JP6479067B2 - 量子光学システム - Google Patents

Description

実施形態によるデバイスおよびシステムは、量子光学の分野に関する。

量子光学の分野では、光子数スクイージング、コヒーレンス、重ね合わせ、およびもつれの特性を示す決定論的な量子光状態の光子を生成する必要性が存在する。

そのような必要性は、量子コンピューティング、計測学、センシングの分野にある。さらに、もつれ光子状態の生成、ならびに、任意の形状および長さのコヒーレントな光子の作成の必要性が存在する。

本発明の実施形態によるデバイスは、ここで、以下の図を参照して説明される。

図１（ａ）は、量子ドットにおけるエネルギー準位を示す図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の量子ドットにおける電子に関連するスピン状態を示し、図１（ｃ）は、図１（ａ）の量子ドット全体に関連するスピン状態を示す。 図２は、図１（ａ）の量子ドットにおけるエネルギー準位と、本発明のある実施形態による外部レーザ入力および光子収集とを示すさらなる図である。 図３（ａ）〜図３（ｄ）は、制御された光子出力を生成するために使用される本発明のある実施形態による一連の励起を示し、図３（ａ）は、初期状態の準備を示し、図３（ｂ）は、基底状態における状態の重ね合わせを生成するための２−３遷移の励起を概略的に示し、図３（ｃ）は、重ね合わせ状態をさらに変更するための制御パルスの印加を示し、図３（ｄ）は、２−３遷移の最終励起を示す。 図４（ａ）〜図４（ｆ）は、もつれ光子対を生成するために使用される本発明のある実施形態による一連の励起を示し、図４（ａ）は、初期状態の準備を示し、図４（ｂ）は、基底状態における状態の重ね合わせを生成するための２−３遷移の励起を概略的に示し、図４（ｃ）は、重ね合わせに依存してもつれのための第２の光子を供給するための放射ビーム（beam of radiation）の印加を示し、図４（ｄ）は、２つの基底状態間の反転分布を示し、図４（ｅ）および図４（ｆ）は、もつれのための２つの最終状態を生成するための１−３遷移のさらなる励起を示す。 図５（ａ）〜図５（ｆ）は、もつれ光子対を生成するために使用される本発明のある実施形態による一連の励起を示し、図５（ａ）は、初期状態の準備を示し、図５（ｂ）は、基底状態における状態の重ね合わせを生成するための２−３遷移の励起を概略的に示し、図５（ｃ）は、重ね合わせに依存してもつれのための第２の光子を供給するための放射ビームの印加を示し、図５（ｄ）は、２つの基底状態間の反転分布を示し、図５（ｅ）および図５（ｆ）は、もつれのための２つの最終状態を生成するための１−３遷移のさらなる励起を示す。 図６（ａ）は、ピラーマイクロキャビティの概略図であり、図６（ｂ）は、フォトニック結晶の概略図である。 図７（ａ）は、本発明のある実施形態による実験データを示し、図７（ｂ）は、このデータに関連する遷移を示す。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、レーザと検出された光子とが図８（ｃ）に示すように同じエネルギーであるときのコヒーレントな光子散乱の測定値を示す。

一実施形態では、荷電キャリアと、第１および第２の基底状態レベルと、複数の励起状態レベルとを有する荷電量子ドットを備える光学システムが提供され、第１および第２の基底状態エネルギー準位は、前記荷電キャリアがそのスピン状態を変化させることなく第１の基底状態エネルギー準位と第２の基底状態エネルギー準位との間で移動することができないように、異なるスピン状態を有し、
システムは、第１の基底状態レベルから、複数の励起状態レベルからの選択された励起状態レベルへの前記量子ドット内の第１の遷移から、１００マイクロｅＶ以下のエネルギーを有する第１の放射ビーム（radiating beam）を制御するように適合されたコントローラをさらに備え、
システムは、第１の放射ビームからの光子の散乱によって光子が生成されるように、前記量子ドット内の第２の遷移の減衰率を、選択された励起状態レベルから第２の基底状態レベルに高めるが、第１の遷移の減衰率を高めないように適合され、
コントローラは、ちょうど１つの光子を生成するために、選択された励起状態の放射寿命よりも長い時間の間、量子ドットに第１の放射ビームを照射するように適合され、第１の放射ビームは、少なくとも１つのパルスを備える。

したがって、第１の照射ビーム（irradiating beam）は、単一のパルスまたは複数のパルスであり得る。いくつかの実施形態では、制御パルスなどのさらなるパルスが、第１の照射ビームのパルス間に点在する。

これは、ラマン散乱光子が、選択された励起状態遷移の放射寿命よりも長い光子長さ（photon length）を有するように、コントローラが第１の遷移を励起するように適合されていると考えられ得る。光子長さは、時間において光子の開始から終了まで測定される。これは、後述する統計的測定値である。

ラマン散乱は、物質との相互作用による光子の非弾性散乱である。上記の実施形態では、散乱光子は、元の入射光子とは異なるエネルギーを有する。

異なるスピン状態を有する２つの基底状態レベルを設けることによって、荷電キャリアは、スピンフリップ遷移を受ける必要がある。これは、励起状態から基底状態への放射減衰時間よりもかなり長く、したがって、励起状態の減衰を使用して可能なものよりもはるかに長いコヒーレンス時間を有するコヒーレントな単一の光子を生成することが可能である。上記は、空洞内の単一の量子ドットからのコヒーレントな散乱光を可能にする。ラマン散乱プロセスは、長い光子が生成されることを可能にし得る。以下で示すように、さらなる操作は、複雑なもつれ状態と光子−光子ゲートとにつながり得る。マイクロホンオフ

ある実施形態では、第１の放射ビームは、単一の強度最大値と、選択された励起状態寿命よりも長いパルス長とを各パルスが有するパルスビームであり、コントローラは、第１の基底状態にあるすべてのスピンを第２の基底状態に移行させるようにパルス領域を制御するように適合される。

