JP5765783B2 - Quantum entangled photon pair generation method - Google Patents
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Description
本発明は、量子もつれ状態の光子対を発生する量子もつれ光子対発生方法に関するものである。 The present invention relates to entangled photon pairs onset UBUKATA method for generating a photon pair of entangled state.
従来より、格段に処理速度の速い量子情報処理を実現し、安全性の高い量子情報通信に用いるために、量子もつれ光子対を生成する技術が開発されてきている。量子もつれとは、互いに区別することのできない強い相関を持ってもつれ合った状態を示している。このような量子もつれ光子対を生成する方法として、レーザ光をパラメトリック下方変換する方法がある(非特許文献1参照)。しかしこの方法では、次に示すような課題がある。まず、光子対を発生するタイミングが、制御できない。また、一度にただ1つの光子対だけを生成することができず、必ずある確率で複数の光子対が生成されてしまう。また、光子対を生成する速度が遅い。 2. Description of the Related Art Conventionally, techniques for generating entangled photon pairs have been developed in order to realize quantum information processing with extremely high processing speed and use it for highly secure quantum information communication. Quantum entanglement indicates an entangled state with a strong correlation that cannot be distinguished from each other. As a method of generating such a entangled photon pair, there is a method of down-converting laser light (see Non-Patent Document 1). However, this method has the following problems. First, the timing of generating photon pairs cannot be controlled. In addition, only one photon pair cannot be generated at a time, and a plurality of photon pairs are always generated with a certain probability. Also, the speed of generating photon pairs is slow.
上述した技術に対し、半導体量子ドットを用いて1つの光子対を生成する技術が提案されている(非特許文献2参照)。しかし、この技術では、2つの光子を同時に生成させる状態に制御することができず、生成される2つの光子は互いに時間差を伴って生成し、かつ異なる光子エネルギーを持つ状態となる。このため、非特許文献2の技術では、生成される2つの光子対は、必ずしも量子もつれ光子対にならず、量子もつれ光子対を意図して(制御して)生成させることができないという問題があった。 In contrast to the technique described above, a technique for generating one photon pair using a semiconductor quantum dot has been proposed (see Non-Patent Document 2). However, in this technique, it is not possible to control the state in which two photons are generated simultaneously, and the two generated photons are generated with a time difference from each other and have different photon energies. For this reason, the technique of Non-Patent Document 2 has a problem that the two generated photon pairs are not necessarily entangled photon pairs, and the entangled photon pairs cannot be generated intentionally (controlled). there were.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、1つの量子もつれ光子対が、制御した状態で生成できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to enable one quantum entangled photon pair to be generated in a controlled state.
量子もつれ光子対発生素子は、超伝導体から構成された超伝導体層の上に形成されたn型の半導体からなる第1半導体層と、第1半導体層の上に形成されたi型の半導体からなる第2半導体層と、第2半導体層の上に形成されたp型の半導体からなる第3半導体層と、第2半導体層の中に形成された1つの量子ドットとを少なくとも備える。 Quantum entangled photon pair generating device includes a first semiconductor layer made of a semiconductor of n-type formed on the superconductor layer made of a superconductor, i-type formed on the first semiconductor layer At least a second semiconductor layer made of the semiconductor, a third semiconductor layer made of a p-type semiconductor formed on the second semiconductor layer, and one quantum dot formed in the second semiconductor layer. .
