JP4867621B2 - Quantum entangled photon pair generator - Google Patents

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Description

本発明は量子もつれ光子対発生器に関し、特にフォトニック結晶微小共振器中に単一量子ドットが埋め込まれた、量子暗号通信システム等に有用な量子もつれ光子対発生器に関するものである。   The present invention relates to a entangled photon pair generator, and more particularly to a entangled photon pair generator useful for a quantum cryptography communication system or the like in which a single quantum dot is embedded in a photonic crystal microresonator.

近年、インターネット等による情報通信技術の進展が著しく、これに伴い、情報伝送における暗号技術についても研究開発が活発に行われている。該暗号技術として、量子暗号が最近注目を集めている。
量子暗号は、暗号化された情報を解読するための暗号鍵の安全性が、量子力学の原理によって保証された絶対的に安全な暗号通信技術である。
量子暗号における重要な要素として量子テレポーテーションがあげられる。量子テレポーテーションとは、光子の量子的な情報だけを瞬間的に別の場所に移す技術である。この量子テレポーテーションは、量子状態の絡み合い(量子もつれ)を利用して、光子同士が情報をやり取りすることにより実現される。この量子もつれの状態にある光子対は、量子もつれ光子対、あるいはエンタングル光子対とも呼ばれる。
量子もつれ光子対は、一方の光子の量子的状態が決まると、他方の光子の量子状態も決まるという性質がある。量子暗号においては、この物理的性質に基づいて量子鍵配布のプロトコル、あるいは長距離の伝送を可能とする量子中継器の構成が考案されている。従って、量子もつれ光子対の発生手段が量子暗号通信において非常に重要である。
偏光状態の量子もつれ光子対の発生方法としては、2次の光学非線形性を有する結晶中でのパラメトリック下方変換がよく知られている(非特許文献1)。以下、偏光状態の量子もつれを、簡単に量子もつれと表現する。
また、第一塩化銅などの半導体物質に2個の親光子を照射して、2光子共鳴励起によって角運動量が0の状態の励起子分子を生成し、生成した励起子分子を2個の光子に同時に分裂させて、量子もつれ光子対を発生させる手法(ハイパーパラメトリック散乱法)も開示されている(特許文献1)。
さらには、単一半導体量子ドットにおいて、励起子分子、励起子の段階的な発光過程(カスケード過程)により量子もつれ光子対の発生法も提案されている(非特許文献2―4)。
P.G.Kwiat, E.Waks, A.G.White, I.Appelbaum, and P.H.Eberhard,“ Physical Review A”vol. 60, no. 2, R773-R776 特許第3649408号 O. Benson, C. Santori, M. Pelton and Y. Yamamoto, “Phys. Rev. Lett.”vol. 84, no. 11, pp.2513-2516 C. Santori, D. Fattal, M. Pelton, G. Solomon and Y. Yamamoto, “Phys. Rev. Lett.”vol.66, p045308-1-4 R. M. Stevenson, R. J. Young, P. Atkinson, K. Cooper, D. A. Ritchie and A. J. Shields, “Nature” vol.439, no. 12号, pp.179-182
2. Description of the Related Art In recent years, the progress of information communication technology using the Internet or the like has been remarkable, and accordingly, research and development has been actively conducted on encryption technology for information transmission. As the encryption technology, quantum cryptography has recently attracted attention.
Quantum cryptography is an absolutely secure cryptographic communication technique in which the security of an encryption key for decrypting encrypted information is guaranteed by the principle of quantum mechanics.
An important element in quantum cryptography is quantum teleportation. Quantum teleportation is a technology that instantaneously moves only photon quantum information to another location. This quantum teleportation is realized by exchanging information between photons using entanglement of quantum states (quantum entanglement). This photon pair in the entangled state is also called a entangled photon pair or an entangled photon pair.
A entangled photon pair has the property that once the quantum state of one photon is determined, the quantum state of the other photon is also determined. In quantum cryptography, a quantum key distribution protocol or a configuration of a quantum repeater that enables long-distance transmission has been devised based on this physical property. Therefore, the means for generating entangled photon pairs is very important in quantum cryptography communication.
As a method for generating a entangled photon pair in a polarization state, parametric down conversion in a crystal having second-order optical nonlinearity is well known (Non-Patent Document 1). Hereinafter, quantum entanglement in the polarization state is simply expressed as quantum entanglement.
In addition, two photons are irradiated onto a semiconductor material such as cuprous chloride to generate exciton molecules with zero angular momentum by two-photon resonance excitation, and the generated exciton molecules are converted into two photons. A technique (hyperparametric scattering method) is also disclosed in which a pair of quantum entangled photons is generated (Patent Document 1).
Furthermore, in a single semiconductor quantum dot, a method of generating a entangled photon pair by a stepwise emission process (cascade process) of exciton molecules and excitons has been proposed (Non-patent Documents 2-4).
PGKwiat, E. Waks, AGWhite, I. Appelbaum, and PHEberhard, “Physical Review A” vol. 60, no. 2, R773-R776 Japanese Patent No. 3649408 O. Benson, C. Santori, M. Pelton and Y. Yamamoto, “Phys. Rev. Lett.” Vol. 84, no. 11, pp.2513-2516 C. Santori, D. Fattal, M. Pelton, G. Solomon and Y. Yamamoto, “Phys. Rev. Lett.” Vol. 66, p045308-1-4 RM Stevenson, RJ Young, P. Atkinson, K. Cooper, DA Ritchie and AJ Shields, “Nature” vol.439, no. 12, pp.179-182

しかしながら、パラメトリック下方変換やハイパーパラメトリック散乱法において、1つまたは2つの親光子からエンタングル光子対を発生させる場合、非線形光学過程を利用しているため、その発生効率は非常に低い。従って、親光子を含む励起光パルス強度が一定とすると、1パルス当たり発生する光子対の数は、いわゆるポアソン分布に従う。
量子暗号において絶対的な安全性を保証するためには、発生する量子もつれ光子対は、1パルスにつき1対のみであることが要求される。つまり、1パルスにつき2対以上の量子もつれ光子対の発生確率を極力下げなければならない。ところが、パラメトリック下方変換やハイパーパラメトリック散乱法で発生する光子対の数はポアソン分布に従うため、量子もつれ光子対が同時に2対以上発生する確率をゼロにすることは原理的に出来ない。
この問題を回避する現実的な方法として、1パルス当たりの平均光子対を0.1程度に調整する工夫も考えられている。しかし、これでは10パルスのうち9パルス以上が「光子数0」の状態であり、暗号鍵の伝送速度を1/10以下に低下させる要因となる。
一方、単一半導体量子ドットの励起子分子、励起子の段階的な発光過程を利用する場合、異なる電子は同じ量子状態を占有することができないというパウリの排他律により、励起子分子発光、励起子発光からは、光子が必ず一つずつ発生するため、量子もつれ光子対は1対のみが原理的に発生する(非特許文献2)。
However, when generating an entangled photon pair from one or two parent photons in the parametric down-conversion or hyperparametric scattering method, the generation efficiency is very low because a nonlinear optical process is used. Accordingly, when the intensity of the excitation light pulse including the parent photon is constant, the number of photon pairs generated per pulse follows a so-called Poisson distribution.
In order to guarantee absolute security in the quantum cryptography, it is required that only one pair of quantum entangled photons is generated per pulse. That is, the generation probability of two or more pairs of entangled photons per pulse must be reduced as much as possible. However, since the number of photon pairs generated by the parametric down-conversion or hyperparametric scattering method follows the Poisson distribution, the probability that two or more pairs of entangled photons are simultaneously generated cannot be zero in principle.
As a practical method for avoiding this problem, an idea of adjusting the average photon pair per pulse to about 0.1 has been considered. However, in this case, 9 or more of the 10 pulses are in the “photon number 0” state, which causes the transmission speed of the encryption key to be reduced to 1/10 or less.
On the other hand, when using the exciton molecule of a single semiconductor quantum dot, and the stepwise emission process of excitons, the exciton molecule emission and excitation are due to Pauli's exclusion rule that different electrons cannot occupy the same quantum state. Since photons are always generated one by one from the photon emission, only one pair of quantum entangled photons is generated in principle (Non-patent Document 2).

