JP5426597B2 - 量子ビットを制御する量子ロジックコンポーネント及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、量子ビットを制御する、量子情報コンポーネント及び方法に関する。より詳しくは、本発明は、量子ドットにおいて励起子（exciton）状態を操作するようなコンポーネント及び方法に関する。

量子暗号、量子イメージング、及び量子計算の分野において、複数の光子対を生成する必要がある。２つの電子及び２つの正孔で最初に満たされた単一の量子ドット（「２励起子状態」）でのカスケード放射過程から、上記の光子を生成することができる。この状態は、１つの電子及び１つの正孔が「（電荷中性の）励起子」状態のままである「２励起子光子」を放射することができる。この電子と正孔はその後、再結合してドットを空にしておく「励起子」光子を放射する。励起子状態の特性の制御を通じて、これら２つの光子をエンタングルすることができる。

量子ドットが１個の電子及び１つの正孔のみを含んでいる場合、これらの粒子のスピンは以下のように配置される。すなわち、それらの崩壊から放射される光子を確定することは、微細構造分裂として知られているエネルギー分離を有する２つの直交する線形偏光のうちの１つを有することができる。あるいは、量子ビットと考えられ得る、これらの状態の重ね合わせでキャリヤを配置することができる。小さな微細構造分裂を持った量子ドットを、エンタングルされた光子ペアを生成するか、またはこの構造に量子ビットを記憶するために用いることができる。微細構造分裂がゼロである場合に、キャリヤが再結合し光子が放射されるまで、いったん用意されたこの重ね合わせは持続する。しかし、微細構造分裂が有限の場合、重ね合せは時間発展する。

本発明の発明者らは、上記の概念が量子に基づく情報システムに関するコンポーネントの基準を形成することができる。

微細構造分裂に動的な変化を提供することによって、重ね合わせの状態を制御することが可能になり、量子情報システムに関する上記の状態を適切に利用することが可能になる。ある特徴は、物理的な実装にかかわらず、量子計算のすべての提案に共通である。これらは十分に定義された状態に量子ビットを初期化する技術である。さらなる要件は、量子ビットはそれ上で実行される可能な操作数のために十分に長い間コヒーレントのままでなければならないということである。その後、量子ビットの最終状態は高い確実性で読出されなければならない。

第１の態様では、本発明は、量子ビットと、記量子ビットに関するコントローラと、を具備するコンポーネントを提供し、前記コンポーネントは、量子ドットと、前記量子ビットを形成するために前記量子ドットにおいて中性の励起子状態を生成する励起部と、を具備し、コンポーネントは、前記状態の向きに関する光学的な測定を行う測定部さらに具備し、前記コントローラは、前記量子ドットに渡って変調された電場を適用するように構成された電気的なコンタクトに結合している電源を具備し、変調は、前記中性の励起子状態の崩壊時間よりも高速である。

上記のコンポーネントは固体量子コンピューターにおいてコンポーネントになりえる。それは制御ＮＯＴゲート及び制御された回転ゲートとして用いることができる。またそれは、テレポテーション及び量子の中継器における応用に関する量子ドットエンタングル光子ペア源によって放射されたベル状態を制御するために用いられうる。

本発明における制御は１００ピコセカンド以下の時間フレームで作動しうる。一実施形態において、コンポーネントは、全て電気的であり、したがって小型化に適している。また、本発明はスケーラブルであり、分離したコンタクトによって、複数の量子ドットを扱うことができる。複数の状態間のコヒーレント相互作用は、（８０Ｋまでの）温度には依存せず、高励起電力に影響されない。従って、本発明のコンポーネントはロバストである。

好ましい動作モードでは、前記コントローラは前記状態に所定の位相変化を適用するように構成される。前記変調の振幅は、前記位相変化が前記励起子状態の崩壊時間よりも速いまたは短い時間スケールで発生するように選択されている。一実施形態において、明るい光学ビームは、単一の空の量子ドットを２つの励起子状態の所定の重ね合せに励起させるために用いられる。その後、励起子状態の２つのコンポーネント間のエネルギー差への動的な変化は、重ね合せを操作するためになされる。量子ビットは単一の量子ドット内にある。

好ましくは、微細構造分裂は、重ね合せが生成される時の励起子状態の放射帯域幅未満である。

微細構造分裂は励起子状態が生成される時の１０μｅＶ未満でもよい。この大きさまたはより低い微細構造分裂は、エンタングルメントが高速の検出器を用いて時間選択を通じて観測されることを可能にする。遅い検出器が用いられる場合は、好ましい実施形態では、ドットからドットまで変わる微細構造分裂は励起子線幅に相当する。

一実施形態において、電圧変調器は量子ドットの微細構造分裂の大きさが変調され、かつ量子ドットの複数の固有状態が時間に関して一定であるような振幅でバイアスを加えるように構成される。微細構造分裂の高い値では、複数の固有状態のさらなる回転は禁じられる。さらなる実施形態では、電圧変調器は量子ドットの微細構造分裂の大きさが変調され、かつ複数の励起子固有状態が回転されるような振幅でバイアスを加えるように構成される。

上記では、複数の状態の重ね合せである励起子状態が説明された。しかし、さらなる実施形態では、前記励起部は純粋な固有状態を生成するように構成され、前記コントローラは前記量子ドットの複数の固有状態を回転させることによって状態を変化させる。

好ましくは、光励起（optical excitation）は複数の励起子状態と同じエネルギーにある。励起はまた電気的な励起でもよい。例えば、電気的な励起において、キャリヤは外部電流源への接触を行なうことを通じて供給される。

システムの読出しを行なう測定部は、偏光に感度が良い測定を行なうように配置された偏光子を具備してもよい。別の配置では、前記測定部は、励起子状態と共鳴し、前記量子ドットに向けられるレーザー光線と、レーザーが量子ドットの影響を受けていたかどうかを判定する光検出器と、を具備している。

特に有用なタイプのエンタングルされた光子源は、２励起子崩壊を使用して作用する量子ドットに基づく源である。半導体量子ドットの利点は、それらの製造技術が既存の商業生産技術と互換性をもつということである。したがって、コンポーネントは放射されたエンタングル光子の状態を制御するように構成されてもよい。

別の実施形態では、量子ドットは、２つの電子と２つの正孔の構造に励起され、その後、それは２励起子光子の放射によって励起子状態に崩壊する。前記２励起子光子の偏光は、励起子状態が与えられる状態を判定するために測定される。動的な変化は、重ね合せを操作して、励起子状態の微細構造分裂になされる。第２の光子は、前記励起子状態の崩壊によって最終的に放射され、その状態の偏光状態は、放射された２励起子光子の状態及び励起子状態に格納される重ね合わせに適用される操作によって判定される。

２励起子崩壊によりエンタングルされた光子を放射する量子ドットでは、エンタングル状態は、２励起子崩壊によって放射された光子と媒介励起子の崩壊から放射された光子との間の崩壊時間から判定されてもよい。あるいは、２励起子崩壊時間は、励起子崩壊時間と比較して、極めて短くなりえるので、タイマは２励起子崩壊に続く励起子崩壊によって放射される光子の放射時間を測定するだけで構成されてもよい。したがって、前記測定部は光子検出器とタイマとを具備してもよい。

電圧変調が、状態が放射して結合するためにかかる時間より速く発生する。ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットについては、この放射寿命は、任意のキャビティ効果がない場合、１ナノ秒かもしれない。したがって、微細構造分裂（以後、ｓで示される）の大きさの変調は、理想的に５００ピコセカンド未満の時間スケールにおいて起こる。より速い時間スケールで起こる操作は、それらによって多くの操作が寿命内で起こることが可能になるので、好ましい。

以下において、単一パルスまたは時に複数のパルスを用いて励起子状態において格納された量子ビット上で実行されうる単純な操作が説明される。複数のパルスはより複雑な演算が記憶された量子ビットに行なわれることを可能にするために物理的な実現において用いることができる。

