(57)【要約】平面導波管（１２）および量子発光体（１８）を備える光学デバイス（１）が、提示される。平面導波管（２）は、第１の側（６）および第２の側（８）を備えた長手方向に延びる誘導領域（４）を備える。第１のナノ構造体（７）は、誘導領域（４）の第１の側（６）に配置され、第２のナノ構造体（９）は、誘導領域（４）の第２の側（７）に配置される。平面導波管（２）は、第１のナノ構造体（７）および第２のナノ構造体（９）が、平面導波管（２）の誘導領域（４）周りにほぼ映進面対称で配置される第１の長手方向領域（１０）を含み、量子発光体（１８）は、平面導波管（１８）の第１の長手方向領域（１０）に結合される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面導波管（１２）および量子発光体（１８）を備える光学デバイス（１）であって、
前記平面導波管（２）は、
第１の側（６）および第２の側（８）を備えた長手方向に延びる誘導領域（４）と、
前記誘導領域（４）の前記第１の側（６）に配置された第１のナノ構造体（７）と、
前記誘導領域（４）の前記第２の側（８）に配置された第２のナノ構造体（９）と、を備え、
前記平面導波管（２）は、前記第１のナノ構造体（７）および前記第２のナノ構造体（９）が前記平面導波管（２）の前記誘導領域（４）周りにほぼ映進面対称で配置される第１の長手方向領域（１０）を含み、
前記量子発光体（１８）は、前記平面導波管（２）の前記第１の長手方向領域（１０）に結合され、
前記量子発光体（１８）は、円偏光される光学遷移を含み、前記平面導波管の前記誘導領域内に埋め込まれている、光学デバイス（１）。
【請求項２】
前記量子発光体（１８）は、量子ドットのような単一光子源である、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項３】
前記平面導波管（２）が、フォトニック結晶導波管である、請求項１〜２のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項４】
前記平面導波管（２）が、前記第１のナノ構造体（７）および前記第２のナノ構造体（９）が前記平面導波管（２）の前記誘導領域（４）周りにほぼ鏡対称で配置される第２の長手方向領域（１４）を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項５】
前記平面導波管（２）が、有利には前記第１の長手方向領域（１０）と前記第２の長手方向領域（１４）の間に配置された遷移領域（１２）を備え、前記第１および前記第２のナノ構造体（７、９）のジオメトリは、映進面対称から鏡対称に徐々に変化する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項６】
リッジ導波管またはストリップ導波管などの従来の導波管（１６）が、前記第２の長手方向領域または前記遷移領域に結合される、請求項４〜５のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項７】
前記平面導波管（２）が、前記第１の長手方向領域（１０）の反対の長手方向側に追加の第２の長手方向領域（１４’）を備え、ここでは前記第１のナノ構造体（７）および前記第２のナノ構造体（９）は、前記平面導波管（２）の前記誘導領域（４）周りに、好ましくは、前記第１の長手方向領域（１０）と前記追加の第２の長手方向領域（１４’）の間に追加の遷移領域（１２’）を配置して鏡対称で配置され、前記第１および前記第２のナノ構造体（７、９）の前記ジオメトリは、映進面対称から鏡対称に徐々に変化する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項８】
前記平面導波管（２）が、ＩＩＩ−Ｖ半導体材料などの誘電材料から作製される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項９】
前記第１のナノ構造体（７）および前記第２のナノ構造体（９）が、第１の格子構造および第２の格子構造にそれぞれ配置され、有利には、三角形格子で格子定数ａを有して配置される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１０】
格子定数ａが、１００〜５００ｎｍ、または１５０〜４００ｎｍ、または２００〜３００ｎｍ、たとえば約２５０ｎｍの間隔内にある、請求項９に記載の光学デバイス。
【請求項１１】
前記平面導波管が、０．２ａから１ａの間、または０．４ａから０．８ａの間、または０．３ａから０．７ａの間、たとえば、約０．５ａまたは０．６ａの厚さを有する、請求項９〜１０のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光学デバイスを備える、単一光子トランジスタ。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光学デバイスを備える、制御ＮＯＴゲート。
【請求項１４】
平面導波管（２）を備える光学デバイスであって、前記平面導波管（２）は、
第１の側（６）および第２の側（８）を備えた長手方向に延びる誘導領域（４）と、
前記誘導領域（４）の前記第１の側（６）に配置された第１のナノ構造体（７）と、
前記誘導領域（４）の前記第２の側（８）に配置された第２のナノ構造体（９）と、を備え、前記平面導波管（２）は、
前記第１のナノ構造体（７）および前記第２のナノ構造体（９）が前記導波管（２）の前記誘導領域（４）周りに映進面対称で配置される、第１の長手方向領域（１０）と、
前記第１および前記第２のナノ構造体（７、９）のジオメトリが、映進面対称から鏡対称に徐々に変化する、遷移領域（１２）と、を備える、光学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面導波管および量子発光体を備える光学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
日常的に使用するコンピュータ上のデータは、０および１の２進シーケンスであるビットで構成される。これらのビットは、ハードドライブ上に磁気的にまたはフラッシュドライブ上に電気的に記憶され得る。過去数十年の間に、量子ビットまたは「キュービット（ｑｕｂｉｔ）」を使用する量子情報処理が、算出の全く新しい形として出現してきた。ビットとは異なり、単一キュービットは、量子力学的オブジェクトであり、ゼロおよび１の状態の組み合わせまたは重ね合わせになることができる。キュービットは、算出タスクを実行するために走査され処理され得る。
【０００３】
キュービットを表す２つの一般的な方法は：荷電粒子の量子化された角運動量またはスピン、たとえばスピンアップ＝０、およびスピンダウン＝１を使用すること、または量子、たとえば量子が存在しない＝０、量子が存在する＝１を使用することを含む。
【０００４】
