演算回路
【課題】 ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出し、光の回折限界に支配されることなく和演算や積和演算を始めとした演算処理等を行うことができる演算回路を提供する。
【解決手段】 入力信号に対応した互いに異なる周波数の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された信号光の周波数に応じてそれぞれ励起子がエネルギー準位に励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドット１２からなる入力側量子ドットグループ２０と、各エネルギー準位との共鳴に応じて入力側量子ドットグループ２０を構成する各量子ドット１２から励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて各信号光より長波長の出力光を出力信号として生成する出力側の量子ドット１３とを基板１１上に形成させる。
【解決手段】 入力信号に対応した互いに異なる周波数の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された信号光の周波数に応じてそれぞれ励起子がエネルギー準位に励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドット１２からなる入力側量子ドットグループ２０と、各エネルギー準位との共鳴に応じて入力側量子ドットグループ２０を構成する各量子ドット１２から励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて各信号光より長波長の出力光を出力信号として生成する出力側の量子ドット１３とを基板１１上に形成させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にナノスケールの光通信ネットワーク、光計測等の分野に適用される量子ドットを用いた演算回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体微細加工技術の発展により、量子力学的効果が顕著に現れるサイズまでに微細な構造をもつ半導体素子が実現されている（例えば、非特許文献１参照。）。この量子力学的効果を利用した半導体素子として、例えばＨＢＴ(Hetero-junction Bipolar Transistor)や量子井戸レーザ等が実用化されている。また量子力学的効果を利用し、単一電子を制御することにより電子の粒子性を極限まで利用するナノスケールの量子ドットが注目されている。
【０００３】
量子ドットは、上述した半導体微細加工技術を用いることにより、励起子に三次元的な量子閉じ込めを与えるほど微細なポテンシャルの箱を形成したものである。この励起子の閉じ込め系を利用し、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度がデルタ関数的に尖鋭化する。この量子ドットにおける尖鋭化した状態間における光の吸収を利用する単一電子メモリや、量子ドットを出入りする単一電子をＯＮ／ＯＦＦ動作させる単一電子トランジスタが既に研究されており、単一電子のナノスケール操作が実現化されつつある。
【０００４】
【非特許文献１】M.Ohtsu,K.Kobayashi,T.Kawazoe,S.Sangu,T.Yatsui,IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.,to be published Vol8.No4 2002July-Aug,P839-P862
【非特許文献２】M.J.O'Mahony, D. Simeonidou, D. K. Hunter, A.Tzanakaki, IEEE Commn.Mag.39,128(2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、将来の大容量情報処理への要求に応えるべく、光の回折限界に支配されることなく演算処理、情報処理、遅延処理等を行うことができるナノスケールの演算回路、遅延回路等の実現が望まれている。
【０００６】
しかしながら、かかるナノスケールの回路を電子デバイスで実現化しようとした場合、量子的なゆらぎが生じてしまうという問題点があり、また光デバイスで実現しようとした場合には、やはり光の回折限界により微小化が制限されてしまうという問題点がある。例えば、主要データを電気領域に変換せずに処理することができる光パケットスイッチング（例えば、非特許文献２参照。）も提案されている。しかしながら、かかるスイッチング技術については、解決しなければならない様々な課題が存在する。例えばパケットのヘッダーとの照合演算に特定の導波路デバイスを多数実装しなければならず、必要な固体デバイスの規模が大きく集積性に難がある。
【０００７】
また、入力信号(コンテント)がメモリシステムに入力され、これにマッチするメモリ内アドレスが返されるコンテントアドレッサブルメモリ（Ｃｏｎｔｅｎｔ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｍｅｍｏｒｙ（ＣＡＭ））が特に近年において提案されており、Ｒｏｕｔｉｎｇ、Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ Ｌｏｏｋ―Ａｓｉｄｅ Ｂｕｆｆｆｅｒ（ＴＬＢ）、Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、Ｄａｔａ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ（ＬＺＷ）等に応用されている。
【０００８】
かかるＣＡＭ機構の実現には、複数ビットのデータ全体についての評価機構が重要になるが、ＭＯＳトランジスタ等による既存の電子回路では、消費電力が大きくなり実現が困難になるという問題がある。またこれを実現するための光学的手段として、Position sensitive diode (PSD)により光電流加算する手法や、受光素子アレイを用いて電気領域へ変換した上でプロセッサ上で大域的演算する手法が提案されているが何れも集積性に難がある。
【０００９】
また、かかるＣＡＭ機構における光学的なデータのマッチング機構として、光領域符号分割多重を用いる方式があるが、各符号に対して個別に導波路デバイスを準備する必要があり、これも集積性に難がある。
【００１０】
更に、量子デバイスでＣＡＭ機構を実現化しようとした場合には、コヒーレンス性において長期に亘る信頼性を確保することが困難になるという問題点がある。このため、実用的なナノスケールの回路自体が未だ案出されていないのが現状である。
【００１１】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出し、光の回折限界に支配されることなく和演算や積和演算を始めとした演算処理等を行うことができる演算回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上述した課題を解決するために、入力信号に対応した互いに異なる周波数の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された信号光の周波数に応じてそれぞれ励起子がエネルギー準位に励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドットからなる入力側量子ドットグループと、各エネルギー準位との共鳴に応じて入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットから基板を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて各信号光より長波長の出力光を出力信号として生成する出力側の量子ドットとを基板上に形成させた演算回路を発明した。
【００１３】
即ち、本発明に係る演算回路は、複数の入力信号の和として表される出力信号を生成する演算回路において、誘電性の基板と、入力信号に対応した互いに異なる周波数の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された信号光の周波数に応じてそれぞれ励起子がエネルギー準位に励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドットを基板上に形成させた入力側量子ドットグループと、各エネルギー準位との共鳴に応じて入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットから基板を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて各信号光より長波長の出力光を出力信号として生成する出力側の量子ドットとを備える。
【００１４】
即ち、本発明に係る演算回路は、複数の入力信号の積和として表される出力信号を生成する演算回路において、誘電性の基板と、入力信号に対応した第１の信号光並びに第２の信号光がそれぞれ供給され、当該 供給された第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、供給される第２の信号光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、第１,第２のエネルギー準位よりも低準位の第３のエネルギー準位を有する第３の量子ドットからなり、第３の量子ドットを介して第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに対称となるように基板上に形成されている複数の入力側量子ドットグループと、第３の量子ドットにおける第３のエネルギー準位との共鳴に応じて各入力側量子ドットグループから励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力信号としての出力光を生成する出力側の量子ドットとを備える。
【００１５】
即ち、本発明に係る演算回路は、デジタル化された入力信号に対する参照信号の積和として表される出力信号を生成する演算回路において、誘電性の基板と、入力信号の各ビットに対応した第１の信号光がそれぞれ供給されるとともに、当該各ビットと積算するための参照信号の各ビットに対応した第２の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、供給される第２の信号光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、第１,第２のエネルギー準位よりも低準位の第３のエネルギー準位を有する第３の量子ドットからなり、第３の量子ドットを介して第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに対称となるように基板上に形成されている複数の入力側量子ドットグループと、第３の量子ドットにおける第３のエネルギー準位との共鳴に応じて各入力側量子ドットグループから励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力信号としての出力光を生成する出力側の量子ドットとを備える。
【００１６】
即ち、本発明に係る演算回路は、デジタル化された入力信号の各参照信号に対する類似度を求める演算回路において、入力信号と、互いに異なる参照信号がそれぞれ供給される複数の演算処理手段と、各演算処理手段から出力される出力信号に基づいて類似度を識別する類似度識別手段を備え、各演算処理手段は、誘電性の基板と、入力信号の各ビットに対応した第１の信号光がそれぞれ供給されるとともに、当該各ビットと積算するための参照信号の各ビットに対応した第２の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、供給される第２の信号光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、第１,第２のエネルギー準位よりも低準位の第３のエネルギー準位を有する第３の量子ドットからなり、第３の量子ドットを介して第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに対称となるように基板上に形成されている複数の入力側量子ドットグループと、第３の量子ドットにおける第３のエネルギー準位との共鳴に応じて各入力側量子ドットグループから励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力信号としての出力光を生成する出力側の量子ドットとを備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出しつつ、入力信号に対応した互いに異なる周波数の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された信号光の周波数に応じてそれぞれ励起子がエネルギー準位に励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドットからなる入力側量子ドットグループと、各エネルギー準位との共鳴に応じて入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットから基板を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて各信号光より長波長の出力光を出力信号として生成する出力側の量子ドットとを基板上に形成させる。
【００１８】
これにより、本発明では、光の回折限界に支配されることなく演算処理を行うことができるナノスケールの回路を提供することが可能となり、将来の大容量情報処理への要求に応えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
先ず、本発明を適用した量子ドットによる演算回路１について説明をする。演算回路１は、複数の入力信号の和として表される出力信号を生成する演算回路であって、例えば図１に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の導電性材料により構成される基板１１と、基板１１の表面上において形成されている１つの出力側の第２の量子ドット１３と、当該第２の量子ドット１３の周囲において離散的に形成されている複数の第１の量子ドット１２からなる量子ドットグループ２０とを備えている。以下の説明においては、量子ドットグループ２０が２つの第１の量子ドット１２ａ,１２ｂにより構成される場合を例に挙げて説明をする。
【００２１】
量子ドットグループ２０を構成する各量子ドット１２ａ,１２ｂ、並びに第２の量子ドット１３は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。この量子ドット１２,１３間において、励起子の閉じ込め系により、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。
【００２２】
この量子ドットグループ２０を構成する各量子ドット１２ａ,１２ｂには、近接場光としての信号光がそれぞれ独立に供給される。ここで第１の量子ドット１２ａに供給される近接場光を信号光Ａとし、第１の量子ドット１２ｂに供給される近接場光を信号光Ｂとする。これら信号光Ａ, 信号光Ｂは、基板１１に形成されたプラズモン導波路３１、３２を介してそれぞれ各量子ドット１２ａ,１２ｂに供給されるが、かかる場合に限定されるものではなく、例えば各量子ドット１２ａ,１２ｂに近接された図示しない近接場光プローブを介して供給されるようにしてもよい。
【００２３】
