(57)【要約】【課題】集積化と小型化及び省電力化に配慮した、高感度単一光子レベル光検出装置を提供する。また、既存の単一光子源の性能を引き上げるために、量子非破壊光子検出装置を用いたサブポサソニアン光子数分布光生成装置を提供する。【解決手段】半導体２重量子ドット（１２、１３、１４）を備えるファブリペロ型共振器（１０、１１）と、前記２重量子ドットの内部エネルギー状態を信号光を破壊することなく検出する検出手段（１６）と、前記２重量子ドットの励起子準位と、結晶基底から構成される量子状態を制御するための制御手段（１７）とを備える量子非破壊光子検出装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体２重量子ドットを備えるファブリペロ型共振器と、前記２重量子ドットの内部エネルギー状態を信号光を破壊することなく検出する検出手段と、前記２重量子ドットの励起子準位と、結晶基底から構成される量子状態を制御するための制御手段とを備えることを特徴とする、量子非破壊光子検出装置。
【請求項２】
前記半導体２重量子ドットの内部エネルギー状態を信号光を破壊することなく検出する検出手段がレーザー光であることを特徴とする、請求項１記載の量子非破壊光子検出装置。
【請求項３】
前記半導体２重量子ドットの励起子準位と結晶基底から構成される量子状態を制御するための制御手段がレーザー光であることを特徴とする、請求項１記載の量子非破壊光子検出装置。
【請求項４】
前記半導体２重量子ドットが第１障壁層／第１量子ドット／第２障壁層／第２量子ドット／第３障壁層を備えることを特徴とする、請求項１記載の量子非破壊光子検出装置。
【請求項５】
前記半導体２重量子ドットを備えるファブリペロ型共振器がロッド型レンズの端面上に設けられていることを特徴とする、請求項１記載の量子非破壊光子検出装置。
【請求項６】
前記半導体２重量子ドットの二つの励起子準位の振動子強度が相対的に６０倍以上の相違があることを特徴とする、請求項１記載の量子非破壊光子検出装置。
【請求項７】
前記半導体２重量子ドットの内部エネルギー状態を検出するためのレーザー光が、二つの励起子準位のうち振動子強度の大きな励起子準位を選択的に励起することを特徴とする、請求項２記載の量子非破壊光子検出装置。
【請求項８】
前記半導体２重量子ドットの励起子準位と結晶基底から構成される量子状態を制御するためのレーザー光が、二つの励起子準位のうち振動子強度の小さな励起子準位を選択的に励起することを特徴とする、請求項３記載の量子非破壊光子検出装置。
【請求項９】
請求項１から８記載の量子非破壊光子検出装置と、検出結果に基づいて信号光の偏光を変換する手段と、特定の偏光を持つ光だけを透過する手段とを備え、非サブポアソニアン光子数分布を持つ前記信号光からサブポアソニアン光子数分布を持つ光を生成することを特徴とするサブポアソニアン光子数分光布生成装置。
【請求項１０】
前記信号光の偏光を変換する手段及び前期特定の偏光を持つ光だけを透過する手段として、各々、偏光ビームスプリッターと条件付偏光回転素子を用いることを特徴とする請求項９記載のポアソニアン光子数分布光生成装置。
【請求項１１】
請求項１から８記載の量子非破壊光子検出装置を光ファイバで接続してなる光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信に関し、特に、単一光子レベルの微弱な光信号を高効率で検出でき、かつ、信号光を破壊せず再利用することができる量子非破壊検出装置、及びサブポアソニアン光子数分布の光信号を生成する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代社会において、消費電力の低減化（省電力化）は必須である。インターネットの世界的規模の普及に伴って、光通信分野においては、光信号（電気信号）を電気信号（光信号）に変換する装置（信号変換器）の高効率化と省電力化の両立が、今後、重要な課題となることが予想される。この課題に対処するための有力な方法のひとつは、信号光を単一光子レベルの微弱光とし、それに伴って、信号変換器の光感受率を引き上げる方法である。ここで、「単一光子レベルの微弱光」を生成する方法には、レーザー光を減衰させる方法と伝令付き単一光子源による方法とがある。伝令付き単一光子源の特徴は、発生光の光子数分布において、単一光子の発生頻度がレーザー光のそれと比べて非常に高い、いわゆる光子数分布がサブポアソニアン分布を示すことである。この分布を示す光源は、ファイバ伝送路における光損失を、レーザー光を減衰させて得られる微弱光と比べて、劇的に低減化する。また、通信波長帯域（〜１．５５μｍ）における信号媒体として、光子を使用することは、光子は光エネルギーの最小の単位であることから、信号変換装置を駆動させるために必要なエネルギーを引き下げ、将来的には省電力化を可能にする。信号変換装置は、単一光子を検出するために光子検出装置を構成要素にもつ必要がある。
【０００３】
通信波長帯域における光子検出装置の研究では、非常に高い量子効率（８０％〜９０％）を示す検出装置がすでに実現されている（非特許文献１参照）。（量子効率とは、光子が検出装置に到着したとき、検出装置が感光する確率である。）しかしながら、これらの検出装置は、信号情報を得る代わりに信号光そのものを破壊するため、信号光を再利用することができないことと、高い量子効率を達成するために、検出装置の一部を超極低温（〜１００ミリケルビン）まで冷却しなければならないため、小型化及び省電力化が難しい。
【０００４】
