(57)【要約】【課題】光路長の調整は容易であって、Ｂｅｌｌ分析器への光子の入射のタイミングの制御が容易である量子もつれ合い生成方法を提供する。【解決手段】基底状態と、縮退した２つの準安定状態と、縮退した２つの励起状態と、を有する非対称５準位ラムダ系を構成する物を用い、前記非対称５準位ラムダ系を構成する物が基底状態から励起され、２つの準安定状態のうちの一方の準安定状態にラマン遷移した際には、発生するストークス光子は一方の偏光状態となり、他方の準安定状態にラマン遷移した際には、発生するストークス光子は他方の偏光状態となることを特徴とする量子もつれ合い生成方法により上記課題を解決する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基底状態と、縮退した２つの準安定状態と、縮退した２つの励起状態と、を有する非対称５準位ラムダ系を構成する物を用い、
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物が基底状態から励起され、２つの準安定状態のうちの一方の準安定状態にラマン遷移した際には、発生するストークス光子は一方の偏光状態となり、他方の準安定状態にラマン遷移した際には、発生するストークス光子は他方の偏光状態となることを特徴とする量子もつれ合い生成方法。
【請求項２】
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物が対となっており、
対となる２つの前記非対称５準位ラムダ系を構成する物の各々より発生したストークス光子の偏光状態に基づきＢｅｌｌ測定を行うことを特徴とする請求項１に記載の量子もつれ合い生成方法。
【請求項３】
準安定状態にある前記非対称５準位ラムダ系を構成する物は、前記非対称５準位ラムダ系を構成する物を準安定状態から励起するポンプ光が照射されることにより、アンチストークス光子が発生することを特徴とする請求項１に記載の量子もつれ合い生成方法。
【請求項４】
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物の対を２つ有し、
一方の対の一方の非対称５準位ラムダ系を構成する物と、他方の対の一方の非対称５準位ラムダ系を構成する物に、準安定状態から励起するポンプ光を照射し、２つのアンチストークス光子を発生させ、
２つのアンチストークス光子をＢｅｌｌ測定することにより、量子もつれ合いが、一方の対の他方の非対称５準位ラムダ系を構成する物と、他方の対の他方の非対称５準位ラムダ系を構成する物に変換されることを特徴とする請求項２に記載の量子もつれ合い生成方法。
【請求項５】
基底状態と、縮退した２つの準安定状態と、縮退した２つの励起状態と、を有する非対称５準位ラムダ系を構成する物と、
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物を基底状態から励起するポンプ光を出射する光源と、
を有し、
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物は、基底状態から前記光源により励起され、２つの準安定状態のいずれにラマン遷移したかにより発生するストークス光子の偏光状態が異なるものであって、
２つの前記非対称５準位ラムダ系を構成する物により、量子もつれ合いが生成されることを特徴とする量子もつれ合い生成装置。
【請求項６】
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物を２つ有し対となっており、
前記光源により励起された対となる２つの前記非対称５準位ラムダ系を構成する物の各々より発生したストークス光子が入射するＢｅｌｌ分析器を有し、
前記Ｂｅｌｌ分析器は、２つの前記ストークス光子の偏光状態に基づきＢｅｌｌ測定を行うものであることを特徴とする請求項５に記載の量子もつれ合い生成装置。
【請求項７】
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物を準安定状態から励起するポンプ光を出射する読み出し光源を有し、
準安定状態にある前記非対称５準位ラムダ系を構成する物は、前記読み出し光源より出射されたポンプ光が照射されることにより、アンチストークス光子が発生することを特徴とする請求項５に記載の量子もつれ合い生成装置。
【請求項８】
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物の対を２つ有し、