第２の量子ドット１３は、第１の量子ドット１２ａ、或いは第１の量子ドット１２ｂから注入される励起子に応じて出力光を生成する。第２の量子ドット１３の周囲には、生成した出力光を伝搬させて外部出力するためのプラズモン導波路３３が設けられている。
【００２４】
即ち、この演算回路１では、第１の量子ドット１２ａ,１２ｂに対して、信号光Ａ,信号光Ｂがそれぞれ独立に供給される。第２の量子ドット１３は、量子ドットグループ２０を構成する量子ドット１２ａ,１２ｂへ供給された信号光Ａ,Ｂに応じて、出力光を生成する。
【００２５】
ちなみに、各量子ドット１２,１３は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなる。ちなみに、各量子ドット１２,１３を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット１２,１３を構成する材料系がＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。
【００２６】
これら各量子ドット１２,１３は以下のブリッジマン法を用いることにより、基板１１上に形成させることができる。各量子ドット１２,１３を構成する材料系として上記ＣｕＣｌを用いる場合において、先ずＣｕＣｌの粉末と、ＮａＣｌの粉末を混合して約８００℃の温度で融解する。次に、上下方向に温度勾配が施された炉内へ上記融解した混合粉末をつり下げ、数ｍｍ/ｈの速度で炉内を上下移動させることにより、混合粉末内部に温度勾配を作り出して序々に結晶化させてゆく。そして約２００℃程度の温度で数分から数１０分間熱処理をすると、ＣｕＣｌの量子ドット１２,１３を包含したＮａＣｌ結晶を作製することができる。ちなみに、このブリッジマン法では、熱処理温度や熱処理時間を変えることにより、生成する量子ドット１２,１３のサイズを自在に制御することもでき、これらを１００ｎｍ以下の領域に並べて形成させることも可能となる。
【００２７】
なお、これら各量子ドット１２,１３は、更に分子エピタキシー（ＭＢＥ）成長法に基づいて基板１１上に作製してもよいし、また近接場光ＣＶＤを利用して量子ドットの形成位置を精度よく制御してもよい。
【００２８】
各量子ドット１２,１３における量子閉じ込め準位Ｅ（nx,ny,nz）は、粒子の質量をmとし、また量子ドットの辺長をLとしたときに、以下の式（１）により定義される。
Ｅ（nx,ny,nz）＝h2/8π2m（π/L）2（nx2+ny2+nz2）・・・・・（１）
この式（１）に基づき、各量子ドット１２,１３のＥ（nx,ny,nz）を計算する。ここで量子ドット１２ａと、量子ドット１２ｂと、量子ドット１３との辺長比が、およそ１：√２：２であるとき、図２に示すように、第１の量子ドット１２ａにおける量子準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、第２の量子ドット１３における量子準位が（２,２,２）であるときのＥ（２２２）とが等しくなる。また第１の量子ドット１２ｂにおける量子準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、第２の量子ドット１３における量子準位が（２,１,１）であるときのＥ（２１１）とが等しくなる。即ち、第１の量子ドット１２ａの量子準位（１,１,１）、第１の量子ドット１２ｂの量子準位（１,１,１）は、第２の量子ドット１３における各量子準位（２,２,２）, （２,１,１）と、それぞれ励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。実際これらの間で共鳴を起こさせるためには、第１の量子ドット１２ａにおける量子準位（１,１,１）に対応する波長λ１の信号光Ａ、第１の量子ドット１２ｂにおける量子準位（１,１,１）に対応する波長λ２の信号光Ｂをそれぞれ供給することにより、かかる量子準位へ励起子を励起させることができる。
【００２９】
仮に波長λ１の信号光Ａを供給することにより、第１の量子ドット１２ａにおける量子準位（１,１,１）へ励起子を励起させた場合には、かかる量子準位（１,１,１）と第２の量子ドット１３における量子準位（２,２,２）との間で共鳴が生じる。その結果、第１の量子ドット１２ａにおける量子準位（１,１,１）に存在する励起子が、第２の量子ドット１３の量子準位（２,２,２）へ移動し、さらに第２の量子ドット１３の量子準位（１,１,１）へ移動する。この結果、見かけ上第１の量子ドット１２ａから第２の量子ドット１３へ励起子が移動することになる。そして、この第２の量子ドット１３の量子準位（１,１,１）へ移動した励起子は、そこから発光する。この第２の量子ドット１３の下位の量子準位（１,１,１）からの発光は、出力信号としての出力光として取り出されることになるが、その波長λ３は、信号光の波長λ１、λ２と比較していきおい長くなる。これは、第２の量子ドット１３のサイズが、各量子ドット１２ａ,１２ｂと比較して大きいからである。従って、この波長λ３の出力光のみを選択的に検出することで、他の波長成分が混ざることなく、出力光の光強度を正確に測ることも可能となる。
【００３０】
即ち、基板１１上において辺長比が互いに異なる各量子ドット１２,１３を形成させることにより、（１）式に基づく量子準位をほぼ等しくすることができ、これらの間で共鳴を起こさせることにより、体積の小さい量子ドット１２から体積の大きい量子ドット１３へ励起子を注入することができる。換言すれば、量子ドット間で体積（サイズ）を互いに異ならせることにより、これらの間で励起子を伝送することができる。
【００３１】
このため、かかる励起子の伝送原理を利用して、体積の小さい第１の量子ドット１２ａ,１２ｂに応じた信号光Ａ,Ｂを供給することにより、それぞれの量子準位に励起子を励起させ、これを体積の大きい第２の量子ドット１３へ伝送する。第２の量子ドット１３では、かかる伝送された励起子を下位準位へ放出することにより出力光を生成し、これを出力信号として外部へ送信する。
【００３２】
ちなみに、この第２の量子ドット１３からの出力光の光強度は、第２の量子ドット１３における下位準位への励起子の放出量に支配され、かかる励起子の放出量は量子ドット１２ａ,１２ｂから伝送される励起子の量に依存する。即ち、全ての第１の量子ドット１２ａ,１２ｂに信号光Ａ,Ｂがそれぞれ供給された場合には、その分励起される励起子の量は多くなり、第２の量子ドット１３へ伝送される励起子の量も多くなるところ、これらの放出に基づく出力光の光強度は大きくなる。これに対して、全ての第１の量子ドット１２ａ,１２ｂに信号光Ａ,Ｂがそれぞれ供給されなかった場合には、その分励起される励起子の量は少なくなり、第２の量子ドット１３へ伝送される励起子の量も少なくなるところ、これらの放出に基づく出力光の光強度は小さくなる。これは、信号光Ａ,Ｂの各量子ドット１２ａ,１２ｂに対する供給状態を制御することにより、出力光の光強度を変化させることができることを意味している。
【００３３】
かかる出力光の供給状態に対する出力光の光強度の関係については、図３に示すポピュレーションの時間変化のシミュレーション結果より説明することもできる。図３(a)では、仮に第１の量子ドット１２ａの量子準位（１,１,１）と、第２の量子ドット１３の量子準位（２,２,２）の双方において励起子が存在していたときに（２励起子系）、第２の量子ドット１３における量子準位（１,１,１）へ励起子が移動した状態のポピュレーションを実線で示してあり、また、かかる第２の量子ドット１３における量子準位（１,１,１）へ励起子が遷移することなく、上方準位としての量子準位（２,２,２）に留まっている状態のポピュレーションを破線で示してある。
【００３４】
この破線で示されるポピュレーションが振動している理由としては、仮に第２の量子ドット１３における上方準位としての量子準位（２,２,２）が励起子により占有されているときには、パウリの排他律により第１の量子ドット１２ａからの励起子の流入が制限されることになる。かかる場合には、この量子準位（２,２,２）が空くことになるまで、第１の量子ドット１２ａと第２の量子ドット１３との間で励起子が行き来する、いわゆる章動(nutation)が繰り返されることになり、これがポピュレーションの振動という形で現われることになる。ちなみに、この章動が生じた場合においても、最終的には第２の量子ドット１３における下方準位としての量子準位（１,１,１）へ励起子は移動することになる。
【００３５】
また、図３(b)では、上述した２励起子系に加え、初期状態において第２の量子ドット１３のみに励起子が存在しているいわゆる１励起子系のそれぞれについて、第２の量子ドット１３における下方準位としての量子準位（１,１,１）の時間変化を示している。物理的には、第２の量子ドット１３における量子準位（１,１,１）への励起子の遷移に付随して生成される出力光を時間積分した結果が出力信号となる。これは、図３(b)に示すポピュレーションの時間積分に相当する。実際にこのポピュレーションを０〜５ｎｓオーダで積分すると、２励起子系と１励起子系の出力信号の比は、約１．８６：１となることが分かる。これは、第２の量子ドット１３との第１の量子ドット１２との間で行き来する励起子の数が増えるにつれて、出力光の光強度は大きくなることを示している。
【００３６】
図４,５は、かかる第２の量子ドット１３からの出力光の光強度変化についての実験結果を示している。図４(a)に示すように、サイズ比が約１：３：４である３つの第１の量子ドット１２ｃ,１２ｄ,１２eを第２の量子ドット１３の周囲に離散的に形成させた場合に、これら第１の量子ドット１２ｃにおける励起子をそれぞれ励起可能な波長λ（＝３２５ｎｍ）の信号光Ｃのみを照射すると、励起された励起子は、第２の量子ドット１３へ移動し、そこから波長λ（＝３８４ｎｍ）の出力光が出射される。この出力光の光強度は、図４(b)に示すように、波長λ（＝３８４ｎｍ）に対応したフォトンエネルギーＷ１におけるピーク強度として表される。
【００３７】
同様に第１の量子ドット１２ｄにおける励起子をそれぞれ励起可能な波長λ（＝３７６ｎｍ）の信号光Ｄのみを照射すると、これに応じた第２の量子ドット１３からの出力光の光強度は、図４(b)に示すように、波長λ（＝３８４ｎｍ）に対応したフォトンエネルギーＷ１におけるピーク強度として表される。同様に第１の量子ドット１２ｅにおける励起子をそれぞれ励起可能な波長λ（＝３８１．３ｎｍ）の信号光Ｅのみを照射すると、これに応じた第２の量子ドット１３からの出力光の光強度は、図４(b)に示すように、波長λ（＝３８４ｎｍ）に対応したフォトンエネルギーＷ１におけるピーク強度として表される。
【００３８】
この図４(b)の実験結果から分かるように、信号光Ｃ,Ｄ,Ｅのうち何れか１つを照射した場合には、出力光の光強度はほぼ同等になる。即ち、供給された信号光の数が１つである場合には、かかる信号光の波長の如何を問わず一定レベルの光強度からなる出力光を出射することができることを意味している。
【００３９】
これに対して、第１の量子ドット１２に対して、信号光Ｃのみに加えて信号光Ｅの２つを同時に供給した場合には、それぞれ第１の量子ドット１２ｃ,１２ｅにおいて励起された励起子は第２の量子ドット１３へ移動し、そこから波長λ（＝３８４ｎｍ）の出力光が出射されることになるが、この出力光の光強度は、図５に示すように、供給される信号光の数が１つである場合と比較して約２倍となる。
【００４０】
同様に、第１の量子ドット１２に対して、信号光Ｃのみに加えて信号光Ｄ,Ｅの３つを同時に供給した場合には、それぞれ第１の量子ドット１２ｃ,１２ｄ,１２ｅにおいて励起された励起子は第２の量子ドット１３へ移動し、そこから波長λ（＝３８４ｎｍ）の出力光が出射されることになるが、この出力光の光強度は、図５に示すように、供給される信号光の数が１つである場合と比較して約３倍となる。
【００４１】
かかる場合において、近接場プローブを走査することにより、第１の量子ドット１２から第２の量子ドット１３への集光の様子を空間域で評価すると、図６に示すような強度プロファイルが得られる。即ち、近接場によって波長より微細のエリアに光信号が集められている様子が分かる。
【００４２】
これらの実験結果から分かるように、供給された信号光の数に応じて出力光の光強度はほぼ線形に増加していくことになる。これは、出力光の光強度は、供給される信号光の数を加算した和として表されることを示唆しており、これを出力信号として取り出すことができれば、演算回路１を信号光の数を和算するいわゆる和算回路として動作させることも可能となる。
【００４３】
また、演算回路１に供給される信号光をデジタル信号の各ビットを表すものとした場合に、各信号光が供給されている状態をＨレベルとし、各信号光が供給されていない状態いない状態をＬレベルとした場合に、供給されている信号光の数に応じて出力光の光強度が増加することから、これを識別することによりＨレベルの信号光の数をカウントすることができる。
【００４４】
かかる場合において、図１に示すように信号光Ａ,Ｂの各第１の量子ドット１２ａ,１２ｂに対する供給をカウントすべきデジタル信号と連動させることにより、これに応じた光強度からなる出力信号としての出力光を生成する。例えば、２進数で表わされる２ビットのデジタル信号（ａ０,ａ１）につき、Ａ０＝ａ１＋ａ０（ａ１〜ａ０は、１か０の何れかの値を取る）を求める場合には、ａ０の値を信号光Ａで規定し、ａ１の値を信号光Ｂで規定する。
【００４５】
ここでａ０の値が１である場合には、波長λ１の信号光Ａを供給する（Ｈレベルとする）。これに対して、ａ０の値が０である場合には、かかる波長λ１の信号光Ａの供給を停止する（Ｌレベルとする）。信号光Ａが供給された第１の量子ドット１２内では、量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されるところ、当該励起子が第２の量子ドット１３の量子準位（２,２,２）へ移動し、さらにその下位準位へ遷移することにより発光するため、出力光として出力信号の光強度に寄与することになる。これに対して、信号光Ａが供給されなかった第１の量子ドット１１内では、量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されることはないため、励起子が第２の量子ドット１３の量子準位（２,２,２）へ移動することがなく、これが出力光としての出力信号の光強度に寄与することはなくなる。
【００４６】
同様に、ａ１の値が１である場合には、波長λ２の信号光Ｂを供給する。これに対して、ａ１の値が０である場合には、かかる波長λ２の信号光Ｂの供給を停止する。周波数λ２の信号光Ｂが供給された第１の量子ドット１２内では、量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されるところ、当該励起子が第２の量子ドット１３の量子準位（２,１,１）へ移動し、さらにその下位準位へ遷移することにより発光するため、出力光としての出力信号の光強度に寄与することになる。これに対して、信号光Ｂが供給されなかった第１の量子ドット１２内では、量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されることはないため、励起子が第２の量子ドット１３の量子準位（２,１,１）へ移動することがなく、これが出力光としての出力信号の光強度に寄与することはなくなる。
【００４７】
例えばａ１＝０,ａ０＝０で表されるデジタル信号（２進法表記として００）につきＡ０を求める場合には、何れの第１の量子ドット１２に対して信号光が供給されることがなくなり、第２の量子ドット１３へ伝送される励起子の量も最も少なくなり、これらの放出に基づく出力光の光強度Ｌ０は、最小になる。
【００４８】