さらなる実施形態では、コントローラは、第２の遷移エネルギーの１００マイクロｅＶ内のエネルギーで量子ドットを放射する第２の放射ビームを制御するようにさらに適合され、前記第２の放射ビームは、制御ビームであり、制御ビームは、第１の放射ビームの２つ以上のパルス間の量子ドットに印加され、コントローラは、荷電キャリアが、制御ビームの印加前に第１および第２の基底状態エネルギー準位の重ね合わせであるエネルギー状態を有するように、第１の放射ビームを制御するように構成される。

光学システムは、もつれ光子の源として構成され得、コントローラは、荷電キャリアが、第１および第２の基底状態エネルギー準位の重ね合わせである重ね合わせエネルギー状態を有するように、第１の放射ビームを制御するように構成され、コントローラは、前記重ね合わせエネルギー状態を使用して、もつれ光子対を生成するために、少なくとも１つのさらなる光子を散乱させるように第２の放射ビームを制御するようにさらに適合される。

上記の実施形態では、第２の遷移の減衰率を増加させる第２の遷移に対する強化が存在するが、それは、第１の遷移には適用されない。これは、図４を参照してより詳細に説明される。

上記は、ｎ個のもつれ光子の源に拡張され得、ここで、ｎは、少なくとも２の整数であり、コントローラは、前記重ね合わせエネルギー状態を使用して、もつれ光子を生成するために、複数の光子で散乱するように第２の放射ビームを制御するように構成される。

コントローラは、第１のビームを照射する前に、第１の基底状態レベルにおける荷電キャリアを準備するように構成され得る。

ある実施形態では、第１および第２の基底状態レベルは、面内磁場によって生成される。

第２の遷移の減衰率は、いくつかの方法で、たとえば、所望の遷移の周波数に同調させた空洞によって、または導波路によって高められ得る。システムは、第２の遷移に結合し、第１の遷移に結合しない光偏光のみをサポートすることによって、第２の遷移の減衰率を選択的に高め、第１の遷移の減衰率を高めないように適合され得る。

ある実施形態では、第１の放射ビーム（radiation beam）は、遷移の放射線幅未満の線幅を有する狭帯域ビームである。疑義を回避するために、ここで考慮される線幅は、ラマン散乱ではなく、自然放出のためにシステムを励起した際に測定される線幅であるが、通常は、量子ドットにおいて１〜１０マイクロｅＶである。

さらなる実施形態では、システム外にラマン散乱光子を通過させるように適合されたフィルタが設けられる。

量子ドットの基底状態におけるキャリアは、電子または正孔であり得る。

ある実施形態では、システムは、選択された励起状態から第２の基底状態への減衰の確率を、選択された励起状態から第１の基底状態への減衰の確率よりも大きくなるように変化させる。

ある実施形態では、第１の放射ビームの照射から作成された光子は、基底状態におけるスピンの寿命未満の長さを有する。さらに、ある実施形態では、レーザは、遷移から離調されない。

さらなる実施形態では、光学システムを動作させる方法が提供され、光学システムは、荷電キャリアと、第１および第２の基底状態レベルと、複数の励起状態レベルとを備える量子ドットを備え、第１および第２の基底状態エネルギー準位は、前記荷電キャリアがそのスピン状態を変化させることなく第１の基底状態エネルギー準位と第２の基底状態エネルギー準位との間で移動することができないように、異なるスピン状態を有し、
方法は、第１の基底状態レベルから、複数の励起状態レベルからの選択された励起状態レベルへの前記量子ドット内の第１の遷移から、１００マイクロｅＶ以下のエネルギーを有する第１の放射ビームを量子ドットに照射することを備え、
システムは、第１の放射ビームからの光子の散乱によって光子が生成されるように、前記量子ドット内の第２の遷移の減衰率を、選択された励起状態レベルから第２の基底状態レベルに高めるが、第１の遷移の減衰率は高めないように適合され、
量子ドットは、ちょうど１つの光子を生成するために、選択された励起状態の放射寿命よりも長い時間の間、第１の放射ビームを照射され、第１の放射ビームは、少なくとも１つのパルスを備える。

さらなる実施形態では、第１の放射ビームは、単一の強度最大値と、選択された励起状態寿命よりも長いパルス長とを各パルスが有するパルスビームであり、パルス領域は、第１の基底状態におけるすべてのスピンを第２の基底状態に移行させるように制御される。

さらなる実施形態では、第２の放射ビームは、第２の遷移エネルギーの１００マイクロｅＶ内のエネルギーで量子ドットを放射し、前記第２の放射ビームは、制御ビームであり、制御ビームは、第１の放射ビームの２つ以上のパルス間の量子ドットに印加され、第１の放射ビームは、荷電キャリアが、制御ビームの印加前に第１および第２の基底状態エネルギー準位の重ね合わせであるエネルギー状態を有するように制御される。

さらなる実施形態では、方法は、もつれ光子を生成するように構成され、第１の放射ビームは、荷電キャリアが、第１および第２の基底状態エネルギー準位の重ね合わせである重ね合わせエネルギー状態を有するように量子ドットを放射し、第２の放射ビームは、第２の遷移エネルギーの１００マイクロｅＶ内のエネルギーで量子ドットを放射し、前記第２の放射ビームは、制御ビームであり、コントローラは、前記重ね合わせエネルギー状態を使用して、もつれ光子対を生成するために、少なくとも１つのさらなる光子を散乱させるように第２の放射ビームを制御するようにさらに適合される。

図１（ａ）は、２つの基底状態｜１＞、｜２＞と、２つの励起状態｜３＞、｜４＞とを有する４レベルエミッタとして構成された量子ドットの概略図である。この配列では、２つの基底状態｜１＞、｜２＞は、共通の励起状態｜３＞に光学的に結合される。

さらに、図６を参照して後に説明されるように、基底状態−励起状態遷移のうちの１つは、構造のフォトニックエンジニアリングによって強化される。これは、この遷移のためのより短い減衰時間と、したがって、この遷移の優先的な強化とをもたらす。このフォトニックエンジニアリングは、好ましい遷移の波長に同調された空洞、または同様に同調された導波路の導波モードなどによって達成され得る。代替的には、導波路などの広いエネルギー応答を有するフォトニック構造も、それが、第２の遷移には対応するが第１の遷移には対応しない光偏光をサポートする場合、１つの遷移を選択的に強化するために使用され得る。２−３遷移からの減衰を抑制することも可能である。言い換えれば、優先的な強化は、相対的な減衰率２−３および１−３を変化させる働きをする。

