(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子２準位系及び前記量子２準位系が集合した系の量子状態を情報とし、量子状態のコヒーレントなユニタリ発展を演算過程とする量子ドット量子コンピュータ素子において、第１の半導体層、第２の半導体材料からなる複数の量子ドット、第４の半導体材料からなるトンネルバリア層、第３の半導体材料からなる量子井戸層を順次積層させた積層構造を備え、前記第１の半導体層、前記第２の半導体材料からなる量子ドット、前記第４の半導体材料からなるトンネルバリア層及び前記第３の半導体材料からなる量子井戸層の各半導体材料を選択することにより、前記量子井戸層の価電子帯のエネルギーを前記各量子ドットの正孔の基底準位より高くし、且つ、前記量子井戸層の伝導帯エネルギーを前記量子ドットの電子の基底準位より高くし、また、前記トンネルバリア層の価電子帯上端のエネルギーを前記量子ドットの正孔の基底準位より低くし、且つ、前記トンネルバリア層の伝導帯エネルギー下端を前記量子井戸層の電子の基底準位より高くするとともに、前記量子ドットを平面内に、前記量子ドット間の間隔が、前記量子ドット間にトンネル遷移、クーロン相互作用、或いは、スピンスピン相互作用の少なくともいずれかが作用する間隔になるように配置し、且つ、前記各量子ドットのサイズにバラツキを持たせることを特徴とする量子ドット量子コンピュータ素子。
【請求項２】
前記量子ドットに、前記量子ドットの基底準位対バンド間遷移エネルギーに共鳴するエネルギー或いはそれ以上のエネルギーの光を照射することによって、前記量子ドットに電子正孔対を発生させ、発生させた前記正孔を前記量子井戸層に空間的に移動させるか、或いは、前記量子井戸層の基底準位対バンド間遷移エネルギーに共鳴するエネルギー或いはそれ以上のエネルギーの光を照射することによって、前記量子井戸層に電子正孔対を発生させ、発生させた前記電子を前記量子ドットに空間的に移動させるかのいずれかによって、前記量子ドットに１個の電子のみが存在するようにしたことを特徴とする請求項１記載の量子ドット量子コンピュータ素子。
【請求項３】
前記量子２準位系として、電子の軌道量子準位或いは電子のスピン状態のいずれかを用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の量子ドット量子コンピュータ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は量子ドット量子コンピュータ素子に関するものであり、特に、量子状態のコヒーレントなユニタリ発展によって量子演算を行うための量子ドットの構造に特徴のある量子ドット量子コンピュータ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、コンピュータにおける演算は、ブール代数に基づくバイナリ素子や論理ゲートを用いて行われていたが、近年、従来の原理に基づくコンピュータの限界を突破する可能性がある演算原理として量子２準位系、即ち、量子ビットを利用した量子計算が注目を集めはじめている（必要ならば、竹内繁樹著，日本物理学会誌，Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．４，ｐｐ．２６３−２７３，１９９９参照）。
【０００３】
ここで、図９乃至図１２を参照して、量子計算の基本的概念を説明する。
図９参照
図９は、キュビット（ｑｕｂｉｔ）の説明図であり、キュビット｜ａ〉は、従来のビット‘０’と‘１’に対応するキュビット｜０〉とキュビット｜１〉との重ね合わせで表され、一般には、‘０’と‘１’の重み付けを決定するパラメータθと、位相に関するパラメータαとよって、
｜ａ〉＝ｃｏｓ（θ／２）｜０〉＋ｅｘｐ（ｉα）ｓｉｎ（θ／２）｜１〉
で表される。
なお、キュビット（ｑｕｂｉｔ）とは、量子ビット（ｑｕａｎｔｕｍ−ｂｉｔ）を縮めたものである。
【０００４】
この様な量子計算のプログラムも、このキュビットに、二つの基本量子ゲートを作用することで構成できることが知られているので、ここで、図１０を参照してこの二つの基本量子ゲートを説明する。