これに対して、ａ１＝０,ａ０＝１で表されるデジタル信号（２進法表記として１０）につきＡ０を求める場合には、第１の量子ドット１２ａのみに信号光Ａが供給されることになり、第２の量子ドット１３へ伝送される励起子の量が増加するため、これらの放出に基づく出力光の光強度Ｌ１も増加することになる。
【００４９】
また、ａ１＝１,ａ０＝１で表されるデジタル信号（２進法表記として１１）につきＡ０を求める場合には、第１の量子ドット１２ａに信号光Ａが供給され、また第１の量子ドット１２ｂに信号光Ｂが供給されることになり、第２の量子ドット１３へ伝送される励起子の量は、ａ１＝０,ａ０＝１で表されるデジタル信号の場合と比較して増加するため、これらの放出に基づく出力光の光強度Ｌ２もＬ１の２倍近くになる。
【００５０】
即ち、これら出力光の光強度に対する供給される信号数の関係を事前に調査しておくことにより、出力光の光強度を識別するのみにで、デジタル信号の各ビットにおけるＨレベルの数を和算した結果を得ることができる。
【００５１】
このように、本発明を適用した演算回路１では、和算すべきデジタル信号の各ビットに対応した互いに異なる波長の信号光が供給され、当該供給された信号光に応じてそれぞれ励起子が励起される複数の第１の量子ドット１２と、これらの量子準位から励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有する第２の量子ドット１３を基板上に形成させている。
【００５２】
このため、和算すべきデジタル信号のビットに対応した信号光の供給状態を制御することにより、第１の量子ドット１２から第２の量子ドット１３へ流れ込むエネルギーの合計を制御することができ、放出される出力信号としての出力光の光強度がこれに支配されることから、供給される信号数をカウントした、換言すればデジタル信号のビット１の合計を表した和算回路を実現することができる。仮に入力可能なデジタル信号のビット数がＮ存在する場合には、この演算回路１により以下の（２）式により表されるＡ０を求めることも可能となる。
【００５３】
【数１】
【００５４】
特に本発明を適用した演算回路１では、光の回折限界に支配されることなく、ナノメータサイズの量子ドット間で和算を行うことができ、これを用いることにより、高機能光デバイスをナノ寸法で実現することも可能となる。
【００５５】
なお、本発明は、上述の如き複数の入力信号の和を求める和算回路としての演算回路１に限定されるものではなく、例えば、複数の入力信号の積和として表される出力信号を生成する演算回路２に適用してもよい。
【００５６】
この演算回路２において、上述した演算回路１と同一の構成、要素については、同一の番号を付すことによりここでの説明を省略する。
【００５７】
演算回路２は、例えば図７に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の導電性材料により構成される基板１１と、基板１１の表面上において形成されている１つの出力側の第２の量子ドット１３と、当該第２の量子ドット１３の周囲において離散的に形成されている複数の第１の量子ドット１２からなる量子ドットグループ２０とを備えている。以下の説明においては、量子ドットグループ２０が２つの第１の量子ドット１２ａ,１２ｂにより構成される場合を例に挙げて説明をする。
【００５８】
第１の量子ドット１２ａの近傍には、第３の量子ドット１６ａ、第４の量子ドット１７ａの２つが形成されており、また第１の量子ドット１２ｂの近傍には、第３の量子ドット１６ｂ、第４の量子ドット１７ｂの２つが形成されている。これら第３の量子ドット１６、第４の量子ドット１７を以下演算部１０と総称する。
【００５９】
演算部１０を構成する各量子ドット１６,１７は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。この量子ドット１６,１７間において、励起子の閉じ込め系により、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。
【００６０】
この演算部１０を構成する各量子ドット１６,１７には、近接場光としての信号光がそれぞれ独立に供給される。ここで、第３の量子ドット１６ａに供給される近接場光を信号光ＳＡ１とし、第４の量子ドット１７ａに供給される近接場光を信号光ＳＡ２とする。第３の量子ドット１６ｂに供給される近接場光を信号光ＳＢ１とし、第４の量子ドット１７ｂに供給される近接場光を信号光ＳＢ２とする。これら信号光ＳＡ１, 信号光ＳＡ２は、基板１１に形成されたプラズモン導波路４１、４２を介してそれぞれ各量子ドット１６ａ,１７ａに供給され、信号光ＳＢ１, 信号光ＳＢ２は、基板１１に形成されたプラズモン導波路４３、４４を介してそれぞれ各量子ドット１６ｂ,１７ｂに供給されることになるが、かかる場合に限定されるものではなく、例えば各量子ドット１６,１７に近接された図示しない近接場光プローブを介して供給されるようにしてもよい。
【００６１】
即ち、この演算回路２では、第３の量子ドット１６ａ,１６ｂ及び／又は第４の量子ドット１７ａ,１７ｂに対して、信号光ＳＡ１, 信号光ＳＢ１,信号光ＳＡ２,信号光ＳＢ２がそれぞれ独立に供給される。第１の量子ドット１２ａ,１２ｂは、演算部１０を構成する量子ドット１６,１７へ供給された信号光ＳＡ１,信号光ＳＢ１,信号光ＳＡ２,信号光ＳＢ２に応じて、励起子を第２の量子ドット１３へ移動させる。
【００６２】
ここで、第１の量子ドット１２ａとその近傍に形成された第３の量子ドット１６ａ、第４の量子ドット１７ａに着目した場合に、信号光ＳＡ１,ＳＡ２が供給されている状態をＨレベルとし、信号光ＳＡ１,ＳＡ２が供給されていない状態をＬレベルとすれば、演算回路２は、信号光ＳＡ１,ＳＡ２に応じて励起子の移動をＯＮ／ＯＦＦすることにより、Ｈレベルの信号値、Ｌレベルの信号値を論理演算するための回路として機能することになる。
【００６３】
ちなみに、量子ドット１６,１７は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、作製方法についても、ブリッジマン法や分子エピタキシー（ＭＢＥ）成長法等に基づくことになる。
【００６４】
第３の量子ドット１６並びに第４の量子ドット１７は、互いに近接場光によりコヒーレントに結合するような位置関係になるように、基板１１上に形成される。このとき、第３の量子ドット１６並びに第４の量子ドット１７は、第１の量子ドット１２を介して対称となるように基板１１上に形成される。このとき、図８に示すように、第１の量子ドット１２を頂点として第３の量子ドット１６と第４の量子ドット１７との間で二等辺三角形が形成されるようにしてもよい。
【００６５】
次に、本発明を適用した演算回路２の動作につき説明をする。この演算回路２は、基板上１１に形成された量子ドット１２,１３,１６,１７間に生じる特有の光物理現象に基づいて、積和演算素子として動作する。かかる場合においては、第１の量子ドット１２と量子ドット１６,１７との間ではＡＮＤ演算素子として機能し、第１の量子ドット１２と、第２の量子ドット１３との間では和算演算素子として機能することになる。
【００６６】
図９は、各量子ドット１２,１６,１７を構成する材料系がＣｕＣｌである場合のエネルギ図を示している。上述の式（１）に基づき、各量子ドット１２,１６,１７のＥ（nx,ny,nz）を計算する。このとき、第３の量子ドット１６と第４の量子ドット１７の辺長比を、およそ１：１としたとき、第３の量子ドット１６における量子準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、第４の量子ドット１７における量子準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）とが等しくなる。すなわち、第３の量子ドット１６の量子準位（１,１,１）と、第４の量子ドット１７の量子準位（１,１,１）は、励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。実際これらの間で共鳴を起こさせるために、第１の量子ドット１６における量子準位（１,１,１）に対応する波長をもつ光を、信号光ＳＡとして供給し、或いは、第４の量子ドット１７における量子準位（１,１,１）に対応する波長をもつ光を、信号光ＳＡ２として供給する必要がある。
【００６７】
かかる共鳴が生じる場合に、第３の量子ドット１６に存在する量子準位（１,１,１）に存在する励起子が、第４の量子ドット１７における量子準位（１,１,１）へ移動し、また第４の量子ドット１７の量子準位（１,１,１）に存在する励起子が、第３の量子ドット１６における量子準位（１,１,１）へ移動するが、量子ドット１６,１７間において励起子がコヒーレントに結合して、見かけ上１つの励起モードが形成される。
【００６８】
即ち、この演算回路２は、辺長比がそれぞれ１：１であるほぼ同一の形状、サイズからなる各量子ドット１６,１７を基板１１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、互いの量子準位（１,１,１）間において１つの励起モードを形成させることができる。
【００６９】
図９は、第１の量子ドット１２ａとその近傍に形成された第３の量子ドット１６ａ、第４の量子ドット１７ａに着目した場合に、第３の量子ドット１６ａに信号光ＳＡ１が供給され、また第４の量子ドット１７ａに信号光ＳＡ２が供給された結果、基底準位から２ｈ１のエネルギー差を有する励起エネルギー準位Ｐ２へ２つの励起子が励起された状態（２励起子状態）を示している。かかる状態を初期状態としたとき、何れか一の励起子が第１の量子ドット１２ａへ注入された結果、第３の量子ドット１６ａ,第４の量子ドット１７ａ間において１つの励起子が存在し、また第１の量子ドット１２ａに１つの励起子が存在する場合を終状態という。
【００７０】
この終状態において、演算部１０を構成する第３の量子ドット１６ａ,第４の量子ドット１７ａ間で１つの励起子のみが励起された状態となるため、近接場光結合の強さＵに応じてエネルギーが分離する。この分離されたエネルギーの高準位側をエネルギー準位Ｓ２とし、低準位側をエネルギー準位Ａ２とし、さらに第１の量子ドット１２ａにつき基底準位からｈ２のエネルギー差がある場合に、エネルギー準位Ｓ２と基底準位とのエネルギー差は、ｈ１＋ｈ２＋Ｕとなる。
【００７１】
ここで初期状態における励起エネルギー準位Ｐ２が、終状態におけるエネルギー準位Ｓ２と等しくなる場合に共鳴が生じるため、共鳴の条件は、ｈ１＋ｈ２＋Ｕ＝２ｈ１で表される。ここで、かかる共鳴の条件式を整理すると、Δｈ＝ｈ２−ｈ１＝−Ｕとなり、第１の量子ドット１２ａにおける量子準位（エネルギー準位Ｓ２）をｈ１より近接場光結合の強さＵ分だけ低く調整することにより、上記共鳴効果を得ることが可能となる。
【００７２】
第１の量子ドット１２ａにおける量子準位Ｓ２に注入された励起子は、下位のエネルギー準位へ放出される。ちなみに、かかる下位のエネルギー準位を上述した第２の量子ドット１３における一の量子準位と共鳴する関係にあれば、この放出された励起子を信号光Ａとして第２の量子ドット１３へと移動させることが可能になる。
【００７３】
なお、エネルギー準位Ａ２と、励起エネルギー準位Ｐ２とは、上述したメカニズムにより互いに禁制となるため共鳴することはない。
【００７４】
即ち、本発明を適用した演算回路１は、第３の量子ドット１６又は第４の量子ドット１７の双方に信号光が供給された場合、換言すれば量子ドット１６,１７にそれぞれＨレベルの信号が供給された場合には、上述した共鳴効果により励起子が放出され、これが第２の量子ドット１３へと移動する。これは、第１の量子ドット１２に対してＨレベルの入力信号が供給されたことに相当する。
【００７５】
これに対して、第３の量子ドット１６又は第４の量子ドット１７の何れに対しても信号光が供給されなかった場合、また第３の量子ドット１６又は第４の量子ドット１７の何れか一方のみに信号光が供給された場合には、上述した共鳴も起こらず、励起子の放出も起こらないことから、これが第２の量子ドット１３へと移動することもなくなる。これは、第４の量子ドット１７に対してＬレベルの入力信号が供給されたことに相当する。
【００７６】
このため、本発明を適用した演算回路２における演算部１０並びに第１の量子ドット１２は、第３の量子ドット１６並びに第４の量子ドット１７に対して、それぞれ（Ｈ,Ｈ）の信号が供給された場合には、Ｈレベルの信号を出力し、（Ｈ,Ｌ）、（Ｌ,Ｈ）、（Ｌ,Ｌ）の信号が供給された場合には、Ｌレベルの信号を出力する、いわゆるＡＮＤ演算素子として作用することになる。
【００７７】
なお本発明を適用した演算回路２は、あくまで第１の量子ドット１２を介して第３の量子ドット１６並びに第４の量子ドット１７が互いに対称となるように形成されている、いわゆる対称な系であることが前提となる。このような対称な系において、１励起子状態である場合のポピュレーションを計算すると、図１０(a)に示すように、各量子ドット１６,１７に対して第１の量子ドット１２が正に階調された場合（Δｈ＝＋Ｕ）に、演算部１０から第１の量子ドット１２へ共鳴的なエネルギーの移動が生じることが分かる。ちなみに、かかる場合におけるポピュレーションは、確率０．５まで上昇することになる。
【００７８】
また、２励起子状態である場合のポピュレーションは、図１０(b)に示すように、各量子ドット１６,１７に対して第１の量子ドット１２が負に階調された場合（Δｈ＝−Ｕ）に、演算部１０から第１の量子ドット１２へ共鳴的なエネルギーの移動が生じることが分かる。かかる場合におけるポピュレーションは、確率１．０付近まで上昇することになる。
【００７９】
なお、上述した実施の形態では、第１の量子ドット１２における量子準位（励起エネルギー準位Ｓ２）をｈ１より近接場光結合の強さＵ分だけ低く調整する場合を例にとり説明をしたが、これに限定されるものではなく、励起エネルギー準位をｈ１よりも低準位であれば、上述とほぼ同様の効果を得ることが可能となる。
【００８０】
また、このＡＮＤ演算素子として作用する演算部１０を構成する２つの量子ドット１６、１７並びに１つの第１の量子ドット１２を単位として、これを第２の量子ドット１３の周囲に離散的に形成することにより、ＡＮＤ演算素子から出力されたＨレベルの信号光の数をカウントした出力信号としての出力光を生成することができる。
【００８１】
例えば、信号光ＳＡ１,ＳＡ２の信号レベルが（Ｌ,Ｌ）であり、信号光ＳＢ１,ＳＢ２の信号レベルが（Ｈ,Ｌ）である場合には、第２の量子ドット１３へ伝送される励起子の量も最も少なくなり、これらの放出に基づく出力光の光強度Ｌ０は、最小になる。
【００８２】
これに対して、信号光ＳＡ１,ＳＡ２の信号レベルが（Ｈ,Ｈ）であり、信号光ＳＢ１,ＳＢ２の信号レベルが（Ｈ,Ｌ）である場合には、第２の量子ドット１３へ伝送される励起子は、第１の量子ドット１２ａのみからとなり、これらの放出に基づく出力光の光強度Ｌ１も増加することになる。
【００８３】
これに対して、信号光ＳＡ１,ＳＡ２の信号レベルが（Ｈ,Ｈ）であり、信号光ＳＢ１,ＳＢ２の信号レベルが（Ｈ,Ｈ）である場合には、第２の量子ドット１３へ伝送される励起子は、第１の量子ドット１２ａ並びに第１の量子ドット１２ｂからとなり、これらの放出に基づく出力光の光強度Ｌ２もＬ１の２倍近くになる。
【００８４】
即ち、これら出力光の光強度に対する供給される信号数の関係を事前に調査しておくことにより、出力光の光強度を識別するのみにで、信号光の論理和の数を和算した結果を得ることができる。特に、本発明を適用した演算回路２においては、光の回折限界に支配されることなく、ナノメータサイズの量子ドット間で積和演算を行うことができ、これを用いることにより、高機能光デバイスをナノ寸法で実現することも可能となる。
【００８５】
