JP4032103B2

JP4032103B2 - 量子ドットによる演算回路

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Publication number: JP4032103B2
Application number: JP2003291660A
Authority: JP
Inventors: 俊三宮; 元一大津
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2023-08-11
Also published as: JP2005064201A

Description

本発明は、特にナノスケールの光通信ネットワーク、光計測等の分野に適用される量子ドットによる演算回路、量子ドットによる遅延回路、量子ドットによる判別回路に関するものである。

近年の半導体微細加工技術の発展により、量子力学的効果が顕著に現れるサイズまでに微細な構造をもつ半導体素子が実現されている（例えば、非特許文献１参照。）。この量子力学的効果を利用した半導体素子として、例えばＨＢＴ(Hetero-junction Bipolar Transistor)や量子井戸レーザ等が実用化されている。また量子力学的効果を利用し、単一電子を制御することにより電子の粒子性を極限まで利用するナノスケールの量子ドットが注目されている。

量子ドットは、上述した半導体微細加工技術を用いることにより、励起子に三次元的な量子閉じ込めを与えるほど微細なポテンシャルの箱を形成したものである。この励起子の閉じ込め系を利用し、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度がデルタ関数的に尖鋭化する。この量子ドットにおける尖鋭化した状態間における光の吸収を利用する単一電子メモリや、量子ドットを出入りする単一電子をＯＮ／ＯＦＦ動作させる単一電子トランジスタが既に研究されており、単一電子のナノスケール操作が実現化されつつある。

M.Ohtsu,K.Kobayashi,T.Kawazoe,S.Sangu,T.Yatsui,IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.,to be published Vol8.No4 2002July-Aug,P839-P862

ところで、将来の大容量情報処理への要求に応えるべく、光の回折限界に支配されることなく演算処理、情報処理、遅延処理等を行うことができるナノスケールの演算回路、遅延回路等の実現が望まれている。

しかしながら、かかるナノスケールの回路を電子デバイスで実現化しようとした場合、量子的なゆらぎが生じてしまうという問題点があり、また光デバイスで実現しようとした場合には、やはり光の回折限界により微小化が制限されてしまうという問題点がある。更に量子デバイスでこれを実現化しようとした場合には、コヒーレンス性において長期に亘る信頼性を確保することが困難になるという問題点がある。このため、実用的なナノスケールの回路自体が未だ案出されていないのが現状である。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出し、光の回折限界に支配されることなく演算処理等を行うことができる量子ドットによる演算回路、量子ドットによる遅延回路を提供することにある。また、これらを利用して量子ドット間における双極子−双極子相互作用に基づく近接場光結合状態を判別する量子ドットによる判別回路を提供することにある。

本発明を適用した量子ドットは、上述した問題点を解決するために、ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出しつつ、エネルギー準位が予め調整された第３の量子ドット等を形成し、またこれらの系における対称度を制御する。

即ち、本発明を適用した量子ドットによる演算回路は、誘電性の基板と、供給される第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、上記第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、供給される第２の信号光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、上記第１,第２のエネルギー準位よりも高準位の第３のエネルギー準位を有し、当該第３のエネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力光を生成する第３の量子ドットを備え、上記各量子ドットは、上記第３の量子ドットを介して上記第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに対称となるように、上記基板上に形成され、上記第１の量子ドットと第２の量子ドットは、互いに近接場光によりコヒーレントに結合するような位置関係にあって共鳴効果を起こし、励起子がコヒーレントに結合し、１励起子状態では近接場光結合の強さに応じてエネルギーが分離するものであって、上記第３の量子ドットのエネルギー準位は、１励起子状態で分離されたエネルギーの高エネルギー側に共鳴するエネルギー準位としたことを特徴とする。

また、本発明を適用した量子ドットによる演算回路は、誘電性の基板と、供給される第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、上記第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、供給される第２の信号光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、上記第１,第２のエネルギー準位よりも低準位の第３のエネルギー準位を有し、当該第３のエネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力光を生成する第３の量子ドットを備え、上記各量子ドットは、上記第３の量子ドットを介して上記第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに対称となるように、上記基板上に形成され、上記第１の量子ドットと第２の量子ドットは、互いに近接場光によりコヒーレントに結合するような位置関係にあって共鳴効果を起こし、励起子がコヒーレントに結合し、１励起子状態では近接場光結合の強さに応じてエネルギーが分離するものであって、上記第３の量子ドットは、第１，第２の量子ドットにおけるエネルギー準位より近接場光の強さ分だけ低いエネルギー準位を有し、演算の初期状態における第１，第２の量子ドットによる２励起子状態のエネルギーと、演算の終状態における第３の量子ドットに１つの励起子が存在し、且つ、第１，第２の量子ドットに１励起子状態が形成された状態で高エネルギー側のエネルギーが等しくなることを特徴とする。

