量子メモリ
【課題】量子ビット状態を記憶し操作するように構成されたメモリのコンポーネントを提供する。
【解決手段】コンポーネントは、量子ドット分子、励起子、第１電気接点１７、第２電気接点１９、電源２６及び電源コントローラー２１を含んでいる。量子ドット分子は、第１レイヤ１において提供される第１量子ドット３と、第２レイヤ５において提供される第２量子ドット７と、を含んでいる。励起子は量子ドット分子内に電子及び正孔の束縛状態を含んでいる。励起子のスピン状態は量子ビット状態を形成する。電場が量子ドット分子を横切って提供されることが可能になるために、第１電気接点１７は第１量子ドット３の下に提供され、第２電気接点１９は第２量子ドット７の上に提供される。電源コントローラー２１は、量子ドット分子内での励起子が直接配置と間接配置との間で切り換えられるように、量子ドット分子を横切って電場を調整するように構成されている。
【解決手段】コンポーネントは、量子ドット分子、励起子、第１電気接点１７、第２電気接点１９、電源２６及び電源コントローラー２１を含んでいる。量子ドット分子は、第１レイヤ１において提供される第１量子ドット３と、第２レイヤ５において提供される第２量子ドット７と、を含んでいる。励起子は量子ドット分子内に電子及び正孔の束縛状態を含んでいる。励起子のスピン状態は量子ビット状態を形成する。電場が量子ドット分子を横切って提供されることが可能になるために、第１電気接点１７は第１量子ドット３の下に提供され、第２電気接点１９は第２量子ドット７の上に提供される。電源コントローラー２１は、量子ドット分子内での励起子が直接配置と間接配置との間で切り換えられるように、量子ドット分子を横切って電場を調整するように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここに説明されるような実施形態は、量子メモリ及び量子情報処理の分野に関連する。
この出願は、２０１１年１０月２８日にファイルされた、英国特許出願第１１１８７６４．８号からの優先権の利益に基づいていて、かつその利益を要求し、出願の全内容は参照によってここに組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
量子中継器及び量子ネットワークのような量子情報処理でのいくつかの応用は、可逆的な手法で安定した量子メモリ上にマップされることを、一光子の量子状態に要求する。
【０００３】
半導体量子ドットは、単一光子の偏光を、高いフィデリティ（fidelity）を有する光子生成励起子（photogenerated exciton）のスピン状態へ書き換える光と物質との有効量子インターフェースとして機能する。励起子は、２つの直交光子偏光に対応する２つのスピン固有状態を有し、これらのスピン固有状態は、いわゆる微細構造スプリッティング（fine-structure splitting）によってエネルギー上で分離されている。２つのスピン固有状態のうちの１つにおいて、あるいはこれらの状態の任意の重ね合せにおいて、励起子を初期化することができる。したがって、励起子を量子ビット（qubit）と見なすことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】図１は、本発明の実施形態に従うメモリコンポーネントの概略図である。
【図２】図２は、量子ドット分子の概略のバンドダイアグラム（band diagram）である。
【図３】図３は、メモリコンポーネントの動作中での量子ドット分子の概略のバンドダイアグラムである。
【図４】図４の（ａ）は、光キャビティ内に位置する本発明の実施形態に従うメモリコンポーネントの概略図である。図４の（ｂ）は、図４の（ａ）のコンポーネントの平面図を示す。図４の（ｃ）は、図４の（ａ）のコンポーネントの変形を示す。
【図５】図５はブロッホ球（Bloch sphere）である。
【図６Ａ】図６Ａは、ＨＶ軸のまわりで歳差運動をする量子状態を示すブロッホ球である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、ＤＡ軸のまわりで歳差運動をする量子状態を示すブロッホ球である。
