[go: up one dir, main page]

JP2017161619A - Photon generator - Google Patents

Photon generator Download PDF

Info

Publication number
JP2017161619A
JP2017161619A JP2016044207A JP2016044207A JP2017161619A JP 2017161619 A JP2017161619 A JP 2017161619A JP 2016044207 A JP2016044207 A JP 2016044207A JP 2016044207 A JP2016044207 A JP 2016044207A JP 2017161619 A JP2017161619 A JP 2017161619A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
parametric
unit
optical
optical path
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2016044207A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
薫 清水
Kaoru Shimizu
薫 清水
信幸 松田
Nobuyuki Matsuda
信幸 松田
浩司 東
Koji Azuma
浩司 東
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP2016044207A priority Critical patent/JP2017161619A/en
Publication of JP2017161619A publication Critical patent/JP2017161619A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Optical Communication System (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

【課題】スペクトル広がりの極めて狭い光子を、より効率的に発生する。【解決手段】パラメトリック誘導部103は、各々が異なる光路で導かれた第1光151,第2光152,第3光153を入力し、誘導パラメトリック過程により第1光151,第2光152,および第3光153の間に相互作用を生じさせて第1光151の量子状態を変化させて第1光路131に出力する。位相シフタ107は、第5光に対して第4光との間でπ/2の位相差を与える。合波部108は、第4光および位相シフタ107で位相が与えられた第5光を合波して(干渉させて)第1出力ポート134および第2出力ポート135に出力する。【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To generate photons having an extremely narrow spectrum spread more efficiently. SOLUTION: A parametric guiding unit 103 inputs a first light 151, a second light 152, and a third light 153, each guided by a different optical path, and a first light 151, a second light 152, by a guided parametric process. And the third light 153 interacts with each other to change the quantum state of the first light 151 and output it to the first optical path 131. The phase shifter 107 gives a phase difference of π / 2 between the fifth light and the fourth light. The combined wave unit 108 combines (interferes with) the fourth light and the fifth light whose phase is given by the phase shifter 107, and outputs them to the first output port 134 and the second output port 135. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本発明は、スペクトル広がりの極めて狭い光子を効率的に発生する光子発生装置に関する。   The present invention relates to a photon generator that efficiently generates photons having a very narrow spectral spread.

光と原子との相互作用により光や原子の量子状態を制御することは、今日の精密分光技術の基幹をなすだけではなく、将来に期待される量子情報処理技術(量子計算機など)にとっても重要な要素技術となっている。とりわけ原子やイオンの量子準位の周波数差と光の周波数が一致した場合、いわゆる共鳴の場合には、相互作用の効果が格段に大きくなり、量子状態の効率的な制御が可能になる。ところが、原子の共鳴のスペクトル幅は数MHz程度以下と、通常は大変に狭く、光の周波数を精密に合わせなくてならない。更に量子光通信や量子光計測では、周波数スペクトルを非常に狭くした光子を準備することが必要になる。   Controlling the quantum state of light and atoms by the interaction of light and atoms is not only the basis of today's precision spectroscopy technology, but also important for quantum information processing technologies (quantum computers, etc.) that are expected in the future Elemental technology. In particular, when the frequency difference between the quantum levels of atoms and ions coincides with the frequency of light, in the case of so-called resonance, the effect of interaction is greatly increased, and the quantum state can be controlled efficiently. However, the spectral width of atomic resonance is usually very narrow, about several MHz or less, and the frequency of light must be precisely matched. Furthermore, in quantum optical communication and quantum light measurement, it is necessary to prepare photons with a very narrow frequency spectrum.

物質原子との共鳴を必要としない用途に対して、スペクトル広がりの広い単一光子を発生時刻の保証付き(伝令付き)で供給する、伝令付き単一光子発生装置は既に開発されている。これには、ある種の物質が有する非線形光学効果が用いられており、周波数の高い光子のエネルギーが、2つの周波数の低い光子へと分裂することで、一方を伝令とし、他方を信号光子として供給するものである。この分裂は、確率的に自然に生じる現象であり、自然パラメトリック変換過程と呼ばれている。   For applications that do not require resonance with material atoms, single photon generators with a messenger that supply single photons with a broad spectrum spread with a guaranteed generation time (with a messenger) have already been developed. This uses the nonlinear optical effect of certain substances, where the energy of a high-frequency photon splits into two low-frequency photons, one as a messenger and the other as a signal photon. To supply. This splitting is a phenomenon that occurs stochastically and is called a natural parametric transformation process.

光子のスペクトル幅が数100GHz〜1THz程度と広いため、上述の変換確率は比較的良好であり、高エネルギーの光子1個あたりでは、変換確率は10-6〜10-5程度である。また、光子を多数入力することで、正味の信号光子の発生の確率を0.1程度まで上げることができる。 Since the spectrum width of photons is as wide as about several hundred GHz to 1 THz, the above-described conversion probability is relatively good, and the conversion probability is about 10 −6 to 10 −5 per high-energy photon. Also, by inputting a large number of photons, the probability of the generation of net signal photons can be increased to about 0.1.

一方で、原子の共鳴線に合わせるために信号光子のスペクトル幅を1MHzまで狭めようとすると、それだけで5桁から6桁も発生の効率が低下してしまうことが分かる。このように、従来の自然パラメトリック変換過程を用いた方法は、そのままでは狭線幅な単一光子の発生装置としては利用できないことが問題となっていた。   On the other hand, it is understood that if the spectral width of the signal photon is narrowed to 1 MHz in order to match the resonance line of the atom, the generation efficiency decreases by 5 to 6 digits by itself. As described above, the conventional method using the natural parametric conversion process cannot be used as a single photon generator having a narrow line width as it is.

上記の問題を解決するために、光子の発生においても原子の共鳴遷移を利用する方法が提案され、実験が行われている(非特許文献1参照)。具体的には、この過程はラマン散乱過程と呼ばれる。以下説明する、まず、エネルギーが極めて近接した2つ基底状態のペア(状態1と状態2)と、光による励起状態(状態3)とを有した三準位系をまず準備する。次に、この原子の集団を充分に冷却して熱的な雑音の影響を被らないようにする。次に、どの原子を見ても準位1に電子が存在し、準位2と準位3には電子が存在しないように、電子の初期状態を準備する。この初期状態の準備も強い光の照射によって行われる。   In order to solve the above problem, a method using an atomic resonance transition in the generation of photons has been proposed and an experiment has been conducted (see Non-Patent Document 1). Specifically, this process is called a Raman scattering process. First, a three-level system having two ground state pairs (states 1 and 2) in which energy is extremely close to each other and an excited state (state 3) by light is prepared first. Next, this group of atoms is sufficiently cooled so as not to be affected by thermal noise. Next, an initial state of electrons is prepared so that electrons are present at level 1 and no electrons are present at levels 2 and 3 regardless of which atom is seen. This initial state is also prepared by intense light irradiation.

上述した初期状態が準備できた後、準位3と準位1の間の遷移周波数に共鳴する光周波数と適度な強さをもつ、スペクトル幅の狭いレーザー光を上記原子集団に照射する。この照射によって、ごく少数の割合の原子において、電子が準位1から準位2へと移動する。この過程を自然ラマン散乱と呼ぶ。この移動に伴い、移動が生じた原子の数に一致する数の光子が放出される。ここで放出される光子の周波数は、準位3と準位2の間の遷移周波数に等しい。ここで、特定の方位において、放出された光子が1個の場合に注目する。これは準位2に電子がいる原子の数が1個しかない状況に対応している。   After the above-described initial state is prepared, the atomic group is irradiated with a laser beam having a narrow spectral width and an optical frequency that resonates with the transition frequency between level 3 and level 1 and an appropriate intensity. By this irradiation, electrons move from level 1 to level 2 in a very small proportion of atoms. This process is called natural Raman scattering. Along with this movement, a number of photons corresponding to the number of atoms in which the movement has occurred are emitted. The frequency of the photons emitted here is equal to the transition frequency between level 3 and level 2. Here, attention is paid to the case where one photon is emitted in a specific orientation. This corresponds to the situation where there is only one atom with electrons at level 2.

ここまで条件を選択してから、次に、準位3と準位2の間の遷移周波数に共鳴する光周波数と、適度な強度をもつ、スペクトル幅の狭いレーザー光を上記原子集団に照射する。この光は、電子が準位2にいる原子とのみ相互作用し、電子を準位2から準位1へと移す。このとき、準位3と準位1との間の遷移周波数に一致する周波数を有した1個の光子が特定の方向に必ず発生する。   After selecting the conditions so far, next, the above-mentioned atomic group is irradiated with a laser beam having an optical frequency that resonates with the transition frequency between level 3 and level 2 and an appropriate intensity and a narrow spectral width. . This light interacts only with atoms whose electrons are at level 2 and moves the electrons from level 2 to level 1. At this time, one photon having a frequency matching the transition frequency between level 3 and level 1 is always generated in a specific direction.

