(57)【要約】【課題】  集積化と小型化に配慮した、演算成功確率の高い、１光子偏光状態と「共振器モードと結合した励起子系」の状態との間のπ位相変調に基づいた、１光子偏光状態と量子箱の２準位系に対する量子演算素子を提供する。【解決手段】  ２次元フォトニック結晶の点欠陥モードがファブリペロ型共振器のガウシアンモードと共鳴結合した３次元共振器と、この３次元共振器と量子箱の２準位系を共鳴結合する手段を備えた量子演算素子であって、前記３次元共振器のＱ値は、前記ファブリペロ型共振器の反射率を変える、および／または、前記２次元フォトニック結晶の点欠陥に最近接の円孔の直径を所定の寸法から変える、および／または、前記円孔の中心の位置を所定の格子点の位置から変えることにより制御できるようにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元フォトニック結晶の点欠陥モードがファブリペロ型共振器のガウシアンモードと共鳴結合する３次元共振器と、該３次元共振器と量子箱の２準位系を共鳴結合する手段を備えた量子演算素子であって、前記３次元共振器のＱ値は、前記ファブリペロ型共振器の反射率を変える、および／または、前記２次元フォトニック結晶の点欠陥に最近接の円孔の直径を所定の寸法から変える、および／または、前記円孔の中心の位置を所定の格子点の位置から変えることにより制御できるように構成したことを特徴とする量子演算素子。
【請求項２】
請求項１記載の量子演算素子であって、さらに光導波路を備え、量子箱励起子からの発光の空間モードプロファイルは、前記３次元共振器によって制御でき、かつ、前記３次元共振器および／または前記光導波路の形状を最適化することによって、前記発光の光導波路への結合効率を制御できるように構成したことを特徴とする量子演算素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の量子演算素子において、前記ファブリペロ型共振器を２つの球面鏡で構成し、該２つの球面鏡のうち、一方が前記２次元フォトニック結晶と同一基板上に作製された半導体多層膜であることを特徴とする量子演算素子。
【請求項４】
請求項１、２又は３記載の量子演算素子において、前記量子箱の２準位系と前記２次元フォトニック結晶の点欠陥モードとの結合強度ｇが、前記３次元共振器の基底モードの緩和率κよりも大きいかまたは同程度であり、かつ、前記３次元共振器の基底モードの緩和率κが前記量子箱の２準位系の位相緩和率１／Ｔ2 よりも大きい場合、すなわち、不等式ｇ≧κ≫１／Ｔ2 を満たす場合、前記量子演算素子は量子位相シフト演算の機能を有することを特徴とする量子演算素子。
【請求項５】
請求項１、２又は３記載の量子演算素子において、前記量子箱の２準位系と前記２次元フォトニック結晶の点欠陥モードとの結合強度ｇが、前記３次元共振器の基底モードの緩和率κよりも小さく、かつ前記３次元共振器の基底モードの緩和率κが前記量子箱の２準位系の位相緩和率１／Ｔ2 よりも大きい場合、すなわち、不等式κ＞ｇ≫１／Ｔ2 を満たす場合のうち、ｇがκ／２よりも小さい場合、前記量子演算素子は、励起状態からの発光が前記ファブリペロ型共振器の共振器軸方向に強い指向性をもつ単一光子源の機能を有することを特徴とする量子演算素子。
【請求項６】
請求項１、２又は３記載の量子演算素子において、前記量子箱の２準位系と前記２次元フォトニック結晶の点欠陥モードとの結合強度ｇが、前記３次元共振器の基底モードの緩和率κよりも小さく、かつ前記３次元共振器の基底モードの緩和率κが前記量子箱の２準位系の位相緩和率１／Ｔ2 よりも大きい場合、すなわち、不等式κ＞ｇ≫１／Ｔ2 を満たす場合において、前記量子演算素子は、前記ファブリペロ型共振器のガウシアンモードと前記２次元フォトニック結晶の点欠陥モードが共鳴結合している状況下で、点欠陥領域に光を吸収させた後前記ファブリペロ型共振器の物理共振器長を変化させて、前記ファブリペロ型共振器のガウシアンモードを前記２次元フォトニック結晶の点欠陥モードから離調することにより、光の量子状態を原子系の量子状態に保持する光メモリとしての機能を有することを特徴とする量子演算素子。
【請求項７】
請求項１から６の何れか１項記載の量子演算素子において、前記量子箱は、半導体量子ドット励起子系またはダイヤモンドのＮ−Ｖ中心であることを特徴とする量子演算素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学遷移が可能な量子力学的な２準位系と３次元の光共振器構造を組み合わせた量子演算素子に係り、特に、量子箱の２準位系の位相緩和レート、３次元光共振器の緩和レート、量子箱の２準位系と３次元共振器の結合係数の３者間の大小関係を制御した量子演算素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
