(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一光子発生方法であって、
第１の表面弾性波ソリトンを生成し、
前記第１の表面弾性波ソリトンに電子を捕獲させ、
前記第１の表面弾性波ソリトンより振幅の大きい第２の表面弾性波ソリトンを生成し、
前記第１の表面弾性波ソリトンと前記第２の表面弾性波ソリトンとを衝突させ、前記第１の表面弾性波ソリトンの束縛準位から前記第２の表面弾性波ソリトンの束縛準位に電子を遷移させて光子を放出させることを特徴とする単一光子発生方法。
【請求項２】
請求項１に記載の単一光子発生方法であって、前記表面弾性波ソリトンが、可積分非線形分散方程式に従うことを特徴とする単一光子発生方法。
【請求項３】
単一光子発生方法であって、
第１番目の表面弾性波ソリトンを生成し、
前記第１番目の表面弾性波ソリトンに電子を捕獲させ、
第Ｎ番目（Ｎは２以上の整数とする）の表面弾性波ソリトンとして、第Ｎ−１番目の表面弾性波ソリトンよりも振幅の大きな表面弾性波ソリトンを、Ｎ＝２からＮに１を加算しながら順次生成し、
全ての前記表面弾性波ソリトンについて、必ず前記第Ｎ−１番目の表面弾性波ソリトンと前記第Ｎ番目の表面弾性波ソリトンが衝突して前記第Ｎ−１番目の表面弾性波ソリトンの束縛準位から前記第Ｎ番目の表面弾性波ソリトンの束縛準位に電子を遷移させて光子を放出させてから、前記第Ｎ番目の表面弾性波ソリトンと前記第Ｎ＋１番目の表面弾性波ソリトンの衝突が起こるように、前記表面弾性波ソリトンの振幅と生成のタイミングとを調整することによって、時間間隔を置いて複数の光子を１つずつ発生させることを特徴とする単一光子発生方法。
【請求項４】
単一光子発生装置であって、
第１の表面弾性波ソリトンを生成した後に、前記第１の表面弾性波ソリトンよりも振幅の大きな第２の表面弾性波ソリトンを生成するソリトン発生手段と、
前記ソリトン発生手段で生成した表面弾性波ソリトンを伝播させるソリトン伝播媒体と、
前記ソリトン伝播媒体を伝播してきた表面弾性波ソリトンのうち、前記第１の表面弾性波ソリトンは電子を捕獲させて通過させ、前記第２の表面弾性波ソリトンは空のまま通過させる電子捕獲部と、
前記電子捕獲部を通過した前記第１および第２の表面弾性波ソリトンを衝突させ、前記第１の表面弾性波ソリトンの束縛準位から前記第２の表面弾性波ソリトンの束縛準位に電子を遷移させて単一光子を発生させるソリトン相互作用部とを有することを特徴とする単一光子発生装置。
【請求項５】
単一光子発生装置であって、
第Ｎ番目（Ｎは２以上の整数とする）の表面弾性波ソリトンとして、第Ｎ−１番目の表面弾性波ソリトンよりも振幅の大きな表面弾性波ソリトンを、Ｎ＝２からＮに１を加算しながら順次生成するソリトン発生手段と、
前記ソリトン発生手段で生成した表面弾性波ソリトンを伝播させるソリトン伝播媒体と、
前記ソリトン伝播媒体を伝播してきた表面弾性波ソリトンのうち、第１番目の表面弾性波ソリトンは電子を捕獲させて通過させ、第Ｎ番目の表面弾性波ソリトンは空のまま通過させる電子捕獲部と、
前記電子捕獲部を通過した表面弾性波ソリトンを衝突させて単一光子を発生させるソリトン相互作用部とを有し、
前記ソリトン相互作用部で、必ず前記第Ｎ−１番目の表面弾性波ソリトンと前記第Ｎ番目の表面弾性波ソリトンが衝突して前記第Ｎ−１番目の表面弾性波ソリトンの束縛準位から前記第Ｎ番目の表面弾性波ソリトンの束縛準位に電子を遷移させて光子を放出させてから、前記第Ｎ番目の表面弾性波ソリトンと前記第Ｎ＋１番目の表面弾性波ソリトンの衝突が起こるように、前記ソリトン発生手段で生成する前記表面弾性波ソリトンの振幅と生成のタイミングとを調節することによって、時間間隔を置いて複数の光子を１つずつ発生させることを特徴とする単一光子発生装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の単一光子発生装置であって、
前記ソリトン発生手段は表面弾性波発生装置であり、
前記ソリトン伝播媒体は半導体基板表面であり、