このように、最初の過程で1個の光子が観測できた場合に限り、次の過程で照射の段階で光子が1個だけ発生することを保証できる。このとき発生する光子のスペクトル幅は、原子の共鳴の幅程度しかなく、極めて狭い。また最初の観測した光子は、いわゆる伝令光子の役割を果たしていることに注意する。   Thus, only when one photon can be observed in the first process, it can be guaranteed that only one photon is generated at the irradiation stage in the next process. The spectral width of the photons generated at this time is only about the width of the resonance of atoms, and is extremely narrow. Also note that the first observed photon plays the role of a so-called messenger photon.

上述したラマン散乱過程を利用することで、確かに、スペクトル幅の狭い単一光子を伝令光子付きで供給することは可能である。   By using the Raman scattering process described above, it is possible to supply a single photon with a narrow spectral width with a messenger photon.

しかし、ラマン散乱過程が生じる確率は充分に高いとはいえず、この方法を採用したとしても、1秒間に供給できる光子の数は0.1個程度と極めて少ないのが実状であった。但し、非特許文献1の方法では、発生する光子の周波数が2つに限定されるためスペクトル領域での雑音の問題を回避できるという大きな利点がある。   However, the probability of the occurrence of the Raman scattering process is not sufficiently high, and even if this method is adopted, the actual number of photons that can be supplied per second is about 0.1. However, the method of Non-Patent Document 1 has a great advantage that the problem of noise in the spectral region can be avoided because the frequency of generated photons is limited to two.

T. Chaneliere et al., "Storage and retrieval of single photons transmitted between remote quantum memories", Nature, vol.438, pp.833-836, 2005.T. Chaneliere et al., "Storage and retrieval of single photons transmitted between remote quantum memories", Nature, vol.438, pp.833-836, 2005. 小島 忠宣 小島 和子 共著、「ラウドン 光の量子論」、株式会社内田老鶴圃新社発行、初版、172−173頁、昭和53年3月5日。Co-authored by Tadanobu Kojima, Kazuko Kojima, “The Quantum Theory of the Light of Light”, published by Uchida Otsukaku Shinsha Co., Ltd., first edition, pages 172-173, March 5, 1978. H. Zhang et al., "Preparation and storage of frequency-uncorrelated entangled photons from cavity-enhanced spontaneous parametric downconversion", Nature Photonics, vol.5, pp.628-632, 2011.H. Zhang et al., "Preparation and storage of frequency-uncorrelated entangled photons from cavity-enhanced spontaneous parametric downconversion", Nature Photonics, vol.5, pp.628-632, 2011.

以上に説明したように、広いスペクトル広がりを有する光子を伝令付きで供給するのに適していた非線形光学効果(自然パラメトリック変換過程)は、数MHz程度のスペクトル幅しかもたない光子を供給するには、発生効率があまりにも小さすぎるために利用できない。また、冷却された原子集団におけるラマン散乱過程を用いた方法も、自然ラマン散乱の確率が小さいため、効率的な光子発生装置としては機能していない。このようにいずれの従来技術においても、スペクトル広がりの極めて狭い光子を、効率的に発生することは原理的に困難であるという問題があった。   As explained above, the nonlinear optical effect (natural parametric conversion process) that was suitable for supplying photons with a wide spectral spread with a messenger is necessary for supplying photons having a spectral width of only several MHz. The generation efficiency is too low to be used. In addition, the method using the Raman scattering process in the cooled atomic group does not function as an efficient photon generator because the probability of natural Raman scattering is small. As described above, any of the conventional techniques has a problem that it is difficult in principle to efficiently generate photons having a very narrow spectrum spread.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、スペクトル広がりの極めて狭い光子を、より効率的に発生することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to more efficiently generate photons having a very narrow spectrum spread.

本発明に係る光子発生装置は、各々が異なる光周波数f1,f2,f3のコヒーレントな第1光,第2光,第3光から、誘導パラメトリック過程により第1光,第2光,および第3光の間に相互作用を生じさせて第1光の量子状態を変化させ、光周波数f1の第4光および第5光を生成する光生成部と、光生成部で生成された第5光に対して第4光との間でπ/2の位相差を与える位相シフタと、第4光および位相シフタで位相が与えられた第5光を合波して第1出力ポートおよび第2出力ポートに出力する合波部と、合波部より第2出力ポートに出力された合波光を第3出力ポートおよび検出ポートに出力する分波部と、分波部より検出ポートに出力された合波光の光子数を検出する光検出部と、光検出部が1つの光子を検出したことを通知する通知部とを備え、第1光は、第2光および第3光より弱い強度とされ、f1+f2=f3とされている。   The photon generator according to the present invention includes a first light, a second light, and a third light through coherent first light, second light, and third light having different optical frequencies f1, f2, and f3 through a guided parametric process. The light generation unit that generates the fourth light and the fifth light having the optical frequency f1 by changing the quantum state of the first light by causing an interaction between the light, and the fifth light generated by the light generation unit On the other hand, a phase shifter that gives a phase difference of π / 2 with the fourth light, and a fifth light that has been phased by the fourth light and the phase shifter are combined to provide a first output port and a second output port A multiplexing unit that outputs to the second output port from the multiplexing unit, a demultiplexing unit that outputs to the third output port and the detection port, and a multiplexed light that is output from the demultiplexing unit to the detection port A photodetection unit that detects the number of photons of the photon, and that the photodetection unit has detected one photon. And a notifying unit for, first light is weaker intensity than the second light, and third light, there is a f1 + f2 = f3.

上記光子発生装置において、各々が異なる光路で導かれた第1光,第2光,第3光を入力し、誘導パラメトリック過程により第1光,第2光,および第3光の間に相互作用を生じさせて第1光の量子状態を変化させて第1光路に出力するパラメトリック誘導部と、第1光路に配置され、パラメトリック誘導部を出射した光の中より光周波数f1の光を透過させて第4光を出力する光フィルタと、光フィルタを出射した第4光を、所定の時間間隔で第2光路および第3光路に切り分ける光スイッチと、第3光路に配置され、光スイッチにおける切り替え時間間隔に等しい遅延を与えて第5光とする光遅延線とを備え、パラメトリック誘導部,第1光路,光フィルタ,第2光路,第3光路,光スイッチ,光遅延線により光生成部が構成されているようにすればよい。   In the photon generator, the first light, the second light, and the third light, which are respectively guided by different optical paths, are input, and an interaction between the first light, the second light, and the third light is performed by a guided parametric process. And a parametric guiding unit that changes the quantum state of the first light and outputs it to the first optical path, and transmits light of the optical frequency f1 from the light that is arranged in the first optical path and exits the parametric guiding unit. An optical filter that outputs the fourth light, an optical switch that divides the fourth light emitted from the optical filter into a second optical path and a third optical path at predetermined time intervals, and a switching in the optical switch that is disposed in the third optical path. And an optical delay line that provides a delay equal to the time interval and serves as a fifth light, and a light generation unit includes a parametric guiding unit, a first optical path, an optical filter, a second optical path, a third optical path, an optical switch, and an optical delay line. It is configured It may be set to cormorants.

上記光子発生装置において、光生成部は、第4光を生成する第1光生成部および第5光を生成する第2光生成部を備え、第1光生成部は、各々が異なる光路で導かれた第1光,第2光,第3光を入力し、誘導パラメトリック過程により第1光,第2光,および第3光の間に相互作用を生じさせて第1光の量子状態を変化させて第1光路に出力する第1パラメトリック誘導部と、第1光路に配置され、第1パラメトリック誘導部を出射した光の中より光周波数f1の光を透過させて第4光を出力する第1光フィルタとを備え、第2光生成部は、各々が異なる光路で導かれた第1光,第2光,第3光を入力し、誘導パラメトリック過程により第1光,第2光,および第3光の間に相互作用を生じさせて第1光の量子状態を変化させて第2光路に出力する第2パラメトリック誘導部と、第2光路に配置され、第2パラメトリック誘導部を出射した光の中より光周波数f1の光を透過させて第5光を出力する第2光フィルタとを備えるようにしてもよい。   In the photon generation device, the light generation unit includes a first light generation unit that generates fourth light and a second light generation unit that generates fifth light, and the first light generation units are guided by different optical paths. The first light, the second light, and the third light are input, and the quantum state of the first light is changed by causing an interaction between the first light, the second light, and the third light by a guided parametric process. A first parametric guiding unit that outputs to the first optical path and a fourth light that is disposed in the first optical path and transmits the light having the optical frequency f1 from the light emitted from the first parametric guiding unit and outputs the fourth light. And a second light generation unit that inputs the first light, the second light, and the third light, respectively, guided by different optical paths, and performs the first light, the second light, and the light by a guided parametric process. An interaction occurs between the third light to change the quantum state of the first light and enter the second optical path. And a second optical filter that is disposed in the second optical path and that transmits the light having the optical frequency f1 from the light emitted from the second parametric guidance unit and outputs the fifth light. It may be.

