時間位置エンタングル状態を用いた通信方法、および受信装置。
【課題】 時間位置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、２つの光経路のうち片方に非線形光学材料を配置したマッハ−ツェンダー干渉計を準備する。時間位置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、第１の光子が１つの光パルスであることを確定する測定をするか、第１の光子が２つの光パルスからなる状態であることを確定する測定をする。受信者は時刻１よりも後の時刻２に第２の光子を、上記マッハ−ツェンダー干渉計に入力し、上記マッハ−ツェンダー干渉計の２つの出力それぞれにおいて光子の測定を行う。このとき受信者は、上記非線形光学材料の非線形屈折率効果を用いて、上記２つの出力のどちらで光子が検出されるかによって信号を判別する。
【解決手段】 受信者は、２つの光経路のうち片方に非線形光学材料を配置したマッハ−ツェンダー干渉計を準備する。時間位置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、第１の光子が１つの光パルスであることを確定する測定をするか、第１の光子が２つの光パルスからなる状態であることを確定する測定をする。受信者は時刻１よりも後の時刻２に第２の光子を、上記マッハ−ツェンダー干渉計に入力し、上記マッハ−ツェンダー干渉計の２つの出力それぞれにおいて光子の測定を行う。このとき受信者は、上記非線形光学材料の非線形屈折率効果を用いて、上記２つの出力のどちらで光子が検出されるかによって信号を判別する。
【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】
非特許文献１「工学系のための量子光学」、森北出版、第９章には、光ファイバー伝送に適したエンタングル状態として、時間位置がエンタングル状態（もつれ状態）にある２光子の状態が解説されている。まず１つの光パルスから、時間ｔ１と時間ｔ２に対応する２つの光パルスが５０％ずつの等確率で重ね合わされた状態を作る。次に上記の２つの光パルスが重ね合わされた状態を非線形光学材料にポンプ光として入射する。そして、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、（時間ｔ１と時間ｔ２の）２つの光パルスそれぞれに対応したシグナル光とアイドラー光の対が５０％ずつの等確率で重ね合わされた状態が作られる。この時間位置エンタングル状態も、エンタングル状態としての性質を備えている（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）。
【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】黒田和男著「非線形光学」、コロナ社
【非特許文献５】Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１２，５０７（１９６４）
【非特許文献６】「量子力学の発展」、サイエンス社
【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】
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、非線形光学材料を用いたマッハ−ツェンダー干渉計を準備する。上記マッハ−ツェンダー干渉計には、干渉計を構成する２つの光経路のうち片方に、上記非線形光学材料が配置されている。
【０００９】
送信者と受信者は時間位置がエンタングル状態にある２光子を準備する。そして、上記時間位置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。
【００１０】
上記非線形光学材料は、その非線形光学効果（非線形屈折率効果）により、光電場の振幅の２乗（光強度）に比例して屈折率が変化する。そのため、時間ｔ１または時間ｔ２どちらか１つの光パルスであることが確定した光子は上記マッハ−ツェンダー干渉計の第１出力にのみ光が出力され、時間ｔ１または時間ｔ２の２つの光パルスが５０％ずつの等確率で重ね合わされた状態である光子は上記マッハ−ツェンダー干渉計の第２出力にのみ光が出力されるように、上記マッハ−ツェンダー干渉計を設定できる。これには時間ｔ１または時間ｔ２の２つの光パルスが５０％ずつの等確率で重ね合わされた状態では、１つの光パルスからなる光子の場合に比べて、２つの光パルスそれぞれの振幅の２乗（光強度）は１／２となるため、非線形屈折率効果による上記非線形光学材料の屈折率の変化も１／２となることを利用する。
【００１１】
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の光子が時間ｔ１の光パルスまたは時間ｔ２の光パルスのどちらであるかを確定する測定を行う。また送信者は「０」を送信する場合は、第１の光子が状態（｜ｔ１＞＋｜ｔ２＞）／Ｋであるか状態（｜ｔ１＞−｜ｔ２＞）／Ｋであるかを確定する測定を行う。ここで、｜ｔ１＞は時間ｔ１の光パルス、｜ｔ２＞は時間ｔ２の光パルス、Ｋは２の平方根である。
【００１２】
次に受信者は時刻１よりも後の時刻２に、第２の光子を上記マッハ−ツェンダー干渉計に入力し、上記マッハ−ツェンダー干渉計の２つの出力それぞれにおいて光子の測定（光子の検出）を行う。このとき受信者は、「上記マッハ−ツェンダー干渉計の第１出力で光子が検出された場合」には信号「１」と判別する。また受信者は、「上記マッハ−ツェンダー干渉計の第２出力で光子が検出された場合」には信号「０」と判別する。
【００１３】
上記の方法では送信者が、第１の光子が時間ｔ１の光パルスまたは時間ｔ２の光パルスであることを確定する測定をするか、（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋで表される状態であることを確定する測定をするかの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】
【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、時間ｔ１または時間ｔ２の光パルスであることを確定する測定を行う場合の構成図。
【図２】実施例１において、（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋの状態であることを確定する測定を行う場合の構成図。
【図３Ａ】時間ｔ１の光パルスまたは時間ｔ２の光パルスであることを確定する測定を行う設定がされた第１測定器。
【図３Ｂ】（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋの状態であることを確定する測定を行う設定がされた第１測定器。
【図４】（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋの状態であることを確定させない、かつ時間ｔ１または時間ｔ２の光パルスであることを確定させないで、光の有無のみを測定する設定がされた第２測定器。
【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。下記において定数Ｋは２の平方根とする。
【実施例】
【００１７】
図１、図２、図３Ａ、図３Ｂ、図４を用いて実施例１とその変形について説明する。図１において光源１から時間位置がエンタングル状態（もつれ状態）にある第１の光子２と第２の光子３が、それぞれ反対方向へ放射される。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。時間ｔ１の光パルスの状態を｜ｔ１＞、時間ｔ２の光パルスの状態を｜ｔ２＞とすると、上記の時間位置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５Ａへ向かう第１の光子２を表し、添え字Ｂは第３光検出器１２または第４光検出器１３へ向かう第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がともに時間ｔ１の光パルスである状態と、第１の光子２と第２の光子３がともに時間ｔ２の光パルス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（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）。図１中、第１の光子２と第２の光子３の伝播方向を示す実線矢印の上に、時間ｔ１の光パルスと時間ｔ２の光パルスを模式的に図示し、第１の光子２と第２の光子３が２つの光パルスが重ね合わされた状態であることを示した。
【００１９】
