(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導体から構成された超伝導体層の上に形成されたｎ型の半導体からなる第１半導体層と、前記第１半導体層の上に形成されたｉ型の半導体からなる第２半導体層と、前記第２半導体層の上に形成されたｐ型の半導体からなる第３半導体層と、前記第２半導体層の中に形成された１つの量子ドットとを少なくとも備え、前記第１半導体層，前記第２半導体層，および前記第３半導体層からなるｐｉｎ構造の内蔵電位により前記第２半導体層に空乏層が形成されている素子を作製して前記超伝導体層より前記第１半導体層に対して電子クーパー対を侵入させる第１ステップと、
前記第３半導体層の側より前記素子に連続した第１光を照射して、前記ｐｉｎ構造の内蔵電位を減少させて前記空乏層を縮小させる第２ステップと、
前記第１光を照射している状態で、前記第３半導体層の側より前記素子に第２光を照射することで前記空乏層をより縮小させ、前記量子ドットの伝導帯に１つの前記電子クーパー対を配置させるとともに、前記第１光の照射により生成している１つの正孔対を量子ドットの価電子帯に配置させることで、量子もつれ光子対を発生させる第３ステップとを少なくとも備え、
前記第２光の照射は、新たな量子もつれ光子対が発生する状態となる前に停止す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、量子もつれ状態の光子対を発生する量子もつれ光子対発生方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、格段に処理速度の速い量子情報処理を実現し、安全性の高い量子情報通信に用いるために、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。量子もつれとは、互いに区別することのできない強い相関を持ってもつれ合った状態を示している。このような量子もつれ光子対を生成する方法として、レーザ光をパラメトリック下方変換する方法がある（非特許文献１参照）。しかしこの方法では、次に示すような課題がある。まず、光子対を発生するタイミングが、制御できない。また、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。また、光子対を生成する速度が遅い。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【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】A. J. Hudson et al. , "Coherence of an Entangled Exciton-Photon State", Physical Review Letters, Vol.99, No.26 , 266802, 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した技術に対し、半導体量子ドットを用いて１つの光子対を生成する技術が提案されている（非特許文献２参照）。しかし、この技術では、２つの光子を同時に生成させる状態に制御することができず、生成される２つの光子は互いに時間差を伴って生成し、かつ異なる光子エネルギーを持つ状態となる。このため、非特許文献２の技術では、生成される２つの光子対は、必ずしも量子もつれ光子対にならず、量子もつれ光子対を意図して（制御して）生成させることができないという問題があった。
【０００５】
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、１つの量子もつれ光子対が、制御した状態で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】
【０００６】
量子もつれ光子対発生素子は、超伝導体から構成された超伝導体層の上に形成されたｎ型の半導体からなる第１半導体層と、第１半導体層の上に形成されたｉ型の半導体からなる第２半導体層と、第２半導体層の上に形成されたｐ型の半導体からなる第３半導体層と、第２半導体層の中に形成された１つの量子ドットとを少なくとも備える。
【０００７】
また、本発明に係る量子もつれ光子対発生方法は、超伝導体から構成された超伝導体層の上に形成されたｎ型の半導体からなる第１半導体層と、第１半導体層の上に形成されたｉ型の半導体からなる第２半導体層と、第２半導体層の上に形成されたｐ型の半導体からなる第３半導体層と、第２半導体層の中に形成された１つの量子ドットとを少なくとも備え、第１半導体層，第２半導体層，および第３半導体層からなるｐｉｎ構造の内蔵電位により第２半導体層に空乏層が形成されている素子を作製して超伝導体層より第１半導体層に対して電子クーパー対を侵入させる第１ステップと、第３半導体層の側より素子に連続した第１光を照射して、ｐｉｎ構造の内蔵電位を減少させて空乏層を縮小させる第２ステップと、第１光を照射している状態で、第３半導体層の側より素子に第２光を照射することで空乏層をより縮小させ、量子ドットの伝導帯に１つの電子クーパー対を配置させるとともに、第１光の照射により生成している１つの正孔対を量子ドットの価電子帯に配置させることで、量子もつれ光子対を発生させる第３ステップとを少なくとも備え、第２光の照射は、新たな量子もつれ光子対が発生する状態となる前に停止する。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したことにより、本発明によれば、１つの量子もつれ光子対が、制御した状態で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】
