JP2008160368A - Conversion device between polarization coding and phase coding and quantum communication system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、偏光コーディング−位相コーディング間変換装置及びこの変換装置を用い光ファイバーを通して量子状態を伝送する量子通信システムに関する。 The present invention relates to a polarization coding-phase coding conversion device and a quantum communication system that transmits a quantum state through an optical fiber using the conversion device.
光や物質の量子力学的な状態を利用する量子情報技術は、安全性の高い暗号通信や、秘匿性の高い認証など、高度なセキュリティ技術を提供することができると期待されている。例えば量子暗号通信では、量子力学的な２自由度を用いて表現される情報（以後、量子情報と呼ぶ）を単一光子に乗せて伝送することで、通信路上での盗聴者の存在を確実に検知することができ、安全な秘密鍵の配布が可能になる。 Quantum information technology that uses the quantum mechanical state of light and materials is expected to provide advanced security technologies such as highly secure cryptographic communications and highly confidential authentication. For example, in quantum cryptography communication, information expressed using two quantum degrees of freedom (hereinafter referred to as quantum information) is transmitted on a single photon to ensure the presence of an eavesdropper on the communication path. It is possible to detect a secret key and to distribute a secure secret key.
ここでいう量子情報とは、以下のように説明される。例えば、|0>、|1>という量子力学的な２自由度を用いるとする。古典的な情報（古典的なビット）との違いは、量子情報では|0>と|1>という２通りの状態だけでなく、それらの間の重ね合わせ、a|0>＋b|1>という状態まで表現できる点である。ここで、a、bは、|a|2＋|b|2＝1を満たす複素数である。これは、０、１という２通りの値しか表現できない古典的なビットと比較して、量子ビットと呼ばれている。 The quantum information here is explained as follows. For example, it is assumed that two quantum degrees of freedom of | 0> and | 1> are used. The difference from classical information (classical bit) is not only two states of | 0> and | 1> in quantum information, but also a superposition between them, a | 0> + b | 1> It is a point that can express even the state. Here, a and b are complex numbers satisfying | a | 2 + | b | 2 = 1. This is called a qubit compared to a classical bit that can only represent two values of 0 and 1.
実際には、光子は、偏光や位相、空間モードといったいくつかの種類の自由度を有しているため、その中でどの自由度に量子情報を符号化するかに応じて、いくつかの異なる方式が考えられている。現在、実際によく用いられている方式としては、偏光コーディングに基づく方式と位相コーディングに基づく方式がある（非特許文献１参照）。 In practice, photons have several types of degrees of freedom, such as polarization, phase, and spatial mode, so there are several different depending on which degree of freedom the quantum information is encoded in. A method is considered. Currently, there are a method based on polarization coding and a method based on phase coding as methods that are often used in practice (see Non-Patent Document 1).
偏光コーディングとは、単一光子のもつ直交する２つの偏光自由度を基底として量子情報を符号化する方法である。例えば、水平偏光|H>と垂直偏光|V>という２自由度を、量子情報を表現するための基底として用いることができる。このことから、その他の直線偏光や円偏光も|H>と|V>の重ね合わせとして表現できるため、光子の偏光状態によって１量子ビットを完全に記述できる。 Polarization coding is a method of encoding quantum information based on two orthogonal degrees of polarization of a single photon. For example, two degrees of freedom of horizontal polarization | H> and vertical polarization | V> can be used as a basis for expressing quantum information. From this, other linearly polarized light and circularly polarized light can be expressed as a superposition of | H> and | V>, so that one qubit can be completely described by the polarization state of the photon.
一方、位相コーディングとは、単一光子を時間差のついた２つのパルスに分割して、それらの間の相対位相に量子情報を符号化する方法である。この場合、早いパルス|S>と遅いパルス|L>というパルスの時間自由度を、量子情報を表現するための基底として用いる。そして、これらの間の相対位相を含めた重ね合わせにより、１量子ビットを完全に記述することができる。 On the other hand, phase coding is a method in which a single photon is divided into two pulses with a time difference, and quantum information is encoded into a relative phase between them. In this case, the temporal degrees of freedom of the pulses of the fast pulse | S> and the slow pulse | L> are used as a basis for expressing quantum information. One qubit can be completely described by superposition including the relative phase between them.
これらの２つのコーディング法は、光のどの自由度に量子情報を符号化するかというだけの違いであり、原理的にはどちらも同じように量子暗号といった応用に用いることができる。ただ、実際に量子暗号システムを構築する場合、偏光コーディングによる量子暗号システム（非特許文献２参照）に比べ、位相コーディングによる量子暗号システムの方が光ファイバー伝送との相性も良い。このため、現在ではほとんどのシステムにおいて、位相コーディング方式が採用されている。実際、100kmを超えるファイバー長での位相コーディングの伝送も報告されている（非特許文献３参照）。 These two coding methods differ only in which degree of freedom of light encodes quantum information, and in principle, both can be used for applications such as quantum cryptography. However, when actually constructing a quantum cryptography system, the quantum cryptography system based on phase coding is more compatible with optical fiber transmission than the quantum cryptography system based on polarization coding (see Non-Patent Document 2). For this reason, in most systems, the phase coding method is currently employed. In fact, transmission of phase coding with a fiber length exceeding 100 km has also been reported (see Non-Patent Document 3).
しかし、偏光コーディングには、偏光ならではの利点が存在する。以下にその利点を３つ挙げる。 However, polarization coding has its own advantages. Here are three advantages.
一つは、情報処理の自由度が高い点である。偏光状態は、偏光ビームスプリッタ（PBS）や波長板といった線形光学素子を用いて容易に変調することができる。さらに、線形光学素子による制御NOTゲートも実現されており（非特許文献４参照）、これにより、多光子間で簡単な量子演算を実装することもできる。 One is that the degree of freedom of information processing is high. The polarization state can be easily modulated using a linear optical element such as a polarizing beam splitter (PBS) or a wave plate. Furthermore, a control NOT gate using a linear optical element has also been realized (see Non-Patent Document 4), whereby a simple quantum operation can be implemented between multiphotons.
二つ目の利点として、近年開発が進んでいる様々な偏光エンタングルメント光源を量子通信に利用できる点が挙げられる。例えば、非特許文献５に記載のある、量子ドット中の励起子分子のカスケード発光を用いた偏光エンタングルメント光源では、任意のタイミングで光子統計的に理想的な２光子エンタングルメント状態を生成できるため、エンタングルメントによる量子鍵配布への応用が期待されている。
The second advantage is that various polarization entanglement light sources that have been developed in recent years can be used for quantum communication. For example, in the polarization entanglement light source using cascade emission of exciton molecules in quantum dots described in Non-Patent
三つ目の利点は、物質中のスピンのような自由度と相性が良く、量子中継器による長距離量子通信への展開が期待できる点である。量子中継の実現には、光を使って離れた２つのスピン間にエンタングルメントを生成する技術が重要で、そのためには、光とスピンの間で情報を媒介する仕組みを作る必要がある。この点では、光学遷移における偏光選択則を通してスピンとの情報のやりとりが容易な偏光コーディングの方が、位相コーディングに比べて有利であると考えられる。実際、トラップされたイオンからの発光により、単一光子の偏光と、イオン中の電子スピン状態との間にエンタングルメントの生成が実現されており（非特許文献６）、長距離量子通信への展開が期待される。 The third advantage is that it is compatible with the degree of freedom such as spin in a substance and can be expected to develop into long-range quantum communication using a quantum repeater. To realize quantum relay, it is important to generate entanglement between two distant spins using light. To that end, it is necessary to create a mechanism for mediating information between light and spin. In this respect, it is considered that polarization coding that allows easy exchange of information with the spin through the polarization selection rule in optical transition is more advantageous than phase coding. In fact, generation of entanglement between the polarization of a single photon and the electron spin state in the ion has been realized by light emission from the trapped ion (Non-Patent Document 6). Expansion is expected.
偏光コーディングを用いる際の問題点として、光ファイバーによる長距離伝送が難しいという点が挙げられる。ファイバーで光信号を伝送すると、ファイバーの幾何学的なねじれや、複屈折、および偏波モード分散のために、偏光状態が大きく乱されてしまう。また、このようなファイバーの偏波特性は、機械的な揺らぎや熱的な揺らぎによって時間的に変動する。このため、伝送後の補正により偏光特性を回復することも容易ではない。 A problem when using polarization coding is that long-distance transmission using an optical fiber is difficult. When an optical signal is transmitted through a fiber, the polarization state is greatly disturbed due to the geometrical twist, birefringence, and polarization mode dispersion of the fiber. Moreover, the polarization characteristics of such a fiber fluctuate with time due to mechanical fluctuations or thermal fluctuations. For this reason, it is not easy to recover the polarization characteristics by correction after transmission.
