WO2000062123A1 - Single-photon-emission apparatus - Google Patents

Description

明 糸田 単 一光子発 生 装 置 技術 分 野

本発 明 は 、 光子一 つ ずつ に 情 報 を 載 せ る こ と で 盗 聴者 の 発 見 を 可能 に す る 伝 送 シ ス テ ム で あ る 量子暗 号通 信 シ ス テ ム な ど に 用 い る 光源 に 関 す る も の で あ る 。 背 景 技術

量子暗 号通 信 シ ス テ ム で は 、 光子一 つ ずつ に 情報 を 載 せ る こ と で 、 量子 力 学 的 な 原理 に よ り 盗 聴者 の 発見 を 可 能 に す る 。 し カゝ し 、 も し 同 じ 情 報 を 2 つ 以 上 の 光子 に 載 せ て し ま え ば 、 盗 聴者 に よ っ て そ れ ら の 光子 の 一部 を 利 用 さ れ 、 盗聴者 の 存在 を 検 出 で き な い 可能性 が あ る 。 こ の よ う に 、 理 想 的 に は最大 で も 1 つ の 光子 し か 含 ま な い パ ル ス を 利 用 す る 必 要 が あ る 。 こ の よ う な パ ル ス と し て は 、 1 パ ル ス あ た り の 光子 の 平 均 数 a を 約 0 . 1に な る よ う に 、 レ ー ザー 光源 か ら の 光 を 減 衰 器 に よ つ て 減衰 す る こ と が一般 に 行 わ れて い る 。 こ の よ う に す る こ と で 、 2 つ 以 上 の 光子がパ ル ス 中 に 含 ま れ る 確 率 を 減 少 で き る 。 し カゝ し パ ル ス 中 に 1 つ の 光子 が 含 ま れ て い る 確 率 も 0 . 1 程度 に 減 少す る こ と に な る 。 つ ま り 、 = Q · 1の 場合 、 1

0回 に L 度 程 度 し か . 実 際 に 伝 送 が行 わ れ な い こ と に な る 。

こ の よ う な 方 法 を 改 善す る 従 来 の 技 術 の 1 例 と し て 、 特 表 平 8— 5 0 5 0 1 9号 公 報 の 、 「 量子 暗 号 を 使 用 し た キ ー 分配 シ ス テ ム お よ び方 法 」 に 記 載 さ れ て い る も の に つ い て 、 図 9 を 用 い て 説 明 す る 。 図 9 に お い て 、 9 は非 線 型 光学 么 ^ *口 晶 5 を ポ ン プす る た め の ポ ン プ光 を 発 生 す る レ ー で あ る 。 非 線 型 光 学結 晶 1 1で は 、 ポ ン プ光 の 光子 一 つ が確 率 的 に 2 つ の 光 子 に 発 生 す る パ ラ メ ト リ ッ ク 蛍光 対 が発 生 す る 。 そ の う ち の 一 つ の 光子 （ こ こ で は 、 ア イ ド ラ 一 光 子 と 呼 ぶ） は 、 光検 出 器 お よ びゲー ト コ ン ト 口 一 ル 装 置 4 9に よ り 検 出 さ れ 、 検 出 し た 場 合 は も う 一方 の 光子 ( シ グナ ル 光子 と 呼 ぶ） が 通 過 す る よ う に ゲー ト 装 置 4 を 開 く 。

し か し 、 従来 の 技術 に お い て は 、 次 の よ う な 問 題 が あ つ た

ま ず第 一 に 、 従来 の 方 法 で は 、 検 出 器 の 反応 時 間 内 に 光子対 が 2 つ 発 生 し て い た 場 合 に は 、 ゲ ー ト 操 作 に よ つ て 、 2 つ の シ グ ナ ル光子が射 出 さ れ 、 パ ル ス 内 に 2 つ の 光子 が存 在す る 場 合 が あ る 、 と い う 欠 陥 が あ っ た 。

ま た 、 従来 の 方 法 に お い て は 、 パ ル ス 内 部で の光子発 生 の 夕 イ ミ ン グ を 制 御 す る こ と は で き な か っ た 。

ま た 、 光子 の 到着 を 検 出 す る 検 出 器 が 、 光子 を 検 出 し て い な い に も か か わ ら ず雑音 な ど に よ り パ ル ス を 出 力 す る い わ ゆ る 「 ダ ー ク カ ゥ ン ト ノヽ' ル ス 」 を 発 生 し た 場 合 、 射 出光子 が存在 し な い よ う な 不在 の 光 パ ル ス を 出 力 す る こ と に な り 、 効 率 力 悪 か っ た 。

の 発 明 は 、 こ の よ う な 問 題 点 を 解消 す る た め に な さ れ た も の で 、 パ ル ス 内 に た だ 1 つ の 光子 を 発 生 さ せ る こ と を 目 的 と す る

ま た 、 検 の ダー ク カ ウ ン ト ノ、。 リレ ス に よ る 不在 の 光 パ ル ス の 発 生 を 低減 さ せ る こ と を 目 的 と す る 。

ま た 、 パ ル ス 内 部 に お い て 、 光子発 生 を 特定 の 夕 イ ミ ン グで発生 さ せ る こ と を 目 的 と す る 。 発 明 の 開示

こ の 発 明 に係 る 単一光子発 生装置 は、 シ グナル光子 と ア イ ド ラ 一光子か ら な る 発生時刻 に 相 関 を も つ 光子対 を 発 生す る 光子対源 と 、 ア イ ド ラ 一光子の光子 の 入射 を検 出す る 光子検出器 と 、 ク ロ ッ ク 発 生器 と 、 そ の ク ロ ッ ク に よ っ て規定 さ れ る 一定時間内 に特定の 回数 を 下回 る 回 数 の みゲー ト 装置 を 開 閉す る た め の 信号 を 生成す る ゲ一 ト 装置制御部、 ゲー ト 装置制御部か ら の 信号 に 応 じ て 開 閉す る ゲー 卜 装置 を 備 え た も の で あ る 。

ま た 、 シ グナル光子 と ア イ ド ラ ー光子か ら な る 発 生時 刻 に相 関 を も つ光子対 を発生す る 光子対源 と 、 ア イ ド ラ —光子の光子の入射 を検 出す る 光子検出器 と 、 ク ロ ッ ク 発生器 と 、 そ の ク ロ ッ ク に よ っ て規定 さ れ る 一定時間 内 の最初 の光子検 出器か ら の信号 に対 し て の み ゲー ト 装置 を 開 閉す る た め の 信号 を 生成す る ゲー ト 装置制御部 と 、 ゲー 卜 装置制御部か ら の信号 に応 じ て 開 閉す る ゲー 卜 装 置 を備 え た も の で あ る 。

ま た 、 ポ ン プ光が入射す る 非線型光学媒質 と し て 、 ポ ン プ光 と 、 非線型光学媒質 の光学軸 の なす角 度が、 そ の チ ュ ー ニ ン グカ ー ブが あ る 特定 の単一波長 a に対応す る 直線 に 接す る よ う な 角 度 に設定 さ れた 非線型光学結晶 を 設 けた も の で あ る 。

