(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに基底量子準位の異なる２つの量子ドットが結合した結合量子ドットが複数集合した結合量子ドット集団と、
前記結合量子ドット集団に第１の励起光を照射して多数の結合量子ドットを励起子基底状態にする第１のポンピング光照射手段と、
前記励起子基底状態にした結合量子ドット集団に第２の励起光を照射してラマン散乱により励起ディッケ状態にする第２のポンピング光照射手段と、
前記ラマン散乱によるラマン散乱光の光子数を検出する光子数検出手段と、
前記光子数検出手段の検出結果により、前記励起ディッケ状態が単一励起ディッケ状態になるようにする第２のポンピング光照射手段を制御する制御手段と、
前記単一励起ディッケ状態にした結合量子ドット集団に第３の励起光を照射してラマン散乱により前記単一励起ディッケ状態から前記励起子基底状態への遷移に伴う単一光子を生成する第３のポンピング光照射手段と
を備えたことを特徴とする単一光子発生装置。
【請求項２】
前記各結合量子ドットは、前記第１の励起光乃至第３の励起光の光軸方向に沿って直線状に配置していることを特徴とする請求項１に記載の単一光子発生装置。
【請求項３】
前記直線状に配列した結合量子ドット集団は、メサ型光導波路或いはフォトニック結晶による光導波路のいずれかの光導波路内に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単一光子発生装置。
【請求項４】
前記直線状に配列した結合量子ドット集団を含む前記光導波路をファブリ・ペロー型共振器内に配置したことを特徴とする請求項３に記載の単一光子発生装置。
【請求項５】
互いに基底量子準位の異なる２つの量子ドットが結合した結合量子ドットが複数集合した結合量子ドット集団に第１の励起光を照射して多数の結合量子ドットを励起子基底状態にする第１のポンピング光照射工程と、
前記励起子基底状態にした結合量子ドット集団に第２の励起光を照射してラマン散乱によるラマン散乱光の光子数を検出し、光子数検出手段の検出結果により、前記励起子基底状態が単一励起ディッケ状態になるようにする第２のポンピング光照射工程と、
前記単一励起ディッケ状態にした結合量子ドット集団に第３の励起光を照射してラマン散乱により前記単一励起ディッケ状態から前記励起子基底状態への遷移に伴う単一光子を生成する第３のポンピング光照射工程と
を備えたことを特徴とする単一光子発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は単一光子発生装置及び単一光子発生方法に関するものであり、例えば、量子暗号通信或いは量子計算において情報の担体として用いられる単一の光子を発生させる単一光子発生装置及び単一光子発生方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
量子暗号通信や量子計算においては光子が情報の担体として用いられることが多い。この光子の発生方法としては、通常のレーザ、量子ドットや結合量子ドットの自然放出、或いは非線形結晶を用いたパラメトリック下方変換などがある。
【０００３】
量子暗号通信、なかでも量子暗号鍵配送（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｋｅｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ：ＱＫＤ）では光ファイバを用いて量子情報の担体である光子を伝送する。通常、一つの光子が量子情報の単位である１量子ビットを担う。この光子を生成する方法にはいくつかの可能性がある。
【０００４】
第一に通常のレーザによる弱コヒーレント光を用いる方法が挙げられ、第二に量子ドットの自然放出を用いる方法が挙げられ、第三に結合量子ドットの自然放出を用いる方法が挙げられ、第四に非線形結晶を用いたパラメトリック下方変換を用いる方法が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−０６６４６３号公報
【特許文献２】特開２００７−３３５５０３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｐ．Ｇ．Ｋｗｉａｔ ｅｔ ａｌ．, Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ.７５ ｐ．４３３７（１９９５）
【非特許文献２】Ｇ．Ｓ．Ｓｏｌｏｍｏｎ ｅｔ ａｌ．, Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．８６ ｐ．３９０３（２００１）
【非特許文献３】Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔ ｅｔ ａｌ．, Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ ｖｏｌ.５ ｐ．３（１９９２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、通常のレーザによる弱コヒーレント光を用いた場合には、低い確率で光子を２個以上含むパルスが発生する。したがって、盗聴者はそのパルスから光子を１つ抜き取ることにより情報を盗むことが可能になる(光子数分割攻撃：ｐｈｏｔｏｎ ｎｕｍｂｅｒ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ：ＰＮＳ）。