一方、通信波長帯域における単一光子源の研究は、半導体量子ドットの応用研究として現在盛んに行われている。半導体量子ドットは原子エネルギー準位構造と定性的によく似たエネルギー準位構造をもっており、原子と同様に、励起準位から基底準位への遷移により光子を放出する。しかし、現段階では、発生効率が非常に低いために、光子数分布は、光子数１を中心としたサブポアソニアン分布を示さない。
【０００５】
量子情報技術分野（量子情報技術分野は、安全性の高い暗号通信や、秘匿性の高い認証など、高度なセキュリティ技術を提供することができると期待され、研究が盛んにおこなわれている技術研究分野である。）における光子検出装置と単一光子源の提案の中には、実験的にはほとんど検証されていないが、将来的には実現可能な優れた提案が多数存在する。そのひとつが以下で説明する「原子−共振器系を用いた量子非破壊光子検出装置」とその単一光子源への応用である。
【０００６】
原子−共振器系とは、共振器内における少数の定在波モードと、原子の内部準位間遷移のひとつを共鳴結合させた物理系である。実験では、主に、共振器として、二つの多層膜ミラーからなるファブリペロ型共振器を用い、原子は、セシウム原子やルビジウム原子を用いる。共鳴結合は、共振器を構成する二つのミラーの間から原子レーザーもしくはイオントラップにより、これらの原子を挿入することによって達成される。この構成により、ミラーを通して入射した、単一光子レベル微弱光は、共振器定在波モードを強励起するとともに、原子内部励起準位を強励起し、入射光が単一光子レベルであるにもかかわらず、最大１８０度に至る入射光の位相変調が起きる。このことは、単一光子レベルの信号光の位相状態から、信号光の到着と偏光成分に符号化された信号光の情報を検出できることを示唆している（このような検出装置のことを量子非破壊光子検出装置という。）。また、光子そのものを破壊しないため、サブポアソニアン光子数分布を生成するための濾過器として使用できる。これらの点に着目し、原子−共振器系による量子非破壊光子検出装置の提案がなされている。
【０００７】
原子−共振器系を用いた量子非破壊光子検出の最初の提案は、ＤｕａｎとＫｉｍｂｌｅによる、原子−共振器系の２光子間量子演算素子への応用研究のなかで登場した（非特許文献２参照）。以下では、量子非破壊光子検出装置への応用に関した部分の説明に焦点を絞る。図２の５，６、７に原子系のエネルギー準位を示す。原子系の基底準位ｇ１を示す符号６及び励起準位ｅを示す符号５間が少数の共振器モードと強く結合していて、基底準位ｇ２を示す符号７と励起準位ｅを示す符号５間は結合していない。入射光子の中心周波数は、共振器モードと同じである。この原子−共振器系の光応答は次のようになっている。原子系が基底状態ｇ１になっているときは、透過率の高い左側の球面ミラー３側から入射した光子（１は入力ポートを示す。）は、位相をπだけ変えて反射するが（２は出力ポートを示す。）、基底状態ｇ２になっているときは、位相は変化しないで反射する。したがって、レーザーパルスを用いて、基底準位ｇ１と基底準位ｇ２の間で回転操作を行い、予め、原子の状態を（｜ｇ１＞＋｜ｇ２＞）／√２としておけば、光子が入射したときだけ、原子の状態は、元の状態と直交した状態（−｜ｇ１＞＋｜ｇ２＞）／√２となる。したがって、原子の状態が互いに直交する二つの状態のうちどちらの状態になっているのかを測定することにより、光子の到着を、光子そのものを破壊することなく知ることができる。さらに、光子の偏光状態にデジタル情報が符号化されている場合は、この情報も破壊することなく、情報を検出することができる。
したがって、光子がエネルギーの最小単位であり、また、光子および光子に符号化された情報の再利用が可能なため光通信における省電力化が期待できる。しかし、ＤｕａｎとＫｉｍｂｌｅによる応用研究なかでは、原子の状態を測定するための方法が具体的に検討されていないため、検出装置の提案としては不完全である。また、通信波長帯域への応用と小型化及び省電力化を考慮すると、半導体量子ドットを原子の代わりに用いた、半導体量子ドット−共振器系の実現が望まれる。特に、図１に示した二つの励起準位（１２，１３）と一つの基底準位（１４）からなるＶ型エネルギー準位構造をもつ量子ドットは安定した光応答を約束するため製品化に向いている。ただし、半導体量子ドットは、通常、常温において緩和が非常に速いため、検出装置に利用するためには、緩和時間を長くするために、数十ケルビン（〜２０Ｋ）まで冷却する必要がある。しかしながら、通信波長帯域において量子効率の高い、他の検出装置と比べて、ずっと高い温度で機能することから、冷却器の小型化及び省電力化が容易であるという利点をもつ。図１中の符号７〜１８は後述し、かつ符号の説明に示すとおりである。
【０００８】
また、このような量子非破壊光子検出装置を用いると、光子そのものを破壊しないことから、光子が到着した場合だけ、その光子を透過する濾過器と組み合わせることによって、たとえば、ポアソニアン光子数分布の入射光をサブポアソニアン光子数分布の光に変換することができる。
しかし、これらの従来のシステムは次のような問題点がある。
【０００９】
第一の問題点は、既存の単一光子源では、光ファイバ中における光損失の影響が大きいことである。その理由は、光子数分布が１光子を中心とするサブポアソニアン分布になっていないためである。
【００１０】
第二の問題点は、既存の光検出装置では、省電力化のために光子の再利用ができないことである。その理由は、検出装置の検波部において、光子を吸収し光電子を発生するためである。
【００１１】
第三の問題点は、通信波長帯域においては、量子効率の高い光検出装置の省電力化が困難なことである。その理由は、既存の量子効率の高い光検出装置は、超極低温（数百ミリケルビン）にまで冷却しなければならないためである。
【００１２】
