JP4996290B2 - Time-entangled photon pair measurement device - Google Patents

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Description

本発明は、光子の存在する可能性のある2つの時間位置に関して、量子力学的相関を有する時間位置もつれ光子対の品質を評価するための時間位置もつれ光子対測定装置に関する。   The present invention relates to a time-entangled photon pair measuring apparatus for evaluating the quality of a time-entangled photon pair having a quantum mechanical correlation with respect to two time positions where a photon may exist.

近年、量子暗号、量子テレポーテーションといった、量子力学を利用した新しいタイプの通信システムが提案されている。量子暗号とは、個々の光子が持つ偏光や位相といった量子状態に「0」「1」を対応させて暗号の秘密鍵情報を載せて伝送する技術であり、1つの光子はそれ以上に分割することができず、そのため量子状態を変えずに物理量を観測することが一般にはできないことを利用して、共通鍵暗号方式における鍵配送を行う暗号方式であり、観測によって光子の量子状態に変化が生じて盗聴した痕跡が残ってしまうという、量子力学の原理により暗号鍵の安全性が保証された究極的に安全な暗号通信システムである。量子テレポーテーションとは、量子状態を転送するシステムで、上記量子暗号における伝送距離の延長や、量子計算機などの量子情報処理装置における信号転送に利用される。   In recent years, new types of communication systems using quantum mechanics such as quantum cryptography and quantum teleportation have been proposed. Quantum cryptography is a technique for transmitting cipher private key information by making "0" and "1" correspond to quantum states such as polarization and phase of individual photons, and divides one photon further. This is an encryption method that performs key distribution in the common key cryptosystem using the fact that it is generally not possible to observe physical quantities without changing the quantum state, and the quantum state of the photon is changed by observation. This is an extremely secure cryptographic communication system in which the security of the cryptographic key is guaranteed by the principle of quantum mechanics, in which traces of eavesdropping remain. Quantum teleportation is a system for transferring a quantum state, and is used for extending the transmission distance in the quantum cryptography and for signal transfer in a quantum information processing apparatus such as a quantum computer.

量子力学的相関を有する光子対(量子もつれ光子対)は、以上のような量子情報通信システムにおける重要な要素である。例えば、量子もつれ光子対を用いることにより、長距離伝送に適した量子暗号システムを実現できる。また、光子の量子状態を上記量子テレポーテーションにより転送するには、送信者と受信者の間で量子もつれ光子対を共有することが必要である。   A photon pair (quantum entangled photon pair) having a quantum mechanical correlation is an important element in the quantum information communication system as described above. For example, a quantum cryptography system suitable for long-distance transmission can be realized by using a entangled photon pair. Moreover, in order to transfer the quantum state of a photon by the quantum teleportation, it is necessary to share a entangled photon pair between a transmitter and a receiver.

量子もつれ光子対を上記のような通信システムに適用するには、品質のよい量子もつれ光子対を用意する必要があるため、量子もつれ光子対の品質を評価することは重要である。その評価手法の一つとして、光子対の密度行列を測定することがあげられる。光子対の偏波状態に関する量子もつれ状態(偏波もつれ光子対)に関しては、量子状態トモグラフィと呼ばれる、光子対の密度行列を測定する手法が非特許文献1においてすでに提案されている。   In order to apply the entangled photon pair to the communication system as described above, it is necessary to prepare a high-quality entangled photon pair. Therefore, it is important to evaluate the quality of the entangled photon pair. One of the evaluation methods is to measure the density matrix of photon pairs. Regarding a entangled state related to the polarization state of a photon pair (polarized entangled photon pair), a method for measuring a density matrix of a photon pair, called quantum state tomography, has already been proposed in Non-Patent Document 1.

以下に、偏波もつれ光子対について説明する。横方向(水平)の偏波(H偏波)を持つ単一の光子の状態を|H〉、縦方向(垂直)の偏波(V偏波)を持つ単一の光子の状態を|V〉とする。偏波もつれ状態にある光子対の一方を信号光子(シグナル光子)、他方をアイドラ光子と呼ぶことにして、それぞれ添え字s及びiで表す。このとき、偏波もつれ光子対の状態(|Φp〉)は、例えば次の式(1)で表される。 The polarization entangled photon pair will be described below. | H> indicates the state of a single photon having horizontal (horizontal) polarization (H polarization), and | V indicates the state of a single photon having vertical (vertical) polarization (V polarization). > One of the photon pairs in the polarization entangled state is referred to as a signal photon (signal photon), and the other is referred to as an idler photon. At this time, the state (| Φ p >) of the polarization entangled photon pair is expressed by the following equation (1), for example.