また、本発明に係る量子もつれ光子対発生方法は、超伝導体から構成された超伝導体層の上に形成されたn型の半導体からなる第1半導体層と、第1半導体層の上に形成されたi型の半導体からなる第2半導体層と、第2半導体層の上に形成されたp型の半導体からなる第3半導体層と、第2半導体層の中に形成された1つの量子ドットとを少なくとも備え、第1半導体層,第2半導体層,および第3半導体層からなるpin構造の内蔵電位により第2半導体層に空乏層が形成されている素子を作製して超伝導体層より第1半導体層に対して電子クーパー対を侵入させる第1ステップと、第3半導体層の側より素子に連続した第1光を照射して、pin構造の内蔵電位を減少させて空乏層を縮小させる第2ステップと、第1光を照射している状態で、第3半導体層の側より素子に第2光を照射することで空乏層をより縮小させ、量子ドットの伝導帯に1つの電子クーパー対を配置させるとともに、第1光の照射により生成している1つの正孔対を量子ドットの価電子帯に配置させることで、量子もつれ光子対を発生させる第3ステップとを少なくとも備え、第2光の照射は、新たな量子もつれ光子対が発生する状態となる前に停止する。 In addition, the entangled photon pair generation method according to the present invention includes a first semiconductor layer made of an n-type semiconductor formed on a superconductor layer made of a superconductor, and a first semiconductor layer. The formed second semiconductor layer made of i-type semiconductor, the third semiconductor layer made of p-type semiconductor formed on the second semiconductor layer, and one quantum formed in the second semiconductor layer An element including at least a dot and having a depletion layer formed in the second semiconductor layer by a built-in potential of a pin structure including the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer is produced to form a superconductor layer The first step of allowing the electron cooper pair to penetrate into the first semiconductor layer and the first light continuous to the element from the third semiconductor layer side are irradiated to reduce the built-in potential of the pin structure, thereby depleting the depletion layer. Second step to reduce and first light irradiation In this state, the depletion layer is further reduced by irradiating the device with the second light from the third semiconductor layer side, one electron cooper pair is disposed in the conduction band of the quantum dot, and generated by the first light irradiation. At least a third step of generating a pair of quantum entangled photons by arranging one hole pair in the valence band of the quantum dot, and the irradiation with the second light includes a new pair of quantum entangled photons Stop before it occurs.
以上説明したことにより、本発明によれば、1つの量子もつれ光子対が、制御した状態で生成できるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that one quantum entangled photon pair can be generated in a controlled state.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における量子もつれ光子対発生素子の構成を示す構成図である。図1では、量子もつれ光子対発生素子の断面を模式的に示している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a configuration of a entangled photon pair generating element according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 schematically shows a cross section of the entangled photon pair generating element.
この量子もつれ光子対発生素子は、超伝導体から構成された超伝導体層101の上に形成されたn型の半導体からなる第1半導体層102と、第1半導体層102の上に形成されたi型の半導体からなる第2半導体層103と、第2半導体層103の上に形成されたp型の半導体からなる第3半導体層104とを備える。加えて、第2半導体層103の中に形成された1つの量子ドット105を備える。なお、超伝導体層101は、支持基板111の上に形成されている。
The quantum entangled photon pair generating element is formed on a
超伝導体層101は、例えば、Nbから構成され、層厚100〜200nm程度に形成されていればよい。第1半導体層102は、例えば、n型のInGaAlAsから構成され、層厚50〜300nm程度に形成されていればよい。第3半導体層104は、例えば、p型のInGaAlAsから構成され、層厚50〜300nm程度に形成されていればよい。
The
また、第2半導体層103は、ノンドープの(i型の)InGaAlAsから構成され、量子ドット105は、InAsから構成されていればよい。例えば、第2半導体層103は、i型のInGaAlAsからなる第1障壁層131とi型のInGaAlAsからなる第2障壁層132とから構成され、第1障壁層131と第2障壁層132との間に量子ドット105が形成されている。第1障壁層131および第2障壁層132は、層厚10〜100nm程度に形成されていればよい。
The
ここで、本実施の形態における素子の製造方法について簡単に説明する。例えば、InP基板を用い、InP基板の上に、p型のInGaAlAs(第3半導体層104),i型のInGaAlAs(第2障壁層132)を、エピタキシャル成長させる。引き続き、連続した膜状にはならない条件にするなど所定の条件で、i型のInGaAlAsの上にInAsを島状に成長させる。 Here, a method for manufacturing the element in the present embodiment will be briefly described. For example, using an InP substrate, p-type InGaAlAs (third semiconductor layer 104) and i-type InGaAlAs (second barrier layer 132) are epitaxially grown on the InP substrate. Subsequently, InAs is grown on the i-type InGaAlAs in an island shape under a predetermined condition such as a condition that does not result in a continuous film shape.