図１０（ａ）参照
図１０（ａ）は、基本量子ゲートの内の１キュビット回転ゲートの説明図であり、１キュビット回転ゲートは、一つのキュビット｜ａ〉における‘０’と‘１’の割合θと位相αを任意の値だけ変化したキュビット｜ａ′〉に変化させるものである。
図における１キュビット回転ゲートＲy （π／２）は、右側の図に示すように、｜ａ〉をｙ軸の回りにπ／２だけ回転させる操作を行う量子ゲートとして表している。
【０００５】
図１０（ｂ）参照
図１０（ｂ）は、基本量子ゲートの内の制御ノットの説明図であり、二つのキュビット｜ａ〉，｜ｂ〉の演算に関する量子ゲートであり、図においては、｜ａ〉を制御キュビットととし、｜ｂ〉を信号キュビットとした例を示している。
この量子ゲートは、｜ａ〉が｜０〉の場合には｜ｂ〉に影響を及ぼさないものの、｜ａ〉が｜１〉の場合には｜ｂ〉に対して｜０〉と｜１〉とを入れ替えるノットゲートとして作用するものである。
なお、右側の図は、演算結果を示す表である。
【０００６】
次に、図１１及び図１２を参照して、量子井戸中の電子準位をキュビットとして利用した量子井戸量子コンピュータの演算過程を概念的に説明する。
なお、図１１は１キュビット回転ゲートの概念的説明図であり、図１１（ａ）はバンドダイヤグラム、図１１（ｂ）はエネルギー準位を示す図であり、また、図１２は制御ノットの概念的説明図であり、図１２（ａ）はバンドダイヤグラム、図１２（ｂ）はエネルギー準位を示す図である。
図１１（ａ）参照
図１１（ａ）は隣接する二つの量子井戸のウエル層の厚さが互いに異なるように構成した場合のバンドダイヤグラムであり、夫々の量子井戸における電子状態を表すケットベクトルを｜ａ〉及び｜ｂ〉とし、その基底状態を｜０〉a ，｜０〉b とし、励起状態を｜１〉a ，｜１〉b としたものである。
【０００７】
図１１（ｂ）参照
図１１（ｂ）は、電圧が印加されない状態のエネルギー準位を示す図であり、隣接する二つの量子井戸の間に相互作用がない場合、｜０〉b と｜１〉b とのエネルギー差（ｈωb ／２π）に相当する電磁波を所定の時間照射した場合、それに伴って起こるラビ振動によって、｜ａ〉の状態に関わりなく、｜ｂ〉の状態を｜０〉b から｜１〉b へ、または、その逆へと入れ替えることができ、位相シフトの操作を行うことが可能になる。
なお、逆に、｜０〉a と｜１〉a とのエネルギー差（ｈωa ／２π）に相当する電磁波を所定の時間照射した場合、それに伴って起こるラビ振動によって、｜ｂ〉の状態に関わりなく、｜ａ〉の状態を｜０〉a から｜１〉a へ、または、その逆へと入れ替えることができる。
【０００８】
図１２（ａ）参照
図１２（ａ）は隣接する二つの量子井戸のウエル層の厚さが互いに異なるように構成するとともに、電圧を印加した場合のバンドダイヤグラムであり、電圧の印加によって各量子井戸のポテンシャル形状が歪み、それに伴って基底状態の波動関数はポテンシャルの底に留まろうと変化する。
一方、励起状態における波動関数は、基底状態の波動関数と直交しようとするので反対方向に偏ることになる。
この場合、波動関数の振幅の二乗は電子の存在確率を表すので、基底状態と励起状態とでは、図において破線の矢印で示すように互いに逆向きの電気双極子をもつことになる。
【０００９】
図１２（ｂ）参照
図１２（ｂ）は、図１２（ａ）における二つの量子井戸の間で、双極子の向きが互いに逆の場合が安定で、同方向の場合に不安定になる相互作用が存在する場合のエネルギー準位を示す図であり、ここで周波数がωb ′の電磁波を入射させた場合、｜ａ〉が｜１〉a の時のみ、｜ｂ〉の状態を選択的に反転させることが可能になり、制御ノットの操作が可能になる。
【００１０】
以上、上記の文献を参照して簡単に説明したが、量子コンピュータは量子２準位系、即ち、量子ビットを情報の単位とするコンピュータであり、その演算は、量子状態のコヒーレントなユニタリ発展、即ち、量子の重ね合わせ状態のシュレディンガー方式に従う時間発展によって行われるものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