【０００８】
これを防ぐために、
（１）１パルス当りの平均光子数を０．１以下になるようにパルス強度を非常に弱くし、
（２）デコイ法などのＰＮＳプロトコルに耐性のあるプロトコルを用い、さらに、
（３）秘匿性増強などの処理を加える
ことによって回避している。しかしこれらはいずれも伝送レートや通信距離の低下という悪影響をもたらすという問題がある。
【０００９】
量子ドットの自然放出を用いる場合には、２光子の相対確率ｇ（２）はかなり減少するが、多励起子状態の可能性がゼロではないので、２光子確率を完全にゼロにすることはできない。反対に２光子イベント自体の頻度は減少しないためＰＮＳ攻撃に対しての耐性はさほど向上しない。また、パルスの発生タイミングが確率的になり、量子計算などに利用することは不可能であるという問題がある。
【００１０】
結合量子ドットの自然放出を用いる場合には、２光子の確率はかなり抑えることが可能になるが、パルスの発生タイミングが確率的になる点は同じであり、量子計算などに利用することは不可能であるという問題がある。
【００１１】
非線形結晶を用いたパラメトリック下方変換を用いる場合には、光子の発生タイミングは制御できるが、２光子の確率はやはりゼロにすることができないためポンプ強度を抑えなければならない。そうすると単一光子性が保証されるが、下方変換確率が小さいためレートが極端に小さくなるだけでなく、システムのクロックの大部分が失敗のタイムスロットになってしまう。このデバイスを大量に並列配置し、どれかのデバイスが単一光子を発生するようにすることも考えられる。しかし、発生する光子数がポアソン分布になるため発生した光子を検知・選択して、リアルタイムで光路を切り替えて通信路や量子ゲートへ送り込むシステムは極めて複雑になるという問題がある。
【００１２】
したがって、単一光子発生装置及び単一光子発生方法において、リアルタイムで厳密な単一光子の発生を原理的に可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
開示する一観点からは、互いに基底量子準位の異なる２つの量子ドットが結合した結合量子ドットが複数集合した結合量子ドット集団と、前記結合量子ドット集団に第１の励起光を照射して多数の結合量子ドットを励起子基底状態にする第１のポンピング光照射手段と、前記励起子基底状態にした結合量子ドット集団に第２の励起光を照射してラマン散乱により励起ディッケ状態にする第２のポンピング光照射手段と、前記ラマン散乱によるラマン散乱光の光子数を検出する光子数検出手段と、前記光子数検出手段の検出結果により、前記励起ディッケ状態が単一励起ディッケ状態になるようにする第２のポンピング光照射手段を制御する制御手段と、前記単一励起ディッケ状態にした結合量子ドット集団に第３の励起光を照射してラマン散乱により前記単一励起ディッケ状態から前記励起子基底状態への遷移に伴う単一光子を生成する第３のポンピング光照射手段とを備えたことを特徴とする単一光子発生装置が提供される。
【００１４】
また、開示する別の観点からは、互いに基底量子準位の異なる２つの量子ドットが結合した結合量子ドットが複数集合した結合量子ドット集団に第１の励起光を照射して多数の結合量子ドットを励起子基底状態にする第１のポンピング光照射工程と、前記励起子基底状態にした結合量子ドット集団に第２の励起光を照射してラマン散乱によるラマン散乱光の光子数を検出し、光子数検出手段の検出結果により、前記励起子基底状態が単一励起ディッケ状態になるようにする第２のポンピング光照射工程と、前記単一励起ディッケ状態にした結合量子ドット集団に第３の励起光を照射してラマン散乱により前記単一励起ディッケ状態から前記励起子基底状態への遷移に伴う単一光子を生成する第３のポンピング光照射工程とを備えたことを特徴とする単一光子発生方法が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
開示の単一光子発生装置及び単一光子発生方法によれば、リアルタイムで厳密な単一光子の発生を原理的に可能にすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態の単一光子発生方法に用いる単一光子発生装置の概念的構成図である。
【図２】結合量子ドットの励起子局在状態の説明図である。
【図３】結合量子ドットの励起子分離状態の説明図である。
【図４】結合量子ドット中の励起子を用いた３準位ラムダ系の構成図である。
【図５】単一光子発生方法の第１ステップの説明図である。
【図６】単一光子発生方法の第２ステップの説明図である。
【図７】単一光子発生方法の第３ステップの説明図である。
【図８】本発明の実施例１の単一光子発生装置の要部説明図である。
【図９】結合量子ドット集団部の製造工程の途中までの説明図である。
【図１０】結合量子ドット集団部の製造工程の図９以降の説明図である。
【図１１】本発明の実施例２の単一光子発生装置の要部説明図である。
【図１２】本発明の実施例３の単一光子発生装置の概念的構成図である。
【図１３】本発明の実施例４の単一光子発生装置の概念的構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