上記光子発生装置において、第1光を生成する第1光源と、第2光を生成する第2光源と、第3光を生成する第3光源とを備え、第1光源より生成された第1光を分岐して第1パラメトリック誘導部および第2パラメトリック誘導部の各々に導き、第2光源より生成された第2光を分岐して第1パラメトリック誘導部および第2パラメトリック誘導部の各々に導き、第3光源より生成された第3光を分岐して第1パラメトリック誘導部および第2パラメトリック誘導部の各々に導くようにしてもよい。   The photon generator includes a first light source that generates the first light, a second light source that generates the second light, and a third light source that generates the third light, the first light source generated by the first light source. The light is branched and led to each of the first parametric guiding unit and the second parametric guiding unit, and the second light generated from the second light source is branched and led to each of the first parametric guiding unit and the second parametric guiding unit. The third light generated from the third light source may be branched and guided to each of the first parametric guide unit and the second parametric guide unit.

以上説明したように、本発明によれば、誘導パラメトリック過程により第1光,第2光,および第3光の間に相互作用を生じさせて第1光の量子状態を変化させることで生成した光周波数f1の第4光および第5光を一方に対して他方にπ/2の位相差を与えて干渉させるようにしたので、スペクトル広がりの極めて狭い光子を、より効率的に発生することができるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, it is generated by changing the quantum state of the first light by causing an interaction between the first light, the second light, and the third light by the induced parametric process. Since the fourth light and the fifth light having the optical frequency f1 are caused to interfere with each other by giving a phase difference of π / 2 to the other, it is possible to more efficiently generate photons having an extremely narrow spectrum spread. An excellent effect that it can be obtained.

図1は、本発明の実施の形態1における光子発生装置の構成を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of the photon generator in Embodiment 1 of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態2における光子発生装置の構成を示す構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram showing the configuration of the photon generator in Embodiment 2 of the present invention.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1について図1を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態1における光子発生装置の構成を示す構成図である。この光子発生装置は、光源101、位相調整部102、パラメトリック誘導部103、光フィルタ104、光スイッチ105、光遅延線106、位相シフタ107、合波部108、分波部109、光検出部110、および通知部111を備える。
[Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of the photon generator in Embodiment 1 of the present invention. The photon generator includes a light source 101, a phase adjustment unit 102, a parametric induction unit 103, an optical filter 104, an optical switch 105, an optical delay line 106, a phase shifter 107, a multiplexing unit 108, a demultiplexing unit 109, and a light detection unit 110. And a notification unit 111.

光源101は、安定した光周波数f1と安定した位相を有する微弱なコヒーレント光である第1光151を供給する。例えば、光源101は、周波数安定化レーザーと光減衰器により構成することができる。位相調整部102は、光源101から供給される第1光151の位相を所望とする状態に適切に調整する。   The light source 101 supplies the first light 151 that is weak coherent light having a stable optical frequency f1 and a stable phase. For example, the light source 101 can be composed of a frequency stabilized laser and an optical attenuator. The phase adjustment unit 102 appropriately adjusts the phase of the first light 151 supplied from the light source 101 to a desired state.

パラメトリック誘導部103は、各々が異なる光路で導かれた第1光151,第2光152,第3光153を入力し、誘導パラメトリック過程により第1光151,第2光152,および第3光153の間に相互作用を生じさせて第1光151の量子状態を変化させて第1光路131に出力する。実施の形態1において、第1光151は、第1光路131に導かれている。ここで、第1光151は、第2光152および第3光153より弱い強度とされている。加えて、光周波数の間にはf1+f2=f3の関係がある。   The parametric guide unit 103 receives the first light 151, the second light 152, and the third light 153, which are guided by different optical paths, and receives the first light 151, the second light 152, and the third light through a guided parametric process. An interaction is generated during 153 to change the quantum state of the first light 151 and output it to the first optical path 131. In the first embodiment, the first light 151 is guided to the first optical path 131. Here, the first light 151 is weaker than the second light 152 and the third light 153. In addition, there is a relationship of f1 + f2 = f3 between optical frequencies.

パラメトリック誘導部103は、二次非線形光学効果が得られる二次非線形光学媒質から構成すれば良い。パラメトリック誘導部103は、例えばニオブ酸リチウムなどの非線形光学特性を持った結晶から構成され、周期的なピッチ長で直列に接続した複数の領域から構成されて隣り合う領域は結晶の分極が反転した(非線形定数が周期的に反転された)状態とされている。   The parametric guiding unit 103 may be configured from a second-order nonlinear optical medium that can obtain a second-order nonlinear optical effect. The parametric induction unit 103 is composed of a crystal having non-linear optical characteristics such as lithium niobate, and is composed of a plurality of regions connected in series with a periodic pitch length. (The nonlinear constant is periodically inverted).

光フィルタ104は、第1光路131に配置され、パラメトリック誘導部103を出射した光の中より光周波数f1の光を透過させて第4光を出力する。光フィルタ104は、周波数f1を中心とする狭いスペクトル範囲だけを透過させる狭帯域光フィルタである。光フィルタ104により、パラメトリック誘導部103におけるパラメトリック相互作用中に生じた雑音光子や、アイドラー光やポンプ光の漏れを取り除く。   The optical filter 104 is disposed in the first optical path 131, and transmits the light having the optical frequency f1 from the light emitted from the parametric guiding unit 103, and outputs the fourth light. The optical filter 104 is a narrow-band optical filter that transmits only a narrow spectral range centered on the frequency f1. The optical filter 104 removes noise photons, idler light, and pump light leakage generated during the parametric interaction in the parametric guiding unit 103.

光スイッチ105は、光フィルタ104を出射した第4光を、所定の時間間隔で第2光路132および第3光路133に切り分ける。光遅延線106は、第3光路133に配置され、光スイッチ105における切り替え時間間隔に等しい遅延を与えて第5光とする。位相シフタ107は、第5光に対して第4光との間でπ/2の位相差を与える。   The optical switch 105 splits the fourth light emitted from the optical filter 104 into the second optical path 132 and the third optical path 133 at predetermined time intervals. The optical delay line 106 is arranged in the third optical path 133 and gives a delay equal to the switching time interval in the optical switch 105 to be the fifth light. The phase shifter 107 gives a phase difference of π / 2 between the fifth light and the fourth light.

実施の形態1において、第3光路133は、反射部112,113を備える。光スイッチ105で第3光路133に切り分けられた第4光は、反射部112で進行方向を変更して光遅延線106に入射する。光遅延線106で遅延が与えられて出力した第5光は、反射部113で進行方向を変更して位相シフタ107に入射する。   In the first embodiment, the third optical path 133 includes the reflecting portions 112 and 113. The fourth light separated into the third optical path 133 by the optical switch 105 is changed in the traveling direction by the reflection unit 112 and enters the optical delay line 106. The fifth light output after being delayed by the optical delay line 106 is incident on the phase shifter 107 while the traveling direction is changed by the reflection unit 113.

合波部108は、第4光および位相シフタ107で位相が与えられた第5光を合波して(干渉させて)第1出力ポート134および第2出力ポート135に出力する。合波部108は、例えば、透過率50%(反射率50%)の半反射鏡である。分波部109は、合波部108より第2出力ポート135に出力された合波光を第3出力ポート136および検出ポート137に出力する。分波部109は、例えば、透過率50%(反射率50%)の半反射鏡である。   The multiplexing unit 108 combines (interfers with) the fourth light and the fifth light whose phase is given by the phase shifter 107 and outputs the combined light to the first output port 134 and the second output port 135. The multiplexing unit 108 is, for example, a semi-reflecting mirror having a transmittance of 50% (a reflectance of 50%). The demultiplexing unit 109 outputs the multiplexed light output from the multiplexing unit 108 to the second output port 135 to the third output port 136 and the detection port 137. The demultiplexing unit 109 is, for example, a semi-reflecting mirror having a transmittance of 50% (a reflectance of 50%).

光検出部110は、分波部109より検出ポート137に出力された合波光の光子を弁別して個数を検出する。通知部111は、光検出部110が1つの光子を検出したことを通知する。光検出部110が1つの光子を検出した状態では、第3出力ポート136から単一光子が確率1で出力されている。   The light detection unit 110 discriminates the photons of the combined light output from the demultiplexing unit 109 to the detection port 137 and detects the number. The notification unit 111 notifies that the light detection unit 110 has detected one photon. In a state where the photodetection unit 110 detects one photon, a single photon is output from the third output port 136 with a probability of 1.

本発明では、光生成部で、各々が異なる光周波数f1,f2,f3のコヒーレントな第1光,第2光,第3光から、誘導パラメトリック過程により第1光,第2光,および第3光の間に相互作用を生じさせて第1光の量子状態を変化させ、光周波数f1の第4光および第5光を生成し、光生成部で生成された第5光に対して第4光との間で、位相シフタ107でπ/2の位相差を与え、第4光および位相シフタ107で位相が与えられた第5光を合波部108で合波して第1出力ポート134および第2出力ポート135に出力し、合波部108より第2出力ポート135に出力された合波光を、分波部109で第3出力ポート136および検出ポート137に出力することが重要である。   In the present invention, in the light generation unit, the first light, the second light, and the third light are generated from the coherent first light, second light, and third light respectively having different optical frequencies f1, f2, and f3 by a guided parametric process. An interaction is generated between the lights to change the quantum state of the first light to generate the fourth light and the fifth light having the optical frequency f1, and the fourth light is generated with respect to the fifth light generated by the light generation unit. A phase difference of π / 2 is given to the light by the phase shifter 107, and the fourth light and the fifth light to which the phase is given by the phase shifter 107 are multiplexed by the multiplexing unit 108, and the first output port 134. It is important that the multiplexed light that is output to the second output port 135 and output from the multiplexing unit 108 to the second output port 135 is output to the third output port 136 and the detection port 137 by the demultiplexing unit 109. .

