全光量子中継のための大規模量子もつれ状態の生成

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本年度は全光量子中継に関連する以下の二つの研究を行った。(1) Tandem type-2疑似位相整合PPLN導波路を設計した。この導波路は偏光自由度で量子的にもつれた光子対を作る際に、サニャック干渉計のような大規模な光学回路を必要としないため、自発的パラメトリック下方変換(SPDC)を用いて大規模な量子もつれ状態を作る際に有用であると考えられる。さらに、設計した導波路を用いた偏光自由度での量子もつれ光子対源を二個作成した。それぞれの光子対源を780 nmの連続光レーザーで励起して発生した光子対の状態を、量子状態トモグラフィを用いて測定した。その結果、これら2台の光子対源から発生した光子対と理想的な偏光量子もつれ状態との忠実度は、どちらの光子対源においても90%を超えており、偏光自由度で強く量子的にもつれた状態であることがわかった。今後はこの作成した光子対源から発生した伝令付き単一光子同士のHOM干渉を観測することを目指す。(2)近年量子鍵配送(QKD)プロトコルの研究は長年研究されてきたpoint-to-pointのプロトコルを超えて、通信する二者間に一つの中継地点を設けることで、通信距離に対する秘密鍵生成レートのスケーリングを向上させる研究が多く行われている。そこで、検出効率が1でない現実的な検出器を使用している下で、単一ノードで全光量子中継を行うプロトコルをNTT物性科学基礎研究所の東氏と共に提案した。さらに、このプロトコルがきちんと動作することを数値的に確かめ、通信距離に対して必要な光子数を見積もった。