ここで、図１を参照して、本発明の実施の形態の単一光子発生方法を説明する。図１は、本発明の実施の形態の単一光子発生方法に用いる単一光子発生装置の概念的構成図である。互いに基底量子準位の異なる２つの量子ドットが結合した結合量子ドット２が複数集合した結合量子ドット集団１と、結合量子ドット集団１に第１の励起光ωｐを照射して多数の、理想的には全ての結合量子ドット２を励起子基底状態｜Ｇ〉にする第１のポンピング光照射手段５を備えている。
【００１８】
また、励起子基底状態｜Ｇ〉にした結合量子ドット集団１に第２の励起光ωａを照射してラマン散乱により励起ディッケ状態｜Ｓ〉にする第２のポンピング光照射手段６と、ラマン散乱によるラマン散乱光ωｓの光子数を検出する光子数検出手段９を備えている。この光子数検出手段９の検出結果により、励起ディッケ状態｜Ｓ〉が単一励起ディッケ状態｜Ｓ１〉になるようにする第２のポンピング光照射手段６を制御する制御手段１０を備えている。なお、第２の励起光ωａは非共鳴レーザ光であることが望ましい。
【００１９】
また、単一励起ディッケ状態｜Ｓ１〉にした結合量子ドット集団１に第３の励起光ωｓを照射してラマン散乱により単一励起ディッケ状態｜Ｓ１〉から励起子基底状態｜Ｇ〉への遷移に伴う単一光子ωａを生成する第３のポンピング光照射手段７を備えている。
【００２０】
これらの第１のポンピング光照射手段５乃至第３のポンピング光照射手段７は、光切り替え手段８及び制御手段（コントローラ）１０により制御されており、また、光切り替え手段８及び光子数検出手段９は、制御手段１０によって制御されている。結合量子ドット集団１を透過した励起光或いはラマン散乱光は、ダイクロィックミラー１１に入射して励起光は反射されて除去され、ラマン散乱光等のその他の波長の光を透過させる。
【００２１】
ラマン散乱光等の光は、ビームスプリッタ１２で分岐され、フィルタ１３を透過したストークス光は光子数検出手段９に入射し、アンチ・ストークス光はフィルタ１４を透過したのち、量子暗号鍵配送（ＱＫＤ）或いは量子計算スキーム（ＫＬＭ）に用いられる。
【００２２】
各結合量子ドット集団１は、ストランスキ−クラスタノフ（ＳＫ）成長モードによる第１層目の量子ドットと、中間層を介して前記第１層目の量子ドット上に位置整合して形成された第２層目の量子ドットとが結合した結合量子ドットであることが望ましい。このような積層構造を用いることによって、結合量子ドットを効率良く形成することができる。但し、同一面上に近接配置された量子ドットを結合量子ドットとしても良い。
【００２３】
典型的には、半導体基板上に形成されたＳＫモード成長ＩｎＡｓ量子ドットなどが有力である。この場合ドットの直径は１０ｎｍから１００ｎｍ程度である。バンドギャップは例えば０．５ｅＶから２．０ｅＶの範囲にある。結合量子ドット集団１の結合量子ドット２の数は有効な単一光子発生のＳＮ比や指向性の向上のためにある程度の数がある必要があり、例えば、１００個から１０６個程度である。
【００２４】
また、結合量子ドット集団１において、各結合量子ドット２は、第１の励起光ωｐ乃至第３の励起光ωｓの光軸方向に沿って直線状に配置していることが望ましく、それによって、各励起光を効率的に作用させることができ、単一光子の発生の効率、ＳＮ比の向上、指向性の向上などがはかれる。
【００２５】
このように直線状に配列した結合量子ドット集団１は、光の入射・出射を方向性を持って確実に行うために、光導波路３の中に配置することが望ましい。光導波路３としては、メサ型光導波路でも良いし、フォトニック結晶４による光導波路３のいずれでも良い。  
【００２６】
また、励起光を有効に使用して、励起光の作用を効果的に行わせるために、直線状に配列した結合量子ドット集団１を含む光導波路３をファブリ・ペロー型共振器内に配置しても良い。或いは、直線状に配列した結合量子ドット集団１を含む光導波路３をリング型共振器内に配置しても良い。
【００２７】
次に、図２乃至図７を参照して、このような単一光子発生装置を用いて厳密に単一光子を発生させる方法を説明するが、まず、図２及び図３を参照して結合量子ドットのエネルギー状態を説明する。図２は、結合量子ドットの励起子局在状態の説明図であり、左図はバンドダイアグラムであり、右図は、クーロン拘束エネルギーによるエネルギーシフトの説明図である。図２（ａ）は、サイズの大きい量子ドットに電子と正孔が対になった励起子が局在した状態を示しており、ここでは｜ｖａｃ〉で表す。左図に示すように、電子と正孔はサイズの大きな量子ドットの各基底量子準位にトラップされてクーロン拘束エネルギーＵＬにより互いに拘束されている。したがって、右図に示すように、このクーロン拘束エネルギーＵＬの分だけ、｜ｖａｃ〉からシフトした状態になる。なお、φｅを電子の波動関数とし、φｈを正孔の波動関数とし、サフィックスＬ，Ｓを量子ドットのサイズとすると、｜ｖａｃ〉＝｜φｅ〉Ｌ｜φｈ〉Ｌである。
【００２８】
