(57)【要約】【課題】タイミング制御不能な自然放出される光子を用いることなく、ビームスプリッタ及び光子検出器を用いて、独立した２つの光子がビームスプリッタを通過するタイミングを一致させて、独立した２つの光子の量子エンタングルメントを確実に生成できるようにする。【解決手段】２つの量子ドットを結合した第１結合量子ドット１及び２つの量子ドットを結合した第２結合量子ドット２にポンプ光を入射し、ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子又はアンチストークス光子を、ビームスプリッタ３を介して光子検出器４、５で検出して、第１結合量子ドットと第２結合量子ドットの量子エンタングルメントを生成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの量子ドットを結合した第１結合量子ドット及び２つの量子ドットを結合した第２結合量子ドットにポンプ光を入射し、
前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子又はアンチストークス光子を、ビームスプリッタを介して光子検出器で検出して、前記第１結合量子ドットと前記第２結合量子ドットの量子エンタングルメントを生成することを特徴とする量子エンタングルメント生成方法。
【請求項２】
前記ポンプ光を入射する工程の前に、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットを、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とし、
前記ポンプ光を入射する工程において、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットに、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の低い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つポンプ光を入射することを特徴とする、請求項１に記載の量子エンタングルメント生成方法。
【請求項３】
前記ポンプ光を入射する工程は、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットに、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の低い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ第１ポンプ光を入射する工程と、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットに、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の高い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ第２ポンプ光を入射する工程とを含み、
前記量子エンタングルメントを生成する工程は、前記第１ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記ストークス光子を、前記ビームスプリッタを介して前記光子検出器で検出して、前記量子エンタングルメントとして第１量子エンタングルメントを生成する工程と、前記第２ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記アンチストークス光子を、前記ビームスプリッタを介して前記光子検出器で検出して、前記量子エンタングルメントとして第２量子エンタングルメントを生成する工程とを含み、
前記第１ポンプ光を入射する工程の前に、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットを、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とし、
前記第１ポンプ光を入射する工程の後に、前記第１量子エンタングルメントを生成する工程を行ない、
前記第１量子エンタングルメントを生成する工程の後に、前記第２ポンプ光を入射する工程を行ない、
前記第２ポンプ光を入射する工程の後に、前記第２量子エンタングルメントを生成する工程を行なうことを特徴とする、請求項１に記載の量子エンタングルメント生成方法。
【請求項４】
前記量子エンタングルメントを生成する工程において、前記第１結合量子ドットに前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記ストークス光子又は前記アンチストークス光子を通過させ、かつ、前記ポンプ光を遮断する第１フィルタ、前記第２結合量子ドットに前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記ストークス光子又は前記アンチストークス光子を通過させ、かつ、前記ポンプ光を遮断する第２フィルタ及び前記ビームスプリッタを介して、前記光子検出器としての第１光子検出器及び第２光子検出器のいずれか一方で検出して、前記量子エンタングルメントを生成することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の量子エンタングルメント生成方法。
【請求項５】
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットを、励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とする初期化の後に、励起子を構成する電子と正孔が空間分離するように、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットのそれぞれの両側に設けられた２つの電極間に電圧を印加し、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットに前記ポンプ光を入射する動作時の前に、前記２つの電極間に印加されている電圧をオフにすることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の量子エンタングルメント生成方法。
【請求項６】
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットを、励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とする初期化の後に、励起子を構成する電子及び正孔の一方のスピンの向きが変わって光学不活性状態となるように、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットのそれぞれに外部磁場及び交流磁場を発生し、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットに前記ポンプ光を入射する動作時の前に、前記励起子を構成する電子及び正孔の一方のスピンの向きが変わって光学活性状態となるように、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットのそれぞれに外部磁場及び交流磁場を発生することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の量子エンタングルメント生成方法。
【請求項７】
経路上に前記第１結合量子ドットを備え、前記第１結合量子ドットに前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記ストークス光子及び前記アンチストークス光子の周波数の少なくとも一方に一致する共振周波数を有する第１共振器によって、前記第１結合量子ドットに前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記ストークス光子及び前記アンチストークス光子を共振させ、
経路上に前記第２結合量子ドットを備え、前記第２結合量子ドットに前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記ストークス光子及び前記アンチストークス光子の周波数の少なくとも一方に一致する共振周波数を有する第２共振器によって、前記第２結合量子ドットに前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記ストークス光子及び前記アンチストークス光子を共振させることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の量子エンタングルメント生成方法。
【請求項８】
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットの少なくとも一方において、裏面側に設けられた裏面電極の電位に対して、表面側に設けられた表面電極に電圧を与えて、前記第１結合量子ドットと前記第２結合量子ドットの量子エンタングルメントの重ね合わせの位相を調整することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の量子エンタングルメント生成方法。
【請求項９】
２つの量子ドットを結合した第１結合量子ドットと、
２つの量子ドットを結合した第２結合量子ドットと、
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子又はアンチストークス光子を、ビームスプリッタを介して検出する光子検出器と、
前記光子検出器からの検出情報に基づいて、前記第１結合量子ドットと前記第２結合量子ドットの量子エンタングルメントを生成するコントローラとを備えることを特徴とする量子エンタングルメント生成装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の量子エンタングルメント生成装置を備えることを特徴とする量子通信機器。
【請求項１１】
請求項９に記載の量子エンタングルメント生成装置を備える量子通信機器を複数備え、
前記複数の量子通信機器が相互に接続されていることを特徴とする量子通信システム。
【請求項１２】
２つの量子ドットを結合した第１結合量子ドット及び２つの量子ドットを結合した第２結合量子ドットを備える量子通信機器を複数用い、送信側の前記量子通信機器に備えられる前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットの一方と受信側の前記量子通信機器に備えられる前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットの一方の送受信間量子エンタングルメントを用いて量子通信を行なう量子通信方法であって、
前記各量子通信機器において、
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットを、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とし、
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットに、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の低い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ第１ポンプ光を入射し、
前記第１ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子を、第１ビームスプリッタを介して第１光子検出器としての２つの光子検出器のいずれか一方で検出した場合に、機器内量子エンタングルメントが生成されたものとし、
前記隣接する２つの量子通信機器において、
前記隣接する２つの量子通信機器の一方に備えられる前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットの一方、及び、前記隣接する２つの量子通信機器の他方に備えられる前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットの一方に、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の高い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ第２ポンプ光を入射し、
前記第２ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるアンチストークス光子を、第２ビームスプリッタを介して第２光子検出器としての２つの光子検出器のいずれか一方で検出した場合に、隣接機器間量子エンタングルメントが生成されたものとし、
全ての量子通信機器において前記機器内量子エンタングルメントが生成され、かつ、全ての隣接する２つの量子通信機器において前記隣接機器間量子エンタングルメントが生成された場合に前記送受信間量子エンタングルメントが生成されたものとして、前記送受信間量子エンタングルメントを用いて量子通信を行なうことを特徴とする量子通信方法。
【請求項１３】
前記送信側の量子通信機器及び前記受信側の量子通信機器のそれぞれにおいて、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットの他方を、量子状態の位相が特定された標準となる結合量子ドットとし、前記第１結合量子ドットと前記第２結合量子ドットの量子状態の位相の射影測定を行ない、前記送受信間量子エンタングルメントを用いて前記量子通信を行なうことを特徴とする、請求項１２に記載の量子通信方法。
【請求項１４】
２つの量子ドットを結合し、量子状態の位相が特定された標準結合量子ドット及び２つの量子ドットを結合した測定対象結合量子ドットにポンプ光を入射し、
前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子又はアンチストークス光子を、ビームスプリッタを介して光子検出器で検出して、前記測定対象結合量子ドットの量子状態の位相を射影測定することを特徴とする射影測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子エンタングルメント生成方法、量子エンタングルメント生成装置、量子通信機器、量子通信システム、量子通信方法及び射影測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子暗号通信あるいは量子鍵配送（quantum key distribution：ＱＫＤ）などの量子通信は情報理論的安全性を有する方式として注目されている。
そして、量子通信を実現するために、例えば２つの量子ドットが結合された結合量子ドットを用いた量子メモリが提案されている。
このような結合量子ドットを用いる場合、量子ドットから自然放出される光子を用いるのが一般的である。
【０００３】
例えば、結合量子ドット内に生成された電子３個と正孔１個の中の電子１個と正孔１個とが再結合して自然放出されると、その自然放出された光子の偏光と残った２個の電子のスピンとの間には、量子エンタングルメントが存在する。そこで、この量子エンタングルメントを用いて、量子メモリ装置、さらには、量子中継を実現することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３３５５０３号公報
【特許文献２】特開２０１３−９７３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ビームスプリッタ及び光子検出器を用いて、独立した２つの光子の量子エンタングルメントを生成する場合、独立した２つの光子がビームスプリッタを通過するタイミングを一致させることが重要である。
しかしながら、上述のように、量子ドットから自然放出される光子を用いる場合、自然放出は確率的現象であるため、タイミングを制御することはできない。このため、量子ドットから自然放出される光子を用いて量子エンタングルメントを生成する場合、独立した２つの光子がビームスプリッタを通過するタイミングを一致させるのは困難である。
