【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、量子演算装置および量子暗号装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】量子演算装置は、複数の状態の重ね合わさった波動関数を用い、その複数の状態ごとに波動関数を、外部の入力関数に応じて制御することにより、その波動関数によって表されている量子の測定結果から、入力関数についての論理計算を行うものである。

【０００３】これまで数学的なモデルとして研究されてきたが、本発明までは実際に製作可能なものは無かった。 その代表的な数学的モデルとして、Proc.R.Soc.Lon
d.,A439(1992)pp553、D.Deutsch「Rapid Solution of P
roblems by Quantum Computation」に示されているものがある。 以下、このモデルについて説明する。

【０００４】演算に用いる波動関数としては、（１）式で示される２つの力学変数をもつものを考える。 すなわち |φ>=|i,j> i=0,...,2N-1, j=0,1 … （１） 入力関数として（２）式で示される、0から2N-1までの２Ｎ個のiに対して、0または1の値をとる2Nビット２値関数をf(i)とする。 すなわち f(i)=0,1 i=0,1,...,2N-1 … （２） である。 また、ユニタリー変換として、（３）式で示される次のようなUf,Sを考える。 Uf|i,0> = |i,f(i)> … （３） S|i,a> = (-1) ^a |i,a>

【０００５】以下、この数学的なモデルの動作を説明する。 まず、状態iについての重ね合わせになっている式（４）で示される波動関数を用意する。

【０００６】

【数１】

【０００７】この波動関数に対して、式（５）で示されるユニタリー変換Ufを作用させ

【０００８】

【数２】

【０００９】その後、式（６）で示されるSを作用させる

【００１０】

【数３】

【００１１】その後、式（７）で示されるUfの逆変換を作用させる。

【００１２】

【数４】

【００１３】このようにして得られた波動関数|ψ>と、
元の波動関数|φ>を重ね合わせ、観測を行う。 この観測による、粒子の存在確率Pは式（８）のように表される。

【００１４】

【数５】

【００１５】上の式の結果から、次のことがわかる。 つまり、一つの量子に対する一回の測定で、もし、粒子を見いだしたならば、存在確率は０ではなく、式から、f
(i)は、ちょうどN個の0（または１）を含んでいることはない。 また、粒子を見いださなかった場合、存在確率は１ではなく、式から、f(i)は、「全て０または全て１」ではない。 このように、このモデルのような量子演算では、一種の論理演算を、少ない媒体で、高速に行うことができるのである。 量子演算で可能な演算は、このモデルのような簡単な物ばかりではなく、たとえば離散的対数計算や、大きな桁数の因数分解を行えることが、
現在わかってきている。

【００１６】しかし、これまで実際にこの量子演算が、
実現されてこなかった理由は、量子演算におけるユニタリー変換を物理的に実現するのが困難であったこと、電子等の量子波を用いた場合、量子演算で用いる重ね合わせ状態を維持することが困難であったこと、および光子を量子波として用いた場合、最終的に観測した信号がノイズであるか有効な結果であるかの判別が困難であったことなどである。

【００１７】一方、同じく量子波を用いた情報通信方法として、量子暗号通信がある。 これは、もし何らかの方法で盗聴が行われた場合、非常に高い確率でそのことを探知することのできる通信方法である。 量子暗号通信について代表的な例として日経サイエンス１９９２年１２
月号５０頁に示された装置を図１３によって説明する。
図１３は従来の量子暗号装置の構成図であり、図１３において、５３は発光ダイオード、５４は減衰フィルタ、
５５、５６は偏光板、５７は検出器、５８は入力信号、
５９は選択信号である。

【００１８】つぎに、情報の送受信の方法について説明する。 まず、発光ダイオード５３から出た光は、減衰フィルタ５４によって減衰され、光強度は光子計数領域まで落とされる。 光子計数領域とは、光の検出器を用いて入射光強度を測定するとき、もはや連続的な出力の強度としては測定されず、その光の周波数に応じた高さのパルスの頻度として測定されるような領域のことである。

【００１９】つぎに、５５の偏光板を光子は通過する。
このとき、送信者は、０または１で表される入力信号に対して、次のどちらかの方法で偏光板５５を操作する。
ここで、偏光板の角度は０度から１８０度で表している。 Ａ：偏光板５５を入力値１については０度に、入力値０
については９０度にする。 Ｂ：偏光板５５を入力値１については４５度に、入力値０については１３５度にする。

【００２０】これらの２つの方法のどちらかを、各ビットごとに無作為に選び、どちらの方法を選んだかを時刻とともに記録しておく。 次に、受信者は、選択信号によって、偏光板５６の次のどちらかの状態を、無作為に適宜選択する。 Ｃ：０度の状態 Ｄ：４５度の状態 どちらの状態を選んだかは、時刻とともに記録しておく。 そして、光子を検出した場合には１、検出しなかった場合には０とする。 送信者は、何らかの方法で、どの時刻にＡまたはＢの方法を用いていたかを受信者に伝える。 受信者は、受信した情報の内、送信者がＡを用いていたときにＣの方法で検出、またはＢの方法を用いていたときにＤの方法で検出していたもののみを有効とする。