量子ドットの分野では、図１（ａ）の構造は、磁場中の量子ドットへの単一の荷電キャリアの追加によって実現され得る。試料の平面内で磁界の影響を受ける量子ドットの場合、量子ドットへの単一の電子（正孔）の追加は、図１（ａ）中の２つのエネルギー準位｜１＞、｜２＞をもたらす。電子−正孔対を作成する光子の吸収は、システムを上部状態｜３＞、｜４＞に移動させ、上部状態｜３＞、｜４＞は、励起の前に構造内に１つの電子が存在したとき、２つの電子と１つの正孔（または、励起の前に１つの正孔が存在した場合、１つの電子と２つの正孔）とから構成される。ラマン散乱では、電子−正孔対の作成がないが、後に説明される理由のため、励起状態｜３＞、｜４＞の概念を理解する必要があることが留意されるべきである。

図１（ｂ）は、余分の電子で荷電された量子ドットからもたらされるエネルギー準位を示し、これは、負に荷電された励起子状態Ｘ−からの放出を示す。図１（ｃ）は、余分の正孔で荷電された量子ドットからもたらされるエネルギー準位を示し、これは、正に荷電された励起子状態Ｘ＋からの放出を示す。

矢印によって示される光学遷移は、単一の光子の放出をもたらす。前記光子は、電荷を担持しないので、単に１つの電子と１つの正孔の再結合から生じ得る。逆に、１つの光子がシステムを励起する光学励起は、電子と正孔との追加をもたらす。

試料の平面内の磁場について、基底状態エネルギー準位（１および２）は、係数ｇ_e/h＊μ_B＊Ｂぶんエネルギーで分離され、ここで、ｇは、単一の電子ｅ（正孔ｈ）の「ｇ係数」であり、μ_Bは、ボーア磁子（５８マイクロｅＶ／Ｔ）であり、Ｂは、印加される磁場である。図１（ｉｉ）の例では、最低エネルギー状態における電子のスピンは、電子スピンアップ（↑）とスピンダウン（↓）との重ね合わせである。図１（ｃ）の例では、最低エネルギー状態における正孔のスピンは、
の重ね合わせである。同様に、図１（ｂ）および（ｉｉｉ）中の上部状態は、キャリアスピンの重ね合わせである。この文書の残りにおける表記を単純化するために、図１（ａ）に示すように、これらは、状態１〜４と呼ばれる。

スピンの保存のため、図に示された遷移は、明確に定義された偏光を有する（光子は、再結合する電子および正孔からスピンの変化を運び去る）。実線矢印によって示された垂直遷移は、特定の直線偏光を有し、二重線矢印によって示された対角線遷移は、反対の直線偏光を有する。

レーザなどの光源は、遷移を光学的にアドレスするために使用される。

前記量子エミッタは、ＧａＡｓ半導体内に形成されたＩｎＧａＡｓ量子ドット、ＩｎＰ内に形成されたＩｎＧａＡｓドット、ＡｌＧａＡｓ内に形成されたＧａＡｓ ＱＤ、その基底状態におけるスピンを有するダイヤモンド内の欠陥、ＷＳｅもしくはＷＳ₂などの２次元材料内の欠陥、または何らかの他のシステムであり得る。

上述したように、空洞は、図１（ａ）に示すように遷移１−３を選択的に強化するために使用され得る。この空洞は、エミッタの位置における状態の局部的な光学密度が、空洞がない場合に見られるものに対して遷移｜１＞から｜３＞のエネルギーにおいて増加される、十分に高い品質係数（Ｑ）および十分に低いモード体積（Ｖ）のものである。状態の光学密度を変化させ得る空洞または光学構造の設計については、図６を参照して後に論じられる。代替的には、小さいモード体積と不十分な容量因子とを有する導波路または空洞などの、広いエネルギー応答を有するフォトニック構造はまた、前記フォトニック構造が、第２の遷移には対応するが第１の遷移には対応しない光偏光をサポートする場合、１つの遷移を選択的に強化するために使用され得る。

量子エミッタにおける遷移の共振光学アドレッシングは、レーザであり得る外部光源によって行われる。これらの光源は、大部分が、前述の遷移の１００マイクロｅＶ内で、遷移１−３および２−３と共振しなければならない。単純化のため、この文書の残りの部分では、レーザが遷移と共振する場合について論じる。それらのスペクトル幅は、光学遷移放射寿命によって定義される量子エミッタにおける遷移のエネルギー幅に対して狭くなければならない。エネルギーにおける遷移の幅ｄＥは、
に制限され、ここで、τ_radは、放射寿命である。

状態間の光学遷移は、エネルギーと、スピンと呼ばれる量子力学的性質とを温存しなければならない（たとえば、電子は、スピン±１／２を有し、光子は、スピン±１を有する）。これは、図１において、キャリアスピンが状態２から状態１に移動される結果となる遷移２−３のエネルギーでのドットの照射が、（エネルギーの保存によって）エネルギー１−３のラマン光子を作成しなければならないことを意味する。状態２から状態１へのこの移行はまた、基底状態電荷のためのスピンの変化をもたらし、前記スピン変化は、生成された光子によって運び去られる。結果として生じる状態１におけるキャリアスピンは、エネルギーとスピンの両方の変化を伴うので、容易には状態に２に移行し戻ることができない。

ある実施形態では、本発明の動作のために、スピンは、光パルスよりもはるかに長い時間にわたって状態１で安定していなければならない。ＩｎＧａＡｓ量子ドットでは、これは、キャリアがドットから脱出するまたは位相散逸するのを助け得る欠陥の密度を低減するための、量子ドットの周囲のヘテロ構造の注意深い設計によって達成される。これらのシステムにおける純粋なスピンが、マイクロ秒の範囲にわたって安定であることが可能である。

