（式１）は第１の光子２１の状態（｜Ｌ＞＋｜Ｒ＞）／Ｋと参照光１６の状態（｜Ｈ＞＋｜Ｖ＞）の積により表された系全体の初期状態Φ０を表す（ここでＫは２の平方根）。ここで｜Ｌ＞は第１の光子２１の左へ向かう成分２を表し、｜Ｒ＞は第１の光子２１の右へ向かう成分３を表す。したがって前記の（式１）は、第１の光子２１の２つの成分｜Ｌ＞と｜Ｒ＞がエンタングルして（もつれて）いることを示している。また（｜Ｈ＞＋｜Ｖ＞）は水平偏光状態｜Ｈ＞と垂直偏光状態｜Ｖ＞からなる参照光１６の初期状態を表す。
【００２２】
図１において第１測定器５での測定が行われた後、第１の光子２１の左へ向かう成分２が第１測定器５において検出されなかった場合、左へ向かう成分２は存在しないことが確定するため状態は下記となる。
【００２３】
【数２】
（式２）は測定により第１の光子２１が｜Ｒ＞状態であることが確定した場合の状態Φ１を表す。｜Ｒ＞であることが確定したために｜Ｒ＞の係数は１となっている。次に第１の光子２１の右へ向かう成分３Ａがサニャック干渉計１８に入射する。サニャック干渉計１８において参照光１６Ｖが、第１の光子２１の右へ向かう成分３Ａの光電場による非線形屈折率効果（交差位相変調）により位相変調を受ける。この位相変調量をδとすると、サニャック干渉計１８から出力される信号光１７は次の（式３）で表される状態Φ２となる。
【００２４】
【数３】
【００２５】
また第１測定器５で光子が検出された場合、第１の光子２１が左へ向かう成分２の｜Ｌ＞状態であることが確定して、状態は次の（式４）で表されるΦ３となる。
【００２６】
【数４】
この場合、サニャック干渉計には第１の光子の右へ向かう成分３Ａは入射されないため、参照光１６は第１光子の右へ向かう成分３Ａの影響を受けることなく（式４）の状態Φ３のまま信号光１７としてサニャック干渉計１８から出力される。
【００２７】
前記のような第１測定器５での測定による、（式１）で表される状態Φ０から（式２）の状態Φ１または（式４）の状態Φ３への変化は、波束の収縮と言われ極短い時間に瞬間的に変化が起こると言われている。
【００２８】
次に図２の場合を説明する。図２では図１の場合と異なり、第１測定器５の直前の光スイッチ６は光を上方へそらすように設定される。そのため第１の光子２１の左へ向かう成分２に対する測定が行われない。したがって前記（式１）で表される状態Φ０において、第１の光子２１の右へ向かう成分３は｜Ｒ＞／Ｋであり、これがそのままサニャック干渉計１８へ入射する。ここでＫは２の平方根である。サニャック干渉計１８において、第１の光子２１の右へ向かう成分３Ａの光電場の影響で参照光１６Ｖが位相変調を受けるが、図２の場合には光電場の強度が（式２）の場合の１／２であるので、位相変調量もδ／２となる。これは（式２）の場合は第１の光子２１の右へ向かう成分３Ａが｜Ｒ＞であったのに対して、図２の場合には｜Ｒ＞／Ｋとなり係数１／Ｋの違いがあるためである。したがって、信号光１７は下記の（式５）で表される状態Φ４となる。
【００２９】
【数５】
【００３０】
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。これは前記のように、第１の光子の右へ向かう成分３Ａの光強度に比例した屈折率変化による、参照光１６Ｖの位相変調量が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（式５）で表される｜Ｈ＞＋｜Ｖ＞と｜Ｈ＞＋ｅｘｐ（ｉδ／２）｜Ｖ＞からなる状態となる。これは図２の場合においては、前記のように、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の位相変調量がδ／２であることによる。この位相変調量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の場合と図２の場合を判別することができる。
【００３１】
ここで前記の構成を通信に用いる方法を説明する。送信者と受信者は単一光子状態である第１の光子２１を準備する。そして、第１の光子２１をハーフビームスプリッター２２で２分割して、左へ向かう成分２を送信者に送付し、残りの右へ向かう成分３を受信者へ送付する。
【００３２】
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、第１測定器５の直前に配置した光スイッチ６を光透過の状態にして、第１の光子２１の左へ向かう成分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、光スイッチ６により第１測定器５へ光が進まないようにして、第１の光子２１の左へ向かう成分２の測定を行わないようにする。
【００３３】
受信者は時刻１より後の時刻２に、第１の光子２１の右へ向かう成分３Ａをサニャック干渉計１８へ入射する。同時にサニャック干渉計１８に参照光１６を入射させる。サニャック干渉計１８にはその一部に非線形光学材料１１を配置しておく。サニャック干渉計１８を反対方向に伝播する参照光の２つの成分のうち一方と、前記の第１の光子２１の右へ向かう成分３Ａを前記非線形光学材料１１において（非線形屈折率効果である交差位相変調により）相互作用させる。これによりサニャック干渉計１８から出力される信号光１７には、第１の光子２１の右へ向かう成分３Ａの光電場の強度に比例した位相変調が生じる。
【００３４】
受信者は前記の位相変調量を測定して、「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、「位相変調量が０またはδ／２の場合」には信号「０」と判別する。前記で説明したことから、この方法によって第１の光子２１の左へ向かう成分２に対する測定が行われたかどうか（信号が「１」か「０」か）を判別することができる。