【００２１】つぎに、盗聴の検出方法について説明する。 送信者は、もとの送信データの一部を受信者に、何らかの方法で伝達する。 受信者は、送られてきたもとのデータの一部と、上記の手順によって有効としたデータとで、対応する部分を比較する。 もし、比較した結果違いが見つかれば、それは、何らかの盗聴者がいたことを示している。 というのは、盗聴者は、盗聴時に、ＣまたはＤのどちらかの方向についての偏光方向を測定する。
その場合、たとえば送信者がＡの方法で０を送信した場合、Ｄの方法で偏光を検出する場合が、確率０．５で存在する。 この場合、盗聴者による測定の影響で、送信者がＡの状態で、０を送ったのか、１を送ったのかはわからなくなる。 このため、受信者が送信者と対応する方法、つまり、送信者がＡを用いていたときにＣの方法で検出、またはＢの方法を用いていたときにＤの方法で検出していたものでも、送信者の送った値と受信者の受け取った値が異なってしまう。 この異なる確率は０．５である。 つまり、盗聴者がどのような方法で盗聴を試みても、１つの光子に対する測定ごとに、０．２５の確率で盗聴がばれてしまう。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】量子演算の考え方は、
以上説明したように、高速でかつ少ないエネルギーにより演算を可能とするものである。 しかし、量子演算の中で数学的に与えられる量子波に対する演算を、実際の物理系としてどのように実現するかは非常に困難な問題であった。 また、演算部分では量子波に減衰および干渉性の消失が殆ど許されないことも大きな困難であった。 それ以外にも、量子演算の特徴は「ひとつの量子」にたいする「一度の測定」によって、外部入力関数についての論理演算、計算が行えることが特徴であるが、測定した結果が、はたしてノイズであるのかそれとも演算部を通ってきた量子波を測定したのかの区別が困難であった。
この、ノイズとの区別がつかないことの困難性は、上記量子暗号装置においても存在した。 つまり、送信者と受信者での結果の不一致が、ノイズによるものなのか盗聴者によるものなのかを区別できない。 つまり、これまでの量子暗号装置では、ノイズレベル程度の盗聴に対してはまったく無防備であった。

【００２３】この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、単一光子を複数の経路に分割し、その経路ごとに外部入力に応じて単一光子を制御し、その結果を検出することで、量子演算を行うことを目的とする。 その生成部における光子の射出にともなって射出信号を発し、演算部から得られた結果と射出信号とを照らし合わせることで、検出部での結果をノイズから区別することも目的である。

【００２４】この発明の第２の目的は、小型化の可能な、いつ光子が射出されたかがわかる単一光子を生成することである。

【００２５】この発明の第３の目的は、発生頻度のコントロールが容易な、いつ光子が射出されたかがわかる単一光子を生成することである。

【００２６】この発明の第４の目的は、単一光子生成部における光子の射出にともなって射出信号を発し、演算部から得られた結果と射出信号とを照らし合わすことで、検出部での結果をノイズから区別することである。

【００２７】この発明の第５の目的は、量子演算装置の演算部において、独立した複数の経路へと光子を導き、
量子演算を行うことである。

【００２８】この発明の第６の目的は、量子演算装置の演算部において、連続した複数の経路へと光子を導き、
量子演算を行うことである。

【００２９】この発明の第７の目的は、光子の偏光状態を制御し、また光子の偏光状態によって自発的に位相を制御することで、量子演算を行うことである。

【００３０】この発明の第８の目的は、量子演算装置の演算部における光子の偏光状態の制御を、散逸無く、かつ高速に行うことである。

【００３１】この発明の第９の目的は、量子演算装置の演算部における、光子の偏光制御を利用した光子の位相制御を、簡単な構成で行うことである。

【００３２】この発明の第１０の目的は、量子演算装置の演算部において、縦偏光と横偏光の重ね合わせ状態である光子の偏光を、散逸無しに、どちらか一方の偏光に揃えることである。

【００３３】この発明の第１１の目的は、量子演算装置の演算部において、光子の位置についてのフーリエ変換を行うことである。

【００３４】この発明の第１２の目的は、量子暗号装置の演算部において、単一光子生成部における光子の射出にともなって射出信号を発し、受信部から得られた結果と射出信号とを照らし合わすことで、検出部での結果をノイズから区別することである。

【００３５】この発明の第１３の目的は、通信に適した量の単一光子を用いた、量子暗号通信装置を得ることである。

【００３６】

【課題を解決するための手段】この発明に係る第１の量子演算装置は、単一光子を射出し、射出にともない射出信号を発生する単一光子生成部と、単一光子を複数の経路に分配し、外部からの制御により分配された単一信号を制御する演算部と、演算部から光子が出力されるかどうかを検出する結果検出部と、結果検出部からの信号と単一光子生成部からの光子射出にともなう信号を処理する判定部を備えたものである。

【００３７】この発明に係る第１の単一光子生成装置は、２光子をほぼ同時に生成する光源と、光源からの光の方向を選択するスリットと、２光子の内一方を検出して射出信号を発生する検出器とを備えたものである。

【００３８】この発明に係る第２の単一光子生成装置は、ポンプ光源と、ポンプ光源からの光が入射すると１
対のパラメトリック蛍光光子対を発生する非線形結晶と、非線形結晶からのパラメトリック蛍光の波長を選択する波長選択部と、波長選択されたパラメトリック蛍光の光子対のうちの一方を検出して射出信号を発生する検出器とを備えたものである。

【００３９】この発明に係る第２の量子演算装置は、単一光子生成部として上記第１の単一光子生成装置を備えたものである。

【００４０】この発明に係る第３の量子演算装置は、演算部において、単一光子をそれぞれ互いに独立した位置の複数の経路に導くための、１つまたは複数のビームスプリッタ、およびミラーを備えたものである。

【００４１】この発明に係る第４の量子演算装置は、演算部において、単一光子を連続した複数の経路に導く構成を備えたものである。

【００４２】この発明に係る第５の量子演算装置は、演算部において、分配された光子の偏光を制御する偏光制御素子、光子の偏光によって光子の位相を制御する位相制御装置を備えたものである。

【００４３】この発明に係る第６の量子演算装置は、電気光学効果素子を用いた偏光制御素子を、演算部に備えたものである。

【００４４】この発明に係る第７の量子演算装置は、演算部において、分配された単一光子の偏光を外部からの制御により回転する偏光制御素子と、偏光状態にしたがい位相を変える位相制御素子と、光子を反射する反射器とを備え、偏光制御素子、位相制御素子を通過した分配された単一光子が、反射器により反射され、再び同じ偏光制御素子を通る構成を備えたものである。

