(57)【要約】【課題】単一の光子を確実に発生できる単一光子発生装置を提供する。【解決手段】量子ドット中に組成勾配を形成し、光励起された電子とホールとを、空間的に分離した位置にそれぞれ保持する。単一光子発生時には、かかる量子ドットに電界を印加し、保持されている電子とホールとを再結合させる。その際、再結合のタイミングを、光励起後、前記量子ドット中に形成されている励起子分子の再結合寿命に相当する時間が経過した後になるように設定する。【選択図】          図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ドットを含む励起子発生部と、
前記励起子発生部中に励起子を生成させる励起部と、
前記励起子発生部における励起子の再結合タイミングを制御する再結合制御部と、
前記励起子発生部に設けられ、前記励起子の再結合により生じた単一光子を通過させる光学窓とよりなり、
前記再結合制御部は、前記励起子発生部において前記励起子の再結合を、前記励起子の励起後、前記励起子発生部における励起子分子の再結合寿命よりも長い時間が経過した後で生じさせることを特徴とする単一光子発生装置。
【請求項２】
前記励起子発生部は、前記量子ドット内にタイプＩＩのヘテロ接合を含むことを特徴とする請求項１記載の単一光子発生装置。
【請求項３】
前記前記量子ドットは、組成を一の側から他の側に向かって連続的に変化させることを特徴とする請求項２記載の単一光子発生装置。
【請求項４】
前記量子ドットは、Ｓ−Ｋモード成長した量子ドットよりなることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の単一光子発生装置。
【請求項５】
前記量子ドットは、一対のＡｌＡｓ層の間に狭持されたＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層との積層よりなり、前記ＩｎＡｓ層は前記ＧａＳｂ層に向かって組成を連続的に変化させることを特徴とする請求項１〜４記載の単一光子発生装置。
【請求項６】
前記再結合制御部は、前記励起子発生部に設けた電極と、前記電極にバイアス電圧を印加する電圧源と、前記バイアス電圧の前記電極への印加を制御するスイッチ回路とよりなり、前記スイッチ回路は前記電極への前記バイアス電圧を、励起子分子の再結合寿命よりも長い間隔で行うことを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載の単一光子発生装置。
【請求項７】
さらに前記単一光子の光路上に設けられた光学ゲート部材を含むことを特徴とする請求項１〜６のうち、いずれか一項記載の単一光子発生装置。
【請求項８】
前記光学ゲート部材は、前記再結合制御部により制御され、前記励起子の再結合に同期して前記単一光子を通過させることを特徴とする請求項７記載の単一光子発生装置。
【請求項９】
媒体中に励起子を励起する工程と、
前記励起子を再結合されることにより単一光子を発生させる工程とよりなる単一光子発生方法であって、
前記再結合工程は、前記励起工程の後、前記媒体中における励起子分子の再結合寿命よりも長い時間経過後に行われることを特徴とする単一光子発生方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に光源装置に係り、特に単一光子発生装置に関する。
【０００２】
電子政府や電子商取引など次世代情報化社会の実現に向けて、安全・確実な暗号通信は必要不可欠である。
【０００３】
現在インターネットで広く用いられているＲＳＡ公開暗号鍵方式は、素因数分解を多項式時間で解くことは困難であるという計算量の側面によってのみ、その安全性を保証されている。しかしながら、並列計算を高速に実行できる量子計算機が登場すれば、このような暗号を解読するのにかかる時間は飛躍的に短縮されると考えられている。また公開暗号鍵方式では第三者によるデータの複製、すなわち盗聴や改ざんを防ぐことも不可能である。
【０００４】
こうした安全性の問題を解決する手段として期待されているのが量子暗号である。
【０００５】
