(57)【要約】【課題】より効率的に量子もつれ状態の光子対が生成できるようにする。【解決手段】ｎ型の第２半導体から構成された第２半導体層１０２および第３半導体層１０６の積層体から構成されたメサ構造を備える。また、第２半導体層１０２と第３半導体層１０６との間に配置され、第２半導体よりバンドギャップが小さなノンドープの第３半導体から構成された量子ドット１０３を備える。ここで、量子ドット１０３は、同時に過不足なく２個の正孔が入る大きさとされていることが重要となる。また、超伝導体層１０４と金属層１０５とを備える。また、金属層１０５は、第３半導体層１０６の側に開口部１０５ａを備え、上述したメサ構造の周囲を覆って形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型の第２半導体から構成された第２半導体層および第３半導体層の積層体から構成されたメサ構造と、
前記第２半導体層と前記第３半導体層との間に配置されて前記第２半導体よりバンドギャップが小さなノンドープの第３半導体から構成された量子ドットと、
超伝導近接効果により前記量子ドットに超伝導電子対を供給する超伝導体層と、
前記第３半導体層の側に開口部を備えて前記メサ構造の周囲を覆って形成された金属層と
を備え、
前記量子ドットは、同時に過不足なく２個の正孔が入る大きさとされている
ことを特徴とする量子もつれ光子対発生素子。
【請求項２】
請求項１記載の量子もつれ光子対発生素子において、
前記第２半導体および前記第３半導体は、Ｉｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることを特徴とする量子もつれ光子対発生素子。
【請求項３】
請求項２記載の量子もつれ光子対発生素子において、
前記第３半導体層と前記超伝導体層との間に配置されて前記超伝導体層に接して形成された第１半導体層を備え、
前記第１半導体層は、Ａｌを含まずにＩｎを含んだＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されている
ことを特徴とする量子もつれ光子対発生素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の量子もつれ光子対発生素子において、
前記金属層は、Ａｇから構成されていることを特徴とする量子もつれ光子対発生素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の量子もつれ光子対発生素子を前記超伝導体層の超伝導臨界温度以下まで冷却し、前記超伝導体層より前記量子ドットに超伝導電子対が供給される状態とする第１ステップと、
前記量子ドットにおける発光寿命より短い時間のパルスレーザ光の照射により、前記量子ドットに供給する正孔を発生させる電子正孔対を生成させる第２ステップと
を備えることを特徴とする量子もつれ光子対発生方法。
【請求項６】
請求項５記載の量子もつれ光子対発生方法において、
前記第２ステップでは、前記第３半導体層の上に形成されて前記第２半導体よりバンドギャップが大きな第４半導体から構成された第４半導体層に前記パルスレーザ光を照射して前記電子正孔対を生成させる
ことを特徴とする量子もつれ光子対発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子情報処理や量子情報通信に用いられる、量子もつれ状態にある光子対を発生する量子もつれ光子対発生素子および量子もつれ光子対発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来に比べて格段に処理速度の速い量子情報処理や、安全性の高い量子情報通信に用いるために、互いに相関を持つが区別することのできない量子もつれ光子対を生成する技術が開発されてきている。例えば、レーザ光をパラメトリック下方変換することで、量子もつれ状態の光子対を生成する方法が提案されている（非特許文献１参照）。しかし、レーザ光をパラメトリック下方変換する方法では、量子もつれ光子対を発生するタイミングを制御できないという問題があった。この方法では、一度にただ１つの光子対だけを生成することができず、必ずある確率で複数の光子対が生成されてしまうという課題があった。
【０００３】
上述した技術に対し、別の試みとして、次に示す方法（量子もつれ光子対発生素子）が提案されている（非特許文献２，非特許文献３参照）。まず、超伝導体に近接した半導体層に人造原子ともいわれる半導体量子ドットを形成する。また、超伝導体にクーパー対を生成することで、超伝導近接効果（proximity effect）により、半導体量子ドットに超伝導電子対を生成させる。これにより、半導体量子ドットの伝導帯および価電子帯の量子準位に、各々２つの電子／正孔を分布させる。これらの構成により、一度にただ１対だけの量子もつれ光子対が生成可能とされている。
【０００４】
上述した量子もつれ光子対の発生原理には、超伝導近接効果が用いられている。超伝導体と接触した常伝導体中には、超伝導体に含まれるクーパー対と相関を持った電子対が生じることが知られており、このような電子対は「超伝導電子対」と呼ばれている。超伝導電子対は、常伝導体中を伝搬する過程で通常の２電子に戻るため、大部分は超伝導体との界面に局在している。
【０００５】
このような特徴を有する超伝導電子対の常導体中への進入長さは、常伝導体中での電子密度，拡散長，コヒーレンス長などによって決定される。典型的な進入長としては、温度１Ｋ程度の低温において、１０ｎｍから１μｍ程度である。従って、超伝導体と半導体量子ドットとの距離がこの進入長よりも近ければ、超伝導電子対が半導体量子ドットの伝導帯に流れ込み、２つの正孔と発光再結合することで、量子もつれ光子対が生成される。
【０００６】
ここで、クーパー対とは、超伝導物質中で電荷を運ぶ荷電粒子対であり、２つの電子が格子振動などを介して引力により対をなした状態となった電子対のことである。クーパー対は、スピン一重項状態を取り、量子もつれ状態にある。従って、クーパー対と相関を持った超伝導電子対が発光再結合してできた光子対は、やはり量子もつれ状態にある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】P. G. Kwiat et al. , "New High-Intensity Source of Polarization-Entangled Photon Pairs", Physical Review Letters, vol.75, no.24, pp.4337-4342, 1995.
