(57)【要約】本発明は、トリガー単一光子及びトリガー偏光混絡光子対を発生させるための装置及び方法を提供する。光源は光子エミッタにパルスを供給し、電子正孔対を発生させ、これにより光子を放出する。該光源は、パルス波長を該光子エミッタの励起状態吸収共振に同調させる手段を含む。又、該光源は、特定のスピンを有する電子正孔対を発生させるために偏光を選択的に選ぶ手段を含むことができる。フィルタは最後の単一光子を分離する。放出光子を一以上の光学素子に導いて結合するためにマイクロキャビティが含まれていてもよい。装置又は方法がトリガー偏光混絡光子対を発生させるために用いられる場合、該光源が該光子エミッタを励起する方法及び放出フィルタリングを行う方法に加えた変更点を除いては、単一光子を発生させる場合と殆ど同じ様に動作する。
2004518275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トリガー単一光子を発生させる装置であって、
（ａ）光子エミッタと、
（ｂ）前記光子エミッタにパルスを供給し、光子を放出するために前記光子エミッタの内部に電子正孔対を発生させる光源であって、パルス波長を前記光子エミッタの励起状態吸収共振に同調させる手段を含む光源と、
（ｃ）前記放出光子から最後の単一光子を分離するフィルタであって、一励起子放出線と二励起子放出線とを区別する手段を含むフィルタとからなる装置。
【請求項２】
前記光源は、特定のスピンを有する前記電子正孔対を発生させるために選択的に偏光を選択する手段を更に含む請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記光源は、前記パルスに対して少なくとも一対の前記電子正孔対を高い確率で発生させるのに充分な強度を有する請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記光源はパルスレーザである請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記光子エミッタは半導体量子ドットである請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記半導体量子ドットは、バンドギャップが相対的に大きいマトリックスで取り囲まれたバンドギャップが相対的に小さい半導体材料で形成された小さな島を含む請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記半導体量子ドットは、ＧａＡｓで取り囲まれたＩｎＧａＡｓ領域、ＧａＩｎＰで取り囲まれたＩｎＰ領域、又は、ＡｌＧａＡｓで取り囲まれたＧａＡｓ領域である請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記フィルタは前記光源からの散乱光を排除する請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記フィルタは干渉フィルタ又は回折格子モノクロメータである請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記放出光子を単一空間モードにし、前記単一モードの単一光子を一以上の光学素子に結合するマイクロキャビティを更に含む請求項１記載の装置。
【請求項１１】
前記マイクロキャビティは小さな体積を有し、光子蓄積時間を長くするための手段を含む請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
前記マイクロキャビティはマイクロポスト状分布ブラッグ反射器キャビティ又はマイクロ球状キャビティである請求項１０記載の装置。
【請求項１３】
トリガー単一光子を発生させる方法であって、
（ａ）光子エミッタを提供するステップと、
（ｂ）パルス波長を前記光子エミッタの励起状態吸収共振に同調させる手段を含む光源を用いて前記光子エミッタにパルスを供給し、光子を放出するために前記光子エミッタの内部に電子正孔対を発生させるステップと、
（ｃ）一励起子放出線と二励起子放出線とを区別する手段を含み、最後の単一光子を分離するフィルタを用いて、前記放出光子をフィルタリングするステップとを含む方法。
【請求項１４】
前記光源は、特定のスピンを有する前記電子正孔対を発生させるために選択的に偏光を選ぶ手段を更に含む請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記光源は、前記パルスに対して少なくとも一対の前記電子正孔対を高い確率で発生させるのに充分な強度を有する請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
前記光源はパルスレーザである請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
