JP5248888B2 - 単一光子発生方法および装置、並びに単一光子検出方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、単一光子を発生させる方法およびその装置、並びに単一光子を検出する方法およびその装置に関する。

単一光子の発生とその検出は、単一光子レベルで演算や通信を行ううえでの基本要素技術である。単一光子を発生させるために、従来では、半導体固体素子（半導体量子ドット）を用い、電子と正孔の対消滅によるエネルギーを光子の生成に変換する方法が提案されている（例えば、下記特許文献１、２）。

特開２００１−２３０４４５号公報 特開２００７−２４２８７６号公報

しかしながら、従来の単一光子発生方法では、単一レベルでの電子と正孔の制御が要請される。固体素子中では、一般に不純物や結晶格子の欠陥などにより、その制御が必ずしも容易ではない。

そこで、本発明は、単一レベルでの電子と正孔の制御を必要とせず簡便に単一光子を発生することができる単一光子発生方法および装置を提供することを課題とする。また、本発明は、単一光子検出方法および装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の単一光子発生方法および装置、並びに単一光子検出方法および装置は、以下に述べる技術的手段を採用する。

本発明の単一光子の発生とその検出は、単一レベルでの電子や正孔の制御が要請される従来原理に基づくものではなく、動的カシミール効果による単一光子の発生とその検出という、新しい原理に基づくものである。動的カシミール効果は、量子場の零点エネルギーに関する過渡的現象である。すなわち、量子場の境界が変動することによって、ある時刻の真空の定義が別の時刻には変わることによって、真空ゆらぎが実光子として生成される現象である。例えば、真空中に置かれた共振器の壁である鏡を急激に動かして鏡間の距離を超高速で変動させると、量子場の境界が変化するため、量子場の定義が変化し、真空から光子が生成されることが理論的に予想されている。しかし、その実験的検証は、未解決問題として残されている。実験的検証がなされていないのには、大きく二つの問題があった。

一つ目は、光子発生における問題点であり、共振器を構成している鏡を、真空の定義が変わるほど高速に移動させることが困難であることである。共振器の壁を時間的に変化させる代わりに、内部に誘電率を時間的に変動させる方法も提案されているが、相互作用の大きさと応答時間のトレード・オフの関係から、現在まで問題解決に至っていない。
二つ目は、光子検出における問題点であり、動的カシミール効果によって生成された単一光子がマイクロ波領域にあるために、高効率に単一光子を検出することが困難なことである。

ところで、動的カシミール効果の本質は、量子状態を決定する境界の時間的変化に起因している点にある。この点に着目し、本発明者は、これまでの提案にみられる光子場の境界を直接変化させる手法と異なり、固体素子人工原子を用いてその量子場に対する境界を時間的に変化させることにより動的カシミール効果を生じさせ、単一光子を発生させる方法を創案した。ここで、人工原子とは、量子的な二準位を有する人工構造体をいう。

すなわち、本発明の単一光子発生方法は、量子的な二準位を有する人工構造体である人工原子を用い、該人工原子における仮想粒子のポテンシャルエネルギーレベルを変化させることで、動的カシミール効果により単一光子を発生させる、ことを特徴とする。
また、本発明の単一光子発生装置は、量子的な二準位を有する人工構造体である人工原子と、該人工原子における仮想粒子のポテンシャルエネルギーレベルを変化させるポテンシャル制御手段と、を備え、前記ポテンシャル制御手段により、人工原子における仮想粒子のポテンシャルエネルギーレベルを変化させることで動的カシミール効果により単一光子を発生させる、ことを特徴とする。

このように本発明においては、仮想物質である人工原子を用いているため、実際の物質によって作られたポテンシャル境界ではできない零点エネルギーの準位を瞬時に変化させることができる。したがって、量子場の境界を急激に変化させることで、動的カシミール効果を生じさせ、単一光子を発生させることができる。これにより、上述した一つ目の問題を解決し、単一レベルでの電子と正孔の制御を必要とせず簡便に単一光子を発生することができる。

ここで、人工原子としては、第１の超伝導ループと、この第１の超伝導ループ中に配置され第２の超伝導ループ中の２箇所にジョセフソン接合が配置された構成の超伝導量子干渉素子（ｄｃ−ＳＱＵＩＤ）とを有するものを適用できる。この場合、第２の超伝導ループを貫通する磁束を急激に変化させることで動的カシミール効果を生じさせる。
ジョセフソン接合に印加するバイアス電流は、既存技術でサブピコ秒でのオン・オフ制御が可能であるため、バイアス電流の制御によって、人工原子における仮想粒子のポテンシャルエネルギーを急激に変化させることで、動的カシミール効果を生じさせ、単一光子を発生させることができる。

