JP3999752B2 - Entangled photon pair generating apparatus and method - Google Patents
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Description
本発明は、エンタングル光子対発生装置及びその方法に関し、より詳細には、量子暗号通信における量子暗号鍵伝送技術に係るもので、量子相関を有する光子対を発生するエンタングル光子対発生装置及びその方法に関し、特に、偏波状態の相関を有するエンタングル光子対を発生するエンタングル光子対発生装置及びその方法に関する。 The present invention relates to an entangled photon pair generating apparatus and method, and more particularly to a quantum cryptographic key transmission technique in quantum cryptographic communication, and an entangled photon pair generating apparatus and method for generating a photon pair having a quantum correlation. In particular, the present invention relates to an entangled photon pair generating apparatus and method for generating an entangled photon pair having a correlation between polarization states.
近年、量子力学的相関を有する光子対を利用する新しいタイプの情報通信システムが提案されている。より具体的には、量子相関を利用した量子暗号鍵配送や量子テレポーテーションなどが挙げられる。量子暗号鍵配送とは、離れた地点にいる2者に暗号通信を行うための暗号鍵を供給する暗号通信システムで、暗号鍵の安全性が量子力学の原理により保証された究極的に安全な暗号通信システムである。 In recent years, a new type of information communication system using photon pairs having a quantum mechanical correlation has been proposed. More specifically, quantum key distribution using quantum correlation, quantum teleportation, and the like can be given. Quantum cryptographic key distribution is a cryptographic communication system that supplies cryptographic keys for performing cryptographic communications to two remote parties. Ultimately secure cryptographic keys are guaranteed by the principles of quantum mechanics. It is a cryptographic communication system.
量子暗号鍵配送にも各種方式があるが、量子相関を利用するものが最も長距離伝送に適している。量子テレポーテーションとは、量子状態を転送するシステムで、量子コンピューターなどの量子情報処理装置間の信号転送に利用される。これら量子情報通信システムにおいて用いられる量子相関のある光子対は、量子エンタングル光子対または単にエンタングル光子対と呼ばれている。量子相関といっても様々な物理量についての相関が考えられ、それに応じて様々な種類のエンタングル光子対が存在する。以下、本発明に即して、偏波状態についてのエンタングル光子対について説明する。
一般に、単一の光子の偏光状態は、横直線偏光状態と縦直線偏光状態の重ね合わせとして|Ψ>=α|H>+β|V>と表わされる。ここで、|H>は、光子が横直線偏波である状態、|V>は、光子が縦直線偏波である状態をそれぞれ表わしている。α、βは、各状態の重み付け係数で、|α|2、|β|2はそれぞれ、光子横偏波か縦偏波かを判定する系で測定した時に、結果が横または縦となる確率を表わしている。具体的には、古典的な光電場を横直線振動成分と縦直線振動成分に分解して表示したときの係数をそのまま用いる。例えば、右回り円偏波光子は
There are various methods for quantum key distribution, but those using quantum correlation are most suitable for long-distance transmission. Quantum teleportation is a system that transfers quantum states and is used for signal transfer between quantum information processing devices such as quantum computers. A photon pair having a quantum correlation used in these quantum information communication systems is called a quantum entangled photon pair or simply an entangled photon pair. Quantum correlation can be considered for various physical quantities, and various types of entangled photon pairs exist accordingly. The entangled photon pair for the polarization state will be described below in accordance with the present invention.
In general, the polarization state of a single photon is expressed as | Ψ> = α | H> + β | V> as a superposition of a horizontal linear polarization state and a vertical linear polarization state. Here, | H> represents a state where the photon is a horizontal linear polarization, and | V> represents a state where the photon is a vertical linear polarization. α and β are weighting coefficients for each state, and | α | 2 and | β | 2 are the probabilities that the result will be horizontal or vertical when measured by a system that determines whether the photon is laterally polarized or longitudinally polarized. Represents. Specifically, the coefficient when a classical photoelectric field is displayed after being decomposed into a horizontal linear vibration component and a vertical linear vibration component is used as it is. For example, a clockwise circularly polarized photon is
また、左回り円偏波光子は The counterclockwise circularly polarized photon is
と表わされる。 It is expressed as
以上は、1光子についての説明であるが、これを2光子状態に拡張すると、量子エンタングル光子対について説明することができる。いま、2つの光子を同時に発生する光源があったとする。この2光子をまとめて1つの量子状態とみなし、この光源からは、 The above is a description of one photon, but when this is expanded to a two-photon state, a quantum entangled photon pair can be described. Suppose that there is a light source that simultaneously generates two photons. The two photons are collectively considered as one quantum state, and from this light source,
と表わされる状態が出力されるものとする。ここで、2つの光子を識別するために、添え字a、bを用いた。式(2)は、この2光子に対して横直線偏光状態か縦偏光状態かを判別する測定を行うと、50%の確率で|H>a|H>bまたは|V>a|V>bという状態が観測されることを意味している。ここで、|H>a|H>bは、光子aが横偏波かつ光子bが横偏波という状態を表わし、|V>a|V>bは、光子aが縦偏波かつ光子bが縦偏波という状態をそれぞれ表わしている。 Is output. Here, subscripts a and b are used to identify two photons. When the two-photon measurement is performed to determine whether the two-photon is in a horizontal linear polarization state or a longitudinal polarization state, | H> a | H> b or | V> a | V> It means that the state b is observed. Here, | H> a | H> b represents a state in which photon a is horizontally polarized and photon b is horizontally polarized, and | V> a | V> b is photon a is vertically polarized and photon b. Represents the state of longitudinal polarization.
