(57)【要約】【課題】より容易に固体２準位系の明状態と暗状態との結合状態が制御できるようにする。【解決手段】基板１０１の上に形成した振動部１０２に不純物から構成した固体２準位系を形成し、振動部１０２を励振部１０３で励振することで振動部１０２に動的歪を与える。振動部１０２に動的歪を与えることで、固体２準位系の明状態と暗状態との結合状態を制御する。動的歪を与えて固体２準位系を結合状態とした状態で、振動部１０２に励起光を照射することで暗状態を励起状態とし、動的歪の印加を停止して非結合状態とすることで、励起状態を保持する。【選択図】  図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に変位可能に支持された振動部と、
前記振動部を励振する励振部と、
前記振動部に導入されている不純物から構成された固体２準位系と
を備えることを特徴とする固体量子メモリ。
【請求項２】
請求項１記載の固体量子メモリにおいて、
前記振動部は、片持ち梁構造とされていることを特徴とする固体量子メモリ。
【請求項３】
請求項１または２記載の固体量子メモリにおいて、
前記振動部は、化合物半導体から構成されていることを特徴とする固体量子メモリ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体量子メモリにおいて、
前記励振部は、振動子から構成されていてることを特徴とする固体量子メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動部に導入した不純物による固体２準位系によりメモリを構成する固体量子メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体中の不純物によって形成される固体２準位系は、光吸収・発光特性を利用して光の量子状態を電子の量子状態として保持することが可能である。これら固体２準位系には、光吸収・発光特性を有する明状態（明準位）と、これらの光学遷移が禁制される暗状態（暗準位）が存在する。暗状態では光吸収・発光が起こらないため、量子状態の寿命が飛躍的に延びることが知られており、２準位系の暗状態を用いた固体量子メモリがこれまでに提案されている（非特許文献１）。
【０００３】
しかし、暗状態は、光学禁制であることから、光による書き込み・読み出しが困難であった。このため、明状態と暗状態を外部から制御し、２つの準位の特性を併せ持つ結合状態を形成することにより、書き込み、保持、読み出しを可能とすることで、固体量子メモリを実現している。
【０００４】
固体２準位系の外部制御の方式として、光照射や磁場印加による制御が報告されている（非特許文献２）。光照射を用いた方式では、新たな制御光の導入が必要になるため、現状では、システム全体が非常に大きくかつ複雑になるという問題があった。磁場印加を用いた方式でも巨大な電磁石が必要になり、また大きな磁場を印加するためには電磁石を極低温まで冷却する必要があった。
【０００５】
一方、明状態および暗状態は、異種半導体を組み合わせた際に生じる結晶内歪によっても結合状態となることが知られている（非特許文献３）。しかし、このような静的歪ではメモリ動作に要求される高い制御性を得ることが困難である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】M. Fleischhauer and M. D. Lukin, "Quantum memory for photons: Dark-state polaritons", Physical Review A, vol. 65, 022314, 2002.
【非特許文献２】D. C. Reynolds et al., "Magnetophotoluminescence study of excited states associated with donor bound excitons in high-purity GaAs", Physical Review B, vol. 53, no. 4, pp. 1891-1895, 1996.