この問題を解決するための技術として、これまでに非特許文献２に記載のあるアクティブフィードバックによる偏光状態の補正が考えられてきた。この場合、まずファイバーの偏波特性を調べるために、一定の時間間隔である決まった偏光を持つ参照パルスを、ファイバーを通して伝送する。そして、伝送後の参照パルスの偏光状態を偏光子などで調べることで、ファイバーが与える偏波回転の量を解析し、その結果に基づいて、実際に伝送する（又は伝送した後の）信号の偏光状態を波長板により補正する。このように、参照パルスを用いてファイバーの偏波特性をあらかじめ調べておくことで、信号が受けるファイバー中での偏波回転の影響を補償することが可能になる。
As a technique for solving this problem, correction of the polarization state by active feedback described in Non-Patent
しかしこの方法では、参照パルスと実際に送る信号との時間差よりも早い偏波擾乱に対しては対応できない。すなわち、参照パルスで偏波回転の影響を調べてから実際の信号を送るまでの間にファイバーの（複屈折などの）特性が変化した場合、偏波特性の影響を正確に補正することができず、暗号システムにビットエラーが生じてしまう。このようなビットエラーは、盗聴により生じるエラーと区別することができないため、量子暗号システムにおいては極力避けなければならない。 However, this method cannot cope with polarization disturbance that is faster than the time difference between the reference pulse and the actually transmitted signal. In other words, if the characteristics of the fiber (such as birefringence) change between the time when the influence of the polarization rotation is examined with the reference pulse and the time when the actual signal is sent, the influence of the polarization characteristics can be corrected accurately. Inability to do so results in a bit error in the cryptographic system. Such a bit error cannot be distinguished from an error caused by eavesdropping, and must be avoided as much as possible in the quantum cryptography system.
また、参照パルスとほぼ同時刻に信号を送るという手段も考えられるが、この場合、参照パルスの散乱が単一光子レベルの信号に大きな影響を与え、S/Nが悪くなるという問題が生じる。また、超高速のフィードバックが必要になるため、システムが複雑になってしまう。 In addition, a means of sending a signal at approximately the same time as the reference pulse is also conceivable. In this case, however, the scattering of the reference pulse has a large effect on a single photon level signal, resulting in a problem that the S / N deteriorates. In addition, the system becomes complicated because ultrafast feedback is required.
このように、従来考えられている方法では、偏光コーディングされた量子情報をファイバーで伝送する際、エラーの増加、あるいはフィードバックシステムの複雑化が避けられなかった。 As described above, in the conventionally considered method, when polarization-coded quantum information is transmitted through a fiber, an increase in errors or a complicated feedback system cannot be avoided.
なお、特許文献１には、入力光から分離した直交する二つの直線偏光の光を全て利用してＯＮ／ＯＦＦスイッチングし、低損失で入力光の偏光状態がそのまま出力光に反映されるような光スイッチ装置について記載されているが、上記の各問題については触れられていない。
In
本発明の目的は、量子情報通信において、偏光コーディングされた量子情報を一旦位相コーディングに変換してファイバー伝送する、もしくは、ファイバーで伝送後の位相コーディングされた量子情報を偏光コーディングに変換する、といった変換操作を可能にすることにある。 An object of the present invention is to convert polarization-coded quantum information into phase coding and transmit it in fiber in quantum information communication, or convert phase-coded quantum information after transmission through fiber into polarization coding, etc. It is to enable the conversion operation.
本発明による偏光-時間変換装置は、量子情報通信において偏光情報から時間情報への変換を行う偏光−時間変換装置であって、偏光に応じて光パルス信号の間に一定の時間差を作り出す時間差生成手段と、光パルス信号の偏光を回転させる偏光変調器と、時間差のついた２つの光パルス信号のうちの片方のみを偏光回転させるように前記偏光変調器を制御する変調コントローラとからなり、ある偏光情報を持つ光パルス信号に対し、最初に前記時間差生成手段により偏光に応じて該光パルス信号を時間差のついた２つの光パルス信号に分離し、その後、前記変調コントローラによって制御された前記偏光変調器により、前記時間差のついた２つの光パルス信号のうちの片方の光パルス信号のみを選択的に偏光回転させることを特徴とする。 The polarization-time conversion device according to the present invention is a polarization-time conversion device that converts polarization information into time information in quantum information communication, and generates a time difference between optical pulse signals according to polarization. Means, a polarization modulator for rotating the polarization of the optical pulse signal, and a modulation controller for controlling the polarization modulator to rotate only one of the two optical pulse signals with a time difference. For the optical pulse signal having polarization information, the optical pulse signal is first separated into two optical pulse signals with a time difference according to the polarization by the time difference generating means, and then the polarization controlled by the modulation controller. Only one of the two optical pulse signals with a time difference is selectively polarized and rotated by a modulator.
本発明による時間−偏光変換装置は、量子情報通信において時間情報から偏光情報への変換を行う時間−偏光変換装置であって、光パルス信号の偏光を回転させる偏光変調器と、時間差のついた２つの光パルス信号のうちの片方のみを偏光回転させるように前記偏光変調器を制御する変調コントローラと、偏光に応じて光パルス信号の間に一定の時間差を作り出す時間差生成手段とからなり、前記時間差のついた２つの光パルス信号に対し、最初に、前記変調コントローラによって制御された前記偏光変調器により、前記時間差のついた２つの光パルス信号のうちの片方の光パルス信号のみを選択的に偏光回転させ、その後、前記時間差生成手段により偏光の異なる２つの光パルス信号を１つに重ねることを特徴とする。 A time-polarization conversion device according to the present invention is a time-polarization conversion device that converts time information to polarization information in quantum information communication, and has a time difference from a polarization modulator that rotates the polarization of an optical pulse signal. A modulation controller that controls the polarization modulator so as to rotate only one of the two optical pulse signals, and a time difference generating means that creates a constant time difference between the optical pulse signals according to the polarization, With respect to two optical pulse signals having a time difference, first, only one of the two optical pulse signals having the time difference is selectively selected by the polarization modulator controlled by the modulation controller. After that, the optical pulse is rotated, and thereafter, two optical pulse signals having different polarizations are overlapped into one by the time difference generating means.
また、本発明による偏光−時間変換装置、及び時間−偏光変換装置は、前記時間差生成手段が、偏光に応じて光パルス信号を２つに分割する分波用偏光ビームスプリッタと、分割された２つの光パルス信号の間に一定の時間差をつけるために長さを非対称にした２つの光路と、該２つの光路からの２つの光パルス信号を再び同じ光路に導くための合波用偏光ビームスプリッタとからなることを特徴とする。 Also, in the polarization-time conversion device and the time-polarization conversion device according to the present invention, the time difference generation means includes a demultiplexing polarization beam splitter that divides the optical pulse signal into two according to the polarization, and the divided 2 Two optical paths whose lengths are asymmetrical so as to give a certain time difference between the two optical pulse signals, and a polarizing beam splitter for combining the two optical pulse signals from the two optical paths into the same optical path again It is characterized by the following.
さらに、本発明による偏光−時間変換装置、及び時間−偏光変換装置は、前記偏光変調器として電気光学素子を、前記変調コントローラとして電気波形発生器をそれぞれ用い、前記時間差のついた２つの光パルス信号のうちの片方の光パルス信号が通過した後、もう片方の光パルス信号が通過する前のタイミングで、前記電気光学素子に与える電気信号を変化させることを特徴とする。 Furthermore, the polarization-time conversion device and the time-polarization conversion device according to the present invention use an electro-optic element as the polarization modulator and an electric waveform generator as the modulation controller, respectively, and the two optical pulses with the time difference. An electrical signal applied to the electro-optical element is changed at a timing after one optical pulse signal of the signals passes and before the other optical pulse signal passes.
本発明による量子通信システムは、偏光自由度に符号化された量子情報をファイバーを通して伝送する量子通信システムであって、送信側装置と、受信側装置と、前記送信側装置から前記受信側装置へ光子を伝送する光伝送路とからなり、前記送信側装置は、偏光情報から時間情報への変換を行う上記の偏光−時間変換装置と、参照パルス光源と、該参照パルス光源からの参照パルスを前記偏光−時間変換装置からの光パルス信号と同じ光路に重ねる合流素子とからなり、前記受信側装置は、受信した信号から前記参照パルスを取り出す分岐素子と、取り出した参照パルスの状態を解析する参照パルス測定装置と、その測定結果により光パルス信号の偏光状態を変換する偏光制御装置と、時間情報から偏光情報への変換を行う上記の時間−偏光変換装置とからなることを特徴とする。 A quantum communication system according to the present invention is a quantum communication system that transmits quantum information encoded with a degree of freedom of polarization through a fiber, and includes a transmission side device, a reception side device, and the transmission side device to the reception side device. An optical transmission path for transmitting photons, and the transmission side device transmits the polarization-time conversion device that converts polarization information to time information, a reference pulse light source, and a reference pulse from the reference pulse light source. It comprises a confluence element that overlaps the same optical path as the optical pulse signal from the polarization-time converter, and the receiving side device analyzes the branch element that extracts the reference pulse from the received signal and the state of the extracted reference pulse A reference pulse measurement device, a polarization control device that converts the polarization state of the optical pulse signal according to the measurement result, and the time-bias described above that converts time information to polarization information. Characterized by comprising the conversion device.
また、本発明による量子通信システムは、前記送信側装置から受信側装置に光パルス信号を伝送する光伝送路中で、前記参照パルスの偏光が、時間情報をもつ光パルス信号の偏光と直交していることを特徴とする。 In addition, in the quantum communication system according to the present invention, the polarization of the reference pulse is orthogonal to the polarization of the optical pulse signal having time information in the optical transmission path for transmitting the optical pulse signal from the transmitting device to the receiving device. It is characterized by.