エミッタ内の励起状態３および４の放射寿命と比較して長さが長い単一の光子を生成するためにシステムがどのように使用されるのかが、ここで、図２を参照して説明される。単一の光子の長さは、高速光検出器を用いた時間分解測定によって決定され得ることが留意されるべきである。たとえば、同じ条件下で出力された複数の光子は、測定され、検出器における分布または到着時間は、光子の時間的長さおよび形状に近い。

電子−正孔対の作成に取り組む単一の量子エミッタでは、エミッタは、ドット内の励起状態が一度に１つの励起のみを含み得るという原理に基づいて働く。これは、パウリの排他原理によるものである。励起が自然放出における光子の放出によって減衰した後、システムは、基底状態にあり、（時間Ｔ_re後に）再励起され、再び減衰するまで（Ｔ_decay）、第２の光子を放出することができない。したがって、光子は、時間（Ｔ_re＋Ｔ_decay）だけ間隔を置かれ得、これは、アンチバンチングと呼ばれる。量子ドットでは、この時間は、典型的には１〜１０ナノ秒である。

対照的に、本実施形態は、異なる物理的理由のためにアンチバンチングされた光子につながり、これは、（マイクロ秒のタイムスケールよりも長い）基底状態１または２における単一のスピンの長いスピン−フリップ時間である。システムを励起し、自然放出を待つ代わりに、ラマン光子は、単一の光子を生成するために、３を介して２から１にコヒーレントに駆動される。このラマンプロセスを駆動するための狭帯域レーザの使用は、母集団が状態１から移行され得ないことを確実にする。プロセスは、スピンが状態２に戻されるまで、再び開始することができない。

ある実施形態では、ラマンプロセスを駆動するために、狭帯域光レーザからの長い光パルスが使用され得、レーザの線幅に近い線幅と、状態３の放射寿命よりも長い光子長さとを有する光子を生成する。そのような光子は、固体中の希土類イオンに基づく量子メモリと、単一の原子およびイオン中で見られる狭い光学遷移とに対応し、半導体量子ドットと、上述した量子メモリにおける長い量子ビット記憶時間の両方の最良の特徴に基づく光学技術を可能にする。さらに、レーザパルスを正確に成形するために商業的に利用可能な光強度変調器が使用され得る（これらは、数１００ピコ秒の応答時間を有する）。量子光学において任意に成形された光子を作ることができることには利点があり、例として、単一の光子で２レベル遷移を最適に励起するために、その光子は、指数関数的に減衰する尾部が続く鋭い先端部を有するべきである。

任意の線幅のレーザが使用され得ることが留意されるべきである。しかしながら、ある実施形態では、レーザの線幅は、
以下であるべきである。ここで、
は、換算プランク定数である。

光子の形状は、時間の関数としての光子の電場強度を指す。光子の形状の変更は、電気信号発生器によって駆動される可変強度変調器で達成され得る。理想的には、時間の関数としての光子の強度の変更は、その光の空間分布、スペクトル、または位相を変化させない。ある実施形態では、遷移１−３と共振する空洞は、ラマンプロセスが効率的であることを確実にする。空洞が存在しない横方向磁場では、遷移１−３、２−４、１−４、および２−３のすべては、等しい強度を有する。遷移１−３にパーセル効果を付与する空洞の使用は、この遷移を優先的に強化し、したがって、遷移２−３を駆動するレーザは、エネルギー２−３における光子につながるよりも、エネルギー１−３におけるラマン光子を生成する可能性がより高くなる。このフォトニック構造は、図６を参照して詳細に論じられるが、（ｉ）エネルギーを使用して、すなわち、１−３と共振し、他の遷移と共振しないエネルギーを有する、遷移１−３による減衰を選択的に強化し得、または（ｉｉ）１−３からの光子に対応し、他の遷移からの光子に対応しない可視偏光を維持するように設計され得、（ｉｉｉ）これらの遷移の状態の光学密度を減少させることによって１−３以外のすべての遷移を抑制し得る。

上記のデバイスでは、１−３遷移から放出された光子は、システムを駆動するために収集され、レーザは、使用されない。これは、遷移１−３のみと共振する挟スペクトルフィルタで達成され得る。代替的には、または加えて、遷移１−３からの光を選択的に通過させるが、レーザを通過させない偏光フィルタが使用され得る。

上記の実施形態では、２−３と共振するレーザパルスの開始前に基底状態１および２におけるスピンを準備する必要はない。この場合、スピンは、２つの状態１および２のインコヒーレントな混合となり、励起サイクルの半分の間に平均で１つの光子しか生成されない。

さらなる実施形態では、状態２におけるスピンは、エネルギー２−３におけるレーザパルスの開始前に準備される。これは、（ｉ）状態２におけるスピンを準備するのに十分な時間にわたって遷移１−４を光学的に駆動すること、または（ｉｉ）２のエネルギーにおいてキャリアを選択的にトンネリングするために半導体内のヘテロ構造を使用することによって達成され得る。

図３（ａ）〜図３（ｄ）は、本発明のさらなる実施形態を示し、単一の「制御」光子が第２の「ターゲット」光子に位相シフトを与えるためにどのように使用され得るのかを示す。これは、フォトニックゲートの機能における基本的な動作である。図３（ａ）〜図３（ｄ）は、ステップ（ｉ）〜（ｉｖ）をそれぞれ示す。

図３（ａ）に示すステップ（ｉ）では、システムは、ある実施形態では光ポンピングによって達成され得る状態２において準備される。たとえば、光子は、状態４に励起され得、状態２に減衰することが可能であり得る。

この実施形態では、図３（ｂ）に示すステップ（ｉｉ）では、２−３遷移は、図１および図２を参照して説明したように励起される。しかしながら、ここでは、パルスは、いわゆるπ／２パルスであり、時間の５０％で光子をもたらすように、特定の領域（振幅掛ける長さ）を有するように選択される。したがって、状態２から状態１への完全な母集団の移行は存在せず、キャリアのエネルギー状態は、図３のステップ（ｉｉ）の後に、第１および第２のレベルのエネルギー状態の重ね合わせにある。