【０００６】
そこで、タイミング制御不能な自然放出される光子を用いることなく、ビームスプリッタ及び光子検出器を用いて、独立した２つの光子がビームスプリッタを通過するタイミングを一致させて、独立した２つの光子の量子エンタングルメントを確実に生成できるようにしたい。
また、ビームスプリッタ及び光子検出器を用いて、タイミングを一致させて、射影測定を確実に行なえるようにしたい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本量子エンタングルメント生成方法は、２つの量子ドットを結合した第１結合量子ドット及び２つの量子ドットを結合した第２結合量子ドットにポンプ光を入射し、ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子又はアンチストークス光子を、ビームスプリッタを介して光子検出器で検出して、第１結合量子ドットと第２結合量子ドットの量子エンタングルメントを生成する。
【０００８】
本量子エンタングルメント生成装置は、２つの量子ドットを結合した第１結合量子ドットと、２つの量子ドットを結合した第２結合量子ドットと、第１結合量子ドット及び第２結合量子ドットにポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子又はアンチストークス光子を、ビームスプリッタを介して検出する光子検出器と、光子検出器からの検出情報に基づいて、第１結合量子ドットと第２結合量子ドットの量子エンタングルメントを生成するコントローラとを備える。
【０００９】
本量子通信機器は、上述の量子エンタングルメント生成装置を備える。
本量子通信システムは、上述の量子エンタングルメント生成装置を備える量子通信機器を複数備え、複数の量子通信機器が相互に接続されている。
本量子通信方法は、２つの量子ドットを結合した第１結合量子ドット及び２つの量子ドットを結合した第２結合量子ドットを備える量子通信機器を複数用い、送信側の量子通信機器に備えられる第１結合量子ドット及び第２結合量子ドットの一方と受信側の量子通信機器に備えられる第１結合量子ドット及び第２結合量子ドットの一方の送受信間量子エンタングルメントを用いて量子通信を行なう量子通信方法であって、各量子通信機器において、第１結合量子ドット及び第２結合量子ドットを、第１結合量子ドット及び第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とし、第１結合量子ドット及び第２結合量子ドットに、第１結合量子ドット及び第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の低い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ第１ポンプ光を入射し、第１ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子を、第１ビームスプリッタを介して第１光子検出器としての２つの光子検出器のいずれか一方で検出した場合に、機器内量子エンタングルメントが生成されたものとし、隣接する２つの量子通信機器において、隣接する２つの量子通信機器の一方に備えられる第１結合量子ドット及び第２結合量子ドットの一方、及び、隣接する２つの量子通信機器の他方に備えられる第１結合量子ドット及び第２結合量子ドットの一方に、第１結合量子ドット及び第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の高い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ第２ポンプ光を入射し、第２ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるアンチストークス光子を、第２ビームスプリッタを介して第２光子検出器としての２つの光子検出器のいずれか一方で検出した場合に、隣接機器間量子エンタングルメントが生成されたものとし、全ての量子通信機器において機器内量子エンタングルメントが生成され、かつ、全ての隣接する２つの量子通信機器において隣接機器間量子エンタングルメントが生成された場合に送受信間量子エンタングルメントが生成されたものとして、送受信間量子エンタングルメントを用いて量子通信を行なう。
【００１０】
本射影測定方法は、２つの量子ドットを結合し、量子状態の位相が特定された標準結合量子ドット及び２つの量子ドットを結合した測定対象結合量子ドットにポンプ光を入射し、ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子又はアンチストークス光子を、ビームスプリッタを介して光子検出器で検出して、測定対象結合量子ドットの量子状態の位相を射影測定する。
【発明の効果】
【００１１】
したがって、本量子エンタングルメント生成方法、量子エンタングルメント生成装置、量子通信機器、量子通信システム及び量子通信方法によれば、タイミング制御不能な自然放出される光子を用いることなく、ビームスプリッタ及び光子検出器を用いて、独立した２つの光子がビームスプリッタを通過するタイミングを一致させて、独立した２つの光子の量子エンタングルメントを確実に生成できるという利点がある。また、本射影測定方法によれば、ビームスプリッタ及び光子検出器を用いて、タイミングを一致させて、射影測定を確実に行なうことができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成装置及び量子エンタングルメント生成方法を説明するための模式図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）は本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成装置及び量子エンタングルメント生成方法に用いられる結合量子ドットの一例を示す模式図であって、（Ａ）はその断面図であり、（Ｂ）はその平面図である。
【図３】本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成装置及び量子エンタングルメント生成方法に用いられる結合量子ドットの一例のエネルギー状態を示す図である。
【図４】本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成装置及び量子エンタングルメント生成方法における初期化を説明するための図である。
【図５】本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成装置及び量子エンタングルメント生成方法におけるラマン遷移によるストークス光子の発生を説明するための図である。
【図６】本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成装置及び量子エンタングルメント生成方法における逆ラマン遷移によるアンチストークス光子の発生を説明するための図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）は本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成装置及び量子エンタングルメント生成方法における励起子の空間分離による長寿命化を実現するための構成を説明するための図であって、（Ａ）はその断面図であり、（Ｂ）はその平面図である。
【図８】（Ａ）、（Ｂ）は本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成装置及び量子エンタングルメント生成方法における励起子の空間分離による長寿命化について説明するための図である。
【図９】（Ａ）、（Ｂ）は本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成装置及び量子エンタングルメント生成方法におけるスピン反転による長寿命化について説明するための図であって、（Ａ）はそれを実現するための構成を示す模式図であり、（Ｂ）はスピン状態の変化を説明するためのエネルギー図である。
【図１０】本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成装置及び量子エンタングルメント生成方法における光導波路内に設けられた結合量子ドット群の変形例の構成を示す模式的平面図である。
【図１１】本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成装置及び量子エンタングルメント生成方法において用いられる光導波路の一例を示す模式図である。
【図１２】本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成装置及び量子エンタングルメント生成方法において用いられる共振器の構成例を示す模式図である。
【図１３】本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成装置及び量子エンタングルメント生成方法において用いられる共振器の構成例を示す模式図である。
【図１４】本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成装置及び量子エンタングルメント生成方法を適用した量子通信システム及び量子通信方法を説明するための模式図である。
【図１５】本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成装置及び量子エンタングルメント生成方法を適用した量子通信機器の構成及び機器内量子エンタングルメントの生成について説明するための模式図である。
【図１６】本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成装置及び量子エンタングルメント生成方法を適用した量子通信機器の構成及び隣接機器間量子エンタングルメントの生成について説明するための模式図である。
【図１７】本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成装置及び量子エンタングルメント生成方法における量子エンタングルメントの重ね合わせの位相の調整について説明するための図である。
【図１８】本実施形態にかかる射影測定方法を説明するための模式図である。
【図１９】（Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態にかかる射影測定方法における標準となる結合量子ドット群の作成方法について説明するための図である。
【図２０】本実施形態にかかる射影測定方法における標準となる結合量子ドット群の作成方法について説明するための図である。
【図２１】本実施形態にかかる量子通信方法における送信側及び受信側での射影測定について説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる量子エンタングルメント生成方法、量子エンタングルメント生成装置、量子通信機器、量子通信システム、量子通信方法及び射影測定方法について、図１〜図２１を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成方法では、図１に示すように、２つの量子ドットを結合した第１結合量子ドット１及び２つの量子ドットを結合した第２結合量子ドット２にポンプ光を入射する。そして、ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子又はアンチストークス光子を、ビームスプリッタ３を介して光子検出器４、５で検出して、第１結合量子ドット１と第２結合量子ドット２の量子エンタングルメントを生成する。なお、量子エンタングルメントを、量子もつれ、量子もつれあい、量子からみあい、量子相関などともいう。
【００１４】
このため、本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成装置は、２つの量子ドットを結合した第１結合量子ドット１と、２つの量子ドットを結合した第２結合量子ドット２と、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２にポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子又はアンチストークス光子を、ビームスプリッタ３を介して検出する光子検出器４、５と、光子検出器４、５からの検出情報に基づいて、第１結合量子ドット１と第２結合量子ドット２の量子エンタングルメントを生成するコントローラ６とを備える。
【００１５】
本実施形態では、量子エンタングルメント生成装置は、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘと、ポンプ光源７と、２つのフィルタ８、９と、ビームスプリッタ３と、２つの光子検出器４、５と、コントローラ６とを備える。
ここで、結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘは、２つの量子ドットを結合した結合量子ドット１、２（セル）を複数備える。この結合量子ドット１、２は、２つの量子ドットを近接して設け、電子又は正孔が量子ドット間をトンネルできるようにしたものである。なお、一方の結合量子ドット群１Ｘに含まれる結合量子ドット１を第１結合量子ドットといい、他方の結合量子ドット群２Ｘに含まれる結合量子ドット２を第２結合量子ドットという。また、結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘを結合量子ドット集団ともいう。
【００１６】
ここでは、結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘに含まれる複数の結合量子ドット１、２は、光導波路１０、１１内に、光導波路１０、１１に沿って直列に（ここでは直線状の光導波路１０、１１に沿って一列に）設けられており、外部からのポンプ光が、光導波路１０、１１内を導かれ、複数の結合量子ドット１、２のそれぞれに照射されるようになっている。これにより、ポンプ光と結合量子ドット１、２との結合を強くし、ストークス光子又はアンチストークス光子の発生効率を向上させ、ストークス光又はアンチストークス光の指向性を向上させることができる。
【００１７】
ポンプ光源７は、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘへ向けてポンプ光（ここではポンプパルス光）を出射するようになっている。
ここでは、ポンプ光源７はレーザ光源である。また、１つのポンプ光源７から出射されたポンプ光をビームスプリッタ１２で分岐して、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘへ入射させるようにしている。
【００１８】
また、ビームスプリッタ３での干渉が最大になるように（ここでは光子検出器４、５によって検出される干渉縞が最も強くなるように）、光路長調整部１３によって、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘに入射されるポンプパルス光の入力時間差を調整するようしている。
このようにして、同期したポンプパルス光を２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘのそれぞれに入射したときのラマン散乱によるストークス光子又はアンチストークス光子をビームスプリッタ３で干渉させて光子検出器４、５で検出できるようになっている。
【００１９】
この場合、ポンプ光源７からのポンプ光が２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘのそれぞれに入射すると、ラマン散乱によるストークス光子又はアンチストークス光子が即時的に発生する。
このため、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘで独立して発生したストークス光子又はアンチストークス光子がビームスプリッタ３を通過するタイミングを一致させることが可能となる。
【００２０】