ちなみに、本発明を適用した演算回路２では、図１１に示すように、Ｎビットの情報として表される入力信号ａ１〜ａＮに対して、予め用意したＮ個のエレメントとしての参照信号ｂ１〜ｂＮが同じか否かを判別するいわゆるマッチング演算を行うこともできる。かかる場合には、以下の（３）式に示すように、入力信号に対して参照信号をビット毎に掛け算し、求めた積の総和Ｙ０を求める。
【００８６】
【数２】
【００８７】
この求めた積の総和Ｙ０が、参照信号として示されるエレメントに対してどのくらい類似しているかを識別することによりマッチング演算が実現されることになる。
【００８８】
以下のマッチング演算例の説明においては、２つの内部変数を定義する。信号レベルがＨである場合の論理１は（１０）とし、また信号レベルがＬである場合の論理０は（０１）で表現するものとする。このとき、４ビットの入力信号（１０１０）は、上記の情報表現により図１２に示すようにａ＝（１００１１００１）と表現されることになる。他方、参照信号を（１０１０）とした場合には、同様の情報表現によりｂ＝（１００１１００１）となる。
【００８９】
ここで各ビットにつき積演算を行うと、結果は図１２に示すようにａ・ｂ＝（１００１１００１）となる。この得られた８ビットにつき、和演算を行うと４になる。これは入力信号のビット数と等しいため、入力信号と参照信号がマッチしていることを判定することができる。
【００９０】
同様に、４ビットの入力信号が（１１１０）であるときには、上記の情報表現により図１３に示すようにａ＝（１０１０１００１）と表現されることになる。この入力信号に対して参照信号ｂを掛け算すると、図１３に示すように、ａ・ｂ＝（１０００１００１）となる。この得られた８ビットにつき、和演算を行うと３になる。これは入力信号のビット数と異なるため、入力信号と参照信号がマッチしていないことを判定することができる。
【００９１】
さらにこの参照信号は、いわゆる任意ビット（Ｄｏｎｔ’Ｃａｒｅ）を含むテーブルデータとして表し、これと入力信号をマッチングさせるようにしてもよい。例えば図１４に示すように、任意ビットを（１１）で表現する場合に、この任意ビットとの積演算は、論理１に対しても、論理０に対しても１となる。
【００９２】
例えば図１４に示すように、任意ビット＊を含むテーブルデータ（１＊１０）は、上記の情報表現においてｂ＝（１０１１１００１）で表されるが、これに対して４ビットの入力信号（１１１０）（上記の情報表現によりａ＝（１０１０１００１）と表現される）を掛け算するとａ・ｂ＝（１０１０１００１）となる。この得られた８ビットにつき和演算を行うと４になる。
【００９３】
同様に４ビットの入力信号（１０１０）（上記の情報表現によりａ＝（１００１１００１）と表現される）を掛け算するとａ・ｂ＝（１００１１００１）となる。この得られた８ビットにつき和演算を行うと４になる。
【００９４】
即ち、４ビットの入力信号が（１１１０）であっても、（１０１０）であっても積和演算の結果は４となる。
【００９５】
このような任意ビットを設けることは、Ｌｏｎｇｅｓｔ Ｐｒｅｆｉｘ Ｍａｔｃｈ判定が求められるインターネットのルーティングにおいて重要な役割を果たすことになる。
【００９６】
本発明を適用した演算回路２により上述のマッチング演算を行う場合には、４ビットの入力信号を供給することができるように、ＡＮＤ演算素子として作用する第３の量子ドット１６、第４の量子ドット１７並びに第１の量子ドット１２を１単位として、これを基板１１上において４単位分形成させる。そして、４ビットの入力信号の論理１、論理０に応じて、信号レベルをＨ又はＬに切り替え、これを演算部１０の第３の量子ドット１６へ供給する。また予め設定された４ビットの参照信号につき、論理１、論理０又は任意ビットに応じて信号レベルを切り替え、これを演算部の第４の量子ドット１７へ供給する。その結果、第２の量子ドット１３からの出力信号としての出力光の光強度から、式（３）に基づいて演算された論理積の総和を得ることが可能となる。
【００９７】
ちなみに、本発明を適用した演算回路２では、Ｎビットの情報として表される入力信号ａは２ビットで表現する場合には、例えば図１５に示すように、第ｉビットは（ａｉ，０、ａｉ，１）と表現されることになり、これに対応させる参照信号も第ｉビットは（ｂｉ，０、ｂｉ，１）と表現されることになる。このときのＡＮＤ演算素子においては、ａｉ，０・ｂｉ，０とａｉ，１・ｂｉ，１が演算され、最終的には、以下の式（４）に示すような積和演算結果Ｚ０が出力信号として得られることになる。
【００９８】
【数３】
【００９９】
かかる場合にはＮビットの入力信号に対して、予め用意したＮ個のエレメントとしての参照信号ｂ１〜ｂＮを供給するため、全部で２Ｎ個の信号を演算部１０へ供給することになるが、かかる場合に限定されるものではなく、例えば図１６に示すように、デジタル化された入力信号を複数に分割するとともに、分割した入力信号を互いに時間間隔をおいて演算部１０へ供給するようにしてもよい。
【０１００】
かかる場合において、先ず入力信号のビットをａ１，０〜ａＮ，０と、ａ１，１〜ａＮ，１の２つに分割する。この分割した入力信号のうち、ａ１，０〜ａＮ，０を時刻ｔ＝０において演算部１０へ供給するとともに、これに対する参照信号ｂ１，０〜ｂＮ，０を同時に供給する。その結果、出力信号は、各ビットの積とその総和が式（５）に基づいて求められる。
【０１０１】
次に時刻ｔ＝Δｔにおいて、この分割した入力信号のうちａ１，１〜ａＮ，１を演算部１０へ供給するとともに、これに対する参照信号ｂ１，１〜ｂＮ，１を同時に供給する。その結果、出力信号は、各ビットの積とその総和が式（６）に基づいて求められる。
【０１０２】
最後にこれら出力信号を足すことにより、入力信号の全ビットに対する参照信号の積和演算結果を得ることができる。この積和演算結果は、上述の（４）式により定義することができる。
【０１０３】
このように分割したＮビットの入力信号につき時間間隔をおいて演算部１０へ供給することにより、実質的にはＮ個の信号を入力するだけでその積和演算を行うことも可能となる。
【０１０４】
なお、本発明を適用した演算回路２は、例えば図１７に示すような、いわゆるコンテンドアドレッサブルメモリに適用することも可能である。
【０１０５】
例えば、入力情報Ａがシステム内に入力された場合に、当該入力情報Ａがメモリ内に格納されているデータＢ１〜ＢＭのうち何れに最も類似するかを識別する。そして最も類似するデータＢ１〜ＢＭのアドレスを返すことにより、これを入力情報Ａに対するマッチングアドレスとすることが可能となる。
【０１０６】
また、本発明を適用した演算回路２は、さらに図１８に示すようなマッチング機構３に応用することも可能となる。
【０１０７】
このマッチング機構３においては、上述の信号レベルＨを示す“ｐ”と、信号レベルＬを示す“０”で表される光符号分割多重化された信号Ｄ１の符号列が入力された場合には、これをマッチング時に参照する参照信号Ｊの数に応じて複製する。仮に参照信号の数がＮ個存在する場合には、この信号Ｄ１につきＮ個複製する。
【０１０８】
次に、上述の演算回路２により、複製した信号Ｄ１と、各参照信号Ｊ１〜ＪＮとの間で積和演算を行う。かかる場合には、信号Ｄ１を構成する各符号とこれに対応する参照信号の符号とを量子ドット１６,１７に供給することによりマッチング処理を行う。ちなみに、１の参照信号Ｊと、信号Ｄ１との間の積和演算に対して、１の演算回路２が必要となるため、参照信号の数がＮ個存在する場合には、演算回路２もＮ個必要となる。 このマッチング機構３においては、得られた積和演算結果より、信号Ｄ１と最も類似度の高い参照信号Ｊを識別することができ、これを図示しない表示面を介して出力することで処理を終了する。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明を適用した量子ドットによる演算回路の構成を示す図である。
【図２】本発明を適用した量子ドットによる演算回路における量子ドットのエネルギー準位につき説明するための図である。
【図３】ポピュレーションの時間変化のシミュレーション結果につき示す図である。
【図４】第２の量子ドットからの出力光の光強度変化についての実験結果を示す図である。
【図５】第２の量子ドットからの出力光の光強度変化についての実験結果を示す他の図である。
【図６】第１の量子ドットから第２の量子ドットへの集光の様子を空間域で評価した結果を示す図である。
【図７】積和演算処理を行うことが可能な量子ドットによる演算回路の構成を示す図である。
【図８】演算回路において、基板上に形成された量子ドットの位置関係につき説明するための図である。
【図９】対称な系におけるダイナミクスを示す図である。
【図１０】各励起子状態におけるポピュレーションの経時的な変化を示す図である。
【図１１】Ｎビットの情報として表される入力信号ａ１〜ａＮに対してマッチング演算を行う例を示す図である。
【図１２】ａを（１００１１００１）とした場合におけるマッチング演算例を示す図である。
【図１３】ａを（１０１０１００１）とした場合におけるマッチング演算例を示す図である。
【図１４】任意ビットを設ける場合におけるマッチング演算例を示す図である。
【図１５】Ｎビットの情報として表される入力信号ａは２ビットで表現する場合につき説明するための図である。
【図１６】デジタル化された入力信号を複数に分割するとともに、分割した入力信号を互いに時間間隔をおいて演算部へ供給する例につき説明するための図である。
【図１７】本発明を適用した演算回路をいわゆるコンテンドアドレッサブルメモリに適用する例につき説明するための図である。
【図１８】本発明を適用した演算回路をマッチング機構に応用する例につき説明するための図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１,２ 演算回路、３ マッチング機構、１１ 基板、１２ 第１の量子ドット、１３ 第２の量子ドット、１６ 第３の量子ドット、１７ 第４の量子ドット、２０ 量子ドットグループ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にナノスケールの光通信ネットワーク、光計測等の分野に適用される量子ドットを用いた演算回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体微細加工技術の発展により、量子力学的効果が顕著に現れるサイズまでに微細な構造をもつ半導体素子が実現されている（例えば、非特許文献１参照。）。この量子力学的効果を利用した半導体素子として、例えばＨＢＴ(Hetero-junction Bipolar Transistor)や量子井戸レーザ等が実用化されている。また量子力学的効果を利用し、単一電子を制御することにより電子の粒子性を極限まで利用するナノスケールの量子ドットが注目されている。
【０００３】
量子ドットは、上述した半導体微細加工技術を用いることにより、励起子に三次元的な量子閉じ込めを与えるほど微細なポテンシャルの箱を形成したものである。この励起子の閉じ込め系を利用し、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度がデルタ関数的に尖鋭化する。この量子ドットにおける尖鋭化した状態間における光の吸収を利用する単一電子メモリや、量子ドットを出入りする単一電子をＯＮ／ＯＦＦ動作させる単一電子トランジスタが既に研究されており、単一電子のナノスケール操作が実現化されつつある。
【０００４】
【非特許文献１】M.Ohtsu,K.Kobayashi,T.Kawazoe,S.Sangu,T.Yatsui,IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.,to be published Vol8.No4 2002July-Aug,P839-P862
【非特許文献２】M.J.O'Mahony, D. Simeonidou, D. K. Hunter, A.Tzanakaki, IEEE Commn.Mag.39,128(2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、将来の大容量情報処理への要求に応えるべく、光の回折限界に支配されることなく演算処理、情報処理、遅延処理等を行うことができるナノスケールの演算回路、遅延回路等の実現が望まれている。
【０００６】
しかしながら、かかるナノスケールの回路を電子デバイスで実現化しようとした場合、量子的なゆらぎが生じてしまうという問題点があり、また光デバイスで実現しようとした場合には、やはり光の回折限界により微小化が制限されてしまうという問題点がある。例えば、主要データを電気領域に変換せずに処理することができる光パケットスイッチング（例えば、非特許文献２参照。）も提案されている。しかしながら、かかるスイッチング技術については、解決しなければならない様々な課題が存在する。例えばパケットのヘッダーとの照合演算に特定の導波路デバイスを多数実装しなければならず、必要な固体デバイスの規模が大きく集積性に難がある。
【０００７】
また、入力信号(コンテント)がメモリシステムに入力され、これにマッチするメモリ内アドレスが返されるコンテントアドレッサブルメモリ（Ｃｏｎｔｅｎｔ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｍｅｍｏｒｙ（ＣＡＭ））が特に近年において提案されており、Ｒｏｕｔｉｎｇ、Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ Ｌｏｏｋ―Ａｓｉｄｅ Ｂｕｆｆｆｅｒ（ＴＬＢ）、Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、Ｄａｔａ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ（ＬＺＷ）等に応用されている。
【０００８】
かかるＣＡＭ機構の実現には、複数ビットのデータ全体についての評価機構が重要になるが、ＭＯＳトランジスタ等による既存の電子回路では、消費電力が大きくなり実現が困難になるという問題がある。またこれを実現するための光学的手段として、Position sensitive diode (PSD)により光電流加算する手法や、受光素子アレイを用いて電気領域へ変換した上でプロセッサ上で大域的演算する手法が提案されているが何れも集積性に難がある。
【０００９】
また、かかるＣＡＭ機構における光学的なデータのマッチング機構として、光領域符号分割多重を用いる方式があるが、各符号に対して個別に導波路デバイスを準備する必要があり、これも集積性に難がある。
【００１０】
更に、量子デバイスでＣＡＭ機構を実現化しようとした場合には、コヒーレンス性において長期に亘る信頼性を確保することが困難になるという問題点がある。このため、実用的なナノスケールの回路自体が未だ案出されていないのが現状である。
【００１１】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出し、光の回折限界に支配されることなく和演算や積和演算を始めとした演算処理等を行うことができる演算回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、上述した課題を解決するために、入力信号に対応した互いに異なる周波数の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された信号光の周波数に応じてそれぞれ励起子がエネルギー準位に励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドットからなる入力側量子ドットグループと、各エネルギー準位との共鳴に応じて入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットから基板を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて各信号光より長波長の出力光を出力信号として生成する出力側の量子ドットとを基板上に形成させた演算回路を発明した。
