JP2010114336A - Quantum computing element - Google Patents
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Abstract
【課題】 集積化と小型化に配慮した、演算成功確率の高い、1光子偏光状態と「共振器モードと結合した励起子系」の状態との間のπ位相変調に基づいた、1光子偏光状態と量子箱の2準位系に対する量子演算素子を提供する。
【解決手段】 2次元フォトニック結晶の点欠陥モードがファブリペロ型共振器のガウシアンモードと共鳴結合した3次元共振器と、この3次元共振器と量子箱の2準位系を共鳴結合する手段を備えた量子演算素子であって、前記3次元共振器のQ値は、前記ファブリペロ型共振器の反射率を変える、および/または、前記2次元フォトニック結晶の点欠陥に最近接の円孔の直径を所定の寸法から変える、および/または、前記円孔の中心の位置を所定の格子点の位置から変えることにより制御できるようにした。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a one-photon polarization based on a π phase modulation between a one-photon polarization state having a high calculation success probability and a “exciton system coupled to a resonator mode” in consideration of integration and miniaturization A quantum operation element for a two-level system of states and quantum boxes is provided.
SOLUTION: There are provided a three-dimensional resonator in which a point defect mode of a two-dimensional photonic crystal is resonantly coupled with a Gaussian mode of a Fabry-Perot resonator, and means for resonantly coupling the two-level system of the three-dimensional resonator and a quantum box. A Q value of the three-dimensional resonator is configured to change a reflectance of the Fabry-Perot resonator and / or a circular hole closest to a point defect of the two-dimensional photonic crystal. The diameter can be controlled from a predetermined size and / or by changing the position of the center of the circular hole from the position of a predetermined lattice point.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、光学遷移が可能な量子力学的な2準位系と3次元の光共振器構造を組み合わせた量子演算素子に係り、特に、量子箱の2準位系の位相緩和レート、3次元光共振器の緩和レート、量子箱の2準位系と3次元共振器の結合係数の3者間の大小関係を制御した量子演算素子に関するものである。 The present invention relates to a quantum operation element combining a quantum mechanical two-level system capable of optical transition and a three-dimensional optical resonator structure, and more particularly, a phase relaxation rate of a two-level system of a quantum box, three-dimensional. The present invention relates to a quantum arithmetic element in which the relaxation rate of an optical resonator and the magnitude relationship between the three components of a two-level system of a quantum box and a coupling coefficient of a three-dimensional resonator are controlled.
量子ビットは、情報の基本単位についての革新的概念であり、古典ビットと違い1と0だけでなく、1と0の量子力学的な重ね合わせ状態も表現できる。この重ね合わせ状態は、ビット値を測定するまではビット値が本質的に決まらないという特徴を持っている。その絶対的な不確定性を利用した暗号通信(量子暗号通信)は、量子ビットの概念の優れた応用の1つである。 A qubit is an innovative concept of a basic unit of information, and can express not only 1 and 0 but also a quantum mechanical superposition state of 1 and 0 unlike a classical bit. This superposition state has a characteristic that the bit value is not essentially determined until the bit value is measured. Encryption communication (quantum encryption communication) using the absolute uncertainty is one of the excellent applications of the concept of qubits.
量子暗号の実装では、量子ビットの情報は、1光子の偏光あるいは位相状態に符号化される。そして、光子が光ファイバを用いて伝送される。しかし、光ファイバ内では光損失があるため、量子暗号鍵配布の100kmを超える長距離化は難しいと考えられている。この問題に対処するために3つのアプローチが考えられている。 In the implementation of quantum cryptography, qubit information is encoded into the polarization or phase state of one photon. And a photon is transmitted using an optical fiber. However, since there is optical loss in the optical fiber, it is considered difficult to extend the distance exceeding 100 km for quantum key distribution. Three approaches have been considered to address this issue.
(1)光検出器の量子効率を上げる。通信波長帯域における量子暗号鍵配布実験では、アバランシェフォトダイオード光検出器が主に用いられているが、実際には量子効率10%と低いためである。 (1) Increase the quantum efficiency of the photodetector. In the quantum key distribution experiment in the communication wavelength band, an avalanche photodiode photodetector is mainly used because the quantum efficiency is actually as low as 10%.
(2)発光効率の高い、伝令付き単一光子源を開発する。通信波長帯域における量子暗号鍵配布実験では、レーザー光を減衰器にかけて単一光子レベルの微弱光を生成し光子源として用いるため、光ファイバ内での光損失の影響が著しいためである。 (2) Develop a messenger single photon source with high luminous efficiency. This is because in the quantum key distribution experiment in the communication wavelength band, weak light at a single photon level is generated by applying laser light to an attenuator and used as a photon source, so that the influence of light loss in the optical fiber is significant.
(3)エンタングルメントスワッピングによる量子中継を実装する。上記(1)や上記(2)による長距離化には限界があるが、この方法を導入することにより、原理的には任意の長距離化が可能となる。 (3) Implement quantum relay by entanglement swapping. Although there is a limit to the long distance according to the above (1) and (2), by introducing this method, in principle, any long distance can be achieved.
量子情報技術分野では、量子暗号鍵配付の長距離化に対するこれら3つのアプローチを主軸にして、理論および実験研究が盛んに行われている〔下記非特許文献1参照〕。
In the field of quantum information technology, theoretical and experimental researches are actively conducted with these three approaches to long-range quantum cryptography key distribution as the main axis (see Non-Patent
前述した(3)の量子中継には、光子の偏光状態と2準位原子系の状態に応じて、これらの合成系の状態の位相をπだけ変調させる機能(π位相変調機能)を必要とする。このπ位相変調のことを、量子情報技術分野では、量子位相シフト演算(下記非特許文献2)という。この量子位相シフト演算は、制御量子ビットと標的量子ビットのビット値が互いに1である場合に、標的ビットの量子状態の位相をπだけ変調させる演算である。すなわち、算式で記述すると、|1>制御|1>標的→Exp [iπ] |1>制御|1>標的と変換する演算である。 The quantum relay of (3) described above requires a function (π phase modulation function) that modulates the phase of these combined systems by π according to the polarization state of the photon and the state of the two-level atomic system. To do. In the quantum information technology field, this π phase modulation is called quantum phase shift calculation (the following Non-Patent Document 2). This quantum phase shift operation is an operation that modulates the phase of the quantum state of the target bit by π when the bit values of the control qubit and the target qubit are 1. That is, in terms of an expression, | 1> control | 1> target → Exp [iπ] | 1> control | 1> operation for conversion to target .