一方の対の一方の非対称５準位ラムダ系を構成する物と、他方の対の一方の非対称５準位ラムダ系を構成する物に、準安定状態から励起するポンプ光を照射し、２つのアンチストークス光子を発生させ、
２つのアンチストークス光子をＢｅｌｌ測定することにより、量子もつれ合いが、一方の対の他方の非対称５準位ラムダ系を構成する物と、他方の対の他方の非対称５準位ラムダ系を構成する物に変換されることを特徴とする請求項６に記載の量子もつれ合い生成装置。
【請求項９】
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物は、互いに近接して配置された３つの量子ドットにより形成されていることを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の量子もつれ合い生成装置。
【請求項１０】
請求項６または８に記載の量子もつれ合い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６に記載の量子もつれ合い生成装置を備える量子通信機器を複数備え、前記量子通信機器間において、量子もつれ合いの関係が延長されることを特徴とする量子通信システム。
【請求項１２】
基底状態と、縮退した２つの準安定状態と、縮退した２つの励起状態と、を有する非対称５準位ラムダ系を構成する物が対となっており、
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物が基底状態から励起され、２つの準安定状態のうちの一方の準安定状態にラマン遷移した際には、発生するストークス光子は一方の偏光状態となり、他方の準安定状態にラマン遷移した際には、発生するストークス光子は他方の偏光状態となるものであって、
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物に、ポンプ光を照射することにより発生したストークス光子、または、アンチストークス光子を検出することにより、前記非対称５準位ラムダ系を構成する物の量子状態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、量子もつれ合い生成方法、量子もつれ合い生成装置、量子通信機器、量子通信システム及び射影測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子暗号や量子テレポーテーションといった量子力学を利用した新たな通信システムや計算機等の提案がなされている。これらの量子暗号通信や量子計算においては、量子もつれ合いが必須な資源、あるいは高性能の原因である場合が多い。この量子もつれ合いの発生方法としては、非線形結晶を用いたパラメトリック下方変換による量子もつれ光子対の生成などがある。
【０００３】
しかし、せっかく生成した光子対も極めて短時間しか保持できないため、自由にもつれ合いを利用することは難しい。そこで、距離が隔てられた物質系の対にもつれ合いを記録することが必須となる。以降は物質系のもつれ合い生成を単にもつれ合い生成と呼ぶ。
【０００４】
可能なもつれ合い生成方法の一般論としては、２つの物質系はそれぞれ光子と相互作用し、それらの光子は光ファイバを伝送された後に干渉測定などの量子相関操作を受けることで、結果的に２つの物質系を結び付け物質系もつれ合いが生成されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３２９３４４号
【特許文献２】特開２００９−６９５１３号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】L.-M.Duan et al., NATURE 414 413 (2001)
【非特許文献２】C.Simon et al., Phys. Rev. Lett. 91 110405 (2003)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
量子もつれ合い生成方法には２つの方法が提案されている。１つめの方法は、非対称３準位系のラマン散乱および光子のフォック基底を用いる方法である（例えば、非特許文献１）。２つめの方法は対称３準位系の自然放出および光子の偏光基底を用いる方法である（例えば、特許文献１、非特許文献２）。
【０００８】