実施の形態1では、上述した光生成部を、パラメトリック誘導部103,第1光路131,光フィルタ104,第2光路132,第3光路133,光スイッチ105,光遅延線106により構成している。   In the first embodiment, the above-described light generation unit includes the parametric guiding unit 103, the first optical path 131, the optical filter 104, the second optical path 132, the third optical path 133, the optical switch 105, and the optical delay line 106. .

以下、より詳細に説明する。   This will be described in more detail below.

パラメトリック誘導部103で、周波数f1と位相の定まった微弱なコヒーレント光である第1光151をシグナル光とし、同時に入力される強度の強いアイドラー光としての第2光152およびポンプ光としての第3光153との間で、3つの光波が関与するパラメトリック相互作用を引き起こし、シグナル光における光子数分布に関する物理的な特性を操作し、コヒーレント状態とは異なる非古典的な状態にシグナル光(第1光)の量子力学的な状態を変調し、第4光(第5光)とする。   In the parametric guiding unit 103, the first light 151, which is weak coherent light having a fixed frequency f1 and phase, is used as the signal light, and the second light 152 as the intense idler light that is simultaneously input and the third light as the pump light. It causes a parametric interaction involving three light waves with the light 153, manipulates the physical properties related to the photon number distribution in the signal light, and changes the signal light (first to a non-classical state different from the coherent state). The quantum mechanical state of the light) is modulated to be the fourth light (fifth light).

ここで、変調を受ける前の第1光151の量子状態をコヒーレント状態|α〉で表し、変調を受けた後の非古典的な状態を|ψ〉で表すものとする。|Ψ〉は、一般に量子状態を記述する状態ベクトルであり、光子の個数がnである光子数確定状態|n〉を基底系{ |0〉,|1〉,|2〉,|3〉,|4〉,・・・}とし、線形結合 |Ψ〉=a|0〉+b|1〉+c|2〉+d|3〉+e|4〉+・・・によって光波の量子力学的な特性を記述する(非特許文献2参照)。状態|α〉も|ψ〉も、周波数f1をもつ単一モードの光子の集団から構成されている点では同じであるが、線形結合の係数の違いが光波の物理的な性質の違いをもたらす。   Here, the quantum state of the first light 151 before being modulated is represented by a coherent state | α>, and the non-classical state after being modulated is represented by | ψ>. | Ψ> is a state vector generally describing a quantum state, and a photon number definite state | n> having n photons is represented by basis sets {| 0>, | 1>, | 2>, | 3>, | 4>,...}, And describes the quantum mechanical characteristics of the light wave by linear combination | Ψ> = a | 0> + b | 1> + c | 2> + d | 3> + e | 4> +. (See Non-Patent Document 2). The states | α> and | ψ> are the same in that they are composed of a group of single-mode photons having the frequency f1, but the difference in the coefficients of the linear combination causes a difference in the physical properties of the light wave. .

通常のレーザー光源から出力される光波は、コヒーレント状態(古典的な状態)であり、平均の光子数を|α|2とすると、各係数Cnは「Cn=exp(|α|2/2)αn/√n!」で表すことができる。αは複素数|α|exp(iφ)であり、|α|は振幅、φはsin波で光波を表した場合の位相である。前述のパラメトリック相互作用の目的は、これらの係数a,b,c,d,e,の値をCnから必要とする値に変化させて非古典的な状態|ψ〉を作ることにある。第1光151、第2光152、第3光153の位相関係と、第2光152、第3光153の強度を適切に選択することにより、これは物理的に可能である。 The light wave output from a normal laser light source is in a coherent state (classical state), and assuming that the average number of photons is | α | 2 , each coefficient C n is “C n = exp (| α | 2 / 2) α n / √n! ”. α is a complex number | α | exp (iφ), | α | is an amplitude, and φ is a phase when a light wave is represented by a sin wave. The purpose of the aforementioned parametric interaction is to change the values of these coefficients a, b, c, d, e, from C n to the required values to create a non-classical state | ψ>. This is physically possible by appropriately selecting the phase relationship between the first light 151, the second light 152, and the third light 153 and the intensity of the second light 152 and the third light 153.

上述したことにより、変調して量子状態|ψ〉に準備された微弱な第4光を、自分自身(第5光)と干渉させるために、光スイッチ105によって時間領域で第2光路132および第3光路133に2分割した後、パルスの前半部分にはパルス幅に相当する遅延を光遅延線106によりかけて第5光とし、透過率50%の半透明鏡によってパルスの後半部分(第4光)と重ね合わせる。この重ね合わせにおいて、第4光と第5光との間の位相差がπ/2になるように、位相シフタ107で第5光の位相を調整する。   As described above, in order to cause the weak fourth light modulated and prepared in the quantum state | ψ> to interfere with itself (fifth light), the optical switch 105 causes the second optical path 132 and the second optical light in the time domain. After splitting into three optical paths 133, the first half of the pulse is delayed by a delay corresponding to the pulse width through the optical delay line 106 to be the fifth light, and the second half of the pulse (fourth) is transmitted by a translucent mirror having a transmittance of 50%. Superimpose with light). In this superposition, the phase of the fifth light is adjusted by the phase shifter 107 so that the phase difference between the fourth light and the fifth light becomes π / 2.

合波部108の2つの第1出力ポート134および第2出力ポート135のうち、第5光対の反射、第4光の透過した部分を第1出力ポート134に出力させ、第5光対の透過、第4光の反射した部分を第2出力ポート135に出力させる。第1光151の光子が、第1出力ポート134か第2出力ポート135か、どちらのポートに出力されるのかは、第1光151の量子状態|ψ〉に依存する。   Of the two first output ports 134 and second output ports 135 of the multiplexing unit 108, the reflected portion of the fifth light pair and the transmitted portion of the fourth light are output to the first output port 134, and the fifth light pair The portion of the transmitted and reflected fourth light is output to the second output port 135. Whether the photon of the first light 151 is output to the first output port 134 or the second output port 135 depends on the quantum state | ψ> of the first light 151.

第2出力ポート135から出力される光波(合波光)を更に、分波部109によって2つに分波し、反射した光の光子を第3出力ポート136から出力する。分波部109を透過して検出ポート137に出力された光子は、光子数弁別の可能な光検出部110によって検出される。光検出部110に検出された光子の数が1個の場合に限って、通知部111によって光子の検出を通知(報知)する。   The light wave (combined light) output from the second output port 135 is further split into two by the branching unit 109, and the photons of the reflected light are output from the third output port 136. Photons transmitted through the demultiplexing unit 109 and output to the detection port 137 are detected by the photodetection unit 110 capable of photon number discrimination. Only when the number of photons detected by the light detection unit 110 is one, the notification unit 111 notifies (notifies) the detection of photons.

このとき、分波部109の反射ポートである第3出力ポート136からは、1個の光子が必ず出力されていることが、量子力学の原理(複数個の光子から成る系の振る舞いを規定するボース統計性)によって保証される。   At this time, the fact that one photon is always output from the third output port 136 that is the reflection port of the demultiplexing unit 109 defines the principle of quantum mechanics (the behavior of a system composed of a plurality of photons). Guaranteed by Bose statistics).

上述した本発明の特徴は、シグナル光子の光周波数は、入力する第1光(コヒーレント状態)の周波数f1で定まっており、このスペクトル広がりはパルス時間幅ΔTの逆数(ΔT)-1で一意に決まることである。よって、(ΔT)-1が目標とする共鳴線幅に収まるように時間幅ΔTを設定することで共鳴線に合致する単一光子を伝令信号付きで供給することが可能になる。 The feature of the present invention described above is that the optical frequency of the signal photon is determined by the frequency f1 of the first light (coherent state) to be input, and this spectral spread is uniquely determined by the reciprocal (ΔT) −1 of the pulse time width ΔT. It is decided. Therefore, by setting the time width ΔT so that (ΔT) −1 falls within the target resonance line width, it becomes possible to supply a single photon with a messenger signal that matches the resonance line.

シグナル光の量子状態|ψ〉を、光子数確定状態|n〉の重ね合わせ状態:|ψ〉=a|0〉+b|1〉+c|2〉+d|3〉+e|4〉+・・・によって記述するものとすると、合波部108における干渉の結果生じる光の量子状態|Φ〉ABは、第1出力ポート134と第2出力ポート135に導かれる光子の個数が各々kとlに確定した状態|k〉A|l〉Bを用いて、下記のように表すことができる。 The quantum state | ψ> of the signal light is superposed on the photon number determined state | n>: | ψ> = a | 0> + b | 1> + c | 2> + d | 3> + e | 4> +. In the light quantum state | Φ> AB generated as a result of interference in the multiplexing unit 108, the number of photons guided to the first output port 134 and the second output port 135 is determined to be k and l, respectively. Using the state | k> A | l> B , it can be expressed as follows.

