JP2017167551A - 光子源 - Google Patents

Abstract

【課題】非常に狭い線幅で放出される単一光子を確実に生成する。
【解決手段】光子が少なくとも２つの量子準位間の遷移に起因して量子構造から放出されることができるように、１以上の量子準位を規定可能な量子構造を具備する光子源であって、少なくとも２つの量子準位間のエネルギー間隔である遷移エネルギーを変えるように構成された制御信号と、量子構造を照射するように構成されたレーザー入力ビームとを有し、制御信号は、遷移エネルギーをレーザー入力ビームと共鳴するようにし、遷移エネルギーをレーザー入力ビームと共鳴しないようにするように構成され、これにより、遷移エネルギーが、遷移から２つの光子を出力する時間未満の時間の間、レーザー入力ビームのエネルギーで共鳴する。
【選択図】図２

Description

本出願は、２０１４年５月１５日に出願された英国特許出願番号第１４０８６７４．８号の優先権の利益に基づき、その優先権の利益を主張し、その内容全体が参照としてここに組み込まれる。

ここに説明されるような本発明の実施形態は、一般的に、光子源の分野に関する。

量子通信及び量子暗号などの量子情報の分野では、単一光子を確実に生成する必要がある。単一光子を生成するために既に提案されてきている光子源は、量子ドットに基づいている。量子ドットでは、伝導帯にある少数の電子と価電子帯にあるホールとの間に束縛状態があるときに励起子が形成され、１つのホール及び１つの電子が再結合するときに放射性崩壊が生じ、その結果光子が放出される。パウリの排他原理により、各遷移は、２つの光子の放出を同時に生じることができない。これら光子は、アプリケーションにおいて量子情報を伝達するために「飛行量子ビット」として使用されることができ、情報は、光子の偏光、そのエネルギー又はそれが進行する空間モードにエンコードされる。

このような光子の所望の特性は、これらがコヒーレントである、すなわち、時間に関して不変である狭スペクトルを有し、全ての光子が同一であることである。遷移の「自然線幅」ｈ／τ_ｒ（ここでのｈはプランク定数）は、遷移が均一に広がっている場合には、その放射寿命（τ_ｒ）によって決定される。この特性は、情報の量子「ビット」が２つの光子の干渉を表すことを可能にし、これは、２つの光子間で情報を交換するために不可欠であり、したがって、量子情報を操作することができる論理ゲートを構築する。量子暗号の分野では、２つの光子の干渉は、情報が送信されることができる距離を増加させるために必要とされる量子中継スキームの不可欠な要素である。さらに、コヒーレント光子の狭スペクトルがシステムの解像度を増加させるので、コヒーレント光子が量子光学計測アプリケーションにとって好ましい。

固体状態の光源からの放出は、しばしば、位相のずれ及びスペクトルのジッタにより、「自然線幅」よりも大きな線幅で非均一に広げられる。パルスの非均一に広げられた光源に対する２つの光子の干渉の可視度は、比τ_ｃ／２τ_ｒに近く、ここで、τ_ｃはスペクトルの「コヒーレンス時間」（ｈ／π＊ｄＥに等しく、ｄＥは遷移の幅である）であり、τ_ｒは放射寿命である。光子放出イベント間の遷移の中心エネルギーの変動は、可視度をさらに減少させる。非共鳴励起では、構造中の過度のキャリアの励起により、固体状態システムで干渉の高い可視度を得るのは困難である。しかしながら、放出された光子と同じエネルギーでの遷移の直接励起がこの問題をなくすことができ、非常に狭い線幅で放出される光子を導くことができる。

図１（ａ）は、一実施形態に従う源で使用されることができる量子ドットを有するデバイスの概略図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のデバイスの概略的なバンド構造である。 図２は、共線駆動レーザー及び光子収集光学系を備えた一実施形態に従う源である。 図３は、一実施形態に従う源の図であり、レーザー入力ビームが、源から放出された光子が収集される方向に垂直に与えられている。 図４は、共通のレーザーを備えた複数のダイオードにおける多重量子ドットを備えた源の図である。 図５（ａ）は、量子ドットにおける中性励起子から空の状態への遷移の図であり、図５（ｂ）は、概略的なウェーハ上にこの遷移のＧａＡｓの代表的な固有状態の方向が示される図である。 図６（ａ）は、負電荷励起子（２つの電子及び１つのホール）から単一電子への遷移の図であり、図６（ｂ）は、ＧａＡｓウェーハにおけるこの遷移の縮退した固有状態を示す図である。 図７（ａ）は、時間に対する入力レーザービームの強度のプロットであり、図７（ｂ）は、時間に対する制御信号のプロットであり、図７（ｃ）は、時間に対する遷移のエネルギーのプロットであり、図７（ｄ）は、図７（ａ）〜図７（ｃ）と同じ時間スケールに対する光子放出確率のプロットである。 図８は、非共鳴励起下の単一ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットからの遷移のＤＣシュタルクシフトを示す実験データである。 図９は、ＤＣシュタルク効果がレーザーを横切って中性励起子の２つの固有状態を掃引するために使用されたときの単一量子ドットからの共鳴蛍光信号を示す実験データである。データは、図２と同様の構成の実験装置を使用して記録された。 図１０は、１対の中性励起子の固有状態がＣＷ高コヒーレンスレーザーを横切って周期的に掃引されたときの１対の中性励起子の固有状態からの時間変化放出を示す実験データである。最適なＤＣオフセット電圧（水平な点線で示される）では、光子は、遷移とレーザーとが共鳴しているときに短時間窓内で発生され、図１０（ａ）は、時間ｎｓに対する放出される蛍光光子の強度を示し、図１０（ｂ）は、ｙ軸に与えられるＤＣオフセット電圧と、ｘ軸に示された時間ｎｓの関数としての（グレースケールで）放出された蛍光光子の強度のプロットである。 図１１（ａ）は、所望の動作を実行するために光子が干渉されることができる論理ゲート（制御ＮＯＴ）の一例であり、図１１（ｂ）は、制御ＮＯＴの論理テーブルである。

