単一光子発生装置及び単一光子発生方法

本発明は単一光子発生装置及び単一光子発生方法に関するものであり、例えば、量子暗号通信或いは量子計算において情報の担体として用いられる単一の光子を発生させる単一光子発生装置及び単一光子発生方法に関するものである。

量子暗号通信や量子計算においては光子が情報の担体として用いられることが多い。この光子の発生方法としては、通常のレーザ、量子ドットや結合量子ドットの自然放出、或いは非線形結晶を用いたパラメトリック下方変換などがある。

量子暗号通信、なかでも量子暗号鍵配送(Quantum Key Distribution:QKD)では光ファイバを用いて量子情報の担体である光子を伝送する。通常、一つの光子が量子情報の単位である1量子ビットを担う。この光子を生成する方法にはいくつかの可能性がある。

第一に通常のレーザによる弱コヒーレント光を用いる方法が挙げられ、第二に量子ドットの自然放出を用いる方法が挙げられ、第三に結合量子ドットの自然放出を用いる方法が挙げられ、第四に非線形結晶を用いたパラメトリック下方変換を用いる方法が挙げられる。

特開2006−066463号公報

特開2007−335503号公報

P.G.Kwiat et al., Physical Review Letters vol.75 p.4337(1995)

G.S.Solomon et al., Physical Review Letters vol.86 p.3903(2001)

C.H.Bennett et al., Journal of cryptography vol.5 p.3(1992)

しかし、通常のレーザによる弱コヒーレント光を用いた場合には、低い確率で光子を2個以上含むパルスが発生する。したがって、盗聴者はそのパルスから光子を1つ抜き取ることにより情報を盗むことが可能になる(光子数分割攻撃:photon number splitting :PNS)。

これを防ぐために、 (1)1パルス当りの平均光子数を0.1以下になるようにパルス強度を非常に弱くし、 (2)デコイ法などのPNSプロトコルに耐性のあるプロトコルを用い、さらに、 (3)秘匿性増強などの処理を加える ことによって回避している。しかしこれらはいずれも伝送レートや通信距離の低下という悪影響をもたらすという問題がある。

量子ドットの自然放出を用いる場合には、2光子の相対確率g⁽²⁾はかなり減少するが、多励起子状態の可能性がゼロではないので、2光子確率を完全にゼロにすることはできない。反対に2光子イベント自体の頻度は減少しないためPNS攻撃に対しての耐性はさほど向上しない。また、パルスの発生タイミングが確率的になり、量子計算などに利用することは不可能であるという問題がある。

結合量子ドットの自然放出を用いる場合には、2光子の確率はかなり抑えることが可能になるが、パルスの発生タイミングが確率的になる点は同じであり、量子計算などに利用することは不可能であるという問題がある。

非線形結晶を用いたパラメトリック下方変換を用いる場合には、光子の発生タイミングは制御できるが、2光子の確率はやはりゼロにすることができないためポンプ強度を抑えなければならない。そうすると単一光子性が保証されるが、下方変換確率が小さいためレートが極端に小さくなるだけでなく、システムのクロックの大部分が失敗のタイムスロットになってしまう。このデバイスを大量に並列配置し、どれかのデバイスが単一光子を発生するようにすることも考えられる。しかし、発生する光子数がポアソン分布になるため発生した光子を検知・選択して、リアルタイムで光路を切り替えて通信路や量子ゲートへ送り込むシステムは極めて複雑になるという問題がある。

したがって、単一光子発生装置及び単一光子発生方法において、リアルタイムで厳密な単一光子の発生を原理的に可能にすることを目的とする。

開示する一観点からは、互いに基底量子準位の異なる2つの量子ドットが結合した結合量子ドットが複数集合した結合量子ドット集団と、前記結合量子ドット集団に第1の励起光を照射して多数の結合量子ドットを励起子基底状態にする第1のポンピング光照射手段と、前記励起子基底状態にした結合量子ドット集団に第2の励起光を照射してラマン散乱により励起ディッケ状態にする第2のポンピング光照射手段と、前記ラマン散乱によるラマン散乱光の光子数を検出する光子数検出手段と、前記光子数検出手段の検出結果により、前記励起ディッケ状態が単一励起ディッケ状態になるようにする第2のポンピング光照射手段を制御する制御手段と、前記単一励起ディッケ状態にした結合量子ドット集団に第3の励起光を照射してラマン散乱により前記単一励起ディッケ状態から前記励起子基底状態への遷移に伴う単一光子を生成する第3のポンピング光照射手段とを備えたことを特徴とする単一光子発生装置が提供される。