Figure 2017161619
Figure 2017161619

シグナル光がコヒーレント状態|α〉(古典的状態)のままであれば、以下に示す式等の値は厳密にゼロとなり、第2出力ポート135に光子が導かれることは決してない。   If the signal light remains in the coherent state | α> (classical state), the value of the following equation or the like becomes exactly zero, and no photon is guided to the second output port 135.

Figure 2017161619
Figure 2017161619

第1出力ポート134からの出力光もまたコヒーレント状態となる。   The output light from the first output port 134 is also in a coherent state.

上述した状態に対し、|ψ〉が非古典的な状態である場合には、以下の式などの値は、有限の値をとることができ、第2出力ポート135に光子が導かれる有限の確率が存在する。   In contrast to the state described above, when | ψ> is a non-classical state, values such as the following equations can take a finite value, and a finite number of photons are guided to the second output port 135. There is a probability.

Figure 2017161619
Figure 2017161619

ここで、第2出力ポート135に光子が導かれる場合には、|2〉Bや|4〉Bのように、光子は必ず偶数個のまとまりで行動し、光子が単独で第2出力ポート135に導かれることはないことが本質的である。もし光検出部110によって1個の光子が検出された場合には、通知部111からの伝令信号(通知)によって、もう1個の光子が第3出力ポート136から出力されていることを保証できる。つまり光子の出力のタイミングを伝令信号によって知ることができる。 Here, when photons are guided to the second output port 135, the photons always act as an even number of groups as in | 2> B and | 4> B , and the photons alone are the second output port 135. It is essential not to be guided by If one photon is detected by the light detection unit 110, it can be ensured by the messenger signal (notification) from the notification unit 111 that another photon is output from the third output port 136. . That is, the output timing of the photon can be known from the messenger signal.

第2出力ポート135に導かれた2つの光子が、分波部109によって、それぞれ反射、透過される確率は1/2であることを考慮すると、1パルスあたり単一光子の到来と出力を伝令付きで知ることのできる確率Ptotalは、以下の式(2)で与えられる。

Figure 2017161619
Considering that the probability that two photons guided to the second output port 135 are reflected and transmitted by the demultiplexing unit 109 is ½, the arrival and output of a single photon per pulse is transmitted. The probability P total that can be known with the addition is given by the following equation (2).
Figure 2017161619

一方、式(1)右辺の第8項では、|4〉Bのように4個の光子が第2出力ポート135に導かれ、光検出部110によって1個の光子を検知したとき、第3出力ポート136から3個の光子が放出されるゼロではない確率がある。 On the other hand, in the eighth term on the right side of Expression (1), when four photons are guided to the second output port 135 as in | 4> B and one photon is detected by the light detection unit 110, the third photon There is a non-zero probability that three photons are emitted from the output port 136.

そこで、伝令信号付きで単一光子が発生する確率を大きくし、余計な光子が発生してしまう確率を小さくするためには、以下の式(3)の値が大きく、式(4)の値が充分に小さくなるように、量子状態|ψ〉=a|0〉+b|1〉+c|2〉+d|3〉+e|4〉+を適切に準備すればよい。

Figure 2017161619
Therefore, in order to increase the probability that a single photon is generated with a messenger signal and to reduce the probability that an extra photon is generated, the value of the following equation (3) is increased and the value of equation (4) is increased. The quantum state | ψ> = a | 0> + b | 1> + c | 2> + d | 3> + e | 4> + may be appropriately prepared so that is sufficiently small.
Figure 2017161619

後述するように、入力するシグナル光のコヒーレント状態(古典的状態)における平均光子数の値|α|2が0.1程度の場合、式(3)の値は最大で〜2(|α|22の程度、このとき式(4)の値は〜2(|α|24の程度となる。よって100回に1回の割合で、伝令付き単一光子を提供することが可能であり、複数個の光子が混入する割合は1%近くにまで低減することが可能である。 As will be described later, when the average photon number | α | 2 in the coherent state (classical state) of the input signal light is about 0.1, the value of the expression (3) is ˜2 (| α | 2) 2 degrees of the value of the time equation (4) is to 2 (| a degree of 2) 4 | alpha. Therefore, it is possible to provide a single photon with messenger at a rate of once per 100 times, and the rate of mixing a plurality of photons can be reduced to nearly 1%.

光子のスペクトル幅として10MHzが要請される場合、対応するパルスの時間幅は100nsであり、1秒間あたり107回個のシグナルパルス光が供給される。これらの中で、400回に1回、伝令付き単一光子が提供されるとすると、毎秒2×104回という高い供給レートが達成可能であることが分かる。この値は従来の技術に比べて4〜5桁近い大きな改善である。この供給レートにおける大幅な改善が本発明の手段の顕著な効果である。 When 10 MHz is required as the spectrum width of the photon, the time width of the corresponding pulse is 100 ns, and 10 7 signal pulse lights are supplied per second. Among these, if a single photon with messenger is provided once in 400 times, it can be seen that a high supply rate of 2 × 10 4 times per second can be achieved. This value is a significant improvement of nearly 4 to 5 digits compared to the prior art. This significant improvement in feed rate is a significant effect of the means of the present invention.

本発明を具体的に実施する際には、微弱なシグナル光である第1光151を、パラメトリック誘導部103におけるパラメトリック相互作用によって、コヒーレント状態|α〉から所望の非古典的量子状態|ψ〉へと変換するために、下記に述べる物理過程として誘導パラメトリック相互作用を採用する。   When the present invention is specifically implemented, the first light 151 that is a weak signal light is changed from a coherent state | α> to a desired non-classical quantum state | ψ> by parametric interaction in the parametric induction unit 103. In order to convert to, we adopt guided parametric interaction as the physical process described below.

誘導パラメトリック相互作用は、周波数f3=f1+f2を有するポンプ光(第3光)の光子が、二次の非線形光学効果により光周波数f1のシグナル光子と光周波数f2のアイドラー光子とに変換される過程と、シグナル光子とアイドラー光子が同時に吸収されて、ポンプ光子に変換される逆過程とから構成される。   In the induced parametric interaction, the photon of the pump light (third light) having the frequency f3 = f1 + f2 is converted into the signal photon of the optical frequency f1 and the idler photon of the optical frequency f2 by the second-order nonlinear optical effect. It consists of a process and a reverse process in which signal photons and idler photons are simultaneously absorbed and converted to pump photons.

シグナル光(第1光)とアイドラー光(第2光)の位相の和φ1+φ2の値が、ポンプ光の位相φ3に対してπだけずれていた場合(逆位相の場合)には、逆過程が優勢となり、シグナル光から光子が抜かれて光波の量子状態は非古典的になる。   When the value of the sum φ1 + φ2 of the phase of the signal light (first light) and idler light (second light) is shifted by π with respect to the phase φ3 of the pump light (in the case of reverse phase), the reverse The process becomes dominant, the photon is extracted from the signal light, and the quantum state of the light wave becomes non-classical.

光波の量子状態を|ψ〉=a|0〉+b|1〉+c|2〉+d|3〉+e|4〉+で表し、初期状態を|α〉として、相互作用に伴う各々の光子数確定状態|n〉に対する係数a,b,c,d,eの変化を近似的に計算すると、以下のようになる。   The quantum state of the light wave is represented by | ψ> = a | 0> + b | 1> + c | 2> + d | 3> + e | 4> +, and the initial state is | α>, and the number of photons associated with the interaction is determined. Approximate changes in the coefficients a, b, c, d, and e with respect to the state | n> are as follows.

Figure 2017161619
Figure 2017161619

式(5)において、μはパラメトリック相互作用のパラメータである。μ=0は相互作用が始まっていない状態に対応し、各係数の値は初期状態であるコヒーレント状態|α〉を実際に与えている。   In equation (5), μ is a parameter of the parametric interaction. μ = 0 corresponds to the state where the interaction has not started, and the value of each coefficient actually gives the initial state coherent state | α>.

相互作用のパラメータμは、相互作用の係数l、非線形媒体の長さLNL、非線形媒体中の光波の伝搬速度vg、プランク定数を用いて、以下の式(6)で表せる。 The interaction parameter μ can be expressed by the following equation (6) using the interaction coefficient l, the length L NL of the nonlinear medium, the light wave propagation velocity v g in the nonlinear medium, and the Planck constant.

Figure 2017161619
Figure 2017161619

相互作用の係数λは、真空の誘電率ε0、非線形媒体の二次の非線形光学定数χ2)、非線形媒体の断面積aと長さLNL、ポンプ光の実数振幅|A3|、アイドラー光の実数振幅|A2|、非線形媒体の比誘電率κNL、シグナル光のパルス時間幅ΔT、シグナル光の周波数f1を用いて、以下の式(7)によって与えられる。 The interaction coefficient λ is the dielectric constant ε 0 of the vacuum, the second-order nonlinear optical constant χ 2) of the nonlinear medium, the cross-sectional area a and the length L NL of the nonlinear medium, the real number amplitude | A 3 | of the pump light, the idler Using the real light amplitude | A 2 |, the relative permittivity κ NL of the nonlinear medium, the pulse time width ΔT of the signal light, and the frequency f1 of the signal light, the following expression (7) is given.