前記電子捕獲部は、前記半導体基板表面に形成された２次元電子ガス領域とソリトン進行通路である１次元ソリトン伝播チャネルとの共通部分であることを特徴とする単一光子発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一光子発生方法および単一光子発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信では、光の振幅、あるいは周波数を変調することによって情報を伝送している。この場合、光子の集団を対象にしているが、光子１個を単位とした情報伝達は究極の光通信と言える。したがって、単一光子の規則的な流れを作り出すことは、量子情報処理の基本要素である。
【０００３】
これまで、単一光子発生を可能にするものとして単一電子ターンスタイルの原理にもとづいた発光素子が開発された(J. Kim, O. Benson, H. Kan and Y. Yamamoto, Nature 397, 500 (1999) 参照)。これは微小トンネル接合における電子のクーロンブロッケイド効果を利用したものである。その光子生成の仕組みは、電子と正孔との再結合によって単一光子を発生させる従来の発光原理に加え、あたかも回転ドアを通過するが如く、時間的に規則正しく単一の電子と単一の正孔を結合層に注入するクーロンブロッケイド効果によって、規則正しい単一光子発生を実現するというものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のターンスタイル素子では、発生光子の角周波数が素子の再結合層のエネルギーギャップの大きさによって制限される。また、光子生成時間もトンネル接合の静電容量によって決まり、一度素子を構成すると、光子生成時間を容易に変える事はできない。したがって任意の角周波数を有する光子を任意の時間に発生させることは不可能である。
【０００５】
本発明はそのような問題点を解決するためになされたものであり、任意の角周波数を有する光子を任意の時間に発生させる単一光子発生方法および単一光子発生装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、請求項１に記載のように、
単一光子発生方法であって、第１の表面弾性波ソリトンを生成し、前記第１の表面弾性波ソリトンに電子を捕獲させ、前記第１の表面弾性波ソリトンより振幅の大きい第２の表面弾性波ソリトンを生成し、前記第１の表面弾性波ソリトンと前記第２の表面弾性波ソリトンとを衝突させ、前記第１の表面弾性波ソリトンの束縛準位から前記第２の表面弾性波ソリトンの束縛準位に電子を遷移させて光子を放出させることを特徴とする単一光子発生方法を構成する。
【０００７】
また、本発明は、請求項２に記載のように、
請求項１に記載の単一光子発生方法であって、前記表面弾性波ソリトンが、可積分非線形分散方程式に従うことを特徴とする単一光子発生方法を構成する。
【０００８】
また、本発明は、請求項３に記載のように、
単一光子発生方法であって、第１番目の表面弾性波ソリトンを生成し、前記第１番目の表面弾性波ソリトンに電子を捕獲させ、第Ｎ番目（Ｎは２以上の整数とする）の表面弾性波ソリトンとして、第Ｎ−１番目の表面弾性波ソリトンよりも振幅の大きな表面弾性波ソリトンを、Ｎ＝２からＮに１を加算しながら順次生成し、全ての前記表面弾性波ソリトンについて、必ず前記第Ｎ−１番目の表面弾性波ソリトンと前記第Ｎ番目の表面弾性波ソリトンが衝突して前記第Ｎ−１番目の表面弾性波ソリトンの束縛準位から前記第Ｎ番目の表面弾性波ソリトンの束縛準位に電子を遷移させて光子を放出させてから、前記第Ｎ番目の表面弾性波ソリトンと前記第Ｎ＋１番目の表面弾性波ソリトンの衝突が起こるように、前記表面弾性波ソリトンの振幅と生成のタイミングとを調整することによって、時間間隔を置いて複数の光子を１つずつ発生させることを特徴とする単一光子発生方法を構成する。
【０００９】
また、本発明は、請求項４に記載のように、
