JP2016012877A - Quantum entanglement generation method, quantum entanglement generation device, quantum communication apparatus, quantum communication system, quantum communication method and projection measuring method - Google Patents

Quantum entanglement generation method, quantum entanglement generation device, quantum communication apparatus, quantum communication system, quantum communication method and projection measuring method Download PDF

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利雄 大島
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To match timings at which two independent photons pass through a beam splitter by use of a beam splitter and a photon detector without using a spontaneously emitted photon to which timing control cannot be applied so that quantum entanglements of the two independent photons are securely generated.SOLUTION: In a quantum entanglement generation method, quantum entanglements of a first coupled quantum dot 1 and a second coupled quantum dot 2 are generated by the following steps of: injecting pump light into the first coupled quantum dot 1 coupling two quantum dots and the second coupled quantum dot 2 coupling two quantum dots; and detecting a stokes photon or an anti-stokes photon generated by Raman scattering when the pump light is injected through a beam splitter 3 by photon detectors 4 and 5.

Description

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。   The present invention relates to a quantum entanglement generation method, a quantum entanglement generation device, a quantum communication device, a quantum communication system, a quantum communication method, and a projection measurement method.

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。
Quantum communication such as quantum cryptography communication or quantum key distribution (QKD) has attracted attention as a method having information theoretical security.
In order to realize quantum communication, for example, a quantum memory using a coupled quantum dot in which two quantum dots are coupled has been proposed.
When using such coupled quantum dots, it is common to use photons spontaneously emitted from the quantum dots.

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。   For example, when three electrons generated in a coupled quantum dot, one electron in one hole, and one hole are recombined and spontaneously emitted, the polarization of the spontaneously emitted photon and There is quantum entanglement between the spins of the remaining two electrons. Thus, it has been proposed to realize quantum memory devices and further quantum relay using this quantum entanglement.

特開2007−335503号公報JP 2007-335503 A 特開2013−97377号公報JP 2013-97377 A

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。
By the way, when generating quantum entanglement of two independent photons using a beam splitter and a photon detector, it is important to match the timings at which the two independent photons pass through the beam splitter.
However, as described above, when using photons spontaneously emitted from the quantum dots, the timing cannot be controlled because spontaneous emission is a stochastic phenomenon. For this reason, when generating quantum entanglement using photons spontaneously emitted from the quantum dots, it is difficult to match the timing at which the two independent photons pass through the beam splitter.

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。
Therefore, without using the spontaneously emitted photons whose timing cannot be controlled, the beam splitter and the photon detector are used to match the timings of the two independent photons passing through the beam splitter. I want to make sure that entanglements can be generated.
In addition, it is desirable to use a beam splitter and a photon detector to make the projection measurement reliable by matching the timing.

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。   In this quantum entanglement generation method, pump light is incident on a first coupled quantum dot in which two quantum dots are coupled and a second coupled quantum dot in which two quantum dots are coupled, and by Raman scattering when the pump light is incident. Stokes photons or anti-Stokes photons are detected by a photon detector via a beam splitter to generate quantum entanglement of the first coupled quantum dots and the second coupled quantum dots.

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。   The present quantum entanglement generating apparatus pumps light to a first coupled quantum dot obtained by coupling two quantum dots, a second coupled quantum dot obtained by coupling two quantum dots, and the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. A photon detector for detecting a Stokes photon or anti-Stokes photon due to Raman scattering when incident on the beam through a beam splitter, and a first coupled quantum dot and a second coupled quantum dot based on detection information from the photon detector And a controller for generating the quantum entanglement.

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。
The quantum communication device includes the above-described quantum entanglement generation device.
This quantum communication system includes a plurality of quantum communication devices including the above-described quantum entanglement generation device, and a plurality of quantum communication devices are connected to each other.
This quantum communication method uses a plurality of quantum communication devices each including a first coupled quantum dot in which two quantum dots are coupled and a second coupled quantum dot in which two quantum dots are coupled, and is provided in a transmission-side quantum communication device. Quantum communication that performs quantum communication using quantum entanglement between transmission and reception of one of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot and one of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot provided in the quantum communication device on the receiving side In each of the quantum communication devices, the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot are set to the lower energy state of the exciton separation state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot, In the coupled quantum dot and the second coupled quantum dot, the energy state of the lower exciton separation state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot And the first pump light having an energy smaller than the energy difference between the higher energy states of the exciton localized state and the Stokes photon by Raman scattering when the first pump light is incident on the first beam splitter. When one of the two photon detectors serving as the first photon detector is detected, an in-device quantum entanglement is generated. In two adjacent quantum communication devices, two adjacent quantum One of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot provided in one of the communication devices, and one of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot provided in the other of the two adjacent quantum communication devices, The higher energy state of the exciton separation state and the higher energy of the exciton localized state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot The second pump light having an energy smaller than the energy difference of the state is incident, and anti-Stokes photons due to Raman scattering when the second pump light is incident are passed through the second beam splitter as 2nd photon detectors. When detected by any one of the two photon detectors, it is assumed that quantum entanglement between adjacent devices is generated, in-device quantum entanglement is generated in all quantum communication devices, and all adjacent two entanglements are generated. When quantum entanglement between adjacent devices is generated in the quantum communication device, quantum communication is performed using the quantum entanglement between transmission and reception, assuming that quantum entanglement between transmission and reception is generated.

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。   In this projection measurement method, pump light is incident on a standard coupled quantum dot in which two quantum dots are combined and the phase of the quantum state is specified, and a measurement target coupled quantum dot in which two quantum dots are coupled, and the pump light is incident. Then, the Stokes photon or anti-Stokes photon due to Raman scattering is detected by the photon detector via the beam splitter, and the phase of the quantum state of the measurement target coupled quantum dot is projected and measured.

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。   Therefore, according to the present quantum entanglement generation method, quantum entanglement generation device, quantum communication device, quantum communication system, and quantum communication method, a beam splitter and a photon detector can be used without using spontaneously emitted photons that cannot be controlled in timing. Is advantageous in that the quantum entanglement of two independent photons can be reliably generated by matching the timing when the two independent photons pass through the beam splitter. In addition, according to the present projection measurement method, there is an advantage that the projection measurement can be reliably performed by using the beam splitter and the photon detector to match the timing.

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。It is a schematic diagram for demonstrating the quantum entanglement production | generation apparatus and quantum entanglement production | generation method concerning this embodiment. (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。(A), (B) is a schematic diagram showing an example of a coupled quantum dot used in the quantum entanglement generating apparatus and quantum entanglement generating method according to the present embodiment, (A) is a cross-sectional view thereof, (B) is a plan view thereof. 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。It is a figure which shows the energy state of an example of the combined quantum dot used for the quantum entanglement production | generation apparatus concerning this embodiment, and a quantum entanglement production | generation method. 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。It is a figure for demonstrating the initialization in the quantum entanglement production | generation apparatus concerning this embodiment, and a quantum entanglement production | generation method. 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。It is a figure for demonstrating generation | occurrence | production of the Stokes photon by the Raman transition in the quantum entanglement production | generation apparatus and quantum entanglement production | generation method concerning this embodiment. 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。It is a figure for demonstrating generation | occurrence | production of the anti-Stokes photon by the reverse Raman transition in the quantum entanglement production | generation apparatus and quantum entanglement production | generation method concerning this embodiment. (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。(A), (B) is a figure for demonstrating the structure for implement | achieving the lifetime improvement by the spatial separation of the exciton in the quantum entanglement production | generation apparatus and quantum entanglement production method concerning this embodiment, (A) is a sectional view thereof, and (B) is a plan view thereof. (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。(A), (B) is a figure for demonstrating the lifetime extension by the space separation of the exciton in the quantum entanglement production | generation apparatus and quantum entanglement production method concerning this embodiment. (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。(A), (B) is a figure for demonstrating the lifetime extension by spin inversion in the quantum entanglement production | generation apparatus and quantum entanglement production method concerning this embodiment, (A) is for implement | achieving it. (B) is an energy diagram for explaining the change of the spin state. 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。It is a schematic plan view which shows the structure of the modification of the coupling quantum dot group provided in the optical waveguide in the quantum entanglement production | generation apparatus and quantum entanglement production | generation method concerning this embodiment. 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。It is a schematic diagram which shows an example of the optical waveguide used in the quantum entanglement production | generation apparatus and quantum entanglement production | generation method concerning this embodiment. 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。It is a schematic diagram which shows the structural example of the resonator used in the quantum entanglement production | generation apparatus and quantum entanglement production | generation method concerning this embodiment. 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。It is a schematic diagram which shows the structural example of the resonator used in the quantum entanglement production | generation apparatus and quantum entanglement production | generation method concerning this embodiment. 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。It is a schematic diagram for demonstrating the quantum communication system and quantum communication method to which the quantum entanglement production | generation apparatus and quantum entanglement production | generation method concerning this embodiment are applied. 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。It is a schematic diagram for demonstrating the structure of the quantum communication apparatus to which the quantum entanglement production | generation apparatus concerning this embodiment and the quantum entanglement production | generation method are applied, and the production | generation of the in-device quantum entanglement. 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。It is a schematic diagram for demonstrating the structure of the quantum communication apparatus to which the quantum entanglement generation apparatus and quantum entanglement generation method concerning this embodiment are applied, and the production | generation of the quantum entanglement between adjacent apparatuses. 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。It is a figure for demonstrating adjustment of the phase of the superimposition of the quantum entanglement in the quantum entanglement production | generation apparatus concerning this embodiment, and the quantum entanglement production | generation method. 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。It is a schematic diagram for demonstrating the projection measuring method concerning this embodiment. (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。(A), (B) is a figure for demonstrating the production method of the coupling | bonding quantum dot group used as the standard in the projection measuring method concerning this embodiment. 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。It is a figure for demonstrating the production method of the coupling | bonding quantum dot group used as the standard in the projection measuring method concerning this embodiment. 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。It is a schematic diagram for demonstrating the projection measurement in the transmission side in the quantum communication method concerning this embodiment, and the receiving side.

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。
Hereinafter, with reference to the drawings, a quantum entanglement generation method, a quantum entanglement generation device, a quantum communication device, a quantum communication system, a quantum communication method, and a projection measurement method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. While explaining.
In the quantum entanglement generation method according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, pump light is applied to the first coupled quantum dot 1 that couples two quantum dots and the second coupled quantum dot 2 that couples two quantum dots. Incident. Then, Stokes photons or anti-Stokes photons due to Raman scattering when the pump light is incident are detected by the photon detectors 4 and 5 through the beam splitter 3, and the first coupled quantum dots 1 and the second coupled quantum dots 2 are detected. Generate quantum entanglement of. Note that quantum entanglement is also referred to as quantum entanglement, quantum entanglement, quantum entanglement, or quantum correlation.

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。   For this reason, the quantum entanglement generation device according to the present embodiment includes a first coupled quantum dot 1 in which two quantum dots are coupled, a second coupled quantum dot 2 in which two quantum dots are coupled, and a first coupled quantum dot. From the photon detectors 4 and 5 for detecting Stokes photons or anti-Stokes photons by Raman scattering when the pump light is incident on the first and second coupled quantum dots 2 via the beam splitter 3, and the photon detectors 4 and 5 And a controller 6 that generates quantum entanglement of the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 based on the detected information.