ここで、励起子分子から中間状態である励起子を経て基底状態へ緩和する、段階的な発光過程を詳しく説明する。
図9(a)に、単一半導体量子ドット中での電子・正孔に対するエネルギーダイアグラムを示す。例えば、GaAs中に埋め込まれたInAs量子ドットを想定すると、GaAsが障壁領域、InAsがドット領域となる。量子ドットは通常数十nm程度の大きさで、その量子力学的な閉じ込め効果によってエネルギー準位は離散化している。図9(a)において、黒丸は電子、白丸は正孔を表し、矢印はそれらのスピンの向きを示している。
逆向きのスピンを有する電子と正孔の対は、クーロン相互作用によって安定な「励起子」状態を形成する。図9(a)に記載されているのはこのような励起子が2組ある状態であり、励起子同士のクーロン相互作用によって、「励起子分子」状態を形成する。
Here, the stepwise emission process that relaxes from the exciton molecule to the ground state via the exciton that is an intermediate state will be described in detail.
FIG. 9A shows an energy diagram for electrons and holes in a single semiconductor quantum dot. For example, assuming an InAs quantum dot embedded in GaAs, GaAs is a barrier region and InAs is a dot region. A quantum dot is usually about several tens of nanometers in size, and its energy level is discretized by its quantum mechanical confinement effect. In FIG. 9A, black circles indicate electrons, white circles indicate holes, and arrows indicate the directions of spins.
Electron and hole pairs with opposite spins form a stable “exciton” state by Coulomb interaction. FIG. 9A shows a state in which there are two such excitons, and an “exciton molecule” state is formed by Coulomb interaction between excitons.

図9(b)には、量子もつれ光子対を発生する理想的な単一量子ドット中の励起子分子が、中間状態としての励起子状態を経て基底状態へと2つの光子を放出しながら緩和していく過程を示している。
緩和過程には2つの経路がある。左側の経路では、励起子分子から励起子状態への緩和過程で右回り円偏光(σ+)の光子を放出し、その後、励起子状態から基底状態への緩和過程で左回り円偏光(σ−)の光子を放出する。一方右側の経路では、励起子分子から励起子状態への緩和過程でσ−の光子を放出し、その後、励起子状態から基底状態への緩和過程でσ+の光子を放出する。
これら2つの経路を量子力学的に区別することが不可能であれば、偏光状態に対して量子もつれ状態を有し、この量子力学的な状態を表現する関数|ψ>は次の(1)式のように表現される。
|ψ>=(|R>|L>+|L>|R>)/√2 (1)
ここで、R(L)は右(左)回り円偏光を、下添え字の1(2)は励起子分子(励起子)発光の光子を表す。この状態では、観測をする前には1と2のうちどちらか一方がRで他方がLとしか分からないが、例えば光子1がR(L)の状態であることを観測した瞬間に、光子2がL(R)の状態に確定する。これが量子テレポーテーションである。
なお、円偏光と、水平(H)、垂直(V)直線偏光との関係は
|R>=(|H>+i|V>)/√2 (2)
|L>=(|H>−i|V>)/√2 (3)
と表されることを考えると(ここで、iは虚数単位)、(1)式は、(1)式に(2)、(3)式を代入して、次の(4)式のように書くことも可能である。
|ψ>=(|H>|H>+|V>|V>)/√2 (4)
従って、円偏光で見られた量子力学的な相関関係は、直線偏光としても観測される。なお、水平軸はどの方向にとっても同等である。
In FIG. 9B, an exciton molecule in an ideal single quantum dot that generates a entangled photon pair relaxes while emitting two photons to the ground state through the exciton state as an intermediate state. It shows the process of doing.
There are two pathways for the relaxation process. In the left-hand path, clockwise circularly polarized light (σ +) is emitted in the relaxation process from the exciton molecule to the exciton state, and then left-handed circularly polarized light (σ−) in the relaxation process from the exciton state to the ground state. ) Photons. On the other hand, in the right path, σ− photons are emitted in the relaxation process from the exciton molecule to the exciton state, and then σ + photons are emitted in the relaxation process from the exciton state to the ground state.
If it is impossible to distinguish these two paths quantum mechanically, there is a quantum entangled state with respect to the polarization state, and the function | ψ> representing this quantum mechanical state is the following (1) It is expressed as an expression.
| Ψ> = (| R> 1 | L> 2 + | L> 1 | R> 2 ) / √2 (1)
Here, R (L) represents right (left) circularly polarized light, and the subscript 1 (2) represents photons of exciton molecule (exciton) emission. In this state, only one of 1 and 2 is R and the other is L before the observation, but for example, at the moment when it is observed that photon 1 is in the R (L) state, 2 is determined to be in the state of L (R). This is quantum teleportation.
The relation between circularly polarized light and horizontal (H) and vertical (V) linearly polarized light is | R> = (| H> + i | V>) / √2 (2)
| L> = (| H> −i | V>) / √2 (3)
(Where i is an imaginary unit), the formula (1) is obtained by substituting the formulas (2) and (3) into the formula (1) as shown in the following formula (4): It is also possible to write in
| Ψ> = (| H> 1 | H> 2 + | V> 1 | V> 2 ) / √2 (4)
Therefore, the quantum mechanical correlation observed with circularly polarized light is also observed as linearly polarized light. Note that the horizontal axis is the same for any direction.

しかしながら、実際の量子ドットのほとんどは構造が非対称性になっており、電子と正孔の交換エネルギー作用によって、中間状態である2つの励起子状態にエネルギー差が生じてしまう。この場合の励起子分子の緩和過程を図9(c)に示している。
このとき、左側の経路からは水平偏光(H)の光子が2個、右側の経路からは垂直偏光(V)の光子が2個発生するが、中間状態の励起子状態が識別出来てしまうため、量子もつれを全くしていない、もしくは量子もつれの度合いをあらわす忠実度(fidelity)の非常に低い光子対が発生する(非特許文献3)。
また、量子ドットの作製条件を厳密に制御し、非対称構造を極力低減することにより、量子もつれ光子対が発生した場合であっても、ある特定の大きさの量子ドットからのみ発生をする(すなわち、波長が約900nm程度のものしか得られない)、さらに場合によっては2テスラという強磁場が必要である(非特許文献4)。
従って、従来のカスケード過程を用いた量子もつれ光子対の発生法が、一般的な1.3から1.5μmの光通信波長帯における暗号技術にそのまま適用されるわけではない。また非特許文献4にて測定された量子もつれの忠実度が前述のパラメトリック下方変換ほど高くはない。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、2次元フォトニック結晶中に埋め込まれた単一量子ドットを用いた、忠実度の高い量子もつれ光子対発生器を提供することにある。
However, most of the actual quantum dots have an asymmetric structure, and an energy difference occurs between two exciton states that are intermediate states due to the exchange energy action of electrons and holes. The relaxation process of the exciton molecule in this case is shown in FIG.
At this time, two photons of horizontal polarization (H) are generated from the left path and two photons of vertical polarization (V) are generated from the right path, but the intermediate exciton state can be identified. A photon pair with no very entanglement or a very low fidelity that represents the degree of entanglement occurs (Non-patent Document 3).
In addition, by strictly controlling the quantum dot fabrication conditions and reducing the asymmetric structure as much as possible, even when quantum entangled photon pairs are generated, they are generated only from quantum dots of a certain size (ie, In addition, a strong magnetic field of 2 Tesla is required in some cases (Non-patent Document 4).
Therefore, the conventional method of generating entangled photon pairs using a cascade process is not directly applied to encryption technology in a general optical communication wavelength band of 1.3 to 1.5 μm. In addition, the fidelity of quantum entanglement measured in Non-Patent Document 4 is not as high as the above-described parametric down-conversion.
The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to provide a high-fidelity quantum entangled photon pair generator using a single quantum dot embedded in a two-dimensional photonic crystal. It is to provide.