量子ビットは、情報の基本単位についての革新的概念であり、古典ビットと違い１と０だけでなく、１と０の量子力学的な重ね合わせ状態も表現できる。この重ね合わせ状態は、ビット値を測定するまではビット値が本質的に決まらないという特徴を持っている。その絶対的な不確定性を利用した暗号通信（量子暗号通信）は、量子ビットの概念の優れた応用の１つである。
【０００３】
量子暗号の実装では、量子ビットの情報は、１光子の偏光あるいは位相状態に符号化される。そして、光子が光ファイバを用いて伝送される。しかし、光ファイバ内では光損失があるため、量子暗号鍵配布の１００ｋｍを超える長距離化は難しいと考えられている。この問題に対処するために３つのアプローチが考えられている。
【０００４】
（１）光検出器の量子効率を上げる。通信波長帯域における量子暗号鍵配布実験では、アバランシェフォトダイオード光検出器が主に用いられているが、実際には量子効率１０％と低いためである。
【０００５】
（２）発光効率の高い、伝令付き単一光子源を開発する。通信波長帯域における量子暗号鍵配布実験では、レーザー光を減衰器にかけて単一光子レベルの微弱光を生成し光子源として用いるため、光ファイバ内での光損失の影響が著しいためである。
【０００６】
（３）エンタングルメントスワッピングによる量子中継を実装する。上記（１）や上記（２）による長距離化には限界があるが、この方法を導入することにより、原理的には任意の長距離化が可能となる。
【０００７】
量子情報技術分野では、量子暗号鍵配付の長距離化に対するこれら３つのアプローチを主軸にして、理論および実験研究が盛んに行われている〔下記非特許文献１参照〕。
【０００８】
前述した（３）の量子中継には、光子の偏光状態と２準位原子系の状態に応じて、これらの合成系の状態の位相をπだけ変調させる機能（π位相変調機能）を必要とする。このπ位相変調のことを、量子情報技術分野では、量子位相シフト演算（下記非特許文献２）という。この量子位相シフト演算は、制御量子ビットと標的量子ビットのビット値が互いに１である場合に、標的ビットの量子状態の位相をπだけ変調させる演算である。すなわち、算式で記述すると、｜１＞制御｜１＞標的→Ｅｘｐ [ｉπ] ｜１＞制御｜１＞標的と変換する演算である。
【０００９】
量子ビットとしてどの物理系のどの力学的自由度を用いるかは、応用の目的に依存する。例えば、情報の伝送には１光子の偏光自由度（縦偏光と横偏光）が量子ビットとして利用され、情報の記憶には原子系の励起状態と基底状態が利用される。
【００１０】
光共振器（二つの球面鏡から構成されたファブリペロ共振器）の共振器モードと量子箱の合成系は、上述の量子位相シフト演算素子として用いることができる。量子箱は光学遷移が可能な２準位系を含むものであればよい。量子箱としては、例えば、ダイヤモンドのｎｉｔｒｏｇｅｎ−ｖａｃａｎｃｙ  ｃｅｎｔｅｒ（Ｎ−Ｖ中心）〔下記非特許文献５参照〕に代表される不純物準位、または半導体量子箱が用いられる。以下では、半導体量子箱の場合について説明するが、半導体に限定されるものではない。
【００１１】
半導体量子箱は、伝導帯の離散的なエネルギー準位構造と価電子帯のエネルギー準位構造とから構成されている。光学遷移は伝導帯と価電子帯の間で起こり、この遷移によって励起子が生成される。励起子は電子と空孔の対である。電子は伝導帯に生成され、空孔は価電子帯に生成される。また、励起子が生成される前の状態のことを結晶基底状態という。特に、結晶基底状態（｜Ｇ＞）と励起子状態（｜Ｅ＞）からなる系のことを励起子系という。
【００１２】
そして、光共振器は共振器モードと半導体量子箱の励起子系とを共鳴結合させることにより、励起子系が結晶基底状態（｜Ｇ＞）ならば、共振器の共鳴周波数を変化させる。量子光学分野では、この変化を真空ラビスプリティングという（下記非特許文献３参照）。この変化の結果、共振器の１光子吸収は抑制され、入射１光子は、共振器を構成する球面鏡により反射される。そのとき、入射１光子の位相はπ変化する（非特許文献２）。なお、入射１光子の中心周波数は、励起子系が共振器モードと共鳴結合していない時の共振器モードの周波数に一致するように調整されているものとする。
【００１３】
一方、励起子系が励起子状態（｜Ｅ＞）ならば、共振器モードの共鳴周波数は変化せず、入射１光子の位相は変化しない。以上より、励起子系の光学遷移は偏光依存性があることに注意すると、光共振器と半導体量子箱の合成系は、励起子系の状態と光子の偏光状態に応じて、光子の位相をπだけ変化させる量子位相シフト演算素子として機能する。
【００１４】
ここで、半導体量子箱と光子との量子力学的なユニタリ相互作用の時間が、ナノサイズ量子箱特有の数百ピコオーダーの位相緩和時間Ｔ2 により制限されていることを考慮すると、そのユニタリな相互作用を数十から数ピコオーダーの時間で行うように光インターフェース、すなわち光共振器を設計しなければならない。
【００１５】