このことは、例えば、発生した2光子を離れた2者(アリスとボブという)にそれぞれ送り、両者がそれぞれの光子に対して測定を行ったとする。アリスが横偏光|H>という測定結果を得れば、それと対になる光子についてボブが得る測定結果は、必ず横偏光|H>となり、また、アリスが縦偏光|V>という測定結果を得ると、対になる光子についてボブが得る測定結果は必ず縦偏光|V>となることを意味している。このような相関を有する2つの光子を量子エンタングル光子対という。上述した例の場合は、偏波状態についての相関なので、特に偏波エンタングル光子対ともいう。 For example, it is assumed that the generated two photons are sent to two persons (referred to as Alice and Bob), and both perform measurements on the respective photons. If Alice obtains the measurement result of horizontal polarization | H>, the measurement result that Bob obtains for the photon that is paired with it is always horizontal polarization | H>, and Alice obtains the measurement result of vertical polarization | V>. This means that the measurement result Bob obtains for the paired photons is always vertically polarized light | V>. Two photons having such a correlation are called a quantum entangled photon pair. In the case of the above-mentioned example, since it is a correlation about a polarization state, it is also called a polarization entangled photon pair.
量子エンタングルの特徴は、測定系を変えても相関関係が成り立っているところにある。上述した説明では、2光子に対して横直線偏光状態か縦偏光状態かを判別する測定を行うものとしたが、右回り円偏波状態か左回り円偏波状態かを判別する測定を行っても同様の相関が得られる。その事情をみるために、上述した式(1a),(1b)を使って式(2)を書き直すと、 The feature of quantum entanglement is that the correlation is established even if the measurement system is changed. In the above description, the measurement is performed to determine whether the two-photon is in the horizontal linear polarization state or the vertical polarization state. However, the measurement is performed to determine whether it is a clockwise circular polarization state or a counterclockwise circular polarization state. However, the same correlation can be obtained. In order to see the situation, rewriting equation (2) using equations (1a) and (1b) described above,
となる。この式(3)は、2光子に対して右回り円偏波状態か左回り円偏波状態かを判別する測定を行うと、一方が右回りであれば他方は左回り、一方が左回りであれば他方は右回りすることを意味しており、相関関係が円偏波測定においても成り立っていることを表わしている。ここでは詳しく述べないが、このような性質を巧みに利用すると、究極的に安全な量子暗号システムや量子テレポーテーションを実施することができる。 It becomes. When this equation (3) is used to determine whether two-photons are clockwise or counterclockwise circularly polarized, if one is clockwise, the other is counterclockwise and the other is counterclockwise. If this is the case, the other means clockwise rotation, indicating that the correlation holds even in circular polarization measurement. Although not described in detail here, if such a property is skillfully used, an ultimately secure quantum cryptography system or quantum teleportation can be implemented.
上述した偏波エンタングル光子対を発生する手段としては、2次の光非線形効果を利用する方法が知られている(例えば、非特許文献1参照)。2次の非線形光学結晶には、波長λpのポンプ光が入力されると、1/λp=1/λs+1/λiの関係を満たす波長λsのシグナル光子と波長λiのアンドラー光子を同時に発生する性質がある。この現象はパラメトリック・ダウン・コンバージョンとして知られている。 As means for generating the above-described polarization entangled photon pair, a method using a second-order optical nonlinear effect is known (for example, see Non-Patent Document 1). When pump light of wavelength λ p is input to the second-order nonlinear optical crystal, a signal photon of wavelength λ s and an Andler of wavelength λ i satisfying the relationship 1 / λ p = 1 / λ s + 1 / λ i It has the property of generating photons simultaneously. This phenomenon is known as parametric down conversion.
さらにこの時、ある種の結晶においては、結晶軸の向きを適当に設定すると、直線偏波のポンプ光入力に対して、シグナル光子、アイドラー光子ともに同じ直線偏波として発生させることができる。シグナル光子とアイドラー光子は、必ず対で発生するので、この発生状態は、|φ>=|H>s|H>i(または|V>s|V>i)と記述される。ここで、添え字s、iはそれぞれシグナル光子、アイドラー光子を表わしている。 Further, at this time, in a certain type of crystal, if the direction of the crystal axis is set appropriately, the signal photon and the idler photon can be generated as the same linear polarization with respect to the linearly polarized pump light input. Since the signal photon and the idler photon are always generated in pairs, this generation state is described as | φ> = | H> s | H> i (or | V> s | V> i ). Here, the subscripts s and i represent a signal photon and an idler photon, respectively.
パラメトリック・ダウン・コンバージョン現象により偏波エンタングル光子対を得るためには、ある特定の軸方向の直線偏波ポンプ光入力に対しては、ポンプ光と同一偏波のシグナル光子とアイドラー光子とを発生し、それと直交するポンプ光の入力に対しては、何も発生しないような非線形結晶を2つ用意する。 In order to obtain a polarization entangled photon pair by parametric down conversion phenomenon, a signal photon and idler photon of the same polarization as the pump light are generated for a linearly polarized pump light input in a specific axial direction. Two non-linear crystals that do not generate anything are prepared for the input of pump light orthogonal thereto.
図1は、従来のエンタングル光子対発生方法を説明するための図で、2つの非線形結晶1a,1bを、結晶軸を互いに90°傾けて直列に配置する。第1の非線形結晶1aは、0°方向の直線偏波ポンプ光の入力に対しては、それと同一偏波のシグナル光子とアイドラー光子とを発生し、それと直交するポンプ光の入力に対しては何も発生しないように配置されているものとする。すると、第2の非線形結晶1bにおいては、その結晶軸が第1の非線形結晶1aとは90°ずれているため、90°方向の直線偏波ポンプ光の入力に対しては、それと同一偏波のシグナル光子とアイドラー光子とを発生することになる。この直列構成に対して、45°傾いた直線偏波のポンプ光を入力する。 FIG. 1 is a diagram for explaining a conventional method for generating an entangled photon pair, in which two nonlinear crystals 1a and 1b are arranged in series with their crystal axes inclined by 90 °. The first nonlinear crystal 1a generates a signal photon and an idler photon having the same polarization with respect to an input of linearly polarized pump light in the direction of 0 °, and an input of pump light orthogonal thereto. Assume that nothing is arranged. Then, since the crystal axis of the second nonlinear crystal 1b is shifted by 90 ° from that of the first nonlinear crystal 1a, the same polarization is applied to the input of the linearly polarized pump light in the 90 ° direction. Signal photons and idler photons. The linearly polarized pump light inclined by 45 ° is input to this series configuration.