図２（ｂ）は、サイズの小さい量子ドットに励起子が局在した状態を示しており、ここでは｜ｅ〉で表す。左図に示すように、電子と正孔はサイズの小さな量子ドットの各基底量子準位にトラップされてクーロン拘束エネルギーＵＳにより互いに拘束されている。したがって、右図に示すように、このクーロン拘束エネルギーＵＳの分だけ、｜ｅ〉からシフトした状態になる。なお、｜ｅ〉＝｜φｅ〉Ｓ｜φｈ〉Ｓである。また、小さな量子ドットの基底量子準位と大きな量子ドットの基底量子準位の差を、伝導帯側ではΔＥｅとし、価電子帯側ではΔＥｈとする。クーロン拘束エネルギーによるエネルギーシフトＵＬ，ＵＳは、直径約２０ｎｍ程度のＳＫ量子ドットでは約１０ｍｅＶ〜約３０ｍｅＶ程度である。
【００２９】
図３は、結合量子ドットの励起子分離状態の説明図であり、左図はバンドダイアグラムであり、右図は、クーロン拘束エネルギーによるエネルギーシフトの説明図である。図３（ａ）は、電子がサイズの大きい量子ドットの基底量子準位にトラップされ、正孔が小さな量子ドットの基底量子準位にトラップされた状態を示しており、ここでは｜ｇ〉で表す。左図に示すように、電子と正孔はクーロン拘束エネルギーＵｇにより拘束されている。したがって、右図に示すように、このクーロン拘束エネルギーＵｇの分だけ、｜ｇ〉からシフトした状態になるが、異なった量子ドット間での拘束であり、拘束は距離に反比例して小さくなるので、通常はＵｇ＝０とする。なお、｜ｇ〉＝｜φｅ〉Ｌ｜φｈ〉Ｓである。
【００３０】
図３（ｂ）は、電子がサイズの小さい量子ドットの基底量子準位にトラップされ、正孔が大きな量子ドットの基底量子準位にトラップされた状態を示しており、ここでは｜ｓ〉で表す。左図に示すように、電子と正孔はクーロン拘束エネルギーＵｓにより拘束されている。したがって、右図に示すように、このクーロン拘束エネルギーＵｓの分だけ、｜ｓ〉からシフトした状態になるが、異なった量子ドット間での拘束であり、拘束は距離の二乗に反比例して小さくなるので、通常はＵｓ＝０とする。なお、｜ｓ〉＝｜φｅ〉Ｓ｜φｈ〉Ｌである。
【００３１】
図４は、結合量子ドット中の励起子を用いた３準位ラムダ系の構成図である。ここでは、エネルギー状態が低い順に｜ｖａｃ〉、｜ｇ〉、｜ｓ〉、｜ｅ〉の４つのエネルギー状態を示している。ラムダ系という３準位系では入射光と散乱光の波長が互いに異なる所謂ラマン散乱が生じることが知られている。ラマン散乱では散乱光と３準位系（散乱体）の量子状態遷移が１対１に対応しているため、散乱光を測定することで散乱後の３準位系の量子状態を確認することができる。
【００３２】
上述のようにして形成された結合量子ドットの系は、｜ｇ〉、｜ｓ〉、｜ｅ〉、｜ｖａｃ〉の菱形４準位系となる。このため、｜ｇ〉、｜ｓ〉、｜ｅ〉によるラマン過程以外に、｜ｇ〉、｜ｖａｃ〉、｜ｓ〉によるラマン過程や、｜ｓ〉と｜ｖａｃ〉の間の実遷移も寄与してしまい、物理過程が複雑になり、正常な動作の制御が困難になる。
【００３３】
しかし、｜ｅ〉及び｜ｖａｃ〉は、クーロン拘束エネルギーの分だけエネルギーがシフトする。このため、ラマン遷移に関係する離調エネルギーは、｜ｇ〉、｜ｖａｃ〉、｜ｓ〉に関する値は｜ｇ〉、｜ｅ〉、｜ｓ〉に関する値よりもクーロン拘束エネルギーの和ＵＬ＋ＵＳの分だけ大きくなる。そして、離調エネルギーが大きいとそれに反比例して遷移振幅は小さくなるため、｜ｇ〉、｜ｖａｃ〉、｜ｓ〉によるラマン過程や実遷移の寄与は大幅に抑制されることになる。したがって、ここでは、｜ｇ〉、｜ｅ〉、｜ｓ〉の系でラムダ系を構成する。
【００３４】
ここで、｜ｇ〉と｜ｅ〉のエネルギー差をＥ１、｜ｓ〉と｜ｅ〉のエネルギー差をＥ２、伝導帯側の２つの量子井戸における基底量子準位のエネルギー差をΔＥｅ、価電子帯側の２つの量子井戸における基底量子準位のエネルギー差をΔＥｈとすると、
Ｅ１＝Ｅ（｜ｅ〉）−Ｅ（｜ｇ〉）＝ΔＥｅ−ＵＳ
Ｅ２＝Ｅ（｜ｅ〉）−Ｅ（｜ｓ〉）＝ΔＥｈ−ＵＳ
となる。
【００３５】
次に、図５乃至図７を参照して、単一光子発生方法を説明する。図５は、単一光子発生方法の第１ステップの説明図であり、結合量子ドット集団１に第１の励起光ωｐを照射して、励起子基底状態｜ｇ〉を生成することで初期化を行う。初期化する前は励起子が存在しない状態であるが、｜ｇ〉状態のエネルギー以上で｜ｓ〉状態のエネルギー以下の第１の励起光ωｐを照射することにより全ての結合量子ドット２を｜ｇ〉状態、即ち、｜Ｇ〉状態にする。
【００３６】
したがって、第１の励起光ωｐの波長λｐ（＝２πｃ／ωｐ）は、量子ドットの材料のバンドギャップに閉じ込めエネルギーと｜ｇ〉状態に対応する電子と正孔のドット内束縛エネルギーの和を加えたものに対応する。共鳴励起ではこのエネルギーにωｐをチューニングする。非共鳴励起ではそれより少し高いエネルギーに設定する。準共鳴励起の場合、フォノン散乱などバンド内基底状態に落ちるまで待つ。これに必要な時間は１ｎｓ以下である。共鳴励起、準共鳴励起のいずれの場合も励起光のスペクトル純度は問題にならず、通常のレーザを用いれば十分である。
【００３７】
図６は、単一光子発生方法の第２ステップの説明図であり、第２の励起光ωａを照射してＤｉｃｋｅ状態｜Ｓ〉とする。このＤｉｃｋｅ状態｜Ｓ〉は、ラマン散乱光をωｓ、ｆ１，ｆ２，・・・を振幅とすると、
｜Ｓ〉＝（｜Ｇ〉＋０光子）＋（ｆ１｜Ｓ１〉＋ωｓ）＋（ｆ２｜Ｓ２〉＋２ωｓ）＋・・・
の重ね合せで表される。なお、２ωｓは、２つの結合量子ドット２が｜ｓ〉状態に励起されて２個のストークス光ωｓが放出されることを表す。そこで、そのラマン散乱光ωｓを光子数検出手段９で測定し、光子数が１であるｆ１｜Ｓ１〉＋ωｓの時に、即ち、１つの結合量子ドット２のみが｜ｓ〉状態に励起されてコヒーレントな状態になった時、結合量子ドット集団１が単一Ｄｉｃｋｅ状態｜Ｓ１〉となり、単一光子発生の準備が完了したと判断する。なお、１≫ｆ１≫ｆ２・・・である。
