(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光子の偏光状態を電子のスピン状態で記憶する量子メモリ装置であって、
量子ドットと、
前記量子ドットに２個の電子と１個の正孔を注入する注入部と、
前記注入部にて注入された２個の電子のいずれかと該注入された１個の正孔との結合にて発生する光子と、前記量子ドット内に残った１個の電子に偏光状態を記憶させる光子と、の間のベル状態を判別することにより、前記記憶させる光子の偏光状態を前記量子ドット内に残った１個の電子のスピン状態に転写するベル状態測定部と、を含む量子メモリ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の量子メモリ装置において、
前記注入部は、前記量子ドットの面内に平行な方向にスピン偏極させた正孔を、前記量子ドットに注入する、量子メモリ装置。
【請求項３】
請求項１に記載の量子メモリ装置において、
前記注入部は、
前記量子ドットが積層されたｎ型半導体層と、
前記量子ドットと前記ｎ型半導体層を挟むように設けられ、前記ｎ型半導体層が有する１個の電子を前記量子ドットに注入するための電圧が印加される少なくとも一対の電極と、
前記量子ドット中に１個の電子および１個の正孔を生成する光を発する励起光源と、を含む、量子メモリ装置。
【請求項４】
請求項１に記載の量子メモリ装置において、
前記注入部は、
前記量子ドットに１個の電子を注入する探針と、
前記量子ドット中に１個の電子および１個の正孔を生成する光を発する励起光源と、を含む、量子メモリ装置。
【請求項５】
請求項４に記載の量子メモリ装置において、
前記量子ドット内の電子のスピン状態を読み出すための磁性体を有するカンチレバーをさらに含む、量子メモリ装置。
【請求項６】
請求項１に記載の量子メモリ装置において、
前記注入部は、
前記量子ドットを挟むように配置されたｎ型半導体層とｐ型半導体層と、
前記量子ドットと前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層を挟むように設けられ、該ｎ型半導体層が有する２個の電子を該量子ドットに注入し、該ｐ型半導体層が有する１個の正孔を該量子ドットに注入するための電圧が印加される少なくとも一対の注入用電極と、を含む、量子メモリ装置。
【請求項７】
請求項６に記載の量子メモリ装置において、
前記注入部は、前記ｐ型半導体層に対して該ｐ型半導体層の成長方向に垂直な電場を印加して前記量子ドットへ注入する正孔を前記量子ドットの面内に平行な方向にスピン偏極するための電圧が印加される少なくとも１対の偏極用電極をさらに含む、量子メモリ装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の量子メモリ装置において、
前記量子ドットを囲むように配置され、前記量子ドットからの発光を制御する共振器をさらに含む、量子メモリ装置。
【請求項９】
２つの量子メモリ装置と、前記２つの量子メモリ装置に共有された量子相関を該２つの量子メモリ装置に記録する情報記録装置と、を含む通信情報設定システムであって、
前記２つの量子メモリ装置のそれぞれは、
量子ドットと、
前記量子ドットに２個の電子と１個の正孔を注入する注入部と、を含み、
前記情報記録装置は、各量子ドットから、前記注入部にて注入された２個の電子のいずれかと該注入された１個の正孔との結合にて発生する光子のベル状態を判定することにより、前記共有された量子相関を、各量子ドットに残った電子のスピンの状態において生成するベル状態測定部を含む、通信情報設定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子情報を物質中に記憶させるための量子メモリ装置および通信情報設定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子状態を情報として用いる量子情報技術は、安全な暗号通信や、秘匿性の高い認証など、従来にない高度なセキュリティ技術を提供する。例えば量子暗号通信では、単一光子の量子状態が情報として伝送されることで、通信路上での盗聴者の存在を確実に検知することができ、安全な鍵配布を行うことが可能になる。
【０００３】
しかし、このような量子暗号通信では、通信路での安全性は保証されても、通信前後の情報は古典的なメモリで保存されているため、保存されている情報の安全性までは保証されない。このため、保存されている情報の安全性をより高めたり、その保存されている情報を高精度の認証などに利用したりするには、情報を量子状態のまま保持するような記憶媒体が必要になる。
【０００４】
また、通信路上では通信誤りが生じるため、長距離量子通信のためには、途中で通信誤りを回復させるような機能を有する量子中継器が不可欠である。量子中継器には、通信セッションの間、量子状態を一時的に保存するような機能（バッファリング）が必要になる。
【０００５】
いずれの場合も、高速で飛び回る光子の量子情報を保持することは難しいため、量子情報技術のより広範な応用には、光の量子情報を物質に書き込んで一時的に保存するような量子メモリが不可欠である。
【０００６】
量子メモリを実現するための条件としては、（１）量子状態の記憶に適した離散準位をもつ物質系をつかうこと、（２）光から物質中の離散準位へ量子情報を転写するためのメカニズムが存在すること、（３）量子情報の保持時間（より具体的には、離散準位間の位相緩和時間）が長いこと、の３点が挙げられる。
【０００７】
光の情報を記憶する量子メモリは、例えばセル中の原子集団を用いて実際に実現されている（非特許文献１参照）。この方式では、光のコヒーレント状態の情報が２つの原子集団に分けて記憶される。もっとも、コヒーレント状態は多くの光子からなる巨視的な状態であり、量子暗号などで用いられるような単一光子の情報を記憶するためには、この装置を利用することはできない。
【０００８】
単一光子の情報を記憶するための物質系としては、トラップ装置で捕獲されたイオンがその一つの候補となる。例えば、Λ型の準位を持つイオンからの発光により、光とイオンの間での量子的な相関（エンタングルメント）の生成が実現されている（非特許文献２参照）。
【０００９】
この方法では、２つの基底状態と１つの励起状態からなるイオン系が用意され、まず基底状態から励起状態に光励起が行われる。この励起状態は、やがて発光により緩和するが、基底状態が２つあるために、２通りのパスを通って緩和が起こる。このとき、発光後のイオンの基底状態と、イオンから放出された光子の偏光との間に、量子力学的な相関（エンタングルメント）が生じる。この光とイオンの間のエンタングルメントを利用すれば、量子テレポーテーションという手法によって、原理的には、光からイオンへと量子情報を移動させることが可能になる。
【００１０】
しかし、この方法の実用化を考えた場合、精巧なトラップ装置が必要になるイオンをメモリとして用いるのは運用上難しい。その点では、現在のデバイスと融和でき、集積化も可能な半導体で、量子メモリを実現することが最も好ましい。
【００１１】
半導体で量子メモリを実現する場合、電子や正孔を３次元的に閉じ込められる半導体量子ドットが、量子メモリとして適している。
【００１２】
半導体量子ドットは、電子および正孔の閉じ込めの結果、離散化された電子準位を用いて量子情報を保持することができる。光の情報を半導体量子ドット（以下、単に「量子ドット」と称する。）に書き込む手法としては、光の偏光と励起されるスピンの間の選択則を用いることができる。
【００１３】
量子ドットが光を吸収すると、量子ドット内には、電子と正孔の対である励起子が生成される。このとき、双極子遷移の選択則のために、入射する光子の偏光と、生成される励起子のスピンの向きの間には、非常に良い対応関係が存在する。これにより、光子の偏光情報を励起子スピンの情報に転写することが可能となる。
【００１４】
ただし、量子ドット中の励起子は、電子と正孔の再結合により、１ns程度の短い時間で発光して緩和してしまう。この場合、量子ドットは、量子情報を安定に保持することができないため、量子ドットはメモリとして使えない。このため、量子ドットをメモリとして使うには、電子と正孔の再結合を防ぐ方法が必須となる。
【００１５】
再結合を防ぐ方法としては、次の２つの方法が考えられている。
【００１６】
まず１つ目は、光吸収によって生成された電子と正孔を、例えば電場などによって、空間的に一旦引き離すという方法である。読み出しの際は、電子と正孔を再び重ねることによって、光の情報として取り出すことができる。
【００１７】
もう一つの方法は、光吸収によって生じた電子・正孔対のうち、正孔の方を量子ドットから引き抜くことで、電子スピンにのみ情報を残すというものである（非特許文献３参照）。電子スピンは、励起子スピン、あるいは正孔スピンに比べても、安定であり、量子情報の保持に適している。
【００１８】
また、一旦、光の情報を電子スピンに転写することができれば、電子スピンの情報をさらに安定な核スピンに書き込む方法も考えられている（非特許文献４参照）。こうすることで、さらに長時間、量子情報の記憶が可能になる。
【００１９】
電子スピンに書き込まれたメモリ情報は、いくつか知られている単一スピン測定によって読み出すことができる。