この様な量子コンピュータを実現するためには、良質な量子ビットを実現することが重要になるが、量子ビットとしては、他から分離された単一の自由度による２準位系が用いられるため、この様な自由度としては電子の軌道量子準位或いはスピン自由度が望ましい。
【００１２】
この様に、自由度として電子の軌道量子準位或いはスピン自由度を用いるためには、各量子井戸内に単一の電子を導入する必要があるが、光励起によって電子を導入する場合には、光励起によって生じた電子と対になる正孔を分離する必要があり、図１１等に示した単純な量子井戸構造では正孔の分離が困難である。
【００１３】
また、図１１等に示した一次元閉じ込めの量子井戸の場合には、他の二次元に自由度があるので、他からの自由度の分離が充分でないという問題がある。
【００１４】
したがって、本発明は、単一の電子の導入が可能な量子ドットを用いた量子コンピュータ素子を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図１は、一個の量子ドットのバンドダイヤグラムである。
図１参照
（１）本発明は、量子２準位系及び量子２準位系が集合した系の量子状態を情報とし、量子状態のコヒーレントなユニタリ発展を演算過程とする量子ドット量子コンピュータ素子において、第１の半導体層１、第２の半導体材料からなる複数の量子ドット２、第４の半導体材料からなるトンネルバリア層３、第３の半導体材料からなる量子井戸層４を順次積層させた積層構造を備え、第１の半導体層１、第２の半導体材料からなる量子ドット２、第４の半導体材料からなるトンネルバリア層３及び第３の半導体材料からなる量子井戸層４の各半導体材料を選択することにより、量子井戸層４の価電子帯のエネルギーを量子ドット２の正孔の基底準位６より高くし、且つ、量子井戸層４の伝導帯エネルギーを量子ドット２の電子の基底準位７より高くし、また、トンネルバリア層３の価電子帯上端のエネルギーを量子ドット２の正孔の基底準位６より低くし、且つ、トンネルバリア層３の伝導帯エネルギー下端を量子井戸層４の電子の基底準位８より高くするとともに、量子ドット２を平面内に、量子ドット間の間隔が、量子ドット間にトンネル遷移、クーロン相互作用、或いは、スピンスピン相互作用の少なくともいずれかが作用する間隔になるように配置し、且つ、各量子ドット２のサイズにバラツキを持たせることを特徴とする。
【００１６】
この様に、量子井戸層４、トンネルバリア層３、及び、量子ドット２のエネルギー状態を規定することによって、下記（２）に示すように、所定のエネルギーの光を照射することによって、容易に量子ドット２に１個の電子のみが存在することができる。
特に、量子ドット２を相互作用が可能なように近接配置するとともに、各量子ドット２のサイズにバラツキを持たせることにより、平均量子ドット間距離に比べて大きなスポットサイズを持ち、ある特定の単一量子ドット２或いはある特定の単一量子ドットペアの結合準位間隔に共鳴する波長のレーザビームを適切な強度と時間で照射することによって、特定の量子ドット２或いは量子ドットペアを構成する量子ドット２にラビ振動による量子演算を作用させることが可能になる。
なお、この場合のエネルギーの高低は、電子に対するテンシャルエネルギーを表す。
【００１７】
（２）また、本発明は、上記（１）において、量子ドット２に、量子ドット２の基底準位対バンド間遷移エネルギーに共鳴するエネルギー或いはそれ以上のエネルギーの光を照射することによって、量子ドット２に電子正孔対を発生させ、発生させた正孔を量子井戸層４に空間的に移動させるか、或いは、量子井戸層４の基底準位対バンド間遷移エネルギーに共鳴するエネルギー或いはそれ以上のエネルギーの光を照射することによって、量子井戸層４に電子正孔対を発生させ、発生させた電子を量子ドット２に空間的に移動させるかのいずれかによって、量子ドット２に１個の電子のみが存在するようにしたことを特徴とする。
【００１８】