しかしながら、上述した方法では、光路長の精密な制御が必要となり実用性が困難なとなる場合や、高度な技術と大がかりな装置が必要となり高コストなものとなる場合がある。このため、光路長の精密な制御を行うことなく、容易に扱うことのできる量子もつれ合い生成装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本実施の形態の一観点によれば、基底状態と、縮退した２つの準安定状態と、縮退した２つの励起状態と、を有する非対称５準位ラムダ系を構成する物を用い、前記非対称５準位ラムダ系を構成する物が基底状態から励起され、２つの準安定状態のうちの一方の準安定状態にラマン遷移した際には、発生するストークス光子は一方の偏光状態となり、他方の準安定状態にラマン遷移した際には、発生するストークス光子は他方の偏光状態となることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
開示の量子もつれ合い生成装置によれば、光路長の調整が容易であって、Ｂｅｌｌ分析器への光子の入射のタイミングの制御が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】量子もつれ合い生成装置の構成図（１）
【図２】量子もつれ合い生成装置の構成図（２）
【図３】本実施の形態における量子もつれ合い生成装置の構成図
【図４】本実施の形態における量子もつれ合い生成装置の説明図
【図５】本実施の形態における量子もつれ合いの説明図
【図６】本実施の形態における量子もつれ合い生成装置における読み出しの説明図
【図７】本実施の形態における量子もつれ合い生成装置における延長の説明図
【図８】本実施の形態における非対称５準位ラムダ系を構成する量子ドットの構成図
【図９】本実施の形態における非対称５準位ラムダ系を構成する量子ドットの説明図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００１３】
最初に、上述した第１の方法及び第２の方法について、より詳細に説明する。
【００１４】
第１の方法における量子もつれ合い生成装置は、図１に示されるように、ポンプ光源９１１、９１２、非対称３準位ラムダ系を構成する物９２１、９２２、抑圧フィルター９３１、９３２、Ｂｅｌｌ分析器９４０等を有している。Ｂｅｌｌ分析器９４０は、ビームスプリッタ９４１、２つの光子検出器９４２、９４３等を有している。説明の便宜上、非対称３準位ラムダ系を構成する物９２１、９２２を非対称３準位ラムダ系αＸ、βＸと記載する場合がある。
【００１５】
非対称３準位ラムダ系αＸのラマン散乱では、基底状態|g>において励起状態|e>との非共鳴ポンプ光を照射し、ある確率振幅fで直ちにそれより波長の長いストークス光子が発生し、準安定状態|s>に遷移する。ポンプ光源９１１より、非対称３準位ラムダ系を構成する物９２１に照射されるポンプ光の強度を調整することで、遷移の確率を調整でき、数１に示されるラムダ系とストークス光子の量子もつれ合い状態が生成される。
【００１６】
【数１】
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【００１７】
数１では、規格化定数は省略されており、発生するストークス光子を引き出せるように設定する。もう１つの非対称３準位ラムダ系βＸにおいても同様の操作を行い、発生するストークス光子を引き出せるように設定する。このようにして引き出しに使った２つの光をＢｅｌｌ分析器９４０によりＢｅｌｌ測定を行うことにより、もとの２つの非対称３準位ラムダ系の間において、一定の確率で数２に示される量子もつれ合いが形成される。
【００１８】
【数２】
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【００１９】
第１の方法で問題となるのは、光路長の精密制御が必要になることである。具体的には、数１に示される式のストークス光子は、フォック基底、即ち、光子が存在するかしないかという状態空間で量子ビットが定義されている。光子が存在する場合は光路を進行するにつれて波数×光路長×２πだけ位相が回転する。この位相が数２に示される式における重ね合わせの位相φに反映する。従って、量子もつれ合いの重ね合わせの位相を制御するには波長程度の精度で光路長を安定化しなければならない。通常、量子通信などで必要な量子もつれ合いの距離は数ｋｍから１００ｋｍ程度なので、相対的精度は１０−１１程度にもなる。これは現実には極めて厳しい要求である。
【００２０】