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。
In the present embodiment, the quantum entanglement generating device includes two coupled quantum dot groups 1X and 2X, a pump light source 7, two filters 8 and 9, a beam splitter 3, and two photon detectors 4 and 5. And a controller 6.
Here, the coupled quantum dot groups 1X and 2X include a plurality of coupled quantum dots 1 and 2 (cells) obtained by coupling two quantum dots. The coupled quantum dots 1 and 2 are two quantum dots provided close to each other so that electrons or holes can tunnel between the quantum dots. The coupled quantum dots 1 included in one coupled quantum dot group 1X are referred to as first coupled quantum dots, and the coupled quantum dots 2 included in the other coupled quantum dot group 2X are referred to as second coupled quantum dots. The coupled quantum dot groups 1X and 2X are also referred to as coupled quantum dot groups.

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。   Here, the plurality of coupled quantum dots 1 and 2 included in the coupled quantum dot groups 1X and 2X are arranged in series along the optical waveguides 10 and 11 in the optical waveguides 10 and 11 (here, the linear optical waveguide 10). , 11 in a line), and pump light from the outside is guided through the optical waveguides 10 and 11 so as to irradiate each of the plurality of coupled quantum dots 1 and 2. As a result, the coupling between the pump light and the coupled quantum dots 1 and 2 can be strengthened, the generation efficiency of Stokes photons or anti-Stokes photons can be improved, and the directivity of the Stokes light or anti-Stokes light can be improved.

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。
The pump light source 7 emits pump light (here, pump pulse light) toward the two coupled quantum dot groups 1X and 2X.
Here, the pump light source 7 is a laser light source. Further, the pump light emitted from one pump light source 7 is branched by the beam splitter 12 so as to enter the two coupled quantum dot groups 1X and 2X.

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。
Further, two coupled quantum dot groups are formed by the optical path length adjustment unit 13 so that the interference at the beam splitter 3 is maximized (here, the interference fringes detected by the photon detectors 4 and 5 are the strongest). The input time difference of the pump pulse light incident on 1X and 2X is adjusted.
In this way, the Stokes photons or anti-Stokes photons due to Raman scattering when the synchronized pump pulse light is incident on each of the two coupled quantum dot groups 1X and 2X are interfered by the beam splitter 3 to be detected by the photon detectors 4, 5 Can be detected.

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。
In this case, when the pump light from the pump light source 7 is incident on each of the two coupled quantum dot groups 1X and 2X, Stokes photons or anti-Stokes photons due to Raman scattering are immediately generated.
For this reason, it becomes possible to match the timing at which Stokes photons or anti-Stokes photons generated independently by the two coupled quantum dot groups 1X and 2X pass through the beam splitter 3.

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。
The filters 8 and 9 are filters that pass Stokes photons or anti-Stokes photons due to Raman scattering when the pump light is incident on the coupled quantum dot groups 1X and 2X and block the pump light.
The beam splitter 3 is, for example, a 50:50 beam splitter, and the Stokes photons or anti-Stokes photons generated by the two coupled quantum dot groups 1X and 2X and passing through the filters 8 and 9 have a probability of 50:50. It is designed to reflect or transmit.

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。   The photon detectors 4 and 5 detect Stokes photons or anti-Stokes photons reflected by the beam splitter 3 or transmitted through the beam splitter 3. Here, the photon detectors 4 and 5 are photon number detectors (PNDs) that can detect the number of Stokes photons or anti-Stokes photons reflected by the beam splitter 3 or transmitted through the beam splitter 3 (number of photons). .

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。
The controller 6 generates quantum entanglements of the two coupled quantum dot groups 1X and 2X based on detection information from the photon detectors 4 and 5.
In the present embodiment, the controller 6 is based on detection information from one of the two photon detectors 4 and 5 that detect Stokes photons or anti-Stokes photons via the filters 8 and 9 and the beam splitter 3. Generate entanglement.

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。
As described above, in this embodiment, the Stokes photon or the anti-Stokes photon is detected by one of the two photon detectors 4 and 5 via the filters 8 and 9 and the beam splitter 3, and two coupled quantum dots are detected. Generate group 1X, 2X quantum entanglements.
That is, in this embodiment, when either one of the two photon detectors 4 and 5 detects a Stokes photon or an anti-Stokes photon, the bell state is specified, and thereby, the two coupled quantum dot groups 1X and 2X are identified. Quantum entanglement is generated.

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。
For this reason, the beam splitter 3, the photon detectors 4, 5 and the controller 6 are also referred to as a quantum entanglement generation unit or a bell state identification unit.
By the way, in the quantum dot formed using a semiconductor material, since the band gap of the semiconductor material which forms a quantum dot differs from the band gap of the semiconductor material surrounding it, an electron and a hole can be confined spatially.

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。
In the coupled quantum dots 1 and 2, in addition to the exciton state (localized state; exciton localized state) in which excitons are localized in one of the two quantum dots, two quantum dots have electrons and An exciton state (separation state; exciton separation state) in which holes exist separately is possible.
Also, depending on the size (size difference), material, composition, distance between quantum dots, band alignment, etc. of two quantum dots, excitons are localized in one of the two quantum dots and excited in the other The energy state (energy level) can be different from the state where the child is localized.

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。
In addition, an energy state (energy) between a separated state in which electrons are present in one of the two quantum dots and holes are present in the other, and a separated state in which holes are present in one and electrons are present in the other. The level can also be different.
For example, the lower energy state of the exciton separation state in the coupled quantum dots 1 and 2 is set, and the lower energy state of the exciton separation state and the higher energy of the exciton localized state in the coupled quantum dots 1 and 2 are determined. When pump light having an energy smaller than the energy difference between the states is incident, Stokes photons due to Raman scattering are generated.

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。   Also, for example, after generating Stokes photons due to Raman scattering and entering the higher energy state of the exciton separation state in the coupled quantum dots 1 and 2, the higher exciton separation state in the coupled quantum dots 1 and 2 When pump light having an energy smaller than the energy difference between the energy state and the higher energy state of the exciton localized state is incident, anti-Stokes photons due to Raman scattering are generated.

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)。
Therefore, in the present quantum entanglement generation method, first, the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 are replaced with the first coupled quantum dot 1 and the first coupled quantum dot 2 as an initialization state before the step of entering the pump light. The energy state of the lower exciton separation state in the two-bond quantum dot 2 is assumed.
Then, in the step of making the pump light incident, the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 have the lower energy state of the exciton separation state in the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 One pump light (non-resonant pump light) having an energy smaller than the energy difference between the higher energy states of the exciton localized state is incident (see FIG. 5).

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。
As a result, Stokes photons are generated by Raman scattering (Raman transition). Further, in the step of generating quantum entanglement, Stokes photons due to Raman scattering when one pump light is incident are detected by the photon detectors 4 and 5 via the beam splitter 3, and one quantum entanglement is obtained. Generate.
In this case, the present quantum entanglement generation device uses the lower energy state of the exciton separation state and the higher exciton localization state of the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 as the pump light source 7. One pump light source that emits one pump light having an energy smaller than the energy difference between the energy states is provided.

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。   Then, after the controller 6 changes the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 to the lower energy state of the exciton separation state in the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2, The one pump light source is controlled so that the one pump light is incident on the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2, and Stokes photons due to Raman scattering when the one pump light is incident are obtained. One quantum entanglement is generated based on detection information from the photon detectors 4 and 5 detected via the beam splitter 3.

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)。   Here, the initialization state, that is, the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 are set to the lower energy state of the exciton separation state in the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2. For example, pump light having an excitation energy from a ground state in which no excitons exist in the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 to an energy state having a lower exciton separation state (an initialization pump) Light) may be applied to the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 (see FIG. 4).

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)。   Further, for example, the exciton separation state is higher than the excitation energy from the ground state where no exciton exists in the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 to the lower energy state of the exciton separated state. The first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 may be irradiated with pump light (initializing pump light) having an excitation energy lower than the excitation energy to one energy state (see FIG. 4). .

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。
Multiple pumping can be prevented by using pump light having such excitation energy, that is, sufficiently weak initialization pump pulse light.
Further, in the present quantum entanglement generation method, after generating Stokes photons as described above to generate one quantum entanglement, anti-Stokes photons are generated as follows, and another quantum entanglement is generated. May be generated.

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)。   That is, after one quantum entanglement is generated as described above, the exciton separation state in the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 is changed to the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2. The other pump light (non-resonant pump light) having an energy smaller than the energy difference between the higher energy state of the exciton and the higher energy state of the exciton localized state is incident (see FIG. 6).

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。
This generates anti-Stokes photons due to Raman scattering (reverse Raman transition). Further, in the step of generating quantum entanglement, anti-Stokes photons due to Raman scattering when other pump light is incident are detected by the photon detectors 4 and 5 via the beam splitter 3, and other quantum entanglement is detected. May be generated.
In this case, the present quantum entanglement generating apparatus uses the pump coupled light source 7 as the pump light source 7 and the exciton separation state in the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 in addition to the one pump light source that emits the one pump light. It is assumed that another pump light source that emits another pump light having an energy smaller than the energy difference between the higher energy state and the higher energy state of the exciton localized state is provided.

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。   Then, after the controller 6 generates one quantum entanglement for the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 as described above, the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 The photon detector 4 controls the other pump light source so that the other pump light is incident, and detects the anti-Stokes photon due to Raman scattering through the beam splitter 3 when the other pump light is incident. Based on the detection information from 5, another quantum entanglement is generated.

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。   In this quantum entanglement generation method, Stokes photons are generated as described above, and the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 are replaced with the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2. After being initialized as the higher energy state of the exciton-separated state in, anti-Stokes photons due to Raman scattering when pump light is incident on the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 as described above May be detected by the photon detectors 4 and 5 via the beam splitter 3 to generate quantum entanglement of the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2.

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。   In this case, the present quantum entanglement generation device detects, via the beam splitter 3, anti-Stokes photons due to Raman scattering when pump light is incident on the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2. And the controller 6 that generates the quantum entanglement of the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 based on the detection information from the photon detectors 4 and 5. .

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。
By the way, the coupled quantum dots 1 and 2 used in the quantum entanglement generating apparatus and the quantum entanglement generating method as described above can be formed as follows, for example.
That is, first, using, for example, MBE method, MOCVD method or the like, as shown in FIG. 2A, a GaAs buffer layer 21 (for example, a thickness of about 300 nm) and an n-GaAs layer 22 (for example, about 300 nm) are formed on the GaAs substrate 20. An AlGaAs layer 23 (for example, an i-Al 0.3 Ga 0.7 As layer having a thickness of about 100 nm) is grown.

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。
Next, the lower InAs quantum dots 24 are formed on the AlGaAs layer 23 by SK mode growth. If necessary, further annealing is performed.
Next, an AlGaAs cap layer 25 (for example, Al 0.3 Ga 0.7 As layer) is grown to about 10 nm, for example, so that the lower InAs quantum dots 24 are embedded.
Next, upper InAs quantum dots 26 are formed on the AlGaAs cap layer 25 by SK mode growth. If necessary, further annealing is performed.

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。
When the upper InAs quantum dots 26 are grown, the upper InAs quantum dots 26 can be grown immediately above the lower InAs quantum dots 24 by adjusting the growth conditions.
Here, the size is different between the lower InAs quantum dots 24 and the upper InAs quantum dots 26. That is, the size of the lower InAs quantum dot 24 is increased, and the size of the upper InAs quantum dot 26 is decreased. The size of the quantum dots can be designed in the range of about 10 to about 40 nm, and the variation can be about 10% or less.