【０００９】
【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方法を説明するためのフローチャートである。
【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装置の構成例を示す構成図である。
【図４】図４は、量子もつれ光子対発生素子の柱状素子部の素子径と、光子取り出し効率との関係を示す特性図である。
【図５】図５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に入力する励起光のパワーに対する光起電力および光電流の変化を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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、量子もつれ光子対発生素子の断面を模式的に示している。
【００１１】
この量子もつれ光子対発生素子は、超伝導体から構成された超伝導体層１０１の上に形成されたｎ型の半導体からなる第１半導体層１０２と、第１半導体層１０２の上に形成されたｉ型の半導体からなる第２半導体層１０３と、第２半導体層１０３の上に形成されたｐ型の半導体からなる第３半導体層１０４とを備える。加えて、第２半導体層１０３の中に形成された１つの量子ドット１０５を備える。なお、超伝導体層１０１は、支持基板１１１の上に形成されている。
【００１２】
超伝導体層１０１は、例えば、Ｎｂから構成され、層厚１００〜２００ｎｍ程度に形成されていればよい。第１半導体層１０２は、例えば、ｎ型のＩｎＧａＡｌＡｓから構成され、層厚５０〜３００ｎｍ程度に形成されていればよい。第３半導体層１０４は、例えば、ｐ型のＩｎＧａＡｌＡｓから構成され、層厚５０〜３００ｎｍ程度に形成されていればよい。
【００１３】
また、第２半導体層１０３は、ノンドープの（ｉ型の）ＩｎＧａＡｌＡｓから構成され、量子ドット１０５は、ＩｎＡｓから構成されていればよい。例えば、第２半導体層１０３は、ｉ型のＩｎＧａＡｌＡｓからなる第１障壁層１３１とｉ型のＩｎＧａＡｌＡｓからなる第２障壁層１３２とから構成され、第１障壁層１３１と第２障壁層１３２との間に量子ドット１０５が形成されている。第１障壁層１３１および第２障壁層１３２は、層厚１０〜１００ｎｍ程度に形成されていればよい。
【００１４】
ここで、本実施の形態における素子の製造方法について簡単に説明する。例えば、ＩｎＰ基板を用い、ＩｎＰ基板の上に、ｐ型のＩｎＧａＡｌＡｓ（第３半導体層１０４），ｉ型のＩｎＧａＡｌＡｓ（第２障壁層１３２）を、エピタキシャル成長させる。引き続き、連続した膜状にはならない条件にするなど所定の条件で、ｉ型のＩｎＧａＡｌＡｓの上にＩｎＡｓを島状に成長させる。
【００１５】
引き続き、ｉ型のＩｎＧａＡｌＡｓ（第１障壁層１３１），ｎ型のＩｎＧａＡｌＡｓ（第１半導体層１０２）を結晶成長させる。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などにより行えばよい。次いで、最上層のｎ型のＩｎＧａＡｌＡｓ（第１半導体層１０２）の上に、例えば、蒸着法によりＮｂを堆積する。以上の各工程により、ｐ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層，ｉ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層，ＩｎＡｓ島状層，ｉ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層，ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層，Ｎｂ層の半導体超伝導体積層構造が得られる。
【００１６】
なお、上述したように、ＩｎＧａＡｌＡｓを用いることにより、ＩｎＰ基板に格子整合した状態で各半導体層が結晶成長できる。また、ＩｎＧａＡｌＡｓの各組成の比率を変化させることで、ＩｎＧａＡｓのバンドギャップエネルギー０．８ｅＶから、ＩｎＡｌＡｓのバンドギャップエネルギー１．５３ｅＶまで、広い範囲でバンドギャップエネルギーが可変でき、ＩｎＡｓ量子ドットの発光波長を変化させることが容易である。
【００１７】
