特許 6018913 周波数量子もつれ光子の生成及び検出

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6018913

(24)【登録日】2016年10月7日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】周波数量子もつれ光子の生成及び検出

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/66 20060101AFI20161020BHJP

   G01S 17/89 20060101ALI20161020BHJP

【ＦＩ】

   G01S17/66

   G01S17/89

【請求項の数】9

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-503456(P2012-503456)

(86)(22)【出願日】2010年3月3日

(65)【公表番号】特表2012-522983(P2012-522983A)

(43)【公表日】2012年9月27日

(86)【国際出願番号】US2010026042

(87)【国際公開番号】WO2010114665

(87)【国際公開日】20101007

【審査請求日】2013年1月18日

【審判番号】不服2015-12663(P2015-12663/J1)

【審判請求日】2015年7月3日

(31)【優先権主張番号】12/418,568

(32)【優先日】2009年4月4日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500520743

【氏名又は名称】ザ・ボーイング・カンパニー

【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】ハント， ジェフリー エイチ．

(72)【発明者】

【氏名】キャプロン， バーバラ エー．

(72)【発明者】

【氏名】パラッツォーリ， クラウディオ ジー．

【合議体】

【審判長】 清水 稔

【審判官】 大和田 有軌

【審判官】 須原 宏光

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００５／０９２０７１（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特許第５５００８１５（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００９−１２２１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／００１１０５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００８／１４２３８９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−２１６３６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１１４２４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０８５２７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０２９６９５３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 Ｔ． Ｂ． Ｐｉｔｔｍａｎ， ｅｔ ａｌ．，“Ｔｗｏ−ｐｈｏｔｏｎ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｏｐｔｉｃｓ”， Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ， １９９６年４月， Ｖｏｌ．５３， Ｎｏ．４， ｐ．２８０４−２８１５

【文献】 Ｄｉｅｔｒｉｃｈ Ｄｅｈｌｉｎｇｅｒ， ｅｔ ａｌ．，“Ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｐｈｏｔｏｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒａｄｕａｔｅ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ”， Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ２００２年９月， Ｖｏｌ．７０， Ｎｏ．９， ｐ．８９８−９０２

【文献】 Ａｙｍａｎ Ｆ． Ａｂｏｕｒａｄｄｙ， ｅｔ ａｌ．， “Ｅｎｔａｎｇｌｅｄ−Ｐｈｏｔｏｎ Ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ａ Ｐｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｏｂｊｅｃｔ”， Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ２００４年１１月， Ｖｏｌ．９３， Ｎｏ．２１， ｐ．２１３９０３−１〜２１３９０３−４

【文献】 Ｌ Ａ Ｌｕｇｉａｔｏ， ｅｔ ａｌ， “Ｑｕａｎｔｕｍ ｉｍａｇｉｎｇ”， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ Ｂ： Ｑｕａｎｔｕｍ ａｎｄ Ｓｅｍｉｃｌａｓｓｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃｓ， ２００２年６月， Ｖｏｌ．４， Ｎｏ．３， ｐ．Ｓ１７６−Ｓ１８３

【文献】 Ｇ． Ｂｒｉｄａ， ｅｔ ａｌ．， “Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ−Ｄｏｗｎ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｅｎｔａｎｇｌｅｄ Ｐｈｏｔｏｎｓ Ｓｏｕｒｃｅ ｉｎ Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｐｕｌｓｅｄ Ｒｅｇｉｍｅ”， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｈｉｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｑｕａｎｔｕｍ， Ｎａｎｏ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， ＩＥＥＥ， ２００９年２月， ｐ．１−４

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

G01S 7/48 - 7/51

G01S 17/00 - 17/95

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

物体を追跡する方法であって、前記方法は、
周波数量子もつれ光子の生成及び検出を利用して前記物体を含む画像を撮影することと、
撮影画像に基づいて前記物体の位置を推定することとを含む方法であって、
前記周波数量子もつれ光子の生成及び検出を利用することは、
ＵＶレーザを使用してコヒーレント光を発生させることと、
コヒーレント光を下方変換して、周波数量子もつれ光子の対を生成することと、
量子もつれ光子の各対に関して、第１光子を第１光路に沿って、第２光子を第２光路に沿って、それぞれ伝送することと、
シングルフォトン領域内において、第１検出器を使用して、第１光路に沿って伝送されるこれらの光子を検出し、第２検出器を使用して、第２光路に沿って伝送されるこれらの光子を検出することと、
検出器の出力に対して同時計数を行なうことであって、第１及び第２検出器の出力の立ち上がりエッジを時間窓内で比較することを含み、
第１及び第２検出器によって検出される光子の複素電場の２次相関をとり、第２検出器のｘ−ｙ座標の関数として同時計数値をマッピングすることにより、画像を相関平面に形成することであって、同時計数によって、第１検出器で測定される複素電場に第２検出器で測定される複素電場を乗算して得られる積の時間平均を測定することであって、前記複素電場は、位相及び振幅で表わされる、形成することとを含み、
前記第１光子が、大気遮蔽物を通過する波長を有し、前記第２光子が、前記物体の細部を該撮影画像内で識別することが可能な波長を有し、
前記物体が航空機、海上の物体、水面下にある物体、または陸上輸送手段であり、前記大気遮蔽物が前記航空機及び前記海上の物体に対しては空気、埃、雲、煙および霧を含み、前記水面下にある物体に対しては水を含み、前記陸上輸送手段に対しては空気、埃、煙および霧を含む、方法。