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。
Next, an AlGaAs cap layer 27 (for example, an Al 0.3 Ga 0.7 As layer) is grown to about 300 nm, for example, so that the upper InAs quantum dots 26 are embedded.
Finally, an n-GaAs layer 28 (for example, a thickness of about 200 nm) is formed on the AlGaAs cap layer 27.
In this manner, as shown in FIGS. 2A and 2B, coupled quantum dots 1 and 2 are formed by combining two quantum dots, the lower InAs quantum dot 24 and the upper InAs quantum dot 26. be able to.

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。
Hereinafter, the energy state (energy level) in the coupled quantum dots 1 and 2 thus formed will be specifically described.
In the coupled quantum dots 1 and 2 formed as described above, in which quantum dot the electrons constituting the exciton exist, and in which quantum dot the holes constituting the exciton exist. Thus, four energy states (energy levels; exciton levels) can be obtained as shown in FIG.

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。
Here, the energy state (energy level) of the exciton localized state in which the exciton is localized in one of the two quantum dots (here, the smaller size) is represented by | e>.
Also, the energy state (energy level) of the exciton localized state in which the exciton is localized in the other of the two quantum dots (here, the larger size) is represented by | vac>.
In addition, an energy state (energy level) of an exciton-separated state in which holes are present in one of the two quantum dots (here, the smaller size) and electrons are separated in the other (here, the larger size). ) Is defined as | g>.

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。
In addition, an energy state (energy level) of an exciton-separated state in which electrons are separated into one of two quantum dots (here, smaller size) and holes are separated from the other (here larger size). ) Is defined as | s>.
These energy states | e>, | vac>, | g>, and | s> are expressed as follows.

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。
Here, | e> has higher energy (binding energy) than | vac>.
Further, | s> has higher energy (binding energy) than | g>. Thus, there are two ways of distributing the separated electrons and holes to the two quantum dots, and there is an energy difference between the energy states of the two. In addition, in | g> and | s>, electrons and holes are oppositely arranged (symmetrical arrangement).

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、U、0、0、Uとし、2つの量子ドットの電子基底準位エネルギー差をΔEとし、2つの量子ドットの正孔基底準位エネルギー差をΔEとすると、|g>と|e>のエネルギー差E、|s>と|e>のエネルギー差Eは、以下のようになる。
In addition, | e> has higher energy (binding energy) than | s>.
In addition, the energy of | e> and | vac> is shifted by the amount of the Coulomb energy (Coulomb binding energy) of electrons and holes. For example, an SK quantum dot having a diameter of about 20 nm causes an energy shift of about 10 to about 30 meV.
Here, the Coulomb binding energy, | vac>, | g> , | s>, | for each e>, U L, 0,0, and U S, 2 single electronic ground level energy of the quantum dots When the difference is ΔE e and the hole ground level energy difference between the two quantum dots is ΔE h , the energy difference E 1 between | g> and | e> and the energy difference E 2 between | s> and | e> are It becomes as follows.

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。   Thus, the system of coupled quantum dots 1 and 2 formed as described above is a rhombus 4-level system of | g>, | s>, | e>, and | vac>. Therefore, in addition to the Raman process by | g>, | s>, and | e>, the Raman process by | g>, | vac>, and | s> and the actual transition from | s> to | vac> also contribute. This complicates the physical process and makes it difficult to control normal operation.

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U+U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。
However, in the system of coupled quantum dots 1 and 2 formed as described above, the energy of | e> and | vac> is shifted by the amount of Coulomb energy.
Therefore, the detuning energy related to the Raman transition is the sum of the coulomb energy U L + U S for the values related to | g>, | vac>, | s> than the values related to | g>, | e>, | s>. It will increase by the amount. If the detuning energy is large, the transition amplitude becomes inversely proportional to it, and the contribution of the Raman process and actual transition due to | g>, | vac>, | s> is greatly suppressed.

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。
Therefore, in the coupled quantum dots 1 and 2 formed as described above, three energy levels | g>, | e>, and | s> among the four energy levels have three levels called a lambda system. Construct a unit system. That is, the system of coupled quantum dots 1 and 2 formed as described above constitutes a lambda system (three-level lambda system) with three levels among the four levels.
As a result, Stokes photons are emitted by Raman scattering by the pump light, and the initial state | g> is changed to the final state | s>. Further, anti-Stokes photons are emitted by Raman scattering by the pump light, and a transition is made from the initial state | s> to | g>.

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)。
Next, a specific description will be given of how quantum entanglement is generated using such three-level lambda-based coupled quantum dots 1 and 2.
Here, two coupled quantum dots, each having N coupled quantum dots 1 and 2 of the three-level lambda system as described above arranged in a row in the optical waveguides 10 and 11, are provided. Generate quantum entanglements of groups 1X, 2X (see FIG. 1).

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)。
First, as an initialization state, the coupled quantum dots 1 and 2 included in each of the two coupled quantum dot groups 1X and 2X are set to an energy state in a lower exciton separation state, that is, | g> (FIG. 3). FIG. 4).
Then, the coupled quantum dots 1 and 2 included in each of the two coupled quantum dot groups 1X and 2X have an energy difference between the lower energy state of the exciton separation state and the higher energy state of the exciton localized state. As non-resonant pump light having a small energy, non-resonant laser light (detuning Δ) having a polarization state intensity Ω and a pulse width τ that can interact with the coupled quantum dots 1 and 2 is incident (see FIG. 5).

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。
The incident non-resonant laser light is subjected to Raman scattering, and a part thereof is converted into Stokes light having a longer wavelength. In this way, Stokes photons due to Raman scattering are generated. Here, since the N coupled quantum dots 1 and 2 are arranged in a line in the optical waveguides 10 and 11, Raman scattering occurs efficiently and the ratio of spontaneous emission photons is small.
Here, a case where the energy state of excitons of all the coupled quantum dots 1 and 2 included in the coupled quantum dot groups 1X and 2X is | g> is referred to as a ground state. Also, only the energy state of excitons of one coupled quantum dot 1 and 2 included in the coupled quantum dot groups 1X and 2X is | s>, and the energy state of excitons of the remaining coupled quantum dots 1 and 2 is | g. The case of> is referred to as a symmetric 1 excited state. Further, the change from | g> to | s> by Raman scattering is called excitation to a symmetric state by Raman scattering.

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。   Here, when the energy states of excitons of all the coupled quantum dots 1 and 2 included in the coupled quantum dot groups 1X and 2X are | g>, the energy states of the coupled quantum dot groups 1X and 2X are as follows. This quantum state is made to correspond to | 0> of the qubit.

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。   Also, only the energy state of excitons of one coupled quantum dot 1 and 2 included in the coupled quantum dot groups 1X and 2X is | s>, and the energy state of excitons of the remaining coupled quantum dots 1 and 2 is | g. In the case of>, the energy states of the coupled quantum dot groups 1X and 2X are expressed as follows, and the quantum state (exciton coherent state) is made to correspond to | 1> of the qubit.

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。
In this case, in the initialized state, the energy states of the two coupled quantum dot groups 1X and 2X are both set to | G> described above. That is, in the initialized state, the two coupled quantum dot groups 1X and 2X are set to the states of | 0> and | 0> with qubits.
As a result of the above-described Raman scattering, the quantum states of the two coupled quantum dot groups 1X and 2X are coherently superimposed on the symmetric 1 excited state and the ground state, as shown below.

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|S>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。
Is the n-Stokes photon state.
Note that the Stokes photons from the two coupled quantum dot groups 1X and 2X can be obtained with a fixed probability amplitude by adjusting the pump light intensity so that the amplitude f and the higher-order term of the symmetrical one excitation state are sufficiently smaller than 1. Can be generated.
When the photon detectors 4 and 5 detect that one Stokes photon is generated from the two coupled quantum dot groups 1X and 2X (see FIG. 1) via the beam splitter 3, the controller 6 As a result of Raman scattering, the energy state of one of the two coupled quantum dot groups 1X and 2X becomes the above-described | S 1 >, and | 0>, | 1>, or | 1> , | 0>, and one of the four bell states is specified as shown below, so that quantum entanglement is generated.

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)。   After generating quantum entanglement as described above, each coupled quantum dot included in each of the two coupled quantum dot groups has a higher energy state in the exciton separation state and a higher exciton localized state. When non-resonant pump light having an energy smaller than the energy difference between the two energy states is incident, it undergoes Raman scattering, and a part thereof is converted into anti-Stokes light having a shorter wavelength (see FIG. 6).

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。
That is, anti-Stokes photons are generated by Raman scattering. One anti-Stokes photon due to Raman scattering is generated from two coupled quantum dot groups.
Then, when the photon detector detects that one anti-Stokes photon has been generated from the two coupled quantum dot groups, the controller, as described above, selects one of the four bell states. It is assumed that quantum entanglement has been generated assuming that one state has been identified.

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。
Note that the above-described quantum entanglement generating device may include two electrodes 30 and 31 provided on both sides of each of the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 as shown in FIG. good.
Then, after the controller 6 initializes the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 to the lower energy state of the exciton separation state, the excitons are configured as shown in FIG. Before the operation of pumping light into the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2, the voltage is applied between the two electrodes 30 and 31 so that electrons and holes are spatially separated. Control to turn off the voltage applied between the two electrodes 30 and 31 may be performed.

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。   That is, in the above-described quantum entanglement generation method, after the initialization of setting the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 to the lower energy state of the exciton separation state, the electrons constituting the exciton and A voltage is applied between the two electrodes 30 and 31 provided on both sides of the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 so that the holes are spatially separated, and the first coupled quantum dot 1 and The voltage applied between the two electrodes 30 and 31 may be turned off before the operation in which the pump light is incident on the second coupled quantum dot 2.

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。
By doing so, electrons and holes constituting excitons are spatially separated by an electric field generated between the two electrodes 30 and 31 during standby from initialization to operation. The child state is stabilized, and the lifetime of the exciton state can be extended.
For example, as shown in FIG. 7, a gate electrode 30 is provided on one side in the vicinity of each coupled quantum dot 1 and 2, a ground electrode 31 is provided on the other side, and a gate voltage is applied during standby, An electric field is applied in a direction orthogonal to the stacking direction of the two quantum dots constituting the coupled quantum dots 1 and 2.

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。
As a result, electrons and holes move in opposite directions within the quantum dot, and as shown in FIG. 8, spatial separation of electron / hole wave functions occurs. Such spatial separation (Stark effect) greatly reduces the exciton recombination probability. As a result, the lifetime of excitons during standby is greatly extended.
Further, as shown in FIGS. 9A and 9B, the above-described quantum entanglement generating device generates an external magnetic field and an alternating magnetic field in each of the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2. It is good also as a thing provided with the magnetic field generation mechanism to do.

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。   Then, after the controller 6 initializes the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 to the lower energy state of the exciton separation state, one of the electrons and holes constituting the exciton The magnetic field generation mechanism is controlled so that the spin direction is changed to be in an optically inactive state, and excitons are formed before the pump light is incident on the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2. The magnetic field generation mechanism may be controlled so that the spin direction of one of electrons and holes is changed to be in an optically active state.