【非特許文献３】Y. H. Huo et al., "A light-hole exciton in a quantum dot", Nature Physics, vol. 10, no. 46-51, 2014.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、従来では、固体２準位系の明状態と暗状態との結合状態を制御することが、容易ではないという問題があった。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より容易に固体２準位系の明状態と暗状態との結合状態が制御できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る固体量子メモリは、基板の上に変位可能に支持された振動部と、振動部を励振する励振部と、振動部に導入されている不純物から構成された固体２準位系とを備える。
【００１０】
上記固体量子メモリにおいて、振動部は、例えば、片持ち梁構造とされていればよい。
【００１１】
上記固体量子メモリにおいて、振動部は、化合物半導体から構成されていればよい。
【００１２】
上記固体量子メモリにおいて、励振部は、振動子から構成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、振動部に不純物から構成した固体２準位系を形成し、振動部を励振することで振動部に動的歪を与えるようにしたので、より容易に固体２準位系の明状態と暗状態との結合状態が制御できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態における固体量子メモリの構成を示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態における固体量子メモリの一部構成を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、振動部１０２の動的歪の分布を示す分布図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、振動部１０２における振動振幅の大きさと歪の大きさとの関係を示す特性図である。
【図３】図３は、振動部１０２が備える不純物から構成された固体２準位系における、束縛励起子準位の明状態と暗状態とを観測するための測定系の構成を示す構成図である。
【図４】図４は、振動部１０２が備える不純物から構成された固体２準位系における、束縛励起子準位からのＰＬ光の測定結果を示す分布図である。
【図５】図５は、動的歪による暗状態と明状態の結合制御を利用した、実施の形態における固体量子メモリのメモリ動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図６】図６は、動的歪による暗状態と明状態の結合制御を利用した、実施の形態における固体量子メモリのメモリ動作を説明するためのタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態における固体量子メモリについて図１Ａ，図１Ｂを参照して説明する。この固体量子メモリは、基板１０１の上に変位（振動）可能に支持された振動部１０２と、振動部１０２を励振する励振部１０３とを備える。振動部１０２には、導入されている不純物から構成された固体２準位系が形成されている。
【００１６】
この例では、基板１０１の上に固定部１０４が固定され、固定部１０４の上に支持部１０５が支持され、支持部１０５に振動部１０２が連結している。この例では、支持部１０５と振動部１０２とは、一体に形成されている。
【００１７】
振動部１０２は、例えば、片持ち梁構造とされている。また、振動部１０２は、化合物半導体から構成されている。例えば、図１Ｂに示すように、振動部１０２は、ＧａＮから構成された半導体層１１１と、半導体層１１１の下面に配置されている第１保護層１１２と、半導体層１１１の上面に配置されている第２保護層１１３とを備える。
【００１８】
この例では、半導体層１１１に不純物が導入され、半導体層１１１に固体２準位系が形成されている。第１保護層１１２および第２保護層１１３により、半導体層１１１の表面および裏面を覆って露出面を無くしている。これにより、露出面における準位の形成を抑制し、準位の存在による固体２準位系の消滅を抑制し、半導体層１１１における固体２準位系の各状態の安定化を図っている。また、後述するように、半導体層１１１を、結晶性のよい状態で形成するために、第１保護層１１２は、例えば、超格子構造とした緩衝層としての機能を持たせるようにするとよい。
【００１９】
ここで、固体量子メモリの製造について、簡単に説明する。例えば、ＧａＡｓの結晶からなる基板１０１の上に、Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓからなる犠牲層を形成し、犠牲層の上に、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ超格子によるバッファ層を形成する。引き続き、バッファ層の上に、不純物をドーピングしたＧａＡｓによるＧａＡｓ層を形成し、振動部形成層の上にＡｌ0.25Ｇａ0.75ＡｓからなるＡｌＧａＡｓ層を形成する。これらは、よく知られた有機金属気相成長法，分子線エピタキシー法，液相エピタキシー法などの結晶成長方法により順次にエピタキシャル成長して基板１０１の上に積層すればよい。