また、開示する別の観点からは、互いに基底量子準位の異なる2つの量子ドットが結合した結合量子ドットが複数集合した結合量子ドット集団に第1の励起光を照射して多数の結合量子ドットを励起子基底状態にする第1のポンピング光照射工程と、前記励起子基底状態にした結合量子ドット集団に第2の励起光を照射してラマン散乱によるラマン散乱光の光子数を検出し、光子数検出手段の検出結果により、前記励起子基底状態が単一励起ディッケ状態になるようにする第2のポンピング光照射工程と、前記単一励起ディッケ状態にした結合量子ドット集団に第3の励起光を照射してラマン散乱により前記単一励起ディッケ状態から前記励起子基底状態への遷移に伴う単一光子を生成する第3のポンピング光照射工程とを備えたことを特徴とする単一光子発生方法が提供される。

開示の単一光子発生装置及び単一光子発生方法によれば、リアルタイムで厳密な単一光子の発生を原理的に可能にすることが可能になる。

本発明の実施の形態の単一光子発生方法に用いる単一光子発生装置の概念的構成図である。

結合量子ドットの励起子局在状態の説明図である。

結合量子ドットの励起子分離状態の説明図である。

結合量子ドット中の励起子を用いた3準位ラムダ系の構成図である。

単一光子発生方法の第1ステップの説明図である。

単一光子発生方法の第2ステップの説明図である。

単一光子発生方法の第3ステップの説明図である。

本発明の実施例1の単一光子発生装置の要部説明図である。

結合量子ドット集団部の製造工程の途中までの説明図である。

結合量子ドット集団部の製造工程の図9以降の説明図である。

本発明の実施例2の単一光子発生装置の要部説明図である。

本発明の実施例3の単一光子発生装置の概念的構成図である。

本発明の実施例4の単一光子発生装置の概念的構成図である。

ここで、図1を参照して、本発明の実施の形態の単一光子発生方法を説明する。図1は、本発明の実施の形態の単一光子発生方法に用いる単一光子発生装置の概念的構成図である。互いに基底量子準位の異なる2つの量子ドットが結合した結合量子ドット2が複数集合した結合量子ドット集団1と、結合量子ドット集団1に第1の励起光ω_pを照射して多数の、理想的には全ての結合量子ドット2を励起子基底状態|G〉にする第1のポンピング光照射手段5を備えている。

また、励起子基底状態|G〉にした結合量子ドット集団1に第2の励起光ω_aを照射してラマン散乱により励起ディッケ状態|S〉にする第2のポンピング光照射手段6と、ラマン散乱によるラマン散乱光ω_sの光子数を検出する光子数検出手段9を備えている。この光子数検出手段9の検出結果により、励起ディッケ状態|S〉が単一励起ディッケ状態|S₁〉になるようにする第2のポンピング光照射手段6を制御する制御手段10を備えている。なお、第2の励起光ω_aは非共鳴レーザ光であることが望ましい。

また、単一励起ディッケ状態|S₁〉にした結合量子ドット集団1に第3の励起光ω_sを照射してラマン散乱により単一励起ディッケ状態|S₁〉から励起子基底状態|G〉への遷移に伴う単一光子ω_aを生成する第3のポンピング光照射手段7を備えている。

これらの第1のポンピング光照射手段5乃至第3のポンピング光照射手段7は、光切り替え手段8及び制御手段(コントローラ)10により制御されており、また、光切り替え手段8及び光子数検出手段9は、制御手段10によって制御されている。結合量子ドット集団1を透過した励起光或いはラマン散乱光は、ダイクロィックミラー11に入射して励起光は反射されて除去され、ラマン散乱光等のその他の波長の光を透過させる。

ラマン散乱光等の光は、ビームスプリッタ12で分岐され、フィルタ13を透過したストークス光は光子数検出手段9に入射し、アンチ・ストークス光はフィルタ14を透過したのち、量子暗号鍵配送(QKD)或いは量子計算スキーム(KLM)に用いられる。

各結合量子ドット集団1は、ストランスキ−クラスタノフ(SK)成長モードによる第1層目の量子ドットと、中間層を介して前記第1層目の量子ドット上に位置整合して形成された第2層目の量子ドットとが結合した結合量子ドットであることが望ましい。このような積層構造を用いることによって、結合量子ドットを効率良く形成することができる。但し、同一面上に近接配置された量子ドットを結合量子ドットとしても良い。