半導体量子ドット（ＱＤ）は、静止キュービットの優れた候補であることが、提案されている。その光学遷移の大きな振動子強度により、スピン状態のすばやい初期化、光学操作および読み出しが可能になる。加えて、これらの発光体のソリッドステート性質は、それらの環境をナノメートル長さスケールで構造化することを可能にし、したがってフォトニック結晶構造の作製により、光学状態のその光子局所状態密度（ＬＤＯＳ）の操作が可能になる。特定の方向に沿って光を誘導するために、そのようなフォトニック結晶（ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ）は、通常、ナノ構造体が、誘導領域周りに鏡対称（または上下対称）で配置されるジオメトリを利用する。しかし、そのようなフォトニック結晶導波管の対称性により、これらの導波管は、誘導領域に対して偶関数または奇関数である電場を有し、直線偏光した電場によって支配される。したがって、円偏光した双極子モーメントを有する量子ドットまたは任意の集積量子発光体の異なるスピン状態は、そのような導波管に効率的に結合することはできない。
【０００５】
非特許文献１は、Ｂタイプの導波管を開示しており、ここでは、誘導領域の各側のフォトニック結晶格子は、半周期だけ長手方向にシフトされ、それによって映進面対称を有する。Ｂタイプの導波管は、導波管を通って伝播する直線偏光した光の面外放射損失を低減するために使用される。
【０００６】
非特許文献２は、本発明者グループによって開示されたものであり、これは、フォトニックナノ構造体内に埋め込まれた単一量子ドット内の励起子を用いて量子光学の概要を提供する。
【０００７】
全体として、円偏光した遷移双極子モーメントを有する量子発光体のオンチップの効率的な読み出しを可能にする導波管に対する必要性が依然として存在する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ａｄａｍ  Ｍｏｃｋら：「Ｓｐａｃｅ  ｇｒｏｕｐ  ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｓｐａｃｅ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ、８１巻、ｎｏ．１４
【非特許文献２】Ｐｅｔｅｒ  Ｌｏｄａｈｌら：「Ｉｎｔｅｒｆａｃｉｎｇ  ｓｉｎｇｌｅ  ｐｈｏｔｏｎｓ  ａｎｄ  ｓｉｎｇｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｄｏｔｓ  ｗｉｔｈ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、２０１３年１２月４日、ＡｒＸｉｖ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、従来技術の欠点の少なくとも１つを克服または改善する、または有用な代替策を提供する光学デバイスを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、これは、平面導波管および量子発光体を備える光学デバイスであって、平面導波管は、
−第１の側および第２の側を備えた長手方向に延びる誘導領域と、
−誘導領域の第１の側に配置された第１のナノ構造体と、
−誘導領域の第２の側に配置された第２のナノ構造体と、を備え、
−平面導波管は、第１のナノ構造体および第２のナノ構造体が導波管の誘導領域周りにほぼ映進面対称で配置される第１の長手方向領域を含み、
−量子発光体は、平面導波管の第１の領域に結合される、光学デバイスによって得られる。
【００１１】
誘導領域周りに映進面対称のナノ構造体を備えた平面導波管は、強い平面内円形偏光を有する電場を有するモードの導波管となる。構造体のモードは、遷移双極子モーメントが円偏光される、量子ドットまたは任意の集積量子発光体の異なるスピン状態に結合することができる。したがって、本発明は、光子キュービットがスピンキュービットと非常に効率的に相互作用することを可能にするフォトニックナノ構造体を提供し、それによって高効率を有する量子発光体が平面導波管に結合することができ、読み出されることが可能であるデバイスを提供する。「円偏光したモード」は、従来の意味における円偏光したものではないことに留意されたい。本発明および平面導波管に関して、電場ベクトルは、発光体の位置において構造体の平面内で円偏光される。
【００１２】
量子発光体は、円偏光した光学遷移を含むことができる。したがって、量子発光体は、単一光子発光体として機能し、これは、光子を円偏光したモードで発する。そのような遷移は、ほぼ映進面対称のナノ構造体を有する平面導波管に非常に効率的に結合することが見出されている。
【００１３】
量子発光体は、平面導波管の誘導領域上に配置されてよく、またはその中に埋め込まれてよい。量子発光体は、たとえば、分子線エピタキシ法または堆積法によるエピタキシャル成長のものでよい。
【００１４】
長手方向という用語は、誘導領域が、必ずしも真っすぐな線に沿って配置されることを意味するものではないことに留意されたい。これは、光が、全体的に導波管の所与の方向に伝播することを意味する。
【００１５】
また、ナノ構造体という用語もまた、限定しすぎる形で理解されるべきではないことに留意されたい。これは、単に、ナノ構造体が、たとえば数１０ナノメートルから数千ナノメートルまでのサイズの相対的に小さい寸法を有することを意味するにすぎない。さらに、用語「光学的」もまた、限定しすぎる形で理解されるべきではなく、光学範囲は、赤外光、可視光、および紫外光の両方を含むことが、認識される。さらに、本発明は、マイクロ波、Ｘ線などにも適用可能であることもまた、考えられる。したがって、用語は、そのような周波数および波長を包含することもできる。ナノ構造体は、当然ながら、所与の周波数および波長範囲にしたがって設計されなければならない。
【００１６】
通常、第１のナノ構造体および第２のナノ構造体は、なんらかの種類の周期性を有して配置される必要があり、第１のナノ構造体および第２のナノ構造体の周期性は、平面導波管の長手方向に相互にシフトされまたは並進され、こうして、鏡対称性は破られる。「ほぼ映進面対称」とは、２つのナノ構造体が、構造体の周期の２５％〜７５％で、平面導波管の長手方向に、好ましくは約半周期で相互にシフトされることを意味する。２５％シフト（または同様に７５％シフト）であっても、スピン結合の結合効率性を大きく改善することが、留意される。しかし、結合効率性を最大限にするには、シフトは、およそ半周期であるべきである。したがって、相互シフトは、有利にはナノ構造体周期の３０〜７０％、より有利には４０〜６０％、さらにより有利には４５〜５５％になることができ、たとえば約半周期でシフトされ得る。
【００１７】
したがって、本発明が、平面導波管および量子発光体を備える光学デバイスであって、
平面導波管は、
−第１の側および第２の側を備えた長手方向に延びる誘導領域と、
−誘導領域の第１の側に周期性を有して配置された第１のナノ構造体と、
−誘導領域の第２の側に前記周期性を有して配置された第２のナノ構造体と、を備え、
−平面導波管は、第１のナノ構造体および第２のナノ構造体が、周期の２５％〜７５％で導波管の長手方向に相互にシフトされる第１の長手方向領域を含み、
−量子発光体は、平面導波管の第１の領域に結合される、光学デバイスを提供することも分かる。
【００１８】
ナノ構造体は、有利には、格子構造で配置され、すなわち第１のナノ構造体は、第１の格子構造で配置され、第２のナノ構造体は、第２の格子構造で配置される。ナノ構造体は、ほぼ映進面対称で配置されるため、これは、第１の格子構造および第２の格子構造が、ほぼ半周期または格子定数で導波管の長手方向に相互にシフトされることを意味する。