フィルタ８、９は、結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘにポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子又はアンチストークス光子を通過させ、かつ、ポンプ光を遮断するフィルタである。
ビームスプリッタ３は、例えば５０：５０ビームスプリッタであり、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘのそれぞれで生成され、フィルタ８、９を通過してきたストークス光子又はアンチストークス光子を、５０：５０の確率で反射又は透過するようになっている。
【００２１】
光子検出器４、５は、ビームスプリッタ３で反射され又はビームスプリッタ３を透過してきたストークス光子又はアンチストークス光子を検出するものである。ここでは、光子検出器４、５は、ビームスプリッタ３で反射され又はビームスプリッタ３を透過してきたストークス光子又はアンチストークス光子の数（光子数）を検出しうる光子数検出器（ＰＮＤ）である。
【００２２】
コントローラ６は、光子検出器４、５からの検出情報に基づいて、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘの量子エンタングルメントを生成するようになっている。
本実施形態では、コントローラ６は、ストークス光子又はアンチストークス光子をフィルタ８、９及びビームスプリッタ３を介して検出する２つの光子検出器４、５のいずれか一方からの検出情報に基づいて、量子エンタングルメントを生成する。
【００２３】
このように、本実施形態では、フィルタ８、９及びビームスプリッタ３を介して、２つの光子検出器４、５のいずれか一方でストークス光子又はアンチストークス光子を検出して、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘの量子エンタングルメントを生成する。
つまり、本実施形態では、２つの光子検出器４、５のいずれか一方がストークス光子又はアンチストークス光子を検出した場合に、ベル状態が特定され、これにより、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘの量子エンタングルメントが生成されたものとする。
【００２４】
このため、ビームスプリッタ３、光子検出器４、５及びコントローラ６を、量子エンタングルメント生成部、又は、ベル状態特定部ともいう。
ところで、半導体材料を用いて形成される量子ドットでは、量子ドットを形成する半導体材料のバンドギャップとそれを取り囲む半導体材料のバンドギャップが異なるため、電子及び正孔を空間的に閉じ込めることができる。
【００２５】
そして、結合量子ドット１、２では、２つの量子ドットのうちの一方に励起子が局在した励起子状態（局在状態；励起子局在状態）のほかに、２つの量子ドットに電子と正孔が分離して存在する励起子状態（分離状態；励起子分離状態）が可能となる。
また、２つの量子ドットのサイズ（サイズ差）、材料、組成、量子ドット間の距離、バンドのアライメントなどによって、２つの量子ドットのうちの一方に励起子が局在した状態と、他方に励起子が局在した状態とで、エネルギー状態（エネルギー準位）を異なるものとすることができる。
【００２６】
また、２つの量子ドットのうちの一方に電子が存在し、他方に正孔が存在する分離状態と、一方に正孔が存在し、他方に電子が存在する分離状態とで、エネルギー状態（エネルギー準位）を異なるものとすることもできる。
例えば、結合量子ドット１、２における励起子分離状態の低い方のエネルギー状態としておき、結合量子ドット１、２における励起子分離状態の低い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つポンプ光を入射すると、ラマン散乱によるストークス光子が発生する。
【００２７】
また、例えば、ラマン散乱によるストークス光子を発生させ、結合量子ドット１、２における励起子分離状態の高い方のエネルギー状態となった後に、結合量子ドット１、２における励起子分離状態の高い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つポンプ光を入射すると、ラマン散乱によるアンチストークス光子が発生する。
【００２８】
そこで、本量子エンタングルメント生成方法では、まず、ポンプ光を入射する工程の前に、初期化状態として、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２を、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２における励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とする。
そして、ポンプ光を入射する工程において、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２に、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２における励起子分離状態の低い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ一のポンプ光（非共鳴ポンプ光）を入射する（図５参照）。
【００２９】
これにより、ラマン散乱（ラマン遷移）によるストークス光子が発生する。また、量子エンタングルメントを生成する工程において、一のポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子を、ビームスプリッタ３を介して光子検出器４、５で検出して、一の量子エンタングルメントを生成する。
この場合、本量子エンタングルメント生成装置は、ポンプ光源７として、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２における励起子分離状態の低い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ一のポンプ光を出射する一のポンプ光源を備えるものとする。
【００３０】
そして、コントローラ６が、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２を、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２における励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とした後に、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２に、上記一のポンプ光が入射されるように上記一のポンプ光源を制御し、上記一のポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子をビームスプリッタ３を介して検出する光子検出器４、５からの検出情報に基づいて、一の量子エンタングルメントを生成するようにする。
【００３１】
ここで、初期化状態、即ち、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２を、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２における励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とするには、例えば、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２における励起子が存在しない基底状態から励起子分離状態の低い方のエネルギー状態への励起エネルギーを持つポンプ光（初期化用ポンプ光）を、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２に照射すれば良い（図４参照）。
【００３２】
また、例えば、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２における励起子が存在しない基底状態から励起子分離状態の低い方のエネルギー状態への励起エネルギーよりも高く、励起子分離状態の高い方のエネルギー状態への励起エネルギーよりも低い励起エネルギーを持つポンプ光（初期化用ポンプ光）を、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２に照射しても良い（図４参照）。
【００３３】
このような励起エネルギーを持つポンプ光、即ち、十分に弱い初期化用ポンプパルス光を用いることで、多重励起を防ぐことができる。
また、本量子エンタングルメント生成方法において、上述のようにしてストークス光子を発生させて、一の量子エンタングルメントを生成した後、次のようにしてアンチストークス光子を発生させて、他の量子エンタングルメントを生成しても良い。
【００３４】
つまり、上述のようにして一の量子エンタングルメントを生成した後に、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２に、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２における励起子分離状態の高い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ他のポンプ光（非共鳴ポンプ光）を入射する（図６参照）。
【００３５】
これにより、ラマン散乱（逆ラマン遷移）によるアンチストークス光子が発生する。また、量子エンタングルメントを生成する工程において、他のポンプ光を入射したときのラマン散乱によるアンチストークス光子を、ビームスプリッタ３を介して光子検出器４、５で検出して、他の量子エンタングルメントを生成しても良い。
この場合、本量子エンタングルメント生成装置は、ポンプ光源７として、上記一のポンプ光を出射する上記一のポンプ光源に加え、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２における励起子分離状態の高い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ他のポンプ光を出射する他のポンプ光源を備えるものとする。
【００３６】
そして、コントローラ６が、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２を、上述のようにして一の量子エンタングルメントを生成した後に、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２に、上記他のポンプ光が入射されるように上記他のポンプ光源を制御し、上記他のポンプ光を入射したときのラマン散乱によるアンチストークス光子をビームスプリッタ３を介して検出する光子検出器４、５からの検出情報に基づいて、他の量子エンタングルメントを生成するようにする。
【００３７】
なお、本量子エンタングルメント生成方法において、上述のようにしてストークス光子を発生させて、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２を、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２における励起子分離状態の高い方のエネルギー状態として初期化した後に、上述のようにして、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２にポンプ光を入射したときのラマン散乱によるアンチストークス光子を、ビームスプリッタ３を介して光子検出器４、５で検出して、第１結合量子ドット１と第２結合量子ドット２の量子エンタングルメントを生成するようにしても良い。
【００３８】
この場合、本量子エンタングルメント生成装置は、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２にポンプ光を入射したときのラマン散乱によるアンチストークス光子を、ビームスプリッタ３を介して検出する光子検出器４、５と、光子検出器４、５からの検出情報に基づいて、第１結合量子ドット１と第２結合量子ドット２の量子エンタングルメントを生成するコントローラ６とを備えるものとすれば良い。
【００３９】
ところで、上述のような量子エンタングルメント生成装置及び量子エンタングルメント生成方法に用いられる結合量子ドット１、２は、例えば、以下のようにして形成することができる。
つまり、まず、例えばＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法などを用いて、図２（Ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板２０上に、ＧａＡｓバッファ層２１（例えば厚さ約３００ｎｍ）、ｎ−ＧａＡｓ層２２（例えば厚さ約１００ｎｍ）、ＡｌＧａＡｓ層２３（例えば厚さ約１００ｎｍのｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層）を成長させる。
【００４０】
次に、ＡｌＧａＡｓ層２３上に、下側ＩｎＡｓ量子ドット２４をＳＫモード成長によって形成する。なお、必要であれば、さらにアニーリングを行なう。
次いで、下側ＩｎＡｓ量子ドット２４が埋め込まれるように、ＡｌＧａＡｓキャップ層２５（例えばＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層）を例えば約１０ｎｍ程度成長する。
次に、ＡｌＧａＡｓキャップ層２５上に、上側ＩｎＡｓ量子ドット２６をＳＫモード成長によって形成する。なお、必要であれば、さらにアニーリングを行なう。
【００４１】
この上側ＩｎＡｓ量子ドット２６を成長させる際に、成長条件を調整することで、下側ＩｎＡｓ量子ドット２４の直上に、上側ＩｎＡｓ量子ドット２６を成長させることができる。
ここでは、下側ＩｎＡｓ量子ドット２４と上側ＩｎＡｓ量子ドット２６とでサイズに差をつけている。つまり、下側ＩｎＡｓ量子ドット２４のサイズを大きくし、上側ＩｎＡｓ量子ドット２６のサイズを小さくしている。なお、量子ドットのサイズは約１０〜約４０ｎｍ程度の範囲で設計でき、ばらつきはおおむね１０％以下が可能である。
【００４２】
次に、上側ＩｎＡｓ量子ドット２６が埋め込まれるように、ＡｌＧａＡｓキャップ層２７（例えばＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層）を例えば約３００ｎｍ程度成長する。
最後に、ＡｌＧａＡｓキャップ層２７上にｎ−ＧａＡｓ層２８（例えば厚さ約２００ｎｍ）を形成する。
このようにして、図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示すように、下側ＩｎＡｓ量子ドット２４及び上側ＩｎＡｓ量子ドット２６という２つの量子ドットを結合した結合量子ドット１、２を形成することができる。
【００４３】
以下、このようにして形成された結合量子ドット１、２におけるエネルギー状態（エネルギー準位）について、具体的に説明する。
上述のようにして形成された結合量子ドット１、２では、励起子を構成する電子がどちらの量子ドットに存在するか、また、励起子を構成する正孔がどちらの量子ドットに存在するかによって、図３に示すように、４つのエネルギー状態（エネルギー準位；励起子準位）をとりうる。
【００４４】
ここでは、２つの量子ドットのうちの一方（ここではサイズが小さい方）に励起子が局在した励起子局在状態のエネルギー状態（エネルギー準位）を、｜ｅ＞とする。
また、２つの量子ドットのうちの他方（ここではサイズが大きい方）に励起子が局在した励起子局在状態のエネルギー状態（エネルギー準位）を、｜ｖａｃ＞とする。
また、２つの量子ドットのうちの一方（ここではサイズが小さい方）に正孔、他方（ここではサイズが大きい方）に電子が分離して存在する励起子分離状態のエネルギー状態（エネルギー準位）を、｜ｇ＞とする。
【００４５】
また、２つの量子ドットのうちの一方（ここではサイズが小さい方）に電子、他方（ここではサイズが大きい方）に正孔が分離して存在する励起子分離状態のエネルギー状態（エネルギー準位）を、｜ｓ＞とする。