第四の問題点は、実原子を用いた量子非破壊光子検出装置では、集積化と小型化及び安定した光応答を得るのが困難なことである。その理由は、実原子を用いた検出装置の固体素子化が困難なためである。
【００１３】
第五の問題点は、原子を用いた量子非破壊光子検出装置が未だ不完全であることである。光検出には、原子状態の測定が必要であるが、その方法が具体的には検討されていない。
【００１４】
【非特許文献１】Ｄ．Ｒｏｓｅｎｂｅｒｇ  ｅｔ．ａｌ．，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．，ｖｏｌ．〜１５，ｎｏ．〜２，ｐｐ．〜５７５−５７８（２００７）．
【非特許文献２】Ｌ．−Ｍ．Ｄｕａｎ，ａｎｄ  Ｈ．Ｊ．Ｋｉｍｂｌｅ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９２，１２７９０２（２００４）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、集積化と小型化及び省電力化に配慮した、高感度単一光子レベル光検出装置を提供することにある。本発明の他の目的は、既存の単一光子源の性能を引き上げるために、量子非破壊光子検出装置を用いたサブポサソニアン光子数分布光生成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の課題は下記の手段により解決された。
（１）半導体２重量子ドットを備えるファブリペロ型共振器と、前記２重量子ドットの内部エネルギー状態を信号光を破壊することなく検出する検出手段と、前記２重量子ドットの励起子準位と、結晶基底から構成される量子状態を制御するための制御手段とを備えることを特徴とする、量子非破壊光子検出装置。
（２）前記半導体２重量子ドットの内部エネルギー状態を、信号光を破壊することなく検出する検出手段がレーザー光であることを特徴とする、（１）記載の量子非破壊光子検出装置。
（３）前記半導体２重量子ドットの励起子準位と結晶基底から構成される量子状態を制御するための制御手段がレーザー光であることを特徴とする、（１）記載の量子非破壊光子検出装置。
（４）前記半導体２重量子ドットが第１障壁層／第１量子ドット／第２障壁層／第２量子ドット／第３障壁層を備えることを特徴とする、（１）記載の量子非破壊光子検出装置。
（５）前記半導体２重量子ドットを備えるファブリペロ型共振器がロッド型レンズの端面上に設けられていることを特徴とする、（１）記載の量子非破壊光子検出装置。
（６）前記半導体２重量子ドットの二つの励起子準位の振動子強度が相対的に６０倍以上の相違があることを特徴とする、（１）記載の量子非破壊光子検出装置。
（７）前記半導体２重量子ドットの内部エネルギー状態を検出するためのレーザー光は、二つの励起子準位のうち振動子強度の大きな励起子準位を選択的に励起することを特徴とする、（２）記載の量子非破壊光子検出装置。
（８）前記半導体２重量子ドットの励起子準位と結晶基底から構成される量子状態を制御するためのレーザー光が、二つの励起子準位のうち振動子強度の小さな励起子準位を選択的に励起することを特徴とする、（３）記載の量子非破壊光子検出装置。
（９）（１）から（８）記載の量子非破壊光子検出装置と、検出結果に基づいて信号光の偏光を変換する手段と、特定の偏光を持つ光だけを透過する手段とを備え、非サブポアソニアン光子数分布を持つ前記信号光からサブポアソニアン光子数分布を持つ光を生成することを特徴とするサブポアソニアン光子数分光布生成装置。
（１０）前記信号光の偏光を変換する手段及び前期特定の偏光を持つ光だけを透過する手段として、各々、偏光ビームスプリッターと条件付偏光回転素子を用いることを特徴とする（９）記載のポアソニアン光子数分布光生成装置。
（１１）（１）から（８）記載の量子非破壊光子検出装置を光ファイバで接続してなる光通信システム。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の装置ないしはシステムは次のような優れた効果を奏する。
第一に、既存の単一光子源の性能を向上できることにある。その理由は、光子の到着を光子そのものを破壊することなく測定できるためである。
【００１８】
第二に、単一光子レベルの光信号を高い確率で検出できることにある。その理由は、光子が到着したときだけ励起子が発生し、古典光により励起子の存在を確認できることにある。
【００１９】
第三に、信号光子を再利用できるので、光通信の省電力化が可能なことにある。その理由は、本発明の検出装置は、光子および光子に符号化されたデジタル情報を破壊することなく、光子および光子に符号化された情報を検出することができることにある。
【００２０】
第四に装置を、小型化および集積化できることにある。本発明の検出装置を用いれば、半導体量子ドット、半導体多層膜及びロッド型レンズを用いることにより、固体素子化できる。
【００２１】
第五に本発明の検出装置を用いることにより、効率的に量子演算処理ができることにある。本発明の検出装置は、光子に符号化された量子情報を破壊することなく、光子の到着を検出できることにより、到着した光子に対してだけに、効率的に量子演算処理を施すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明を実施するための好ましい一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図面中同符号は同じものを示す。