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。   That is, in the above-described quantum entanglement generation method, the electrons constituting the exciton and the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 are initialized after being set to the lower energy state of the exciton separation state, and An external magnetic field and an alternating magnetic field are generated in each of the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 so that the spin direction of one of the holes is changed to be in an optically inactive state, and the first coupled quantum dot is generated. Before the operation in which the pump light is incident on the first and second coupled quantum dots 2, the first coupled quantum is such that the spin direction of one of the electrons and holes constituting the exciton is changed to an optically active state. An external magnetic field and an alternating magnetic field may be generated in each of the dot 1 and the second coupled quantum dot 2.

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。
By doing this, since the spin direction of one of the electrons and holes constituting the exciton changes and becomes an optically inactive state during standby from initialization to operation, the exciton state is It is possible to stabilize and extend the lifetime of the exciton state.
For example, as shown in FIGS. 9 (A) and 9 (B), by using an electron spin resonance (ESR) scheme, a static magnetic field as an external magnetic field and a micro magnetic field as an alternating magnetic field are applied to the coupled quantum dots 1 and 2. By simultaneously applying the wave pulse, one of the spins of electrons and holes constituting the excitons generated in the coupled quantum dots 1 and 2 is inverted. In this case, as a magnetic field generation mechanism, a device that generates a uniform static magnetic field and a device that generates an electromagnetic field corresponding to an alternating magnetic field (for example, a microwave pulse generator) are provided.

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。
Moreover, the area (pulse width) of the microwave pulse as an alternating magnetic field is set to such a size that the spin of one of electrons and holes is just reversed, so that the microwave pulse as an alternating magnetic field is converted into electrons and holes. It can act as a π pulse that just reverses one of the spins.
When the spin of one of the electrons and holes constituting the exciton is reversed in this way, the spin needs to be reversed again for spontaneous emission, but when there is no such final state, Since it is a forbidden transition, spontaneous emission is suppressed.

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。
Thus, by changing the spin state of the exciton, it is possible to stabilize the exciton state during standby and to prolong the lifetime of the exciton state. In addition, since the microwave pulse as an alternating magnetic field is generally far from the mode frequency of the optical waveguide, it is not always necessary to irradiate from the same direction as the pump light.
Here, in order to recombine electrons and holes constituting the exciton to spontaneously emit, that is, to obtain an optically active state, the values of j and m indicating the spin state of the exciton Must be ± 1, that is, the difference between the values of j and m indicating the spin state of the electrons constituting the exciton and the values of j and m indicating the spin state of the hole must be ± 1. .

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。
For example, the values of j and m indicating the spin state of the holes constituting the exciton are 3/2 and -3/2, respectively, and the values of j and m indicating the spin state of the electrons constituting the exciton are 1 respectively. When it becomes / 2, 1/2, the values of j and m indicating the spin state of the exciton are 1, -1, and the optically active state is obtained.
On the other hand, in order to prevent recombination of electrons and holes constituting the exciton and spontaneous emission, that is, to make an optically inactive state, j, m indicating the spin state of the exciton Is different from ± 1, that is, the difference between the values of j and m indicating the spin states of electrons constituting the exciton and the values of j and m indicating the spin states of holes is other than ± 1. good.

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。
For example, the values of j and m indicating the spin state of the holes constituting the exciton are 3/2 and -3/2, respectively, and the values of j and m indicating the spin state of the electrons constituting the exciton are 1 respectively. When / 2 or -1/2, the values of j and m indicating the spin state of the exciton become 2 and -2, and the optically inactive state is obtained.
Thus, by changing the value of m indicating the spin state of the electrons constituting the exciton by exactly 1, excitation from the optically active state to the optically inactive state, or from the optically inactive state to the optically active state. The child's state can be changed.

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。
Therefore, as described above, after initialization, a microwave pulse as an alternating magnetic field is added as a π pulse, so that the optical inactive state becomes an inactive state during standby, and the optical response becomes impossible. Again, by applying a microwave pulse as an AC magnetic field as a π pulse, the optically active state is set to an optically active state during operation.
Further, in the above quantum entanglement generating device, the plurality of coupled quantum dots 1 and 2 constituting each coupled quantum dot group 1X and 2X are arranged in the linear optical waveguides 10 and 11, and the linear optical waveguide 10 However, the present invention is not limited to this.

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。
For example, a plurality of coupled quantum dots 1 and 2 constituting each coupled quantum dot group 1X and 2X may be provided in a line along a curved optical waveguide in a curved optical waveguide. Also in this case, the plurality of coupled quantum dots 1 and 2 constituting each coupled quantum dot group 1X and 2X are provided in series along the optical waveguide in the optical waveguide.
Further, for example, as shown in FIG. 10, the number density and the surface density of the plurality of coupled quantum dots 1 and 2 constituting each coupled quantum dot group 1X and 2X are set to linear or curved optical waveguides 10 and 11, respectively. You may make it change along. That is, the distribution of the plurality of coupled quantum dots 1 and 2 constituting each coupled quantum dot group 1X and 2X may be modulated along the linear or curved optical waveguides 10 and 11.

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。
Further, the optical waveguide provided with the plurality of coupled quantum dots 1 and 2 constituting each coupled quantum dot group 1X and 2X is a mesa-type optical waveguide or light by a photonic crystal in which, for example, microstructures 40 are periodically arranged. A waveguide (for example, see FIG. 11) is preferable.
By doing so, it is possible to strengthen the coupling between the pump light and the coupled quantum dots 1 and 2, improve the generation efficiency of Stokes photons or anti-Stokes photons, and improve the directivity of the Stokes light or anti-Stokes light. it can.

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。   For example, in order to increase the generation efficiency and directivity of Stokes photons or anti-Stokes photons, it is preferable to superimpose contributions from the coupled quantum dots 1 and 2 coherently. For this purpose, it is effective to perform the arrangement of the coupled quantum dots 1 and 2 and the surface density modulation. In addition, optimization of the shape and size of the optical waveguides 10 and 11 is also effective. It is also effective to improve the efficiency by resonating with resonators 50 and 51 such as ring resonators (see FIGS. 12 and 13). These designs involve data such as the wavelength of pump light, Stokes light, or anti-Stokes light, and physical property parameters of the coupled quantum dots 1 and 2.

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。
Further, as shown in FIGS. 12 and 13, the quantum entanglement generation device described above includes coupled quantum dots 1 and 2 on the path, and is based on Raman scattering when pump light is incident on the coupled quantum dots 1 and 2. A resonator 50 having a resonance frequency that matches at least one of the frequencies of the Stokes photon and the anti-Stokes photon may be provided.
For example, the above-described quantum entanglement generating device includes the first coupled quantum dot 1 on the path, and at least the frequencies of Stokes photons and anti-Stokes photons due to Raman scattering when pump light is incident on the first coupled quantum dots 1. Stokes photons and anti-Stokes photons due to Raman scattering when the first resonator 50 having a resonance frequency matching one of the first resonator 50 and the second coupled quantum dot 2 on the path is incident on the second coupled quantum dot 2. And a second resonator 50 having a resonance frequency that matches at least one of these frequencies.

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。   That is, in the above quantum entanglement generation method, the coupled quantum dots 1 and 2 are provided on the path, and at least the frequencies of the Stokes photons and anti-Stokes photons due to Raman scattering when the pump light is incident on the coupled quantum dots 1 and 2 A Stokes photon and anti-Stokes photon caused by Raman scattering when pump light is incident on the coupled quantum dots 1 and 2 may be made to resonate by the resonator 50 having a resonance frequency that coincides with one of them.

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。   For example, in the quantum entanglement generation method described above, the first coupled quantum dot 1 is provided on the path, and at least the frequencies of Stokes photons and anti-Stokes photons due to Raman scattering when pump light is incident on the first coupled quantum dots 1 are used. The first resonator 50 having a resonance frequency that coincides with one of them causes the Stokes photon and anti-Stokes photon caused by Raman scattering when the pump light is incident on the first coupled quantum dot 1 to resonate, and the second coupled quantum dot on the path 2 and a second resonator 50 having a resonance frequency that matches at least one of the Stokes photon and anti-Stokes photon frequencies due to Raman scattering when pump light is incident on the second coupled quantum dot 2. Stokes photon due to Raman scattering when pump light is incident on dot 2 Fine anti-Stokes photons may be caused to resonate.

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。
Here, as the resonator 50, for example, a Fabry-Perot resonator 53 as shown in FIG. 12, a ring resonator 58 as shown in FIG.
For example, as shown in FIG. 12, a Fabry-Perot resonator 53 may be configured by an optical element or an optical waveguide. That is, for example, the Fabry-Perot resonator 53 may be configured by including two half mirrors 51 and 52.

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。
Further, for example, as shown in FIG. 13, a ring resonator 58 may be configured by an optical element or an optical waveguide. That is, for example, the ring resonator 58 may be configured as including two half mirrors 54 and 55 and two mirrors 56 and 57.
In addition, when a mechanism for controlling the resonance frequency of the resonator 50 [for example, the phase modulator 59 (see FIG. 12), etc.] is provided, Control may be performed so as to match at least one of the frequencies of Stokes photons and anti-Stokes photons due to Raman scattering.

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。
By doing in this way, the directivity of Stokes light or anti-Stokes light can be improved. It is also possible to reinforce the coupling between the pump light and the coupled quantum dots 1 and 2. It is also possible to improve conversion efficiency and speed.
In addition, the life of the exciton state is extended by designing the resonance frequency of the resonator 50 to deviate from the exciton, that is, the transition frequency of recombination of electrons and holes constituting the exciton during standby. Is possible.

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。   In addition, the quantum entanglement generation method and the quantum entanglement generation device as described above include, for example, quantum cryptography communication or quantum key distribution such as a quantum transmitter, a quantum repeater, a quantum receiver, and a quantum memory (quantum storage device). The present invention can be applied to a quantum communication device used for quantum communication. A quantum repeater is also referred to as a quantum repeater. The quantum memory can be used not only for quantum communication but also for quantum computation.

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。
For example, in a quantum communication system in which a plurality of quantum communication devices such as a quantum transmitter, a quantum repeater, and a quantum receiver are connected to each other, each of the quantum transmitter, the quantum repeater, and the quantum receiver is as described above. A quantum entanglement generation method and a quantum entanglement generation apparatus can be provided.
Here, quantum communication such as quantum cryptography communication or quantum key distribution is attracting attention as a method having information theoretical security. However, transmission without relay of quantum key distribution is limited to about 50 to about 100 km. It is. For this reason, it is expected to realize quantum relay.

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。   And it is possible to implement | achieve quantum relay by applying the above quantum entanglement production | generation methods and quantum entanglement production | generation apparatuses to a quantum transmitter, a quantum repeater, and a quantum receiver. In particular, by using Stokes photons or anti-Stokes photons that are immediately emitted by pump light irradiation, rather than a method that relies on spontaneous emission that cannot be controlled in timing, two coupled quantum dot groups 1X, 2X (first and second) The two independent photons from the two-coupled quantum dots 1 and 2) coincide with the timing at which the two independent photons pass through the beam splitter 3 to reliably generate quantum entanglement of the two independent photons (see FIG. 1), and the quantum relay Can be realized. Further, the Raman transition and the reverse Raman transition are effectively resonant excitation, and phase relaxation does not occur. Further, since the spin degree of freedom of carriers in the quantum dots is not used, the quantum entanglement is also resistant to deterioration due to spin relaxation.