前記光子エミッタは半導体量子ドットである請求項１３記載の方法。
【請求項１８】
前記半導体量子ドットは、バンドギャップが相対的に大きいマトリックスで取り囲まれたバンドギャップが相対的に小さい半導体材料で形成された小さな島を含む請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記半導体量子ドットが、ＧａＡｓで取り囲まれたＩｎＧａＡｓ領域、ＧａＩｎＰで取り囲まれたＩｎＰ領域、又は、ＡｌＧａＡｓで取り囲まれたＧａＡｓ領域である請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記フィルタは前記光源からの散乱光を排除する請求項１３記載の方法。
【請求項２１】
前記フィルタは干渉フィルタ又は回折格子モノクロメータである請求項１３記載の方法。
【請求項２２】
前記放出光子を単一空間モードにするためにマイクロキャビティを提供し、前記単一モードの単一光子を一以上の光学素子に結合するステップを更に含む請求項１３記載の方法。
【請求項２３】
前記マイクロキャビティは小さな体積を有し、光子蓄積時間を長くするための手段を含む請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記マイクロキャビティはマイクロポスト状分布ブラッグ反射器キャビティ又はマイクロ球状キャビティである請求項２２記載の方法。
【請求項２５】
トリガー偏光混絡光子対を発生させる装置であって、
（ａ）光子エミッタと、
（ｂ）前記光子エミッタの内部に反対のスピンを有する二対の電子正孔対を発生させて二個の光子を放出させるために、前記光子エミッタにパルスを供給する光源であり、前記二光子の最初の光子の波長は二励起子波長であり、二番目の光子の波長は一励起子波長である光源とからなる装置。
【請求項２６】
前記光源はパルスレーザである請求項２５記載の装置。
【請求項２７】
前記光子エミッタは半導体量子ドットである請求項２５記載の装置。
【請求項２８】
前記半導体量子ドットは、バンドギャップが相対的に大きいマトリックスで取り囲まれたバンドギャップが相対的に小さい半導体材料で形成された小さな島を含む請求項２７記載の装置。
【請求項２９】
前記半導体量子ドットは、ＧａＡｓで取り囲まれたＩｎＧａＡｓ領域、ＧａＩｎＰで取り囲まれたＩｎＰ領域、又は、ＡｌＧａＡｓで取り囲まれたＧａＡｓ領域である請求項２８記載の装置。
【請求項３０】
前記放出光子の収集効率を増大させ、前記放出光子を単一空間モードにするマイクロキャビティであり、前記単一モードの単一光子を一以上の光学素子に結合するマイクロキャビティを更に含む請求項２５記載の装置。
【請求項３１】
前記マイクロキャビティは小さな体積を有し、光子蓄積時間を長くするための手段を含む請求項３０記載の装置。
【請求項３２】
前記マイクロキャビティはマイクロポスト状分布ブラッグ反射器キャビティ又はマイクロ球状キャビティである請求項３０記載の装置。
【請求項３３】
前記マイクロキャビティは１Ｘ線と共振する第一の空間モードと２Ｘ線と共振する第二の空間モードを有する請求項３０記載の装置。
【請求項３４】
トリガー偏光混絡光子対を発生させる方法であって、
（ａ）光子エミッタを提供するステップと、
（ｂ）光源を用いて前記光子エミッタにパルスを送り、前記光子エミッタの内部に反対のスピンを有する二対の電子正孔対を発生させて二光子を放出するステップとを含み、二光子の最初の光子の波長は二励起子波長であり、二番目の光子の波長は一励起子波長である方法。
【請求項３５】
前記光源はパルスレーザである請求項３４記載の方法。
【請求項３６】
前記光子エミッタは半導体量子ドットである請求項３４記載の方法。
【請求項３７】
前記半導体量子ドットは、バンドギャップが相対的に大きいマトリックスで取り囲まれたバンドギャップが相対的に小さい半導体材料で形成された小さな島を含む請求項３６記載の方法。
【請求項３８】
前記半導体量子ドットは、ＧａＡｓで取り囲まれたＩｎＧａＡｓ領域、ＧａＩｎＰで取り囲まれたＩｎＰ領域、又は、ＡｌＧａＡｓで取り囲まれたＧａＡｓ領域である請求項３７記載の方法。
【請求項３９】
前記放出光子の収集効率を増大させ、前記放出光子を単一空間モードにするマイクロキャビティを提供し、前記単一モードの単一光子を一以上の光学素子に結合するステップを更に含む請求項３４記載の方法。
【請求項４０】
前記マイクロキャビティは小さな体積を有し、光子蓄積時間を長くするための手段を含む請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
前記マイクロキャビティはマイクロポスト状分布ブラッグ反射器キャビティ又はマイクロ球状キャビティである請求項３９記載の方法。
【請求項４２】