【非特許文献２】Y. Asano et al. , "Luminescence of a Cooper Pair", Physical Review Letters, PRL 103, 187001, 2009.
【非特許文献３】Y. Hayashi et al. , "Superconductor-based Light Emitting Diode: Demonstration of Role of Cooper Pairs in Radiative Recombination Processes", Applied Physics Express 1, 011701, 2008.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上述した量子もつれ光子対発生素子では、半導体層にｐｎ接合を用い、電流励起により量子もつれ光子対を発生している。ｐｎ接合におけるエネルギーバンド構造は、ｎ型半導体の伝導帯のエネルギー準位が、近接するｐ型半導体により、高いエネルギー準位に持ち上げられる構造となる。このため、超伝導体におけるクーパー対の発生により半導体に生成される超伝導電子対にとっては、上述した「持ち上げられた」ｎ型半導体の伝導帯のエネルギー準位が障壁となる。このような状態では、発光領域であるｎ型半導体層に設けられた半導体量子ドットにまで、超伝導電子対が容易に到達できず、効率的な量子もつれ光子対が生成できないという問題があった。
【０００９】
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、より効率的に量子もつれ状態の光子対が生成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】
【００１０】
本発明に係る量子もつれ光子対発生素子は、ｎ型の第２半導体から構成された第２半導体層および第３半導体層の積層体から構成されたメサ構造と、第２半導体層と第３半導体層との間に配置されて第２半導体よりバンドギャップが小さなノンドープの第３半導体から構成された量子ドットと、超伝導近接効果により量子ドットに超伝導電子対を供給する超伝導体層と、第３半導体層の側に開口部を備えてメサ構造の周囲を覆って形成された金属層とを備え、量子ドットは、同時に過不足なく２個の正孔が入る大きさとされている。
【００１１】
上記量子もつれ光子対発生素子において、第２半導体および第３半導体は、Ｉｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であればよい。また、第２半導体層と超伝導体層との間に配置されて超伝導体層に接して形成された第１半導体層を備え、第１半導体層は、Ａｌを含まずにＩｎを含んだＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されているようにすればよい。なお、金属層は、Ａｇから構成されていればよい。
【００１２】
また、本発明に係る量子もつれ光子対発生方法は、上述した量子もつれ光子対発生素子を超伝導体層の超伝導臨界温度以下まで冷却し、超伝導体層より量子ドットに超伝導電子対が供給される状態とする第１ステップと、量子ドットにおける発光寿命より短い時間のパルスレーザ光の照射により、量子ドットに供給する正孔を発生させる電子正孔対を生成させる第２ステップとを備える。例えば、第２ステップでは、第３半導体層の上に形成されて第２半導体よりバンドギャップが大きな第４半導体から構成された第４半導体層にパルスレーザ光を照射して電子正孔対を生成させるようにすればよい。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したことにより、本発明によれば、より効率的に量子もつれ状態の光子対が生成できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における量子もつれ光子対発生素子の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における量子もつれ光子対発生素子のバンド状態を示すバンド図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における量子もつれ光子対発生方法を説明するフローチャートである。
【図４】図４は、本発明の実施の形態における量子もつれ光子対発生素子からの発光スペクトルを示す特性図である。