量子ビットとしてどの物理系のどの力学的自由度を用いるかは、応用の目的に依存する。例えば、情報の伝送には1光子の偏光自由度(縦偏光と横偏光)が量子ビットとして利用され、情報の記憶には原子系の励起状態と基底状態が利用される。 Which physical degree of freedom of which physical system is used as a qubit depends on the purpose of the application. For example, one-photon polarization degree of freedom (longitudinal polarization and transverse polarization) is used as a qubit for transmitting information, and an excited state and a ground state of an atomic system are used for storing information.
光共振器(二つの球面鏡から構成されたファブリペロ共振器)の共振器モードと量子箱の合成系は、上述の量子位相シフト演算素子として用いることができる。量子箱は光学遷移が可能な2準位系を含むものであればよい。量子箱としては、例えば、ダイヤモンドのnitrogen−vacancy center(N−V中心)〔下記非特許文献5参照〕に代表される不純物準位、または半導体量子箱が用いられる。以下では、半導体量子箱の場合について説明するが、半導体に限定されるものではない。 The combined system of the resonator mode of the optical resonator (Fabry-Perot resonator composed of two spherical mirrors) and the quantum box can be used as the above-described quantum phase shift computing element. The quantum box only needs to include a two-level system capable of optical transition. As the quantum box, for example, a diamond quantum-vacancy center (NV center) [see the following Non-Patent Document 5] or a semiconductor quantum box is used. Below, although the case of a semiconductor quantum box is explained, it is not limited to a semiconductor.
半導体量子箱は、伝導帯の離散的なエネルギー準位構造と価電子帯のエネルギー準位構造とから構成されている。光学遷移は伝導帯と価電子帯の間で起こり、この遷移によって励起子が生成される。励起子は電子と空孔の対である。電子は伝導帯に生成され、空孔は価電子帯に生成される。また、励起子が生成される前の状態のことを結晶基底状態という。特に、結晶基底状態(|G>)と励起子状態(|E>)からなる系のことを励起子系という。 A semiconductor quantum box is composed of a discrete energy level structure in the conduction band and an energy level structure in the valence band. An optical transition occurs between the conduction band and the valence band, and this transition generates excitons. An exciton is a pair of an electron and a hole. Electrons are generated in the conduction band and vacancies are generated in the valence band. A state before exciton is generated is called a crystal ground state. In particular, a system composed of a crystal ground state (| G>) and an exciton state (| E>) is called an exciton system.
そして、光共振器は共振器モードと半導体量子箱の励起子系とを共鳴結合させることにより、励起子系が結晶基底状態(|G>)ならば、共振器の共鳴周波数を変化させる。量子光学分野では、この変化を真空ラビスプリティングという(下記非特許文献3参照)。この変化の結果、共振器の1光子吸収は抑制され、入射1光子は、共振器を構成する球面鏡により反射される。そのとき、入射1光子の位相はπ変化する(非特許文献2)。なお、入射1光子の中心周波数は、励起子系が共振器モードと共鳴結合していない時の共振器モードの周波数に一致するように調整されているものとする。
Then, the optical resonator resonantly couples the resonator mode and the exciton system of the semiconductor quantum box to change the resonance frequency of the resonator if the exciton system is in the crystal ground state (| G>). In the field of quantum optics, this change is referred to as vacuum labis printing (see Non-Patent
一方、励起子系が励起子状態(|E>)ならば、共振器モードの共鳴周波数は変化せず、入射1光子の位相は変化しない。以上より、励起子系の光学遷移は偏光依存性があることに注意すると、光共振器と半導体量子箱の合成系は、励起子系の状態と光子の偏光状態に応じて、光子の位相をπだけ変化させる量子位相シフト演算素子として機能する。 On the other hand, if the exciton system is in the exciton state (| E>), the resonance frequency of the resonator mode does not change, and the phase of the incident one photon does not change. From the above, it is noted that the optical transition of the exciton system is polarization-dependent, and the combined system of the optical resonator and the semiconductor quantum box changes the photon phase according to the state of the exciton system and the polarization state of the photon. It functions as a quantum phase shift computing element that changes by π.
ここで、半導体量子箱と光子との量子力学的なユニタリ相互作用の時間が、ナノサイズ量子箱特有の数百ピコオーダーの位相緩和時間T2 により制限されていることを考慮すると、そのユニタリな相互作用を数十から数ピコオーダーの時間で行うように光インターフェース、すなわち光共振器を設計しなければならない。 Here, considering that the time of the quantum mechanical unitary interaction between the semiconductor quantum box and the photon is limited by the phase relaxation time T 2 of several hundred pico order peculiar to the nano size quantum box, the unitary The optical interface, that is, the optical resonator, must be designed so that the interaction takes place in the order of several tens to several pico orders.
通常、光共振器と半導体量子箱の合成系の量子位相シフト演算素子としての機能を最大限に引き出すには、高いQ値をもつ共振器(下記非特許文献4参照)を設計し、位相緩和時間T2 よりも長い共振器緩和時間1/κを確保しなければならないように思われがちだが、これでは、共振器緩和よりも励起子系の位相緩和のほうが速くなってしまい、量子位相シフト演算に失敗する。
Normally, in order to maximize the function as a quantum phase shift operation element of the synthesis system of an optical resonator and a semiconductor quantum box, a resonator having a high Q value (see Non-Patent
そのため、半導体量子箱が置かれている位置だけ部分的に電場密度を異常に高くすることによって、共振器モードと励起子系との結合強度gを高くし、位相緩和時間T2 より共振器緩和時間(1/κ)が短時間でも量子位相シフト演算にとって十分な相互作用を行えるように光共振器を設計しなければならない。つまり、不等式、g≧κ≫(1/T2 )を満たす光共振器を設計する必要がある。この関係式は、量子位相シフト演算を行うための必要条件である。この時、κは、少なくとも1/T2 の40倍以上でなければならない。さらに、量子位相シフト演算の成功確率を1に近づけるには、入射光子と共振器の結合効率が1に近づくように光共振器を設計しなければならない。ここで、Q値とは共振器の性能指数を表す指標であって、共振器の光損失が小さいほどこの値が大きくなる。また、Q値と共振器緩和時間(1/κ)との間は、Q=(1/κ)×2π×光速度(C)×(1/λ)が成立する。λは励起子系の光学遷移波長である。 For this reason, the electric field density is increased abnormally only at the position where the semiconductor quantum box is placed, thereby increasing the coupling strength g between the resonator mode and the exciton system, and the resonator relaxation from the phase relaxation time T 2. The optical resonator must be designed so that a sufficient interaction for quantum phase shift calculation can be performed even when the time (1 / κ) is short. That is, it is necessary to design an optical resonator that satisfies the inequality, g ≧ κ >> (1 / T 2 ). This relational expression is a necessary condition for performing the quantum phase shift calculation. At this time, κ must be at least 40 times greater than 1 / T 2 . Furthermore, in order to bring the success probability of the quantum phase shift operation closer to 1, the optical resonator must be designed so that the coupling efficiency between the incident photon and the resonator approaches 1. Here, the Q value is an index representing the performance index of the resonator, and this value increases as the optical loss of the resonator decreases. Further, Q = (1 / κ) × 2π × light velocity (C) × (1 / λ) is established between the Q value and the resonator relaxation time (1 / κ). λ is the optical transition wavelength of the exciton system.