【請求項2】

第１及び第２検出器がシングルフォトン領域で動作する、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

第１及び第２光路に同じ実効長を与える、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

各検出器がパルスを出力して光子の検出を通知し、各時間窓の始点が第２検出器によって供給されるパルスの立ち上がりエッジに対応する、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

Ｎ番目のＮ００Ｎ状態（Ｎ≧２）において光子を生成する、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記物体の画像を形成することと、画像を分析していずれかの構造変化を特定することとをさらに含む請求項１に記載の方法。

【請求項7】

物体を追跡するシステムであって、
周波数量子もつれ光子の対を生成し、光子の各対に関して、第１光子を第１光路に沿って、第２光子を第２光路に沿って伝送するレーザ利用システムと、
第１光路に沿って伝送される個々の光子を検出する第１光子検出器と、
第２光路に沿って伝送される個々の光子を検出する第２光子検出器と、
検出器の出力に応答して、光子対の同時計数を行なう回路であって、第１及び第２検出器の出力の立ち上がりエッジを時間窓内で比較することにより同時性を判断することを含む回路と、
第１及び第２検出器によって検出される光子の複素電場の２次相関をとり、第２検出器のｘ−ｙ座標の関数として同時計数値をマッピングすることにより、画像を相関平面に形成し、同時計数によって、第１検出器で測定される複素電場に第２検出器で測定される複素電場を乗算して得られる積の時間平均を測定することであって、前記複素電場は、位相及び振幅で表わされる、画像形成手段と、
を備え、
前記第１光子が、大気遮蔽物を通過する波長を有し、前記第２光子が、前記物体の細部を該撮影画像内で識別することが可能な波長を有し、
前記物体が航空機、海上の物体、水面下にある物体、または陸上輸送手段であり、前記大気遮蔽物が前記航空機及び前記海上の物体に対しては空気、埃、雲、煙および霧を含み、前記水面下にある物体に対しては水を含み、前記陸上輸送手段に対しては空気、埃、煙および霧を含む、システム。

【請求項8】

前記レーザ利用システムが、紫外線レーザと、レーザの出力を下方変換する非線形結晶とを含んでおり、第１及び第２光子検出器が、アバランシェダイオードを含むことにより、上方変換が下方変換の前には行なわれない、請求項７に記載のシステム。

【請求項9】

前記レーザ利用システムが、連続波モードで動作して１度に１組の光子対を生成するレーザを含んでいる、請求項７に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

量子もつれは、量子機械的な現象であり、この現象では、２つ以上の物体の量子状態は、個々の物体が空間的に分離されていても、互いに対して記述される。２つの光子Ａ及びＢは、もつれ合っていると言え、２光子系を、光子Ａの１つの量子状態が既知である場合に、光子Ｂの対応する量子状態も既知であるときに形成する。例えば、偏光量子もつれ状態にある２つの光子が生成され、かつこれらの光子のうちの一方が、特定の偏光状態を有することが観測される場合、他方の光子は既知の偏光状態を有することになる。

【0002】

量子もつれ光子を生成し、検出するシステムが提案されている。例えば、Ｔｉ−サファイアレーザはコヒーレント光を発生し、非線形結晶でコヒーレント光の下方変換を行なって、周波数量子もつれ光子を生成し、非線形結晶で次に、これらの量子もつれ光子の上方変換を行なって、検出に適する周波数を実現する。第１状態を有するこれらの光子は、第１光路に沿って伝送され、第２状態を有するこれらの光子は、第２光路に沿って伝送される。バケット検出器は、第１光路に沿って伝送されるこれらの光子を検出し、第２検出器は、第２光路に沿って伝送されるこれらの光子を検出する。同時計数測定を、第１及び第２検出器により検出されるこれらの光子に対して行なう。バケット検出器を時間ゲートとして動作させて同時性を判断する。

【発明の概要】

【0003】

本明細書における実施形態によれば、１つの方法は、紫外線レーザを使用してコヒーレント光を発生させることを含む。コヒーレント光を下方変換して、周波数量子もつれ光子の対を生成する。量子もつれ光子の各対に関して、第１光子を第１光路に沿って伝送し、第２光子を第２光路に沿って伝送する。第１検出器は、第１光路に沿って伝送されるこれらの光子を検出し、第２検出器は、第２光路に沿って伝送されるこれらの光子を検出する。検出は、シングルフォトン領域で行なわれる。同時計数は、これらの検出器の出力に対して行なわれ、同時計数では、第１及び第２検出器の出力の立ち上がりエッジを時間窓内で比較する。