【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ついて図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における量子もつれ光子対発生素子の構成を示す構成図である。図１では、断面を模式的に示している。
【００１６】
この量子もつれ光子対発生素子は、ｎ型の第２半導体から構成された第２半導体層１０２および第３半導体層１０６の積層体から構成されたメサ構造を備える。また、第２半導体層１０２と第３半導体層１０６との間に配置され、第２半導体よりバンドギャップが小さなノンドープの第３半導体から構成された量子ドット１０３を備える。第２半導体層１０２および第３半導体層１０６は、量子ドット１０３に対していわゆる障壁層となる。ここで、量子ドット１０３は、同時に過不足なく２個の正孔が入る大きさとされていることが重要となる。なお、第２半導体および第３半導体は、Ｉｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であればよい。
【００１７】
また、実施の形態における量子もつれ光子対発生素子は、超伝導体層１０４と金属層１０５とを備える。超伝導体層１０４は、超伝導近接効果により量子ドット１０３に超伝導電子対を供給する。また、金属層１０５は、第３半導体層１０６の側に開口部１０５ａを備え、上述したメサ構造の周囲を覆って形成されている。
【００１８】
なお、実施の形態では、上述した構成に加え、まず、第２半導体層１０２と超伝導体層１０４との間に配置されたｎ型の第１半導体から構成された第１半導体層１０１を備える。前述したように、第２半導体および第３半導体を、Ｉｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成する場合、第１半導体層１０１も、Ｉｎを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成する。ここで、第１半導体層１０１は、Ａｌを含まずに構成し、超伝導体層１０４に接して形成する。
【００１９】
また、実施の形態では、第３半導体層１０６の開口部１０５ａ側に、ｎ型の第４半導体から構成された第４半導体層１０７と、バッファ層１０８とを備える。実施の形態では、バッファ層１０８，第４半導体層１０７，第３半導体層１０６，第２半導体層１０２，および第１半導体層１０１が、上述したメサ構造とされている。実施の形態では、これら半導体層の積層構造によるメサの開口部１０５ａ以外の領域を覆って金属層１０５が形成されている。また、バッファ層１０８および一部の第４半導体層１０７の周囲に、超伝導体層１１０が形成されている。
【００２０】
ここで、上述した実施の形態における量子もつれ光子対発生素子は、例えば、基板の上に公知のエピタキシャル成長技術により半導体層を堆積することで形成されている。以下、製造方法に関して簡単に説明する。基板としては、ＩｎＰなどの半導体基板を用いればよい。この半導体基板の上に、例えば、分子線エピタキシー法により、まず、バッファ層１０８となる半導体，第４半導体層１０７から第１半導体層１０１までの各半導体を順次エピタキシャル成長する。
【００２１】
例えば、バッファ層１０８は、Ｉｎ0.52Ａｌ0.48Ａｓから構成し、層厚１００ｎｍとすればよい。また、第４半導体層１０７は、第４半導体としてＩｎ0.53Ｇａ0.25Ａｌ0.22Ａｓから構成し、層厚２００ｎｍとすればよい。また、第３半導体層１０６は、第２半導体としてＩｎ0.53Ｇａ0.35Ａｌ0.12Ａｓから構成し、層厚２０ｎｍとすればよい。これらは、ＩｎＰからなる半導体基板の格子定数０．５８６８ｎｍに一致するように、各組成が決定されている。
【００２２】
次に、第３半導体層１０６となる半導体層の上に、量子ドット１０３を形成する。また、量子ドット１０３は、第３半導体としてＩｎＡｓから構成すればよい。ここで、量子ドット１０３の形成について説明する。量子ドット１０３も、分子線エピタキシー法で作製すればよい。ＩｎＡｓは、上述した下地となる層に対して大きな格子定数０．６０５８ｎｍを持つ。このため、ＩｎＡｓ原子が下地となる第３半導体層１０６の原子と原子同士が結合して成長するためには、第３半導体層１０６に平行な方向に２次元の圧縮ひずみを受けて成長する必要がある。このため、内部のひずみを開放するために島状に成長し、量子ドット１０３が形成されるようになる。このように、格子定数の差を利用することで、量子ドット１０３が形成できる。
【００２３】