この他に、g≫1/T2 を満たすような共振器は、量子情報通信の長距離化に有用な発光効率の高い単一光子源と、光子と励起子系との間で量子位相シフト演算を行う際に、光子と励起子系との間で同期をとるために必要な量子メモリへの応用が考えられる。 In addition, a resonator satisfying g >> 1 / T 2 is a quantum phase shift between a single-photon source with high emission efficiency useful for long-range quantum information communication and a photon-exciton system. It is conceivable to apply to a quantum memory necessary for synchronizing between a photon and an exciton system when performing an operation.
量子メモリとは、量子情報を記憶するための装置である。特に、光メモリは光情報の記憶に特化した量子メモリであって、量子情報だけでなく古典情報の記憶にも用いることができる。
従来の問題点は、半導体量子箱の2準位系の位相緩和時間T2 よりも短時間で、光子偏光状態と励起子状態とに対して量子位相シフト演算を完了することができないことである。これは、既存の共振器では、共振器モードと励起子系とを強結合(共振器の緩和率κが共振器モードと励起子系との結合強度gよりも小さい結合)させるために、共振器の緩和時間(1/κ)を位相緩和時間T2 よりも長くしているからである。また、共振器と入射光子との結合効率が低いためである。 The conventional problem is that the quantum phase shift operation cannot be completed for the photon polarization state and the exciton state in a shorter time than the phase relaxation time T 2 of the two-level system of the semiconductor quantum box. . This is because, in an existing resonator, the resonator mode and the exciton system are strongly coupled (coupling in which the relaxation rate κ of the resonator is smaller than the coupling strength g between the resonator mode and the exciton system). This is because the relaxation time (1 / κ) of the vessel is made longer than the phase relaxation time T 2 . This is also because the coupling efficiency between the resonator and the incident photon is low.
本発明は、上記状況に鑑みて、集積化と小型化に配慮し、演算成功確率の高い、1光子偏光状態と「共振器モードと結合した励起子系」の状態との間のπ位相変調に基づいた、1光子偏光状態と量子箱の2準位系に対する量子演算素子(量子位相シフト演算素子)を提供することを目的とする。 In view of the above situation, the present invention considers integration and miniaturization, and has a high probability of success in calculation. A π phase modulation between a one-photon polarization state and a “exciton system coupled to a resonator mode” state. It is an object to provide a quantum operation element (quantum phase shift operation element) for a one-photon polarization state and a two-level system of a quantum box based on the above.
また、本発明による量子位相シフト演算素子の応用として、量子情報通信の長距離化に有用な単一光子源と光メモリの機能を有する量子演算素子を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a quantum operation element having the functions of a single photon source and an optical memory useful for extending the distance of quantum information communication as an application of the quantum phase shift operation element according to the present invention.
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕2次元フォトニック結晶の点欠陥モードがファブリペロ型共振器のガウシアンモードと共鳴結合する3次元共振器と、この3次元共振器と量子箱の2準位系を共鳴結合する手段を備えた量子演算素子であって、前記3次元共振器のQ値は、前記ファブリペロ型共振器の反射率を変える、および/または、前記2次元フォトニック結晶の点欠陥に最近接の円孔の直径を所定の寸法から変える、および/または、前記円孔の中心の位置を所定の格子点の位置から変えることにより制御できるように構成したことを特徴とする。なお、量子箱は光学遷移が可能な2準位系を含む結晶であればよく、半導体に限るものではない。例えば、ダイヤモンドのN−V中心を適用することも可能である。
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] A three-dimensional resonator in which a point defect mode of a two-dimensional photonic crystal is resonantly coupled with a Gaussian mode of a Fabry-Perot resonator, and means for resonantly coupling the two-level system of the three-dimensional resonator and a quantum box. The Q value of the three-dimensional resonator changes the reflectance of the Fabry-Perot resonator and / or the diameter of a circular hole closest to the point defect of the two-dimensional photonic crystal Can be controlled by changing from a predetermined dimension and / or changing the position of the center of the circular hole from the position of a predetermined lattice point. The quantum box may be a crystal including a two-level system capable of optical transition, and is not limited to a semiconductor. For example, it is possible to apply the NV center of diamond.
〔2〕上記〔1〕記載の量子演算素子であって、さらに光導波路を備え、量子箱励起子からの発光の空間モードプロファイルは、前記3次元共振器によって制御でき、かつ、前記3次元共振器および/または前記光導波路の形状を最適化することによって、前記発光の光導波路への結合効率を制御できるように構成したことを特徴とする。なお、ファブリペロ型共振器は半導体多層膜あるいは誘電体多層膜により構成することができる。 [2] The quantum arithmetic device according to [1], further including an optical waveguide, wherein a spatial mode profile of light emission from the quantum box exciton can be controlled by the three-dimensional resonator, and the three-dimensional resonance The coupling efficiency of the emitted light to the optical waveguide can be controlled by optimizing the shape of the optical device and / or the optical waveguide. The Fabry-Perot resonator can be composed of a semiconductor multilayer film or a dielectric multilayer film.
〔3〕上記〔1〕又は〔2〕記載の量子演算素子において、前記ファブリペロ型共振器を2つの球面鏡で構成し、この2つの球面鏡のうち、一方が前記2次元フォトニック結晶と同一基板上に作製された半導体多層膜であることを特徴とする。 [3] In the quantum operation element according to [1] or [2], the Fabry-Perot resonator is configured by two spherical mirrors, and one of the two spherical mirrors is on the same substrate as the two-dimensional photonic crystal. It is characterized by being a semiconductor multilayer film fabricated in the above.