前記マイクロキャビティが１Ｘ線と共振する第一の空間モードと２Ｘ線と共振する第二の空間モードを有する請求項３９記載の方法。
【請求項４３】
トリガー偏光混絡光子対を発生させる装置であって、
（ａ）光子エミッタと、
（ｂ）前記光子エミッタに連続して二個のパルスを供給するための光源とを含み、前記二個のパルスの内の最初のパルスは狭い吸収共振に同調されて、励起状態にある第一の電子正孔対を発生し、この電子正孔対のスピン方向が所定の方向になるように前記光源の偏光が選ばれ、前記二個のパルスの内のエネルギーがわずかに低い二番目のパルスは狭い吸収共振に同調されて、励起状態にある第二の電子正孔対を発生し、この電子正孔対のスピン方向が前記第一の電子正孔対のスピンと逆方向になるように偏光が選ばれる装置。
【請求項４４】
前記光源がパルスレーザである請求項４３記載の装置。
【請求項４５】
前記光子エミッタが半導体量子ドットである請求項４３記載の装置。
【請求項４６】
前記半導体量子ドットは、バンドギャップが相対的に大きいマトリックスで取り囲まれたバンドギャップが相対的に小さい半導体材料で形成された小さな島を含む請求項４５記載の装置。
【請求項４７】
前記半導体量子ドットは、ＧａＡｓで取り囲まれたＩｎＧａＡｓ領域、ＧａＩｎＰで取り囲まれたＩｎＰ領域、又は、ＡｌＧａＡｓで取り囲まれたＧａＡｓ領域である請求項４６記載の装置。
【請求項４８】
前記光源からの散乱光を排除するフィルタリングステップを更に含む請求項４３記載の装置。
【請求項４９】
前記放出光子の収集効率を増大させ、前記放出光子を単一空間モードにするマイクロキャビティであり、前記単一モードの単一光子を一以上の光学素子に結合するマイクロキャビティを更に含む請求項４３記載の装置。
【請求項５０】
前記マイクロキャビティは小さな体積を有し、光子蓄積時間を長くするための手段を含む請求項４９記載の装置。
【請求項５１】
前記マイクロキャビティがマイクロポスト状分布ブラッグ反射器キャビティ又はマイクロ球状キャビティである請求項４９記載の装置。
【請求項５２】
前記マイクロキャビティが１Ｘ線と共振する第一の空間モードと２Ｘ線と共振する第二の空間モードを有する請求項４９記載の装置。
【請求項５３】
トリガー偏光混絡光子対を発生させる方法であって、
（ａ）光子エミッタを提供するステップと、
（ｂ）光源を用いて前記光子エミッタに連続して二個のパルスを送るステップとを含み、二個のパルスの内、最初のパルスは狭い吸収共振に同調されて、励起状態にある第一の電子正孔対を発生し、この電子正孔対のスピン方向が所定の方向になるように前記光源の偏光が選ばれ、二個のパルスの内、エネルギーがわずかに低い二番目のパルスは狭い吸収共振に同調されて、励起状態にある第二の電子正孔対を発生し、この電子正孔対のスピン方向が前記第一の電子正孔対のスピンと逆方向になるように偏光が選ばれる方法。
【請求項５４】
前記光源はパルスレーザである請求項５３記載の方法。
【請求項５５】
前記光子エミッタは半導体量子ドットである請求項５３記載の方法。
【請求項５６】
前記半導体量子ドットは、バンドギャップが相対的に大きいマトリックスで取り囲まれたバンドギャップが相対的に小さい半導体材料で形成された小さな島を含む請求項５５記載の方法。
【請求項５７】
前記半導体量子ドットは、ＧａＡｓで取り囲まれたＩｎＧａＡｓ領域、ＧａＩｎＰで取り囲まれたＩｎＰ領域、又は、ＡｌＧａＡｓで取り囲まれたＧａＡｓ領域である請求項５６記載の方法。
【請求項５８】
前記光源からの散乱光を排除するフィルタリングのステップを更に含む請求項５３記載の方法。
【請求項５９】
前記放出光子の収集効率を増大させ、前記放出光子を単一空間モードにするマイクロキャビティを提供し、前記単一モードの単一光子を一以上の光学素子に結合するステップを更に含む請求項５３記載の方法。
【請求項６０】
前記マイクロキャビティは小さな体積を有し、光子蓄積時間を長くするための手段を含む請求項５９記載の方法。
【請求項６１】
前記マイクロキャビティはマイクロポスト状分布ブラッグ反射器キャビティ又はマイクロ球状キャビティである請求項５９記載の方法。
【請求項６２】
前記マイクロキャビティは１Ｘ線と共振する第一の空間モードと２Ｘ線と共振する第二の空間モードを有する請求項５９記載の方法。
【請求項６３】
トリガー偏光混絡光子対を発生させる装置であって、
（ａ）光子エミッタと、
（ｂ）前記光子エミッタにパルスを供給して両方のスピン方向の数個の電子正孔対を発生させる光源と、
（ｃ）単一励起子放出線のみを分離し、逆スピンを有する二つの電子正孔対に対応する放出線のみを狭く受け入れるフィルタとを含む装置。
【請求項６４】
前記光源がパルスレーザである請求項６３記載の装置。
【請求項６５】
前記光子エミッタは半導体量子ドットである請求項６３記載の装置。
【請求項６６】