さらに、本発明による量子通信システムは、前記受信側装置で、光パルス信号の時間情報から偏光情報への変換を行う前に、偏光フィルタによって決まった偏光のみを取り出すことを特徴とする。 Furthermore, the quantum communication system according to the present invention is characterized in that, at the receiving side device, only the polarized light determined by the polarization filter is extracted before the time information of the optical pulse signal is converted into the polarization information.
さらに、本発明による量子通信システムは、前記受信側装置で、前記参照パルス測定装置で得られた参照パルスの到達時間情報を元に、前記時間−偏光変換装置における前記偏光変調器を適切なタイミングで動作させることを特徴とする。 Furthermore, the quantum communication system according to the present invention is configured so that the receiving side device sets the polarization modulator in the time-polarization conversion device at an appropriate timing based on arrival time information of the reference pulse obtained by the reference pulse measuring device. It is made to operate by.
本発明によればさらに、量子通信によって２者間で暗号鍵を生成するための量子暗号システムであって、エンタングルメント生成部と、暗号鍵を共有したい２つのステーションと、それらをつなぐ伝送路とから構成されており、前記エンタングルメント生成部は、偏光が量子力学的に相関した２つ以上の光子を発生する偏光エンタングルメント光子対発生装置と、発生された光子を受け偏光自由度から到達時間自由度に情報を転写するための２組以上の上記の偏光−時間変換装置とからなり、前記２つのステーションは、それぞれ、光子の位相状態を調べる非対称マッハツェンダー干渉計と、２つの光子検出器とからなることを特徴とする量子暗号システムが提供される。 According to the present invention, there is further provided a quantum cryptography system for generating an encryption key between two parties by quantum communication, an entanglement generation unit, two stations that want to share the encryption key, and a transmission path that connects them. The entanglement generator comprises a polarization entanglement photon pair generating device that generates two or more photons whose polarizations are quantum-mechanically correlated, and an arrival time from the degree of freedom of polarization received by the generated photons. Comprising two or more sets of polarization-to-time converters for transferring information at a degree of freedom, wherein the two stations are respectively an asymmetric Mach-Zehnder interferometer for examining the phase state of a photon and two photon detectors A quantum cryptography system characterized by comprising:
本発明によれば、量子情報通信において、偏光コーディングされた量子情報を、一旦位相コーディングに変換することで、ファイバーで伝送することができる。これにより、偏光状態を直接伝送する従来型のシステムと比べると、S/Nが高く、フィードバックシステムが比較的簡易な量子通信システムの構築が可能になる。 According to the present invention, in quantum information communication, polarization-coded quantum information can be once converted into phase coding and transmitted by a fiber. This makes it possible to construct a quantum communication system that has a high S / N and a relatively simple feedback system compared to a conventional system that directly transmits the polarization state.
以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
［第１の実施形態］
第１の実施形態として、偏光コーディング−位相コーディング間変換装置について、図１Ａ，図１Ｂを用いて説明する。なお、この第１の実施形態では、パルス光源との同期などにより、光子の到達時間が分かっているものとする。
[First Embodiment]
As a first embodiment, a polarization coding / phase coding conversion device will be described with reference to FIGS. 1A and 1B. In the first embodiment, it is assumed that the arrival time of a photon is known by synchronization with a pulse light source.
まず、図１Ａを参照して、偏光コーディングされた状態から位相コーディングされた状態への変換法を説明する。初めに、水平偏光H、垂直偏光Vを基底とする光子パルスの偏光自由度に量子情報が符号化されているとする。このような情報は、水平偏光Hと垂直偏光Vの重ね合わせという意味で、ａ｜H〉ｐ＋ｂ｜V〉ｐのように表現することができる。ここで、a、ｂは偏光の状態を規定する係数になる。また、下付き添え字pは偏光の自由度を用いていることを意味する。 First, referring to FIG. 1A, a conversion method from a polarization-coded state to a phase-coded state will be described. First, it is assumed that quantum information is encoded in the degree of freedom of polarization of a photon pulse based on horizontal polarization H and vertical polarization V. Such information can be expressed as a | H> p + b | V> p in the sense of superposition of horizontal polarization H and vertical polarization V. Here, a and b are coefficients that define the state of polarization. The subscript p means that the degree of freedom of polarization is used.
この光子パルスを偏光ビームスプリッタ（PBS）１に入射して、偏光に応じて２つのパルスへと分割する。分割後、偏光ビームスプリッタ１を透過する水平偏光Hは短い光路Sを、偏光ビームスプリッタ１で反射する垂直偏光Vは長い光路Lを通るように光学系を配置する。より厳密には、短い光路Sと長い光路Lの間の光路長差を、光子の波長の整数倍になるように設定する。そして、再び偏光ビームスプリッタ（PBS）２により、偏光の異なる２つのパルスを同じ光路へと重ねる。
This photon pulse enters a polarization beam splitter (PBS) 1 and is divided into two pulses according to the polarization. After the division, the optical system is arranged so that the horizontal polarization H transmitted through the
ここで、水平偏光Hは垂直偏光Vよりも短い光路Sを通るため、水平偏光Hをもつパルスのほうが垂直偏光Vをもつパルスより時間的に早く光路上を進むことになる。これにより、水平偏光H、垂直偏光Vという偏光自由度に乗っている情報が、早い（短い光路を通った）パルスS、遅い（長い光路を通った）パルスLというパルスの到達時間の自由度（以後、時間自由度と呼ぶ）に複写される。この結果、偏光自由度と時間自由度の両方に情報が符号化された状態ａ｜H〉ｐ｜S〉ｔ＋ｂ｜V〉ｐ｜L〉ｔが生成される。ここで、下付き添え字tは時間の自由度であることを表している。 Here, since the horizontally polarized light H passes through the light path S shorter than the vertically polarized light V, the pulse having the horizontally polarized light H travels on the light path earlier in time than the pulse having the vertically polarized light V. As a result, information on the polarization degrees of freedom of horizontal polarization H and vertical polarization V is the degree of freedom of arrival time of the pulse S, which is a fast pulse (through a short optical path), and the pulse L, which is a slow pulse (through a long optical path). (Hereinafter referred to as a time degree of freedom). As a result, a state a | H> p | S> t + b | V> p | L> t in which information is encoded in both the polarization degree of freedom and the time degree of freedom is generated. Here, the subscript “t” represents a degree of freedom in time.
なお、ここで生成する２分割パルスの時間差は、２つのパルスを十分分離できる程度に長く、かつ、ファイバーの偏波特性が揺らぐ時間スケールに比べて十分短く設定する。 The time difference between the two divided pulses generated here is set to be long enough to sufficiently separate the two pulses and sufficiently short compared to the time scale in which the polarization characteristics of the fiber fluctuate.
この時点では、偏光自由度にもまだ情報が符号化されたままなので、例えばこのままファイバーで伝送すると、ファイバー中での複屈折の影響により状態が乱されてしまう。このため、次に、純粋に位相コーディングされた状態へと変換するために、２つのパルスの偏光を揃える（偏光に乗った情報を消去する）必要がある。 At this point, since the information is still encoded in the degree of freedom of polarization, for example, if it is transmitted as it is, the state is disturbed due to the influence of birefringence in the fiber. For this reason, it is then necessary to align the polarization of the two pulses (erase the information on the polarization) in order to convert to a purely phase-coded state.
そこで、２つのパルスを偏光ビームスプリッタ２により再び同じ光路に重ねた後、偏光回転素子３を変調コントローラ１０で制御することにより、時間差のついた２つのパルスの片方を選択的に90度偏光回転させる。ここでは、特に遅いほうのパルスを回転させるものとする。その結果、垂直偏光Vをもっていた遅いパルスは、早いパルスと同じ水平偏光Hへと変換される。これにより、偏光はどちらのパルスも同じ水平偏光になるため、偏光自由度に符号化されていた情報は消去され、純粋に位相コーディングされた状態、ａ｜S〉ｔ＋ｂ｜L〉ｔへと変換される。この状態は、早いパルスSと遅いパルスLの重ね合わせになっており、係数a、bが２つのパルスの相対振幅、相対位相を記述する係数になる。
Therefore, after the two pulses are again superimposed on the same optical path by the
ここで、上記のように、２分割パルスのうちの遅いパルスだけを選択的に偏光回転させるためには、偏光状態を高速に制御する技術が必要となる。ここでは、偏光回転素子３としてポッケルスセルのような電気光学素子を用い、変調コントローラ１０として電気パルス発生装置を用いることで、そのような高速偏光制御が可能になる。例えば、結晶軸を適切な角度（例えば45度）に傾けたポッケルスセルに対し、遅いパルスが通過する時間にだけ電気パルス発生装置からパルス電圧を印加することで、早いパルスに影響を与えることなく遅いパルスのみを選択的に90度偏光回転させることができる。
Here, as described above, in order to selectively rotate only the slow pulse of the two divided pulses, a technique for controlling the polarization state at a high speed is required. Here, by using an electro-optical element such as a Pockels cell as the polarization rotation element 3 and an electric pulse generator as the
なお、このようなポッケルスセルによるパルス変調の場合、実際には偏光の回転だけでなく、パルスの純位相シフトも生じる。したがって、このポッケルスセルにおける位相シフトの影響を吸収するように、あらかじめ光路Sと光路Lの間の光路長差を調整しておく必要がある。 Note that in the case of such pulse modulation by the Pockels cell, not only the rotation of the polarization but also the pure phase shift of the pulse occurs. Therefore, it is necessary to adjust the optical path length difference between the optical path S and the optical path L in advance so as to absorb the influence of the phase shift in the Pockels cell.