〔4〕上記〔1〕、〔2〕又は〔3〕記載の量子演算素子において、前記量子箱の2準位系と前記2次元フォトニック結晶の点欠陥モードとの結合強度gが、前記3次元共振器の基底モードの緩和率κよりも大きいかまたは同程度であり、かつ、前記3次元共振器の基底モードの緩和率κが前記量子箱の2準位系の位相緩和率1/T2 よりも大きい場合、すなわち、不等式g≧κ≫1/T2 を満たす場合、前記量子演算素子は量子位相シフト演算の機能を有することを特徴とする。2次元フォトニック結晶共振器の点欠陥基底モードとファブリペロ型共振器の基底モードの共鳴結合がこの条件を可能にする。
[4] In the quantum arithmetic device according to [1], [2], or [3], the coupling strength g between the two-level system of the quantum box and the point defect mode of the two-dimensional photonic crystal is 3 The relaxation rate κ of the ground mode of the three-dimensional resonator is greater than or similar to the relaxation rate κ of the three-dimensional resonator, and the
〔5〕上記〔1〕、〔2〕又は〔3〕記載の量子演算素子において、前記量子箱の2準位系と前記2次元フォトニック結晶の点欠陥モードとの結合強度gが、前記3次元共振器の基底モードの緩和率κよりも小さく、かつ前記3次元共振器の基底モードの緩和率κが前記量子箱の2準位系の位相緩和率1/T2 よりも大きい場合、すなわち、不等式κ>g≫1/T2 を満たす場合のうち、gがκ/2よりも小さい場合、前記量子演算素子は、励起状態からの発光が前記ファブリペロ型共振器の共振器軸方向に強い指向性をもつ単一光子源の機能を有することを特徴とする。2次元フォトニック結晶共振器の点欠陥基底モードとファブリペロ型共振器の基底モードの共鳴結合がこの条件を可能にする。
[5] In the quantum arithmetic device according to [1], [2], or [3], the coupling strength g between the two-level system of the quantum box and the point defect mode of the two-dimensional photonic crystal is 3 When the relaxation rate κ of the three-dimensional resonator is smaller than the relaxation rate κ of the fundamental mode of the three-dimensional resonator, and larger than the
〔6〕上記〔1〕、〔2〕又は〔3〕記載の量子演算素子において、前記量子箱の2準位系と前記2次元フォトニック結晶の点欠陥モードとの結合強度gが、前記3次元共振器の基底モードの緩和率κよりも小さく、かつ前記3次元共振器の基底モードの緩和率κが前記量子箱の2準位系の位相緩和率1/T2 よりも大きい場合、すなわち、不等式κ>g≫1/T2 を満たす場合、前記量子演算素子は、前記ファブリペロ型共振器のガウシアンモードと前記2次元フォトニック結晶の点欠陥モードが共鳴結合している状況下で、点欠陥領域に光を吸収させた後前記ファブリペロ型共振器の物理共振器長を変化させて、前記ファブリペロ型共振器のガウシアンモードを前記2次元フォトニック結晶の点欠陥モードから離調することにより、光の量子状態を原子系の量子状態に保持する光メモリとしての機能を有することを特徴とする。
[6] In the quantum arithmetic device according to [1], [2], or [3], the coupling strength g between the two-level system of the quantum box and the point defect mode of the two-dimensional photonic crystal is 3 When the relaxation rate κ of the three-dimensional resonator is smaller than the relaxation rate κ of the fundamental mode of the three-dimensional resonator, and larger than the
〔7〕上記〔1〕から〔6〕の何れか1項記載の量子演算素子において、前記量子箱は、半導体量子ドット励起子系またはダイヤモンドのN−V中心であることを特徴とする。 [7] The quantum operation element according to any one of [1] to [6], wherein the quantum box is a semiconductor quantum dot exciton system or a diamond NV center.
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。 According to the present invention, the following effects can be achieved.
(1)約1ナノ秒の半導体量子箱の位相緩和時間よりも短時間で、一回の量子演算が高い演算精度で完了するので、繰り返し効率の高い量子演算ができる。 (1) Since a single quantum operation is completed with high calculation accuracy in a time shorter than the phase relaxation time of the semiconductor quantum box of about 1 nanosecond, quantum operations with high repetition efficiency can be performed.
(2)本発明の量子演算素子は、半導体量子箱とブラッグ反射型誘電体多層膜鏡とフォトニック結晶スラブを用いることにより固体素子化できるため、小型化および集積化できる。 (2) Since the quantum arithmetic element of the present invention can be made into a solid element by using a semiconductor quantum box, a Bragg reflection type dielectric multilayer mirror and a photonic crystal slab, it can be miniaturized and integrated.
本発明の量子演算素子は、2次元フォトニック結晶の点欠陥モードがファブリペロ型共振器のガウシアンモードと共鳴結合した3次元共振器と、この3次元共振器と量子箱の2準位系を共鳴結合する手段を備えた量子演算素子であって、前記3次元共振器のQ値は、前記ファブリペロ型共振器の反射率を変える、および/または、前記2次元フォトニック結晶の点欠陥に最近接の円孔の直径を所定の寸法から変える、および/または、前記円孔の中心の位置が所定の格子点の位置から変えることにより制御できるように構成したことを特徴としている。 The quantum arithmetic element of the present invention resonates a two-dimensional system of a three-dimensional resonator in which a point defect mode of a two-dimensional photonic crystal is resonantly coupled with a Gaussian mode of a Fabry-Perot resonator, and the three-dimensional resonator and the quantum box. A quantum operation element having means for coupling, wherein the Q value of the three-dimensional resonator changes a reflectance of the Fabry-Perot resonator and / or is closest to a point defect of the two-dimensional photonic crystal The diameter of the circular hole is changed from a predetermined size and / or the center position of the circular hole can be controlled by changing from the position of the predetermined lattice point.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
本発明の第1実施例について図面を参照して詳細に説明する。 A first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の第1実施例を示す量子演算素子の構成図、図2は本発明の点欠陥型2次元フォトニック結晶層の構成図であり、図2(a)はその上面図、図2(b)はその断面図である。図3は本発明の量子演算素子の点欠陥型2次元フォトニック結晶共振器のQ値を変化させる方法の説明図、図4は本発明の第1実施例を示す量子演算素子の誘電体/半導体多層膜により構成される球面鏡の説明図である。 FIG. 1 is a configuration diagram of a quantum arithmetic element according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a configuration diagram of a point defect type two-dimensional photonic crystal layer of the present invention, and FIG. FIG. 2B is a sectional view thereof. FIG. 3 is an explanatory diagram of a method of changing the Q value of the point defect type two-dimensional photonic crystal resonator of the quantum arithmetic element of the present invention, and FIG. 4 is a diagram illustrating the dielectric / It is explanatory drawing of the spherical mirror comprised by a semiconductor multilayer film.