量子暗号は、従来のような光子の集合体ではなく、光子一つ一つに情報をのせて伝送する。
【０００６】
情報の１ビットを１つの光子に、例えば偏光情報の形で付与した場合、各々の光子の保持する情報は、不確定性原理およびｎｏ−ｃｌｏｎｉｎｇ定理に従うため、光子の状態を破壊することなしにはビット情報を取り出すことができなくなる。そこで通信経路上の第三者が情報の複製や改ざんを行った場合、このような行為は直ちに検知される。
【０００７】
すなわち、量子暗号を使った場合、二者間で共有された暗号鍵の安全性は、情報の担い手が単一光子である限り、計算量的困難性ではなく物理的原理に基づいて保証される。一方、このような暗号鍵の安全性を確保し盗聴のリスクを排除するためには、信頼性の高い単一光子源が必須になる。
【０００８】
【従来の技術】
従来の量子暗号実験においては、擬似的な単一光子源として、強度を弱めたパルスレーザ光が用いられている（Ｒｅｖ．  Ｍｏｄ．  Ｐｈｙｓ．，  ｖｏｌ．  ７４，  １４５  （２００２））。この技術では光子の存在確率が１０パルス中平均１個程度になるまでレーザ光をアッテネータで減衰させており、セットアップが簡便、波長が可変、しかも室温動作が可能という利点を有している。一方、この従来技術では、単一光子の生成されるタイミングはポアソン分布に従うため、全く光子が放出されない、あるいは複数個の光子が同時に放出されてしまう確率が有限の割合で存在し、非効率的であるとともに、安全性の点からも問題を有している。複数個の光子が実質的に同時に伝送された場合には、上記の安全性は保障されない。
【０００９】
一方、レーザ光の減衰とは異なる原理を使った単一光子生成機構も提案されている。
【００１０】
Ｋｉｍらの報告する単一光子ターンスタイル素子は、半導体のｐｎ接合で発生するクーロン・ブロッケード効果を用い、外部変調電場ごとに単一光子を生成する（Ｎａｔｕｒｅ，  ｖｏｌ．  ３９７，  ５００  （１９９９））。またＬｏｕｎｉｓらは、ｔｅｒｒｙｌｅｎｅ分子をｐ−ｔｅｒｐｈｅｎｙｌの薄片に埋め込む方法で最大６．２５ＭＨｚの繰り返しで単一光子を生成可能と報告している（Ｎａｔｕｒｅ，  ｖｏｌ．  ４０７，  ４９１  （２０００））。しかしながら前者は動作温度が５０ｍＫと極めて低く、バックグラウンド電流による余計な光子も発生してしまい、後者は母体のｐ−ｔｅｒｐｈｅｎｙｌが余計な光子が発生してしまうなどの問題が残るため、実用的な量子暗号装置としては不満足なものである。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−２６８１０４号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開２００１−２３０４４５号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
量子暗号装置に使われる単一光子光源として要求される条件は、次の２点である。
【００１４】
▲１▼  同時に複数個の光子が放出されないこと（アンチバンチング）
▲２▼  任意のタイミングで単一光子を放出できること（フォトン・オンデマンド）
従来の技術では、上記▲１▼，▲２▼のいずれか、あるいはその両方において課題が残されていた。▲１▼が満たされなければ盗聴を看過する確率が増え、一方▲２▼が満たされなければ受信側のエラーが増え、十分なビットレートを得ることができなくなる。
【００１５】
そこで本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な光源装置を提供することを概括的課題とする。
【００１６】
本発明のより具体的な課題は、上記２つの条件を同時に満たすことのできる単一光子生成装置および方法を提供する。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、量子ドットを含む励起子発生部と、前記励起子発生部中に励起子を生成させる励起部と、前記励起子発生部における励起子の再結合タイミングを制御する再結合制御部と、前記励起子発生部に設けられ、前記励起子の再結合により生じた単一光子を通過させる光学窓とよりなり、前記再結合制御部は前記励起子発生部において前記励起子の再結合を、前記励起子発生部における励起子分子の再結合寿命よりも長い間隔で発生させることを特徴とする単一光子発生装置により、解決する。