【００１９】
好ましい実施形態によれば、量子発光体は、量子ドットまたは別のタイプの単一光子源である。しかし、映進面対称を有する平面導波管はまた、たとえば、原子、イオンまたは分子を有する他のシステムに適用することもできる。
【００２０】
量子ドットは、有利には、１〜１０ｎｍの高さおよび１０〜７０ｎｍの範囲の面内サイズを有する。量子ドットは、１０Λ４から１０Λ６数の原子からなることができる。
【００２１】
平面導波管は、有利には、フォトニック結晶導波管である。
【００２２】
さらに別の有利な実施形態によれば、平面導波管は、第１のナノ構造体および第２のナノ構造体が導波管の誘導領域周りに鏡対称で配置される第２の長手方向領域を含む。それにより、平面導波管を通って伝播する光は、従来の導波管と効率的に結合することができる。
【００２３】
特定の有利な実施形態によれば、平面導波管は、有利には第１の長手方向領域と第２の長手方向領域の間に配置された遷移領域を含み、この中で第１および第２のナノ構造体のジオメトリは、映進面対称から鏡対称に徐々に変化する。それにより、誘導されたモードは、円形偏光から直線偏光に、少ない損失でまたは損失無く徐々に変更され、従来の導波管により効率的に結合され得る。
【００２４】
遷移領域の長手方向の範囲は、有利には、３〜３０格子定数ａ（またはナノ構造体周期）の範囲または４〜２０格子定数ａの範囲内、または５〜１５格子定数ａの範囲内でよい。
【００２５】
１つの実施形態によれば、中間遷移領域の第１のナノ構造体の格子定数および／または第２のナノ構造体の格子定数は、第１の領域のものとは異なる。実際、遷移は、数多くの方法で設計され得る。第１の領域および第２の領域のナノ構造体は、たとえば、同じ格子定数ａを有することができる。遷移領域の第１のナノ構造体は、格子定数ａ＋Δａ（またはａ−Δａ）を有することができ、一方で遷移領域の第２のナノ構造体は、第１の領域および第２の領域と同じ格子定数を（またはその逆の形で）有することができる。代替的には、遷移領域の第１のナノ構造体は、格子定数ａ＋０．５Δａを有することができ、一方で遷移領域の第２のナノ構造体は、格子定数ａ−０．５Δａを有することができる。
【００２６】
別の実施形態によれば、第１の領域の格子定数は、第２の領域の格子定数と同一である。しかし、原理上、２つの領域の格子定数は、たとえば、異なるモードプロファイルに対応するために異なることも可能である。
【００２７】
さらに別の実施形態によれば、リッジ導波管またはストリップ導波管などの従来の導波管が、第２の長手方向領域または遷移領域に結合される。
【００２８】
有利な実施形態によれば、平面導波管は、第１の長手方向領域の反対側に対応する設計を含むことができる。したがって、平面導波管は、第１の長手方向領域の反対の長手方向側に追加の第２の長手方向領域を備えることができ、ここでは第１のナノ構造体および第２のナノ構造体は、導波管の誘導領域周りに、好ましくは、第１の長手方向領域と追加の第２の長手方向領域の間に追加の遷移領域を配置して鏡対称で配置され、この中では第１および第２のナノ構造体のジオメトリは、映進面対称から鏡対称に徐々に変化する。こうして、量子発光体が第１の長手方向領域内に結合され、次いで、誘導領域内で、第２の長手方向領域または追加の第２の長手方向領域に向かって伝播する実施形態が、提供されることが分かる。発せられた光子は、高い確率で、光子のスピン状態に応じた特有の伝播方向に結合する。
【００２９】
別の有利な実施形態によれば、平面導波管は、ＩＩＩ−Ｖ半導体材料などの誘電材料から作製される。材料は、たとえば、ヒ化ガリウム（Ｇａｌｌｉｕｍ Ａｒｓｅｎｉｄｅ）（ＧａＡｓ）、インジウムガリウムヒ化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ａｒｓｅｎｉｄｅ）（ＩｎＧａＡｓ）、またはヒ化アルミニウム（Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｒｓｅｎｉｄｅ）（ＡＩＡｓ）から作製されてよい。これは、たとえば量子ドットに特に適合される導波管を提供する。量子ドットはまた、好ましくは、ＩＩＩ−Ｖ半導体材料から作製される。
【００３０】
有利には、第１のナノ構造体および／または第２のナノ構造体は、空気孔を含む。しかし、原理上、ナノ構造体はまた、平面導波管材料の他の部分とは異なる材料で、他の部分のものとは異なる屈折率を有して作製されてもよい。
【００３１】
１つの実施形態では、平面導波管は、２〜５、または２．５〜４．５の範囲内、たとえば約３．５の屈折率を有する材料で作製され、すなわち、この材料は、たとえば、高屈折率誘電体から作製される。別の実施形態では、平面導波管材料および第１および第２のナノ構造体の屈折率の相違は、１〜４、または１．５〜３．５の範囲内、たとえば約２．５である。
【００３２】
さらに別の実施形態では、平面導波管は、６２０〜１２００ｎｍの範囲内の波長間隔内で光を誘導するように適合され、量子発光体は、前記間隔内の波長を有する光子を発する。
【００３３】
有利な実施形態によれば、第１のナノ構造体および第２のナノ構造体は、第１の格子構造および第２の格子構造でそれぞれ配置され、有利には、三角形格子で格子定数ａを有して配置される。通常、ナノ構造体の設計、たとえば、フォトニック結晶導波管の格子構造は、所望の誘導されるモードに合致させなければならない。導波管内波長は、たとえば、格子定数の長さの２倍になり得る。
【００３４】
別の有利な実施形態によれば、格子定数ａは、１００〜５００ｎｍ、または１５０〜４００ｎｍ、または２００〜３００ｎｍ、たとえば約２５０ｎｍの間隔内にある。
【００３５】
１つの実施形態では、ナノ構造体は、ほぼ円形に成形され、０．２ａから０．４ａの間、たとえば約０．３ａの直径を有する。
【００３６】
誘導領域は、たとえば、１００〜１０００ｎｍの範囲内になり得る。誘導領域は、しばしば、穴列を取り除くことによって形成される。したがって、第１の側および第２の側の近位のナノ構造体の中心（たとえば穴）間の横断方向距離は、格子定数ａの√３倍である。
【００３７】
平面導波管は、有利には、０．２ａから１ａの間、または０．４ａから０．８ａの間、または０．３ａから０．７ａの間、たとえば、約０．５ａまたは０．６ａの厚さを有することができる。代替的には、平面導波管は、５０〜５００ｎｍ、または７５〜３５０ｎｍ、または１００〜２５０ｎｍの範囲内、たとえば約１５０ｎｍの厚さを有することができる。したがって、平面導波管がスラブ導波管であり、またはこの技術分野では膜と呼ばれるものでもあることが分かる。
【００３８】
平面導波管は、有利には、平面導波管の少なくともかなりの部分に沿って浮体構造体として設計される。そのような設計は、光が面外で結合されることを最小限することによって損失を最小限にする。
【００３９】
光学デバイスは、たとえば、量子コンピュータ、光学コンピュータ、および量子情報技術の必須の構築ブロックである単一光子トランジスタまたは制御ＮＯＴ（ｃＮｏｔ）ゲートでよく、または同じようにして、本発明は、
−前述の実施形態のいずれかによる光学デバイスを備える単一光子トランジスタ、または
−前述の実施形態のいずれかによる光学デバイスを備える制御ＮＯＴゲートを提供する。