【００３５】
前記の方法では、送信者が第１の光子２１の左へ向かう成分２を測定するか測定しないかの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、測定結果自体はランダムであっても構わない。
【００３６】
また前記の方法では、第１の光子２１の右へ向かう成分３Ａを非線形光学材料１１の中で参照光１６Ｖと相互作用させ、参照光１６Ｖに第１の光子の右へ向かう成分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。また、測定による波束の収縮（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。
【００３７】
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】
【００３８】
２１ 第１の光子
２２ ハーフビームスプリッター
２ 第１の光子の左へ向かう成分
３ 第１の光子の右へ向かう成分
３Ａ 第１測定器で測定が行われた後の、第１の光子の右へ向かう成分
５ 第１測定器
６ 光スイッチ
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
【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、特に非線形光学効果（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）。
【０００３】
前記エンタングル状態は例えば、単一光子状態をハーフビームスプリッターにおいて２分割することにより、２方向へ向かう光の２つの成分の重ね合わせ状態として実現することができる。（例えば非特許文献６「量子光学と量子情報科学」、数理光学社、第１章１．１１節参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特願平１１−７００号
【非特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
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）。
【０００７】
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】
【０００８】
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、送信者と受信者は単一光子状態である第１の光子を準備する。そして、第１の光子をハーフビームスプリッターで２分割して、左へ向かう成分を送信者に送付し、右へ向かう成分を受信者へ送付する。
【０００９】
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、第１測定器の直前に配置した光スイッチを光透過の状態にして、第１測定器において第１の光子の左へ向かう成分の測定（光子の検出）を行う。また送信者は「０」を送信する場合は、光スイッチにより第１測定器へ光が進まないようにして、第１の光子の左へ向かう成分の測定を行わないようにする。
【００１０】
受信者は時刻１の後の時刻２に、第１の光子の右へ向かう成分をサニャック干渉計へ入射する。同時に受信者はサニャック干渉計に参照光を入射させる。サニャック干渉計にはその一部に非線形光学材料を配置しておく。受信者は、サニャック干渉計を反対方向に伝播する参照光の２つの成分のうち一方と、前記の第１の光子の右へ向かう成分を前記非線形光学材料において相互作用させる。これによりサニャック干渉計から出力される信号光には、第１の光子の右へ向かう成分の光電場の強度に比例した位相変調が生じる。
【００１１】
受信者は前記の位相変調量を測定して、「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、「位相変調量が０またはδ／２の場合」には信号「０」と判別する。
【００１２】
前記の方法では、送信者が第１の光子の左へ向かう成分を測定するか測定しないかの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、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】
【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、第１測定器において測定が行われる場合の構成図。
【図２】実施例１において、第１測定器において測定が行われない場合の構成図。
【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。下記でＫは２の平方根を表すとする。
【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において単一光子状態である第１の光子２１はハーフビームスプリッター２２へ入射する。ここで第１の光子２１は垂直偏光状態であるとする。ハーフビームスプリッター２２において、第１の光子２１は左へ向かう成分２と右へ向かう成分３に分割される。これによって第１の光子２１は左へ向かう成分２と右へ向かう成分３の重ね合わせであるエンタングル状態となる。図１において、第１の光子２１の左へ向かう成分２は第１測定器５において測定される。第１測定器５の直前に光スイッチ６が配置されており、図１の場合では光スイッチは光透過の状態となっている。一方で第１の光子２１の右へ向かう成分３は、第１の光子２１の左へ向かう成分２が第１測定器５において測定された後、サニャック干渉計１８へ入射する。図１中で、第１の光子２１の左へ向かう成分２が第１測定器５において測定された後の右へ向かう成分を点線矢印と３Ａの記号で示した。