一実施形態によれば、請求項１に規定されるような光子源が提供される。

上述の源は、対象となる遷移と同じエネルギーであるコヒーレントレーザーと、量子ドットであることができる量子構造を共鳴励起する。この技術は、「共鳴蛍光」として知られている。これは、ドット又は他の量子構造の近傍で他の状態が占められないことを確実にする。

以下の説明では、量子構造は、量子ドットとして考察される。しかしながら、量子構造は、量子ドットに限定されず、固体状態デバイス又は量子準位を定義可能な他の構造において光学活性な欠陥中心を有することができる。

上述の実施形態では、制御信号は、遷移エネルギーをレーザー入力ビームと共鳴するようにし、遷移エネルギーをレーザー入力ビームと共鳴しないようにするように構成され、これにより、遷移エネルギーが、遷移から２つの光子を出力する時間未満の時間の間、レーザー入力ビームのエネルギーと共鳴関係にある。

さらなる一実施形態では、制御信号は、制御信号の極値が遷移エネルギーをレーザー入力ビームのエネルギーと共鳴させるように構成されている。極値は、制御信号の最大値又は最小値であることができる。これは、制御信号の１サイクルにつき只１つの光子が放出されることを可能にする。制御信号を与える装置は、共鳴のために必要とされるのを超えて遷移エネルギーを増加させることができてもよい。しかしながら、この実施形態では、制御信号は、その極値において、遷移エネルギーがレーザー入力ビームと共鳴するように構成される／制限される。

上述の励起方法の利点は、（代表的には、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットにおいて＞４マイクロｅＶに制限される）非共鳴励起で可能であるよりも十分に小さいスペクトル幅で光子を生成することである。一実施形態では、このようにして光子を生成する高い確率を達成するために、高強度の入力レーザーが使用され、放射性崩壊が生じうるところから少なくとも２つの量子準位の上側の準位に遷移を励起させる。

あるいは、非常に低い励起パワーの制限では、線幅は、（ナノｅＶ幅を有することができる）励起レーザーのスペクトルによってのみ制限される。この場合、レーザーは、それを上側の準位に励起させることなく遷移からコヒーレントに散乱される。ナノｅＶ線幅のレーザーは、しばしば、連続波モードで動作し、たとえ光子がアンチバンチングであっても、量子ドットによって生成される光子もはっきり定まっていない時間放出されることを意味する。いくつかのアプリケーションでは、高コヒーレント光子のパルス源を有することがより望ましい。

一実施形態では、パワーの観点から「高」及び「低」パワーが考えられることができ、レーザーは、単一サイクルで５０％の確率よりも高い確率で下側状態から上側状態に遷移させるために十分に強い。このレベルに等しい又はこのレベルよりも大きなパワーが、パルスの大部分がドットを励起させて、放射性再結合によって光子放出をもたらすので「高い」と定義される。遷移の線幅があり、数マイクロｅＶの線幅が生じる。これは、しばしば、インコヒーレント励起の場合と称される。

このレベル未満のパワーは、パルスの大部分がドットを励起させないので「低い」と定義される。励起による遷移が起こり、再び、遷移で決定される線幅は数マイクロｅＶになる。さらに、レーザーからの光子は、遷移からコヒーレントに散乱し、レーザーのスペクトルを伝達することができ、すなわち、非常に狭いサブマイクロｅＶである。光の光学スペクトルは、これら２つの場合の混合であるが、低パワー体制では、スペクトルは、レーザーの線幅を伝達するコヒーレント部分によって支配される。

一実施形態では、レーザー入力ビームの線幅は、遷移の線幅未満であり、レーザー入力ビームは、ＣＷレーザーによって与えられる。

上述の源では、源は、レーザー入力ビームと同じエネルギーで光子を放出する。励起子崩壊に起因して放出された光子を分離するために、一実施形態では、光子源は、さらに、構造から放出された光子を収集するための収集光学系を有し、源は、入力レーザービームが収集光学系に入るのを防止するように構成されている。

一実施形態では、源は、入力レーザービームを偏光し、偏光された入力レーザービームが収集光学系に入るのを遮断するように構成された偏光素子を有することによって、入力レーザービームが収集光学系に入るのを防ぐように構成されている。このタイプの構成は、入力レーザービームが光子が放出されるのと同じ表面を通ってデバイスに入る場合に使用されることができる。