次に、図１Ｂを参照して、上記とは逆の、位相コーディングされた状態から偏光コーディングされた状態への変換法を説明する。最初、単一光子が時間差のついた２つのパルスに分割されており、早いパルスSと遅いパルスLを基底とする時間自由度に量子情報が符号化されているとする。このような情報は、ａ｜S〉ｔ＋ｂ｜L〉ｔと表現される。なお、この状態の偏光自由度には情報が全く乗っておらず、ここでは２つのパルスとも同じ水平偏光Hを持っているものとする。 Next, with reference to FIG. 1B, a reverse conversion method from the phase-coded state to the polarization-coded state will be described. Initially, it is assumed that a single photon is divided into two pulses with a time difference, and quantum information is encoded in a time degree of freedom based on an early pulse S and a later pulse L. Such information is expressed as a | S> t + b | L> t . Note that no information is on the degree of freedom of polarization in this state, and it is assumed here that both pulses have the same horizontal polarization H.
このような状態に対し、まず、変調コントローラ１４で制御された偏光回転素子１３により、早いパルスSのみを選択的に90度偏光回転させる。これにより、偏光自由度と時間自由度の両方に情報が符号化された状態ａ｜V〉ｐ｜S〉ｔ＋ｂ｜H〉ｐ｜L〉ｔが生成される。
In such a state, first, only the fast pulse S is selectively rotated by 90 degrees by the
その後、偏光ビームスプリッタ１２により偏光の異なっている早いパルスと遅いパルスを２つの光路に分け、早いパルスには長い光路を伝播させ、遅いパルスには短い光路を伝播させる。
Thereafter, an early pulse and a late pulse having different polarizations are divided into two optical paths by the
そして、最後に偏光ビームスプリッタ１１により、２つのパルスを同じ光路に重ねる。ここで、上記２つの光路の時間差を、早いパルスと遅いパルスの間の最初の時間差に等しくなるよう設定することで、最終的に２つのパルスを時間的にぴったり重ねることが可能になる。これにより、元々もっていた時間の自由度が消去され、純粋に偏光コーディングされた状態ａ｜H〉ｐ＋ｂ｜V〉ｐに変換される。
Finally, the
ここで重要なことは、本発明の場合、単純に水平偏光Hと垂直偏光Vという０，１の状態を、早いパルスSと遅いパルスLという０，１の状態に変換するような古典的なスイッチとは異なり、水平偏光Hと垂直偏光Vの重ね合わせ状態を早いパルスSと遅いパルスLの重ね合わせの状態に一対一で変換する点である。 What is important here is that in the case of the present invention, a classic state in which 0 and 1 states of horizontal polarization H and vertical polarization V are simply converted into 0 and 1 states of an early pulse S and a late pulse L. Unlike the switch, the superposition state of the horizontal polarization H and the vertical polarization V is converted to the superposition state of the early pulse S and the late pulse L on a one-to-one basis.
例えば、45度の直線偏光状態は、水平偏光と垂直偏光の位相の揃った重ね合わせ状態｜D〉＝(１／√2)（｜H〉ｐ＋｜V〉ｐ）として表されるが、この状態は、本発明の変換装置（偏光−時間変換装置：図１Ａ参照）により、(１／√2)（｜S〉ｔ＋｜L〉ｔ）という早いパルスと遅いパルスの位相の揃った重ね合わせ状態に変換される。 For example, a linear polarization state of 45 degrees is expressed as a superposition state | D> = (1 / √2) (| H> p + | V> p ) in which phases of horizontal polarization and vertical polarization are aligned. In this state, the phase of the early pulse and the late pulse of (1 / √2) (| S> t + | L> t ) are aligned by the conversion device of the present invention (polarization-time conversion device: see FIG. 1A). It is converted into a superposition state.
同様に、右回り円偏光は、水平偏光と垂直偏光の間の位相の90度ずれた重ね合わせ状態｜R〉＝(１／√2)（｜H〉ｐ＋i｜V〉ｐ）として表されるが、この状態は、本発明の変換装置により、(１／√2)（｜S〉ｔ＋i｜L〉ｔ）という早いパルスと遅いパルスの間の位相の90度ずれた重ね合わせ状態に変換される。 Similarly, clockwise circularly polarized light is expressed as a superposition state | R> = (1 / √2) (| H> p + i | V> p ) in which the phase between horizontal polarization and vertical polarization is shifted by 90 degrees. However, this state is changed to a superposition state in which the phase between the early pulse and the late pulse of (1 / √2) (| S> t + i | L> t ) is shifted by 90 degrees by the conversion device of the present invention. Converted.
以上のように、本発明は、光子の偏光自由度と時間自由度の間で、量子情報の完全な転写を可能にする。 As described above, the present invention enables complete transfer of quantum information between the degree of freedom of polarization and time of a photon.
図１Ａ、図１Ｂに示すような本発明による変換装置を用いることで、例えば図２に示すような偏光状態のファイバー伝送が可能になる。送信側装置は、図１Ａで説明した変換装置を有することで偏光コーディングされた量子情報を一旦位相コーディング情報に変換し、ファイバーを通して受信側装置へと伝送する。受信側装置は、図１Ｂで説明した変換装置（時間−偏光変換装置）を有することで受け取った位相コーディング情報を再び偏光コーディングに変換し、元の偏光状態を復元することが可能になる。 By using the conversion device according to the present invention as shown in FIGS. 1A and 1B, for example, fiber transmission in a polarization state as shown in FIG. 2 becomes possible. The transmission-side apparatus has the conversion apparatus described with reference to FIG. 1A, so that the polarization-coded quantum information is temporarily converted into phase coding information and transmitted to the reception-side apparatus through the fiber. By having the conversion device (time-polarization conversion device) described with reference to FIG. 1B, the reception-side device can convert the received phase coding information into polarization coding again and restore the original polarization state.
この例では、受信側装置で位相コーディング情報から偏光コーディング情報を復元する際、位相コーディングされた２分割パルスの偏光状態が決まっている必要があることから、水平偏光を保持したまま光を伝送できる偏波保持ファイバー１５を用いている。 In this example, when the polarization coding information is restored from the phase coding information at the receiving side device, it is necessary to determine the polarization state of the phase-divided two-division pulse, so that light can be transmitted while maintaining the horizontal polarization. A polarization maintaining fiber 15 is used.
なお、ここでは２つの偏光ビームスプリッタと長さが非対称な２つの光路を用いて、偏光に応じたパルスの時間差の生成・消去を行ったが、同様な操作を、例えば図３のような複屈折素子２０に置き換えることも可能である。
In this example, two polarization beam splitters and two optical paths with asymmetric lengths are used to generate and erase the pulse time difference according to the polarization. However, a similar operation is performed as shown in FIG. It is possible to replace the
（実施例１）
以下、第１の実施形態の具体的な実施例を述べる。図４は、平面光回路PLCを用いた偏光コーディング−位相コーディング間変換装置である。
(Example 1)
Hereinafter, specific examples of the first embodiment will be described. FIG. 4 shows a polarization coding-phase coding converter using a planar optical circuit PLC.
量子情報を担わせる単一光子として、パルス幅が１nsのものを用いることにする。ここでは、理想的な単一光子ではなく、弱いコヒーレント光パルスであってもよい。 As a single photon for carrying quantum information, one having a pulse width of 1 ns is used. Here, instead of an ideal single photon, a weak coherent light pulse may be used.
最初、この光子に偏光コーディングによって情報が符号化されていたとする。この光子を、偏光状態に応じて偏光ビームスプリッタ（PBS）１で２つのパルスに分割し、それぞれを平面光回路PLCの別々の導波路に入力する。ここで、２つの導波路には約５nsの時間に相当する光路差があり、垂直偏波（TM）成分をもつパルスの方が水平偏波（TE）成分をもつパルスより長い光路を通るものとする。その後、これらを再び偏光ビームスプリッタ（PBS）２で同じ光路に重ねることにより、偏光に応じて５nsの時間差をもつ２つのパルスからなる状態を生成することができる。 First, it is assumed that information is encoded in this photon by polarization coding. This photon is divided into two pulses by a polarization beam splitter (PBS) 1 according to the polarization state, and each is input to separate waveguides of the planar optical circuit PLC. Here, there is an optical path difference corresponding to a time of about 5 ns between the two waveguides, and a pulse having a vertically polarized wave (TM) component passes an optical path longer than a pulse having a horizontally polarized wave (TE) component. And After that, these are again superimposed on the same optical path by the polarization beam splitter (PBS) 2 to generate a state composed of two pulses having a time difference of 5 ns according to the polarization.