【0004】

本明細書における別の実施形態によれば、システムは、周波数量子もつれ光子の対を生成するレーザ利用システムを備える。光子の各対に関して、第１光子を第１光路に沿って伝送し、第２光子を第２光路に沿って伝送する。システムは更に、第１光路に沿って伝送される個々の光子を検出する第１光子検出器と、第２光路に沿って伝送される個々の光子を検出する第２光子検出器と、検出器の出力に応答して、光子対の同時計数を行なう回路とを備える。回路は、同時性を、第１及び第２検出器の出力の立ち上がりエッジを時間窓内で比較することにより判断する。

【図面の簡単な説明】

【0005】

【図1】図１は、周波数量子もつれ光子の対を生成し、検出する方法を示している。

【図2】図２は、周波数量子もつれ光子の対を生成し、検出するシステムを示している。

【図3】図３は、検出される光子の同時性を判断するタイミング図を示している。

【図4】図４は、同時計数器を示している。

【図5】図５は、物体追跡を行なう方法を示している。

【図6】図６は、監視を行なう方法を示している。

【図7】図７は、非破壊検査を行なう方法を示している。

【発明を実施するための形態】

【0006】

図１を参照すると、図１は、周波数量子もつれ光子を生成し、検出する方法を示している。周波数量子もつれとは、２つの光子が、相関する異なる波長を持つような量子機械的な現象を指している。これらの光子は、物理的に分離することができるのであるが、それでもなお、周波数の量子もつれ状態を保持する。例えば、２光子系の合計エネルギーがε_１２＝ε_１＋ε_２である場合、ε_１に関する情報からも、ε_２を直ちに導き出すことができ、逆にε_２に関する情報からも、ε_１を直ちに導き出すことができ、いずれの光子のエネルギーεも、光子の波長に逆比例する。これらの光子は、縮退している、すなわち等しいエネルギーを有する（ε_１＝ε_２）か、またはこれらの光子は縮退していない、すなわち（ε_１≠ε_２）の関係がある。

【0007】

ブロック１１０では、紫外線（ＵＶ）レーザを使用して、コヒーレント光を発生させる。ＵＶ範囲は、約２００〜４００ｎｍである。例えば、ＵＶレーザは、４００ｎｍの波長を持つコヒーレント光を発生することができる。レーザは、連続波動作で動作させることができる。

【0008】

ブロック１２０では、コヒーレント光の下方変換を行なって、周波数量子もつれ光子を生成する。エネルギー保存則では、短い波長の１つの光子から長い波長の２つの光子が生成されることが必要である。したがって、各生成光子の周波数が合計されて元の光子の周波数になる。例えば、４００ｎｍの波長の光子の下方変換を行なって、それぞれ８００ｎｍの波長を持つ２つの縮退量子もつれ光子を生成することができる。

【0009】

光子対は、縮退光子対または非縮退光子対とすることができる。光子対は、１度に１対だけ生成される。

【0010】

ブロック１３０では、量子もつれ光子の各対に関して、第１光子を第１光路に沿って伝送し、第２光子を第２光路に沿って伝送する。幾つかの実施形態では、第１光路に沿った物体が第１光子を散乱させる。第２光路は、量子もつれ光子の邪魔になってはならない。

【0011】

ブロック１４０では、第１検出器を使用して、第１光路に沿って伝送されるこれらの光子を検出し、第２検出器を使用して、第２光路に沿って伝送されるこれらの光子を検出する。第１及び第２検出器は、シングルフォトン領域で動作する。すなわち、各検出器は、１度に１個の光子しか検出しない。対生成は、光子を１個だけ２つの別体の検出器で受光することにより起こる。各検出器は、光子が検出されるとパルスを出力する。

【0012】

ブロック１５０では、同時計数をこれらの検出器の出力に対して行なう。この同時計数では、第１検出器及び第２検出器が出力するパルスの立ち上がりエッジを比較する。

【0013】

図３を簡単に参照する。第１及び第２検出器の出力に現われるパルスには、文字Ａ及びＢの参照記号が付されている。時間窓Δтは時刻ｔ_１に始まり、時刻ｔ_２に終わる。時刻ｔ_１はパルスＢの立ち上がりエッジに対応する。パルスＡの立ち上がりエッジが時刻ｔ_１とｔ_３との間に現われる場合、検出光子対の同時生成が起きていると考えられる。

【0014】

１秒当たり５００個の量子もつれ対が生成される例について考察する。１対は平均で２ミリ秒ごとに生成されることになる。時間窓Δтは２ミリ秒未満となる。パルスＡの立ち上がりエッジが時間窓Δт内に含まれる場合、検出光子対の同時生成が起き、同時計数が行なわれることになる。