【００４５】この発明に係る第８の量子演算装置は、演算部において、偏光状態により光子の経路を異ならせる分配器と、どちらか一方の経路に設けた偏光制御素子、
ならびにそれぞれの経路を合成するための構成を備えたものである。

【００４６】この発明に係る第９の量子演算装置は、演算部において、分配された単一光子波動関数の位置についてのフーリエ変換を行うレンズを備えたものである。

【００４７】この発明に係る第１の量子暗号装置は、単一光子を射出し、射出にともない信号を発生する単一光子生成部と、外部からの制御により単一光子の偏光を制御送信部と、その単一光子を、ある偏光方向に受信する受信部と、受信部からの信号と、単一光子生成部からの射出信号を受ける同時計数部を備えたものである。

【００４８】この発明に係る第２の量子暗号装置は、単一光子生成部として、前記第１の単一光子生成装置を備えたものである。

【００４９】

【発明の実施の形態】

実施の形態１． 図１はこの発明の第１の実施の形態の量子演算装置の構成を示すブロック図である。 図において、１は単一光子生成部、５は生成部１から射出される単一光子、２は外部入力信号、３は入射した単一光子５
を外部入力２に応じて制御をおこなう演算部、４は演算部３から出力される光子を検出する結果検出部、６は単一光子生成部１からの光子の射出にともなって出る射出信号、７は結果検出部からの結果信号、８は射出信号６
と結果信号７を受ける判定部である。

【００５０】図２は、この発明の第１の実施の形態に係る単一光子生成装置の構成図であり、図１における単一光子生成部１の構成図である。 図において、９はレーザ、１８はレーザからのポンプ光、１０はスリット、１
１は非線形結晶、１２は非線形結晶からある一定の角度に置かれるスリット、１３はスリットからの光路上に置かれるプリズム、５は射出される単一光子、１７はレーザ９からの入射光軸上非線形結晶の後に設置されるミラー、１４はミラー１７によって反射された光を吸収する吸収材、１９は参照光子、１５は参照光子を受ける検出器、６は射出信号である。

【００５１】図３は、この発明の第１の実施の形態に係る演算部、結果検出部および判定部の構成を示す図であり、図１における演算部３、結果検出部４および判定部８の構成図である。 図において、５は図１における単一光子生成部１から発射された単一光子、２８は単一光子の経路上に置かれ経路を分配するビームスプリッタ、２
０はミラー、２１は単一光子の分配された経路上に置かれ外部からの入力信号に接続する偏光制御素子、２２は位相制御素子、２３は偏光制御素子、２４は光路長調整器、２５はミラー、２６は検出器、６は図１における単一光子生成部からの射出信号、２７は同時係数装置である。

【００５２】次に、実施の形態１の動作を、図１、図２
および図３を参照しながら説明する。 単一光子生成部１
において、レーザ９からの出力光は、スリット１０によってビーム径を適当な値に調整された後、非線形結晶１
１へと入射する。 入射した光子は、非線形結晶中で、その結晶に固有の確率で、入射した光の周波数と異なる２
つの光子へと変換される。 この過程はパラメトリック蛍光過程とよばれ、２つの光子はパラメトリック蛍光と呼ばれる。 パラメトリック蛍光過程によって変換された２
つの光子の周波数の和は、もとの光子の周波数と等しい性質がある。 また、パラメトリック蛍光の射出方向は、
蛍光の周波数により異なる。 これは、結晶の屈折率の周波数による違いのためである。 また、これらの２つの光子は、同時に生成され非常に相関が強い。

【００５３】パラメトリック蛍光の強度は、入射光の強度に比例する。 このため、レーザ９の出力を調整することにより、パラメトリック蛍光の強度を光子計数領域まで落とすことが可能である。 光子計数領域とは、光の検出器を用いて入射光強度を測定するとき、もはや連続的な出力の強度としては測定されず、その光の周波数に応じた高さのパルスの頻度として測定されるような領域のことである。 これは、光の量子力学的な性質を表している。

【００５４】パラメトリック蛍光のうち、上記の放出角度の周波数依存性を利用して、スリット１２およびプリズム１３によって、ある一定周波数の蛍光を選び出すことができる。 このとき、パラメトリック蛍光のもう一つの光子が確実に検出されるように、スリット１２およびプリズム１３を調整する。

【００５５】この実施の形態のように、単一光子５の波長選択にプリズムおよびスリットを用いた場合、下記実施の形態２で述べるような波長選択フィルタを用いた場合に比べて、任意の波長で、任意の帯域を切り出すことができる利点がある。 以上のように構成することで、パラメトリック蛍光のうちの片方の光子である参照光子１
９を検出器１５で測定することにより、単一光子５がいつ射出されたのかを知ることができる。

【００５６】非線形結晶１１としては、KDP、ADP、RD
A、CDA、LiNbO ₃ 、LiIO ₃ 、Ba ₂ NaNb ₅ O ₁₅ 、Ag ₃ AsS ₃ 、AgGaS
₂ 、KTP、BBOまたはLBOなどを用いることが可能である。

【００５７】検出器１５としては、光子計数領域で用いることのできる検出器、たとえば光電子増倍管、ストリークカメラ、フォトダイオードまたはアバランシェフォトダイオード等を用いることができる。 なかでも、Siアバランシェフォトダイオードは、量子効率が0.9と、既存の検出器では最も大きくノイズの低減に非常に有効である。 Siアバランシェフォトダイオードを用いる場合、
検出回路としてアクティブクエンチング方式が大きなＳ
／Ｎ比を得ることができた。