【００１８】
また本発明は上記の課題を、媒体中に励起子を励起する工程と、前記励起子を再結合されることにより単一光子を発生させる工程とよりなる単一光子発生方法であって、前記再結合工程は、前記媒体中における励起子分子の再結合寿命よりも長い間隔で行われることを特徴とする単一光子発生方法により、解決する。
【００１９】
本発明は、再結合により単一光子を発生させる励起子の再結合寿命が、再結合の結果複数の光子を発生させてしまう励起子分子（ｂｉｅｘｃｉｔｏｎ）の再結合寿命よりも長いことをその原理としている。すなわち本発明によれば、励起子発生部を構成する媒体中に励起された励起子の再結合により単一光子を発生させる際に、前記励起子の再結合を、前記媒体中に同時に励起された励起子分子の再結合が終了したタイミングで行うことにより、単一光子を確実に抽出することが可能になる。このような励起子は、量子ドット、特にタイプＩＩのヘテロ接合を形成する量子ドット中に光励起により容易に形成することが可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
図１は、本発明の第１実施例による単一光子発生装置１０の構成を示す。
【００２１】
図１を参照するに、前記単一光子発生装置１０はｎ型ＧａＡｓ基板１１上にエピタキシャルに形成された厚さが約２０〜３０ｎｍの非ドープＡｌＡｓバリア層１２を含み、前記ＡｌＡｓバリア層１２上にはＩｎＡｓ−ＧａＳｂ系の量子ドット１３が後で説明するＳ−Ｋ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｗ）モード成長機構により、多数形成されている。
【００２２】
図２に示すように前記量子ドット１３の各々は内部に組成勾配を有しており、内側がＩｎＡｓに富んだ組成を、また外側がＧａＳｂに富んだ組成を有している。
【００２３】
さらに前記バリア層１２上には前記量子ドット１３を埋めるように、厚さが約２０〜３０ｎｍの別の非ドープＡｌＡｓバリア層１４がエピタキシャルに形成されており、さらに前記バリア層１４上には厚さが約２０ｎｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層１５がエピタキシャルに形成されている。
【００２４】
前記コンタクト層上には前記複数の量子ドット１３の一つに対応して直上に形成された光学窓１６Ａを有する上部電極１６がオーミックに形成されており、また前記ＧａＡｓ基板１１の下面には下部電極１７がオーミックに形成されている。
【００２５】
図１の単一光子発生装置１０はさらに前記量子ドット１３を照射するように設けられた発振波長が８００ｎｍ〜１μｍ程度の半導体レーザ１８を含み、前記半導体レーザ１８は前記量子ドット１３中に、レーザビーム１８Ａを照射することにより、図３（Ａ）において説明するように励起子を励起する。
【００２６】
さらに図１の単一光子発生装置１０は電極１６と１７との間にスイッチ回路１９Ａを介して接続されたバイアス電源１９を備え、前記スイッチ回路１９Ａが制御回路１９Ｂに制御の下に閉じられると、前記バイアス電源１９からの逆バイアス電圧が前記電極１６，１７間に印加される。
【００２７】
図３（Ａ）は、図１中の量子ドット１３の、非バイアス状態におけるバンド構造図を示す。
【００２８】
図３（Ａ）を参照するに、前記量子ドット１３にそのバンドギャップに対応した波長νを有する励起光パルスが入来すると電子１とホール２とが励起されるが、前記量子ドット１３では先に説明した組成傾斜に対応して伝導帯Ｅｃおよび価電子帯Ｅｖが傾斜しているため、励起された電子はＩｎＡｓに富んだ量子ドット１３の下端部に、また励起されたホールはＧａＳｂに富んだ量子ドット１３の上端部に、図中に矢印で示すように空間的に分離して、すなわち分極した状態で保持され、励起子を形成する。このような励起子は、電子とホールの波動関数の重なりが少ないため安定で、１．７〜１．８ナノ秒に達する再結合寿命が実現される。