単一光子発生装置であって、第１番目の表面弾性波ソリトンを生成した後に、前記第１の表面弾性波ソリトンよりも振幅の大きな第２の表面弾性波ソリトンを生成するソリトン発生手段と、前記ソリトン発生手段で生成した表面弾性波ソリトンを伝播させるソリトン伝播媒体と、前記ソリトン伝播媒体を伝播してきた表面弾性波ソリトンのうち、前記第１の表面弾性波ソリトンは電子を捕獲させて通過させ、前記第２の表面弾性波ソリトンは空のまま通過させる電子捕獲部と、前記電子捕獲部を通過した前記第１および第２の表面弾性波ソリトンを衝突させ、前記第１の表面弾性波ソリトンの束縛準位から前記第２の表面弾性波ソリトンの束縛準位に電子を遷移させて単一光子を発生させるソリトン相互作用部とを有することを特徴とする単一光子発生装置を構成する。
【００１０】
また、本発明は、請求項５に記載のように、
単一光子発生装置であって、第Ｎ番目（Ｎは２以上の整数とする）の表面弾性波ソリトンとして、第Ｎ−１番目の表面弾性波ソリトンよりも振幅の大きな表面弾性波ソリトンを、Ｎ＝２からＮに１を加算しながら順次生成するソリトン発生手段と、前記ソリトン発生手段で生成した表面弾性波ソリトンを伝播させるソリトン伝播媒体と、前記ソリトン伝播媒体を伝播してきた表面弾性波ソリトンのうち、第１番目の表面弾性波ソリトンは電子を捕獲させて通過させ、第Ｎ番目の表面弾性波ソリトンは空のまま通過させる電子捕獲部と、前記電子捕獲部を通過した表面弾性波ソリトンを衝突させて単一光子を発生させるソリトン相互作用部とを有し、前記ソリトン相互作用部で、必ず前記第Ｎ−１番目の表面弾性波ソリトンと前記第Ｎ番目の表面弾性波ソリトンが衝突して前記第Ｎ−１番目の表面弾性波ソリトンの束縛準位から前記第Ｎ番目の表面弾性波ソリトンの束縛準位に電子を遷移させて光子を放出させてから、前記第Ｎ番目の表面弾性波ソリトンと前記第Ｎ＋１番目の表面弾性波ソリトンの衝突が起こるように、前記ソリトン発生手段で生成する前記表面弾性波ソリトンの振幅と生成のタイミングとを調節することによって、時間間隔を置いて複数の光子を１つずつ発生させることを特徴とする単一光子発生装置を構成する。
【００１１】
また、本発明は、請求項６に記載のように、
請求項４または５に記載の単一光子発生装置であって、前記ソリトン発生手段は表面弾性波発生装置であり、前記ソリトン伝播媒体は半導体基板表面であり、前記電子捕獲部は、前記半導体基板表面に形成された２次元電子ガス領域とソリトン進行通路である１次元ソリトン伝播チャネルとの共通部分であることを特徴とする単一光子発生装置を構成する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、ソリトン型ポテンシャル中に束縛された電子を利用したサブポアソン単一光子発生方法および単一光子発生装置に関する。この場合に、ソリトンとしては、可積分非線形分散方程式に従うソリトンを利用することができる。ここに、「可積分非線形分散方程式」とは、波の変位に関する非線形微分方程式であって、波の速度を波の振幅の関数とするものであり、その一例が後述のＫｄＶ方程式である。また、下記の式（１）で表されるソリトン（Ｎ＝１の場合以外はソリトン列）は上記の「可積分非線形分散方程式に従うソリトン」の一例となっている。
【数１】
0003735043.tif 000002
【００１３】
本発明においては、任意の時間に任意の波長の単一光子を発生させるために、ソリトンポテンシャルを利用する。
【００１４】
単一光子の発生は一般に量子力学的遷移に基づいており、その量子遷移は波動関数の重なりによって決定される。したがって、この重なりを外部より制御することによって発光過程を制御することが可能となる。この制御がソリトンによって如何に行われるか次に述べる。
【００１５】
まず、ソリトンとは、非線型効果と分散効果とが釣り合った孤立波である。ソリトンはその伝播および他のソリトンとの衝突に対して安定であるため、通信や次に述べるソリトン輸送へ応用される。
【００１６】