図１と図３を参照すると、本発明の第１の実施の形態は、信号光２０と、信号光子の到着を検出するためのプローブ光１９と、Ｖ型原子系１２、１３、１４の状態を制御するためのレーザー１７と、レーザー光を反射し、信号光及びプローブ光を透過する偏光ビームスプリッター１８と、信号光子とＶ型原子系とを相互作用させるための光インターフェース１０、１１と、透過したレーザー光を検出するための光検出装置１６とから構成されている。本発明の装置に用いられるレーザー装置のレーザー光の強度、パルス時間幅は、ドット及び共振器の個体差に依存するので一義的に定めることができないが、例えば、通信波長帯域のパルスレーザーダイオードモジュールを用いることができる。パルス時間幅は１ナノ秒以下が望ましい。このレーザー装置は市販品としてインデコ株式会社のＬＳ  ｓｅｒｉｅｓがある。
【００２３】
光インターフェース１０、１１は、透過率の互いに異なる二つの球面鏡（図２の１０と１１）から構成された光共振器であって、Ｖ型原子系の基底状態｜Ｇ＞（図２の１４）から励起状態｜Ｅ１＞（図２の１２）への遷移は共振器の定在波モードと共鳴結合し、同様に、基底状態｜Ｇ＞から励起状態｜Ｅ２＞（図２の１３）への遷移も共振器の定在波モードと共鳴結合している。これらの結合により、信号光は、Ｖ型原子系の励起状態｜Ｅ１＞を励起し、レーザー光は、励起状態｜Ｅ２＞を励起することができる。
【００２４】
次に、図４のフローチャートを参照して本実施の形態の全体の動作について詳細に説明する。
【００２５】
まず、信号光（図３の２０）、プローブ光（図３の１９）の順番で、入力ポート（図１の８）に伝送する（図４のステップＡの１）。これらの光が入力ポートに到着した直後か、それ以前に、レーザー光（図１の１７）によりＶ型原子系（図１の１２，１３、１４）の状態を基底状態と励起状態とが等しい確率で重ね合された状態、例えば（｜Ｇ＞＋｜Ｅ２＞）／√２に用意する（図４のステップＡの２）。次に、信号光をＶ型原子系と相互作用させる（図４のステップＢの１）。これにより、信号光が１光子ならば、原子系の状態は、基底状態と励起状態との間で位相がπだけ変化し、例えば、（｜Ｇ＞−｜Ｅ２＞）／√２に変わる。しかし、信号光が真空揺らぎならば、位相は変化しない。この後、図４のステップＢの１で用いたレーザー光と逆位相のレーザー光をＶ型原子系に照射する（ステップＢの２）。そして、信号光が１光子ならば、Ｖ型原子系は励起状態｜Ｅ２＞になる（ステップＣ−１）。信号光が真空揺らぎならば、Ｖ型原子系は基底状態｜Ｇ＞になる（ステップＣ−２）。この結果、Ｖ型原子系が励起状態｜Ｅ２＞ならば、プローブ光は両側共振器（図１の１０、１１）を透過する（ステップＤ−１）。しかし、Ｖ型原子系が基底状態｜Ｇ＞ならば、プローブ光は両側共振器（図１の１０、１１）を反射する（ステップＤ−２）。最後に、両側共振器を透過したプローブ光は、光検出装置（図１の１６）が検出し、観測者は光子の到着を知る（ステップＥ）。
【００２６】
つぎに、図５、６を参照して、信号光へ符号化される情報の符号化形式について説明する。量子情報を符号化する場合は、位相符号化方式とする。位相符号化方式とは、第一信号光振幅（図５の２４）と第二信号光振幅（図５の２３）の各々にビット値を割り当てる方式である。光信号第一振幅と光信号第二振幅は互いに同じ偏光状態とする。デジタル情報を符号化する場合は、互いに直交する二つの偏光成分の各々にビット値を割り当てる。デジタル情報の読み出しは、偏光ビームスプリッター（図６の２６）により、直交する二つの偏光成分の一方を透過し、他方を反射し、各々を図１の装置と同等な装置の入力ポートに伝送し、光子検出過程を図４のフローチャートにしたがって行う。この光子検出は、信号光子に符号化されたデジタル情報を破壊しない。これにより、信号光子は、再び、偏光ビームスプリッター（図６の２６）を介して、図６の伝送路に戻る。なお、両側共振器を構成する球面鏡の透過率は信号光子が入射する側の鏡がその反対側の鏡よりも高い。それらの透過率の比は、信号光の透過率を小さくするために１０−１．５以下であることが望まれる。透過率の比が１０−１．５以下では、両側共振器に対する信号光の透過率は５％未満になる。
【００２７】
次に、本実施の形態の効果について説明する。
本実施の形態では、信号光および信号光に符号化された情報を破壊することなく、信号光の到着を検出するように構成されているため、単一光子レベルの微弱信号光に対して、効率的な信号処理ができる。また、本実施の形態では、さらに、信号光に符号化されたデジタル情報を破壊することなく、デジタル情報の読み出しができるように構成されているため、デジタル情報及び信号光を再利用することができる。
【００２８】
次に、本発明の好ましい第２の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】
図１、３及び１７を参照すると、信号光（図３の２０）と、信号光子の到着を検出するためのプローブ光（図３の１９）と、Ｖ型原子系（図２の１２、１３、１４）の状態を制御するためのレーザー（図１の１７）と、レーザー光を反射し、信号光及びプローブ光を透過する偏光ビームスプリッター（図１の１８）と、信号光子とＶ型原子系とを相互作用させるための光インターフェース（図１の１０、１１）と、透過したレーザー光を検出するための光検出装置（図１の１６）と、信号光子の偏光を縦偏光から横偏光に変換するための条件付き偏光回転子（図１７の６８）と横偏光の光を透過し、縦偏光の光を反射する偏光ビームスプリッター（図１７の６７）から構成されている。
【００３０】
光インターフェース（図１の１０、１１）は、透過率の互いに異なる二つの球面鏡（図１の１０と１１）から構成された光共振器であって、Ｖ型原子系の基底状態｜Ｇ＞（図１の１４）から励起状態｜Ｅ１＞（図１の１２）への遷移は共振器の定在波モードと共鳴結合し、同様に、基底状態｜Ｇ＞から励起状態｜Ｅ２＞（図１の１３）への遷移も共振器の定在波モードと共鳴結合している。これらの結合により、信号光は、Ｖ型原子系の励起状態｜Ｅ１＞を励起し、レーザー光は、励起状態｜Ｅ２＞を励起することができる。