この様に、量子ドット２に、量子ドット２の基底準位対バンド間遷移エネルギーに共鳴するエネルギー或いはそれ以上のエネルギーの光を照射した場合には、量子ドット２において電子正孔対が発生するが、量子井戸層４の価電子帯のエネルギーは量子ドット２の正孔の基底準位６より高い、即ち、正孔に対してはエネルギーが低いので、正孔は容易に量子井戸層４の価電子帯に遷移する。
また、量子井戸層４の基底準位対バンド間遷移エネルギーに共鳴するエネルギー或いはそれ以上のエネルギーの光を照射した場合には、量子井戸層４に電子正孔対が発生するが、量子井戸層４の電子の基底準位８は量子ドット２の電子の基底準位７より高いので、電子は容易に量子ドット２の基底準位に遷移することになる。
【００１９】
量子ドット２を光吸収層として場合には、量子井戸層４における正孔の準位は残りの二次元に関しては連続的に存在するので正孔の移動は容易になり、一方、量子井戸層４を光吸収層とした場合には、電子の質量が小さいので電子がトンネルバリア層３をトンネルしやすくなるが、量子ドット２における電子のエネルギー準位は限られているので、このエネルギー準位と共鳴状態になければ遷移は生じないという短所がある。
【００２０】
（３）また、本発明は、上記（１）または（２）において、量子２準位系として、電子の軌道量子準位或いは電子のスピン状態のいずれかを用いることを特徴とする。
【００２１】
量子２準位系としては、電子の軌道量子準位或いは電子のスピン状態のいずれかが好適であり、特に、自然緩和時間τs を考慮すると、自然緩和時間τs が非常に大きな電子のスピン状態を用いることが好適である。
【００２３】
この様に、量子ドット２を相互作用が可能なように近接配置するとともに、各量子ドット２のサイズにバラツキを持たせることにより、平均量子ドット間距離に比べて大きなスポットサイズを持ち、ある特定の単一量子ドット２或いはある特定の単一量子ドットペアの結合準位間隔に共鳴する波長のレーザビームを適切な強度と時間で照射することによって、特定の量子ドット２或いは量子ドットペアを構成する量子ドット２にラビ振動による量子演算を作用させることが可能になる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図６を参照して本発明の第１の実施の形態の量子ドット量子コンピュータ素子を説明する。
図２（ａ）参照
図２（ａ）は、本発明の第１の実施の形態の量子ドット量子コンピュータ素子の概略的断面図であり、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）により、ＧａＡｓ基板１１上に、厚さが１００〜３００ｎｍ、例えば、１００ｎｍで、Ａｌ組成比が０．２〜０．４、例えば、０．３０のＡｌＧａＡｓバリア層１２、厚さが原子層（約３Å）〜１０原子層（約３０Å）、例えば、２原子層のＧａＳｂ量子井戸層１３、及び、厚さが２〜５ｎｍ、例えば、５ｎｍで、Ａｌ組成比が０．２〜０．４、例えば、０．３０のＡｌＧａＡｓトンネルバリア層１４を順次成長させることによって一次元閉じ込めによる量子井戸構造を形成する。
【００２５】
引き続いて、ＡｌＧａＡｓトンネルバリア層１４上にＩｎＡｓ層を順次成長させることによって、ＩｎＡｓ量子ドット１５を形成したのち、ＩｎＡｓ量子ドット１５を覆うように、厚さが１００〜３００ｎｍ、例えば、１００ｎｍで、Ａｌ組成比が０．２〜０．４、例えば、０．３０のＡｌＧａＡｓバリア層１６を成長させることによって量子ドット量子コンピュータ素子の基本構成が完成する。
【００２６】
なお、この場合のＩｎＡｓ量子ドット１５が形成される過程は、所謂Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（ストランスキー−クラスタノフ）モード（例えば、特願平７−２１７４６６号参照）であり、ＩｎＡｓ層の成長開始当初はＩｎＡｓ成長層が格子不整合に基づく弾性限界を越えないので２次元的に成長が行われ、ＩｎＡｓ濡れ層（ｗｅｔｔｉｎｇ  ｌａｙｅｒ）が成長する。そして、成長を続けると、ＩｎＡｓ濡れ層の厚さが弾性限界を越えた時点で、ＩｎＡｓ濡れ層の表面に量子ドットを形成するための成長核となるオングストロームオーダーの３次元核が離散的に形成され、さらに、成長を続けると、３次元核を成長核としてＩｎＡｓ量子ドット１５が自己形成的に形成されるものである。