【図７】図７の（ａ）は、図７の（ｂ）に概略的に示されるバンドダイアグラムを有する量子ドット分子に印加された電場に対する、エネルギー及び微細構造スプリッティングのプロットである。図７の（ｃ）は、図７の（ｄ）に示されるバンドダイアグラムを持った量子ドット分子に印加された電場に対する、エネルギー及び微細構造スプリッティングのプロットである。
【図８】図８の（ａ）は、第１量子ドット分子のための電場に対する、実験的に測定された微細構造スプリッティング及び固有状態方向（eigenstate orientation）のプロットである。図８の（ｂ）は、第２量子ドット分子のための電場に対する、実験的に測定された微細構造スプリッティング及び固有状態方向のプロットである。
【図９】図９の（ａ）は、印加された電場に対する最低エネルギー励起子配置に関するエネルギースペクトルのプロットである。図９の（ｂ）は、印加された電場に対する微細構造スプリッティングのプロットである。図９の（ｃ）は、印加された電場に対する励起子の複数の固有状態の方向のプロットである。図９の（ｄ）は、時間の経過による励起強度のプロットである。図９の（ｅ）は、時間の経過による印加される電場のプロットである。図９の（ｆ）は、量子ドット分子において当初に初期化された状態の再生成を示すために、時間の経過による対応する放射強度のプロットである。
【図１０】図１０の（ａ）は、印加された電場に対する最低エネルギー励起子配置に関するエネルギースペクトルのプロットである。図１０の（ｂ）は、印加された電場に対する微細構造スプリッティングのプロットである。図１０の（ｃ）は、印加された電場に対する励起子の複数の固有状態の向き（orientation）のプロットである。図１０の（ｄ）は、時間の経過による励起強度のプロットである。図１０の（ｅ）は、時間の経過による印加された電場のプロットである。図１０の（ｆ）は、量子ドット分子において当初に初期化された状態からＨＶ軸の周りのπの正味の回転を有する状態の再生成を示すために、時間の経過による対応する放射強度のプロットである。
【図１１】図１１の（ａ）は、印加された電場に対する最低エネルギー励起子配置に関するエネルギースペクトルのプロットである。図１１の（ｂ）は、印加された電場に対する微細構造スプリッティングのプロットである。図１１の（ｃ）は、印加された電場に対する励起子の複数の固有状態の向きのプロットである。図１１の（ｄ）は、時間の経過による励起強度のプロットである。図１１の（ｅ）は、時間の経過による印加された電場のプロットである。図１１の（ｆ）は、量子ドット分子において当初に初期化された状態からＤＡ軸の周りのπの正味の回転を有する状態の再生成を示すために、時間の経過による対応する放射強度のプロットである。
【図１２】図１２の（ａ）は、印加された電場に対する最低エネルギー励起子配置に関するエネルギースペクトルのプロットである。図１２の（ｂ）は、印加された電場に対する微細構造スプリッティングのプロットである。図１２の（ｃ）は、印加された電場に対する励起子の複数の固有状態の向きのプロットである。図１２の（ｄ）は、時間の経過による励起強度のプロットである。図１２の（ｅ）は、時間の経過による印加された電場のプロットである。図１２の（ｆ）は、スピンエコー技術を用いてリフェーズ（rephase）した後に、状態の再生成を示すために、時間の経過による対応する放射強度のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
実施形態において、量子ビット状態を記憶し操作するように構成されたメモリのコンポーネントは提供され、前記コンポーネントは、量子ドット分子と、励起子と、第１電気接点と、第２電気接点と、電源と、電源コントローラーと、を具備し、
前記分子は、第１レイヤに提供される第１量子ドットと、第２レイヤに提供される第２量子ドットと、を具備し、前記第１レイヤ及び前記第２レイヤはバリヤーレイヤによって分離されていて、前記第２レイヤは前記第１レイヤの上に配置され、
前記励起子は、前記量子ドット分子での電子及び正孔の束縛状態を具備し、前記励起子のスピン状態は前記量子ビットを形成し、