また、本発明を適用した量子ドットによる遅延回路は、誘電性の基板と、供給される第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、上記第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、遅延時間に合わせて供給される制御光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、上記第１,第２のエネルギー準位よりも高準位の第３のエネルギー準位を有し、当該第３のエネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力光を生成する第３の量子ドットと、上記第１,第２のエネルギー準位よりも低準位の第４のエネルギー準位を有し、当該第４のエネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力光を生成する第４の量子ドットとを備え、上記各量子ドットは、上記第３の量子ドット又は上記第４の量子ドットを介して上記第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに対称となるように、上記基板上に形成され、上記第１の量子ドットと第２の量子ドットは、互いに近接場光によりコヒーレントに結合するような位置関係にあって共鳴効果を起こし、励起子がコヒーレントに結合し、１励起子状態では近接場光結合の強さに応じてエネルギーが分離するものであって、上記第３の量子ドットは、第１，第２の量子ドットにおけるエネルギー準位より近接場光の強さ分だけ高いエネルギー準位を有し、演算の初期状態における第１，第２の量子ドットによる１励起子状態の分離された高エネルギー側に共鳴するエネルギー準位を有し、
上記第４の量子ドットは、第１，第２の量子ドットにおけるエネルギー準位より近接場光の強さ分だけ低いエネルギー準位を有し、演算の初期状態における第１，第２の量子ドットによる２励起子状態のエネルギーと、演算の終状態における第４の量子ドットに１つの励起子が存在し、且つ、第１，第２の量子ドットに１励起子状態が形成された状態で分離された高エネルギー側のエネルギーが共鳴するエネルギー準位とすることを特徴とする。

さらに、本発明を適用した量子ドットによる判別回路は、誘電性の基板と、供給される第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、上記第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、供給される第２の信号光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、上記第１,第２のエネルギー準位よりも高準位の第３のエネルギー準位を有し、当該第３のエネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力光を生成する第３の量子ドットと、上記第１,第２のエネルギー準位よりも低準位の第４のエネルギー準位を有し、当該第４のエネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力光を生成する第４の量子ドットとを備え、上記各量子ドットは、上記第３の量子ドット又は上記第４の量子ドットを介して上記第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに非対称となるように、上記基板上に形成され、上記第１の量子ドットと第２の量子ドットは、互いに近接場光によりコヒーレントに結合するような位置関係にあって共鳴効果を起こし、励起子がコヒーレントに結合し、１励起子状態では近接場光結合の強さに応じてエネルギーが分離するものであって、上記第３の量子ドットは、第１，第２の量子ドットにおけるエネルギー準位より近接場光の強さ分だけ高いエネルギー準位を有し、演算の初期状態における第１，第２の量子ドットによる１励起子状態の分離された高エネルギー側に共鳴するエネルギー準位を有し、上記第４の量子ドットは、第１，第２の量子ドットにおけるエネルギー準位より近接場光の強さ分だけ低いエネルギー準位を有し、演算の初期状態における第１，第２の量子ドットによる１励起子状態の分離された低エネルギー側に共鳴するエネルギー準位を有することを特徴とする。

本発明を適用した量子ドットによる演算回路,遅延回路,判別回路は、ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出しつつ、エネルギー準位が予め調整された第３の量子ドット等を形成し、またこれらの系における対称度を制御することができるため、光の回折限界に支配されることなく演算処理、遅延処理等を行うことができるナノスケールの回路を提供することが可能となり、将来の大容量情報処理への要求に応えることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

先ず、本発明を適用した量子ドットによる演算回路１について説明をする。演算回路１は、例えば図１に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ_２等の導電性材料により構成される（誘電性の）基板１１と、基板１１の表面上において形成されている第１の量子ドット１２並びに当該第１の量子ドット１２の近傍において形成されている第２の量子ドット１３からなる演算部１０と、上記演算部１０近傍に形成されている第３の量子ドット２１からなる出力部２０とを備えている。

演算部１０を構成する各量子ドット１２,１３、並びに出力部２０を構成する量子ドット２１は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。この量子ドット１２,１３間において、励起子の閉じ込め系により、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。

この演算部１０を構成する各量子ドット１２,１３には、近接場光としての信号光がそれぞれ独立に供給される。ここで、第１の量子ドット１２に供給される近接場光を信号光Ａとし、第２の量子ドット１３に供給される近接場光を信号光Ｂとする。これら信号光Ａ, 信号光Ｂは、基板１１に形成されたプラズモン導波路３１、３２を介してそれぞれ各量子ドット１２,１３に供給されるが、かかる場合に限定されるものではなく、例えば各量子ドット１２,１３に近接された図示しない近接場光プローブを介して供給されるようにしてもよい。

出力部２０を構成する第３の量子ドット２１は、第１の量子ドット１２、或いは第２の量子ドット１３から注入される励起子に応じて出力光を生成する。第３の量子ドット２１の周囲には、生成した出力光を伝搬させて外部出力するためのプラズモン導波路３３が設けられている。