しかしながら、他の構成も可能である。光子の放出方向は、共鳴励起される遷移の固有状態によって制御される。例えば、ＩｎＧａＡｓシステムでは、固有状態は直交系であり、［１１０］方向に平行である。一実施形態では、入力レーザービームの偏光方向と、固有状態に平行な出力信号との両方の成分がある。この構成では、出力モードへの入力ビームの結合は最小にされる。しかしながら、量子状態への、及び量子状態から出力経路への前方の入力ビームの結合は最大にされる。これは、遷移の固有状態が入力モードと出力モードとの両方に結合している場合、交差偏光入力／出力スキームで達成されることができる。したがって、デバイス内に設けられる量子構造を考えれば、入力レーザービームがデバイスの第１の表面を介してデバイスに入り、光子が第１の表面に平行でない第２の表面を介して放出されるように源を構成することは可能である。入力レーザービームが出力信号に対して異なる方向にデバイスを出るので、入力レーザービームが収集光学系から入るのを遮断するためにさらなる構成要素を設ける必要がない。

源の構成に依存して、縮退した固有状態を有する遷移を使用することが可能である。このようなシステムは、したがって、状態の重ね合わせから選択された偏光を有する光子を放出する。したがって、いくつかの実施形態では、源は、共鳴励起される遷移が縮退した固有状態を有し、入力レーザービームが複数の縮退した固有状態を励起させるように構成されている。このような遷移の一例は、ＩｎＡｓ量子ドットにおいて荷電励起子遷移である。

上に述べられるように、デバイスは量子ドットを有することができるが、０次元又は擬０次元の閉じ込め可能な他の構造であってもよい。ここに説明されるいくつかの実施形態の大部分は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットを参照して例証されるが、これらは印加電圧によってシュタルクシフトされることができる固体状態の量子光源に適用可能である。さまざまなプロパティ及びさまざまな材料（ＩｎＡｓ／ＩｎＰ、ＧａＳｂ／ＧａＡｓなど）の量子ドットを使用して、放出は、他の波長（すなわち、１３００ナノメートル及び１５５０ナノメートルの通信波長）に延ばされることができる。あるいは、ダイヤモンド（ＮＶＯ、ＮＶ−及びＳｉＶ空乏がよく研究されてきている）などの、光学的に分離されることができる固体状態システムの単一欠陥が使用されてもよい。他の例は、低温で狭い放出線幅を有することが知られており、容易にコンタクトされることができるＺｎＳｅ／ＺｎＭｇＳｅナノ構造中の分離された不純物である。

また、デバイスは、ｐ−ｉ−ｎダイオードであることができるが、他のタイプのデバイス、例えば、ｎ−ｉ−ｐ、ｎ−ｉ−ｎ、ｐ−ｉ−ｐ又はオーム−ｉ−ショットキーデバイスも可能である。このデバイスも、大きな場が量子ドットを横切って与えられることを可能にするので、量子ドットの両側に障壁を有することができる。

量子ドット又は量子構造は、光学キャビティ中に位置されることができる。

一実施形態では、制御信号は、電気制御信号であり、量子閉じ込めシュタルク効果によって遷移を制御するように構成されている。しかしながら、他のタイプの制御信号、例えば、磁場、圧力、熱又は結晶中の歪み場も可能である。

さらなる一実施形態では、光子源は、複数の量子ドットと、各量子ドットに適用される制御信号とを有し、これにより、各ドットが入力レーザービームと共鳴されることができ、レーザー入力ビームが各量子構造に供給される。各量子ドットは、個別の構造に設けられることができるか、複数のドットが同じ構造に設けられ、導光路等によって接続されることができる。複数の量子ドットは、入力レーザービームに対して並列に配置されることができる。

光子源の出力は、量子通信システム又は量子情報システムに向けられることができる。例えば、源は、量子論理素子に同一の光子を出力するように構成されることができる。量子論理素子は、ＣＮＯＴゲートとして構成されることができる。

上に述べられたように、励起された遷移は、中性励起子遷移又は荷電励起子遷移であることができる。

さらなる一実施形態では、制御信号は、光子放出確率が最大にされるように、遷移が入力レーザービームと共鳴するときの時間持続及び入力レーザービームの強度が選択されるように構成されている。遷移が共鳴するとき、遷移を励起させる確率は、入力レーザービームの振幅と継続時間との積に応じて正弦曲線状に変化する。一実施形態では、レーザーパワー及び制御信号は、遷移を励起させる確率を最大にするために選択される。

さらなる一実施形態では、光子源を動作させる方法が提供され、この方法は、
光子が少なくとも２つの量子準位間の遷移に起因して量子構造から放出されるように、１以上の量子準位を規定可能な量子構造を与えることと、
レーザー入力ビームで量子構造を照射することと、
制御信号で量子構造の遷移エネルギーを変えることとを具備し、制御信号は、遷移エネルギーをレーザー入力ビームと共鳴するようにし、遷移エネルギーをレーザー入力ビームと共鳴しないようにするように構成され、これにより、遷移エネルギーが、遷移から２つの光子を出力する時間未満の時間の間、レーザー入力ビームのエネルギーで共鳴する。