この後、偏光回転素子として、結晶軸を水平方向に対して45度傾けたポッケルスセル（図示省略）を光路上に配置し、遅いパルスが通過するときのみ、偏光を90度回転させる電圧(λ/2電圧、典型的には５kV)をパルス的に印加する。ここでは、５ns離れた早いパルスに影響を与えずに、１nsのパルス幅をもつ遅いパルスの偏光だけを確実に回転させるために、電圧パルスの幅を３nsに設定する。このような短い電圧パルスを任意のタイミングで与える操作は技術的に十分可能である。 After that, a Pockels cell (not shown) whose crystal axis is tilted by 45 degrees with respect to the horizontal direction is arranged on the optical path as a polarization rotation element, and a voltage (λ) that rotates the polarization by 90 degrees only when a slow pulse passes. / 2 voltage, typically 5 kV). Here, the width of the voltage pulse is set to 3 ns in order to reliably rotate only the polarization of the slow pulse having a pulse width of 1 ns without affecting the fast pulse separated by 5 ns. The operation of applying such a short voltage pulse at an arbitrary timing is sufficiently technically possible.
これにより、元々光子の偏光の自由度に符号化されていた情報は、約５nsの時間差をもつ２分割パルスの相対振幅、相対位相の自由度に転写される。 As a result, information originally encoded with the degree of freedom of polarization of photons is transferred to the degree of freedom of relative amplitude and relative phase of the two-divided pulse having a time difference of about 5 ns.
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態として、偏光コーディングされた量子情報を、位相コーディングを介してファイバーで伝送する量子通信システム（量子通信装置）について説明する。第２の実施形態では、参照パルスを利用することで、偏光保持ファイバー（図２の１５）を用いなくても、既に敷設されている通常のファイバーを用いて偏光状態を伝送することが可能になる。
[Second Embodiment]
As a second embodiment of the present invention, a quantum communication system (quantum communication apparatus) that transmits polarization-coded quantum information with a fiber via phase coding will be described. In the second embodiment, by using a reference pulse, it is possible to transmit a polarization state using a normal fiber already laid without using a polarization maintaining fiber (15 in FIG. 2). Become.
図５に量子通信システムの概略図を示す。最初に送信側装置は、偏光自由度に量子情報が符号化されている単一光子を有しているとする。ここで、第１の実施形態で説明した変換装置、つまり偏光ビームスプリッタ１、２、偏光回転素子３、変調コントローラ１０を有する変換装置により、偏光コーディングされた情報を、時間差のついた２分割パルスからなる位相コーディングの情報へと変換する。偏光自由度に乗っていた情報は偏光回転素子３により消去され、２分割パルスの偏光はこの時点でどちらも水平偏光Hになっているものとする。
FIG. 5 shows a schematic diagram of the quantum communication system. First, it is assumed that the transmission side device has a single photon in which quantum information is encoded in polarization degree of freedom. Here, by the conversion device described in the first embodiment, that is, the conversion device having the
ここで、参照パルス光源４により参照パルスを生成する。この参照パルスの偏光としては、情報が符号化された２分割パルス（以後、信号パルスと呼ぶ）とは直交する、垂直偏光Vをとるものとする。そして、偏光ビームスプリッタ（合流素子）５により、参照パルスを信号パルスと同じ光路に重ねる。ここでは、参照パルスのほうが信号パルスよりも先にファイバーを進むものとし、これらの間の時間差は、参照パルスの散乱などが信号パルスに影響を与えない程度に長くとるものとする。
Here, a reference pulse is generated by the reference
この後、これらの光をファイバーに結合させることにより、参照パルスと位相コーディングされた信号パルスを、ファイバーで伝送する。ファイバーで伝送する際、光の偏光状態は、熱的、機械的な揺らぎにより乱されてしまう。しかし、そのような揺らぎはこれらのパルスの時間間隔に比べると比較的遅いため、参照パルスと信号パルスは、ほぼ共通の偏光回転を受けるものと考えることができる。 Thereafter, the light is coupled to the fiber to transmit the reference pulse and the phase-coded signal pulse through the fiber. When transmitting by fiber, the polarization state of light is disturbed by thermal and mechanical fluctuations. However, since such fluctuations are relatively slow compared to the time interval of these pulses, it can be considered that the reference pulse and the signal pulse are subjected to a substantially common polarization rotation.
受信側装置では、まず分岐素子６を用いて参照パルスのみを光路から取り出し、参照パルス測定装置７により参照パルスの到達時間とその偏光状態について調べる。ここで、参照パルスを取り出す方法としては、例えば時間的なスイッチを用いて参照パルスのみを反射させても良いし、また、参照パルスと信号パルスで異なる波長の光を用い、波長フィルタで参照パルスを取り出しても良い。 In the receiving side device, first, only the reference pulse is taken out from the optical path by using the branch element 6, and the arrival time of the reference pulse and its polarization state are examined by the reference pulse measuring device 7. Here, as a method of taking out the reference pulse, for example, only the reference pulse may be reflected by using a temporal switch, or light having different wavelengths is used for the reference pulse and the signal pulse, and the reference pulse is used by the wavelength filter. May be taken out.
参照パルス測定装置７で偏光情報が得られれば、信号パルスがファイバー中でどのような偏光回転を受けているのかを知ることができる。そこで、その情報を偏波コントローラ８へ送り、信号パルスに対するファイバーの影響を補償することで、信号パルスの偏光を、伝送前と同じ水平偏光Hに戻すことができる。
If the polarization information is obtained by the reference pulse measuring device 7, it is possible to know what polarization rotation the signal pulse is undergoing in the fiber. Therefore, the polarization of the signal pulse can be returned to the same horizontal polarization H as before transmission by sending the information to the
その後、偏光ビームスプリッタ９に信号パルスを通す。この偏光ビームスプリッタ９は、システムにビットエラーが生じるのを防ぐ役割を果たす。
Thereafter, the signal pulse is passed through the
偏光ビームスプリッタ９が無い場合、以下の問題が生じる。仮に、参照パルスと信号パルスの時間差よりも早い偏波擾乱がおこり、それぞれのパルスが異なる偏光回転を受けた場合、信号パルスは偏波コントローラ８で補正した後も、水平偏光Hからずれてしまう。こうなると、もはや正しい偏光状態に戻すことができなくなり、システムにエラーが生じてしまう。
In the absence of the
そこで、偏光ビームスプリッタ９を介在させることで、早い偏波擾乱により信号パルスが水平偏光に戻らなかった場合のイベントを排除することが可能になる。この場合、通信レートは減少するものの、偏光ビームスプリッタ９を透過した後の光子は純粋な水平偏光Hとなっているため、上述のビットエラーを回避することができる。
Therefore, by interposing the
また、偏光ビームスプリッタ９は、分岐素子６で完全に分岐できずに残った参照パルスの成分を排除する役割も果たしている。これにより、参照パルスが信号パルスに及ぼす散乱等の影響を回避できる。
The
最後に、第１の実施形態で説明した変換装置、つまり変調コントローラ１４、偏光回転素子１３、偏光ビームスプリッタ１２、１１を有する変換装置により、位相コーディングとして伝送された情報を偏光コーディング情報へと復元する。ここでは、参照パルス測定装置７で得られたパルスの到達時間の情報を変調コントローラ１４に与え、それを元に偏光回転素子１３で早いほうのパルスのみを水平偏光Hから垂直偏光Vへ偏光回転させている。このような構成にすれば、パルスの送受信のタイミングを合わせるのに送信側と受信側の間で通信を行う必要がないため、同期システムが簡略化される。
Finally, the information transmitted as phase coding is restored to the polarization coding information by the conversion device described in the first embodiment, that is, the conversion device having the
上述の一連の操作により、光子の偏光自由度に符号化された量子情報を、一旦時間自由度に転写してファイバー伝送することで、離れた場所に送信することが可能になる。 Through the above-described series of operations, quantum information encoded in the degree of freedom of polarization of photons can be transmitted to a remote place by temporarily transferring the quantum information in time freedom and transmitting the fiber.
ここでの参照パルスの役割としては、次の２点が挙げられる。 The role of the reference pulse here includes the following two points.
Ａ．ファイバーでの偏光回転の影響を調べる。 A. Examine the effect of polarization rotation on the fiber.
Ｂ．信号パルスの到達時間情報を受信側に与える。 B. The arrival time information of the signal pulse is given to the receiving side.
Ａに関しては、非特許文献２に記載されている偏光コーディングをそのままファイバーで伝送する方法に比べ、以下の利点がある。一つは、信号パルスと参照パルスを、偏光を直交させて伝送できる点である。これにより、参照パルスの散乱によるS/Nの低下を回避することができる。もう一つは、偏光ビームスプリッタ９を配置することで、不完全な偏光補正によるビットエラーを防ぐことができる点である。量子暗号システムにおいて、システムに起因するビットエラーは、盗聴によるエラーと区別することができないため、このようなエラーを抑制できることは非常に好ましい。
As for A, there are the following advantages compared with the method of transmitting the polarization coding described in
また、Ｂに関しては、数十kmから100kmという離れた送信側装置と受信側装置間で正確な同期をとる手間が省けるために、システムが簡略化できるという利点がある。 Further, regarding B, there is an advantage that the system can be simplified because it is possible to omit the trouble of performing accurate synchronization between the transmitting side apparatus and the receiving side apparatus which are several tens to 100 km apart.