引き続き、i型のInGaAlAs(第1障壁層131),n型のInGaAlAs(第1半導体層102)を結晶成長させる。これらは、よく知られた有機金属気相成長法,分子線エピタキシー法などにより行えばよい。次いで、最上層のn型のInGaAlAs(第1半導体層102)の上に、例えば、蒸着法によりNbを堆積する。以上の各工程により、p−InGaAlAs層,i−InGaAlAs層,InAs島状層,i−InGaAlAs層,n−InGaAlAs層,Nb層の半導体超伝導体積層構造が得られる。 Subsequently, i-type InGaAlAs (first barrier layer 131) and n-type InGaAlAs (first semiconductor layer 102) are crystal-grown. These may be performed by a well-known metal organic chemical vapor deposition method, molecular beam epitaxy method or the like. Next, Nb is deposited on the uppermost n-type InGaAlAs (first semiconductor layer 102), for example, by vapor deposition. Through the above steps, a semiconductor superconductor laminated structure of a p-InGaAlAs layer, an i-InGaAlAs layer, an InAs island-like layer, an i-InGaAlAs layer, an n-InGaAlAs layer, and an Nb layer is obtained.
なお、上述したように、InGaAlAsを用いることにより、InP基板に格子整合した状態で各半導体層が結晶成長できる。また、InGaAlAsの各組成の比率を変化させることで、InGaAsのバンドギャップエネルギー0.8eVから、InAlAsのバンドギャップエネルギー1.53eVまで、広い範囲でバンドギャップエネルギーが可変でき、InAs量子ドットの発光波長を変化させることが容易である。 As described above, by using InGaAlAs, each semiconductor layer can be crystal-grown in a lattice-matched state with the InP substrate. Also, by changing the ratio of each composition of InGaAlAs, the band gap energy can be varied in a wide range from the band gap energy of InGaAs of 0.8 eV to the band gap energy of InAlAs of 1.53 eV, and the emission wavelength of InAs quantum dots Is easy to change.
次に、上述した半導体超伝導体積層構造を、支持基板111の上に貼り付ける。Nb層を支持基板111に貼り付ける。支持基板111は、例えば、ガラス基板や半導体基板を用いればよい。このようにして貼り付けた後、InP基板を除去する。例えば、InP基板を、研磨して厚さ50μmまで薄層化し、薄層化したInP基板をウエットエッチングにより除去する。
Next, the above-described semiconductor superconductor laminated structure is attached on the
次に、半導体積層構造を公知のリソグラフィー技術および反応性イオンエッチングによりパターニングし、第1半導体層102,第2半導体層103,第3半導体層104からなる柱状素子部を形成する。柱状素子部は、例えば、直径300〜600nmの円筒形状に形成すればよい。以上のことにより、本実施の形態における量子もつれ光子対発生素子が得られる。
Next, the semiconductor multilayer structure is patterned by a known lithography technique and reactive ion etching to form a columnar element portion including the
ここで、前述したInAs島状層は、複数のInAs島部がi−InGaAlAs層の上に形成される。従って、半導体積層構造においては、複数の量子ドットが設けられている状態となる。これに対し、上述したように、所定の直径に柱状にパターニングすることで、柱状素子部においては、1つの量子ドットが存在する状態にすることが可能となる。言い換えれば、柱状素子部において1つの量子ドットが存在する状態となるように、柱状素子部の径を適宜に設定して形成すればよい。 Here, in the InAs island-shaped layer described above, a plurality of InAs island portions are formed on the i-InGaAlAs layer. Therefore, in the semiconductor multilayer structure, a plurality of quantum dots are provided. On the other hand, as described above, by patterning in a columnar shape with a predetermined diameter, it is possible to make one quantum dot exist in the columnar element portion. In other words, the diameter of the columnar element portion may be appropriately set so that one quantum dot exists in the columnar element portion.