ま た 、 ポ ン プ光が入射す る 非線型光学媒質 と し て 、 ポ ン プ光 と 、 非線型光学媒質 の光学軸 の なす角 度が、 そ の チ ュ ー ニ ン グカ ー ブ力 あ る 特定 の 波長 a 、 b に 対応す る 直線 に 接す る よ う な 角 度 に 設定 さ れた 非線型光学結晶 を 備 え た も の で あ る 。

ま た 、 ポ ン プ光 が 入 射す る 非 線 型 光 学 媒質 と し て 、 導 波路型 の 非 線型 光 学媒 質 を 備 え る こ と を 備 え た も の で あ る 。

ま た 、 ポ ン プ光 が入 射す る 非 線 型 光 学媒質 と し て 、 擬 似位相 整 合型 非 線 型光 学媒質 を 備 え た も の で あ る 。

ま た 、 シ グ ナ ル光子 の 射 出 を 制御 す る ゲ ー ト 装 置 と し て 、 開 閉 時 間 よ り 短 い 時 間 差 で 開 閉 す る 複 数 の シ ャ ツ 夕 一 を 備 え た も の で あ る 。

ま た 、 光子対 か ら 発 生 し た シ グ ナ ル 光 子 を 、 そ の 光子 の 射 出 を 制御 す る ゲー ト 装 置 に 到達 さ せ る 光 フ ァ イ バ一 を 備 え た も の で あ る 。

こ の 発 明 に お い て は 、 ア イ ド ラ ー 光子 の 光子 の 入 射 を 光子検 出 器 に よ っ て検 出 し 、 ク ロ ッ ク 発 生器 力ゝ ら の ク ロ ッ ク に よ っ て 規 定 さ れ る 一 定 時 間 内 に 特定 の 回 数 を 下 回 る 回 数 の み シ グ ナ ル光子 の 射 出 を 制御 す る ゲ ー ト 装 置 を 開 閉 す る 。

ま た 、 ア イ ド ラ ー 光子 の 光子 の 入射 を 光子検 出 器 に よ つ て検 出 し 、 ク ロ ッ ク 発 生器 か ら の ク ロ ッ ク に よ っ て規 定 さ れ る 一定 時 間 内 の 最初 の 光子検 出 器 か ら の 信 号 に 対 し て の み シ グナ ル光子 の 射 出 を 制 御 す る ゲー ト 装置 を 開 閉 す る 。

ま た 、 ポ ン プ光光源 か ら の ポ ン プ光 を 入射 さ せ 、 非線 型光学媒質 に よ っ て 発 生す る 発 生 時刻 に 相 関 を も つ 光子 対 を ア イ ド ラ 光子 と シ グナ ル光子 と し て 用 い る 。

ま た 、 ポ ン プ光 が入 射す る 非 線 型光学媒 質 の 設置 に 当 た り 、 ポ ン プ光 と 、 非線型光学媒 質 の 光学軸 の な す 角 度 を 、 そ の チ ュ ー ニ ン グ カ ー ブが あ る 特 定 の 単 一 波 長 a に 対応す る 直 線 に 接 す る よ う な 角 度 に 設 定す る 。

ま た 、 ポ ン プ光 が入 射す る 非 線 型 光 学媒質 の 設置 に 当 た り 、 ポ ン プ光 と 、 非 線型 光学媒質 の 光 学軸 の な す 角 度 が 、 そ の チ ュ ー ニ ン グ カ ー ブ が あ る 特 定 の 波長 a 、 に 対応す る 直 線 に 接 す る よ う な 角 度 に 設 定す る 。

ま た 、 ポ ン プ光 を 導 波 路 型 の 非 線型 光学媒質 に 入 射す る 。

ま た 、 ポ ン プ光 を 擬似位相 整 合 型 非 線型光学媒質 に 入 射す る 。

ま た 、 シ グ ナ ル光子 の 射 出 を 開 閉 時 間 よ り 短 い 時 間 差 で 開 閉 す る 複 数 の シ ャ ツ 夕 一 力ゝ ら な る ゲ ー ト 装 置 に よ つ て 制御 す る 。

ま た 、 光子対 か ら 発 生 し た シ グ ナ ル光子 を 、 光 フ ア イ バー を 用 い て そ の 光子 の 射 出 を 制 御 す る ゲー ト 装置 に 到 達 さ せ る 。 図面 の 簡単 な 説 明

図 1 は こ の 発 明 の 一 実施 の 形態 の 全体 構 成 図 、 図 2 は こ の 発 明 の 一実施 の 形 態 の 構 成 図 、 図 3 は非線型光 学媒 質 で発 生す る 光子 の 波 長 と 放 出 角 度 の 関 係 を 示す 図 、 図 4 は こ の発 明 の一 実施 の形態 の 動 作 を 説 明する た め の 図 、 図 5 は こ の 発 明 の 一実施 の 形態 の 動 作 を 説 明 す る た め の 図 、 図 6 は こ の 発 明 の 一実施 の 形 態 の 全体構成 図 、 図 7 は こ の 発 明 の 一実施 の 形態 で 使 用 す る ゲ一 ト 装 置部 の 構 成 図 、 図 8 は こ の 発 明 の 一実施 の 形態 で 使用 す る ゲー ト 装置部 の 動 作 を 説 明 す る た め の 図 、 図 9 は従来 の 技術 の 一例 の 全体構 成 図 で あ る 。 実施 の 形態 1

図 1 は こ の 発 明 の 一 実 施 の 形 態 の 全体 構 成 図 で あ る 。 図 1 に お い て 、 1 は 発 生 時 刻 に 相 関 を も つ 光 子対 を 発 生 す る 光子対源 、 2 は ア イ ド ラ ー 光子 5 を 検 出 す る 光子検 出 器 、 3 は光子検 出 器 か ら 発 生 す る シ グ ナ ル パ ル ス を 微 分す る 微 分 回路 、 8 は 微 分 回 路 3 か ら の 信 号 お よ び ク ロ ッ ク 発 生部 7 か ら の 制 御 ク ロ ッ ク に 対応 し て ゲ ー ト 装 置 4 を 制 御 す る ゲ ー ト 装 置 制 御 部 で あ る 。

図 2 に 、 こ の 実 施 の 形 態 の 詳細 な 構 成 を 示 す 。 こ の 実 施 の 形 態 で は 、 ク ロ ッ ク 内 の 特 定 の タ イ ミ ン グ で 、 単一 光子 の み が含 ま れ る よ う な 光 パ ル ス を 効 率 よ く 発 生 さ せ る も の で あ る 。

(光子対発 生器 の 説 明 ）

図 2 に お い て 、 9 は 非線型 光 学媒質 11を ポ ン プす る ポ ン プ光 10の 光源 で あ る 。 非 線 型 光学媒 質 11で は 、 ダ ウ ン コ ン ノ 一 ジ ョ ン に よ っ て ポ ン プ光 10の 波長 λ の 2 倍 の 波 長 2 λ を も つ ア イ ド ラ ー 光子 5 と シ グ ナ ル光子 6 が発 生 す る 。 本実施 の 形 態 で は 、 ポ ン プ光 源 9 と し て 351. l nm の 波 長 を も つ ア ル ゴ ン レ ー ザ一 を 用 レ て い る 。 こ の と き 、 ア イ ド ラ ー 光子 5 と シ グナ ル 光子 6 は 、 互 い に 発 生 す る 光子 の エ ネ ル ギ ー の 和 が 、 351. lnmの 波長 の 光子 の エ ネ ル ギ 一 に 等 し い 対 、 つ ま り そ れぞれ 702. 2nmの 波長 の 光 子 と し て そ れぞれ発 生 す る 。