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。   When quantum entanglement is generated using spontaneously emitted photons, the timings at which two independent photons from the two coupled quantum dot groups (first and second coupled quantum dots) pass through the beam splitter coincide with each other. It is difficult to do. In other words, since spontaneous emission is a stochastic phenomenon, using spontaneously emitted photons, the beam splitter and photon detector are used to match the timing of two independent photons passing through the beam splitter, It is in principle impossible to generate photon quantum entanglement. Of course, if the Purcell effect can be enhanced to the limit, the time constant of spontaneous emission may be asymptotic to zero and the timing may be matched, but the Purcell effect has a feasible upper limit. It is becoming clear that it cannot be at a level where two independent photons can interfere. In addition, when excited by resonance pump pulse light, it is difficult to excite only a single exciton. Further, in ordinary non-resonant excitation that is not Raman scattering, phase relaxation is likely to occur when the excitonic ground state falls after excitation. Further, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-335503, when three electrons are present in one quantum dot to generate quantum entanglement, spin relaxation due to interaction between carriers is reduced. Occurs and the generation of quantum entanglement is incomplete.

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。
Hereinafter, a quantum communication method using a quantum communication system including a quantum transmitter, a quantum repeater, and a quantum receiver to which the quantum entanglement generation method and the quantum entanglement generation device as described above are applied will be described with reference to FIGS. explain.
As shown in FIG. 14, the present quantum communication method uses a plurality of quantum communication devices 63 including a first coupled quantum dot 1 that couples two quantum dots and a second coupled quantum dot 2 that couples two quantum dots, One of the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 provided in the transmission-side quantum communication device 63 (quantum transmitter 60) and the first quantum communication device 63 (quantum receiver 61) provided in the reception-side quantum communication device 63. This is a quantum communication method in which quantum communication is performed using quantum entanglement between transmission and reception of one of the coupled quantum dots 1 and the second coupled quantum dots 2.

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。   Here, as shown in FIG. 15, in each quantum communication device (quantum transmitter 60, multiple quantum repeaters 62, quantum receiver 61) 63, the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 are In the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2, the energy state of the lower exciton separation state is set, and the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 are connected to the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2. A first pump light having an energy smaller than the energy difference between the lower energy state of the exciton separation state and the higher energy state of the exciton localized state in the coupled quantum dot 2 is incident, and the first pump light is incident. When the Stokes photon due to Raman scattering is detected by one of the two photon detectors 4 and 5 as the first photon detector via the first beam splitter 3 Shall apparatus in the quantum entanglement is generated.

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。   Further, as shown in FIG. 16, in two adjacent quantum communication devices 63, one of the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 provided in one of the two adjacent quantum communication devices 63, and One of the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2 provided in the other of the two adjacent quantum communication devices 63 has a high exciton separation state in the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2. The second pump light having an energy smaller than the energy difference between the upper energy state and the higher energy state of the exciton localized state is incident, and the anti-Stokes photon due to Raman scattering when the second pump light is incident, When one of the two photon detectors 4 and 5 serving as the second photon detector is detected via the second beam splitter 3, the quantum interanging between adjacent devices is detected. It is assumed that the instrument has been generated.

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。
Then, in-device quantum entanglement is generated in all the quantum communication devices 63, and when the inter-adjacent device quantum entanglement is generated in all the two adjacent quantum communication devices 63, transmission / reception quantum entanglement is generated. As a result, quantum communication is performed using quantum entanglement between transmission and reception.
Such a quantum communication method using a quantum communication system (quantum relay method using a quantum relay system) to which the above-described quantum entanglement generation method or quantum entanglement generation device is applied, includes excitons generated in coupled quantum dots 1 and 2. The quantum relay is realized by utilizing the Raman interaction of the pump light.

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。
Hereinafter, the operation of the quantum communication system (each quantum communication device), that is, the quantum communication method will be described more specifically with reference to FIGS.
First, the quantum communication system, that is, each quantum communication device 63 (quantum transmitter 60, multiple quantum repeaters 62, quantum receiver 61; node) is initialized. In other words, excitons are generated in the coupled quantum dots 1 and 2 included in the two coupled quantum dot groups 1X and 2X provided in each quantum communication device 63, and are set in an initialized state. The quantum repeater 62 is also referred to as a communication point or a relay point.

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。
Here, in order to prevent multiple excitation, a sufficiently weak initialization pump pulse light is incident on the two coupled quantum dot groups 1X and 2X via the optical waveguides 10 and 11 using an initialization laser light source. (See FIG. 4).
Here, the initialization pump pulse light resonates with the excitation energy from the ground state (the state where no exciton is present) to the lower energy state | g> of the exciton-separated state or is excited from the ground state. It is assumed that the energies are higher than the excitation energy to the lower energy state | g> of the exciton-separated state and lower than the excitation energy to the higher energy state | s> of the exciton-separated state. The energy state is lowered to the lower energy state | g> of the exciton-separated state by energy relaxation by scattering or the like, or Raman transition accompanied by Stokes light. Thus, if the condition of weak excitation is satisfied, the probability of multicarrier excitation is extremely low.

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。   In this way, excitons are generated in a certain proportion of the coupled quantum dots 1 and 2 of the plurality of coupled quantum dots 1 and 2 included in the two coupled quantum dot groups 1X and 2X. The energy state | g> of the lower separation state can be obtained. That is, | g> state excitons are generated in this way. The coupled quantum dots 1 and 2 in which excitons are not generated are not used until the next routine.

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。 Here, the two coupled quantum dot groups 1X and 2X provided in the i-th quantum communication device 63 are α i and β i , respectively, and the quantum states of these coupled quantum dot groups α i and β i are as follows: It represents as follows.

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。
In this way, after excitons are generated in the coupled quantum dots 1 and 2 included in the two coupled quantum dot groups 1X and 2X to be in an initialized state, the initialized exciton state is stabilized here. The standby state can be maintained.
Here, by applying a gate voltage to the gate electrode 30 (see FIG. 7) provided in the vicinity of each coupled quantum dot group 1X, 2X, all coupled quantum dots included in each coupled quantum dot group 1X, 2X. A gate voltage (gate electric field) is applied adiabatically to 1 and 2, and the electrons and holes constituting the | g> -state excitons are separated laterally by the Stark effect. When the gate voltage is applied (ε ≠ 0), it is expressed by the following wave equation of the electron of a quantum dot having a large size when the electric field ε is applied, and the following lower equation. In addition, since the overlap with the wave function of the holes of the quantum dots having a small size when the electric field ε is applied is reduced (see FIG. 8), the recombination lifetime is dramatically increased. For example, the lifetime of excitons having an order of several ns to 10 ns is dramatically increased.

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。
In this manner, the lifetime of the exciton is prolonged, and the initialized exciton state (quantum state of each coupled quantum dot group) is set to a standby state that can be stably maintained.
Next, as shown in FIG. 15, quantum entanglement is generated in each quantum communication device 63. That is, in-device quantum entanglement is generated.
Here, the following operations are performed on the two coupled quantum dot groups 1X, 2X (α i , β i ) provided in each quantum communication device 63.

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E−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E−Δ)を取り出す。
First, the gate voltage is adiabatically returned to zero.
Next, using a laser light source 7 for pump (for Raman process; for Stokes process), detuning is set as Δ, and non-resonant pump pulse light (energy E 1 −Δ) between | g> − | e> is introduced. Then, this is irradiated to two coupled quantum dot groups 1X, 2X (α i , β i ), and weak Stokes light (energy E 2 −Δ) having an average photon number of 1 or less is extracted by a Raman process (Stokes process). .

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。 At this time, the time difference of the input to the coupled quantum dot groups 1X, 2X (α i , β i ) of the pump pulse light from the pumping laser light source 7 is finely adjusted to provide two coupled quantum dot groups 1X, 2X. The scattered output from (α i , β i ) is set so as to pass through a 50:50 beam splitter (BS) 3 synchronously, and two beams are detected by two photon detectors (photon number detectors) 4 and 5. Capture. That is, the Stokes photons are detected by the two photon detectors 4 and 5 by causing the beam splitter 3 to interfere with the Stokes scattered light from the coupled quantum dot groups 1X and 2X (α i , β i ) by the synchronized pump pulse light. To do.

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。 When only one of the two photon detectors 4 and 5 detects one Stokes photon, a bell state as shown below is specified and each quantum communication device 63 is provided with 2 Quantum entanglement (in-device quantum entanglement) is generated between the coupled quantum dot groups 1X and 2X (α i , β i ). This is called post-selection (post-selection) by detecting one Stokes photon.

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。
If such an operation is successful, the gate voltage is applied again to return to the standby state.
Although there is a high probability that no Stokes photons are detected, in this case, the above operation is repeated again. In addition, although the probability is small, when two or more Stokes photons are detected, the gate voltage is left at zero, waits for all excitons to recombine, and starts again from initialization.

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。   Next, as shown in FIG. 16, quantum entanglement is generated in two adjacent quantum communication devices 63. That is, as described above, the quantum entanglement between adjacent devices is generated starting from the state in which the in-device quantum entanglement has already been formed in all the quantum communication devices 63 on the transmission / reception path. This is also called quantum entanglement swapping.

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βとαi+1のペア)に対して、次のような操作を行なう。 Here, one of the two adjacent quantum communication devices 63 (for example, the quantum transmitter 60 and the first quantum repeater 62, the two adjacent quantum repeaters 62, the last quantum repeater 62 and the quantum receiver 61) is provided. The following operation is performed on one coupled quantum dot group 2X (β i ) and one coupled quantum dot group 1X (α i + 1 ) (here, a pair of β i and α i + 1 ) provided on the other side. .

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E−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E−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。
First, the gate voltage is adiabatically returned to zero.
Next, using a laser light source 7 for pump (for reverse Raman process; for anti-Stokes process), detuning is Δ, and non-resonant pump pulse light (energy E 2 −Δ) between | s> − | e> Is irradiated to two coupled quantum dot groups, and weak anti-Stokes light (energy E 1 −Δ) having an average photon number of 1 or less is extracted by an inverse Raman process (anti-Stokes process). This non-resonant pump pulse light is also referred to as retrieval pulse light.

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。 At this time, the time difference of the input to the coupled quantum dot groups 1X, 2X (α i , β i + 1 ) of the pump pulse light from the pumping laser light source 7 is finely adjusted to provide two coupled quantum dot groups 1X, 2X. The scattered output from (α i , β i + 1 ) is set so as to pass through a 50:50 beam splitter (BS) 3 synchronously, and two beams are detected by two photon detectors (photon number detectors) 4 and 5. Capture. That is, anti-Stokes photons from the coupled quantum dot groups 1X and 2X (α i , β i + 1 ) by the synchronized pump pulse light are caused to interfere with each other by the beam splitter 3 and the two photon detectors 4 and 5 provide anti-Stokes photons. Is detected.

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E−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。 Note that anti-Stokes photons generated in one coupled quantum dot group 2X (β i + 1 ) provided in one of the two adjacent quantum communication devices 63 are transmitted to the other via, for example, the optical fiber 64. For this reason, it is desirable that the energy E 1 -Δ of the anti-Stokes photons be in the low-loss transmission wavelength band of the optical fiber 64. Further, the anti-Stokes photons may be transmitted to any of the two adjacent quantum communication devices 63.

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。 When only one of the two photon detectors 4 and 5 detects one anti-Stokes photon, the bell state as shown below is specified, and two adjacent quantum communication devices 63 are detected. It is assumed that a quantum entanglement (quantum entanglement between adjacent devices) is generated between the two coupled quantum dot groups 1X and 2X (α i , β i + 1 ) included in FIG. This is called post-selection (post-selection) by detecting one anti-Stokes photon.