【0015】

電子デバイスを使用して、パルスＡの立ち上がりエッジが時間窓Δт内に含まれるかどうかを判断する。時間窓Δтの始点及び時間長は、電子デバイスが、これらの立ち上がりエッジを正確に比較することができる速度により、部分的に決定される。

【0016】

時間窓Δтの始点及び時間長は、部分的に、パルスＡの予測到着時間の関数である。時間窓Δтが長くなると、同時生成光子が同時に検出される可能性が高くなる。その結果、画像がより高速に生成されることになる。しかしながら、結果として得られる画像は、分解能が低くなる（ノイズが大きくなる）。時間区間が短くなる場合、画像を生成するために要する時間がより長くなり、同時生成光子を検出することがより難しくなる。しかしながら、結果として得られる画像は、分解能が高くなる。

【0017】

時間窓Δтは、第２検出器が光子を実際に検出するときに始まるか、または始まる必要はない。幾つかの実施形態では、一方の光路を他方の光路よりもずっと長くすることができる。同時生成が、これらの実施形態において確実に起きるようにするために、より短い光路に、より長い光路と同じ実効長を与える。より短い光路に同じ実効長を与える幾つかの例を、図２に関連付けながら以下に説明する。

【0018】

図１の方法では、量子もつれ光子をＴｉ−サファイアレーザのパルス動作よりも大きい電力で、速い生成速度で、短いデューティサイクルで、高い効率で生成することができる。連続波動作では、デューティサイクルを長くする操作は行なわれない。

【0019】

図１の方法では、レーザ励起波長から量子もつれ光子の波長への非線形下方変換を１回だけ行なう。これとは異なり、上方変換を行ない、次に下方変換を行なうシステムでは、２回の非線形光学的シフトを必要とする。各シフトによって光子生成効率が低下するので、図１の方法はより効率的である。

【0020】

フルパワー未満のパワーで動作する連続波ＵＶレーザは、他のシステムよりも１桁高い、１秒当たり５００個の割合で光子対を生成し続けることができる。フルパワーで動作すると、１０倍多くの光子対を１秒当たり生成することができる。

【0021】

立ち上がりエッジの検出は、時間−振幅測定よりも高速に行なわれる。時間窓を電子機器に現われるエッジで定義することにより、電子機器で窓の終点を設定するのを待機する代わりに、窓をずっと短くすることができる。

【0022】

本明細書に記載される方法は、ＵＶレーザに限定されない。非線形結晶で選択波長への下方変換が良好に行なわれ、かつ利用可能なシングルフォトン検出器が、下方変換された波長で動作するという条件では、異なる領域で動作するレーザを選択することができる。

【0023】

好適な実施形態では、ＵＶレーザをアバランシェフォトダイオードと組み合わせて使用する。アバランシェフォトダイオードのような電流シリコン検出器の効率は、９００ｎｍ以下で低下し、約１ミクロン（１０００ｎｍ）でゼロになる。最大効率は８５０〜９００ｎｍで得られる。アバランシェフォトダイオードに対応する下方変換された波長は、ＵＶレーザから出力される７００〜８００ナノメートル範囲とするか、または極めて短い可視光波長（紫色）とすることができる。下方変換された波長は、８５０〜９００ｎｍ範囲ではないが、波長範囲に十分近い。利用可能な４００ｎｍレーザは、大きなパワー、良好な安定性、及び長い動作寿命時間のような良好な動作特性を有する。

【0024】

その代わりに、レーザをパルスモードで動作させることができる。しかしながら、レーザを制御して、１組の量子もつれ対を１度に、ペア間の大きな遅延を伴うことなく生成する必要がある。

【0025】

図２を参照すると、図２は、量子もつれ光子の対を生成し、検出するシステム２００を示している。レーザ２１０は、波長λ_０のコヒーレント光を発生する。光は、非線形結晶２２０を照射し、この非線形結晶２２０で下方変換を行なって、λ_１及びλ_２の２つの光子を生成する。位相整合条件として、