【００２０】
次に、公知のリソグラフィー技術による微細なパターンの形成、および、形成したパターンをマスクとしたメサエッチングにより、ＡｌＧａＡｓ層、ＧａＡｓ層、およびバッファ層を選択的に除去し、支持部１０５および振動部１０２を形成する。振動部１０２および支持部１０５は、基板１０１の側より、超格子構造の第１保護層１１２、ＧａＡｓからなる半導体層１１１、ＡｌＧａＡｓからなる第２保護層１１３が積層された構造となっている。
【００２１】
次に、エッチング選択性の高いエッチング溶液を用いたウエットエッチングにより、振動部１０２の下部の犠牲層を選択的に除去して基板１０１の側に空間を形成する。例えば、フッ化水素水溶液をエッチング溶液として用いればよい。このエッチングによれば、Ａｌの組成比が大きいＡｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓがより選択的にエッチングされる。これにより、梁構造の振動部１０２が形成される。犠牲層の選択除去により残った部分を、固定部１０４とする。振動部１０２は、基板１０１の上に離間して振動（変形）可能に形成された状態となる。
【００２２】
励振部１０３は、例えば、圧電材料による振動子から構成すればよい。実施の形態における固体量子メモリは、励振部１０３により振動部１０２を振動させ、振動部１０２に動的な歪を加えるところに特徴がある。振動部１０２に適切な動的な歪を加えることで、振動部１０２における固体２準位系の明状態と暗状態との結合状態を形成する。励振部１０３による励振の振動変位を所定の状態に設定し、振動部１０２の歪み量を所定の状態にすることで、固体２準位系の明状態と暗状態とを結合状態とすることができる。
【００２３】
明状態と暗状態との結合状態では、光などにより所定の量子状態とする書き込み・読み出しが可能となる。また、非結合状態における暗状態は、結合状態で設定された（書き込まれた）量子状態が、長時間保持可能となる。
【００２４】
ここで、振動部１０２を、片持ち梁構造とし、針の部分を幅２０μｍ、延在方向の長さ５０μｍとした場合を例に、振動振幅の大きさと歪の大きさとの関係について図２Ａ、図２Ｂを参照して説明する。なお、第１保護層１１２は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ超格子構造とし、厚さ１００ｎｍとしている。また、半導体層１１１は、ＧａＡｓから構成し、厚さ４００ｎｍとしている。また、第２保護層１１３は、ＡｌＧａＡｓから構成し、厚さ４００ｎｍとしている。
【００２５】
図２Ａの動的歪分布に示すように、梁構造の振動部１０２の中央部近傍に、大きな歪（動的歪）が発生していることが分かる。また、圧電振動子から構成した励振部１０３に電圧を印加して励振すると、図２Ｂに示すように、電圧の上昇とともに、振動変位が大きくなり、また、歪量が増加する。このように、適宜に励振部１０３を構成することで、振動部１０２に所定の歪量の歪を加えることができる。
【００２６】
次に、振動部１０２が備える不純物から構成された固体２準位系における、束縛励起子準位の明状態と暗状態について説明する。各状態は、図３に示す測定系により測定することで評価した。この測定系は、光源２０１，音響光学素子２０２，信号源２０３，分光器２０４を備える。まず、信号源２０３から、圧電素子による励振部１０３および音響光学素子２０２に所定の高周波信号を印加する。
【００２７】
これにより、振動部１０２を励振した状態で、光源２０１より出射する波長７８０ｎｍの連続波レーザ光を、音響光学素子２０２によりパルス状として振動部１０２に照射する。パルス状のレーザ光照射により、振動部１０２に形成されている固体２準位系の、各束縛励起子準位からフォトルミネッセンス（ＰＬ）光が得られる。このＰＬ光を分光器２０４で測定する。この測定において、振動部１０２に照射するレーザ光のパルス波形と、励振している振動部１０２の振動と間の相対位相を変化させることで、様々な歪を印加した状態における束縛励起子準位のエネルギーを測ることが可能になる。なお、測定は、原理確認のため極低温高真空（９Ｋ，１×１０-4Ｐａ以下）の環境下において実施した。
【００２８】
上述した各束縛励起子準位からのＰＬ光の測定結果について、図４を用いて説明する。図４に示すように、相対位相０では歪が最小となり、暗状態が明状態から切り離されている。暗状態からは発光が起こらないため、ＰＬスペクトルでは明状態のみが観測される。一方、相対位相π／２では、歪によって暗状態と明状態の結合状態が形成されている。この結合状態では、暗状態と明状態の混ざり合いとなるため、２つの発光ピークが観測される。このように、機械振動構造としている振動部１０２に局所的な動的歪を与えることで、振動部１０２に形成している固体２準位系の光学特性を外部から制御可能となる。
【００２９】
なお、振動部１０２は、上述した化合物半導体に限らず、水晶などの結晶材料から構成してもよい。これら材料からなる機械振動構造を用いることで、数ｍＶ程度の小さな電気信号による動的歪が印加可能となる。また、光、磁場、熱を用い、振動部１０２に動的歪を印加することも可能である。振動部１０２は、既存のプロセス技術で作製可能であり、複数の固体量子メモリの集積化、大容量化が容易である。
【００３０】