次に、上述した量子もつれ光子対発生素子による量子もつれ光子対発生方法について、図2のフローチャートを用いて説明する。なお、以下に説明する量子もつれ光子対発生方法は、本素子を超伝導体層101を構成する超伝導体(Nb)が超伝導性を示す温度(9.2K)にまで冷却した状態で行うものである。
Next, a method for generating entangled photon pairs by the above-described entangled photon pair generating element will be described with reference to the flowchart of FIG. In addition, the quantum entangled photon pair generation method described below is performed in a state where the element is cooled to a temperature (9.2 K) at which the superconductor (Nb) constituting the
まず、ステップS201で、上記量子もつれ光子対発生素子の超伝導体層101より第1半導体層102に対して電子クーパー対を侵入させる。超伝導近接効果としてよく知られているように、InGaAsなどのショットキーバリア高さが低い半導体にNbなどの超伝導体を接触させると、超伝導体中の電子クーパー対が半導体中のフェルミエネルギーに沿って半導体に侵入する。
First, in step S201, an electron cooper pair is made to penetrate into the
ただし、上述した量子もつれ光子対発生素子では、第1半導体層102,第2半導体層103,および第3半導体層104からなるpin構造の内蔵電位により第2半導体層103に空乏層が形成されている。このため、第2半導体層103の中の量子ドット105にまで、上述した電子クーパー対が侵入することができない。
However, in the above-described quantum entangled photon pair generating element, a depletion layer is formed in the
次に、ステップS202で、第3半導体層104の側より素子(量子もつれ光子対発生素子)に対して連続した第1光を照射し、上記pin構造の内蔵電位を減少させて空乏層を縮小させる。例えば、光源として半導体レーザを用い、波長980nmの第1光の照射を開始する。この光照射により、上記pin構造において、光励起により電子および正孔が生成され、内蔵電位により、電子が第1半導体層102に、正孔が第3半導体層104に分離される。
Next, in step S202, the device (quantum entangled photon pair generating device) is irradiated with continuous first light from the
このようにして、光生成して空間分離された電子および正孔が、各々第1半導体層102および第3半導体層104にたまると、発生する光起電力により内蔵電位が打ち消されて減少していく。この状態では、第1半導体層102にまで侵入した電子クーパー対が、上述した内蔵電位の減少に伴う空乏層の縮小により、量子ドット105の近くにまで侵入する状態となる。
In this way, when the electrons and holes that have been generated by light and separated in space accumulate in the
ここで、第1光の照射では、超伝導体層101から侵入した電子クーパー対が、量子ドット105の近くにまで侵入する状態とすることが重要である。このとき上記電子クーパー対は、量子ドット105に侵入する状態、または、電子クーパー対が、量子ドット105より離れすぎている状態ではない。言い換えると、第1光の照射状態を制御することで、電子クーパー対が、量子ドット105の近くにまで侵入する状態に制御する(DCバイアス)。
Here, in the irradiation with the first light, it is important that the electron Cooper pair that has entered from the
次に、ステップS203で、上述したように第1光を照射している状態で、第3半導体層104の側より素子に対して第2光の照射を開始する。この第2光の照射を設定されている既定の時間だけ照射したら(ステップS204のy)、第2光の照射を停止する(ステップS205)。なお、ステップS203〜ステップS205を所定の時間間隔で繰り返すことで、いわゆるパルス光を照射したことになる。上述した第2光の照射により、空乏層がより縮小する。これにより、近くにまで侵入している電子クーパー対が、量子ドット105に侵入する状態となる。
Next, in step S203, irradiation of the second light is started from the
このことにより、量子ドット105の伝導帯に電子クーパー対を配置させるとともに、第2光の照射により生成する1つの正孔対を量子ドット105の価電子帯に配置させ、電子クーパー対と正孔対の発光再結合を起こさせて量子もつれ光子対を発生させる。このように、本実施の形態によれば、1つの電子クーパー対と1つの正孔対を再結合させて発光させているので、2つの光子が同時に生成され、量子もつれ光子対が生成されるようになる。また、上述した状態は、第2光照射のオンオフ(パルス)により制御されており、量子もつれ光子対を意図した状態で生成させることができる。
As a result, an electron Cooper pair is arranged in the conduction band of the
ここで、第2光は、新たに量子もつれ光子対が発生する(発生可能な)状態となる前に照射を停止することが重要となる。例えば、光源として半導体レーザを用い、波長1300nmでパルス幅50psの第2光を照射すればよい。パルス幅は、例えば、上述した発光再結合が起きる前に停止する間隔とすればよい。なお、量子ドット105における発光寿命は1ns程度であるので、第2光はこれよりも短いパルスであればよく、例えば100ps幅のパルス光であってもよい。このようにすることで、1対の量子もつれ光子対を、第2光のパルス毎に発生させることができる。また、高速なパルス励起により、量子もつれ光子対を高速に発生させることができる。また、励起波長は、量子ドット105の発光波長より短波長であれば任意の波長で励起できる。パルスの繰り返し周波数は、最大で発光寿命の逆数の1GHz程度が可能である。