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。
If such an operation is successful, the gate voltage is applied again to return to the standby state.
If no anti-Stokes photons are detected, the above operation is repeated again. When two or more anti-Stokes photons are detected, the two adjacent quantum communication devices 63 are left with the gate voltage set to zero and wait for all excitons to recombine. Redo from the operations to initialize and generate in-device quantum entanglement.

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)。   As described above, in-device quantum entanglement is generated in each of all the quantum communication devices 63, and the inter-adjacent device quantum entanglement in each of the two adjacent quantum communication devices 63 in which the in-device quantum entanglement is generated. As a result, the bell state as shown below is specified, and the inter-transmission / reception quantum entanglement is generated at both ends of the quantum relay communication path (transmission line) (see FIG. 14). That is, quantum entanglement is generated between one coupled quantum dot group 1X provided in the quantum transmitter 60 and one coupled quantum dot group 2X provided in the quantum receiver 61 (see FIG. 14).

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。   Then, by applying a phase factor, this quantum entanglement state can be made substantially into the following form.

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。   Here, after generating in-device quantum entanglement in each of all the quantum communication devices 63, in each of the two adjacent quantum communication devices 63 in which the in-device quantum entanglement is generated, between adjacent devices quantum entanglement However, the present invention is not limited to this. For example, the generation of in-device quantum entanglement and the generation of inter-adjacent quantum entanglement are performed on the transmission side or reception with respect to two adjacent quantum communication devices 63. You may make it perform in order from the side.

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。
In this way, quantum entanglement can be generated even when the distance between the sender and the receiver of communication is long, and quantum relay can be realized. Quantum communication (quantum communication protocol) such as key extraction and quantum teleportation can be realized.
For example, the quantum entanglement generated as described above can be used as a resource of a QKD protocol (for example, the Ekert91 system). The Ekert91 system is described, for example, in Artur E. Ekert, “Quantum cryptography based on Bell's Theorem”, Physical Review Letters, vol. 67, No. 6, pp. 661-663, 5 August 1991.

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。   Therefore, according to the quantum entanglement generation method, the quantum entanglement generation device, the quantum communication device, the quantum communication system, and the quantum communication method according to the present embodiment, the beam splitter can be used without using spontaneously emitted photons that cannot be controlled in timing. And the photon detector to match the timing of the two independent photons passing through the beam splitter, so that the quantum entanglement of the two independent photons (ie, the first coupled quantum dot 1 and the second coupled quantum dot 2). (Quantum entanglement) can be reliably generated.

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。
In addition, this invention is not limited to the structure described in embodiment mentioned above, A various deformation | transformation is possible in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, in the quantum entanglement generation method of the above-described embodiment, at least one of the first coupled quantum dots and the second coupled quantum dots is provided on the front surface side with respect to the potential of the back surface electrode provided on the back surface side. A voltage may be applied to the surface electrode to adjust the superposition phase of the quantum entanglement of the first coupled quantum dots and the second coupled quantum dots.

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。   In this case, the quantum entanglement generating device according to the above-described embodiment includes the back surface electrode provided on the back surface side of each of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot, the first coupled quantum dot, and the second coupled quantum dot. And a surface electrode provided on each surface side. The controller performs control for applying a voltage to the front surface electrode with respect to the potential of the back surface electrode in at least one of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot, so that the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot The phase of superposition of the quantum entanglements may be adjusted.

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。   For example, as shown in FIG. 17, the back surface side of each of the coupled quantum dot group 1X as the first coupled quantum dot 1 and the coupled quantum dot group 2X as the second coupled quantum dot 2, here, the substrate 70 The surface provided on the surface side with respect to each of the back surface electrode 71 provided on the back surface side and the coupled quantum dot group 1X as the first coupled quantum dot 1 and the coupled quantum dot group 2X as the second coupled quantum dot 2 An electrode 72 is provided. Here, it is assumed that the surface electrode 72 is provided on both sides of the coupled quantum dot group 1X as the first coupled quantum dot 1 and the coupled quantum dot group 2X as the second coupled quantum dot 2.

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|S>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。 Then, in at least one of the coupled quantum dot group 1X and the coupled quantum dot group 2X, a voltage is applied to the front electrode 72 with respect to the potential of the back electrode 71, and the | s> state based on the energy of the | g> state The phase of superposition of the quantum entanglement of the coupled quantum dot group 1X and the coupled quantum dot group 2X is increased or decreased by increasing or decreasing the energy of | S 1 > state based on the energy of | G> state. You may adjust it.

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、|S>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。 Here, the energy in the | g> state is the lower energy state from the ground state to the exciton separation state. The energy in the | s> state is the higher energy state in the exciton separation state. Also, the energy of the | G> state is the energy of the coupled quantum dot group 1X (2X) when the energy states of excitons of all the coupled quantum dots 1 and 2 included in the coupled quantum dot groups 1X and 2X are | g>. Energy state. Also, the energy of the | S 1 > state is | s> only in the energy state of the exciton of one coupled quantum dot 1 or 2 included in the coupled quantum dot groups 1X and 2X, and the remaining coupled quantum dots 1 and 2 This is the energy state of the coupled quantum dot groups 1X and 2X when the energy state of the exciton of | g>.

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Eを基準にした|s>状態のエネルギーEを増減させて、|G>状態のエネルギーを基準にした|S>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 For example, in one of the coupled quantum dot group 1X and the coupled quantum dot group 2X, the same voltage of the same polarity (same sign) is applied to the front surface electrode 72 on both sides with respect to the potential of the back surface electrode 71 for a predetermined time t. By increasing or decreasing | s> state energy E s based on | g> state energy E g , and increasing or decreasing | S 1 > state energy based on | G> state energy, Quantum entanglement states shown below

の重ね合わせの位相を、 The phase of the superposition of

と調整することができる。
ここで、δ=(E′−E)+(E−E′)である。また、E′及びE′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。
And can be adjusted.
Here, δ = (E s ′ −E s ) + (E g −E g ′). E s ′ and E g ′ are the energy of the | s> state and the | g> state after application of the electric field.
By having the function of adjusting the phase of superposition of such quantum entanglement states, it is possible to share standard quantum entanglement between the transmitting side and the receiving side as described below. Become.

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。   Further, for example, as shown in FIG. 18, the phase of the quantum state of the standard coupled quantum dot group α (first coupled quantum dot 1; coupled quantum dot group 1X) is prepared in a predetermined phase state, which becomes the standard. Pump light from the laser light source 7 for the reverse process is incident on the coupled quantum dot group α and the coupled quantum dot group β (second coupled quantum dot 2; coupled quantum dot group 2X) to be measured. Then, anti-Stokes photons due to Raman scattering when the pump light is incident are detected by two photon detectors (photon number detectors) 4 and 5 via the beam splitter 3 and measured based on the detected information. Projection measurement of the phase of the quantum state of the target coupled quantum dot group β can be performed.

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。
Here, preparing the phase of the quantum state of the standard coupled quantum dot group α in a predetermined phase state means a standard coupled quantum dot group in which the phase of the quantum state is specified, that is, a standard state used for projection measurement. Is to create a group of coupled quantum dots.
The coupled quantum dot group α in the standard state used for the projection measurement can be created as follows, for example.

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|S>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。 That is, first, the coupled quantum dot group α is initialized to the | G> state by the laser light source for initialization. Next, as shown in FIGS. 19A and 19B, pump light Pp and Pr from both the forward process laser light source and the reverse process laser light source are simultaneously applied to the coupled quantum dot group α. Irradiate. And the intensity | strength of the pump light from both laser light sources is temporally changed with an attenuator, as shown in FIG. That is, the reverse process laser light source is first started, and then the forward process laser light source is started. Then, the intensity is shifted to zero so that the intensity is the same. As a result, the wave function in the final state is an even superposition of the | G> state and the | S 1 > state, as shown in FIG. This physical process is called Stimulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP) in atomic optics. Since this process hardly depends on the absolute intensity of the laser, it is easy to control. After such a state, the coupled quantum dot group α in the standard state used for the projection measurement is further adjusted by adjusting the phase to a desired value using the above-described method for adjusting the phase of the superposition of the quantum entanglement state. That is, it is possible to create a coupled quantum dot group α that is a standard in which the phase of the quantum state is specified. In this way, after the superposition state is created, by adjusting the superposition phase, it is possible to create a coupled quantum dot group α in a standard state used for projection measurement, in which the vector direction is also defined.

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。   Here, pump light from the laser light source 7 for the reverse process is incident, and anti-Stokes photons due to Raman scattering when the pump light is incident are detected by the photon detectors 4 and 5 via the beam splitter 3. Thus, the phase of the quantum state of the coupled quantum dot group β to be measured is projected and measured. However, the present invention is not limited to this, and the pump light from the forward process laser light source 7 is incident. The Stokes photons due to Raman scattering may be detected by the photon detectors 4 and 5 via the beam splitter 3 to projectively measure the phase of the quantum state of the coupled quantum dot group β to be measured.

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。   As described above, in the projection measurement method according to the present embodiment, pump light is applied to the standard coupled quantum dot in which two quantum dots are coupled and the phase of the quantum state is specified, and the measurement target coupled quantum dot in which the two quantum dots are coupled. The Stokes photon or anti-Stokes photon due to Raman scattering when the pump light is incident is detected by the photon detector via the beam splitter, and the phase of the quantum state of the measurement target coupled quantum dot is projected and measured. Accordingly, there is an advantage that the projection measurement can be surely performed by using the beam splitter and the photon detector to match the timing.

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α、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。 Furthermore, using such a projection measurement of the phase of the quantum state of the coupled quantum dot group, for example, as shown in FIG. 21, the transmission-side quantum communication device 63 (quantum transmitter 60) and the reception-side quantum communication device 63 In each of the (quantum receiver 61), the projection measurement of the phase of the quantum state of the two coupled quantum dot groups included therein can be performed, and the key extraction and the security check can be performed according to the Ekert91 protocol. That is, for each quantum entanglement state of the quantum transmitter 60 and the quantum receiver 61, the quantum state of each coupled quantum dot group is obtained by using the projection measurement of the phase of the coupled quantum dot group as described above. The phase can be projected and key extraction and security checks can be performed according to the Ekert91 protocol. In this case, for the coupled quantum dot group α 1 provided in the quantum transmitter 60 and the coupled quantum dot group β N + 1 provided in the quantum receiver 61, as described above, as the standard coupled quantum dot group, its quantum state Are prepared in a predetermined phase state. In this way, standard quantum entanglement can be shared between the transmitting side and the receiving side.

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。   Here, when performing the projection measurement of the phase of the quantum state of each coupled quantum dot group using the projection measurement of the phase of the quantum state of the coupled quantum dot group as described above, an arbitrary direction on the equator of the qubit is set. Projection measurement with respect to the Bloch vector facing is possible. In other words, by using the projection measurement of the phase of the quantum state of the coupled quantum dot group as described above, after creating the superposition state, by adjusting the superposition phase, the vector orientation is also specified. A coupled quantum dot group in a standard state to be used is created, and projection measurement is performed using the group as described above, thereby enabling projection measurement regarding a Bloch vector pointing in an arbitrary direction on the equator of the qubit.