光子が放射されうる光モードを削減するように設計された光結晶内にドットを配置することによって、この要件を緩めることができる。光子放射の上記のフラストレーションは、放射寿命における１−２桁の増加に結びつくと示されている。したがって、量子ドットは、放射寿命を増加させる光結晶内に好ましくは設置される。

さらなる要件は、場での変化が、キャリヤが操作期間にドット内に保存されることである。

ドットが、ＧａＡｓだけに囲まれる装置内に配置される場合には、約５０ＫＶｃｍ^−１の場は装置からの複数のキャリヤのトンネリングをもたらす。したがって、（ＡｌＧａＡｓ合金のような）より高いバンドギャップ材料からなるドットの片側または両側でのトンネリング障壁を設置することは、有利であるかもしれない。参照することによって本明細書に組み込まれる未公開の特許出願番号ＧＢ ０９１９５３２．２は、ドットからトンネリングするキャリヤなしに、５００ＫＶｃｍ^−１までの電圧に耐える装置に関する好ましい設計を開示している。

一般に、量子ドットは、複数のレイヤを具備する構造で提供され、電圧変調器は前記複数のレイヤの平面に垂直である垂直電場を適用するように構成される。さらなる実施形態では、水平電場は微細構造分裂を変化させるためにドットの面に適用される。一定の面内場とｓを交換するいくつかの実証は明示されている（Kowalik, K., et al Appl. Phys. Lett. 86, 041907 (2005), Gerardot, B. D.et al, Appl.Phys. Lett. 90, 041101 (2007), Vogel, M. M., et al, Appl. Phys. Lett. 91, 051904 (2007)）。微細構造分裂は複数の励起子状態の異なる面内閉じ込めから発生すると広く信じられているように、この面内場が他以上に１状態を乱すことが期待される。

コントローラは、また前記量子ドットの微細構造分裂を操作するように構成された垂直磁場を適用するように構成された磁場発生器を具備してもよい。

実施形態では、本発明は、量子状態のテレポテーションのために構成されてもよく、コンポーネントは光子を生成するように構成された独立した光子源をさらに具備し、励起部は前記量子状態で２励起子を励起するように構成されていて、コンポーネントは、ベル状態測定が２つの光子に行なわれるように、独立した源からの光子を２励起子崩壊からの放射される光子と混合する光子混合部をさらに具備し、前記光子混合部は、信号を、ベル状態を示す前記コントローラに出力する出力部をさらに具備し、前記コントローラは、光子混合部から受信した信号に基づいて、前記中性の励起子の状態を前記独立した光子の状態に変化させるように構成されている。

実施形態において、本発明はＣＮＯＴゲートとして構成されてもよく、励起子光子の偏光状態は放射時間でエンタングルされ励起子光子の時間及び偏光の測定は２励起子光子の偏光を決定するように、前記励起部は前記量子ドットでの２励起子を励起するように構成され、前記コントローラはπの位相変化を施す変調パルスを中性励起子状態に適用するように構成される。

第２の態様において、本発明は、量子ドットでの量子ビットを制御する方法を提供し、前記方法は、中性励起子状態を提供することによって量子ビットを形成し、前記量子ドットに渡り変調された電場を適用することによって前記量子ビットを制御し、ここで変調は前記中性励起子状態の崩壊時間よりも高速であり、前記状態の方向に関する光学的な測定を行うことを具備する。

本発明はここで、以下の好ましい限定されない実施形態を参照して説明される。
本発明の実施形態に従うコンポーネントの概略図である。 量子ドットでのエネルギー準位の概略図である。 ある実験室軸に関して測定された適切な検出と励起の角度を示す概略図である。 （ａ）は、初期の分裂がゼロである場合に時間と共に変化した量子ドットの微細構造分裂のプロットであり、（ｂ）と（ｃ）は重ね合わせ状態が、図３の対角及び反対角の軸上にそれぞれ射影された分裂と共にどのように変化するかを示す。 （ａ）は、初期の分裂がゼロでない場合に時間と共に変化した量子ドットの微細構造分裂のプロットであり、（ｂ）と（ｃ）は重ね合わせ状態が、図３の対角及び反対角の軸上にそれぞれ射影された分裂と共にどのように変化するかを示す。 ２．５μｅＶの微細構造分裂を持った１ドットに関して時間の関数としてドットによって放射される、（X^HX₂ ^H+X^VX₂ ^V）エンタングル状態を有するエンタングル状態のフィデリティｆ＋を示すプロットである。 （ａ）は、印加された垂直電場に対して微細構造分裂の実験結果を示し、（ｂ）は、印加された垂直電場に関する複数の状態の回転角を示す。 （ａ）は、初期の分裂がゼロでない場合に時間と共に変化する量子ドットの微細構造分裂のプロットであり、（ｂ）及び（ｃ）は、純粋な固有状態として形成された状態が、それぞれ図３の水平及び垂直な軸の上に射影された分裂と共にどのように変化するかを示す。 （ａ）は、初期の分裂がゼロでない場合に時間と共に変化する量子ドットの微細構造分裂のプロットであり、（ｂ）及び（ｃ）は、純粋な固有状態として形成された状態が、それぞれ図３の対角及び反対角の軸の上に射影された分裂と共にどのように変化するかを示す。 （ａ）は、２励起子状態に励起されている、時間と共に変化する量子ドットの微細構造分裂のプロットであり、（ｂ）及び（ｃ）は、エンタングル状態のフィデリティが時間と共にどのように変化するかを示す。 Ｂｌｏｃｈ球によって表わされる一般的な量子ビットの概略図である。 複数の基底において微細構造分裂の制御を可能にする本発明の好ましい実施形態に従うコンポーネントの概略図である。 テレポテーション演算のために構成された本発明のコンポーネントの概略図である。 量子制御ＮＯＴ（ＣＮＯＴ）ゲートとして構成された本発明の実施形態に従うコンポーネントの概略図である。 明るい光学ビームが量子ドットの状態によって乱される場合での本発明の実施形態に従うコンポーネントを示す。 ドットが、２励起子状態に励起され、１対の偏光高感度検出器によって検出される２つの光子の放射を介して崩壊する場合に、本発明の実施形態に従うコンポーネントを示す。 （ａ）は、本発明の実施形態に従うコンポーネントで使用されるレイヤ構造であり、（ｂ）は対応するバンド図である。

図１は本発明の実施形態に従うコンポーネントを示す。

コンポーネントは基板上に形成され、量子ドット３を具備する。「より上」及び「より下」の用語は、レイヤの成長の順序に関して定義され、量子ドットより下にあるレイヤは量子ドットの基板側面に提供され、量子ドットより上のレイヤは基板に対して量子ドットの反対側にある。前記量子ドットは内在領域１７に位置する。前記内在領域１７は前記ｎ及びｐ型レイヤ１９及び２１の間に位置するように、ｐ型ドープレイヤ１９は前記内在領域１７より下に位置し、ｎ型ドープレイヤ２１は前記内在領域より上に位置する。もちろん、ｎとｐ型レイヤの順序は逆にされてもよい。

電気コンタクト１３及び１５は、垂直場が量子ドット３を横切って印加されうるように、ｎ及びｐ型レイヤ２１及び１９に接続される。電圧変調器９は、変調された電圧が量子ドット３を横切るように印加されてもよいように、コンタクト１３及び１５に接続される。

この実施形態では、量子ドット３は、前記内在領域１７によって垂直に伸びるエッチングされた孔１１の規則的なアレイを具備する光結晶において形成される。光結晶は、ドットの放射再結合速度を減少させるように振る舞う。

図１のコンポーネントを作り上げるために、量子ドット３はＧａＡｓ １７の１００−２００ｎｍ厚のレイヤの真中に成長される。ｘ＝０．９−１．０の構成を有してもよい１００−１０００ｎｍのＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓから成る犠牲レイヤとして働くＡｌＧａＡｓのレイヤは、ＧａＡｓの基礎にある。後の光結晶はＧａＡｓレイヤにおいて、結晶パターンを規定する電子線リソグラフィ及びＧａＡｓにパターンを転送するエッチングのような標準技術を使用して規定される。このエッチングは、ＧａＡｓレイヤと少なくとも同じくらい深くなり、ＡｌＧａＡｓレイヤに達する。その後、ＡｌＧａＡｓレイヤは、例えばＧａＡｓをエッチングしない希塩酸にさらすことによって、結晶の下方に選択的にエッチングされてもよい。結晶から離れて、ＡｌＧａＡｓレイヤはエッチングされず、結晶をサポートする。したがって、結晶はつるされる。