上記の非特許文献１「工学系のための量子光学」、森北出版、第９章１５４ページから１５６ページには（式１）で表される時間位置エンタングル状態の生成方法が紹介されている。まず１つの光パルスから、ビームスプリッターと光遅延回路を用いて、時間ｔ１と時間ｔ２に対応する２つの光パルスが５０％ずつの等確率で重ね合わされた状態を作る。次に上記の２つの光パルスが重ね合わされた状態を、非線形光学材料にポンプ光として入射する。そして、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、（時間ｔ１と時間ｔ２の）２つの光パルスそれぞれに対応したシグナル光とアイドラー光の対が５０％ずつの等確率で重ね合わされた状態が作られる。図１と（式１）が示すような反対方向へ伝播する第１の光子２と第２の光子３の状態を得るには、上記のシグナル光とアイドラー光の対から、例えばシグナル光を第１の光子２として使用し、アイドラー光を第２の光子３として分離して用いれば良い。
【００２０】
上記（式１）で表される時間位置エンタングル状態も、エンタングル状態としての性質を備えている。特に｜Φ±＞＝（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋで表される状態を用いても、下記のように同様の式で表される。ここでＫは２の平方根である。
【００２１】
【数２】
したがって第１の光子２について、時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞であるか時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞であるかを確定する測定を行った場合は、第２の光子３も第１の光子２と同じ光パルスに確定する。また第１の光子２について状態｜Φ±＞＝（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋのどちらであるかを確定する測定を行った場合、（式２）の状態では第２の光子３も第１の光子２と同じ状態に確定し、（式３）の状態では第２の光子３は第１の光子２とは別のもう一方の状態に確定する。（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）。
【００２２】
図１において第１の光子２は、時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞であるか時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞であるかを確定する測定を行う設定がなされた第1測定器５Ａへ向かう。第1測定器５Ａでの測定により、第１の光子２は５０％ずつの確率で時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞または時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞に確定する。図３Ａに第1測定器５Ａの詳細を示した。図３Ａにおいて、第１の光子２を時間ｔ１の光パルス２１と時間ｔ２の光パルス２２に分けて図示した。光スイッチ４は光透過の状態に設定される。時刻Ｔに上記時間ｔ１の光パルス２１が上記光スイッチ４に到着して透過する。時刻Ｔ＋Ｔ３に上記時間ｔ１の光パルス２１はハーフビームスプリッター４３に到着し、第１光検出器５１へ向かう第１成分２３と第２光検出器５２へ向かう第２成分２４に分かれる。上記第１成分２３が上記第１光検出器５１で検出されるかまたは上記第２成分２４が上記第２光検出器５２で検出されれば、第１の光子２は時間ｔ１の光パルス２１であることが確定する。一方、上記第１成分２３と上記第２成分２４の両方とも検出されなければ第１の光子２は時間ｔ２の光パルス２２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７章演習問題参照）。
【００２３】
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と同じ時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞または時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞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）。図１において、第１の光子２に対する上記測定後に、時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞または時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞に確定した第２の光子３Ａを、１つのパルスで模式的に示した。
【００２４】
次に第２の光子３Ａは、ハーフビームスプリッター７、ミラー８、ミラー９、ハーフビームスプリッター１０、非線形光学材料１１から構成されるマッハ−ツェンダー干渉計１４に入射する。上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の２つの出力には、第１出力に第３光検出器１２が配置され、第２出力に第４光検出器１３が配置される。上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の２つの光経路のうち１つに、上記非線形光学材料１１が配置される。上記非線形光学材料１１としては、非晶質または液体または気体などの等方的な媒質がある。例えば、二硫化炭素、ピリヂン、ブロモホルム、クロロホルムなどの液体がある（例えば非特許文献５「Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１２，５０７（１９６４）」参照）。上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の２つの光経路長を調整することにより、第２の光子３Ａが第３光検出器１２でのみ検出されるように設定できる。これには、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の２つの光経路を通ってきた光が、第３光検出器１２へ向かう経路では干渉により強めあい、第４光検出器１３へ向かう経路では干渉により打ち消しあうようにする（例えば非特許文献６「量子力学の発展」、サイエンス社、１８８ページ参照）。図１中、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の出力部分に、第３光検出器１２へ向かう矢印のみ図示することで、第３光検出器１２でのみ第２の光子３Ａが検出される状況を示した。
【００２５】
ここで上記非線形光学材料１１は、第２の光子３Ａの光強度（光電場の振幅の２乗）に比例して、その屈折率が変化する。これは上記非線形光学材料１１の非線形屈折率効果の一つである（例えば非特許文献３「基本光工学２」、森北出版、第１９章または非特許文献４「非線形光学」、コロナ社、第６章）。したがって、もしも第２の光子３の光強度（光電場の振幅の２乗）が図１の場合の１／２になった場合には、上記とは逆に第４光検出器１３でのみ第２の光子３が検出されるように設定することができる。このことは、図１の場合における非線形屈折率効果による上記非線形光学材料１１の屈折率の変化をΔｎ、第２の光子３の波長をΛとしたとき、等方的な非線形光学材料１１の長さＬを
【００２６】
【数３】
を満たすようにすることで実現可能である。（式４）の条件は、図１の場合における非線形屈折率効果による上記非線形光学材料１１の屈折率の変化Δｎが、波長Λに相当する位相のずれを生じるための条件となっている。そのため、もし第２の光子３の光強度が１／２になった場合には、非線形屈折率効果による屈折率の変化もΔｎ／２となり、波長Λの１／２に相当する位相のずれを生じることになる。したがって上記図１の場合とは逆に、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の２つの光経路を通ってきた光が、第３光検出器１２へ向かう経路では干渉により打ち消しあい、第４光検出器１３へ向かう経路では干渉により強めあうようになる。そのため、もし第２の光子３の光強度が１／２になった場合には、第４光検出器１３でのみ第２の光子３が検出されるように設定できる。
【００２７】
次に図２に、第１の光子２が｜Φ±＞＝（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋのどちらであるかを確定する設定がされた第１測定器５Ｂにおいて測定される場合を示す。この場合、第１測定器５Ｂにおいて第１の光子２の測定が行われると、第１の光子２と第２の光子３がともに｜Φ＋＞または｜Φ−＞に確定する。これは、（式１）または（式２）または（式３）で表される上記エンタングル状態の特徴である（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）。図２において、第１の光子２が第１測定器５Ｂにおいて測定された後の第２の光子３Ｂを、｜Φ±＞を模式的に表す２つのパルスで示した。ここで、上記の｜Φ±＞を構成する２つの光パルス｜ｔ１＞／Ｋと｜ｔ２＞／Ｋのそれぞれは、Ｋが２の平方根であるので光強度（光電場の振幅の２乗）は図１の場合と比較して１／２となる。
【００２８】