前記半導体量子ドットは、バンドギャップが相対的に大きいマトリックスで取り囲まれたバンドギャップが相対的に小さい半導体材料で形成された小さな島を含む請求項６５記載の装置。
【請求項６７】
前記半導体量子ドットは、ＧａＡｓで取り囲まれたＩｎＧａＡｓ領域、ＧａＩｎＰで取り囲まれたＩｎＰ領域、又は、ＡｌＧａＡｓで取り囲まれたＧａＡｓ領域である請求項６６記載の装置。
【請求項６８】
前記フィルタは前記光源からの散乱光を排除する請求項６３記載の装置。
【請求項６９】
前記放出光子の収集効率を増大させ、前記放出光子を単一空間モードにするためのマイクロキャビティであり、前記単一モードの単一光子を一以上の光学素子に結合するマイクロキャビティを更に含む請求項６３記載の装置。
【請求項７０】
前記マイクロキャビティは小さな体積を有し、光子蓄積時間を長くするための手段を含む請求項６９記載の装置。
【請求項７１】
前記マイクロキャビティがマイクロポスト状分布ブラッグ反射器キャビティ又はマイクロ球状キャビティである請求項６９記載の装置。
【請求項７２】
前記マイクロキャビティが１Ｘ線と共振する第一の空間モードと２Ｘ線と共振する第二の空間モードを有する請求項６９記載の装置。
【請求項７３】
トリガー偏光混絡光子対を発生させる方法であって、
（ａ）光子エミッタを提供するステップと、
（ｂ）光源を用いて前記光子エミッタにパルスを供給して両方のスピン方向の数個の電子正孔対を発生させるステップと、
（ｃ）フィルタを用いて単一励起子放出線のみをフィルタリングし、逆方向のスピンを有する二つの電子正孔対に対応する放出線のみを狭く受け入れるステップとを含む方法。
【請求項７４】
前記光源はパルスレーザである請求項７３記載の方法。
【請求項７５】
前記光子エミッタは半導体量子ドットである請求項７３記載の方法。
【請求項７６】
前記半導体量子ドットは、バンドギャップが相対的に大きいマトリックスで取り囲まれたバンドギャップが相対的に小さい半導体材料で形成された小さな島を含む請求項７５記載の方法。
【請求項７７】
前記半導体量子ドットは、ＧａＡｓで取り囲まれたＩｎＧａＡｓ領域、ＧａＩｎＰで取り囲まれたＩｎＰ領域、又は、ＡｌＧａＡｓで取り囲まれたＧａＡｓ領域である請求項７６記載の方法。
【請求項７８】
前記フィルタは前記光源からの散乱光を排除する請求項７３記載の方法。
【請求項７９】
前記放出光子の収集効率を増大させ、前記放出光子を単一空間モードにするためのマイクロキャビティを提供し、前記単一モードの単一光子を一以上の光学素子に結合するステップを更に含む請求項７３記載の方法。
【請求項８０】
前記マイクロキャビティは小さな体積を有し、光子蓄積時間を長くするための手段を含む請求項７９記載の方法。
【請求項８１】
前記マイクロキャビティはマイクロポスト状分布ブラッグ反射器キャビティ又はマイクロ球状キャビティである請求項７９記載の方法。
【請求項８２】
前記マイクロキャビティは１Ｘ線と共振する第一の空間モードと２Ｘ線と共振する第二の空間モードを有する請求項７９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
（技術分野）
本発明は、量子通信及び量子計算に関するものである。より詳細には、量子ドットを用いて、トリガー単一光子及びトリガー偏光混絡光子対を発生させるための装置及び方法に関するものである。
【０００１】
（背景技術）
既知の時間間隔内に到来する単一光子（ｓｉｎｇｌｅ  ｐｈｏｔｏｎｓ）又は偏光混絡光子の単一対（ｓｉｎｇｌｅ  ｐａｉｒｓ  ｏｆ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｅｎｔａｎｇｌｅｄ  ｐｈｏｔｏｎｓ）の流れは、量子通信及び量子計算という新しい分野に応用できる可能性がある。その最も顕著な事例として、最近発表された量子暗号方式においては、情報を単一光子の偏光上に暗号化している。単一光子の偏光は、偏光を変化させることなしに測定出来ないため、傍受に対し安全性が確保できる。量子暗号法と効率のよい単一光子源に関する研究が今後さかんになることが予想される。
【０００２】
量子暗号法についての幾つかのプロトコルが提案されており、その中で“Ｃ．Ｈ．Ｂｅｎｎｅｔｔ  ａｎｄ  Ｇ．Ｂｒａｓｓａｒｄ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｂａｎｇａｌｏｒｅ，Ｉｎｄｉａ  ＩＥＥＥ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９８４，ｐｐ．１７５−１７９，１９８４”に記載された”ＢＢ８４”と、”Ａ．Ｋ．Ｅｋｅｒｔ．Ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｂｅｌｌ’ｓ  ｔｈｅｏｒｅｍ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，６７（６），６６１−６６３，１９９１”に記載された“Ｅｋｅｒｔ”の二つのプロトコルは広く用いられている。