【００２７】
図２（ｂ）参照
図２（ｂ）は、この様にして形成した量子ドット量子コンピュータ素子の概略的斜視図であり、ＩｎＡｓ量子ドット１５は二次元的にランダムに分布した状態で形成され、また、この場合、各ＩｎＡｓ量子ドット１５の相互の間隔はｄは、トンネル、クーロン相互作用、或いは、スピンスピン相互作用が生ずる程度の間隔ｄcriticalに十分接近している必要がある。
【００２８】
この場合、トンネルが生ずるためにはｄcritical〜５０ｎｍであり、また、クーロン相互作用が生ずるためにはｄcritical〜１００ｎｍであり、さらに、スピンスピン相互作用が生ずるためのｄcriticalはこれらより小さいので、ｄ＜ｄcritical〜１００ｎｍとなるように製造条件を制御する必要がある。
例えば、直径１μｍの領域内に数１０ｎｍ程度のサイズの量子ドットが、数１０ｎｍの間隔ｄで二次元的にランダムに分布した状態で形成する。
【００２９】
図３参照
この本発明の第１の実施の形態においては、量子井戸層として、ＩｎＡｓとの禁制帯幅と電子親和力の違いにより、価電子帯側の基底準位がＩｎＡｓ量子ドット１５の正孔の基底準位より高くなり、且つ、伝導帯側の基底準位がＩｎＡｓ量子ドット１５の電子の基底準位より高くなるＧａＳｂ量子井戸層１３を用いているが、ＧａＳｂはＧａＡｓ基板１１或いはＡｌＧａＡｓバリア層１２と格子整合しないので、ＧａＳｂ量子井戸層１３を良好に二次元成長させるためには、ＧａＳｂ量子井戸層１３の層厚Ｗを格子不整合に基づく弾性限界Ｗcriticalを越えない範囲内、即ち、Ｗ＜Ｗcriticalの条件において成長させる必要がある。
【００３０】
図４参照
図４は、上記のように形成した本発明の第１の実施の形態の量子ドット量子コンピュータ素子のエネルギー構造の説明図であり、図に示すように、各ＩｎＡｓ量子ドット１５のサイズはばらついているので、各ＩｎＡｓ量子ビット１５の２準位系のエネルギー差、即ち、励起準位１８と基底準位１７との間のエネルギー差にもバラツキが発生する。
【００３１】
また、この場合、量子演算させるためには各ＩｎＡｓ量子ドット１５に１個の電子１９のみを導入する必要があるが、次に、図５を参照して電子の量子ドットへの導入方法を説明する。
図５（ａ）参照
図５（ａ）は、ＧａＳｂ量子井戸層１３を光吸収層とした電子の導入方法を示すバンドダイヤグラムであり、ＧａＳｂ量子井戸層１３の基底準位対バンド間遷移エネルギー、即ち、ＧａＳｂ量子井戸層１３の伝導帯側の基底準位と価電子帯側の基底準位とのエネルギー差に共鳴するエネルギー以上のエネルギーの光ｈνを照射することによって、ＧａＳｂ量子井戸層１３に電子１９−正孔２０の対を発生させ、電子１９をトンネルによって空間的に移動させることによって、ＩｎＡｓ量子ドット１５に一個の電子１９のみが存在するようにする。
【００３２】
この場合、上述のように、ＩｎＡｓとＧａＳｂとの禁制帯幅と電子親和力との違いにより、ＩｎＡｓ量子ドット１５の正孔の基底準位はＧａＳｂ量子井戸層１３の価電子帯側の基底準位よりエネルギーが低くなり、一方、ＩｎＡｓ量子ドット１５の電子の基底準位はＧａＳｂ量子井戸層１３の伝導帯側の基底準位よりエネルギーが低くなる。
したがって、ＧａＳｂ量子井戸層１３で対創生した電子１９はエネルギーの低いＩｎＡｓ量子ドット１５の電子の基底準位へトンネルにより移動することになる。
【００３３】
この場合、ＧａＳｂ量子井戸層１３における閉じ込めは一次元閉じ込めであるので、他の二次元の自由度に関しては、エネルギー的に連続であるので、励起入射光のエネルギーに関する制限は少ないが、電子１９がＩｎＡｓ量子ドット１５へトンネルによって遷移する際に、制限が発生する。
【００３４】
図５（ｂ）参照
図５（ｂ）は、ＩｎＡｓ量子ドット１５を光吸収層とした電子の導入方法を示すバンドダイヤグラムであり、量子ドットの基底準位対バンド間遷移エネルギーに共鳴するエネルギーの光ｈνを照射することによって、量子ドットに電子１９−正孔２０の対を発生させ、正孔２０をＧａＳｂ量子井戸層１３に空間的に移動させることによって、ＩｎＡｓ量子ドット１５に一個の電子１９のみが存在するようにする。