これらのエネルギー状態｜ｅ＞、｜ｖａｃ＞、｜ｇ＞、｜ｓ＞は、以下のように表される。
【００４６】
【数１】
2016012877.tif 000003
【００４７】
ここでは、｜ｅ＞は、｜ｖａｃ＞よりも、エネルギー（束縛エネルギー）が高くなっている。
また、｜ｓ＞は、｜ｇ＞よりも、エネルギー（束縛エネルギー）が高くなっている。このように、分離状態の電子と正孔の２つの量子ドットへの分配には２通りあり、両者のエネルギー状態にはエネルギー差ができている。また、｜ｇ＞と｜ｓ＞とでは、電子と正孔が反対の配置（対称状態の配置）になっている。
【００４８】
また、｜ｅ＞は、｜ｓ＞よりも、エネルギー（束縛エネルギー）が高くなっている。
また、｜ｅ＞及び｜ｖａｃ＞は、電子と正孔のクーロンエネルギー（クーロン束縛エネルギー）の分だけエネルギーがシフトする。例えば、直径約２０ｎｍ程度のＳＫ量子ドットでは約１０〜約３０ｍｅＶ程度エネルギーシフトすることになる。
ここで、クーロン束縛エネルギーを、｜ｖａｃ＞、｜ｇ＞、｜ｓ＞、｜ｅ＞のそれぞれに対して、ＵＬ、０、０、ＵＳとし、２つの量子ドットの電子基底準位エネルギー差をΔＥｅとし、２つの量子ドットの正孔基底準位エネルギー差をΔＥｈとすると、｜ｇ＞と｜ｅ＞のエネルギー差Ｅ１、｜ｓ＞と｜ｅ＞のエネルギー差Ｅ２は、以下のようになる。
【００４９】
【数２】
2016012877.tif 000004
【００５０】
このように、上述のようにして形成された結合量子ドット１、２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＞から｜ｖａｃ＞へ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。
【００５１】
しかし、上述のようにして形成された結合量子ドット１、２の系では、｜ｅ＞及び｜ｖａｃ＞は、クーロン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。
【００５２】
したがって、上述のようにして形成された結合量子ドット１、２は、４つのエネルギー準位の中の３つのエネルギー準位｜ｇ＞、｜ｅ＞、｜ｓ＞が、ラムダ系と呼ばれる３準位系を構成する。つまり、上述のようにして形成された結合量子ドット１、２の系は、４準位の中の３準位でラムダ系（３準位ラムダ系）を構成する。
これにより、ポンプ光によるラマン散乱でストークス光子を放出し、初期状態｜ｇ＞から終状態｜ｓ＞へ遷移することになる。また、ポンプ光によるラマン散乱でアンチストークス光子を放出し、初期状態｜ｓ＞から｜ｇ＞へ遷移することになる。
【００５３】
次に、このような３準位ラムダ系の結合量子ドット１、２を用いて、どのようにして量子エンタングルメントが生成されたものとするかについて、具体的に説明する。
ここでは、上述のような３準位ラムダ系の結合量子ドット１、２を、光導波路１０、１１内に一列にＮ個配置した結合量子ドット群を２つ設け、これらの２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘの量子エンタングルメントを生成する（図１参照）。
【００５４】
まず、初期化状態として、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘのそれぞれに含まれる結合量子ドット１、２を、励起子分離状態の低い方のエネルギー状態、即ち、｜ｇ＞とする（図３、図４参照）。
そして、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘのそれぞれに含まれる結合量子ドット１、２に、励起子分離状態の低い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態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として、結合量子ドット１、２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（図５参照）。
【００５５】
入射され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が発生する。ここでは、Ｎ個の結合量子ドット１、２が光導波路１０、１１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、また、自発放出光子の割合も少ない。
ここでは、結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘに含まれる全ての結合量子ドット１、２の励起子のエネルギー状態が｜ｇ＞の場合を、基底状態という。また、結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘに含まれる一つの結合量子ドット１、２の励起子のエネルギー状態のみが｜ｓ＞となり、残りの結合量子ドット１、２の励起子のエネルギー状態が｜ｇ＞の場合を、対称１励起状態という。また、ラマン散乱によって｜ｇ＞から｜ｓ＞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。
【００５６】
ここで、結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘに含まれる全ての結合量子ドット１、２の励起子のエネルギー状態が｜ｇ＞の場合、その結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘのエネルギー状態を、以下のように表し、これの量子状態を量子ビットの｜０＞に対応させる。
【００５７】
【数３】
2016012877.tif 000005
【００５８】
また、結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘに含まれる一つの結合量子ドット１、２の励起子のエネルギー状態のみが｜ｓ＞となり、残りの結合量子ドット１、２の励起子のエネルギー状態が｜ｇ＞の場合、その結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘのエネルギー状態を、以下のように表し、これの量子状態（励起子コヒーレント状態）を量子ビットの｜１＞に対応させる。
【００５９】
【数４】
2016012877.tif 000006
【００６０】
この場合、初期化状態では、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘのエネルギー状態を、いずれも、上述の｜Ｇ＞とする。つまり、初期化状態では、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘを、量子ビットで、｜０＞、｜０＞の状態とする。
そして、上述のラマン散乱に伴って、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘのそれぞれの量子状態は、以下に示すように、対称１励起状態と基底状態のコヒーレントな重ね合わせになる。
【００６１】
【数５】
2016012877.tif 000007
【００６２】
はｎストークス光子状態である。
なお、対称１励起状態の振幅ｆ及び高次の項は１よりも十分小さくなるようにポンプ光強度を調整することで、一定の確率振幅で、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘからストークス光子が１個発生するようにすることができる。
そして、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘからストークス光子が１個発生したことを、ビームスプリッタ３を介して光子検出器４、５で検出した場合（図１参照）に、コントローラ６は、上述のラマン散乱に伴って、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘのいずれか一方のエネルギー状態が上述の｜Ｓ１＞になり、量子ビットで、｜０＞、｜１＞、又は、｜１＞、｜０＞の状態となって、以下に示すような、４つのベル状態の中の１つの状態が特定されるため、これにより、量子エンタングルメントが生成されたものとする。
【００６３】
【数６】
2016012877.tif 000008
【００６４】
なお、上述のようにして量子エンタングルメントを生成した後に、２つの結合量子ドット群のそれぞれに含まれる各結合量子ドットに、励起子分離状態の高い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態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に変換される（図６参照）。
【００６５】
つまり、ラマン散乱によるアンチストークス光子が発生する。このラマン散乱によるアンチストークス光子が、２つの結合量子ドット群から１個発生するようにする。
そして、２つの結合量子ドット群からアンチストークス光子が１個発生したことを、ビームスプリッタを介して光子検出器で検出した場合に、コントローラは、上述と同様に、４つのベル状態の中の１つの状態が特定されたとして、量子エンタングルメントが生成されたものとする。
【００６６】
なお、上述の量子エンタングルメント生成装置を、図７に示すように、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２のそれぞれの両側に設けられた２つの電極３０、３１を備えるものとしても良い。
そして、コントローラ６が、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２を、励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とする初期化の後に、図８に示すように、励起子を構成する電子と正孔が空間分離するように２つの電極３０、３１間に電圧を印加する制御を行ない、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２にポンプ光を入射する動作時の前に、２つの電極３０、３１間に印加されている電圧をオフにする制御を行なうようにしても良い。
【００６７】
つまり、上述の量子エンタングルメント生成方法において、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２を、励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とする初期化の後に、励起子を構成する電子と正孔が空間分離するように、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２のそれぞれの両側に設けられた２つの電極３０、３１間に電圧を印加し、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２にポンプ光を入射する動作時の前に、２つの電極３０、３１間に印加されている電圧をオフにするようにしても良い。
【００６８】
このようにすることで、初期化時から動作時までの間のスタンバイ時に、２つの電極３０、３１間に生じた電界によって、励起子を構成する電子と正孔が空間分離されるため、励起子状態が安定化し、励起子状態の寿命を長期化することが可能となる。
例えば、図７に示すように、各結合量子ドット１、２の近傍の一方の側にゲート電極３０を設け、他方の側にグランド電極３１を設け、スタンバイ時に、ゲート電圧を印加して、各結合量子ドット１、２を構成する２つの量子ドットの積層方向に対して直交する方向に電界を加える。
【００６９】
これにより、電子と正孔が量子ドット内で反対の方向へ移動し、図８に示すように、電子・正孔の波動関数の空間的分離が生じる。このような空間的分離（シュタルク効果）は励起子の再結合確率を大きく減少させることになる。この結果、スタンバイ時の励起子の寿命が大きく延びることになる。
また、上述の量子エンタングルメント生成装置を、図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示すように、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２のそれぞれに外部磁場及び交流磁場を発生する磁場発生機構を備えるものとしても良い。
【００７０】
そして、コントローラ６が、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２を、励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とする初期化の後に、励起子を構成する電子及び正孔の一方のスピンの向きが変わって光学不活性状態となるように磁場発生機構を制御し、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２にポンプ光を入射する動作時の前に、励起子を構成する電子及び正孔の一方のスピンの向きが変わって光学活性状態となるように磁場発生機構を制御するようにしても良い。
【００７１】
つまり、上述の量子エンタングルメント生成方法において、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２を、励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とする初期化の後に、励起子を構成する電子及び正孔の一方のスピンの向きが変わって光学不活性状態となるように、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２のそれぞれに外部磁場及び交流磁場を発生し、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２にポンプ光を入射する動作時の前に、励起子を構成する電子及び正孔の一方のスピンの向きが変わって光学活性状態となるように、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２のそれぞれに外部磁場及び交流磁場を発生するようにしても良い。
【００７２】
このようにすることで、初期化時から動作時までの間のスタンバイ時に、励起子を構成する電子及び正孔の一方のスピンの向きが変わって光学不活性状態となるため、励起子状態が安定化し、励起子状態の寿命を長期化することが可能となる。
例えば、図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示すように、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）のスキームを用いて、結合量子ドット１、２に、外部磁場としての静磁場と交流磁場としてのマイクロ波パルスを同時に加えることで、結合量子ドット１、２に生成された励起子を構成する電子及び正孔の一方のスピンを反転させる。この場合、磁場発生機構として、一様な静磁場を発生する装置、交流磁場に相当する電磁場を発生する装置（例えばマイクロ波パルス発生器など）を設けることになる。
【００７３】
また、交流磁場としてのマイクロ波パルスの面積（パルス幅）は、電子及び正孔の一方のスピンをちょうど反転させるような大きさとすることで、交流磁場としてのマイクロ波パルスを、電子及び正孔の一方のスピンをちょうど反転させるπパルスとして働かせることができる。
このようして励起子を構成する電子及び正孔の一方のスピンを反転させた場合、自然放出するためには再度スピンが反転することが必要になるが、そのような終状態がない場合、禁制遷移となるため、自然放出は抑制されることになる。
【００７４】
このように、励起子のスピン状態を変化させることで、スタンバイ時に、励起子状態が安定化し、励起子状態の寿命を長期化することが可能となる。なお、交流磁場としてのマイクロ波パルスは、一般に光導波路のモード周波数とはかけ離れているため、必ずしもポンプ光と同じ方向から照射する必要はない。