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|S>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。
For this reason, for example, in quantum cryptography communication, it is possible to perform projection measurement with a plurality of bases. For example, when the transmission / reception quantum entanglement is generated on the transmission side and the reception side, each of the transmission-side quantum communication device and the reception-side quantum communication device includes two coupled quantum dot groups included in the plurality of coupled quantum dot groups. It is possible to perform projective measurement on the basis.
In other words, the projection measurement on the calculation basis, that is, the measurement for determining whether | G> or | S 1 > is performed, the pump light is incident in the setting of the forward process or the reverse process, and the Stokes photons or anti-Stokes photons emitted This can be done with or without detection. On the other hand, it may be necessary to perform projection measurements on multiple bases, for example, when quantum cryptography communication, when transmission and reception quantum entanglement is generated on the transmission side and reception side, etc. In addition, by using the projection measurement of the phase of the quantum state of the coupled quantum dot group as described above, the projection measurement of the phase of the quantum state of each coupled quantum dot group can be performed to perform projection measurement on a plurality of bases. It becomes possible.

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。   Thus, in the quantum communication method of the above-described embodiment, in each of the quantum communication device on the transmission side and the quantum communication device on the reception side, the other of the first coupled quantum dots and the second coupled quantum dots is changed to the phase of the quantum state. The coupled quantum dot becomes the specified standard, and the phase measurement of the quantum state of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot is measured, and quantum communication can be performed by using quantum entanglement between transmission and reception. That is, quantum communication can be realized by combining the quantum entanglement generation method of the above-described embodiment and the above-described projection measurement method.

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。
Hereinafter, additional notes will be disclosed regarding the above-described embodiment.
(Appendix 1)
Pump light is incident on a first coupled quantum dot obtained by coupling two quantum dots and a second coupled quantum dot obtained by coupling two quantum dots,
A Stokes photon or anti-Stokes photon due to Raman scattering when the pump light is incident is detected by a photon detector via a beam splitter, and quantum entanglement between the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot is performed. A quantum entanglement generation method comprising: generating a quantum entanglement.

(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。
(Appendix 2)
Prior to the step of injecting the pump light, the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot are placed in the lower energy state of the exciton separation state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. age,
In the step of injecting the pump light, the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot are excited in the lower energy state of the exciton separation state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. 2. The quantum entanglement generating method according to appendix 1, wherein pump light having an energy smaller than an energy difference between energy states of higher child localized states is incident.

(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。
(Appendix 3)
The step of injecting the pump light includes the step of exciting the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot with the lower energy state of the exciton separation state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. A step of entering a first pump light having an energy smaller than an energy difference between the higher energy states of the child localized states, and the first coupled quantum dots on the first coupled quantum dots and the second coupled quantum dots And injecting the second pump light having an energy smaller than the energy difference between the higher energy state of the exciton separation state and the higher energy state of the exciton localized state in the second coupled quantum dot. ,
The step of generating the quantum entanglement includes detecting the Stokes photon due to Raman scattering when the first pump light is incident by the photon detector via the beam splitter, and generating the first quantum entanglement as the first quantum entanglement. A step of generating quantum entanglement, and the anti-Stokes photons due to Raman scattering when the second pump light is incident are detected by the photon detector via the beam splitter, and second quantum entanglement is detected. Generating quantum entanglement,
Prior to the step of entering the first pump light, the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot are moved to a lower exciton separation state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. Energy state,
Performing a step of generating the first quantum entanglement after the step of entering the first pump light;
After the step of generating the first quantum entanglement, performing a step of entering the second pump light,
The quantum entanglement generation method according to appendix 1, wherein a step of generating the second quantum entanglement is performed after the step of entering the second pump light.

(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。
(Appendix 4)
In the step of generating the quantum entanglement, the Stokes photon or the anti-Stokes photon caused by Raman scattering when the pump light is incident on the first coupled quantum dot is passed, and the pump light is blocked. A filter, passing through the Stokes photon or the anti-Stokes photon due to Raman scattering when the pump light is incident on the second coupled quantum dot, and passing through the second filter and the beam splitter that block the pump light Any one of the first photon detector and the second photon detector serving as the photon detector generates the quantum entanglement according to any one of appendices 1 to 3. The quantum entanglement generation method as described.

(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。
(Appendix 5)
The first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot are initialized so as to have an energy state having a lower exciton separation state, so that the electrons and holes constituting the exciton are spatially separated. An operation in which a voltage is applied between two electrodes provided on both sides of each of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot, and the pump light is incident on the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. The method of generating quantum entanglement according to any one of appendices 1 to 4, wherein the voltage applied between the two electrodes is turned off before time.

(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。
(Appendix 6)
After the initialization of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot to the lower energy state of the exciton separation state, the direction of one of the spins of electrons and holes constituting the exciton is changed. An external magnetic field and an alternating magnetic field are generated in each of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot so as to be in an optically inactive state, and the pump is coupled to the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. Before the operation of entering light, the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot are arranged such that the spin direction of one of electrons and holes constituting the exciton is changed to an optically active state. The quantum entanglement generation method according to any one of appendices 1 to 5, wherein an external magnetic field and an alternating magnetic field are generated in each of the above.

(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。
(Appendix 7)
The first coupled quantum dots and the second coupled quantum dots are provided in an optical waveguide, and include a plurality of first coupled quantum dots and a plurality of second coupled quantum dots provided in series along the optical waveguide. The quantum entanglement generation method according to any one of appendices 1 to 6, characterized in that:

(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。
(Appendix 8)
The first coupled quantum dot is provided on a path, and has a resonance frequency that matches at least one of the frequencies of the Stokes photon and the anti-Stokes photon due to Raman scattering when the pump light is incident on the first coupled quantum dot. The first resonator causes the Stokes photon and the anti-Stokes photon due to Raman scattering to resonate when the pump light is incident on the first coupled quantum dot,
The second coupled quantum dot is provided on a path, and has a resonance frequency that matches at least one of the frequencies of the Stokes photon and the anti-Stokes photon due to Raman scattering when the pump light is incident on the second coupled quantum dot. Any one of appendices 1 to 7, wherein the second resonator causes the Stokes photon and the anti-Stokes photon caused by Raman scattering to resonate when the pump light is incident on the second coupled quantum dot. The quantum entanglement generation method described in 1.

(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。
(Appendix 9)
In at least one of the first coupled quantum dots and the second coupled quantum dots, a voltage is applied to the front surface electrode provided on the front surface side with respect to the potential of the back surface electrode provided on the back surface side, and the first coupling The quantum entanglement generation method according to any one of appendices 1 to 8, wherein a phase of superposition of quantum entanglements of quantum dots and the second coupled quantum dots is adjusted.

(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。
(Appendix 10)
A first coupled quantum dot in which two quantum dots are coupled;
A second coupled quantum dot in which two quantum dots are coupled;
A photon detector that detects Stokes photons or anti-Stokes photons by Raman scattering when pump light is incident on the first coupled quantum dots and the second coupled quantum dots via a beam splitter;
A quantum entanglement generation device comprising: a controller that generates quantum entanglement of the first coupled quantum dots and the second coupled quantum dots based on detection information from the photon detector.

(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。
(Appendix 11)
Pump light having an energy smaller than the energy difference between the energy state of the lower exciton separation state and the energy state of the higher exciton localized state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot is emitted. With a pump light source,
The controller sets the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot to the first energy state of the lower exciton separation state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. 11. The quantum entanglement generation device according to appendix 10, wherein the pump light source is controlled so that the pump light is incident on a coupled quantum dot and the second coupled quantum dot.

(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。
(Appendix 12)
A first pump light having an energy smaller than an energy difference between an energy state of a lower exciton separation state and an energy state of a higher exciton localized state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot; A first pump light source that emits;
Second pump light having an energy smaller than the energy difference between the higher energy state of the exciton separation state and the higher energy state of the exciton localized state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. A second pump light source that emits,
The controller sets the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot to the first energy state of the lower exciton separation state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. The first pump light source is controlled so that the first pump light is incident on the coupled quantum dots and the second coupled quantum dots, and the Stokes photons due to Raman scattering when the first pump light is incident are Based on detection information from the photon detector detected through a beam splitter, the first quantum entanglement is generated as the quantum entanglement, and then the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot are The second pump light source is controlled so that the second pump light is incident, and the Raman scattering when the second pump light is incident. The second quantum entanglement is generated as the quantum entanglement based on detection information from the photon detector that detects the anti-Stokes photon by the beam splitter via the beam splitter. Quantum entanglement generator.

(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。
(Appendix 13)
A first filter that passes the Stokes photon or the anti-Stokes photon due to Raman scattering when the pump light is incident on the first coupled quantum dot, and blocks the pump light;
A second filter that passes the Stokes photon or the anti-Stokes photon due to Raman scattering when the pump light is incident on the second coupled quantum dot, and blocks the pump light;
The controller detects the Stokes photon or the anti-Stokes photon via the first filter, the second filter, and the beam splitter, and the first photon detector and the second photon detector as the photon detector. The quantum entanglement generation device according to any one of appendices 10 to 12, wherein the quantum entanglement is generated based on detection information from any one of the above.

(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。
(Appendix 14)
Two electrodes provided on both sides of each of the first coupled quantum dots and the second coupled quantum dots,
The controller may spatially separate the electrons and holes constituting the excitons after the first coupled quantum dots and the second coupled quantum dots are initialized to have a lower energy state in the exciton separation state. And applying a voltage between the two electrodes before the pump light is incident on the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. 14. The quantum entanglement generation device according to any one of appendices 10 to 13, wherein control for turning off a voltage is performed.

(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。
(Appendix 15)
A magnetic field generation mechanism for generating an external magnetic field and an alternating magnetic field in each of the first coupled quantum dots and the second coupled quantum dots;
The controller sets the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot to the lower energy state of the exciton-separated state, and then initializes one of the spins of electrons and holes constituting the exciton. The magnetic field generation mechanism is controlled so that the direction is changed to an optically inactive state, and the exciton is set before the operation of injecting the pump light into the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. 15. The quantum entanglement according to any one of appendices 10 to 14, wherein the magnetic field generation mechanism is controlled so that one of the electrons and holes constituting the spin direction changes to be in an optically active state. Generator.

(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。
(Appendix 16)
The first coupled quantum dots and the second coupled quantum dots are provided in an optical waveguide, and include a plurality of first coupled quantum dots and a plurality of second coupled quantum dots provided in series along the optical waveguide. The quantum entanglement generation device according to any one of appendices 10 to 15, characterized in that:

(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。
(Appendix 17)
The first coupled quantum dot is provided on a path, and has a resonance frequency that matches at least one of the frequencies of the Stokes photon and the anti-Stokes photon due to Raman scattering when the pump light is incident on the first coupled quantum dot. A first resonator;
The second coupled quantum dot is provided on a path, and has a resonance frequency that matches at least one of the frequencies of the Stokes photon and the anti-Stokes photon due to Raman scattering when the pump light is incident on the second coupled quantum dot. The quantum entanglement generation device according to any one of appendices 10 to 16, further comprising a second resonator.

(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。
(Appendix 18)
A back electrode provided on each back side of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot;
A surface electrode provided on each surface side of the first coupled quantum dots and the second coupled quantum dots,
The controller performs control for applying a voltage to the front surface electrode with respect to the potential of the back surface electrode in at least one of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot, and the first coupled quantum dot and the 18. The quantum entanglement generation device according to any one of appendices 10 to 17, wherein a phase of superposition of quantum entanglements of the second coupled quantum dots is adjusted.