このようなポンプ光は、垂直偏波成分と水平偏波成分に分けて考えることができ、第1の非線形結晶1aでは、垂直ポンプ光成分から垂直偏波のシグナル光子とアイドラー光子とが発生し、第2の非線形結晶1bでは、水平ポンプ光成分から水平成分のシグナル光子とアイドラー光子とがそれぞれ発生する。 Such pump light can be considered by dividing it into a vertical polarization component and a horizontal polarization component. In the first nonlinear crystal 1a, a vertically polarized signal photon and an idler photon are generated from the vertical pump light component. In the second nonlinear crystal 1b, horizontal component signal photons and idler photons are generated from the horizontal pump light component.
ここで、1つの非線形結晶から1組のシグナル/アイドラー光子対が発生する効率をηとする。すると、直列配置された2つの非線形結晶のどちらからも光子対が発生する効率はη2となる。光子対の発生効率は、ポンプ光のパワーに依存する。そこで、ポンプ光のパワーを調節してη>>η2であるように設定すると、2つの非線形結晶のどちらからも光子対が発生する効率は無視できる程度に低くなり、直列配置からは1組の光子対が出力されるようにすることができる。 Here, η is the efficiency with which one set of signal / idler photon pairs is generated from one nonlinear crystal. Then, the efficiency with which photon pairs are generated from either of the two nonlinear crystals arranged in series is η 2 . The generation efficiency of the photon pair depends on the power of the pump light. Therefore, if the power of the pump light is adjusted so that η >> η 2 , the efficiency of generating photon pairs from either of the two nonlinear crystals becomes negligibly low, and one set from the series arrangement. Of photons can be output.
出力された光子対は、第1の非線形結晶1aで発生したものか、第2の非線形結晶1bで発生したものかは測定するまで不明である。このような光子対の状態は、第1の非線形結晶1aで発生する光子対状態と、第2の非線形結晶1bで発生する光子対状態との重ね合わせとして、次のように記述される。 Whether the output photon pair is generated by the first nonlinear crystal 1a or the second nonlinear crystal 1b is unknown until measurement. Such a photon pair state is described as the superposition of the photon pair state generated in the first nonlinear crystal 1a and the photon pair state generated in the second nonlinear crystal 1b as follows.
この式(4)は、出力が偏波エンタングル状態となっていることを表わしている。すなわち、図1に示した構成により、偏波エンタングル光子対を得ることができる。なお、式(4)のエンタングル光子対状態としては、|H>s|H>iである確率と|V>s|V>iである確率が等しい必要がある。そのためには、第1の非線形結晶1aにおける光子対の発生効率と、第2の非線形結晶1bにおける光子対の発生効率が等しくなければならない。 This equation (4) represents that the output is in the polarization entangled state. That is, with the configuration shown in FIG. 1, a polarization entangled photon pair can be obtained. It should be noted that the entangled photon pair state of Equation (4) needs to have the same probability that | H> s | H> i and the probability that | V> s | V> i . For this purpose, the generation efficiency of photon pairs in the first nonlinear crystal 1a must be equal to the generation efficiency of photon pairs in the second nonlinear crystal 1b.
上述した従来のエンタングル光子対発生方法には、長波長帯(1.3μmまたは1.5μm)の光子対を得るのが困難であるという問題がある。エンタングル光子対を発生させるためには、非線形結晶内でポンプ光、シグナル光子、アイドラー光子の位相速度を整合させる必要がある(位相整合条件)。エンタングル光子対の応用を考えると、光ファイバの伝送損失が小さい長波長帯における光子対の発生が望まれるが、従来のバルク型非線形結晶では、長波長帯において位相整合条件を満たすことが困難となっている。また、位相整合条件を満たす結晶が開発されたとしても、光ファイバ伝送系に適用するためには結晶から出射された光子を光ファイバに結合する必要があり、結合系の効率や安定性が問題となる。 The conventional entangled photon pair generation method described above has a problem that it is difficult to obtain a photon pair in a long wavelength band (1.3 μm or 1.5 μm). In order to generate an entangled photon pair, it is necessary to match the phase velocities of the pump light, the signal photon, and the idler photon in the nonlinear crystal (phase matching condition). Considering the application of entangled photon pairs, it is desirable to generate photon pairs in the long wavelength band where the transmission loss of the optical fiber is small, but with conventional bulk nonlinear crystals, it is difficult to satisfy the phase matching condition in the long wavelength band. It has become. Even if a crystal that satisfies the phase matching condition is developed, it is necessary to couple the photon emitted from the crystal to the optical fiber in order to apply it to the optical fiber transmission system, and there is a problem in the efficiency and stability of the coupling system. It becomes.
このように、従来のエンタングル光子対発生方法は、2次の非線形光学結晶にポンプ光(波長λp)を入力することにより同時生成される、1/λp=1/λs+1/λiを満たすシグナル光子(波長λs)とアイドラー光子(波長λi)とをエンタングル光子対として用いているが、非線形光学結晶中でポンプ光、シグナル光、アイドラー光の3つの位相速度が整合されること(位相整合条件)を要求している。 Thus, in the conventional entangled photon pair generation method, 1 / λ p = 1 / λ s + 1 / λ i generated simultaneously by inputting pump light (wavelength λ p ) to the second-order nonlinear optical crystal. The signal photons (wavelength λ s ) and idler photons (wavelength λ i ) satisfying the above are used as entangled photon pairs, but the three phase velocities of pump light, signal light, and idler light are matched in the nonlinear optical crystal. (Phase matching condition).