即ち、この演算回路１では、第１の量子ドット１２及び／又は第２の量子ドット１３に対して、信号光Ａ,信号光Ｂがそれぞれ独立に供給される。第３の量子ドット２１は、演算部１０を構成する量子ドット１２,１３へ供給された信号光Ａ,Ｂに応じて、出力光を生成する。ここで信号光Ａ,Ｂが供給されている状態、或いは生成された出力光が放出されている状態をＨレベルとし、信号光Ａ,Ｂが供給されていない状態、或いは出力光が生成されていない状態をＬレベルとすれば、演算回路１は、信号光Ａ,Ｂに応じて出力光をＯＮ／ＯＦＦすることにより、Ｈレベルの信号値、Ｌレベルの信号値を論理演算するための回路として機能することになる。

ちなみに、各量子ドット１２,１３,２１は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなる。ちなみに、各量子ドット１２,１３,２１を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット１２,１３,２１を構成する材料系がＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。これらの各量子ドット１２,１３,２１は、ブリッジマン法や分子エピタキシー（ＭＢＥ）成長法に基づいて基板１１上に作製してもよいし、また近接場光ＣＶＤを利用して量子ドットの形成位置を精度よく制御してもよい。

第１の量子ドット１２並びに第２の量子ドット１３は、互いに近接場光によりコヒーレントに結合するような位置関係になるように、基板１１上に形成される。このとき、第１の量子ドット１２並びに第２の量子ドット１３は、第３の量子ドット２１を介して対称となるように基板１１上に形成される。このとき、図２に示すように、第３の量子ドット２１を頂点として第１の量子ドット１２と第２の量子ドット１３との間で二等辺三角形が形成されるようにしてもよい。

次に、本発明を適用した演算回路１の動作につき説明をする。この演算回路１は、基板上１１に形成された量子ドット１２,１３間に生じる特有の光物理現象に基づいて、ＡＮＤ演算素子として、又はＸＯＲ演算素子として動作する。換言すれば、系のコヒーレンスを或る程度保持し、或る条件下でデコヒーレンス（緩和）により、出力光の信号値を確定する。

図３は、各量子ドット１２,１３,２１を構成する材料系がＣｕＣｌである場合のエネルギ図を示している。各量子ドット１２,１３,２１における量子閉じ込め準位Ｅ（n_x,n_y,n_z）は、粒子の質量をmとし、また量子ドットの辺長をLとしたときに、以下の式（１）により定義される。
Ｅ（n_x,n_y,n_z）＝h²/8π²m（π/L）²（n_x ²+n_y ²+n_z ²）・・・・・（１）
この式（１）に基づき、各量子ドット１２,１３,２１のＥ（n_x,n_y,n_z）を計算する。このとき、第１の量子ドット１２と第２の量子ドット１３の辺長比は、およそ１：１としたとき、第１の量子ドット１２における量子準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、第２の量子ドット１３における量子準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）とが等しくなる。すなわち、第１の量子ドット１２の量子準位（１,１,１）と、第２の量子ドット１３の量子準位（１,１,１）は、励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。実際これらの間で共鳴を起こさせるために、第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）に対応する波長をもつ光を、信号光Ａとして供給し、或いは、第２の量子ドット１３における量子準位（１,１,１）に対応する波長をもつ光を、信号光Ｂとして供給する必要がある。

かかる共鳴が生じる場合に、第１の量子ドット１２に存在する量子準位（１,１,１）に存在する励起子が、第２の量子ドット１３における量子準位（１,１,１）へ移動し、また第２の量子ドット１３の量子準位（１,１,１）に存在する励起子が、第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）へ移動するが、量子ドット１２,１３間において励起子がコヒーレントに結合して、見かけ上１つの励起モードが形成される。

即ち、この演算回路１は、辺長比がそれぞれ１：１であるほぼ同一の形状、サイズからなる各量子ドット１２,１３を基板１１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、互いの量子準位（１,１,１）間において１つの励起モードを形成させることができる。

図３(a)は、第１の量子ドット１２に信号光Ａが供給され、或いは第２の量子ドット１３に信号光Ｂが供給された結果、基底準位からｈ_１のエネルギー差を有する励起エネルギー準位へ励起子が励起された場合を示している。即ち、この演算部１０を構成する第１の量子ドット１２,第２の量子ドット１３間で１つの励起子のみが励起された場合（１励起子状態）には、近接場光結合の強さＵに応じてエネルギーが分離する。この近接場光結合は、双極子−双極子相互作用により生じる結合であり、双極子間におけるカップリングの強さを示すパラメータである。分離されたエネルギーの高準位側をエネルギー準位Ｓ_１とし、低準位側をエネルギー準位Ａ_１とするとき、エネルギー準位Ｓ_１と基底準位とのエネルギー差はｈ_１＋Ｕとなり、エネルギー準位Ａ_１と基底準位とのエネルギー差はｈ_１−Ｕとなる。