【００１３】
即ち、本発明に係る演算回路は、複数の入力信号の和として表される出力信号を生成する演算回路において、誘電性の基板と、入力信号に対応した互いに異なる周波数の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された信号光の周波数に応じてそれぞれ励起子がエネルギー準位に励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドットを基板上に形成させた入力側量子ドットグループと、各エネルギー準位との共鳴に応じて入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットから基板を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて各信号光より長波長の出力光を出力信号として生成する出力側の量子ドットとを備える。
【００１４】
即ち、本発明に係る演算回路は、複数の入力信号の積和として表される出力信号を生成する演算回路において、誘電性の基板と、入力信号に対応した第１の信号光並びに第２の信号光がそれぞれ供給され、当該 供給された第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、供給される第２の信号光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、第１,第２のエネルギー準位よりも低準位の第３のエネルギー準位を有する第３の量子ドットからなり、第３の量子ドットを介して第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに対称となるように基板上に形成されている複数の入力側量子ドットグループと、第３の量子ドットにおける第３のエネルギー準位との共鳴に応じて各入力側量子ドットグループから励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力信号としての出力光を生成する出力側の量子ドットとを備える。
【００１５】
即ち、本発明に係る演算回路は、デジタル化された入力信号に対する参照信号の積和として表される出力信号を生成する演算回路において、誘電性の基板と、入力信号の各ビットに対応した第１の信号光がそれぞれ供給されるとともに、当該各ビットと積算するための参照信号の各ビットに対応した第２の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、供給される第２の信号光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、第１,第２のエネルギー準位よりも低準位の第３のエネルギー準位を有する第３の量子ドットからなり、第３の量子ドットを介して第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに対称となるように基板上に形成されている複数の入力側量子ドットグループと、第３の量子ドットにおける第３のエネルギー準位との共鳴に応じて各入力側量子ドットグループから励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力信号としての出力光を生成する出力側の量子ドットとを備える。
【００１６】
即ち、本発明に係る演算回路は、デジタル化された入力信号の各参照信号に対する類似度を求める演算回路において、入力信号と、互いに異なる参照信号がそれぞれ供給される複数の演算処理手段と、各演算処理手段から出力される出力信号に基づいて類似度を識別する類似度識別手段を備え、各演算処理手段は、誘電性の基板と、入力信号の各ビットに対応した第１の信号光がそれぞれ供給されるとともに、当該各ビットと積算するための参照信号の各ビットに対応した第２の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、供給される第２の信号光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、第１,第２のエネルギー準位よりも低準位の第３のエネルギー準位を有する第３の量子ドットからなり、第３の量子ドットを介して第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに対称となるように基板上に形成されている複数の入力側量子ドットグループと、第３の量子ドットにおける第３のエネルギー準位との共鳴に応じて各入力側量子ドットグループから励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて出力信号としての出力光を生成する出力側の量子ドットとを備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出しつつ、入力信号に対応した互いに異なる周波数の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された信号光の周波数に応じてそれぞれ励起子がエネルギー準位に励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドットからなる入力側量子ドットグループと、各エネルギー準位との共鳴に応じて入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットから基板を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて各信号光より長波長の出力光を出力信号として生成する出力側の量子ドットとを基板上に形成させる。
【００１８】
これにより、本発明では、光の回折限界に支配されることなく演算処理を行うことができるナノスケールの回路を提供することが可能となり、将来の大容量情報処理への要求に応えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
先ず、本発明を適用した量子ドットによる演算回路１について説明をする。演算回路１は、複数の入力信号の和として表される出力信号を生成する演算回路であって、例えば図１に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の導電性材料により構成される基板１１と、基板１１の表面上において形成されている１つの出力側の第２の量子ドット１３と、当該第２の量子ドット１３の周囲において離散的に形成されている複数の第１の量子ドット１２からなる量子ドットグループ２０とを備えている。以下の説明においては、量子ドットグループ２０が２つの第１の量子ドット１２ａ,１２ｂにより構成される場合を例に挙げて説明をする。
【００２１】
量子ドットグループ２０を構成する各量子ドット１２ａ,１２ｂ、並びに第２の量子ドット１３は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。この量子ドット１２,１３間において、励起子の閉じ込め系により、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。
【００２２】
この量子ドットグループ２０を構成する各量子ドット１２ａ,１２ｂには、近接場光としての信号光がそれぞれ独立に供給される。ここで第１の量子ドット１２ａに供給される近接場光を信号光Ａとし、第１の量子ドット１２ｂに供給される近接場光を信号光Ｂとする。これら信号光Ａ, 信号光Ｂは、基板１１に形成されたプラズモン導波路３１、３２を介してそれぞれ各量子ドット１２ａ,１２ｂに供給されるが、かかる場合に限定されるものではなく、例えば各量子ドット１２ａ,１２ｂに近接された図示しない近接場光プローブを介して供給されるようにしてもよい。
【００２３】
第２の量子ドット１３は、第１の量子ドット１２ａ、或いは第１の量子ドット１２ｂから注入される励起子に応じて出力光を生成する。第２の量子ドット１３の周囲には、生成した出力光を伝搬させて外部出力するためのプラズモン導波路３３が設けられている。
【００２４】
即ち、この演算回路１では、第１の量子ドット１２ａ,１２ｂに対して、信号光Ａ,信号光Ｂがそれぞれ独立に供給される。第２の量子ドット１３は、量子ドットグループ２０を構成する量子ドット１２ａ,１２ｂへ供給された信号光Ａ,Ｂに応じて、出力光を生成する。
【００２５】
ちなみに、各量子ドット１２,１３は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなる。ちなみに、各量子ドット１２,１３を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは立方体として構成され、また各量子ドット１２,１３を構成する材料系がＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。
【００２６】
これら各量子ドット１２,１３は以下のブリッジマン法を用いることにより、基板１１上に形成させることができる。各量子ドット１２,１３を構成する材料系として上記ＣｕＣｌを用いる場合において、先ずＣｕＣｌの粉末と、ＮａＣｌの粉末を混合して約８００℃の温度で融解する。次に、上下方向に温度勾配が施された炉内へ上記融解した混合粉末をつり下げ、数ｍｍ/ｈの速度で炉内を上下移動させることにより、混合粉末内部に温度勾配を作り出して序々に結晶化させてゆく。そして約２００℃程度の温度で数分から数１０分間熱処理をすると、ＣｕＣｌの量子ドット１２,１３を包含したＮａＣｌ結晶を作製することができる。ちなみに、このブリッジマン法では、熱処理温度や熱処理時間を変えることにより、生成する量子ドット１２,１３のサイズを自在に制御することもでき、これらを１００ｎｍ以下の領域に並べて形成させることも可能となる。
【００２７】
なお、これら各量子ドット１２,１３は、更に分子エピタキシー（ＭＢＥ）成長法に基づいて基板１１上に作製してもよいし、また近接場光ＣＶＤを利用して量子ドットの形成位置を精度よく制御してもよい。
【００２８】
各量子ドット１２,１３における量子閉じ込め準位Ｅ（nx,ny,nz）は、粒子の質量をmとし、また量子ドットの辺長をLとしたときに、以下の式（１）により定義される。
Ｅ（nx,ny,nz）＝h2/8π2m（π/L）2（nx2+ny2+nz2）・・・・・（１）
この式（１）に基づき、各量子ドット１２,１３のＥ（nx,ny,nz）を計算する。ここで量子ドット１２ａと、量子ドット１２ｂと、量子ドット１３との辺長比が、およそ１：√２：２であるとき、図２に示すように、第１の量子ドット１２ａにおける量子準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、第２の量子ドット１３における量子準位が（２,２,２）であるときのＥ（２２２）とが等しくなる。また第１の量子ドット１２ｂにおける量子準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、第２の量子ドット１３における量子準位が（２,１,１）であるときのＥ（２１１）とが等しくなる。即ち、第１の量子ドット１２ａの量子準位（１,１,１）、第１の量子ドット１２ｂの量子準位（１,１,１）は、第２の量子ドット１３における各量子準位（２,２,２）, （２,１,１）と、それぞれ励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。実際これらの間で共鳴を起こさせるためには、第１の量子ドット１２ａにおける量子準位（１,１,１）に対応する波長λ１の信号光Ａ、第１の量子ドット１２ｂにおける量子準位（１,１,１）に対応する波長λ２の信号光Ｂをそれぞれ供給することにより、かかる量子準位へ励起子を励起させることができる。
【００２９】
仮に波長λ１の信号光Ａを供給することにより、第１の量子ドット１２ａにおける量子準位（１,１,１）へ励起子を励起させた場合には、かかる量子準位（１,１,１）と第２の量子ドット１３における量子準位（２,２,２）との間で共鳴が生じる。その結果、第１の量子ドット１２ａにおける量子準位（１,１,１）に存在する励起子が、第２の量子ドット１３の量子準位（２,２,２）へ移動し、さらに第２の量子ドット１３の量子準位（１,１,１）へ移動する。この結果、見かけ上第１の量子ドット１２ａから第２の量子ドット１３へ励起子が移動することになる。そして、この第２の量子ドット１３の量子準位（１,１,１）へ移動した励起子は、そこから発光する。この第２の量子ドット１３の下位の量子準位（１,１,１）からの発光は、出力信号としての出力光として取り出されることになるが、その波長λ３は、信号光の波長λ１、λ２と比較していきおい長くなる。これは、第２の量子ドット１３のサイズが、各量子ドット１２ａ,１２ｂと比較して大きいからである。従って、この波長λ３の出力光のみを選択的に検出することで、他の波長成分が混ざることなく、出力光の光強度を正確に測ることも可能となる。
【００３０】
即ち、基板１１上において辺長比が互いに異なる各量子ドット１２,１３を形成させることにより、（１）式に基づく量子準位をほぼ等しくすることができ、これらの間で共鳴を起こさせることにより、体積の小さい量子ドット１２から体積の大きい量子ドット１３へ励起子を注入することができる。換言すれば、量子ドット間で体積（サイズ）を互いに異ならせることにより、これらの間で励起子を伝送することができる。
【００３１】
このため、かかる励起子の伝送原理を利用して、体積の小さい第１の量子ドット１２ａ,１２ｂに応じた信号光Ａ,Ｂを供給することにより、それぞれの量子準位に励起子を励起させ、これを体積の大きい第２の量子ドット１３へ伝送する。第２の量子ドット１３では、かかる伝送された励起子を下位準位へ放出することにより出力光を生成し、これを出力信号として外部へ送信する。
【００３２】
ちなみに、この第２の量子ドット１３からの出力光の光強度は、第２の量子ドット１３における下位準位への励起子の放出量に支配され、かかる励起子の放出量は量子ドット１２ａ,１２ｂから伝送される励起子の量に依存する。即ち、全ての第１の量子ドット１２ａ,１２ｂに信号光Ａ,Ｂがそれぞれ供給された場合には、その分励起される励起子の量は多くなり、第２の量子ドット１３へ伝送される励起子の量も多くなるところ、これらの放出に基づく出力光の光強度は大きくなる。これに対して、全ての第１の量子ドット１２ａ,１２ｂに信号光Ａ,Ｂがそれぞれ供給されなかった場合には、その分励起される励起子の量は少なくなり、第２の量子ドット１３へ伝送される励起子の量も少なくなるところ、これらの放出に基づく出力光の光強度は小さくなる。これは、信号光Ａ,Ｂの各量子ドット１２ａ,１２ｂに対する供給状態を制御することにより、出力光の光強度を変化させることができることを意味している。
【００３３】
かかる出力光の供給状態に対する出力光の光強度の関係については、図３に示すポピュレーションの時間変化のシミュレーション結果より説明することもできる。図３(a)では、仮に第１の量子ドット１２ａの量子準位（１,１,１）と、第２の量子ドット１３の量子準位（２,２,２）の双方において励起子が存在していたときに（２励起子系）、第２の量子ドット１３における量子準位（１,１,１）へ励起子が移動した状態のポピュレーションを実線で示してあり、また、かかる第２の量子ドット１３における量子準位（１,１,１）へ励起子が遷移することなく、上方準位としての量子準位（２,２,２）に留まっている状態のポピュレーションを破線で示してある。