通常、光共振器と半導体量子箱の合成系の量子位相シフト演算素子としての機能を最大限に引き出すには、高いＱ値をもつ共振器（下記非特許文献４参照）を設計し、位相緩和時間Ｔ2 よりも長い共振器緩和時間１／κを確保しなければならないように思われがちだが、これでは、共振器緩和よりも励起子系の位相緩和のほうが速くなってしまい、量子位相シフト演算に失敗する。
【００１６】
そのため、半導体量子箱が置かれている位置だけ部分的に電場密度を異常に高くすることによって、共振器モードと励起子系との結合強度ｇを高くし、位相緩和時間Ｔ2 より共振器緩和時間（１／κ）が短時間でも量子位相シフト演算にとって十分な相互作用を行えるように光共振器を設計しなければならない。つまり、不等式、ｇ≧κ≫（１／Ｔ2 ）を満たす光共振器を設計する必要がある。この関係式は、量子位相シフト演算を行うための必要条件である。この時、κは、少なくとも１／Ｔ2 の４０倍以上でなければならない。さらに、量子位相シフト演算の成功確率を１に近づけるには、入射光子と共振器の結合効率が１に近づくように光共振器を設計しなければならない。ここで、Ｑ値とは共振器の性能指数を表す指標であって、共振器の光損失が小さいほどこの値が大きくなる。また、Ｑ値と共振器緩和時間（１／κ）との間は、Ｑ＝（１／κ）×２π×光速度（Ｃ）×（１／λ）が成立する。λは励起子系の光学遷移波長である。
【００１７】
この他に、ｇ≫１／Ｔ2 を満たすような共振器は、量子情報通信の長距離化に有用な発光効率の高い単一光子源と、光子と励起子系との間で量子位相シフト演算を行う際に、光子と励起子系との間で同期をとるために必要な量子メモリへの応用が考えられる。
【００１８】
量子メモリとは、量子情報を記憶するための装置である。特に、光メモリは光情報の記憶に特化した量子メモリであって、量子情報だけでなく古典情報の記憶にも用いることができる。
【特許文献１】特開２００８−１３５５９１号公報
【非特許文献１】Ｐ. ｖａｎ  Ｌｏｏｃｋ  ｅｔ. ａｌ. , Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９６，２４０５０１（２００６）.
【非特許文献２】Ｌ. −Ｍ. Ｄｕａｎ  ｅｔ. ａｌ．, Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．９２, １２７９０２（２００４）.
【非特許文献３】Ｒ. Ｊ. Ｔｈｏｍｐｓｏｎ  ｅｔ. ａｌ．, Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ａ，Ｖｏｌ．５７，ｐｐ．３０８４−３１０４（１９９８）
【非特許文献４】Ｍ. Ｓｈｉｒａｎｅ．ｅｔ. ａｌ．, Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．１０１, ０７３１０７（２００７）.
【非特許文献５】Ｘｉｎｇ−Ｆｅｉ  Ｈｅ  ｅｔ. ａｌ．, Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．７２, ２１１（１９９２）.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
従来の問題点は、半導体量子箱の２準位系の位相緩和時間Ｔ2 よりも短時間で、光子偏光状態と励起子状態とに対して量子位相シフト演算を完了することができないことである。これは、既存の共振器では、共振器モードと励起子系とを強結合（共振器の緩和率κが共振器モードと励起子系との結合強度ｇよりも小さい結合）させるために、共振器の緩和時間（１／κ）を位相緩和時間Ｔ2 よりも長くしているからである。また、共振器と入射光子との結合効率が低いためである。
【００２０】
本発明は、上記状況に鑑みて、集積化と小型化に配慮し、演算成功確率の高い、１光子偏光状態と「共振器モードと結合した励起子系」の状態との間のπ位相変調に基づいた、１光子偏光状態と量子箱の２準位系に対する量子演算素子（量子位相シフト演算素子）を提供することを目的とする。
【００２１】
また、本発明による量子位相シフト演算素子の応用として、量子情報通信の長距離化に有用な単一光子源と光メモリの機能を有する量子演算素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕２次元フォトニック結晶の点欠陥モードがファブリペロ型共振器のガウシアンモードと共鳴結合する３次元共振器と、この３次元共振器と量子箱の２準位系を共鳴結合する手段を備えた量子演算素子であって、前記３次元共振器のＱ値は、前記ファブリペロ型共振器の反射率を変える、および／または、前記２次元フォトニック結晶の点欠陥に最近接の円孔の直径を所定の寸法から変える、および／または、前記円孔の中心の位置を所定の格子点の位置から変えることにより制御できるように構成したことを特徴とする。なお、量子箱は光学遷移が可能な２準位系を含む結晶であればよく、半導体に限るものではない。例えば、ダイヤモンドのＮ−Ｖ中心を適用することも可能である。