また、第２の方法における量子もつれ合い生成装置は、図２に示されるように、ポンプ光源９６１、９６２、対称３準位ラムダ系を構成する物９７１、９７２、抑圧フィルター９８１、９８２、Ｂｅｌｌ分析器９９０等を有している。Ｂｅｌｌ分析器９９０は、１／４波長板９９１、９９２、ビームスプリッタ９９３、２つの偏光ビームスプリッタ９９４、９９５、４つの光子検出器９９６、９９７、９９８、９９９等を有している。説明の便宜上、対称３準位ラムダ系を構成する物９７１、９７２を対称３準位ラムダ系αＹ、βＹと記載する場合がある。
【００２１】
この方法では縮退した２つの安定状態をもつ対称３準位ラムダ系αＹ、βＹを用いる。まず、ポンプ光源９６１より出射されたポンプ光で対称３準位ラムダ系αＹを励起状態|e>におく。そして自然放出により、２つの基底状態|g0>あるいは|g1>のいずれかに遷移するとともに、それに１対１に対応した偏光状態|r>あるいは|l>の光子を放出する。従って、数３に示される式の状態が得られる。この際、発生する自然放出光子を引き出せるように設定する。
【００２２】
【数３】
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【００２３】
もう１つの対称３準位ラムダ系βＹにも同様の操作を行い、発生する自然放出光子を引き出せるように設定する。このようにして引き出しに使った２つの光をＢｅｌｌ分析器９９０によりＢｅｌｌ測定を行うことにより、もとの２つの対称３準位ラムダ系の間において、一定の確率で数４に示される量子もつれ合いが形成される。
【００２４】
【数４】
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【００２５】
第２の方法で問題となるのは、２つの自然放出光子を同時にＢｅｌｌ分析器９９０に導くことである。自然放出は量子確率事象であり、タイミングは完全には制御できない。Cavity QED（Quantum Electro Dynamics）におけるPurcell効果を用いれば、かなりタイミングのばらつきを狭くすることができるが、極めて高度な技術と大がかりな装置、そして多大なコストが必要となる。それでもＢｅｌｌ分析器９９０で高い収率を得るには不十分である。
【００２６】
このため、光路長の精密な制御を行うことなく、容易に扱うことのできる量子もつれ合い生成装置が求められている。
【００２７】
（量子もつれ合い生成装置）
次に、本実施の形態における量子もつれ合い生成装置について説明する。本実施の形態における量子もつれ合い生成装置は、量子暗号通信あるいは分散量子計算におけるプロトコルの資源として用いられる量子もつれ合いを発生させる量子もつれ合い生成装置である。
【００２８】
本実施の形態における量子もつれ合い生成装置は、図３に示されるように、ポンプ光源１１、１２、非対称５準位ラムダ系を構成する物２１、２２、抑圧フィルター３１、３２、Ｂｅｌｌ分析器４０等を有している。Ｂｅｌｌ分析器４０は、１／４波長板４１、４２、ビームスプリッタ４３、２つの偏光ビームスプリッタ４４、４５、４つの光子検出器４６、４７、４８、４９等を有している。尚、説明の便宜上、光子検出器４６、４７、４８、４９をＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４と記載する場合がある。ビームスプリッタ４３は入射光を５０：５０に分光する５０：５０ビームスプリッタである。
【００２９】
また、非対称５準位ラムダ系を構成する物２１側の抑圧フィルター３１とＢｅｌｌ分析器４０とは、光ファイバ５１により接続されており、光ファイバ５１の光の入射側と出射側には、後述するコンバータ５２、５３が各々に設けられている。説明の便宜上、非対称５準位ラムダ系を構成する物２１を非対称５準位ラムダ系Ａと記載し、非対称５準位ラムダ系を構成する物２２を非対称５準位ラムダ系Ｂと記載する場合がある。
【００３０】
次に、図４に基づき、本実施の形態における量子もつれ生成装置に用いられる非対称５準位ラムダ系Ａについて説明する。尚、図４においては、便宜上、非対称５準位ラムダ系Ａについて説明するが、非対称５準位ラムダ系Ｂについても同様である。本願においては、図４に示される構成のものについても、量子もつれ合い生成装置と記載する場合がある。
【００３１】