特願 平 9— 353078の 「光子 ビ ー ム 発 生 装 置 」 〖こ 詳 し く 記載 さ れて い る よ う に 、 非 線 形 光 学媒質 11の 光学軸 を 、 ポ ン プ光 10に 対 し て あ る 特 定 の 角 度 に 設定す る こ と に よ り 、 発 生す る ア イ ド ラ 光子 5 と シ グ ナ ル光子 6 を 、 ビ ー ム 状 に ， か つ 、 高 効 率 で 発 生 さ せ る こ と が可 能 で あ る 。 図 3 に 、 3 — Barium— Boron— Qxcide ( B B O ) 結 晶 の 光学軸 が 、 ポ ン プ光 に 対 し て 50. 4度 の 角 度 に 設 定 さ れ て い る 場 合 の チ ュ ー ニ ン グ カ ー ブ を 示す 。 図 3 に お い て 、 横軸 は 発 生 し て い る 光子 の 波 長 を 、 縦軸 は 、 ポ ン プ光 の 入 射方 向 に 対す る 光子 の 出 射方 向 を 示 し て い る 。 図 に 見 ら れ る よ う に 2 つ の チ ュ ー ニ ン グ カ ー ブが波 長 702. 2nm に 対応す る 直線 に 接 し て い る 。 こ の 条 件 に お い て は 、 そ れぞれ波 長 702. 2nmの 蛍光対 がそ れぞれ プ ラ ス 3 度 と マ ィ ナ ス 3 度 の 方 向 に ビ ー ム 状 に 射 出 さ れ る 。 こ の よ う な 非線型 光 学媒質 を 用 い る こ と に よ り 、 ポ ン プ光 の 入 射パ ヮ 一 に 対 し て 効 率 よ く 光子対 を 発 生 し 、 結果 と し て 同 等 の レ ー ト で 単 一光子 を 発 生す る 場 合 に 、 装置 の 消 費 電 力 を 低 く 押 さ え る こ と が で き て レゝ る 。

ア イ ド ラ ー 光子 5 は 、 レ ン ズ 15に よ っ て 集光 さ れ 、 波 長 2 λ の 光子 を 選 択 的 に 透過す る フ ィ ル タ 1 7 を 通 し て 光子数検 出 器 2 に 集光 さ れ る 。

( 光子検 出 器 の 説 明 ）

こ の 実施 の 形 態 で は光子検 出 器 2 と し て 、 SEIKO EG &G社製 の S P C M — A Q を 用 い た 。 こ の 光子検 出 器 は 、 受光 素 子 と し て ァ ノ ラ ン シ ェ フ ォ ト ダイ オ ー ド（ A P D ) を ァ ク テ ィ ブ ク ェ ン チ ン グ の ガ イ ガ ー モ ー ド で駆動 し た も の で あ る 。 A P D は 、 あ る 一 定電圧 （ ブ レ ー ク ダ ウ ン 電圧） 以 上 の 電圧 を 印 可す る と 、 単一 の 光子 が入射 し た だ け で も 、 そ れ に よ り 誘 起 さ れ た 内 部 キ ャ リ ア が 印 加電 圧 に よ っ て 加速 さ れ他 の キ ヤ リ ァ を 励起 す る 過程 が終 わ る こ と な く 繰 り 返 さ れ る ブ レ ー ク ダ ウ ン 状態 に な る 。 こ の ま ま で は次 の 光子 の 入射 を 検 出 す る こ と が で き な い 。 ク ェ ン チ ン グ と は 、 光子 の 入 射 に よ る ブ レ ー ク ダ ウ ン 状 態 の 発 生 を 検 出 し た 場 合 、 A P D へ の 印 加 電 圧 を ブ レ ー ク ダ ウ ン 電圧 以 下 に 下 げて ブ レ ー ク ダ ウ ン 状態 を 終 了 さ せ 、次 の 光子 の 入 射 を 検 出 で き る よ う に す る こ と で あ る 。 電圧供給 部分 に 、 単 に 直 列 抵抗 な ど の 受 動 素 子 を 挿 入 し て そ の よ う な 効 果 を 持 た せ た 場 合 を パ ッ シ ブ ク ェ ン チ ン グ と 呼 び 、 増 幅 器 等 を 用 い て そ の よ う な 制御 を 能動 的 に 行 う 場 合 を ア ク テ ィ ブ ク ェ ン チ ン グ と 呼 ぶ。 S P C M — A Q で は 、 光子 が入 射 し て か ら 次 の 光子 が検 出 で き る よ う に な る ま で の 時 間 で あ る 検 出 器 の 不 感 時 間 （ dead ti me) は 100ns程 度 、 出 力 パ ル ス 幅 は 9 ns程度 で あ る 。 も ち ろ ん 、 ノ、 ° ッ シ ブ ク ェ ン チ ン グ の 光子検 出 器 を 用 い る こ と も 可 能 で あ る 。

( 制御 方 法 の 説 明 ）

ア イ ド ラ ー 光子 5 が光子検 出 器 2 に 入 射 し た 場 合 の 、 ゲー ト 装置 4 の 制 御 の た め の 、 微 分 回 路 3 、 ク ロ ッ ク 発 生部 7 、 お よ び ゲ ー ト 装 置 制 御 部 8 の 動作 に つ い て 、 図 4 を 用 い て 説 明 す る 。 図 4 に お い て 、 18は ク ロ ッ ク 発 生 部力 ら 出 力 さ れ る ク ロ ッ ク パ ル ス 、 19は ア イ ド ラ 光子 5 の 光子検 出 器 2 へ の 入 射時刻 を 示す グ ラ フ 、 20は検 出 器 2 カゝ ら 出 力 さ れ る シ グ ナ ル パ ル ス の 様子 を 示 す グ ラ フ 、 2 1 は微分 回 路 か ら の 出 力 信 号 を 示す グ ラ フ 、 2 2 は ゲ 一 ト 装 置制御 部 か ら の 出 力 信 号等 を 示す グ ラ フ で あ る 。

本実施 の 形 態 で は 、 18に 示 さ れ る ク 口 ッ ク パ ル ス が立 ち 上 が っ て か ら 一 定 時 間 て の 間 に 、 光子 が 1 つ だ け含 ま れ る よ う な 光 パ ル ス を 出 力 し 、 そ れ以外 の 時 間 は光子 を 出 力 し な い よ う な 動 作 が実現 さ れ て い る 。

ア イ ド ラ 光子 5 は 、 時 間 て の 間 に 発 生 す る 確 率が十分 高 く な る よ う に 設 定 す る 。 つ ま り 、 ア イ ド ラ 光子 の 発 生 高 く な る よ う に 設 定す る 。 つ ま り 、 ア イ ド ラ 光子 の 発 生 光子数 を 毎秒平 均 N 個 と し た 場 合 、 N > 1 Z て と な る よ う に 設 定 す る 。 時 間 τ は光子 出 力 の 周 期 性 の 指標 と な る も の で あ り 、 周 期 性 を 高 め る に は て を 小 さ く 設定 し 、 そ れ に 応 じ て Ν を 大 き く 設 定す れ ば よ い 。