ＢＢ８４プロトコルでは、単一光子の流れが必要とされる。現在利用可能な光子源である高減衰レーザでは、到達光子数がランダムであることから、二光子イベント（ｔｗｏ  ｐｈｏｔｏｎ  ｅｖｅｎｔｓ）を避けるために、安定化された光子源を利用した場合のデータ伝送速度より、速度をはるかに下げる必要がある。現在までに最も成功している「単一光子を発生させる方法」の一つは、単一分子蛍光発光である。この方法では分子がレーザパルスによって励起され、それに応答して単一光子を放出する。しかしながらこの方法には、二つの問題がある。それは、分子の迅速なフォトブリーチング（ｐｈｏｔｏ−ｂｌｅａｃｈｉｎｇ）（光学活性の消滅）と、放出された光子の収集効率が限られていることである。単一分子蛍光発光以外の別の方法としては、ダイヤモンド結晶中の単一色中心からの蛍光発光がある。しかしながらこの方法では、放出される光子の波長が大幅に変動する。Ｅｋｅｒｔプロトコルでは、偏光混絡光子対の流れが必要とされる。混絡光子を発生する最も実際的な現存の光子源であるパラメトリックダウン−コンバージョンは、決定論的に精確に一光子対を発生するというよりはむしろ、ポアソン分布に従って多数の光子対を発生する。混絡偏光光子単一対を発生する光子源は、この方式では有益である。そのような光子源の上記した以外の応用としては、乱数発生機、光強度標準、量子力学の基礎的なテスト、量子テレポーテーション及び量子計算がある。
【０００３】
従って、一定の偏光を有するトリガー単一光子、及びトリガー偏光混絡光子対の両方を提供できる装置及び方法の開発が求められる。更に、フォトブリーチングの問題が無く、高い回収効率を実現できる装置及び方法を開発する必要がある。
【０００４】
（発明の開示）
本発明は、トリガー単一光子及びトリガー偏光混絡光子対を発生させるための装置及び方法を提供する。
【０００５】
トリガー単一光子を発生させるための装置及び方法には、光子エミッタ、光源及びフィルタを含む。該光源は光子エミッタにパルスを送り、光子エミッタ内部に電子正孔対を発生させ、これにより光子を放出する。ここで光子エミッタは、例えば半導体量子ドットとすることができる。前記光源には、パルス波長を前記光子エミッタの励起状態吸収共振に同調させる手段を含む。又、該光源は、特定のスピンを有する電子正孔対を発生させるために偏光を選択的に選ぶ手段をも含むことができる。該光源は、一個のパルスに対し高い確率で少なくとも一対の電子と正孔を発生させるのに充分な強度を有する。該光源は通常、パルスレーザである。前記フィルタは、放出光子から最後の単一光子を分離するもので、例えば干渉フィルタ、又は回折格子モノクロメータなどが挙げられる。該フィルタは、一励起子放出線と二励起子放出線とを区別する手段を含む。該フィルタは又、光源からの散乱光を排除するものでもある。
【０００６】
トリガー単一光子を発生させるための該装置及び方法は、放出光子を単一空間モードにし、単一モードの単一光子を一以上の光学素子、例えばオプティカルファイバーに結合させるためにマイクロキャビティを有していてもよい。該マイクロキャビティは小さな体積を有し、光子蓄積時間を長くするための手段を含む。ここで、該マイクロキャビティは例えば、マイクロポスト状分布ブラッグ反射器キャビティ又はマイクロ球状キャビティである。
【０００７】
本発明の装置又は方法がトリガー偏光混絡光子対を発生させるために用いられる場合、光源が光子エミッタを励起する方法、及び放出フィルタリングが行われる方法についての変更点を除いては、上述の単一光子の発生装置及び方法と殆ど同じように動作する。トリガー偏光混絡光子対を発生させるための装置及び方法は、光子エミッタ及び光源を含み、該光源は光子エミッタにパルスを送り、光子エミッタ内部に反対のスピンを有する二対の電子正孔対を発生させ、これにより二個の光子を放出する。この二個の光子の内の最初の光子の波長は二励起子波長であり、二番目の光子の波長は一励起子波長である。トリガー偏光混絡光子対を発生させるための該装置及び方法は、放出光子の収集効率を増大させ、放出光子を単一空間モードにし、単一モードの単一光子を一以上の光学素子、例えばオプティカルファイバーに結合させるためにマイクロキャビティを含んでいてもよい。
【０００８】
或いは、本発明によるトリガー偏光混絡光子対を発生させる装置及び方法においては、光子エミッタ、及び光子エミッタに連続して二個のパルスを供給するための光源を含む。二個の内の最初のパルスは狭い吸収共振（共鳴）に同調されて、励起状態にある第一の電子正孔対を発生する。この電子正孔対のスピン方向が所定の方向になるように光源の偏光が選ばれる。二個の内のエネルギーがわずかに低い第二のパルスは狭い吸収共振に同調されて、励起状態にある第二の電子正孔対を発生する。この電子正孔対のスピン方向が第一の電子正孔対のスピンと逆方向になるように偏光が選ばれる。