【００２０】
例えば、量子ドット中のあるスピンを持った電子を、別の量子ドットへとトンネルさせることで、スピンの情報を電荷の情報に変換し、量子ポイントコンタクトなどにより電気的に読み出すことができる（非特許文献５）。
【００２１】
また、高感度な磁性体カンチレバーを電子スピンに近づけることで、電子スピン共鳴による単一スピン反転を検出する方法も実現されている（非特許文献６）。
【００２２】
これらのスピン読み出し法は、ある決まった方向に沿ってスピンを測定する射影測定と考えることができる。
【００２３】
また、量子暗号通信、量子認証といった様々な量子情報処理に応用するには、単に量子状態を記憶するだけでなく、量子状態を変換、制御するような簡単な演算機能を有することが望ましい。
【００２４】
量子ドット中の電子スピンに関しては、量子コンピュータでの情報の基本単位である量子ビットの候補の１つでもあるため、様々な量子状態制御方法が考えられている。
【００２５】
例えば、光によるラマン遷移によって単一電子スピンを制御する方法（非特許文献７参照）や、結合量子ドットにおいて２つの電子スピン間の相互作用を、光や電場によって制御する方法（非特許文献８および非特許文献９参照）などがある。
【００２６】
また、光を使ってスピン状態を測定する方法も考えられている（非特許文献１０参照）。
【非特許文献１】B. Julsgaard, et al., Nature 432, 482 (2004)
【非特許文献２】B. B. Blinov, et al., Nature 428, 153 (2004)
【非特許文献３】R. Vrijen and E. Yablonovitch, Physica E 10, 569 (2001)
【非特許文献４】J. M. Taylor, C. M. Marcus and M. D. Lukin, Phys. Rev. Lett. 90, 206803 (2003)
【非特許文献５】J. M. Elzerman, et al., Nature 430, 431 (2004)
【非特許文献６】D. Rugar, et al., Nature 430, 329 (2004)
【非特許文献７】P. Chen, et al., Phys. Rev. B 69, 075320 (2004)
【非特許文献８】T. Calarco, et al., Phys. Rev. A 68, 012310 (2003)
【非特許文献９】E. A. Stinaff, et al., Science 311, 636 (2006)
【非特許文献１０】A. Shabaev, et al., Phys. Rev. B 68, 201305 (2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
量子ドットで量子メモリを実現するために、電子と正孔を空間的に引き離す方法、および、正孔を量子ドットから引き抜く方法には、それぞれ以下のような課題が存在する。
【００２８】
まず、電子と正孔を引き離す場合の課題を説明する。
【００２９】
量子情報は、電子スピンと正孔スピンの両方に別々に保持される。しかし、正孔スピンは、価電子帯の大きなスピン-軌道相互作用のために、周りの格子振動の影響を受けやすく、記憶保持時間に相当する位相緩和時間が短い。このため、最終的に電子と正孔を結合させ、読み出す際、元の光の情報を忠実に再現することが難しい。
【００３０】
次に、正孔を量子ドットから引き抜いて、最終的に安定な電子スピンのみで情報を記憶する場合の課題を説明する。
【００３１】
単純に正孔を引き抜くだけでは、スピンの情報が外部に漏れてしまい、量子ドットは、安全性の高い量子メモリとして機能しない。このため、光の情報が正孔スピンに乗らないように、特別なバンド構造が設けられたり、歪みを制御したりする必要がある。この条件は、メモリ装置の構造設計、および、メモリ装置に用いることのできる物質などに大きな制約を課す。
【００３２】
このように、この２つの方法では、光によって量子ドット内に電子だけでなく必ず正孔が生成されてしまうことが、安定な量子情報の保持を難しくしている。
【００３３】
また、いずれの場合も、単一光子を、単一の量子ドットに吸収させる必要がある。
【００３４】
しかし、一般的に、空間モード整合などの難しさから、単一量子ドットの吸収効率は非常に小さいものとなる。すなわち、吸収による量子情報の記憶プロセスでは、光子の情報が、小さい確率でしか、量子ドットに記憶されない。
【００３５】
これらの課題を克服するには、トラップされたイオンの場合のように、Λ型の準位を使って、光と物質のエンタングルメントを生成することで、量子情報を書き込む方法が好ましい。
【００３６】
しかし、光学遷移に重い正孔が関わる一般的な自己成長型量子ドットの場合、スピンと偏光との間でエンタングルメントが作れるようなΛ型準位は存在しないため、この方法をそのまま適用することができなかった。
【００３７】
本発明の目的は、上記のような半導体での光吸収の問題を回避しつつ、光の状態を電子スピンとして書き込む量子メモリ装置および量子メモリ装置を用いた通信情報設定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
上記目的を達成するために、本発明の量子メモリ装置は、光子の偏光状態を電子のスピン状態で記憶する量子メモリ装置であって、量子ドットと、前記量子ドットに２個の電子と１個の正孔を注入する注入部と、前記注入部にて注入された２個の電子のいずれかと該注入された１個の正孔との結合にて発生する光子と、前記量子ドット内に残った１個の電子に偏光状態を記憶させる光子と、の間のベル状態を判別することにより、前記記憶させる光子の偏光状態を前記量子ドット内に残った１個の電子のスピン状態に転写するベル状態測定部と、を含む。
【００３９】
上記発明によれば、まず、量子ドット内に、電子２個と正孔１個から成るtrionという状態が生成される。trion状態は、電子１個と正孔１個が再結合することにより発光するため、発光により光子が１個生成された後、量子ドット内には電子が１個残る。このとき、量子ドットから出てくる光子の偏光と、量子ドット内に残った電子のスピン方向との間には、量子力学的な相関（エンタングルメント）が存在する。
【００４０】
この光−電子間のエンタングルメントが存在する状況で、量子ドット中のtrionからの光子と、偏光状態を記憶させる光子と、の間のベル状態を測定し、その測定結果に応じて電子スピンの向きを回転させることで、記憶させたい光子の偏光状態を、量子ドット内の電子のスピン状態に転写する量子テレポーテーションを行うことが可能となる。
【００４１】
このため、半導体での光吸収の問題を回避しつつ、光子の偏光状態を電子スピンとして書き込むことが可能になる。
【００４２】
なお、注入部は、前記量子ドットの面内に平行な方向にスピン偏極させた正孔を、前記量子ドットに注入することが望ましい。
【００４３】
上記発明によれば、発生する光子の偏光と、残った電子のスピンとの間で、完全な量子相関（最大にエンタングルメントした状態）をつくることができる。光子と電子が最大にエンタングルメントした状態を使えば、光子の偏光状態を、忠実に電子のスピン状態に転写することが可能となる。
【００４４】
また、前記注入部は、前記量子ドットが積層されたｎ型半導体層と、前記量子ドットと前記ｎ型半導体層を挟むように設けられ、前記ｎ型半導体層が有する１個の電子を前記量子ドットに注入するための電圧が印加される少なくとも一対の電極と、前記量子ドット中に１個の電子および１個の正孔を生成する光を発する励起光源と、を含むことが望ましい。
【００４５】
上記発明によれば、ｎ型半導体層を、１個の電子の供給源として用いることが可能になり、励起光源を、１個の電子および１個の正孔の供給源として用いることが可能になる。
【００４６】
また、前記注入部は、前記量子ドットに１個の電子を注入する探針と、前記量子ドット中に１個の電子および１個の正孔を生成する光を発する励起光源と、を含むことが望ましい。
【００４７】
上記発明によれば、探針を、１個の電子の供給源として用いることが可能になり、励起光源を、１個の電子および１個の正孔の供給源として用いることが可能になる。
【００４８】
また、前記量子ドット内の電子のスピン状態を読み出すための磁性体を有するカンチレバーをさらに含むことが望ましい。
【００４９】
上記発明によれば、量子ドット内の電子のスピン状態を読み出すことが可能になる。
【００５０】
また、前記注入部は、前記量子ドットを挟むように配置されたｎ型半導体層とｐ型半導体層と、前記量子ドットと前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層を挟むように設けられ、該ｎ型半導体層が有する２個の電子を該量子ドットに注入し、該ｐ型半導体層が有する１個の正孔を該量子ドットに注入するための電圧が印加される少なくとも一対の注入用電極と、を含むことが望ましい。
【００５１】
上記発明によれば、ｎ型半導体層を、２個の電子の供給源として用いることが可能になり、ｐ型半導体層を１個の正孔の供給源として用いることが可能になる。
【００５２】