【００３８】
現実の光子数検出手段９では誤りなく個数を決定することはできない。その場合でも第２の励起光ωａの強度を十分小さくしておけば、光子発生の段階で２光子以上の確率をいくらでも小さくすることができる。なお、光子数検出器が使えない場合、通常の閾値検出器でも多段のビームスプリッタを介して同時検出すると個数検出が可能である。本方式では事前準備で単一励起ディッケ状態が確認されたデバイスをあらかじめ用意しておいてそれを順次消費していけばいいので、リアルタイムで選別しなければならないＳＰＤＣと比べて大変な利点がある。
【００３９】
図７は、単一光子発生方法の第３ステップの説明図であり、単一光子が必要になった時点で、第３の励起光ωｓを照射して、ラマン散乱光であるアンチ・ストークス光ωａを取り出す。この第３の励起光ωｓのエネルギーは、励起子分離状態の高い方のエネルギー状態｜ｓ〉と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態｜ｅ〉のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ非共鳴ポンプ光を入射すると、ラマン散乱を受け、その一部がそれよりも波長の短いアンチ・ストークス光ωａに変換される．このラマン散乱光ωａは単一Ｄｉｃｋｅ状態｜Ｓ１〉の結合量子ドット集団１から放出されるので、光子の単一性は原理的に保証されていることになる。
【００４０】
本発明の実施の形態においては、第２の励起光による励起プロセスに散乱光の光子数検出による事後選択という、系の単一励起性の保証が組み込まれているため、単一励起の場合だけ次の光子生成ステップに進む。したがって、一旦、系の単一励起性が確認されているので単一光子しか生成しない。また系の単一励起状態が自然に多重励起状態に遷移する確率は、ｆ１≫ｆ２・・・であるので無視できる。
【００４１】
このように本発明の実施の形態においては、厳密な単一光子の発生が原理的に可能になり、課題が解決される。さらに、単一光子の発生は第３の励起光の照射時に即時的に起こるため、オンデマンド光子源を必須とする量子計算などへの応用も可能になる。さらに、量子暗号通信においてもオンデマンド性があればシステムのクロックのすべてのスロットに光子を打ち込めるので、システム設計が容易になり、動作効率・レートも向上する。
【００４２】
その他の効果としては、集積化・全固体化が可能であり、既存の通信システム、計算機と同様にコンパクトにモジュール化された量子通信システム、量子計算機が構築できる点が挙げられる。なお、単一光子を量子暗号通信に用いる場合は｜ｅ〉と｜ｇ〉とのエネルギー差が光ファイバの伝送帯域（１．３μｍ、或いは１．５５μｍ）よりも離調分Δだけエネルギーが高いことが望ましい。これは、第２の励起光の波長に対応している。量子計算向けの応用の場合、波長に対する光ファイバ伝送からの制約は無くなる。
【実施例１】
【００４３】
次に、図８乃至図１０を参照して、本発明の実施例１の単一光子発生装置を説明する。図８は、本発明の実施例１の単一光子発生装置の要部説明図であり、ここでは、３準位ラムダ系を実現する結合量子ドット集団部を説明する。図８（ａ）は概略的説明図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。
【００４４】
図８に示すように、第１ＩｎＡｓ量子ドット３５及び第２ＩｎＡｓ量子ドット３７が積層された結合量子ドットがアレイ状に配置されるとともに、メサストライプ状の光導波路４０が形成されている。
【００４５】
次に、図９及び図１０を参照して、結合量子ドット集団部の製造工程を説明する。まず、図９（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて、ＧａＡｓ基板３１上に、厚さが３００ｎｍのＧａＡｓバッファ層３２、厚さが、１００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層３３及び厚さが１００ｎｍのｉ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層３４を順次成長させる。
【００４６】
次いで、図９（ｂ）に示すように、ｉ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層３４上に、第１ＩｎＡｓ量子ドット３５をＳＫモード成長によって形成する。なお、ウェット層は図示を省略する。また、必要であれば、さらにアニーリングを行なう。次いで、図９（ｃ）に示すように、第１ＩｎＡｓ量子ドット３５を埋め込むようにｉ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓキャップ層３６を１０ｎｍの厚さに形成する。
【００４７】