上記の目的を達成するため、本発明によれば、基材の微小共振器の中心部の格子点を除く格子点に開口が設けられ、開口内が前記基材とは屈折率が異なる媒質によって充填されている2次元フォトニック結晶からなる微小共振器中に、単一量子ドットが埋め込まれた構造を有し、
前記単一量子ドットにおける最低次の励起子分子状態を生成する手段を備えており、
前記励起子分子状態が緩和していく過程において励起子分子発光に対応する第1の光子と、励起子発光に対応する第2の光子との対を発生し、前記第1の光子と前記第2の光子との対の状態が量子力学的にもつれあっている、量子もつれ光子対発生器であって、
前記微小共振器の第1の共振モードと前記第2の光子とが結合することによって生じるパーセル効果により、励起子発光寿命τが、前記微小共振器がなかった場合の寿命と比較して短くなるように、前記微小共振器の中心に近接した格子点の開口は本来の状態に変更が加えられていることを特徴とする、量子もつれ光子対発生器、が提供される。
In order to achieve the above object, according to the present invention, an opening is provided at a lattice point excluding the lattice point at the center of the microresonator of the base material, and the inside of the opening is a medium having a refractive index different from that of the base material. It has a structure in which a single quantum dot is embedded in a microcavity made of a filled two-dimensional photonic crystal,
Means for generating a lowest-order exciton molecular state in the single quantum dot,
In the process of relaxing the exciton molecular state, a pair of a first photon corresponding to exciton light emission and a second photon corresponding to exciton light emission is generated, and the first photon and the first photon A entangled photon pair generator in which the state of a pair with two photons is entangled quantum mechanically,
Due to the Purcell effect caused by the coupling of the first resonance mode of the microresonator and the second photon, the exciton emission lifetime τ is shorter than the lifetime without the microresonator. Thus , there is provided a quantum entangled photon pair generator characterized in that the opening of the lattice point close to the center of the microresonator is changed to the original state.

そして、好ましくは、前記2次元フォトニック結晶に対して平行に分布ブラッグ反射鏡を配置する、等の2次元フォトニック結晶の一方の側への光放出が強化される手段が備えられる。これにより、量子もつれ光子対の取り出し効率を向上させることが出来る。
また、好ましくは、前記2次元フォトニック結晶の微小共振器は、前記微小共振器の中心からの最近接の格子点に対応して配置されるべき開口の寸法、形状または位置のいずれかまたはその組み合わせが本来の格子点のものから変えられている。微小共振器の形状設計により、量子もつれの忠実度を向上させることができる。なお、その際に、前記最近接の開口の寸法、形状若しくは位置が、共振器モードの波長が2次元平面内で偏光無依存となるように調整されていることが望ましい。
Preferably, means for enhancing light emission to one side of the two-dimensional photonic crystal, such as disposing a distributed Bragg reflector parallel to the two-dimensional photonic crystal, is provided. Thereby, the extraction efficiency of the entangled photon pair can be improved.
Preferably, the microresonator of the two-dimensional photonic crystal is any one of the size, shape, or position of an opening to be disposed corresponding to the closest lattice point from the center of the microresonator, or its The combination is changed from that of the original grid point. By designing the shape of the microresonator, the fidelity of quantum entanglement can be improved. At this time, it is desirable that the size, shape, or position of the nearest opening is adjusted so that the wavelength of the resonator mode is independent of polarization in a two-dimensional plane.

さらに、前記微小共振器において、前記微小共振器モードのQ値が前記最近接の開口の寸法、形状若しくは位置に依存して調整される。
より具体的には、前記開口を充填する媒体は空気であり、周期的に配列されている開口の形状は円孔であって、共振器中心最近接の円孔の直径が所定の寸法から変えられているか、または/および、中心の位置が所定の格子点の位置から変えられている。
励起子分子状態の生成手段に関して、前記単一量子ドットの第N(Nは2以上の整数)励起状態と、前記微小共振器の第2の共振器モードとが共鳴しており、前記単一量子ドットの第N励起状態と前記微小共振器の第2の共振器モードの両方に共鳴する波長の光を照射することが望ましい。
忠実度の高い量子もつれ光子対を得るために、前記励起子発光寿命τは、励起子状態の分裂エネルギー幅Δに対して1/τ>Δの関係式にあることが望ましい。
Further, in the microresonator, the Q value of the microresonator mode is adjusted depending on the size, shape, or position of the nearest opening.
More specifically, the medium filling the openings is air, the shapes of the openings arranged periodically are circular holes, and the diameter of the circular holes closest to the resonator center is changed from a predetermined size. Or / and the center position is changed from the position of the predetermined grid point.
Regarding the means for generating the exciton molecular state, the Nth (N is an integer of 2 or more) excited state of the single quantum dot and the second resonator mode of the microresonator resonate, It is desirable to irradiate light having a wavelength that resonates both in the Nth excited state of the quantum dot and in the second resonator mode of the microresonator.
In order to obtain a entangled photon pair with high fidelity, the exciton emission lifetime τ is preferably in a relational expression of 1 / τ> Δ with respect to the split energy width Δ of the exciton state.

本発明による量子もつれ光子対発生器は、フォトニック結晶微小共振器中に埋め込まれた単一量子ドット構造を有しており、パーセル効果により、励起子および励起子分子発光の寿命が短くなることで、中間状態である2つの励起子状態が識別不可能となり、かつフーリエ限界パルスに近づくことで励起子スピンの位相緩和の影響を最小限することができ、従来よりも偏光状態に対する量子もつれの忠実度の高い、量子もつれ光子対発生器を提供できる。   The entangled photon pair generator according to the present invention has a single quantum dot structure embedded in a photonic crystal microresonator, and the lifetime of exciton and exciton molecular emission is shortened by the Purcell effect. Thus, the two exciton states, which are intermediate states, become indistinguishable, and the influence of phase relaxation of the exciton spin can be minimized by approaching the Fourier limit pulse. A highly entangled photon pair generator can be provided.