次に、上述した半導体超伝導体積層構造を、支持基板１１１の上に貼り付ける。Ｎｂ層を支持基板１１１に貼り付ける。支持基板１１１は、例えば、ガラス基板や半導体基板を用いればよい。このようにして貼り付けた後、ＩｎＰ基板を除去する。例えば、ＩｎＰ基板を、研磨して厚さ５０μｍまで薄層化し、薄層化したＩｎＰ基板をウエットエッチングにより除去する。
【００１８】
次に、半導体積層構造を公知のリソグラフィー技術および反応性イオンエッチングによりパターニングし、第１半導体層１０２，第２半導体層１０３，第３半導体層１０４からなる柱状素子部を形成する。柱状素子部は、例えば、直径３００〜６００ｎｍの円筒形状に形成すればよい。以上のことにより、本実施の形態における量子もつれ光子対発生素子が得られる。
【００１９】
ここで、前述したＩｎＡｓ島状層は、複数のＩｎＡｓ島部がｉ−ＩｎＧａＡｌＡｓ層の上に形成される。従って、半導体積層構造においては、複数の量子ドットが設けられている状態となる。これに対し、上述したように、所定の直径に柱状にパターニングすることで、柱状素子部においては、１つの量子ドットが存在する状態にすることが可能となる。言い換えれば、柱状素子部において１つの量子ドットが存在する状態となるように、柱状素子部の径を適宜に設定して形成すればよい。
【００２０】
次に、上述した量子もつれ光子対発生素子による量子もつれ光子対発生方法について、図２のフローチャートを用いて説明する。なお、以下に説明する量子もつれ光子対発生方法は、本素子を超伝導体層１０１を構成する超伝導体（Ｎｂ）が超伝導性を示す温度（９．２Ｋ）にまで冷却した状態で行うものである。
【００２１】
まず、ステップＳ２０１で、上記量子もつれ光子対発生素子の超伝導体層１０１より第１半導体層１０２に対して電子クーパー対を侵入させる。超伝導近接効果としてよく知られているように、ＩｎＧａＡｓなどのショットキーバリア高さが低い半導体にＮｂなどの超伝導体を接触させると、超伝導体中の電子クーパー対が半導体中のフェルミエネルギーに沿って半導体に侵入する。
【００２２】
ただし、上述した量子もつれ光子対発生素子では、第１半導体層１０２，第２半導体層１０３，および第３半導体層１０４からなるｐｉｎ構造の内蔵電位により第２半導体層１０３に空乏層が形成されている。このため、第２半導体層１０３の中の量子ドット１０５にまで、上述した電子クーパー対が侵入することができない。
【００２３】
次に、ステップＳ２０２で、第３半導体層１０４の側より素子（量子もつれ光子対発生素子）に対して連続した第１光を照射し、上記ｐｉｎ構造の内蔵電位を減少させて空乏層を縮小させる。例えば、光源として半導体レーザを用い、波長９８０ｎｍの第１光の照射を開始する。この光照射により、上記ｐｉｎ構造において、光励起により電子および正孔が生成され、内蔵電位により、電子が第１半導体層１０２に、正孔が第３半導体層１０４に分離される。
【００２４】
このようにして、光生成して空間分離された電子および正孔が、各々第１半導体層１０２および第３半導体層１０４にたまると、発生する光起電力により内蔵電位が打ち消されて減少していく。この状態では、第１半導体層１０２にまで侵入した電子クーパー対が、上述した内蔵電位の減少に伴う空乏層の縮小により、量子ドット１０５の近くにまで侵入する状態となる。
【００２５】
ここで、第１光の照射では、超伝導体層１０１から侵入した電子クーパー対が、量子ドット１０５の近くにまで侵入する状態とすることが重要である。このとき上記電子クーパー対は、量子ドット１０５に侵入する状態、または、電子クーパー対が、量子ドット１０５より離れすぎている状態ではない。言い換えると、第１光の照射状態を制御することで、電子クーパー対が、量子ドット１０５の近くにまで侵入する状態に制御する（ＤＣバイアス）。
【００２６】
次に、ステップＳ２０３で、上述したように第１光を照射している状態で、第３半導体層１０４の側より素子に対して第２光の照射を開始する。この第２光の照射を設定されている既定の時間だけ照射したら（ステップＳ２０４のｙ）、第２光の照射を停止する（ステップＳ２０５）。なお、ステップＳ２０３〜ステップＳ２０５を所定の時間間隔で繰り返すことで、いわゆるパルス光を照射したことになる。上述した第２光の照射により、空乏層がより縮小する。これにより、近くにまで侵入している電子クーパー対が、量子ドット１０５に侵入する状態となる。
【００２７】
このことにより、量子ドット１０５の伝導帯に電子クーパー対を配置させるとともに、第２光の照射により生成する１つの正孔対を量子ドット１０５の価電子帯に配置させ、電子クーパー対と正孔対の発光再結合を起こさせて量子もつれ光子対を発生させる。このように、本実施の形態によれば、１つの電子クーパー対と１つの正孔対を再結合させて発光させているので、２つの光子が同時に生成され、量子もつれ光子対が生成されるようになる。また、上述した状態は、第２光照射のオンオフ（パルス）により制御されており、量子もつれ光子対を意図した状態で生成させることができる。
【００２８】