が成り立つことが必要である。特定波長は、入射光に対する結晶３３０の角度を変えることにより得られる。

【0026】

他の実施形態では、下方変換は、周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＮＬ）によって行なうことができる。更に他の実施形態では、下方変換は、次の方法のうちのいずれかの方法により行なうことができ、これらの方法として、これらには限定されないが、パラメトリック下方変換（ＰＤＣ）；フォトニック結晶内の四光波混合（例えば、ＰｈｙｓｉｓＲｅｖＬｅｔｔ．９３．０５０４０５， ２００４に掲載されたｄｅ Ｄｏｏｄらによる「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌｓ ａｓ ａ Ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ Ｅｎｔａｎｇｌｅｄ Ｐｈｏｔｏｎｓ」と題する論文を参照）；高密度閉じ込め電磁界を生成する微細構造化ファイバの使用（例えば、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ３０８６， ｖｏｌ． １２， ｎｏ． １４， ２００４に掲載されたＳｈａｒｐｉｎｇらによる「Ｑｕａｎｔｕｍ−ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｔｗｉｎ ｐｈｏｔｏｎｓ ｆｒｏｍ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｉｂｅｒ」と題する論文を参照）；半導体量子井戸（例えば、ａｒＸｉｖ ｑｕａｎｔ−ｐｈ／０６１２１２４， ２００６に掲載されたＨａｙａｔらによる「Ｈｉｇｈ−Ｒａｔｅ Ｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ Ｓｏｕｒｃｅ ｖｉａ Ｔｗｏ−Ｐｈｏｔｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌｓ」と題する論文を参照）；量子ドット構造（例えば、Ｎａｔｕｒｅ， ｖｏｌ． ４３９， ｐｐ． １７９−８２， ２００６に掲載されたＳｔｅｖｅｎｓｏｎらによる「Ａ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｐｈｏｔｏｎ ｐａｉｒｓ」と題する論文を参照）；及びダイクロマチック光子の高輝度光源（例えば、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｘｐｒｅｓｓ ３５７３， ｖｏｌ． １２， ｎｏ． １５， ２００４に掲載されたＰｅｌｔｏｎらによる「Ｂｒｉｇｈｔ， ｓｉｎｇｌｅ−ｓｐａｔｉａｌ−ｍｏｄｅ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｎｏｎ−ｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ， ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｅｎｔａｎｇｌｅｄ ｐｈｏｔｏｎ ｐａｉｒｓ ｕｓｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ ＫＴＰ」と題する論文を参照）を挙げることができる。

【0027】

デバイス２３０は、波長λ_１を持つ光子を第１光路Ｐ１に沿って、波長λ_２を持つ光子を第２光路Ｐ２に沿って伝送する。量子もつれ光子が縮退していない場合（すなわち、λ_１≠λ_２）、デバイス２３０は波長ビームスプリッタとすることができる。量子もつれ光子が縮退している場合（すなわち、λ_１＝λ_２）、デバイス２３０は強度ビームスプリッタまたは偏光板とすることができる。

【0028】

物体が第１光路Ｐ１に位置する場合、物体は、第１周波数を持つ光子により照射されることになる。そのように照射される場合、物体によって第１周波数を持つ光子が散乱する。

【0029】

第２光路は、量子もつれ光子の邪魔になってはならない。例えば、第２光路Ｐ２が長く、かつ第２光路Ｐ２に遮蔽物がなく、第２光路Ｐ２が短く、かつ被制御環境に位置していることなどである。

【0030】

第１検出器２４０は、物体によって散乱する光子を検出するように配置される。第２検出器２５０は、第２光路Ｐ２に沿って伝送される光子を検出する。検出器２４０及び２５０は共に、個々の光子を計数することができる。検出器２４０及び２５０は、光子が計測されるときに通過する単一の検出器、光子が計測されるときに通過する線形アレイ、または計測を必要としない２次元アレイとすることができる。各検出器２４０及び２５０は、電磁界を検出し、検出電磁界の位相及び振幅を出力する。

【0031】

幾つかの実施形態では、これらのシングルフォトン計数検出器２４０及び２５０は光電子増倍管とすることができ、光電子増倍管は、光電効果を、一連の電子増倍作用と組み合わせて使用する。他の実施形態では、アバランシェフォトダイオードを使用してもよい。アバランシェフォトダイオードは光電子増倍管よりもずっと小さく（ガラス管に対する固体検出器の関係）、バックグランドノイズ発生源から一層容易に遮蔽される。シングルフォトンを検出するために、アバランシェフォトダイオードを、ブレークダウン電圧よりも大きい電圧に逆バイアスする。光子が吸収される場合、ダイオードは導通チャネルを形成する。ダイオードに固有の容量があるので、通常１０^８個の電荷を含む表面電荷が形成される。これらの電荷は、全て同時に放電されて、光子の検出を表わす出力パルスが生成される。

【0032】

同時計数回路２６０は、検出器２４０及び２５０によって検出された光子が同時生成されたかどうかを判断する。

【0033】

図４を更に参照すると、図４は、同時計数検出を第１及び第２検出器２４０及び２５０の出力Ａ及びＢで行なう回路２６０の一例を示している。回路２６０は、第１及び第２検出器２４０及び２５０によって生成されるパルスＡ及びＢの立ち上がりエッジを比較する立ち上がりエッジトリガフリップフロップ４１０及び４２０を含む。

【0034】

図３を更に参照する。パルスＢの立ち上がりエッジは時刻ｔ_１に発生し、パルスＡの立ち上がりエッジは時刻ｔ_２に発生する。パルスＣは、回路２６０により生成されるタイミングパルスである。時間窓Δтは時刻ｔ_１に始まり、タイミングパルスＣの立ち上がりエッジに対応する時刻ｔ_３に終わる。図３は、パルスＡの立ち上がりエッジが、時間窓Δт内で発生することを示している。したがって、同時計数出力パルスＤが生成される。