【００５８】この実施の形態では、スリット１２とプリズム１３を調整し、単一光子５の周波数と参照光子１９
の周波数を等しくした。 このことにより、図１における単一光子生成部における参照光子１９の検出器１５、および結果検出部での光子検出器の特性を等しくすることができ回路構成が簡単になった。

【００５９】また、Siアバランシェフォトダイオードは、光の波長0.7μｍ付近に最も高い量子効率を持つため、この実施の形態ではレーザ９としてアルゴンイオンレーザの0.351μｍ単一周波数ＣＷレーザを用いた。 また、非線形結晶としては、ＫＤＰを用いた。

【００６０】吸収材には、レーザの周波数は良く吸収し、単一光子として用いる周波数の光を散乱しにくいものを用いた。

【００６１】生成された単一光子は、演算部３へと入射する。 演算部３では、ビームスプリッタ２８およびミラー２０によって、単一光子５の通り得る経路は複数の経路に分けられる。 このとき、単一光子５は、量子力学的な効果によりどの経路を通るのかを観測されない限りは、全ての経路を同時に通る。 この実施の形態では、光子は初期状態を表す一つの経路１６と、演算に利用される４つの経路に分けられる。

【００６２】演算に利用する経路では、その各々の経路で、入力信号に応じて、偏光制御素子２１によって偏光が９０度回転される。 すなわち、入力信号が０であれば偏光は回転されず、１であれば９０度偏光が回転される。 この実施の形態では、演算部の経路数は４であり、
入力信号のビット数も４である。 偏光の操作を受けた後、位相制御素子２２では、その偏光方向に応じて位相が操作される。 この実施の形態では、偏光方向が縦の場合と横の場合で、光路差に半波長分のズレがでるため、
位相が反転される。 そのあと、偏光制御素子２３では、
ふたたび偏光が、単一光子５と同じ状態に戻される。

【００６３】この実施の形態では、偏光制御素子２１および偏光制御素子２３として、適当な角度に設置され、
偏光を９０度回転させるだけの電圧で適時制御された電気光学効果素子を用いた。 また、位相制御素子２２には２分の１波長板を用いた。

【００６４】光路長調整器２４は、各光路の長さを等しくするものである。 これは、単一光子生成部で生成される光子の一次干渉長が有限であるため、各光路の長さの差を、その一次干渉長にくらべて充分に小さくする必要があるからである。

【００６５】ミラー２５では、演算に用いられた４つの経路と、光子の初期状態を表す１つの経路が合成される。 合成された単一光子波動関数が、検出器２６によって検出される。

【００６６】検出器２６には、光電子増倍管、フォトダイオードまたはＣＣＤ等の光子計数領域で用いることの可能な検出器を用いることができる。 この実施の形態では、光子検出部６と同じ、Siアバランシェフォトダイオードにアクティブクエンチング回路を組み合わせたものを検出器２３として用いた。 これは、量子効率が0.9と大きいため、Ｓ／Ｎ比を大きくすることができるからである。

【００６７】検出された結果の信号は、図１の単一光子生成部１からの射出信号６とともに、同時計数装置２７
に入力される。 同時計数装置では、射出信号６と検出器２６からの信号のうち、非線形結晶１１における同一のパラメトリック蛍光過程に由来すると考えられるものだけが出力信号とみなされる。 従って、演算光子の起源を特定でき、背景光の混入を確実に阻止できてＳ／Ｎ比を著しく高めることができる。

【００６８】つぎに、この実施の形態の装置の入力信号に対する演算動作について説明する。 まず、単一光子生成部から射出された単一光子５の偏光は０度とする。 最初のビームスプリッタ２８とミラー２０によって、単一光子５は分けられる。 「分けられる」というのは、それぞれの経路を通る重ね合わせ状態になるということである。

【００６９】その後、一方の経路はさらに４つの経路へと分かれる。 分かれた後の単一光子波動関数は式（９）
のように書くことができる。

【００７０】

【数６】

【００７１】上式中、外部入力により制御を行なうのは第２項の重ね合わせ状態に対してである。 まず、各経路に対応するビットが１か０かによって、次のような操作を、分配された単一光子波動関数に加える。 この実施の形態では、外部入力関数は４ビットの２値関数である。 ・ ０ならば、その経路の偏光は操作しない。 ・ １ならば、その経路の偏光は、９０度回転させる。 つぎに、分配された単一光子波動関数は、位相制御素子２２で、次のような制御を受ける。 ・ 偏光が０度であれば、位相は変化しない。 ・ 偏光が９０度であれば、位相は反転する。 つぎに、偏光制御素子２３によって、偏光はもとの０度へと戻される。 以上の操作の結果、式（９）の第２項は、式（１０）のように変化する。

【００７２】

【数７】

【００７３】最後に、ミラー２５によって、分配された単一光子波動関数は重ね合わされる。 光路長調整器２４
を適切に調整すると、検出器位置での検出確率は式（１
１）のような形で表される。

【００７４】

【数８】

【００７５】検出器２６が２つ存在するのは、上記のように単一光子が演算部に入射したとき、どちらかで必ず検出されるようにするためである。 検出結果は、射出信号６と同時計数装置２７によって照合される。 この照合によって、入射した単一光子５の検出器２６における測定をノイズの検出結果から区別することができる。

【００７６】この実施の形態の装置により行なわれる入力関数f(x)についての論理演算は、式（１２）のようなものである。 この装置に入力される４ビットの２値関数を f(x) x=0,1,2,3, f(x)=0 or 1 … （１２） とする。 この場合、同時計数装置２７での結果は次のように解釈される。 ○射出信号６に対応して、検出器２６の一方が光子を検出した場合→f(x)は、２個０、２個１を含むことはない。 ○射出信号６に対応して、もう一方の検出器２６が光子を検出した場合→f(x)は、「４個とも０」ではなく、また「４個とも１」ではない。