図３Ｂに｜Φ±＞＝（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋのどちらであるかを確定する設定がされた第１測定器５Ｂの詳細を示した。図３Ｂにおいて、第１の光子２を時間ｔ１の光パルス２１と時間ｔ２の光パルス２２に分けて図示した。まず光スイッチ４をミラー４１へ光が出力されるように設定しておく。時刻Ｔに時間ｔ１の光パルス２１が光スイッチ４へ到着し、ミラー４１へ出力される。時間ｔ１の光パルス２１はミラー４１、ミラー４２を経由してハーフビームスプリッター４３へ入射する。時間ｔ１の光パルス２１の通過後に光スイッチ４は光透過の状態へ変更される。そして時刻Ｔ＋（ｔ２−ｔ１）に時間ｔ２の光パルス２２が光スイッチ４へ到着し、光スイッチ４を通過する。時刻Ｔ＋（ｔ２−ｔ１）＋Ｔ３に、時間ｔ１の光パルス２１と時間ｔ２の光パルス２２が同時にハーフビームスプリッター４３へ入射する。このとき時間ｔ１の光パルス２１と時間ｔ２の光パルス２２が通る２つの光経路を調整することで、｜Φ＋＞の状態は第１光検出器５１へ向かう第１成分２３のみに光が出力され、｜Φ−＞の状態は第２光検出器５２へ向かう第２成分２４のみに光が出力されるようにすることができる。つまり｜Φ＋＞の状態では、第１成分２３において時間ｔ１の光パルス２１と時間ｔ２の光パルス２２が干渉により強めあい、第２成分２４においては時間ｔ１の光パルス２１と時間ｔ２の光パルス２２が干渉により打ち消しあうようにする。｜Φ−＞については、｜Φ＋＞とは時間ｔ２の光パルス２２の符号が逆であることにより干渉も逆になるので、第２成分２４のみに光が出力されるようにすることができる。したがって第１光検出器５１と第２光検出器５２のどちらで第１の光子２が検出されるかにより、｜Φ＋＞であるか｜Φ−＞であるかが確定する。
【００２９】
図２において、第１の光子２が第１測定器５Ｂにおいて測定された後の第２の光子３Ｂがマッハ−ツェンダー干渉計１４へ入射する。ここで、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４は、第２の光子３Ｂの光強度が図１の場合の１／２である場合には、第４光検出器１３でのみ第２の光子３Ｂが検出されるように設定されていた。上記のように｜Φ±＞＝（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋに確定した第２の光子３Ｂを構成する２つの光パルス｜ｔ１＞／Ｋと｜ｔ２＞／Ｋのそれぞれの光強度（光電場の振幅の２乗）は、図１の場合の１／２である。したがって図２において、第２の光子３Ｂが上記マッハ−ツェンダー干渉計１４に入射すると、第４光検出器１３でのみ第２の光子３Ｂが検出される。図２中、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の出力部分に、第４光検出器１３へ向かう矢印のみ図示することで、第４光検出器１３でのみ第２の光子３Ｂが検出される状況を示した。つまり第２の光子３が、図１のように１個の光パルスであるか、図２のように光強度１／２の２個の光パルスであるかを、上記非線形光学材料１１の非線形屈折率効果の違いにより判別することができる。
【００３０】
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、非線形光学材料１１を用いたマッハ−ツェンダー干渉計１４を準備する。上記マッハ−ツェンダー干渉計１４には、干渉計を構成する２つの光経路のうち片方に、上記非線形光学材料１１が配置されている。上記非線形光学材料１１は、その非線形光学効果（非線形屈折率効果）により、光強度（光電場の振幅の２乗）に比例して屈折率が変化する。そのため、１個の光パルスからなる光子の場合、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の第１出力である第３光検出器１２にのみ光が出力されるように設定できる。これと同時に、光強度１／２の２個の光パルスからなる光子の場合は、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の第２出力である第４光検出器１３にのみ光が出力されるように、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４を設定できる。
【００３１】
送信者と受信者は時間位置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。
【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、時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞であるか時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞であるかを確定する設定がなされた第1測定器５Ａで第１の光子２の測定を行う。また送信者は「０」を送信する場合は、｜Φ±＞＝（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋのどちらであるかを確定する設定がされた第１測定器５Ｂで第１の光子２の測定を行う。
【００３３】
次に受信者は時刻１よりも後の時刻２に、第２の光子３を上記マッハ−ツェンダー干渉計１４に入力し、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の２つの出力それぞれにおいて第２の光子３の測定（光子の検出）を行う。このとき受信者は、「上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の第１出力である第３光検出器１２で光子が検出された場合」には信号「１」と判別する。また受信者は、「上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の第２出力である第４光検出器１３で光子が検出された場合」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の状態を判別することが可能であることが分かる。
【００３４】
上記の方法では、（送信者が）第１の光子２が１つの光パルスであることを確定する測定をするか、（送信者が）第１の光子２が２つの光パルスからなる状態であることを確定する測定をするかの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。
【００３５】
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。
【００３６】
ここで上記実施例１の変形について説明する。上記実施例１ではマッハ−ツェンダー干渉計１４において、非線形光学材料１１の長さＬを（式４）を満たすように設定した。しかし、もし非線形光学材料１１の特性により非線形屈折率効果による屈折率の変化Δｎが大きい値にできない場合には、Δｎ×Ｌ／Λ＜１となっても構わない。この場合には、第２の光子３が｜ｔ１＞または｜ｔ２＞である場合には光はマッハ−ツェンダー干渉計１４の第１出力（第３光検出器１２）へ出力される。一方、第２の光子３が｜Φ±＞である場合には光はマッハ−ツェンダー干渉計１４の第１出力（第３光検出器１２）と第２出力（第４光検出器１３）の両方へ出力され得る。これは（式４）が満たされない場合には、実施例１で説明したような第１出力と第２出力での干渉の逆転が十分に起こらないためである。このとき、第２の光子３が｜Φ±＞である場合にマッハ−ツェンダー干渉計１４の第１出力（第３光検出器１２）で光が検出される確率は［１＋ｃｏｓ（ΠＬΔｎ／Λ）］／２であり、第２出力（第４光検出器１３）で光が検出される確率は［１−ｃｏｓ（ΠＬΔｎ／Λ）］／２となる。ここでΠは円周率である。（式４）が満たされる場合には、上記実施例１のように上記の２つの確率は０と１になる。
【００３７】
このように（式４）が満たされない場合でも、第２の光子３が｜Φ±＞である場合にマッハ−ツェンダー干渉計１４の第１出力と第２出力での光検出の確率には、第２の光子３が時間ｔ１の光パルスまたは時間ｔ２の光パルスである場合との差が生じる。つまり、第２の光子３が時間ｔ１の光パルスまたは時間ｔ２の光パルスである場合には第２出力での光検出の確率は０だったが、上記第２の光子３が｜Φ±＞である場合には［１−ｃｏｓ（ΠＬΔｎ／Λ）］／２となり、たとえ非線形屈折率効果による屈折率差Δｎが小さくても確率は０ではない。したがって、実施例１と同じシステムを複数セット用いて、第１出力と第２出力での光検出の確率の差を調べれば、第２の光子３が｜Φ±＞であるかどうかを判別できる。例えば実施例１と同じシステムを多数用いて、同時に実施例１と同じ操作を行って、その中で１つでもマッハ−ツェンダー干渉計１４の第２出力（第４光検出器１３）で光が検出された場合には、第２の光子３が｜Φ±＞であると判断すればよい。
【００３８】