【００４０】
本発明の目的はまた、平面導波管（または平面導波管を備える光学デバイス）によって達成され、ここでは平面導波管は、
−第１の側および第２の側を備えた長手方向に延びる誘導領域と、
−誘導領域の第１の側に配置された第１のナノ構造体と、
−誘導領域の第２の側に配置された第２のナノ構造体と、を備え、
導波管は、
−第１のナノ構造体および第２のナノ構造体が、導波管の誘導領域周りにほぼ映進面対称で配置される、第１の長手方向領域と、
−第１および第２のナノ構造体のジオメトリが、映進面対称から鏡対称に徐々に変化する、遷移領域と、を備える。
【００４１】
これは、効率的に、量子発光体から発せられた光子をインカップルし、光子を他の光学デバイスにアウトカップルするように特に適合された平面導波管を提供する。
【００４２】
第１のナノ構造体および第２のナノ構造体は、有利には、格子配置、好ましくは三角形配置で配置される。平面導波管は、有利には、フォトニック結晶導波管である。通常、平面導波管は、前述の実施形態のいずれかによる設計を有することができる。したがって、用語「長手方向」および「ほぼ映進面対称」に関連する定義はまた、前記平面導波管にも適用する。
【００４３】
本発明は、図に示す実施形態を参照して以下で詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】鏡対称ナノ構造体を有する従来のフォトニック結晶導波管を示す図である。
【図２】本発明による平面導波管の第１の図である。
【図３ａ】図１に示す従来のフォトニック結晶導波管内の電場振幅を示す図である。
【図３ｂ】図１に示す従来のフォトニック結晶導波管内の電場振幅を示す図である。
【図３ｃ】本発明による平面導波管内の電場振幅を示す図である。
【図３ｄ】本発明による平面導波管内の電場振幅を示す図である。
【図４】本発明による平面導波管の第２の図である。
【図５】量子ドット内の荷電励起子のレベルスキームである。
【図６】本発明による、導波管内の両側の円偏光を有する双極子の発光強度の数値モデル化を示す図である。
【図７】本発明による、平面導波管を実装する光学デバイスの第１の実施形態を示す図である。
【図８】本発明による、平面導波管を実装する光学デバイスの第２の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図１は、上下対称とも呼ばれる、誘導領域周りに鏡対称ナノ構造体を有する従来の導波管を示す。図内の円は、ＧａＡｓなどの高屈折率の誘電材料の空気穴のナノ構造体を表す。格子は、図に示す中央領域である誘導領域内に光を誘導することを可能にする光子バンドギャップを有し、ここには円は存在しない。
【００４６】
図３ａおよび３ｂは、屈折率ｎ＝３．４６、半径ｒ＝０．３ａ、および導波管厚さｔ＝０．６ａを有する対称フォトニック結晶膜導波管における代表的なモードの電場を示しており、ここでａは、格子周期である。図３ａは、電場のｘ成分を示し、図３ｂは、ｙ成分を示す。鏡対称により、これらの導波管は、導波管中心（ｙ＝０）に対して偶関数または奇関数である電場を有し、そのような導波管モードは、直線偏光される電場によって支配される。
【００４７】
円形双極子に効率的に結合するのに必要とされる場のタイプは、その場において、上記の対称制限を有する伝播モードの最大値を得ることは不可能である。したがって、効率的なオンチップのスピン読み出しの必要性が依然として存在する。
【００４８】
これは、本発明により、図２に示すような光学デバイス１によって得られる。光学デバイス１は、第１の側６および第２の側８を備えた長手方向に延びる誘導領域４を備える平面導波管２を備える。格子定数ａで三角形格子構造に配置された穴を含む第１のナノ構造体７が、誘導領域４の第１の側６に位置付けられ、格子定数ａで三角形格子構造に配置された穴を含む第２のナノ構造体９が、誘導領域４の第２の側８に位置付けられる。
【００４９】
平面導波管２は、第１のナノ構造体７および第２のナノ構造体９が平面導波管２の誘導領域４周りにほぼ映進面対称で配置される、第１の長手方向セクション１０を含む。たとえば量子ドットの形態の量子発光体１８が、第１の長手方向領域１０の誘導領域４内に埋め込まれる。本発明において定義するように、用語「ほぼ映進面対称」は、第１のナノ構造体７および第２のナノ構造体９が、長手方向に並進長さδで相互にシフトされまたは並進されることを意味し、ここで並進長さは、０．２５ａ〜０．７５ａの範囲内であり、好ましくは、δは、およそ０．５ａである。
【００５０】
誘導領域４周りに映進面対称ナノ構造体７、９を備えた平面導波管２は、強い面内円偏光を有する電場を有するモードの導波管である。構造体のこのモードは、遷移双極子モーメントが円偏光される、量子ドットまたは任意の集積量子発光体の異なるスピン状態に結合することができる。したがって、本発明は、光子キュービットがスピンキュービットと非常に効率的に相互作用することを可能にするフォトニックナノ構造体を提供し、それによって高効率の量子発光体１８が平面導波管２に結合することができ、読み出されることが可能である、デバイスを提供する。
【００５１】
この技術的効果が、図３ｃおよび３ｄに示され、これらの図は、図１に示す例と同じ屈折率および格子特性を有する映進面対称導波管のモードの電場の大きさを示す。ここでは、場は、右側および左側の円偏光した場成分に関連して示される。ＥＲは、ＥＬがゼロであるとき最大になることが分かり得る。したがって、このモードは、強い面内円偏光を有する。右伝播モードの強い右側の円偏光を有する位置は、左電場モードの強い左側の円偏光を有する。ここで与えられた例は、フォトニック結晶導波管に基づくが、この映進面対称は、場合によっては、任意のナノ構造化された導波管に実装することができる。
【００５２】
平面導波管は、有利には、ＩＩＩ−Ｖ半導体材料などの誘電材料から作製される。材料は、たとえば、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、インジウムガリウムヒ化物（ＩｎＧａＡｓ）、またはヒ化アルミニウム（ＡＩＡｓ）から作製されてよい。これは、たとえば量子ドットに特に適合される導波管を提供する。量子ドットはまた、好ましくは、ＩＩＩ−Ｖ半導体材料から作製される。量子ドットは、有利には、１〜１０ｎｍの高さ、および１０〜７０ｎｍの範囲内の面内サイズを有し、およそ１０Λ５の原子からなることができる。１つの有利な実施形態では、平面導波管２は、ＧａＡｓから作製され、量子ドットは、ＩｎＧａＡｓから作製される。量子発光体は、たとえば、分子線エピタキシ法または堆積法によるエピタキシャル成長のものでよい。
【００５３】
通常、第１のナノ構造体７および第２のナノ構造体９は、なんらかの種類の周期構造または格子構造を有して配置される必要があり、第１のナノ構造体７および第２のナノ構造体の構造は、図１に示すような鏡対称ナノ構造体を有する導波管と比較して、平面導波管２の長手方向に相互にシフトされることが、認識される。格子周期の２５％の小さいシフト（または同様に７５％シフト）であっても、スピン結合の結合効率性を大きく改善することが、留意される。しかし、結合効率性を最大限にするには、シフトは、およそ半周期であるべきである。
【００５４】