また、振動部１０２を、ＧａＡｓやＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に限らず、ＧａＮやＡｌＮなどの窒化物半導体から構成してもよい。これら化合物半導体から振動部１０２を構成し、振動部１０２に励振電極を設けて電圧を印加することで、振動部１０２を励振することが可能となる。このように、振動部１０２を化合物半導体から構成することで、化合物半導体の良好な圧電特性を用いて振動部１０２が励振可能であり、また、チップ上に集積化された多数の振動部１０２を同時に独立に制御することが可能となる。
【００３１】
次に、上述した動的歪による暗状態と明状態の結合制御を利用した、実施の形態における固体量子メモリのメモリ動作を説明する。
【００３２】
［動作例１］
はじめに、動作例１について、図５を参照して説明する。図５に示すように、振動部１０２に対する励振により振動部１０２の歪み量を増加させ、固体２準位系における、束縛励起子準位の明状態と暗状態とを結合状態とする。この結合状態で、このエネルギーに共鳴した光を振動部１０２に照射すると、固体２準位系で光吸収が起こり、励起状態となる。これは２準位系の励起状態を用いた量子状態の書き込みとなる。
【００３３】
次に、振動部１０２の歪み量を減少させ、結合を切り離すと、束縛励起子準位は暗状態となるため、固体２準位系における量子状態（励起状態）が保持される。
【００３４】
次に、光照射をすることなく、振動部１０２に対する励振により振動部１０２の歪み量を増加させ、束縛励起子準位の明状態と暗状態とを結合状態とする。この結合状態により、固体２準位系から発光が起こり、量子状態の読み出しが可能となる。これら一連の、振動部１０２における歪制御によって、固体２準位系の量子状態の書き込み、保持、読み出しといったメモリ動作が実現できる。固体２準位系における保持時間は、振動部１０２の振動周波数や振動振幅を、外部の励振部１０３により制御することで変えることが可能である。
【００３５】
［動作例２］
次に、動作例２について、図６を参照して説明する。動作例１では単一周波数で振動する連続的な動的歪によるメモリ動作を説明したが、本発明は特定の周波数で振動する動的歪に限らない。図６に示すように、まず、パルス状の動的歪を振動部１０２に与えることで結合状態とし、光パルスの照射により励起状態として書き込む。次に、振動部１０２に対して動的歪が加えられていない状態では、暗状態となり、励起状態が保持される。次に、光照射をすることなく、パルス状の動的歪を振動部１０２に与えることで結合状態とする。この結合状態により、固体２準位系から発光が起こり、量子状態の読み出しが可能となる。このように、パルス状の動的歪を振動部１０２に与えることで、任意のタイミングでの書き込み・読み出しが可能となる。
【００３６】
上述した動作例１と動作例２では、特に複数の固体量子メモリを集積した際に大きな違いが現れる。動作例１では、全ての量子メモリを同一の周波数で動作させることが可能なため、量子メモリ間での同期が容易に取れる特徴がある。一方、動作例２では個々の量子メモリを独立に操作する上で有利となる。
【００３７】
以上に説明したように、本発明では、振動部に不純物から構成した固体２準位系を形成し、振動部を励振することで振動部に動的歪を与えるようにしたので、より容易に固体２準位系の明状態と暗状態との結合状態が制御できるようになる。
【００３８】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【００３９】
例えば、上述した実施の形態では、半導体中の束縛励起子準位を用いたが、これに限るものではなく、多種多様な結晶中の不純物準位や人工構造に対しても本発明を用いることが可能である。上述した実施の形態における束縛励起子準位の状態の測定は、原理確認のため極低温高真空（９Ｋ，１×１０-4Ｐａ以下）環境下にて行われたが、本発明における固体量子メモリの動作は、特定の環境に限らず可能である。
【００４０】
また、上述した実施の形態では、振動部を片持ち梁構造としたが、これに限るものではない。振動部は、両持ちの梁構造としてもよく、また、メンブレン構造としてもよく、様々な機械振動構造とすればよい。特に、両持ちの梁構造は、高い動作周波数を得る上で有利となる。また、メンブレン構造は、高い種動作周波数に加え、２次元的な集積化によりメモリをアレー化する上で有利な構造となる。
【００４１】
また、上述した実施の形態では、振動部を構成する半導体として、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓを用いた例を示したが、これに限るものではなく、ＩｎＰやＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ等の窒化物半導体やＩｎＡｓ／ＡｌＧａＳｂなど、様々な半導体を用いることが可能である。特に、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓは、通信波長帯の光を用いた量子メモリにおいて有利である。また、窒化物半導体は高い圧電効果を用いて大きな歪効果を生み出す上で有利である。
【符号の説明】
【００４２】
１０１…基板、１０２…振動部、１０３…励振部、１０４…固定部、１０５…支持部、１１１…半導体層、１１２…第１保護層、１１３…第２保護層。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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