（実施例２）
ここでは、本発明の第２の実施形態の実施例として、量子中継への展開が可能な、偏光エンタングルメント状態のファイバー伝送について説明する。量子中継の実現には、光を用いて離れた２つのスピン間にエンタングルメントを生成するといった技術が重要になる。そのための簡単な方法は、偏光エンタングルメントした２光子をファイバーで別々の方向へと伝送して、各光子を伝送先の原子系と相互作用させる、というものである。
(Example 2)
Here, as an example of the second embodiment of the present invention, fiber transmission in a polarization entanglement state that can be expanded to quantum relay will be described. To realize quantum relay, a technique of generating entanglement between two distant spins using light becomes important. A simple way to do this is to transmit two entangled photons in different directions with a fiber and allow each photon to interact with the destination atomic system.
しかし、上述のように、ファイバー中では光子の偏光が大きく乱されてしまうため、偏光エンタングルメントした光子を直接運ぶことは容易ではない。そこで、本発明の量子通信システムを用い、２分割パルスの時間自由度に符号化された量子情報をファイバーで伝送することで、離れた２地点間で偏光エンタングルメント光子対を共有することが可能になる。 However, as described above, since the polarization of photons is greatly disturbed in the fiber, it is not easy to directly carry polarization entangled photons. Therefore, it is possible to share a pair of polarization entanglement photons between two distant points by using the quantum communication system of the present invention and transmitting the quantum information encoded with the time freedom of the two-divided pulse through a fiber. become.
この実施例の概略図を図６に示す。まず、エンタングルメント生成部１００における偏光エンタングルメント光子対生成装置１１０にて、偏光エンタングルメント光子対を生成する。生成された偏光エンタングルメント光子対は例えば、(１／√2)（｜H〉Ap｜H〉Bp＋｜V〉Ap｜V〉Bp）のように表すことができる。そして、エンタングルメントした２つの光子を、本発明の送信側装置１２０Ａ、１２０Ｂにより、ファイバーでそれぞれ別々の方向へ伝送する。送信側装置を通した偏光エンタングルメント状態は、例えば(１／√2)（｜S〉A1｜S〉B1＋｜L〉A1｜L〉B1）で表すことができる。これにより離れた２地点間に、偏光エンタングルメント状態を伝送することができる。なお、図５で説明したように、送信側装置１２０Ａは、偏光ビームスプリッタ１Ａ、２Ａ、変調コントローラ（図示省略）で制御される偏光回転素子３Ａからなる変換装置Ａ１と、参照パルス光源４Ａ、及び偏光ビームスプリッタ５Ａとで構成される。送信側装置１２０Ｂも同様である。
A schematic diagram of this embodiment is shown in FIG. First, a polarization entanglement photon pair generation device 110 in the
この後、例えばそれぞれの光子を伝送先の原子系に吸収させるといったプロセスにより、量子中継に必要な要素技術である、離れたスピン間でのエンタングルメント生成を実現することができる。 Thereafter, for example, entanglement generation between distant spins, which is an elemental technology necessary for quantum relay, can be realized by a process of absorbing each photon in the atomic system of the transmission destination.
実際には、離れたスピン間でエンタングルメントを生成する方法として、これ以外にも様々なものが考えられている。例えば、非特許文献６で報告されている、トラップイオンの発光によって生じる電子スピンと偏光の間のエンタングルメントを用いることも可能であり、本発明による量子通信システムは、このような技術に対しても適用可能である。 Actually, various other methods are considered as methods for generating entanglement between distant spins. For example, it is also possible to use entanglement between electron spin and polarization generated by light emission of trap ions, which is reported in Non-Patent Document 6, and the quantum communication system according to the present invention is compatible with such technology. Is also applicable.
本発明の量子通信システムを広く用いれば、位相コーディングされた状態でファイバー伝送し、偏光状態でスピンと相互作用させるといった、偏光コーディングと位相コーディングのそれぞれの強みを最大限に生かすことができるため、このような技術を用いた量子中継の実現が期待される。 If the quantum communication system of the present invention is widely used, each of the strengths of polarization coding and phase coding, such as fiber transmission in a phase-coded state and interaction with a spin in a polarization state, can be maximized. Realization of quantum relay using such technology is expected.
なお、受信側装置１３０Ａ、１３０Ｂは、受信側装置１３０Ａについて言えば、図５で説明したように、分岐素子６Ａ、参照パルス測定装置７Ａ、偏波コントローラ８Ａ、偏光ビームスプリッタ９Ａに加えて、変調コントローラ（図示せず）、偏光回転素子１３Ａ、偏光ビームスプリッタ１２Ａ、１１Ａからなる変換装置Ａ２により、位相コーディングとして伝送された情報を偏光コーディング情報へと復元する。受信側装置１３０Ｂも同様である。
As for the receiving
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態として、偏光エンタングルメントを利用した量子鍵配布への応用について説明する。図７に、偏光エンタングルメント光子対発生装置を用いた量子暗号システムを示す。なお、ここで説明する乱数列の生成法は、非特許文献１に記載のある、時間自由度でのエンタングルメントを利用した方法に基づいている。
[Third Embodiment]
Next, as a third embodiment of the present invention, an application to quantum key distribution using polarization entanglement will be described. FIG. 7 shows a quantum cryptography system using a polarization entanglement photon pair generator. Note that the random number sequence generation method described here is based on the method described in
図７の量子暗号システムは、大きく分けると、偏光が量子力学的に相関した２つ以上の光子、ここではエンタングルメント光子対を生成するエンタングルメント生成部２００と、お互いに暗号鍵を共有したいAlice側ステーションとBob側ステーション（以降では、それぞれAlice側、Bob側と略称する）の３つから構成されている。これらの間はファイバーによって接続されている。
The quantum cryptography system of FIG. 7 can be broadly divided into an
光源としては、エンタングルメント生成部２００が有する偏光エンタングルメント光子対発生装置２１０を用いる。ここでいう偏光エンタングルメント光子対発生装置２１０とは、偏光自由度の間に量子力学的な相関が存在する２光子を生成する装置のことである。
As the light source, a polarization entanglement photon
偏光エンタングルメントの発生源としてはいろいろなものが開発されているが、例えば非特許文献５において報告されているような、量子ドット中の励起子分子の発光による偏光エンタングルメントを用いることができる。このようなエンタングルメント発生源では、外部から励起パルスを入射することにより、任意のタイミングでお互いに偏光相関のある２つの光子を発生することができる。
Various sources of polarized entanglement have been developed. For example, polarized entanglement by emission of excitonic molecules in quantum dots as reported in
生成されたエンタングルメント光子対は例えば、(１／√2)（｜H〉Ap｜H〉Bp＋｜V〉Ap｜V〉Bp）のように表すことができる。ここで、添え字のAp,Bpは、それぞれ光子Ａと光子Ｂの偏光自由度であることを示している。従って、このような光子対においては、光子Ａが水平偏光Hであれば光子Ｂも水平偏光Hであり、光子Ａが垂直偏光Vであれば光子Ｂも垂直偏光Vである、という相関ができている。 The generated entanglement photon pair can be expressed as, for example, (1 / √2) (| H> Ap | H> Bp + | V> Ap | V> Bp ). Here, the subscripts Ap and Bp indicate the degree of freedom of polarization of photon A and photon B, respectively. Therefore, in such a photon pair, if photon A is horizontal polarization H, photon B is also horizontal polarization H, and if photon A is vertical polarization V, photon B is also vertical polarization V. ing.
このような光子対を、本例ではそれぞれ図７中でＡ１、Ｂ１として示している第１の実施形態で示した２つの変換装置に通すことで、上記偏光自由度でのエンタングルメント状態は、次のような時間自由度におけるエンタングルメント状態へと変換される。 By passing such a photon pair through the two conversion devices shown in the first embodiment, which are shown as A1 and B1 in FIG. 7 in this example, respectively, the entanglement state in the polarization degree of freedom is It is converted to the entanglement state in the following time degree of freedom.
(１／√2)（｜S〉A1｜S〉B1＋｜L〉A1｜L〉B1）
ここで添え字A1,B1は、それぞれの光子が変換装置Ａ１、Ｂ１において短い光路を通るか長い光路を通るか（早いパルスか遅いパルスか）、の時間自由度であることを示している。このような光子対においては、光子Ａが早いパルスであれば光子Ｂも早いパルスであり、光子Ａが遅いパルスであれば光子Ｂも遅いパルスである、という相関ができている。
(1 / √2) (| S> A1 | S> B1 + | L> A1 | L> B1 )
Here, the subscripts A1 and B1 indicate that each photon has a degree of freedom in time of whether it passes through a short optical path or a long optical path (early pulse or late pulse) in the conversion devices A1 and B1. In such a photon pair, there is a correlation that if the photon A is an early pulse, the photon B is an early pulse, and if the photon A is a late pulse, the photon B is also a late pulse.