そのため、光ファイバ伝送による量子暗号通信応用では、光ファイバの伝送損失が小さい長波長帯の光子対が望まれるが、バルク型非線形結晶は、長波長帯では位相整合条件を満たすことが困難であるという問題がある。 Therefore, for quantum cryptography applications using optical fiber transmission, long wavelength band photon pairs with low optical fiber transmission loss are desired, but bulk nonlinear crystals are difficult to satisfy phase matching conditions in the long wavelength band. There is a problem.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、全光ファイバ系で、通信波長帯の偏波エンタングル光子対を出力することができるエンタングル光子対発生装置及びその方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide an entangled photon pair generation device capable of outputting a polarization entangled photon pair in a communication wavelength band in an all-optical fiber system, and It is to provide such a method.
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、4つの入出力端子を有する偏波ビームスプリッタと、該偏波ビームスプリッタの第1の端子に光周波数fpのポンプ光を入力する入力手段と、前記偏波ビームスプリッタに入力されたポンプ光の横偏波成分が出力される前記偏波ビームスプリッタの第2の端子と、前記ポンプ光の縦偏波成分が出力される前記偏波ビームスプリッタの第3の端子とを接続する光ファイバと、該光ファイバ内で発生した、2fp=fs+fiを満たす光周波数fsのシグナル光子と光周波数fiのアイドラー光子を、前記偏波ビームスプリッタの第4の端子へ出力する出力手段と、該出力手段による前記第4の端子からの出力光の直交する2偏波間の位相差を補償する位相補償手段と、該位相補償手段から出力される前記シグナル光子と前記アンドラー光子を取り出す取得手段とを備えたことを特徴とする。 The present invention has been made to achieve such an object. The invention according to claim 1 is directed to a polarization beam splitter having four input / output terminals and a first terminal of the polarization beam splitter. the input means for inputting the pumping light of the optical frequency f p, and the second terminal of the polarization beam splitter horizontally polarized wave component of the pump light input to the polarization beam splitter is output, the pump light vertical and optical fiber connecting the third and the terminal of the polarization beam splitter polarization component is output, generated in the optical fiber, the signal photon of light frequency fs that satisfies 2f p = f s + f i of and the idler photons of light frequency f i, and output means for outputting to the fourth terminal of the polarization beam splitter, a phase difference between two orthogonal polarization of the output light from the fourth terminal by the output means Compensate It is characterized by comprising phase compensation means, and acquisition means for taking out the signal photons and Andler photons output from the phase compensation means.
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記取得手段が、波長フィルタであることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the acquisition means is a wavelength filter.
また、請求項3に記載の発明は、少なくとも3つの入出力端子を有する偏波ビームスプリッタと、該偏波ビームスプリッタの第1の端子に光周波数fpのポンプ光を入力する入力手段と、前記偏波ビームスプリッタに入力されたポンプ光の横偏波成分が出力される前記偏波ビームスプリッタの第2の端子と、前記ポンプ光の縦偏波成分が出力される前記偏波ビームスプリッタの第3の端子とを接続する光ファイバと、該光ファイバ内で発生した、2fp=fs+fiを満たす光周波数fsのシグナル光子と光周波数fiのアイドラー光子を、前記第1の端子へ出力する出力手段と、該出力手段による前記第1の端子から出力される前記シグナル光子と前記アンドラー光子を取り出す取得手段と、該取得手段により取り出された前記偏波ビームスプリッタからの出力光の直交する2偏波間の位相差を補償する位相補償手段とを備えたことを特徴とする。 The invention according to claim 3, a polarization beam splitter having at least three input and output terminals, input means for inputting the pumping light of the optical frequency f p to a first terminal of said polarization beam splitter, A second terminal of the polarization beam splitter from which the transverse polarization component of the pump light input to the polarization beam splitter is output; and a polarization beam splitter of the polarization beam splitter from which the longitudinal polarization component of the pump light is output. an optical fiber for connecting the third and terminals, occurs within the optical fiber, the idler photons 2f p = f s + signal photon of light frequency fs satisfying f i and the optical frequency f i, said first terminal Output means for outputting to the output means, acquisition means for taking out the signal photons and the Andler photons output from the first terminal by the output means, and the polarization beam taken out by the acquisition means. And phase compensation means for compensating for a phase difference between two orthogonal polarizations of the output light from the beam splitter.
また、請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の発明において、前記取得手段が、光サーキュレータであることを特徴とする。 The invention according to claim 4 is the invention according to claim 3, characterized in that the acquisition means is an optical circulator.
また、請求項5に記載の発明は、4つの入出力端子を有する偏波ビームスプリッタの第1の端子に光周波数fpのポンプ光を入力する入力ステップと、該入力ステップにより入力されたポンプ光の横偏波成分を前記偏波ビームスプリッタの第2の端子に出力するとともに、該第2の端子と光ファイバで接続された、前記ポンプ光の縦偏波成分を前記偏波ビームスプリッタの第3の端子に出力する第1の出力ステップと、前記光ファイバ内で発生した、2fp=fs+fiを満たす光周波数fsのシグナル光子と光周波数fiのアイドラー光子を、前記偏波ビームスプリッタの第4の端子へ出力する第2の出力ステップと、該第2の出力ステップによる前記第4の端子からの出力光の直交する2偏波間の位相差を補償する位相補償ステップと、該位相補償ステップから出力される前記シグナル光子と前記アンドラー光子を取り出す取得ステップとを備えたことを特徴とする。 The pump an invention according to claim 5, which is entered by four first input step and, input step of inputting pump light of the optical frequency f p at the terminals of a polarization beam splitter having input and output terminals The horizontal polarization component of light is output to the second terminal of the polarization beam splitter, and the longitudinal polarization component of the pump light connected to the second terminal by an optical fiber is converted to the polarization beam splitter. a first output step of outputting to the third terminal, generated within the optical fiber, the idler photons 2f p = f s + signal photon of the optical frequency f s that satisfies f i and the optical frequency f i, the polarized A second output step for outputting to the fourth terminal of the wave beam splitter, and a phase compensation step for compensating for a phase difference between two orthogonally polarized waves of the output light from the fourth terminal by the second output step. When, characterized by comprising a obtaining step of removing said Andora photons and the signal photon output from the phase compensation step.