図1を参照すると、本発明の実施例は、光導波路1及び5と、ファブリペロ型共振器を構成する2つの球面鏡2及び4と、点欠陥型2次元フォトニック結晶層3とから構成されている。点欠陥型2次元フォトニック結晶層3はXY平面に平行な平面上にあり、ファブリペロ型共振器の軸は点欠陥型2次元フォトニック結晶層3と垂直に、つまりZ方向に配置されている。
Referring to FIG. 1, the embodiment of the present invention comprises
点欠陥型フォトニック結晶層3は、図2(a)に示すように、半導体薄膜10に対して円孔11が三角格子状に配列した構造となっている。この周期性により、XY平面内を伝播する光に対して禁制帯ができ、ある波長の光は伝搬できなくなる。この状態で円孔11のうち1つを取り除くと、それが周期性を乱す点欠陥12となる。すると、禁制帯の光は平面内を伝搬することができず、点欠陥12に留まることになる。これを点欠陥型光局在モード(点欠陥モード)とここでは呼ぶ。
As shown in FIG. 2A, the point defect type
点欠陥12に最近接の6つの円孔11′は、その直径が所定の寸法から変えられている、および/またはその円孔11′の中心位置が所定の格子点の位置から変えられている。これにより、禁制帯内に点欠陥型2次元フォトニック結晶層3外部への光漏えいの非常に小さな点欠陥モードを形成し、その空間プロファイルは、量子箱形成領域13に局在する(上記特許文献1参照)。
The six
一方、2つの球面鏡2,4で構成されるファブリペロ型共振器の基底モードはガウシアンモードであって、そのビームウェストが極小となる位置に前述の点欠陥型2次元フォトニック結晶層3が形成されている。ファブリペロ型共振器の物理共振器長をL、球面鏡2,4の曲率半径をそれぞれR1 ,R2 とすると、
0≦(1−L/R1 )×(1−L/R2 )≦1
の関係式を満たしている。この関係によりZ軸に垂直な方向への光損失が抑制される。
On the other hand, the fundamental mode of the Fabry-Perot resonator composed of the two
0 ≦ (1-L / R 1 ) × (1-L / R 2 ) ≦ 1
Is satisfied. This relationship suppresses light loss in the direction perpendicular to the Z axis.
また、物理共振器長Lは波長λの1.5倍弱にまで短くできる。この長さより短くなると、ファブリペロ型共振器の基底モードをガウシアンモードだけでは近似できなくなる。 Further, the physical resonator length L can be shortened to a little less than 1.5 times the wavelength λ. If the length is shorter than this length, the fundamental mode of the Fabry-Perot resonator cannot be approximated only by the Gaussian mode.
球面鏡2,4は、図4に示すように、屈折率の異なる2種類の誘電体/半導体膜が球面状に交互に積層された構造である。なお、誘電体/半導体膜14の方が誘電体/半導体膜15よりも屈折率が高い。誘電体/半導体膜14,15は、膜内での光学長がλ/4となるような厚みに積層される。ただし、波長λは、量子箱励起子系の遷移波長である。
As shown in FIG. 4, the
さらに、点欠陥型2次元フォトニック結晶層3の点欠陥モードは、Z軸方向に形成されたファブリペロ型共振器の基底モード(ガウシアンモード)と、この点欠陥モードの点欠陥型2次元フォトニック結晶層3の上下方向への漏えいモード(電磁場浸み出し成分)を介して、共鳴結合している。
Furthermore, the point defect mode of the point defect type two-dimensional
ファブリペロ型共振器のQ値は、ファブリペロ型共振器がない場合の点欠陥型2次元フォトニック結晶の点欠陥モードのQ値よりもずっと低くなるように、積層する誘電体/半導体膜14,15の数を調整することにより構成されている。なお、Q値は共振器の性能指数を表す指標であって、共振器の光損失が小さいほどこの値が大きくなる。このことにより、点欠陥モードにおける漏えいモードとガウシアンモードとの結合に起因して、誘電体/半導体の多層膜である球面鏡2,4を通しての光放出が促進されている。すなわち、点欠陥モードとファブリペロ型共振器とによる合成系のQ値は、積層される誘電体/半導体膜14,15の数を調整することにより制御可能であって、ファブリペロ型共振器がない場合の点欠陥モードのQ値と比べてずっと低くすることができ、ファブリペロ型共振器単体の場合のQ値に匹敵するようになる。
The dielectric /
点欠陥モードとファブリペロ型共振器のガウシアンモードとの結合強度は、点欠陥12に最近接の円孔11′の直径を所定の寸法から変える、および/または、円孔11′の中心の位置を所定の格子点の位置から変えることにより、点欠陥モードのうち漏えいモードの点欠陥型2次元フォトニック結晶層3外への深度を変化させて制御することができる。点欠陥モードにおける漏えいモードの比率の相対的変化は、ファブリペロ型共振器がない時のQ値を測定することによって決定することができる。
The coupling strength between the point defect mode and the Gaussian mode of the Fabry-Perot resonator changes the diameter of the
具体例を用いて説明する。光の波長を通信帯の1.55μmと想定し、半導体薄膜を厚さ320nmのGaAs(屈折率3.4)とする。これに半径r=130nmの空気円孔を2次元三角格子状に配列する。隣り合う円孔の中心間隔はa=400nmである。点欠陥型2次元フォトニック結晶層の平面図を図3(a)に示す。 This will be described using a specific example. Assuming that the wavelength of light is 1.55 μm of the communication band, the semiconductor thin film is made of GaAs (refractive index 3.4) with a thickness of 320 nm. Air holes having a radius r = 130 nm are arranged in a two-dimensional triangular lattice pattern. The center interval between adjacent circular holes is a = 400 nm. A plan view of the point defect type two-dimensional photonic crystal layer is shown in FIG.