典型的には、半導体基板上に形成されたSKモード成長InAs量子ドットなどが有力である。この場合ドットの直径は10nmから100nm程度である。バンドギャップは例えば0.5eVから2.0eVの範囲にある。結合量子ドット集団1の結合量子ドット2の数は有効な単一光子発生のSN比や指向性の向上のためにある程度の数がある必要があり、例えば、100個から10⁶個程度である。

また、結合量子ドット集団1において、各結合量子ドット2は、第1の励起光ω_p乃至第3の励起光ω_sの光軸方向に沿って直線状に配置していることが望ましく、それによって、各励起光を効率的に作用させることができ、単一光子の発生の効率、SN比の向上、指向性の向上などがはかれる。

このように直線状に配列した結合量子ドット集団1は、光の入射・出射を方向性を持って確実に行うために、光導波路3の中に配置することが望ましい。光導波路3としては、メサ型光導波路でも良いし、フォトニック結晶4による光導波路3のいずれでも良い。

また、励起光を有効に使用して、励起光の作用を効果的に行わせるために、直線状に配列した結合量子ドット集団1を含む光導波路3をファブリ・ペロー型共振器内に配置しても良い。或いは、直線状に配列した結合量子ドット集団1を含む光導波路3をリング型共振器内に配置しても良い。

次に、図2乃至図7を参照して、このような単一光子発生装置を用いて厳密に単一光子を発生させる方法を説明するが、まず、図2及び図3を参照して結合量子ドットのエネルギー状態を説明する。図2は、結合量子ドットの励起子局在状態の説明図であり、左図はバンドダイアグラムであり、右図は、クーロン拘束エネルギーによるエネルギーシフトの説明図である。図2(a)は、サイズの大きい量子ドットに電子と正孔が対になった励起子が局在した状態を示しており、ここでは|vac〉で表す。左図に示すように、電子と正孔はサイズの大きな量子ドットの各基底量子準位にトラップされてクーロン拘束エネルギーU_Lにより互いに拘束されている。したがって、右図に示すように、このクーロン拘束エネルギーU_Lの分だけ、|vac〉からシフトした状態になる。なお、φ_eを電子の波動関数とし、φ_hを正孔の波動関数とし、サフィックスL,Sを量子ドットのサイズとすると、|vac〉=|φ_e〉_L|φ_h〉_Lである。

図2(b)は、サイズの小さい量子ドットに励起子が局在した状態を示しており、ここでは|e〉で表す。左図に示すように、電子と正孔はサイズの小さな量子ドットの各基底量子準位にトラップされてクーロン拘束エネルギーU_Sにより互いに拘束されている。したがって、右図に示すように、このクーロン拘束エネルギーU_Sの分だけ、|e〉からシフトした状態になる。なお、|e〉=|φ_e〉_S|φ_h〉_Sである。また、小さな量子ドットの基底量子準位と大きな量子ドットの基底量子準位の差を、伝導帯側ではΔE_eとし、価電子帯側ではΔE_hとする。クーロン拘束エネルギーによるエネルギーシフトU_L,U_Sは、直径約20nm程度のSK量子ドットでは約10meV〜約30meV程度である。

図3は、結合量子ドットの励起子分離状態の説明図であり、左図はバンドダイアグラムであり、右図は、クーロン拘束エネルギーによるエネルギーシフトの説明図である。図3(a)は、電子がサイズの大きい量子ドットの基底量子準位にトラップされ、正孔が小さな量子ドットの基底量子準位にトラップされた状態を示しており、ここでは|g〉で表す。左図に示すように、電子と正孔はクーロン拘束エネルギーU_gにより拘束されている。したがって、右図に示すように、このクーロン拘束エネルギーU_gの分だけ、|g〉からシフトした状態になるが、異なった量子ドット間での拘束であり、拘束は距離に反比例して小さくなるので、通常はU_g=0とする。なお、|g〉=|φ_e〉_L|φ_h〉_Sである。

図3(b)は、電子がサイズの小さい量子ドットの基底量子準位にトラップされ、正孔が大きな量子ドットの基底量子準位にトラップされた状態を示しており、ここでは|s〉で表す。左図に示すように、電子と正孔はクーロン拘束エネルギーU_sにより拘束されている。したがって、右図に示すように、このクーロン拘束エネルギーU_sの分だけ、|s〉からシフトした状態になるが、異なった量子ドット間での拘束であり、拘束は距離の二乗に反比例して小さくなるので、通常はU_s=0とする。なお、|s〉=|φ_e〉_S|φ_h〉_Lである。