また、請求項6に記載の発明は、少なくとも3つの入出力端子を有する偏波ビームスプリッタの第1の端子に光周波数fpのポンプ光を入力する入力ステップと、該入力ステップにより入力されたポンプ光の横偏波成分を前記偏波ビームスプリッタの第2の端子に出力するとともに、該第2の端子と光ファイバで接続された、前記ポンプ光の縦偏波成分を前記偏波ビームスプリッタの第3の端子に出力する第1の出力ステップと、該光ファイバ内で発生し、2fp=fs+fiを満たす光周波数fsのシグナル光子と光周波数fiのアイドラー光子を、前記第1の端子へ出力する第2の出力ステップと、該第2の出力ステップによる前記第1の端子から出力された前記シグナル光子と前記アンドラー光子を取り出す取得ステップと、該取得ステップにより取り出された前記偏波ビームスプリッタからの出力光の直交する2偏波間の位相差を補償する位相補償ステップとを備えたことを特徴とする。 The invention of claim 6 includes the steps of: inputting pump light of the optical frequency f p to a first terminal of the polarization beam splitter having at least three input-output terminals, is input by the input step The transversely polarized component of the pump light is output to the second terminal of the polarization beam splitter, and the longitudinally polarized component of the pump light connected to the second terminal by an optical fiber is converted to the polarized beam splitter. of a first output step of outputting to the third terminal, occurs within the optical fiber, the idler photons 2f p = f s + signal photon of the optical frequency f s that satisfies f i and the optical frequency f i, the A second output step for outputting to the first terminal; an acquisition step for extracting the signal photon and the Andler photon output from the first terminal by the second output step; To compensate for the phase difference between two orthogonal polarization of the output light from the polarization beam splitter extracted by resulting step is characterized in that a phase compensation step.
本発明によれば、ファイバ通信波長帯において、安定でファイバ伝送システムに適した偏波エンタングル光子対を発生させることが可能となる。 According to the present invention, it is possible to generate a polarization entangled photon pair that is stable and suitable for a fiber transmission system in a fiber communication wavelength band.
また、本発明は、バルク型非線形結晶の2次の非線形光学効果ではなく、原理的に従来のものとは異なる光ファイバの3次の非線形光学効果であるパラメトリック増幅現象により、エンタングル光子対を発生させるので、従来の問題が解決されると同時に、光子のファイバ伝送にも適した形態になるという効果がある。 In addition, the present invention generates entangled photon pairs not by the second-order nonlinear optical effect of the bulk type nonlinear crystal but by the parametric amplification phenomenon that is the third-order nonlinear optical effect of the optical fiber that is different from the conventional one in principle. Therefore, the conventional problem is solved, and at the same time, there is an effect that it is suitable for fiber transmission of photons.
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図3は、本発明のエンタングル光子対発生装置の実施例1を説明するため構成図で、図中符号31はポンプ光源、32は偏波ビームスプリッタ(PBS)、32a〜32dは入出力端子、33は光ファイバ、34は位相補償回路、35は波長フィルタを示している。
FIG. 3 is a block diagram for explaining the first embodiment of the entangled photon pair generating apparatus of the present invention, in which
実施例1のエンタングル光子対発生装置において、偏波ビームスプリッタ32は、4つの入出力端子32a〜32dを有しており、その入力部は、偏波ビームスプリッタ32の第1の端子32aに光周波数fpのポンプ光を入力するように構成されている。また、光ファイバ33は、偏波ビームスプリッタ32に入力されたポンプ光の横偏波成分が出力される偏波ビームスプリッタ32の第2の端子32bと、ポンプ光の縦偏波成分が出力される第3の端子32cとを接続するように構成されている。
In the entangled photon pair generating apparatus according to the first embodiment, the
また、偏波ビームスプリッタ32の出力部は、光ファイバ33内で発生した、2fp=fs+fiを満たす光周波数fsのシグナル光子と光周波数fiのアイドラー光子を、偏波ビームスプリッタ32の第4の端子32dへ出力するように構成されている。位相補償回路34は、偏波ビームスプリッタ32の第4の端子32dから出力される光の直交する2偏波間の位相差を補償するものである。波長フィルタ35は、位相補償回路34から出力されるシグナル光子とアンドラー光子を取り出すためのものである。
The output unit of the
本発明では、光ファイバの3次の光非線形効果であるパラメトリック増幅現象を利用して偏波エンタングル光子対を発生させる。パラメトリック増幅とは、強いポンプ光(周波数fp)が入力されている光ファイバに、ポンプ光の近傍波長でポンプ光と同じ偏波状態の信号光(周波数fs)を入力すると、光ファイバの分散と入力光周波数が適当な関係である場合に、信号光が増幅されて出力されるという現象である。この時、信号光が増幅されるのと同時に、2fp=fs+fiを満たす周波数fiの光も出力される。周波数fiの光の偏波状態もポンプ光、信号光と同一である。 In the present invention, a polarization entangled photon pair is generated by utilizing a parametric amplification phenomenon that is a third-order optical nonlinear effect of an optical fiber. Parametric amplification means that when signal light (frequency f s ) having the same polarization state as the pump light is input to an optical fiber to which strong pump light (frequency f p ) is input, the optical fiber is This is a phenomenon in which signal light is amplified and output when the dispersion and the input optical frequency have an appropriate relationship. At this time, at the same time that the signal light is amplified, the light of a frequency f i satisfying 2f p = f s + f i is also output. Light polarization state also pump light frequency f i, which is the same as the signal light.