ここで、基底準位からｈ_２のエネルギー差を有する第３の量子ドット２１における励起エネルギー準位Ｐ_１を、上記エネルギー準位Ｓ_１へ合わせ込む。換言すれば、第３の量子ドット２１における励起エネルギー準位Ｐ_１をｈ_１より近接場光結合の強さＵ分だけ高く調整する。これにより、両準位間で上述した共鳴効果を起こさせることができ、エネルギー準位Ｓ_１に存在する励起子が励起エネルギー準位Ｐ_１へ注入されることになる。ちなみに、かかる共鳴の条件は、Δｈ＝ｈ_２−ｈ_１＝＋Ｕで表されることになる。

この注入された励起子は、励起エネルギー準位Ｐ_１から下位のエネルギー準位へ熱として放出され、かかる熱放出に応じて出力光が放出されることになる。即ち、この第３の量子ドット２１では、励起エネルギー準位Ｐ_１からエネルギーが放出される結果、出力光が生成されることになる。この出力光をプラズモン導波路３３を介して伝搬させることにより、外部へ信号出力することができる。

なお、第３の量子ドットにおける励起エネルギー準位Ｐ_１と、上記エネルギー準位Ａ_１とは、互いに禁制となるため両準位間で共鳴することはない。図４は、エネルギー準位Ｓ_１とエネルギー準位Ａ_１における電気双極子の方向を示している。エネルギー準位Ｓ_１において、第１の量子ドット１２と第２の量子ドット１３とは、電気双極子の方向が互いに同一となる。これに対し、エネルギー準位Ａ_１において、第１の量子ドット１２と第２の量子ドット１３とは、電気双極子の方向が互いに逆方向となる。即ち、第１の量子ドット１２,第３の量子ドット２１間における双極子のペアと、第２の量子ドット１３,第３の量子ドット２１間における双極子のペアは互いにその方向が異なる。量子ドット１２,１３が互いに相手側の双極子を同じ方向へ向けようとする結果、相殺されて第３の量子ドット２１との間で共鳴が生じることがなくなる。

このため、励起エネルギー準位の等しい第１の量子ドット１２、並びに第２の量子ドット１３において、何れか一の量子ドット１２,１３から励起子が励起された場合に、エネルギー準位Ｓ_１のみに注入可能な励起子を励起させることができ、かかる準位に対して状態密度関数がほぼ等しくなるエネルギー準位Ｐ_１を第３の量子ドット２１において作製することにより、これらの間で共鳴効果を起こさせることができる。

即ち、本発明を適用した演算回路１は、第１の量子ドット１２又は第２の量子ドット１３の何れかに信号光が供給された場合、換言すれば何れかの量子ドット１２,１３にＨレベルの信号が供給された場合には、上述した共鳴効果により出力光が生成されＨレベルの信号を出力する。これに対して、第１の量子ドット１２又は第２の量子ドット１３の何れに対しても信号光が供給されなかった場合、換言すれば量子ドット１２,１３の双方にＬレベルの信号が供給された場合には、上述した共鳴も起こらず、出力光も生成されないことから、Ｌレベルの信号が出力される。同様に、第１の量子ドット１２又は第２の量子ドット１３の何れに対しても信号光が供給された場合、換言すれば量子ドット１２,１３の双方にＨレベルの信号が供給された場合においても、上述した共鳴も起こらず、出力光も生成されないことから、Ｌレベルの信号が出力される。

ここで信号光Ａ,信号光Ｂの信号レベルを（Ａ,Ｂ）で表示するとき、演算回路１は、（Ｈ,Ｌ）、（Ｌ,Ｈ）の信号値が供給された場合には、Ｈレベルの信号を出力し、（Ｈ,Ｈ）、（Ｌ,Ｌ）の信号が供給された場合には、Ｌレベルの信号を出力する、いわゆるＸＯＲ演算素子として作用することになる。

同様に、本発明を適用した演算回路１は、ＡＮＤ素子としても作用する。図３(b)は、第１の量子ドット１２に信号光Ａが供給され、また第２の量子ドット１３に信号光Ｂが供給された結果、基底準位から２ｈ_１のエネルギー差を有する励起エネルギー準位Ｐ_２へ２つの励起子が励起された状態（２励起子状態）を示している。かかる状態を初期状態としたとき、何れか一の励起子が第３の量子ドット２１へ注入された結果、第１の量子ドット１２,第２の量子ドット１３間において１つの励起子が存在し、また第３の量子ドット２１に１つの励起子が存在する場合を終状態という。