【００２３】
〔２〕上記〔１〕記載の量子演算素子であって、さらに光導波路を備え、量子箱励起子からの発光の空間モードプロファイルは、前記３次元共振器によって制御でき、かつ、前記３次元共振器および／または前記光導波路の形状を最適化することによって、前記発光の光導波路への結合効率を制御できるように構成したことを特徴とする。なお、ファブリペロ型共振器は半導体多層膜あるいは誘電体多層膜により構成することができる。
【００２４】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子演算素子において、前記ファブリペロ型共振器を２つの球面鏡で構成し、この２つの球面鏡のうち、一方が前記２次元フォトニック結晶と同一基板上に作製された半導体多層膜であることを特徴とする。
【００２５】
〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の量子演算素子において、前記量子箱の２準位系と前記２次元フォトニック結晶の点欠陥モードとの結合強度ｇが、前記３次元共振器の基底モードの緩和率κよりも大きいかまたは同程度であり、かつ、前記３次元共振器の基底モードの緩和率κが前記量子箱の２準位系の位相緩和率１／Ｔ2 よりも大きい場合、すなわち、不等式ｇ≧κ≫１／Ｔ2 を満たす場合、前記量子演算素子は量子位相シフト演算の機能を有することを特徴とする。２次元フォトニック結晶共振器の点欠陥基底モードとファブリペロ型共振器の基底モードの共鳴結合がこの条件を可能にする。
【００２６】
〔５〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の量子演算素子において、前記量子箱の２準位系と前記２次元フォトニック結晶の点欠陥モードとの結合強度ｇが、前記３次元共振器の基底モードの緩和率κよりも小さく、かつ前記３次元共振器の基底モードの緩和率κが前記量子箱の２準位系の位相緩和率１／Ｔ2 よりも大きい場合、すなわち、不等式κ＞ｇ≫１／Ｔ2 を満たす場合のうち、ｇがκ／２よりも小さい場合、前記量子演算素子は、励起状態からの発光が前記ファブリペロ型共振器の共振器軸方向に強い指向性をもつ単一光子源の機能を有することを特徴とする。２次元フォトニック結晶共振器の点欠陥基底モードとファブリペロ型共振器の基底モードの共鳴結合がこの条件を可能にする。
【００２７】
〔６〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の量子演算素子において、前記量子箱の２準位系と前記２次元フォトニック結晶の点欠陥モードとの結合強度ｇが、前記３次元共振器の基底モードの緩和率κよりも小さく、かつ前記３次元共振器の基底モードの緩和率κが前記量子箱の２準位系の位相緩和率１／Ｔ2 よりも大きい場合、すなわち、不等式κ＞ｇ≫１／Ｔ2 を満たす場合、前記量子演算素子は、前記ファブリペロ型共振器のガウシアンモードと前記２次元フォトニック結晶の点欠陥モードが共鳴結合している状況下で、点欠陥領域に光を吸収させた後前記ファブリペロ型共振器の物理共振器長を変化させて、前記ファブリペロ型共振器のガウシアンモードを前記２次元フォトニック結晶の点欠陥モードから離調することにより、光の量子状態を原子系の量子状態に保持する光メモリとしての機能を有することを特徴とする。
【００２８】
〔７〕上記〔１〕から〔６〕の何れか１項記載の量子演算素子において、前記量子箱は、半導体量子ドット励起子系またはダイヤモンドのＮ−Ｖ中心であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３０】
（１）約１ナノ秒の半導体量子箱の位相緩和時間よりも短時間で、一回の量子演算が高い演算精度で完了するので、繰り返し効率の高い量子演算ができる。
【００３１】
（２）本発明の量子演算素子は、半導体量子箱とブラッグ反射型誘電体多層膜鏡とフォトニック結晶スラブを用いることにより固体素子化できるため、小型化および集積化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明の量子演算素子は、２次元フォトニック結晶の点欠陥モードがファブリペロ型共振器のガウシアンモードと共鳴結合した３次元共振器と、この３次元共振器と量子箱の２準位系を共鳴結合する手段を備えた量子演算素子であって、前記３次元共振器のＱ値は、前記ファブリペロ型共振器の反射率を変える、および／または、前記２次元フォトニック結晶の点欠陥に最近接の円孔の直径を所定の寸法から変える、および／または、前記円孔の中心の位置が所定の格子点の位置から変えることにより制御できるように構成したことを特徴としている。
【実施例】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３４】