本発明は、フォトニック結晶微小共振器中に埋め込まれた単一の半導体量子ドットの、励起子分子から中間状態である励起子を経て基底状態へ緩和する、段階的な発光過程で生じる2つの光子を量子もつれ光子対として利用する、量子もつれ光子対発生器である。
図1に、本発明による量子もつれ光子対発生器の第1の実施の形態を示している。フォトニック結晶11は、膜厚dの半導体基材16中に円孔17が三角格子状に配列された構造となっており、円孔が一つだけ欠けた部分が微小共振器15となる。この共振器部分にはInAsからなる単一の量子ドット14が埋め込まれている。欠けた円孔から最近接の(微小共振器15の中心から最近接の)円孔は、その径が他の円孔のそれより小さくなされており、かつその中心が微小共振器15の中心から離れる方向に移動されている。単一量子ドットは、共振器モードの電場強度が一番強い部分もしくはそのごく近傍にあることが望ましい。量子ドット14から発生する量子もつれ光子対はレンズ18によって集光される。半導体基材16の材料は特に限定されないが、化合物半導体であることが望ましく、本実施の形態ではGaAsが用いられている。フォトニック結晶11は、通常空気中に設置されるが真空を含む他の媒体中であってもよい。
The present invention provides two stepwise light emission processes in which a single semiconductor quantum dot embedded in a photonic crystal microresonator relaxes from an exciton molecule to a ground state via an exciton that is an intermediate state. It is a entangled photon pair generator that uses photons as entangled photon pairs.
FIG. 1 shows a first embodiment of a entangled photon pair generator according to the present invention. The photonic crystal 11 has a structure in which circular holes 17 are arranged in a triangular lattice pattern in a semiconductor substrate 16 having a film thickness d, and a portion where only one circular hole is missing becomes a microresonator 15. A single quantum dot 14 made of InAs is embedded in this resonator portion. The closest hole (closest to the center of the microresonator 15) from the chipped hole is smaller in diameter than that of the other circular holes, and the center is from the center of the microresonator 15. It has been moved away. It is desirable that the single quantum dot is at or near the portion where the electric field strength of the resonator mode is strongest. The entangled photon pair generated from the quantum dot 14 is collected by the lens 18. The material of the semiconductor substrate 16 is not particularly limited, but is preferably a compound semiconductor, and GaAs is used in the present embodiment. The photonic crystal 11 is usually placed in the air, but may be in another medium including a vacuum.

次に、図2を参照して本実施の形態のフォトニック結晶構造の作製法について簡単に説明する。GaAsからなる半導体基板13上に犠牲層12となるAlGaAsをエピタキシャル成長させる〔図2(a)〕。次に、半導体基材16となるGaAsをd/2の膜厚に成長させる〔図2(b)〕。そして、半分の膜厚の半導体基材16上にInAsからなる量子ドット14を配置する〔図2(c)〕。次いで、更にGaAsを成長させて犠牲層12上に膜厚dの半導体基材16を形成する〔図2(d)〕。続いて、リソグラフィ技術とドライエッチングプロセスを組み合わせることにより、周期的に配列された円孔17を形成して、微小共振器15を有するフォトニック結晶11を形成する〔図2(e)〕。次に、フォトニック結晶の下部にある犠牲層12を円孔17を介してウエットエッチングしてフォトニック結晶下部に空洞を形成する〔図2(f)〕。ウエットエッチングは、この空洞の平面内での大きさが、フォトニック結晶11を構成する円孔17が形成されている領域よりも5〜10μm程度大きくなるように行う。残った犠牲層12は、薄膜であるフォトニック結晶11を支える土台として機能する。   Next, a method for manufacturing the photonic crystal structure of the present embodiment will be briefly described with reference to FIG. AlGaAs as the sacrificial layer 12 is epitaxially grown on the semiconductor substrate 13 made of GaAs [FIG. 2A]. Next, GaAs serving as the semiconductor substrate 16 is grown to a thickness of d / 2 [FIG. 2 (b)]. Then, quantum dots 14 made of InAs are arranged on the semiconductor substrate 16 having a half film thickness [FIG. 2 (c)]. Next, GaAs is further grown to form a semiconductor substrate 16 having a film thickness d on the sacrificial layer 12 (FIG. 2D). Subsequently, by combining the lithography technique and the dry etching process, the circular holes 17 arranged periodically are formed to form the photonic crystal 11 having the microresonators 15 [FIG. 2 (e)]. Next, the sacrificial layer 12 under the photonic crystal is wet-etched through the circular hole 17 to form a cavity under the photonic crystal [FIG. 2 (f)]. The wet etching is performed so that the size of the cavity in the plane is larger by about 5 to 10 μm than the region where the circular holes 17 constituting the photonic crystal 11 are formed. The remaining sacrificial layer 12 functions as a base for supporting the photonic crystal 11 which is a thin film.

図3は、本発明による本発明による量子もつれ光子対発生器のメカニズムを説明するための図である。GaAs中に埋め込まれたInAs量子ドットで、励起子発光波長がおおよそ1.3μmのものを例として議論を進めていく。
初期状態として、励起子分子状態を生成する必要があるが、これは、量子ドットを取り囲んでいる媒質の吸収領域の波長、あるいは濡れ層とよばれる量子ドットの作製時に出来るドット材料の超薄膜層の共鳴波長、または高次の励起子準位に共鳴する波長を有する励起光を適切な強度で量子ドットに照射することによって生成することができる。あるいは、p−i−n構造を導入することで、適切な大きさの外部電場印加により、電子・正孔を量子ドット領域に注入することによっても生成することができる。
FIG. 3 is a diagram for explaining the mechanism of the entangled photon pair generator according to the present invention. The discussion proceeds with an example of an InAs quantum dot embedded in GaAs having an exciton emission wavelength of approximately 1.3 μm.
As an initial state, it is necessary to generate an exciton molecular state, which is the wavelength of the absorption region of the medium surrounding the quantum dot, or an ultra-thin layer of dot material that can be created when creating a quantum dot called a wetting layer. The quantum dots can be generated by irradiating the quantum dots with an appropriate intensity with an excitation light having a resonance wavelength of 1 or a wavelength that resonates with a higher-order exciton level. Alternatively, by introducing a p-i-n structure, it can be generated by injecting electrons and holes into the quantum dot region by applying an external electric field of an appropriate magnitude.