Figure 0004996290
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この信号アイドラ光子対を分離して、離れた2者であるA(例えば、アリス)とB(例えば、ボブ)にそれぞれ送り、両者がそれぞれの光子に対して偏波測定を行うとする。式(1)の意味するところによると、AがH偏波|H〉を観測すれば、それと対になる光子についてBも必ず|H〉を観測する。同様に、AがV偏波|V〉を観測すれば、それと対になる光子についてBも必ず|V〉を観測する。また、式(1)は、H−V偏波の基底を用いているが、これを別の基底、例えば右回り円偏波|R〉と左回り円偏波|L〉を用いた基底で書き直しても、2光子の偏波に関する相関は保持される特徴をもつ。 It is assumed that the signal idler photon pair is separated and sent to two persons A (for example, Alice) and B (for example, Bob) which are separated from each other, and both perform polarization measurement on each photon. According to the meaning of equation (1), if A observes H-polarization | H>, B always observes | H> with respect to the photon paired with it. Similarly, if A observes V-polarized light | V>, B always observes | V> for photons paired therewith. In addition, Equation (1) uses the basis of the HV polarization, but this is a basis using another basis, for example, a clockwise circular polarization | R> and a counterclockwise circular polarization | L>. Even if rewritten, the correlation with respect to the polarization of two photons is maintained.

偏波もつれ光子対においては、光子の量子状態を2つの偏波モードの重ね合わせとして表現することを前提としている。一般に、任意の偏波をもつ純粋状態の単一光子は次式(2)で表される。   In a polarization entangled photon pair, it is assumed that the quantum state of a photon is expressed as a superposition of two polarization modes. In general, a pure single photon having an arbitrary polarization is expressed by the following equation (2).

Figure 0004996290
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ここで、φは0から2πまでの値をとる位相である。このような、光子の偏波に関する量子状態は、光の偏波状態の表示法であるポアンカレ球表面上の点として表すことができる。光子の偏波に関する量子状態をポアンカレ球形式で図1に示す。ここで、球の赤道上にある|D+〉,|D-〉はそれぞれ Here, φ is a phase having a value from 0 to 2π. Such a quantum state relating to the polarization of a photon can be expressed as a point on the surface of the Poincare sphere, which is a display method of the polarization state of light. A quantum state relating to the polarization of a photon is shown in the Poincare sphere format in FIG. Here, located on the equator of the sphere | D +>, | D - > Each

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を表す。また、球の北極,南極にあたる|L〉,|R〉は Represents. In addition, | L>, | R>

Figure 0004996290
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に相当する。 It corresponds to.

非特許文献1で開示された量子状態トモグラフィにおいては、偏波もつれ状態にある2光子を分離した後に、それぞれの光子に対して、ポアンカレ球の4分の1球(球の中心を通り、互いに直交する2平面で球を4分割した場合の一片)のうち、その2平面の交線と球の表面とが交差する2点と、その2点を結ぶ弧の中間点に相当する2点の計4点に相当する偏波状態への射影測定を行う(図1では、例えば状態|H〉,|V〉 |L〉,|D+〉の4状態への射影測定に相当する)。個々の光子に対して上記の4通りの射影測定を適用して、2光子が同時に検出される事象数を測定する。すなわち、2光子に対して合計16通りの射影測定の組み合わせを用いて同時計数を行う。このようにして得た16個の測定結果を非特許文献1に記載されている手法で処理することにより、偏波もつれ光子対の4×4行列で表される密度行列を構築することができる。 In the quantum state tomography disclosed in Non-Patent Document 1, after separating two photons in a polarization entangled state, for each photon, a quarter of the Poincare sphere (through the center of the sphere, 2 points corresponding to the midpoint of the arc connecting the two points of the intersection of the two planes and the surface of the sphere, and a piece of the sphere divided into four parts by two planes orthogonal to each other) The projection measurement to the polarization state corresponding to a total of four points is performed (in FIG. 1, for example, this corresponds to the projection measurement to the four states of states | H>, | V> | L>, | D + >). The above four projection measurements are applied to individual photons to determine the number of events in which two photons are detected simultaneously. That is, simultaneous counting is performed using a total of 16 combinations of projection measurements for two photons. By processing the 16 measurement results obtained in this way by the method described in Non-Patent Document 1, a density matrix represented by a 4 × 4 matrix of polarization entangled photon pairs can be constructed. .