1 9に み ら れ る よ う な 各時 刻 の ア イ ド ラ 光子 の 入 射 に 伴 い 、 2 0に み ら れ る よ う な シ グ ナ ル ノ、 ° ル ス 列 が検 出 器 2 か ら 出 力 さ れ る 。 た と え ば光子 の 入 射 が時 刻 2 3に 起 こ っ た 場 合 、 そ れ に 応 じ て 検 出 器 2 力ゝ ら は パ ル ス 2 5が 出 力 さ れ る が 、 そ の 直 後 の 時刻 2 4に 入 射 し た 光 子 に 対 し て は 、 検 出 器 の 不 感 時 間 以 内 で あ れ ばパ ル ス は 発 生 し な い 。 発 生 し た パ ル ス 2 5は 、 微分 回 路 を 経 て 2 6の よ う な 微分 信 号 に 変換 さ れ る 。 ゲ ー ト 装 置制御 部 を ト リ ガ す る 信 号 と し て は 、 光子検 出 器 か ら の 出 力 パ ル ス 2 5を 直 接 用 い る こ と も 可 能 で は あ る が 、 こ の よ う な 微 分 信 号 2 6を ト リ ガ と し て 用 い る こ と に よ り 、 シ グ ナ ル パ ル ス 2 5の 形 状 の 揺 ら ぎ に よ る 光子検 出 時 刻 の 揺 ら ぎ を 抑 え る こ と がで き る 。

ゲー ト 装 置制 御 部 8 で は 、 ク ロ ッ ク パ ル ス 1 8の 立 ち 上 が り 後 、 最初 の 微 分 信 号 2 6の ト リ ガ の み に 応 じ て 、 短 い 時 間 δ だ けゲー ト 装置 4 を 開 放 す る 制 御 信号 2 7が生 成 さ れ る 。 ア イ ド ラ ー 光子 5 に 対応 し た シ グ ナ ル光子 6 の ゲ 一 ト 装 置 4 で の 透 過 時 刻 は 、 グ ラ フ 2 2で点 線 お よ び実線 の 棒 で 示 さ れ て い る 。 ア イ ド ラ 光子 5 に よ る シ グナ ル パ ル ス 2 0は 、 電子 回 路 の 信 号 処 理 時 間 だ け遅 れ て い る の で シ グナ ル光子 6 も 遅延 手段 に よ っ て 同 じ 時 間 だ け遅 延 さ せ る が 、 図 4 で は こ れ を 省 略 し て 示 し て い る 。 ゲー ト 装 置 4 で は 、 シ グ ナ ル光子 2 8は透 過 で き る が 、 ゲー ト 装 置 の 開 放 時 間 （5 を 短 く す る こ と に よ り 、 引 き 続 く シ グ ナ ル の 射 出 を 抑 制 す る こ と が で き る 。 次 の ク ロ ッ ク で は 、 同 様 に シ グ ナ ル光子 3 0が 射 出 さ れ る 。

こ の シ グ ナ ル光子 6 は 、 レ ン ズ 1 5に よ っ て 集 光 さ れ 、 波 長 2 λ の光子 を 選 択 的 に 透過 す る フ ィ ル 夕 1 6を 通 し な 力 ら 、 光 フ ァ イ バ 1 2へ と 集光 さ れ る 。 1 4は 、 光 フ ァ イ バ 1 2へ シ グ ナ ル光 6 を 効 率 的 に 入射す る た め の 、 微 動 装 置 で あ る 。

光 フ ァ イ バ 1 2の 長 さ は 、 光子 が ゲ ー ト 装置 4 へ伝達す る の に 、 図 4 を 用 い て 説 明 し た よ う な 信 号処 理 に 要 す る 時 間 だ け 必 要 と な る よ う に 設 定 さ れ る 。 そ の 時 間 の 微 調 整 は 、 光 フ ァ イ バ 1 2の 長 さ の 調 整 で も 、 ま た ゲ ー ト 装 置 制御 部 8 等 に 設 け ら れ た 信 号遅延器 に よ っ て も 可能 で あ る 。

以 上 の よ う な 構 成 に よ り 、 ク ロ ッ ク パ ル ス が立 ち 上 が つ て か ら 一定時 間 て の 間 に 、 光子が 1 つ だ け含 ま れ る よ う な 光 パ ル ス を 出 力 し 、 そ れ以 外 の 時 間 は光子 を 出 力 し な い よ う な 単 一光子源 を 実現 し た 。

こ こ で 、 図 4 に 示 し た ク ロ ッ ク 信 号 1 8、 シ グ ナ ル パ ル ス 2 5、制御 信 号 2 7や 微分 信 号 2 6を 外 部 へ 出 力 す る こ と は 大 変 に 有 用 で あ る 。 ク ロ ッ ク 信 号 1 8は 、 量子暗号通 信 シ ス テ ム の 全 シ ス テ ム を 制 御 す る 信 号 と し て 使用 す る こ と が で き る 。 ま た 、 ク ロ ッ ク 発 生 部 7 を 外 部か ら 供給 さ れ る ク ロ ッ ク に よ り ま か な う 、 も し く は 同 期 さ せ る こ と も 可 能 で あ る 。

ま た 、量子暗号通 信 シ ス テ ム に お け る 光子 の 受 信 者 は 、 シ グナルパル ス 2 5や 微 分 信 号 2 6を用 い て受 信機 側 の ゲー ト 装 置 の 開 放時 間 を 短 か く す る こ と に よ り 、 信 号光子 を そ の 他 の ノ イ ズ信 号 か ら 分離 し て 受 信 す る こ と が可 能 に な る 。

こ の 実 施 の 形 態 で は 、 ク □ ッ ク 開 始 か ら 1 つ 目 の 光子 の み を 透 過 さ せ た 、 ク □ ッ ク 1 8で セ ッ ト さ れ 、 出 力 パ ル ス 数 が あ ら か じ め 設 定 し た 数 N に 達 し た と き に リ セ ッ 卜 さ れ る プ リ セ ッ 卜 カ ゥ ン タ を 用 い れ ば、 ク ロ ッ ク 内 で

N 個 の 光子 を 出 力 す る よ う に す る こ と も 可 能 で あ る 。 こ の 場 合 、 一定時 間 に N 個 の 光子 が含 ま れ る よ う な 状 態 を 生 成す る こ と が で き る

こ の 実 施 の 形 態 に お い て は 連続発 振 光 （ C W光 ） を 、 ポ ン プ光 1 0と し て 用 い た が 、 パ ル ス 光 を ポ ン プ光 と し て 用 い る こ と も 可 能 で あ る 。 ま た 、 非線 型 光学媒質 1 1の 前 後 に ポ ン プ光 を 反 射す る 鏡 ¾ 設置 し キ ヤ ビ テ ィ を 構 成す る こ と に よ り 、 よ り 効 率 的 に ア イ ド ラ 光子 5 お よ び シ グ ナル光子 6 を 発 生 さ せ る こ と も 可能 で あ る 。