ソリトンは、電子に対してポテンシャルとして働くと、電子を捕獲し、ソリトンの伝播とともに電子を輸送することが可能となる(T. Sakuma and N. Nishiguchi, Jpn. J. Appl. Phys. 30, 137 (1991)参照)。これがソリトン輸送である。特に、ＫｄＶ方程式（Korteweg - de Vries 方程式）を満足するソリトンでは、ソリトンポテンシャル中にただ１つの束縛準位しか存在しない。したがって、量子遷移など起こらず、発光に対しても安定である。ここで、より深いエネルギー準位をもったソリトンポテンシャルを用意し、前述の電子を束縛したソリトンと衝突させる。この、より深いエネルギー準位をもったソリトンポテンシャルは、振幅がより大きいソリトンを生成することによって得られる。衝突前、波動関数の重なりはほとんど０であるので量子遷移は禁止される。したがって発光過程も禁止される。しかし、相互作用中心では、重なりは最大になり、よりエネルギーの低い状態に電子の遷移が可能となる。このとき準位差に相当したエネルギーをもつ光子が発生する。衝突後、再び波動関数の重なりは消え発光過程は禁止される。したがって、ソリトンポテンシャルの衝突のタイミングを制御する事によって、任意の時刻に単一光子を発生させる事が可能となる。この概念図を図１に示す。
【００１７】
図１において、縦方向はポテンシャルおよび波動関数を表し、横方向は位置を表し、（ａ）〜（ｅ）は各瞬間におけるソリトンと電子の状態を表し、時間は（ａ）から（ｅ）に向けて経過している。ただし、波動関数の原点はソリトンによって変えてある。図１の（ａ）は、電子を捕獲した第１のソリトンの後に、第１のソリトンより振幅の大きい第２のソリトンが生成された状態を示し、（ｂ）は、第２のソリトンが、その速さが第１のソリトンよりも速いので、第１のソリトンに近づく状態を示し、（ｃ）は、第２のソリトンが第１のソリトンに追いつき、電子の量子遷移と光子放出とが起こる状態を示し、（ｄ）および（ｅ）は、電子を捕獲した第２のソリトンが第１のソリトンを追い越して行く状態を示している。
【００１８】
また、ソリトンの振幅を制御することによって発生光子の波長も制御できる。更に、適当に配置された複数のソリトン列によって、次々と規則正しく単一光子を発生させる事が可能となる。
【００１９】
（実施の形態例１）
図２は、本発明に係る単一光子発生装置の一例と、それを用いた単一光子発生方法を説明する図である。
【００２０】
図２において、単一光子発生装置は半導体ＧａＡｓ基板１の上に形成されており、その構成要素として、表面音響波（ＳＡＷ）を発生するインターデジタルトランスデューサ（ＩＤＴ）２と、インターデジタルトランスデューサ２を電圧駆動するための金（Ａｕ）の接続パッド３、３’と、ＧａＡｓ基板１表面に２次元電子ガス生成領域を有するメサ構造体４と、メサ構造体４へのオーミックコンタクト５、５'、６とを備えている。なお、インターデジタルトランスデューサ２の櫛型電極はＮｉＣｒＡｌで形成されている。
【００２１】
図２に示した単一光子発生装置において、インターデジタルトランスデューサ２を電圧駆動すると、表面音響波（ＳＡＷ）が発生し、ＳＡＷは半導体の非線形弾性効果と分散効果が釣り合い、自発的に表面弾性波ソリトンになり、ＧａＡｓ基板１表面を右方向に進行する。そのソリトンの進行通路（図２の平行鎖線で挟まれた領域）を１次元ソリトン伝播チャネルと呼ぶ。
【００２２】
図２において、請求項５に記載の「ソリトン発生手段」は表面弾性波発生装置であるインターデジタルトランスデューサ２に該当し、「ソリトン伝播媒体」はＧａＡｓ基板１の表面に該当し、「電子捕獲部」は、メサ構造体４中にエッチングによって形成されたトレンチ７、７’に挟まれた半導体ＧａＡｓ基板の表面部分である電子捕獲チャネル８（この部分には２次元電子ガスが存在する）に該当し、「ソリトン相互作用部」は、電子捕獲チャネル８と右側のインターデジタルトランスデューサ２’との中間に位置する半導体ＧａＡｓ基板の表面に該当する。
【００２３】
以下に、図２に示した単一光子発生装置によって単一光子を発生させる方法について説明する。
【００２４】