【００３１】
次に、図１８のフローチャートを参照して本実施の形態の全体の動作について詳細に説明する。
【００３２】
まず、信号光（図３の２０）、プローブ光（図３の１９）の順番で、入力ポート（図１の８）に伝送する（図１８のステップＡの１）。これらの光が入力ポートに到着した直後か、それ以前に、レーザー光（図１の１７）によりＶ型原子系（図１の１２，１３、１４）の状態を基底状態と励起状態とが等しい確率で重ね合された状態、例えば（｜Ｇ＞＋｜Ｅ２＞）／√２に用意する（図１８のステップＡの２）。次に、信号光をＶ型原子系と相互作用させる（図１８のステップＢの１）。これにより、信号光が１光子ならば、原子系の状態は、基底状態と励起状態との間で位相がπだけ変化し、例えば、（｜Ｇ＞−｜Ｅ２＞）／√２に変わる。しかし、信号光が真空揺らぎならば、位相は変化しない。この後、図１８のステップＢの１で用いたレーザー光と逆位相のレーザー光をＶ型原子系に照射する（ステップＢの２）。そして、信号光が１光子ならば、Ｖ型原子系は励起状態｜Ｅ２＞になる（ステップＣ−１）。信号光が真空揺らぎならば、Ｖ型原子系は基底状態｜Ｇ＞になる（ステップＣ−２）。この結果、Ｖ型原子系が励起状態｜Ｅ２＞ならば、プローブ光は両側共振器（図１の１０、１１）を透過する（ステップＤ−１）。しかし、Ｖ型原子系が基底状態｜Ｇ＞ならば、プローブ光は両側共振器（図１の１０、１１）を反射する（ステップＤ−２）。両側共振器を透過したプローブ光は、光検出装置（図１の１６）が検出し、観測者は光子の到着を知る（ステップＥ−１）。
【００３３】
光検出装置（図１の１６）からの検出信号は、条件付き偏光回転素子（図１７の６８）に伝送され、信号光の偏光を縦偏光から横偏光に変換する（ステップＦ）。偏光ビームスプリッター（図１７の６７）は横偏光の信号光を透過する。光検出装置（図１の１６）からの検出信号が伝送されない場合は、両側共振器（図１の１０、１１）により反射された信号光とプローブ光は、偏光ビームスプリッター（図１７の６７）により反射される（ステップＥ−２）。
【００３４】
つぎに、図５を参照して、信号光へ符号化される情報の符号化形式について説明する。量子情報の符号化は、位相符号化方式とする。位相符号化方式とは、第一信号光振幅（図５の２４）と第二信号光振幅（図５の２３）の各々にビット値を割り当てる方式である。光信号第一振幅と光信号第二振幅は互いに同じ縦偏光状態とする。
【００３５】
この好ましい実施の形態では、信号光および信号光に符号化された情報を破壊することなく、信号光の到着を検出し、光検出装置の検出結果に基づいて、信号光の伝送を制御するように構成されているため、信号光をサブポアソニアン光子数分布の光に変換することができる。
【実施例】
【００３６】
次に本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明する。
【００３７】
まず、量子非破壊光子検出装置の一実施例を以下に説明する。
Ｖ型原子系（図１の１２、１３、１４）を半導体２重量子ドット（例えば、ＩｎＰ／Ｇａ０．４７Ｉｎ０．５３Ａｓ／ＩｎＰ／Ｇａ０．４７Ｉｎ０．５３Ａｓ／ＩｎＰディスク状２重量子ドット）とし、両側共振器（図１の１０、１１）をブラッグ反射型半導体多層膜ミラーにより構成されたファブリペロ型共振器とし、偏光ビームスプリッタ（図１の１８）を、縦偏光を透過し、横偏光を反射するビームスプリッターとする。ここで図１の１７で示すＶ型原子系の状態を制御するためのレーザー装置が制御手段である。レーザー装置を通信波長帯域での狭帯域レーザーとし、光検出装置（図１の１６）をアバラシアフォトダイオード光検出装置とし、信号光としてレーザー光を減衰させて生成される微弱光（パルス当たりの平均光子数が１０−２個以下）とし、新たに、Ｖ型準位（図１の１２、１３、１４）を形成するための磁場発生装置、半導体２重量子ドットを冷却するための冷却装置、信号光を共振器に結合させるための焦点レンズ、及び透過プローブ光（図３の１９）を集光するためのロッド型レンズを加えて、通信波長帯域（〜１．５５μｍ）で動作するために構成されている。
【００３８】
次に、本実施形態における半導体２重量子ドットの構造を図７に示す。本実施形態における半導体２重量子ドットは、障壁層３２（ＩｎＰ）と、井戸層（量子ドット）３３（Ｇａ０．４７Ｉｎ０．５３Ａｓ）と、障壁層３４（ＩｎＰ）と、井戸層（量子ドット）３５（Ｇａ０．４７Ｉｎ０．５３Ａｓ）と、障壁層３６（ＩｎＰ）とを備えており、井戸層３３の内部と井戸層３５の内部に、電子および正孔を閉じ込めることが可能な、量子ドットと呼ばれる領域を有する。井戸層３３の内部に存在する量子ドットを量子ドット１とし、井戸層３５の内部に存在する量子ドットを量子ドット２とする。外部磁場発生装置によって発生する外部磁場は３７に示すように半導体２重量子ドットの積層方向に垂直である。
【００３９】
本実施形態における半導体２重量子ドットでは、井戸層３３内部の量子ドットにおける伝導帯のｇ−因子符号と、井戸層３５内部の量子ドットにおける伝導帯のｇ−因子の符号が異なり、前記外部磁場によって生じるゼーマン分裂の結果生じるエネルギー固有状態は異なる。半導体２重量子ドットのエネルギー固有状態と、前記エネルギー固有状態間の光学遷移則を図８に示す。半導体２重量子ドットの基底状態を｜Ｇ＞（４０）、第一励起状態を｜Ｅ１＞（３８）、第２励起状態を｜Ｅ２＞（３９）と表すとき、縦偏光の信号光子は｜Ｇ＞と｜Ｅ１＞の間の遷移を引き起こし、横偏光のレーザーは｜Ｇ＞と｜Ｅ２＞の間の遷移を引き起こす。半導体２重量子ドットにおける１体のエネルギー準位と選択則を図１６に示す。外部磁場が存在しない場合には、量子ドット１における軽い正孔のエネルギー準位は２重に縮退している。外部磁場を加えることにより縮退していた軽い正孔のエネルギー準位は２つに分裂する。前記分裂した２つの軽い正孔のエネルギー準位のうち、伝導帯とのエネルギー差が小さいエネルギー準位の状態６５を｜ｌｈ１＋＞と表し、伝導帯とのエネルギー差が大きなエネルギー準位の状態を｜ｌｈ１―＞と表す。