即ち、ＩｎＡｓ量子ドット１５で対創生した正孔２０は正孔２０に対するエネルギーの低いＧａＳｂ量子井戸層１３の正孔の基底準位へトンネルにより移動することになる。
【００３５】
この場合は、ＩｎＡｓ量子ドット１５は三次元閉じ込めであるので、励起入射光のエネルギーに関する制限が大きいものの、ＧａＳｂ量子井戸層１３の価電子帯側の正孔２０のエネルギー準位に関しては二次元の自由度に関しては、エネルギー的に連続であるので正孔２０がＧａＳｂ量子井戸層１３へトンネルによって遷移する際の制限が少ない。
【００３６】
次に、図６を参照して、本発明の第１の実施の形態の演算工程を説明する。
図６参照
図４に示したように、各ＩｎＡｓ量子ドット１５に１個の電子のみが存在するようにしたのち、平均量子ドット間距離ｄに比べて大きなスポットサイズ、例えば、直径１μｍのレーザスポット２２を有し、且つ、特定の量子ビットにだけ共鳴するエネルギーのレーザビーム２１をＩｎＡｓ量子ドット１５に照射する。
この場合、各ＩｎＡｓ量子ドット１５はサイズに応じた波長選択性を有するものの、選択される量子ドットは単一の量子ドットではなく、非常に多くの量子ドットが共鳴することになる。
【００３７】
しかし、量子演算においては、非常に多くのＩｎＡｓ量子ドット１５が共鳴するものの、ラビ振動が離調に対して急激に低下するので、実際には単一の量子ドットまたは量子ドットペアのみを選択して演算が行われるので問題はない。
なお、図における磁場Ｂは、量子演算における量子２準位系として励起準位−基底準位の量子２準位系を利用した場合には必要はない。
【００３８】
ここで、このラビ振動の離調について図７を参照して説明する。
図７参照
図に示すように、量子２準位系として振る舞う量子ドットに、量子２準位系のエネルギー差ω0 に相当する周波数のレーザ光を照射すると、電子の量子状態は基底準位と励起準位との間でラビ周波数νで時間的に振動するが、このラビ周波数νは入射光強度に依存する。
【００３９】
また、入射光の周波数ωの量子２準位系のエネルギー差ω0 からのズレの程度δを、
δ＝（ω−ω0 ）／｜ν｜
で表すと、量子２準位系のエネルギー差ω0 からのズレが大きくなるほど、即ち、離調が大きくなるほど、励起状態にある確率が小さくなり電子が基底準位に存在する確率が大きくなる。
例えば、δ＝５において、図に示すように電子はほとんど基底状態に存在したままの状態となる。
【００４０】
したがって、図６においてレーザビーム２１の周波数が量子２準位系のエネルギー差ω0 に共鳴した場合のみ、即ち、δ＝０の周波数のレーザビームを照射した場合にのみ、ラビ振動が生じ、量子状態の入れ替えが可能になり、それ以外の量子２準位系のエネルギー差ω0 ′を有する量子ドットにおいては量子状態の入れ替えは起こらないことになるので、多数の量子ドットが近接して分布していても、量子演算は、特定の単一の量子ドットまたは量子ドットペアのみを選択して量子演算が行われることになる。
【００４１】
この場合、各ＩｎＡｓ量子ドット１５に電圧を印加しない状態で演算を行った場合、即ち、δ＝０の周波数のレーザビームをΔｔ＝π／｜ν｜の時間だけ照射した場合には、図１１に示したように１キュビット回転ゲートとして作用し、電圧を印加した状態で演算を行った場合には、図１２に示したように制御ノットとして作用する。
【００４２】
この様に、本発明の第１の実施の形態においては、量子演算の実体となる各ＩｎＡｓ量子ドット１５にＡｌＧａＡｓトンネルバリア層１４を介してＧａＳｂ量子井戸層１３を設けているので、各ＩｎＡｓ量子ドット１５に電子が１個のみ存在するように電子を導入することが容易になり、それによって、ＩｎＡｓ量子ドット１５を用いて量子演算を行うことが可能になる。
【００４３】
次に、図８を参照して、本発明の第２の実施の形態の量子ドット量子コンピュータ素子を説明する。
図８参照
この第２の実施の形態の量子ドット量子コンピュータ素子の素子構造は上記の第１の実施の形態と全く同じであるが、量子２準位系を電子のスピンの向きによって形成したものである。