また、本発明の単一光子検出方法は、上述した方法により発生させた単一光子を検出する方法であり、人工原子に近接して第２の人工原子を配置し、発生した前記単一光子を前記第２の人工原子により検出する、ことを特徴とする。
また、本発明の単一光子検出装置は、上述した単一光子発生装置により発生させた単一光子を検出する装置であり、前記単一光子発生装置における前記人工原子に近接して配置され、前記単一光子発生装置により発生させた前記単一光子を検出する第２の人工原子を備える、ことを特徴とする。

光子と人工原子の結合力が、光子と天然原子の結合力に比べて１万倍の強さを持っていることが実験的に確認されている。これにより、上述した二つ目の問題を解決し、単一光子を高効率で検出することができる。

また別の実施形態による単一光子検出方法は、上述したジョセフソン接合を適用した人工原子を用いた単一光子発生方法により発生させた単一光子を検出する方法であり、第２の超伝導量子干渉素子を前記人工原子と磁気的に結合するように配置し、単一光子を発生した際の前記人工原子の磁束の変化を前記第２の超伝導干渉素子で検出することで単一光子の発生を検出する、ことを特徴とする。
また、別の実施形態による単一光子検出装置は、上述したジョセフソン接合を適用した人工原子を用いた単一光子発生装置により発生させた単一光子を検出する装置であり、前記人工原子と磁気的に結合するように配置された第２の超伝導量子干渉素子を備える、ことを特徴とする。

上記の検出方法及び検出装置によれば、動的カシミール効果によって単一光子を発生させた際に生じる人工原子の磁束変化によって、第２の超伝導量子干渉素子の磁束が変化するので、この磁束変化を第２の超伝導量子干渉素子を流れる電流の変化として検出することで、単一光子を検出することができる。

上述したように、本発明によれば、単一レベルでの電子と正孔の制御を必要とせず簡便に単一光子を発生することができ、また発生した単一光子を高効率で検出することができる、という優れた作用効果が得られる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

まず、本発明の原理について説明する。
図１（ａ）に示すように、超伝導ループ３中にひとつのジョセフソン接合６が配置された構造を考える。ジョセフソン接合６は、二つの超伝導体の間に薄い絶縁体を挟んで接合したものである。図１（ａ）に示す構造体は、ｒｆ−ＳＱＵＩＤ（高周超伝導量子干渉素子）と呼ばれる。ｒｆ−ＳＱＵＩＤのハミルトニアンは、下記［数１］の式（１）によって記述される。

ここで、Ｑは接合に蓄えられる全電荷である。式（１）の右辺第１項は、このシステムの運動エネルギーに対応するジョセフソン接合６の帯電エネルギーである。このシステムのポテンシャルエネルギーは、下記［数２］に示す式（２）によって与えられる。

ここで、Φは超伝導ループ３を貫く磁束であり、Ｅ_ｊ０はＩ_ｃΦ_０／２πで定義されるジョセフソン結合エネルギーである。Ｉ_ｃはジョセフソン臨界電流、Φ_０はｈ／２ｅで定義される量子化された磁束の単位である。式（２）の第１項は、磁束量子Φに依存するジョセフソン結合エネルギーである。第２項は、超伝導ループ３による磁気エネルギーである。超伝導ループ３に作用させる外部磁束Φ_ｅｘはｒｆ−ＳＱＵＩＤにおける磁束量子Φを制御する。したがって、このシステムは、図１（ｂ）に示されたポテンシャルＵにおける仮想（磁束）粒子の動きによって特徴づけられる。なお、横軸は位置ではなくて磁束であり、粒子束はジョセフソン磁束領域で境界が作られる。

小さな電気容量をもつジョセフソン接合回路において、過剰なクーパー対と接合間の位相差は、非可換共役変数の関係にある。この関係によると、ｒｆ−ＳＱＵＩＤの共役変数は下記［数３］の式（３）の交換関係を満足する。

そして磁束量子は、小さな磁束質量のために量子力学的な振舞いをする。ポテンシャルの底の振動は量子化される。すわなち、量子化されたエネルギーレベルがポテンシャル中に形成される。最も小さい二つのエネルギーレベルは、量子光学において従来用いられていた人工原子と同様に、量子的二準位系としての役割を果たす。

次に、超伝導人工原子を用いた非定常境界について説明する。磁束量子の境界はポテンシャル形状によって決定される。超伝導人工原子では、ポテンシャル形状は外部場を作用させることによって容易に変形させることができる。不必要なエネルギーシフトを避けるため、下記［数４］に示す式（４）によって定義されるポテンシャルの底の曲率のみを変化させる。