この点欠陥モードではQ値を変化させるために、ファブリペロ型共振器に最近接の6つの円孔11′を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、これらの円孔11′の半径r’は他の円孔11の半径rよりも小さくしている。円孔中心の外側へのシフト量を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3(b)に示す。シフト量s=0.09a=36nmにおいて最大Q値33,000が得られる。
In this point defect mode, in order to change the Q value, the six
実際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に近い状況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(非特許文献3)。従って、低い方は300程度から高い方は17,000程度まで、約2桁の範囲内でQ値を制御することができる。すなわち、ファブリペロ型共振器のガウシアンモードと点欠陥モードの共鳴結合強度は、約2桁の範囲内で制御することができる。 Although there is actually a manufacturing error, it is difficult to obtain an ideal calculated Q value, but Q = 17,000 is realized in a microresonator structure manufactured in a situation close to the design value of the above parameters. (Non-Patent Document 3). Accordingly, the Q value can be controlled within a range of about two digits from about 300 for the lower side to about 17,000 for the higher side. That is, the resonant coupling strength of the Gaussian mode and the point defect mode of the Fabry-Perot resonator can be controlled within a range of about two digits.
時間領域差分法によるシミュレーションの結果、上述の点欠陥型2次元フォトニック結晶層3に対して、その点欠陥モードと共鳴結合するファブリペロ型共振器の球面鏡2,4の曲率半径は36μmであり、物理共振器長Lは最小で1.87μmとなった。ただし、多層膜ミラーを構成する誘電体膜としてTa2 O5 (屈折率2.0411)とSiO2 (屈折率1.455)を交互に積層した場合についての結果である。ファブリペロ型共振器のQ値を点欠陥モードのQ値よりも低くするために、積層する膜数を合計5層にしたとき、3次元共振器(点欠陥型2次元フォトニック結晶+ファブリペロ型共振器)の緩和率κは、およそ200GHzとなった。共振器緩和時間(1/κ)とQ値との間には、Q=緩和時間(1/κ)×2π×光速度(C)×(1/λ)が成立することに注意すると、κ=200GHzの時のQ値はおよそ6000となる。この値は、ファブリペロ型共振器がない場合の点欠陥モードのQ値のおよそ3分の1である。この結果は、ファブリペロ型共振器のガウシアンモードと点欠陥モードとの共鳴結合により、点欠陥モードのQ値が低下したことを意味する。
As a result of the simulation by the time domain difference method, the radius of curvature of the
また、このとき、ファブリペロ型共振器から放出される光の断面モードプロファイルはガウシアンモードであることから、導波路形状を変えることによってその放出光と(光ファイバなどの)光導波路1,5との結合効率を制御できる。
At this time, since the cross-sectional mode profile of the light emitted from the Fabry-Perot resonator is a Gaussian mode, the emitted light and the
一方、ファブリペロ型共振器がない時の点欠陥モードのQ値よりも、ファブリペロ型共振器のQ値の方が高い場合では、点欠陥モードの中心周波数が、ファブリペロ型共振器との共鳴結合によって、二つの周波数に分裂することがよく起こる。しかし、励起子系の位相緩和時間T2 よりも短時間で、外部光と励起子系とを点欠陥モードを介して効率よく相互作用させる目的においては、この周波数分裂の効果は必要ない。その上、演算に必要な相互作用時間が、位相緩和時間よりも長くなる可能性がある。したがって、ファブリペロ型共振器のQ値は、点欠陥モードのQ値よりも低いことが望まれる。 On the other hand, when the Q value of the Fabry-Perot resonator is higher than the Q value of the point-defect mode when there is no Fabry-Perot resonator, the center frequency of the point-defect mode is caused by resonance coupling with the Fabry-Perot resonator. It often happens that it splits into two frequencies. However, this frequency splitting effect is not necessary for the purpose of efficiently interacting the external light and the exciton system via the point defect mode in a time shorter than the phase relaxation time T 2 of the exciton system. In addition, the interaction time required for the computation may be longer than the phase relaxation time. Therefore, it is desirable that the Q value of the Fabry-Perot resonator is lower than the Q value of the point defect mode.
さて、図2に示すように、半導体量子箱13は、XY方向およびZ方向で点欠陥12のほぼ中心部分に配置されている。これは、点欠陥12の基底モードの電磁場強度が一番大きいところで、半導体量子箱13の励起子と点欠陥モードとが一番強く相互に作用するからである。
Now, as shown in FIG. 2, the
半導体量子箱の励起子系は、原子に定性的によく似たエネルギー準位構造を備えている。点欠陥モードは、励起子系と共鳴結合する。共鳴結合強度gの大きさは、点欠陥基底モードのX−Y方向の空間広がりが1μm程度ならば、双極子モーメントの大きさが20D(デバイ)で、半導体量子箱の屈折率が3.4である場合200GHz程度になる。共鳴結合強度g≒200GHzは、半導体量子箱励起子系固有の位相緩和率が5GHz程度であることから、励起子が光とユニタリ相互作用するのに十分な共鳴結合強度である。共鳴結合強度gは下記式(1)に示す算式を用いて計算を行った。 The exciton system of a semiconductor quantum box has an energy level structure that is qualitatively similar to an atom. The point defect mode is resonantly coupled with the exciton system. When the spatial extent of the point defect ground mode in the XY direction is about 1 μm, the magnitude of the resonant coupling strength g is 20 D (Debye) and the refractive index of the semiconductor quantum box is 3.4. When it is, it becomes about 200 GHz. The resonance coupling strength g≈200 GHz is a resonance coupling strength sufficient for the excitons to interact unitarily with the light because the phase relaxation rate inherent to the semiconductor quantum box exciton system is about 5 GHz. The resonance coupling strength g was calculated using the formula shown in the following formula (1).