即ち、ＩｎＡｓ量子ドット１５の伝導帯側の基底準位における電子１９の上向きスピン状態と下向きスピン状態とを量子２準位系として用いたものである。
【００４４】
この場合、スピンスピン相互作用によって各ドットのスピンが回転し、その結果２キュビット演算が行われる。
スピンの自然緩和時間τs は、上記の第１の実施の形態における、電子の励起準位−基底準位による量子２準位系の自然緩和時間τs より飛躍的に長いので、量子演算が可能な時間が長くなるという利点がある。
【００４５】
次に、再び、図７を参照して、本発明の第３の実施の形態を説明する。
再び、図７参照
この第３の実施の形態の量子ドット量子コンピュータ素子の構造は上記の第１の実施の形態と同様であるが、この第３の実施の形態においては、量子ドット量子コンピュータ素子に磁場Ｂを印加した状態でレーザビーム２１、マイクロ波、或いは、回転磁場を照射するものである。
即ち、ＩｎＡｓ量子ドット１５における電子の準位は、印加された磁場Ｂによってゼーマン分離することになるので、この分離したゼーマン準位を量子２準位系として用いるものである。
したがって、この場合のレーザビーム２１の波長は、分離した二つのゼーマン準位のエネルギー差に相当するエネルギーの波長を用いる必要がある。
【００４６】
また、この場合の磁場は、二次元的に分布するＩｎＡｓ量子ドット１５に対して一様な磁場でも良いし、或いは、不均一な磁場でも良く、不均一な磁場を印加することによって、各ＩｎＡｓ量子ドット１５のサイズにバラツキがあまりない場合にも、ゼーマン分離は磁場の印加する磁場の大きさに依存するので、量子２準位系のエネルギー差にバラツキを形成することができる。
【００４７】
また、印加する磁場は、時間的に変動する変動磁場であっても良く、時間的に変動する変動磁場を印加することによって、磁場の印加時にのみ量子演算を行うようにすることができる。
【００４８】
以上、本発明の各実施の形態を説明してきたが、本発明は各実施の形態に記載した構成・条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の各実施の形態においては、トンネルバリア層となるＡｌＧａＡｓと両側のバリア層となるＡｌＧａＡｓのＡｌ組成比を同じにしているが、夫々異なったＡｌ組成比にしても良いものである。
【００４９】
さらには、請求項１においては、トンネルバリア層は伝導帯が量子井戸層の伝導帯よりも高い材料を用いるとしているが、別の構成としては、トンネルバリア層としてＡｌＧａＡｓ層等の代わりにＧａＡｓを用いても良いものである。
この場合、ＧａＳｂ層の伝導帯がトンネルバリア層の伝導帯より高くなり、ＧａＳｂ層で光生成された電子正孔対のうち電子は直ちにＧａＳｂ層から外へ漏れ出し、結果的に電子はＩｎＡｓ層へ落ち込むため再結合する確率も下がり、電子正孔の空間分離がより確実に達成される。
【００５０】
さらに、ＡｌＧａＡｓ層が成長する時の基板温度は高温であるため、ＧａＳｂ層やＩｎＡｓ層への熱的ダメージが懸念されるが、ＧａＡｓ層は比較的低温で成長できるので、結晶性の点で優れている。
一方、トンネルバリア層をＧａＡｓ層にした場合には、ＧａＡｓ層の禁制帯幅がＧａＳｂ層やＩｎＡｓ層の禁制帯幅とさほど変わらないでの電子正孔対を光生成するＥＣＲ法に、ＧａＳｂ層やＩｎＡｓ層だけにおいてうまく生成することが困難になるという問題も伴うことになる。
【００５１】
また、上記の各実施の形態の説明においては、量子ドットとしてＩｎＡｓ量子ドットを用いているが、ＩｎＡｓに限られるものではなく、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、或いは、ＩｎＧａＡｌＡｓを用いても良いものであり、いずれにしても、量子井戸層に対して、量子ドットの正孔の基底準位が量子井戸層の価電子帯のエネルギーより低く、且つ、量子ドットの電子の基底準位が量子井戸層の伝導帯エネルギーをより低くなる関係であれば良い。
【００５２】