また、前記注入部は、前記ｐ型半導体層に対して該ｐ型半導体層の成長方向に垂直な電場を印加して前記量子ドットへ注入する正孔を前記量子ドットの面内に平行な方向にスピン偏極するために電圧が印加される少なくとも１対の偏極用電極をさらに含むことが望ましい。
【００５３】
上記発明によれば、量子ドットへ注入する正孔をスピン偏極することが可能になる。
【００５４】
前記量子ドットを囲むように配置され、前記量子ドットからの発光を制御する共振器をさらに含むことが望ましい。
【００５５】
上記発明によれば、trionが生成されてから光子が発生するまでの時間である、自然放出寿命を短くすること、および、その光子の進行方向を制御することが可能になり、ベル測定を高い確率で実行することが可能になる。
【００５６】
また、本発明の通信情報設定システムは、２つの量子メモリ装置と、前記２つの量子メモリ装置に共有された量子相関を該２つの量子メモリ装置に記録する情報記録装置と、を含む通信情報設定システムであって、前記２つの量子メモリ装置のそれぞれは、量子ドットと、前記量子ドットに２個の電子と１個の正孔を注入する注入部と、を含み、前記情報記録装置は、各量子ドットから、前記注入部にて注入された２個の電子のいずれかと該注入された１個の正孔との結合にて発生する光子のベル状態を判定することにより、前記共有された量子相関を、各量子ドットに残った電子のスピンの状態において生成するベル状態測定部を含む。
【００５７】
上記発明によれば、光吸収ではなく発光という過程を使って、２つの量子メモリ装置に共有された量子相関をその２つの量子メモリ装置に記録することが可能になる。このため、通信用（例えば、共通鍵）または認証用に使用されることが可能な量子相関を、半導体での非効率的な光吸収の問題を回避しつつ記録することが可能になる。
【発明の効果】
【００５８】
本発明によれば、量子テレポーテーションによって、光から安定な電子スピン状態へ、量子情報を直接書き込むことが可能になり、光吸収ではなく発光という過程を使っているため、効率的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態である量子メモリ装置を示した模式図である。
【００６０】
図１において、量子メモリ装置は、記憶媒体である量子ドット１と、n型ドープされた半導体層２と、共振器３と、下部電極４と、上部電極５と、１／４波長板６と、ベル状態測定器７と、励起光源８と、を含む。
【００６１】
量子ドット（半導体量子ドット）１は、n型半導体層２上で成長させられて形成される。
【００６２】
共振器３は、２次元フォトニック結晶パターンのような微小共振器構造を有し、量子ドット１の周りに形成される。共振器３は、量子ドット１において電磁波モードを強める。
【００６３】
下部電極４は、n型半導体層２の下部に作成され、上部電極５は、金属蒸着などにより、n型半導体層２の上部に作成される。下部電極４と上部電極５は、n型半導体層２から量子ドット１に１個の電子を注入するために使用される。
【００６４】
１／４波長板６は、量子ドット１から放出された光を変換する。
【００６５】
ベル状態測定器７は、１／４波長板６にて変換された光と、量子ドット１に記憶させる情報を有する光と、の間のベル状態を判別する。
【００６６】
励起光源８は、量子ドット１に励起光を照射する。
【００６７】
次に、動作を説明する。
【００６８】
上部電極５と下部電極４の間に適当な電圧が印加されると、n型半導体層２から、図面横方向の向きのスピンを持つ１個の電子が、量子ドット１へ注入される。なお、ここでは、この図面横方向の電子スピンの状態を
【００６９】
【数１】
0004784750.tif 000002
【００７０】
で表し、以後ｘ方向のスピンと記述する。なお、図面縦方向のスピンは↑や↓で表し、以後ｚ方向のスピンと記述する。
【００７１】
量子ドット１内にスピン偏極した電子をつくるには、例えば、注入後の電子を決まった偏光をもつ光によって偏極させる（光ポンピング）方法が用いられる。また、n型半導体層２の材料として、希薄磁性半導体が用いられれば、n型半導体装置２から量子ドット１へ、直接、スピン偏極電子を注入することができる。
【００７２】
電子が量子ドット１に注入された直後に、励起光源８は、量子ドット１に励起光を入射する。
【００７３】
励起光としては、直線偏光の光が用いられ、その光の吸収により、図面横方向（ｘ方向）のスピンを持つ電子と正孔が生成される。
【００７４】
これにより、量子ドット１内に電子２個と正孔１個が閉じ込められている状態が生成される。このような状態はtrionと呼ばれ、量子ドット１が負に帯電した状態になる。
【００７５】
上記のような方法で生成されるtrionは、スピン状態で表すと、
【００７６】
【数２】
0004784750.tif 000003
【００７７】
という状態になる。以後、一重の矢印↑や↓は電子スピンを表し、二重の矢印⇒は正孔スピンを表すことにする。ここで、パウリの排他則から、２つの電子スピンは、必ず互いに逆を向く。この状態は、スピン一重項状態と呼ばれ、ここでは
【００７８】
【数３】
0004784750.tif 000004
【００７９】
という矢印記号で表している。また、正孔に関しては、図面横方向のスピンをもち、ここでは
【００８０】
【数４】
0004784750.tif 000005
【００８１】
という矢印記号で表している。
【００８２】
自己成長型の量子ドット１は、ｚ方向に強く閉じ込められた扁平な形をしており、ｚ軸周りに最も対称性が良いため、スピン固有状態は通常ｚ方向のスピンを用いて表される。そのため、ここで作られるtrion状態は、実際には
【００８３】
【数５】
0004784750.tif 000006
【００８４】
という、２つの固有状態
【００８５】
【数６】
0004784750.tif 000007
【００８６】
の重ね合わせになっている。
【００８７】
図２は、負に帯電した量子ドット１における光学選択側を示す説明図である。
【００８８】
背景技術で述べた、非特許文献２に記載のトラップされたイオンでは、励起準位が１つしかないΛ型準位系における発光を使っていたのに対し、図２に示した負帯電量子ドット１では、上の励起準位に２つの状態が用いられる。このため、この２つの状態の間のデコヒーレンス（量子状態間の相対位相が乱される効果）があると、エンタングルメントを得ることができない。
【００８９】
しかし、量子ドット１の周りに設けられた共振器３は、電磁波モードを量子ドット１に集中させることにより、負に帯電した量子ドット１が光を発する自然放出過程を速めることができ、結果として、デコヒーレンスが起きる前に、量子ドット１から光（光子）を放出させることができる。これは、Percell効果として知られている。共振器３の効果としては、このPercell効果に加え、通常ランダムな方向に自然放出される光の向きを、図１のように図面真上にそろえることができる。
【００９０】
量子ドット１からの発光は、図２が示すとおり、上向き電子スピンと下向き正孔スピン、あるいは、下向き電子スピンと上向き正孔スピンが再結合することにより起こる。
【００９１】
上向き電子スピンと下向き正孔スピンが再結合した場合、左回り円偏光の光子
【００９２】
【数７】
0004784750.tif 000008
【００９３】
が放出される。逆に下向き電子スピンと上向き正孔スピンが再結合した場合は、右回り円偏光の光子
【００９４】
【数８】
0004784750.tif 000009
【００９５】
が放出される。
【００９６】
したがって、発光により放出された光の偏光と残った電子スピンの間には、エンタングルメントした状態
【００９７】
【数９】
0004784750.tif 000010
【００９８】
が形成される。
【００９９】
図３は、このエンタングルメントを生成するための一連の過程を説明するための説明図である。
【０１００】
なお、励起子発光の場合は、電子・正孔間のスピン交換相互作用のために、放出される光の偏光によって発光波長（エネルギー）が微妙にずれる。これは、両方の発光を同時に共振器に共鳴させることを難しくする。
【０１０１】
また、このエネルギーの違いのために、どちらの遷移が起きたのかという情報が分かってしまい、偏光エンタングルメントが生成できない状況も考えられる。
【０１０２】
しかし、trionの基底状態においては、２つの電子はスピン１重項を形成し、電子スピンの和は０になる。このため、電子・正孔間交換相互作用は０となり、偏光によるエネルギーのずれは生じない。したがって、両方の発光を共振器３に共鳴させることが容易に可能となる。
【０１０３】
また、最大にエンタングルメントした電子・光子対を得るためには、例えば上記のtrionスピン状態
【０１０４】
【数１０】
0004784750.tif 000011
【０１０５】
のように、横方向の正孔スピンを用意する必要があるが、このスピン状態以外でも、
【０１０６】
【数１１】
0004784750.tif 000012
【０１０７】
【数１２】
0004784750.tif 000013
【０１０８】
以外の方向をもつスピン状態であれば、ある程度エンタングルメントした電子・光子対を得ることができる。
【０１０９】
発光により生成した光子は、１／４波長板６に通される。ここで、右回り円偏光