共振器定在波モード関数Ψm (r)は最大値が1となるように規格化されており、本発明での3次元共振器(点欠陥2次元フォトニック結晶層+ファブリペロ型共振器)では、半導体量子箱13の位置で最大となる。点欠陥モードのX−Y方向の空間広がりが1μm程度で物理共振器長Lが1〜2μm程度ならば、この関数の半導体量子箱13の位置での値は、ファブリペロ型共振器中で点欠陥2次元フォトニック結晶層3でない領域のそれより10倍以上大きくできる。この特徴により、本発明の3次元共振器の緩和率κが200GHz程度であったとしても、比較的大きな共鳴結合強度g=200GHzを達成できる。ただし、量子箱は光学遷移が可能な2準位系を含む結晶であればよく、上記した半導体に限るものではない。例えば、半導体量子箱の代わりにダイヤモンドのN−V中心のような不純物準位であってもよい。
The resonator standing wave mode function Ψ m (r) is standardized so that the maximum value is 1, and the three-dimensional resonator according to the present invention (point defect two-dimensional photonic crystal layer + fabry-perot resonator) Then, it becomes maximum at the position of the
以上から、共鳴結合強度gおよび3次元共振器の緩和率κは200GHzで1/T2 〜5GHzである。すなわち、これは量子位相シフト演算の必要条件g≧κ≫1/T2 を満たす3次元共振器に相当する。さらに、3次元共振器のモードプロファイルがガウシアンモードであるため、光ファイバ等の光導波路1,5の形状を適切に設計することによって3次元共振器からの放出光の結合効率を100%に近づけることができ、量子位相シフトの繰り返し演算効率を極めて高くすることができる。
From the above, the resonance coupling strength g and the relaxation rate κ of the three-dimensional resonator are 1 /
また、本発明による量子演算素子が有する量子位相シフト演算以外の機能は、単一光子源としての機能と光メモリとしての機能である。これらの機能を有するための必要条件は、κ>g≫1/T2 になる。 Further, functions other than the quantum phase shift calculation included in the quantum arithmetic element according to the present invention are a function as a single photon source and a function as an optical memory. The necessary condition for having these functions is κ> g >> 1 / T 2 .
以下では、本発明による量子演算素子の、単一光子源としての機能と光メモリとしての機能の特徴を述べる。 Hereinafter, the features of the quantum arithmetic device according to the present invention as a single photon source and as an optical memory will be described.
点欠陥モードはXY平面方向への光閉じ込め効果が非常に高いことに注意すると、半導体量子箱励起子は点欠陥モードと共鳴結合しているため、励起子固有の輻射緩和過程がXY平面方向について抑制されている。そのため、本発明の量子演算素子は、半導体量子箱励起子と点欠陥モードとの結合強度gが3次元共振器の緩和率κの2分の1以下であるときは、点欠陥モードの真空ラビスプリッティングが消えることから、励起子からの発光がファブリペロ型共振器の共振器軸方向に強い指向性をもつ単一光子源としての機能を有する量子演算素子となる。 Note that the point defect mode has a very high optical confinement effect in the XY plane direction. Since the semiconductor quantum box excitons are resonantly coupled to the point defect mode, the exciton-specific radiation relaxation process occurs in the XY plane direction. It is suppressed. Therefore, when the coupling strength g between the semiconductor quantum box exciton and the point defect mode is less than or equal to half of the relaxation rate κ of the three-dimensional resonator, the quantum arithmetic element of the present invention has a point defect mode vacuum rabbi. Since splitting disappears, the quantum operation element has a function as a single photon source in which the light emitted from the exciton has a strong directivity in the direction of the resonator axis of the Fabry-Perot resonator.
また、ファブリペロ型共振器のガウシアンモードと点欠陥モードが共鳴結合している状況下で点欠陥領域に光を吸収させた後、物理共振器長Lを変化させてファブリペロ型共振器のガウシアンモードの共鳴周波数を点欠陥モードの共鳴周波数から離調すると、これらのモードは互いに共鳴しなくなる。このことにより、点欠陥領域に光を閉じ込めることができることから、本発明による量子演算素子は光メモリとしての機能を有する量子演算素子となる。 In addition, light is absorbed in the point defect region in a state where the Gaussian mode and the point defect mode of the Fabry-Perot resonator are resonantly coupled, and then the physical resonator length L is changed to change the Gaussian mode of the Fabry-Perot resonator. When the resonance frequency is detuned from the resonance frequency of the point defect mode, these modes do not resonate with each other. As a result, light can be confined in the point defect region, so that the quantum arithmetic element according to the present invention becomes a quantum arithmetic element having a function as an optical memory.
ここで、本発明の第1実施例を示す量子演算素子の製造方法について図5を用いて簡単に説明する。 Here, the manufacturing method of the quantum arithmetic element which shows 1st Example of this invention is demonstrated easily using FIG.
(1)半導体基板21上に、適度なバッファ層を積層(図示なし)後、点欠陥型2次元フォトニック結晶層3を構成する半導体薄膜10を積層する。この部分に半導体量子箱13も含まれる。さらに、この上に犠牲層25を積層する〔図5(a)〕。
(1) An appropriate buffer layer is laminated (not shown) on the
(2)リソグラフィー技術とドライエッチングプロセスを用いて、犠牲層25に対してメサ構造31を形成する〔図5(b)〕。
(2) A
(3)メサ構造31形成後に、犠牲層25と同じ材料を積層する。1μm程度積層すると、元の角張った形状が徐々に滑らかになって、凸レンズ形状に近づく。これが凸形状形成層32となる〔図5(c)〕。
(3) After the
(4)この凸形状形成層32の上に屈折率の異なる2種類の誘電体(高屈折率誘電体23及び低屈折率誘電体22)を交互に積層し、所望の反射率を得るために必要な層数を積層して多層膜33にする。膜厚は、励起子系の遷移波長をλとすると、λ/4n(nは各層の屈折率)である。さらに、以下のプロセスに耐えられるように、十分な厚さをもったバッファ層34を積層する〔図5(d)〕。
(4) In order to obtain a desired reflectance by alternately laminating two kinds of dielectrics (high
(5)次いで、半導体基板21をエッチング等の手法によって取り除く。なお、図5(e)以下では図5(d)とは上下を逆転させて示している。
(5) Next, the
(6)リソグラフィー技術とドライエッチングプロセスを用いて、半導体薄膜10に周期的な円孔を形成する。さらに、ウェットエッチングプロセスで、下部の犠牲層25と、同じ材料の凸形状形成部32を取り除いて、空洞部35を作り出す〔図5(f)〕。
(6) Periodic holes are formed in the semiconductor
(7)上記(6)までのプロセスでは、誘電体球面鏡とフォトニック結晶層が一体となった構造が形成されるが、フォトニック結晶層部分がなければ球面鏡のみの構造となる。よって、これら2つの構造を組み合わせることで、球面鏡の間にフォトニック結晶層が埋め込まれた構造ができる〔図5(g)〕。 (7) In the processes up to (6) above, a structure in which the dielectric spherical mirror and the photonic crystal layer are integrated is formed, but if there is no photonic crystal layer portion, the structure is only the spherical mirror. Therefore, by combining these two structures, a structure in which a photonic crystal layer is embedded between spherical mirrors can be obtained [FIG. 5 (g)].