図２に示すように、第１のナノ構造体７および第２のナノ構造体９は、格子定数ａを有する三角形格子で配置され得る。格子定数ａは、有利には、１００〜５００ｎｍ、たとえば約２５０ｎｍの間隔内にあることができる。ナノ構造体は、ほぼ円形に成形されてよく、０．２ａから０．４ａの間、たとえば約０．３ａの直径を有することができる。
【００５５】
誘導領域は、たとえば、１００〜１０００ｎｍの範囲内にあってよい。誘導領域は、しばしば、穴列を取り除くことによって形成される。したがって、第１の側および第２の側の近位のナノ構造体（たとえば穴）の中心間の横断方向距離は、格子定数ａのおよそ√３倍である。
【００５６】
第１のナノ構造体７および第２のナノ構造体９は、空気穴を含むことができる。しかし、原理上、ナノ構造体７、９はまた、平面導波管材料の他の部分とは異なる材料で、他の部分のものとは異なる屈折率を有して作製されてもよい。平面導波管２は、６２０〜１２００ｎｍの範囲内の波長間隔内で光を誘導するように適合されてよく、これに対応して、量子発光体は、前記間隔内の波長を有する光子を発する。
【００５７】
平面導波管２は、有利には、約０．５ａ〜０．６ａ、または同様に１２５〜１５０ｎｍの範囲内の厚さを有することができる。したがって、平面導波管２がスラブ導波管であり、またはこの技術分野では膜と呼ばれるものでもあることが分かる。平面導波管２は、有利には、平面導波管２の少なくともかなりの部分に沿って浮体構造体として設計される。そのような設計は、光が面外で結合されることを最小限にすることによって損失を最小限にする。
【００５８】
全体として、量子発光体１８を平面導波管２の第１の長手方向領域１０内に配置するまたは埋め込むことにより、極めて効率的なスピン光子インターフェースがもたらされることが分かる。しかし、このインターフェースは、量子情報技術システム内に実装するために、標準的なオンチップ導波管技術と組み合わせられる必要が依然としてある。
【００５９】
スピン光子インターフェースを標準的な導波管技術への読み出しと組み合わせるために、平面導波管２は、第２の長手方向領域１４を備え、この中で、第１のナノ構造体７および第２のナノ構造体９は、誘導領域４周りにほぼ鏡対称（または上下対称）で配置される。遷移領域１２が、第１の長手方向セクション１０と第２の長手方向セクション１４の間に配置され、この中で、第１のナノ構造体７および第２のナノ構造体１０のジオメトリは、映進面対称から鏡対称に徐々に変化する。それにより、誘導されたモードは、円形偏光から直線偏光に、少ない損失でまたは損失無く徐々に変更される。光は、それによって、より効率的に変換され、図２に示すようにリッジ導波管１６などの従来の導波管技術に結合され得る。
【００６０】
第１の長手方向領域１０の長手方向範囲は、有利には、１〜３０格子定数ａ（またはナノ構造体周期）の範囲、たとえば約５〜６格子定数ａでよい。遷移領域１２の長手方向範囲は、有利には、３〜３０格子定数ａ（またはナノ構造体周期）の範囲内または４〜２０格子定数ａの範囲内、または５〜１５格子定数ａの範囲内、たとえば約８格子定数ａでよい。適切な変換が遷移領域１２を通して得られる限り、第２の長手方向領域１４の長さに関してそれ自体として制限は存在しない。したがって、第２の長手方向領域１４は、そのようにして遷移領域１２の端部だけを構成することができる。
【００６１】
１つの実施形態によれば、中間遷移領域１２の第１のナノ構造体７の格子定数および／または第２のナノ構造体９の格子定数は、第１の領域１０のものとは異なる。実際、遷移は、数多くの方法で達成され得る。第１の領域１０および第２の領域１４のナノ構造体は、たとえば、同じ格子定数ａを有することができる。遷移領域１２の第１のナノ構造体７は、格子定数ａ１＝ａ＋Δａ（またはａ１＝ａ−Δａ）を有することができ、一方で遷移領域１２の第２のナノ構造体９は、第１の領域１０および第２の領域１４と同じ格子定数（ａ２＝ａ）を（またはその逆の形で）有することができる。代替的には、遷移領域１２の第１のナノ構造体７は、格子定数ａ１＝ａ＋０．５Δａを有することができ、一方で遷移領域１２の第２のナノ構造体９は、格子定数ａ２＝ａ−０．５Δａを有することができる。通常、遷移は、ａ／２Δａ周期にわたって得ることができることが分かる。
【００６２】
好ましくは、第１の長手方向領域１０の格子定数は、第２の長手方向領域１４の格子定数と同一である。しかし、原理上、２つの領域の格子定数は、たとえば、異なるモードプロファイルに対応するために異なることも可能である。
【００６３】
円偏光した光学遷移を有する量子発光体が、平面導波管２の第１の長手方向領域１０に関して示すような映進面対称導波管内に配置される場合、発せられる光子の発光方向は、遷移の掌性によって決定される。発光の指向性結合確率βｄｉｒは、提案された構造体内の値に到達し、１に近づく。この指向性結合の効率性は、光子が導波管に結合する確率βと、これが正しい方向に伝播する確率Ｆｄｉｒとの積である。これは直接的に、発光体のスピンをうまく読み出す確率となり、これは、量子情報技術において提案された用途の利点の重要事項である。図示する実施形態では、量子ドット１８は、映進面対称導波管に結合されるが、この考えは、いかなる量子発光体にも拡張することができる。
【００６４】
これらの構造体内の高い指向性発光は、量子ドット内の単一電子のスピン状態を読み出すために使用することができる。縮退したトリオン遷移と共鳴した直線偏光ｐｉパルスは、量子ドット群を、図５に示すように、基底状態の初期のスピン配向に応じて２つの励起された状態のうち１つに移す。発光を確実にする伝播方向は、減衰チャネルの遷移双極子の偏光に強く相関付けられる。発せられた光子が正しい方向に伝播する確率として定義される成功確率は、Ｐｓ＝βｄｉｒによって与えられ、一方で、光子が間違った方向に伝播する確率は、Ｐｅｒｒ＝β（１−Ｆｄｉｒ）によって与えられる。
【００６５】
これは、単一量子ドットとこれらが発する光子との間にスピン経路のもつれを生み出すために活用される。スピンアップ｜↑＞またはスピンダウン｜↓＞のスピンキュービットの初期化は、適切に円偏光したレーザを用いて２つの遷移のうち１つを駆動することによって光学的に行われ得る。この後にスピンのｐｉ／２回転が続けられて、これを２つの基底状態のコヒーレント重ね合わせ状態に置く。ｐｉパルス励起は、単一光子の発光を導き、その伝播方向は、スピンともつれ合う。
【数１】
2017520791.tif 000003
式中、｜Ｌ＞および｜Ｒ＞は、左および右の伝播光子を示す。
【００６６】
発せられた光子は、２方向に発せられ得るため、平面導波管はまた、追加の第１の長手方向領域１０’と、追加の遷移領域１２’と、追加の第２の長手方向領域１４’とを備え、これらの領域は、図４に示すように、第１の長手方向領域１０の反対の長手方向側に位置決めされ、第１の長手方向領域１０、遷移領域１２、および第２の長手方向領域１４それぞれと同じジオメトリ特性を有する。同様に、追加の第２の長手方向領域１４’は、リッジ導波管１６’または別の従来の導波管に結合され得る。こうして、量子発光体１８が第１の長手方向領域１０、１０’内に結合され、次いで、誘導領域４内を第２の長手方向領域１４または追加の長手方向領域１４’に向かって伝播する平面導波管２が提供されることが分かる。発せられた光子は、高い確率で、光子のスピン状態に応じた特有の伝播方向に結合する。
【００６７】