ここで、励起子を構成する電子と正孔が再結合して自然放出するようにするためには、即ち、光学活性状態とするためには、励起子のスピン状態を示すｊ、ｍの値が±１になる、即ち、励起子を構成する電子のスピン状態を示すｊ、ｍの値と正孔のスピン状態を示すｊ、ｍの値との差が±１になることが必要である。
【００７５】
例えば、励起子を構成する正孔のスピン状態を示すｊ、ｍの値がそれぞれ３／２、−３／２となり、励起子を構成する電子のスピン状態を示すｊ、ｍの値がそれぞれ１／２、１／２となると、励起子のスピン状態を示すｊ、ｍの値が１、−１となり、光学活性状態となる。
これに対し、励起子を構成する電子と正孔が再結合して自然放出しないようにするためには、即ち、光学不活性状態とするためには、励起子のスピン状態を示すｊ、ｍの値が±１以外になる、即ち、励起子を構成する電子のスピン状態を示すｊ、ｍの値と正孔のスピン状態を示すｊ、ｍの値との差が±１以外になれば良い。
【００７６】
例えば、励起子を構成する正孔のスピン状態を示すｊ、ｍの値がそれぞれ３／２、−３／２となり、励起子を構成する電子のスピン状態を示すｊ、ｍの値がそれぞれ１／２、−１／２となると、励起子のスピン状態を示すｊ、ｍの値が２、−２となり、光学不活性状態となる。
このように、励起子を構成する電子のスピン状態を示すｍの値をちょうど１だけ変化させることで、光学活性状態から光学不活性状態へ、又は、光学不活性状態から光学活性状態へ、励起子の状態を変化させることができる。
【００７７】
そこで、上述のように、初期化の後に、交流磁場としてのマイクロ波パルスをπパルスとして加えることで、スタンバイ時に、光学不活性状態として、光応答が不可能な状態となり、動作時の前に、再度、交流磁場としてのマイクロ波パルスをπパルスとして加えることで、動作時に、光学活性状態として、光応答が可能な状態となるようにしている。
また、上述の量子エンタングルメント生成装置では、各結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘを構成する複数の結合量子ドット１、２を、直線状の光導波路１０、１１内に、直線状の光導波路１０、１１に沿って一列に設けているが、これに限られるものではない。
【００７８】
例えば、各結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘを構成する複数の結合量子ドット１、２を、曲線状の光導波路内に、曲線状の光導波路に沿って一列に設けるようにしても良い。この場合も、各結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘを構成する複数の結合量子ドット１、２は、光導波路内に、光導波路に沿って直列に設けられていることになる。
また、例えば、図１０に示すように、各結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘを構成する複数の結合量子ドット１、２の数密度や面密度を、直線状又は曲線状の光導波路１０、１１に沿って変化させるようにしても良い。つまり、各結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘを構成する複数の結合量子ドット１、２の分布を、直線状又は曲線状の光導波路１０、１１に沿って変調するようにしても良い。
【００７９】
また、各結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘを構成する複数の結合量子ドット１、２を設ける光導波路は、メサ型光導波路又は例えばミクロ構造物４０が周期的に配列されているフォトニック結晶による光導波路（例えば図１１参照）とするのが好ましい。
このようにすることで、ポンプ光と結合量子ドット１、２との結合を強くし、ストークス光子又はアンチストークス光子の発生効率を向上させ、ストークス光又はアンチストークス光の指向性を向上させることができる。
【００８０】
例えば、ストークス光子又はアンチストークス光子の発生効率や指向性を高めるためには、各結合量子ドット１、２からの寄与をコヒーレントに重畳させるのが好ましい。そのためには、各結合量子ドット１、２の配置、面密度変調などを行なうことが有効である。また、光導波路１０、１１の形状、サイズの適正化も有効である。また、例えばリング型共振器などの共振器５０、５１によって共振させて、効率等を向上させることも効果的である（図１２、図１３参照）。これらの設計には、ポンプ光、ストークス光又はアンチストークス光の波長などのデータ、結合量子ドット１、２の物性パラメータなどが関係してくる。
【００８１】
また、上述の量子エンタングルメント生成装置を、図１２、図１３に示すように、経路上に結合量子ドット１、２を備え、結合量子ドット１、２にポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子及びアンチストークス光子の周波数の少なくとも一方に一致する共振周波数を有する共振器５０を備えるものとしても良い。
例えば、上述の量子エンタングルメント生成装置を、経路上に第１結合量子ドット１を備え、第１結合量子ドット１にポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子及びアンチストークス光子の周波数の少なくとも一方に一致する共振周波数を有する第１共振器５０と、経路上に第２結合量子ドット２を備え、第２結合量子ドット２にポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子及びアンチストークス光子の周波数の少なくとも一方に一致する共振周波数を有する第２共振器５０とを備えるものとしても良い。
【００８２】
つまり、上述の量子エンタングルメント生成方法において、経路上に結合量子ドット１、２を備え、結合量子ドット１、２にポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子及びアンチストークス光子の周波数の少なくとも一方に一致する共振周波数を有する共振器５０によって、結合量子ドット１、２にポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子及びアンチストークス光子を共振させるようにしても良い。
【００８３】
例えば、上述の量子エンタングルメント生成方法において、経路上に第１結合量子ドット１を備え、第１結合量子ドット１にポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子及びアンチストークス光子の周波数の少なくとも一方に一致する共振周波数を有する第１共振器５０によって、第１結合量子ドット１にポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子及びアンチストークス光子を共振させ、経路上に第２結合量子ドット２を備え、第２結合量子ドット２にポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子及びアンチストークス光子の周波数の少なくとも一方に一致する共振周波数を有する第２共振器５０によって、第２結合量子ドット２にポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子及びアンチストークス光子を共振させるようにしても良い。
【００８４】
ここで、共振器５０としては、例えば、図１２に示すようなファブリ・ペロー型共振器５３、図１３に示すようなリング型共振器５８などを用いれば良い。
例えば、図１２に示すように、光学素子や光導波路によってファブリ・ペロー型共振器５３を構成しても良い。つまり、例えば２つのハーフミラー５１、５２を備えるものしてファブリ・ペロー型共振器５３を構成しても良い。
【００８５】
また、例えば、図１３に示すように、光学素子や光導波路によってリング型共振器５８を構成しても良い。つまり、例えば２つのハーフミラー５４、５５及び２つのミラー５６、５７を備えるものとしてリング型共振器５８を構成しても良い。
また、共振器５０の共振周波数を制御する機構［例えば位相変調器５９（図１２参照）など］を設けて、共振器５０の共振周波数が、結合量子ドット１、２にポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子及びアンチストークス光子の周波数の少なくとも一方に一致するように制御するようにしても良い。
【００８６】
このようにすることで、ストークス光又はアンチストークス光の指向性を向上させることができる。また、ポンプ光と結合量子ドット１、２との結合を強化することも可能である。また、変換効率や速度を向上させることも可能である。
また、スタンバイ時に、共振器５０の共振周波数が、励起子、即ち、励起子を構成する電子及び正孔の再結合の遷移周波数からずれるように設計することで、励起子状態の寿命を長期化することが可能である。
【００８７】
また、上述のような量子エンタングルメント生成方法や量子エンタングルメント生成装置は、例えば量子送信器、量子中継器、量子受信器、量子メモリ（量子記憶装置）などの、量子暗号通信又は量子鍵配送などの量子通信に用いられる量子通信機器に適用することができる。なお、量子中継器を量子中継装置ともいう。また、量子メモリは、量子通信だけでなく、量子計算にも用いることができる。
【００８８】
例えば、複数の量子通信機器である量子送信器、量子中継器、量子受信器が相互に接続されている量子通信システムにおいて、量子送信器、量子中継器、量子受信器のそれぞれが、上述のような量子エンタングルメント生成方法や量子エンタングルメント生成装置を備えるものとすることができる。
ここで、量子暗号通信あるいは量子鍵配送などの量子通信は情報理論的安全性を有する方式として注目されているが、量子鍵配送の無中継での伝送は約５０〜約１００ｋｍ程度が距離の限界である。このため、量子中継を実現することが期待される。
【００８９】
そして、上述のような量子エンタングルメント生成方法や量子エンタングルメント生成装置を、量子送信器、量子中継器及び量子受信器に適用することで、量子中継を実現することが可能である。特に、タイミング制御不能な自然放出に依存する方式でなく、ポンプ光照射によって即時的に出てくるストークス光子又はアンチストークス光子を用いることで、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘ（第１及び第２結合量子ドット１、２）からの独立した２つの光子がビームスプリッタ３を通過するタイミングを一致させて、独立した２つの光子の量子エンタングルメントを確実に生成し（図１参照）、量子中継を実現することができる。また、ラマン遷移及び逆ラマン遷移は実効的に共鳴励起となり、位相緩和は生じない。また、量子ドット内のキャリアのスピン自由度を利用していないため、スピン緩和による量子エンタングルメントの劣化にも耐性がある。
【００９０】
なお、自然放出される光子を用いて量子エンタングルメントを生成する場合、２つの結合量子ドット群（第１及び第２結合量子ドット）からの独立した２つの光子がビームスプリッタを通過するタイミングを一致させるのは困難である。つまり、自然放出は確率的現象であるため、自然放出される光子を用い、ビームスプリッタ及び光子検出器を用いて、独立した２つの光子がビームスプリッタを通過するタイミングを一致させ、独立した２つの光子の量子エンタングルメントを生成するのは、原理的に不可能である。もちろん、Purcell効果を極限まで高めることが可能であれば、自然放出の時定数はゼロに漸近し、タイミングを一致されることができるかもしれないが、Purcell効果は実現可能な上限があることが明らかになってきており、独立した２つの光子を干渉可能なレベルにはなりえない。また、共鳴ポンプパルス光によって励起すると、単一励起子のみを励起することは難しい。また、ラマン散乱でない普通の非共鳴励起では、励起後に励起子基底状態に落ちる際に位相緩和がおきやすい。また、例えば特開２００７−３３５５０３号公報に記載されているように、量子エンタングルメントを生成するために１つの量子ドットに３個の電子が存在する状態にすると、キャリア間相互作用によるスピン緩和が発生し、量子エンタングルメントの生成は不完全なものとなる。
【００９１】
以下、上述のような量子エンタングルメント生成方法や量子エンタングルメント生成装置を適用した量子送信器、量子中継器及び量子受信器を備える量子通信システムによる量子通信方法について、図１４〜１６を参照しながら説明する。
本量子通信方法は、図１４に示すように、２つの量子ドットを結合した第１結合量子ドット１及び２つの量子ドットを結合した第２結合量子ドット２を備える量子通信機器６３を複数用い、送信側の量子通信機器６３（量子送信器６０）に備えられる第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２の一方と受信側の量子通信機器６３（量子受信器６１）に備えられる第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２の一方の送受信間量子エンタングルメントを用いて量子通信を行なう量子通信方法である。
【００９２】
ここでは、図１５に示すように、各量子通信機器（量子送信器６０、複数の量子中継器６２、量子受信器６１）６３において、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２を、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２における励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とし、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２に、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２における励起子分離状態の低い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ第１ポンプ光を入射し、第１ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子を、第１ビームスプリッタ３を介して第１光子検出器としての２つの光子検出器４、５のいずれか一方で検出した場合に、機器内量子エンタングルメントが生成されたものとする。
【００９３】
また、図１６に示すように、隣接する２つの量子通信機器６３において、隣接する２つの量子通信機器６３の一方に備えられる第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２の一方、及び、隣接する２つの量子通信機器６３の他方に備えられる第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２の一方に、第１結合量子ドット１及び第２結合量子ドット２における励起子分離状態の高い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ第２ポンプ光を入射し、第２ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるアンチストークス光子を、第２ビームスプリッタ３を介して第２光子検出器としての２つの光子検出器４、５のいずれか一方で検出した場合に、隣接機器間量子エンタングルメントが生成されたものとする。
【００９４】
そして、全ての量子通信機器６３において機器内量子エンタングルメントが生成され、かつ、全ての隣接する２つの量子通信機器６３において隣接機器間量子エンタングルメントが生成された場合に送受信間量子エンタングルメントが生成されたものとして、送受信間量子エンタングルメントを用いて量子通信を行なう。
このような、上述の量子エンタングルメント生成方法や量子エンタングルメント生成装置を適用した量子通信システムによる量子通信方法（量子中継システムによる量子中継方法）は、結合量子ドット１、２に生成した励起子とポンプ光のラマン相互作用を利用して量子中継を実現するものである。
【００９５】
以下、図１４〜図１６を参照しながら、量子通信システム（各量子通信機器）の動作、即ち、量子通信方法について、より具体的に説明する。