実施 の 形態 2

実施 の 形 態 1 に お い て は検 出 器 2 と し て 、 ァ ク テ ィ ブ ク ェ ン チ ン グ制 御 の A P D を 用 い た が 、 ブ レ ー ク ダ ウ ン を 越 え る 電圧 を 常 時 A P D に 印力 Π す る の で は な く 、 一定 時 間 だ け 印 加す る こ と も 可能 で あ る 。 こ の 場 合 の 制 御 の 様子 を 図 5 を 用 い て 説 明 す る 。 図 5 に お い て 、 3 1は A P

D に 加 え ら れ る 印 加電圧 の 時 間 変 化 を 示す グ ラ フ 、 3 2は

A P D か ら の シ グ ナ ル パ ル ス を 示す グ ラ フ 、 3 3は微分 回 路 3 か ら 出 力 さ れ る 微 分信 号 を 示す グ ラ フ で あ る

実施 の 形態 1 に お い て ァ ク テ ィ ブ ク ェ ン チ ン グ に つ い て 説 明 し た 部分 で 述 べ た よ う に 、 A P D に ブ レ ー ク ダ ウ ン 電圧 よ り も 高 い 電圧 が 印 加 さ れ た 場 合 、 一光子 の 入 射 に 対 し て 無 限大 の 増倍 率 を も ち 、 A P D の 出 力 は飽和 し た ブ レ ー ク ダ ウ ン 状態 に な る 。 こ の 実 施 の 形 態 で は 、 こ の A P D へ の 印 力 Π電 圧 を 、 ク ロ ッ ク 18に 応 じ て 制 御 す る 18に 見 ら れ る ク ロ ッ ク の 立 ち 上 が り カゝ ら 時 間 r 程度 の 間 だ け 、 印 加電 圧 を ブ レ ー ク ダ ウ ン 電 圧 よ り 高 い 状態 （ 3 4) に す る 。 そ の 間 、 光子 が 入 射 す る と 同 時 に A P D は ブ レ ー ク ダ ウ ン 状態 に な り 出 力 は飽和 し 、 そ の 状態 は 印 加電圧 が ブ レ ー ク ダウ ン電圧 よ り 低 く な る ま で持続 す る 。 こ の た め 、 A P D 力ゝ ら は 35の よ う な 出 力 パ ル ス が得 ら れ る 。 そ の 微 分 信 号 36の 立 ち 上 が り に よ り ゲ ー ト 装 置 制 御 部 8 を ト リ ガ し 、単 一光子 を 切 り 出 す こ と が可 能 に な る 。

ア ク テ ィ ブ ク ェ ン チ ン グ 制 御 の A P D を 用 い る 場 合 、 そ の 不 感 時 間 や パ ル ス 長 さ は ク ェ ン チ ン グ に 使 用 す る 回 路 に よ る 制 限 力ゝ ら 、 短 く す る こ と は 困 難 で あ り 、 1 ク ロ ッ ク 時 間 を 検 出 器 の 不感 時 間 や パ ル ス 長 さ よ り 短 く す る こ と が 困 難 で あ つ た が 、 こ の 方 法 で は 、 そ れ よ り も 短 い ク ロ ッ ク 時 間 を 実 現 す る こ と が可 能 で あ る 。

実施 の 形 態 3

実施 の 形態 1 に お い て は 、 発 生 す る シ グ ナ ル光 の 波長 は 702. 2nmで あ っ た が 、 こ の 波 長 は適 切 な 非 線 型 光 学媒 質 を 選択す る こ と に よ り 任意 に 変 え る こ と が で き る 。 た と え ば 、 光 フ ァ イ ノ ー を 用 い た 通 信 に 一般 に 用 い ら れ て い る 、 1550nm付 近 、 1310nm付近 、 ま た 800nm付近 の 波 長 を 発 生 さ せ る こ と も 可能 で あ る 。

実施 の 形態 1 ( 図 3 ) に 示 し た 光子対 の 発 生 方 法 は 、 波長 が等 し く 角 度 の 広 が り の 小 さ い 光子対 ビ ー ム を 得 る の に 適 し た 方 法 で あ る が 、 別 の 目 的 に 対 し て は 、 B B O 結 晶 の 光学軸 方 向 を 変 え る こ と に よ り 、 波長 の 異 な る 光 子対 を 得 る こ と も で き る 。 こ の 場 合 に は 、 図 3 の 2 つ の チ ュ ー ニ ン グ カ ー ブ は そ れぞれ 異 な る 波 長 に 対応す る 直 線 に 接 す る 。 こ の 場 合 に も 、 光子 の 取 り 出 し 方 向 は 、 図 3 に 示 し た チ ュ ー ニ ン グ カ ー ブがそ れ ぞれ の 波 長 に 対応 す る 直 線 に 接す る 角 度 で 取 り 出 す 。 こ の 条 件 に よ れ ば、 一般 に 円 錐 状 に 広 が る 光子 が 一 本 の ビ ー ム に ま と ま り 、 分布 密 度 の 高 い 光子 ビ ー ム が得 ら れ る 。

本発 明 の こ の よ う な そ の 他 の 実 施 の 形態 と し て は 、 図 2 に お い て 、 ポ ン プ光源 7 と し て 半 導体励 起 Y a g レ ー ザ一 の ァ ッ プ コ ン ノ ー ジ ョ ン レ ー ザー を 用 い て 532nmの ポ ン プ光 8 を 発 生 さ せ 、 シ グ ナ ル光 子 6 と し て 1310nm の 光子 を 、 ア イ ド ラ ー 光子 5 と し て 896nmの 光子 を 発 生 さ せ る 装 置 が あ る 。 こ の と き 、 特 願 平 9一 353078の 「光 子 ビ ー ム 発 生 装 置 」 に 詳 し く 記 載 さ れ て い る よ う な 方 法 で 、 非 線型 光学媒質 の 光学軸 の な す 角 度 を 、 そ の チ ュ ー 二 ン グ カ 一 ブがそ れ ぞれ 1310nmと 896nmで 接す る よ う な 角 度 に 設定 し 、 光子対 の 発 生 効 率 を 高 め て い る 。 ま た 、 こ の よ う に ア イ ド ラ ー 光子 の 波 長 を 可視光 の 波 長 に 近 い 近 赤 外 域 に 設 定す る こ と に よ り 、 光子 数検 出 器 2 の 量子 効 率 が高 い 状態 で 光子 数 の検 出 が 可 能 に な っ て い る 。

こ の よ う な 構 成 に よ り 、 光 フ ァ イ バ 一 中 で の 伝送 損失 の 小 さ レ 1310 n m付 近 の 光子 を 、 ク 口 ッ ク パ ル ス が 立 ち 上 っ て か ら 一定 時 間 て 以 内 に 2 光子 が密集 し て 存在 し な い よ う に し て 発 生 さ せ る こ と が 可 能 に な っ た 。 ま た 、 本 実施 の 形態 に お い て は 、 結 晶 の 角 度 を 上記 の よ う に 設定 す る こ と に よ り 効 率 よ く 光子対 を 発 生 さ せ る こ と が 可 能 に な り 、 ま た 、 ア イ ド ラ ー 光子 の 光子 数 の 高 い 検 出 効率 を 維持す る こ と が可能 に な っ て お り 、 結果 と し て 装 置 の 消 費電 力 を 減 少 す る こ と が で き た 。