式（４）から、ポテンシャル形状は基本的にジョセフソン臨界電流Ｉ_ｃに比例する。ジョセフソン臨界電流はいくつかの方法により制御可能であることは知られているが、ここでは、制御性の観点から、クーパー対の相互作用を用いた技術を採用する。図１（ｃ）に示すように、ｒｆ−ＳＱＵＩＤにおけるジョセフソン接合６を、超伝導ループ５中の２箇所にジョセフソン接合６が配置された構成の超伝導量子干渉素子（ｄｃ−ＳＱＵＩＤ）４に置き換える。

図１（ｃ）の構造（ダブルｒｆ−ＳＱＵＩＤと呼ばれることがある）において、クーパー対（超伝導電流）は２つのジョセフソン接合６を同時に流れる。この場合、ジョセフソン臨界電流は下記［数５］の式（５）で示されるように、図１（ｃ）における小さいループに作用する磁束Φ_ｊの働きとして変化する。

図１（ｄ）は異なるΦ_ｊでのポテンシャル形状を示しており、細い実線はΦ_ｊ＝０の場合であり、太い実線はΦ_ｊ＝Φ_０／２πの場合である。このように、磁束Φ_ｊによって磁束量子の境界をコントロールできる。以下に述べる本発明の実施形態では、このような手段によって磁束量子の境界をコントロールする。

図２は、本発明の実施形態にかかる単一光子発生装置１及び単一光子検出装置１０の概略図である。
図２において、単一光子発生装置１は、量子的な二準位を有する人工構造体である人工原子２と、人工原子２における仮想粒子のポテンシャルエネルギーレベルを変化させるポテンシャル制御手段（７，８）と、を備える。人工原子２は、図１（ｃ）に示したものと同様の構造を有しており、真空中に配置されている。

上記のように構成された単一光子発生装置１では、ポテンシャル制御手段（７，８）により、人工原子２における仮想粒子のポテンシャルエネルギーレベルを変化させることで動的カシミール効果により単一光子を発生させる。

本実施形態において、ポテンシャル制御手段は、外部磁束Φ_ｘを発生して大きい超伝導ループ３（以下、第１超伝導ループという）を貫通する磁束Φを制御する第１外部磁束発生器７と、外部磁束Φ_ｘｄｃを発生して小さい超伝導ループ５（以下、第２超伝導ループという）を貫通する磁束Φ_ｊを制御する第２外部磁束発生器８とからなる。このように構成されたポテンシャル制御手段により、第１超伝導ループ３を貫通する磁束Φを制御しながら、第２超伝導ループ５を貫通する磁束Φ_ｊを急激に変化させる。すると、人工原子２の仮想粒子（磁束量子）のエネルギー状態が基底状態から励起状態に上がり、励起状態から基底状態に落ちる際に、動的カシミール効果により単一光子が自然放出される。

上述したように従来では、例えば共振器を構成している鏡を高速で動かすと、動的カシミール効果により単一光子が発生することが理論的に予想されていたものの、真空の定義が変わるほど鏡を高速に移動させることが困難であり、実現には至っていなかった。これに対し、本発明においては、仮想物質である人工原子２を用いているため、実際の物質によって作られたポテンシャル境界ではできない零点エネルギーの準位を瞬時に変化させることができる。したがって、量子場の境界を急激に変化させることで、動的カシミール効果を生じさせ、単一光子を発生させることができる。これにより、上述した問題を解決し、単一レベルでの電子と正孔の制御を必要とせず簡便に単一光子を発生することができる。

ここで、本実施形態においては、人工原子２として、超伝導量子干渉素子（ｄｃ−ＳＱＵＩＤ）４を有するものを適用している。ジョセフソン接合６に印加するバイアス電流は、既存技術でサブピコ秒でのオン・オフ制御が可能であり、図１の構成例では、外部磁束Φ_ｘｄｃで第２超伝導ループ５の磁束Φ_ｊを制御することによって、ジョセフソン接合６に印加するバイアス電流を制御する。これにより、人工原子２における仮想粒子のポテンシャルエネルギーを急激に変化させることで、動的カシミール効果を生じさせ、単一光子を発生させることができる。

次に、本発明の単一光子検出方法および装置について説明する。
図２の構成例において、単一光子検出装置１０は、人工原子２に近接して配置され、単一光子発生装置１により発生させた単一光子を検出する第２の人工原子１１を備える。第２の人工原子１１は真空中に配置されている。光子の検出器として人工原子を用いた場合、光子が人工原子に入ったときに、ポテンシャル曲線そのものは変化しないが、人工原子内の仮想粒子（磁束粒子）のポテンシャルエネルギーレベルが、例えば、基底状態（最低状態）から励起状態に上がる。すなわち、磁束の量子状態が変化する。この現象は、光エネルギーが仮想粒子の磁気エネルギーに変換するものとして理解でき、光子のエネルギーが、励起状態と基底状態のエネルギー差以上であれば実現する。