本発明の第１実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【００３５】
図１は本発明の第１実施例を示す量子演算素子の構成図、図２は本発明の点欠陥型２次元フォトニック結晶層の構成図であり、図２（ａ）はその上面図、図２（ｂ）はその断面図である。図３は本発明の量子演算素子の点欠陥型２次元フォトニック結晶共振器のＱ値を変化させる方法の説明図、図４は本発明の第１実施例を示す量子演算素子の誘電体／半導体多層膜により構成される球面鏡の説明図である。
【００３６】
図１を参照すると、本発明の実施例は、光導波路１及び５と、ファブリペロ型共振器を構成する２つの球面鏡２及び４と、点欠陥型２次元フォトニック結晶層３とから構成されている。点欠陥型２次元フォトニック結晶層３はＸＹ平面に平行な平面上にあり、ファブリペロ型共振器の軸は点欠陥型２次元フォトニック結晶層３と垂直に、つまりＺ方向に配置されている。
【００３７】
点欠陥型フォトニック結晶層３は、図２（ａ）に示すように、半導体薄膜１０に対して円孔１１が三角格子状に配列した構造となっている。この周期性により、ＸＹ平面内を伝播する光に対して禁制帯ができ、ある波長の光は伝搬できなくなる。この状態で円孔１１のうち１つを取り除くと、それが周期性を乱す点欠陥１２となる。すると、禁制帯の光は平面内を伝搬することができず、点欠陥１２に留まることになる。これを点欠陥型光局在モード（点欠陥モード）とここでは呼ぶ。
【００３８】
点欠陥１２に最近接の６つの円孔１１′は、その直径が所定の寸法から変えられている、および／またはその円孔１１′の中心位置が所定の格子点の位置から変えられている。これにより、禁制帯内に点欠陥型２次元フォトニック結晶層３外部への光漏えいの非常に小さな点欠陥モードを形成し、その空間プロファイルは、量子箱形成領域１３に局在する（上記特許文献１参照）。
【００３９】
一方、２つの球面鏡２，４で構成されるファブリペロ型共振器の基底モードはガウシアンモードであって、そのビームウェストが極小となる位置に前述の点欠陥型２次元フォトニック結晶層３が形成されている。ファブリペロ型共振器の物理共振器長をＬ、球面鏡２，４の曲率半径をそれぞれＲ1 ，Ｒ2 とすると、
０≦（１−Ｌ／Ｒ1 ）×（１−Ｌ／Ｒ2 ）≦１
の関係式を満たしている。この関係によりＺ軸に垂直な方向への光損失が抑制される。
【００４０】
また、物理共振器長Ｌは波長λの１．５倍弱にまで短くできる。この長さより短くなると、ファブリペロ型共振器の基底モードをガウシアンモードだけでは近似できなくなる。
【００４１】
球面鏡２，４は、図４に示すように、屈折率の異なる２種類の誘電体／半導体膜が球面状に交互に積層された構造である。なお、誘電体／半導体膜１４の方が誘電体／半導体膜１５よりも屈折率が高い。誘電体／半導体膜１４，１５は、膜内での光学長がλ／４となるような厚みに積層される。ただし、波長λは、量子箱励起子系の遷移波長である。
【００４２】
さらに、点欠陥型２次元フォトニック結晶層３の点欠陥モードは、Ｚ軸方向に形成されたファブリペロ型共振器の基底モード（ガウシアンモード）と、この点欠陥モードの点欠陥型２次元フォトニック結晶層３の上下方向への漏えいモード（電磁場浸み出し成分）を介して、共鳴結合している。
【００４３】
ファブリペロ型共振器のＱ値は、ファブリペロ型共振器がない場合の点欠陥型２次元フォトニック結晶の点欠陥モードのＱ値よりもずっと低くなるように、積層する誘電体／半導体膜１４，１５の数を調整することにより構成されている。なお、Ｑ値は共振器の性能指数を表す指標であって、共振器の光損失が小さいほどこの値が大きくなる。このことにより、点欠陥モードにおける漏えいモードとガウシアンモードとの結合に起因して、誘電体／半導体の多層膜である球面鏡２，４を通しての光放出が促進されている。すなわち、点欠陥モードとファブリペロ型共振器とによる合成系のＱ値は、積層される誘電体／半導体膜１４，１５の数を調整することにより制御可能であって、ファブリペロ型共振器がない場合の点欠陥モードのＱ値と比べてずっと低くすることができ、ファブリペロ型共振器単体の場合のＱ値に匹敵するようになる。
【００４４】
点欠陥モードとファブリペロ型共振器のガウシアンモードとの結合強度は、点欠陥１２に最近接の円孔１１′の直径を所定の寸法から変える、および／または、円孔１１′の中心の位置を所定の格子点の位置から変えることにより、点欠陥モードのうち漏えいモードの点欠陥型２次元フォトニック結晶層３外への深度を変化させて制御することができる。点欠陥モードにおける漏えいモードの比率の相対的変化は、ファブリペロ型共振器がない時のＱ値を測定することによって決定することができる。
【００４５】