この終状態においても、演算部１０を構成する第１の量子ドット１２,第２の量子ドット１３間で１つの励起子のみが励起された状態となるため、近接場光結合の強さＵに応じてエネルギーが分離する。この分離されたエネルギーの高準位側をエネルギー準位Ｓ_２とし、低準位側をエネルギー準位Ａ_２とするとき、エネルギー準位Ｓ_２と基底準位とのエネルギー差は、ｈ_１＋ｈ_２＋Ｕとなる。

ここで初期状態における励起エネルギー準位Ｐ_２が、終状態におけるエネルギー準位Ｓ_２と等しくなる場合に共鳴が生じるため、共鳴の条件は、ｈ_１＋ｈ_２＋Ｕ＝２ｈ_１で表される。ここで、かかる共鳴の条件式を整理すると、Δｈ＝ｈ_２−ｈ_１＝−Ｕとなり、第３の量子ドット２１における励起エネルギー準位をｈ_１より近接場光結合の強さＵ分だけ低く調整することにより、上記共鳴効果を得ることが可能となる。

第３の量子ドット２１におけるエネルギー準位Ｓ_２に注入された励起子は、下位のエネルギー準位へ熱として放出し、出力光が生成されることになる。この出力光をプラズモン導波路３３を介して伝搬させることにより、外部へ信号出力することができる。

なお、エネルギー準位Ａ_２と、励起エネルギー準位Ｐ_２とは、上述したメカニズムにより互いに禁制となるため共鳴することはない。

即ち、本発明を適用した演算回路１は、第１の量子ドット１２又は第２の量子ドット１３の双方に信号光が供給された場合、換言すれば量子ドット１２,１３にそれぞれＨレベルの信号が供給された場合には、上述した共鳴効果により出力光が生成されＨレベルの信号を出力する。これに対して、第１の量子ドット１２又は第２の量子ドット１３の何れに対しても信号光が供給されなかった場合、また第１の量子ドット１２又は第２の量子ドット１３の何れか一方のみに信号光が供給された場合には、上述した共鳴も起こらず、出力光も生成されないことから、Ｌレベルの信号が出力される。

また、本発明を適用した演算回路１は、第１の量子ドット１２並びに第２の量子ドット１３に対して、それぞれ（Ｈ,Ｈ）の信号が供給された場合には、Ｈレベルの信号を出力し、（Ｈ,Ｌ）、（Ｌ,Ｈ）、（Ｌ,Ｌ）の信号が供給された場合には、Ｌレベルの信号を出力する、いわゆるＡＮＤ演算素子として作用することになる。

なお本発明を適用した演算回路１は、あくまで第３の量子ドット２１を介して第１の量子ドット１２並びに第２の量子ドット１３が互いに対称となるように形成されている、いわゆる対称な系であることが前提となる。このような対称な系において、１励起子状態である場合のポピュレーションを計算すると、図５(a)に示すように、各量子ドット１２,１３に対して第３の量子ドット２１が正に階調された場合（Δｈ＝＋Ｕ）に、演算部１０から出力部２０へ共鳴的なエネルギーの移動が生じることが分かる。ちなみに、かかる場合におけるポピュレーションは、確率０．５まで上昇することになる。

また、２励起子状態である場合のポピュレーションは、図５(b)に示すように、各量子ドット１２,１３に対して第３の量子ドット２１が負に階調された場合（Δｈ＝−Ｕ）に、演算部１０から出力部２０へ共鳴的なエネルギーの移動が生じることが分かる。かかる場合におけるポピュレーションは、確率１．０付近まで上昇することになる。

なお、上述した実施の形態では、第３の量子ドット２１における励起エネルギー準位をｈ_１より近接場光結合の強さＵ分だけ高く又は低く調整する場合を例にとり説明をしたが、これに限定されるものではなく、励起エネルギー準位をｈ_１よりも高準位又は低準位であれば、上述とほぼ同様の効果を得ることが可能となる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、以下に示すナノメータサイズの情報処理回路４や遅延回路５に適用してもよい。図６は、かかる情報処理回路４や遅延回路５の構成を示している。上述した演算回路１と同一の構成要素には、同一の番号を付して説明を省略する。

情報処理回路４,遅延回路５は、導電性材料により構成される（誘電性の）基板１１と、基板１１の表面上において形成されている第１の量子ドット１２並びに当該第１の量子ドット１２の近傍に形成されている第２の量子ドット１３と、これら量子ドット１２,１３からそれぞれ等距離に形成された第３の量子ドット４１,第４の量子ドット４２を備えている。第１の量子ドット１２,第２の量子ドット１３は、上記第３の量子ドット４１又は上記第４の量子ドット４２を介して互いに対称となるように形成されており、この図６では、第１の量子ドット１２〜第４の量子ドット４２によりいわゆる菱形が形成される例を示している。