また、上記の各実施の形態の説明においては、量子井戸層としてＧａＳｂ量子井戸層を用いているが、ＧａＳｂに限られるものではなく、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｌＡｓＳｂ、ＧａＡｌＳｂ、或いは、ＩｎＧａＡｌＡｓＳｂを用いても良いものである。
【００５３】
また、上記の各実施の形態の説明においては、量子井戸層を形成したのち、トンネルバリア層を介して量子ドットを形成しているが、反対でも良い。
即ち、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓバリア層を設けたのちＳＫモードでＩｎＡｓ量子ドットを形成し、次いで、ＩｎＡｓ量子ドットを覆うようにＡｌＧａＡｓトンネルバリア層、ＧａＳｂ量子井戸層、及び、ＡｌＧａＡｓバリア層を順次成長させても良いものである。
【００５４】
また、上記の各実施の形態の説明においては、作製が容易であり、且つ、高い個数密度、例えば、面積比で最大４０％程度の個数密度を実現することができるため、量子ドットをＳｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖモードによる自己形成方法で形成しているが、ＳＫモードに限られるものではなく、例えば、Ｖｏｌｍｅｒ−Ｗｅｂｂｅｒ（ボルマー−ウェッバー）モードを用いても良いものである。
このＶＷモードにおいては、成長開始当初において２次元的成長が行われずに、直接３次元的成長が始まって量子ドットが形成されるものであり、ＳＫモードにおける濡れ層が存在しない様な外観となる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、量子ドットを利用した量子コンピュータ素子を構成する際には、量子ドットに近接して、価電子帯のエネルギーが量子ドットの正孔の基底準位より高く、且つ、伝導帯エネルギーが量子ドットの電子の基底準位より高い量子井戸層を設けているので、各量子ドットに電子が１個のみ存在するようにすることができ、その様な状態で量子演算を行うことによって、エラーのない量子演算が可能になり、ひいては、量子コンピュータの実現に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の量子ドット量子コンピュータ素子の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の量子ドットのバンドダイヤグラムである。
【図４】本発明の第１の実施の形態の量子ドット量子コンピュータ素子のエネルギー構造の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における電子の量子ドットへの導入方法の説明図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態の演算工程の説明図である。
【図７】ラビ振動の説明図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態の量子ドット量子コンピュータ素子の説明図である。
【図９】キュビットの説明図である。
【図１０】基本量子ゲートの説明図である。
【図１１】量子井戸量子コンピュータにおける１キュビット回転ゲートの概念的説明図である。
【図１２】量子井戸量子コンピュータにおける制御ノットの概念的説明図である。
【符号の説明】
１  第１の半導体層
２  量子ドット
３  トンネルバリア層
４  量子井戸層
５  バリア層
６  正孔の基底準位
７  電子の基底準位
８  電子の基底準位
１１  ＧａＡｓ基板
１２  ＡｌＧａＡｓバリア層
１３  ＧａＳｂ量子井戸層
１４  ＡｌＧａＡｓトンネルバリア層
１５  ＩｎＡｓ量子ドット
１６  ＡｌＧａＡｓバリア層
１７  基底準位
１８  励起準位
１９  電子
２０  正孔
２１  レーザビーム
２２  レーザスポット
【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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