次いで、図１０（ｄ）に示すように、ｉ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓキャップ層３６上に、第２ＩｎＡｓ量子ドット３７をＳＫモードで成長させる。この第２ＩｎＡｓ量子ドット３７を成長させる際に、成長条件を調整することで、第１ＩｎＡｓ量子ドット３５の直上に、第２ＩｎＡｓ量子ドット３７を成長させる。ここでは、第１ＩｎＡｓ量子ドット３５のサイズを大きくし、第２ＩｎＡｓ量子ドット３７のサイズを小さくして両者のサイズが異なるようにしている。なお、量子ドットのサイズは約１０ｎｍ〜約４０ｎｍ程度の範囲で設計でき、ばらつきは概ね１０％以下が可能である。
【００４８】
次いで、図１０（ｅ）に示すように、第２ＩｎＡｓ量子ドット３７を埋め込むように、厚さが３００ｎｍのｉ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓキャップ層３８を形成する。次いで、図１０（ｆ）に示すように、ｉ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓキャップ層３８上に厚さが２００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層３９を形成する。このようにして、第１ＩｎＡｓ量子ドット３５及び第２ＩｎＡｓ量子ドット３７という２つの量子ドットを結合した結合量子ドットが形成される。最後に、ストライプ状にメサエッチングして光導波路を形成する。
【００４９】
次いで、本発明の実施例１における単一光子発生方法を説明する。まず、図４に示したように、｜ｇ〉、｜ｅ〉、｜ｓ〉のエネルギー状態を用いた３準位ラムダ系とする。図５に示すように、結合量子ドット集団に第１の励起光ωｐを照射して、励起子基底状態｜ｇ〉を生成することで初期化を行う。初期化する前は励起子が存在しない状態であるが、｜ｇ〉状態のエネルギー以上、｜ｓ〉状態のエネルギー以下の第１の励起光ωｐを照射することにより全ての結合量子ドット２を｜ｇ〉状態、即ち、｜Ｇ〉状態にする。
【００５０】
上述のように、第１の励起光ωｐの波長λｐ（＝２πｃ／ωｐ）は、量子ドットの材料のバンドギャップに｜ｇ〉状態に対応する電子と正孔のドット内束縛エネルギーの和を加えたものに対応する。共鳴励起する場合には、このエネルギーにωｐをチューニングする。
【００５１】
非共鳴励起する場合には、λｐより少し高いエネルギーに設定する所定のポンプパルス幅に対して、ポンプのパワーは装置の特性検査の段階で１ｍｗ以下の極めて弱い値から徐々にパワーを１００ｍＷ程度まで上げて行く。この時、蛍光強度をプロットし、励起が飽和する点を抽出してその値に設定するか、それより少し小さな値にして、各結合量子ドットにおける多重励起（ｍｕｌｔｉｅｘｃｉｔｏｎ）確率を小さくする。なお、仮令、この段階で多重励起が起こっていたとしても、やはり発明原理から本発明に関わる単一光子性には影響はほとんどない。
【００５２】
準共鳴励起する場合には、フォノン散乱などバンド内基底状態に落ちるまで待つ。これに必要な時間は１ｎｓ以下である。共鳴励起、準共鳴励起のいずれの場合もポンプ光のスペクトル純度は問題にならないので、通常のレーザを用いる。但し、ここでは、｜ｅ〉と｜ｇ〉のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ非共鳴ポンプを用い、結合量子ドットと相互作用できる偏光状態の強度Ω、パルス幅τの弱い非共鳴レーザ光（離調Δ）を入射する。
【００５３】
次に、図６に示すように、第２の励起光ωａを照射して、単一Ｄｉｃｋｅ状態｜Ｓ１〉を生成する。但し、ここでは、｜ｅ〉と｜ｇ〉のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ非共鳴ポンプを用い、結合量子ドットと相互作用できる偏光状態の強度Ω、パルス幅τの弱い非共鳴レーザ光（離調Δ）を入射する。ここでは第２励起光ωａとして用いた非共鳴レーザ光はラマン散乱を受け、その一部がそれよりも波長の長いストークス光ωｓに変換される。このようにして、ラマン散乱によるストークス光子ωｓが発生する。ここでは、Ｎ個の結合量子ドットが光導波路内に一列に配置されているため、ラマン散乱が効率的におきる。なお、ラマン散乱によって｜Ｇ〉から｜Ｓ１〉となることを、ラマン散乱による対称状態への励起という。
【００５４】
この非共鳴レーザ光の照射工程において、ポンプ光強度を適正にすることで、２励起状態｜Ｓ２〉以上の状態の振幅ｆ２，ｆ３・・・を十分小さくしておく。このポンプ光強度値の設定も第１の励起光ωｐのパワーの設定の場合と同様の考え方で行う。即ち、特性検査の段階で第２の励起光ωａのパワーをたとえば１ｍｗ以下の極めて弱い値から徐々にパワーを１００ｍＷ程度まで増やしながら、単一光子の発生確率がゼロではないが十分小さな値である点を求める。
【００５５】
適切な発生確率は光子数検出器の特性に依存する。即ち，光子数検出器が理想に近い場合単一光子の発生確率はほぼ１に近い値にしても構わない。しかし、光子数検出器の性能が劣る場合は単一光子の発生確率をたとえば０．００１程度にする必要がある場合もある。この場合、単一光子性を優先して、光子の発生レートを犠牲にすることになる。このラマン散乱により発生したストークス光ωｓは各ｎ励起状態｜Ｓｎ〉に対し、それぞれｎ光子状態が対応している。この散乱光を光子数測定し、１個の光子として検出した場合だけを用い、それ以外はやり直す。
【００５６】