第３の量子ドット４１は、エネルギー準位Ｓ_１との共鳴に応じて各量子ドット１２,１３から励起子が注入されるエネルギー準位Ｐ_３を有する。このエネルギー準位Ｐ_３は、上述の如く第１の量子ドット１２におけるｈ_１より近接場光結合の強さＵ分だけ高く調整されている。第３の量子ドット４１は、エネルギー準位Ｐ_３から放出されたエネルギーに応じて第１の出力光を生成し、これを基板１１上に設けられたプラズモン導波路５３中を伝搬させることにより外部へ供給する。

第４の量子ドット４２は、エネルギー準位Ｐ_２との共鳴に応じて各量子ドット１２,１３から励起子が注入されるエネルギー準位Ｓ_４を有する。このエネルギー準位Ｓ_４は、上述の如く第１の量子ドット１２におけるｈ_１より近接場光結合の強さＵ分だけ低く調整されている。第４の量子ドット４２は、エネルギー準位Ｓ_４から放出されたエネルギーに応じて第２の出力光を生成し、これを基板１１上に設けられたプラズモン導波路５４中を伝搬させることにより外部へ供給する。

ここで、図６のような構成からなる各量子ドット１２,１３,４１,４２を情報処理回路として動作させる場合には、信号光Ａ及び／又は信号光Ｂが、それぞれプラズモン導波路３１,３２を介して供給される。

ちなみに、信号光Ａのみプラズモン導波路３１を介して供給された場合、或いは信号光Ｂのみプラズモン導波路３２を介して供給された場合には、１励起子状態となるため、エネルギー準位Ｓ_１と共鳴する第３の量子ドット４１におけるエネルギー準位Ｐ_３へ励起子が注入される。これに対して、エネルギー準位Ｓ_１と第４の量子ドット４２におけるエネルギー準位Ｓ_４とは共鳴することはなく、当該量子ドット４２に対して励起子が注入されることはない。即ち、第３の量子ドット４１のみに対して励起子を選択的に注入させることができ、ひいては第１の出力光のみを選択的に出力することが可能となる。

また、信号光Ａ及び信号光Ｂの双方が、それぞれプラズモン導波路３１,３２を介して供給された場合には、２励起子状態となるため、エネルギー準位Ｐ_２と共鳴する第４の量子ドット４２におけるエネルギー準位Ｓ_４へ励起子が注入される。これに対して、エネルギー準位Ｐ_２と第３の量子ドット４１におけるエネルギー準位Ｐ_３とは共鳴せず、当該量子ドット４１に対して励起子が注入されることはない。即ち、第４の量子ドット４２のみに対して励起子を選択的に注入させることができ、ひいては第２の出力光のみを選択的に出力することが可能となる。

また、図６のような構成からなる各量子ドット１２,１３,４１,４２を遅延回路５として動作させる場合には、信号光Ａがプラズモン導波路３１を介して供給され、また遅延時間に合わせて制御光がプラズモン導波路３２を介して供給される。

信号光Ａのみがプラズモン導波路３１を介して第１の量子ドット１２へ供給され、かつ制御光が第２の量子ドットへ供給されない場合には、１励起子状態となるため、第３の量子ドット４１のみに対して励起子が選択的に注入されることになり、第１の出力光が出力される。

また遅延時間経過後に信号光Ｂがプラズモン導波路３２を介して第２の量子ドット１３へ供給された場合には、２励起子状態となるため、第４の量子ドット４２に励起子が注入される結果、当該遅延時間に合わせて第２の出力光が出力される。

即ち、この遅延回路５では、信号光Ａが供給された場合に、これに基づく第１の出力光を出力し、遅延時間経過後に供給された制御光に応じて第２の出力光を出力することができる。

また本発明では、各量子ドットを任意に配置して、いわゆる非対称な系を作り出すことにより、上記演算回路１とは別の励起モードを形成することもできる。図７は、かかる非対称性を利用することにより量子ドット間における近接場相互作用を判別するための判別回路６を示している。なお、上述した演算回路１と同一の構成要素には、同一の番号を付して説明を省略する。

判別回路６は、導電性材料により構成される（誘電性の）基板１１と、基板１１の表面上において形成されている第１の量子ドット１２並びに当該第１の量子ドット１２の近傍に形成されている第２の量子ドット１３と、第２の量子ドット１３近傍に形成された第３の量子ドット６１と、第２の量子ドット１３の近傍に形成された第４の量子ドット６２とを備えている。

各量子ドット１２,１３,６１,６２は、第３の量子ドット６１又は第４の量子ドット６２を介して第１の量子ドット１２並びに第２の量子ドット１３が互いに非対称となるように基板上１１に形成される。この図７では第１の量子ドット１２〜第４の量子ドット４６によりいわゆるＬ字型が形成される例を示している。