なお、増幅される信号光はシグナル光、発生するfi周波数光はアイドラー光と呼ばれている。この現象は、図2に示すように、光を光子としてみると、2つのポンプ光子からシグナル光子とアイドラー光子がひとつずつ発生する現象とみることができる。この現象は光増幅過程であるので、通常の光増幅と同様に自然放出光が発生する。すなわち、ポンプ光のみを光ファイバに入力しても、シグナル光とアイドラー光が自発的に出力される。2つの光は同時に発生し、かつその偏波状態はポンプ光と同一である。本発明では、この光ファイバからのパラメトリック自然放出光を利用して偏波エンタングル光子対を生成するものである。 The signal light to be amplified f i frequency light signal light, generated are called idler light. As shown in FIG. 2, this phenomenon can be regarded as a phenomenon in which a signal photon and an idler photon are generated one by one from two pump photons when light is viewed as a photon. Since this phenomenon is an optical amplification process, spontaneous emission light is generated in the same manner as in normal optical amplification. That is, even if only pump light is input to the optical fiber, signal light and idler light are spontaneously output. Two lights are generated simultaneously, and their polarization state is the same as that of the pump light. In the present invention, a pair of polarization entangled photons is generated using the parametric spontaneous emission light from the optical fiber.
図3に示したように、ポンプ光源31からのパルス光は、2×2の偏波ビームスプリッタ(PBS)32の第1のポート32aに入力される。PBS32は、横偏波を透過、縦偏波を反射させる特性を有しており、横偏波成分は第2のポート32bへ、縦偏波成分は第3のポート32cへそれぞれ出力される。ここで、ポンプ光の入力偏波状態は、横成分と縦成分が等しいパワーであるように設定されているものとする。
As shown in FIG. 3, the pulsed light from the
PBS32の第2のポート32bと第3のポート32cは、パラメトリック光発生用の光ファイバ33を介してループ状に接続されている。ループの右回りには縦偏波ポンプ光が、左回りには横偏波ポンプ光が伝播する。ポンプ光がループを一周する間に、パラメトリック自然放出現象によりシグナル光子とアイドラー光子が発生する。発生する光子の偏波状態は、ポンプ光と同じで、右回りは縦偏波、左回りは横偏波となっている。発生した光子は、PBS32の第2のポート32bと第3のポート32cへ入力される。
The
PBS32の透過特性により、第2のポート32bに入力された縦偏波光及び第3のポート32cに入力された横偏波光は、第4のポート32dへと出力される。すなわち、右回り光、左回り光ともに第4のポート32dに出力される。PBS32から出力されたシグナル光とアイドラー光は、波長フィルタ35により分離され、それぞれシグナル光とアイドラー光として出力される。
Due to the transmission characteristics of the
以上のような構成により、偏波エンタングル光子対を得ることができる。上述したように、ループファイバで発生するシグナル光子とアイドラー光子の偏波状態は、ポシプ光と同じ、すなわち、右回りは縦偏波、左回りは横偏波である。式で書くと、右回りでは、
|φ>R=|V>s|V>i
という状態が、左回りでは、
|φ>L=|H>s|H>i
という状態がそれぞれ発生する。ここで、ポンプ光のパワーは、右回りと左回りで同一としているので、パラメトリック光子対の発生効率は、両回りで同一である。発生した光子対は、PBS32の第4のポート32dへ出力される。ここで従来例と同様に、ポンプ光のパワーを調整により光子対の発生効率ηがη>>η2となっているものとする。すなわち、PBS32から2組以上の光子対が出力される確率は、無視できるほど小さく、PBS32からはおおむね1組の光子対が出力される。この光子対は、ループの右回りで発生したのか左回りで発生したのか測定しないと判別できない。このような状態は、2つの状態の重ね合わせとして、
With the configuration as described above, a polarization entangled photon pair can be obtained. As described above, the polarization state of the signal photon and idler photon generated in the loop fiber is the same as that of the positive light, that is, the clockwise rotation is longitudinal polarization and the counterclockwise rotation is transverse polarization. If you write in the formula,
| Φ> R = | V> s | V> i
In the counterclockwise direction,
| Φ> L = | H> s | H> i
Each state occurs. Here, since the power of the pump light is the same clockwise and counterclockwise, the generation efficiency of the parametric photon pair is the same for both directions. The generated photon pair is output to the
と書き表わされる。第1項と第2項との位相差θは、PBS32へのポンプ光の入力の偏波状態やループファイバの複屈折などによって決まる定数である。この位相差は、PBS32の第4のポート32dの出力段で、縦偏波と横偏波間に位相差をつける位相補償回路34、例えば、バビネソレイユ位相板により補償することができる。これによりθ=0となるように調整すれば、出力状態は
Is written. The phase difference θ between the first term and the second term is a constant determined by the polarization state of the pump light input to the
となり、これは偏波エンタングル光子対状態となっている。なお、PBS32へのポンプ光の入力が右斜め45度直線偏波状態、かつループファイバの複屈折が無視できる程度であれば、PBS32の出力段でθ=0であり、位相補償は不要となる。
This is a polarization entangled photon pair state. If the input of the pump light to the
以上のようにして、偏波エンタングル光子対を得ることができる。発生したシグナル光子/アイドラー光子を別々に取り出したければ、波長フィルタにより分波すればよい。 A polarization entangled photon pair can be obtained as described above. If the generated signal photons / idler photons are to be taken out separately, they can be demultiplexed by a wavelength filter.