コンポーネントは、線形の偏光子５及び波長板７を通って、前記量子ドットに向かって導かれ、量子ドット３を励起するために使用される明るいレーザー１をさらに具備する。一実施形態において、量子ドットは、中性の複数の励起子状態の重ね合わせに励起される。前記重ね合わせは、線形偏光器５及び波長板７で制御されうる、レーザーの線形偏光によって決定される。これがどのように実現されるかは、図４、５、８及び９を参照して後に説明される。

これは、複数の励起子状態のエネルギーに等しいエネルギーを有する明るいレーザーを使用して実現される。ここで、レーザーからの１つの光子は、直接、励起子状態での１つの電子−陽電子ペアを生成することができる。レーザーの偏光は初期状態の偏光を設定する。

あるいは、レーザーは、励起子状態のエネルギーと整数のフォノンエネルギー（フォノンは半導体格子において振動である）との和に等しいエネルギーであってもよい。ＧａＡｓについては、（縦の光学的な）フォノンエネルギーは、４Ｋで３６ｍｅＶでありＩｎＡｓではそれが２８ｍｅＶであり、またどちらかがここで用いられうる。量子ドットは、（励起子とフォノンとの和）のエネルギーに調整されるレーザーを用いることによって、即座に励起されうる。したがって、レーザーからの光子が吸収され、半導体でのフォノンが破壊された場合、ドットに励起子が生成され、全エネルギーが保存される。また、ドットの励起のために用いられたレーザーの偏光の制御を通じて、生成された初期状態は制御することができる。

一旦、電荷が量子ドットに格納されると、電圧変調器９は、図２，４，５，８、及び９を参照して説明されるように、量子ドットの微細構造を操作するために使用される。

励起子が崩壊する時、光子が放射される。励起子の状態は、放射される光子の偏光測定から判定されてもよい。この実施形態では、コンポーネントは偏光の感知可能な検出システムをさらに具備し、これは波長板２３、偏光子２５及び検出器２７を具備する。前記波長板２３、偏光子及び検出器２７は、放射された光子が波長板２３を通り過ぎてその後偏光子２５に入りその後検出器２７に入るように、配置される。

図２は、量子ドットの適切なエネルギー準位を示す。ドットが２個の電子及び２つの正孔を含んでいる場合、それは２励起子、Ｘ_２状態にある。１つの２励起子光子２９の放射の後、それは、スピンが２つの（一般性を失うことなく異なるエネルギーで直交に偏光されている）固有状態に配置される中性の励起子（Ｘ）に１個の電子及び１つの正孔を含む。この励起子状態が再結合する場合に、光子３１は、放射時刻でのＸ状態によって与えられる偏光で放射される。

ＧａＡｓ上で成長した自己構築されたＩｎＡｓ量子ドットのしばしば研究されたシステムでは、中性の励起子状態Ｘ_Ｈ及びＸ_Ｖは線形に偏光され、半導体の結晶軸に平行及び垂直に典型的には偏光される。また、ドットのサイズ、形状及び構成における異方性、及半導体の物理的性質のために、これらの２つの固有状態は異なるエネルギーを持つ。それらの間のエネルギー差は微細構造分裂と呼ばれ、ｓと示される。

励起子状態はＸ_Ａ及びＸ_Ｂの重ね合せでありえ、それは次のように表わすことができる。

状態の各コンポーネントの前の係数は特性ｓｉｎ^２（θ）＋ｃｏｓ^２（θ）＝１を有する。角度θの制御は、（図３での水平及び垂直の実験室軸に関して方向付けられた）ドット３３を励起させるために使用される明るいレーザー光線の偏光を回転させることによって達成されうる。一般に、ドットの軸はいかなる角度Ω３５で整列されてもよい。この重ね合せで励起されるドットにおいて、励起子状態の２つのコンポーネントは異なる、位相差を獲得する（ｓによって分離された）エネルギーである。ここで、定数Ｃは最終状態の正規化を保証する。

より一般的には、ｓ（τ）が、微細構造分裂が時間の関数としてどのように変化するかを記述し、式（３）は得られる。

したがって、ｓ（τ）を制御することによって、時間ｔでの重ね合せの最終状態を制御することができる。より正確には、後の時間ｔでの最終状態は、τに対するｓ（τ）のプロットでの面積によって決定される。この位相を測定することは可能である。

垂直方向に沿った最終状態の測定は、時間ｔにＸ_Ｖである状態であるシステムの確率（Ｐ_Ｖ）を決定する。これは、その複素共役によって乗算された式（３）での｜Ｘ_Ｖ〉状態の前にある係数によって与えられる。

これは、状態の位相に関する情報を明らかにせず、時間に依存しない。変換するのはＸ_ＶとＸ_Ｈとの間での位相すぎない。

角度φ３７（図３に示された）に沿って、時間ｔで、最終状態の測定がなされる場合を検討する。この式（３）を行うことは、代入をすることによって書き直さなければならない、

その結果、以下を得る。

これから、我々は角度φに沿ってある状態を測定する確率（Ｐ_φ（ｔ））を引き出す。

そして定義によって、以下が成り立つ。

このように、励起子状態の両方のコンポーネントのコヒーレント励起を通じて、例えば複数の状態偏光に対するある角度である偏光の明るいレーザーで励起されることによって、重ね合わせ状態は用意されてもよい。さらに、励起子状態のこれらのコンポーネントの両方ともを同時に測定する測定が行なわれる場合、例えば、固有状態偏光に対する角度で測定することによって、重ね合せ状態の最終位相を測定することができる。

上記のものはここでより詳細に説明される。図４の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）において示されるデータを得るために、重ね合せ状態は、励起角度θを用いて、レーザーで量子ドットを励起することにより形成される。この発明はここで、いくつかの好ましい実施形態を参照して示される。この発明を制限せずに、我々はここで、励起がドットの（図３のＨ及びＶに沿って整列する）複数の固有状態に対してθ＝４５度の角度にある場合に注目する。これは、Ｘ_ＨとＸ_Ｖの等しい成分を持った重ね合せを用意する。測定は、Ｐ_Ｄ（ｔ）及びＰ_Ａ（ｔ）によって与えられる確率をもたらす、時間ｔでφ＝対角Ｄ及び反対角（antidiagonal）Ａの角度での最終状態でできている。この実施形態では、最終状態は、中性の励起子の崩壊によって放射される光子の偏光を測定することによって読み出される。図１に示されるように、ＡまたはＤに沿って整列される検出器の前にある偏光子は、励起子状態から放射される光子がその方向にそって整列されるかどうかを測定するために使用される。

図４ａでは、重ね合せは、微細構造分裂ｓ＝０であるドット内に、時間ゼロ４１で用意される。状態の寿命より小さいが、好ましくは時間ゼロに近いその後の時間では、電圧変調器はゼロでない値のｓ値を変化させるために使用される。

式（３）から、ｓの非ゼロ値が時間にわたって発展する状態をもたらすことを理解することができる。図４上のグレー領域４３は、電圧が変調される時間を強調する。この間、複数の状態は、１からゼロに下降する図４の（ｂ）に示されるＰ_Ｄ、及びゼロから１に上昇する図４の（ｃ）に示されるＰ_Ａによって発展する。電圧パルス変調の長さ及び（または）高さを変化させることによって、任意の位相変化を実現してもよい。一旦電圧パルスが分裂をゼロに戻せば、複数の状態は時間発展を停止する。

５０ｐｓまたはそれ以上の長さのパルスを供給できる商用のパルス発生器を使用して、上記の電圧変調を達成することができる。図４の（ａ）での曲線の面積が保存されるとすれば、２倍の時間長及び半分の高さで電圧変調を使用して、同一の変化を達成することができる。