図１（ａ）は、量子ドット３を有するダイオード１の概略図である。ダイオードは、ｐ型領域５とｎ型領域７とを備えたｐ−ｉ−ｎ型構造である。真性領域９が、ｐ型領域５とｎ型領域７との間に位置されている。量子ドット３は、真性領域９に位置されている。電極１３、１５が、それぞれ、ｎ型領域及びｐ型領域に設けられている。これらは、量子ドットを横切る電場を与えるために使用されることができる。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示されるデバイス、すなわちダイオードの概略的なバンド図である。図１（ｂ）のバンド図では、量子ドット２１が、量子井戸２３である真性領域内に設けられている。光学励起（駆動信号）に基づいて、閉じ込められた価電子帯準位２５にホールを残して、電子は、量子ドット２１の価電子帯の閉じ込め準位２７に励起されることができる。電子及びホールは、励起子を形成する。電子及びホールの再結合は、遷移のエネルギーで光子の放出をもたらす。

光学励起のエネルギーが遷移のエネルギーに等しい場合、励起は共鳴励起として起こる。

一実施形態に従って、電子は、放射線の連続波（ＣＷ）ビームである入力レーザービームを使用して共鳴励起される。電子がいったん励起されると、量子ドットの励起子はさらなる励起子が励起されるのを防ぐ。

一実施形態では、入力レーザービームのエネルギーが一定に保たれ、遷移のエネルギーが、光学励起のエネルギーと共鳴するか共鳴しないように移動されるように変えられる。一実施形態では、遷移のエネルギーは、ダイオード１を横切る電場を印加することによって、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を使用して変えられる。

一実施形態では、シュタルクシフトは、自然線幅（代表的にはＩｎＡｓ量子ドットに関して〜１マイクロｅＶ）よりも大きく遷移をシフトさせるのに十分である。これは、表面上の電気接触で、又はサンプル平面に電場を印加する水平接触で、任意のデバイスによって達成されることができる。

さらなるいくつかの実施形態では、他の方法が、例えば、磁場、圧力、熱又は歪みを使用して、遷移のエネルギーを変えるために使用されることができる。

いくつかの実施形態に従う源では、既に説明されたような低レーザー強度でＣＷ放射線と遷移を共鳴励起させることによって、散乱された光子の線幅が駆動信号の線幅によって制御される。これは、光子が量子ドット２１の遷移の線幅よりも狭い線幅で放出されることができることを意味する。

放射制限された場合、量子ドットの遷移の線幅は、ｉ＞１マイクロ電子ボルト（マイクロｅＶ）である。実験では、非共鳴励起ドットは、４〜１０マイクロｅＶに近い線幅を有する。適切なＣＷレーザーは、線幅〜１ナノｅＶを有し、ドットを共鳴駆動させるために低いパワーのレーザーが使用される場合には、生成された光子は、遷移の線幅未満であり、遷移を共鳴励起させるために使用されるレーザーの線幅に近い線幅を有する。

図１（ａ）及び（ｂ）を参照して示されるダイオード１では、量子ドットは、量子井戸内の真性領域に設けられ、図１（ｂ）のバンド図に示されるような量子井戸の両側に障壁がある。量子ドットを囲んでいる１以上の障壁の用意は、より大きなポテンシャルが量子ドットを横切って印加されることを可能にし、従って、障壁のない場合と比較したよりも遷移エネルギーにより大きな変化が達成されることができる。しかしながら、障壁は、全ての実施形態にとって不可欠ではない。

図１（ａ）及び（ｂ）の実施形態では、構造は、ｐ型であるデバイスの一方の側と、ｎ型であるデバイスの他方の側とを備え、ドープしていない領域に位置されたドットを備えたｐ−ｉ−ｎ構造である。しかしながら、同様の結果が、ｎ−ｉ−ｐ、ｎ−ｉ−ｎ、ｐ−ｉ−ｐ又はオーム−i−ショットキーデバイスで得られる。

上述の実施形態では、単一中性励起子が、共鳴光学励起下で形成される。しかしながら、荷電励起子もまた、単一電荷、電子又はホールのドットへの追加によって形成されることができる。これは、ダイオード内のｎ型又はｐ型ドープ層の近傍に、又は１以上のドーパント原子の近傍に量子ドットを設けることによって達成されることができる。

上述の実施形態では、光学励起及び励起子の崩壊に起因して放出された光子は、同じ周波数である。それ故、源は、入力ＣＷ放射線が量子ドットの励起子の崩壊に起因する出力から分離されることを可能にするように構成されている。

図２は、一実施形態に従う光子源の概略的な図である。源は、図１（ａ）及び（ｂ）を参照して説明されるタイプのダイオード３１を有する。ダイオードは、量子ドットあるいは０次元又は擬０次元の量子閉じ込めを達成可能な他の量子構造（図示されない）を有する。この実施形態におけるダイオードは、電圧源３３を有し、これは、量子ドット内のバンドギャップが量子閉じ込めシュタルク効果を使用して変えられることを可能にするために、ダイオード３１の電極（図示されない）を横切るバイアスを与える。