【００７７】この実施の形態の装置では、このような一種の論理演算を一つの光子を用いて一度の測定で行うことが可能である。 このため、高速でかつ消費エネルギーの小さな計算機を実現できる。 また、量子計算を遂行するのに光子を用いているため、外場との相互作用が特定できるので情報の保存が容易である。 また、本装置では、光子がいつ演算部に向け発射されたかを検出しているため、検出部でのショットノイズから演算結果の信号を識別することが可能である。 このため、より少ない試行回数で確実な演算が可能である。

【００７８】実施の形態２． 図４は、この発明の第２の実施の形態に係る単一光子生成装置の構成図で、図１における単一光子生成部１の他の例を示す構成図である。
図において、９はレーザ、２９はレーザ光路上に置かれる減衰フィルタ、１０はスリット、１１は非線形結晶、
５は単一光子、１２はスリット、３０は波長選択フィルタ、１７は非線形結晶を通過したレーザ光路上に置かれるミラー、１４は吸収材、１９は参照光子、１５は検出器である。

【００７９】図４に従って動作を説明する。 まず、レーザ９からの光は、非線形結晶でのパラメトリック蛍光強度が光子計数領域になるように、減衰フィルタ２９によって減衰される。 減衰された光は、スリット１０によって適当なビーム径に絞られた後非線形結晶１１に入射する。 この実施の形態では、レーザ光強度を減衰フィルタを用いて制御するため、出力の変更が困難なレーザ９に対して有効である。 非線形結晶でのパラメトリック蛍光は、スリット１２と波長選択フィルタ３０によって、適当な波長の単一光子が選択されて射出される。 そのとき、波長選択フィルタ３０を単一光子５側と参照光子１
９側で適当に組み合わせて、単一光子が射出された場合必ず参照光子が検出器１５に入射するように調整する。
この実施の形態のように、波長選択フィルタを用いて単一光子を生成した場合、プリズムを利用した場合に比べ、単一光子の波長選択が容易である。 なお、その他の例として、実施の形態２のような波長選択フィルタと実施の形態１のようなプリズムとスリットとを適宜組み合わせた単一光子生成部を構成することができる。

【００８０】実施の形態３． 図５は、この発明の第３の実施の形態に係る単一光子生成装置の構成図で、図１における単一光子生成部１の他の例を示す構成図である。
図において、３１は光源、１２はスリット、５は単一光子、１９は参照光子、１５は検出器、３２は波長選択フィルタ、６は射出信号である。 光源３１としては、カルシウムイオンなどの高速なカスケード緩和過程をもつ物質を用いる。 カスケード緩和とは、第１の緩和に引き続いて第２の緩和がおこる過程である。 このため、第一の光子放出に引き続いて、その光子と相関の大きな第２の光子の放出が起こる。 カルシウムイオンでは、相関が充分大きくそれらの光子は運動量保存則の影響で正反対方向に射出されることが知られている。 カスケード緩和過程によって放出される２光子の内１つの光子は、スリットおよび波長選択フィルタを通じて単一光子として射出される。 そのとき、光源においてほぼ同時刻に逆方向射出される参照光子１９を検出器１５において検出することにより、いつ単一光子５が射出されたのかを知ることができる。

【００８１】実施の形態４． 図６は、この発明の第４の実施の形態に係る演算部の構成図で、図１における演算部３の他の例を示す構成図であり、図中６１はある指定した時間だけ光を反射し、その他の場合は光を反射しないスイッチングミラー、６０は光子波束時間分割装置である。 スイッチングミラー６１は、縦偏光は透過し、横偏光は反射する偏光依存性のビームスプリッタに、偏光をある一定時間回転させる偏光制御素子を組み合わせることで実現できる。 また、光子波束時間分割装置６０
は、ある時間範囲に局在している光子波束を、ある一定の時間おきのいくつかの波束へと分ける装置である。 この実施の形態では１光子波束は光子波束時間分割装置６
０を通過することによって、時間間隔τおきに、離れた４つの波束へと分割される。 この装置は、時間的に制御可能な光共振器、またはビームスプリッタと光学遅延器の組合せ等により実現できる。 実施の形態中の光路長調整装置２４は、それぞれの経路の光路差が時間にして丁度τおきになり、かつ参照光路の時間に関して４つに分割された光子波束のそれぞれと、ほぼ同時に検出器２６
の直前のビームスプリッタ２８に達するように調整する。 また、スイッチングミラー６１は、スイッチングミラー６１が設置されている演算部の分割された経路の光子波束が通過する時間光を反射し、それ以外は光を反射しないように制御する。 これは、メカニカルにもしくは電気光学素子と偏光依存性ビームスプリッタを組み合わせること等により実現できる。

【００８２】この実施の形態では、同時計数において同時とみなす時間幅は、時間的に分割された後の全体としての光子の時間的な広がりより長くしておく必要がある。 この実施の形態のように構成することにより、検出器の直前のビームスプリッタ２８への入射する光軸をすべて同じ軸に載せることができるため、実施の形態１の装置に比べて干渉時の波面の違いが少なくできるため、
干渉性が向上し、装置を小型化でき、さらに精度の良い演算を実現できる。 また、光軸を同一にしながら調整が可能なため、演算部の組立が容易になる。

【００８３】実施の形態５． 実施の形態１において、図３の偏光制御素子２１に電気光学素子を用いた代わりに、他の方法を用いた場合を示す。 図７は、この発明の第５の実施の形態に係る偏光制御素子の構成図で、図３
における偏光制御素子の他の例を示す構成図である。 図中、３４は単一光子の分配された波動関数、２１はファラデー効果を用いた偏光制御素子、２２は位相制御素子、２３はファラデー効果を用いた偏光制御素子である。 単一光子の分配された波動関数について説明する。
単一光子が分配された経路を通る場合に、それぞれある振幅を持った波動関数として各経路を伝搬する。 単一光子の分配された波動関数３４とは、たとえば図３におけるビームスプリッタ２８やミラー２０によって分配された経路における単一光子波動関数のことである。