【００４０】
半導体２重量子ドットの基底状態｜Ｇ＞とは、伝導体のどのエネルギー準位にも電子が存在せず、かつ荷電子帯のどのエネルギー準位にも正孔が存在しない状態のことである。半導体２重量子ドットの第１励起状態｜Ｅ１＞を図８に示される。前記第１励起状態｜Ｅ１＞は量子ドット１内の状態｜ｌｈ１＋＞に正孔が存在し、かつ｜ｅ１＋＞に電子が存在する状態６４（図１６参照）であり、｜Ｅ１＞＝｜ｌｈ１＋＞｜ｅ１＋＞と表される状態である。
【００４１】
半導体２重量子ドットの第２励起状態｜Ｅ２＞を図８に示される。前記第２励起状態｜Ｅ２＞は量子ドット１内の状態｜ｌｈ１＋＞に正孔が存在し、かつ量子ドット２内の状態｜ｅ２＋＞に電子が存在する状態（図１６の６６）であり、｜Ｅ２＞＝｜ｌｈ１＋＞｜ｅ２＋＞と表される状態である。
【００４２】
直接励起の励起状態を第一励起状態｜Ｅ１＞とし、間接励起の励起状態を第二励起状態｜Ｅ２＞とすることにより、第二励起状態｜Ｅ２＞と共振器モードとの共鳴結合強度ｇ２の大きさを、第一励起状態｜Ｅ１＞と共振器モードとの共鳴結合強度ｇ１の１００分の１程度にできる。また、励起子スピンに対するｇ因子制御の手法［Ｈ．Ｋｏｓａｋａ．ｅｔ．ａｌ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ  ６７，０４５１０４（２００３）．］を用いて、量子ドット１と量子ドット２のｇ因子の符号をお互いに逆符号になるように半導体２重量子ドットを作成し、磁場発生装置により外部磁場を量子ドットに印加することにより、直接励起と間接励起とで、励起光の偏光を互いに直交させることができる。以下では、直接励起のための励起光の偏光を縦偏光とし、間接励起のための励起光の偏光を横偏光とする。このとき、レーザー光を横偏光とし、信号光を縦偏光とすれば、レーザー光は間接励起に寄与し、信号光は直接励起に寄与する。そして、これらの寄与の特徴は、共鳴結合強度と共振器の緩和率（κ）との間での関係で決まる。本発明を実施するための最適な関係は、ｇ１≧κ≫ｇ２である。関係式ｇ１≧κは、基底状態｜Ｇ＞と励起状態｜Ｅ２＞とから成る閉じた系で位相差πを達成するのに都合がよく、また、大小関係κ≫ｇ２は、共振器モードを介して、基底状態｜Ｇ＞と励起状態｜Ｅ２＞の間で、ラビ振動による回転操作を行うために必要である。既に述べたように２重量子ドットは、共鳴結合強度ｇ２の大きさを、共鳴結合強度ｇ１の１００分の１程度にできるため、以上の等式及び大小関係を達成できる。
【００４３】
次に、半導体２重量子ドットのｇ因子制御について説明する。化合物半導体はその構成元素や組成によって正のｇ因子を持つものと、負のｇ因子を持つものが存在する。例えばＧａ０．４７Ｉｎ０．５３Ａｓのｇ因子は負で−４．３８あり、ＩｎＰのｇ因子は正で１．２６である。半導体量子ドットは半導体量子井戸中の２次元電子系をゲート電圧やエッチングにより閉じ込めることで作成されるため、符号の異なるｇ因子をもつ半導体で量子井戸を構成すれば、波動関数の染み出しによりｇ因子を制御することができる。
【００４４】
本実施形態における共振器の構造を図９、１０に示す。以下において、図９は、図１０の矢視Ａ−Ａ’に沿った断面図である。本実施例は、積層されたｎ型分布反射膜４８、ｎ型クラッド層４４、活性層４２、ｐ型クラッド層４５、ｐ型分布反射膜４９を基本構成要素としている。活性層４２から放出された光は、球面状の分布反射膜４１と４３とを通して窓Ｗ１、Ｗ２から外部に取り出される。前記半導体２重量子ドット（４６，４７）は、量子井戸活性層４２（活性層）において形成される。
【００４５】
分布反射膜４１、４３は、図９に示すように球面状に湾曲した多層膜で構成され、量子井戸活性層４２（ＩｎＰ／Ｇａ０．４７Ｉｎ０．５３Ａｓ／ＩｎＰ／Ｇａ０．４７Ｉｎ０．５３Ａｓ／ＩｎＰ）及びクラッド層４４、４５（Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ）を挟んで対向する共振器構造を形成している。これらの多層膜はそれぞれ、ＡｌＡｓ（４８）とＡｌ０．１８Ｇａ０．８２Ａｓ（４９）とを交互に積層し、３９層で構成されている。各層の厚さは、光学長（実際の厚さに屈折率を掛けた値）にしてλ／４である。ここで、λは活性層の真空中における発光波長である。分布反射膜４３は、ロッド型レンズ５０の一方の端面に形成される。窓Ｗ２から放出された光は、ロッド型レンズ５０を通って並行ビームとして取り出され、光検出装置のような外部の測光系へ直接送られる。ロッド型レンズ５０に用いる光ファイバは、中心から周辺にかけて放物線上の屈折率分布をもつため、光はその中を一定の周期で蛇行しながら進む。このファイバを適切な長さにして、窓Ｗ２から放出された光を並行ビームとして取り出せる。このようなファイバの市販品の例としては、日本板硝子製のセルフォックレンズ（商品名：Ｗ２０−Ｓ２５−０６３Ｎ；直径２．０ｍｍ、ピッチ０．２５、Ｎ．Ａ．＝０．４６）がある。
【００４６】
クラッド層４４、４５は［特開平５−５５７１３（第７−８頁、図１３）］記載の方法で、直径１０μｍ程度のレンズ状に加工されている。クラッド層４４、４５及び活性層４２を含むダブルヘテロ構造部の頂部と底部の間隔は図１１に示すように光学長でλである。図中の５０番で、共振器モードの共振器軸に沿った電場の振幅を示しているが、活性層４２はこの共振器モードの腹の部分に位置している。