実施 の 形 態 4 本 発 明 の そ の 他 の 実 施 の 形態 を 図 6 に 示す 。 こ の 実 施 の 形 態 に お い て 、 9 は 導 波 路 型 非 線 型 光 学媒 質 3 8を ボ ン プす る ポ ン プ光 源 、 3 7は ポ ン プ光 を フ ァ イ バ 一 中 を 導波 さ せ る 光 フ ァ ィ バ 、 3 9は 導 波 路 型 非 線 型 光学媒 質 3 8か ら 発 生 し た 蛍光対 と ポ ン プ光 と を 分 別 す る 導 波 路 型 フ ィ ル 夕 、 4 0は ボ ン プ光 の 射 出 口 、 4 1は蛍 光 対 を 2 つ の 分 岐 に 分別 す る 導波路 型 フ ィ ル 夕 で あ る 。

こ の 実 施 の 形 態 で は 、 パ ラ メ ト リ ッ ク 蛍光 対 は導 波路 型 非 線 型 光学媒 質 3 8に お い て 発 生 す る 。 蛍光対 は 、 そ れ ぞれ縦 、 横 の 偏光 を 持 っ て お り 、 偏光 ビ ー ム ス プ リ ツ 夕 一 と し て 動作す る 導 波 路 型 フ ィ ル 夕 4 1に お い て 、 そ の う ち の 一方 の偏光 を も つ も の が光子数検 出 器 2 へ 、 も う 一 方 が光 フ ア イ バ 1 2へ と 伝達 さ れ る 。

こ の よ う な構 成 に よ り 、 装 置 を 小 型 化す る こ と が 可能 に な り 、 ま た 、 光学 的 ァ ラ イ メ ン ト が不 要 に な っ た 。

こ の 実施 の 形 態 で は 、 導波 路 型 非線型 光学媒質 3 8と し て 、 疑似位相 整 合 型 非 線 型 光学媒質 を 用 い る 。 日 本 物理 学会 講 演概要 集第 5 3巻第 2 号第 2 分冊 3 4 1ペ ー ジ の 佐 中 ら に よ る 「光導 波路 型 非 線 型 素 子 に よ る 2 光子 相 関 現 象 I J に よ っ て述 べ ら れ て い る よ う に 、 擬似位相 整合 型 の 導 波 路 型 非線型 媒質 で は 、 使 用 す る ポ ン プ光 と 発 生 す る 光子が平行 に 発 生す る よ う な 条 件 を 満 た す よ う な 非 線型 性 を 、 擬似位相 整合 に よ り 得 る こ と が可 能 に な る 。

こ れ に よ り 、 ポ ン プ光 と 発 生 光子 の 波 長 を 任 意 に 選 択 す る こ と が可能 に な っ た 。

も ち ろ ん 、 こ の 実施 の 形 態 に お い て も 、 ポ ン プ光 源 9 と し て は 、 パ ル ス 光源 お よ び C W光源 を 用 い る こ が 可 能 で あ る 。 ま た 、 導 波 型 非 線型 光 学媒 質 3 8の 前後 に ポ ン プ 光 を 反 射す る 鏡 を 設 置 し キ ヤ ビ テ ィ を 構 成 す る こ と に よ り 、 よ り 効 率 的 に ア イ ド ラ 光子 お よ び シ グ ナ ル 光子 を 発 生 さ せ る こ と も も ち ろ ん 可能 で あ る 。

実施 の 形 態 5

そ の 他 の 実施 の 形態 と し て 、 図 2 に お け る ゲー 卜 装 置 4 に シ ャ ッ タ ー を 2 つ 備 え た も の を 図 7 に 示 す 。 図 7 に お い て 、 1 2は シ グ ナ ル 光子 の ゲ ー ト 装 置 へ の 到 達 時刻 を 遅延 さ せ る た め の 光 フ ァ イ バ 、 4 3、 4 5は電 気 光 学 素 子 、 4 2、 4 4、 4 6は偏光 板 、 4 7は ノ ッ ト ゲ ー ト 、 4 8は遅延 器 、 8 は コ ン ト ロ ー ル 装 置 で あ る 。 こ の と き 、 偏 光 板 4 4お よ び 4 6は 、 偏光板 4 2を 通過 し た 光 の 偏光 に 対 し て 最 大 の 透 過率 を 持 ち 、 そ れ と 直 交す る 偏光 を も つ 光 は透 過 し な い よ う に 設定す る 。 ま た 、 電気光 学 素 子 4 3と 4 5は 、 与 え ら れ る 制 御 信 号 の 論 理 が 1 で あ れ ば偏光 を 9 0度 回転 し 、 0 で あ れ ば偏光 を 回 転 し な い も の と す る 。 偏光 板 の 対 と 、 それ ら に 挟 ま れ た 偏光 を 回転 さ せ る 電気光学 素 子 に よ つ て 、 シ ャ ッ タ ー を 構成す る こ と が可 能 で あ る が 、 こ の 実 施 の 形態 に お い て は偏光板 4 4が 、 そ れ ら 2 つ の シ ャ ツ 夕 一 で共用 さ れて い る 形 で あ る 。

ゲー ト 装 置 は で き る だ け 、 光子 が存 在 し て い る 間 の み 開 の 状態 を 保 ち 、 そ れ以外 の 間 は 閉 で あ る こ と が望 ま し い 。 し か し 、 そ の 応 答 時 間 の 短 さ が特徴 で あ る 電気光学 素子で も 、 単体 で は 、 そ の ゲー ト 時 間 は そ の 電 気光学素 子 の 繰 り 返 し 応 答 時 間 に よ っ て 規 定 さ れ る 時 間 以下 に は 設定 で き な か っ た 。 こ の 実施 の 形 態 は 、 ゲー ト 装置 を 2 つ 備 え る こ と に よ り 、 ゲー ト 装 置 の 繰 り 返 し 応答 時 間 よ り 短時 間 で の ゲ ー 卜 操 作 を 実現 し た 。

こ の ゲー ト 回 路 の 動 作 を 、 図 8 を 用 い て 説 明 す る 。 図 8 に お い て 、 横軸 は 時 間 を 表す 。 一 番 上 の グ ラ フ は 、 ゲ 一 ト 操 作 部 に 目 標 と す る 光子 数 の 状 態 が到達 し て い る 確 率 を 、 グ ラ フ A は 、 図 7 の A 点 で の 信 号 を 、 グ ラ フ B は 同 様 に 図 7 の B 点 で の 信 号 の 状 態 を 表 す 。 A は コ ン ト 口 — ル装 置 か ら の 制 御 信 号そ の も の と 考 え て よ い 。 電 気光 学素子 4 5は 偏光子 44、4 6と の 組 み 合 わ せ に よ り 論 理 0 が 入 力 さ れ て い る と き は光子 を 透 過 さ せ 、 ま た 論 理 1 が入 力 さ れて い る と き は光子 を 遮蔽す る 。