【００８４】ファラデー効果は、磁場内の透明物質が旋光性を表す現象で、偏光の回転角度は式（１３）により表される。 θ＝ＶＨＬ … （１３） ここで、Ｈは磁場、Ｌは物質中の通過距離、Ｖはヴェルデ定数である。

【００８５】この実施の形態の動作を説明する。 偏光制御素子２１、２３には、入力信号２によって制御可能な磁場がかけられている。 その磁場は、コイル等によって形成される。 この実施の形態では、外部入力が１の時にはちょうど偏光を９０度回転させるだけの磁場がかかり、外部入力が０の時には、磁場がかからないようになっている。 単一光子の分配された波動関数３４は、上記偏光制御素子２１において、外部入力に応じた偏光の操作を受けた後、位相制御素子２２において、その偏光状態に応じた位相の変化を受ける。 その後、同じくファラデー効果を用いた偏光制御素子２３で、単一光子の分配された波動関数３４と同じ偏光に戻される。 この実施の形態では、偏光制御素子にファラデー効果を用いることにより、光子の通過する媒質の選択の自由度が高まり、
量子散逸の小さな材料を用いることが可能になる。 また、ファラデー効果以外にも、音響光学素子や液晶を用いた偏光コントローラ等を偏光制御素子に用いることも可能である。

【００８６】実施の形態６． 図８はこの発明の第６の実施の形態に係る演算部での偏光および位相の操作の他の例を示す図であり、図３におけるその他の偏光制御素子の構成図である。 図中、３４は単一光子の分配された波動関数、３７は経路上に置かれたミラー、３５は偏光制御素子、２２は位相制御素子、３６はプリズムである。
この実施の形態での偏光制御素子としては、電気光学素子を用いた。 後述するように、ファラデー効果を用いた素子は使用できない。 動作について説明する。 単一光子の分配された波動関数３４は、ミラー３７によって反射され偏光制御素子３５へ入射する。 偏光制御素子では、
入力信号２が０であれば偏光を回転させず、１であれば９０度偏光を回転する。 偏光を操作された単一光子の分配された波動関数は、位相制御素子２２によって、偏光方向が０度と９０度で、その位相差が１８０度になる。
その後、プリズム３６によって逆方向へと反射される。
そして、ふたたび偏光制御素子へと入射する。 ３５は電気光学効果を用いた素子であるため、右向き入射時に偏光を９０度回転させるような状態では、左向きに入射する光子の偏光をー９０度回転させる。 このため、この実施の形態の場合、２度目の通過時に、偏光は自動的に、
もとの単一光子の分配された波動関数と同じ状態に戻る。 ファラデー効果を用いた偏光制御素子では、２回の通過時の偏光回転が同一方向となって加算されるため、
元に戻すことができない。 この実施の形態では、実施の形態１の図３の構成と比較して、部品点数を少なくすることができ、装置のコストの低下、装置の小型化の効果がある。

【００８７】実施の形態７． 図９はこの発明の第７の実施の形態に係る偏光統合装置の構成を示す。 この偏光統合装置は、演算部３での分配された単一光子波動関数に対する偏光操作を行い、入力される光子波動関数の偏光方向を揃えるものである。 図９において、３８は分配された単一光子波動関数、３９はウォラストンプリズム、
４０は縦偏光成分、４１は横偏光成分、４２は偏光制御素子、４３はミラー、４４は光路長調整器である。 この実施の形態の動作を図９に従って説明する。 分配された波動関数は、偏光が縦成分と横成分の適当な重ね合わせ状態であるとする。 そのとき、ウォラストンプリズムで、縦偏光成分成分４０と横偏光成分４１は分離される。 横偏光成分は、偏光制御素子４２によって縦偏光に回転される。 その後、ミラー４３、光路長調整器４４を経て縦偏光成分と合わされる。 この実施の形態では、偏光が縦成分と横成分の適当な重ね合わせ状態で表されている分配された波動関数を、減衰無く、縦偏光へと変換することができる。 また、演算部での制御によって、分配された単一光子波動関数が、縦偏光と横偏光が混在している状態として得られた場合、強度のみを検知する検出器を用いると、縦偏光、横偏光それぞれに対して干渉部を設け、参照光との干渉をさせる必要があるが、本装置を用いると、混在する偏光方向を１つに揃えることができるので１つの干渉部だけを用いて演算部を構成することができる。

【００８８】実施の形態８． 図１０は、この発明の第８
の実施の形態に係る演算部の構成図で、図１における演算部３の他の例を示す構成図であり、単一光子の経路を連続的に変化するようにしたものである。 図において、
５は単一光子、２８は単一光子経路上に置かれたビームスプリッタ、２０はミラー、２４は光路長調整器、４５
は凹レンズ、４６は凸レンズ、２１は偏光制御素子、２
２は位相制御素子、３３はビームスプリッタ、２６は検出器である。

【００８９】この実施の形態の動作を図１０において説明する。 入射した単一光子５は、ビームスプリッタ２８
において、一つの参照用経路１６と、一つの演算用経路に分けられる。 演算用経路では、単一光子は光路長調整器で、参照用経路１６との光路差の調整を受ける。 そのあと、凹レンズ４５および凸レンズ４６によって、連続的な複数の経路へと単一光子波動関数は分配される。 分配された波動関数は、その位置に応じて、偏光制御素子２１によって外部からの入力により、偏光を操作される。 すなわち、外部入力２値関数がf(x,y)で表されるとき、偏光制御素子の位置(x,y)において、f(x,y)が１であれば偏光が９０度回転され、０であれば偏光は操作を受けない。 その後、位相制御素子において、その各位置での偏光状態の違いに応じて、位相が制御される。 次に、偏光制御素子２２で再び単一光子５と同じ偏光に戻され、凸レンズ４７および凹レンズ４８によって、一つの経路へと合成される。 以上のようにして、入力信号２
によって制御を受けた、分配された単一光子波動関数は、参照用経路を経た分配された波動関数と重ね合わされ、検出器２６によって検出される。