【００４７】
ここで、図１２に示すような、２枚の球面反射鏡４４、４５を向かい合わせた共振器の固有モードは、“ガウシアンビーム”によって表わされる。この図で、実線は、電場強度が中心軸の１／ｅになる位置を表している。ビームの等位相面は図中の２点鎖線で示すように最少ビームスポットに近づくにつれて曲率が小さくなり、最小ビームスポットで平面となる。従って、活性層の位置を最小ビームスポットに合わせることにより、活性層は共振器モードの等位相面と一致する。このため、共振器長を適切に設定すれば、モードの腹の部分に活性層の全部が位置することとなり、半導体２重量子ドットの励起子系との共鳴結合を最大限に強めることができる。このような効果は、反射膜が完全な球面でなくとも、形状が著しく球面から逸脱していない限り同様に得られる。本実施例では、球面反射鏡として球面状の分布ブラッグ反射膜を用いている。また、０≦（１−Ｌ／Ｒ１）×（１−Ｌ／Ｒ２）≦１の関係を満たすように、反射鏡の曲率半径Ｒ１，Ｒ２、共振器長Ｌを設定することにより、横方向への光損失が抑制される。その結果、平面反射鏡を向かい合わせたファブリペロ型共振器構造に比べ、中心付近において強い共鳴結合を達成することができる。
【００４８】
以下では、半導体２重量子ドットと共振器の構成を定量的に記述する。半導体２重量子ドットは半導体２重量子井戸構造中の電子をゲート電圧やエッチングにより閉じ込めることで形成される。先に述べたように（図７参照）半導体２重量子ドットは障壁層３２／井戸層３３／障壁層３４／井戸層３５／障壁層３６よりなり、井戸層３３と井戸層３５内部にそれぞれ量子ドット１と量子ドット２が形成される。障壁層と井戸層は、互いに反対符号のｇ因子を持つ化合物半導体を用いて作成する。例えば障壁層には正のｇ因子（ｇ＝１．２６）を持つＩｎＰを用い、井戸層には負のｇ因子（ｇ＝−４．３８）を持つＧａ０．４７Ｉｎ０．５３Ａｓを用いる。量子ドットに閉じ込められた電子のｇ因子は障壁層への波動関数の染み出しにより、井戸層の幅に依存して変化し、ある特定の井戸幅ｗｇでｇ因子がゼロとなる。例えば井戸層Ｇａ０．４７Ｉｎ０．５３Ａｓと障壁層ＩｎＰからなる量子ドットでは、このｇ因子がゼロとなる井戸幅ｗｇは１．４ｎｍである（図１３）。量子ドット１の井戸幅をｗｇより小さくし、もう一方の量子ドット２の井戸幅をｗｇより大きくすることで、符号の異なるｇ因子を持つ２重量子ドットを形成する。この場合量子ドット１のｇ因子は正、量子ドット２のｇ因子は負となる。このことに伴い、磁場印加時においては、量子ドット１での伝導帯の最低エネルギー状態｜ｅ１＋＞は電子スピンが磁場とは逆を向いた状態となり、量子ドット２での最低エネルギー状態｜ｅ２＋＞は電子スピンが磁場と同じ方法を向いた状態となる。そのため、量子ドット１に電子が存在している第一励起状態｜Ｅ１＞を励起する励起光の偏光と、量子ドット２に電子が存在している第二励起状態｜Ｅ２＞を励起する励起光の偏光とは互いに直交する。
【００４９】
直接励起である第一励起状態｜Ｅ１＞と共振器モードとの共鳴結合強度ｇ１と、間接励起である第二励起状態｜Ｅ２＞と共振器モードとの共鳴結合強度ｇ２との間で満たされるべき大小関係は、障壁層３４の障壁幅を調整することにより実現する。半導体２重量子ドットでは、間接励起の振動子強度はドット間の障壁層の障壁幅に対して指数関数的に減少する。本実施の形態では障壁層３４の障壁幅を変化させることで共鳴結合強度ｇ２を制御することができる。例えば、井戸層Ｇａ０．４７Ｉｎ０．５３Ａｓと障壁層ＩｎＰからなる２重量子ドットでは障壁層３４の障壁幅を２３ｎｍにすることで、共鳴結合強度ｇ２は共鳴結合強度ｇ１のおよそ６０分の１程度となる（図１４）。
【００５０】
次に、本発明を実施するための最良の形態の全体の動作を、図１５を用いて説明する。冷却装置内６２は、４Ｋまで冷却し、半導体２重量子ドットの光応答上における熱的な効果（位相緩和）を最小限にする。また磁場発生装置内６３は、一様磁場により半導体２重量子ドット内に適切なＶ型準位を形成する。この状況下において、レーザー装置５２により生成された横偏光レーザーは、焦点レンズにより集光した後、シングルモード光ファイバ５５を通して、冷却装置内６２に入る。このレーザーを偏光ビームスプリッター５７により反射し、焦点レンズ５８，５９により集光し、半導体２重量子ドット励起子系と共鳴結合している共振器６０に照射し、その励起子系の状態を基底状態｜Ｇ＞と励起状態｜Ｅ２＞の確率が互いに等しいような基底状態｜Ｇ＞と励起状態｜Ｅ２＞の重ね合わせ状態にする。次に、単一光子源からの信号光がシングルモードファイバ５６を通して、冷却装置内６２に入る。信号光が１光子の場合、前記基底状態と前記励起状態の位相差がπだけ変化する。信号光が真空揺らぎの場合は、位相は変化しない。次に、最初に生成したレーザーと逆位相のレーザーにより、前記励起子系の状態は、前記基底状態と前記励起状態のいずれかに変わる。基底状態は、信号光が真空揺らぎであったことに相当し、励起状態は、信号光が１光子であったことに相当する。励起子系がいずれの状態であるかの判定は、縦偏光プローブレーザーをシングルモードファイバ５６に通して、共振器６０に照射することにより行われる。前記共振器内の励起子系が基底状態ならば、縦偏光プローブレーザーは、ほとんど反射し、励起状態ならば、ほとんど透過する。透過した縦偏光プローブレーザーは、共振器６０と接合しているロッド型レンズを通して、冷却装置の外部のアバラシェアフォトダイオード光検出装置６１により検出される。この検出により、観測者は信号光が１光子であることを検知する。信号光と縦偏光プローブレーザーの周波数空間上におけるスペクトラムは、基底状態｜Ｇ＞と励起状態｜Ｅ２＞との間の遷移周波数を中心として、半値幅が共振器モードと励起子系との結合強度：ｇ１の平方根の２倍（２√ｇ１）より狭ければよい。