図５は、スピンアップおよびスピンダウン基底状態を有する、量子ドット内の負の荷電励起子の電子レベルを示す。これらの基底状態のいずれかが共鳴して励起される場合、これらは、自発的に光子を発し、同じ基底状態に戻る。発光プロセスの遷移双極子モーメントは、光子のスピンの基底状態に応じて決まる。スピンアップ基底状態の場合、双極子モーメントσ＋は、右側の円偏光した双極子モーメントを有し、一方でスピンアップ基底状態は、左側の円偏光した双極子モーメントσ−を有する。点線の直交線は、双極子の「許されない」遷移を示す。
【００６８】
２つの双極子モーメントσ＋、σ−は、両側の円偏光を有するため、量子発光体１８から発せられた光子は、図４に示す平面導波管内の右または左に結合される。２つの遷移双極子モーメントσ＋、σ−は、こうして、種々の方向に伝播するモードに結合し、量子ドット内の電子のスピンは、発せられた光子の方向を決定する。これは図６に示され、この図では、両側の円偏光を有する双極子の発光の数値モデル化を示し、この場合、図６ａは、左側の円偏光した双極子σ−が左伝播モードに結合することを示し、一方で図６ｂは、右側の円偏光した双極子σ＋が右方向の伝播モードに結合することを示す。
【００６９】
映進面導波管モードで伝播する光子と発光体の相互作用はまた、発光体の電子状態に強く相関付けられる。量子発光体の内部状態を制御することにより、単一光子トランジスタおよび制御ＮＯＴ（ｃＮＯＴ）ゲートを構築することができ、これらのいずれも、量子情報技術の基本的な構築ブロックである。
【００７０】
以下では、本発明による、平面導波管２を実装する光学デバイスのさまざまな例が、説明される。
【００７１】
［実施例１：スピン読み出しおよび単一光子ダイオード］
図７は、本発明による、平面導波管２を実装する第１の光学デバイス１０１を示し、ここで図７ｃは、Ｈｅｉｔｌｅｒレジームにおけるオンチップスピン読み出しに提案されるマッハツェンダー（Ｍａｃｈ―Ｚｅｈｎｅｒ）干渉計を示す。量子ドットとの相互作用は、経路Ａ内に置かれた映進面対称導波管（ＧＰＷ）２のセクション内で起こる。経路Ｂは、干渉計が正しくバランスをとることを確実にするために必要である位相制御を含む。図７ａは、外部磁場Ｂｅｘｔを示し、この成長方向に沿って、双極子σ＋およびσ−で示された２つの円偏光した遷移を分割する。２つの円遷移をエネルギー的に分割することに加えて、外部磁場は、点線の矢印によって示す直交遷移を抑制する。図７ｂは、指向性β係数の関数として、ＧＰＷ内に前方散乱する単一光子の位相および確率振幅を示す。図７ｄは、成功した、および間違ったスピン読み出しの確率を示し、これらは、指向性β係数の関数として光子損失確率と並べてプロットされる。ここでは、入射単一光子が、幅σｉｏｒ＝０．０２Γのローレンツスペクトル（Ｌｏｒｅｎｔｚｉａｎ  ｓｐｅｃｔｒａｌ）振幅を有することが想定され、式中Γは、励起状態減衰速度である。図７ｅは、βｄｉｒ＝０．９８の場合の単一光子スペクトラル幅の関数としてプロットされた同じ３つの確率を示す。これは、Ｈｅｉｔｌｅｒレジームでは入来光子の幅に対していかに敏感に作用するかを示している。
【００７２】
図７ｃに示すように、平面導波管２をオンチップマッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）に組み入れることにより、荷電量子ドット（ＱＤ）のスピン基底状態を読み出し、単一光子ダイオードを構築することが可能である。ＭＺＩは、アーム１１に入射する単一光子が、アーム４１通って退出するようにバランスがとられる。経路Ａ１に沿ってσ＋と共鳴して伝播する単一光子は、量子ドットがスピンアップ（｜↑＞）基底状態である場合、経路Ｂ１に沿って伝播する光子に対して追加のｐｉ位相シフトを得る。この結果、アーム１１内に入射する単一光子は、アーム３１を通って退出し、一方でＱＤが状態（｜↓＞）である場合の単一光子入射は、アーム４１内に退出する。こうして、これは、ＱＤスピン状態のオンチップ読み出しを構成する。指向性β係数βｄｉｒの低減はどのようなものも、全透過率を低下させ（光子損失）、ＭＺＩビジビリティを低減させる。非単一性のビジビリティは、スピン読み出しに誤差を引き起こし、ＱＤが｜↑＞である場合であっても光子の一部分をアーム４１内に間違って通す。他方で、状態｜↓＞にあるスピンキュービットは、外部磁場Ｂｅｘｔによる２つの遷移エネルギー間の大きな分割のために常に完璧に検出される。散乱遷移と比較して、スペクトル的に非常に狭い単一光子の限界内では、スピン読み出しの成功、スピン読み出しの誤り、ならびに光子損失の確率は、以下の式によって与えられる。
【数２】
2017520791.tif 000004
【００７３】
狭いが、有限であるスペクトル幅の単一光子パルスのこれらの確率に対する正確な解決策は、図７ｄに示される。これは、単一光子散乱形式を使用して算出する簡単な方法であり、図７ｅでは、βｄｉｒ＝０．９８の場合の単一光子のスペクトラル幅の関数として上記で示した確率が、示される。
【００７４】
同じデバイスはまた、アーム１１をアーム３１内で起こる望ましくない後方反射から分離して、単一光子ダイオードとして使用することもできる。このために、スピンは、状態｜↑＞であり、σ＋遷移と共鳴する単一光子は、アーム１１に入り、アーム３１を通って退出し、この場合、これらは、部分的に反射されて、後方伝播方向にＭＺＩ内に再度入ることが想定される。十分に高いＢｅｘｔの場合、σ＋光子は、σ−から完全に離調され、ＱＤを理想的には相互作用を引き起こさずに進め、アーム２１内で干渉計を退出する。このダイオードの透過確率は、Ｐｓによって与えられ、一方で、アーム３１内の後方反射した光子がアーム１１内に戻るようにルーティングされる確率は、Ｐ３１＝（（１−Ｆｄｉｒ）β）２によって与えられる。
【００７５】
［実施例２：量子非破壊測定］
単一電子スピンキュービットのコヒーレント制御を加えることにより、２つの単一電子基底状態の任意の重ね合わせを生み出し、さらなる用途を達成可能にすることが可能になる。そのような制御は、光学的方法によって、およびマイクロ波源によって生み出される面内振動磁場βμｗを通して達成することができ、これは、図８ａに概略的に示される。この制御を使用して、単一光子量子非破壊（ＱＮＤ）検出器が、それ自体知られている方法に従うことによって構築され得る。状態（｜↑＞）のスピンキュービットの初期化は、σ−遷移を駆動することによって光学スピンポンピングによって行われ得る。次に、スピンキュービットのｐｉ／２回転が、実施されて以下のように変換を行い、
【数３】
2017520791.tif 000005
これは、βμｗによって行われ得る。βμｗ遷移に共鳴した単一光子、｜ｋｂ＞は、量子ドットが状態｜↑＞にあるときにのみ位相シフトを得る。単一光子が、相互作用領域を過ぎた後、スピンキュービットの別のｐｉ／２回転が施される。総合的なシーケンスは、以下のように考えられ、
【数４】
2017520791.tif 000006