非特許文献1においては、偏波状態の射影測定の手法も示されている。以下にその概要を述べる。図2にその偏波状態の射影測定系を示す。この射影測定系は、回転可能な4分の1波長板(quarter wave plate:QWP)21、回転可能な半波長板(half wave plate :HWP)22、透過軸が垂直(V)偏波に設定された偏光子(V偏波透過偏光子)23、およびその偏光子23からの出力光子を受信する光子検出器24とから構成されている。角度θの回転行列T(θ)は次式で表される。   Non-Patent Document 1 also shows a method for projective measurement of a polarization state. The outline is described below. FIG. 2 shows a projection measurement system in the polarization state. This projection measurement system has a rotatable quarter wave plate (QWP) 21, a rotatable half wave plate (HWP) 22, and a transmission axis set to a vertical (V) polarization. And a photon detector 24 that receives an output photon from the polarizer 23. The rotation matrix T (θ) of the angle θ is expressed by the following equation.

Figure 0004996290
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進相軸をH偏波方向に固定したときHWP22,QWP21のJones (ジョーンズ)行列は、 When the fast axis is fixed in the H polarization direction, the Jones matrix of HWP22 and QWP21 is

Figure 0004996290
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と表すことができる。進相軸がH方向から反時計回りに角度θq,θhを回転しているQWP21,HWP22のJones 行列はそれぞれ次式(3)、(4)のようになる。
H(θh)=T(θh)hT(−θh) (3)
Q(θq)=T(θq)qT(−θq) (4)
It can be expressed as. The Jones matrices of QWP21 and HWP22 in which the fast axis rotates the angles θ q and θ h counterclockwise from the H direction are expressed by the following equations (3) and (4), respectively.
H (θ h ) = T (θ h ) hT (−θ h ) (3)
Q (θ q ) = T (θ q ) qT (−θ q ) (4)

図2に示す射影測定系において、QWP21,HWP22の回転角度をθq,θhにそれぞれ設定して光子を光子検出器24で検出したとする。このとき、入力光子は次式(5)で示される状態|x〉に射影されたことを意味する。
|x〉=Q(θq-1H(θh-1|V〉 (5)
In the projection measurement system shown in FIG. 2, it is assumed that the rotation angles of QWP 21 and HWP 22 are set to θ q and θ h , respectively, and photons are detected by photon detector 24. At this time, it means that the input photon is projected to the state | x> shown by the following equation (5).
| x> = Q (θ q ) −1 H (θ h ) −1 | V> (5)

(5)式によると、例えば(θq,θh)を(0,0)に設定すれば状態|V〉に対する射影測定を行うことができ、(θq,θh)を(0,π/4)に設定すれば状態|H〉に対する射影測定を行うことができる。 According to the equation (5), for example, if (θ q , θ h ) is set to (0, 0), projection measurement for the state | V> can be performed, and (θ q , θ h ) is changed to (0, π / 4), the projection measurement for the state | H> can be performed.

Daniel. F. V. James, et. al., “Measurement of qubits”, Physical Review A, vol.64, pp. 052312-1 〜-5(2001)。Daniel. F. V. James, et. Al., “Measurement of qubits”, Physical Review A, vol. 64, pp. 052312-1 to -5 (2001).

上述の偏波もつれ光子対とは異なる物理量に関するもつれ光子対として、時間位置もつれ光子対(光子の時間位置を観測量とし、時間位置に関してもつれ合った光子状態)がある。|k〉を時間位置kに光子が1個ある状態であるとすると、時間位置もつれ光子対の一例は次式(6)で表される。   As an entangled photon pair relating to a physical quantity different from the above-mentioned polarization entangled photon pair, there is a time-position entangled photon pair (a photon state entangled with respect to the time position, with the time position of the photon as an observation amount). If | k> is a state where there is one photon at the time position k, an example of the time-position entangled photon pair is expressed by the following equation (6).

Figure 0004996290
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ここで、添え字sおよびiはシグナル光子およびアイドラ光子をそれぞれ示している。本形式の量子もつれは、時間位置に関する任意の量子状態が次式(7)で表されることに基づいている。 Here, the subscripts s and i indicate a signal photon and an idler photon, respectively. This type of quantum entanglement is based on the fact that an arbitrary quantum state related to the time position is expressed by the following equation (7).

Figure 0004996290
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ここで、φは0から2πまでの値をとる位相である。 Here, φ is a phase having a value from 0 to 2π.

偏波に基づく場合と同様に、上式(6)で表される時間位置に関する量子状態も、図1において、|H〉→|1〉・|V〉→|2〉と置き換えることにより、ポアンカレ球上の点で表すことができる(図3)。このとき、|L〉,|R〉,|D+〉,|D-〉はここでは次式のように状態|1〉と|2〉の重ね合わせとする。 As in the case based on the polarization, the quantum state related to the time position represented by the above equation (6) is also replaced by | H> → | 1> · | V> → | 2> in FIG. It can be represented by a point on the sphere (FIG. 3). At this time, | L>, | R>, | D + >, and | D > are superpositions of states | 1> and | 2> as shown in the following equation.