量子ドット、又は一般的な量子光源／構造は、マイクロキャビティに埋め込まれることができる。このようなキャビティは、対象となる遷移及び駆動レーザーと同じエネルギーで光学モードで設計され、光が固体状態デバイスを出入りする光学モードへの源の遷移の結合を優先的に高める。デバイスへの光の結合の高められた効率は、下側レーザーの強度が遷移のサンプル励起割合を達成するために使用されることを可能にし、これは効果的であることができる。同様に、デバイスから出る光の結合の高められた効率は、より大きな割合の光子が収集されることを可能にする。一実施形態では、キャビティは、量子光源の上下の２つのブラッグミラーからなることができる。

源は、さらに、入力レーザービームを与えるＣＷレーザー３５を有する。ＣＷレーザー３５は、狭い線幅を有する放射線を出力するように構成されている。この実施形態では、ＣＷレーザーが半導体レーザーに基づく場合、出力が狭帯域フィルタ３７を通って方向付けられる。狭帯域フィルタ３７の目的は、チューナブルＣＷレーザー３５によって生成された望ましくない光を除去することである。ＣＷレーザー３５が半導体光源に基づく場合、レーザー光は、狭周波数帯放出と結合する数十ナノメートル幅の弱いスペクトル成分を含む。このフィルタ３７の目的は、望ましくない幅の広い成分を除去することである。

そして、光は、偏光フィルタ３９を通過される。偏光フィルタ３９は、入力レーザービームが特定の偏光を有することを確実にする役割を果たし、また、ダイオード３１の出力から入力レーザービームを分離するのを助ける。

入射するレーザー光線（灰色の破線）は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４１で反射され、ダイオード３１に向かって方向付けられる１つの線形偏光を有する。ＣＷ光は、図１（ａ）及び（ｂ）を参照して説明されるようなダイオードを励起させ、光子は、ダイオード３１から放出される。

図２を参照して説明される実施形態では、入力レーザービームは、ダイオード３１の第１の表面上に入射し、光子も第１の表面から放出される。したがって、光子は、入射するＣＷビームと同じ経路に沿ってダイオード３１を出る。

ダイオード３１からの放射線は、１つの偏光の光を単に通過させるように構成されたＰＢＳ４１に向かって方向付けられる。したがって、ダイオード３１から放出された放射線のみが検出器４３に与えられる。この偏光光学系がレーザーの十分な遮断（少なくとも１０^−６）を与えると、収集された光がダイオード３１のドットから「蛍光性の」光を支配的にアンチバンチングとすることが可能である。

図２の実施形態では、ダイオード３１の上に４分の１波長板（ＱＷＰ）４５があり、これは、システムがレーザーを遮断するファクタを測定するために使用されることができる。このＱＷＰがＰＢＳ４１とアライメントされたその複屈折軸を有するとき、レーザーは最大に遮断されるが、ＱＷＰを４５度回転させることによって、サンプルによって反射されたレーザーが検出器４３に完全に送られる。この装置では、検出器４３は、（アバランシェフォトダイオードなどの）光検出器あるいは量子通信システム又は量子情報システムへの入力であることができる。

図３は、レーザー５３から入力レーザービームへの異なる方向に沿ってダイオード５１から蛍光を放出した光を収集することによって入力レーザービームを遮断するための代替方法を示す図である。

ダイオードは、図１を参照して説明されるのと同様に構成され、動作する。しかしながら、ここでは、ダイオード５１は、入力レーザービームを与えるＣＷレーザー５３が第１の表面上のダイオードを照射し、光子が第２の表面から放出されるように構成されている。これがどのように達成されるかが図５並びに図６を参照して説明される。

図２の構成でのように、ＣＷレーザーは、ダイオード５１に入る前に狭帯域フィルタ５５を通過される。

ダイオード５１の第２の表面から放射線を受けるために収集光学系を配置することによって、レーザー５３からのかなりコリメートされたレーザービームが検出器５７に入るのを防止されることができ、検出器５７は、両方の線形の偏光を含むサンプルから光を収集することができる。これは、ドットにおいて電荷のスピン状態に格納された偏光キュービットの完全な光学的読み出しをする点で効果的であることができる。

さらなる一実施形態では、レーザーのより大きな遮断は、ダイオード５１の導光路内に量子ドットを埋め込むことによって達成されることができ、したがって、駆動レーザー５３の空間的オーバーラップ及び量子ドット内の光学遷移を最適化し、収集光学系に達することができる散乱したレーザー光を最小にする。

このような導光路は、垂直方向の放出を高めるために、ガイド層の上下にブラッグミラーを備えた平面構造であることができる。このようなキャビティは、ガイドされた光を垂直方向にのみ制限し、水平方向に分散する。さらなるウェブガイドが、伝搬方向に平行なサンプル表面に「縞」をエッチングすることによって取り入れられることができ、ここでは、屈折率の水平変化が光をより有効にガイドする。

図４は、さらなる一実施形態を示す図である。ここには、３つのダイオード１０１、１０３、１０５がある。図３を参照して説明される実施形態に関して、ダイオードは、ＣＷ入力レーザービームが第１の表面から入り、量子ドットの励起子の崩壊に起因する光子が第２の表面から放出されるように構成されている。一般的に、この実施形態は、複数のダイオードを利用することができる。

ダイオード１０１、１０３、１０５は、互いに並列に配置され、これにより、ＣＷレーザー１０７からの入力レーザービームは、ダイオード１０１、１０３、１０５の各々を順に通過する。