図５の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、図４の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）のそれとは異なる状況を示す。図５の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）では、量子ドットは元々、微細構造分裂ｓの小さな値を持っている。（図５の（ａ）４９では２．５μｅＶであると仮定されて）ｓの固定値については、重ね合せは、一定の割合で、予想通りに、ｐ_Ｄ＝（１＋ｃｏｓ（２πｓｔ／ｈ））／２及びｐ_Ａ＝（１−ｃｏｓ（２πｓｔ／ｈ））／２をもたらす位相を取得する。したがって、１．６ｎｓの固定された時間でのシステムの測定は、ｐ_Ｄ＝１、ｐ_Ａ＝０を与える。

図４の（ｂ）において用いられたそれと同一の電圧変調がｓ＝２．５μｅＶの固定値（４９）に加えて微細構造分裂を変化させるために用いられた場合、図５の（ｂ）及び（ｃ）にそれぞれ示されるｐ_Ｄ（５３）及びｐ_Ａ（５５）での変化がわかる。後の１．６ｎｓの固定時間５７での状態の測定は、ｐ_Ｄ＝０、ｐ_Ａ＝１を与えるように反転していることを再び示す。

このシステムの位相における時間による変化の実験測定は、ｓ＝２．５μｅＶの一定値に関して図６に示される。次式の最大にエンタングルされた状態と比較して、図６は時間依存のエンタングル状態のフィデリティのプロットを示す。

結果は２励起子光子と励起子光子との間での遅延（τ）の関数としてプロットされる。この実験データはStevenson et al. Physical Review Letters 101, 170501 (2008)からである。

図７の（ａ）は、単一の自己構築されたＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットに関する垂直電場の関数として微細構造分裂における変化についての実験データを示す。実験的に、ｓ＝０から離れると垂直電場の適用がｓ ７１における線形の変化となることがわかった。これは、９４０ｎｍで放射しているＧａＡｓ上で成長した量子ドットの特定タイプに関して、０．２８５μｅＶ ｋＶ^−１ｃｍの勾配を有する。形状、サイズ及び閉じ込めポテンシャルの変更によって、この値を変更することができる。

ｓの大きな値では、２つの励起子ダイポールは、結晶軸に沿って（Ω＝０（７３））向けられる傾向がある。微細構造分裂の大きさが最小に落ち込むと共に、２つの状態７５のエネルギーでの反交差（anticrossing）によって引き起こされる有限の分裂が図７の（ａ）に示されることが観測される。ｓの最小値では、これらの状態は、Ω＝４５度（７７）で向けられる２つの直交状態を生成して最大に混成されるようになる。図７の（ｂ）におけるプロットは、角度Ωによって定義される混成の程度が反交差に近づくにつれてどのように変化するかを示している。この挙動は、垂直電場におけるＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットの共通の特徴であるが、ｓの最小値は０から４０μｅＶまでのドット間で変化する。

図７における点線７９は、ｓのゼロ最小値を持った量子ドットの挙動を示す。

このように２状態の混成を制御する能力は、初期状態と最終状態との間で行なうことができる、より完全な制御操作を可能にする。図４及び５に示されるデータは、２つの固有状態の重ね合せである状態に関する。図８及び９では、励起子状態はただ１つの固有状態で励起され、それは複数の状態の重ね合せではなく純粋状態である。したがって、量子ドットにおける固有の分裂があるころでさえ、状態は発展しない。

上記のものを用いて、励起子状態を励起してｓのある有限値で固有状態にし、この状態上で操作をまだ行うことは可能である。

図８は、はじめに形成される「純粋状態」が時間と共に発展することができる重ね合わせに変化させることが可能にするために、ある時間（グレー領域）に、微細構造分裂の大きさ及び複数の固有状態の方向をどのように変化させるかを示す。

図８に示されるデータを得るために、１つのドットをｓのある有限値で励起し、時間ゼロ（８１）でθ＝０で励起することによって純粋状態Ｘ_Ｈにする。その後、印加される電圧はｓ ８３を最小化してもよく、そこでは、小さな反交差が残っている。図７の（ｂ）において示されるように、これらの条件の下では、ドットの複数の固有状態は４５度で回転される。

ｓのこの最小値では、最初に用意される（Ｈに沿って整列した）励起子は、４５度を介して回転されていて、かつＤとＡに沿って整列する、２つの適切な固有状態の重ね合せにある。所定時間だけシステムをこの状態にしておくことは、ｓが図８の（ｂ）及び（ｃ）の斜線部分において示されるような非ゼロである場合に、重ね合せがこれらのコンポーネント間でのある位相変化を得ることを可能にする。その後、電圧を初期値に戻すことができ、最終状態は測定される。最小のｓでの時間及び最小のｓの値を制御することによって、最終状態は（固定位相を持った）線形基底での任意の重ね合わせになりえ、したがって、回転が行われている。

図８では、電圧変調は、はじめに水平に偏光された状態が垂直に偏光された状態に切り替わるように適用される。バイアスが、ｓが大きな値を有するようなその元々の値に戻されるときは、状態は安定である。図８において０．９ｎｓを越える時間での新しい状態は、状態が垂直であり複数の固有状態がＶ／Ｈであるので、安定している。従って、Ｈ−固有状態に状態の成分はなくまた、ＨとＶとの間の相対的な位相を測定することは可能ではない。複数の固有状態が例えば６０度の回転であり、かつ状態が「Ｖ」に沿って整列している場合には、「Ｖ」は時間と共に発展する複数の固有状態、６０度と１５０度との重ね合わせである。

図９の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、時間ゼロ９１で純粋状態Ｘ_Ａに取り入れられる、励起子状態に関するデータ（１ドットがｓの最小値で用意されている）を示す。プロットは、はじめに形成される「純粋状態」が時間と共に発展することができる重ね合わせに変化させることが可能にするために、ある時間（グレー領域）に、微細構造分裂の大きさ及び複数の固有状態の方向をどのように変化させるかを示す。

印加される電圧はｓ（９３）を増加させることができ、ドットの複数の固有状態は、ＨとＶに沿って整列されるように、Ω＝９０度に回転される。ｓのこのより大きな値では、（Ｄに沿って整列された）最初に用意された励起子は、（ＨとＶに沿って整列された）２つの適切な固有状態の重ね合せにある。所定時間だけシステムをこの状態にしておくことは、重ね合せがこれらのコンポーネント間でのある位相変化を得ることを可能にする。その後、電圧を初期値に戻すことができ、最終状態は測定される。ｓの各値でドットが保持される時間及びｓの値を制御することによって、最終状態は線形基底での任意の重ね合わせになりえ、したがって、回転が行われている。

図１０の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、本発明の実施形態にしたがうコンポーネントでの量子ドットからのデータを示し、それは励起子−２励起子カスケードを介して放射される１つのエンタングルペアの２光子状態を制御するために使用されうる。

複数のエンタングル光子ペアは、量子暗号及び光量子計算のための必要なリソースである。２励起子から励起子、その後、空へのカスケードを介して放射される複数の量子ドットは、遷移の線幅と比較して微細構造分裂が小さい場合、エンタングル状態Ｘ^ＨＸ_２ ^Ｈ＋Ｘ^ＶＸ_２ ^Ｖにおける複数の光子を自然に放射する。量子鍵配布及び量子計算における応用について、光子が放射される状態を制御することができることは有利である。Ｘの複数の光子のみを回転させる源の前で偏光回転子を用いて、これを実現することができる。しかし、上記の機械的な回転は、ミリ秒から秒の典型的な時間スケールであり、遅い。複数の量子状態の高速回転は、量子テレポテーション及び量子中継器におけるフィードフォワードのための必要である。これは図１３を参照して説明される。