Figure 0004996290
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この時間位置に関する量子状態のポアンカレ球上において、偏波の場合と同様の4点への射影測定を各光子に対して行い、計16通りの射影測定の組み合わせに基づく同時計数率を測定すれば、非特許文献1と同様の手法を用いて2光子の密度行列が構築できる。しかし、明らかに、前節(背景技術の項)に述べた偏波状態の射影測定法(図2)は、時間位置に関する量子状態の射影測定には適用不可能である。このように、従来技術では、時間位置に関する量子状態の射影測定の手法が未知であったため、時間位置もつれ光子対に対する量子トモグラフィは行われていなかった。 On the Poincare sphere in the quantum state with respect to this time position, the same four-point projection measurement as in the case of polarization is performed for each photon, and the coincidence rate based on a total of 16 projection measurement combinations is measured. A two-photon density matrix can be constructed using the same method as in Non-Patent Document 1. However, clearly, the projection measurement method (FIG. 2) of the polarization state described in the previous section (Background Art) is not applicable to the projection measurement of the quantum state with respect to the time position. As described above, in the prior art, since the method of projective measurement of the quantum state related to the time position is unknown, the quantum tomography for the time position entangled photon pair has not been performed.

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、時間位置もつれ光子対の量子状態トモグラフィが可能となり、もつれ品質の正確な評価が可能となる時間位置もつれ光子対測定装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a time-position entangled photon pair measuring apparatus that enables quantum state tomography of time-position entangled photon pairs and enables accurate evaluation of tangled quality. Is to provide.

上記目的を達成するため、本発明は、所定の時間間隔だけ離れた2つの時間位置に関する量子もつれ光子対の量子状態を測定する時間位置もつれ光子対測定装置であって、光子対をなすそれぞれの光子に対して入力された光を2経路に分岐する光分岐手段と、2×2の入出力端子を有する光カプラと、前記光分岐手段により分岐された2経路の光を、一方の経路の光が他方の経路に光に対し前記所定の時間間隔だけ遅延された状態で前記光カプラの一方の入力端子に入力させる遅延手段と、前記光分岐手段により分岐された2経路の光の位相差を調整する位相差調整手段とを有する遅延干渉計と、前記遅延干渉計から出力される光子とその到着時刻を検出するための光子検出器とを備え、2つの時間位置に関する量子もつれ光子対が、前記光分岐手段に入力されて前記光カプラから出力され、前記光子検出器により検出される際に、該光子対をなすそれぞれの光子が、検出される可能性のある3つの時間位置のどこで検出されたかを記録し、前記2つの時間位置に関する量子もつれ光子対のそれぞれの光子に対して、前記3つの時間位置のうち、1番目の時間位置、3番目の時間位置、および前記遅延干渉計の位相差をπ/2異なる2つの値に設定した場合の2番目の時間位置、のそれぞれにおける4通りの射影状態の光子計数を行って、2光子の4通りの射影状態による、16通りの組み合わせの同時計数を行うことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a time-position entangled photon pair measuring device for measuring the quantum state of a entangled photon pair with respect to two time positions separated by a predetermined time interval, wherein each pair of photon pairs An optical branching unit that splits the light input to the photon into two paths, an optical coupler having a 2 × 2 input / output terminal, and two paths of light branched by the optical branching unit Delay means for inputting light to one input terminal of the optical coupler in a state where the light is delayed by the predetermined time interval with respect to the light on the other path, and a phase difference between the two paths of light branched by the optical branching means A delay interferometer having a phase difference adjusting means for adjusting the photon, a photon output from the delay interferometer and a photon detector for detecting the arrival time thereof, and a pair of quantum entangled photons for two time positions The light When the photon pair is detected and detected by the photon detector, the photon detector detects the photon pair at which of the three time positions where the photon is detected. And for each photon of the entangled photon pair with respect to the two time positions, the first time position, the third time position, and the phase difference of the delay interferometer among the three time positions When the photon count is set to two values different from each other by π / 2, photon counting of four projection states at each of the second time positions is performed, and 16 combinations of four projection states at the same time are calculated simultaneously. Counting is performed .

また、前記光子検出器は、前記光カプラの2つの出力端子の一方に接続、またはその両方にそれぞれ接続しているとすることができる。   The photon detector may be connected to one of the two output terminals of the optical coupler or to both of them.

本発明は、上記構成により、時間位置もつれ光子対の量子状態トモグラフィが可能となり、もつれ品質の正確な評価が可能となる。   With the above configuration, the present invention enables quantum state tomography of entangled photon pairs in time position, and enables accurate evaluation of entangled quality.