まず、量子通信システム、即ち、各量子通信機器６３（量子送信器６０、複数の量子中継器６２、量子受信器６１；ノード）を初期化する。つまり、各量子通信機器６３に備えられる２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘに含まれる結合量子ドット１、２に励起子を生成して、初期化状態とする。なお、量子中継器６２を、通信路の中継点又は中継地点ともいう。
【００９６】
ここでは、多重励起を防ぐために、初期化用のレーザ光源を用いて、十分弱い初期化用ポンプパルス光を、光導波路１０、１１を介して、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘに入射させる（図４参照）。
ここで、初期化用ポンプパルス光は、基底状態（励起子が存在しない状態）から励起子分離状態の低い方のエネルギー状態｜ｇ＞への励起エネルギーに共鳴させるか、又は、基底状態から励起子分離状態の低い方のエネルギー状態｜ｇ＞への励起エネルギーよりも高く、かつ、励起子分離状態の高い方のエネルギー状態｜ｓ＞への励起エネルギーよりも低いエネルギーを持つものとし、引き続くフォノン散乱などによるエネルギー緩和、又は、ストークス光を伴うラマン遷移によって励起子分離状態の低い方のエネルギー状態｜ｇ＞に落ち込むようにする。このように、弱励起の条件が満たされていれば、多重キャリア励起の確率は極めて低い。
【００９７】
このようにして、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘに含まれる複数の結合量子ドット１、２のうちある割合の結合量子ドット１、２に励起子を生成し、そのエネルギー状態を、励起子分離状態の低い方のエネルギー状態｜ｇ＞にすることができる。つまり、このようにして｜ｇ＞状態励起子が生成される。なお、励起子が生成されなかった結合量子ドット１、２は、以後、次のルーチンまでは使われない。
【００９８】
ここでは、ｉ番目の量子通信機器６３に備えられる２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘを、それぞれ、αi、βiとし、これらの結合量子ドット群αi、βiの量子状態を以下のように表す。
【００９９】
【数７】
2016012877.tif 000009
【０１００】
このようにして、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘに含まれる結合量子ドット１、２に励起子を生成して初期化状態とした後、ここでは、この初期化した励起子状態を安定的に保持しうるスタンバイ状態とする。
ここでは、各結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘの近傍に設けられたゲート電極３０（図７参照）にゲート電圧を印加することで、各結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘに含まれる全ての結合量子ドット１、２に断熱的にゲート電圧（ゲート電界）を加え、シュタルク効果によって、｜ｇ＞状態励起子を構成する電子と正孔を横方向に分離しておく。ゲート電圧印加時（ε≠０）は、次の上側の式で表される、電界εがかかっているときのサイズが大きい量子ドットの電子の波動関数と、次の下側の式で表される、電界εがかかっているときのサイズが小さい量子ドットの正孔の波動関数との重なりが小さくなるため（図８参照）、再結合寿命が飛躍的に増大する。例えば数ｎｓ〜１０ｎｓのオーダーしかない励起子の寿命が飛躍的に増大する。
【０１０１】
【数８】
2016012877.tif 000010
【０１０２】
このようにして、励起子の寿命を長期化し、初期化した励起子状態（各結合量子ドット群の量子状態）を安定的に保持しうるスタンバイ状態とする。
次に、図１５に示すように、各量子通信機器６３において量子エンタングルメントを生成する。つまり、機器内量子エンタングルメントを生成する。
ここでは、各量子通信機器６３に備えられる２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘ（αi、βi）に対して、次のような操作を行なう。
【０１０３】
まず、ゲート電圧をゼロに断熱的に戻す。
次に、ポンプ用（ラマン過程用；ストークス過程用）のレーザ光源７を用い、離調をΔとし、｜ｇ＞−｜ｅ＞間の非共鳴ポンプパルス光（エネルギーＥ１−Δ）を導入し、これを２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘ（αi、βi）に照射し、ラマン過程（ストークス過程）によって、平均光子数１以下の弱いストークス光（エネルギーＥ２−Δ）を取り出す。
【０１０４】
この際、ポンプ用のレーザ光源７からのポンプパルス光の各結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘ（αi、βi）への入力の時間差を微調整して、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘ（αi、βi）からの散乱出力が５０：５０ビームスプリッタ（ＢＳ）３を同期して通過するように設定し、２つの光子検出器（光子数検出器）４、５で２つのビームをとらえる。つまり、同期させたポンプパルス光による各結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘ（αi、βi）からのストークス散乱光をビームスプリッタ３で干渉させて２つの光子検出器４、５でストークス光子を検出する。
【０１０５】
そして、２つの光子検出器４、５のうち、片方の光子検出器だけがストークス光子を１つ検出した場合に、以下に示すようなベル状態が特定され、各量子通信機器６３に備えられる２の結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘ（αi、βi）の間に量子エンタングルメント（機器内量子エンタングルメント）が生成されたものとする。なお、これを１ストークス光子検出による事後選択（ポストセレクション）という。
【０１０６】
【数９】
2016012877.tif 000011
【０１０７】
このような操作が成功したら、ゲート電圧を再度加え、スタンバイ状態に戻す。
なお、ストークス光子が１つも検出されない確率は大きいが、その場合は、再度、上述の操作を繰り返す。また、確率としては小さいが、ストークス光子が２つ以上検出された場合は、ゲート電圧をゼロにしたまま放置して、励起子がすべて再結合するのを待ち、初期化から再度やりなおす。
【０１０８】
次に、図１６に示すように、隣接する２つの量子通信機器６３において量子エンタングルメントを生成する。つまり、上述のようにして、送受信の経路上の全ての量子通信機器６３において機器内量子エンタングルメントが既に形成されている状態を出発点として、隣接機器間量子エンタングルメントを生成する。なお、これを量子エンタングルメントスワッピングともいう。
【０１０９】
ここでは、隣接する２つの量子通信機器６３（例えば量子送信器６０と最初の量子中継器６２、隣接する２つの量子中継器６２、最後の量子中継器６２と量子受信器６１）の一方に備えられる１つの結合量子ドット群２Ｘ（βi）と他方に備えられる１つの結合量子ドット群１Ｘ（αi＋１）（ここではβｉとαｉ＋１のペア）に対して、次のような操作を行なう。
【０１１０】
まず、ゲート電圧をゼロに断熱的に戻す。
次に、ポンプ用（逆ラマン過程用；アンチストークス過程用）のレーザ光源７を用い、離調をΔとし、｜ｓ＞−｜ｅ＞間の非共鳴ポンプパルス光（エネルギーＥ２−Δ）を導入し、これを２つの結合量子ドット群に照射し、逆ラマン過程（アンチストークス過程）によって、平均光子数１以下の弱いアンチストークス光（エネルギーＥ１−Δ）を取り出す。なお、この非共鳴ポンプパルス光をリトリーバルパルス光ともいう。
【０１１１】
この際、ポンプ用のレーザ光源７からのポンプパルス光の各結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘ（αi、βi＋１）への入力の時間差を微調整して、２つの結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘ（αi、βi＋１）からの散乱出力が５０：５０ビームスプリッタ（ＢＳ）３を同期して通過するように設定し、２つの光子検出器（光子数検出器）４、５で２つのビームをとらえる。つまり、同期させたポンプパルス光による各結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘ（αi、βi＋１）からのアンチストークス散乱光をビームスプリッタ３で干渉させて２つの光子検出器４、５でアンチストークス光子を検出する。
【０１１２】
なお、隣接する２つの量子通信機器６３の一方に備えられる１つの結合量子ドット群２Ｘ（βi＋１）で発生したアンチストークス光子は、例えば光ファイバ６４を介して、他方に伝送することになる。このため、アンチストークス光子のエネルギーＥ１−Δが光ファイバ６４の低損失伝送波長帯域にあることが望ましい。また、隣接する２つの量子通信機器６３のどちらにアンチストークス光子を伝送するようにしても良い。
【０１１３】
そして、２つの光子検出器４、５のうち、片方の光子検出器だけがアンチストークス光子を１つ検出した場合に、以下に示すようなベル状態が特定され、隣接する２つの量子通信機器６３に備えられる２の結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘ（αi、βi＋１）の間に量子エンタングルメント（隣接機器間量子エンタングルメント）が生成されたものとする。なお、これを１アンチストークス光子検出による事後選択（ポストセレクション）という。
【０１１４】
【数１０】
2016012877.tif 000012
【０１１５】
このような操作が成功したら、ゲート電圧を再度加え、スタンバイ状態に戻す。
なお、アンチストークス光子が検出されなかった場合は、再度、上述の操作を繰り返す。また、アンチストークス光子が２つ以上検出された場合は、隣接する２つの量子通信機器６３に対して、ゲート電圧をゼロにしたまま放置して、励起子がすべて再結合するのを待ち、再度、初期化及び機器内量子エンタングルメントを生成するための操作からやり直す。
【０１１６】
上述のようにして、全ての量子通信機器６３のそれぞれにおいて機器内量子エンタングルメントを生成し、機器内量子エンタングルメントが生成された隣接する２つの量子通信機器６３のそれぞれにおいて隣接機器間量子エンタングルメントを生成することで、以下に示すようなベル状態が特定され、量子中継通信路（伝送線）の両端で送受信間量子エンタングルメントが生成されたことになる（図１４参照）。つまり、量子送信器６０に備えられる１つの結合量子ドット群１Ｘと量子受信器６１に備えられる１つの結合量子ドット群２Ｘの間に量子エンタングルメントが生成されたことになる（図１４参照）。
【０１１７】
【数１１】
2016012877.tif 000013
【０１１８】
そして、位相因子を繰りこんで、この量子エンタングルメント状態を実質的に以下の形にすることができる。
【０１１９】
【数１２】
2016012877.tif 000014
【０１２０】
なお、ここでは、全ての量子通信機器６３のそれぞれにおいて機器内量子エンタングルメントを生成した後に、機器内量子エンタングルメントが生成された隣接する２つの量子通信機器６３のそれぞれにおいて隣接機器間量子エンタングルメントを生成しているが、これに限られるものではなく、例えば、機器内量子エンタングルメントの生成及び隣接機器間量子エンタングルメントの生成を、隣接する２つの量子通信機器６３に対して送信側又は受信側から順番に行なうようにしても良い。
【０１２１】
このようにして、通信の送り手と受け手の間が長距離であっても量子エンタングルメントを生成することができ、量子中継を実現できるため、これを利用して、例えば、量子鍵配送（量子鍵抽出）、量子テレポーテーションなどの量子通信（量子通信プロトコル）を実現することが可能となる。
例えば、上述のようにして生成された量子エンタングルメントは、ＱＫＤプロトコル（例えばEkert91方式）のリソースとして用いることができる。なお、Ekert91方式については、例えば、Artur E. Ekert, “Quantum cryptography based on Bell’s Theorem”, Physical Review Letters, vol. 67, No. 6, pp. 661-663, 5 August 1991に記載されている。
【０１２２】
したがって、本実施形態にかかる量子エンタングルメント生成方法、量子エンタングルメント生成装置、量子通信機器、量子通信システム及び量子通信方法によれば、タイミング制御不能な自然放出される光子を用いることなく、ビームスプリッタ及び光子検出器を用いて、独立した２つの光子がビームスプリッタを通過するタイミングを一致させて、独立した２つの光子の量子エンタングルメント（即ち、第１結合量子ドット１と第２結合量子ドット２の量子エンタングルメント）を確実に生成できるという利点がある。
【０１２３】
なお、本発明は、上述した実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
例えば、上述の実施形態の量子エンタングルメント生成方法において、第１結合量子ドット及び第２結合量子ドットの少なくとも一方において、裏面側に設けられた裏面電極の電位に対して、表面側に設けられた表面電極に電圧を与えて、第１結合量子ドットと第２結合量子ドットの量子エンタングルメントの重ね合わせの位相を調整するようにしても良い。
【０１２４】
この場合、上述の実施形態の量子エンタングルメント生成装置を、第１結合量子ドット及び第２結合量子ドットのそれぞれの裏面側に設けられた裏面電極と、第１結合量子ドット及び第２結合量子ドットのそれぞれの表面側に設けられた表面電極とを備えるものとする。そして、コントローラは、第１結合量子ドット及び第２結合量子ドットの少なくとも一方において、裏面電極の電位に対して表面電極に電圧を与える制御を行なって、第１結合量子ドットと第２結合量子ドットの量子エンタングルメントの重ね合わせの位相を調整するようにすれば良い。
【０１２５】
例えば、図１７に示すように、第１結合量子ドット１としての結合量子ドット群１Ｘ及び第２結合量子ドット２としての結合量子ドット群２Ｘのそれぞれに対して裏面側、ここでは、基板７０の裏面側に設けられた裏面電極７１と、第１結合量子ドット１としての結合量子ドット群１Ｘ及び第２結合量子ドット２としての結合量子ドット群２Ｘのそれぞれに対して表面側に設けられた表面電極７２とを備えるものとする。ここでは、表面電極７２は、第１結合量子ドット１としての結合量子ドット群１Ｘ及び第２結合量子ドット２としての結合量子ドット群２Ｘのそれぞれの両側に設けられているものとする。
【０１２６】
そして、結合量子ドット群１Ｘ及び結合量子ドット群２Ｘの少なくとも一方において、裏面電極７１の電位に対して表面電極７２に電圧を与えて、｜ｇ＞状態のエネルギーを基準とした、｜ｓ＞状態のエネルギーを増減させて、｜Ｇ＞状態のエネルギーを基準にした｜Ｓ１＞状態のエネルギーを増減させることによって、結合量子ドット群１Ｘと結合量子ドット群２Ｘの量子エンタングルメントの重ね合わせの位相を調整するようにすれば良い。
【０１２７】
ここで、｜ｇ＞状態のエネルギーは、基底状態から励起子分離状態の低い方のエネルギー状態である。また、｜ｓ＞状態のエネルギーは、励起子分離状態の高い方のエネルギー状態である。また、｜Ｇ＞状態のエネルギーは、結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘに含まれる全ての結合量子ドット１、２の励起子のエネルギー状態が｜ｇ＞の場合の結合量子ドット群１Ｘ（２Ｘ）のエネルギー状態である。また、｜Ｓ１＞状態のエネルギーは、結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘに含まれる一つの結合量子ドット１、２の励起子のエネルギー状態のみが｜ｓ＞となり、残りの結合量子ドット１、２の励起子のエネルギー状態が｜ｇ＞の場合の結合量子ドット群１Ｘ、２Ｘのエネルギー状態である。