【００２９】
一方図３（Ｂ）に示すように前記スイッチ１９Ａを閉じて前記電極１６，１７間に逆バイアス電圧を印加した場合、前記量子ドット１３中のバンドは印加電界の効果により平坦化され、図３（Ａ）に示す電子１とホール２の局在化ないし分極が解除される。この場合には電子とホールの波動関数は重なり、これらの電子１とホール２とは前記量子ドット１３中において容易に再結合する。その結果、単一の光子３が発生し、放出される。
【００３０】
このようにして放出された単一光子は、図１に示すように前記電極１６に形成された光学窓１６Ａを通って出射し、さらに制御装置１９Ｂにより前記スイッチ回路１９Ａと同期して制御される音響光学素子などの光学ゲート部材２０でゲートされ、必要に応じて図示していない量子コンピュータなどに供給される。
【００３１】
図３（Ａ）のレーザ１８を使った励起過程では、前記励起光の照射により複数の電子およびホールが励起され、その結果、励起子分子（ｂｉｅｘｃｉｔｏｎ）が形成されるのが避けられない。しかし、これら複数の電子およびホールでは図４に概略的に示すように空間的な分離の程度が図３（Ａ）の場合と比較して小さく、従ってこれらの電子およびホールは短時間に、典型的には励起後数百ピコ秒以内に再結合して効率的に消滅する。これに対し励起子分子は、先にも説明したように電子とホールの空間的な分離効果により、単一の励起子の場合よりも長い、１．７〜１．８ナノ秒程度の再結合寿命を有している。
【００３２】
そこで図１の単一光子発生装置１０において前記制御装置１９Ｂを、前記制御装置１９Ｂが前記スイッチ１９Ａを、前記レーザビーム１８Ａによる励起の後、励起子分子の再結合寿命以上の時間、例えば１ナノ秒の時間が経過した後で駆動するように構成することにより、確実に単一光子のみを発生させることが可能になる。その際、前記単一光子の放出に先立って前記励起子分子の再結合により放出される光子は、前記光学ゲート部材２０を前記スイッチ回路１９Ａに同期して駆動することにより遮断することができる。
【００３３】
なおこのような光学ゲート部材２０としては、ＫＨ２ＰＯ４やＮＨ４Ｈ２ＰＯ４、さらにはＬｉＮｂＯ３やＬｉＴａＯ３などの電気光学結晶を使った高速光スイッチ素子を使うことができる。
【００３４】
なお前記量子ドット１３をＳ−Ｋモード成長により形成した場合には、前記ＡｌＡｓバリア層１２上における量子ドット１３の分布は一般にランダムになるが、図１の単一光子発生装置１０では前記電極１６中の光学窓１６Ａを前記複数の量子ドット１３の一つに対応させて形成しているため、他の量子ドットからの光子放出は電極１６により遮断される。換言すると、図１の単一光子発生装置１０では電極１６は光学マスクとしても機能している。
【００３５】
図５（Ａ）〜（Ｄ）は、図１の単一光子発生装置１０の動作を説明する図である。
【００３６】
図５（Ａ）を参照するに、半導体レーザ１８からのレーザ光１８Ａ中の各々のパルスに対応して図５（Ｂ）に示すように励起子が励起されるが、このうち複数の電子およびホールからなる励起子分子は図５（Ｂ）中に実線で示すように直ちに消滅する。一方、単一電子および単一ホールよりなる励起子は図５（Ｂ）中に破線で示すように再結合寿命が長く、励起子分子が消滅した後も存在している。
【００３７】
そこで図１の単一光子発生装置１０では制御装置１９Ｂが前記スイッチ１９Ａを図５（Ｃ）のタイミングで駆動し、その結果図５（Ｃ）のタイミングで単一電子が放出される。
【００３８】
さらに図１の単一光子発生装置１０では、前記光学ゲート部材２０を図５（Ｄ）のタイミングで駆動することにより、発生した単一光子のうち、必要なものだけを取り出して、量子コンピュータ等の外部装置に供給することが可能になる。［第２実施例］
次に、図１の構成で使われる量子ドット１３の作製方法を本発明の第２実施例として、図６を参照しながら簡単に説明する。
【００３９】