第２の励起光の波長λａの細かな設定に関しては、離調をどの程度とるかという問題に対応している。この値出しのやり方としては十分大きな離調たとえば｜ｇ〉状態と｜ｅ〉状態間のエネルギーの半分からスタートし、上記パワーの設定手続きを行う。そして徐々に離調を小さくしながらパワーの設定手続きを繰り返し、ラマン散乱は起こるが望ましくない準位間の遷移が発生しない領域を見出し、その領域に波長λａを設定する。望ましくない遷移の発生はこの後の単一光子の発生段階でのノイズを観測することで検出できる。
【００５７】
次に、図７に示すように、第３の励起光ωｓを照射してラマン散乱により結合量子ドット集団が単一Ｄｉｃｋｅ状態｜Ｓ１〉から基底状態｜Ｇ〉へ戻るとともに、単一のアンチ・ストークス光子ωａが発生する。
【００５８】
第３の励起光のパラメータの設定も第１の励起光及び第２の励起光のパラメータ設定と同様な考え方で行う。但し、第３の励起光の場合、ラマン遷移は単一Ｄｉｃｋｅ状態｜Ｓ１〉という初期状態から基底状態｜Ｇ〉への遷移なので、他の遷移の可能性がほとんどなく、ポンプ強度はかなり強くても問題なく、動作マージンは大きい。
【００５９】
本発明の実施例１においては、ＳＫ成長モードで形成した積層型の結合量子ドット集団を直線上に配置しているので、ラマン散乱におけるレーザ光とのコヒーレント結合を向上することができる。また、励起光のビームはこの直線に沿って進行するように光軸を設定することにより、発生するラマン散乱光の出射方向も制限することができ、光子数検出や単一光子の取り出しの効率が向上する。
【００６０】
また、メサストライプ状の光導波路を設けているので、外部からのレーザ光はこの光導波路に導くことができるので、発生するラマン散乱光の出射方向も制限することができる。この場合、ビームの広がりはこの光導波路の幅によって制限されるためレーザ光と量子ドット系の結合はさらに強くなる。また、光導波路は種々の形状に曲げることも可能なので量子ドットの配置の自由度も大きくなる。
【実施例２】
【００６１】
次に、図１１を参照して、本発明の実施例２の単一光子発生方法を説明する。図１１は、本発明の実施例２の単一光子発生装置の要部説明図であり、ここでは、３準位ラムダ系を実現する結合量子ドット集団部を説明する。図１１（ａ）は概略的説明図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。
【００６２】
図１１に示すように、ストライプ状メサを形成したのち、第１ＩｎＡｓ量子ドット３５及び第２ＩｎＡｓ量子ドット３７が積層された結合量子ドットアレイの両側に新たにｉ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層堆積する。次いで、二次元マトリクス状に配置したピラー４１を形成したのち、このピラー４１をｎ型ＧａＡｓ層３９で埋め込んでフォトニック結晶による光導波路を形成する。なお、単一光子発生方法は上記の実施例１と同様であるので、説明は省略する。
【００６３】
本発明の実施例２においては、フォトニック結晶による光導波路を形成しているので、上記の実施例１のメサストライプ状の光導波路と同様の効果が得られる。
【実施例３】
【００６４】
次に、図１２を参照して、本発明の実施例３の単一光子発生装置を説明する。図１２は本発明の実施例３の単一光子発生装置の概念的構成図であり、外部にファブリ・ペロー共振器を設けた以外は上記の実施例１と同様であるので、基本的部分のみを図示する。図１２に示すように、結合量子ドット集団部を含むメサストライプ状の光導波路４０を挟み込むように光軸に垂直に一対のハーフミラー５１，５２を設ける。
【００６５】
この場合のファブリ・ペロー共振器の共振周波数は、ポンプ光とストークス光の周波数のいずれかあるいは両方に一致、あるいは外部からいずれかに一致させるよう制御できる機構を備えることで変換の効率あるいは速度を向上させることができる。これにより、光のモードと量子ドット系の結合がさらに強くなるほか、自然放出などによる効率の低下やノイズの発生を低減させることができる。また、発生する散乱光の出射方向も制限することができ、光子数検出や単一光子の取り出しの効率が向上する。
【００６６】
なお、ファブリ・ペロー共振器の共振周波数にチューニング性を持たせるためには、少なくとも一方のハーフミラーに圧電素子による移動機構を設けて、光軸方向に移動させれば良い。或いは、光路の途中に電界により屈折率の変化する光学結晶を設けて、電圧により屈折率を変化させて波長をチューニングしても良い。また、メサストライプ状の光導波路４０の代わりに実施例２と同様にフォトニック結晶を用いた光導波路としても良い。
【実施例４】
【００６７】
次に、図１３を参照して、本発明の実施例４の単一光子発生装置を説明する。図１３は本発明の実施例４の単一光子発生装置の概念的構成図であり、リング型共振器を設けた以外は上記の実施例１と同様であるので、基本的部分のみを図示する。図１３に示すように、結合量子ドット集団部を含むメサストライプ状の光導波路４０を光路の一部として含むように二枚のハーフミラー５３，５４と二枚のミラー５５，５６によってリング共振器を形成したものである。
【００６８】
このように、リング共振器を設けることによって、ポンプ光と結合量子ドット系の結合と指向性を強化することができる。なお、この場合も、一方のハーフミラー５４とミラー５５が連動して移動するように圧電素子を用いた移動機構を設けて波長をチューニングしても良い。或いは、リング状の光路内に電界により屈折率の変化する光学結晶を設けて、電圧により屈折率を変化させて波長をチューニングしても良い。また、メサストライプ状の光導波路４０の代わりに実施例２と同様にフォトニック結晶を用いた光導波路としても良い。