【０１１０】
【数１３】
0004784750.tif 000014
【０１１１】
は水平の直線偏光Hに、左回り円偏光
【０１１２】
【数１４】
0004784750.tif 000015
【０１１３】
は垂直の直線偏光Vにそれぞれ変換される。このとき、エンタングルメントした状態は、
【０１１４】
【数１５】
0004784750.tif 000016
【０１１５】
のようになる。
【０１１６】
この光子は、次に、ベル状態測定器７に入射する。ベル状態測定器７には、書き込みたい入力光子（光）も同時に入射する。この入力光子の状態を、
【０１１７】
【数１６】
0004784750.tif 000017
【０１１８】
とする。
【０１１９】
ベル状態測定器７は、入力光子と、量子ドット１での発光により生成された光子と、の間で、一括測定を行い、その２つの光子のベル状態が、以下の４つのベル状態のいずれに属するのかを決定する。
【０１２０】
【数１７】
0004784750.tif 000018
【０１２１】
【数１８】
0004784750.tif 000019
【０１２２】
【数１９】
0004784750.tif 000020
【０１２３】
【数２０】
0004784750.tif 000021
【０１２４】
また、この４つの測定結果に応じて、量子ドット１中の電子のスピンの向きに回転が与えられる。
【０１２５】
この結果、量子テレポーテーションにより、量子ドット１中の電子のスピン状態は
【０１２６】
【数２１】
0004784750.tif 000022
【０１２７】
となり、入力光子の状態が量子ドット１中の電子のスピンに転写される。
【０１２８】
この書き込み方法の利点としては、以下の２点が考えられる。（１）trion発光後は、量子テレポーテーションによって、光から電子へ直接情報が転写されるので、デコヒーレンスの原因となる正孔が発生しない。（２）吸収という過程はなく、発光という過程を用いているので、効率的である。
【０１２９】
また、量子ドット１に転写された情報の読み出しも、光によって行うことができる。
【０１３０】
図４は、量子ドット１の成長方向のスピン情報の読み出しを説明するための説明図である。
【０１３１】
量子ドット１の成長方向のスピン情報を読み出すために、図４のように、右回り円偏光σ+を持った励起光が量子ドットに１に入射されると、量子ドット１は共鳴励起される。
【０１３２】
このとき、電子スピン状態が
【０１３３】
【数２２】
0004784750.tif 000023
【０１３４】
であれば、励起光によって、量子ドット１はtrion状態
【０１３５】
【数２３】
0004784750.tif 000024
【０１３６】
に励起され、すぐに偏光σ+の光子を放出して緩和する。
【０１３７】
したがって、励起後、量子ドットから光子の放出が観測されれば、電子スピン状態は
【０１３８】
【数２４】
0004784750.tif 000025
【０１３９】
だったことが分かり、観測されなければ、電子スピン状態は
【０１４０】
【数２５】
0004784750.tif 000026
【０１４１】
であることが分かる。
【０１４２】
この読み出し方法の利点は、読み出し過程を繰り返せることである。
【０１４３】
電子スピンが
【０１４４】
【数２６】
0004784750.tif 000027
【０１４５】
の状態にあれば、trion状態
【０１４６】
【数２７】
0004784750.tif 000028
【０１４７】
に励起された後も、輻射緩和後再び状態
【０１４８】
【数２８】
0004784750.tif 000029
【０１４９】
に戻る。
【０１５０】
電子スピンが
【０１５１】
【数２９】
0004784750.tif 000030
【０１５２】
の状態にあれば、光を入射した後も状態は
【０１５３】
【数３０】
0004784750.tif 000031
【０１５４】
のままである。
【０１５５】
すなわち、光による読み出し過程のあとも、スピンは同じ状態にあるため、さらに同様の読み出し操作を繰り返すことができる。
【０１５６】
これにより、検出器の量子効率が悪く、量子ドット１から出た１光子をsingle shot検出できなかった場合でも、読み出しを繰り返すことで確実な測定が可能となる。
【０１５７】
また、上記の方法と同様のメカニズムを利用して、別の検出法を用いることもできる。スピン右回り円偏光を持った光を量子ドットに入射されたとき、電子スピン状態が
【０１５８】
【数３１】
0004784750.tif 000032
【０１５９】
であれば、trionの励起に伴い、入射光の一部が量子ドットに吸収されるため、入射した光の透過率は減少する。一方、電子スピン状態が
【０１６０】
【数３２】
0004784750.tif 000033
【０１６１】
であれば、trionの励起は起こらないため、透過率は減少しない。そこで、図５のように、入射した光の透過率を観測する方法でも、スピン状態の判別が可能となる。
【０１６２】
なお、ここで述べた２つの方法は、スピンが上向きか下向きか、という、ある決まった軸（ここではｚ軸）にそってのみスピン状態を調べる方法である。このように、ある軸（基底）に関してのみ量子状態を調べるような測定は、射影測定と呼ばれる。ｚ軸だけでなく、任意の基底に関してスピン状態を調べたい場合、あらかじめスピンを回転させた後、ここで述べたｚ軸に対する射影測定を行えばよい。
（実施例１）
第１の実施の形態の具体的な実施例を説明する。
【０１６３】
図６は、量子ドット１と、n型半導体層２と、下部電極４と、上部電極５との構造（量子ドットサンプルの構造）の一例を示した説明図である。なお、図６において、図１に示したものと同一のものには、同一符号を付してある。
【０１６４】
基板２ａとしては、この部分での電圧降下を防ぐため、n型の不純物（例えばSi）をドープしたGaAsなどを用いる。このn型基板２ａ上にバッファ層を挟み、ＩｎＡｓ量子ドット１をＭＢＥ成長させる。
【０１６５】
このとき、量子ドット１内に電子を入れるため、量子ドット１から数十nm下の層にSiをハイドープした層２ｂを用意する。Siのドープ量としては、数十Kという低温においてキャリアが減少することを考えると、1018台程度が好ましい。
【０１６６】
また、図６において、不純物におけるtrion状態の非輻射緩和を避けるため、n型ドープ層２ｂと量子ドット１の間にはノンドープのGaAs層２ｃを挟む。さらに、n型ドープ層２ｂから量子ドット１への電子の注入を効率的に行うため、量子ドット１の上部にはGaAs/AlAs超格子、およびAlGaAsからなるキャリアストップ層２ｄを入れる。
【０１６７】
図６で、上下の電極４および５間に印加する電圧を調整して、n型半導体層２から量子ドット１へ電子を注入する。
【０１６８】
共振器３として用いられる微小共振器の構造としては、２次元フォトニック結晶パターンを、図６に示した量子ドットサンプルをエッチングすることにより作成する。このようなフォトニック結晶バターン上に、電磁波モードを集中させるための欠陥を設け、この欠陥上に量子ドット１が位置するようにする。これにより、自然放出が速やかに起こる。また、図面横方向への発光は、フォトニック結晶により禁止され、光は大部分が真上（上部電極５側）に放出される。
【０１６９】
図７は、ベル状態測定器７の一例を示した模式図である。
【０１７０】
図７において、ベル状態測定器７は、ビームスプリッタ（ＢＳ）７ａと、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）７ｂ〜７ｂと、検出器（Ｄ１〜Ｄ４）７ｃ〜７ｃと、を含む。
【０１７１】
ただし、この場合、４つのベル状態のうち、
【０１７２】
【数３３】
0004784750.tif 000034
【０１７３】
と
【０１７４】
【数３４】
0004784750.tif 000035
【０１７５】
は測定により区別することができるが、残りの
【０１７６】
【数３５】
0004784750.tif 000036
【０１７７】
と
【０１７８】
【数３６】
0004784750.tif 000037
【０１７９】
は区別することができない。
【０１８０】
したがって、このベル測定法を用いた場合、２分の１の確率で量子状態を保存することができる。
【０１８１】
なお、次に述べる２つの要因が、確実な量子情報の記憶を難しくする。
【０１８２】
まず、正孔スピン
【０１８３】
【数３７】
0004784750.tif 000038
【０１８４】
が緩和してしまうと、理想的なエンタングルメントができなくなる。これを避けるには、正孔スピンの緩和時間
【０１８５】
【数３８】
0004784750.tif 000039
【０１８６】
（T. Flissikowski, et al., Phys. Rev. B 68, 161309 (2003) によると、10ns程度）が、自然放出寿命
【０１８７】
【数３９】
0004784750.tif 000040
【０１８８】
より長くなくてはならない。
【０１８９】
【数４０】
0004784750.tif 000041
【０１９０】