非対称５準位ラムダ系Ａは、基底状態|g>と、縮退した２つの準安定状態|s0>、|s1>と、縮退した２つの励起状態|e0>、|e1>とにより構成されている。非対称５準位ラムダ系Ａでは、基底準位|g>と励起準位|e0>、|e1>とのエネルギー差からΔだけ離調したポンピング光の照射により生じるラマン散乱により、基底状態|g>から、どちらの準安定状態|s0>、|s1>に遷移する。この場合、例えば、図４に示されるように、準安定状態|s0>に遷移すると、発生するストークス光子は偏光状態σ＋となり、準安定状態|s1>に遷移すると、発生するストークス光子は偏光状態σ−となる。このように、遷移する準安定状態とストークス光子の偏光状態との間に１対１の対応があるため、非対称５準位ラムダ系と発生するストークス光子との間に量子もつれ合いが生成される。
【００３２】
図４においては、各準位|g>、|s0>、|s1>、|e0>、|e1>の角運動量状態をそれぞれ−１、−１、１、−２、０とする。ポンプ光源１１より出射されるポンプ光を偏光状態σ＋とすることで、終状態となる準安定状態とストークス光子の偏光状態との関係では、|s0>とσ＋とが対応し、|s1>とσ−とが対応する。従って、ポンプ光照射後の状態は、数５に示される式で表される。尚、ｆはラマン遷移振幅を表す。
【００３３】
【数５】
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【００３４】
図３に示される本実施の形態における量子もつれ合い生成装置は、図４に示される量子もつれ合い生成装置を２つ設け、各々からのストークス光子の光路を一つのＢｅｌｌ分析器４０に導く構造のものである。光路の途中にはポンプ光が光路に侵入するのを防ぐための抑圧フィルター３１、３２を挿入する。尚、抑圧フィルター３１、３２に代えて、ダイクロィックミラーを用いてもよい。
【００３５】
もし光路が長い場合は偏光のゆらぎを補償するための校正が必要となる。この場合、図３に示されるように、コンバータ５２により、偏光情報を一旦タイムビン情報、即ち、２つの直交偏光状態に２つのパルスのタイミングをそれぞれ対応させる方法に変換し、光ファイバ５１に入射させる。この後、光ファイバ５１から出射した光をＢｅｌｌ分析器４０の手前で、コンバータ５３によって再度偏光情報に戻す方法が考えられる。このようなタイムビン情報は光ファイバの敷設状態の影響を受けにくいからである。
【００３６】
２つの非対称５準位ラムダ系Ａ、Ｂからラマン散乱により、それぞれひとつずつストークス光子が放出された場合、図３に示される４つの光子検出器４６、４７、４８、４９のうちのどの光子検出器で検出されたかで、２つの５準位系の状態が事後選択される。図５は、これらのうち２つの非対称５準位ラムダ系Ａ、Ｂの量子もつれ合いが生成される光子検出器の組み合わせともつれ合い状態との対応を示している。
【００３７】
次に、非対称５準位ラムダ系に保持された量子状態を読み出す方法について、図６に基づき説明する。非対称５準位ラムダ系に保持された量子状態を読み出す際には、読み出し用のポンプ光源６０を用いる。読み出し用のポンプ光源６０より出射されるポンプ光は、偏光状態σ−の偏光状態を有し、準安定準位と励起準位のエネルギー差に適当に離調した波長の光であり、読み出しの際には、このポンプ光によるラマン散乱を用いる。
【００３８】
非対称５準位ラムダ系の状態が|s0>にあった場合、ラマン散乱は|e0>を介して|g>に遷移し、同時に偏光状態σ−のアンチストークス光子を放出する。一方、系の状態が|s1>にあった場合、ラマン散乱は、|e1>を介して|g>に遷移し、同時に偏光状態σ＋のアンチストークス光子を放出する。放出されたアンチストークス光子の偏光状態は偏光ビームスプリッタと光子検出器を用いて測定できる。従って、非対称５準位ラムダ系の状態を観測することができる。もし非対称５準位ラムダ系の状態が|s0>と|s1>の重ね合わせの状態にあると、上記測定によって放出されるアンチストークス光は偏光状態σ−と偏光状態σ＋
の重ね合わせになる。これを偏光測定すると、結局非対称５準位ラムダ系の射影測定になっている。
【００３９】
本実施の形態においては、図３に示される量子もつれ合い生成装置を用いて情報通信を行うことができる。具体的には、図３に示される量子もつれ合い生成装置において、２つの非対称５準位ラムダ系に量子もつれ合いを生成した後、これを用いて量子稠密符号化法により情報を一方から他方へ効率的に伝送することができる。またそれぞれの非対称５準位ラムダ系において上記の読み出しを行うことにより、共通のビット値がランダムに得られ、これを暗号通信で有用な乱数の共有に利用することができる。このように、本実施の形態における情報通信装置は、本実施の形態における量子もつれ合い生成装置が用いられている。尚、本願においては、射影測定として上記読み出し方法によるもののほかに、Ｂｅｌｌ分析器４０を用いたＢｅｌｌ測定も行われている。Ｂｅｌｌ測定は、Ｂｅｌｌ状態への射影測定であり、量子もつれ合いの生成、量子稠密符号化法、さらには以下に述べる量子もつれ合いの延長に利用される。