ここで、駆動レーザー１０７は、個々の電極によって個々にアドレスされることができる多重量子ドットを駆動させるために使用される。ドットは、物理的に分離されたダイオードに、あるいは導光路によって隣接して接続されたところにあることができるが、この実施形態では、各ドットは、電極によって個々にアドレス可能である。個々の電極への電圧（Ｖ１、Ｖ２など）の設定によって、個々のドットの複数の遷移を縮退にもたらすことが可能であり、したがって、多重単一光子源である。これは、量子情報処理などの複数の光子が必要とされるアプリケーションにおいて効果的である。

図４は、図３のダイオードとして構成された複数のダイオードを使用しているが、図２を参照して説明されるように構成された複数のダイオードを使用することもまた可能であり、ここでは、入力レーザービームは複数の経路に分割され、入力レーザービームのこのような一部が各ダイオードに方向付けられる。

図５（ａ）は、中性励起子遷移を概略的に示す図である。左手側には、量子ドットにおいて中性励起子から空の状態への遷移が示され、これは、代表的には、ＧａＡｓの［１１０］方向に平行な偏光で光子に結合する直交する固有状態を有する。これは、図５（ｂ）に示されるように、基板に線状のエッジのある予め用意された円形のＧａＡｓ基板上にしばしばマークされる。

したがって、一実施形態では、図２の共線励起及び検出スキームは、偏光と共に設定され、これにより、単一の遷移から励起されて収集されることができる。最適な効率に関して、４５度に方向付けられたレーザーは、これに対して直交するすなわち−４５度における検出の固有状態になる。

あるいは、図３を参照して説明される実施形態では、励起の光の電場に平行な固有状態の成分と、検出経路とがある。

図６（ａ）は、負電荷配置から電子への遷移を示す図である（これは、好ましくは正電荷配置から単一ホールへの遷移とちょうど同じようであることができる）。この遷移の固有状態は、循環的に偏光された光子に結合し、図６（ｂ）に示されるように縮退し、したがって、一方の縮退した遷移から駆動し収集することが可能であるべきであり、したがって、この構成は、図２又は図３のいずれかを参照して説明される実施形態の両方で使用されることができる。

例えば、情報が基底状態中の電荷のスピンに格納されることができる場合、いくつかのアプリケーションのために図６（ａ）及び（ｂ）を参照して説明されるタイプの電荷の遷移を使用することが効果的である。この場合、ドットは、レーザーによって駆動される前に、単一電荷を加えられなければならない。これは、近くの電気接触又はドットのすぐ近傍のドーパント原子からの電荷を注入することによって達成される。

図７は、図１乃至図６を参照して説明されるデバイスの動作方法を示す図であり、レーザーは、図７（ａ）の線で示されるようなＣＷモードで走っており、変動電圧が、図７（ｂ）に示されるようにダイオードに印加される。

ここに示される例では、変動電圧は、のこぎり歯状のポテンシャルであるが、いかなる形態をも取ることができる。この電圧は、図７（ｃ）に示されるように、遷移のエネルギーに時間変化するシュタルクシフトを誘導する。シュタルクシフトのいくつかの極値では、遷移は、レーザーで共鳴し、共鳴蛍光光子を生成することができる。この光子は、印加される電圧及び放射寿命によって設定される狭い時間範囲でのみ放出されることができるが、図７（ｄ）に示されるように使用される高コヒーレンスレーザーのため、狭い放出スペクトルを有するものとする。

さらなる一実施形態では、源は、いわゆるπパルスを使用して動作するように構成されることができる。ここでは、レーザー強度及び時間変動電圧の選択によって光子が散乱される確率を高めることが可能である。コヒーレントレーザーが２つの準位間で遷移を駆動させるために使用されるとき、上側の準位にシステムを駆動させる（及び放出可能性を最大にする）確率は、レーザー強度とパルスの継続時間との積に応じて正弦曲線状に変化する。この原理は、本発明の実施形態に従う源に適用されることができる。

図８は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの量子井戸に埋め込まれた単一ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットからなるデバイスの実験データを示している。印加されるＤＣ（静的）電場が非共鳴励起下で変化するので、プロットは、ドットからのフォトルミネセンス放出を示す。ｙ軸は、ｘ軸に沿って印加された電場に対する適切な遷移のエネルギーを示している。プロットは、グレースケールプロットであり、光子数の増加がより暗い灰色を使用することによって示される。

ここで使用されるデバイスは、図１（ａ）及び（ｂ）を参照して説明されるタイプであり、量子ドットが量子井戸内に位置されている。これは、量子ドットには量子井戸に起因するさらなる障壁が設けられているので、大きな電場が印加されることを可能にする。この特定のデバイスでは、高い電場が、２５ｍｅＶまでのシュタルクシフトを導くことができる。これは、図４を参照して説明されるタイプのデバイスで使用されることができ、同じエネルギーで遷移をするために調節されることができる多重量子ドットがある。