次に、高次の励起状態を光励起した場合、高次の準位にあるキャリアが、基底準位（発光準位）まですばやく緩和しなければならない。この過程が遅ければ、発光のタイミングにジッタが生じてしまい、その後のベル状態測定などが難しくなる。これを避けるには、キャリアの緩和時間
【０１９１】
【数４１】
0004784750.tif 000042
【０１９２】
（通常10ps程度）が、自然放出寿命
【０１９３】
【数４２】
0004784750.tif 000043
【０１９４】
より短くなくてはならない。
【０１９５】
【数４３】
0004784750.tif 000044
【０１９６】
この２つの条件を満たすために、自然放出寿命を最適化する。
【０１９７】
trionの輻射緩和時間は通常
【０１９８】
【数４４】
0004784750.tif 000045
【０１９９】
nsなので、微小共振器３のPercell因子として、
【０２００】
【数４５】
0004784750.tif 000046
【０２０１】
程度の値を選ぶ。これは、自然放出過程が10倍速くなることを意味する。このような値は、フォトニック結晶などを用いることで一般的に得ることができる。こうすることで、
【０２０２】
【数４６】
0004784750.tif 000047
【０２０３】
psとなり、上記の２つの条件
【０２０４】
【数４７】
0004784750.tif 000048
【０２０５】
【数４８】
0004784750.tif 000049
【０２０６】
を満たすことができる。
（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態の量子メモリ装置を示した模式図である。なお、図８において、図１に示したものと同一のものには同一符号を付してある。
【０２０７】
以下、図８を参照して、量子ピックアップを用いた量子メモリ装置について説明する。ここで、量子ピックアップとは、単一電子スピンのような微視的な量子状態を、微細なプローブを用いることで局所的、選択的に生成したり、読み出したりするものと定義する。
【０２０８】
記憶媒体としては、ｐ型半導体基板１０の上に成長させた量子ドット１を用いる。また、ここでも量子ドット１の周りにフォトニック結晶のような微小共振器構造（共振器）３を作成する。
【０２０９】
まず、情報を書き込みたい量子ドット１の上に量子ヘッド１１を移動させる。
【０２１０】
量子ヘッド１１の先端には、強磁性体からなる微細な探針（量子ピックアップ）１２が取り付けられており、この探針１２から、量子ドット１へ局所的にスピン
【０２１１】
【数４９】
0004784750.tif 000050
【０２１２】
をもった電子を１個注入する。
【０２１３】
通常、強磁性体から半導体にスピンを注入する場合、２つの層の間の伝導度のミスマッチのために、高偏極度のスピン注入ができないことが知られている。
【０２１４】
しかし、バリアを通したトンネル過程においては、この問題を避けることができ、効率的なスピン注入が可能になることがわかっている。
【０２１５】
電子注入後は、第１の実施形態と同様に、励起光源８から直線偏光の励起光を量子ドット１に入射して、量子ドット１内に横方向スピンを持った電子・正孔対を生成することで、trion状態
【０２１６】
【数５０】
0004784750.tif 000051
【０２１７】
を量子ドット１内に作ることができる。この後、第１の実施形態と同様に、発光、およびベル状態測定を経て、探針１２で電子が注入された量子ドット１に選択的に量子情報がその測定結果に応じて書き込まれる。
【０２１８】
図９は、図８に示した量子メモリ装置から情報を読み取る動作を説明するための模式図である。なお、図９において、図８に示したものと同一のものには同一符号を付してある。
【０２１９】
量子ドット１に書き込まれた情報（スピン）の読み出し、具体的には、局所的な単一スピン検出は、磁気共鳴力顕微鏡のような磁性体プローブを用いることで可能となる（非特許文献６参照）。
【０２２０】
この場合、量子ヘッド１１の先端に磁性体カンチレバー１３が設けられる。
【０２２１】
静磁場中でマイクロ波が照射されると、電子スピン共鳴効果による量子ドット１の電子スピン反転を、高感度なカンチレバー１３が捉えることができる。この場合、静磁場に加えて、磁性体カンチレバー１３が特定の量子ドット近傍に局所的な磁場を与えることができるので、一つ一つのメモリの選択的な読み出しが可能になる。
（実施例２）
第２の実施形態の具体的な実施例を説明する。
【０２２２】
探針１２としては、STMで使われるような針に、強磁性体を薄く蒸着させたものが有効である。図１０は、探針１２の一例を示した説明図である。図１０において、探針１２は、タングステン針１２ａにFeを2nm程度蒸着させて形成されたFeコート１２ｂを有する。
【０２２３】
このとき、探針１２の先端の電子スピンは、平面方向に強く偏極するため、量子ドット１に注入される電子は、平面方向（ここでは、+ｘ軸方向とする）
【０２２４】
【数５１】
0004784750.tif 000052
【０２２５】
のスピン状態になる。
【０２２６】
図１１は、量子ドット１と、ｐ型半導体基板１０と、下部電極４との構造（量子ドットサンプル構造）の一例を示した説明図である。なお、図１１において、図９に示したものと同一のものには同一符号を付してある。
【０２２７】
図１１において、量子ドットサンプルの構造として、BeをドープしたGaAs基板上に成長させたInAs量子ドット１などを用いる。微細探針１２から量子ドット１へ電子を効率よく注入するために、キャップ層１０ａは、量子ドット１の発光効率が著しく悪化しない程度まで薄くする。ここでは、キャップ層１０ａの厚さを10nmとしている。
（第３の実施形態）
図１２は、第３の実施形態の量子メモリ装置、具体的にはスピン偏極キャリア注入によるLED型量子メモリ装置を示した模式図である。なお、図１２において、図１に示したものと同一のものには同一符号を付してある。
【０２２８】
以下、図１２を参照して、LED型量子メモリ装置について説明する。
【０２２９】
第１、第２の実施形態では、最終的には光励起によってtrionを励起したが、電気的なキャリア注入のみを用いてtrionを作ることができる。これは、既に実現されている、LED型単一光子源を応用したものである。
【０２３０】
図１２のように、量子ドット１を、ｐ型層１０１とn型層１０２で挟み、p-i-n構造とする。
【０２３１】
ここで、上部電極５と下部電極４の間にキャリア注入用電圧Vcを印加して、p型層１０１から１個の正孔を、n型層１０２から２個の電子を量子ドット１に注入することで、量子ドット１中にtrionが生成される。
【０２３２】
適当なキャリア注入用電圧Vcを印加することで、確率的にtrionを生成することも可能だが、Vcを制御し、ソース・ドレイン電圧を振ってやることで、電子２個と正孔１個を１つずつ確実に量子ドット１中に注入することもできる。このような電圧を変化させることによるキャリア注入制御は、turnstile動作と呼ばれる。
【０２３３】
最大にエンタングルメントした状態を生成するには、
【０２３４】
【数５２】
0004784750.tif 000053
【０２３５】
のスピンを持つtrion状態を作る必要がある。
【０２３６】
電子に関しては、パウリの排他則のためにスピン一重項状態のみができると考えてよいが、
【０２３７】
【数５３】
0004784750.tif 000054
【０２３８】
を作るには、
スピン偏極した正孔
【０２３９】
【数５４】
0004784750.tif 000055
【０２４０】
をp型層１０１から注入する必要がある。
【０２４１】
この目的のために、図１２のように、ｐ型層１０１に対して、ｐ型層１０１の成長方向に垂直な電場を印加して量子ドット１へ注入する正孔を量子ドット１の面内（量子ドット１が形成されている面）に平行な方向にスピン偏極するためのスピン注入用電圧Vsが印加される少なくとも１対の偏極用電極１４および１５が設けられている。
【０２４２】
偏極用電極１４および１５にスピン注入用電圧Vsが印加されると、正孔は、大きなスピン-軌道相互作用をもつために、この電場によって、横向きスピン
【０２４３】
【数５５】
0004784750.tif 000056
【０２４４】
の上方向への流れが生じる（スピンホール効果）。これにより、量子ドット１に、スピン偏極した正孔を注入し、trion状態
【０２４５】
【数５６】
0004784750.tif 000057
【０２４６】
を生成することができる。
【０２４７】
trionを生成した後は、第１、第２の実施形態と同様に、量子ドット１からの発光、ベル状態測定を経て、量子ドット１に、その測定結果に応じた情報が書き込まれる。
（実施例３）
第３の実施形態の具体的な実施例を説明する。
【０２４８】
図１３は、Turnstile型キャリア注入を行うためのメモリ構造が有するポテンシャル状態を示したポテンシャル図である。
【０２４９】
図１３に示すように、Turnstile型キャリア注入を行うためのメモリ構造としては、GaAsに閉じ込められたInAs量子ドット１を用いる。
【０２５０】
ここで、p型層１０１側のバリア層１０１ａの厚さは11.2nm、n型層１０２側のバリア層１０２ａの厚さは19nmである。InAs量子ドット１の高さは4nmである。