図６を参照するに、表面にＡｌＡｓ層１２をエピタキシャルに形成されたＧａＡｓ基板１１はＭＢＥ装置中に導入され、６００℃の基板温度に保持される。さらにそれぞれ８５０℃および３００℃のセル温度に保持されたＩｎセルとＡｓセルとからの分子ビームにより、前記ＡｌＡｓ層１２上にはＩｎＡｓ層が２〜３分子層程度形成されるが、ＩｎＡｓ層１３ａはＧａＡｓ基板１１に対して歪み系を形成するため、堆積したＩｎ原子およびＡｓ原子はＡｌＡｓ層１２表面において凝集し、径が２０ｎｍ程度のＩｎＡｓアイランドないしドット１３ａを形成する。
【００４０】
本実施例ではこのようなＩｎＡｓドット１３ａ形成した後、ＩｎＡｓに対してタイプＩＩのヘテロ接合を形成するＧａＳｂ層を、それぞれ９５０℃および４８０℃のセル温度に保持されたＧａセルとＳｂセルとからの分子ビームにより、前記ＩｎＡｓ層１３ａ上にＧａＳｂ層を１５分子層程度形成する。この場合、先にも説明したように格子歪み系の効果により、Ｇａ原子およびＳｂ原子も前記ＩｎＡｓドット１３ａ上に凝集し、前記ＩｎＡｓドット１３ａ上にはＧａＳｂ層１３ｂが形成される。このようなＩｎＡｓ／ＧａＳｂドットは、径が８７Åよりも小さい場合にタイプＩＩのヘテロ接合を形成することが知られている（Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ．  ｖｏｌ．４８，  ４６４３  （１９９３））。
【００４１】
図７は、このようにして形成された図６の構造のバンド構造を示す。
【００４２】
図７を参照するに、ＩｎＡｓドット１３ａとＧａＳｂドット１３ｂとの間には図中に実線で示すようにタイプＩＩのヘテロ接合が形成されているのがわかるが、ＧａＳｂドット１３ｂの成長に伴って前記ＧａＳｂドット１３ｂとＩｎＡｓドット１３ａとの間で元素の混合が生じ、図中に破線で示す組成傾斜を有する単一のドットが形成されるものと考えられる。このようなドットは典型的には２０〜５０ｎｍ程度の径と５〜１０ｎｍ程度の高さを有し、キャリアを三次元的に閉じ込める量子ドット１３を形成する。
【００４３】
なお、以上の実施例において前記タイプＩＩのヘテロ接合を含む量子ドット１３は、ＩｎＡｓとＧａＳｂの積層に限定されるものではなく、ＩｎＧａＰとＩｎＰ、あるいはＧａＡｓＳｂとＩｎＰの積層を使うことも可能である。さらに前記基板１１はＧａＡｓに限定されるものではなく、量子ドット１３に対して歪み系を形成するものであれば、ＩｎＰ基板やＧａＰ基板を使うことも可能である。
【００４４】
また前記量子ドット１３はＭＢＥ法以外にも、ＭＯＣＶＤ法を使って形成することも可能である。
【００４５】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００４６】
（付記１）  量子ドットを含む励起子発生部と、
前記励起子発生部中に励起子を生成させる励起部と、
前記励起子発生部における励起子の再結合タイミングを制御する再結合制御部と、
前記励起子発生部に設けられ、前記励起子の再結合により生じた単一光子を通過させる光学窓とよりなり、
前記再結合制御部は、前記励起子発生部において前記励起子の再結合を、前記励起子の励起後、前記励起子発生部における励起子分子の再結合寿命よりも長い時間が経過した後で生じさせることを特徴とする単一光子発生装置。
【００４７】
（付記２）  前記励起子発生部は、前記量子ドット内にタイプＩＩのヘテロ接合を含むことを特徴とする付記１記載の単一光子発生装置。
【００４８】
（付記３）  前記前記量子ドットは、組成を一の側から他の側に向かって連続的に変化させることを特徴とする付記２記載の単一光子発生装置。
【００４９】
（付記４）  前記量子ドットは、Ｓ−Ｋモード成長した量子ドットよりなることを特徴とする付記１〜３のうち、いずれか一項記載の単一光子発生装置。
【００５０】
（付記５）  前記量子ドットは、一対のＡｌＡｓ層の間に狭持されたＩｎＡｓ層とＧａＳｂ層との積層よりなり、前記ＩｎＡｓ層は前記ＧａＳｂ層に向かって組成を連続的に変化させることを特徴とする付記１〜４記載の単一光子発生装置。
【００５１】