【０００９】
本発明によるトリガー偏光混絡光子対を発生させる別の装置及び方法においては、光子エミッタ、及び数個の両スピンの電子正孔対を発生する該光子エミッタにパルスを供給するための光源を含む。更に、本発明による装置及び方法は、単一励起子放出線のみを分離し、スピン方向が互いに逆の二つの電子正孔対に対応する放出線のみを狭く受け入れるフィルタを含む。
【００１０】
上記に鑑み、本発明の目的は、トリガー単一光子を発生させる装置と方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の別の目的は、トリガー偏光混絡光子対を発生させる装置と方法を提供することである。
【００１２】
本発明の更に別の目的は、光源のパルス波長を光子エミッタの励起状態吸収共振に同調させることである。
【００１３】
本発明の更に別の目的は、特定のスピンの電子正孔対を発生させるために偏光を選択的に選ぶ手段を含めることである。
【００１４】
本発明の更に別の目的は、一個のパルスに対して少なくとも一対の電子と正孔を高い確率で発生させるのに充分な強度を有する光源を提供することである。
【００１５】
本発明の別の目的は、放出光子の収集効率を増大させ、該放出光子を単一空間モードに導き、単一モードの単一光子を一以上の光学素子に結合させるためにマイクロキャビティを含めることである。
【００１６】
従来技術と比較した場合、本発明の優れている点としては、本システムを用いることにより、狭いスペクトル線幅の単一光子をフォトブリーチングなしに発生できるといった点、及び装置をより大きな固体構造体に組み込むことができるといった点が挙げられる。更に、最も実際に多く用いられている既存の光源である自発パラメトリックダウンコンバージョンでは、偏光混絡光子対をポアソン分布に従った数で発生させ得るだけであるが、本システムにおいては偏光混絡光子の単一対を発生させることができる、といった点も本発明が従来技術より優れている点の一つである。
【００１７】
（発明を実施するための最良の形態）
以下の本発明の詳細な記載は本発明の例示を目的とし、多くの具体例を含んでいるが、それらに例示した具体例の多くの変形や変更が本発明の範囲内にあることは当業者であれば容易に理解できるものである。従って、下記の発明を実施するための最良の形態は、本発明の請求にかかる発明の一般性を損なうものではなく、又その発明に限定を加えるものでもない。
【００１８】
本発明は、トリガー単一光子及びトリガー偏光混絡光子対を発生させる装置及び方法を提供するものである。本発明のトリガー単一光子及びトリガー偏光混絡光子対を発生させるための装置及び方法は、その好適な実施形態において、以下の構成部分：即ち、（ｉ）光子エミッタ、（ｉｉ）光源、及び（ｉｉｉ）スペクトルフィルタを含む。また、マイクロキャビティを含んでいてもよい。
【００１９】
図１に、トリガー単一光子を発生させるための単一光子装置１００を示す。装置１００は光子エミッタ１１０を含み、該光子エミッタは好ましくは孤立した半導体量子ドットとする。光子エミッタ１１０の内部に閉じ込められた電子と正孔は、原子中における場合と同様に離散エネルギー準位をもつ。量子ドットは例えば、バンドギャップが相対的に大きいマトリックス１１４で取り囲まれた、バンドギャップが相対的に小さい半導体材料で形成された小さな島１１２であるが、それに限られるものではない。光子エミッタ１１０の典型的な例としては、ＧａＡｓで取り囲まれたＩｎＧａＡｓ領域、ＧａＩｎＰで取り囲まれたＩｎＰ領域、又は、ＡｌＧａＡｓで取り囲まれたＧａＡｓ領域が挙げられる。又、量子ドットは、例えば、ＩｎＡｓ自己集合（ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ）ドットであってもよい。
【００２０】
光源１３０はパルス１４０を供給して光子エミッタ１１０を励起する。光源１３０は近赤外領域のスペクトルを有する光源である。パルス１４０は光子エミッタ１１０の内部に電子正孔対を発生させ、それにより光子１５０−１Ｘ、１５０−２Ｘ、及び１５０−３Ｘを放出する。光源１３０は、周波数を調節可能なパルスレーザであることが好ましい。光源１３０は、パルス１４０のパルス波長を光子エミッタ１１０の励起状態吸収共振に同調させる手段を含む。励起状態吸収共振に光子エミッタ１１０を同調させる他の方法は、例えば、光子エミッタ１１０の温度を変えることである。
【００２１】