この重ね合わせ状態では、状態は、図３（ｃ）に示すように、ステップ（ｉｉｉ）において制御パルスを使用してさらに変更され得る。遷移２−３および遷移１−３は、コントローラ（図示せず）の制御下でレーザを使用して励起される。コントローラは、パルス形状を制御するように適合される。

図３（ｄ）に示すステップ（ｉｉｉ）では、コントローラは、図３（ｂ）に示すように２−３遷移を放射するように切り戻す。しかしながら、図３（ｄ）では、パルス領域は、スピンのすべての残りの母集団をレベル２からレベル１に完全に移動させるｐｉパルスとして選択される。２−３遷移は、２つのステップで励起されるが、プロセスは、図３（ｂ）および図３（ｄ）を見ると、２つの光パルスを用いる単一のステップとして最もよく理解される。このステップは、量子ドットへの制御パルスの中断された印加である。

時間およびエネルギー２−３で分離され、それぞれ、ｐｉ／２およびｐｉのパルス領域を有する２つの光パルス（図３（ｂ）および３（ｄ））は、「ターゲット」光子を作成するエミッタから散乱する。２つの時間ビン間で共有されるエネルギー１−３におけるこの単一のラマン光子は、しかし、エネルギー２−３における２つのパルスがコヒーレントであれば（たとえば、同じレーザから得られていれば）、共通のコヒーレンスを有する。原理的には、入射パルスは、２つの時間ビンにわたって共有される単一の光子またはレーザパルスであり得る。入射パルスがレーザから得られる場合、単一の光子のみが散乱される。この例では、光子の状態は、［Ｅ_ii＋Ｅ_iv］であり、下付き文字は、異なるビンの２つの時間を示す。本発明によれば、これらの２つの部分の時間間隔は、一実施形態では純粋なスピン寿命まで、広く分離され得、状態のコヒーレンスは、状態１および２におけるスピンのコヒーレンスによって制限されることになる。

本発明は、「ターゲット」ラマン光子に条件付き位相シフトを与えることによって光子−光子ゲート動作を可能にする。これは、ステップ（ｉｉ）とステップ（ｉｖ）との間でシステムに入射するエネルギー１−３における第２の光パルス（「制御」パルス）によって達成される。これは、図３中のステップ（ｉｉｉ）として描かれる。「制御」パルスは、２つの部分重ね合わせであり、これらのうちの１つは、遷移１−３から散乱することができ、１つは、散乱することができない。たとえば、この重ね合わせは、偏光量子ビットであり得、その１つの直線偏光のみが１−３遷移から散乱することになる。代替的には、制御パルスは、２つの時間の重ね合わせそれ自体であり得、そのうちの１つは、ステップ（ｉｉ）とステップ（ｉｖ）との間にシステムに入射し、そのうちの１つは、［Ｅ₀＋Ｅ_iii］などのこの範囲外である。遷移１−３と共振する空洞の存在は、ステップ（ｉｉｉ）が高効率であり得ることを確実にする。

しかしながら、これらの２つのラマン光子間でシステムに入射したエネルギー１−３における光子は、ラマン光子に位相シフトを与えることになる。この例では、ステップ（ｉｉｉ）における単一の光子における偏光量子ビットは、ステップ（ｉｉ）および（ｉｖ）におけるラマン光子に符号化された位相量子ビットを変化させている。これは、条件付き位相シフトゲートであり、
ターゲット光子：［Ｅ₀＋Ｅ_iii］
制御光子：［Ｅ_ii＋Ｅ_iv］
ゲート後の状態：［Ｅ₀，Ｅ_ii＋Ｅ_iii，Ｅ_ii＋Ｅ₀，Ｅ_iv＋ｅ^iθＥ_iii，Ｅ_iv］である。

ここで、θは、ステップ（ｉｉｉ）によって与えられる条件付き位相である。ある実施形態では、この位相は、πである。

上記のシステムは、図４に示すもつれ光子源の基礎を形成する。ここで、レーザのスペクトル特性を保持する、すなわち高いコヒーレンスを有する一対の縮退時間ビンもつれ光子が高効率で生成される実施形態が示される。これは、自然放出に依存する量子ドットを使用して光子をもつれさせ、したがって、固体環境によって制限されるそれらのスペクトル特性を有する光子をもたらす他の方式とは対照的である。典型的には、これは、光子が自然放出では４マイクロｅＶよりも大きい線幅を有することを意味するが、本方式を使用すると、光子は、ナノｅＶ以下のオーダーであり得るレーザのエネルギーにほぼ匹敵するエネルギーを有する。