電気光 学 素 子 4 3も 、偏光子 4 2と 4 4と の 組 み 合 わ せ に よ り 同 様 に 働 く 。

図 8 の グ ラ フ A の 時 刻 T O に お け る 状態 の よ う に 、 コ ン ト ロ ー ル 装 置 か ら の 制御 信 号 は常 時 は 1 に 設 定す る 。 こ の 場 合 、 電 気光学 素 子 4 5に よ っ て 、 ゲー ト 装 置 と し て は光子 を 透過 さ せ な い 。 こ の と き 、 電 気光学素 子 4 3に は ノ ッ ト ゲー ト 4 7に よ っ て 論 理 0 が入 力 さ れて お り 、 光子 を 透過 さ せ る 。

コ ン ト ロ ー ル 装 置 8 は 、 偏光 を 光子 が ゲー ト 操作 部 に 到達す る と 予 測 さ れ る 直 前 の 時 刻 T 1 に電気光学素 子 4 5 が 開 に な る よ う に 、出 力 の 論 理 を 1 カゝ ら 0 に 変 化 さ せ る 。 こ の と き 、 遅延 器 4 8の 働 き に よ り 、 電 気光学 素 子 4 3は論 理 0 の ま ま で あ る 。 こ の と き 、 光子 は ゲー ト 装 置 を 透過 可能 に な っ て い る 。 こ の 状態 は 遅延器 に よ っ て 設定 さ れ た 時 間 の 間 継続す る 。 そ の 遅延 の 後 、 T 2 に お い て 電気 光学素子 へ の 論 理 が 1 に フ リ ッ プ し 、 電 気光学 素子 4 3に よ っ て構 成 さ れ る シ ャ ッ タ ー を 光子 は透 過 で き な く な る 。 時刻 T 3 で 、 制 御 信 号 は 再 び 0 か ら 1 へ と 変化 し 、 電気 光学 素 子 4 5は 閉 の 状態 に 遷移 し 、 T 4 で 初期 状 態 に 戻 る ， 以 上 の よ う な 構 成 に よ り 、 非 常 に 短 い 時 間 だ け ゲ ー ト 装 置 を 開 く こ と が可 能 に な り 、 必 要 な 光子 の み を 選 択 的 に 射 出 す る こ と が 可 能 に な っ た 。

こ の 実 施 の 形 ί お い て は電 気 光学 素 子 を 用 い て シ ャ ッ タ ー を 構 成 し た が 、 も ち ろ ん そ の 他 の シ ャ ッ タ ー を 用 い る こ と も で き る 。 た と え ば 、 光 — 光 ス イ ツ チ を 用 い れ ば、 よ り 高 速 な シ ャ ッ 夕 一 動 作 を 実現 で き る 。 ま た 、 音 響光学 素 子 を 用 い た 場 口 、 そ の 繰 り 返 し 速度 よ り 高 速 な シ ャ ッ タ ー を 安 価 に 構築 で き る 。 機械式 シ ャ ッ タ ー を 用 い る こ と も 可 能 で あ る 。

本 発 明 の 第 1 の 構 成 に か カゝ わ る 単 一光 子発 生 装 置 は 、 シ グ ナ ル光子 と ァ ィ ド ラ 一 光子 か ら な る 発 生 時刻 に 相 関 を も つ 光子対 を 発 生す る 光子対源 、 ア イ ド ラ 一 光子 の 光 子 の 入 射 を 検 出 す る 光子検 出 器 、 ク ロ ッ ク 発 生器 、 そ の ク □ ッ ク に よ つ て 規定 さ れ る 一 定 時 間 内 に 特定 の 回 数 を 下 回 る 回 数 の み ゲ 一 卜 装 置 を 開 閉 す る た め の 信 号 を 生 成 す る ゲ 一 卜 装置 制 御 部 、 ゲー ト 装 置 制 御 部 か ら の 信 号 に 応 じ て 開 閉 す る ゲ一 卜 装 置 を 備 え て い る の で 、 ク Ώ ッ ク パ ル ス が立 上 つ て か ら 一定 時 間 内 に 特定 の 数 を 下 回 る 数 の 光子 を 発 生す る こ と が で き る 。

本 発 明 の 第 2 の 構成 に か か わ る 単 一光子発 生 装 置 は 、 シ グ ナ ル光子 と ァ ィ ド ラ 一光子 か ら な る 発 生 時 刻 に 相 関 を も つ 光子対 を 発 生 す る 光子対 源 、 ア イ ド ラ 一 光子 の 光 子 の 入 射 を 検 出 す る 光子検 出 §5 、 ク □ ッ ク 発 生器 、 そ の ク □ ッ ク に よ つ て 規 定 さ れ る 一 定 時 間 内 の 最 初 の 光子検 出 器 か ら の 信 号 に 対 し て の み ゲー 卜 装 置 を 開 閉 す る た め の 信 号 を 生 成す る ゲ一 卜 装 置 制 御 部 、 ゲ ー ト 装 置 制御 部 か ら の 信 号 に 応 じ て 開 閉 す る ゲー ト 装 置 を 備 え て い る の で 、 ク ロ ッ ク パ ル ス が立 上 っ て か ら 一 定 時 間 内 に 1 個 の み の 光子 を 発 生 す る こ と がで き る 。

本 発 明 の 第 3 の 構 成 に か か わ る 単 一光子発 生 装 置 は 、 第 1 、 第 2 の い ずれ か の 構 成 に お い て 、 前記光 子対 源 と し て 、 ポ ン プ光光 源 と 、 前記 ポ ン プ光 が 入射す る 非 線 型 光学媒質 を 備 え て い る の で 、 ク ロ ッ ク パ ル ス が 立 上 っ て か ら 一 定 時 間 内 に 特定 の 数 を 下 回 る 数 の 光子 ま た は 1 個 の み の 光子 を 効 率 よ く 発 生 さ せ る こ と が で き る 。

本発 明 の 第 4 の 構 成 に か か わ る 単 一 光子発 生 装 置 は 、 第 3 の 構成 に お い て 、 前 記 ポ ン プ光 が 入 射す る 非 線 型 光 学媒質 と し て 、 ポ ン プ光 と 、 非 線 型 光学媒 質 の 光学 軸 の な す 角 度 が 、 そ の チ ュ ー ニ ン グ カ ー ブが あ る 特 定 の 単一 波長 a に 対応す る 直線 に 接す る よ う な 角 度 に 設 定 さ れ た 非線型 光学結 晶 を 備 え て い る の で 、 特定 の 単 一 波長 の 光 子対 を 効 率 よ く 発 生 さ せ る こ と が で き る 。

本発 明 の 第 5 の 構成 に か か わ る 単 一光子発 生 装置 は 、 第 3 の 構成 に お い て 、 前記 ポ ン プ光 が入 射す る 非 線 型光 学媒質 と し て 、 ポ ン プ光 と 、 非 線型光学媒質 の 光学軸 の な す 角 度 が 、 そ の チ ュ ー ニ ン グ カ ー ブが あ る 特 定 の 波長 a 、 b に 対応 す る 直線 に 接す る よ う な 角 度 に 設 定 さ れ た 非 線 型 光学結 晶 を 備 え て い る の で 、 特 定 の 2 つ の 波長 の 光子対 を 効率 よ く 発 生す る こ と がで き る 。