(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態として、各光子に対して光子検出器を1個用いる場合の時間位置もつれ光子対測定装置について説明する。
(First embodiment)
As a first embodiment of the present invention, a time-position entangled photon pair measuring apparatus when one photon detector is used for each photon will be described.

時間位置に関する量子状態の射影測定には、図4に示すような遅延干渉計を用いる。遅延干渉計41は2経路に量子状態を構成する2つの時間位置モードの時間間隔に等しい伝搬時間差を有する。また、2経路を伝搬する光の位相差を調整する機構も有する。さらに本実施形態では、遅延干渉計41の1出力ポートにのみ光子検出器47が接続されている場合を考える。   A delay interferometer as shown in FIG. 4 is used for the projection measurement of the quantum state with respect to the time position. The delay interferometer 41 has a propagation time difference equal to the time interval between two time position modes constituting a quantum state in two paths. It also has a mechanism for adjusting the phase difference of light propagating through the two paths. Further, in the present embodiment, a case is considered where the photon detector 47 is connected to only one output port of the delay interferometer 41.

さらにその構成を詳しく説明すると、この遅延干渉計41は、光子対をなすそれぞれの光子に対して入力された光を2経路に分岐する光分岐手段42と、2×2の入出力端子を有する光カプラ43と、光分岐手段42により分岐された一方の経路の光が他方の経路に光に対して所定の時間間隔だけ遅延された状態で光カプラ43の一方の入力端子に入力させる遅延手段44と、光分岐手段42により分岐された2経路の光の位相差を調整する位相差調整手段45とを有する1ビット遅延マッハツエンダ干渉計である。   The delay interferometer 41 will be described in detail. The delay interferometer 41 has an optical branching unit 42 for branching light input to each photon forming a photon pair into two paths, and a 2 × 2 input / output terminal. The optical coupler 43 and a delay means for causing the light of one path branched by the optical branching means 42 to be input to one input terminal of the optical coupler 43 in a state where the light is delayed to the other path by a predetermined time interval. 1 and a 1-bit delay Mach-Zehnder interferometer having a phase difference adjusting unit 45 that adjusts a phase difference between two paths of light branched by the optical branching unit 42.

光カプラ42の一方の出力端子(1出力ポート)のみに光子検出器46が接続されており、この光子検出器46は、光カプラ42から出力される光子とその到着時刻を検出する。情報処理装置48は、2つの時間位置に関する量子もつれ光子対をなすそれぞれの光子が、光子検出器46で検出される可能性のある3つの時間位置のどこで検出されたかを記録する。また、後で詳述するように、情報処理装置48は、光子対のそれぞれの光子に対して、上記3つの時間位置のうち、1番目の時間位置、3番目の時間位置、および遅延干渉計41の位相差をπ/2異なる2つの値に設定した場合の2番目の時間位置のそれぞれにおける4通りの射影状態の光子計数を行うことと、2光子の4通りの射影状態による、16通りの組み合わせの同時計数を行う。   A photon detector 46 is connected to only one output terminal (one output port) of the optical coupler 42, and this photon detector 46 detects a photon output from the optical coupler 42 and its arrival time. The information processing device 48 records where in each of the three time positions that the photon detector 46 may detect each photon that forms a entangled photon pair for the two time positions. As will be described in detail later, the information processing device 48 uses the first time position, the third time position, and the delay interferometer among the three time positions for each photon of the photon pair. When the phase difference of 41 is set to two values different by π / 2, photon counting is performed in four ways at each of the second time positions, and 16 ways are obtained according to the four ways of projection of two photons. Simultaneously count the combinations.

上記のように構成した遅延干渉計41に、2つの時間位置モードで構成された量子状態を入力すると、遅延干渉計41の出力においては、3つの時間位置において光子を観測する可能性がある。以降では、1番及び3番の時間位置における測定は、入力された光子の状態が|1〉か、あるいは|2〉であるかを判別できるので、タイムベース(time base時間基底)における測定と呼び、2番の時間位置における測定をエネルギーベース(energy base エネルギー基底)における測定と呼ぶことにする。そのエネルギーベースでの光子検出は、入力状態が|1〉と|2〉の状態の重ね合わせ状態に射影されたことを意味する。測定において光子がタイムベースか、エネルギーベースかのいずれで検出されるかは確率的にしかわからない。   When a quantum state configured in two time position modes is input to the delay interferometer 41 configured as described above, photons may be observed at three time positions in the output of the delay interferometer 41. In the following, since the measurement at the time positions 1 and 3 can determine whether the state of the input photon is | 1> or | 2>, the measurement at the time base (time base time base) The measurement at the second time position is called the measurement in the energy base (energy base). The photon detection based on the energy base means that the input state is projected into a superposition state of | 1> and | 2>. It is only probabilistic that it will be detected whether the photon is detected in the time base or energy base in the measurement.