具体例を用いて説明する。光の波長を通信帯の１．５５μｍと想定し、半導体薄膜を厚さ３２０ｎｍのＧａＡｓ（屈折率３．４）とする。これに半径ｒ＝１３０ｎｍの空気円孔を２次元三角格子状に配列する。隣り合う円孔の中心間隔はａ＝４００ｎｍである。点欠陥型２次元フォトニック結晶層の平面図を図３（ａ）に示す。
【００４６】
この点欠陥モードではＱ値を変化させるために、ファブリペロ型共振器に最近接の６つの円孔１１′を破線で示される周期性から導かれる本来の位置から外側にｓだけずらし、これらの円孔１１′の半径ｒ’は他の円孔１１の半径ｒよりも小さくしている。円孔中心の外側へのシフト量をｓ＝ｒ―ｒ’という条件の下で変化させた場合のＱ値変化をシミュレートした結果を図３（ｂ）に示す。シフト量ｓ＝０．０９ａ＝３６ｎｍにおいて最大Ｑ値３３，０００が得られる。
【００４７】
実際には作製誤差があるため、理想的な計算Ｑ値を得ることは難しいものの、上記パラメータの設計値に近い状況で作製された微小共振器構造において、Ｑ＝１７，０００が実現されている（非特許文献３）。従って、低い方は３００程度から高い方は１７，０００程度まで、約２桁の範囲内でＱ値を制御することができる。すなわち、ファブリペロ型共振器のガウシアンモードと点欠陥モードの共鳴結合強度は、約２桁の範囲内で制御することができる。
【００４８】
時間領域差分法によるシミュレーションの結果、上述の点欠陥型２次元フォトニック結晶層３に対して、その点欠陥モードと共鳴結合するファブリペロ型共振器の球面鏡２，４の曲率半径は３６μｍであり、物理共振器長Ｌは最小で１．８７μｍとなった。ただし、多層膜ミラーを構成する誘電体膜としてＴａ2 Ｏ5 （屈折率２．０４１１）とＳｉＯ2 （屈折率１．４５５）を交互に積層した場合についての結果である。ファブリペロ型共振器のＱ値を点欠陥モードのＱ値よりも低くするために、積層する膜数を合計５層にしたとき、３次元共振器（点欠陥型２次元フォトニック結晶＋ファブリペロ型共振器）の緩和率κは、およそ２００ＧＨｚとなった。共振器緩和時間（１／κ）とＱ値との間には、Ｑ＝緩和時間（１／κ）×２π×光速度（Ｃ）×（１／λ）が成立することに注意すると、κ＝２００ＧＨｚの時のＱ値はおよそ６０００となる。この値は、ファブリペロ型共振器がない場合の点欠陥モードのＱ値のおよそ３分の１である。この結果は、ファブリペロ型共振器のガウシアンモードと点欠陥モードとの共鳴結合により、点欠陥モードのＱ値が低下したことを意味する。
【００４９】
また、このとき、ファブリペロ型共振器から放出される光の断面モードプロファイルはガウシアンモードであることから、導波路形状を変えることによってその放出光と（光ファイバなどの）光導波路１，５との結合効率を制御できる。
【００５０】
一方、ファブリペロ型共振器がない時の点欠陥モードのＱ値よりも、ファブリペロ型共振器のＱ値の方が高い場合では、点欠陥モードの中心周波数が、ファブリペロ型共振器との共鳴結合によって、二つの周波数に分裂することがよく起こる。しかし、励起子系の位相緩和時間Ｔ2 よりも短時間で、外部光と励起子系とを点欠陥モードを介して効率よく相互作用させる目的においては、この周波数分裂の効果は必要ない。その上、演算に必要な相互作用時間が、位相緩和時間よりも長くなる可能性がある。したがって、ファブリペロ型共振器のＱ値は、点欠陥モードのＱ値よりも低いことが望まれる。
【００５１】
さて、図２に示すように、半導体量子箱１３は、ＸＹ方向およびＺ方向で点欠陥１２のほぼ中心部分に配置されている。これは、点欠陥１２の基底モードの電磁場強度が一番大きいところで、半導体量子箱１３の励起子と点欠陥モードとが一番強く相互に作用するからである。
【００５２】
半導体量子箱の励起子系は、原子に定性的によく似たエネルギー準位構造を備えている。点欠陥モードは、励起子系と共鳴結合する。共鳴結合強度ｇの大きさは、点欠陥基底モードのＸ−Ｙ方向の空間広がりが１μｍ程度ならば、双極子モーメントの大きさが２０Ｄ（デバイ）で、半導体量子箱の屈折率が３．４である場合２００ＧＨｚ程度になる。共鳴結合強度ｇ≒２００ＧＨｚは、半導体量子箱励起子系固有の位相緩和率が５ＧＨｚ程度であることから、励起子が光とユニタリ相互作用するのに十分な共鳴結合強度である。共鳴結合強度ｇは下記式（１）に示す算式を用いて計算を行った。
【００５３】
【数１】
2010114336.tif 000003
ここで、ｇは半導体量子箱励起子系と定在波共振器モードの共鳴結合強度、ｖは半導体量子箱励起子系の遷移周波数、μは半導体量子箱励起子の双極子モーメント、ε0 は真空での誘電率、ｈはプランク定数、Ｖm は共振器定在波モードの体積、ｎは半導体量子箱の屈折率、ｒは励起子の発生する位置座標、Ψm （ｒ）は共振器定在波モード関数であり、∫｜Ψm （ｒ）｜2 ｄｒ＝Ｖm である。
【００５４】