Here, it is important to stop the irradiation of the second light before entering a state where a new entangled photon pair is generated (can be generated). For example, a semiconductor laser may be used as the light source, and the second light having a wavelength of 1300 nm and a pulse width of 50 ps may be irradiated. The pulse width may be, for example, an interval for stopping before the light emission recombination described above occurs. In addition, since the light emission lifetime in the
次に、上述した量子もつれ光子対発生方法を実現する装置について説明する。図3は、量子もつれ光子対発生装置の構成例を示す構成図である。この装置において、第1光源301から出射した第1光は、単一モード光ファイバー302,光合波器303により導波し、半反射ミラー304で反射し、単一モード光ファイバー305により導波し、集光レンズ306で集光されて量子もつれ光子対発生素子311に入射する。第1光源301は、例えば、波長980nmの連続した第1光を出射する半導体レーザである。
Next, an apparatus for realizing the above-described quantum entangled photon pair generation method will be described. FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a configuration example of the entangled photon pair generation device. In this apparatus, the first light emitted from the first
上述したようにすることで、第1光が量子もつれ光子対発生素子311に入射している状態で、第2光源307より出射した第2光は、単一モード光ファイバー308により導波して光合波器303で第1光に合波され、半反射ミラー304で反射し、単一モード光ファイバー305により導波し、集光レンズ306で集光されて量子もつれ光子対発生素子311に入射する。第2光源307は、例えば、波長1300nmのパルス幅50psのパルス光である第2光を出射する半導体レーザである。
As described above, the second light emitted from the second
上述したようにすることで、第1光に加えて第2光が入射されたことで、量子もつれ光子対発生素子311より生成された量子もつれ光子対は、集光レンズ306を透過して単一モード光ファイバー305により導波し、半反射ミラー304を透過して単一モード光ファイバー309により導波し、超伝導単一光子検出器310により検出される。
As described above, when the second light is incident in addition to the first light, the quantum entangled photon pair generated by the quantum entangled photon
ここで、図4の計算結果に示すように、集光レンズ306を、開口数(NA)0.8のレンズから構成することで、高い光子対取り出し効率が得られるようになる。例えば、図4から分かるように、量子もつれ光子対発生素子の柱状素子部の素子径が400nmの場合において、光子対取り出し効率を80%とし最大とすることができる。なお、図4に示す結果を得るための計算は、FDTD(finite difference time domain)法を用いる。この計算方法は、電磁界に関するマクスウエルの基本微分方程式をそのまま差分化して計算しているので、厳密に正確な計算結果が得られることが知られている。
Here, as shown in the calculation result of FIG. 4, by configuring the
次に、本実施の形態における量子もつれ光子対発生素子を用いた量子もつれ光子対発生方法における、光励起による光起電力および光電流を測定した結果について図5に示す。図5は、入力する励起光のパワーに対する光起電力および光電流の変化を示す特性図である。図5より、0.3mW程度の光励起で発生する光起電力により、内蔵電位が打ち消され、光電流が流れ始めることが分かる。 Next, FIG. 5 shows the results of measurement of photoelectromotive force and photocurrent by photoexcitation in the method of generating entangled photon pairs using the entangled photon pair generating element in this embodiment. FIG. 5 is a characteristic diagram showing changes in the photovoltaic power and the photocurrent with respect to the power of the input excitation light. From FIG. 5, it can be seen that the built-in potential is canceled by the photovoltaic power generated by photoexcitation of about 0.3 mW, and the photocurrent begins to flow.