本発明の実施形態に従うコンポーネントでは、光子が放射される状態は制御される。この実施形態では、ドットは、２励起子状態に励起され、時間ゼロ（１０１）で２励起子光子（Ｘ_２）を放射する。なおここでｓは最小である。図１０の（ｂ）がベル状態Ｘ^ＨＸ_２ ^Ｈ＋Ｘ^ＶＸ_２ ^Ｖを有する放射された２光子状態のフィデリティｆ＋をプロットし、図１０の（ｃ）がベル状態Ｘ^ＨＸ_２ ^Ｖ＋Ｘ^ＶＸ_２ ^Ｈを有する放射された２光子状態のフィデリティｆ−をプロットする。

微細構造分裂に変更がなされない場合、ドットは、ベル状態Ｘ^ＨＸ_２ ^Ｈ＋Ｘ^ＶＸ_２ ^Ｖ（つまりｆ＋＝１及びｆ−＝０）で自然に放射する。ｓの値の適切な操作がなされ、Ｘの重ね合わせの回転に導くとき１０３、システムはＸ^ＨＸ_２ ^Ｖ＋Ｘ^ＶＸ_２ ^Ｈ状態に発展する。一般に、状態の任意の操作は、２励起子及び励起子の光子放射の（ｓに関して行われた操作によって決定されるベル状態を生成する）間になされる。

図１１は、任意の量子ビット状態を任意の他の量子ビット状態に変換するために本発明をどのように使用すればよいかを示す。量子ビットは、２状態の量子重ね合せであり、通常直交状態である｜０〉及び｜１〉によって示される。

現在のスキームでは、計算上の基底となる状態｜０〉及び｜１〉は、例えばＸ_Ｈ及びＸ_Ｖのような直交して偏光されている励起子状態である。

任意の量子ビットは、図１１に示されるように、Ｂｌｏｃｈ球上に点１１１によって表されてもよい。基底となる状態｜０〉及び｜１〉は球の北１１３及び南１１５の極によって表され、重ね合わせ｜０〉＋ｅ^ｉφ｜１〉は赤道１１７上にある。したがって、直線偏光計算の複数の基底を使用すると、対角及び円偏光された状態もまた赤道上にある。

一般的な量子ビットはΨ＝ａ｜０＞＋ｂ｜１＞によって表わされてもよい。ここで、ａ＝ｃｏｓ（θ／２）、ｂ＝ｅ^ｉφｓｉｎ（θ／２）、及びθ及びφは図１１に示されるような緯度と経度を示す。したがって、任意の他のものからの任意の量子ビット状態を用意することは、少なくとも２つの軸に関する量子ビットを回転させる手段を必要とする。異なる軸に関する回転は、異なる偏光基盤（polarisation bases）での分裂の変調によって実現されうる。

例えば、計算上の基底が直線偏光基底である場合には、直線｛Ｈ，Ｖ｝基底での有限の分裂によって、位相差が｜０〉と｜１〉の間で発展し、垂直軸１１９に関する回転、及び経度の角度φでの変化になる。代わりに、分裂が対角基底にあれば、複数の対角基底状態１２１を含む軸に関する回転があり、その状態はこの例では図１１に示された点（｜０〉±｜１〉）√２によって表される。これは例えば、状態Ｈをこの例では｜１〉及び（｜０＞±ｉ｜１＞）√２で表わされたＶ、ＬまたはＲに変換するために、緯度の角度θを変化させることができる。同様に円｛Ｌ，Ｒ｝基底での分裂は、この例では点（｜０＞±ｉ｜１＞）√２を含む軸１２３に関する回転になる。

一連の制御バルスを分裂することを使用すれば、任意の状態は用意することができる。例えば、状態｜Ｈ〉から状態｜Ｄ〉＝（｜Ｈ〉＋｜Ｖ〉）／√２を用意するために、最初の電圧パルスは、対角基底での分裂を生成するために、状態が｜Ｒ〉＝（｜Ｈ〉＋ｉ｜Ｖ＞）／√２に発展するために十分な時間で印加されてもよい。その後、第２の電圧パルスは、直線基底（rectilinear basis）での分裂を生成するために、状態が｜Ｄ〉＝（｜Ｈ〉＋｜Ｖ〉）／√２にさらに発展するために十分な時間で印加されてもよい。

あるいは、単一パルスは用いられてもよいが、しかし分裂基底は、基底となる複数の状態が、ベクトルを初期から最終の量子ビット状態に交差させる軸を形成するように選ばれる。

分裂基底を選択する場合の別の利点は、量子ビットの用意後に、用意された量子ビットが基底となる状態であるように分裂基底を選択するために、制御電圧が印加されてもよい点である。この場合、光子が放射される前に、量子ビットのさらなる発展は起こらない。

直線基底での分裂の制御は、ＨまたはＶ偏光に対応する（通常実質的に［１１０］及び［１−１０］と等しい）方向に沿っての試料の平面、または試料の垂直方向での電場の変調によって達成されてもよい。対角基底での分裂の制御は、有限な最小の分裂を有する量子ドットを使用して達成されてもよい。ここで、基底となる複数の状態は大部分は対角である。例えば垂直方向での電場の変調を使用して分裂を増加させることによって、直線基底での分裂が支配的になる。あるいは、対角基底での分裂は、偏光状態ＤまたはＡに対応する軸に沿って、試料の平面での電場の変調によって達成されてもよい。最終的に、円基底（circular basis）での分裂の制御は、例えば外部コイルを介して電流を流して量子ドットに垂直な磁場を印加することによって適用されてもよい。

図１２は本発明のさらなる実施形態に従うコンポーネントである。図１２は、ちょうど表面以下に提供される量子ドット１２６を持ったコンポーネントの表面を示す。例えば、量子ドットはＧａＡｓレイヤにおけるＩｎＡｓ量子ドットであってもよい。

２つのペアの表面コンタクトが形成される。コンタクトは、例えばショットキーコンタクトでもよい。第１のペアのコンタクト１２５及び１２７は、前記量子ドットを有する直線を形成するために配置され、前記量子ドット１２６のどちらかに形成される。コンタクトの第２の部分１２９及び１３１も、前記量子ドット１２６を持った直線において形成され、前記量子ドットのどちらか側に形成される。第１のペアのコンタクトの直線は、第２のペアのコンタクトによって形成された直線に垂直である。両方のペアのコンタクトは前記量子ドット１２６に側面の領域を提供する。

図１２に示されるコンポーネントでは、装置の表面での電気的なコンタクトの配列によって、電圧変調を用いる１つよりも多くの基底での分裂の制御を可能にする。上記の制御は、任意の量子ビット回転が実現されることを可能にする。

上記のものは一例であり、コンタクトのさらなるセットは、図１を参照して説明されたタイプの垂直場を適用するために、提供されてもよい。

円基底での分裂を実現するために、磁場は試料表面に垂直な量子ドットに印加されてもよい。磁場は、ゼーマン分裂として知られている、複数の励起子状態のスピン依存エネルギー分裂を引き起こし、逆円偏光された複数の励起子状態の間で微細構造分裂を増加させる。同じような複数の量子ドットに関して以前に測定された典型的なゼーマン分裂は、オーダーが｜ｓ｜〜２００μｅＶＴ^−１である。したがって、〜２μｅＶの顕著な分裂を実現することは、０．０１Ｔの場を必要とする。これは、外部コイルを介する通過電流によって通常実現されうる小さな磁場である。

直線及び対角基底での分裂を達成するために、図１２は、好ましい実施形態を示している。ここで２つのペアのコンタクトは、電場が試料の面での任意の方向に印加されてもよいように、装置の表面上での量子ドットの周りに配置される。例えば、下部コンタクトＢ１２７に対して、上部コンタクトＴ１２５に正電圧を印加することは、上部コンタクトＴ１２５と下部コンタクトＢ１２７との間での電場を引き起こす。電子及び正孔の波動関数は、電場の反対方向に沿って量子ドットにおいて空間的に分離する。これは、直交する面内方向に比較して、場の方向において垂直電子正孔オーバーラップでのより強い変更をもたらす。それは、（上部コンタクトＴ１２５及び下部コンタクトＢ１２７がＨまたはＶ偏光方向にそって整列されていると仮定して）直線偏光基底での微細構造分裂｜ｓ｜を変化させる。上部コンタクトＴ１２５及び右コンタクトＲ１２９に電圧を等しく印加し、下部コンタクトＢ１２７及び左コンタクトＬ１３１に等しく第２電圧を印加することによって、電場は、ＤまたはＡの偏光方向に対応して、以前の例に比較して方向４５度に生成される可能性がある。上記の場は、対角基底において微細構造分裂を生成するだろう。従って、任意の強さかつ面内方向の場は、４つのコンタクトのそれぞれに印加される相対的な電圧を制御し、任意の基底での微細構造分裂をもたらすことによって印加されてもよい。