さらに上記実施例１の別の変形について説明する。上記実施例１ではマッハ−ツェンダー干渉計１４において、１つの光パルス（｜ｔ１＞または｜ｔ２＞）からなる光子は第１出力にのみ光が出力され、２つの光パルス（｜Φ＋＞または｜Φ−＞）からなる光子は第２出力にのみ光が出力されるように設定した。しかし、マッハ−ツェンダー干渉計１４の光経路の調整不足があると上記のように完全な区別は出来ない場合がありえる。例えばハーフビームスプリッター７またはハーフビームスプリッター１０の反射率と透過率が５０％からわずかにずれている場合などが考えられる。また、上記のように非線形光学材料１１の特性が式（４）を正確に満たさない場合もありえる。このような場合でも、第２の光子３が｜ｔ１＞または｜ｔ２＞である場合にマッハ−ツェンダー干渉計１４の第１出力（第３光検出器１２）へ光が５０％を超える確率で出力されるようにすることはできる。また、第２の光子３が｜Φ±＞である場合には光がマッハ−ツェンダー干渉計１４の第２出力（第４光検出器１３）へ光が５０％を超える確率で出力されるようにすることができる。したがって、実施例１と同じシステムを複数セット用いて、第１出力と第２出力での光検出の確率の差を調べれば、第２の光子３が｜ｔ１＞または｜ｔ２＞であるか、第２の光子３が｜Φ±＞であるかを判別できる。
【００３９】
さらにまた、図４を用いて上記実施例１の別の変形について説明する。実施例１では第２の光子３はマッハ−ツェンダー干渉計の第１出力または第２出力において、第３光検出器１２または第４光検出器１３で測定された。しかし、第３光検出器１２または第４光検出器１３を、図４に示す第２測定器で置き換えることもできる。図４では第２の光子３が｜Φ±＞である場合を考え、第２の光子３を時間ｔ１の光パルス３１と時間ｔ２の光パルス３２に分けて図示した。まず光スイッチ６０をミラー６１へ光が出力されるように設定しておく。時刻Ｔ４に時間ｔ１の光パルス３１が光スイッチ６０へ到着し、ミラー６１へ出力される。時間ｔ１の光パルス３１はミラー６１、偏光回転子６６、ミラー６２を経由してハーフビームスプリッター６３へ入射する。ここで偏光回転子６６は光の偏光を９０度回転させるものを用いる（例えば非特許文献２「基本光工学１」、森北出版、第６章参照）。時間ｔ１の光パルス３１の通過後に光スイッチ４は光透過の状態へ変更される。
【００４０】
そして時刻Ｔ４＋（ｔ２−ｔ１）に時間ｔ２の光パルス３２が光スイッチ６０へ到着し、光スイッチ６０を通過する。時刻Ｔ４＋（ｔ２−ｔ１）＋Ｔ５に、時間ｔ１の光パルス３１と時間ｔ２の光パルス３２が同時にハーフビームスプリッター６３へ入射する。このとき時間ｔ１の光パルス３１と時間ｔ２の光パルス３２は、偏光回転子６６によって光の偏光が９０度異なるためハーフビームスプリッター６３において互いに干渉を起こさない。したがって、時間ｔ１の光パルス３１と時間ｔ２の光パルス３２はそれぞれ独立に５０％ずつの確率で第５光検出器６４と第６光検出器６５へ出力される。つまり、この図４で表される第２測定器では（第１測定器５Ａと異なり）｜Φ±＞は区別されず、単に光子の有無のみが検出される構成となっている。また第２測定器では、時間ｔ１の光パルス３１であるか時間ｔ２の光パルス３２であるかについても区別されず、単に光子の有無のみが検出される構成となっている。
【符号の説明】
【００４１】
１ 光源
２ 第１の光子
２１ （第１の光子２の）時間ｔ１の光パルス
２２ （第１の光子２の）時間ｔ２の光パルス
２３ （第１光検出器５１へ向かう）第１成分
２４ （第２光検出器５２へ向かう）第２成分
３ 第２の光子
３Ａ 第１測定器５Ａで第１の光子２が測定された後の第２の光子
３Ｂ 第１測定器５Ｂで第１の光子２が測定された後の第２の光子
４ 光スイッチ
４１ ミラー
４２ ミラー
４３ ハーフビームスプリッター
５Ａ 時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞であるか時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞であるかを確定する設定がなされた第１測定器
５Ｂ ｜Φ±＞＝（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋのどちらであるかを確定する設定がされた第１測定器
５１ 第１光検出器
５２ 第２光検出器
７ ハーフビームスプリッター
８ ミラー
９ ミラー
１０ ハーフビームスプリッター
１１ 非線形光学材料
１２ 第３光検出器
１３ 第４光検出器
１４ マッハ−ツェンダー干渉計
３１ （第２の光子３の）時間ｔ１の光パルス
３２ （第２の光子３の）時間ｔ２の光パルス
６０ 光スイッチ
６１ ミラー
６２ ミラー
６３ ハーフビームスプリッター
６４ 第５光検出器
６５ 第６光検出器
６６ 偏光回転子
【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】
非特許文献１「工学系のための量子光学」、森北出版、第９章には、光ファイバー伝送に適したエンタングル状態として、時間位置がエンタングル状態（もつれ状態）にある２光子の状態が解説されている。まず１つの光パルスから、時間ｔ１と時間ｔ２に対応する２つの光パルスが５０％ずつの等確率で重ね合わされた状態を作る。次に上記の２つの光パルスが重ね合わされた状態を非線形光学材料にポンプ光として入射する。そして、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、（時間ｔ１と時間ｔ２の）２つの光パルスそれぞれに対応したシグナル光とアイドラー光の対が５０％ずつの等確率で重ね合わされた状態が作られる。この時間位置エンタングル状態も、エンタングル状態としての性質を備えている（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）。
【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】黒田和男著「非線形光学」、コロナ社
【非特許文献５】Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１２，５０７（１９６４）
【非特許文献６】「量子力学の発展」、サイエンス社
【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】
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、非線形光学材料を用いたマッハ−ツェンダー干渉計を準備する。上記マッハ−ツェンダー干渉計には、干渉計を構成する２つの光経路のうち片方に、上記非線形光学材料が配置されている。
【０００９】
送信者と受信者は時間位置がエンタングル状態にある２光子を準備する。そして、上記時間位置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。
【００１０】
上記非線形光学材料は、その非線形光学効果（非線形屈折率効果）により、光電場の振幅の２乗（光強度）に比例して屈折率が変化する。そのため、時間ｔ１または時間ｔ２どちらか１つの光パルスであることが確定した光子は上記マッハ−ツェンダー干渉計の第１出力にのみ光が出力され、時間ｔ１または時間ｔ２の２つの光パルスが５０％ずつの等確率で重ね合わされた状態である光子は上記マッハ−ツェンダー干渉計の第２出力にのみ光が出力されるように、上記マッハ−ツェンダー干渉計を設定できる。これには時間ｔ１または時間ｔ２の２つの光パルスが５０％ずつの等確率で重ね合わされた状態では、１つの光パルスからなる光子の場合に比べて、２つの光パルスそれぞれの振幅の２乗（光強度）は１／２となるため、非線形屈折率効果による上記非線形光学材料の屈折率の変化も１／２となることを利用する。
【００１１】
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の光子が時間ｔ１の光パルスまたは時間ｔ２の光パルスのどちらであるかを確定する測定を行う。また送信者は「０」を送信する場合は、第１の光子が状態（｜ｔ１＞＋｜ｔ２＞）／Ｋであるか状態（｜ｔ１＞−｜ｔ２＞）／Ｋであるかを確定する測定を行う。ここで、｜ｔ１＞は時間ｔ１の光パルス、｜ｔ２＞は時間ｔ２の光パルス、Ｋは２の平方根である。
【００１２】
次に受信者は時刻１よりも後の時刻２に、第２の光子を上記マッハ−ツェンダー干渉計に入力し、上記マッハ−ツェンダー干渉計の２つの出力それぞれにおいて光子の測定（光子の検出）を行う。このとき受信者は、「上記マッハ−ツェンダー干渉計の第１出力で光子が検出された場合」には信号「１」と判別する。また受信者は、「上記マッハ−ツェンダー干渉計の第２出力で光子が検出された場合」には信号「０」と判別する。
【００１３】
上記の方法では送信者が、第１の光子が時間ｔ１の光パルスまたは時間ｔ２の光パルスであることを確定する測定をするか、（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋで表される状態であることを確定する測定をするかの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】
【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、時間ｔ１または時間ｔ２の光パルスであることを確定する測定を行う場合の構成図。