このように各量子ドット１２,１３,６１,６２を非対称に配置することにより、対称な系と比較して正反対の共鳴条件を有することとなるため、エネルギー差Δｈに対する依存性が異なることになる。その結果、電気双極子の方向が互いに逆方向なエネルギー準位Ａ_１においても、第４の量子ドット６２との間で共鳴が生じることになる。一方、第３の量子ドット６１は、上述と同様にエネルギー準位Ｓ_１との間で共鳴が生じることになる。

このように本発明を適用した判別回路６は、演算部１０における量子状態に応じて、第３の量子ドット６１又は第４の量子ドット６２に対して励起子を注入させることができる。これら第３の量子ドット６１又は第４の量子ドット６２に注入された励起子を、これらに基づいて放出された出力光を介してそれぞれ検出することにより、演算部１０における量子状態を識別することが可能となる。

従って、ユーザは、双極子の方向が未知である複数の量子ドットにおける量子状態を選択的に抽出を望む場合に、かかる複数の量子ドットに対して非対称となるように第３の量子ドット６１,第４の量子ドット６２を形成し、それらの周囲に設けられたプラズモン導波路を介して放出される出力光を検出することにより、これを実現することが可能となる。

なお、これら遅延回路５,判別回路６についても、演算回路１と同様に第３の量子ドット４１,６１並びに第４の量子ドット４２,６２における励起エネルギー準位をｈ_１より近接場光結合の強さＵ分だけ高く又は低く調整する場合を例にとり説明をしたが、これに限定されるものではないことは勿論であり、励起エネルギー準位をｈ_１よりも高準位又は低準位であれば、同様の効果を得ることが可能となる。

以上詳細に説明したように、本発明を適用した量子ドットによる演算回路１,情報処理回路４,遅延回路５,判別回路６は、ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出しつつ、エネルギー準位が予め調整された第３の量子ドット等を形成し、またこれらの系における対称度を制御することができるため、光の回折限界に支配されることなく演算処理、遅延処理等を行うことができるナノスケールの回路を提供することが可能となり、将来の大容量情報処理への要求に応えることが可能となる。

本発明を適用した量子ドットによる演算回路の構成を示す図である。演算回路において、基板上に形成された量子ドットの位置関係につき説明するための図である。対称な系におけるダイナミクスを示す図である。第１の量子ドット並びに第２の量子ドットにおける量子状態につき説明するための図である。各励起子状態におけるポピュレーションの経時的な変化を示す図である。本発明を適用した量子ドットによる情報処理回路並びに遅延回路の構成を示す図である。本発明を適用した量子ドットによる判別回路の構成を示す図である。