図4は、結合量子ドット中の励起子を用いた3準位ラムダ系の構成図である。ここでは、エネルギー状態が低い順に|vac〉、|g〉、|s〉、|e〉の4つのエネルギー状態を示している。ラムダ系という3準位系では入射光と散乱光の波長が互いに異なる所謂ラマン散乱が生じることが知られている。ラマン散乱では散乱光と3準位系(散乱体)の量子状態遷移が1対1に対応しているため、散乱光を測定することで散乱後の3準位系の量子状態を確認することができる。

上述のようにして形成された結合量子ドットの系は、|g〉、|s〉、|e〉、|vac〉の菱形4準位系となる。このため、|g〉、|s〉、|e〉によるラマン過程以外に、|g〉、|vac〉、|s〉によるラマン過程や、|s〉と|vac〉の間の実遷移も寄与してしまい、物理過程が複雑になり、正常な動作の制御が困難になる。

しかし、|e〉及び|vac〉は、クーロン拘束エネルギーの分だけエネルギーがシフトする。このため、ラマン遷移に関係する離調エネルギーは、|g〉、|vac〉、|s〉に関する値は|g〉、|e〉、|s〉に関する値よりもクーロン拘束エネルギーの和U_L+U_Sの分だけ大きくなる。そして、離調エネルギーが大きいとそれに反比例して遷移振幅は小さくなるため、|g〉、|vac〉、|s〉によるラマン過程や実遷移の寄与は大幅に抑制されることになる。したがって、ここでは、|g〉、|e〉、|s〉の系でラムダ系を構成する。

ここで、|g〉と|e〉のエネルギー差をE₁、|s〉と|e〉のエネルギー差をE₂、伝導帯側の2つの量子井戸における基底量子準位のエネルギー差をΔE_e、価電子帯側の2つの量子井戸における基底量子準位のエネルギー差をΔE_hとすると、 E₁=E(|e〉)−E(|g〉)=ΔE_e−U_S E₂=E(|e〉)−E(|s〉)=ΔE_h−U_S となる。

次に、図5乃至図7を参照して、単一光子発生方法を説明する。図5は、単一光子発生方法の第1ステップの説明図であり、結合量子ドット集団1に第1の励起光ω_pを照射して、励起子基底状態|g〉を生成することで初期化を行う。初期化する前は励起子が存在しない状態であるが、|g〉状態のエネルギー以上で|s〉状態のエネルギー以下の第1の励起光ω_pを照射することにより全ての結合量子ドット2を|g〉状態、即ち、|G〉状態にする。

したがって、第1の励起光ω_pの波長λ_p(=2πc/ω_p)は、量子ドットの材料のバンドギャップに閉じ込めエネルギーと|g〉状態に対応する電子と正孔のドット内束縛エネルギーの和を加えたものに対応する。共鳴励起ではこのエネルギーにω_pをチューニングする。非共鳴励起ではそれより少し高いエネルギーに設定する。準共鳴励起の場合、フォノン散乱などバンド内基底状態に落ちるまで待つ。これに必要な時間は1ns以下である。共鳴励起、準共鳴励起のいずれの場合も励起光のスペクトル純度は問題にならず、通常のレーザを用いれば十分である。

図6は、単一光子発生方法の第2ステップの説明図であり、第2の励起光ω_aを照射してDicke状態|S〉とする。このDicke状態|S〉は、ラマン散乱光をω_s、f₁,f₂,・・・を振幅とすると、 |S〉=(|G〉+0光子)+(f₁|S₁〉+ω_s)+(f₂|S₂〉+2ωs)+・・・ の重ね合せで表される。なお、2ω_sは、2つの結合量子ドット2が|s〉状態に励起されて2個のストークス光ω_sが放出されることを表す。そこで、そのラマン散乱光ω_sを光子数検出手段9で測定し、光子数が1であるf₁|S₁〉+ω_sの時に、即ち、1つの結合量子ドット2のみが|s〉状態に励起されてコヒーレントな状態になった時、結合量子ドット集団1が単一Dicke状態|S₁〉となり、単一光子発生の準備が完了したと判断する。なお、1≫f₁≫f₂・・・である。

現実の光子数検出手段9では誤りなく個数を決定することはできない。その場合でも第2の励起光ω_aの強度を十分小さくしておけば、光子発生の段階で2光子以上の確率をいくらでも小さくすることができる。なお、光子数検出器が使えない場合、通常の閾値検出器でも多段のビームスプリッタを介して同時検出すると個数検出が可能である。本方式では事前準備で単一励起ディッケ状態が確認されたデバイスをあらかじめ用意しておいてそれを順次消費していけばいいので、リアルタイムで選別しなければならないSPDCと比べて大変な利点がある。