【０２５１】
ここで、n型GaAs層１０２には、Siが1018cm-3だけドープされており、p型GaAs層１０１にはBeが1019cm-3だけドープされている。
【０２５２】
バリア層１０１ａおよび１０２ａが有限の厚みを持つため、キャリアは、トンネル過程によって量子ドット１に入るものとする。この場合、電子および正孔のフェルミエネルギーEFe、EFhがそれぞれ量子ドット１の閉じ込め準位に等しくなるときに、高い確率でキャリアのトンネルが起こる。
【０２５３】
したがって、Vcをうまく調整し、ポテンシャルを振ってやることで、電子、正孔を順々に量子ドット１の中に注入することができる。
【０２５４】
図１４の曲線は、電子（実線）、及び正孔（破線）それぞれの、量子ドット１へのトンネルレートのバイアス電圧Vc依存性を示している（O. Benson, et al., Phys. Rev. Lett. 84, 2513 (2000)）。
【０２５５】
図１４において、各曲線は次のいくつかの状況を仮定したトンネルレートを表している。
【０２５６】
実線Ａ１は、量子ドット１に０個の電子があるときに、電子がｎ型層１０２からトンネルするレートを表し、実線Ａ２は、量子ドット１に１個の電子があるときに、電子がｎ型層１０２からトンネルするレートを表す。
【０２５７】
破線Ｂ１は、量子ドット１に２個の電子と０個の正孔があるときに、正孔がｐ型層１０１からトンネルするレートを表し、破線Ｂ２は、量子ドット１に２個の電子と１個の正孔があるときに、正孔がｐ型層１０１からトンネルするレートを表す。
【０２５８】
各点線Ｃは、高次の電子準位へのトンネルレートを表している。
【０２５９】
turnstile動作は、以下のようにして行われる。
【０２６０】
まず、キャリア注入用電圧をVｃ=Ve（図１４参照）に設定する。これにより、n型層１０２から量子ドット１へ、電子が立て続けに２個入る。電子が２個入った後は、次に入る電子は高次の電子準位に入る必要があるため、これ以上量子ドットに電子が入ることはない。
【０２６１】
次に、キャリア注入用電圧をVc=Vh（図１４参照）に設定する。これにより、正孔が１個だけ量子ドット１に入る。
【０２６２】
このturnstile動作により、量子ドット１中に確実にtrion状態が生成される。
（第４の実施形態）
ここでは、第４の実施形態である、量子メモリを使った量子暗号通信について説明する。
【０２６３】
量子暗号は、盗聴を検知する能力を持ち、通信路での安全性を保証する。
【０２６４】
ただし、量子暗号で実際に配布されるのは鍵であり、この配布された鍵による暗号化を通して、実際のメッセージが古典的に送られる。配布後の鍵は、メッセージが送られるまでの間、端末の古典メモリに保存されるわけだが、この間に鍵がハッキングされるようなことがあれば、その後のメッセージ送付の安全性はもはや保証されない。したがって、量子暗号通信の安全性をより確実なものにするには、配布後の鍵を安全に保存する技術が必要とされる。
【０２６５】
ここでは、第１ないし第３の実施形態で示した量子メモリ装置からベル状態測定器７を除いた量子メモリ装置と、ベル状態測定器を含む情報記録装置と、を含む通信情報設定システムを用いて、鍵を量子状態のまま保持するタイプの量子暗号通信法について説明する。
【０２６６】
まず、離れた２つの量子メモリ装置間でエンタングルメントを生成する方法を示す。例えば、第１の実施形態で生成した、光子（量子ドットから発せられた光）と電子（量子ドットに残った電子）のエンタングルメントを２組用意することで、離れた量子ドット１、１の間で電子（電子のスピン）と電子（電子のスピン）のエンタングルメントを生成することができる。なお、量子ドットサンプルとしては、第１の実施形態の代わりに第２または第３の実施形態が用いられてもよい。
【０２６７】
まず、図１５のように、量子ドット２１と、量子ドット２２を離れた場所に用意する。
【０２６８】
続いて、２つの量子ドット２１および２２において同時にtrionを生成し、同時に発光させる。これによって、第１の実施形態で説明したように、２組の電子・光子エンタングルメントが生成される。
【０２６９】
ここで、最初は、２つの量子ドット２１および２２間には相関がないので、量子状態は次の直積で記述できる。
【０２７０】
【数５７】
0004784750.tif 000058
【０２７１】
それぞれの光子がλ/4波長板２５、２６に通ることで、円偏光が直線偏光（水平Ｈもしくは垂直Ｖ）に変換され、量子状態は以下のようになる。
【０２７２】
【数５８】
0004784750.tif 000059
【０２７３】
【数５９】
0004784750.tif 000060
【０２７４】
この後、２つの光子を、ファイバー２９、３０でそれぞれ運び、図７で説明した方法（情報記録装置に含まれるベル状態測定器）で光子同士のベル状態測定を行う。具体的には、ビームスプリッタ３１にて２光子を干渉させ、その後、さらに偏光ビームスプリッタ３２および３３で光路を分け、４つの検出器D1〜D4で光子検出を行う。
【０２７５】
ここで、（D1,D2）あるいは（D3,D4）の２つの検出器で光子が検出された場合、光の状態は
【０２７６】
【数６０】
0004784750.tif 000061
【０２７７】
であることが知られており、その場合、上式より、電子スピンエンタングルメント
【０２７８】
【数６１】
0004784750.tif 000062
【０２７９】
が生成される。
【０２８０】
また、（D1,D4）あるいは（D2,D3）の２つの検出器で光子が検出された場合、光の状態は
【０２８１】
【数６２】
0004784750.tif 000063
【０２８２】
であることが知られており、その場合、上式より、電子スピンエンタングルメント
【０２８３】
【数６３】
0004784750.tif 000064
【０２８４】
が生成される。
【０２８５】
それ以外の場合は、エンタングルメント生成に失敗したものとして、再び量子ドット２１および２２を初期化して、光子・電子エンタングルメント生成過程からやり直す。エンタングルメントの生成確率は２分の１となる。
【０２８６】
また、さらにλ/2波長板２７もしくは２８が挿入されることで、これ以外のエンタングルメント状態を生成することも可能になる。例えば、λ/2波長板２７が挿入され、量子ドット２１側の光の偏光をさらに90度回転することで、
【０２８７】
【数６４】
0004784750.tif 000065
【０２８８】
というエンタングルメント状態を作ることができる。
【０２８９】
ここで、上向きスピンを０、下向きスピンを１と読み直せば、上記エンタングルメント状態は、
【０２９０】
【数６５】
0004784750.tif 000066
【０２９１】
というエンタングルメント状態になる。これは、Ａが０ならばＢも０で、Ａが１ならばＢも１という相関を持った状態を意味する。
【０２９２】
この電子スピン間のエンタングルメント状態を、量子暗号通信に応用することができる。
【０２９３】
図１６のように、通信したいＡとＢが、それぞれ多数の量子ドット（量子メモリ）１〜１を持っているものとする。
【０２９４】
ここで、上記の方法により、ＡとＢの多くの量子ドット間で、電子スピンの相関対を作り出す。これらは、Ａが０ならばＢも０で、Ａが１ならばＢも１であるが、０になるか１になるかはランダムであるという状態になる。この状態はいわゆる共通の乱数列、すなわち共通鍵として使用することができる。
【０２９５】
ここで、通常の量子暗号通信では、配布後、共通鍵は、古典的な０、１として古典メモリに保存されるため、ハッキングの恐れがあるのに対し、本実施例の場合、鍵は、量子状態
【０２９６】
【数６６】
0004784750.tif 000067
【０２９７】
【数６７】
0004784750.tif 000068
【０２９８】
として量子メモリに保存される。このため、鍵の秘匿性が保証される。
【０２９９】
具体的には、Ａ、Ｂの量子メモリ装置（量子ドット）に保存されたスピンに対し、Bell不等式の検証を行うことで、通信路での盗聴とメモリに保存後のハッキングを両方同時に検出することができる。
【０３００】
また、この量子暗号通信システムのもう一つの利点としては、量子メモリが、単一光子源の役割を兼ねている点である。これにより、弱いコヒーレント光源を使った量子暗号に比べ、盗聴に強く、また、通信速度の速いシステムを構築できる可能性がある。
【０３０１】
さらに、通常、エンタングルメントした量子状態は、通信路における散乱や雑音、及び、メモリ内でのデコヒーレンスにより、劣化する。しかし、エンタングルメントを２つのメモリ間に生成した後は、エンタングルメント蒸留という手法により、エンタングルメントの高純度化を行うことが可能になる。これにより、図１７に示すように、メモリに蓄えられた２つ以上の不完全なエンタングルメント対から、より良質な１つのエンタングルメント対を得ることが可能になる。
（実施例４）
ここでは、第４の実施形態における実施例を示す。
【０３０２】
スピンの読み出し方法として、第１の実施形態で示した、光による読み出しを用いる。この方法は、ｚ方向のスピンの向きが上向きか下向きかを調べる射影測定である。
【０３０３】