（付記６）  前記再結合制御部は、前記励起子発生部に設けた電極と、前記電極にバイアス電圧を印加する電圧源と、前記バイアス電圧の前記電極への印加を制御するスイッチ回路とよりなり、前記スイッチ回路は前記電極への前記バイアス電圧を、励起子分子の再結合寿命よりも長い間隔で行うことを特徴とする付記１〜５のうち、いずれか一項記載の単一光子発生装置。
【００５２】
（付記７）  前記光学窓は、前記電極に設けられていることを特徴とする付記６記載の単一光子発生装置。
【００５３】
（付記８）  さらに前記単一光子の光路上に設けられた光学ゲート部材を含むことを特徴とする付記１〜７のうち、いずれか一項記載の単一光子発生装置。
【００５４】
（付記９）  前記光学ゲート部材は、前記再結合制御部により制御され、前記励起子の再結合に同期して前記単一光子を通過させることを特徴とする付記８記載の単一光子発生装置。
【００５５】
（付記１０）  前記励起部は、レーザよりなることを特徴とする付記１〜９のうち、いずれか一項記載の単一光子発生装置。
【００５６】
（付記１１）  媒体中に励起子を励起する工程と、
前記励起子を再結合されることにより単一光子を発生させる工程とよりなる単一光子発生方法であって、
前記再結合工程は、前記励起工程の後、前記媒体中における励起子分子の再結合寿命よりも長い時間経過後に行われることを特徴とする単一光子発生方法。
【００５７】
（付記１２）  前記励起子を再結合させる工程は前記媒体に電界を印加する工程を含むことを特徴とする付記１１記載の単一光子発生方法。
【００５８】
（付記１３）  前記媒体は、タイプＩＩのヘテロ接合を形成する量子ドットを含むことを特徴とする付記１１または１２記載の単一光子発生方法。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、励起子発生部を構成する媒体中に励起された励起子の再結合により単一光子を発生させる際に、前記励起子の再結合を、前記媒体中に同時に励起された励起子分子の再結合が終了したタイミングで行うことにより、単一光子を確実に抽出することが可能になる。このような励起子は、量子ドット、特にタイプＩＩのヘテロ接合を形成する量子ドット中に光励起により容易に形成することが可能である。本発明の単一光子発生装置および単一光子発生方法を使うことにより、長距離通信系においても安全かつ確実に鍵配送が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による単一光子発生装置の構成を示す図である。
【図２】図１の単一光子発生装置の一部を拡大して示す図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は、図１の単一光子発生装置の原理を説明する図である。
【図４】図１の単一光子発生装置において単一の量子ドット内に生じる励起子分子の分布を示す図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｄ）は、図１の単一光子発生装置の動作を説明する図である。
【図６】本発明の第２実施例による量子ドットの作成方法を説明する図である。
【図７】図６の量子ドットのバンド構造を示す図である。
【符号の説明】
１０  単一光子発生装置
１１  ＧａＡｓ基板
１２，１４  ＡｌＡｓバリア層
１３  ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ量子ドット
１３ａ  ＩｎＡｓドット
１３ｂ  ＧａＳｂドット
１５  ＧａＡｓコンタクト層
１６  上部電極
１６Ａ  光学窓
１７  下部電極
１８  レーザ
１８Ａ  レーザビーム
１９  バイアス電源
１９Ａ  スイッチ回路
１９Ｂ  制御装置
２０  光学ゲート部材
【図１】
2004253657.tif 000003
【図２】
2004253657.tif 000004
【図３】
2004253657.tif 000005
【図４】
2004253657.tif 000006
【図５】
2004253657.tif 000007
【図６】
2004253657.tif 000008
【図７】
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