パルス１４０が入射した時に、少なくとも一組の電子正孔対が高い確率で発生されるように、光源１３０の強度を充分高くしなければならない。発生した電子と正孔はその後急速に最も低い空のエネルギー準位に緩和し、再結合を開始して光子１５０−１Ｘ、１５０−２Ｘ、及び１５０−３Ｘを放出する。放出された光子１５０−１Ｘ、１５０−２Ｘ、及び１５０−３Ｘの波長は、再結合する電子と正孔の摂動を受けていない（ｕｎｐｅｒｔｕｒｂｅｄ）エネルギー準位のみならず、静電相互作用のためその時にドット内に存在している他の電子正孔対の数によっても変化する。従って、最後の電子正孔対は再結合により、固有の波長で光子を放出する。
【００２２】
スペクトルフィルタ１６０は、放出された光子１５０−１Ｘ、１５０−２Ｘ、及び１５０−３Ｘから最後の単一光子１７０を分離する。フィルタ１６０は、一励起子（ｅｘｃｉｔｏｎｉｃ）（一個の電子と一個の正孔）放出線と二励起子（ｂｉｅｘｃｉｔｏｎｉｃ）（二個の電子と二個の正孔）放出線とを区別できる分解能を有しており、その結果、一励起子線に同調させることができる。典型的なドットの場合、これらの線の波長は約１〜２ｎｍ離れており、高分解能スペクトルフィルタ又は干渉フィルタを用いるのが好ましい。２Ｘ（１５０−２Ｘ）、３Ｘ（１５０−３Ｘ）等の放出光子が、パルス１４０の励起特性によっては存在する場合もある。フィルタ１６０は又、光源１３０からの散乱光をも排除する。
【００２３】
更に、図１の装置１００に偏光子２１０を設けて図２の装置２００を構成してもよい。装置２００では特定のスピンを有する電子正孔対を選択的に発生するために光源１３０の偏光を選択することが出来る。もしこのスピンが電子と正孔が再結合するまで保持されるならば、放出光子２２０−１Ｘはよく制御された偏光を有することになり、これは量子暗号法に有利である。偏光子２１０が用いられる場合、最後に放出される光子は、偏光された最後の放出光子２３０である。この特定な例では、２Ｘ（２２０−２Ｘ）、３Ｘ（２２０−３Ｘ）等のような放出光子が、パルス１４０の励起特性によっては存在する場合もある。
【００２４】
図３は単一光子装置３００内にフィルタとして用いるために設けられた格子モノクロメータ３１０の一例を示す。格子モノクロメータ３１０は放出光子３２０−１Ｘと３２０−２Ｘをフィルタし、１Ｘ線に同調させ、そして最後の光子３３０を放出する。この特定な例では、格子モノクロメータ３１０は、入射スリット３８０を有し、この入射スリット３８０は、レンズ３４０、凹面鏡３５０、回折格子３６０及び平面鏡３７０によって射出スリット３９０上に投影される。
【００２５】
図４は、光子４１０を放出するための単一光子装置４００を示しており、この単一光子装置４００はマイクロキャビティを備えていてもよい。この一例であるマイクロキャビティは、効率を増大させるために用いられるものであり、可能な限り多くの放出光子を単一空間モードにすることにより、その後でオプティカルファイバー又は他の光学素子と結合するための光子を集める。そのようなマイクロキャビティが無い場合、光子はランダムな方向に放出され、その大部分は失われる。この機能のために便利なキャビティとしては、図４に４２０で示されるマイクロポスト形の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）キャビティが挙げられる。二つの異なる屈折率を有する結晶層４２２と４２４を量子ドット４３０の両側に交互に成長させて高品質のキャビティを形成し、その後、ＤＢＲ構造全体を通して小さな（＜１μ）ポストをドット４３０の周囲にエッチング形成する。
【００２６】
マイクロキャビティの他の例としては図５に示すような、光子５２０を受けるマイクロ球状共振器５１０を備えた単一光子装置５００がある。マイクロ球状共振器５１０は、出力カプラー５３０又はプリズムと結合して単一光子５４０を所定の方向に向かわせる。マイクロ球状共振器５１０では、小さなガラス製の球がドットに接近して支持されている。高品質の「ささやきの回廊」（ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ−ｇａｌｌｅｒｙ）モードがこの球の表面に沿って存在し、光はエバネッセント（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ）場を通じてこれらのモードと結合し、そして離れる。しかしながら、小さな体積と長い光子蓄積時間を有するキャビティであれば、いかなるキャビティもこの目的を果たし得る可能性がある。
【００２７】
本発明の装置又は方法がトリガー偏光混絡光子対を発生させるために用いられる場合、光源が光子エミッタを励起する方法及び放出フィルタリングを行う方法についての変更点を除いては、上述の単一光子の装置及び方法と殆ど同じように動作する。図６に６００で示されるように、本発明の装置がトリガー偏光混絡光子対を発生するために用いられる場合、レーザパルス６１０は反対のスピンを有する二対の電子正孔対を精確に発生させる。該電子正孔対は基底状態に緩和し、それらが再結合する際に二つの光子６２０及び６３０を放出し、その中の一つは二励起子波長で放出し、他方は一励起子波長で放出する。選択規則が強く、放射寿命に比べてスピン緩和がゆっくりであれば、各レーザパルス６１０に対して一対の偏光混絡光子が発生する。図６は、最後の二つの光子６２０と６３０を放出する偏光混絡光子対装置６００の代表的な実施形態である。この場合、スペクトルフィルタ６４０は、放出光子６４０−１Ｘ、６４０−２Ｘ及び６４０−３Ｘから１Ｘと２Ｘ線を通過させるように選択される。