共振器定在波モード関数Ψm （ｒ）は最大値が１となるように規格化されており、本発明での３次元共振器（点欠陥２次元フォトニック結晶層＋ファブリペロ型共振器）では、半導体量子箱１３の位置で最大となる。点欠陥モードのＸ−Ｙ方向の空間広がりが１μｍ程度で物理共振器長Ｌが１〜２μｍ程度ならば、この関数の半導体量子箱１３の位置での値は、ファブリペロ型共振器中で点欠陥２次元フォトニック結晶層３でない領域のそれより１０倍以上大きくできる。この特徴により、本発明の３次元共振器の緩和率κが２００ＧＨｚ程度であったとしても、比較的大きな共鳴結合強度ｇ＝２００ＧＨｚを達成できる。ただし、量子箱は光学遷移が可能な２準位系を含む結晶であればよく、上記した半導体に限るものではない。例えば、半導体量子箱の代わりにダイヤモンドのＮ−Ｖ中心のような不純物準位であってもよい。
【００５５】
以上から、共鳴結合強度ｇおよび３次元共振器の緩和率κは２００ＧＨｚで１／Ｔ2 〜５ＧＨｚである。すなわち、これは量子位相シフト演算の必要条件ｇ≧κ≫１／Ｔ2 を満たす３次元共振器に相当する。さらに、３次元共振器のモードプロファイルがガウシアンモードであるため、光ファイバ等の光導波路１，５の形状を適切に設計することによって３次元共振器からの放出光の結合効率を１００％に近づけることができ、量子位相シフトの繰り返し演算効率を極めて高くすることができる。
【００５６】
また、本発明による量子演算素子が有する量子位相シフト演算以外の機能は、単一光子源としての機能と光メモリとしての機能である。これらの機能を有するための必要条件は、κ＞ｇ≫１／Ｔ2 になる。
【００５７】
以下では、本発明による量子演算素子の、単一光子源としての機能と光メモリとしての機能の特徴を述べる。
【００５８】
点欠陥モードはＸＹ平面方向への光閉じ込め効果が非常に高いことに注意すると、半導体量子箱励起子は点欠陥モードと共鳴結合しているため、励起子固有の輻射緩和過程がＸＹ平面方向について抑制されている。そのため、本発明の量子演算素子は、半導体量子箱励起子と点欠陥モードとの結合強度ｇが３次元共振器の緩和率κの２分の１以下であるときは、点欠陥モードの真空ラビスプリッティングが消えることから、励起子からの発光がファブリペロ型共振器の共振器軸方向に強い指向性をもつ単一光子源としての機能を有する量子演算素子となる。
【００５９】
また、ファブリペロ型共振器のガウシアンモードと点欠陥モードが共鳴結合している状況下で点欠陥領域に光を吸収させた後、物理共振器長Ｌを変化させてファブリペロ型共振器のガウシアンモードの共鳴周波数を点欠陥モードの共鳴周波数から離調すると、これらのモードは互いに共鳴しなくなる。このことにより、点欠陥領域に光を閉じ込めることができることから、本発明による量子演算素子は光メモリとしての機能を有する量子演算素子となる。
【００６０】
ここで、本発明の第１実施例を示す量子演算素子の製造方法について図５を用いて簡単に説明する。
【００６１】
（１）半導体基板２１上に、適度なバッファ層を積層（図示なし）後、点欠陥型２次元フォトニック結晶層３を構成する半導体薄膜１０を積層する。この部分に半導体量子箱１３も含まれる。さらに、この上に犠牲層２５を積層する〔図５（ａ）〕。
【００６２】
（２）リソグラフィー技術とドライエッチングプロセスを用いて、犠牲層２５に対してメサ構造３１を形成する〔図５（ｂ）〕。
【００６３】
（３）メサ構造３１形成後に、犠牲層２５と同じ材料を積層する。１μｍ程度積層すると、元の角張った形状が徐々に滑らかになって、凸レンズ形状に近づく。これが凸形状形成層３２となる〔図５（ｃ）〕。
【００６４】
（４）この凸形状形成層３２の上に屈折率の異なる２種類の誘電体（高屈折率誘電体２３及び低屈折率誘電体２２）を交互に積層し、所望の反射率を得るために必要な層数を積層して多層膜３３にする。膜厚は、励起子系の遷移波長をλとすると、λ／４ｎ（ｎは各層の屈折率）である。さらに、以下のプロセスに耐えられるように、十分な厚さをもったバッファ層３４を積層する〔図５（ｄ）〕。
【００６５】
（５）次いで、半導体基板２１をエッチング等の手法によって取り除く。なお、図５（ｅ）以下では図５（ｄ）とは上下を逆転させて示している。
【００６６】
（６）リソグラフィー技術とドライエッチングプロセスを用いて、半導体薄膜１０に周期的な円孔を形成する。さらに、ウェットエッチングプロセスで、下部の犠牲層２５と、同じ材料の凸形状形成部３２を取り除いて、空洞部３５を作り出す〔図５（ｆ）〕。
【００６７】
（７）上記（６）までのプロセスでは、誘電体球面鏡とフォトニック結晶層が一体となった構造が形成されるが、フォトニック結晶層部分がなければ球面鏡のみの構造となる。よって、これら２つの構造を組み合わせることで、球面鏡の間にフォトニック結晶層が埋め込まれた構造ができる〔図５（ｇ）〕。
【００６８】
以上から、本発明の第１実施例を示す量子演算素子では、励起子の位相緩和時間よりも短時間に、量子位相シフト演算に必要な外部光と量子箱励起子系との量子力学的なユニタリ相互作用を完了するように構成されている。そのため、効率が高くかつ演算精度の高い量子演算を行うことができる。
【００６９】