【0035】

幾つかの実施形態では、時間窓の時間長は固定される。窓は、時刻ｔ_１に始まり、固定時間長（例えば、１０ｎｓ）が経過した後に終わる。

【0036】

他の実施形態では、時間窓の時間長は調整可能である。図３に示すように、Δт_１はパルスＡの立ち上がりエッジに達するまでの時間を表わし、Δт_２は、パルスＡの立ち上がりエッジに達した後の時間を表わしている。時間窓の２つの区切りを独立して互いに動かすことができる。このように、電子機器の特異性（例えば、立ち上がりエッジの厳密な形、検出器からのパルスの形状）は一層容易に処理される。

【0037】

Ｄフリップフロップを使用して、１回の試験から、Δт_１＝８ｎｓ及びΔт_２＝２ｎｓが、時間窓が約１０ｎｓの場合に成り立つことが判明した。この窓は、広げることができ、場合によっては、更に対称になるようにすることができる。回路２６０の速度は、フリップフロップ４１０及び４２０の速度に起因することはなく、むしろ時間窓を生成するためにエッジ検出を使用することに起因する。図４の回路２６０は、フリップフロップ４１０及び４２０の２つしか使用していないので、これらのフリップフロップの立ち上がりエッジによって複数窓が生成され、従ってこれらの窓は、フリップフロップゲートの立ち上がり時間によってのみ制限される。

【0038】

再度、図２を参照する。システム２００は、光路Ｐ１及びＰ２に同じ実効長を与えることにより同時性を確保することができる。幾つかの実施形態では、短い方の光路に沿った光子を、光遅延させることができるので、パルスは回路２６０に略同時に到達することになる。第１の例として、光路Ｐ２に沿った光子は、ミラーを追加し、光子を強制的に、より外長い距離を伝搬させることにより光遅延させることができる。第２の例として、光路Ｐ２に沿った光子は、１よりも大きい屈折率を持つ光学素子を第２光路Ｐ２に挿入することにより、光遅延させることができる。これによって、素子を透過する光子が遅くなる。

【0039】

幾つかの実施形態では、回路２６０は、内部タイミング同期機構を生成することにより同時性を確保することができる。例えば、回路２６０は、注目光子が到着する間の時間遅延を、特定の所望の狭い波長の光子の間の相互相関測定を行なうことにより測定することができる。１つのピークが２つのチャネルの間の適切な遅延時間に発生する（すなわち、多くの同時性を示唆する）。

【0040】

周波数量子もつれ光子の生成は、２つの異なる周波数しか持たない光子に限定されない。３つ、４つ、またはそれよりも多くの異なる周波数を持つ光子を生成し、使用することができる。

【0041】

例えば、いわゆる「Ｎ００Ｎ状態（００Ｎ Ｓｔａｔｅｓ）」を第２光路Ｐ２に使用することができる。１つのＮ００Ｎ状態は、次の方程式で表わされる量子機械的なもつれ状態である。

【0042】

この方程式は、モードａのＮ粒子状態をモードｂのゼロ粒子状態に重ね合わせた状態、及びその逆に、モードａのゼロ粒子状態をモードｂのＮ粒子状態に重ね合わせた状態を表わす。Ｎ光子Ｎ００Ｎ状態を使用する場合、分解能は、ラムダを光子波長としたときのラムダ／Ｎに比例する。したがって、画像分解能は、より多い個数の光子Ｎ００Ｎ状態に関して高くなる。光子は、Ｎ≧２とした場合のＮ光子Ｎ００Ｎ状態において生成することができる。

【0043】

本明細書における方法は、決して、特定の用途に限定されない。例として、これらには限定されないが、検出及び通信を挙げることができる。図５〜７は、異なる検出方法：追跡、監視、及び非破壊検査（ＮＤＩ）の例を示している。

【0044】

周波数量子もつれ光子による撮像は、多くの利点をもたらす。光子の量子もつれ状態によって、撮像能力を、古典光を利用する場合に従来より観測されている限界を超えて拡大することができる。光子の量子もつれ状態によって、分解能の不足、または過大ノイズに起因して撮像することが難しくなる可能性のある画像を生成することができる。量子もつれによって、画像は、第１周波数を持つ光子によってのみ形成したとした場合に得られる画像よりも高い分解能を有することができる。

【0045】

本明細書における方法及びシステムによって、量子もつれ光子を高速生成することができ、したがって、より強い信号を収集することができる。結果として行なわれる撮像によって、分解能が高くなる、または画像生成がより高速に行なわれる、或いは両方の効果を組み合わせた結果が得られる。

【0046】

第１光路に沿って伝送される光子の波長は、雲及び壁のような遮蔽物を通り抜けるように選択することができる。更に、これらの波長は、撮像分解能を決定する光子の波長とは異ならせることができる。

【0047】

本明細書における方法によって更に、低照度で画像を生成することができるが、その理由は、方法がシングルフォトン領域で動作するからである。普通、撮像するときには、明かりでターゲットを照らし（能動撮像としても知られている）、戻り光を受光する必要がある。その結果、ターゲットは、ターゲットが検出されていることを認識することができる。しかしながら、フォトンレベルの計測を行なう場合、被写体を、被写体に感づかれないように検出することができる。