符号の説明

１演算回路、４情報処理回路、５遅延回路、６判別回路、１０演算部、１１基板、１２第１の量子ドット、１３第２の量子ドット、２０出力部、２１第３の量子ドット

Claims

誘電性の基板と、
供給される第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、
上記第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、供給される第２の信号光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、
上記第１,第２のエネルギー準位よりも高準位の第３のエネルギー準位を有し、当該第３のエネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力光を生成する第３の量子ドットを備え、
上記各量子ドットは、上記第３の量子ドットを介して上記第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに対称となるように、上記基板上に形成され、
上記第１の量子ドットと第２の量子ドットは、互いに近接場光によりコヒーレントに結合するような位置関係にあって共鳴効果を起こし、励起子がコヒーレントに結合し、１励起子状態では近接場光結合の強さに応じてエネルギーが分離するものであって、
上記第３の量子ドットのエネルギー準位は、１励起子状態で分離されたエネルギーの高エネルギー側に共鳴するエネルギー準位としたこと
を特徴とする量子ドットによる演算回路。
上記第３の量子ドットは、上記第１,第２のエネルギー準位間の双極子−双極子相互作用に応じた近接場光結合の強さ分だけ上記第１,第２の量子ドットにおける励起エネルギー準位が有する基底準位からエネルギー差よりも高い第３のエネルギー準位を有する
ことを特徴とする請求項１記載の量子ドットによる演算回路。
誘電性の基板と、
供給される第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、
上記第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、供給される第２の信号光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、
上記第１,第２のエネルギー準位よりも低準位の第３のエネルギー準位を有し、当該第３のエネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力光を生成する第３の量子ドットを備え、
上記各量子ドットは、上記第３の量子ドットを介して上記第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに対称となるように、上記基板上に形成され、
上記第１の量子ドットと第２の量子ドットは、互いに近接場光によりコヒーレントに結合するような位置関係にあって共鳴効果を起こし、励起子がコヒーレントに結合し、１励起子状態では近接場光結合の強さに応じてエネルギーが分離するものであって、
上記第３の量子ドットは、第１，第２の量子ドットにおけるエネルギー準位より近接場光の強さ分だけ低いエネルギー準位を有し、演算の初期状態における第１，第２の量子ドットによる２励起子状態のエネルギーと、演算の終状態における第３の量子ドットに１つの励起子が存在し、且つ、第１，第２の量子ドットに１励起子状態が形成された状態で高エネルギー側のエネルギーが等しくなる
ことを特徴とする量子ドットによる演算回路。
上記第３の量子ドットは、上記第１,第２のエネルギー準位間の双極子−双極子相互作用に応じた近接場光の強さ分だけ第１，第２の量子ドットにおける励起エネルギー準位が有する基底準位からのエネルギー差より低い第３のエネルギー準位を有する
ことを特徴とする請求項３記載の量子ドットによる演算回路。
誘電性の基板と、
供給される第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、
上記第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、遅延時間に合わせて供給される制御光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、
上記第１,第２のエネルギー準位よりも高準位の第３のエネルギー準位を有し、当該第３のエネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力光を生成する第３の量子ドットと、
上記第１,第２のエネルギー準位よりも低準位の第４のエネルギー準位を有し、当該第４のエネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力光を生成する第４の量子ドットとを備え、
上記各量子ドットは、上記第３の量子ドット又は上記第４の量子ドットを介して上記第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに対称となるように、上記基板上に形成され、
上記第１の量子ドットと第２の量子ドットは、互いに近接場光によりコヒーレントに結合するような位置関係にあって共鳴効果を起こし、励起子がコヒーレントに結合し、１励起子状態では近接場光結合の強さに応じてエネルギーが分離するものであって、
上記第３の量子ドットは、第１，第２の量子ドットにおけるエネルギー準位より近接場光の強さ分だけ高いエネルギー準位を有し、演算の初期状態における第１，第２の量子ドットによる１励起子状態の分離された高エネルギー側に共鳴するエネルギー準位を有し、
上記第４の量子ドットは、第１，第２の量子ドットにおけるエネルギー準位より近接場光の強さ分だけ低いエネルギー準位を有し、演算の初期状態における第１，第２の量子ドットによる２励起子状態のエネルギーと、演算の終状態における第４の量子ドットに１つの励起子が存在し、且つ、第１，第２の量子ドットに１励起子状態が形成された状態で分離された高エネルギー側のエネルギーが共鳴するエネルギー準位とする
を特徴とする量子ドットによる遅延回路。
上記第３の量子ドットは、上記第１,第２のエネルギー準位間の双極子−双極子相互作用に応じた近接場光の強さ分だけ第１，第２の量子ドットにおける励起エネルギー準位が有する基底準位からのエネルギー差より高い第３のエネルギー準位を有し、
上記第４の量子ドットは、上記第１,第２のエネルギー準位間の双極子−双極子相互作用に応じた近接場光の強さ分だけ第１，第２の量子ドットにおける励起エネルギー準位が有する基底準位からのエネルギー差より低い第４のエネルギー準位を有すること
を特徴とする請求項５記載の量子ドットによる遅延回路。
誘電性の基板と、
供給される第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、
上記第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、供給される第２の信号光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、
上記第１,第２のエネルギー準位よりも高準位の第３のエネルギー準位を有し、当該第３のエネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力光を生成する第３の量子ドットと、
上記第１,第２のエネルギー準位よりも低準位の第４のエネルギー準位を有し、当該第４のエネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力光を生成する第４の量子ドットとを備え、
上記各量子ドットは、上記第３の量子ドット又は上記第４の量子ドットを介して上記第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに非対称となるように、上記基板上に形成され、
上記第１の量子ドットと第２の量子ドットは、互いに近接場光によりコヒーレントに結合するような位置関係にあって共鳴効果を起こし、励起子がコヒーレントに結合し、１励起子状態では近接場光結合の強さに応じてエネルギーが分離するものであって、
上記第３の量子ドットは、第１，第２の量子ドットにおけるエネルギー準位より近接場光の強さ分だけ高いエネルギー準位を有し、演算の初期状態における第１，第２の量子ドットによる１励起子状態の分離された高エネルギー側に共鳴するエネルギー準位を有し、
上記第４の量子ドットは、第１，第２の量子ドットにおけるエネルギー準位より近接場光の強さ分だけ低いエネルギー準位を有し、演算の初期状態における第１，第２の量子ドットによる１励起子状態の分離された低エネルギー側に共鳴するエネルギー準位を有すること
を特徴とする量子ドットによる判別回路。
上記第３の量子ドットは、上記第１,第２のエネルギー準位間の双極子−双極子相互作用に応じた近接場光の強さ分だけ第１，第２の量子ドットにおける励起エネルギー準位が有する基底準位からのエネルギー差より高い第３のエネルギー準位を有し、
上記第４の量子ドットは、上記第１,第２のエネルギー準位間の双極子−双極子相互作用に応じた近接場光の強さ分だけ第１，第２の量子ドットにおける励起エネルギー準位が有する基底準位からのエネルギー差より低い第４のエネルギー準位を有すること
を特徴とする請求項７記載の量子ドットによる判別回路。