次に、エンタングルメント生成部２００において生成された、お互いに時間的な相関を持つ光子Ａと光子Ｂを、それぞれAlice側、Bob側へとファイバーにより伝送する。そして、Alice、Bobそれぞれの側で、非対称マッハツェンダー干渉計Ａ２、Ｂ２と２つの検出器（APD0、APD1）を用いて、光子の検出を行う。このような非対称マッハツェンダー干渉計と２つの検出器（APD0、APD1）の組み合わせは、位相コーディングされた情報を解析する測定手段として、量子暗号システムにおいて広く用いられている。
Next, the photon A and the photon B generated in the
ここで、Alice側の非対称マッハツェンダー干渉計Ａ２における長い光路と短い光路の光路差は、変換装置Ａ１においてつくられる光路差とほぼ等しく（より正確には、光子のコヒーレンス時間以内の精度で）なるように設計されている。同様に、Bob側の非対称マッハツェンダー干渉計Ｂ２における光路差は変換装置Ｂ１の光路差とほぼ等しくなっている。 Here, the optical path difference between the long optical path and the short optical path in the asymmetric Mach-Zehnder interferometer A2 on the Alice side is substantially equal to the optical path difference created in the conversion device A1 (more precisely, with accuracy within the photon coherence time). Designed to be Similarly, the optical path difference in the Bob-side asymmetric Mach-Zehnder interferometer B2 is substantially equal to the optical path difference of the conversion device B1.
また、量子暗号システムとして動作するためには、これらの干渉計の相対位相がロックされている必要がある。この目的には、例えば光路長の変化が小さく、安定な動作が期待できる、図４で説明した平面光回路(PLC)による干渉計を用いることができる。 In order to operate as a quantum cryptosystem, the relative phases of these interferometers need to be locked. For this purpose, for example, the interferometer using the planar optical circuit (PLC) described with reference to FIG. 4 can be used.
Alice側、Bob側に伝送された光子は、検出器において、３通りの時間スロットで検出される可能性がある。図７の下部に、Alice側、Bob側がそれぞれ有する２つの検出器のどちらかで光子が検出される可能性を表すグラフを、時間を横軸にして示している。 Photons transmitted to the Alice side and Bob side may be detected by the detector in three time slots. In the lower part of FIG. 7, a graph showing the possibility that a photon is detected by one of the two detectors on the Alice side and Bob side is shown with time as the horizontal axis.
Alice側の検出器の光子検出時間を例にとって説明する。３つのうちの一番左側の時間スロット、すなわち、最も早い時間に光子が検出される場合、これは、変換装置Ａ１および非対称マッハツェンダー干渉計Ａ２において、ともに短いパスSを光子が通っている状況に対応する。このような事象を今後｜S〉A1｜S〉A2で記述する。同様に、一番右側のスロット、すなわち最も遅い時間に光子が検出される場合は、変換装置Ａ１、非対称マッハツェンダー干渉計Ａ２ともに長いパスLを通っている状況に対応する。これは、|L>A1|L>A2によって表現される。真ん中のスロットで光子が検出された場合、変換装置Ａ１で短いパス、非対称マッハツェンダー干渉計Ａ２で長いパスを通る|S>A1|L>A2という状況と、変換装置Ａ１で長いパス、非対称マッハツェンダー干渉計Ａ２で短いパスを通る|L>A1|S>A2という状況の２通りが考えられる。 An explanation will be given by taking the photon detection time of the detector on the Alice side as an example. If a photon is detected in the leftmost time slot of the three, that is, the earliest time, this is a situation where the photon passes through a short path S in both the conversion device A1 and the asymmetric Mach-Zehnder interferometer A2. Corresponding to Such an event will be described as | S> A1 | S> A2 . Similarly, when a photon is detected at the rightmost slot, that is, at the latest time, this corresponds to a situation where both the conversion device A1 and the asymmetric Mach-Zehnder interferometer A2 are passing through a long path L. This is represented by | L> A1 | L> A2 . When a photon is detected in the middle slot, a situation where | S> A1 | L> A2 passes through a short path in the converter A1 and a long path in the asymmetric Mach-Zehnder interferometer A2, and a long path and asymmetric Mach in the converter A1. There are two possible situations where the Zender interferometer A2 passes a short path: | L> A1 | S> A2 .
Bob側の検出器の光子検出時間に関しても、上記と同様の説明が可能である。 The same explanation as above can be made for the photon detection time of the detector on the Bob side.
このようなシステムを用いて、暗号通信に必要な乱数列がどのように共有されるのかを以下で説明する。まず、Alice側とBob側は、３つの時間スロットのうち、真ん中の時間スロットで光子が検出されたか、それともそれ以外の（早い、または遅い）時間スロットで検出されたか、という情報をお互いに教え合う。ここで、後者の場合、早い時間スロットか遅いスロットか、という情報は教えない点に注意する必要がある。 How such a system is used to share a random number sequence necessary for encrypted communication will be described below. First, the Alice side and the Bob side tell each other information about whether a photon was detected in the middle time slot or the other (early or late) time slot among the three time slots. Fit. Here, it should be noted that in the latter case, information about whether the slot is an early time slot or a late slot is not taught.
仮に、Alice側、Bob側ともに真ん中の時間スロットで光子が検出された場合（これは全事象の４分の１の確率で起こりえる）、上で説明したように、Alice側の場合|S>A1|L>A2、|L>A1|S>A2の２通りが考えられ、Bob側の場合も|S>B1|L>B2、|L>B1|S>B2の２通りが起こりえる。しかし、既に説明したように、Alice側の光子とBob側の光子の間には、(１／√2)（｜S〉A1｜S〉B1＋｜L〉A1｜L〉B1）という量子相関が存在しているため、Alice側で|S>A1|L>A2というパスを通ればBob側では必ず|S>B1|L>B2を通っており、Alice側で|L>A1|S>A2というパスを通ればBob側は必ず|L>B1|S>B2になっている。 If a photon is detected in the middle time slot on both Alice and Bob sides (this can happen with a quarter of all events), as explained above, on the Alice side | S> There are two possible ways: A1 | L> A2 and | L> A1 | S> A2. Even on the Bob side, there are two possible ways: | S> B1 | L> B2 and | L> B1 | S> B2 . However, as already explained, there is a quantum correlation (1 / √2) (| S> A1 | S> B1 + | L> A1 | L> B1 ) between the photons on the Alice side and the Bob side. Therefore, if you take the path | S> A1 | L> A2 on the Alice side, it will always pass | S> B1 | L> B2 on the Bob side, and | L> A1 | S> on the Alice side. If you go through the path A2, Bob will always have | L> B1 | S> B2 .
この仕組みを利用すれば、変換装置Ａ１、Ｂ１、非対称マッハツェンダー干渉計Ａ２、Ｂ２における光路差を適切に調整することで、光子を検出する検出器の位置に関する相関を生成することができる。すなわち、Alice側において検出器APD0で光子が検出されればBob側でも検出器APD0で光子が検出され、Alice側において検出器APD1で光子が検出されればBob側でも検出器APD1で光子が検出される。このようにして、光子を検出する位置(0,1)の情報から、共通の乱数列を作り出すことが可能になる。 By using this mechanism, it is possible to generate a correlation related to the position of the detector that detects the photons by appropriately adjusting the optical path difference in the conversion devices A1 and B1 and the asymmetric Mach-Zehnder interferometers A2 and B2. That is, if a photon is detected by the detector APD0 on the Alice side, a photon is also detected by the detector APD0 on the Bob side. If a photon is detected by the detector APD1 on the Alice side, a photon is detected by the detector APD1 on the Bob side. Is done. In this way, a common random number sequence can be created from the information of the position (0, 1) where the photon is detected.
次に、Alice側、Bob側ともに真ん中以外の時間スロットで光子が検出された場合（これも全事象の４分の１の確率で起こる）を考える。このとき、Alice側では|S>A1|S>A2又は|L>A1|L>A2、Bob側では|S>B1|S>B2又は|L>B1|L>B2というそれぞれ２通りの状況が考えられる。このとき、やはりAlice側の光子とBob側の光子の量子相関から、Alice側で|S>A1|S>A2であればBob側では|S>B1|S>B2で、Alice側で|L>A1|L>A2ならBob側では|L>B1|L>B2である、という相関が生じる。そこで、光子を検出する時間が早いか遅いかという情報から、この場合も共通の乱数列を作り出すことが可能になる。 Next, consider a case where a photon is detected in a time slot other than the center on both the Alice side and Bob side (this also occurs with a probability of one quarter of all events). At this time, there are two situations: | S> A1 | S> A2 or | L> A1 | L> A2 on the Alice side, and | S> B1 | S> B2 or | L> B1 | L> B2 on the Bob side. Can be considered. At this time, from the quantum correlation between the photons on the Alice side and the photons on the Bob side, if | S> A1 | S> A2 on the Alice side, then | S> B1 | S> B2 on the Bob side and | L on the Alice side If> A1 | L> A2, then Bob has a correlation of | L> B1 | L> B2 . Therefore, it is possible to create a common random number sequence from information on whether photon detection time is early or late.
これ以外の時間スロットの組み合わせでは、相関を作り出すことはできない。従って、この方法では、２分の１の確率で暗号鍵の生成が可能になる。 No other time slot combination can create a correlation. Therefore, in this method, the encryption key can be generated with a probability of half.