【0048】

画像は、相関平面に、第１及び第２検出器によって検出される光子の複素電場の２次相関をとることにより形成することができる。同時計数値は、第２検出器２４０のｘ−ｙ座標の関数としてマッピングされる。同時計数によって、第１検出器２３０で測定される複素電場に第２検出器２４０で測定される複素電場を乗算して得られる積の時間平均を測定することができる。複素電場は、位相及び振幅で表わすことができる。２次相関を計算する例は、Ｔｈｅ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ． ｖｏｌ． ５３， ｎｏ． ４， １９９６， ｐｐ． ２８０８ ａｎｄ ２８１３−１４に掲載されたＰｉｔｔｍａｎらによる“Ｔｗｏ ｐｈｏｔｏｎ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｏｐｔｉｃｓ，”（２光子幾何学光学系）と題する論文に記載されている。

【0049】

Ｐｉｔｔｍａｎらによる論文によれば、同時計数速度は、設定される横方向空間パラメータの関数として計算することができ、この関数を最小にして最も鮮明な画像を取得することができる。しかしながら、「最も鮮明な」画像が必ず必要である訳ではない。最も鮮明な画像が本発明の幾つかの実施形態に関して好ましいが、わずかなボケ画像または焦点ずれ画像は、他の実施形態に関して適切となり得る。

【0050】

図５を参照すると、図５は、物体追跡を行なう方法を示している。図２に示すシステムを使用して、物体を追跡することができる。ブロック５１０では、物体の画像を非縮退量子もつれ光子を使用して撮影する。第１周波数を選択することにより、これらの光子は浮遊遮蔽物を通過することができ、追跡対象の物体を照射することができる。物体が航空機または他の浮遊物体である場合、第１周波数を選択して、雲、霧及び他の大気遮蔽物（乱気流）を通過することができる。

【0051】

水面下に在る物体を含む物体を海で追跡するために、第１周波数を選択して水を通り抜ける。陸上輸送手段を追跡するために、第１周波数を選択することにより、これらの光子は空気、埃、煙、霧、及び他の大気遮蔽物を通過することができる。

【0052】

第２周波数を選択することにより、物体の細部を撮影画像内で識別することができる。

【0053】

望遠鏡、ポインティングミラー、または他の光学アセンブリを使用して、第１周波数を持つ光子を物体に向かって誘導することができる。第１検出器の視野、及び第２検出器の視野に捕えられるものは全て、撮影画像に現われることになる。

【0054】

ブロック５２０では、プロセッサは、追跡対象の物体の予測位置を推定する。例えば、物体が撮影画像内に特定される。現在の画像内の物体の位置を、１つ以上の既に撮影している画像内の物体の位置と比較し、これらの位置の差（）を使用して、物体が次の画像撮影中に位置することになる場所を推定する。更に、物体認識を行なって、正しい物体が追跡されているかどうかを判断することができる（例えば、撮影物体を保存基準画像と比較することにより）。

【0055】

ブロック５３０では、ハードウェアを調整して、物体を予測位置に観測する。例えば、望遠鏡、ポインティングミラー、または他の光学アセンブリの向きを変えて、予測位置を見付けることができる。

【0056】

ブロック５１０，５２０，及び５３０における機能を繰り返して、物体を継続的に追跡することができる。

【0057】

次に、図６を参照すると、図６は、遮蔽された物体に対する監視を行なう方法を示している。図２に示すハードウェアを使用して、監視を行なうことができる。ブロック６１０では、非縮退周波数量子もつれ光子を生成する。ブロック６２０では、第１周波数を持つこれらの光子を第１光路に沿って遮蔽物に向かって誘導する。第１光の周波数を選択することにより、光子が遮蔽物を通過し、遮蔽物（例えば、壁、窓、及び他の人工構造物）に隠れた物体または物体を照射するようにする。周波数を選択して、相手側の監視対向手段を予測することもできる。

【0058】

更にブロック６２０では、第２周波数を持つこれらの量子もつれ光子を第２光路に沿って誘導する。第２周波数を選択することにより、十分な画像分解能を実現する。

【0059】

更にブロック６３０では、遮蔽された物体（）によって散乱した光子、及び第２光路に沿った光子を検出する。ブロック６４０では、画像を生成する。撮影画像から、遮蔽物に隠れた物体の細部が明らかになる。

【0060】

次に、図７を参照すると、図７は、複合材料により形成される構造の非破壊検査（ＮＤＩ）を行なう方法を示している。図２に示すハードウェアを使用して、ＮＤＩを行なうことができる。ブロック７１０では、非縮退周波数量子もつれ光子を生成する。ブロック７２０では、第１波長を持つこれらの光子を第１光路に沿って複合材料構造に向かって誘導する。高周波を使用することができる。