図7は、単一光子発生方法の第3ステップの説明図であり、単一光子が必要になった時点で、第3の励起光ω_sを照射して、ラマン散乱光であるアンチ・ストークス光ω_aを取り出す。この第3の励起光ω_sのエネルギーは、励起子分離状態の高い方のエネルギー状態|s〉と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態|e〉のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ非共鳴ポンプ光を入射すると、ラマン散乱を受け、その一部がそれよりも波長の短いアンチ・ストークス光ω_aに変換される.このラマン散乱光ω_aは単一Dicke状態|S₁〉の結合量子ドット集団1から放出されるので、光子の単一性は原理的に保証されていることになる。

本発明の実施の形態においては、第2の励起光による励起プロセスに散乱光の光子数検出による事後選択という、系の単一励起性の保証が組み込まれているため、単一励起の場合だけ次の光子生成ステップに進む。したがって、一旦、系の単一励起性が確認されているので単一光子しか生成しない。また系の単一励起状態が自然に多重励起状態に遷移する確率は、f₁≫f₂・・・であるので無視できる。

このように本発明の実施の形態においては、厳密な単一光子の発生が原理的に可能になり、課題が解決される。さらに、単一光子の発生は第3の励起光の照射時に即時的に起こるため、オンデマンド光子源を必須とする量子計算などへの応用も可能になる。さらに、量子暗号通信においてもオンデマンド性があればシステムのクロックのすべてのスロットに光子を打ち込めるので、システム設計が容易になり、動作効率・レートも向上する。

その他の効果としては、集積化・全固体化が可能であり、既存の通信システム、計算機と同様にコンパクトにモジュール化された量子通信システム、量子計算機が構築できる点が挙げられる。なお、単一光子を量子暗号通信に用いる場合は|e〉と|g〉とのエネルギー差が光ファイバの伝送帯域(1.3μm、或いは1.55μm)よりも離調分Δだけエネルギーが高いことが望ましい。これは、第2の励起光の波長に対応している。量子計算向けの応用の場合、波長に対する光ファイバ伝送からの制約は無くなる。

次に、図8乃至図10を参照して、本発明の実施例1の単一光子発生装置を説明する。図8は、本発明の実施例1の単一光子発生装置の要部説明図であり、ここでは、3準位ラムダ系を実現する結合量子ドット集団部を説明する。図8(a)は概略的説明図であり、図8(b)は図8(a)におけるA−A′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。

図8に示すように、第1InAs量子ドット35及び第2InAs量子ドット37が積層された結合量子ドットがアレイ状に配置されるとともに、メサストライプ状の光導波路40が形成されている。

次に、図9及び図10を参照して、結合量子ドット集団部の製造工程を説明する。まず、図9(a)に示すように、MOCVD(有機金属気相成長)法を用いて、GaAs基板31上に、厚さが300nmのGaAsバッファ層32、厚さが、100nmのn型GaAs層33及び厚さが100nmのi型Al_0.3Ga_0.7As層34を順次成長させる。

次いで、図9(b)に示すように、i型Al_0.3Ga_0.7As層34上に、第1InAs量子ドット35をSKモード成長によって形成する。なお、ウェット層は図示を省略する。また、必要であれば、さらにアニーリングを行なう。次いで、図9(c)に示すように、第1InAs量子ドット35を埋め込むようにi型Al_0.3Ga_0.7Asキャップ層36を10nmの厚さに形成する。

次いで、図10(d)に示すように、i型Al_0.3Ga_0.7Asキャップ層36上に、第2InAs量子ドット37をSKモードで成長させる。この第2InAs量子ドット37を成長させる際に、成長条件を調整することで、第1InAs量子ドット35の直上に、第2InAs量子ドット37を成長させる。ここでは、第1InAs量子ドット35のサイズを大きくし、第2InAs量子ドット37のサイズを小さくして両者のサイズが異なるようにしている。なお、量子ドットのサイズは約10nm〜約40nm程度の範囲で設計でき、ばらつきは概ね10%以下が可能である。

次いで、図10(e)に示すように、第2InAs量子ドット37を埋め込むように、厚さが300nmのi型Al_0.3Ga_0.7Asキャップ層38を形成する。次いで、図10(f)に示すように、i型Al_0.3Ga_0.7Asキャップ層38上に厚さが200nmのn型GaAs層39を形成する。このようにして、第1InAs量子ドット35及び第2InAs量子ドット37という2つの量子ドットを結合した結合量子ドットが形成される。最後に、ストライプ状にメサエッチングして光導波路を形成する。