2番目のタイムスロットにおいては、1番目のパルスの位相がθ変化回転して、2番目のパルスに合波された状態が出力すると考えられる。よって、この2番目のタイムスロットにおいて光子が検出されれば、   In the second time slot, the phase of the first pulse is rotated by changing θ, and it is considered that the state combined with the second pulse is output. So if a photon is detected in this second time slot,

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に射影されたと考えることができる。上記(8)式において、θ=0とし、2番目のタイムスロットにおいて光子を検出すれば、状態|D+〉へ射影測定を行ったことになり、上記(8)式において、θ=−π/2とし、2番目のタイムスロットにおいて光子を検出すれば、状態|L〉への射影測定を行ったことになる。 Can be thought of as being projected. In the above equation (8), if θ = 0 and a photon is detected in the second time slot, the projection measurement is performed to the state | D + >. In the above equation (8), θ = −π If the photon is detected in the second time slot when / 2, the projection measurement to the state | L> is performed.

1番目のタイムスロットにおいて光子が検出されたならば、入力された光子状態は必ず|1〉であったことを示しているから、状態|1〉への射影測定が行われたと考えることができる。同様に、3番目のスロットで検出されたら、入力された光子状態は必ず|2〉であったことを示しているから、状態|2〉への射影測定が行われたと考えることができる。ただし、タイムベースの測定は、以下に示すようにエネルギーベースに比べて確率が半分(確率振幅で1/√2)になることに注意する必要がある。   If a photon is detected in the first time slot, it indicates that the input photon state is always | 1>. Therefore, it can be considered that the projection measurement to the state | 1> has been performed. . Similarly, if it is detected in the third slot, it indicates that the input photon state is always | 2>, so it can be considered that the projection measurement to state | 2> has been performed. However, it should be noted that the time base measurement has half the probability (1 / √2 in terms of probability amplitude) as compared with the energy base as described below.

仮に、|D+〉の光子を、θ=0の遅延干渉計41に入力し、エネルギーベースで測定したとすると、(系の損失が無く、光子がエネルギーベースに出力されるならば)、100%の確率で光子は検出される。すなわち、光子は遅延干渉計41の2出力のうち、光子検出器47が接続されているポートから必ず出力する。 If a photon of | D + > is input to the delay interferometer 41 with θ = 0 and measured on an energy basis (if there is no system loss and the photon is output on the energy base), 100 Photons are detected with a probability of%. That is, the photons are always output from the port connected to the photon detector 47 out of the two outputs of the delay interferometer 41.

一方、|1〉の光子を遅延干渉計41に入力し、タイムベースで測定したとする。このとき、光子は遅延干渉計41の2出力ポートから等しい確率で出力されるから、系の損失が無く、光子がタイムベースに出力される場合でも、光子が検出される確率は50%である。言い換えれば、タイムベースでの測定は、光子を|1〉/√2または|2〉/√2に射影すると考えることもできる。   On the other hand, it is assumed that the photon of | 1> is input to the delay interferometer 41 and measured on the time base. At this time, since the photons are output from the two output ports of the delay interferometer 41 with an equal probability, even if there is no loss of the system and the photons are output to the time base, the probability that the photons are detected is 50%. . In other words, time base measurements can be thought of as projecting photons to | 1> / √2 or | 2> / √2.

以上を踏まえ、各光子に対し、例えば|1〉,|2〉,|D+〉,|L〉の4測定を行う。密度行列は|1〉,|2〉を基底として表示することとすると、2光子の射影後の状態|Ψν〉は
(|11〉,|12〉,|21〉,|22〉)
の4成分を持つベクトルで表される。ここで、νは2光子の射影状態の組み合わせを示す1から16までの番号である。この16通りの射影状態は表1のように表される。
Based on the above, for example, four measurements of | 1>, | 2>, | D + >, and | L> are performed for each photon. If the density matrix is displayed with | 1> and | 2> as the base, the state | Ψ ν > after the projection of two photons is (| 11>, | 12>, | 21>, | 22>).
It is expressed by a vector having four components. Here, ν is a number from 1 to 16 indicating a combination of projection states of two photons. These 16 projection states are shown in Table 1.

Figure 0004996290
Figure 0004996290

ここで、実験において射影状態の組み合わせνに対して得た同時計数率をmνとし、上記のタイムベースの射影測定においては、光子の半分は別のポートに出力されていることを考慮にいれて補正した同時計数率をnνとすると、nνとmνの関係は次式(9)で表される。
ν=αmν (9)
Here, the coincidence rate obtained for the projection state combination ν in the experiment is m ν, and in the above time-based projection measurement, half of the photons are output to another port. Assuming that the coincidence rate corrected in this way is n v , the relationship between n v and m v is expressed by the following equation (9).
n v = αm v (9)

ここで、αは2光子共にエネルギーベースで測定している場合は1、一方のみタイムベースの場合は2、両方タイムベースの場合は4である(表1を参照)。   Here, α is 1 when both photons are measured on an energy basis, 2 when only one time base is measured, and 4 when both time bases are on (see Table 1).