【００３４】
この破線で示されるポピュレーションが振動している理由としては、仮に第２の量子ドット１３における上方準位としての量子準位（２,２,２）が励起子により占有されているときには、パウリの排他律により第１の量子ドット１２ａからの励起子の流入が制限されることになる。かかる場合には、この量子準位（２,２,２）が空くことになるまで、第１の量子ドット１２ａと第２の量子ドット１３との間で励起子が行き来する、いわゆる章動(nutation)が繰り返されることになり、これがポピュレーションの振動という形で現われることになる。ちなみに、この章動が生じた場合においても、最終的には第２の量子ドット１３における下方準位としての量子準位（１,１,１）へ励起子は移動することになる。
【００３５】
また、図３(b)では、上述した２励起子系に加え、初期状態において第２の量子ドット１３のみに励起子が存在しているいわゆる１励起子系のそれぞれについて、第２の量子ドット１３における下方準位としての量子準位（１,１,１）の時間変化を示している。物理的には、第２の量子ドット１３における量子準位（１,１,１）への励起子の遷移に付随して生成される出力光を時間積分した結果が出力信号となる。これは、図３(b)に示すポピュレーションの時間積分に相当する。実際にこのポピュレーションを０〜５ｎｓオーダで積分すると、２励起子系と１励起子系の出力信号の比は、約１．８６：１となることが分かる。これは、第２の量子ドット１３との第１の量子ドット１２との間で行き来する励起子の数が増えるにつれて、出力光の光強度は大きくなることを示している。
【００３６】
図４,５は、かかる第２の量子ドット１３からの出力光の光強度変化についての実験結果を示している。図４(a)に示すように、サイズ比が約１：３：４である３つの第１の量子ドット１２ｃ,１２ｄ,１２eを第２の量子ドット１３の周囲に離散的に形成させた場合に、これら第１の量子ドット１２ｃにおける励起子をそれぞれ励起可能な波長λ（＝３２５ｎｍ）の信号光Ｃのみを照射すると、励起された励起子は、第２の量子ドット１３へ移動し、そこから波長λ（＝３８４ｎｍ）の出力光が出射される。この出力光の光強度は、図４(b)に示すように、波長λ（＝３８４ｎｍ）に対応したフォトンエネルギーＷ１におけるピーク強度として表される。
【００３７】
同様に第１の量子ドット１２ｄにおける励起子をそれぞれ励起可能な波長λ（＝３７６ｎｍ）の信号光Ｄのみを照射すると、これに応じた第２の量子ドット１３からの出力光の光強度は、図４(b)に示すように、波長λ（＝３８４ｎｍ）に対応したフォトンエネルギーＷ１におけるピーク強度として表される。同様に第１の量子ドット１２ｅにおける励起子をそれぞれ励起可能な波長λ（＝３８１．３ｎｍ）の信号光Ｅのみを照射すると、これに応じた第２の量子ドット１３からの出力光の光強度は、図４(b)に示すように、波長λ（＝３８４ｎｍ）に対応したフォトンエネルギーＷ１におけるピーク強度として表される。
【００３８】
この図４(b)の実験結果から分かるように、信号光Ｃ,Ｄ,Ｅのうち何れか１つを照射した場合には、出力光の光強度はほぼ同等になる。即ち、供給された信号光の数が１つである場合には、かかる信号光の波長の如何を問わず一定レベルの光強度からなる出力光を出射することができることを意味している。
【００３９】
これに対して、第１の量子ドット１２に対して、信号光Ｃのみに加えて信号光Ｅの２つを同時に供給した場合には、それぞれ第１の量子ドット１２ｃ,１２ｅにおいて励起された励起子は第２の量子ドット１３へ移動し、そこから波長λ（＝３８４ｎｍ）の出力光が出射されることになるが、この出力光の光強度は、図５に示すように、供給される信号光の数が１つである場合と比較して約２倍となる。
【００４０】
同様に、第１の量子ドット１２に対して、信号光Ｃのみに加えて信号光Ｄ,Ｅの３つを同時に供給した場合には、それぞれ第１の量子ドット１２ｃ,１２ｄ,１２ｅにおいて励起された励起子は第２の量子ドット１３へ移動し、そこから波長λ（＝３８４ｎｍ）の出力光が出射されることになるが、この出力光の光強度は、図５に示すように、供給される信号光の数が１つである場合と比較して約３倍となる。
【００４１】
かかる場合において、近接場プローブを走査することにより、第１の量子ドット１２から第２の量子ドット１３への集光の様子を空間域で評価すると、図６に示すような強度プロファイルが得られる。即ち、近接場によって波長より微細のエリアに光信号が集められている様子が分かる。
【００４２】
これらの実験結果から分かるように、供給された信号光の数に応じて出力光の光強度はほぼ線形に増加していくことになる。これは、出力光の光強度は、供給される信号光の数を加算した和として表されることを示唆しており、これを出力信号として取り出すことができれば、演算回路１を信号光の数を和算するいわゆる和算回路として動作させることも可能となる。
【００４３】
また、演算回路１に供給される信号光をデジタル信号の各ビットを表すものとした場合に、各信号光が供給されている状態をＨレベルとし、各信号光が供給されていない状態いない状態をＬレベルとした場合に、供給されている信号光の数に応じて出力光の光強度が増加することから、これを識別することによりＨレベルの信号光の数をカウントすることができる。
【００４４】
かかる場合において、図１に示すように信号光Ａ,Ｂの各第１の量子ドット１２ａ,１２ｂに対する供給をカウントすべきデジタル信号と連動させることにより、これに応じた光強度からなる出力信号としての出力光を生成する。例えば、２進数で表わされる２ビットのデジタル信号（ａ０,ａ１）につき、Ａ０＝ａ１＋ａ０（ａ１〜ａ０は、１か０の何れかの値を取る）を求める場合には、ａ０の値を信号光Ａで規定し、ａ１の値を信号光Ｂで規定する。
【００４５】
ここでａ０の値が１である場合には、波長λ１の信号光Ａを供給する（Ｈレベルとする）。これに対して、ａ０の値が０である場合には、かかる波長λ１の信号光Ａの供給を停止する（Ｌレベルとする）。信号光Ａが供給された第１の量子ドット１２内では、量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されるところ、当該励起子が第２の量子ドット１３の量子準位（２,２,２）へ移動し、さらにその下位準位へ遷移することにより発光するため、出力光として出力信号の光強度に寄与することになる。これに対して、信号光Ａが供給されなかった第１の量子ドット１１内では、量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されることはないため、励起子が第２の量子ドット１３の量子準位（２,２,２）へ移動することがなく、これが出力光としての出力信号の光強度に寄与することはなくなる。
【００４６】
同様に、ａ１の値が１である場合には、波長λ２の信号光Ｂを供給する。これに対して、ａ１の値が０である場合には、かかる波長λ２の信号光Ｂの供給を停止する。周波数λ２の信号光Ｂが供給された第１の量子ドット１２内では、量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されるところ、当該励起子が第２の量子ドット１３の量子準位（２,１,１）へ移動し、さらにその下位準位へ遷移することにより発光するため、出力光としての出力信号の光強度に寄与することになる。これに対して、信号光Ｂが供給されなかった第１の量子ドット１２内では、量子準位（１,１,１）へ励起子が励起されることはないため、励起子が第２の量子ドット１３の量子準位（２,１,１）へ移動することがなく、これが出力光としての出力信号の光強度に寄与することはなくなる。
【００４７】
例えばａ１＝０,ａ０＝０で表されるデジタル信号（２進法表記として００）につきＡ０を求める場合には、何れの第１の量子ドット１２に対して信号光が供給されることがなくなり、第２の量子ドット１３へ伝送される励起子の量も最も少なくなり、これらの放出に基づく出力光の光強度Ｌ０は、最小になる。
【００４８】
これに対して、ａ１＝０,ａ０＝１で表されるデジタル信号（２進法表記として１０）につきＡ０を求める場合には、第１の量子ドット１２ａのみに信号光Ａが供給されることになり、第２の量子ドット１３へ伝送される励起子の量が増加するため、これらの放出に基づく出力光の光強度Ｌ１も増加することになる。
【００４９】
また、ａ１＝１,ａ０＝１で表されるデジタル信号（２進法表記として１１）につきＡ０を求める場合には、第１の量子ドット１２ａに信号光Ａが供給され、また第１の量子ドット１２ｂに信号光Ｂが供給されることになり、第２の量子ドット１３へ伝送される励起子の量は、ａ１＝０,ａ０＝１で表されるデジタル信号の場合と比較して増加するため、これらの放出に基づく出力光の光強度Ｌ２もＬ１の２倍近くになる。
【００５０】
即ち、これら出力光の光強度に対する供給される信号数の関係を事前に調査しておくことにより、出力光の光強度を識別するのみにで、デジタル信号の各ビットにおけるＨレベルの数を和算した結果を得ることができる。
【００５１】
このように、本発明を適用した演算回路１では、和算すべきデジタル信号の各ビットに対応した互いに異なる波長の信号光が供給され、当該供給された信号光に応じてそれぞれ励起子が励起される複数の第１の量子ドット１２と、これらの量子準位から励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有する第２の量子ドット１３を基板上に形成させている。
【００５２】
このため、和算すべきデジタル信号のビットに対応した信号光の供給状態を制御することにより、第１の量子ドット１２から第２の量子ドット１３へ流れ込むエネルギーの合計を制御することができ、放出される出力信号としての出力光の光強度がこれに支配されることから、供給される信号数をカウントした、換言すればデジタル信号のビット１の合計を表した和算回路を実現することができる。仮に入力可能なデジタル信号のビット数がＮ存在する場合には、この演算回路１により以下の（２）式により表されるＡ０を求めることも可能となる。
【００５３】
【数１】
【００５４】
特に本発明を適用した演算回路１では、光の回折限界に支配されることなく、ナノメータサイズの量子ドット間で和算を行うことができ、これを用いることにより、高機能光デバイスをナノ寸法で実現することも可能となる。
【００５５】
なお、本発明は、上述の如き複数の入力信号の和を求める和算回路としての演算回路１に限定されるものではなく、例えば、複数の入力信号の積和として表される出力信号を生成する演算回路２に適用してもよい。
【００５６】
この演算回路２において、上述した演算回路１と同一の構成、要素については、同一の番号を付すことによりここでの説明を省略する。
【００５７】
演算回路２は、例えば図７に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ２等の導電性材料により構成される基板１１と、基板１１の表面上において形成されている１つの出力側の第２の量子ドット１３と、当該第２の量子ドット１３の周囲において離散的に形成されている複数の第１の量子ドット１２からなる量子ドットグループ２０とを備えている。以下の説明においては、量子ドットグループ２０が２つの第１の量子ドット１２ａ,１２ｂにより構成される場合を例に挙げて説明をする。
【００５８】
第１の量子ドット１２ａの近傍には、第３の量子ドット１６ａ、第４の量子ドット１７ａの２つが形成されており、また第１の量子ドット１２ｂの近傍には、第３の量子ドット１６ｂ、第４の量子ドット１７ｂの２つが形成されている。これら第３の量子ドット１６、第４の量子ドット１７を以下演算部１０と総称する。
【００５９】
演算部１０を構成する各量子ドット１６,１７は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。この量子ドット１６,１７間において、励起子の閉じ込め系により、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。
【００６０】
この演算部１０を構成する各量子ドット１６,１７には、近接場光としての信号光がそれぞれ独立に供給される。ここで、第３の量子ドット１６ａに供給される近接場光を信号光ＳＡ１とし、第４の量子ドット１７ａに供給される近接場光を信号光ＳＡ２とする。第３の量子ドット１６ｂに供給される近接場光を信号光ＳＢ１とし、第４の量子ドット１７ｂに供給される近接場光を信号光ＳＢ２とする。これら信号光ＳＡ１, 信号光ＳＡ２は、基板１１に形成されたプラズモン導波路４１、４２を介してそれぞれ各量子ドット１６ａ,１７ａに供給され、信号光ＳＢ１, 信号光ＳＢ２は、基板１１に形成されたプラズモン導波路４３、４４を介してそれぞれ各量子ドット１６ｂ,１７ｂに供給されることになるが、かかる場合に限定されるものではなく、例えば各量子ドット１６,１７に近接された図示しない近接場光プローブを介して供給されるようにしてもよい。
【００６１】
即ち、この演算回路２では、第３の量子ドット１６ａ,１６ｂ及び／又は第４の量子ドット１７ａ,１７ｂに対して、信号光ＳＡ１, 信号光ＳＢ１,信号光ＳＡ２,信号光ＳＢ２がそれぞれ独立に供給される。第１の量子ドット１２ａ,１２ｂは、演算部１０を構成する量子ドット１６,１７へ供給された信号光ＳＡ１,信号光ＳＢ１,信号光ＳＡ２,信号光ＳＢ２に応じて、励起子を第２の量子ドット１３へ移動させる。
【００６２】
ここで、第１の量子ドット１２ａとその近傍に形成された第３の量子ドット１６ａ、第４の量子ドット１７ａに着目した場合に、信号光ＳＡ１,ＳＡ２が供給されている状態をＨレベルとし、信号光ＳＡ１,ＳＡ２が供給されていない状態をＬレベルとすれば、演算回路２は、信号光ＳＡ１,ＳＡ２に応じて励起子の移動をＯＮ／ＯＦＦすることにより、Ｈレベルの信号値、Ｌレベルの信号値を論理演算するための回路として機能することになる。
【００６３】
ちなみに、量子ドット１６,１７は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなり、作製方法についても、ブリッジマン法や分子エピタキシー（ＭＢＥ）成長法等に基づくことになる。
【００６４】
第３の量子ドット１６並びに第４の量子ドット１７は、互いに近接場光によりコヒーレントに結合するような位置関係になるように、基板１１上に形成される。このとき、第３の量子ドット１６並びに第４の量子ドット１７は、第１の量子ドット１２を介して対称となるように基板１１上に形成される。このとき、図８に示すように、第１の量子ドット１２を頂点として第３の量子ドット１６と第４の量子ドット１７との間で二等辺三角形が形成されるようにしてもよい。
【００６５】
次に、本発明を適用した演算回路２の動作につき説明をする。この演算回路２は、基板上１１に形成された量子ドット１２,１３,１６,１７間に生じる特有の光物理現象に基づいて、積和演算素子として動作する。かかる場合においては、第１の量子ドット１２と量子ドット１６,１７との間ではＡＮＤ演算素子として機能し、第１の量子ドット１２と、第２の量子ドット１３との間では和算演算素子として機能することになる。
【００６６】
図９は、各量子ドット１２,１６,１７を構成する材料系がＣｕＣｌである場合のエネルギ図を示している。上述の式（１）に基づき、各量子ドット１２,１６,１７のＥ（nx,ny,nz）を計算する。このとき、第３の量子ドット１６と第４の量子ドット１７の辺長比を、およそ１：１としたとき、第３の量子ドット１６における量子準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、第４の量子ドット１７における量子準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）とが等しくなる。すなわち、第３の量子ドット１６の量子準位（１,１,１）と、第４の量子ドット１７の量子準位（１,１,１）は、励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。実際これらの間で共鳴を起こさせるために、第１の量子ドット１６における量子準位（１,１,１）に対応する波長をもつ光を、信号光ＳＡとして供給し、或いは、第４の量子ドット１７における量子準位（１,１,１）に対応する波長をもつ光を、信号光ＳＡ２として供給する必要がある。