励起子分子状態は、典型的には1ns程度の寿命で、光子を1個放出して励起子状態へと緩和した後、さらに1ns程度の寿命で別の光子を1個放出して基底状態へと緩和する。前述のように、ほとんどすべての量子ドットにおいては、その形状の非対称性のため、図9(c)に示されるように、中間状態である2つの励起子状態は水平(H)または垂直(V)の直線偏光を固有状態として、エネルギー差Δが生じる。
いま、フォトニック結晶微小共振器がなかった場合の寿命をτ=1.0nsとした時、不確定性原理によりスペクトル上での広がり(自然幅)の半値全幅δは約0.7μeVであることが導かれる。
Δの値は数〜数十μeV程度であることは、種々の実験により確かめられている。したがって、微小共振器なしの場合にはΔ>>δとなり、中間状態である2つの励起子状態は十分に区別可能である。
不確定原理によれば、励起子の発光寿命が短くなれば、それに反比例してスペクトル広がりδが大きくなる。よって、この原理を利用することにより、自然幅と比較して前述エネルギー差が小さくなる、すなわちΔ<δの状況を作り出してやれば、識別不可能となるはずである。この役割を担うのがフォトニック結晶微小共振器である。
電磁場の励起子のような孤立準位の発光が、フォトニック結晶微小共振器におかれた場合、その発光寿命τは、共振器のない場合のτと比較して、(5)式で表されるパーセル因子F倍だけ短くなる。
The exciton molecular state typically has a lifetime of about 1 ns, and after releasing one photon to relax to the exciton state, it emits another photon with a lifetime of about 1 ns to the ground state. And relax. As described above, in almost all quantum dots, due to the shape asymmetry, as shown in FIG. 9C, the two exciton states that are intermediate states are horizontal (H) or vertical (V ) Is an eigenstate, and an energy difference Δ is generated.
Now, when the lifetime in the absence of the photonic crystal microresonator is τ 0 = 1.0 ns, the full width at half maximum δ of the spread (natural width) on the spectrum is about 0.7 μeV due to the uncertainty principle. That is led.
It has been confirmed by various experiments that the value of Δ is about several to several tens of μeV. Therefore, Δ >> δ in the absence of the microresonator, and the two exciton states that are intermediate states can be sufficiently distinguished.
According to the uncertain principle, if the emission lifetime of the exciton is shortened, the spectral spread δ increases in inverse proportion to it. Therefore, by using this principle, if the aforementioned energy difference becomes smaller than the natural width, that is, if a situation of Δ <δ is created, it should be impossible to identify. The photonic crystal microresonator plays this role.
When light of an isolated level such as an exciton of an electromagnetic field is placed in a photonic crystal microresonator, its emission lifetime τ is compared with τ 0 in the case of no resonator as It is shortened by the expressed parcel factor F times.

Figure 0004867621
この(5)式において、λxは励起子発光波長、nは媒質の屈折率、Qは共振器モードのQ値(Quality Factor)、Vは共振器のモード体積、Eは量子ドットの位置での電場強度、μは励起子の双極子モーメント、λcは共振器の共鳴波長、Δλcは共振器幅で、λc/Qに等しい。
一方、自然幅は
δ=1/τ=F/τ (6)
と表されるため、大きなFを得ることが出来ると、それに比例して自然幅を大きくすることが可能となる。例えばF=50が得られたとすれば、自然幅δ=0.7×50=35μeVとなり、典型的な値Δ=10μeVの分裂幅が十分に隠れ、2つの経路の区別がつかなくなる状況(δ>Δ)が作り出されて、忠実度の高い量子もつれ光子対の発生が可能となる。
励起子発光寿命τが小さくなることは、別の観点からも望ましい。有限温度の固体中ではフォノンの影響によって、励起子状態のスピン緩和が起こり、量子もつれの度合いを低減する別の要因となる。τが小さくなることで、スピン緩和の影響を低減できるからである。
次に、発生する量子もつれ光子対の忠実度について定量的に議論する。スピン緩和を無視できる状況での理想的な忠実度は自然幅δと励起子分裂幅Δを用いて、次の(7)式で表される。
Figure 0004867621
In this equation (5), λx is the exciton emission wavelength, n is the refractive index of the medium, Q is the Q value (Quality Factor) of the resonator mode, V is the mode volume of the resonator, and E is the position of the quantum dot. The electric field strength, μ is the exciton dipole moment, λc is the resonance wavelength of the resonator, Δλc is the resonator width, and is equal to λc / Q.
On the other hand, the natural width is δ = 1 / τ = F / τ 0 (6)
Therefore, if a large F can be obtained, the natural width can be increased in proportion thereto. For example, if F = 50 is obtained, the natural width δ = 0.7 × 50 = 35 μeV, and the split width of a typical value Δ = 10 μeV is sufficiently hidden, so that the two paths cannot be distinguished (δ > Δ) is created, allowing the generation of highly entangled quantum entangled photon pairs.
It is desirable from another viewpoint that the exciton emission lifetime τ is reduced. In a solid at a finite temperature, the spin relaxation of the exciton state occurs due to the effect of phonons, which is another factor for reducing the degree of quantum entanglement. This is because the effect of spin relaxation can be reduced by reducing τ.
Next, we discuss quantitatively the fidelity of the generated entangled photon pairs. The ideal fidelity in a situation where spin relaxation can be ignored is expressed by the following equation (7) using the natural width δ and the exciton splitting width Δ.

Figure 0004867621
(5)式〜(7)式により、理想的な忠実度は共振器のQ値によって制御可能であることが分かる。ここで、フォトニック結晶や量子ドットでの典型的な数値をあてはめることで、Q値の変化に対する忠実度の変化をシミュレートする。
Figure 0004867621
From equations (5) to (7), it can be seen that the ideal fidelity can be controlled by the Q value of the resonator. Here, a typical numerical value in a photonic crystal or a quantum dot is applied to simulate a change in fidelity with respect to a change in Q value.

励起子発光波長λxは1300nmであって共振器波長λcとほぼ一致しており、励起子分子発光波長λxxはλxよりも1.6nm波長が長いものとし、電場と双極子モーメントの内積E・μは、それらの絶対値の積の最大値の1/2の値、モード体積はV=0.4(λx/n)であるとした時のQ値と忠実度の関係を図4の実線+黒丸に示す。Q値が大きければ大きいほど忠実度は完全量子もつれ状態の値1に近づいている。
しかしながら、Q値が大きくなることは良いことばかりではない。Q値が大きくなると、励起子分子発光波長λxxが共振スペクトルの幅Δλcから外れてしまい、共振器外部への発光効率が低下する、すなわち量子もつれ光子対の発生効率が低下する。このシミュレーション結果を図4の点線に示す。なお、発生効率100%は、励起子と励起子分子がともに共振器に共鳴している状況を仮定している。
図4から、量子もつれ光子対の忠実度とその発生効率はトレードオフの関係にあることが分かる。従って、現実的にはもつれ対の忠実度と発生効率の両方をある値以上にするための最適Q値がある。本計算例では、Q〜1200程度にすれば、忠実度0.95、(理想的な状況に対する)発生効率11%という値を得ることが出来る。
ところで、前述の最適Q値はτ=1.0ns、Δ=10μeVを想定した値であって、量子ドットの特性によって変わる値である。従って、共振器Q値は量子ドットの特性に合わせて自在に設計できることが望ましい。
The exciton emission wavelength λx is 1300 nm and substantially coincides with the resonator wavelength λc, and the exciton molecular emission wavelength λxx is 1.6 nm longer than λx, and the inner product E · μ of the electric field and the dipole moment 4 represents the relationship between the Q value and the fidelity when the absolute value of the product is ½ of the maximum value and the mode volume is V = 0.4 (λx / n) 3 . + Shown in black circles. The greater the Q value, the closer the fidelity is to the value 1 of the fully entangled state.
However, increasing the Q value is not only good. As the Q value increases, the exciton molecule emission wavelength λxx deviates from the resonance spectrum width Δλc, and the emission efficiency to the outside of the resonator decreases, that is, the generation efficiency of the entangled photon pair decreases. The simulation result is shown by the dotted line in FIG. The generation efficiency of 100% assumes a state where both excitons and exciton molecules resonate with the resonator.
FIG. 4 shows that the fidelity of the entangled photon pair and its generation efficiency are in a trade-off relationship. Therefore, in reality, there is an optimum Q value for making both the fidelity of the entanglement pair and the generation efficiency be a certain value or more. In this calculation example, when Q is set to about 1200, values of fidelity 0.95 and generation efficiency 11% (for an ideal situation) can be obtained.
By the way, the above-mentioned optimum Q value is a value that assumes τ 0 = 1.0 ns and Δ = 10 μeV, and is a value that varies depending on the characteristics of the quantum dots. Therefore, it is desirable that the resonator Q value can be designed freely according to the characteristics of the quantum dots.