【００５１】
（実施例２）
サブポアソニアン光子数分布光生成装置の一実施例を以下に説明する。
量子非破壊光子検出装置としては実施例１で示したものを用いた。ただし、サブポアソニアン光子数分布光生成装置として動作させるために、図１７に対応する実施例において、条件付き偏光回転素子（６８）として、通信波長帯域において使用可能な光損失が１０％未満のＥ−Ｏモジュレーターを使用する。たとえば、Ｅ−Ｏモジュレーターとして、ＫＤＰを重水素化したＫＤ＊Ｐを結晶材料とし、その表面にソル‐ゲル処理によるＡＲコーティングを施したポッケルスセルなどを用いることができる（具体例：ＣＬＥＶＥＬＡＮＤ  ＣＲＹＳＴＡＬＳ社  ＱＸ−ＫＤ＊Ｐ  ｃｅｌｌ  ｓｅｒｉｅｓ）。また、偏光ビームスプリッター（６７）は、入射ビームのＰ成分とＳ成分を分離するために用いる光学素子である。たとえば、４５°直角プリズムの斜面に誘電体偏光膜をコーティングして接着したサイコロ状の汎用ビームスプリッターを用いる（具体例：シグマ光機株式会社品番ＰＢＳ−２０−１５５００）。ただしこれらの物質および光学素子に限定するものではない。
【００５２】
（実施例３）
請求項１から８記載の量子非破壊光子検出装置を用いた光通信システムの一実施例を、図１９を用いて説明する。量子非破壊光子検出装置と光量子情報送信装置と備える光量子情報通信装置間を光ファイバで接続することにより効率良く光量子情報の通信を行うことができる。光量子情報送信装置としては、例えばレーザーと偏光回転素子からなるものが考えられる。ただし光量子情報送信装置はこれらの構成に限定するものではない。量子非破壊光子検出装置としては請求項１から８記載の量子非破壊光子検出装置を用いる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明によれば、微弱信号光による省電力型光通信といった用途に適用できる。また、単一光子源の性能を向上させるための濾過器といった用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】：量子非破壊光子検出装置の概念図である。
【図２】：ＤｕａｎとＫｉｍｂｌｅが提案した量子演算素子の概念図である。
【図３】：信号光とプローブ光の概念図である。
【図４】：量子非破壊検出装置の全体の動作のフローチャートである。
【図５】：位相符号化方式による信号光とプローブ光の概念図である。
【図６】：偏光符号化方式による信号光とプローブ光の概念図である。
【図７】：半導体２重量子ドットの概念図である。
【図８】：Ｖ型３準位構造の概念図である。
【図９】：半導体２重量子ドット励起子系と両側共振器の断面の概念図である。
【図１０】：半導体２重量子ドット励起子系と両側共振器の立体概念図である。
【図１１】：図９に電場振幅を記載した図である。
【図１２】：共振器内のガウシアンモードの概念図である。
【図１３】：電子のｇ値の井戸厚依存性である。
【図１４】：間接励起子と直接励起子の共鳴結合強度比の障壁幅依存性である。
【図１５】：量子非破壊光子検出装置の実施例である。
【図１６】：半導体２重量子ドット内におけるエネルギー準位構造の概念図である。
【図１７】：単一光子濾過装置の概念図である。
【図１８】：単一光子濾過装置の全体の動作のフローチャートである。
【図１９】：本発明の量子非破壊光子検出装置を用いた光通信システムの一実施例の説明図である。
【符号の説明】
【００５５】
１：入力ポート
２：出力ポート
３：透過率の高いほうの球面ミラー
４：透過率の低いほうの球面ミラー
５，６，７：λ型エネルギー準位構造
８：入力ポート
９：出力ポート１
１０：透過率の低いほうの球面ミラー
１１：透過率の高いほうの球面ミラー
１２、１３、１４：Ｖ型エネルギー準位構造
１５：出力ポート２
１６：透過したレーザー光を検出するための光検出装置
１７：Ｖ型原子系の状態を制御するためのレーザー装置
１８：信号光及びプローブ光を透過する偏光ビームスプリッター
１９：プローブ光
２０：信号光
２１：入力ポート図２の８  に接続  
２２：プローブ光
２３：光信号第二振幅
２４：光信号第一振幅
２５：入力ポート図２の８  に接続
２６：偏光ビームスプリッター
２７：信号光の縦偏光成分
２８：信号光の横偏光成分
２９：入力ポート図２の８に接続
３０：図２と同等の装置の入力ポートに接続
３１：横偏光プローブ光
３２：縦偏光プローブ光
３２、３４、３６：障壁層
３３、３５：量子ドット（井戸層）
３７：外部磁場
３８：第一励起状態
３９：第二励起状態
４０：基底状態
４１、４３：球面状の分布反射膜
４２：活性層
４４：ｎ型クラッド層
４５：ｐ型クラッド層
４６，４７：半導体２重量子ドット
４８：ｎ型分布反射膜
４９：ｐ型分布反射膜
５０：ロッド型レンズ
５１：ロッド型レンズ
５２：レーザー装置
５５、５６：シングルモード光ファイバ
５７：偏光ビームスプリッター
５３、５８，５９：焦点レンズ
６０：共振器
６１：光検出装置
５４、６２：冷却装置内部
６３：磁場発生装置
６４：直接励起状態（｜Ｅ１＞）
６５：伝導体とのエネルギー差が小さいエネルギー準位の状態（｜ｌｈ１＋＞）
６６：｜ｅ２＋＞に電子が存在する状態
６７：縦偏光の光を反射する偏光ビームスプリッター
６８：条件付き偏光回転素子
Ｗ１，Ｗ２：光が入射あるいは放出する窓
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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