【００６７】
かかる共鳴が生じる場合に、第３の量子ドット１６に存在する量子準位（１,１,１）に存在する励起子が、第４の量子ドット１７における量子準位（１,１,１）へ移動し、また第４の量子ドット１７の量子準位（１,１,１）に存在する励起子が、第３の量子ドット１６における量子準位（１,１,１）へ移動するが、量子ドット１６,１７間において励起子がコヒーレントに結合して、見かけ上１つの励起モードが形成される。
【００６８】
即ち、この演算回路２は、辺長比がそれぞれ１：１であるほぼ同一の形状、サイズからなる各量子ドット１６,１７を基板１１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、互いの量子準位（１,１,１）間において１つの励起モードを形成させることができる。
【００６９】
図９は、第１の量子ドット１２ａとその近傍に形成された第３の量子ドット１６ａ、第４の量子ドット１７ａに着目した場合に、第３の量子ドット１６ａに信号光ＳＡ１が供給され、また第４の量子ドット１７ａに信号光ＳＡ２が供給された結果、基底準位から２ｈ１のエネルギー差を有する励起エネルギー準位Ｐ２へ２つの励起子が励起された状態（２励起子状態）を示している。かかる状態を初期状態としたとき、何れか一の励起子が第１の量子ドット１２ａへ注入された結果、第３の量子ドット１６ａ,第４の量子ドット１７ａ間において１つの励起子が存在し、また第１の量子ドット１２ａに１つの励起子が存在する場合を終状態という。
【００７０】
この終状態において、演算部１０を構成する第３の量子ドット１６ａ,第４の量子ドット１７ａ間で１つの励起子のみが励起された状態となるため、近接場光結合の強さＵに応じてエネルギーが分離する。この分離されたエネルギーの高準位側をエネルギー準位Ｓ２とし、低準位側をエネルギー準位Ａ２とし、さらに第１の量子ドット１２ａにつき基底準位からｈ２のエネルギー差がある場合に、エネルギー準位Ｓ２と基底準位とのエネルギー差は、ｈ１＋ｈ２＋Ｕとなる。
【００７１】
ここで初期状態における励起エネルギー準位Ｐ２が、終状態におけるエネルギー準位Ｓ２と等しくなる場合に共鳴が生じるため、共鳴の条件は、ｈ１＋ｈ２＋Ｕ＝２ｈ１で表される。ここで、かかる共鳴の条件式を整理すると、Δｈ＝ｈ２−ｈ１＝−Ｕとなり、第１の量子ドット１２ａにおける量子準位（エネルギー準位Ｓ２）をｈ１より近接場光結合の強さＵ分だけ低く調整することにより、上記共鳴効果を得ることが可能となる。
【００７２】
第１の量子ドット１２ａにおける量子準位Ｓ２に注入された励起子は、下位のエネルギー準位へ放出される。ちなみに、かかる下位のエネルギー準位を上述した第２の量子ドット１３における一の量子準位と共鳴する関係にあれば、この放出された励起子を信号光Ａとして第２の量子ドット１３へと移動させることが可能になる。
【００７３】
なお、エネルギー準位Ａ２と、励起エネルギー準位Ｐ２とは、上述したメカニズムにより互いに禁制となるため共鳴することはない。
【００７４】
即ち、本発明を適用した演算回路１は、第３の量子ドット１６又は第４の量子ドット１７の双方に信号光が供給された場合、換言すれば量子ドット１６,１７にそれぞれＨレベルの信号が供給された場合には、上述した共鳴効果により励起子が放出され、これが第２の量子ドット１３へと移動する。これは、第１の量子ドット１２に対してＨレベルの入力信号が供給されたことに相当する。
【００７５】
これに対して、第３の量子ドット１６又は第４の量子ドット１７の何れに対しても信号光が供給されなかった場合、また第３の量子ドット１６又は第４の量子ドット１７の何れか一方のみに信号光が供給された場合には、上述した共鳴も起こらず、励起子の放出も起こらないことから、これが第２の量子ドット１３へと移動することもなくなる。これは、第４の量子ドット１７に対してＬレベルの入力信号が供給されたことに相当する。
【００７６】
このため、本発明を適用した演算回路２における演算部１０並びに第１の量子ドット１２は、第３の量子ドット１６並びに第４の量子ドット１７に対して、それぞれ（Ｈ,Ｈ）の信号が供給された場合には、Ｈレベルの信号を出力し、（Ｈ,Ｌ）、（Ｌ,Ｈ）、（Ｌ,Ｌ）の信号が供給された場合には、Ｌレベルの信号を出力する、いわゆるＡＮＤ演算素子として作用することになる。
【００７７】
なお本発明を適用した演算回路２は、あくまで第１の量子ドット１２を介して第３の量子ドット１６並びに第４の量子ドット１７が互いに対称となるように形成されている、いわゆる対称な系であることが前提となる。このような対称な系において、１励起子状態である場合のポピュレーションを計算すると、図１０(a)に示すように、各量子ドット１６,１７に対して第１の量子ドット１２が正に階調された場合（Δｈ＝＋Ｕ）に、演算部１０から第１の量子ドット１２へ共鳴的なエネルギーの移動が生じることが分かる。ちなみに、かかる場合におけるポピュレーションは、確率０．５まで上昇することになる。
【００７８】
また、２励起子状態である場合のポピュレーションは、図１０(b)に示すように、各量子ドット１６,１７に対して第１の量子ドット１２が負に階調された場合（Δｈ＝−Ｕ）に、演算部１０から第１の量子ドット１２へ共鳴的なエネルギーの移動が生じることが分かる。かかる場合におけるポピュレーションは、確率１．０付近まで上昇することになる。
【００７９】
なお、上述した実施の形態では、第１の量子ドット１２における量子準位（励起エネルギー準位Ｓ２）をｈ１より近接場光結合の強さＵ分だけ低く調整する場合を例にとり説明をしたが、これに限定されるものではなく、励起エネルギー準位をｈ１よりも低準位であれば、上述とほぼ同様の効果を得ることが可能となる。
【００８０】
また、このＡＮＤ演算素子として作用する演算部１０を構成する２つの量子ドット１６、１７並びに１つの第１の量子ドット１２を単位として、これを第２の量子ドット１３の周囲に離散的に形成することにより、ＡＮＤ演算素子から出力されたＨレベルの信号光の数をカウントした出力信号としての出力光を生成することができる。
【００８１】
例えば、信号光ＳＡ１,ＳＡ２の信号レベルが（Ｌ,Ｌ）であり、信号光ＳＢ１,ＳＢ２の信号レベルが（Ｈ,Ｌ）である場合には、第２の量子ドット１３へ伝送される励起子の量も最も少なくなり、これらの放出に基づく出力光の光強度Ｌ０は、最小になる。
【００８２】
これに対して、信号光ＳＡ１,ＳＡ２の信号レベルが（Ｈ,Ｈ）であり、信号光ＳＢ１,ＳＢ２の信号レベルが（Ｈ,Ｌ）である場合には、第２の量子ドット１３へ伝送される励起子は、第１の量子ドット１２ａのみからとなり、これらの放出に基づく出力光の光強度Ｌ１も増加することになる。
【００８３】
これに対して、信号光ＳＡ１,ＳＡ２の信号レベルが（Ｈ,Ｈ）であり、信号光ＳＢ１,ＳＢ２の信号レベルが（Ｈ,Ｈ）である場合には、第２の量子ドット１３へ伝送される励起子は、第１の量子ドット１２ａ並びに第１の量子ドット１２ｂからとなり、これらの放出に基づく出力光の光強度Ｌ２もＬ１の２倍近くになる。
【００８４】
即ち、これら出力光の光強度に対する供給される信号数の関係を事前に調査しておくことにより、出力光の光強度を識別するのみにで、信号光の論理和の数を和算した結果を得ることができる。特に、本発明を適用した演算回路２においては、光の回折限界に支配されることなく、ナノメータサイズの量子ドット間で積和演算を行うことができ、これを用いることにより、高機能光デバイスをナノ寸法で実現することも可能となる。
【００８５】
ちなみに、本発明を適用した演算回路２では、図１１に示すように、Ｎビットの情報として表される入力信号ａ１〜ａＮに対して、予め用意したＮ個のエレメントとしての参照信号ｂ１〜ｂＮが同じか否かを判別するいわゆるマッチング演算を行うこともできる。かかる場合には、以下の（３）式に示すように、入力信号に対して参照信号をビット毎に掛け算し、求めた積の総和Ｙ０を求める。
【００８６】
【数２】
【００８７】
この求めた積の総和Ｙ０が、参照信号として示されるエレメントに対してどのくらい類似しているかを識別することによりマッチング演算が実現されることになる。
【００８８】
以下のマッチング演算例の説明においては、２つの内部変数を定義する。信号レベルがＨである場合の論理１は（１０）とし、また信号レベルがＬである場合の論理０は（０１）で表現するものとする。このとき、４ビットの入力信号（１０１０）は、上記の情報表現により図１２に示すようにａ＝（１００１１００１）と表現されることになる。他方、参照信号を（１０１０）とした場合には、同様の情報表現によりｂ＝（１００１１００１）となる。
【００８９】
ここで各ビットにつき積演算を行うと、結果は図１２に示すようにａ・ｂ＝（１００１１００１）となる。この得られた８ビットにつき、和演算を行うと４になる。これは入力信号のビット数と等しいため、入力信号と参照信号がマッチしていることを判定することができる。
【００９０】
同様に、４ビットの入力信号が（１１１０）であるときには、上記の情報表現により図１３に示すようにａ＝（１０１０１００１）と表現されることになる。この入力信号に対して参照信号ｂを掛け算すると、図１３に示すように、ａ・ｂ＝（１０００１００１）となる。この得られた８ビットにつき、和演算を行うと３になる。これは入力信号のビット数と異なるため、入力信号と参照信号がマッチしていないことを判定することができる。
【００９１】
さらにこの参照信号は、いわゆる任意ビット（Ｄｏｎｔ’Ｃａｒｅ）を含むテーブルデータとして表し、これと入力信号をマッチングさせるようにしてもよい。例えば図１４に示すように、任意ビットを（１１）で表現する場合に、この任意ビットとの積演算は、論理１に対しても、論理０に対しても１となる。
【００９２】
例えば図１４に示すように、任意ビット＊を含むテーブルデータ（１＊１０）は、上記の情報表現においてｂ＝（１０１１１００１）で表されるが、これに対して４ビットの入力信号（１１１０）（上記の情報表現によりａ＝（１０１０１００１）と表現される）を掛け算するとａ・ｂ＝（１０１０１００１）となる。この得られた８ビットにつき和演算を行うと４になる。
【００９３】
同様に４ビットの入力信号（１０１０）（上記の情報表現によりａ＝（１００１１００１）と表現される）を掛け算するとａ・ｂ＝（１００１１００１）となる。この得られた８ビットにつき和演算を行うと４になる。
【００９４】
即ち、４ビットの入力信号が（１１１０）であっても、（１０１０）であっても積和演算の結果は４となる。
【００９５】
このような任意ビットを設けることは、Ｌｏｎｇｅｓｔ Ｐｒｅｆｉｘ Ｍａｔｃｈ判定が求められるインターネットのルーティングにおいて重要な役割を果たすことになる。
【００９６】
本発明を適用した演算回路２により上述のマッチング演算を行う場合には、４ビットの入力信号を供給することができるように、ＡＮＤ演算素子として作用する第３の量子ドット１６、第４の量子ドット１７並びに第１の量子ドット１２を１単位として、これを基板１１上において４単位分形成させる。そして、４ビットの入力信号の論理１、論理０に応じて、信号レベルをＨ又はＬに切り替え、これを演算部１０の第３の量子ドット１６へ供給する。また予め設定された４ビットの参照信号につき、論理１、論理０又は任意ビットに応じて信号レベルを切り替え、これを演算部の第４の量子ドット１７へ供給する。その結果、第２の量子ドット１３からの出力信号としての出力光の光強度から、式（３）に基づいて演算された論理積の総和を得ることが可能となる。
【００９７】
ちなみに、本発明を適用した演算回路２では、Ｎビットの情報として表される入力信号ａは２ビットで表現する場合には、例えば図１５に示すように、第ｉビットは（ａｉ，０、ａｉ，１）と表現されることになり、これに対応させる参照信号も第ｉビットは（ｂｉ，０、ｂｉ，１）と表現されることになる。このときのＡＮＤ演算素子においては、ａｉ，０・ｂｉ，０とａｉ，１・ｂｉ，１が演算され、最終的には、以下の式（４）に示すような積和演算結果Ｚ０が出力信号として得られることになる。
【００９８】
【数３】
【００９９】
かかる場合にはＮビットの入力信号に対して、予め用意したＮ個のエレメントとしての参照信号ｂ１〜ｂＮを供給するため、全部で２Ｎ個の信号を演算部１０へ供給することになるが、かかる場合に限定されるものではなく、例えば図１６に示すように、デジタル化された入力信号を複数に分割するとともに、分割した入力信号を互いに時間間隔をおいて演算部１０へ供給するようにしてもよい。
【０１００】
かかる場合において、先ず入力信号のビットをａ１，０〜ａＮ，０と、ａ１，１〜ａＮ，１の２つに分割する。この分割した入力信号のうち、ａ１，０〜ａＮ，０を時刻ｔ＝０において演算部１０へ供給するとともに、これに対する参照信号ｂ１，０〜ｂＮ，０を同時に供給する。その結果、出力信号は、各ビットの積とその総和が式（５）に基づいて求められる。
【０１０１】
次に時刻ｔ＝Δｔにおいて、この分割した入力信号のうちａ１，１〜ａＮ，１を演算部１０へ供給するとともに、これに対する参照信号ｂ１，１〜ｂＮ，１を同時に供給する。その結果、出力信号は、各ビットの積とその総和が式（６）に基づいて求められる。
【０１０２】
最後にこれら出力信号を足すことにより、入力信号の全ビットに対する参照信号の積和演算結果を得ることができる。この積和演算結果は、上述の（４）式により定義することができる。
【０１０３】
このように分割したＮビットの入力信号につき時間間隔をおいて演算部１０へ供給することにより、実質的にはＮ個の信号を入力するだけでその積和演算を行うことも可能となる。
【０１０４】
なお、本発明を適用した演算回路２は、例えば図１７に示すような、いわゆるコンテンドアドレッサブルメモリに適用することも可能である。
【０１０５】
例えば、入力情報Ａがシステム内に入力された場合に、当該入力情報Ａがメモリ内に格納されているデータＢ１〜ＢＭのうち何れに最も類似するかを識別する。そして最も類似するデータＢ１〜ＢＭのアドレスを返すことにより、これを入力情報Ａに対するマッチングアドレスとすることが可能となる。
【０１０６】
また、本発明を適用した演算回路２は、さらに図１８に示すようなマッチング機構３に応用することも可能となる。
【０１０７】
このマッチング機構３においては、上述の信号レベルＨを示す“ｐ”と、信号レベルＬを示す“０”で表される光符号分割多重化された信号Ｄ１の符号列が入力された場合には、これをマッチング時に参照する参照信号Ｊの数に応じて複製する。仮に参照信号の数がＮ個存在する場合には、この信号Ｄ１につきＮ個複製する。
【０１０８】
次に、上述の演算回路２により、複製した信号Ｄ１と、各参照信号Ｊ１〜ＪＮとの間で積和演算を行う。かかる場合には、信号Ｄ１を構成する各符号とこれに対応する参照信号の符号とを量子ドット１６,１７に供給することによりマッチング処理を行う。ちなみに、１の参照信号Ｊと、信号Ｄ１との間の積和演算に対して、１の演算回路２が必要となるため、参照信号の数がＮ個存在する場合には、演算回路２もＮ個必要となる。 このマッチング機構３においては、得られた積和演算結果より、信号Ｄ１と最も類似度の高い参照信号Ｊを識別することができ、これを図示しない表示面を介して出力することで処理を終了する。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明を適用した量子ドットによる演算回路の構成を示す図である。