次いで、本発明の実施例1における単一光子発生方法を説明する。まず、図4に示したように、|g〉、|e〉、|s〉のエネルギー状態を用いた3準位ラムダ系とする。図5に示すように、結合量子ドット集団に第1の励起光ω_pを照射して、励起子基底状態|g〉を生成することで初期化を行う。初期化する前は励起子が存在しない状態であるが、|g〉状態のエネルギー以上、|s〉状態のエネルギー以下の第1の励起光ωpを照射することにより全ての結合量子ドット2を|g〉状態、即ち、|G〉状態にする。

上述のように、第1の励起光ω_pの波長λ_p(=2πc/ω_p)は、量子ドットの材料のバンドギャップに|g〉状態に対応する電子と正孔のドット内束縛エネルギーの和を加えたものに対応する。共鳴励起する場合には、このエネルギーにω_pをチューニングする。

非共鳴励起する場合には、λ_pより少し高いエネルギーに設定する所定のポンプパルス幅に対して、ポンプのパワーは装置の特性検査の段階で1mw以下の極めて弱い値から徐々にパワーを100mW程度まで上げて行く。この時、蛍光強度をプロットし、励起が飽和する点を抽出してその値に設定するか、それより少し小さな値にして、各結合量子ドットにおける多重励起(multiexciton)確率を小さくする。なお、仮令、この段階で多重励起が起こっていたとしても、やはり発明原理から本発明に関わる単一光子性には影響はほとんどない。

準共鳴励起する場合には、フォノン散乱などバンド内基底状態に落ちるまで待つ。これに必要な時間は1ns以下である。共鳴励起、準共鳴励起のいずれの場合もポンプ光のスペクトル純度は問題にならないので、通常のレーザを用いる。但し、ここでは、|e〉と|g〉のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ非共鳴ポンプを用い、結合量子ドットと相互作用できる偏光状態の強度Ω、パルス幅τの弱い非共鳴レーザ光(離調Δ)を入射する。

次に、図6に示すように、第2の励起光ω_aを照射して、単一Dicke状態|S₁〉を生成する。但し、ここでは、|e〉と|g〉のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ非共鳴ポンプを用い、結合量子ドットと相互作用できる偏光状態の強度Ω、パルス幅τの弱い非共鳴レーザ光(離調Δ)を入射する。ここでは第2励起光ω_aとして用いた非共鳴レーザ光はラマン散乱を受け、その一部がそれよりも波長の長いストークス光ω_sに変換される。このようにして、ラマン散乱によるストークス光子ω_sが発生する。ここでは、N個の結合量子ドットが光導波路内に一列に配置されているため、ラマン散乱が効率的におきる。なお、ラマン散乱によって|G〉から|S₁〉となることを、ラマン散乱による対称状態への励起という。

この非共鳴レーザ光の照射工程において、ポンプ光強度を適正にすることで、2励起状態|S₂〉以上の状態の振幅f₂,f₃・・・を十分小さくしておく。このポンプ光強度値の設定も第1の励起光ω_pのパワーの設定の場合と同様の考え方で行う。即ち、特性検査の段階で第2の励起光ω_aのパワーをたとえば1mw以下の極めて弱い値から徐々にパワーを100mW程度まで増やしながら、単一光子の発生確率がゼロではないが十分小さな値である点を求める。

適切な発生確率は光子数検出器の特性に依存する。即ち,光子数検出器が理想に近い場合単一光子の発生確率はほぼ1に近い値にしても構わない。しかし、光子数検出器の性能が劣る場合は単一光子の発生確率をたとえば0.001程度にする必要がある場合もある。この場合、単一光子性を優先して、光子の発生レートを犠牲にすることになる。このラマン散乱により発生したストークス光ω_sは各n励起状態|S_n〉に対し、それぞれn光子状態が対応している。この散乱光を光子数測定し、1個の光子として検出した場合だけを用い、それ以外はやり直す。

第2の励起光の波長λ_aの細かな設定に関しては、離調をどの程度とるかという問題に対応している。この値出しのやり方としては十分大きな離調たとえば|g〉状態と|e〉状態間のエネルギーの半分からスタートし、上記パワーの設定手続きを行う。そして徐々に離調を小さくしながらパワーの設定手続きを繰り返し、ラマン散乱は起こるが望ましくない準位間の遷移が発生しない領域を見出し、その領域に波長λ_aを設定する。望ましくない遷移の発生はこの後の単一光子の発生段階でのノイズを観測することで検出できる。