特定の十分に研究されたタイプの量子ドットは、ＧａＡｓマトリックス中のＩｎＧａＡｓから形成されたものであるが、他の材料システムがこの発明のアプリケーションに適している。図８に示される結果は、非共鳴励起を使用しており、キャリアは、光学励起を使用して高エネルギーでドットに注入される。そして、キャリアは、ドットの量子化されたエネルギー準位にトラップされる前にエネルギーを失い、これらは光子を放出するために再結合する。しかしながら、この動作モードは、ドットの、及びドットのまわりの他のエネルギー準位の予期しない占有を招き、これは、例えばクーロン相互作用によって放出エネルギーの変化を導くことができる。このため、いくつかの遷移が各電場で目に見える。

図９は、可変であるが、図２のスキームで共振励起下での静的ＤＣ電場の下でこのようなダイオードの量子ドットの中性励起子遷移からの実験データを示している。プロットのｙ軸は、任意のユニットにおける信号強度を示し、ｘ軸は、ｍｅＶでの遷移のエネルギーである。

ここで、共線励起及び検出経路は、蛍光の光の強度よりも十分に低い準位へのレーザーの遮断を可能にする。これは、偏光フィルタリングの約１０^−５の遮断で達成され、改良されることができる。この場合、レーザー及び検出光は、中性励起子の固有状態（＋４５度及び−４５度）に対してミスアライメントされている。２つのピークが、明らかに、中性励起子の２つの微細構造の分離した固有状態に対応するスペクトルにおいて目に見える。自己相関測定は、レーザーが１つの遷移で共鳴しているとき検出光がアンチバンチングであることを確認している。

図９の実験データでは、電圧を掃引することによって達成される遷移の明白な「線幅」は、〜１５マイクロｅＶである。しかしながら、レーザーが１つの遷移で共鳴しているとき、高解像度光測定システムで測定されるような放出された光の線幅は〜１マイクロｅＶである。この不一致は、この特定のサンプルにおける遷移のエネルギーのランダムな変化によって引き起こされ、これは、近くの欠陥の電荷、ダイオードに印加されたバイアスの変動の光子に関連する効果の結果でありうる。それにもかかわらず、光子は、レーザーのエネルギーでのみ放出され、したがって、個々の電圧で非常に狭スペクトルを保持し、ランダムな変化が、単に、放出の効率を低減する。

図１０は、図８に示される量子ドットが再び交差偏光子を備えた共線励起及び検出装置で励起された実験データを示す図である。この実験では、時間変動電圧がＤＣオフセット電圧に重畳されてダイオードに印加され、後者は、レーザーエネルギーによって遷移を移動させるためにゆっくり変化される。レーザーエネルギーが一定であり、遷移が励起されるのはこのエネルギーでのみであることに注意する。しかしながら、ＤＣオフセット電圧を変化させることによって、光子が生成される時間が変化されてもよい。図１０（ａ）には、放出された蛍光光子の強度が時間ｎｓに対して示される。

図１０（ｂ）は、ｘ軸に示された時間ｎｓ及びｙ軸に与えられたＤＣオフセット電圧の関数として（グレースケールで）放出された蛍光光子の強度のプロットである。

この例では、時間変動電圧が、１２ｎｓの繰り返し時間でダイオードに印加される。中性励起子の１つがグレースケールによって示されるレーザーで共鳴したとき、光が単に放出される。２つの遷移は、この量子ドットの微細構造の分割に起因して、目に見える。時間変動電圧と並んで印加されたＤＣ電圧を変化することによって、１つのみが（図１０（ｂ）に水平点線として示されるＤＣオフセット電圧０．５６Ｖで）短時間の間レーザーで共鳴するように遷移をシフトさせることが可能であり、ドットからの全ての光子放出が、短時間範囲に生じる。（０．５６Ｖに見られるデータの横断線に対する上側プロット参照）。この光の自己相関測定は、１２ｎｓごとに放出される単一光子からなることを示している。

上に説明したような本発明のいくつかの実施形態に従う源は、非常に狭い線幅を備えた光子を出力する。このように定義された特性を備えた光子が、量子通信及び量子計算で使用される。

図１１は、ＣＮＯＴゲートに基づいた、本発明のいくつかの実施形態に従う源によって生成される高コヒーレンス光子のタイプのためのアプリケーションを示している。ここでは、単一光子は、図１１（ａ）に示されるように、導光路と、一連の反射率１／２及び１／３のカプラとからなる、干渉計を通る経路にエンコードされる。コントロール光子（Ｃ）及びターゲット光子（Ｔ）は、４つの可能なラベル付け経路Ｃ＝０、Ｃ＝１及びＴ＝０又はＴ＝１を通って、左手側から回路に送られる。光子が明確な経路中に確定的に送られたとき、回路中の干渉効果は、古典的なＣＮＯＴゲートの効果を再生する。そして、右手側の出力経路は、成功した動作を確認するか、さらなる情報処理のためのキュービットを通過させるために（光子検出によって）測定されることができる。このゲートは、古典的なＣＮＯＴゲートとは対照的に、モードＣ＝０及びＣ＝１のコヒーレントな重ね合わせのコントロール光子、又はＴ＝０及びＴ＝１の重ね合わせのターゲット光子を入力することによって、「量子」方式で動作することができる。図１１（ｂ）は、ＣＮＯＴゲートのための論理テーブルを示している。