【図２】実施例１において、（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋの状態であることを確定する測定を行う場合の構成図。
【図３Ａ】時間ｔ１の光パルスまたは時間ｔ２の光パルスであることを確定する測定を行う設定がされた第１測定器。
【図３Ｂ】（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋの状態であることを確定する測定を行う設定がされた第１測定器。
【図４】（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋの状態であることを確定させない、かつ時間ｔ１または時間ｔ２の光パルスであることを確定させないで、光の有無のみを測定する設定がされた第２測定器。
【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。下記において定数Ｋは２の平方根とする。
【実施例】
【００１７】
図１、図２、図３Ａ、図３Ｂ、図４を用いて実施例１とその変形について説明する。図１において光源１から時間位置がエンタングル状態（もつれ状態）にある第１の光子２と第２の光子３が、それぞれ反対方向へ放射される。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。時間ｔ１の光パルスの状態を｜ｔ１＞、時間ｔ２の光パルスの状態を｜ｔ２＞とすると、上記の時間位置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５Ａへ向かう第１の光子２を表し、添え字Ｂは第３光検出器１２または第４光検出器１３へ向かう第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がともに時間ｔ１の光パルスである状態と、第１の光子２と第２の光子３がともに時間ｔ２の光パルス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（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）。図１中、第１の光子２と第２の光子３の伝播方向を示す実線矢印の上に、時間ｔ１の光パルスと時間ｔ２の光パルスを模式的に図示し、第１の光子２と第２の光子３が２つの光パルスが重ね合わされた状態であることを示した。
【００１９】
上記の非特許文献１「工学系のための量子光学」、森北出版、第９章１５４ページから１５６ページには（式１）で表される時間位置エンタングル状態の生成方法が紹介されている。まず１つの光パルスから、ビームスプリッターと光遅延回路を用いて、時間ｔ１と時間ｔ２に対応する２つの光パルスが５０％ずつの等確率で重ね合わされた状態を作る。次に上記の２つの光パルスが重ね合わされた状態を、非線形光学材料にポンプ光として入射する。そして、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、（時間ｔ１と時間ｔ２の）２つの光パルスそれぞれに対応したシグナル光とアイドラー光の対が５０％ずつの等確率で重ね合わされた状態が作られる。図１と（式１）が示すような反対方向へ伝播する第１の光子２と第２の光子３の状態を得るには、上記のシグナル光とアイドラー光の対から、例えばシグナル光を第１の光子２として使用し、アイドラー光を第２の光子３として分離して用いれば良い。
【００２０】
上記（式１）で表される時間位置エンタングル状態も、エンタングル状態としての性質を備えている。特に｜Φ±＞＝（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋで表される状態を用いても、下記のように同様の式で表される。ここでＫは２の平方根である。
【００２１】
【数２】
したがって第１の光子２について、時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞であるか時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞であるかを確定する測定を行った場合は、第２の光子３も第１の光子２と同じ光パルスに確定する。また第１の光子２について状態｜Φ±＞＝（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋのどちらであるかを確定する測定を行った場合、（式２）の状態では第２の光子３も第１の光子２と同じ状態に確定し、（式３）の状態では第２の光子３は第１の光子２とは別のもう一方の状態に確定する。（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）。
【００２２】
図１において第１の光子２は、時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞であるか時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞であるかを確定する測定を行う設定がなされた第1測定器５Ａへ向かう。第1測定器５Ａでの測定により、第１の光子２は５０％ずつの確率で時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞または時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞に確定する。図３Ａに第1測定器５Ａの詳細を示した。図３Ａにおいて、第１の光子２を時間ｔ１の光パルス２１と時間ｔ２の光パルス２２に分けて図示した。光スイッチ４は光透過の状態に設定される。時刻Ｔに上記時間ｔ１の光パルス２１が上記光スイッチ４に到着して透過する。時刻Ｔ＋Ｔ３に上記時間ｔ１の光パルス２１はハーフビームスプリッター４３に到着し、第１光検出器５１へ向かう第１成分２３と第２光検出器５２へ向かう第２成分２４に分かれる。上記第１成分２３が上記第１光検出器５１で検出されるかまたは上記第２成分２４が上記第２光検出器５２で検出されれば、第１の光子２は時間ｔ１の光パルス２１であることが確定する。一方、上記第１成分２３と上記第２成分２４の両方とも検出されなければ第１の光子２は時間ｔ２の光パルス２２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７章演習問題参照）。
【００２３】
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と同じ時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞または時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞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）。図１において、第１の光子２に対する上記測定後に、時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞または時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞に確定した第２の光子３Ａを、１つのパルスで模式的に示した。
【００２４】
次に第２の光子３Ａは、ハーフビームスプリッター７、ミラー８、ミラー９、ハーフビームスプリッター１０、非線形光学材料１１から構成されるマッハ−ツェンダー干渉計１４に入射する。上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の２つの出力には、第１出力に第３光検出器１２が配置され、第２出力に第４光検出器１３が配置される。上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の２つの光経路のうち１つに、上記非線形光学材料１１が配置される。上記非線形光学材料１１としては、非晶質または液体または気体などの等方的な媒質がある。例えば、二硫化炭素、ピリヂン、ブロモホルム、クロロホルムなどの液体がある（例えば非特許文献５「Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１２，５０７（１９６４）」参照）。上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の２つの光経路長を調整することにより、第２の光子３Ａが第３光検出器１２でのみ検出されるように設定できる。これには、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の２つの光経路を通ってきた光が、第３光検出器１２へ向かう経路では干渉により強めあい、第４光検出器１３へ向かう経路では干渉により打ち消しあうようにする（例えば非特許文献６「量子力学の発展」、サイエンス社、１８８ページ参照）。図１中、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の出力部分に、第３光検出器１２へ向かう矢印のみ図示することで、第３光検出器１２でのみ第２の光子３Ａが検出される状況を示した。