次に、図7に示すように、第3の励起光ω_sを照射してラマン散乱により結合量子ドット集団が単一Dicke状態|S₁〉から基底状態|G〉へ戻るとともに、単一のアンチ・ストークス光子ω_aが発生する。

第3の励起光のパラメータの設定も第1の励起光及び第2の励起光のパラメータ設定と同様な考え方で行う。但し、第3の励起光の場合、ラマン遷移は単一Dicke状態|S₁〉という初期状態から基底状態|G〉への遷移なので、他の遷移の可能性がほとんどなく、ポンプ強度はかなり強くても問題なく、動作マージンは大きい。

本発明の実施例1においては、SK成長モードで形成した積層型の結合量子ドット集団を直線上に配置しているので、ラマン散乱におけるレーザ光とのコヒーレント結合を向上することができる。また、励起光のビームはこの直線に沿って進行するように光軸を設定することにより、発生するラマン散乱光の出射方向も制限することができ、光子数検出や単一光子の取り出しの効率が向上する。

また、メサストライプ状の光導波路を設けているので、外部からのレーザ光はこの光導波路に導くことができるので、発生するラマン散乱光の出射方向も制限することができる。この場合、ビームの広がりはこの光導波路の幅によって制限されるためレーザ光と量子ドット系の結合はさらに強くなる。また、光導波路は種々の形状に曲げることも可能なので量子ドットの配置の自由度も大きくなる。

次に、図11を参照して、本発明の実施例2の単一光子発生方法を説明する。図11は、本発明の実施例2の単一光子発生装置の要部説明図であり、ここでは、3準位ラムダ系を実現する結合量子ドット集団部を説明する。図11(a)は概略的説明図であり、図11(b)は図11(a)におけるA−A′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。

図11に示すように、ストライプ状メサを形成したのち、第1InAs量子ドット35及び第2InAs量子ドット37が積層された結合量子ドットアレイの両側に新たにi型Al_0.3Ga_0.7As層堆積する。次いで、二次元マトリクス状に配置したピラー41を形成したのち、このピラー41をn型GaAs層39で埋め込んでフォトニック結晶による光導波路を形成する。なお、単一光子発生方法は上記の実施例1と同様であるので、説明は省略する。

本発明の実施例2においては、フォトニック結晶による光導波路を形成しているので、上記の実施例1のメサストライプ状の光導波路と同様の効果が得られる。

次に、図12を参照して、本発明の実施例3の単一光子発生装置を説明する。図12は本発明の実施例3の単一光子発生装置の概念的構成図であり、外部にファブリ・ペロー共振器を設けた以外は上記の実施例1と同様であるので、基本的部分のみを図示する。図12に示すように、結合量子ドット集団部を含むメサストライプ状の光導波路40を挟み込むように光軸に垂直に一対のハーフミラー51,52を設ける。

この場合のファブリ・ペロー共振器の共振周波数は、ポンプ光とストークス光の周波数のいずれかあるいは両方に一致、あるいは外部からいずれかに一致させるよう制御できる機構を備えることで変換の効率あるいは速度を向上させることができる。これにより、光のモードと量子ドット系の結合がさらに強くなるほか、自然放出などによる効率の低下やノイズの発生を低減させることができる。また、発生する散乱光の出射方向も制限することができ、光子数検出や単一光子の取り出しの効率が向上する。

なお、ファブリ・ペロー共振器の共振周波数にチューニング性を持たせるためには、少なくとも一方のハーフミラーに圧電素子による移動機構を設けて、光軸方向に移動させれば良い。或いは、光路の途中に電界により屈折率の変化する光学結晶を設けて、電圧により屈折率を変化させて波長をチューニングしても良い。また、メサストライプ状の光導波路40の代わりに実施例2と同様にフォトニック結晶を用いた光導波路としても良い。

次に、図13を参照して、本発明の実施例4の単一光子発生装置を説明する。図13は本発明の実施例4の単一光子発生装置の概念的構成図であり、リング型共振器を設けた以外は上記の実施例1と同様であるので、基本的部分のみを図示する。図13に示すように、結合量子ドット集団部を含むメサストライプ状の光導波路40を光路の一部として含むように二枚のハーフミラー53,54と二枚のミラー55,56によってリング共振器を形成したものである。

このように、リング共振器を設けることによって、ポンプ光と結合量子ドット系の結合と指向性を強化することができる。なお、この場合も、一方のハーフミラー54とミラー55が連動して移動するように圧電素子を用いた移動機構を設けて波長をチューニングしても良い。或いは、リング状の光路内に電界により屈折率の変化する光学結晶を設けて、電圧により屈折率を変化させて波長をチューニングしても良い。また、メサストライプ状の光導波路40の代わりに実施例2と同様にフォトニック結晶を用いた光導波路としても良い。