【００９０】単一光子生成部において、非線形光学結晶によって生成された単一光子は、断面にある一定の広がりを持つ経路に分布する。 単一光子の生成される位置は、おもに非線形光学結晶のどの位置でパラメトリック蛍光過程が生じたかによって決まるが、「どの位置で蛍光過程が生じたか」は特定できず、それらの重ね合わせ状態になっている。 そのため、結局、単一光子は経路の断面の位置について、重ね合わせ状態になっている。 単一光子波束は、レンズによって、その位置についての分布の拡大に相当する操作を受ける。 このため、レンズによって広げられた後、任意の広がりの位置についての連続的な重ね合わせ状態を実現することができる。

【００９１】この実施の形態では、連続的な経路へと単一光子を分配するため、多ビットの入力関数に対応することが可能である。 また、一次元の外部入力関数に対しては、凹レンズ４５、凸レンズ４６、凸レンズ４７、凹レンズ４８の各々をシリンドリカルレンズで構成すればよい。

【００９２】実施の形態９． 実施の形態８を変形することで、演算部３において、フーリエ変換に相当する操作が可能である。 図１１はこの発明の第９の実施の形態に係る演算部の構成図で、図１における演算部３の他の例を示す構成図である。 ここで３８は単一光子の分配された波動関数、４５は凹レンズ、４６は凸レンズ、２１は偏光制御素子、４７は凸レンズ、４８は凸レンズである。

【００９３】この実施の形態の動作を図１１に従って説明する。 図１１の演算用の経路において、凹レンズ４５
および凸レンズ４６によって、連続的な複数の経路に単一光子波動関数は分配される。 分配された単一光子波動関数は、偏光制御素子２１によって外部入力関数F(x,y)
に応じた偏光の分布をもつ。 その後、レンズ４７、レンズ４８によって、空間的なフーリエ変換が行われる。 行われた後は、各位置において、縦偏光と横偏光の重ね合わせ状態になっている。 この状態は、実施の形態７のような偏光統合装置を用いることで、それぞれの偏光ごとに分離したり、また再び偏光状態を揃えることが可能である。

【００９４】実施の形態１０． 図１２はこの発明の第１
０の実施の形態の量子暗号装置の構成図であり、図において、１は単一光子生成部、２は入力信号、５は単一光子、６は射出信号、４９は送信部、５０は受信部、５２
は同時計数部であるこの実施の形態の動作を、図１２に従って説明する。 まず、単一光子生成部１から単一光子５が発射される。 いつ発射されたかは、射出信号６によって、同時計数部へと伝えられる。 単一光子５の偏光は、送信部４９において入力信号２に従って操作される。 即ち、光子の偏光を、位相を除いて０度から１８０
度で表わすとき Ａ：入力値１については偏光を０度に、入力値０については、偏光を９０度にする。 Ｂ：入力値１については偏光を４５度に、入力値０については、偏光を１３５度にする。 これらの２つの方法のどちらかを、外部入力の各ビットごとに無作為に選び、どちらの方法を選んだかを時刻とともに記録しておく。 偏光を回転させる方法としては、
電気光学素子、ファラデー効果素子および液晶素子などを用いることが出来る。

【００９５】次に、受信部５０において、受信者は、偏光板を次のどちらかの方向について、無作為に適宜選択する。 Ｃ：０度の状態 Ｄ：４５度の状態 なお、偏光板を用いる代わりに、ウォラストンプリズムを、用いて偏光状態に応じて光子の経路が異なるようにし、それぞれの経路に検出器を設置してもよい。 Ｃ、Ｄ
どちらの状態を選んだかは、時刻とともに記録しておく。 光子を検出したかどうかは、受信部５０から同時計数部５２へと入力される。 同時計数部では、射出信号６
と受信部５０との信号を比較し、受信部５０からの出力が、単一光子生成部から射出された光子によるものか、
それともノイズであるかを判定する。 単一光子生成部から射出された光子を検出した場合には１、検出しなかった場合には０とする。 送信者は、何らかの方法で、どの時刻にＡまたはＢの方法を用いていたかを受信者に伝える。 受信者は、受信した情報の内、送信者がＡを用いていたときにＣの方法で検出またはＢの方法を用いていたときにＤの方法で検出していたもののみを有効とする。

【００９６】実施の形態１１． 実施の形態１０における単一光子生成部に、実施の形態１の図２または実施の形態２の図４に記載した単一光子生成装置を用いることが出来る。 この場合、レーザ光強度を変化させる、減衰フィルタの減衰率を調整すること等により、容易に、入力信号のビット数に応じた程度の光子を容易に生成することが出来る。 また、量子暗号装置では、光子の単色性は必要でないため、レーザにくり返し回数の高い短パルスレーザを用い、図２におけるスリット１２やプリズム１
３による波長選択性を弱めることもできる。 これにより、高密度の量子暗号通信が可能になる。