【００２５】
ここで上記非線形光学材料１１は、第２の光子３Ａの光強度（光電場の振幅の２乗）に比例して、その屈折率が変化する。これは上記非線形光学材料１１の非線形屈折率効果の一つである（例えば非特許文献３「基本光工学２」、森北出版、第１９章または非特許文献４「非線形光学」、コロナ社、第６章）。したがって、もしも第２の光子３の光強度（光電場の振幅の２乗）が図１の場合の１／２になった場合には、上記とは逆に第４光検出器１３でのみ第２の光子３が検出されるように設定することができる。このことは、図１の場合における非線形屈折率効果による上記非線形光学材料１１の屈折率の変化をΔｎ、第２の光子３の波長をΛとしたとき、等方的な非線形光学材料１１の長さＬを
【００２６】
【数３】
を満たすようにすることで実現可能である。（式４）の条件は、図１の場合における非線形屈折率効果による上記非線形光学材料１１の屈折率の変化Δｎが、波長Λに相当する位相のずれを生じるための条件となっている。そのため、もし第２の光子３の光強度が１／２になった場合には、非線形屈折率効果による屈折率の変化もΔｎ／２となり、波長Λの１／２に相当する位相のずれを生じることになる。したがって上記図１の場合とは逆に、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の２つの光経路を通ってきた光が、第３光検出器１２へ向かう経路では干渉により打ち消しあい、第４光検出器１３へ向かう経路では干渉により強めあうようになる。そのため、もし第２の光子３の光強度が１／２になった場合には、第４光検出器１３でのみ第２の光子３が検出されるように設定できる。
【００２７】
次に図２に、第１の光子２が｜Φ±＞＝（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋのどちらであるかを確定する設定がされた第１測定器５Ｂにおいて測定される場合を示す。この場合、第１測定器５Ｂにおいて第１の光子２の測定が行われると、第１の光子２と第２の光子３がともに｜Φ＋＞または｜Φ−＞に確定する。これは、（式１）または（式２）または（式３）で表される上記エンタングル状態の特徴である（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）。図２において、第１の光子２が第１測定器５Ｂにおいて測定された後の第２の光子３Ｂを、｜Φ±＞を模式的に表す２つのパルスで示した。ここで、上記の｜Φ±＞を構成する２つの光パルス｜ｔ１＞／Ｋと｜ｔ２＞／Ｋのそれぞれは、Ｋが２の平方根であるので光強度（光電場の振幅の２乗）は図１の場合と比較して１／２となる。
【００２８】
図３Ｂに｜Φ±＞＝（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋのどちらであるかを確定する設定がされた第１測定器５Ｂの詳細を示した。図３Ｂにおいて、第１の光子２を時間ｔ１の光パルス２１と時間ｔ２の光パルス２２に分けて図示した。まず光スイッチ４をミラー４１へ光が出力されるように設定しておく。時刻Ｔに時間ｔ１の光パルス２１が光スイッチ４へ到着し、ミラー４１へ出力される。時間ｔ１の光パルス２１はミラー４１、ミラー４２を経由してハーフビームスプリッター４３へ入射する。時間ｔ１の光パルス２１の通過後に光スイッチ４は光透過の状態へ変更される。そして時刻Ｔ＋（ｔ２−ｔ１）に時間ｔ２の光パルス２２が光スイッチ４へ到着し、光スイッチ４を通過する。時刻Ｔ＋（ｔ２−ｔ１）＋Ｔ３に、時間ｔ１の光パルス２１と時間ｔ２の光パルス２２が同時にハーフビームスプリッター４３へ入射する。このとき時間ｔ１の光パルス２１と時間ｔ２の光パルス２２が通る２つの光経路を調整することで、｜Φ＋＞の状態は第１光検出器５１へ向かう第１成分２３のみに光が出力され、｜Φ−＞の状態は第２光検出器５２へ向かう第２成分２４のみに光が出力されるようにすることができる。つまり｜Φ＋＞の状態では、第１成分２３において時間ｔ１の光パルス２１と時間ｔ２の光パルス２２が干渉により強めあい、第２成分２４においては時間ｔ１の光パルス２１と時間ｔ２の光パルス２２が干渉により打ち消しあうようにする。｜Φ−＞については、｜Φ＋＞とは時間ｔ２の光パルス２２の符号が逆であることにより干渉も逆になるので、第２成分２４のみに光が出力されるようにすることができる。したがって第１光検出器５１と第２光検出器５２のどちらで第１の光子２が検出されるかにより、｜Φ＋＞であるか｜Φ−＞であるかが確定する。
【００２９】
図２において、第１の光子２が第１測定器５Ｂにおいて測定された後の第２の光子３Ｂがマッハ−ツェンダー干渉計１４へ入射する。ここで、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４は、第２の光子３Ｂの光強度が図１の場合の１／２である場合には、第４光検出器１３でのみ第２の光子３Ｂが検出されるように設定されていた。上記のように｜Φ±＞＝（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋに確定した第２の光子３Ｂを構成する２つの光パルス｜ｔ１＞／Ｋと｜ｔ２＞／Ｋのそれぞれの光強度（光電場の振幅の２乗）は、図１の場合の１／２である。したがって図２において、第２の光子３Ｂが上記マッハ−ツェンダー干渉計１４に入射すると、第４光検出器１３でのみ第２の光子３Ｂが検出される。図２中、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の出力部分に、第４光検出器１３へ向かう矢印のみ図示することで、第４光検出器１３でのみ第２の光子３Ｂが検出される状況を示した。つまり第２の光子３が、図１のように１個の光パルスであるか、図２のように光強度１／２の２個の光パルスであるかを、上記非線形光学材料１１の非線形屈折率効果の違いにより判別することができる。
【００３０】
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、非線形光学材料１１を用いたマッハ−ツェンダー干渉計１４を準備する。上記マッハ−ツェンダー干渉計１４には、干渉計を構成する２つの光経路のうち片方に、上記非線形光学材料１１が配置されている。上記非線形光学材料１１は、その非線形光学効果（非線形屈折率効果）により、光強度（光電場の振幅の２乗）に比例して屈折率が変化する。そのため、１個の光パルスからなる光子の場合、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の第１出力である第３光検出器１２にのみ光が出力されるように設定できる。これと同時に、光強度１／２の２個の光パルスからなる光子の場合は、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の第２出力である第４光検出器１３にのみ光が出力されるように、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４を設定できる。
【００３１】
送信者と受信者は時間位置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。
【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、時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞であるか時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞であるかを確定する設定がなされた第1測定器５Ａで第１の光子２の測定を行う。また送信者は「０」を送信する場合は、｜Φ±＞＝（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋのどちらであるかを確定する設定がされた第１測定器５Ｂで第１の光子２の測定を行う。
【００３３】
次に受信者は時刻１よりも後の時刻２に、第２の光子３を上記マッハ−ツェンダー干渉計１４に入力し、上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の２つの出力それぞれにおいて第２の光子３の測定（光子の検出）を行う。このとき受信者は、「上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の第１出力である第３光検出器１２で光子が検出された場合」には信号「１」と判別する。また受信者は、「上記マッハ−ツェンダー干渉計１４の第２出力である第４光検出器１３で光子が検出された場合」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の状態を判別することが可能であることが分かる。
【００３４】
上記の方法では、（送信者が）第１の光子２が１つの光パルスであることを確定する測定をするか、（送信者が）第１の光子２が２つの光パルスからなる状態であることを確定する測定をするかの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。