このｚ方向の射影測定と、次に示す1/2波長板による実効的なスピン回転を組み合わせ、図１８のようなBB84と同等な量子暗号システムを構築する。なお、図１８において、図１５に示したものと同一のものには同一符号を付してある。
【０３０４】
第４の実施形態において、２光子干渉によって
【０３０５】
【数６８】
0004784750.tif 000069
【０３０６】
のような状態ができるのを説明した。
【０３０７】
ここでさらに、図１８において、Ｂ側1/2波長板２８で直線偏光の角度を45度回すことで、
【０３０８】
【数６９】
0004784750.tif 000070
【０３０９】
が生成でき、Ａ側1/2波長板２７で直線偏光の角度を45度回すことで、
【０３１０】
【数７０】
0004784750.tif 000071
【０３１１】
が生成できる。
【０３１２】
また、波長板２７、２８の両方で45度回せば、
【０３１３】
【数７１】
0004784750.tif 000072
【０３１４】
が生成できる。
【０３１５】
これらは、量子暗号において、測定基底を選ぶ操作に相当する。
【０３１６】
図１８では、1/2波長板２７および２８を忠実な第三者が保持しているものとする。
【０３１７】
そして、この第三者がＡ、Ｂの偏光を回すか回さないか、すなわち、どの基底を選ぶかをランダムに決める。
【０３１８】
この基底の情報は、この第三者が安全に保持しておく。また、鍵自体は、実際にメッセージ送信に用いるまでの間、電子スピンとしてＡ、Ｂそれぞれの量子メモリ装置（量子ドット）の中に保存しておく。
【０３１９】
実際にメッセージを送信する際に、第三者は、基底の情報を、ＡおよびＢに、古典通信路によって公開する。このとき、ＡとＢは、波長板２７、２８において両方とも偏光を回さずに、あるいは両方とも回して生成した量子メモリ装置対のみを鍵として使用する。
【０３２０】
ここで、両方とも偏光を回さない場合、状態は
【０３２１】
【数７２】
0004784750.tif 000073
【０３２２】
となり、両方とも回した場合、状態は
【０３２３】
【数７３】
0004784750.tif 000074
【０３２４】
となっているため、ｚ方向への射影測定を行うことで、完全に相関した共通の乱数列が生成される。この乱数列を共通鍵として、暗号通信に用いる。
【０３２５】
ここでは、実際に量子メモリ装置を射影測定するまで、鍵はスピンという量子状態にあり、決まった値を持っていないため、鍵の安全性が高められる。
（第５の実施形態）
図１９は、第５の実施形態である、上述した量子メモリ装置を用いた量子中継を説明するための説明図である。
【０３２６】
遠く離れた２人の通信者ＡとＢの間に、２個以上の量子ドットからなる中継器２００を幾つか用意する。具体的には、各中継器２００は、第１ないし３の実施形態の量子メモリ装置からベル状態測定器９を除いた量子メモリ装置を複数含む。
【０３２７】
まず、第４の実施形態と同様に、図１５に示されたような、trion発光と２光子干渉によって、隣り合う２つの中継器２００の間の各区間に、電子スピン同士のエンタングルメントを作り出す。
【０３２８】
この干渉の際、２個の検出器が光子を検出し、エンタングルメントの生成に成功したときのみ、電子スピン対を中継器のメモリ（量子ドット）で保持しておく。これ以外の場合は、エンタングルメントの生成に失敗したものとして、もう一度やり直す。
【０３２９】
隣り合う中継器２００間でエンタングルメントを生成した後は、エンタングルメントスワッピングを用いて、長距離間でエンタングルメントを生成する。
【０３３０】
具体的には、図１５に示されたようなベル状態測定器を有する情報記録装置が、図１９の各中継器２００内の２つの量子ドットの間でベル測定を行うことで、隣り合う各中継器２００間での多数のエンタングルメントを、遠く離れたＡとＢの間での一つのエンタングルメントへと変換できる。
【０３３１】
最後に、この量子相関を使って量子テレポーテーションを行うことで、ＡからＢへ量子情報を送ることができる。これにより、ＡとＢの間で長距離の量子通信を行うことが可能となる。
【０３３２】
この量子中継法の長所として、離れた電子同士をエンタングルメントさせる際、２つの検出器での測定によって、エンタングルメントの生成に成功したか失敗したかを知ることができる。このため、例えば通信路において光子が吸収されたり散乱されたりする過程を取り除くことができ、最終的に良質なエンタングルメントを得ることができる。
（第６の実施形態）
ここでは、第６の実施形態である、上述した量子メモリ装置を用いた量子認証について説明する。
【０３３３】
量子ドットは、他の量子メモリの候補と比べて、集積化が容易である。このため、例えば図２０のように、量子ドット１をクレジットカード１８０に埋め込むようなことが可能になる。
【０３３４】
ただし、電子スピンを室温で量子メモリとして用いるのは難しいため、カードを持ち歩くような際には、電子スピンを、例えば核スピンのような（非特許文献５）、より安定な物理系に書き込みなおす必要がある。
【０３３５】
まず、認証に用いるためには、あらかじめクレジットカード１８０に情報を書き込む必要がある。
【０３３６】
２地点に多数の量子ドット１〜１集合があるとする。ここでは、そのうちの片方の量子ドット集合はクレジットカード会社に保管されており、もう片方はクレジットカード１８０に埋め込まれているものとする。
【０３３７】
第４の実施形態と同様、図２０のようにtrionを２地点で同時に発光させ、干渉させる。
【０３３８】
これにより、クレジットカード会社とクレジットカードの間に、エンタングルメントした量子メモリ対を多数生成することができる。
【０３３９】
認証の際には、クレジットカード会社は、自分たちの保管している量子メモリと、提示されたクレジットカード１８０の量子メモリとの間に確かな量子相関があるかどうかを、ベル不等式を調べることによって確かめればよい。
【０３４０】
エンタングルメントのmonogamyという性質により、ある２つの系（ここでは、クレジットカード会社と正しいクレジットカード）が強くエンタングルメントしている場合、それ以外の系（例えば、偽のクレジットカード）は、それら２つと相関を持つことができない。このため、もし提示されたクレジットカードとの間に十分な量子相関があることが分かれば、それが正しいクレジットカードであると判断することができる。
【０３４１】
量子メモリを使ったこのような認証には、以下のような利点がある。（１）認証に、安全な量子通信を用いることができる。（２）量子力学の非クローン化定理から、カードを偽造することができない。
【０３４２】
上記各実施形態および各実施例によれば、量子ドット１内に、電子２個と正孔１個から成るtrionという状態が生成される。trion状態は、電子１個と正孔１個が再結合することにより発光するため、発光により光子が１個生成された後、量子ドット内には電子が１個残る。このとき、量子ドットから出てくる光子の偏光と、量子ドット内に残った電子のスピン方向との間には、エンタングルメントが存在する。
【０３４３】
この光−電子間のエンタングルメントが存在する状況で、ベル状態測定器７が、量子ドット１から出てくる光子と、偏光状態を記憶させる光子と、の間のベル状態を判別すると、記憶させる光子の偏光状態を、量子ドット１内の電子のスピン状態に転写する量子テレポーテーションを行うことが可能となる。
【０３４４】
具体的には、ベル状態測定器７が、trionからの光子と、偏光状態を記憶させたい光子と、の間でベル状態測定を行い、その測定結果に応じて、電子のスピンの向きが回転させることで、記憶させたい光子の偏光情報が、量子ドット１に残った電子スピンに転写される。これは、光から電子への量子テレポーテーションに相当する。
【０３４５】
このため、半導体での光吸収の問題を回避しつつ、光の状態を電子スピンとして書き込むことが可能になる。
【０３４６】
上記実施形態では、量子ドットの面内に平行な方向にスピン偏極させた正孔が、量子ドット１に注入される。
【０３４７】
この場合、発生する光子の偏光と、残った電子のスピンとの間で、完全な量子相関（最大にエンタングルメントした状態）をつくることができる。光子と電子が最大にエンタングルメントした状態を使えば、光子の偏光状態を、忠実に電子のスピン状態に転写することが可能となる。
【０３４８】
また、書き込みと逆の、電子から光子へのテレポーテーションを行えば、量子状態を壊さずに、情報をそのまま光として取り出すことができる。
【０３４９】
この場合、もう１つ別の量子ドットに、同様にtrionを生成し、発光させる。その後、この量子ドットと、情報が記憶されている量子ドット間で、電子スピン間のベル測定を行う。この測定結果を元に、光子の偏光をまわすことで、元の電子スピンの情報が、後で生成された光子に写される。
【０３５０】
各実施の形態および各実施例の効果として、以下の２点が挙げられる。
１． 量子テレポーテーションによって、光から安定な電子スピン状態へ、量子情報を直接書き込むことができる。
２． 光吸収ではなく発光という過程を使っているため、効率的である。
【０３５１】
また、trionの発光後は、量子ドット内には電子１個のみが残り、量子テレポーテーション後、この電子のスピンに情報が書き込まれる。このテレポーテーションの過程では、光吸収の場合と異なり、量子ドット内に正孔が発生することはない。このため、正孔を引き抜いたりすることなく、光の情報を電子スピンへ直接書き込むことができる。