【図２】本発明を適用した量子ドットによる演算回路における量子ドットのエネルギー準位につき説明するための図である。
【図３】ポピュレーションの時間変化のシミュレーション結果につき示す図である。
【図４】第２の量子ドットからの出力光の光強度変化についての実験結果を示す図である。
【図５】第２の量子ドットからの出力光の光強度変化についての実験結果を示す他の図である。
【図６】第１の量子ドットから第２の量子ドットへの集光の様子を空間域で評価した結果を示す図である。
【図７】積和演算処理を行うことが可能な量子ドットによる演算回路の構成を示す図である。
【図８】演算回路において、基板上に形成された量子ドットの位置関係につき説明するための図である。
【図９】対称な系におけるダイナミクスを示す図である。
【図１０】各励起子状態におけるポピュレーションの経時的な変化を示す図である。
【図１１】Ｎビットの情報として表される入力信号ａ１〜ａＮに対してマッチング演算を行う例を示す図である。
【図１２】ａを（１００１１００１）とした場合におけるマッチング演算例を示す図である。
【図１３】ａを（１０１０１００１）とした場合におけるマッチング演算例を示す図である。
【図１４】任意ビットを設ける場合におけるマッチング演算例を示す図である。
【図１５】Ｎビットの情報として表される入力信号ａは２ビットで表現する場合につき説明するための図である。
【図１６】デジタル化された入力信号を複数に分割するとともに、分割した入力信号を互いに時間間隔をおいて演算部へ供給する例につき説明するための図である。
【図１７】本発明を適用した演算回路をいわゆるコンテンドアドレッサブルメモリに適用する例につき説明するための図である。
【図１８】本発明を適用した演算回路をマッチング機構に応用する例につき説明するための図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１,２ 演算回路、３ マッチング機構、１１ 基板、１２ 第１の量子ドット、１３ 第２の量子ドット、１６ 第３の量子ドット、１７ 第４の量子ドット、２０ 量子ドットグループ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入力信号の和として表される出力信号を生成する演算回路において、
誘電性の基板と、
上記入力信号に対応した互いに異なる周波数の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された信号光の周波数に応じてそれぞれ励起子がエネルギー準位に励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドットを上記基板上に形成させた入力側量子ドットグループと、
上記各エネルギー準位との共鳴に応じて上記入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットから上記基板を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記各信号光より長波長の出力光を上記出力信号として生成する出力側の量子ドットとを備えること
を特徴とする演算回路。
【請求項２】
上記出力側の量子ドットは、上記入力側量子ドットグループを構成する量子ドットより大体積で形成されてなること
を特徴とする請求項１記載の演算回路。
【請求項３】
複数の入力信号の積和として表される出力信号を生成する演算回路において、
誘電性の基板と、
上記入力信号に対応した第１の信号光並びに第２の信号光がそれぞれ供給され、当該 供給された第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、上記第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、供給される第２の信号光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、上記第１,第２のエネルギー準位よりも低準位の第３のエネルギー準位を有する第３の量子ドットからなり、上記第３の量子ドットを介して上記第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに対称となるように上記基板上に形成されている複数の入力側量子ドットグループと、
上記第３の量子ドットにおける第３のエネルギー準位との共鳴に応じて上記各入力側量子ドットグループから励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記出力信号としての出力光を生成する出力側の量子ドットとを備えること
を特徴とする演算回路。
【請求項４】
上記出力側の量子ドットは、上記入力側量子ドットグループを構成する第３の量子ドットより大体積で形成されてなること
を特徴とする請求項３記載の演算回路。
【請求項５】
デジタル化された入力信号に対する参照信号の積和として表される出力信号を生成する演算回路において、
誘電性の基板と、
上記入力信号の各ビットに対応した第１の信号光がそれぞれ供給されるとともに、当該各ビットと積算するための参照信号の各ビットに対応した第２の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、上記第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、供給される第２の信号光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、上記第１,第２のエネルギー準位よりも低準位の第３のエネルギー準位を有する第３の量子ドットからなり、上記第３の量子ドットを介して上記第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに対称となるように上記基板上に形成されている複数の入力側量子ドットグループと、
上記第３の量子ドットにおける第３のエネルギー準位との共鳴に応じて上記各入力側量子ドットグループから励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記出力信号としての出力光を生成する出力側の量子ドットとを備えること
を特徴とする演算回路。
【請求項６】
上記出力側の量子ドットは、上記入力側量子ドットグループを構成する第３の量子ドットより大体積で形成されてなること
を特徴とする請求項５記載の演算回路。
【請求項７】
上記デジタル化された入力信号を複数に分割するとともに、分割した入力信号を互いに時間間隔をおいて上記入力側量子ドットグループに供給する分割手段と、
上記出力側量子ドットから上記時間間隔をおいて出力される出力信号を加算する加算手段とをさらに備えること
を特徴とする請求項５記載の演算回路。
【請求項８】
デジタル化された入力信号の各参照信号に対する類似度を求める演算回路において、
上記入力信号と、互いに異なる参照信号がそれぞれ供給される複数の演算処理手段と、
上記各演算処理手段から出力される出力信号に基づいて上記類似度を識別する類似度識別手段を備え、
上記各演算処理手段は、
誘電性の基板と、
上記入力信号の各ビットに対応した第１の信号光がそれぞれ供給されるとともに、当該各ビットと積算するための参照信号の各ビットに対応した第２の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、上記第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、供給される第２の信号光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、上記第１,第２のエネルギー準位よりも低準位の第３のエネルギー準位を有する第３の量子ドットからなり、上記第３の量子ドットを介して上記第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに対称となるように上記基板上に形成されている複数の入力側量子ドットグループと、
上記第３の量子ドットにおける第３のエネルギー準位との共鳴に応じて上記各入力側量子ドットグループから励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記出力信号としての出力光を生成する出力側の量子ドットとを備えること
を特徴とする演算回路。
【請求項１】
複数の入力信号の和として表される出力信号を生成する演算回路において、
誘電性の基板と、
上記入力信号に対応した互いに異なる周波数の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された信号光の周波数に応じてそれぞれ励起子がエネルギー準位に励起されるようにサイズを互いに異ならせた複数の量子ドットを上記基板上に形成させた入力側量子ドットグループと、
上記各エネルギー準位との共鳴に応じて上記入力側量子ドットグループを構成する各量子ドットから上記基板を介して励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記各信号光より長波長の出力光を上記出力信号として生成する出力側の量子ドットとを備えること
を特徴とする演算回路。
【請求項２】
上記出力側の量子ドットは、上記入力側量子ドットグループを構成する量子ドットより大体積で形成されてなること
を特徴とする請求項１記載の演算回路。
【請求項３】
複数の入力信号の積和として表される出力信号を生成する演算回路において、
誘電性の基板と、
上記入力信号に対応した第１の信号光並びに第２の信号光がそれぞれ供給され、当該 供給された第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、上記第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、供給される第２の信号光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、上記第１,第２のエネルギー準位よりも低準位の第３のエネルギー準位を有する第３の量子ドットからなり、上記第３の量子ドットを介して上記第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに対称となるように上記基板上に形成されている複数の入力側量子ドットグループと、
上記第３の量子ドットにおける第３のエネルギー準位との共鳴に応じて上記各入力側量子ドットグループから励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記出力信号としての出力光を生成する出力側の量子ドットとを備えること
を特徴とする演算回路。
【請求項４】
上記出力側の量子ドットは、上記入力側量子ドットグループを構成する第３の量子ドットより大体積で形成されてなること
を特徴とする請求項３記載の演算回路。
【請求項５】
デジタル化された入力信号に対する参照信号の積和として表される出力信号を生成する演算回路において、
誘電性の基板と、
上記入力信号の各ビットに対応した第１の信号光がそれぞれ供給されるとともに、当該各ビットと積算するための参照信号の各ビットに対応した第２の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、上記第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、供給される第２の信号光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、上記第１,第２のエネルギー準位よりも低準位の第３のエネルギー準位を有する第３の量子ドットからなり、上記第３の量子ドットを介して上記第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに対称となるように上記基板上に形成されている複数の入力側量子ドットグループと、
上記第３の量子ドットにおける第３のエネルギー準位との共鳴に応じて上記各入力側量子ドットグループから励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記出力信号としての出力光を生成する出力側の量子ドットとを備えること
を特徴とする演算回路。
【請求項６】
上記出力側の量子ドットは、上記入力側量子ドットグループを構成する第３の量子ドットより大体積で形成されてなること
を特徴とする請求項５記載の演算回路。
【請求項７】
上記デジタル化された入力信号を複数に分割するとともに、分割した入力信号を互いに時間間隔をおいて上記入力側量子ドットグループに供給する分割手段と、
上記出力側量子ドットから上記時間間隔をおいて出力される出力信号を加算する加算手段とをさらに備えること
を特徴とする請求項５記載の演算回路。
【請求項８】
デジタル化された入力信号の各参照信号に対する類似度を求める演算回路において、
上記入力信号と、互いに異なる参照信号がそれぞれ供給される複数の演算処理手段と、
上記各演算処理手段から出力される出力信号に基づいて上記類似度を識別する類似度識別手段を備え、
上記各演算処理手段は、
誘電性の基板と、
上記入力信号の各ビットに対応した第１の信号光がそれぞれ供給されるとともに、当該各ビットと積算するための参照信号の各ビットに対応した第２の信号光がそれぞれ供給され、当該供給された第１の信号光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、上記第１のエネルギー準位と同準位の第２のエネルギー準位を有し、供給される第２の信号光に応じて当該第２のエネルギー準位に励起子が励起される第２の量子ドットと、上記第１,第２のエネルギー準位よりも低準位の第３のエネルギー準位を有する第３の量子ドットからなり、上記第３の量子ドットを介して上記第１の量子ドット並びに第２の量子ドットが互いに対称となるように上記基板上に形成されている複数の入力側量子ドットグループと、
上記第３の量子ドットにおける第３のエネルギー準位との共鳴に応じて上記各入力側量子ドットグループから励起子が注入される共鳴エネルギー準位を有し、当該共鳴エネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記出力信号としての出力光を生成する出力側の量子ドットとを備えること
を特徴とする演算回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００６−２３５０５（Ｐ２００６−２３５０５Ａ）
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２０１０４８（Ｐ２００４−２０１０４８）
【出願日】平成１６年７月７日（２００４．７．７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１６年３月８日 社団法人電子情報通信学会発行の「ＥｉＣ電子情報通信学会２００４年総合大会講演論文集」に発表
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月７日（２００４．７．７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１６年３月８日 社団法人電子情報通信学会発行の「ＥｉＣ電子情報通信学会２００４年総合大会講演論文集」に発表
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
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