したがって、第２の人工原子１１により磁束の量子状態の変化を検出することで、単一光子の発生を検出することができる。
光子と人工原子の結合力が、光子と天然原子の結合力に比べて１万倍の強さを持っていることが実験的に確認されている。したがって、本発明の検出方法および装置によれば、単一光子を高効率で検出することができる。

また、単一光子検出方法および装置の他の実施形態として、図３に示す構成を採用してもよい。図３において、単一光子検出装置１０は、人工原子２と磁気的に結合するように配置された第２の超伝導量子干渉素子（ｄｃ−ＳＱＵＩＤ）１２を備える。第２の超伝導量子干渉素子１２は、超伝導ループ１３に二つのジョセフソン接合１４が配置された構成を有しており、極低温の状況下に配置されている。人工原子２と第２の超伝導量子干渉素子１２は、近接して配置され、磁気的に結合されている。なお図３における単一光子発生装置１の構成は、図２に示した単一光子発生装置１と同じである。

上記の検出方法及び検出装置によれば、動的カシミール効果によって単一光子を発生させた際に生じる人工原子２の磁束の量子状態の変化によって、第２の超伝導量子干渉素子１２を貫く磁束が変化するので、この磁束変化を第２の超伝導量子干渉素子１２を流れる電流の変化として検出することで、単一光子を検出することができる。

上述した本発明の原理は、零点エネルギーの非断熱的性質に由来する動的カシミール効果に基礎を置いている。したがって、零点エネルギーのポテンシャルを急速に変化できる系であれば、動的カシミール効果によって光子を発生させることができる。現実には光の速さより早くポテンシャルを変更できる系は限られるが、例えば、上述した人工原子２と同種の半導体量子ドットを用いた人工原子系を用いた方法も考えられる。

なお、上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の原理を説明する図である。 本発明の実施形態にかかる単一光子発生装置および単一光子検出装置の概略図である。 本発明の実施形態にかかる単一光子発生装置および本発明の別の実施形態にかかる単一光子検出装置の概略図である。

符号の説明

１ 単一光子発生装置
２ 人工原子
３ 第１超伝導ループ
４ 超伝導量子干渉素子（ｄｃ−ＳＱＵＩＤ）
５ 第２超伝導ループ
６ ジョセフソン接合
７ 第１外部磁束発生器
８ 第２外部磁束発生器
１０ 単一光子検出装置
１１ 第２の人工原子
１２ 第２の超伝導量子干渉素子
１３ 超伝導ループ
１４ ジョセフソン接合

Claims (4)

1. 量子的な二準位を有する人工構造体である人工原子を準備し、
   該人工原子は、第１超伝導ループと、該第１超伝導ループ中に配置され第２超伝導ループ中の２箇所にジョセフソン接合が配置された構成の超伝導量子干渉素子とを有し、
   ポテンシャル制御手段により、前記第１超伝導ループを貫通する磁束を制御しながら、前記第２超伝導ループを貫通する磁束を急激に変化させることにより、前記人工原子のエネルギー状態を上げて、次いで、当該エネルギー状態が落ちる際に動的カシミール効果により単一光子が自然放出されるようにする、ことを特徴とする単一光子発生方法。
2. 請求項１記載の単一光子発生方法により発生させた単一光子を検出する方法であって、
   第２の超伝導量子干渉素子を前記人工原子と磁気的に結合するように配置し、単一光子を発生した際の前記人工原子の磁束の変化を前記第２の超伝導量子干渉素子で検出することで単一光子の発生を検出する、ことを特徴とする単一光子検出方法。
3. 量子的な二準位を有する人工構造体である人工原子を備え、
   前記人工原子は、第１超伝導ループと、該第１超伝導ループ中に配置され第２超伝導ループ中の２箇所にジョセフソン接合が配置された構成の超伝導量子干渉素子とを有し、
   前記第１超伝導ループを貫通する磁束を制御しながら、前記第２超伝導ループを貫通する磁束を急激に変化させることにより、前記人工原子のエネルギー状態を上げて、次いで、当該エネルギー状態が落ちる際に動的カシミール効果により単一光子が自然放出されるようにするポテンシャル制御手段を備える、ことを特徴とする単一光子発生装置。
4. 請求項３記載の単一光子発生装置により発生させた単一光子を検出する装置であって、
   前記人工原子と磁気的に結合するように配置された第２の超伝導量子干渉素子を備え、
   単一光子を発生した際の前記人工原子の磁束の変化を前記第２の超伝導量子干渉素子で検出することで単一光子の発生を検出する、ことを特徴とする単一光子検出装置。

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