電場が前記量子ドット分子を横切って提供されるために、前記第１電気接点は前記第１量子ドットの下で提供され、第２電気接点は前記第２量子ドットの上に提供され、
前記電源は、前記量子ドット分子を横切って電場を印加するように構成された複数の電気接点に接続され、
前記電源コントローラーは、量子ドット分子を横切る電場を調整するように構成され、その結果、量子ドット分子における励起子は、励起子の電子及び正孔が同じ量子ドットにある直接配置と、電子及び正孔が量子ドット分子の異なった量子ドットに位置する間接配置と、の間で切り換えられ、
前記電源コントローラーは、情報取得回路とタイミング回路を具備し、前記情報取得回路は、前記励起子の微細構造スプリッティングと印加された電場との間の関係に関する情報を取得するように構成され、
前記タイミング回路は、微細構造スプリッティングから導かれる所定回数で間接配置から直接配置への励起子の切り換えを許可するように構成される。
【０００６】
電圧コントローラーは、取得回路を介して、励起子の微細構造スプリッティングが印加された電場にどのように関係しているかを知っている。微細構造スプリッティングはここで、光に結合する２つの励起子スピン状態間のエネルギー分離として定義される。一実施形態において、取得回路は、微細構造スプリッティングを印加された電場に関連づけるデータを含んでいるメモリに接続される。さらなる実施形態では、取得回路は、この情報を無線で検索してもよい。
【０００７】
取得回路によって取得したデータは、演算に先立って量子ドット分子で行なわれた測定からのデータでもよい。
【０００８】
ある実施形態において、前記電源コントローラーは以下のように構成される。
量子ビットの初期化に適した電場は、励起子が生成される際に印加され、この電場では最低エネルギー励起子状態が短い寿命を有する直接励起子配置に対応し、電子及び正孔の両方は同じ量子ドットに閉じ込められる。
量子ビット格納に適した電場は、励起子が初期化された後直ちに印加され、この電場では最低エネルギー励起子状態は、長い寿命を有する間接励起子配置に対応し、電子及び正孔は、異なる量子ドットに閉じ込められ、電場の切り換えの間に励起子配置は直接から間接へ変化する。
励起子のスピン状態に格納される量子情報が検索されることになっている場合には、量子ビット読み出しに適した電場が印加され、この電場では、最低エネルギー励起子状態は、短い寿命を有する直接励起子配置に対応し、電子と正孔の両方は同じ量子ドットに閉じ込められ、電場の切り換えの間に励起子配置は間接から直接へ変化する。
【０００９】
状態が直接あるいは間接の配置のいずれかで量子ドット分子に記憶される時、状態は時間にわたって発展するだろう。時間の経過による状態の発展は予測可能である。ある実施形態において、励起子が生成される状態は、２つの固有状態の重ね合せである。２つの固有状態を、極の間に走る軸を持ったいわゆるブロッホ球上の２つの対立する極として視覚化することができる。時間の経過によって、状態は、２つの固有状態を接続する軸のまわりのブロッホ球上で歳差運動をするだろう。この歳差運動の速度は、微細構造スプリッティングによって制御される。したがって、一旦特定の電圧に関する微細構造スプリッティングが既知であれば、状態の発展は既知である。これは、読出しである状態に対する制御を可能にする。
【００１０】
ある実施形態において、励起子は光学的な励起によって生成される。ある与えられたスピン状態を有する励起子は、既知の偏光を持った量子ドット分子を光学的に励起することによって、生成されてもよい。別の実施形態において、コンポーネントは、さらに光源を具備し、この光源は、前記量子ドット分子に既知のスピン状態の励起子を光学的に励起するように構成される。
【００１１】
別の実施形態において、光源は、量子ビット初期化に適した電場で、最低エネルギー励起子状態より大きな整数のフォノンエネルギーである光子エネルギーを有しているように構成される。これは、励起子が最低エネルギー状態へ緩和するとともに、スピンフリップの可能性を少なくする。
【００１２】
別の実施形態において、光源は、量子ビット初期化に適した電場での最低エネルギー励起子状態に等しい光子エネルギーを有するように構成される。これは、励起子が最低エネルギー状態へ緩和するとともに、スピンフリップの可能性を最小限にする。