なお、第３半導体層１０６において、このエネルギーギャップは、Ａｌ組成を増やすと大きくなり、電子と正孔を量子ドット１０３に閉じ込めるためにＡｌ組成を調整する。これは、後述する第２半導体層１０２においても同様である。
【００２４】
次に、量子ドット１０３が形成されている、第３半導体層１０６となる半導体層の上に、第２半導体層１０２となる第２半導体、第１半導体層１０１となる第１半導体を順次エピタキシャル成長する。また、第２半導体層１０２は、第２半導体としてＩｎ0.53Ｇａ0.35Ａｌ0.12Ａｓから構成し、層厚１００ｎｍとすればよい。第１半導体層１０１は、第１半導体としてＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓから構成し、層厚１０ｎｍ程度すればよい。ここで、後述する超伝導体層１０４と接する第１半導体層１０１は、ＩｎＰからなる半導体基板と同じ格子定数となるようにＩｎおよびＧａの組成を調整するが、これに加え、Ｎｂとの間のエネルギー障壁を小さくする目的で、上記組成として形成される。
【００２５】
以上のように各半導体層を堆積した後、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、例えば円筒形状のメサ構造を形成する。また、メサ構造を形成した後で、超伝導体材料を堆積することで、超伝導体層１０４を形成している。超伝導体層１０４は、ニオブ（Ｎｂ）から構成し、厚さ２００ｎｍとすればよい。
【００２６】
また、超伝導体層１０４を形成した後で、蒸着法などにより光学反射率の高い金属（例えばＡｇ）を厚さ１．５μｍ程度堆積することで、金属層１０５を形成する。最後に、エッチングなどにより半導体基板を除去すれば、開口部１０５ａを備える上記素子構造が得られる。なお、理解を容易にするため、実施の形態の量子もつれ量子もつれ光子対発生素子を構成する構成要素およびこれらの具体的な例を、以下の表１にまとめて示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
上述した半導体層を残し、ＩｎＰ基板を化学エッチングにより除去するために、バッファ層１０８が形成されている。従って、バッファ層１０８はなくてもよい。また、超伝導体材料の堆積において、超伝導体層１０４とともに、超伝導体層１１０が形成されるが、超伝導体層１１０はなくてもよい。
【００２９】
上述した実施の形態によれば、後述するパルスレーザの照射を１回実施することで、一対のみの量子もつれ光子対が生成できる。実施の形態においては、ｐ型の層が用いられていないことが重要である。また、実施の形態では、超伝導体層１０４を第１半導体層１０１に接して設けている点に特長がある。実施の形態では、第１半導体層１０１がＡｌを含まない構成としているので、Ｉｎを含む材料系において、第１半導体層１０１に超伝導体層１０４を接して設けることが可能となっている。
【００３０】
実施の形態の量子もつれ光子対発生素子は、図２のバンド図に示すように、超伝導体層１０４から第４半導体層１０７にかけて、伝導体のフェルミレベルが共通となる。このため、超伝導状態とすることで超伝導体層１０４にクーパー対が発生したことにより半導体層（第１半導体層１０１）に生成する超伝導電子対は、発光層である量子ドット１０３に容易に到達できるようになる。このため、量子ドット１０３において、効率的な量子もつれ光子対が生成できるようになる。また、発生した量子もつれ光子対は、超伝導体層１０４および金属層１０５で反射され、開口部１０５ａからのみ取り出されるようになる。
【００３１】
次に、本発明の実施の形態における量子もつれ光子対発生方法について図３のフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ３０１で、上述した実施の形態における量子もつれ光子対発生素子を超伝導体層１０４の超伝導臨界温度以下まで冷却する。この冷却により、超伝導体層１０４から量子ドット１０３に超伝導電子対が供給される状態とする。例えば、高純度Ｎｂの超伝導臨界温度は９．２５Ｋであり、実施の形態では、これよりも低い温度にまで冷却すればよい。
【００３２】
超伝導臨界温度以下まで冷却することにより、超伝導体層１０４は超伝導特性を現し、クーパー対が生成されるようになる。同時に、第１半導体層１０１における超伝導体層１０４との界面近傍には、クーパー対と相関を持った超伝導電子対が生成される。ここで、量子ドット１０３と上記界面との距離が、超伝導電子対の進入長よりも短くなる位置に、量子ドット１０３が形成されていれば、図２を用いて説明したように、超伝導体層１０４から第４半導体層１０７にかけて伝導帯のフェルミレベルが共通となるため、超伝導電子対は、量子ドット１０３に容易に到達できるようになる。また、量子ドット１０３を構成する第３半導体は、第２半導体よりバンドギャップが小さいので、第２半導体層１０２と第３半導体層１０６との界面（量子ドット１０３）にまで到達した超伝導電子対は、量子ドット１０３の伝導体基底状態に移動する。