この測定において求められたnν(ν=1−16)を用いて、上式(1)と同じ処理を施すことにより、時間位置もつれ光子対の密度行列を構築することができる。 By using n ν (ν = 1-16) obtained in this measurement and performing the same processing as the above equation (1), a density matrix of time-entangled photon pairs can be constructed.

(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態として、各光子に対して光子検出器を2個用いる場合の時間位置もつれ光子対測定装置について説明する。
(Second Embodiment)
Next, as a second embodiment of the present invention, a time-position entangled photon pair measuring apparatus when two photon detectors are used for each photon will be described.

上記の第1実施の形態においては、タイムベースにおける測定時に、光子の半分が遅延干渉計41の他方のポートから出力されるため、上式(9)による同時計数率データの補正が必要であった。そこで、本実施の形態では、図5に示すように、それぞれの遅延干渉計41の2出力ポートに光子検出器46,47を配置し、タイムベースでの測定においては両光子検出器46,47のどちらかの計数と他方の光子の検出結果との同時計数を情報処理装置48により取る。エネルギーベースでの測定は第1の実施の形態の場合と同じである。2つの光子検出器46,47の量子効率が同じであるならば、上式(9)による補正なしに、同時計数率nνを得ることができる。 In the first embodiment, half of the photons are output from the other port of the delay interferometer 41 during measurement in the time base, and therefore correction of the coincidence rate data by the above equation (9) is necessary. It was. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 5, the photon detectors 46 and 47 are arranged at the two output ports of the respective delay interferometers 41, and the two-photon detectors 46 and 47 are used in the time base measurement. The information processing device 48 takes the simultaneous count of either one of the above and the detection result of the other photon. The energy-based measurement is the same as in the first embodiment. If the quantum efficiencies of the two photon detectors 46 and 47 are the same, the coincidence rate n v can be obtained without correction by the above equation (9).

(他の実施の形態)
上記では、本発明の好適な実施の形態を例示して説明したが、本発明の実施の形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施の形態に含まれる。また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用しても良いし、1つの機器からなる装置に適用してもよい。
(Other embodiments)
In the above, the preferred embodiment of the present invention has been described by way of example. However, the embodiment of the present invention is not limited to the above-described example, and is within the scope of the claims. Various modifications such as replacement, change, addition, increase / decrease in the number of components, change in shape design, etc. are all included in the embodiment of the present invention. In addition, the present invention may be applied to a system composed of a plurality of devices, or may be applied to an apparatus composed of one device.

偏波に基づく量子状態のポアンカレ球表示を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the Poincare sphere display of the quantum state based on polarization. 偏波に基づく量子状態の射影測定を実行する従来装置の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the conventional apparatus which performs the projection measurement of the quantum state based on a polarization. 時間位置に基づく量子状態のポアンカレ球表示を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the Poincare sphere display of the quantum state based on a time position. 本発明の第1の実施の形態における遅延干渉計を用いた時間位置に基づく量子状態の射影測定を行う時間位置もつれ光子対測定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the time position entangled photon pair measuring apparatus which performs the projection measurement of the quantum state based on the time position using the delay interferometer in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態における時間位置もつれ光子対測定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the time position entangled photon pair measuring apparatus in the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

41 遅延干渉計(1ビッド遅延マッハーツェンダ干渉計)
42 分岐手段
43 光カプラ
44 遅延手段
45 位相差調整手段
46,47 光子検出器
48 情報処理装置
41 Delay Interferometer (1 Bid Delay Mach-Zehnder Interferometer)
42 branching means 43 optical coupler 44 delay means 45 phase difference adjusting means 46, 47 photon detector 48 information processing apparatus

Claims (2)