【００３５】
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。
【００３６】
ここで上記実施例１の変形について説明する。上記実施例１ではマッハ−ツェンダー干渉計１４において、非線形光学材料１１の長さＬを（式４）を満たすように設定した。しかし、もし非線形光学材料１１の特性により非線形屈折率効果による屈折率の変化Δｎが大きい値にできない場合には、Δｎ×Ｌ／Λ＜１となっても構わない。この場合には、第２の光子３が｜ｔ１＞または｜ｔ２＞である場合には光はマッハ−ツェンダー干渉計１４の第１出力（第３光検出器１２）へ出力される。一方、第２の光子３が｜Φ±＞である場合には光はマッハ−ツェンダー干渉計１４の第１出力（第３光検出器１２）と第２出力（第４光検出器１３）の両方へ出力され得る。これは（式４）が満たされない場合には、実施例１で説明したような第１出力と第２出力での干渉の逆転が十分に起こらないためである。このとき、第２の光子３が｜Φ±＞である場合にマッハ−ツェンダー干渉計１４の第１出力（第３光検出器１２）で光が検出される確率は［１＋ｃｏｓ（ΠＬΔｎ／Λ）］／２であり、第２出力（第４光検出器１３）で光が検出される確率は［１−ｃｏｓ（ΠＬΔｎ／Λ）］／２となる。ここでΠは円周率である。（式４）が満たされる場合には、上記実施例１のように上記の２つの確率は０と１になる。
【００３７】
このように（式４）が満たされない場合でも、第２の光子３が｜Φ±＞である場合にマッハ−ツェンダー干渉計１４の第１出力と第２出力での光検出の確率には、第２の光子３が時間ｔ１の光パルスまたは時間ｔ２の光パルスである場合との差が生じる。つまり、第２の光子３が時間ｔ１の光パルスまたは時間ｔ２の光パルスである場合には第２出力での光検出の確率は０だったが、上記第２の光子３が｜Φ±＞である場合には［１−ｃｏｓ（ΠＬΔｎ／Λ）］／２となり、たとえ非線形屈折率効果による屈折率差Δｎが小さくても確率は０ではない。したがって、実施例１と同じシステムを複数セット用いて、第１出力と第２出力での光検出の確率の差を調べれば、第２の光子３が｜Φ±＞であるかどうかを判別できる。例えば実施例１と同じシステムを多数用いて、同時に実施例１と同じ操作を行って、その中で１つでもマッハ−ツェンダー干渉計１４の第２出力（第４光検出器１３）で光が検出された場合には、第２の光子３が｜Φ±＞であると判断すればよい。
【００３８】
さらに上記実施例１の別の変形について説明する。上記実施例１ではマッハ−ツェンダー干渉計１４において、１つの光パルス（｜ｔ１＞または｜ｔ２＞）からなる光子は第１出力にのみ光が出力され、２つの光パルス（｜Φ＋＞または｜Φ−＞）からなる光子は第２出力にのみ光が出力されるように設定した。しかし、マッハ−ツェンダー干渉計１４の光経路の調整不足があると上記のように完全な区別は出来ない場合がありえる。例えばハーフビームスプリッター７またはハーフビームスプリッター１０の反射率と透過率が５０％からわずかにずれている場合などが考えられる。また、上記のように非線形光学材料１１の特性が式（４）を正確に満たさない場合もありえる。このような場合でも、第２の光子３が｜ｔ１＞または｜ｔ２＞である場合にマッハ−ツェンダー干渉計１４の第１出力（第３光検出器１２）へ光が５０％を超える確率で出力されるようにすることはできる。また、第２の光子３が｜Φ±＞である場合には光がマッハ−ツェンダー干渉計１４の第２出力（第４光検出器１３）へ光が５０％を超える確率で出力されるようにすることができる。したがって、実施例１と同じシステムを複数セット用いて、第１出力と第２出力での光検出の確率の差を調べれば、第２の光子３が｜ｔ１＞または｜ｔ２＞であるか、第２の光子３が｜Φ±＞であるかを判別できる。
【００３９】
さらにまた、図４を用いて上記実施例１の別の変形について説明する。実施例１では第２の光子３はマッハ−ツェンダー干渉計の第１出力または第２出力において、第３光検出器１２または第４光検出器１３で測定された。しかし、第３光検出器１２または第４光検出器１３を、図４に示す第２測定器で置き換えることもできる。図４では第２の光子３が｜Φ±＞である場合を考え、第２の光子３を時間ｔ１の光パルス３１と時間ｔ２の光パルス３２に分けて図示した。まず光スイッチ６０をミラー６１へ光が出力されるように設定しておく。時刻Ｔ４に時間ｔ１の光パルス３１が光スイッチ６０へ到着し、ミラー６１へ出力される。時間ｔ１の光パルス３１はミラー６１、偏光回転子６６、ミラー６２を経由してハーフビームスプリッター６３へ入射する。ここで偏光回転子６６は光の偏光を９０度回転させるものを用いる（例えば非特許文献２「基本光工学１」、森北出版、第６章参照）。時間ｔ１の光パルス３１の通過後に光スイッチ４は光透過の状態へ変更される。
【００４０】
そして時刻Ｔ４＋（ｔ２−ｔ１）に時間ｔ２の光パルス３２が光スイッチ６０へ到着し、光スイッチ６０を通過する。時刻Ｔ４＋（ｔ２−ｔ１）＋Ｔ５に、時間ｔ１の光パルス３１と時間ｔ２の光パルス３２が同時にハーフビームスプリッター６３へ入射する。このとき時間ｔ１の光パルス３１と時間ｔ２の光パルス３２は、偏光回転子６６によって光の偏光が９０度異なるためハーフビームスプリッター６３において互いに干渉を起こさない。したがって、時間ｔ１の光パルス３１と時間ｔ２の光パルス３２はそれぞれ独立に５０％ずつの確率で第５光検出器６４と第６光検出器６５へ出力される。つまり、この図４で表される第２測定器では（第１測定器５Ａと異なり）｜Φ±＞は区別されず、単に光子の有無のみが検出される構成となっている。また第２測定器では、時間ｔ１の光パルス３１であるか時間ｔ２の光パルス３２であるかについても区別されず、単に光子の有無のみが検出される構成となっている。
【符号の説明】
【００４１】
１ 光源
２ 第１の光子
２１ （第１の光子２の）時間ｔ１の光パルス
２２ （第１の光子２の）時間ｔ２の光パルス
２３ （第１光検出器５１へ向かう）第１成分
２４ （第２光検出器５２へ向かう）第２成分
３ 第２の光子
３Ａ 第１測定器５Ａで第１の光子２が測定された後の第２の光子
３Ｂ 第１測定器５Ｂで第１の光子２が測定された後の第２の光子
４ 光スイッチ
４１ ミラー
４２ ミラー
４３ ハーフビームスプリッター
５Ａ 時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞であるか時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞であるかを確定する設定がなされた第１測定器
５Ｂ ｜Φ±＞＝（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋのどちらであるかを確定する設定がされた第１測定器
５１ 第１光検出器
５２ 第２光検出器
７ ハーフビームスプリッター
８ ミラー
９ ミラー
１０ ハーフビームスプリッター
１１ 非線形光学材料
１２ 第３光検出器
１３ 第４光検出器
１４ マッハ−ツェンダー干渉計
３１ （第２の光子３の）時間ｔ１の光パルス
３２ （第２の光子３の）時間ｔ２の光パルス
６０ 光スイッチ
６１ ミラー
６２ ミラー
６３ ハーフビームスプリッター
６４ 第５光検出器
６５ 第６光検出器
６６ 偏光回転子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信者は、２つの光経路のうち片方に非線形光学材料が配置されたマッハ−ツェンダー干渉計を準備し、
受信者は、上記マッハ−ツェンダー干渉計において、上記非線形光学材料の非線形屈折率効果により、１つの光パルスからなる光子は第１出力にのみ光が出力され、２つの光パルスからなる光子は第２出力にのみ光が出力されるように、２つの光経路の光路長を設定しておき、
送信者と受信者は、時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞と時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞からなる時間位置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、第２の光子を受信者へ送付し、
送信者は時刻１に、第１の信号レベルを送信する場合には、第１の光子が時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞であるか時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞であるかを確定する測定を行い、
また送信者は、第２の信号レベルを送信する場合には、Ｋを２の平方根として、第１の光子が｜Φ±＞＝（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋのどちらであるかを確定する測定を行い、
次に受信者は、時刻１よりも後の時刻２に第２の光子を、上記マッハ−ツェンダー干渉計に入力し、上記マッハ−ツェンダー干渉計の２つの出力において光子の測定を行い、