(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。
(Appendix 19)
A quantum communication device comprising the quantum entanglement generation device according to any one of appendices 10 to 18.
(Appendix 20)
A plurality of quantum communication devices including the quantum entanglement generation device according to any one of appendices 10 to 18,
The quantum communication system, wherein the plurality of quantum communication devices are connected to each other.

(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。
(Appendix 21)
The first coupled quantum dot provided in the transmission-side quantum communication device using a plurality of quantum communication devices including a first coupled quantum dot coupled with two quantum dots and a second coupled quantum dot coupled with two quantum dots. And one of the second coupled quantum dots and one of the first coupled quantum dots and one of the second coupled quantum dots provided in the quantum communication device on the receiving side perform quantum communication using quantum entanglement between transmission and reception A method,
In each of the quantum communication devices,
The first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot are in the lower energy state of the exciton separation state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot,
In the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot, the lower energy state of the exciton separation state and the higher energy of the exciton localized state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot The first pump light having an energy smaller than the energy difference between the states is incident,
In-device quantum entanglement when Stokes photons due to Raman scattering when the first pump light is incident are detected by one of the two photon detectors as the first photon detector via the first beam splitter. That the
In the two adjacent quantum communication devices,
One of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot provided in one of the two adjacent quantum communication devices, and the first coupled quantum dot provided in the other of the two adjacent quantum communication devices And an energy difference between the higher energy state of the exciton-separated state and the higher energy state of the exciton localized state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. A second pump light having an energy smaller than
When an anti-Stokes photon due to Raman scattering when the second pump light is incident is detected by one of the two photon detectors as the second photon detector via the second beam splitter, it is between adjacent devices. Suppose quantum entanglement has been generated,
The intra-device quantum entanglement is generated in all the quantum communication devices, and the inter-adjacent device quantum entanglement is generated in all the adjacent two quantum communication devices. As another example, a quantum communication method comprising performing quantum communication using the inter-transmission / reception quantum entanglement.

(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。
(Appendix 22)
In each of the quantum communication device on the transmission side and the quantum communication device on the reception side, the other of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot is a coupled quantum dot serving as a standard in which the phase of the quantum state is specified. Supplementary note 21, characterized in that the phase measurement of the quantum state of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot is measured and the quantum communication is performed using the inter-transmission / reception quantum entanglement. Quantum communication method.

(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。
(Appendix 23)
The pump light is incident on a standard coupled quantum dot in which two quantum dots are coupled and a phase of the quantum state is specified, and a measurement target coupled quantum dot in which two quantum dots are coupled,
A Stokes photon or anti-Stokes photon due to Raman scattering when the pump light is incident is detected by a photon detector via a beam splitter, and the phase of the quantum state of the measurement target coupled quantum dot is projected and measured. Projection measurement method.

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
1 coupled quantum dots (first coupled quantum dots)
2 coupled quantum dots (second coupled quantum dots)
1X, 2X coupled quantum dot group 3 beam splitter 4, 5 photon detector 6 controller 7 pump light source 8, 9 filter 10, 11 optical waveguide 12 beam splitter 13 optical path length adjustment unit 20 GaAs substrate 21 GaAs buffer layer 22 n-GaAs layer 23 AlGaAs layer 24 Lower InAs quantum dot 25 AlGaAs cap layer 26 Upper InAs quantum dot 27 AlGaAs cap layer 28 n-GaAs layer 30 Gate electrode (electrode)
31 Ground electrode (electrode)
40 Microstructure 50 Resonator 51, 52 Half mirror 53 Fabry-Perot resonator 54, 55 Half mirror 56, 57 Mirror 58 Ring resonator 59 Phase modulator 60 Quantum transmitter 61 Quantum receiver 62 Quantum repeater 63 Quantum communication equipment 64 Optical fiber 70 Substrate 71 Back electrode 72 Front electrode

Claims (14)

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。
Pump light is incident on a first coupled quantum dot obtained by coupling two quantum dots and a second coupled quantum dot obtained by coupling two quantum dots,
A Stokes photon or anti-Stokes photon due to Raman scattering when the pump light is incident is detected by a photon detector via a beam splitter, and quantum entanglement between the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot is performed. A quantum entanglement generation method comprising: generating a quantum entanglement.
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。
Prior to the step of injecting the pump light, the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot are placed in the lower energy state of the exciton separation state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. age,
In the step of injecting the pump light, the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot are excited in the lower energy state of the exciton separation state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. 2. The quantum entanglement generation method according to claim 1, wherein pump light having an energy smaller than an energy difference between energy states of higher child localized states is incident.
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。
The step of injecting the pump light includes the step of exciting the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot with the lower energy state of the exciton separation state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. A step of entering a first pump light having an energy smaller than an energy difference between the higher energy states of the child localized states, and the first coupled quantum dots on the first coupled quantum dots and the second coupled quantum dots And injecting the second pump light having an energy smaller than the energy difference between the higher energy state of the exciton separation state and the higher energy state of the exciton localized state in the second coupled quantum dot. ,
The step of generating the quantum entanglement includes detecting the Stokes photon due to Raman scattering when the first pump light is incident by the photon detector via the beam splitter, and generating the first quantum entanglement as the first quantum entanglement. A step of generating quantum entanglement, and the anti-Stokes photons due to Raman scattering when the second pump light is incident are detected by the photon detector via the beam splitter, and second quantum entanglement is detected. Generating quantum entanglement,
Prior to the step of entering the first pump light, the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot are moved to a lower exciton separation state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. Energy state,
Performing a step of generating the first quantum entanglement after the step of entering the first pump light;
After the step of generating the first quantum entanglement, performing a step of entering the second pump light,
2. The quantum entanglement generation method according to claim 1, wherein a step of generating the second quantum entanglement is performed after the step of entering the second pump light.
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。   In the step of generating the quantum entanglement, the Stokes photon or the anti-Stokes photon caused by Raman scattering when the pump light is incident on the first coupled quantum dot is passed, and the pump light is blocked. A filter, passing through the Stokes photon or the anti-Stokes photon due to Raman scattering when the pump light is incident on the second coupled quantum dot, and passing through the second filter and the beam splitter that block the pump light 4. The quantum entanglement is generated by detecting one of the first photon detector and the second photon detector as the photon detector. 5. The quantum entanglement generation method described in 1. 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。   The first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot are initialized so as to have an energy state having a lower exciton separation state, so that the electrons and holes constituting the exciton are spatially separated. An operation in which a voltage is applied between two electrodes provided on both sides of each of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot, and the pump light is incident on the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. 5. The quantum entanglement generation method according to claim 1, wherein a voltage applied between the two electrodes is turned off before time. 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。   After the initialization of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot to the lower energy state of the exciton separation state, the direction of one of the spins of electrons and holes constituting the exciton is changed. An external magnetic field and an alternating magnetic field are generated in each of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot so as to be in an optically inactive state, and the pump is coupled to the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. Before the operation of entering light, the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot are arranged such that the spin direction of one of electrons and holes constituting the exciton is changed to an optically active state. The quantum entanglement generation method according to any one of claims 1 to 5, wherein an external magnetic field and an alternating magnetic field are generated respectively. 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。
The first coupled quantum dot is provided on a path, and has a resonance frequency that matches at least one of the frequencies of the Stokes photon and the anti-Stokes photon due to Raman scattering when the pump light is incident on the first coupled quantum dot. The first resonator causes the Stokes photon and the anti-Stokes photon due to Raman scattering to resonate when the pump light is incident on the first coupled quantum dot,
The second coupled quantum dot is provided on a path, and has a resonance frequency that matches at least one of the frequencies of the Stokes photon and the anti-Stokes photon due to Raman scattering when the pump light is incident on the second coupled quantum dot. 7. The Stokes photon and the anti-Stokes photon caused by Raman scattering when the pump light is incident on the second coupled quantum dot are caused to resonate by the second resonator. The quantum entanglement generation method according to item.
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。   In at least one of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot, a voltage is applied to the front surface electrode provided on the front surface side with respect to the potential of the back surface electrode provided on the back surface side, and the first coupled quantum dot The quantum entanglement generation method according to claim 1, wherein a phase of superposition of quantum entanglements of quantum dots and the second coupled quantum dots is adjusted. 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。
A first coupled quantum dot in which two quantum dots are coupled;
A second coupled quantum dot in which two quantum dots are coupled;
A photon detector that detects Stokes photons or anti-Stokes photons by Raman scattering when pump light is incident on the first coupled quantum dots and the second coupled quantum dots via a beam splitter;
A quantum entanglement generation device comprising: a controller that generates quantum entanglement of the first coupled quantum dots and the second coupled quantum dots based on detection information from the photon detector.
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。   A quantum communication device comprising the quantum entanglement generation device according to claim 9. 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。
A plurality of quantum communication devices including the quantum entanglement generation device according to claim 9,
The quantum communication system, wherein the plurality of quantum communication devices are connected to each other.
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。
The first coupled quantum dot provided in the transmission-side quantum communication device using a plurality of quantum communication devices including a first coupled quantum dot coupled with two quantum dots and a second coupled quantum dot coupled with two quantum dots. And one of the second coupled quantum dots and one of the first coupled quantum dots and one of the second coupled quantum dots provided in the quantum communication device on the receiving side perform quantum communication using quantum entanglement between transmission and reception A method,
In each of the quantum communication devices,
The first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot are in the lower energy state of the exciton separation state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot,
In the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot, the lower energy state of the exciton separation state and the higher energy of the exciton localized state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot The first pump light having an energy smaller than the energy difference between the states is incident,
In-device quantum entanglement when Stokes photons due to Raman scattering when the first pump light is incident are detected by one of the two photon detectors as the first photon detector via the first beam splitter. That the
In the two adjacent quantum communication devices,
One of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot provided in one of the two adjacent quantum communication devices, and the first coupled quantum dot provided in the other of the two adjacent quantum communication devices And an energy difference between the higher energy state of the exciton-separated state and the higher energy state of the exciton localized state in the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot. A second pump light having an energy smaller than
When an anti-Stokes photon due to Raman scattering when the second pump light is incident is detected by one of the two photon detectors as the second photon detector via the second beam splitter, it is between adjacent devices. Suppose quantum entanglement has been generated,
The intra-device quantum entanglement is generated in all the quantum communication devices, and the inter-adjacent device quantum entanglement is generated in all the adjacent two quantum communication devices. As another example, a quantum communication method comprising performing quantum communication using the inter-transmission / reception quantum entanglement.
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。   In each of the quantum communication device on the transmission side and the quantum communication device on the reception side, the other of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot is a coupled quantum dot serving as a standard in which the phase of the quantum state is specified. The phase measurement of the quantum state of the first coupled quantum dot and the second coupled quantum dot is measured, and the quantum communication is performed using the inter-transmission / reception quantum entanglement. The quantum communication method as described. 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。
The pump light is incident on a standard coupled quantum dot in which two quantum dots are coupled and a phase of the quantum state is specified, and a measurement target coupled quantum dot in which two quantum dots are coupled,
A Stokes photon or anti-Stokes photon due to Raman scattering when the pump light is incident is detected by a photon detector via a beam splitter, and the phase of the quantum state of the measurement target coupled quantum dot is projected and measured. Projection measurement method.
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