所定の時間間隔だけ離れた2つの時間位置に関する量子もつれ光子対の量子状態を測定する時間位置もつれ光子対測定装置であって、
光子対をなすそれぞれの光子に対して入力された光を2経路に分岐する光分岐手段と、2×2の入出力端子を有する光カプラと、前記光分岐手段により分岐された2経路の光を、一方の経路の光が他方の経路に光に対し前記所定の時間間隔だけ遅延された状態で前記光カプラの一方の入力端子に入力させる遅延手段と、前記光分岐手段により分岐された2経路の光の位相差を調整する位相差調整手段とを有する遅延干渉計と、
前記遅延干渉計から出力される光子とその到着時刻を検出するための光子検出器とを備え、
2つの時間位置に関する量子もつれ光子対が、前記光分岐手段に入力されて前記光カプラから出力され、前記光子検出器により検出される際に、該光子対をなすそれぞれの光子が、検出される可能性のある3つの時間位置のどこで検出されたかを記録し、
前記2つの時間位置に関する量子もつれ光子対のそれぞれの光子に対して、前記3つの時間位置のうち、1番目の時間位置、3番目の時間位置、および前記遅延干渉計の位相差をπ/2異なる2つの値に設定した場合の2番目の時間位置、のそれぞれにおける4通りの射影状態の光子計数を行って、2光子の4通りの射影状態による、16通りの組み合わせの同時計数を行うことを特徴とする時間位置もつれ光子対測定装置。
A time-entangled photon pair measuring device for measuring the quantum state of a quantum entangled photon pair with respect to two time positions separated by a predetermined time interval;
Optical branching means for branching the light input to each photon forming a photon pair into two paths, an optical coupler having 2 × 2 input / output terminals, and two paths of light branched by the optical branching means , A delay means for inputting the light of one path to one input terminal of the optical coupler in a state delayed by the predetermined time interval with respect to the light in the other path, and 2 branched by the optical branching means A delay interferometer having phase difference adjusting means for adjusting the phase difference of light in the path;
A photon output from the delay interferometer and a photon detector for detecting its arrival time;
When a pair of quantum entangled photons relating to two time positions is input to the optical branching means and output from the optical coupler and detected by the photon detector, each photon forming the photon pair is detected. Record where it was detected at three possible time locations ,
For each photon of the entangled photon pair with respect to the two time positions, the phase difference between the first time position, the third time position, and the delay interferometer among the three time positions is π / 2. Perform four-way photon counting at each of the second time positions when set to two different values, and perform 16-way combination counting by four-photon four-projection states. Time position entangled photon pair measuring device.
所定の時間間隔だけ離れた2つの時間位置に関する量子もつれ光子対の量子状態を測定する時間位置もつれ光子対測定装置であって、
光子対をなすそれぞれの光子に対して入力された光を2経路に分岐する光分岐手段と、2×2の入出力端子を有する光カプラと、前記光分岐手段により分岐された2経路の光を、一方の経路の光が他方の経路に光に対し前記所定の時間間隔だけ遅延された状態で前記光カプラの一方の入力端子に入力させる遅延手段と、前記光分岐手段により分岐された2経路の光の位相差を調整する位相差調整手段とを有する遅延干渉計と、
前記光カプラの2つの出力端子の一方に接続、またはその両方にそれぞれ接続され、前記遅延干渉計から出力される光子とその到着時刻を検出するための光子検出器とを備え、
2つの時間位置に関する量子もつれ光子対が、前記光分岐手段に入力されて前記光カプラから出力され、前記光子検出器により検出される際に、該光子対をなすそれぞれの光子が、検出される可能性のある3つの時間位置のどこで検出されたかを記録し、
前記2つの時間位置に関する量子もつれ光子対のそれぞれの光子に対して、前記3つの時間位置のうち、1番目の時間位置、3番目の時間位置、および前記遅延干渉計の位相差をπ/2異なる2つの値に設定した場合の2番目の時間位置、のそれぞれにおける4通りの射影状態の光子計数を行って、2光子の4通りの射影状態による、16通りの組み合わせの同時計数を行うことを特徴とする時間位置もつれ光子対測定装置。
A time-entangled photon pair measuring device for measuring the quantum state of a quantum entangled photon pair with respect to two time positions separated by a predetermined time interval;
Optical branching means for branching the light input to each photon forming a photon pair into two paths, an optical coupler having 2 × 2 input / output terminals, and two paths of light branched by the optical branching means , A delay means for inputting the light of one path to one input terminal of the optical coupler in a state delayed by the predetermined time interval with respect to the light in the other path, and 2 branched by the optical branching means A delay interferometer having phase difference adjusting means for adjusting the phase difference of light in the path;
A photon detector connected to one or both of the two output terminals of the optical coupler and connected to both, and a photon detector for detecting the arrival time of the photon output from the delay interferometer;
When a pair of quantum entangled photons relating to two time positions is input to the optical branching means and output from the optical coupler and detected by the photon detector, each photon forming the photon pair is detected. Record where it was detected at three possible time locations,
For each photon of the entangled photon pair with respect to the two time positions, the phase difference between the first time position, the third time position, and the delay interferometer among the three time positions is π / 2. Perform four-way photon counting at each of the second time positions when set to two different values, and perform 16-way combination counting by four-photon four-projection states. Time position entangled photon pair measuring device.
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