Figure 2017161619
Figure 2017161619

狭帯域幅に対応してパルス時間幅ΔTを長くとる場合でも、ポンプ光とアイドラー光を充分に強くすることで相互作用の係数λの値を大きくし、所望のμの値を達成することは可能である。   Even when the pulse time width ΔT is increased corresponding to the narrow bandwidth, it is possible to increase the value of the interaction coefficient λ by sufficiently strengthening the pump light and the idler light to achieve the desired μ value. Is possible.

Figure 2017161619
Figure 2017161619

このようにして、本発明の手段における伝令付き単一光子の供給レートを評価できる。   In this way, the supply rate of the single photon with messenger in the means of the present invention can be evaluated.

シグナル光に混入する背景雑音光は、光フィルタ104による周波数f1を中心とする狭帯域光フィルタリングに加えて、下記の工夫を導入することにより充分に弱くすることができる。   The background noise light mixed in the signal light can be sufficiently weakened by introducing the following device in addition to the narrow-band optical filtering centered on the frequency f1 by the optical filter 104.

パラメトリック誘導部103を構成する非線形媒体中では、前述した誘導パラメトリック過程と並行して、ポンプ光の光子が自発的にシグナル光とアイドラー光の光子に変換される自然パラメトリック過程が生じている。この過程で生じるシグナル光やアイドラー光は、f1やf2を含む広いスペクトル広がりを有するため、この除去には狭帯域光フィルタリングが有効である。   In the nonlinear medium constituting the parametric guiding unit 103, a natural parametric process in which the photons of the pump light are spontaneously converted into the photons of the signal light and the idler light is generated in parallel with the above-described guided parametric process. Since the signal light and idler light generated in this process have a wide spectrum spread including f1 and f2, narrowband optical filtering is effective for this removal.

自然パラメトリック過程が生じる確率振幅は、ポンプ光の振幅|A3| にのみ比例するので、|A3| とアイドラー光の振幅|A2|との積|A3||A2|の値を一定に保ったまま、|A2|を大きくし同時に|A3|を小さくすれば、誘導パラメトリック過程を維持したまま、自然パラメトリック過程のみを抑圧して背景雑音光を低減できる。 Since the probability amplitude at which a natural parametric process occurs is proportional only to the pump light amplitude | A 3 |, the product | A 3 || A 2 | value of | A 3 | and idler light amplitude | A 2 | If | A 2 | is increased and | A 3 | is decreased at the same time while keeping constant, it is possible to reduce the background noise light by suppressing only the natural parametric process while maintaining the induced parametric process.

上記の理由により、自然パラメトリック過程のみを利用した方法(非特許文献3参照)と比べて、本発明の手段は著しい優位性をもっている。   For the above reasons, the means of the present invention have a significant advantage compared to a method using only a natural parametric process (see Non-Patent Document 3).

[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について図2を用いて説明する。図2は、本発明の実施の形態2における光子発生装置の構成を示す構成図である。この光子発生装置は、第1光生成部200a、第2光生成部200b、位相シフタ207、合波部208、分波部209、光検出部210、および通知部211を備える。
[Embodiment 2]
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a configuration diagram showing the configuration of the photon generator in Embodiment 2 of the present invention. The photon generator includes a first light generation unit 200a, a second light generation unit 200b, a phase shifter 207, a multiplexing unit 208, a demultiplexing unit 209, a light detection unit 210, and a notification unit 211.

第1光生成部200aは、第1光源201a、第1位相調整部202a、第1パラメトリック誘導部203a、第1光フィルタ204aを備える。また、第2光生成部200bは、第2光源201b、第2位相調整部202b、第2パラメトリック誘導部203b、第2光フィルタ204bを備える。   The first light generation unit 200a includes a first light source 201a, a first phase adjustment unit 202a, a first parametric guidance unit 203a, and a first optical filter 204a. The second light generation unit 200b includes a second light source 201b, a second phase adjustment unit 202b, a second parametric guidance unit 203b, and a second optical filter 204b.

第1光源201aは、安定した光周波数f1と安定した位相を有する微弱なコヒーレント光である第1光251aを供給する。例えば、第1光源201aは、周波数安定化レーザーと光減衰器により構成することができる。第1位相調整部202aは、第1光源201aから供給される第1光251aの位相を所望とする状態に適切に調整する。   The first light source 201a supplies the first light 251a which is weak coherent light having a stable optical frequency f1 and a stable phase. For example, the first light source 201a can be composed of a frequency stabilized laser and an optical attenuator. The first phase adjustment unit 202a appropriately adjusts the phase of the first light 251a supplied from the first light source 201a to a desired state.

第1パラメトリック誘導部203aは、各々が異なる光路で導かれた第1光251a,第2光252a,第3光253aを入力し、誘導パラメトリック過程により第1光251a,第2光252a,および第3光253aの間に相互作用を生じさせて第1光251aの量子状態を変化させて第1光路231に出力する。実施の形態2において、第1光251aは、第1光路231に導かれている。ここで、第1光251aは、第2光252aおよび第3光253aより弱い強度とされている。加えて、光周波数の間にはf1+f2=f3の関係がある。   The first parametric guiding unit 203a inputs the first light 251a, the second light 252a, and the third light 253a, which are guided by different optical paths, respectively, and performs the first light 251a, the second light 252a, and the first light by the guided parametric process. An interaction is generated between the three lights 253a to change the quantum state of the first light 251a and output it to the first optical path 231. In the second embodiment, the first light 251 a is guided to the first optical path 231. Here, the first light 251a is weaker than the second light 252a and the third light 253a. In addition, there is a relationship of f1 + f2 = f3 between optical frequencies.

第1パラメトリック誘導部203aは、二次非線形光学効果が得られる二次非線形光学媒質から構成すれば良い。第1パラメトリック誘導部203aは、例えばニオブ酸リチウムなどの非線形光学特性を持った結晶から構成され、周期的なピッチ長で直列に接続した複数の領域から構成されて隣り合う領域は結晶の分極が反転した(非線形定数が周期的に反転された)状態とされている。   The first parametric guiding unit 203a may be configured from a second-order nonlinear optical medium that can obtain a second-order nonlinear optical effect. The first parametric induction unit 203a is composed of a crystal having nonlinear optical characteristics such as lithium niobate, and is composed of a plurality of regions connected in series with a periodic pitch length. Inverted (nonlinear constant is periodically inverted).

第1光フィルタ204aは、第1光路231に配置され、第1パラメトリック誘導部203aを出射した光の中より光周波数f1の光を透過させて第4光を出力する。第1光フィルタ204aは、周波数f1を中心とする狭いスペクトル範囲だけを透過させる狭帯域光フィルタである。第1光フィルタ204aにより、第1パラメトリック誘導部203aにおけるパラメトリック相互作用中に生じた雑音光子や、アイドラー光やポンプ光の漏れを取り除く。   The first optical filter 204a is disposed in the first optical path 231 and transmits the light having the optical frequency f1 from the light emitted from the first parametric guiding unit 203a to output the fourth light. The first optical filter 204a is a narrow-band optical filter that transmits only a narrow spectral range centered on the frequency f1. The first optical filter 204a removes leakage of noise photons, idler light, and pump light generated during the parametric interaction in the first parametric guiding unit 203a.

第2光生成部200bは、第2光源201b、第2位相調整部202b、第2パラメトリック誘導部203b、第2光フィルタ204bを備える。また、第2光生成部200bは、第2光源201b、第2位相調整部202b、第2パラメトリック誘導部203b、第2光フィルタ204bを備える。   The second light generation unit 200b includes a second light source 201b, a second phase adjustment unit 202b, a second parametric guidance unit 203b, and a second optical filter 204b. The second light generation unit 200b includes a second light source 201b, a second phase adjustment unit 202b, a second parametric guidance unit 203b, and a second optical filter 204b.

第2光源201bは、安定した光周波数f1と安定した位相を有する微弱なコヒーレント光である第1光251bを供給する。例えば、第2光源201bは、周波数安定化レーザーと光減衰器により構成することができる。第1位相調整部202aは、第2光源201bから供給される第1光251bの位相を所望とする状態に適切に調整する。   The second light source 201b supplies the first light 251b which is weak coherent light having a stable optical frequency f1 and a stable phase. For example, the second light source 201b can be composed of a frequency stabilized laser and an optical attenuator. The first phase adjustment unit 202a appropriately adjusts the phase of the first light 251b supplied from the second light source 201b to a desired state.

第2パラメトリック誘導部203bは、各々が異なる光路で導かれた第1光251b,第2光252b,第3光253bを入力し、誘導パラメトリック過程により第1光251b,第2光252b,および第3光253bの間に相互作用を生じさせて第1光251bの量子状態を変化させて第2光路232に出力する。実施の形態2において、第1光251bは、第2光路232に導かれている。ここで、第1光251bは、第2光252bおよび第3光252cより弱い強度とされている。加えて、光周波数の間にはf1+f2=f3の関係がある。   The second parametric guiding unit 203b receives the first light 251b, the second light 252b, and the third light 253b, which are guided by different optical paths, respectively, and performs the first light 251b, the second light 252b, and the first light by a guided parametric process. An interaction is generated between the three lights 253b to change the quantum state of the first light 251b and output the second light path 232. In the second embodiment, the first light 251 b is guided to the second optical path 232. Here, the first light 251b is weaker than the second light 252b and the third light 252c. In addition, there is a relationship of f1 + f2 = f3 between optical frequencies.