【０１２８】
例えば、結合量子ドット群１Ｘ及び結合量子ドット群２Ｘの一方において、裏面電極７１の電位に対して両側の表面電極７２に所定の時間ｔの間、同じ極性（同符号）の同一の電圧を与えて、｜ｇ＞状態のエネルギーＥｇを基準にした｜ｓ＞状態のエネルギーＥｓを増減させて、｜Ｇ＞状態のエネルギーを基準にした｜Ｓ１＞状態のエネルギーを増減することによって、以下に示す量子エンタングルメント状態
【０１２９】
【数１３】
2016012877.tif 000015
【０１３０】
の重ね合わせの位相を、
【０１３１】
【数１４】
2016012877.tif 000016
【０１３２】
と調整することができる。
ここで、δ＝（Ｅｓ′−Ｅｓ）＋（Ｅｇ−Ｅｇ′）である。また、Ｅｓ′及びＥｇ′は、電界印加後の｜ｓ＞状態及び｜ｇ＞状態のエネルギーである。
このような量子エンタングルメント状態の重ね合わせの位相を調整する機能を有するものとすることで、以下に説明するように、送信側と受信側で標準的な量子エンタングルメントを共有することが可能となる。
【０１３３】
また、例えば、図１８に示すように、標準となる結合量子ドット群α（第１結合量子ドット１；結合量子ドット群１Ｘ）の量子状態の位相を所定の位相状態に準備し、標準となる結合量子ドット群α及び測定対象となる結合量子ドット群β（第２結合量子ドット２；結合量子ドット群２Ｘ）に逆過程用のレーザ光源７からのポンプ光を入射する。そして、ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるアンチストークス光子を、ビームスプリッタ３を介して２つの光子検出器（光子数検出器）４、５で検出し、これらの検出情報に基づいて、測定対象となる結合量子ドット群βの量子状態の位相を射影測定することができる。
【０１３４】
ここで、標準となる結合量子ドット群αの量子状態の位相を所定の位相状態に準備するとは、量子状態の位相が特定された標準となる結合量子ドット群、即ち、射影測定に用いる標準状態の結合量子ドット群を作ることである。
この射影測定に用いる標準状態の結合量子ドット群αは、例えば以下のようにして作成することができる。
【０１３５】
つまり、まず、結合量子ドット群αを、初期化用のレーザ光源で｜Ｇ＞状態に初期化する。次に、図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）に示すように、結合量子ドット群αに、順過程用のレーザ光源と逆過程用のレーザ光源の両方からのポンプ光Ｐｐ、Ｐｒを同時に照射する。そして、両方のレーザ光源からのポンプ光の強度を、図２０に示すように、減衰器で時間的に変化させる。つまり、まず逆過程用のレーザ光源を立ち上げ、そののちに順過程用のレーザ光源を立ち上げる。そして、強度が同じになるようにして、強度をゼロに移行させる。この結果、終状態の波動関数は、図２０に示したように、｜Ｇ＞状態と｜Ｓ１＞状態の均等な重ね合わせになる。この物理過程は原子光学でStimulated Raman Adiabatic Passage(STIRAP)と呼ばれているものである。この過程はレーザの絶対強度にほとんど依存しないため、制御が容易である。このような状態とした後に、さらに、上述した量子エンタングルメント状態の重ね合わせの位相の調整方法を用いて位相を所望の値に調整することで、射影測定に用いる標準状態の結合量子ドット群α、即ち、量子状態の位相が特定された標準となる結合量子ドット群αを作ることができる。このようにして、重ね合わせ状態を作った後に、重ね合わせの位相を調整することで、ベクトルの向きも規定された、射影測定に用いる標準状態の結合量子ドット群αを作成することができる。
【０１３６】
なお、ここでは、逆過程用のレーザ光源７からのポンプ光を入射し、ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるアンチストークス光子を、ビームスプリッタ３を介して光子検出器４、５で検出して、測定対象となる結合量子ドット群βの量子状態の位相を射影測定するようにしているが、これに限られるものではなく、順過程用のレーザ光源７からのポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子を、ビームスプリッタ３を介して光子検出器４、５で検出して、測定対象となる結合量子ドット群βの量子状態の位相を射影測定するようにしても良い。
【０１３７】
このように、本実施形態にかかる射影測定方法では、２つの量子ドットを結合し、量子状態の位相が特定された標準結合量子ドット及び２つの量子ドットを結合した測定対象結合量子ドットにポンプ光を入射し、ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子又はアンチストークス光子を、ビームスプリッタを介して光子検出器で検出して、測定対象結合量子ドットの量子状態の位相を射影測定する。これにより、ビームスプリッタ及び光子検出器を用いて、タイミングを一致させて、射影測定を確実に行なうことができるという利点がある。
【０１３８】
さらに、このような結合量子ドット群の量子状態の位相の射影測定を用いて、例えば図２１に示すように、送信側の量子通信機器６３（量子送信器６０）及び受信側の量子通信機器６３（量子受信器６１）のそれぞれにおいて、それに含まれる２つの結合量子ドット群の量子状態の位相の射影測定を行ない、Ekert91プロトコルにしたがって、鍵の抽出及び安全性のチェックを行なうことができる。つまり、量子送信器６０及び量子受信器６１のそれぞれの量子エンタングルメント状態に対し、上述のような結合量子ドット群の量子状態の位相の射影測定を用いることによって、各結合量子ドット群の量子状態の位相の射影測定を行ない、Ekert91プロトコルにしたがって、鍵の抽出及び安全性のチェックを行なうことができる。この場合、量子送信器６０に備えられる結合量子ドット群α１、量子受信器６１に備えられる結合量子ドット群βＮ＋１については、上述したように、標準となる結合量子ドット群として、その量子状態の位相を所定の位相状態に準備しておくことになる。このようにして、送信側と受信側で標準的な量子エンタングルメントを共有することが可能となる。
【０１３９】
ここで、上述のような結合量子ドット群の量子状態の位相の射影測定を用いて、各結合量子ドット群の量子状態の位相の射影測定を行なう場合、量子ビットの赤道上の任意の方向を向くブロッホベクトルに関する射影測定が可能になる。つまり、上述のような結合量子ドット群の量子状態の位相の射影測定を用い、重ね合わせ状態を作った後に、重ね合わせの位相を調整することで、ベクトルの向きも規定された、射影測定に用いる標準状態の結合量子ドット群が作成され、これを用いて、上述したようにして射影測定を行なうことで、量子ビットの赤道上の任意の方向を向くブロッホベクトルに関する射影測定が可能になる。
【０１４０】
このため、例えば量子暗号通信において、複数の基底で射影測定を行なうことが可能となる。例えば、送信側と受信側で送受信間量子エンタングルメントが生成された場合に、送信側の量子通信機器及び受信側の量子通信機器のそれぞれにおいて、それに含まれる２つの結合量子ドット群を、複数の基底に関して射影測定することが可能となる。
つまり、計算基底での射影測定、即ち、｜Ｇ＞か｜Ｓ１＞かを判定する測定は、順過程又は逆過程のセッティングでポンプ光を入射し、出てくるストークス光子又はアンチストークス光子の検出の有無で行なうことができる。これに対し、例えば量子暗号通信、送信側と受信側で送受信間量子エンタングルメントが生成された場合などのように、複数の基底で射影測定を行なうことが必要な場合があり、このような場合に、上述のような結合量子ドット群の量子状態の位相の射影測定を用いて、各結合量子ドット群の量子状態の位相の射影測定を行なうことで、複数の基底で射影測定を行なうことが可能となる。
【０１４１】
このように、上述の実施形態の量子通信方法において、送信側の量子通信機器及び受信側の量子通信機器のそれぞれにおいて、第１結合量子ドット及び第２結合量子ドットの他方を、量子状態の位相が特定された標準となる結合量子ドットとし、第１結合量子ドットと第２結合量子ドットの量子状態の位相の射影測定を行ない、送受信間量子エンタングルメントを用いて量子通信を行なうことができる。つまり、上述の実施形態の量子エンタングルメント生成方法と上述の射影測定方法とを組み合わせることで、量子通信を実現することが可能となる。
【０１４２】
以下、上述の実施形態に関し、更に、付記を開示する。
（付記１）
２つの量子ドットを結合した第１結合量子ドット及び２つの量子ドットを結合した第２結合量子ドットにポンプ光を入射し、
前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子又はアンチストークス光子を、ビームスプリッタを介して光子検出器で検出して、前記第１結合量子ドットと前記第２結合量子ドットの量子エンタングルメントを生成することを特徴とする量子エンタングルメント生成方法。
【０１４３】
（付記２）
前記ポンプ光を入射する工程の前に、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットを、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とし、
前記ポンプ光を入射する工程において、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットに、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の低い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つポンプ光を入射することを特徴とする、付記１に記載の量子エンタングルメント生成方法。
【０１４４】
（付記３）
前記ポンプ光を入射する工程は、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットに、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の低い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ第１ポンプ光を入射する工程と、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットに、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の高い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ第２ポンプ光を入射する工程とを含み、
前記量子エンタングルメントを生成する工程は、前記第１ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記ストークス光子を、前記ビームスプリッタを介して前記光子検出器で検出して、前記量子エンタングルメントとして第１量子エンタングルメントを生成する工程と、前記第２ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記アンチストークス光子を、前記ビームスプリッタを介して前記光子検出器で検出して、前記量子エンタングルメントとして第２量子エンタングルメントを生成する工程とを含み、
前記第１ポンプ光を入射する工程の前に、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットを、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とし、
前記第１ポンプ光を入射する工程の後に、前記第１量子エンタングルメントを生成する工程を行ない、
前記第１量子エンタングルメントを生成する工程の後に、前記第２ポンプ光を入射する工程を行ない、
前記第２ポンプ光を入射する工程の後に、前記第２量子エンタングルメントを生成する工程を行なうことを特徴とする、付記１に記載の量子エンタングルメント生成方法。
【０１４５】
（付記４）
前記量子エンタングルメントを生成する工程において、前記第１結合量子ドットに前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記ストークス光子又は前記アンチストークス光子を通過させ、かつ、前記ポンプ光を遮断する第１フィルタ、前記第２結合量子ドットに前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記ストークス光子又は前記アンチストークス光子を通過させ、かつ、前記ポンプ光を遮断する第２フィルタ及び前記ビームスプリッタを介して、前記光子検出器としての第１光子検出器及び第２光子検出器のいずれか一方で検出して、前記量子エンタングルメントを生成することを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の量子エンタングルメント生成方法。
【０１４６】
（付記５）
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットを、励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とする初期化の後に、励起子を構成する電子と正孔が空間分離するように、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットのそれぞれの両側に設けられた２つの電極間に電圧を印加し、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットに前記ポンプ光を入射する動作時の前に、前記２つの電極間に印加されている電圧をオフにすることを特徴とする、付記１〜４のいずれか１項に記載の量子エンタングルメント生成方法。
【０１４７】
（付記６）
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットを、励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とする初期化の後に、励起子を構成する電子及び正孔の一方のスピンの向きが変わって光学不活性状態となるように、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットのそれぞれに外部磁場及び交流磁場を発生し、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットに前記ポンプ光を入射する動作時の前に、前記励起子を構成する電子及び正孔の一方のスピンの向きが変わって光学活性状態となるように、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットのそれぞれに外部磁場及び交流磁場を発生することを特徴とする、付記１〜５のいずれか１項に記載の量子エンタングルメント生成方法。
【０１４８】
（付記７）
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットとして、光導波路内に設けられ、前記光導波路に沿って直列に設けられた複数の第１結合量子ドット及び複数の第２結合量子ドットを備えることを特徴とする、付記１〜６のいずれか１項に記載の量子エンタングルメント生成方法。
【０１４９】
（付記８）
経路上に前記第１結合量子ドットを備え、前記第１結合量子ドットに前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記ストークス光子及び前記アンチストークス光子の周波数の少なくとも一方に一致する共振周波数を有する第１共振器によって、前記第１結合量子ドットに前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記ストークス光子及び前記アンチストークス光子を共振させ、