なお、上述した説明では、光の偏波状態はループファイバ伝播中も保持されるものとした。偏波保持ファイバを用いればこの条件は満たされるが、一般には、例えば、PBS32の第2のポート32bから横偏波としてループファイバに入力された光が、ループを一周する間に縦偏波に回転し、PBS32の第3のポート32cから第1のポート32aへ出力されてしまう場合がある。これを回避するためには、必要に応じてループ内に偏波制御回路を挿入し、ループ伝播後、再び同じ偏波としてPBS32に入力されるように調節すればよい。
In the above description, it is assumed that the polarization state of light is maintained even during propagation of the loop fiber. This condition is satisfied if a polarization-maintaining fiber is used, but in general, for example, light input to the loop fiber as a transverse polarization from the
ところで、パラメトリック過程が効率良く起こるには、位相整合条件を満たす必要がある。光ファイバにおいては、ポンプ光の波長を光ファイバのゼロ分散波長に一致させると位相整合条件が満たされることが知られている。通常の光伝送用ファイバは、ゼロ分散波長が1.3μm帯または1.5μm帯にあり、これらをループファイバとして用いれば、光ファイバ通信波長帯の偏波エンタングル光子対を生成することができる。 By the way, in order for the parametric process to occur efficiently, it is necessary to satisfy the phase matching condition. In an optical fiber, it is known that the phase matching condition is satisfied when the wavelength of the pump light is matched with the zero dispersion wavelength of the optical fiber. A normal optical transmission fiber has a zero dispersion wavelength in the 1.3 μm band or 1.5 μm band. If these are used as a loop fiber, a polarization entangled photon pair in the optical fiber communication wavelength band can be generated.
また、本実施例1の特徴は、全系が光ファイバにより構成可能な点にある。そのため、従来のバルク結晶を用いる方法に比べ、安定で光ファイバ伝送に適した構成となっている。 The feature of the first embodiment is that the entire system can be constituted by optical fibers. For this reason, the structure is more stable and suitable for optical fiber transmission than the conventional method using a bulk crystal.
図4は、本発明のエンタングル光子対発生装置の実施例2を説明するため構成図で、図中符号41はポンプ光源、42は偏波ビームスプリッタ(PBS)、42a〜42cは入出力端子、43は光ファイバ、44は位相補償回路、45は波長フィルタ、46は光サーキュレータを示している。
FIG. 4 is a block diagram for explaining the embodiment 2 of the entangled photon pair generating apparatus of the present invention, in which
実施例2のエンタングル光子対発生装置において、偏波ビームスプリッタ42は、少なくとも3つの入出力端子42a〜42cを有し、その入力部は、偏波ビームスプリッタ42の第1の端子42aに光周波数fpのポンプ光を入力するように構成されている。また、光ファイバ43は、偏波ビームスプリッタ42に入力されたポンプ光の横偏波成分が出力される偏波ビームスプリッタ42の第2の端子42bと、ポンプ光の縦偏波成分が出力される第3の端子42cとを接続するように構成されている。
In the entangled photon pair generating apparatus according to the second embodiment, the
また、偏波ビームスプリッタ42の出力部は、光ファイバ43内で発生した、2fp=fs+fiを満たす光周波数fsのシグナル光子と光周波数fiのアイドラー光子を、偏波ビームスプリッタ42の第1の端子42aへ出力するように構成されている。
The output unit of the
また、光サーキュレータ46は、偏波ビームスプリッタ42の第1の端子42aから出力されるシグナル光子とアンドラー光子を取り出すものである。位相補償回路44は、波長フィルタ45により取り出された偏波ビームスプリッタ42からの出力光の直交する2偏波間の位相差を補償するものである。波長フィルタ45は、位相補償回路44から出力されるシグナル光子とアンドラー光子を分離するためのものである。
The
エンタングル光子対発生の基本原理は、上述した実施例1と同様であるが、ループファイバで発生した光子対が、PBS42の第1のポート42aから出力される構成となっている。このような出力特性は、ループファイバとして偏波保持ファイバを用いた場合には、偏波保持の軸を90°ひねってPBS42第2のポート42bと第3のポート42cとを接続すれば実現可能である。また、通常の光ファイバを用いる場合には、必要に応じて偏波制御回路をループ内に挿入して偏波状態を調整することにより実現可能である。これによりPBS42の第1のポート42aから出力されたシグナル光子とアイドラー光子を光サーキュレータ46により取り出せば、上述した実施例1と同様にして、偏波エンタングル光子対を得ることができる。
The basic principle of entangled photon pair generation is the same as that of the first embodiment described above, but the photon pair generated by the loop fiber is output from the
1a,1b 非線形結晶
31,41 ポンプ光源
32,42 偏波ビームスプリッタ(PBS)
32a〜32d,42a〜42c 入出力端子
33,43 光ファイバ
34,44 位相補償回路
35,45 波長フィルタ
46 光サーキュレータ
1a,
32a to 32d, 42a to 42c Input /
Claims (6)
該偏波ビームスプリッタの第1の端子に光周波数fpのポンプ光を入力する入力手段と、
前記偏波ビームスプリッタに入力されたポンプ光の横偏波成分が出力される前記偏波ビームスプリッタの第2の端子と、前記ポンプ光の縦偏波成分が出力される前記偏波ビームスプリッタの第3の端子とを接続する光ファイバと、
該光ファイバ内で発生した、2fp=fs+fiを満たす光周波数fsのシグナル光子と光周波数fiのアイドラー光子を、前記偏波ビームスプリッタの第4の端子へ出力する出力手段と、
該出力手段による前記第4の端子からの出力光の直交する2偏波間の位相差を補償する位相補償手段と、
該位相補償手段から出力される前記シグナル光子と前記アンドラー光子を取り出す取得手段と
を備えたことを特徴とするエンタングル光子対発生装置。 A polarization beam splitter having four input / output terminals;
Input means for inputting the pumping light of the optical frequency f p to a first terminal of said polarization beam splitter,
A second terminal of the polarization beam splitter from which the transverse polarization component of the pump light input to the polarization beam splitter is output; and a polarization beam splitter of the polarization beam splitter from which the longitudinal polarization component of the pump light is output. An optical fiber connecting the third terminal;
Generated in the optical fiber, and an output means for the idler photons 2f p = f s + signal photon of the optical frequency f s that satisfies f i and the optical frequency f i, and outputs it to the fourth terminal of the polarization beam splitter ,
Phase compensation means for compensating for a phase difference between two orthogonal polarizations of output light from the fourth terminal by the output means;
An entangled photon pair generation device comprising: the signal photon output from the phase compensation unit; and an acquisition unit that extracts the Andler photon.