【００１７】
サニャック干渉計１８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。第１の光子２１の右へ向かう成分３は垂直偏光状態なので、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。
【００１８】
また参照光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。ここで｜Ｈ＞は光の水平偏光状態を表し、｜Ｖ＞は光の垂直偏光状態を表すものとする。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。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）
【００１９】
ここで前記第１の非線形光学材料１１の中では、第１の光子２１の右へ向かう成分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１の光子２１の右へ向かう成分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の光子２１の右へ向かう成分３Ａと交差する時間がないため影響を受けない。
【００２０】
ここで図１において第１測定器５での測定が行われる前、第１の光子２１の左へ向かう成分２と右へ向かう成分３、参照光１６の全体の状態を表す波動関数は下記の（式１）となる。
【００２１】
【数１】
（式１）は第１の光子２１の状態（｜Ｌ＞＋｜Ｒ＞）／Ｋと参照光１６の状態（｜Ｈ＞＋｜Ｖ＞）の積により表された系全体の初期状態Φ０を表す（ここでＫは２の平方根）。ここで｜Ｌ＞は第１の光子２１の左へ向かう成分２を表し、｜Ｒ＞は第１の光子２１の右へ向かう成分３を表す。したがって前記の（式１）は、第１の光子２１の２つの成分｜Ｌ＞と｜Ｒ＞がエンタングルして（もつれて）いることを示している。また（｜Ｈ＞＋｜Ｖ＞）は水平偏光状態｜Ｈ＞と垂直偏光状態｜Ｖ＞からなる参照光１６の初期状態を表す。
【００２２】
図１において第１測定器５での測定が行われた後、第１の光子２１の左へ向かう成分２が第１測定器５において検出されなかった場合、左へ向かう成分２は存在しないことが確定するため状態は下記となる。
【００２３】
【数２】
（式２）は測定により第１の光子２１が｜Ｒ＞状態であることが確定した場合の状態Φ１を表す。｜Ｒ＞であることが確定したために｜Ｒ＞の係数は１となっている。次に第１の光子２１の右へ向かう成分３Ａがサニャック干渉計１８に入射する。サニャック干渉計１８において参照光１６Ｖが、第１の光子２１の右へ向かう成分３Ａの光電場による非線形屈折率効果（交差位相変調）により位相変調を受ける。この位相変調量をδとすると、サニャック干渉計１８から出力される信号光１７は次の（式３）で表される状態Φ２となる。
【００２４】
【数３】
【００２５】
また第１測定器５で光子が検出された場合、第１の光子２１が左へ向かう成分２の｜Ｌ＞状態であることが確定して、状態は次の（式４）で表されるΦ３となる。
【００２６】
【数４】
この場合、サニャック干渉計には第１の光子の右へ向かう成分３Ａは入射されないため、参照光１６は第１光子の右へ向かう成分３Ａの影響を受けることなく（式４）の状態Φ３のまま信号光１７としてサニャック干渉計１８から出力される。
【００２７】
前記のような第１測定器５での測定による、（式１）で表される状態Φ０から（式２）の状態Φ１または（式４）の状態Φ３への変化は、波束の収縮と言われ極短い時間に瞬間的に変化が起こると言われている。
【００２８】
次に図２の場合を説明する。図２では図１の場合と異なり、第１測定器５の直前の光スイッチ６は光を上方へそらすように設定される。そのため第１の光子２１の左へ向かう成分２に対する測定が行われない。したがって前記（式１）で表される状態Φ０において、第１の光子２１の右へ向かう成分３は｜Ｒ＞／Ｋであり、これがそのままサニャック干渉計１８へ入射する。ここでＫは２の平方根である。サニャック干渉計１８において、第１の光子２１の右へ向かう成分３Ａの光電場の影響で参照光１６Ｖが位相変調を受けるが、図２の場合には光電場の強度が（式２）の場合の１／２であるので、位相変調量もδ／２となる。これは（式２）の場合は第１の光子２１の右へ向かう成分３Ａが｜Ｒ＞であったのに対して、図２の場合には｜Ｒ＞／Ｋとなり係数１／Ｋの違いがあるためである。したがって、信号光１７は下記の（式５）で表される状態Φ４となる。
【００２９】
【数５】
【００３０】
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。これは前記のように、第１の光子の右へ向かう成分３Ａの光強度に比例した屈折率変化による、参照光１６Ｖの位相変調量が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（式５）で表される｜Ｈ＞＋｜Ｖ＞と｜Ｈ＞＋ｅｘｐ（ｉδ／２）｜Ｖ＞からなる状態となる。これは図２の場合においては、前記のように、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の位相変調量がδ／２であることによる。この位相変調量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の場合と図２の場合を判別することができる。