ここで、第２光は、新たに量子もつれ光子対が発生する（発生可能な）状態となる前に照射を停止することが重要となる。例えば、光源として半導体レーザを用い、波長１３００ｎｍでパルス幅５０ｐｓの第２光を照射すればよい。パルス幅は、例えば、上述した発光再結合が起きる前に停止する間隔とすればよい。なお、量子ドット１０５における発光寿命は１ｎｓ程度であるので、第２光はこれよりも短いパルスであればよく、例えば１００ｐｓ幅のパルス光であってもよい。このようにすることで、１対の量子もつれ光子対を、第２光のパルス毎に発生させることができる。また、高速なパルス励起により、量子もつれ光子対を高速に発生させることができる。また、励起波長は、量子ドット１０５の発光波長より短波長であれば任意の波長で励起できる。パルスの繰り返し周波数は、最大で発光寿命の逆数の１ＧＨｚ程度が可能である。
【００２９】
次に、上述した量子もつれ光子対発生方法を実現する装置について説明する。図３は、量子もつれ光子対発生装置の構成例を示す構成図である。この装置において、第１光源３０１から出射した第１光は、単一モード光ファイバー３０２，光合波器３０３により導波し、半反射ミラー３０４で反射し、単一モード光ファイバー３０５により導波し、集光レンズ３０６で集光されて量子もつれ光子対発生素子３１１に入射する。第１光源３０１は、例えば、波長９８０ｎｍの連続した第１光を出射する半導体レーザである。
【００３０】
上述したようにすることで、第１光が量子もつれ光子対発生素子３１１に入射している状態で、第２光源３０７より出射した第２光は、単一モード光ファイバー３０８により導波して光合波器３０３で第１光に合波され、半反射ミラー３０４で反射し、単一モード光ファイバー３０５により導波し、集光レンズ３０６で集光されて量子もつれ光子対発生素子３１１に入射する。第２光源３０７は、例えば、波長１３００ｎｍのパルス幅５０ｐｓのパルス光である第２光を出射する半導体レーザである。
【００３１】
上述したようにすることで、第１光に加えて第２光が入射されたことで、量子もつれ光子対発生素子３１１より生成された量子もつれ光子対は、集光レンズ３０６を透過して単一モード光ファイバー３０５により導波し、半反射ミラー３０４を透過して単一モード光ファイバー３０９により導波し、超伝導単一光子検出器３１０により検出される。
【００３２】
ここで、図４の計算結果に示すように、集光レンズ３０６を、開口数（ＮＡ）０．８のレンズから構成することで、高い光子対取り出し効率が得られるようになる。例えば、図４から分かるように、量子もつれ光子対発生素子の柱状素子部の素子径が４００ｎｍの場合において、光子対取り出し効率を８０％とし最大とすることができる。なお、図４に示す結果を得るための計算は、ＦＤＴＤ（finite difference time domain）法を用いる。この計算方法は、電磁界に関するマクスウエルの基本微分方程式をそのまま差分化して計算しているので、厳密に正確な計算結果が得られることが知られている。
【００３３】
次に、本実施の形態における量子もつれ光子対発生素子を用いた量子もつれ光子対発生方法における、光励起による光起電力および光電流を測定した結果について図５に示す。図５は、入力する励起光のパワーに対する光起電力および光電流の変化を示す特性図である。図５より、０．３ｍＷ程度の光励起で発生する光起電力により、内蔵電位が打ち消され、光電流が流れ始めることが分かる。
【００３４】
以上に説明したように、本発明では、ｐｉｎ構造内のｉ層（第２半導体層）に１つの量子ドットを備え、ｎ層（第１半導体層）に接して超伝導体層を設け、連続光照射によりｐ層（第３半導体層）に正孔が蓄積されている状態で量子ドットの近くにまで電子クーパー対が侵入できる状態とし、パルス光照射により量子ドットに１つの正孔対を生成させるようにした。この結果、本発明によれば、１つの量子もつれ光子対が、制御した状態で生成できるようになる。
【００３５】
このように、本発明によれば、人造原子ともいわれる半導体量子ドットの量子準位を用い、量子ドットの伝導帯に電子クーパー対を，価電子帯の量子準位に１つの正孔対を分布させ、一度にただ一対だけの量子もつれ光子対を生成する半導体発光素子が実現できるようになる。
【００３６】
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。例えば、柱状素子部は、円筒形状に限るものではなく、四角柱の状態に形成してもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１０１…超伝導体層、１０２…第１半導体層、１０３…第２半導体層、１０４…第３半導体層、１０５…量子ドット、１１１…支持基板、１３１…第１障壁層、１３２…第２障壁層。
【図１】
0005765783.tif 000002
【図２】
0005765783.tif 000003
【図３】
0005765783.tif 000004
【図４】
0005765783.tif 000005
【図５】
0005765783.tif 000006