また、本発明の量子演算素子は、半導体量子箱励起子と点欠陥モードとの結合強度ｇが３次元共振器の緩和率κの２分の１以下であるときは、点欠陥モードの真空ラビスプリッティングが消えることから、励起子からの発光がファブリペロ型共振器の共振器軸方向に強い指向性をもつ単一光子源としての機能を有する量子演算素子となる。
【００７０】
さらに、ファブリペロ型共振器のガウシアンモードと点欠陥モードが共鳴結合している状況下で、点欠陥領域に光を吸収させた後物理共振器長Ｌを変化させ、ファブリペロ型共振器のガウシアンモードの共鳴周波数を点欠陥モードの共鳴周波数から離調すると、これらのモードは互いに共鳴しなくなり、点欠陥モードに光を閉じ込めることができることから、本発明による量子演算素子は光メモリとしての機能を有する量子演算素子となる。
【００７１】
続いて、本発明による第２実施例について、図６を用いて説明する。
【００７２】
この第２実施例では、上記第１実施例におけるファブリペロ型共振器を構成する球面鏡のうち一方の鏡が、点欠陥型２次元フォトニック結晶層３と同一基板上に形成された多層膜２４に置き換えられている。点欠陥型２次元フォトニック結晶層３と鏡の一つが一体となっているため、機械的安定度が高い。
【００７３】
この構造では、ファブリペロ型共振器を構成する一方の鏡が多層膜２４からなる平面鏡となるため、二つの球面鏡２，４により構成された第１実施例のファブリペロ型共振器の場合とは動作条件が異なる。しかし、２つの鏡の反射率と位置を適切に設定することで、量子箱の位置の近傍で共振器モードのビームウエストが極小となるように設計できる。
【００７４】
第２実施例の量子演算素子構造の作製法について図６を参照しながら簡単に説明する。
【００７５】
半導体基板２１上に屈折率の異なる２種類の誘電体（低屈折率誘電体）２２及び高屈折率誘電体２３を交互に積層する。膜厚は、励起子系の遷移波長をλとすると、各々λ／４ｎ（ｎは各層の屈折率）である。所望の反射率を得るために必要な層数を積層して多層膜２４にした後、犠牲層２５を積層し点欠陥型フォトニック結晶層３を構成する半導体薄膜１０を積層する。
【００７６】
続いて、リソグラフィー技術とドライエッチングプロセスを組み合わせることにより、半導体薄膜１０に対して周期的に配列された円孔１１を形成し、フォトニック結晶構造とする。さらに、ウェットエッチングプロセスにより犠牲層２５のみを選択的に除去する。半導体薄膜１０をＧａＡｓ、犠牲層２５をＡｌＧａＡｓとした場合には、フッ酸溶液を用いればこのプロセスが可能である。
【００７７】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施例についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明の量子演算素子は、単一光子レベルの弱い光の間における光−光スイッチングに応用でき、また、小型化と集積化ができることから、省スペース・省電力型の光信号処理装置といった用途に適用できる。また、励起子系を共振器内に３次元的に閉じ込めているので、発光の方向を制御することができ、指向性の高い単一光子源といった用途に適用できる。さらに、その３次元閉じ込めにより、光メモリといった用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の第１実施例を示す量子演算素子の構成図である。
【図２】本発明の点欠陥２次元フォトニック結晶層の構成図である。
【図３】本発明の量子演算素子の点欠陥型２次元フォトニック結晶共振器のＱ値を変化させる方法の説明図である。
【図４】本発明の第１実施例を示す量子演算素子の誘電体／半導体多層膜により構成される球面鏡の説明図である。
【図５】本発明の第１実施例を示す量子演算素子の製造工程断面図である。
【図６】本発明の第２実施例を示す量子演算素子の断面図である。。
【符号の説明】
【００８０】
１，５    光導波路
２，４    ファブリペロ型共振器を構成する球面鏡
３    点欠陥型２次元フォトニック結晶層
１０    半導体薄膜
１１，１１′    円孔
１２    点欠陥
１３    半導体量子箱
１４    高屈折率半導体／誘電体
１５    低屈折率半導体／誘電体
２１    半導体基板
２２    低屈折率誘電体
２３    高屈折率誘電体
２４    多層膜（平面鏡）
２５    犠牲層
３１    メサ構造
３２    凸形状形成層
３３    多層膜（球面鏡）
３４    バッファ層
３５    空洞部
【図１】
2010114336.tif 000004
【図２】
2010114336.tif 000005
【図３】
2010114336.tif 000006
【図４】
2010114336.tif 000007
【図５】
2010114336.tif 000008
【図６】
2010114336.tif 000009