少なくとも１つのコンタクトに電圧パルスを印加し、さらに他のコンタクトに電圧パルスまたは固定電圧を印加することによって、図１２に表されるコンタクト配置を使用して任意の線形基底での微細構造分裂を生成することが可能になる。完全に任意の基底で分裂することは、装置表面に垂直な磁場を誘導するために、外部のワイヤコイルを介して電流を流すことによって実現されてもよい。

図１３は、入力光子（量子ビット）１３３から出力光子（量子ビット）１３５の状態のテレポテーションのために構成された本発明のさらなる実施形態に従うコンポーネントの概略図である。

ゲートの結果が成功であると決定された後、入力状態を確率的な量子論理ゲートに提供するために、テレポテーションを使用することができる線形光量子計算を含む様々な量子情報応用に、テレポテーションを使用することができる。

テレポテーションシステムの演算は以下のように説明される。

システムは、本発明の実施形態に従って図１を参照して説明されるようにコンポーネントによって、提供される量子ドット光子対源を必要とする。コンポーネント内の量子ドットは、光学のレーザパルス１３７を用いて、中性の２励起子状態に励起される。２励起子（ＸＸ）状態は、コンポーネントからの第１の２励起子（ＸＸ）光子１３９を放射する励起子（Ｘ）状態に崩壊する。放射された２励起子（ＸＸ）光子１３９は、量子ドットのままである励起子（Ｘ）１４１状態とエンタングルする。

共同の測定は、前記２励起子（ＸＸ）１３９光子及び（その偏光は入力量子ビット状態を表わす）追加入力光子１３３の状態に行なわれる。この共同の測定は、ベル状態測定１４３として知られ、４つのよく知られているエンタングルされたベル状態を区別することができる。測定は、ベル測定に依存する信号を電圧変調器１４５に出力する混合ユニット１４３で行なわれる。

ベル状態測定の後に、コンポーネントのままである励起子Ｘ１４１は、４つのベル状態のどれが検出されたかに依存して、入力光子１３３との固定した関係を有している。励起子（Ｘ）量子ビットの回転は、１以上の方向でドットに渡って電場を変化させる電圧変調器１４５からの１以上の電圧パルスによって実現されうる。これは、励起子（Ｘ）量子ビット１４１の直交して偏光されたコンポーネント間の位相差を蓄積する（accrue）ために、微細構造分裂を変化させる効果を有する。４つのベル状態測定の各々は、励起子（Ｘ）量子ビットが入力光子量子ビットの状態を最大に表わすことを確実にするように、異なる電圧パルスまたはパルスシーケンスをトリガーする。

例えば、入力光子がＨとＶの重ね合せで、エンタングルされた状態がＸ^ＨＸ_２ ^Ｈ＋Ｘ^ＶＸ_２ ^Ｖである場合である。入力光子及び２励起子光子は、（実際にそれらがＨまたはＶであるかどうかを決定することなしに）それらが同一か異なっているかを確かめるために、混合ユニットによって行なわれた「ベル状態測定」において比較される。入力光子及び２励起子光子が同じである場合、混合ユニットは、電圧変調器に、記憶されたＸ状態に何も行う必要がなくしたがって２励起子と同様な偏光の光子を放射させることを示す。従って、入力及び励起子の光子は同じである。しかし、入力及び２励起子が反対であることをベル状態測定が示し、混合ユニットは、ＨをＶに及びＶをＨに変化させるために、パルスが記憶された励起子状態に適用されるべきであることを、電圧変調器に示す場合、これによって励起子光子が入力光子と同様に放射される。

励起子（Ｘ）量子ビット回転に続いて、励起子（Ｘ）１４１は再結合して出力励起子光子１３５を放射する。この出力光子量子ビット１３５は入力光子量子ビット１３３として実質的に同じである量子状態を持っている。したがって、入力光子１３３の状態は、出力光子１３５の状態上にテレポテーションされる。

２励起子（ＸＸ）寿命が短いこと、励起子（Ｘ）寿命が長いことは有利であることに注意すること。これは、図１、１５、及び１６を参照して説明されるように、キャビティ量子電気力学、及びＸＸ光子と共鳴する強い光学モードによって実現されうる。この実施形態での変更は、電流を用いる励起を含んでもよい。

図１４は、制御ＮＯＴの論理演算が実現されうる本発明の実施形態に従うコンポーネントを示す。ＣＮＯＴゲートでは、さらなる量子ビット（制御量子ビット）が１である場合かつその場合に限り、入出力量子ビットは反転する。

量子ドットは、時間ゼロ１５１での２励起子（ＸＸ）状態に励起され、量子ドットで残りの電子正孔ペアが射影される励起子状態とその偏光とが相関している２励起子ＸＸ光子の放射を介して崩壊する。したがって、（直線の｛Ｈ、Ｖ｝偏光基底で記述される）上記のＸＸ光子放射イベントに続く初期状態Ψ_αは以下である。

Ψ_α＝（｜Ｈ_ＸＸＸ_Ｈ＞＋｜Ｖ_ＸＸＸ_Ｖ＞）／√２
ここで、Ｈ_ＸＸ及びＶ_ＸＸは水平及び垂直に偏光された２励起子ＸＸ光子を示し、Ｘ_Ｈ及びＸ_Ｖは崩壊して水平及び垂直に偏光された光子を放出する励起子Ｘ状態を示す。

垂直線１５３によって図１４の（ａ）で示される時間Ｔ_ｍの後、電圧変調は、図１４の（ｂ）に概略的に示されるように、短い時間１５５で微細構造分裂｜ｓ｜を偏光するために、装置に印加される。ここで我々は、他の構成は可能であるが、微細構造分裂がＨ及びＶ偏光された固有状態をもたらす典型的な場合を仮定する。電圧変調パルスの間に、位相差ΦはＸ_ＨとＸ_Ｖの間で得られる。好ましくは、位相差Φはほぼπであるべきである。それは電圧変調の適切な振幅及び継続期間を選ぶことにより実現されうる。電圧変調に続いて、取得した位相は、システムを次式によって与えられる状態Ψ_１５９に射影する。

Ψ_β＝（｜Ｈ_ＸＸＸ_Ｈ＞＋ｅ^ｉΦ｜Ｖ_ＸＸＸ_Ｖ＞）／√２
Ψ_β＝（｜Ｈ_ＸＸＸ_Ｈ＞−｜Ｖ_ＸＸＸ_Ｖ＞）／√２
上記の式は、エンタングルメントの本質が、励起子光子がいつ放出されるかに依存して、異なっていることを明らかにする。例えば、励起子時間測定が領域１５７内にある場合、対称なベル状態Ψ^＋＝Ψ_１５７は形成される。しかし、測定時刻が領域１５９内にある場合、我々は反対称なベル状態Ψ⁻＝Ψ_１５９を持っている。この状態はΨ^＋に直交し、それは、Ψ^＋への励起子光子システムのフィデリティｆ^＋が、電圧変調１６１の適用に続いて、１の最大値から０の最小値に落ち込むことを意味している。これは、図１４ｃにおいて概略的に示される。

電圧変調に先立って放射される光子の確率が、変調後に放射される光子の確率に等しいことが好ましい。単一の放射崩壊時間Ｔを有する状態にとって、これは、−Ｔｌｎ（１／２）と等しい時間Ｔ_ｍ１５３での変調を適用することが好ましいことを意味している。キャビティ内でない典型的なＩｎＡｓ／ＧａＡｓ ＱＤにとっては、Ｔ＝１ｎｓであり、つまり変調は０．６９ｎｓで適用されるべきである。