続いてフォトニック結晶共振器のQ値の設計法について具体例を用いて説明する。フォトニック結晶は、厚さ0.24μmのGaAs薄膜(屈折率3.4)に対して、半径r=0.10μmの空気円孔が2次元三角格子状に配列されており、格子定数、すなわち各々の円孔の中心間隔a=0.36μmである。フォトニック結晶の平面図は図5(a)に示す。このようなフォトニック結晶において、中心の1つの円孔がGaAsで埋められた構造、すなわち点状欠陥であって、この部分が共振器の中心となる。このような形状の共振器はH1型共振器と呼ばれる。   Next, a method for designing the Q value of the photonic crystal resonator will be described using a specific example. In the photonic crystal, air holes with a radius r = 0.10 μm are arranged in a two-dimensional triangular lattice pattern on a GaAs thin film (refractive index 3.4) having a thickness of 0.24 μm. The center distance a of each circular hole is 0.36 μm. A plan view of the photonic crystal is shown in FIG. Such a photonic crystal has a structure in which one central circular hole is filled with GaAs, that is, a point defect, and this portion becomes the center of the resonator. A resonator having such a shape is called an H1-type resonator.

図5(a)に示されるH1型共振器では、Q値を変化させるために共振器最近接の6つの円孔を、図5(b)に示すように、破線で示される周期性から導かれる本来の位置から外側にsだけずらし、それらの半径r’は他の円孔半径rよりもsだけ小さくしてある。図5(b)には、6つの内の右の円孔のみを拡大して示した。ここで特に注意したいのは、H1共振器は最近接円孔を変調した場合であっても、6回対称性を保持していなければならない。それは、共振器モードが偏光に依存した共鳴波長を持ってはいけない、つまり二重縮退していることと同値である。この条件を満たさなければ、偏光状態の量子もつれ状態の実現が非常に難しくなる。
円孔半径をr→r’と小さくしかつ外側への中心変位sをs=r−r’という条件の下で変化させた場合のQ値変化をシミュレートした結果を図5(c)に示す。中心変位s=0.09a=32nmにおいて最大Q値33,000が得られる。
In the H1 type resonator shown in FIG. 5 (a), six circular holes closest to the resonator are introduced from the periodicity shown by a broken line as shown in FIG. 5 (b) in order to change the Q value. They are shifted from the original position by s, and their radius r ′ is smaller by s than the other circular hole radii r. In FIG. 5B, only the right circular hole among the six is shown in an enlarged manner. It should be particularly noted here that the H1 resonator must maintain 6-fold symmetry even when the nearest circular hole is modulated. That is equivalent to the fact that the resonator mode should not have a polarization-dependent resonance wavelength, ie double degenerate. If this condition is not met, it will be very difficult to realize the entangled state of the polarization state.
FIG. 5C shows the result of simulating the Q value change when the radius of the circular hole is reduced from r → r ′ and the center displacement s to the outside is changed under the condition of s = r−r ′. Show. A maximum Q value of 33,000 is obtained at the center displacement s = 0.09a = 32 nm.

フォトニック結晶作製時には作製誤差があるため、理想的な計算Q値を得ることは難しいものの、上記パラメータの設計値で作製された微小共振器構造において、Q=17,000が実現されている。その共振器モードの測定波長スペクトルを図6に示している。
図6において、黒丸は量子ドットが共振器を介して発光したスペクトルの測定結果を示している。このスペクトルを、ローレンツ関数を用いてフィッティングをした結果も実線で示されている。図中の矢印は、このローレンツ関数で最大値の半分となる幅、すなわち半値全幅(FWHM)を表しており、その値は0.077nmと見積もられた。なお、Q値は共振器波長、ここでは1327.6nmをFWHMで割ることによって求めることができ、その結果がQ=17,000となる。一方、中心変位s=0の場合も同様の実験を行うことで、Q=300という測定結果を得た。よって、Q値は300〜17,000という2桁の範囲内で実際に制御可能であることが分かった。
以上から、量子ドットの特性に応じて最適Q値を選択し、共振器構造を設計することが可能であることが示された。
なお、ここでは具体例として三角格子型のフォトニック結晶を挙げているが、正方格子など他の結晶構造であっても同様の効果がある。また、開口の形状も円孔に限られず楕円孔、半円孔、多角形孔であっても同様の効果が得られる。また、上記実施の形態では最近接円孔の最遠点が固定されている例を示したが、必ずしもそのようにする必要はなく、6回対称性が維持されているのであれば(三角格子型の場合)、任意の変更が可能である。即ち、半径を変化させて中心位置を固定する、半径を変えずに中心位置を移動する、新たに他の円孔を追加する等が可能である。
Although there is a manufacturing error when manufacturing the photonic crystal, it is difficult to obtain an ideal calculated Q value, but Q = 17,000 is realized in the microresonator structure manufactured with the design values of the above parameters. The measured wavelength spectrum of the resonator mode is shown in FIG.
In FIG. 6, black circles indicate the measurement results of the spectrum in which the quantum dots emit light through the resonator. The result of fitting this spectrum using the Lorentz function is also shown by a solid line. The arrow in the figure represents the width that is half of the maximum value in this Lorentz function, that is, the full width at half maximum (FWHM), and the value was estimated to be 0.077 nm. The Q value can be obtained by dividing the resonator wavelength, here 1327.6 nm, by FWHM, and the result is Q = 17,000. On the other hand, a measurement result of Q = 300 was obtained by performing the same experiment when the center displacement s = 0. Therefore, it has been found that the Q value can actually be controlled within a two-digit range of 300 to 17,000.
From the above, it has been shown that the resonator structure can be designed by selecting the optimum Q value according to the characteristics of the quantum dots.
Although a triangular lattice type photonic crystal is mentioned here as a specific example, the same effect can be obtained with other crystal structures such as a square lattice. Further, the shape of the opening is not limited to the circular hole, and the same effect can be obtained even if the opening is an elliptical hole, a semicircular hole, or a polygonal hole. In the above embodiment, the example in which the farthest point of the nearest circular hole is fixed is shown. However, it is not always necessary to do so. If the 6-fold symmetry is maintained (triangular lattice) Any change is possible. That is, it is possible to fix the center position by changing the radius, move the center position without changing the radius, or add another circular hole.

図7は、本発明による量子もつれ光子対発生器の第2の実施の形態を示す断面図である。図7において、第1の実施の形態を示す図1の部分と同等の部分には同一の参照記号を付し、重複する説明は省略する。本実施例では、第1の実施の形態に対して、スペーサ23を介して、半導体基板21に支持された分布ブラッグ反射鏡(DBR)22が配置されている。DBRは量子ドットから発生する量子もつれ光子対のうち、図面下側に放射される成分を反射することにより、集光レンズ18へと導かれる確率を上げる効果をもつ。DBRは、例えばAlGaAsとGaAsを1/4波長ずつ交互に積層した構造である。   FIG. 7 is a sectional view showing a second embodiment of the entangled photon pair generator according to the present invention. In FIG. 7, parts that are the same as the parts in FIG. 1 showing the first embodiment are given the same reference symbols, and redundant descriptions are omitted. In this example, a distributed Bragg reflector (DBR) 22 supported by the semiconductor substrate 21 is arranged via a spacer 23 with respect to the first embodiment. The DBR has an effect of increasing the probability of being guided to the condensing lens 18 by reflecting a component radiated to the lower side of the drawing among the entangled photon pairs generated from the quantum dots. The DBR has a structure in which, for example, AlGaAs and GaAs are alternately stacked by 1/4 wavelength.