経路上に前記第２結合量子ドットを備え、前記第２結合量子ドットに前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記ストークス光子及び前記アンチストークス光子の周波数の少なくとも一方に一致する共振周波数を有する第２共振器によって、前記第２結合量子ドットに前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記ストークス光子及び前記アンチストークス光子を共振させることを特徴とする、付記１〜７のいずれか１項に記載の量子エンタングルメント生成方法。
【０１５０】
（付記９）
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットの少なくとも一方において、裏面側に設けられた裏面電極の電位に対して、表面側に設けられた表面電極に電圧を与えて、前記第１結合量子ドットと前記第２結合量子ドットの量子エンタングルメントの重ね合わせの位相を調整することを特徴とする、付記１〜８のいずれか１項に記載の量子エンタングルメント生成方法。
【０１５１】
（付記１０）
２つの量子ドットを結合した第１結合量子ドットと、
２つの量子ドットを結合した第２結合量子ドットと、
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子又はアンチストークス光子を、ビームスプリッタを介して検出する光子検出器と、
前記光子検出器からの検出情報に基づいて、前記第１結合量子ドットと前記第２結合量子ドットの量子エンタングルメントを生成するコントローラとを備えることを特徴とする量子エンタングルメント生成装置。
【０１５２】
（付記１１）
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の低い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つポンプ光を出射するポンプ光源を備え、
前記コントローラは、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットを、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とした後に、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットに、前記ポンプ光が入射されるように前記ポンプ光源を制御することを特徴とする、付記１０に記載の量子エンタングルメント生成装置。
【０１５３】
（付記１２）
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の低い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ第１ポンプ光を出射する第１ポンプ光源と、
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の高い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ第２ポンプ光を出射する第２ポンプ光源とを備え、
前記コントローラは、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットを、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とした後に、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットに、前記第１ポンプ光が入射されるように前記第１ポンプ光源を制御し、前記第１ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記ストークス光子を前記ビームスプリッタを介して検出する前記光子検出器からの検出情報に基づいて、前記量子エンタングルメントとして第１量子エンタングルメントを生成し、その後、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットに、前記第２ポンプ光が入射されるように前記第２ポンプ光源を制御し、前記第２ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記アンチストークス光子を前記ビームスプリッタを介して検出する前記光子検出器からの検出情報に基づいて、前記量子エンタングルメントとして第２量子エンタングルメントを生成することを特徴とする、付記１０に記載の量子エンタングルメント生成装置。
【０１５４】
（付記１３）
前記第１結合量子ドットに前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記ストークス光子又は前記アンチストークス光子を通過させ、かつ、前記ポンプ光を遮断する第１フィルタと、
前記第２結合量子ドットに前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記ストークス光子又は前記アンチストークス光子を通過させ、かつ、前記ポンプ光を遮断する第２フィルタとを備え、
前記コントローラは、前記ストークス光子又は前記アンチストークス光子を、前記第１フィルタ、前記第２フィルタ及び前記ビームスプリッタを介して検出する、前記光子検出器としての第１光子検出器及び第２光子検出器のいずれか一方からの検出情報に基づいて、前記量子エンタングルメントを生成することを特徴とする、付記１０〜１２のいずれか１項に記載の量子エンタングルメント生成装置。
【０１５５】
（付記１４）
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットのそれぞれの両側に設けられた２つの電極を備え、
前記コントローラは、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットを、励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とする初期化の後に、励起子を構成する電子と正孔が空間分離するように前記２つの電極間に電圧を印加する制御を行ない、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットに前記ポンプ光を入射する動作時の前に、前記２つの電極間に印加されている電圧をオフにする制御を行なうことを特徴とする、付記１０〜１３のいずれか１項に記載の量子エンタングルメント生成装置。
【０１５６】
（付記１５）
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットのそれぞれに外部磁場及び交流磁場を発生する磁場発生機構を備え、
前記コントローラは、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットを、励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とする初期化の後に、励起子を構成する電子及び正孔の一方のスピンの向きが変わって光学不活性状態となるように前記磁場発生機構を制御し、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットに前記ポンプ光を入射する動作時の前に、前記励起子を構成する電子及び正孔の一方のスピンの向きが変わって光学活性状態となるように前記磁場発生機構を制御することを特徴とする、付記１０〜１４のいずれか１項に記載の量子エンタングルメント生成装置。
【０１５７】
（付記１６）
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットとして、光導波路内に設けられ、前記光導波路に沿って直列に設けられた複数の第１結合量子ドット及び複数の第２結合量子ドットを備えることを特徴とする、付記１０〜１５のいずれか１項に記載の量子エンタングルメント生成装置。
【０１５８】
（付記１７）
経路上に前記第１結合量子ドットを備え、前記第１結合量子ドットに前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記ストークス光子及び前記アンチストークス光子の周波数の少なくとも一方に一致する共振周波数を有する第１共振器と、
経路上に前記第２結合量子ドットを備え、前記第２結合量子ドットに前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱による前記ストークス光子及び前記アンチストークス光子の周波数の少なくとも一方に一致する共振周波数を有する第２共振器とを備えることを特徴とする、付記１０〜１６のいずれか１項に記載の量子エンタングルメント生成装置。
【０１５９】
（付記１８）
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットのそれぞれの裏面側に設けられた裏面電極と、
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットのそれぞれの表面側に設けられた表面電極とを備え、
前記コントローラは、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットの少なくとも一方において、前記裏面電極の電位に対して前記表面電極に電圧を与える制御を行なって、前記第１結合量子ドットと前記第２結合量子ドットの量子エンタングルメントの重ね合わせの位相を調整することを特徴とする、付記１０〜１７のいずれか１項に記載の量子エンタングルメント生成装置。
【０１６０】
（付記１９）
付記１０〜１８のいずれか１項に記載の量子エンタングルメント生成装置を備えることを特徴とする量子通信機器。
（付記２０）
付記１０〜１８のいずれか１項に記載の量子エンタングルメント生成装置を備える量子通信機器を複数備え、
前記複数の量子通信機器が相互に接続されていることを特徴とする量子通信システム。
【０１６１】
（付記２１）
２つの量子ドットを結合した第１結合量子ドット及び２つの量子ドットを結合した第２結合量子ドットを備える量子通信機器を複数用い、送信側の前記量子通信機器に備えられる前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットの一方と受信側の前記量子通信機器に備えられる前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットの一方の送受信間量子エンタングルメントを用いて量子通信を行なう量子通信方法であって、
前記各量子通信機器において、
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットを、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の低い方のエネルギー状態とし、
前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットに、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の低い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ第１ポンプ光を入射し、
前記第１ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子を、第１ビームスプリッタを介して第１光子検出器としての２つの光子検出器のいずれか一方で検出した場合に、機器内量子エンタングルメントが生成されたものとし、
前記隣接する２つの量子通信機器において、
前記隣接する２つの量子通信機器の一方に備えられる前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットの一方、及び、前記隣接する２つの量子通信機器の他方に備えられる前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットの一方に、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットにおける励起子分離状態の高い方のエネルギー状態と励起子局在状態の高い方のエネルギー状態のエネルギー差よりも小さいエネルギーを持つ第２ポンプ光を入射し、
前記第２ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるアンチストークス光子を、第２ビームスプリッタを介して第２光子検出器としての２つの光子検出器のいずれか一方で検出した場合に、隣接機器間量子エンタングルメントが生成されたものとし、
全ての量子通信機器において前記機器内量子エンタングルメントが生成され、かつ、全ての隣接する２つの量子通信機器において前記隣接機器間量子エンタングルメントが生成された場合に前記送受信間量子エンタングルメントが生成されたものとして、前記送受信間量子エンタングルメントを用いて量子通信を行なうことを特徴とする量子通信方法。
【０１６２】
（付記２２）
前記送信側の量子通信機器及び前記受信側の量子通信機器のそれぞれにおいて、前記第１結合量子ドット及び前記第２結合量子ドットの他方を、量子状態の位相が特定された標準となる結合量子ドットとし、前記第１結合量子ドットと前記第２結合量子ドットの量子状態の位相の射影測定を行ない、前記送受信間量子エンタングルメントを用いて前記量子通信を行なうことを特徴とする、付記２１に記載の量子通信方法。
【０１６３】
（付記２３）
２つの量子ドットを結合し、量子状態の位相が特定された標準結合量子ドット及び２つの量子ドットを結合した測定対象結合量子ドットにポンプ光を入射し、
前記ポンプ光を入射したときのラマン散乱によるストークス光子又はアンチストークス光子を、ビームスプリッタを介して光子検出器で検出して、前記測定対象結合量子ドットの量子状態の位相を射影測定することを特徴とする射影測定方法。
【符号の説明】
【０１６４】
１  結合量子ドット（第１結合量子ドット）
２  結合量子ドット（第２結合量子ドット）
１Ｘ、２Ｘ  結合量子ドット群
３  ビームスプリッタ
４、５  光子検出器
６  コントローラ
７  ポンプ光源
８、９  フィルタ
１０、１１  光導波路
１２  ビームスプリッタ
１３  光路長調整部
２０  ＧａＡｓ基板
２１  ＧａＡｓバッファ層
２２  ｎ−ＧａＡｓ層
２３  ＡｌＧａＡｓ層
２４  下側ＩｎＡｓ量子ドット
２５  ＡｌＧａＡｓキャップ層
２６  上側ＩｎＡｓ量子ドット
２７  ＡｌＧａＡｓキャップ層
２８  ｎ−ＧａＡｓ層
３０  ゲート電極（電極）
３１  グランド電極（電極）
４０  ミクロ構造物
５０  共振器
５１、５２  ハーフミラー
５３  ファブリ・ペロー型共振器
５４、５５  ハーフミラー
５６、５７  ミラー
５８  リング型共振器
５９  位相変調器
６０  量子送信器
６１  量子受信器
６２  量子中継器
６３  量子通信機器
６４  光ファイバ
７０  基板
７１  裏面電極
７２  表面電極
【図１】
2016012877.tif 000017
【図２】
2016012877.tif 000018
【図３】
2016012877.tif 000019
【図４】
2016012877.tif 000020
【図５】
2016012877.tif 000021
【図６】
2016012877.tif 000022
【図７】
2016012877.tif 000023
【図９】
2016012877.tif 000024
【図１０】
2016012877.tif 000025
【図１１】
2016012877.tif 000026
【図１２】
2016012877.tif 000027
【図１３】
2016012877.tif 000028
【図１４】
2016012877.tif 000029
【図１５】
2016012877.tif 000030
【図１６】
2016012877.tif 000031
【図１８】
2016012877.tif 000032
【図１９】
2016012877.tif 000033
【図２０】
2016012877.tif 000034
【図２１】
2016012877.tif 000035
【図８】
2016012877.tif 000036
【図１７】
2016012877.tif 000037