【００９７】

【発明の効果】この発明の第１の量子演算装置によれば、単一光子を射出し、射出にともない信号を発生する単一光子生成部と、単一光子を複数の経路に分配し、外部からの制御により分配された単一信号を制御する演算部と、演算部から光子が出力されるかどうかを検出する結果検出部と、結果検出部からの信号と単一光子生成部からの光子射出にともなう信号を受ける判定部を設けたことにより、数学的モデルであった量子演算を実際に可能にし、計算時間を短縮し、また単一光子により演算が遂行できるため、消費エネルギーを低減する効果がある。 また、単一光子がいつ演算部に入射されたかを知り、それと、結果検出部からの出力を判定することにより、結果検出部の出力が、単一光子生成部からの光子によるものなのか、またはノイズによるものなのかを区別することができるので検出結果のＳ／Ｎ比を著るしく高めることができる。

【００９８】この発明の第１の単一光子生成装置によれば、２光子をほぼ同時に生成する光源と、光源からの光の方向を選択するスリットと、２光子の内一方を検出する検出器とを備えることにより、いつ単一光子が射出されたのかを信号として出力可能とする効果がある。

【００９９】この発明の第２の単一光子生成装置によれば、ポンプ光源と、ポンプ光源からの光が入射する非線形結晶と、非線形結晶からのパラメトリック蛍光の波長を選択する波長選択部と、波長選択されたパラメトリック蛍光の光子対のうちの一方を検出する検出器とを備えることにより、いつ単一光子が射出されたのかを信号として出力可能とする効果がある。

【０１００】この発明の第２の量子演算装置よれば、前記単一光子生成部として前記第２の単一光子生成装置を用いることにより、波長選択性が大きく、また装置構成が容易となる効果がある。

【０１０１】この発明の第３の量子演算装置よれば、前記演算部において、１つまたは複数のビームスプリッタ、およびミラーを備え、単一光子をそれぞれ互いに独立した位置の複数の経路に導くことにより、位置を、波動関数の離散的な力学変数として使用できる効果がある。

【０１０２】この発明の第４の量子演算装置によれば、
前記演算部において、単一光子を連続した複数の経路に導くことにより、単一光子の位置を、波動関数の連続的な力学変数として、または非常に多くの基底状態を持つ離散的な力学変数として使用できる効果がある。

【０１０３】この発明の第５の量子演算装置によれば、
前記演算部において、分配された光子の偏光を制御する偏光制御素子、光子の偏光によって光子の位相を制御する位相制御装置を備えることにより、光子の位置と偏光を用いた、外部入力に対する量子演算を行うことの出来る効果がある。

【０１０４】この発明の第６の量子演算装置によれば、
前記偏光制御素子として、電気光学効果を用いることにより、量子散逸が少なく、また高速な時間応答が可能になる。

【０１０５】この発明の第７の量子演算装置によれば、
前記演算部において、分配された単一光子の偏光を外部からの制御により回転する偏光制御素子と、偏光状態にしたがい位相を変える位相制御素子と、光子を反射する反射器とを備え、偏光制御素子、位相制御素子を通過した分配された単一光子が、反射器により反射され、再び同じ偏光制御素子を通るように構成することによって、
偏光および位相制御部の部品点数を少なくし、コストを下げ、また小型化できる効果がある。

【０１０６】この発明の第８の量子演算装置によれば、
前記演算部において、偏光状態により光子の経路を異ならせる分配器と、偏光制御素子を備え、偏光状態に従って分かれたそれぞれの経路で、別々に偏光を回転させ、
再び合流させるように構成することにより、光子の量子散逸なしに、偏光を一つの状態にそろえることが出来る。

【０１０７】この発明の第９の量子演算装置によれば、
前記演算部において、分配された単一光子波動関数の位置についてのフーリエ変換を行うレンズを備えることにより、演算部での演算の一部として、フーリエ変換を行うことが可能である。

【０１０８】この発明の第１の量子暗算装置によれば、
単一光子を射出し、射出にともない信号を発生する単一光子生成部と、外部からの制御により単一光子の偏光を制御送信部と、その単一光子を、ある偏光方向に受信する受信部と、受信部からの信号と、単一光子生成部からの射出信号を受ける同時計数部を備えることにより、Ｓ
／Ｎ比が大きく、かつ、盗聴されている場合の発見確率が著しく大きくなる効果がある。

【０１０９】この発明の第２の量子暗算装置によれば、
前記第１の量子暗算装置の単一光子生成部として、前記第２の単一光子生成装置を備えることにより、単一光子の頻度を、入力信号に応じて必要量だけを容易に得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の第１の実施の形態の量子演算装置の構成を示すブロック図である。

【図２】 この発明の第１の実施の形態に係る単一光子生成装置の構成図である。

【図３】 この発明の第１の実施の形態に係る演算部、
結果検出部および判定部の構成図である。

【図４】 この発明の第２の実施の形態に係る単一光子生成装置の構成図である。

【図５】 この発明の第３の実施の形態に係る単一光子生成装置の構成図である。

【図６】 この発明の第４の実施の形態に係る演算部の構成図である。

【図７】 この発明の第５の実施の形態に係る偏光制御素子の構成図である。

【図８】 この発明の第６の実施の形態に係る演算部での偏光制御素子の構成図である。

【図９】 この発明の第７の実施の形態に係る偏光統合装置の構成図である。

【図１０】 この発明の第８の実施の形態に係る演算部の構成図である。

【図１１】 この発明の第９の実施の形態に係る演算部の構成図である。

【図１２】 この発明の第１０の実施の形態の量子暗号装置の構成図である。

【図１３】 従来の量子暗号装置の構成図である。

【符号の説明】

１ 単一光子生成部、２ 入力信号、３ 演算部、４
結果検出部、５ 単一光子、６ 射出信号、７ 結果信号、８ 判定部、９ レーザ、１０，１２ スリット、
１１ 非線形結晶、１３ プリズム、１４ 吸収材、１
５，２６ 検出器、１７，２０，２５ ミラー、２１，
２３ 偏光制御素子、２２ 位相制御素子、２４ 光路長調整器、２７ 同時計数回路、２８，３３ ビームスプリッタ。

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