プロセスは、以下の通りである。
図４（ａ）に示すステップ（ｉ） スピンが状態２にあることを確実にするのに十分な長さおよび強度の、遷移１−４と共振する光パルスを使用する状態２へのスピンの準備。このステップは、デバイスの放出を監視することなく実行され得るが、エネルギー２−４における単一の光子の検出は、スピンの状態２への移行を告知することになる。
図４（ｂ）に示すステップ（ｉｉ） エネルギー２−３におけるレーザは、エネルギー１−３におけるラマン光子を作成する。このレーザパルスは、いわゆるπ／２パルスであり、時間の５０％で光子をもたらすように、特定の領域（振幅掛ける長さ）を有するように選択される。この時点で、システムは、状態［｜１，Ｅ_ii＞＋｜２，０_ii＞］においてもつれ、ここで、Ｅ_iiは、（ｉｉ）が放出された時点の光子を示し、０_iiは、光子を示さない。
図４（ｃ）に示すステップ（ｉｉｉ） エネルギー１−３におけるレーザは、遷移１−３から散乱する。１−３からの遷移は、空洞によって強く増強されるので、これは、１および２における母集団を変化させない非常に効率的なプロセスであり得る。システムは、ここで、もつれ状態［１，Ｅ_ii，Ｅ_iii＞＋｜２，０_ii，０_iii＞］にある。これは、レーザからの１つの光子を反映する遷移と考えられ得、遷移は、一度に１つの光子のみを反映することができることが示されている。
図４（ｄ）に示すステップ（ｉｖ） 遷移１および２の母集団は、コヒーレントに交換されなければならず、これは、非共振レーザパルスで達成され得る。これは、もつれ状態［｜２，Ｅ_ii，Ｅ_iii＞＋｜１，０_ii，０_iii＞］をもたらす。これは、量子ドットに、円偏光の、長さが数ピコ秒の明るい光パルスを照射することによって達成され得、この光パルスは、システム内のすべての遷移から離調された１〜３ｍｅＶのエネルギーを有する。このパルスは、システム内でキャリアを作成しない（励起が存在しない）が、状態１および２において格納される量子ビットの回転を規定する。
図４（ｅ）に示すステップ（ｖ） エネルギー１−３におけるパルスは、状態［｜２，Ｅ_ii，Ｅ_iii，０_v＞＋｜１，０_ii，０_iii，Ｅ_v＞］を作成するように遷移から散乱する。
図４（ｆ）に示すステップ（ｖｉ） エネルギー１−３におけるパルスは、状態［｜２，Ｅ_ii，Ｅ_iii，０_v＞＋｜１，０_ii，０_iii，Ｅ_v＞］を作成するように遷移から散乱する。最後に、ステップ（vｉｉ）において、スピンの状態は、たとえば、システムの外にトンネリングすることによって、破壊されなければならない。これは、もつれ状態［｜Ｅ_ii，Ｅ_iii，０_v，０_iv＞＋｜０_ii，０_iii，Ｅ_v，Ｅ_iv＞］をそのままにする。これは、図示されない。
この方法によって、もつれ状態は、（量子エミッタにおける位相緩和によって制限されない）レーザのコヒーレンスを有する光子から作成される。効率的な空洞のため、このフォトニック状態は、明確に定義された光子数（それは、２つの光子のみで構成され、それよりも多くもそれよりも少なくもない）という追加の利点を有する。

さらなる実施形態では、図５に示すように、図４に関連して説明した方法は、２よりも多くの光子にわたって量子もつれ状態を作成するように拡張される。これは、量子計測学、量子コンピューティング、および量子秘密共有に適用される。生成されたフォトニック状態は、Ｎ００Ｎ状態と呼ばれる。この状態は、Ｎ個の光子を、状態［｜Ｎ，０＞＋｜０，Ｎ＞］において２つのモードにわたってコヒーレントに共有させる。この状態は、古典的な光源によって達成され得るものを超えて、小さい位相シフトの測定において量子力学的な利点を提供する。

図５は、Ｎ００Ｎ状態を作成するためのデバイスの動作を示す。本発明の動作は、図４に示すものと同様の線に沿って進行するが、ステップ（ｃ）およびステップ（ｅ）は、［Ｎ−１］回反復される。これは、最初のＮ個の時間ビンにおけるＮ個の光子か、または最後のＮ個の時間ビンにおけるＮ個の光子のいずれかを有するフォトニック状態を作成する。

図６は、実施形態による空洞の概略的な画像を示す。他の空洞設計も可能である。

図６ａは、半導体構造にエッチングされた直径１〜５ミクロンの「ピラーマイクロキャビティ」である。これは、ＧａＡｓ（クリーム色）およびＡｌ_xＧａ_x-1Ａｓ（ピンク色）の交互のλ／４ｎ層の底部鏡を備え、ここで、合金のアルミニウム含有量ｘは、１に近く、λは、自由空間における波長であり、ｎは、層の屈折率である。図示の例では、底部鏡は、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとの間で交互になっている４分の１波長層の１５以上の反復から構成される。中心スペーサは、整数の半波長の厚み、たとえば、１波長、λ／ｎ_GaAsであるＧａＡｓから構成される。この空洞内に、電場内で最大に位置するように設計された量子エミッタの層が配置される。スペーサの上には、５回以上の反復の第２の鏡がある。ドットから大部分の光が上方向に出るのを確実にするために、この空洞は、典型的には、（より少ない数の反復を使用することによって達成される）より低い反射率を有することになる。

図６（ｂ）では、その中心に量子エミッタを含み、デバイスの中心における量子エミッタからの放出を横方向に抑制するように選択された、三角形格子状に穴がパターン化されたＧａＡｓの（１００〜３００ｎｍの厚さの）スラブを備える２Ｄフォトニック結晶が示されている。空洞は、線状に３つの穴が形成されていないこの例にあるように、いくつかの穴を除去しないことによってこのフォトニック結晶内に形成され得る。そのような空洞は、非常に高い品質係数と低いモード体積とを有し得、モードと共振する量子エミッタ内に位置する光学遷移の強い強化につながる。

図７は、本発明のある実施形態による実験データを示す。このデータでは、９Ｔの磁場におけるピラーマイクロキャビティ内の量子ドットは、遷移３の寿命が約１００ｐｓであるとき、遷移２−３と共振する４ナノ秒のコヒーレントなパルスによって励起される。これは、レーザとコヒーレントな単一の光子を生成する。光パルスが励起状態寿命の４０倍であるにもかかわらず、デバイスは、各サイクルで単一の光子を生成する（各サイクル間で、スピンは、別の光パルスによって状態１から２に移行し戻された）。

図８は、レーザと検出された光子とが同じエネルギーであるときのコヒーレントな光子散乱の測定値を示す。この場合では、ＣＷコヒーレントなレーザが、遷移を駆動するために使用され、これは、図８Ａに示す強いアンチバンチング放出をもたらした。放出された量子光のスペクトル測定値（図８Ｂ中のデータ点）は、計器のスペクトル分解能（０．７８マイクロｅＶ）と同様の幅を示し、これは、光子の線幅がきわめて狭い、自然放出される光子で可能であるよりもはるかに小さいことを示唆する。これは、光子が図４（ｃ）および図４（ｅ）、図５（ｃ）および図５（ｅ）のステップで生成されるのと同じプロセスである。

上記の実施形態は、本発明が、もつれＮ光子状態生成デバイス、フォトニック量子ゲート、および／または超長時間のアンチバンチングタイムスケールで単一の光子源に使用され得ることを実証している。