【００４０】
もつれ合った非対称５準位ラムダ系の対を複数用いた量子もつれ合いの延長について、図７に基づき説明する。図７では、２つのもつれ合った非対称５準位ラムダ系の片割れに対し、読み出しと類似の操作を行うことで、もつれ合いを延長している様子を示している。
【００４１】
この場合には、図７に示されるように、対となる非対称５準位ラムダ系を構成する物が複数必要となる。この場合には、ポンプ光源６１、６２、一方の対となる非対称５準位ラムダ系を構成する物１２１、１２２、他方の対となる非対称５準位ラムダ系を構成する物２２１、２２２、抑圧フィルター３１、３２、Ｂｅｌｌ分析器４０等を有している。
【００４２】
説明の便宜上、一方の対となる非対称５準位ラムダ系を構成する物１２１、１２２を、非対称５準位ラムダ系Ａ１とＡ２と記載し、他方の対となる非対称５準位ラムダ系を構成する物２２１、２２２を、非対称５準位ラムダ系Ｂ１とＢ２と記載する場合がある。尚、図７においては、一方の対となる非対称５準位ラムダ系Ａ１とＡ２がもつれ合っており、これとは別の他方の対となる非対称５準位ラムダ系Ｂ１とＢ２ももつれ合っているとする。一方の対となる非対称５準位ラムダ系Ａ１とＡ２においては、Ａ２が一方の非対称５準位ラムダ系であり、Ａ１が他方の非対称５準位ラムダ系であるものとする。また、他方の対となる非対称５準位ラムダ系Ｂ１とＢ２においては、Ｂ１が一方の非対称５準位ラムダ系であり、Ｂ２が他方の非対称５準位ラムダ系であるものとする。
【００４３】
ここで、非対称５準位ラムダ系Ａ２にポンプ光源６１より出射されたポンプ光を照射し、非対称５準位ラムダ系Ｂ１に、ポンプ光源６２より出射されたポンプ光を照射する。ポンプ光源６１、６２より出射されるポンプ光は、読み出し用のポンプ光源６０より出射されるポンプ光と同じ条件のポンプ光である。これにより、非対称５準位ラムダ系Ａ２、Ｂ１より放出された２つのアンチストークス光子をＢｅｌｌ分析器４０に導く。
【００４４】
Ｂｅｌｌ分析器４０における４つの光子検出器４６（Ｄ１）、４７（Ｄ２）、４８（Ｄ３）、４９（Ｄ４）のうち、どの光子検出器で検出されたかで、２つの非対称５準位ラムダ系Ａ１とＢ２の状態が事後選択される。このようにして、量子もつれ合いを延長させることができる。図７の右下には、２つの非対称５準位ラムダ系の量子もつれ合いが生成される光子検出器の組み合わせともつれ合い状態の対応を示す。
【００４５】
図７においては、対となる非対称５準位ラムダ系を構成する物が２つの場合について説明したが、対となる非対称５準位ラムダ系を構成する物は３以上であってもよい。このように、対となる非対称５準位ラムダ系を構成する物を複数用いることにより、量子もつれ合いの関係が伝達される本実施の形態における量子通信システムが構築される。
【００４６】
次に、本実施の形態における量子もつれ合い生成装置における非対称５準位ラムダ系を構成する物の一例として、量子ドットを用いたものについて、図８及び図９に基づき説明する。
【００４７】
図８に示されるように、非対称５準位ラムダ系を構成する量子ドットは、半導体基板７０の上に下地層７１が形成されており、下地層７１の上に、第１の量子ドット７２が形成されており、第１の量子ドット７２を覆うように、第１の中間層７３が形成されている。第１の中間層７３の上には、第２の量子ドット７４が形成されており、第２の量子ドット７４を覆うように、第２の中間層７５が形成されている。第２の中間層７５の上には、第３の量子ドット７６が形成されており、第３の量子ドット７６を覆うように、上部層７７が形成されている。第２の量子ドット７４は、第１の量子ドット７２の直上となるように位置合わせがなされて形成されており、第３の量子ドット７６は、第２の量子ドット７４の直上となるように位置合わせがなされて形成されている結合量子ドットである。
【００４８】