これまでの説明では、共振器内部には位置を制御された1個の量子ドットのみが存在するという、理想的な状態のみを考えていた。しかしながら、現状の作成技術では位置を正確に制御することが非常に困難であり、ほとんどの場合に置いて、自己形成型の量子ドットが用いられている。この自己形成型の量子ドットは全くランダムな位置に形成され、共振器内に1個だけ量子ドットがあるという状況はまれで、数個の量子ドットが形成されている可能性が非常に高い。従って、共振器中央にある量子ドットのみを選択的に励起する必要がある。なお、その他の量子ドットからの発光は、デバイス動作時には過剰ノイズとして作用するため、極力低減されなければならない。
本発明による量子もつれ光子対発生器の第3の実施の形態は、量子ドット励起子の高次の励起状態の波長(エネルギー)と、共振器の高次モードの波長が共鳴しており、さらにこれに共鳴する励起光を照射する手段とを備えていることを特徴としている。この動作原理を説明したのが図8である。
In the explanation so far, only an ideal state where only one quantum dot whose position is controlled exists inside the resonator has been considered. However, it is very difficult to accurately control the position with the current production technique, and in most cases, self-forming quantum dots are used. The self-formed quantum dots are formed at random positions, and there is rarely a situation where there is only one quantum dot in the resonator, and it is highly possible that several quantum dots are formed. Therefore, it is necessary to selectively excite only the quantum dot at the center of the resonator. Note that light emission from other quantum dots acts as excess noise during device operation and must be reduced as much as possible.
In the third embodiment of the entangled photon pair generator according to the present invention, the wavelength (energy) of the higher-order excited state of the quantum dot exciton and the wavelength of the higher-order mode of the resonator resonate, And a means for irradiating excitation light resonating therewith. FIG. 8 illustrates the operating principle.

量子ドットは閉じ込めポテンシャルが深いため、離散化された励起子エネルギー準位は複数できる。通常、励起子または励起子分子発光と言っているのは前述の複数のエネルギー準位のうちの最低次状態からの発光である。2番目に低いエネルギー(または長い波長)状態は第2励起状態と呼ばれ、以降順に第3、第4励起状態と呼ばれる。これらの波長間隔は典型的には50nm程度である。
共振器は、例えば図5に示すH1共振器の場合には30〜100nm間隔で共振器モードが存在する。従って適切な共振器設計によって、基底状態の励起子と第1の共振器モードが共鳴し、かつ第2励起状態の励起子と第2の共振器モードとが共鳴する図8の状況を作り出すことが可能である。
この時、第2励起状態の励起子と第2の共振器モードの両方に共鳴する励起光を照射すると、第2励起状態が量子ドット内に生成される。その後、10ps程度の時間でエネルギーの低い状態へと緩和し、最低次の励起子分子状態を生成する。その後の光子放出過程はこれまで述べた通りである。
このような高次励起状態に共鳴した励起法では、特定の量子ドットのみを選択的に励起することが可能となり、例えば共振器内に複数の量子ドットがあった場合に非常に有効である。なぜなら、共鳴励起ではない従来の励起法では同時に複数の量子ドットを励起状態にしてしまい、量子もつれ光子対を発生させたい量子ドット以外からも光子を放出させ、ノイズ増大につながるからである。
なお、励起光自体も光子1個レベルを扱う量子もつれ光子対光源では、ノイズ増大の原因の1つになりうるため、励起光は低パワーの方が望ましい。本発明では、励起子の高次励起状態に共鳴している高次の共振器モードが、電場の増強効果により、より低い励起光パワーで励起子分子状態を生成することを可能としている。
以上の作用によってノイズ低減がなされ、結果として、もつれ忠実度の向上に資する。
Since quantum dots have a deep confinement potential, there can be multiple discretized exciton energy levels. Usually, exciton or exciton molecular light emission refers to light emission from the lowest order state among the plurality of energy levels. The second lowest energy (or long wavelength) state is called the second excited state, and is called the third and fourth excited states in this order. These wavelength intervals are typically about 50 nm.
For example, in the case of the H1 resonator shown in FIG. 5, the resonator has resonator modes at intervals of 30 to 100 nm. Accordingly, by appropriate resonator design, the situation of FIG. 8 is created in which the excitons in the ground state and the first resonator mode resonate and the excitons in the second excited state and the second resonator mode resonate. Is possible.
At this time, when the excitation light that resonates both the exciton in the second excitation state and the second resonator mode is irradiated, the second excitation state is generated in the quantum dot. Thereafter, the energy is relaxed to a low energy state in about 10 ps, and the lowest-order exciton molecular state is generated. The subsequent photon emission process is as described above.
Such an excitation method that resonates in a higher-order excited state can selectively excite only specific quantum dots, and is very effective when there are a plurality of quantum dots in a resonator, for example. This is because the conventional excitation method that is not resonance excitation simultaneously brings a plurality of quantum dots into an excited state, and emits photons from other than the quantum dots for which a entangled photon pair is to be generated, leading to an increase in noise.
It should be noted that the excitation light itself can be one of the causes of noise increase in a entangled photon pair light source that handles one photon level, and therefore it is desirable that the excitation light has a low power. In the present invention, the higher-order resonator mode resonating with the higher-order excited state of the exciton can generate the exciton molecular state with lower excitation light power due to the electric field enhancement effect.
Noise is reduced by the above action, and as a result, it contributes to improvement of the entanglement fidelity.

ここでは具体例として、量子ドット励起子の第2励起状態と高次の共振器モードとが共鳴している場合で説明したが、量子ドット励起子は第3またはさらに高次の励起状態であっても構わない。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
As a specific example, the case where the second excited state of the quantum dot excitons and the higher-order resonator mode are resonating has been described. However, the quantum dot excitons are in the third or higher-order excited state. It doesn't matter.
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.

本発明によれば、偏光に関して高い忠実度の量子もつれを有する光子対を生成することができるため、その安全性が量子力学の原理によって証明されている、量子暗号鍵配布や量子中継システムに適用することができ、絶対的に安全な通信技術の発展に資する。   According to the present invention, a photon pair having high-fidelity quantum entanglement with respect to polarization can be generated, so that its security is proved by the principle of quantum mechanics and applied to quantum key distribution and quantum relay systems. Can contribute to the development of absolutely safe communication technology.