受信者は、上記マッハ−ツェンダー干渉計の第１出力で光子が検出された場合には第１の信号レベルであると判別し、
また受信者は、上記マッハ−ツェンダー干渉計の第２出力で光子が検出された場合には第２の信号レベルであると判別する、
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、
１つの光パルスからなる光子の場合に非線形屈折率効果により生じる上記非線形光学材料の屈折率の変化をΔｎ、第２の光子の波長をΛとしたとき、上記非線形光学材料の長さＬを、
Δｎ×Ｌ／Λ＝１
を満たすように設定することを特徴とする通信方法。
【請求項３】
受信者は、２つの光経路のうち片方に非線形光学材料が配置されたマッハ−ツェンダー干渉計をＮ個準備し、
受信者は、上記マッハ−ツェンダー干渉計において、上記非線形光学材料の非線形屈折率効果により、１つの光パルスからなる光子は第１出力に１／２を超える確率αで光が出力され、２つの光パルスからなる光子は第２出力に１／２を超える確率βで光が出力されるように、２つの光経路の光路長を設定しておき、
送信者と受信者は、時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞と時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞からなる時間位置エンタングル状態にある２光子をＮ組用意し、
上記Ｎ組の時間位置エンタングル状態にある２光子のうち、Ｎ個の第１の光子を送信者に送付し、Ｎ個の第２の光子を受信者へ送付し、
送信者は時刻１に、第１の信号レベルを送信する場合には、Ｎ個の第１の光子が時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞であるか時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞であるかを確定する測定を行い、
また送信者は、第２の信号レベルを送信する場合には、Ｋを２の平方根として、Ｎ個の第１の光子が｜Φ±＞＝（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋのどちらであるかを確定する測定を行い、
次に受信者は、時刻１よりも後の時刻２にＮ個の第２の光子を、上記Ｎ個のマッハ−ツェンダー干渉計に入力し、上記マッハ−ツェンダー干渉計の２つの出力において光子の測定を行い、
受信者は、第１出力で光が検出される確率が１／２を超える場合は第１の信号レベルであると判断し、
受信者は、第２出力で光が検出される確率が１／２を超える場合は第２の信号レベルであると判断する、
以上の過程を含むことを特徴とした通信方法。
【請求項４】
２つの光経路のうち片方に非線形光学材料が配置されたマッハ−ツェンダー干渉計において、
上記非線形光学材料の非線形屈折率効果により、入力された光が１つの光パルスからなる光子である場合は第１出力に１／２を超える確率αで光が出力され、入力された光が２つの光パルスからなる光子である場合は１／２を超える確率βで第２出力に光が出力されるように、２つの光経路の光路長が設定されている、
ことを特徴とする光受信装置。
【請求項５】
請求項４において、
入力された光が１つの光パルスからなる光子の場合に非線形屈折率効果により生じる上記非線形光学材料の屈折率の変化をΔｎ、第２の光子の波長をΛとしたとき、上記非線形光学材料の長さＬが、
Δｎ×Ｌ／Λ＝１
を満たすことを特徴とする光受信装置。
【請求項１】
受信者は、２つの光経路のうち片方に非線形光学材料が配置されたマッハ−ツェンダー干渉計を準備し、
受信者は、上記マッハ−ツェンダー干渉計において、上記非線形光学材料の非線形屈折率効果により、１つの光パルスからなる光子は第１出力にのみ光が出力され、２つの光パルスからなる光子は第２出力にのみ光が出力されるように、２つの光経路の光路長を設定しておき、
送信者と受信者は、時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞と時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞からなる時間位置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、第２の光子を受信者へ送付し、
送信者は時刻１に、第１の信号レベルを送信する場合には、第１の光子が時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞であるか時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞であるかを確定する測定を行い、
また送信者は、第２の信号レベルを送信する場合には、Ｋを２の平方根として、第１の光子が｜Φ±＞＝（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋのどちらであるかを確定する測定を行い、
次に受信者は、時刻１よりも後の時刻２に第２の光子を、上記マッハ−ツェンダー干渉計に入力し、上記マッハ−ツェンダー干渉計の２つの出力において光子の測定を行い、
受信者は、上記マッハ−ツェンダー干渉計の第１出力で光子が検出された場合には第１の信号レベルであると判別し、
また受信者は、上記マッハ−ツェンダー干渉計の第２出力で光子が検出された場合には第２の信号レベルであると判別する、
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、
１つの光パルスからなる光子の場合に非線形屈折率効果により生じる上記非線形光学材料の屈折率の変化をΔｎ、第２の光子の波長をΛとしたとき、上記非線形光学材料の長さＬを、
Δｎ×Ｌ／Λ＝１
を満たすように設定することを特徴とする通信方法。
【請求項３】
受信者は、２つの光経路のうち片方に非線形光学材料が配置されたマッハ−ツェンダー干渉計をＮ個準備し、
受信者は、上記マッハ−ツェンダー干渉計において、上記非線形光学材料の非線形屈折率効果により、１つの光パルスからなる光子は第１出力に１／２を超える確率αで光が出力され、２つの光パルスからなる光子は第２出力に１／２を超える確率βで光が出力されるように、２つの光経路の光路長を設定しておき、
送信者と受信者は、時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞と時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞からなる時間位置エンタングル状態にある２光子をＮ組用意し、
上記Ｎ組の時間位置エンタングル状態にある２光子のうち、Ｎ個の第１の光子を送信者に送付し、Ｎ個の第２の光子を受信者へ送付し、
送信者は時刻１に、第１の信号レベルを送信する場合には、Ｎ個の第１の光子が時間ｔ１の光パルス｜ｔ１＞であるか時間ｔ２の光パルス｜ｔ２＞であるかを確定する測定を行い、
また送信者は、第２の信号レベルを送信する場合には、Ｋを２の平方根として、Ｎ個の第１の光子が｜Φ±＞＝（｜ｔ１＞±｜ｔ２＞）／Ｋのどちらであるかを確定する測定を行い、
次に受信者は、時刻１よりも後の時刻２にＮ個の第２の光子を、上記Ｎ個のマッハ−ツェンダー干渉計に入力し、上記マッハ−ツェンダー干渉計の２つの出力において光子の測定を行い、
受信者は、第１出力で光が検出される確率が１／２を超える場合は第１の信号レベルであると判断し、
受信者は、第２出力で光が検出される確率が１／２を超える場合は第２の信号レベルであると判断する、
以上の過程を含むことを特徴とした通信方法。
【請求項４】
２つの光経路のうち片方に非線形光学材料が配置されたマッハ−ツェンダー干渉計において、
上記非線形光学材料の非線形屈折率効果により、入力された光が１つの光パルスからなる光子である場合は第１出力に１／２を超える確率αで光が出力され、入力された光が２つの光パルスからなる光子である場合は１／２を超える確率βで第２出力に光が出力されるように、２つの光経路の光路長が設定されている、
ことを特徴とする光受信装置。
【請求項５】
請求項４において、
入力された光が１つの光パルスからなる光子の場合に非線形屈折率効果により生じる上記非線形光学材料の屈折率の変化をΔｎ、第２の光子の波長をΛとしたとき、上記非線形光学材料の長さＬが、
Δｎ×Ｌ／Λ＝１
を満たすことを特徴とする光受信装置。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１８８０５２（Ｐ２０１１−１８８０５２Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４８６６９（Ｐ２０１０−４８６６９）
【出願日】平成２２年３月５日（２０１０．３．５）
【出願人】（７１００００８５９）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月５日（２０１０．３．５）
【出願人】（７１００００８５９）
【Ｆターム（参考）】
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