このような、結合量子ドットは、ストランスキ−クラスタノフ（ＳＫ）成長モードにより形成することができ、図８に示すように、積層構造により形成することにより、結合量子ドットを効率良く形成することができる。尚、結合量子ドットは、同一面上に近接配置された量子ドットにより形成されるものであってもよい。形成される第１の量子ドット７２、第２の量子ドット７４、第３の量子ドット７６の直径は、１０ｎｍから１００ｎｍ程度であり、バンドギャップが、例えば、０．５ｅＶから２．０ｅＶの範囲の材料により形成されている。
【００４９】
第１の量子ドット７２、第２の量子ドット７４、第３の量子ドット７６は近接して配置されており、各々、電子と正孔に特有の角運動量状態の準位を持ち、これにより励起子の準位として、図９に示すような５つの準位が形成される。これは図４に示される各準位の角運動量に等しく、またエネルギーの関係も対応している。尚、本実施の形態においては、図９に示すような５つの準位（非対称５準位ラムダ系）が形成されるものであれば、量子ドット以外のものにより形成してもよい。
【００５０】
このように、本実施の形態における量子もつれ合いの生成装置は、光路長の精密制御が不要であり、Ｂｅｌｌ分析器でのタイミング合わせが容易である。即ち、本実施の形態における量子もつれ合いの生成装置は、Ｂｅｌｌ分析器は２つのストークス光子あるいはアンチストークス光子の偏光干渉を用いているため波長程度の光路長の調整は不要であり、コヒーレンス長程度の光路長の調整でよい。また、自然放出ではなくラマン散乱を用いているため、ポンプ光の照射に対して即時的にストークス光子あるいはアンチストークス光子を発生させることができ、Ｂｅｌｌ分析器への光子の入射のタイミングの制御は容易である。
【００５１】
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【００５２】
上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
基底状態と、縮退した２つの準安定状態と、縮退した２つの励起状態と、を有する非対称５準位ラムダ系を構成する物を用い、
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物が基底状態から励起され、２つの準安定状態のうちの一方の準安定状態にラマン遷移した際には、発生するストークス光子は一方の偏光状態となり、他方の準安定状態にラマン遷移した際には、発生するストークス光子は他方の偏光状態となることを特徴とする量子もつれ合い生成方法。
（付記２）
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物が対となっており、
対となる２つの前記非対称５準位ラムダ系を構成する物の各々より発生したストークス光子の偏光状態に基づきＢｅｌｌ測定を行うことを特徴とする付記１に記載の量子もつれ合い生成方法。
（付記３）
準安定状態にある前記非対称５準位ラムダ系を構成する物は、前記非対称５準位ラムダ系を構成する物を準安定状態から励起するポンプ光が照射されることにより、アンチストークス光子が発生することを特徴とする付記１に記載の量子もつれ合い生成方法。
（付記４）
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物の対を２つ有し、
一方の対の一方の非対称５準位ラムダ系を構成する物と、他方の対の一方の非対称５準位ラムダ系を構成する物に、準安定状態から励起するポンプ光を照射し、２つのアンチストークス光子を発生させ、
２つのアンチストークス光子をＢｅｌｌ測定することにより、量子もつれ合いが、一方の対の他方の非対称５準位ラムダ系を構成する物と、他方の対の他方の非対称５準位ラムダ系を構成する物に変換されることを特徴とする付記２に記載の量子もつれ合い生成方法。
（付記５）
基底状態と、縮退した２つの準安定状態と、縮退した２つの励起状態と、を有する非対称５準位ラムダ系を構成する物と、
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物を基底状態から励起するポンプ光を出射する光源と、
を有し、
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物は、基底状態から前記光源により励起され、２つの準安定状態のいずれにラマン遷移したかにより発生するストークス光子の偏光状態が異なるものであって、
２つの前記非対称５準位ラムダ系を構成する物により、量子もつれ合いが生成されることを特徴とする量子もつれ合い生成装置。
（付記６）
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物を２つ有し対となっており、