第2パラメトリック誘導部203bは、二次非線形光学効果が得られる二次非線形光学媒質から構成すれば良い。第2パラメトリック誘導部203bは、例えばニオブ酸リチウムなどの非線形光学特性を持った結晶から構成され、周期的なピッチ長で直列に接続した複数の領域から構成されて隣り合う領域は結晶の分極が反転した(非線形定数が周期的に反転された)状態とされている。   The second parametric guiding unit 203b may be configured from a second-order nonlinear optical medium that can obtain a second-order nonlinear optical effect. The second parametric induction unit 203b is composed of a crystal having nonlinear optical characteristics such as lithium niobate, and is composed of a plurality of regions connected in series with a periodic pitch length. Inverted (nonlinear constant is periodically inverted).

第2光フィルタ204bは、第2光路232に配置され、第2パラメトリック誘導部203bを出射した光の中より光周波数f1の光を透過させて第5を出力する。第2光フィルタ204bは、周波数f1を中心とする狭いスペクトル範囲だけを透過させる狭帯域光フィルタである。第2光フィルタ204bにより、第2パラメトリック誘導部203bにおけるパラメトリック相互作用中に生じた雑音光子や、アイドラー光やポンプ光の漏れを取り除く。   The second optical filter 204b is disposed in the second optical path 232, and transmits the light having the optical frequency f1 out of the light emitted from the second parametric guiding unit 203b and outputs the fifth light. The second optical filter 204b is a narrow band optical filter that transmits only a narrow spectral range centered on the frequency f1. The second optical filter 204b removes leakage of noise photons, idler light, and pump light generated during the parametric interaction in the second parametric guiding unit 203b.

実施の形態2において、位相シフタ207は、第1光生成部200bで生成された第5光に対して第4光との間でπ/2の位相差を与える。   In the second embodiment, the phase shifter 207 gives a phase difference of π / 2 between the fourth light and the fifth light generated by the first light generation unit 200b.

合波部208は、第4光および位相シフタ207で位相が与えられた第5光を合波して(干渉させて)第1出力ポート134および第2出力ポート135に出力する。合波部208は、例えば、透過率50%(反射率50%)の半反射鏡である。分波部209は、合波部208より第2出力ポート135に出力された合波光を第3出力ポート136および検出ポート137に出力する。分波部209は、例えば、透過率50%(反射率50%)の半反射鏡である。   The multiplexing unit 208 multiplexes (interfers with) the fourth light and the fifth light whose phase is given by the phase shifter 207 and outputs the combined light to the first output port 134 and the second output port 135. The multiplexing unit 208 is, for example, a semi-reflecting mirror having a transmittance of 50% (a reflectance of 50%). The demultiplexing unit 209 outputs the multiplexed light output from the multiplexing unit 208 to the second output port 135 to the third output port 136 and the detection port 137. The demultiplexing unit 209 is, for example, a semi-reflecting mirror having a transmittance of 50% (a reflectance of 50%).

光検出部210は、分波部209より検出ポート137に出力された合波光の光子を弁別して個数を検出する。通知部211は、光検出部210が1つの光子を検出したことを通知する。光検出部210が1つの光子を検出した状態では、第3出力ポート136から単一光子が確率1で出力されている。   The light detection unit 210 discriminates the photons of the combined light output from the demultiplexing unit 209 to the detection port 137 and detects the number. The notification unit 211 notifies that the light detection unit 210 has detected one photon. In a state where the light detection unit 210 detects one photon, a single photon is output from the third output port 136 with a probability of 1.

本発明では、光生成部で、各々が異なる光周波数f1,f2,f3のコヒーレントな第1光,第2光,第3光から、誘導パラメトリック過程により第1光,第2光,および第3光の間に相互作用を生じさせて第1光の量子状態を変化させ、光周波数f1の第4光および第5光を生成し、光生成部で生成された第5光に対して第4光との間で、位相シフタ207でπ/2の位相差を与え、第4光および位相シフタ207で位相が与えられた第5光を合波部208で合波して第1出力ポート134および第2出力ポート135に出力し、合波部208より第2出力ポート135に出力された合波光を、分波部209で第3出力ポート136および検出ポート137に出力することが重要である。   In the present invention, in the light generation unit, the first light, the second light, and the third light are generated from the coherent first light, second light, and third light respectively having different optical frequencies f1, f2, and f3 by a guided parametric process. An interaction is generated between the lights to change the quantum state of the first light to generate the fourth light and the fifth light having the optical frequency f1, and the fourth light is generated with respect to the fifth light generated by the light generation unit. A phase shift of π / 2 is given to the light by the phase shifter 207, and the fourth light and the fifth light to which the phase is given by the phase shifter 207 are multiplexed by the multiplexing unit 208, and the first output port 134 It is important that the multiplexed light that is output to the second output port 135 and output from the multiplexing unit 208 to the second output port 135 is output to the third output port 136 and the detection port 137 by the demultiplexing unit 209. .

実施の形態2では、上述した光生成部を、第1光生成部200aおよび第2光生成部200bにより構成している。実施の形態2では、別々に準備された同一の状態を有する2つの非古典的なシグナル光(第4光、第5光)を干渉させるようにしている。他の構成は、実施の形態1と同様であり、詳細は省略する。   In the second embodiment, the above-described light generation unit includes the first light generation unit 200a and the second light generation unit 200b. In the second embodiment, two non-classical signal lights (fourth light and fifth light) having the same state prepared separately are caused to interfere with each other. Other configurations are the same as those of the first embodiment, and details are omitted.

なお、第1光を生成する第1光源と、第2光を生成する第2光源と、第3光を生成する第3光源とを備え、第1光源より生成された第1光を分岐して第1パラメトリック誘導部および第2パラメトリック誘導部の各々に導き、第2光源より生成された第2光を分岐して第1パラメトリック誘導部および第2パラメトリック誘導部の各々に導き、第3光源より生成された第3光を分岐して第1パラメトリック誘導部および第2パラメトリック誘導部の各々に導くようにしてもよい。   A first light source that generates the first light, a second light source that generates the second light, and a third light source that generates the third light, and branches the first light generated from the first light source. To the first parametric guide unit and the second parametric guide unit, branch the second light generated from the second light source, and guide it to each of the first parametric guide unit and the second parametric guide unit. The generated third light may be branched and guided to each of the first parametric guiding unit and the second parametric guiding unit.

以上に説明したように、本発明によれば、誘導パラメトリック過程により第1光,第2光,および第3光の間に相互作用を生じさせて第1光の量子状態を変化させることで生成した光周波数f1の第4光および第5光を一方に対して他方にπ/2の位相差を与えて干渉させるようにした。本発明により、原子の共鳴線の幅程度の極めて狭いスペクトル幅を有する単一光子を、発生を知らせる伝令信号付きで、効率的に発生することが可能になる。効率の改善度は従来技術に対して5桁にもおよぶ。これにより、スペクトル広がりの極めて狭い光子を、より効率的に発生させることができるようになり、単一光子と原子との共鳴的な相互作用過程を利用した量子状態の制御を、効率的に行うことが可能になる。   As described above, according to the present invention, an induced parametric process generates an interaction between the first light, the second light, and the third light to change the quantum state of the first light. The fourth light and the fifth light having the optical frequency f1 thus made interfere with each other by giving a phase difference of π / 2 to the other. According to the present invention, it is possible to efficiently generate a single photon having a very narrow spectral width about the width of the resonance line of an atom, with a messenger signal notifying the generation. The improvement in efficiency is 5 orders of magnitude over the prior art. As a result, photons with a very narrow spectrum can be generated more efficiently, and quantum states can be controlled efficiently using the resonant interaction process between single photons and atoms. It becomes possible.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.

101…光源、102…位相調整部、103…103、104…パラメトリック誘導部、105…光スイッチ、106…光遅延線、107…位相シフタ、108…合波部、109…分波部、110…光検出部、111…通知部、112…反射部、113…反射部、131…第1光路、132…第2光路、133…第3光路、134…第1出力ポート、135…第2出力ポート、136…第3出力ポート、137…検出ポート、151…第1光、152…第2光、153…第3光。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Light source, 102 ... Phase adjustment part, 103 ... 103, 104 ... Parametric induction part, 105 ... Optical switch, 106 ... Optical delay line, 107 ... Phase shifter, 108 ... Multiplexing part, 109 ... Demultiplexing part, 110 ... Light detecting unit 111 ... Notification unit 112 ... Reflecting unit 113 113 Reflecting unit 131 ... First optical path 132 ... Second optical path 133 ... Third optical path 134 ... First output port 135 ... Second output port 136, third output port, 137, detection port, 151, first light, 152, second light, 153, third light.