以上から、本発明の第1実施例を示す量子演算素子では、励起子の位相緩和時間よりも短時間に、量子位相シフト演算に必要な外部光と量子箱励起子系との量子力学的なユニタリ相互作用を完了するように構成されている。そのため、効率が高くかつ演算精度の高い量子演算を行うことができる。 From the above, in the quantum arithmetic element showing the first embodiment of the present invention, the quantum mechanical relationship between the external light necessary for the quantum phase shift calculation and the quantum box exciton system is shorter than the phase relaxation time of the exciton. It is configured to complete unitary interaction. Therefore, it is possible to perform quantum computation with high efficiency and high computation accuracy.
また、本発明の量子演算素子は、半導体量子箱励起子と点欠陥モードとの結合強度gが3次元共振器の緩和率κの2分の1以下であるときは、点欠陥モードの真空ラビスプリッティングが消えることから、励起子からの発光がファブリペロ型共振器の共振器軸方向に強い指向性をもつ単一光子源としての機能を有する量子演算素子となる。 In addition, when the coupling strength g between the semiconductor quantum box exciton and the point defect mode is less than half of the relaxation rate κ of the three-dimensional resonator, the quantum arithmetic element of the present invention has a vacuum defect in the point defect mode. Since splitting disappears, the quantum operation element has a function as a single photon source in which the light emitted from the exciton has a strong directivity in the direction of the resonator axis of the Fabry-Perot resonator.
さらに、ファブリペロ型共振器のガウシアンモードと点欠陥モードが共鳴結合している状況下で、点欠陥領域に光を吸収させた後物理共振器長Lを変化させ、ファブリペロ型共振器のガウシアンモードの共鳴周波数を点欠陥モードの共鳴周波数から離調すると、これらのモードは互いに共鳴しなくなり、点欠陥モードに光を閉じ込めることができることから、本発明による量子演算素子は光メモリとしての機能を有する量子演算素子となる。 Further, in a situation where the Gaussian mode and the point defect mode of the Fabry-Perot resonator are resonantly coupled, after the light is absorbed in the point defect region, the physical resonator length L is changed, and the Gaussian mode of the Fabry-Perot resonator is changed. When the resonance frequency is detuned from the resonance frequency of the point defect mode, these modes do not resonate with each other, and light can be confined in the point defect mode. Therefore, the quantum operation element according to the present invention has a quantum operation functioning as an optical memory. It becomes an element.
続いて、本発明による第2実施例について、図6を用いて説明する。 Next, a second embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG.
この第2実施例では、上記第1実施例におけるファブリペロ型共振器を構成する球面鏡のうち一方の鏡が、点欠陥型2次元フォトニック結晶層3と同一基板上に形成された多層膜24に置き換えられている。点欠陥型2次元フォトニック結晶層3と鏡の一つが一体となっているため、機械的安定度が高い。
In the second embodiment, one of the spherical mirrors constituting the Fabry-Perot resonator in the first embodiment is formed on a
この構造では、ファブリペロ型共振器を構成する一方の鏡が多層膜24からなる平面鏡となるため、二つの球面鏡2,4により構成された第1実施例のファブリペロ型共振器の場合とは動作条件が異なる。しかし、2つの鏡の反射率と位置を適切に設定することで、量子箱の位置の近傍で共振器モードのビームウエストが極小となるように設計できる。
In this structure, since one mirror constituting the Fabry-Perot resonator is a plane mirror made of the
第2実施例の量子演算素子構造の作製法について図6を参照しながら簡単に説明する。 A method for fabricating the quantum arithmetic element structure of the second embodiment will be briefly described with reference to FIG.
半導体基板21上に屈折率の異なる2種類の誘電体(低屈折率誘電体)22及び高屈折率誘電体23を交互に積層する。膜厚は、励起子系の遷移波長をλとすると、各々λ/4n(nは各層の屈折率)である。所望の反射率を得るために必要な層数を積層して多層膜24にした後、犠牲層25を積層し点欠陥型フォトニック結晶層3を構成する半導体薄膜10を積層する。
Two kinds of dielectrics (low refractive index dielectrics) 22 and high
続いて、リソグラフィー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、半導体薄膜10に対して周期的に配列された円孔11を形成し、フォトニック結晶構造とする。さらに、ウェットエッチングプロセスにより犠牲層25のみを選択的に除去する。半導体薄膜10をGaAs、犠牲層25をAlGaAsとした場合には、フッ酸溶液を用いればこのプロセスが可能である。
Subsequently, by combining a lithography technique and a dry etching process, the
なお、本発明は上述した実施例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例についても本発明の技術的範囲に含まれる。 In addition, this invention is not limited to the Example mentioned above, A various change is possible in the range shown to the claim. 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.
本発明の量子演算素子は、単一光子レベルの弱い光の間における光−光スイッチングに応用でき、また、小型化と集積化ができることから、省スペース・省電力型の光信号処理装置といった用途に適用できる。また、励起子系を共振器内に3次元的に閉じ込めているので、発光の方向を制御することができ、指向性の高い単一光子源といった用途に適用できる。さらに、その3次元閉じ込めにより、光メモリといった用途に適用できる。 The quantum arithmetic element according to the present invention can be applied to light-light switching between light having a weak single photon level, and can be miniaturized and integrated, so that it can be used as a space-saving / power-saving optical signal processing apparatus. Applicable to. Further, since the exciton system is three-dimensionally confined in the resonator, the direction of light emission can be controlled, and the present invention can be applied to a single photon source with high directivity. Furthermore, the three-dimensional confinement can be applied to an application such as an optical memory.
1,5 光導波路
2,4 ファブリペロ型共振器を構成する球面鏡
3 点欠陥型2次元フォトニック結晶層
10 半導体薄膜
11,11′ 円孔
12 点欠陥
13 半導体量子箱
14 高屈折率半導体/誘電体
15 低屈折率半導体/誘電体
21 半導体基板
22 低屈折率誘電体
23 高屈折率誘電体
24 多層膜(平面鏡)
25 犠牲層
31 メサ構造
32 凸形状形成層
33 多層膜(球面鏡)
34 バッファ層
35 空洞部
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25
34
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