この論理ゲートは、普遍的であるので量子情報処理において特に重要であり、したがって、ありふれた単一の量子ビット演算の組合せで、いかなる情報処理タスクをも達成することができる。それはまた、光子にエンコードされた２つのキュービットをもつれさせるかもつれを解くために使用されることができる。ここに説明される特定の実施形態は、コントロールとターゲットとして２つの光子を必要とし、これらは、ゲート動作の最も高い成功確率を達成可能であるようにできるだけ識別不能でなければならない。本発明の実施形態に従う源は、複数の識別不能な光子の必要があるところなどのアプリケーションに特に十分に適している。

上述の実施形態に従う源は、共鳴駆動パルス量子光源を提供することができる。源は、制御信号によって決まるさまざまな波長で動作するために最適化されることができ、したがって、大部分は独立した波長である。さらに、源は、制御信号の１サイクルにつき単一光子を出力するように構成されることができる。源の設計は、スケールを変更可能であり、したがって、光学量子計算に適用されることができる。

所定の実施形態が説明されてきたが、これら実施形態は単なる例によって示されており、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。確かに、ここに説明される新規な方法及びシステムは、さまざまな他の形式で具体化されることができ、さらに、ここに説明される方法及びシステムの形式のさまざまな省略、代替及び変更が本発明の意図を逸脱することなくなされることができる。添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物は、本発明の範囲及び意図内にあり、このような形式又は変更をカバーすることを意図している。

Claims (20)

1. 光子が少なくとも２つの量子準位間の遷移に起因して量子構造から放出されることができるように、１以上の量子準位を規定可能な量子構造を具備する光子源であって、
   前記量子構造には、前記少なくとも２つの量子準位間のエネルギー間隔である遷移エネルギーを変えるように構成された制御信号と、前記量子構造を照射するように構成されたレーザー入力ビームとが入力され、
   前記制御信号は、連続的に漸増および漸減を繰り返す、時間変動する制御信号であり、
   前記制御信号は、前記制御信号のある値において遷移エネルギーが前記レーザー入力ビームのエネルギーと共鳴するように構成され、これにより、前記制御信号が前記ある値になるごとに前記量子構造から単一光子が放出される光子源。
2. 前記制御信号は、前記制御信号の極値が遷移エネルギーを前記レーザー入力ビームのエネルギーと共鳴させるように構成されている請求項１に記載の光子源。
3. 前記量子構造から放出された光子を収集するための収集光学系をさらに具備し、光子源は、前記レーザー入力ビームが前記収集光学系に入るのを防止するように構成されている請求項１に記載の光子源。
4. 光子源は、前記レーザー入力ビームを偏光し、偏光された前記レーザー入力ビームが前記収集光学系に入るのを遮断するように構成された偏光素子を有する請求項３に記載の光子源。
5. 前記量子構造は、デバイス内に設けられ、
   光子源は、前記レーザー入力ビームが前記デバイスの第１の表面を介して前記デバイスに入り、前記光子が前記第１の表面に平行でない第２の表面を介して放出されるように構成されている請求項１に記載の光子源。
6. 前記量子構造は、デバイス内に設けられ、前記レーザー入力ビームは、前記光子が放出されるのと同じ表面を通って前記デバイスに入る請求項１に記載の光子源。
7. 前記遷移は、縮退した固有状態を有し、前記レーザー入力ビームは、複数の固有状態を励起させるように構成されている請求項１に記載の光子源。
8. 前記レーザー入力ビームの線幅は、前記遷移の線幅未満であり、前記レーザー入力ビームの源は、ＣＷレーザーである請求項１に記載の光子源。
9. 前記量子構造は、量子ドットを有する請求項１に記載の光子源。
10. 前記量子構造は、デバイス内に設けられ、前記デバイスは、ｐ−ｉ−ｎダイオードを有する請求項９に記載の光子源。
11. 前記量子ドットは、光学キャビティ中に位置されている請求項１０に記載の光子源。
12. 前記制御信号は、電気制御信号であり、量子閉じ込めシュタルク効果によって前記遷移を制御するように構成されている請求項１に記載の光子源。
13. 複数の量子構造と、各量子構造に適用される制御信号とを具備し、これにより、各量子構造で前記遷移が前記レーザー入力ビームと共鳴するようにされることができ、前記レーザー入力ビームが各量子構造に供給される請求項１に記載の光子源。
14. 各量子構造は、個々のデバイスに設けられる請求項１３に記載の光子源。
15. 前記複数の量子構造は、前記レーザー入力ビームに対して並列に配置されている請求項１３に記載の光子源。
16. 量子論理素子に同一の光子を出力するように構成されている請求項１３に記載の光子源。
17. 前記量子構造は、固体状態デバイスにおいて光学活性な欠陥中心を有する請求項１に記載の光子源。
18. 前記レーザー入力ビーム及び前記制御信号は、前記レーザー入力ビームのエネルギーが、遷移を励起する確率を最大にするために設定された時間の間、前記遷移と縮退するように構成されている請求項１に記載の光子源。
19. 前記制御信号は、レーザー入力ビームの線幅と遷移の線幅との合計の半分よりも大きなエネルギーだけ前記遷移をシフトさせるように構成されている請求項１に記載の光子源。
20. 前記レーザー入力ビームの強度は、光子が前記遷移からコヒーレントに散乱されることを確実にするために十分に低い請求項１に記載の光子源。