励起子光子の発光時間が不確定であるので、システム状態Ψは変調前後の状態、Ψ_α及びΨ_βの以下に示す重ね合わせによって記述される。

Ψ＝Ψ_α｜α〉＋Ψ_β｜β〉／√２
Ψ＝（｜Ｈ_ＸＸＨ_Ｘα〉＋｜Ｖ_ＸＸＶ_Ｘα〉＋｜Ｈ_ＸＸＨ_Ｘβ〉−｜Ｖ_ＸＸＶ_Ｘβ〉）／２
ここで｜α〉及び｜β〉は、水平及び垂直に偏光された励起子光子Ｈ_Ｘ及びＶ_Ｘの放射に関する時間領域を示す。好ましいＴ_ｍ１５３の選択は、重ね合せが等しく平衡を保つことを保証する。上記の式は｜Ｈ＞＝（｜Ｄ＞＋｜Ａ＞）／√２及び｜Ｖ＞＝（｜Ｄ＞−｜Ａ＞）／√２の代入を使用して、対角偏光基底｛Ｄ、Ａ｝で以下のように書き換えられ得る。

Ψ＝（｜Ｄ_ＸＸＤ_Ｘα＞＋｜Ａ_ＸＸＡ_Ｘα＞＋｜Ｄ_ＸＸＡ_Ｘβ＞＋｜Ａ_ＸＸＤ_Ｘβ＞）／２
上記の式の検査は、放射される２励起子ＸＸ光子に作用する量子論理演算を行うために、励起子光子の時間及び偏光の測定を使用することができることを明らかにする。これは、２励起子ＸＸ光子の偏光が、Ｘ光子の測定時間に依存する励起子Ｘ光子の偏光に同じまたは反対であるという事実に起因する。

論理０＝α、１＝βを有する制御量子ビットを表現するために、励起子Ｘ光子の放射（検出）時間測定を考慮し、論理０＝Ｈ、１＝Ｖを有する入力量子ビットを表現するために、励起子光子の偏光測定を考慮すること。同様に、２励起子光子は、また論理的０＝Ｈ、１＝Ｖをも有する出力量子ビットを表現する。したがって、システムは、制御ビットの状態上での条件付きの入力量子ビットの状態を反転させ、出力量子ビットに結果を出力する。そして、制御量子ビット＝｜０〉に関して、出力量子ビットは入力量子ビットに等しい。しかしながら、制御量子ビット＝｜１〉に関しては、入力｜０〉に関して出力は｜１〉であり、入力｜１〉に関して出力は｜０〉である。

この量子論理演算の挙動はＣＮＯＴゲートに同様である。

実際的な条件では、多くの２励起子崩壊が測定され、後にデータは、時間アルファで放射した光子が１つの状態にあり、時間ベータで放射した光子が別の状態にあることを判定するために、ソートされる。

またＣＮＯＴゲートのように、入力、制御及び出力の量子ビットは、論理的な｜０〉及び｜１〉の重ね合せである状態になりえる。偏光符号化された量子ビットに関しては、これはＨまたはＶ以外の偏光を意味し、時間符号化された量子ビットに関しては、干渉計は２つの放射時間の重ね合わせを測定するために使用されてもよい。

ここで説明された論理ゲートのタイプは、入力量子ビットは、直接的に選ばれず、励起子光子の偏光と時間の測定が望ましい結果を生む時に選択されるという意味で、確率的である。また従来のＣＮＯＴゲートと異なり、制御量子ビットは、論理演算の間に破壊され、従って続いて再使用または測定することができない。言いかえれば、それは、放射の時間が量子力学的に不確定であり、測定がその時に波動関数を押し縮め、それを破壊する。この点では、それはもはや２つの時間の重ね合わせではなく、検出が発生し量子ビットが破壊されたことは明確である。これは、論理演算が成功するために測定される必要のない出力量子ビットには真実ではない。

図１５は本発明の実施形態に従うコンポーネントを示す。この実施形態では、量子ビットの状態は、コンポーネントを介して伝送する読み出しビームの伝送での変調をモニタリングすることによって読み出される。

装置の構造は図１を参照して説明された構造と同一である。したがって、不必要な繰り返しを避けるために、同様な参照番号は同様な特徴を示すことに使用される。

図１でのように、複数の光子は、まず偏光子５を次に波長板７を介して量子ドットに向けるレーザー１を使用して、量子ドット３で励起される。波長板は、偏光面が回転することを可能にする。

システムの読み出し部分はユニット１６５を具備する。ユニット１６５は、波長板１６６を通り、その後第２の偏光子１６８を通るレーザー６４を具備する。

この実施形態では、波長板は読み取りシステムでの偏光子の前に配置される。これは標準的技法である。ドットがＨ光子を放射し、波長板がそれを回転しなければ、偏光子は、それがＨ光子を透過させるように構成されていればこれを検出器へ通過させる。源によって放射される任意のＶ光子はブロックされる。しかし、（半）波長板が４５度回転されているならば、それは、Ｖ光子をＨへ回転する。ここでは、それは偏光子を通過し、検出される。ドットによって放射されたＨ光子は、Ｖに回転され、偏光子によってブロックされる。したがって、適切な値に波長板を回転させることによって任意の偏光を測定することは簡単である。

レーザー６４は、励起子状態のエネルギーに等しいエネルギーで放射する励起子状態の線幅以下の線幅を持った明るいコヒーレントレーザーである。レーザーは、量子ドット３に導かれ、構造を通って検出器１７１に至る。

検出器１７１は強度検出器である。

レーザーが試料を通過する時間での状態に平行にレーザーが偏光される場合、レーザーは励起子によって散乱される可能性がある。これは、検出器１７１によって検出された信号を乱す。励起子が明るいレーザー偏光に直交する別の場合では、１７１によって検出される信号は乱されない。したがって、測定は励起子状態で行われ、それは励起子状態重ね合わせを「押し縮め」、状態はレーザーの方向に射影される。この測定技術では、励起子は（光子放射でのように）破壊されない。

図１６は本発明のさらなる実施形態に従うコンポーネントを示す。コンポーネントの半導体構造は図１を参照して説明され構造と同じである。従って、同様な参照数字は同様な特徴を示すために用いられる。

しかし電圧変調器は、量子ドット３での中性励起子崩壊よりも速い時間スケールに渡って変調を適用し、かつ光子を量子ドットに励起する。これは、ｎまたはｐ型領域からキャリヤが量子ドットに供給されるように、より大きなバイアスを適用することによって達成されうる。

電流注入による２励起子レベルへのドット３の励起に際して、放射された第１の光子は、偏光された検出システムに向かって２色性のビームスプリッターまたは別のタイプの波長依存装置を使用して導かれる。偏光された検出システム１７７では、偏光測定に関する測定基底を選択するのに役に立つ波長板１７８、特別な偏光を有する光子を通過させるだけの偏光子１８０、及び検出器１８２がある。

第２の光子は、２色性のビームスプリッター１７５によって第２の検波システム１７９に導かれる。第２の検波システム１７９は、波長板１８６、偏光子１８８及び検出器１９０を具備する。これらは、第１の検出システム１７７に関して説明される同じ方法で動作する。

図１７の（ａ）及びその対応するバンドダイヤグラムである図１７の（ｂ）は、本発明のさらなる実施形態に従うコンポーネントのレイヤ構造を示す。複数のコンタクト、励起部及び測定単位は示されていない。

図１７の（ａ）及び図１７の（ｂ）では、障壁レイヤは、提供され、再結合の前に量子ドットからのキャリヤのトンネリングを防ぐように構成される。この構造は、より高い場が前記量子ドットにわたって提供されることを可能にすることができる。