【０３５２】
電子スピンは、励起子スピンに比べて非常に安定であるため、長い時間量子情報を保持することができる。また、量子ドットに情報を記憶させるために、従来の光吸収と逆の、発光というプロセスを用いている点も各実施形態および各実施例の特徴である。
【０３５３】
通常、特定の量子ドットに１個の光子を吸収させる場合、その吸収確率を100%に近づけるのは非常に難しい。それに対し、各実施形態および各実施例の場合、欠陥が少なく、非輻射緩和のない量子ドットを用いれば、生成されたtrionは高い確率で発光するので、より効率的な情報の保存が可能になる。
【０３５４】
なお、第１の実施形態では、注入部は、量子ドット１が積層されたｎ型半導体層２と、量子ドット１とｎ型半導体層２を挟むように設けられ、ｎ型半導体層２が有する１個の電子を量子ドット１に注入するための電圧が印加される少なくとも一対の電極４および５と、量子ドット１中に１個の電子および１個の正孔を生成する光を発する励起光源８と、を含む。
【０３５５】
この場合、ｎ型半導体層２を、１個の電子の供給源として用いることが可能になり、励起光源８を、１個の電子および１個の正孔の供給源として用いることが可能になる。
【０３５６】
また、第２に実施形態では、注入部は、量子ドット１に１個の電子を注入する探針１２と、量子ドット１中に１個の電子および１個の正孔を生成する光を発する励起光源８と、を含む。
【０３５７】
この場合、探針１２を、１個の電子の供給源として用いることが可能になり、励起光源８を、１個の電子および１個の正孔の供給源として用いることが可能になる。
【０３５８】
また、第２の実施形態では、量子ドット１内の電子のスピン状態を読み出すための磁性体を有するカンチレバーをさらに含む。
【０３５９】
この場合、量子ドット１内の電子のスピン状態を読み出すことが可能になる。
【０３６０】
また、第３の実施形態では、注入部は、量子ドット１を挟むように配置されたｎ型半導体層１０２とｐ型半導体層１０１と、量子ドット１とｎ型半導体層１０２とｐ型半導体層１０１を挟むように設けられ、ｎ型半導体層１０２が有する２個の電子を量子ドット１に注入し、ｐ型半導体層１０１が有する１個の正孔を量子ドット１に注入するための電圧が印加される少なくとも一対の注入用電極４および５と、を含む。
【０３６１】
この場合、ｎ型半導体層を１０２、２個の電子の供給源として用いることが可能になり、ｐ型半導体層１０１を１個の正孔の供給源として用いることが可能になる。
【０３６２】
また、第３の実施形態では、注入部は、ｐ型半導体層１０１に対してｐ型半導体層１０１の成長方向に垂直な電場を印加して量子ドット１へ注入する正孔をスピン偏極するために電圧が印加される少なくとも１対の偏極用電極１４および１５をさらに含む。
【０３６３】
この場合、量子ドット１へ注入する正孔をスピン偏極することが可能になる。
【０３６４】
また、各実施の形態では、量子ドット１を囲むように配置され、量子ドットから発生する光を制御する共振器３が含まれる。
【０３６５】
この場合、trionが生成されてから光が発生するまでの時間を短くすること、および、その光の進行方向を制御することが可能になり、ベル測定を高い確率で実行することが可能になる。
【０３６６】
また、第４ないし６の実施の形態の通信情報設定システムでは、光吸収ではなく発光という過程を使って、２つの量子メモリ装置に共有された量子相関をその２つの量子メモリ装置に記録することが可能になる。このため、通信用（例えば、共通鍵）または認証用に使用されることが可能な量子相関を、半導体での光吸収の問題を回避しつつ記録することが可能になる。
【０３６７】
以上説明した各実施の形態および各実施例において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。
（産業上の利用可能性）
本発明によれば、秘匿性の高い安全な通信、認証が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０３６８】
【図１】本発明の第１の実施形態である量子メモリ装置を示す図である。
【図２】負に帯電した量子ドットにおける、光学選択側を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態において、電子スピンと光の偏光の間のエンタングルメントの生成を説明する図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の量子メモリ装置における、スピン読み出し方法を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の量子メモリ装置における、入射光の透過率変化によるスピン読み出し方法を示す図である。
【図６】実施例１において、記憶媒体部分の作成例を示す図である。
【図７】実施例１における、線形光学部品を用いたベル状態測定装置の構成例を示した図である。
【図８】本発明の第２の実施形態である、量子ピックアップ機能をもつ量子メモリ装置を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態の量子メモリ装置における、局所的なスピン読み出し方法を示す図である。
【図１０】実施例２における、スピン偏極電子注入用探針の具体的な構成例を示す図である。
【図１１】実施例２における、探針から電子を効率よく注入させるための、記憶媒体部分の作成例を示す図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態である、電気的キャリア注入によるＬＥＤ型量子メモリ装置を示す図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態において、トンネルによるキャリア注入を説明するポテンシャル図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態において、turnstile型動作によるtrion生成法を説明する図である。
【図１５】線形光学系による２光子干渉によってベル測定を行い、離れた２つの電子スピン間でエンタングルメントを作成する方法を示す図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態である、量子メモリを活用した、秘匿性の高い量子暗号通信法を示す図である。
【図１７】エンタングルメントの高純度化を可能にする、エンタングルメント蒸留を示す図。
【図１８】実施例３における、忠実な第３者を介した秘匿性の高い量子暗号通信を説明する図である。
【図１９】本発明の第５の実施形態である、長距離通信のための量子中継法を示す図である。
【図２０】本発明の第６の実施形態である、量子メモリを用いた量子認証の一例を示す図である。
【符号の説明】
【０３６９】
１      量子ドット
２      n型半導体層
３      フォトニック結晶構造
４      下部電極
５      上部電極
６      1/4波長板
７      ベル状態測定器
８      励起光源
１０      p型半導体基板
１１      量子ヘッド
１２      磁性体探針
１３      磁性体カンチレバー
１４      スピン注入用正電極
１５      スピン注入用負電極
２１      量子ドットＡ
２２      量子ドットＢ
２３      量子ドットＡ内の電子スピン
２４      量子ドットＢ内の電子スピン
２５      Ａ側1/4波長板
２６      Ｂ側1/4波長板
２７      Ａ側1/2波長板
２８      Ｂ側1/2波長板
２９      Ａ側光ファイバー
３０      Ｂ側光ファイバー
３１      ビームスプリッタ
３２      偏光ビームスプリッタ
３３      偏光ビームスプリッタ
【図１】
0004784750.tif 000075
【図２】
0004784750.tif 000076
【図３】
0004784750.tif 000077
【図４】
0004784750.tif 000078
【図５】
0004784750.tif 000079
【図６】
0004784750.tif 000080
【図７】
0004784750.tif 000081
【図８】
0004784750.tif 000082
【図９】
0004784750.tif 000083
【図１０】
0004784750.tif 000084
【図１１】
0004784750.tif 000085
【図１２】
0004784750.tif 000086
【図１３】
0004784750.tif 000087
【図１４】
0004784750.tif 000088
【図１５】
0004784750.tif 000089
【図１６】
0004784750.tif 000090
【図１７】
0004784750.tif 000091
【図１８】
0004784750.tif 000092
【図１９】
0004784750.tif 000093
【図２０】
0004784750.tif 000094