このとき、単一光子は相互作用領域に進む。このシーケンスの第２のステップでは、光子物質状態は、相互作用後に分離可能であることが必須であり、それによってこれは、変更されない光子状態｜ｋｂ＞および２つのスピン基底状態のコヒーレント重ね合わせの積として書き直すことができる。理想的な場合では、スピン状態の成分の１つは、発光体との相互作用により、ｐｉ位相シフトを得ている。シーケンスの最後のステップにおけるｐｉ／２回転は、コヒーレント重ね合わせをスピンアップまたはスピンダウン状態に戻すようにマッピングする。理想的な散乱の場合（ｔｋ→−１）の場合、元のスピン状態は、光子が相互領域に進んだときに戻され、光子が相互領域に進んでいない場合、（以下の式で分かるように）スピン状態は反転される。
【数５】
2017520791.tif 000007
【００７６】
前の式から、スピン状態の完璧な初期化、制御、および読み出しを想定して、ＱＮＤ測定の成功確率は、Ｂｄｉｒ２となることが分かる。上記で提案した方法の１つをここで使用して、単一光子のストリームまたは弱いコヒーレント場を用いてスピンの状態を読み出すことができ、こうして量子非破壊単一光子検出を完了する。非破壊検出器の振幅は、上記で論じたような双極子の「許されない」遷移の非ゼロ分岐比によって限定される。
【００７７】
［実施例３：単一光子トランジスタおよびｃＮｏｔゲート］
実施例１では、ＭＺＩを使用して、トリオンの単一スピン基底状態を効率的に読み出すことができることが示され、実施例２では、単一光子を使用していかにして量子ドットの内部状態を制御することができるかが、示された。
【００７８】
この例では、これら２つの考えを単一光子トランジスタ／スイッチに組み合わせ、ここでは単一ゲート光子が、以降の光子の流れを制御する。ここでもトリオンは、成長方向に沿って向く外部磁場として使用される。これは、図８ａに示され、ここでは成長方向に沿った外部磁場βｅｘｔは、双極子モーメントσ＋およびσ−で示された２つの円偏光した遷移を分割する。２つの円遷移をエネルギー的に分割することに加えて、外部磁場は、点線の矢印によって示すような直交遷移を抑制する。スピンキュービットのコヒーレント制御は、電子スピン遷移、βμｗと共鳴したマイクロ波源によって生成された振動面内磁場を通して得ることができる。図８ｂは、ＧＰＷ内の高い指向性β係数の位置に置かれたＱＤを示す。矢印は、導波管内で、それぞれの遷移が相互作用する伝播方向がどのようなものかを示す。図８ｃは、単一光子トランジスタおよび決定論的ｃＮＯＴゲートの実験的な実証のためのサンプル設計の概略図を示す。
【００７９】
ＧＰＷは、リッジ導波管ＭＺＩのアームの一方内にあり、調製可能な位相制御、φは、他方内にある。アドドロップ（ａｄｄ／ｄｒｏｐ）フィルタは、図には明示的に示されないが、２つのリッジ導波管（２２’とＡ２）の間または平面導波管２内に結合した後で実現することができる。
【００８０】
２つの単一電子基底状態間のコヒーレント制御がマイクロ波パルス、βμｗによって可能になることに加えて、外部磁場βｅｘｔは、数十ＧＨｚ程度で２つの円形遷移間のゼーマン（Ｚｅｅｍａｎ）分割をもたらす。この分割により、図８ａのように、σ＋およびσ−の円形遷移を処理する光子の２つの別個の経路が可能になり、これらの経路は、図８ｂおよび８ｃにおいてσ＋およびσ−でマークされる。狭い帯域のアドドロップフィルタは、比較的小さいスペクトル相違を活用し、２つのスペクトルモードを光学回路の異なる経路内に通すことを可能にするために必要とされる。ここで、アーム２２’内に入射した単一ゲート光子は、ＱＮＤ測定に関して上記で提示したような類似のスキームを使用してＱＤの内部状態の制御を可能にする。しかし、このシーケンス内の２番目のｐｉ／２パルスは、−ｐｉ／２パルスによって置き換えられ、発光体をその初期状態に戻るようにマッピングし、このときこれは、光子と相互作用しない。図８ｃ内のＭＺＩの位相制御φは、アーム１２内に入射する単一光子が、むき出しの干渉計のアーム４２内で、すなわち、σ＋遷移とは相互作用せずに退出し、一方では、これは、発光体がスピンアップ状態に初期化されたときはアーム３２内に退出するように設定される。このとき、以下のシーケンスが、単一光子トランジスタを実装するために使用され得る。
１．発光体は、スピンアップ状態に初期化される。
２．スピンのｐｉ／２回転により、１／√２（｜↑＞＋｜↓＞）がもたらされる。
３．アーム２２’内に入射する単一光子が存在する場合、これは、σ−遷移を散乱させ、２つのスピン成分間にｐｉ位相シフトを引き起こす、すなわち１／√２（｜↑＞−｜↓＞）。入射光子が無い場合、状態は、１／√２（｜↑＞＋｜↓＞）のままである。（遷移と共鳴しており、光子線幅は、発光体と比較して狭く、βｄｉｒは、１に近づくことが想定される）。
４．スピンの後続の−ｐｉ／２回転は、１／√２（｜↑＞−｜↓＞）を｜↓＞にマッピングし、一方でアーム２２’内に入射する光子が無い場合、スピンは、回転してその初期状態に戻る。
５．単一ゲート光子が存在した場合、アーム１２内に入射する単一光子列は、ここでアーム４２内に退出し、ゲート光子が発光体と相互作用しなかった場合、アーム３２内に退出する。
【００８１】
この単一光子トランジスタのパフォーマンスを評価するために、これは、２つの部分、すなわちゲート光子による発光体の切り替え、およびＭＺＩ内の単一光子のルーティングに分割される。最初、アーム２２’内に入射する単一光子が発光体の内部状態を切り替える全確率を説明する発光体の切り替え確率、Ｐｓｗｉｔｃｈが、見出される。ここで、必要なマイクロ波パルスシーケンスに対する完璧な制御が、想定される。非常に狭い帯域のゲート光子の限界内では、これは、
2017520791.tif 000008
をもたらす。これは、ＱＮＤ検出の成功確率とは異なるが、その理由は、ゲート光子の出て行く状態は、ほぼ無関係であるためである。１ではない指向性β係数により、ゲート光子が正しいモードに散乱されない場合の半分の場合、正しいスピン状態は、依然として最後に得られる。これは、ＱＮＤ測定のものを上回るβｄｉｒ−βｄｉｒ２のさらなる成功確率をもたらす。発光体がうまく切り替えられたとき、アーム４２に出てくる単一光子の流れが、オンにされる。ＭＺＩは、発光体との相互作用がないときは完璧に作用することが想定されるため、単一光子のさらなる誤差は生じない。しかし、ゲート光子が存在せず、発光体がスピンアップの基底状態のままであるとき、アーム４２内へのいくらかの残留漏出
2017520791.tif 000009
が生じる。
【００８２】
この考えは、他の３つを迂回する追加のアーム、図８ｃ内のアーム１２’を加えるだけで、決定論的ｃＮＯＴゲートとして作動するよう拡張され得る。このｃＮＯＴゲートの算出ベースは、制御キュービット、｜０ｃ＞＝１２’および｜１ｃ＞＝２２’、ならびに標的キュービット｜０ｔ＞＝（１２、３２）および｜１ｔ＞＝（２２、４２）によって与えられる。トランジスタに関するマイクロ波パルスと同じシーケンスを使用することにより、図８内の光子回路は、１つの追加のステップを必要とするだけでｃＮＯＴゲートとして作動することが、示され得る。スピン状態の別の回転の後で、たとえば弱いコヒーレント場を使用するスピン読み出しが、続けられる。この追加のステップは、実験的に実証されているように、スピン状態のもつれをほどくために必要とされる。さらなる誤差は、このステップにおいて付加されない。スピン読み出しの結果に応じて、出力状態の単一キュービット回転が、正しい状態を得るために必要になり、これらの回転は、すでに、以下の計算内に含まれている。ゲートの機能性を例示する方法は、直交する２つの光子の基礎状態の完全セットに対する真理値表を示すことによるものである。以下の２つの表は、最後のスピン状態が、状態｜↑＞または｜↓＞それぞれにおいて測定されたときの本発明者のゲートの予想される真理値表に対応する。