ここで、実施例1乃至実施例4を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。 (付記1)互いに基底量子準位の異なる2つの量子ドットが結合した結合量子ドットが複数集合した結合量子ドット集団と、前記結合量子ドット集団に第1の励起光を照射して多数の結合量子ドットを励起子基底状態にする第1のポンピング光照射手段と、前記励起子基底状態にした結合量子ドット集団に第2の励起光を照射してラマン散乱により励起ディッケ状態にする第2のポンピング光照射手段と、前記ラマン散乱によるラマン散乱光の光子数を検出する光子数検出手段と、前記光子数検出手段の検出結果により、前記励起ディッケ状態が単一励起ディッケ状態になるようにする第2のポンピング光照射手段を制御する制御手段と、前記単一励起ディッケ状態にした結合量子ドット集団に第3の励起光を照射してラマン散乱により前記単一励起ディッケ状態から前記励起子基底状態への遷移に伴う単一光子を生成する第3のポンピング光照射手段とを備えたことを特徴とする単一光子発生装置。 (付記2)前記第2の励起光が非共鳴レーザ光であることを特徴とする付記1に記載の単一光子発生装置。 (付記3)前記各結合量子ドットは、前記第1の励起光乃至第3の励起光の光軸方向に沿って直線状に配置していることを特徴とする付記1或いは付記2に記載の単一光子発生装置。 (付記4)前記各結合量子ドットは、ストランスキ−クラスタノフ成長モードによる第1層目の量子ドットと、中間層を介して前記第1層目の量子ドット上に位置整合して形成された第2層目の量子ドットとが結合した結合量子ドットであることを特徴とする付記1乃至付記3のいずれか1に記載の単一光子発生装置。 (付記5)前記直線状に配列した結合量子ドット集団は、メサ型光導波路或いはフォトニック結晶による光導波路のいずれかの光導波路内に配置されていることを特徴とする付記1乃至付記4のいずれか1に記載の単一光子発生装置。 (付記6)前記直線状に配列した結合量子ドット集団を含む前記光導波路をファブリ・ペロー型共振器内に配置したことを特徴とする付記5に記載の単一光子発生装置。 (付記7)前記直線状に配列した結合量子ドット集団を含む前記光導波路をリング型共振器内に配置したことを特徴とする付記5に記載の単一光子発生装置。 (付記8)互いに基底量子準位の異なる2つの量子ドットが結合した結合量子ドットが複数集合した結合量子ドット集団に第1の励起光を照射して多数の結合量子ドットを励起子基底状態にする第1のポンピング光照射工程と、前記励起子基底状態にした結合量子ドット集団に第2の励起光を照射してラマン散乱によるラマン散乱光の光子数を検出し、光子数検出手段の検出結果により、前記励起子基底状態が単一励起ディッケ状態になるようにする第2のポンピング光照射工程と、前記単一励起ディッケ状態にした結合量子ドット集団に第3の励起光を照射してラマン散乱により前記単一励起ディッケ状態から前記励起子基底状態への遷移に伴う単一光子を生成する第3のポンピング光照射工程とを備えたことを特徴とする単一光子発生方法。 (付記9)前記ラマン散乱において、前記各結合量子ドットの4つのエネルギー状態の内、2つの励起子分離エネルギー状態と、2つの励起子局在状態の内の高いエネルギー状態との3つのエネルギー状態を用いることを特徴とする付記8に記載の単一光子発生方法。(付記10)前記第2の励起光が非共鳴レーザ光であることを特徴とする付記8または付記9に記載の単一光子発生方法。

1 結合量子ドット集団 2 結合量子ドット 3 光導波路 4 フォトニック結晶 5 第1のポンピング光照射手段 6 第2のポンピング光照射手段 7 第3のポンピング光照射手段 8 光切り替え手段 9 光子数検出手段 10 制御手段 11 ダイクロィックミラー 12 ビームスプリッタ 13,14 フィルタ 31 GaAs基板 32 GaAsバッファ層 33 n型GaAs層 34 i型Al_0.3Ga_0.7As層 35 第1InAs量子ドット 36 i型Al_0.3Ga_0.7Asキャップ層 37 第2InAs量子ドット 38 i型Al_0.3Ga_0.7Asキャップ層 39 n型GaAs層 40 光導波路 41 ピラー 51,52,53,54 ハーフミラー 55,56 ミラー