本発 明 の 第 6 の 構成 に か か わ る 単 一光子発 生 装 置 は 、 第 3 の 構成 に お い て 、 前記 ポ ン プ光 が入 射す る 非線型光 学媒質 と し て 、 導 波路 型 の 非 線型 光学媒質 を 備 え て い る の で 、 光学的 な 調 整 が不 要 な 小 型 の 単 一光子発 生 装 置が 実現 で き る 。

本 発 明 の 第 7 の 構成 に か か わ る 単 一光子発 生 装 置 は 、 第 3 〜 6 の い ずれ か の 構 成 に お い て 、 前 記 ポ ン プ光 が入 射す る 非線型 光 学媒質 と し て 、 擬似位 相 整 合 型 非線 型 光 学媒質 を 備 え て い る の で 、 ポ ン プ光 と 平行 な 方 向 に 光子 対 を 発 生 さ せ る こ と が で き る 。

本発 明 の 第 8 の 構 成 に か か わ る 単 一光子 発 生 装 置 は 、 第 1 〜 7 の い ず れ か の 構 成 に お い て 、 前記 シ グ ナ ル 光子 の 射 出 を 制御 す る ゲ ー ト 装 置 と し て 、 開 閉 時 間 よ り 短 い 時 間 差 で 開 閉 す る 複 数 の シ ャ ッ タ ー を 備 え て い る の で 、 シ ャ ッ タ ー の 開 閉 時 間 よ り 短 か い 時 間 で 開 閉 す る ゲ ー ト を 実現 で き る 。

本発 明 の 第 9 の 構 成 に か か わ る 単 一光 子 発 生 装 置 は 、 第 1 〜 8 の い ず れ か の 構成 に お い て 、 前記光子対 か ら 発 生 し た シ グ ナ ル 光子 を 、 そ の 光子 の 射 出 を 制 御 す る ゲー ト 装置 に 到達 さ せ る 光 フ ァ イ バ一を 備 え て い る の で 、 ゲ 一 卜 の 開 閉 時刻 と ゲー 卜 へ の シ グ ナ ル光子 の 到達 時 刻 を 一致 さ せ る こ と が で き る 。 産 業 上 の 利 用 可 能 性

本発 明 に か か わ る 単一光子発 生 装 置 は 、 シ グ ナ ル光子 と ア イ ド ラ ー光子 か ら な る 発 生 時 刻 に 相 関 を も つ 光子対 を 発 生す る 光子 対源 、 ア イ ド ラ 一 光子 の 光子 の 入射 を 検 出す る 光子検 出 器 、 ク ロ ッ ク 発 生器 、 そ の ク ロ ッ ク に よ つ て 規定 さ れ る 一定時 間 内 に 特定 の 回 数 を 下 回 る 回 数 の み ゲー ト 装 置 を 開 閉 す る た め の 信 号 を 生 成す る ゲー ト 装 置 制御 部 、 ゲー ト 装 置 制御 部か ら の 信 号 に 応 じ て 開 閉 す る ゲー ト 装 置 を 備 え て い る の で 、 ク ロ ッ ク パ ル ス が立上 つ て か ら 一定 時 間 内 に 特定 の 数 を 下 回 る 数 の 光子 を 発 生 す る こ と がで き る 単 一光子発 生 装 置 と し て 有 用 で あ る 。

Claims

請 求 の 範 囲 シ グナル光子 と ア イ ド ラ 一 光子か ら な る 発 生時刻 に 相 関 を も つ 光子対 を 発 生す る 光子対源、 ア イ ド ラ 一光 子の光子の入射 を検出す る 光子検 出器、 ク ロ ッ ク 発 生 器、 そ の ク ロ ッ ク に よ っ て規定 さ れ る 一定時間 内 に特 定の 回数 を下回 る 回数 のみゲー ト 装置 を 開 閉す る た め の信号 を 生成す る ゲー ト 装置制御部 、 ゲー ト 装置制御 部か ら の信号 に応 じ て 開 閉す る ゲー ト 装置 を備 え る こ と を特徴 と す る 単一光子発 生装置。

シ グナル光子 と ア イ ド ラ ー光子か ら な る 発生時刻 に 相 関 を も つ光子対 を発生す る 光子対源、 ア イ ド ラ ー光 子の光子の入射 を検出す る 光子検 出器、 ク ロ ッ ク 発生 器、 そ の ク ロ ッ ク に よ っ て規定 さ れ る 一定時間 内 の 最 初 の光子検出器か ら の信号 に対 し て のみゲ一 ト 装置 を 開 閉す る た め の信号 を 生成す る ゲー ト 装置制御部、 ゲ 一 ト 装置制御部か ら の信号 に 応 じ て 開 閉す る ゲー ト 装 置 を備 え る こ と を特徴 と す る 単一光子発生装置。

前記光子対源 と し て 、 ポ ン プ光光源 と 、 前記ポ ン プ 光が入射す る 非線型光学媒質 を 備 え る こ と を特徴 と す る 、 請求 の範囲第 1 項記載 の単一光子発生装置。

前記ポ ン プ光が入射す る 非線型光学媒質 と し て 、 ポ ン プ光 と 、 非線型光学媒質 の光学軸 のなす角 度が、 そ のチ ュ ー ニ ン グカ ー ブがあ る 特定 の単一波長 a に対応 す る 直線 に接す る よ う な 角 度 に 設定 さ れた 非線型光学 結晶 を備 え る こ と を特徴 と す る 、 請求 の 範 囲第 3 項記 載の単一光子発 生装置。

前記ポ ン プ光が入射す る 非線型光学媒質 と し て 、 ポ ン プ光 と 、 非線 型 光 学媒質 の 光 学軸 の な す 角 度 が 、 そ の チ ュ ー ニ ン グ カ ー ブ が あ る 特 定 の 波長 a 、 b に 対 応 す る 直 線 に 接す る よ う な 角 度 に 設 定 さ れ た 非線型 光 学 結 晶 を 備 え る こ と を 特徴 と す る 、 請 求 の 範 囲 第 3 項 記 載 の 単 一光子発 生 装 置 。

前 記 ポ ン プ光 が 入 射す る 非 線型 光 学媒 質 と し て 、 導 波 路 型 の 非線型 光 学媒 質 を 備 え る こ と を 特徵 と す る 、 請求 の 範 囲 第 3 項 記 載 の 単 一光子発 生装 置 。

前 記 ポ ン プ光 が 入 射す る 非 線型 光学媒質 と し て 、 擬 似位 相 整 合 型 非 線型 光 学媒 質 を 備 え る こ と を 特徴 と す る 、 請 求 の 範 囲 第 3 項 記載 の 単 一光子発 生 装 置。

前記 シ グ ナ ル光子 の 射 出 を 制 御 す る ゲー ト 装置 と し て 、 開 閉 時 間 よ り 短 い 時 間 差 で 開 閉 す る 複 数 の シ ャ ツ 夕一を 備 え る こ と を 特徴 と す る 、 請求 の 範 囲 第 1 項 記 載 の 単一光子発 生 装 置。

前記光子対か ら 発 生 し た シ グナ ル光子 を 、 そ の 光子 の 射 出 を 制 御す る ゲ ー ト 装 置 に 到達 さ せ る 光 フ ァ イ バ 一を 備 え る こ と を 特徴 と す る 、 請求 の 範 囲 第 1 項記 載 の 単 一光子発 生 装 置 。