以上に説明したように、本発明では、pin構造内のi層(第2半導体層)に1つの量子ドットを備え、n層(第1半導体層)に接して超伝導体層を設け、連続光照射によりp層(第3半導体層)に正孔が蓄積されている状態で量子ドットの近くにまで電子クーパー対が侵入できる状態とし、パルス光照射により量子ドットに1つの正孔対を生成させるようにした。この結果、本発明によれば、1つの量子もつれ光子対が、制御した状態で生成できるようになる。 As described above, in the present invention, one quantum dot is provided in the i layer (second semiconductor layer) in the pin structure, and the superconductor layer is provided in contact with the n layer (first semiconductor layer). A state in which holes are accumulated in the p-layer (third semiconductor layer) by light irradiation and an electron Cooper pair can enter near the quantum dot, and one hole pair is generated in the quantum dot by pulse light irradiation. I tried to make it. As a result, according to the present invention, one entangled photon pair can be generated in a controlled state.
このように、本発明によれば、人造原子ともいわれる半導体量子ドットの量子準位を用い、量子ドットの伝導帯に電子クーパー対を,価電子帯の量子準位に1つの正孔対を分布させ、一度にただ一対だけの量子もつれ光子対を生成する半導体発光素子が実現できるようになる。 Thus, according to the present invention, the quantum level of a semiconductor quantum dot, also called an artificial atom, is used, and an electron Cooper pair is distributed in the conduction band of the quantum dot and one hole pair is distributed in the quantum level of the valence band. Thus, a semiconductor light emitting device that generates only one pair of entangled photon pairs at a time can be realized.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、柱状素子部は、円筒形状に限るものではなく、四角柱の状態に形成してもよい。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, the columnar element portion is not limited to a cylindrical shape, and may be formed in a rectangular column state.
101…超伝導体層、102…第1半導体層、103…第2半導体層、104…第3半導体層、105…量子ドット、111…支持基板、131…第1障壁層、132…第2障壁層。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記第3半導体層の側より前記素子に連続した第1光を照射して、前記pin構造の内蔵電位を減少させて前記空乏層を縮小させる第2ステップと、
前記第1光を照射している状態で、前記第3半導体層の側より前記素子に第2光を照射することで前記空乏層をより縮小させ、前記量子ドットの伝導帯に1つの前記電子クーパー対を配置させるとともに、前記第1光の照射により生成している1つの正孔対を量子ドットの価電子帯に配置させることで、量子もつれ光子対を発生させる第3ステップとを少なくとも備え、
前記第2光の照射は、新たな量子もつれ光子対が発生する状態となる前に停止することを特徴とする量子もつれ光子対発生方法。 A first semiconductor layer made of an n-type semiconductor formed on a superconductor layer made of a superconductor, and a second semiconductor layer made of an i-type semiconductor formed on the first semiconductor layer And a third semiconductor layer made of a p-type semiconductor formed on the second semiconductor layer, and one quantum dot formed in the second semiconductor layer, the first semiconductor layer , An element in which a depletion layer is formed in the second semiconductor layer by a built-in potential of a pin structure including the second semiconductor layer and the third semiconductor layer, and the first semiconductor layer is formed from the superconductor layer. A first step of intruding an electronic Cooper pair against
A second step of reducing the depletion layer by irradiating the device with first continuous light from the side of the third semiconductor layer to reduce the internal potential of the pin structure;
In the state of irradiating the first light, the depletion layer is further reduced by irradiating the element with the second light from the third semiconductor layer side, and one electron in the conduction band of the quantum dot And at least a third step of generating a entangled photon pair by arranging a Cooper pair and arranging one hole pair generated by the irradiation of the first light in the valence band of the quantum dot. ,
The method of generating a entangled photon pair, wherein the irradiation of the second light is stopped before a new quantum entangled photon pair is generated.
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