【００３３】
次に、ステップＳ３０２で、量子ドット１０３における発光寿命より短い時間のパルスレーザ光の素子への照射により、量子ドット１０３に供給する正孔を発生させる電子正孔対を生成（励起）させる。実施の形態では、開口部１０５ａより第４半導体層１０７に向けてパルスレーザ光を照射し、第４半導体層１０７に電子正孔対を生成（励起）させる。このとき、パルスレーザ光の波長は、第２半導体層１０２で光励起により電子・正孔対が生成される臨界的な波長よりも短い波長であればよい。なお、第２半導体層１０２または第３半導体層１０６において、上記パルスレーザの照射により電子正孔対を生成してもよい。
【００３４】
また、パルスレーザ光の時間幅（パルス幅）は、量子ドット１０３における発光寿命（電子対と正孔対が発光しないで滞在できる時間）よりも短い時間幅であればよい。例えば、ＩｎＡｓから構成された量子ドット１０３における発光寿命は、１ｎ秒程度である。従って、この場合、１ｎ秒よりも短い時間幅のパルスレーザ光を用いればよい。
【００３５】
パルスレーザ光の照射による光励起で生成された正孔は、エネルギーバンドギャップの小さい量子ドット１０３の価電子帯基底状態に移動する。また、量子ドット１０３は、正孔が２個入る程度の大きさに形成されているため、１つの量子ドット１０３には正孔が２個入ることになる。ここで、前述したように、超伝導体層１０４の超伝導近接効果により生成された超伝導電子対も、量子ドット１０３に到達しているので、伝導帯に存在する超伝導電子対と２個の正孔との発光再結合が起こり、量子もつれ光子対が発生する。また、光励起するパルスレーザ光の時間幅は、発光寿命よりも短いため、１パルスの照射で、１つの量子ドット１０３から、一対の量子もつれ光子対のみを発生させることができる。
【００３６】
なお、光励起で生成される電子は、正孔と発光再結合しても量子もつれ光子対は生成されないが、実施の形態における量子もつれ光子対発生素子は、各半導体層がｎ型とされているため、伝導帯には多数の電子が存在している状態であり、光励起で生成された電子が発光再結合に寄与する可能性は低い。
【００３７】
次に、実際に作製した実施の形態における量子もつれ光子対発生素子について、実験により検証した結果について説明する。実施の形態における量子もつれ光子対発生素子からの発光スペクトルを図４に示す。実験では、波長６３３ｎｍ、パワー密度３０Ｗ／ｃｍ2のパルスレーザ光を励起光として用いた。
【００３８】
図４において、波長１０８５ｎｍ付近のスペクトル（ａ）は、第４半導体層１０７の発光によるもの、波長１３００ｎｍ付近のスペクトル（ｂ）は第２半導体層１０２および第３半導体層１０６の発光によるもの、そして波長１５１２ｎｍ付近のスペクトル（ｃ）は量子ドット１０３の発光によるものである。
【００３９】
図４に示すように、素子の温度が超伝導臨界温度よりも高い１２Ｋのときには、量子ドット１０３の発光強度は高くない。一方、超伝導臨界温度より低い４Ｋ、８Ｋとした場合は、強い発光を得ることができた。超伝導臨界温度以下で量子ドット１０３での発光強度が強くなるのは、クーパー対によってもたらされる超伝導電子対が発光に寄与していることを示している。
【００４０】
以上に説明したように、本発明では、量子ドットをｎ型の半導体層で挾むようにしたので、超伝導体層から半導体層にかけて伝導帯のフェルミレベルが共通となるため、生成された超伝導電子対が、量子ドットに容易に到達できるようになる。この結果、本発明によれば、より効率的に量子もつれ状態の光子対が生成できるようになる。
【００４１】
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。
【符号の説明】
【００４２】
１０１…第１半導体層、１０２…第２半導体層、１０３…量子ドット、１０４…超伝導体層、１０５…金属層、１０５ａ…開口部、１０６…第３半導体層、１０７…第４半導体層、１０８…バッファ層、１１０…超伝導体層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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