Claims (4)

各々が異なる光周波数f1,f2,f3のコヒーレントな第1光,第2光,第3光から、誘導パラメトリック過程により前記第1光,前記第2光,および前記第3光の間に相互作用を生じさせて前記第1光の量子状態を変化させ、光周波数f1の第4光および第5光を生成する光生成部と、
前記光生成部で生成された前記第5光に対して前記第4光との間でπ/2の位相差を与える位相シフタと、
前記第4光および前記位相シフタで位相が与えられた前記第5光を合波して第1出力ポートおよび第2出力ポートに出力する合波部と、
前記合波部より前記第2出力ポートに出力された合波光を第3出力ポートおよび検出ポートに出力する分波部と、
前記分波部より前記検出ポートに出力された合波光の光子数を検出する光検出部と、
前記光検出部が1つの光子を検出したことを通知する通知部と
を備え、
前記第1光は、前記第2光および前記第3光より弱い強度とされ、f1+f2=f3とされている
ことを特徴とする光子発生装置。
Interaction between the first light, the second light, and the third light from the coherent first light, second light, and third light, each having a different optical frequency f1, f2, and f3, through a guided parametric process. Generating a fourth light and a fifth light having an optical frequency f1 by changing the quantum state of the first light,
A phase shifter that gives a phase difference of π / 2 between the fifth light generated by the light generation unit and the fourth light;
A multiplexing unit that combines the fourth light and the fifth light phased by the phase shifter, and outputs the combined light to the first output port and the second output port;
A demultiplexing unit that outputs the multiplexed light output from the multiplexing unit to the second output port to a third output port and a detection port;
A light detection unit that detects the number of photons of the combined light output from the branching unit to the detection port;
A notification unit for notifying that the photodetection unit has detected one photon,
The first light has a weaker intensity than the second light and the third light, and f1 + f2 = f3.
請求項1記載の光子発生装置において、
各々が異なる光路で導かれた前記第1光,前記第2光,前記第3光を入力し、誘導パラメトリック過程により前記第1光,前記第2光,および前記第3光の間に相互作用を生じさせて前記第1光の量子状態を変化させて第1光路に出力するパラメトリック誘導部と、
前記第1光路に配置され、前記パラメトリック誘導部を出射した光の中より光周波数f1の光を透過させて前記第4光を出力する光フィルタと、
前記光フィルタを出射した前記第4光を、所定の時間間隔で第2光路および第3光路に切り分ける光スイッチと、
前記第3光路に配置され、前記光スイッチにおける切り替え時間間隔に等しい遅延を与えて第5光とする光遅延線と
を備え、
前記パラメトリック誘導部,前記第1光路,前記光フィルタ,前記第2光路,前記第3光路,前記光スイッチ,前記光遅延線により前記光生成部が構成されている
ことを特徴とする光子発生装置。
The photon generator according to claim 1, wherein
The first light, the second light, and the third light, which are respectively guided by different optical paths, are input, and an interaction between the first light, the second light, and the third light is performed by a guided parametric process. A parametric induction unit that changes the quantum state of the first light and outputs it to the first optical path;
An optical filter that is disposed in the first optical path and transmits the light of the optical frequency f1 from the light emitted from the parametric guiding unit and outputs the fourth light;
An optical switch that separates the fourth light emitted from the optical filter into a second optical path and a third optical path at a predetermined time interval;
An optical delay line disposed in the third optical path and giving a delay equal to a switching time interval in the optical switch to be a fifth light,
The photogenerator includes the parametric guide unit, the first optical path, the optical filter, the second optical path, the third optical path, the optical switch, and the optical delay line. .
請求項1記載の光子発生装置において、
前記光生成部は、前記第4光を生成する第1光生成部および前記第5光を生成する第2光生成部を備え、
前記第1光生成部は、
各々が異なる光路で導かれた前記第1光,前記第2光,前記第3光を入力し、誘導パラメトリック過程により前記第1光,前記第2光,および前記第3光の間に相互作用を生じさせて前記第1光の量子状態を変化させて第1光路に出力する第1パラメトリック誘導部と、
前記第1光路に配置され、前記第1パラメトリック誘導部を出射した光の中より光周波数f1の光を透過させて前記第4光を出力する第1光フィルタと
を備え、
前記第2光生成部は、
各々が異なる光路で導かれた前記第1光,前記第2光,前記第3光を入力し、誘導パラメトリック過程により前記第1光,前記第2光,および前記第3光の間に相互作用を生じさせて前記第1光の量子状態を変化させて第2光路に出力する第2パラメトリック誘導部と、
前記第2光路に配置され、前記第2パラメトリック誘導部を出射した光の中より光周波数f1の光を透過させて前記第5光を出力する第2光フィルタと
を備えることを特徴とする光子発生装置。
The photon generator according to claim 1, wherein
The light generation unit includes a first light generation unit that generates the fourth light and a second light generation unit that generates the fifth light,
The first light generation unit includes:
The first light, the second light, and the third light, which are respectively guided by different optical paths, are input, and an interaction between the first light, the second light, and the third light is performed by a guided parametric process. Generating a first parametric induction unit that changes the quantum state of the first light and outputs it to the first optical path;
A first optical filter that is disposed in the first optical path and that transmits the light having the optical frequency f1 from the light emitted from the first parametric guiding unit and outputs the fourth light;
The second light generator is
The first light, the second light, and the third light, which are respectively guided by different optical paths, are input, and an interaction between the first light, the second light, and the third light is performed by a guided parametric process. A second parametric induction unit that changes the quantum state of the first light and outputs it to the second optical path;
And a second optical filter arranged in the second optical path and transmitting the light having the optical frequency f1 from the light emitted from the second parametric guiding section and outputting the fifth light. Generator.
請求項3記載の光子発生装置において、
前記第1光を生成する第1光源と、
前記第2光を生成する第2光源と、
前記第3光を生成する第3光源と
を備え、
前記第1光源より生成された前記第1光を分岐して前記第1パラメトリック誘導部および前記第2パラメトリック誘導部の各々に導き、
前記第2光源より生成された前記第2光を分岐して前記第1パラメトリック誘導部および前記第2パラメトリック誘導部の各々に導き、
前記第3光源より生成された前記第3光を分岐して前記第1パラメトリック誘導部および前記第2パラメトリック誘導部の各々に導く
ことを特徴とする光子発生装置。
The photon generator according to claim 3,
A first light source for generating the first light;
A second light source for generating the second light;
A third light source for generating the third light,
Branching the first light generated from the first light source to each of the first parametric guiding unit and the second parametric guiding unit;
Branching the second light generated from the second light source to each of the first parametric guiding unit and the second parametric guiding unit;
The photon generator, wherein the third light generated from the third light source is branched and guided to each of the first parametric guide unit and the second parametric guide unit.
JP2016044207A 2016-03-08 2016-03-08 Photon generator Pending JP2017161619A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016044207A JP2017161619A (en) 2016-03-08 2016-03-08 Photon generator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016044207A JP2017161619A (en) 2016-03-08 2016-03-08 Photon generator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2017161619A true JP2017161619A (en) 2017-09-14

Family

ID=59856928

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016044207A Pending JP2017161619A (en) 2016-03-08 2016-03-08 Photon generator

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2017161619A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Morrison et al. Frequency-bin entanglement from domain-engineered down-conversion
Torres et al. Quantum spiral bandwidth of entangled two-photon states
Chen et al. Demonstration of a quantum controlled-NOT gate in the telecommunications band
Preussler et al. Stimulated Brillouin scattering gain bandwidth reduction and applications in microwave photonics and optical signal processing
Montaut et al. Progress in integrated and fiber optics for time-bin based quantum information processing
JP2011175078A (en) Quantum computer and quantum information processing method
Fang et al. On-chip generation of time-and wavelength-division multiplexed multiple time-bin entanglement
Elsonbaty et al. Simultaneous concealment of time delay signature in chaotic nanolaser with hybrid feedback
Menon et al. Nanophotonic quantum network node with neutral atoms and an integrated telecom interface
Chang et al. Low-loss high-fidelity frequency beam splitter with tunable split ratio based on electromagnetically induced transparency
JP6251156B2 (en) Multidimensional entangled state generator
TWI583262B (en) Driver laser configuration, EUV radiation generating device and method for amplifying pulsed laser radiation
EP3724716A1 (en) De-multiplexer and method of separating modes of electromagnetic radiation
Vidal et al. Reconfigurable photonic microwave filter based on four-wave mixing
Xavier et al. Energy-time and time-bin entanglement: past, present and future
Oliveira et al. A new system for all-optical AND logic gate on semiconductor optical amplifier based Michelson
US10897313B2 (en) Apparatus and method for reducing distortion of an optical signal
Preussler et al. Microwave-photonic filters
JP2017161619A (en) Photon generator
Mukherjee A method of implementation of frequency encoded all optical encryption decryption using four wave mixing
Zhang et al. Narrowband terahertz emission with tunable orbital angular momentum by vortex laser-beam interaction
Sciara et al. Picosecond-spaced time-entangled photonic qudits on chip and their use for quantum communications
JP2017026839A (en) Photon generator
Petit-Etienne A reconfigurable silicon photonics chip for the generation of frequency bin entangled qudits
CA3192558C (en) Apparatus comprising one or more photonic memories