該偏波ビームスプリッタの第1の端子に光周波数fpのポンプ光を入力する入力手段と、
前記偏波ビームスプリッタに入力されたポンプ光の横偏波成分が出力される前記偏波ビームスプリッタの第2の端子と、前記ポンプ光の縦偏波成分が出力される前記偏波ビームスプリッタの第3の端子とを接続する光ファイバと、
該光ファイバ内で発生した、2fp=fs+fiを満たす光周波数fsのシグナル光子と光周波数fiのアイドラー光子を、前記第1の端子へ出力する出力手段と、
該出力手段による前記第1の端子から出力される前記シグナル光子と前記アンドラー光子を取り出す取得手段と、
該取得手段により取り出された前記偏波ビームスプリッタからの出力光の直交する2偏波間の位相差を補償する位相補償手段と
を備えたことを特徴とするエンタングル光子対発生装置。 A polarization beam splitter having at least three input / output terminals;
Input means for inputting the pumping light of the optical frequency f p to a first terminal of said polarization beam splitter,
A second terminal of the polarization beam splitter from which the transverse polarization component of the pump light input to the polarization beam splitter is output; and a polarization beam splitter of the polarization beam splitter from which the longitudinal polarization component of the pump light is output. An optical fiber connecting the third terminal;
Generated in the optical fiber, and an output means for the idler photons 2f p = f s + signal photon of the optical frequency f s that satisfies f i and the optical frequency f i, and outputs it to the first terminal,
Obtaining means for taking out the signal photons and the Andler photons output from the first terminal by the output means;
An entangled photon pair generation device comprising: phase compensation means for compensating for a phase difference between two orthogonally polarized waves of output light from the polarization beam splitter extracted by the acquisition means.
該入力ステップにより入力されたポンプ光の横偏波成分を前記偏波ビームスプリッタの第2の端子に出力するとともに、該第2の端子と光ファイバで接続された、前記ポンプ光の縦偏波成分を前記偏波ビームスプリッタの第3の端子に出力する第1の出力ステップと、
前記光ファイバ内で発生した、2fp=fs+fiを満たす光周波数fsのシグナル光子と光周波数fiのアイドラー光子を、前記偏波ビームスプリッタの第4の端子へ出力する第2の出力ステップと、
該第2の出力ステップによる前記第4の端子からの出力光の直交する2偏波間の位相差を補償する位相補償ステップと、
該位相補償ステップから出力される前記シグナル光子と前記アンドラー光子を取り出す取得ステップと
を備えたことを特徴とするエンタングル光子対発生方法。 An input step of inputting the pumping light of the optical frequency f p to a first terminal of the polarization beam splitter having four input terminals,
The transversely polarized component of the pump light input in the input step is output to the second terminal of the polarization beam splitter, and the longitudinally polarized light of the pump light connected to the second terminal by an optical fiber. A first output step of outputting a component to a third terminal of the polarization beam splitter;
Generated within the optical fiber, 2f the idler photons p = f s + signal photon of the optical frequency f s that satisfies f i and the optical frequency f i, the second output to the fourth terminal of the polarization beam splitter An output step;
A phase compensation step for compensating for a phase difference between two orthogonally polarized lights of output light from the fourth terminal in the second output step;
An entangled photon pair generation method comprising: the signal photon output from the phase compensation step and an acquisition step of extracting the Andler photon.
該入力ステップにより入力されたポンプ光の横偏波成分を前記偏波ビームスプリッタの第2の端子に出力するとともに、該第2の端子と光ファイバで接続された、前記ポンプ光の縦偏波成分を前記偏波ビームスプリッタの第3の端子に出力する第1の出力ステップと、
該光ファイバ内で発生し、2fp=fs+fiを満たす光周波数fsのシグナル光子と光周波数fiのアイドラー光子を、前記第1の端子へ出力する第2の出力ステップと、
該第2の出力ステップによる前記第1の端子から出力された前記シグナル光子と前記アンドラー光子を取り出す取得ステップと、
該取得ステップにより取り出された前記偏波ビームスプリッタからの出力光の直交する2偏波間の位相差を補償する位相補償ステップと
を備えたことを特徴とするエンタングル光子対発生方法。
An input step of inputting the pumping light of the optical frequency f p to a first terminal of the polarization beam splitter having at least three input and output terminals,
The transversely polarized component of the pump light input in the input step is output to the second terminal of the polarization beam splitter, and the longitudinally polarized light of the pump light connected to the second terminal by an optical fiber. A first output step of outputting a component to a third terminal of the polarization beam splitter;
Generated within the optical fiber, and a second output step of the idler photons 2f p = f s + optical frequency satisfies the f i f s signal photon and an optical frequency f i, and outputs to the first terminal,
Obtaining the signal photon and the Andler photon output from the first terminal in the second output step;
An entangled photon pair generation method comprising: a phase compensation step of compensating for a phase difference between two orthogonally polarized waves of output light from the polarization beam splitter extracted in the acquisition step.
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