【００６９】
ここで、実施例１乃至実施例４を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）互いに基底量子準位の異なる２つの量子ドットが結合した結合量子ドットが複数集合した結合量子ドット集団と、前記結合量子ドット集団に第１の励起光を照射して多数の結合量子ドットを励起子基底状態にする第１のポンピング光照射手段と、前記励起子基底状態にした結合量子ドット集団に第２の励起光を照射してラマン散乱により励起ディッケ状態にする第２のポンピング光照射手段と、前記ラマン散乱によるラマン散乱光の光子数を検出する光子数検出手段と、前記光子数検出手段の検出結果により、前記励起ディッケ状態が単一励起ディッケ状態になるようにする第２のポンピング光照射手段を制御する制御手段と、前記単一励起ディッケ状態にした結合量子ドット集団に第３の励起光を照射してラマン散乱により前記単一励起ディッケ状態から前記励起子基底状態への遷移に伴う単一光子を生成する第３のポンピング光照射手段とを備えたことを特徴とする単一光子発生装置。
（付記２）前記第２の励起光が非共鳴レーザ光であることを特徴とする付記１に記載の単一光子発生装置。
（付記３）前記各結合量子ドットは、前記第１の励起光乃至第３の励起光の光軸方向に沿って直線状に配置していることを特徴とする付記１或いは付記２に記載の単一光子発生装置。
（付記４）前記各結合量子ドットは、ストランスキ−クラスタノフ成長モードによる第１層目の量子ドットと、中間層を介して前記第１層目の量子ドット上に位置整合して形成された第２層目の量子ドットとが結合した結合量子ドットであることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載の単一光子発生装置。
（付記５）前記直線状に配列した結合量子ドット集団は、メサ型光導波路或いはフォトニック結晶による光導波路のいずれかの光導波路内に配置されていることを特徴とする付記１乃至付記４のいずれか１に記載の単一光子発生装置。
（付記６）前記直線状に配列した結合量子ドット集団を含む前記光導波路をファブリ・ペロー型共振器内に配置したことを特徴とする付記５に記載の単一光子発生装置。
（付記７）前記直線状に配列した結合量子ドット集団を含む前記光導波路をリング型共振器内に配置したことを特徴とする付記５に記載の単一光子発生装置。
（付記８）互いに基底量子準位の異なる２つの量子ドットが結合した結合量子ドットが複数集合した結合量子ドット集団に第１の励起光を照射して多数の結合量子ドットを励起子基底状態にする第１のポンピング光照射工程と、前記励起子基底状態にした結合量子ドット集団に第２の励起光を照射してラマン散乱によるラマン散乱光の光子数を検出し、光子数検出手段の検出結果により、前記励起子基底状態が単一励起ディッケ状態になるようにする第２のポンピング光照射工程と、前記単一励起ディッケ状態にした結合量子ドット集団に第３の励起光を照射してラマン散乱により前記単一励起ディッケ状態から前記励起子基底状態への遷移に伴う単一光子を生成する第３のポンピング光照射工程とを備えたことを特徴とする単一光子発生方法。
（付記９）前記ラマン散乱において、前記各結合量子ドットの４つのエネルギー状態の内、２つの励起子分離エネルギー状態と、２つの励起子局在状態の内の高いエネルギー状態との３つのエネルギー状態を用いることを特徴とする付記８に記載の単一光子発生方法。（付記１０）前記第２の励起光が非共鳴レーザ光であることを特徴とする付記８または付記９に記載の単一光子発生方法。
【符号の説明】
【００７０】
１  結合量子ドット集団
２  結合量子ドット
３  光導波路
４  フォトニック結晶
５  第１のポンピング光照射手段
６  第２のポンピング光照射手段
７  第３のポンピング光照射手段
８  光切り替え手段
９  光子数検出手段
１０  制御手段
１１  ダイクロィックミラー
１２  ビームスプリッタ
１３，１４  フィルタ
３１  ＧａＡｓ基板
３２  ＧａＡｓバッファ層
３３  ｎ型ＧａＡｓ層
３４  ｉ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層
３５  第１ＩｎＡｓ量子ドット
３６  ｉ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓキャップ層
３７  第２ＩｎＡｓ量子ドット
３８  ｉ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓキャップ層
３９  ｎ型ＧａＡｓ層
４０  光導波路
４１  ピラー
５１，５２，５３，５４  ハーフミラー
５５，５６  ミラー
【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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【図１３】
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