なお、図７に示されるように、Alice側とBob側は通常の通信路、例えば盗聴されてもかまわない通常の通信伝送路で結ばれ、光子検出情報（検出位置、検出時間）の確認に用いられるが、これを上記のファイバー伝送路、つまり盗聴に対して安全な伝送路で兼用するようにしても良い。 As shown in FIG. 7, the Alice side and Bob side are connected by a normal communication path, for example, a normal communication transmission path that may be wiretapped, to confirm photon detection information (detection position, detection time). Although used, this may also be used as the above-described fiber transmission line, that is, a transmission line that is safe against eavesdropping.
本発明の量子暗号システムの利点として、これまでに開発されている様々な偏光エンタングルメント光源を活用できる点が挙げられる。 An advantage of the quantum cryptography system of the present invention is that various polarization entanglement light sources developed so far can be used.
従来の、例えば非特許文献１に記載されているエンタングルメント光子対を用いた量子暗号システムでは、非線形結晶に励起パルスを入射することで２光子を発生させるSPDC(パラメトリック下方変換)過程が用いられてきた。しかし、SPDCの場合、生成される１パルスあたりの光子数分布（光子統計）は、励起パルスと同じポアソン分布に従うため、１回の励起で４光子、６光子といった多数の光子が生成されてしまう確率を０にすることができなかった。
In a conventional quantum cryptography system using an entanglement photon pair described in, for example,
このような不完全な光源を用いて安全性を確保するためには、１パルスあたりの平均光子数が１以下（典型的には0.1個）になるまで光を弱めなければならず、そのために、通信速度が下がってしまうという問題があった。 In order to ensure safety by using such an incomplete light source, the light must be attenuated until the average number of photons per pulse is 1 or less (typically 0.1). There was a problem that the communication speed dropped.
その一方、例えば近年開発された、非特許文献５に記載のある単一量子ドットからの偏光エンタングルメント光源の場合、理想的な２光子の生成が可能である。
On the other hand, for example, in the case of a polarized entanglement light source from a single quantum dot described in
図８を参照して、量子ドットからの偏光エンタングルメント光子対の発生法について説明する。最初に、量子ドット中に励起子が２つある状態（励起子分子状態）を生成する。次に、これらの励起子が順番に（カスケード的に）発光再結合することにより２光子が生成されるが、このとき、上向き励起子スピンが先に再結合するか下向き励起子スピンが先に再結合するかによって、図８のように、２光子の偏光状態が異なる２通りの発光経路が考えられる。この２つの発光経路のうち、どちらが実際に起こったか見分けが付かないとき、２つの光子の間には偏光エンタングルメントが生成される。 With reference to FIG. 8, the generation method of the polarization entanglement photon pair from a quantum dot is demonstrated. First, a state in which there are two excitons in the quantum dot (exciton molecular state) is generated. Next, these excitons recombine in order (cascading) to generate two photons. At this time, the upward exciton spins recombine first or the downward exciton spins first. Depending on whether they are recombined, as shown in FIG. 8, there are two possible light emission paths in which the polarization states of the two photons are different. When it is not possible to tell which of the two emission paths actually occurred, a polarization entanglement is generated between the two photons.
このようなエンタングルメント光源では、量子ドット中にできうる励起子の数が決まっているために、光子統計がポアソン分布とは異なり、理想的な２光子を生成することが可能である。 In such an entanglement light source, since the number of excitons that can be formed in a quantum dot is determined, the photon statistics are different from the Poisson distribution, and it is possible to generate an ideal two-photon.
さらに、このような光源では、フォトニック結晶中の点欠陥のような共振器と組み合わせることにより、発光線幅やパルス幅を、用途に応じて最適化することが可能になる。 Furthermore, in such a light source, by combining with a resonator such as a point defect in a photonic crystal, the emission line width and pulse width can be optimized according to the application.
このような理想的な光子対源を用いることにより、従来よりも安全性、通信速度の高い量子暗号システムの構築が期待される。 By using such an ideal photon pair source, it is expected to construct a quantum cryptosystem with higher security and higher communication speed than before.
１、２、５、９、１１、１２ 偏光ビームスプリッタ
３、１３ 偏光回転素子
４、１４ 参照パルス光源
６ 分岐素子
７ 参照パルス測定装置
８ 偏波コントローラ
１０、１４ 変調コントローラ
1, 2, 5, 9, 11, 12
Claims (11)
偏光に応じて光パルス信号の間に一定の時間差を作り出す時間差生成手段と、光パルス信号の偏光を回転させる偏光変調器と、時間差のついた２つの光パルス信号のうちの片方のみを偏光回転させるように前記偏光変調器を制御する変調コントローラとからなり、ある偏光情報を持つ光パルス信号に対し、最初に前記時間差生成手段により偏光に応じて該光パルス信号を時間差のついた２つの光パルス信号に分離し、その後、前記変調コントローラによって制御された前記偏光変調器により、前記時間差のついた２つの光パルス信号のうちの片方の光パルス信号のみを選択的に偏光回転させることを特徴とする偏光−時間変換装置。 A polarization-time conversion device that converts polarization information into time information in quantum information communication,
Time difference generating means for creating a certain time difference between optical pulse signals according to polarization, polarization modulator for rotating the polarization of the optical pulse signal, and polarization rotation of only one of the two optical pulse signals with time difference A modulation controller for controlling the polarization modulator so that the optical pulse signal having certain polarization information is first converted into two light pulses having a time difference according to the polarization by the time difference generating means. After separating into pulse signals, the polarization modulator controlled by the modulation controller then selectively rotates only one of the two optical pulse signals with the time difference. A polarization-time converter.
光パルス信号の偏光を回転させる偏光変調器と、時間差のついた２つの光パルス信号のうちの片方のみを偏光回転させるように前記偏光変調器を制御する変調コントローラと、偏光に応じて光パルス信号の間に一定の時間差を作り出す時間差生成手段とからなり、前記時間差のついた２つの光パルス信号に対し、最初に、前記変調コントローラによって制御された前記偏光変調器により、前記時間差のついた２つの光パルス信号のうちの片方の光パルス信号のみを選択的に偏光回転させ、その後、前記時間差生成手段により偏光の異なる２つの光パルス信号を１つに重ねることを特徴とする時間−偏光変換装置。 A time-polarization conversion device that converts time information to polarization information in quantum information communication,
A polarization modulator that rotates the polarization of the optical pulse signal, a modulation controller that controls the polarization modulator to rotate only one of the two optical pulse signals with a time difference, and an optical pulse according to the polarization A time difference generating means for generating a constant time difference between the signals. The two time-difference optical pulse signals are first subjected to the time difference by the polarization modulator controlled by the modulation controller. Time-polarized light characterized in that only one of the two optical pulse signals is selectively rotated and then the two optical pulse signals having different polarizations are superimposed on each other by the time difference generating means. Conversion device.
送信側装置と、受信側装置と、前記送信側装置から前記受信側装置へ光子を伝送する光伝送路とからなり、
前記送信側装置は、偏光情報から時間情報への変換を行う請求項１に記載の偏光−時間変換装置と、参照パルス光源と、該参照パルス光源からの参照パルスを前記偏光−時間変換装置からの光パルス信号と同じ光路に重ねる合流素子とからなり、
前記受信側装置は、受信した信号から前記参照パルスを取り出す分岐素子と、取り出した参照パルスの状態を解析する参照パルス測定装置と、その測定結果により光パルス信号の偏光状態を変換する偏光制御装置と、時間情報から偏光情報への変換を行う請求項４に記載の時間−偏光変換装置とからなることを特徴とする量子通信システム。 A quantum communication system for transmitting quantum information encoded in polarization degrees of freedom through a fiber,
A transmission side device, a reception side device, and an optical transmission path for transmitting photons from the transmission side device to the reception side device;
The said transmission side apparatus converts the polarization information into the time information from the polarization-time conversion apparatus according to claim 1, a reference pulse light source, and a reference pulse from the reference pulse light source from the polarization-time conversion apparatus. And a confluence element that overlaps the same optical path as the optical pulse signal of
The receiving side device includes a branch element that extracts the reference pulse from the received signal, a reference pulse measuring device that analyzes a state of the extracted reference pulse, and a polarization control device that converts a polarization state of the optical pulse signal based on the measurement result And a time-polarization conversion device according to claim 4 that performs conversion from time information to polarization information.
エンタングルメント生成部と、暗号鍵を共有したい２つのステーションと、それらをつなぐ伝送路とから構成されており、
前記エンタングルメント生成部は、偏光が量子力学的に相関した２つ以上の光子を発生する偏光エンタングルメント光子対発生装置と、発生された光子を受け偏光自由度から到達時間自由度に情報を転写するための２組以上の請求項１に記載の偏光−時間変換装置とからなり、
前記２つのステーションは、それぞれ、光子の位相状態を調べる非対称マッハツェンダー干渉計と、２つの光子検出器とからなることを特徴とする量子暗号システム。 A quantum cryptography system for generating an encryption key between two parties by quantum communication,
It consists of an entanglement generator, two stations that want to share an encryption key, and a transmission path that connects them.
The entanglement generator generates a polarization entanglement photon pair generator that generates two or more photons whose polarizations are quantum-mechanically correlated, and receives the generated photons to transfer information from the polarization degree of freedom to the arrival time degree of freedom. Two or more sets of the polarization-time conversion device according to claim 1,
Each of the two stations comprises an asymmetric Mach-Zehnder interferometer for examining a phase state of a photon and two photon detectors.
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