本発明による量子もつれ光子対発生器の第1の実施の形態を示す断面図と平面図。Sectional drawing and top view which show 1st Embodiment of the quantum entangled photon pair generator by this invention. 本発明による量子もつれ光子対発生器の第1の実施の形態の製造プロセスを示す工程順の断面図。Sectional drawing of the process order which shows the manufacturing process of 1st Embodiment of the quantum entangled photon pair generator by this invention. 本発明による量子もつれ光子対発生の原理説明図。FIG. 3 is a diagram illustrating the principle of entangled photon pair generation according to the present invention. 微小共振器中に埋め込まれた量子ドットから発生する量子もつれ光子対のもつれ忠実度と集光効率のQ値依存性を表すグラフ。The graph showing the Q value dependence of the entanglement fidelity of the entangled photon pair generated from the quantum dot embedded in the microresonator and the light collection efficiency. (a)H1型共振器の平面構造図と(b)その部分拡大図と(c)Q値の変化を表すグラフ。(A) Planar structure figure of H1 type | mold resonator, (b) The partial enlarged view, (c) The graph showing the change of Q value. 作製されたH1型共振器の特性を示すグラフ。The graph which shows the characteristic of the produced H1 type | mold resonator. 本発明による量子もつれ光子対発生器の第2の実施の形態を示す断面図。Sectional drawing which shows 2nd Embodiment of the quantum entangled photon pair generator by this invention. 本発明による量子もつれ光子対発生器の第3の実施の形態における励起子エネルギー(波長)、共振器波長、励起光波長の関係を表す図。The figure showing the relationship of the exciton energy (wavelength), resonator wavelength, and excitation light wavelength in 3rd Embodiment of the quantum entangled photon pair generator by this invention. (a)量子ドット中でのエネルギーダイアグラム、(b)理想的な量子ドットからの量子もつれ光子対の発生過程、(c)現実の量子ドットからの2光子発生過程。(A) Energy diagram in a quantum dot, (b) Generation process of an entangled photon pair from an ideal quantum dot, (c) Generation process of a two-photon from an actual quantum dot.

符号の説明Explanation of symbols

11 フォトニック結晶
12 犠牲層
13、21 半導体基板
14 量子ドット
15 微小共振器
16 半導体基材
17 円孔
18 集光レンズ
22 分布ブラッグ反射鏡
23 スペーサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Photonic crystal 12 Sacrificial layer 13, 21 Semiconductor substrate 14 Quantum dot 15 Microresonator 16 Semiconductor base material 17 Circular hole 18 Condensing lens 22 Distributed Bragg reflector 23 Spacer

Claims (9)

基材の微小共振器の中心部の格子点を除く格子点に開口が設けられ、開口内が前記基材とは屈折率が異なる媒質によって充填されている2次元フォトニック結晶からなる微小共振器中に、単一量子ドットが埋め込まれた構造を有し、
前記単一量子ドットにおける最低次の励起子分子状態を生成する手段を備えており、
前記励起子分子状態が緩和していく過程において励起子分子発光に対応する第1の光子と、励起子発光に対応する第2の光子との対を発生し、前記第1の光子と前記第2の光子との対の状態が量子力学的にもつれあっている、量子もつれ光子対発生器であって、
前記微小共振器の第1の共振モードと前記第2の光子とが結合することによって生じるパーセル効果により、励起子発光寿命τが、前記微小共振器がなかった場合の寿命と比較して短くなるように、前記微小共振器の中心に近接した格子点の開口は本来の状態に変更が加えられていることを特徴とする、量子もつれ光子対発生器。
A microresonator comprising a two-dimensional photonic crystal in which an opening is provided at a lattice point excluding the lattice point at the center of the microresonator of the base material, and the inside of the opening is filled with a medium having a refractive index different from that of the base material It has a structure in which a single quantum dot is embedded,
Means for generating a lowest-order exciton molecular state in the single quantum dot,
In the process of relaxing the exciton molecular state, a pair of a first photon corresponding to exciton light emission and a second photon corresponding to exciton light emission is generated, and the first photon and the first photon A entangled photon pair generator in which the state of a pair with two photons is entangled quantum mechanically,
Due to the Purcell effect caused by the coupling of the first resonance mode of the microresonator and the second photon, the exciton emission lifetime τ is shorter than the lifetime without the microresonator. Thus , the quantum entangled photon pair generator is characterized in that the opening of the lattice point close to the center of the microresonator is changed to the original state.
前記第1および第2の光子の前記2次元フォトニック結晶の一方の側への放出を強化する光学手段が備えられていることを特徴とする、請求項1に記載の量子もつれ光子対発生器。 2. The entangled photon pair generator according to claim 1, further comprising optical means for enhancing the emission of the first and second photons to one side of the two-dimensional photonic crystal. . 前記光学手段は、前記2次元フォトニック結晶に平行に配置された分布ブラッグ反射鏡であることを特徴とする、請求項に記載の量子もつれ光子対発生器。 The entangled photon pair generator according to claim 2 , wherein the optical means is a distributed Bragg reflector arranged in parallel to the two-dimensional photonic crystal. 前記2次元フォトニック結晶の微小共振器は、前記微小共振器の中心からの最近接の格子点に対応して配置されるべき開口の寸法、形状または位置のいずれかまたはその組み合わせが本来の格子点のものから変えられていることを特徴とする、請求項1からのいずれかに記載の量子もつれ光子対発生器。 In the microresonator of the two-dimensional photonic crystal, any size, shape or position of an opening to be arranged corresponding to the closest lattice point from the center of the microresonator or a combination thereof is an original grating. characterized in that it is changed from that of the point, entangled photon pair generator according to any one of claims 1 to 3. 前記2次元フォトニック結晶の微小共振器は、前記微小共振器の中心からの最近接の格子点に対応して配置されるべき開口の寸法、形状または位置のいずれかまたはその組み合わせが、共振器モードの波長が2次元平面内で偏光無依存となるように調整されていることを特徴とする、請求項1からのいずれかに記載の量子もつれ光子対発生器。 The microresonator of the two-dimensional photonic crystal has a size, shape or position of an opening to be arranged corresponding to the closest lattice point from the center of the microresonator, or a combination thereof. wherein the wavelength of the mode is adjusted to be polarization independent in a two-dimensional plane, entangled photon pair generator according to any one of claims 1 to 4. 前記微小共振器において、前記微小共振器モードのQ値が前記微小共振器の中心からの最近接の格子点に対応して配置されるべき開口の寸法、形状または前記中心からの距離のいずれかまたはその組み合わせに依存して調整されていることを特徴とする、請求項1からのいずれかに記載の量子もつれ光子対発生器。 In the microresonator, the Q value of the microresonator mode is either the size, shape, or distance from the center of the opening to be arranged corresponding to the closest lattice point from the center of the microresonator or characterized in that it is adjusted depending on the combination, entangled photon pair generator according to any one of claims 1 to 5. 前記基材とは屈折率が異なる媒質は空気であることを特徴とする、請求項1からのいずれかに記載の量子もつれ光子対発生器。 The entangled photon pair generator according to any one of claims 1 to 6 , wherein the medium having a refractive index different from that of the substrate is air. 前記単一量子ドットの第N(Nは2以上の整数)励起状態と前記微小共振器の第2の共振器モードとが共鳴しており、前記単一量子ドットにおける最低次の励起子分子状態を生成する手段が、前記単一量子ドットの第N励起状態と前記微小共振器の第2の共振器モードの両方に共鳴する光を照射する手段であることを特徴とする、請求項1からのいずれかに記載の量子もつれ光子対発生器。 The Nth (N is an integer of 2 or more) excited state of the single quantum dot and the second resonator mode of the microresonator resonate, and the lowest-order exciton molecular state in the single quantum dot The means for generating a light is a means for irradiating light that resonates in both the Nth excited state of the single quantum dot and the second resonator mode of the microresonator. 8. The entangled photon pair generator according to any one of 7 above. 前記励起子発光寿命τは、励起子状態の分裂エネルギー幅Δに対して1/τ>Δの関係式にあることを特徴とする、請求項1からのいずれかに記載の量子もつれ光子対発生器。 The exciton emission lifetime tau is characterized in that a relation expression of 1 / tau> delta against splitting energy width delta exciton states, entangled photon pairs according to any of claims 1 to 8 Generator.
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