【００１３】
ある実施形態において、前記量子ドット分子は、励起子を初期化することができる効率を改善するために、光キャビティ内に位置する。これは、周波数と空間的形状の両方の点からみて、キャビティの光学モードを、光源からの光パルスに一致させることによって行われる。さらに、量子ドット分子はキャビティのアンチノードに位置する。
【００１４】
ある実施形態において、状態は、量子ドット分子を横切る電場を変え励起子を格納配置から読み出し配置へ移動させることによって、読み出される。読み出し配置では、その直接配置における励起子は光子を再結合し放射するだろう。光子の偏光は励起子スピン状態の直接の転写である。別の実施形態において、コンポーネントは、偏光検出器を有する光検出器をさらに具備し、前記光検出器は、前記コンポーネントから出力された複数の光子の放射及び偏光を測定するように構成される。
【００１５】
一実施形態において、電圧コントローラーは、状態を読み出すために、状態を初期化するためと同様の場を印加するように構成される。別の実施形態においては、これらの場は異なる。
【００１６】
微細構造スプリッティングが低ければ低いほど、重ね合わせ状態の歳差運動がゆっくりになる。状態がゆっくり歳差運動をする場合は、任意の特定の時に状態を判定するほうが簡単である。ある実施形態において、電圧コントローラーは、初期化、格納、及び読み出しの処理のために、１０μｅＶより下の微細構造スプリッティングを維持するように構成される。
【００１７】
別の実施形態において、第１レイヤバリヤーレイヤ及び第２レイヤは半導体成長技術によって作り上げられ、その結果、第２量子ドットは第１量子ドットの後に形成され、第１接点はｎ型接点である。別の実施形態において、第２接点はｐ型接点である。別の実施形態において、第２接点はショットキー接点である。
【００１８】
デバイスに基づいてｎ型接点を形成することによって、ボトムの量子ドットからトップの量子ドットへ指向する（ここで負電場と定義する）電場を印加し、それによって微細構造スプリッティングを減少させることが可能になる。
【００１９】
ある実施形態において、メモリはメモリに読み込まれるのと同じ量子ビット状態を出力するように構成される。そのような実施形態では、取得回路は、量子ビット格納中に印加される電場に関する励起子微細構造スプリッティングを得るように構成される。タイミング回路は、一旦量子ビット状態が固有状態軸のまわりの整数の回転を完了したならば、読み出し配置に前記励起子を移動させるように構成される。それは、電圧コントローラーが読み出しであるために初期化されるような量子ビット状態を許可するほどのものである。
【００２０】
別の実施形態において、取得回路は、印加された電場に関して、微細構造スプリッティング及び固有状態方向を取得するように構成され、その元々の状態から予め定義された回転に加えて、前記電圧コントローラーが量子演算を行うように、一旦量子ビット状態が固有状態軸の周りの整数回の回転を完了したならば、タイミング回路は、前記励起子を、読み出し配置へ動かす。
【００２１】
実施形態において、適切な電場の印加により量子ビットの記憶装置中に複数の固有状態を変更することはさらに可能である。量子ビットがブロッホの球体上の２つの異なる軸のまわりで回転する場合、量子の演算は、そのために行なうことができる。
【００２２】
ある実施形態において、電圧コントローラーは、量子ビット格納中に、２つの直交する固有状態軸の間で行き来するのに適した調整された電場を印加するように構成され、それによって「スピンエコー」の作用が、格納された状態をリフェーズすることを可能にする。
【００２３】
ある実施形態においては、励起子エネルギーは２つの量子ドットにおいて異なる。
【００２４】
別の実施形態において、量子ビット状態を格納する方法は提供され、前記量子ビット状態は励起子スピン状態として量子ドット分子に格納され、前記励起子は電子及び正孔の束縛状態を具備し、前記分子は、第１レイヤに提供される第１量子ドットと、第２レイヤに提供される第２量子ドットとを具備し、前記第１レイヤ及び前記第２レイヤはバリヤーレイヤによって分離され、前記第２レイヤは前記第１レイヤの上に配置され、