【００３１】
ここで前記の構成を通信に用いる方法を説明する。送信者と受信者は単一光子状態である第１の光子２１を準備する。そして、第１の光子２１をハーフビームスプリッター２２で２分割して、左へ向かう成分２を送信者に送付し、残りの右へ向かう成分３を受信者へ送付する。
【００３２】
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、第１測定器５の直前に配置した光スイッチ６を光透過の状態にして、第１の光子２１の左へ向かう成分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、光スイッチ６により第１測定器５へ光が進まないようにして、第１の光子２１の左へ向かう成分２の測定を行わないようにする。
【００３３】
受信者は時刻１より後の時刻２に、第１の光子２１の右へ向かう成分３Ａをサニャック干渉計１８へ入射する。同時にサニャック干渉計１８に参照光１６を入射させる。サニャック干渉計１８にはその一部に非線形光学材料１１を配置しておく。サニャック干渉計１８を反対方向に伝播する参照光の２つの成分のうち一方と、前記の第１の光子２１の右へ向かう成分３Ａを前記非線形光学材料１１において（非線形屈折率効果である交差位相変調により）相互作用させる。これによりサニャック干渉計１８から出力される信号光１７には、第１の光子２１の右へ向かう成分３Ａの光電場の強度に比例した位相変調が生じる。
【００３４】
受信者は前記の位相変調量を測定して、「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、「位相変調量が０またはδ／２の場合」には信号「０」と判別する。前記で説明したことから、この方法によって第１の光子２１の左へ向かう成分２に対する測定が行われたかどうか（信号が「１」か「０」か）を判別することができる。
【００３５】
前記の方法では、送信者が第１の光子２１の左へ向かう成分２を測定するか測定しないかの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、測定結果自体はランダムであっても構わない。
【００３６】
また前記の方法では、第１の光子２１の右へ向かう成分３Ａを非線形光学材料１１の中で参照光１６Ｖと相互作用させ、参照光１６Ｖに第１の光子の右へ向かう成分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。また、測定による波束の収縮（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。
【００３７】
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】
【００３８】
２１ 第１の光子
２２ ハーフビームスプリッター
２ 第１の光子の左へ向かう成分
３ 第１の光子の右へ向かう成分
３Ａ 第１測定器で測定が行われた後の、第１の光子の右へ向かう成分
５ 第１測定器
６ 光スイッチ
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光子の左へ向かう成分と右へ向かう成分がエンタングルした状態のうち、左へ向かう成分を送信者に送付し、残りの右へ向かう成分を受信者へ送付し、
時刻１に、送信者は第１信号を送信する場合は、左へ向かう成分の測定を行い、
また送信者は第２信号を送信する場合は、左へ向かう成分の測定を行わず、
次に受信者は時刻１よりも後の時刻２に、右へ向かう成分と参照光を非線形光学材料において交差位相変調により相互作用させ、
更に受信者は、右へ向かう成分との相互作用により参照光に生じる位相変調量を測定することで第１信号と第２信号を判別する、
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、
右へ向かう成分と参照光を、干渉計の中に配置した非線形光学材料の中において、交差位相変調により相互作用させることを特徴とする通信方法。
【請求項１】
光子の左へ向かう成分と右へ向かう成分がエンタングルした状態のうち、左へ向かう成分を送信者に送付し、残りの右へ向かう成分を受信者へ送付し、
時刻１に、送信者は第１信号を送信する場合は、左へ向かう成分の測定を行い、
また送信者は第２信号を送信する場合は、左へ向かう成分の測定を行わず、
次に受信者は時刻１よりも後の時刻２に、右へ向かう成分と参照光を非線形光学材料において交差位相変調により相互作用させ、
更に受信者は、右へ向かう成分との相互作用により参照光に生じる位相変調量を測定することで第１信号と第２信号を判別する、
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、
右へ向かう成分と参照光を、干渉計の中に配置した非線形光学材料の中において、交差位相変調により相互作用させることを特徴とする通信方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−１０５１３９（Ｐ２０１２−１０５１３９Ａ）
【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２０１０−２５２８３２（Ｐ２０１０−２５２８３２）
【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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