【0061】

更にブロック７２０では、像を分解する波長を持つこれらの光子を第２光路に沿って誘導する。像を分解する波長を、ミリメートルスペクトル範囲の波長とすることにより、構造的変化（例えば、割れ、腐食）の特定を可能にする、より高い撮像分解能を実現することができる。

【0062】

ブロック７３０では、光子を検出する。ブロック７４０では、画像を生成する。

【0063】

ブロック７１０〜７４０における機能を繰り返して、異なる構造の異なる画像を生成することができる（ブロック７５０）。更に、第１波長を持つこれらの光子の集光を調整して、異なる深さの構造を観察することができる。例えば、第１の集光を行なって、複合材料パネルの構造変化を観察することができる。次に、第２の集光を行なって、パネルに隠れた複合材料部材の構造変化を観察することができる。

【0064】

ブロック７６０では、これらの画像を分析して、これらの構造の構造変化を特定する。構造が変化すると、光子を散乱するか、または阻止してしまう。 構造変化に依存するが、構造変化は画像内に、より明るいパッチ、またはより暗いパッチ、或いは異なる質感を有するパッチとして現われる可能性がある。

【0065】

図７の方法を使用してＮＤＩを、炭素繊維強化プラスチック（ＣＲＦＰ）のような複合材料により形成される特定の航空機構造（パネル、スティフナ、隔壁、翼桁など）に対して行なうことができる。例えば、方法を使用して航空機構造の割れ、腐食、及び他の状態変化を特定することができる。
また、本発明は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
ＵＶレーザを使用してコヒーレント光を発生させることと、
コヒーレント光を下方変換して、周波数量子もつれ光子の対を生成することと、
量子もつれ光子の各対に関して、第１光子を第１光路に沿って、第２光子を第２光路に沿って、それぞれ伝送することと、
シングルフォトン領域内において、第１検出器を使用して、第１光路に沿って伝送されるこれらの光子を検出し、第２検出器を使用して、第２光路に沿って伝送されるこれらの光子を検出することと、
検出器の出力に対して同時計数を行なうことであって、第１及び第２検出器の出力の立ち上がりエッジを時間窓内で比較することを含むことと
を含む方法。
（態様２）
レーザを連続波モードで動作させる、態様１に記載の方法。
（態様３）
第１及び第２検出器がシングルフォトン領域で動作する、態様１に記載の方法。
（態様４）
第１及び第２光路に同じ実効長を与える、態様１に記載の方法。
（態様５）
各検出器がパルスを出力して光子の検出を通知し、各時間窓の始点が第２検出器によって供給されるパルスの立ち上がりエッジに対応する、態様１に記載の方法。
（態様６）
時間窓の両側を個別に調整することができる、態様５に記載の方法。
（態様７）
Ｎ番目のＮ００Ｎ状態（Ｎ≧２）において光子を生成する、態様１に記載の方法。
（態様８）
第１及び第２検出器によって検出される光子の複素電場の２次相関をとり、第２検出器のｘ−ｙ座標の関数として同時計数値を変換することにより、画像を相関平面に形成する、態様１に記載の方法。
（態様９）
物体を追跡する方法であって、態様８に記載の方法を使用して物体を含む画像を撮影することと、撮影画像に基づいて物体の位置を推定することとを含む方法。
（態様１０）
第１光路に沿って伝送されるこれらの光子が、浮遊遮蔽物を通過する波長を有する、態様９に記載の方法。
（態様１１）
監視を行なう方法であって、態様８に記載の方法を使用して物体の画像を形成することを含み、第１光路に沿って伝送されるこれらの光子が遮蔽物に向かって誘導され、かつ遮蔽物を通過する波長を有し、遮蔽物を通過する光子が遮蔽物に隠れた全ての物体によって散乱される方法。
（態様１２）
物体の非破壊検査を行なう方法であって、物体の画像を、態様８に記載の方法を使用して形成することと、画像を分析して全ての構造変化を特定することとを含む、方法。
（態様１３）
周波数量子もつれ光子の対を生成し、光子の各対に関して、第１光子を第１光路に沿って、第２光子を第２光路に沿って伝送するレーザ利用システムと、
第１光路に沿って伝送される個々の光子を検出する第１光子検出器と、
第２光路に沿って伝送される個々の光子を検出する第２光子検出器と、
検出器の出力に応答して、光子対の同時計数を行なう回路であって、同時計数に、第１及び第２検出器の出力の立ち上がりエッジを時間窓内で比較することにより同時性を判断することを含む回路と
を備えるシステム。
（態様１４）
レーザ利用システムが、紫外線レーザと、レーザの出力を下方変換する非線形結晶とを含んでおり、第１及び第２光子検出器が、アバランシェダイオードを含むことにより、上方変換が下方変換の前には行なわれない、態様１３に記載のシステム。
（態様１５）
レーザ利用システムが、連続波モードで動作して１度に１組の光子対を生成するレーザを含んでいる、態様１３に記載のシステム。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】