まず、半導体ＧａＡｓ基板１の表面に配置したインターデジタルトランスデューサ２を駆動して表面音響波（ＳＡＷ）を発生させる。発生したＳＡＷは半導体の非線形弾性効果と分散効果が釣り合い、自発的に表面弾性波ソリトンになり、ＧａＡｓ基板１表面を右方向に進行する。この時、ソリトンの振幅は、ＳＡＷを発生させる際、インターデジタルトランスデューサ２に印加した電圧によって決定される。したがって、異なる振幅を持っソリトンを形成することは、異なる電圧を与えることによって達成される。この方法によって、単一光子発生のために２つの振幅の異なるソリトンを生成する。一方は振幅の小さい電子捕獲用ソリトンであり、他方は振幅の大きな空のソリトンである。以下、前者を捕獲ソリトン、後者をターゲットソリトンと呼ぶ。生成の順序は、捕獲ソリトンそしてターゲットソリトンである。２つのソリトンは、捕獲ソリトンが前、ターゲットソリトンが後となって、右方向に進行する。
【００２５】
次に、捕獲ソリトンに電子を捕獲させる。そのために、ソリトン進行通路（１次元ソリトン伝播チャネル）とメサ構造体４の２次元電子ガス領域との共通部分すなわち電子捕獲チャネル８における２次元電子ガスのフェルミ準位を調節することによって電子をソリトンに捕獲、束縛させる（C. H. W. Barnes, J. M. Shilton and A. M. Robinson, Phys. Rev. B 62, 8410 (2000) 参照）。２次元電子ガスのフェルミ準位の調節は、オーミックコンタクト６に印加する電圧Ｖｇを変えることによって行う。一方、ターゲットソリトンに対しては、フェルミ準位を変えて、空のまま電子捕獲チャネル８を通過させる。
【００２６】
次に、１次元ソリトン伝播チャネル中のソリトン相互作用部、すなわち、電子捕獲チャネル８とその右側のインターデジタルトランスデューサ２’との中間に位置する半導体ＧａＡｓ基板の表面において、捕獲ソリトンとターゲットソリトンとを衝突、相互作用させて、単一光子を発生させる。
【００２７】
なお、図２において、Ａで示された電流計はソリトンによる電子の捕獲を検知するためのものであり、インターデジタルトランスデューサ２’はソリトンを検知するためのものである。
【００２８】
実施の形態例においては、単一光子発生装置を半導体ＧａＡｓ基板１の上に形成したが、半導体ＧａＡｓ基板１に代えて、シリコンなどの半導体基板を用いてもよい。
【００２９】
（実施の形態例２）
実施の形態例１で示した方法でソリトンを生成する。ただし、ソリトンの配置は次に示すようにソリトンを生成する。これによって、単一光子は一定の時間間隔Ｔで発生する。
【００３０】
【数２】
0003735043.tif 000003
図３はソリトンの軌跡と相互作用の様子を示している。図中の黒丸は、捕獲ソリトンとターゲットソリトンとの相互作用によって単一光子が発生する位置と時間とを示している。
【００３１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の実施により、任意の角周波数を有する光子を任意の時間に発生させる単一光子発生方法および単一光子発生装置を提供することが可能となる。
【００３２】
近年、量子情報処理についての様々な研究がなされている。その実現には、究極の情報伝達単位である単一光子を任意に制御できることが非常に重要な課題となっている。本発明の実施によって、この課題が解決され、いままで不可能であった単一の光子を任意に発生させることが可能となる。それによって完全に安全な量子暗号の実現などが可能となり、この分野における本発明の貢献は計り知れない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る単一光子発生方法を説明する図である。
【図２】本発明に係る単一光子発生装置を説明する図である。
【図３】実施の形態例２におけるソリトンの軌跡と相互作用の様子を説明する図である。
【符号の説明】
１…半導体ＧａＡｓ基板、２、２’…インターデジタルトランスデューサ、３、３’…接続パッド、４…メサ構造体、５、５'、６…オーミックコンタクト、７、７’…トレンチ、８…電子捕獲チャネル。
【図１】
0003735043.tif 000004
【図２】
0003735043.tif 000005
【図３】
0003735043.tif 000006