上記の実施形態は、スケーラブルであり、自然放出によって制限されない光子コヒーレンスを有する。

上記の実施形態は、寿命よりも４０倍長い光パルスでｇ（２）（０）〜４％を示している。さらに、光子のコヒーレンス時間は、現在の測定能力よりもはるかに長い。良好なスケーラビリティを有する大きいもつれ状態を生成することが可能である。

特定の実施形態について説明したが、これらの実施形態は、単なる例として提示されており、本発明の範囲を限定するものではない。実際に、本明細書で説明される新規の方法およびシステムは、様々な他の形態で具体化され得、さらに、本明細書で説明される方法およびシステムの形態における様々な省略、置換、および変更は、本発明の精神から逸脱することなく行われ得る。添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物は、本発明の範囲および精神に入るような変更のそのような形態を包含することが意図される。

Claims (22)

1. 荷電キャリアと、第１および第２の基底状態エネルギー準位と、複数の励起状態エネルギー準位とを有する量子ドットを備える光学システムであって、前記第１および第２の基底状態エネルギー準位が、前記荷電キャリアがそのスピン状態を変化させることなく前記第１の基底状態エネルギー準位と前記第２の基底状態エネルギー準位との間で移動することができないように、異なるスピン状態を有し、
   前記光学システムが、前記第１の基底状態エネルギー準位から前記複数の励起状態エネルギー準位の中から選択された励起状態エネルギー準位への前記量子ドット内の第１の遷移のエネルギーの１００マイクロｅＶ内のエネルギーを有する第１の放射ビームを制御するように適合されたコントローラをさらに備え、
   前記光学システムが、前記第１の放射ビームからの光子の散乱によって光子が生成されるように、前記選択された励起状態エネルギー準位から前記第２の基底状態エネルギー準位への前記量子ドット内の第２の遷移の減衰率を高めるが、前記第１の遷移の減衰率を高めないように適合され、
   前記光学システムが、所望の遷移の周波数に同調された空洞によって、前記第２の遷移の前記減衰率を高めるように適合され、
   前記コントローラが、ちょうど１つの光子を生成するために、前記選択された励起状態エネルギー準位の放射寿命よりも長い時間の間、前記量子ドットに前記第１の放射ビームを照射するように適合され、前記第１の放射ビームが、少なくとも１つのパルスを備える、光学システム。
2. 前記光学システムが、導波路によって、前記第２の遷移の前記減衰率を高めるように適合された、請求項１に記載の光学システム。
3. 前記第２の遷移に結合するが前記第１の遷移に結合しない光偏光をサポートするフォトニック構造を備える請求項１または２に記載の光学システム。
4. 荷電キャリアと、第１および第２の基底状態エネルギー準位と、複数の励起状態エネルギー準位とを有する量子ドットを備える光学システムであって、前記第１および第２の基底状態エネルギー準位が、前記荷電キャリアがそのスピン状態を変化させることなく前記第１の基底状態エネルギー準位と前記第２の基底状態エネルギー準位との間で移動することができないように、異なるスピン状態を有し、
   前記光学システムが、前記第１の基底状態エネルギー準位から前記複数の励起状態エネルギー準位の中から選択された励起状態エネルギー準位への前記量子ドット内の第１の遷移のエネルギーの１００マイクロｅＶ内のエネルギーを有する第１の放射ビームを制御するように適合されたコントローラをさらに備え、
   前記光学システムが、前記第１の放射ビームからの光子の散乱によって光子が生成されるように、前記選択された励起状態エネルギー準位から前記第２の基底状態エネルギー準位への前記量子ドット内の第２の遷移の減衰率を高めるが、前記第１の遷移の減衰率を高めないように適合され、
   前記光学システムが、導波路によって、前記第２の遷移の前記減衰率を高めるように適合され、
   前記コントローラが、ちょうど１つの光子を生成するために、前記選択された励起状態エネルギー準位の放射寿命よりも長い時間の間、前記量子ドットに前記第１の放射ビームを照射するように適合され、前記第１の放射ビームが、少なくとも１つのパルスを備える、光学システム。
5. 前記第２の遷移に結合するが前記第１の遷移に結合しない光偏光をサポートするフォトニック構造を備える請求項４に記載の光学システム。
6. 荷電キャリアと、第１および第２の基底状態エネルギー準位と、複数の励起状態エネルギー準位とを有する量子ドットを備える光学システムであって、前記第１および第２の基底状態エネルギー準位が、前記荷電キャリアがそのスピン状態を変化させることなく前記第１の基底状態エネルギー準位と前記第２の基底状態エネルギー準位との間で移動することができないように、異なるスピン状態を有し、
   前記光学システムが、前記第１の基底状態エネルギー準位から前記複数の励起状態エネルギー準位の中から選択された励起状態エネルギー準位への前記量子ドット内の第１の遷移のエネルギーの１００マイクロｅＶ内のエネルギーを有する第１の放射ビームを制御するように適合されたコントローラをさらに備え、
   前記光学システムが、前記第１の放射ビームからの光子の散乱によって光子が生成されるように、前記選択された励起状態エネルギー準位から前記第２の基底状態エネルギー準位への前記量子ドット内の第２の遷移の減衰率を高めるが、前記第１の遷移の減衰率を高めないように適合され、
   前記光学システムが、前記第２の遷移に結合するが前記第１の遷移に結合しない光偏光をサポートするフォトニック構造を備え、
   前記コントローラが、ちょうど１つの光子を生成するために、前記選択された励起状態エネルギー準位の放射寿命よりも長い時間の間、前記量子ドットに前記第１の放射ビームを照射するように適合され、前記第１の放射ビームが、少なくとも１つのパルスを備える、光学システム。
7. 前記第１の放射ビームが、単一の強度最大値と、前記選択された励起状態エネルギー準位の前記放射寿命よりも長いパルス長とを各パルスが有するパルスビームであり、前記コントローラが、前記第１の基底状態エネルギー準位におけるすべてのスピンを前記第２の基底状態エネルギー準位に移行させるようにパルス領域を制御するように適合された、請求項１から６のいずれか１項に記載の光学システム。