【００８３】
【表１】
2017520791.tif 000010
【００８４】
異なる損失モードへの散乱は、このテーブルでは明示的に示されておらず、これが、列の各々の全確率が１になっていない理由である。損失確率は、入力状態の２つの光子の１つが、どれだけ頻繁に失われるかを示し、すなわち、両方の入力光子が回路を通り抜けるイベントだけが、表に含まれる。表の左上象限（対角線要素）内の誤差は、単一光子が、アーム２２’内の回路を通ってうまく透過されるが、量子ドットのスピン基底状態を反転させず、（１−βｄｉｒ）２、したがってσ＋遷移をアクティブに保つ確率によって与えられる。これは、以降の標的光子が、σ＋遷移との相互作用の後で正しくＭＺＩを通って透過される確率βｄｉｒ２と乗算される。右底象限では、確率は、アクティブ遷移を含むＭＺＩを通る透過確率によって与えられる。左底および右上象限は、すべてゼロであり、これは、アーム１２’と２２’の間にクロストークが存在しないためである。ここでは、すべての検出器クリックが、本発明者の回路内の光子によって引き起こされ、追加の誤差は、実験的実証において、非ゼロの背景およびダークカウントによって生成されることが、想定されている。
【００８５】
本発明は、有利な実施形態を参照して説明されてきた。しかし、本発明の範囲は、例示する実施形態に限定されず、代替策および変形形態が、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく実施され得る。
【符号の説明】
【００８６】
2017520791.tif 000011
【図１】
2017520791.tif 000012
【図２】
2017520791.tif 000013
【図３】
2017520791.tif 000014
【図４】
2017520791.tif 000015
【図５】
2017520791.tif 000016
【図６ａ−６ｂ】
2017520791.tif 000017
【図７】
2017520791.tif 000018
【図８ａ】
2017520791.tif 000019
【図８ｂ】
2017520791.tif 000020
【図８ｃ】
2017520791.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成28年6月23日(2016.6.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面導波管（１２）および量子発光体（１８）を備える光学デバイス（１）であって、
前記平面導波管（２）は、
第１の側（６）および第２の側（８）を備えた長手方向に延びる誘導領域（４）と、
前記誘導領域（４）の前記第１の側（６）に配置された第１のナノ構造体（７）と、
前記誘導領域（４）の前記第２の側（８）に配置された第２のナノ構造体（９）と、を備え、
前記平面導波管（２）は、前記第１のナノ構造体（７）および前記第２のナノ構造体（９）が前記平面導波管（２）の前記誘導領域（４）周りにほぼ映進面対称で配置される第１の長手方向領域（１０）を含み、
前記量子発光体（１８）は、前記平面導波管（２）の前記第１の長手方向領域（１０）に結合され、
前記量子発光体（１８）は、円偏光される光学遷移を含み、円偏光モードで光子を発する単一光子発光体になるように前記平面導波管の前記誘導領域内に埋め込まれ、
前記平面導波管（２）の前記第１の長手方向領域（１０）は、前記電場が、前記量子発光体（１８）の位置において前記平面導波管の平面内に円偏光を有するモードを支援するように構成され、それにより、前記単一光子発光体からの前記光子は、前記平面導波管（２）に効果的に結合される、光学デバイス（１）。
【請求項２】
前記単一光子発光体が、量子ドットである、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項３】
前記平面導波管（２）が、フォトニック結晶導波管である、請求項１〜２のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項４】
前記平面導波管（２）が、前記第１のナノ構造体（７）および前記第２のナノ構造体（９）が前記平面導波管（２）の前記誘導領域（４）周りにほぼ鏡対称で配置される第２の長手方向領域（１４）を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項５】
前記平面導波管（２）が、有利には前記第１の長手方向領域（１０）と前記第２の長手方向領域（１４）の間に配置された遷移領域（１２）を備え、前記第１および前記第２のナノ構造体（７、９）のジオメトリは、映進面対称から鏡対称に徐々に変化する、請求項４に記載の光学デバイス。
【請求項６】
リッジ導波管またはストリップ導波管などの従来の導波管（１６）が、前記第２の長手方向領域または前記遷移領域に結合される、請求項４〜５のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項７】
前記平面導波管（２）が、前記第１の長手方向領域（１０）の反対の長手方向側に追加の第２の長手方向領域（１４’）を備え、ここでは前記第１のナノ構造体（７）および前記第２のナノ構造体（９）は、前記平面導波管（２）の前記誘導領域（４）周りに、好ましくは、前記第１の長手方向領域（１０）と前記追加の第２の長手方向領域（１４’）の間に追加の遷移領域（１２’）を配置して鏡対称で配置され、前記第１および前記第２のナノ構造体（７、９）の前記ジオメトリは、映進面対称から鏡対称に徐々に変化する、請求項４〜６のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項８】
前記平面導波管（２）が、ＩＩＩ−Ｖ半導体材料などの誘電材料から作製される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項９】
前記第１のナノ構造体（７）および前記第２のナノ構造体（９）が、第１の格子構造および第２の格子構造にそれぞれ配置され、有利には、三角形格子で格子定数ａを有して配置される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１０】
格子定数ａが、１００〜５００ｎｍ、または１５０〜４００ｎｍ、または２００〜３００ｎｍ、たとえば約２５０ｎｍの間隔内にある、請求項９に記載の光学デバイス。
【請求項１１】
前記平面導波管が、０．２ａから１ａの間、または０．４ａから０．８ａの間、または０．３ａから０．７ａの間、たとえば、約０．５ａまたは０．６ａの厚さを有する、請求項９〜１０のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光学デバイスを備える、単一光子トランジスタ。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光学デバイスを備える、制御ＮＯＴゲート。
【国際調査報告】
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