図１７の（ａ）及び図１７の（ｂ）の実施形態では、複数の量子ドット２２１は、下部のガリウム砒素レイヤ２８３と上部のガリウム砒素レイヤ２８９の間のインターフェース２８１で形成される。上部の２８９及び下部の２８３ガリウム砒素レイヤは上部２９１及び下部２８５の障壁レイヤにそれぞれ接している。上部及び下部の障壁レイヤ２８５及び２９１は、例えばＡｌＧａＡｓでもよいより高いバンドギャップレイヤである。上部及び下部の障壁レイヤ２９１と２８５との間に挟まれた上部及び下部のガリウム砒素レイヤ２８９及び２８３の配列は、量子井戸を形成するガリウム砒素レイヤをもたらす。

障壁レイヤは、インターフェース２８１に十分近づいて提供される。ここで、複数の量子ドットはそれらが障壁レイヤがない場合よりもさらなる程度の電気的な閉じこめを提供するように形成される。障壁レイヤ間のＧａＡｓレイヤは量子井戸を形成する。

対応するバンドダイヤグラムは図１７の（ｂ）において示される。ここで、量子ドット２９５は、上部及び下部のＧａＡｓレイヤ２８９及び２８３によって形成される量子井戸２９７に位置する。その後これは、量子ドットからのトンネリングを抑制するのに役立つ上部及び下部障壁レイヤ２９１及び２８５の間に形成される。

上記の設計における量子ドットがＧａＡｓにおいて形成される結果、量子ドットの特性は、これが量子ドットを形成する典型的な材料であるので、よく理解されている。

障壁材料を用いることによって、トンネリングは、光子放射体の放射効率を向上させる量子ドットからしばらくの間抑制される。これは結果として、４００ｋＶ／ｃｍ以上の場が放射効率を破壊することなく適用されてもよいように、１４ｎｍ以上の波長領域に渡って調整することになりうる。

図１７の（ａ）及び１７の（ｂ）では、構造は、装置の片側がｐ型であり他の側がｎ型でありドープされていない領域にドットを位置しているｐ−ｉ−ｎ構造である。しかし、もし量子ドット及び障壁が同じやり方で構成されれば、同じような結果は、ｎ−ｉ−ｐ、ｎ−ｉ−ｎ、ｐ−ｉ−ｐまたはオーム−ｉ−ショットキー装置で得られる。

図１７に示される実施形態では、複数の障壁が等しく、それらの間隔は「量子井戸」内で電子状態の量子化を導くのに十分小さい、特別な場合が示されている。これは、キャリヤが十分に強いポテンシャル内で粒子のドブロイ波長に相当する領域に閉じ込められるときに、発生する。

図１７は、ドットからキャリヤのトンネリングを抑制するために、ドットのどちらか一方の側での障壁を示す。これらの障壁の１つまたは両方の高さ、位置、または厚さは、キャリヤがトンネルしドットから離れる障壁の縁で障壁の閉じ込められた状態がない位ドットから障壁への距離が十分に小さくなるように、選択されるならば、好ましい。（異なる有効質量が有する）複数の電子及び複数の正孔は、ドットの一方の側で障壁の等しくない高さに関して等しいトンネリングレートを有する。さらなる配置では、１つの障壁だけが提供される。１つの障壁が提供される場合、電子トンネリングを防ぐことが好ましくは提供される。

上記の構造で用いられうる製造技術の例はＧＢ２３８０６０５において教えられる。

Claims (20)

1. 量子ビットと、
   前記量子ビットのためのコントローラと、
   量子ドットと、
   前記量子ビットを形成するために前記量子ドットにおいて中性の励起子状態を生成する励起部と、
   前記状態の向きに関する光学的な測定を行う測定部と、
   を具備し、
   前記コントローラは、前記量子ドットに渡って変調された電場を適用するように構成された電気的なコンタクトに結合している電源を具備し、
   変調は、前記中性の励起子状態の崩壊時間よりも高速であるコンポーネント。
2. 前記コントローラは、前記状態に所定の位相変化を適用し、前記位相変化が前記励起子状態の崩壊時間よりも速い時間スケールで発生するように前記変調の振幅は選択される請求項１のコンポーネント。
3. 前記励起部は複数の状態の重ね合わせを有する中性の励起子状態を生成し、前記コントローラは前記量子ドットの微細構造分裂を変化させることによって前記状態を変化させる請求項１または請求項２のコンポーネント。
4. 前記微細構造分裂は、前記重ね合わせが生成される時に前記励起子状態の放射帯域幅未満である請求項３のコンポーネント。
5. 前記微細構造分裂が１０μｅＶ未満である時点で、前記励起子状態が生成される請求項３に記載のコンポーネント。
6. 前記励起部は純粋な固有状態を生成し、前記コントローラは前記量子ドットの複数の固有状態を回転させることによって前記状態を変化させる請求項１または請求項２のコンポーネント。
7. 前記量子ドットは、前記状態の放射寿命を増加させる光結晶内に位置している前出のいずれか１の請求項のコンポーネント。
8. 前記励起部は光励起子を提供し、光励起は前記励起子状態のエネルギーよりも大きい、整数のフォノンエネルギーである前出のいずれか１の請求項のコンポーネント。
9. 前記励起部は光励起を提供し、前記光励起は複数の前記励起子状態と同様のエネルギーである請求項１から請求項７のいずれか１項のコンポーネント。
10. 前記電源は、前記量子ドットの微細構造分裂の大きさが変調され前記量子ドットの複数の固有状態が時間に関して一定であるように、振幅を有するバイアスを加える前出のいずれか１の請求項のコンポーネント。
11. 前記電源は、前記量子ドットの微細構造分裂の大きさが変調され複数の励起子固有状態が回転されるように、振幅を有するバイアスを加える前出のいずれか１の請求項のコンポーネント。
12. 前記励起部は前記量子ドットで２励起子状態を励起し、前記中性の励起子は前記２励起子の崩壊によって形成される前出のいずれか１の請求項のコンポーネント。
13. 前記量子ドットは複数のレイヤと電源とを具備する構造において提供され、前記電源は前記レイヤの面に垂直である垂直電場を印加する前出のいずれか１の請求項のコンポーネント。
14. 前記量子ドットは複数のレイヤと電源とを具備する構造において提供され、前記電源は前記レイヤの面に平行である水平電場を印加する前出のいずれか１の請求項のコンポーネント。
15. 前記量子ドットは複数のレイヤとコントローラとを具備する構造において提供され、前記コントローラは垂直磁場を印加し前記量子ドットの微細構造分裂を操作する磁場生成器を具備する前出のいずれか１の請求項のコンポーネント。
16. 前記測定部は、偏光感応測定を行うように配置された偏光子を具備する前出のいずれか１の請求項のコンポーネント。
17. 前記測定部は、前記励起子状態に共鳴し前記量子ドットに導かれるレーザービームと、前記レーザーが量子ドットによって影響を受けていたかどうかを判定する光検出器を具備する前出のいずれか１の請求項のコンポーネント。
18. 光子を生成する独立な光子源と、
    ベル状態測定が２つの光子で実行されるように前記独立な光子源からの光子を２励起子崩壊から放射される光子と混合する光子混合部と、を具備し、
    前記励起部は前記量子ドットに２励起子を励起し、
    前記光子混合部は、前記ベル状態を示す信号を、前記コントローラに出力する出力部を具備し、
    前記コントローラは、前記光子混合部から受け取った信号に基づいて、前記中性の励起子の状態を前記独立した光子の状態に変化させる、量子状態のテレポテーションに関する前出のいずれか１の請求項のコンポーネント。
19. 前記励起部は前記量子ドットで２励起子を励起し、前記コントローラは、前記励起子光子の前記偏光状態が放射時間でエンタングルされ、励起子光子の時間及び偏光の測定が２励起子光子の偏光を判定するように、πの位相変化を中性の励起状態に適用するために変調パルスを印加する、ＣＮＯＴゲートとして構成される請求項１から請求項１７のいずれか１項のコンポーネント。
20. 中性の励起子状態を提供することによって量子ビットを形成し、
    量子ドットに変調された電場を印加することによって前記量子ビットを制御し、
    前記状態の方向に関する光学的な測定を行うことを具備し、
    変調は前記中性の励起子状態の崩壊時間よりも速い、量子ドットでの量子ビットを制御する方法。

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