前記光源により励起された対となる２つの前記非対称５準位ラムダ系を構成する物の各々より発生したストークス光子が入射するＢｅｌｌ分析器を有し、
前記Ｂｅｌｌ分析器は、２つの前記ストークス光子の偏光状態に基づきＢｅｌｌ測定を行うものであることを特徴とする付記５に記載の量子もつれ合い生成装置。
（付記７）
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物を準安定状態から励起するポンプ光を出射する読み出し光源を有し、
準安定状態にある前記非対称５準位ラムダ系を構成する物は、前記読み出し光源より出射されたポンプ光が照射されることにより、アンチストークス光子が発生することを特徴とする付記５に記載の量子もつれ合い生成装置。
（付記８）
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物の対を２つ有し、
一方の対の一方の非対称５準位ラムダ系を構成する物と、他方の対の一方の非対称５準位ラムダ系を構成する物に、準安定状態から励起するポンプ光を照射し、２つのアンチストークス光子を発生させ、
２つのアンチストークス光子をＢｅｌｌ測定することにより、量子もつれ合いが、一方の対の他方の非対称５準位ラムダ系を構成する物と、他方の対の他方の非対称５準位ラムダ系を構成する物に変換されることを特徴とする付記６に記載の量子もつれ合い生成装置。
（付記９）
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物は、互いに近接して配置された３つの量子ドットにより形成されていることを特徴とする付記５から８のいずれかに記載の量子もつれ合い生成装置。
（付記１０）
付記６または８に記載の量子もつれ合い生成装置を備えることを特徴とする量子通信機器。
（付記１１）
付記６に記載の量子もつれ合い生成装置を備える量子通信機器を複数備え、前記量子通信機器間において、量子もつれ合いの関係が延長されることを特徴とする量子通信システム。
（付記１２）
基底状態と、縮退した２つの準安定状態と、縮退した２つの励起状態と、を有する非対称５準位ラムダ系を構成する物が対となっており、
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物が基底状態から励起され、２つの準安定状態のうちの一方の準安定状態にラマン遷移した際には、発生するストークス光子は一方の偏光状態となり、他方の準安定状態にラマン遷移した際には、発生するストークス光子は他方の偏光状態となるものであって、
前記非対称５準位ラムダ系を構成する物に、ポンプ光を照射することにより発生したストークス光子、または、アンチストークス光子を検出することにより、前記非対称５準位ラムダ系を構成する物の量子状態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】
【００５３】
１１        ポンプ光源
１２        ポンプ光源
２１        非対称５準位ラムダ系を構成する物（非対称５準位ラムダ系Ａ）
２２        非対称５準位ラムダ系を構成する物（非対称５準位ラムダ系Ｂ）
３１        抑圧フィルター
３２        抑圧フィルター
４０        Ｂｅｌｌ分析器
４１        １／４波長板
４２        １／４波長板
４３        ビームスプリッタ
４４        偏光ビームスプリッタ
４５        偏光ビームスプリッタ
４６        光子検出器（Ｄ１）
４７        光子検出器（Ｄ２）
４８        光子検出器（Ｄ３）
４９        光子検出器（Ｄ４）
５１        光ファイバ
５２        コンバータ
５３        コンバータ
６０        読み出し用のポンプ光源
７０        半導体基板
７１        下地層
７２        第１の量子ドット
７３        第１の中間層
７４        第２の量子ドット
７５        第２の中間層
７６        第３の量子ドット
７７        上部層
【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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