【００２８】
図７は、最後の二つの光子７１０と７２０を放出する偏光混絡光子対装置７００の別の代表的実施形態を示す。装置７００は、図４の４１０に類似のマイクロポストマイクロキャビティ７３０を用いてスペクトル的に１Ｘと２Ｘ線を選択する二つの分離したキャビティモードを用いている。マイクロポストマイクロキャビティ７３０は、高品質のキャビティを形成するために量子ドット７４０の両側に交互に成長させた二つの異なる屈折率を有する結晶層７３２と７３４を含み、その後、ＤＢＲ構造全体を通して小さな（＜１μ）ポストをドット７４０の周囲にエッチング形成する。本発明では、放出光子の収集効率を改善するためにマイクロキャビィティが使用される場合も含んでいる。この特別な場合とは、マイクロキャビティの一つのトランスバース空間モードが１Ｘ線と共振し、別のトランスバース空間モードが２Ｘ線と共振する場合である。この場合には、１Ｘ光子と２Ｘ光子が異なる方向に放出され、ビームスプリッターを必要とすることなく互いに分離できる。
【００２９】
スピン方向が反対の二対の電子正孔対は、下記の二つの方法のいずれかによって励起できる。その一つの方法は、二つのレーザパルスを連続して間をあけずに用いる方法である。第一のレーザパルスは狭い吸収共振に同調されて、励起状態にある一つの電子正孔対を発生する。この電子正孔対の偏光はスピン方向が所定の方向になるように選ばれる。電子正孔対が基底状態に緩和した後に、少し異なったエネルギーの第二のパルス（二励起子効果を考慮して）が狭い吸収共振に同調されて、励起状態にある別の電子正孔対を発生する。この電子正孔対の偏光はスピン方向が第一の対のスピンと逆方向になるように選ばれる。放射フィルタは励起レーザからの散乱光を排除する。
【００３０】
もう一つの方法は、単一レーザパルスで数個の両スピンの電子正孔対を発生する方法である。二対だけが残る場合、それらが逆のスピンを有する確率は約５０％である。それらが同じスピンを有する場合、パウリの排他原理により電子正孔対の一つは励起状態にいなければならない。従って、空間波動関数は基底状態の波動関数とは異なり、又二励起子エネルギーシフトも少し異なるであろう。フィルタの分解能が充分に高い場合、これ等二つの場合は最後から二番目の放出光子に基づいて区別され得る。従って、フィルタを用いて単一励起子放出のみを受け入れ、又逆スピンを有する二つの電子正孔対に対応する線のみを狭く受け入れるようにした場合、混絡した偏光を有する二光子を５０％の確率で受光できる。ドットの多くの異なる状態をスペクトル的に分解できるように、この方法は放出線が狭いことを必要とする。そのようなドットの状態の例としては、同一スピン及び逆スピンの二励起子状態、及び二励起子線を通過する場合には排除されねばならない、二以上の電子正孔対が存在する状態が挙げられる。収集効率を改善するためにマイクロキャビティが用いられる場合、一励起子及び二励起子放出線の両方は共振状態になければならない。
【００３１】
以上、本発明を幾つかの実施形態に従って説明してきたが、これらの実施形態は、限定的なものでなく、あらゆる面において例示的なものである。従って、本発明を具体的に実施する際には種々の変形が可能であり、当業者であれば、本明細書に含まれている記述からこれ等の変形を導き出せ得るであろう。そしてその様な全ての変形の態様は、特許請求の範囲及びそれらと法律的に同等なものによって定義されるところの本発明の範囲及び精神に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による単一光子源を示す。
【図２】
偏光子を備えた本発明による単一光子源を示す。
【図３】
偏光子及び格子モノクロメータを備えた本発明による単一光子源を示す。
【図４】
偏光子及びマイクロポストキャビティを備えた本発明による単一光子源を示す。
【図５】
偏光子及びマイクロ球状共振器を備えた本発明による単一光子源を示す。
【図６】
偏光混絡光子対源を示す。
【図７】
スペクトル的に１Ｘ線と２Ｘ線を選択するために二つの分離したキャビティモードを用いた偏光混絡光子対源を示す。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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