8. 前記コントローラが、前記第２の遷移のエネルギーの１００マイクロｅＶ内のエネルギーで前記量子ドットに照射される第２の放射ビームを制御するようにさらに適合され、前記第２の放射ビームが、制御ビームであり、前記制御ビームが、前記第１の放射ビームのパルス間において前記量子ドットに印加され、前記コントローラが、前記荷電キャリアが前記制御ビームの印加前に前記第１および第２の基底状態エネルギー準位の重ね合わせであるエネルギー状態を有するように、前記第１の放射ビームを制御するように構成された、請求項１から６のいずれか１項に記載の光学システム。
9. もつれ光子の源として構成され、前記コントローラが、前記荷電キャリアが前記第１および第２の基底状態エネルギー準位の重ね合わせである重ね合わせエネルギー状態を有するように、前記第１の放射ビームを制御するように構成され、前記コントローラが、前記重ね合わせエネルギー状態を使用して、もつれ光子対を生成するために、少なくとも１つのさらなる光子を散乱させるように第２の放射ビームを制御するようにさらに適合された、請求項１から６のいずれか１項に記載の光学システム。
10. ｎ個のもつれ光子の源として構成され、ｎが、少なくとも２の整数であり、前記コントローラが、前記重ね合わせエネルギー状態を使用して、もつれ光子を生成するために、複数の光子を散乱するように前記第２の放射ビームを制御するように構成された、請求項９に記載の光学システム。
11. 前記コントローラが、前記第１の放射ビームを照射する前に、前記第１の基底状態エネルギー準位に前記荷電キャリアを準備するように構成された、請求項１から１０のいずれか１項に記載の光学システム。
12. 前記第１および第２の基底状態エネルギー準位が、面内磁場によって生成される、請求項１から１１のいずれか１項に記載の光学システム。
13. 前記第１の放射ビームが、前記第２の遷移の放射線幅未満の線幅を有する狭帯域ビームである、請求項１から１２のいずれか１項に記載の光学システム。
14. 前記光学システム外にラマン散乱光子を通過させるように適合されたフィルタをさらに備える、請求項１から１３のいずれか１項に記載の光学システム。
15. 前記荷電キャリアが、電子または正孔である、請求項１から１４のいずれか１項に記載の光学システム。
16. 前記光学システムが、前記選択された励起状態エネルギー準位から前記第２の基底状態エネルギー準位への減衰の確率を、前記選択された励起状態エネルギー準位から前記第１の基底状態エネルギー準位への減衰の確率よりも大きくなるように変化させる、請求項１から１５のいずれか１項に記載の光学システム。
17. 前記第１の放射ビームの照射から作成された光子が、前記第１の基底状態エネルギー準位または前記第２の基底状態エネルギー準位におけるスピンの寿命未満の長さを有する、請求項１から１６のいずれか１項に記載の光学システム。
18. 前記第１の放射ビームを提供するために使用されるレーザが、前記第１の遷移から離調されない、請求項１から１７のいずれか１項に記載の光学システム。
19. 光学システムを動作させる方法であって、前記光学システムが、荷電キャリアと、第１および第２の基底状態エネルギー準位と、複数の励起状態エネルギー準位とを備える量子ドットを備え、前記第１および第２の基底状態エネルギー準位が、前記荷電キャリアがそのスピン状態を変化させることなく前記第１の基底状態エネルギー準位と前記第２の基底状態エネルギー準位との間で遷移することができないように、異なるスピン状態を有し、
    前記方法が、
    前記第１の基底状態エネルギー準位から前記複数の励起状態エネルギー準位の中から選択された励起状態エネルギー準位への前記量子ドット内の第１の遷移のエネルギーの１００マイクロｅＶ内のエネルギーを有する第１の放射ビームを前記量子ドットに照射することを備え、
    前記光学システムが、前記第１の放射ビームからの光子の散乱によって光子が生成されるように、前記選択された励起状態エネルギー準位から第２の基底状態エネルギー準位への前記量子ドット内の第２の遷移の減衰率を高めるが、前記第１の遷移の減衰率を高めないように適合され、
    前記光学システムが、所望の遷移の周波数に同調された空洞によって、前記第２の遷移の前記減衰率を高めるように適合され、
    前記量子ドットが、ちょうど１つの光子を生成するために、前記選択された励起状態エネルギー準位の放射寿命よりも長い時間の間、前記第１の放射ビームで照射され、前記第１の放射ビームが、少なくとも１つのパルスを備える、方法。
20. 前記第１の放射ビームは、単一の強度最大値と、選択された励起状態寿命よりも長いパルス長とを各パルスが有するパルスビームであり、パルス領域が、前記第１の基底状態エネルギー準位におけるすべてのスピンを前記第２の基底状態エネルギー準位に移行させるように制御される、請求項１９に記載の方法。
21. 第２の放射ビームが、前記第２の遷移の前記エネルギーの１００マイクロｅＶ内のエネルギーで前記量子ドットに照射され、前記第２の放射ビームが、制御ビームであり、前記制御ビームが、前記第１の放射ビームのパルス間において前記量子ドットに印加され、前記第１の放射ビームが、前記荷電キャリアが前記制御ビームの印加前に前記第１および第２の基底状態エネルギー準位の重ね合わせであるエネルギー状態を有するように制御される、請求項１９に記載の方法。
22. もつれ光子を生成するように適合され、前記第１の放射ビームが、前記荷電キャリアが前記第１および第２の基底状態エネルギー準位の重ね合わせである重ね合わせエネルギー状態を有するように前記量子ドットに照射され、第２の放射ビームが、前記第２の遷移の前記エネルギーの１００マイクロｅＶ内のエネルギーで前記量子ドットに照射され、前記第２の放射ビームが、制御ビームであり、前記第２の放射ビームが、前記重ね合わせエネルギー状態を使用して、もつれ光子対を生成するために、少なくとも１つのさらなる光子を散乱させるように制御される、請求項１９に記載の方法。