前記方法は、以下を具備する。
前記量子ドット分子にある励起子が直接配置から間接配置へ移動することを可能にするのに適した電場を印加し、（ここで、直接配置では電子及び正孔は複数の量子ドットの内の１つに位置し、間接配置では前記励起子の電子は１つの量子ドットに位置し、前記励起子の正孔は他の量子ドットに位置する）
前記量子ドット分子における励起子の微細構造スプリッティングと、印加された電場との関係に関する情報を取得し、
所定の時に、間接配置から直接配置へ励起子を移動させるように構成される別の電場を印加すること（ここで、所定の時は、微細構造スプリッティングから導き出される）。
【００２５】
ある実施形態において、方法は次のものを具備する。
励起子が直接配置での量子ドット分子で初期化された場合に前記量子ドット分子にわたる第１電場と（ここで初期化の間、励起子は量子ドットで生成される）、
前記量子ドット分子にわたる第２電場と（この場では最低エネルギー励起子状態は間接励起子配置に対応する）、
前記励起子の前記スピン状態に格納された量子情報の読み出しを可能にするように構成される、前記量子ドット分子にわたる第３電場と（前記第３電場では、最低エネルギー励起子状態は直接励起子配置に対応する）。
【００２６】
図１は、本発明の実施形態に従うメモリコンポーネントの概略図である。
【００２７】
ここに用いられるように、以下の用語「上」及び「下」は複数のレイヤの成長順に関して定義され、初期の時点での成長したレイヤは、後の時点での成長したレイヤより下であると定義される。
【００２８】
コンポーネントは、バリヤーレイヤによって分離された２つの量子ドットを具備する量子ドット分子を有する。
【００２９】
量子ドットレイヤ１は、重なって、かつドープしていない領域１１に接して提供される。この特定の例においては、量子ドットレイヤ１は、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）またはＡｌＧａＡｓのレイヤの上に、ＩｎｘＧａ１ｘＡｓ（ｘ＝０．２−１．０）のいくつかの単レイヤを成長することによって作り上げられる。量子ドットレイヤ１と、下にある複数のレイヤとの間での格子定数における差により、量子ドットレイヤは複数の島を形成し、これらの島は量子ドット３である。ＡｌｘＧａ１ｘＡｓ（ｘ＝０．０−０．９）のドープしていないバリヤーレイヤ９は、前記量子ドットレイヤ１に接して被せる。バリヤの厚さは１−３０ｎｍである。
【００３０】
第２量子ドットレイヤ５は、前記バリヤーレイヤ９に接して被せる。第２量子ドットレイヤ５も、ＩｎｘＧａ１ｘＡｓ（ｘ＝０．２−１．０）のいくつかの単レイヤを成長することによって作り上げられる。量子ドットレイヤ５と、バリヤーレイヤ９との間の格子定数での差により、量子ドットレイヤ５は島を形成し、これらの島は量子ドット７である。量子ドットレイヤ５は、第１量子ドットレイヤ１の後に形成され、比較的薄いバリヤーレイヤ９、第２量子ドットレイヤ内の量子ドット７は、補助の核形成を変形させることにより第１量子ドットレイヤにある複数の量子ドット３と協調する。２つのレイヤにある複数の量子ドットはそれによって整列して複数の量子ドット分子を形成する。
【００３１】
第１量子ドットレイヤは、ＡｌｘＧａ１ｘＡｓ １１（組成ｘ＝０．０−０．９）のドープしていないレイヤに位置する。ドープしていないレイヤは、１０ｎｍ以上の厚さを有する。ｎ型のドープしたレイヤ１０は、ＡｌｘＧａ１ｘＡｓのドープしていないレイヤ１１の下に位置する。
【００３２】
ＡｌｘＧａ１ｘＡｓ １１のドープしていないレイヤ１３（組成ｘ＝０．０−０．９、１０ｎｍより大きな厚さ）は、第２量子ドットレイヤに被さって形成される。ｐ型のドープしたレイヤ１４は、ドープしていないレイヤ１３の上に位置する。
【００３３】
電気接点１７及び１９は、ｎ型レイヤ１０及びｐ型レイヤ１４にそれぞれ接続され、その結果、電源２６を使用して、垂直の電場が量子ドット分子にわたって印加されることが可能になる。
【００３４】
電圧コントローラー２１は、垂直の電場を調整するために用いられる。電圧コントローラーは、取得回路２３及びタイミング回路２５を具備する。
【００３５】
光子の偏光量子状態は、量子ドット分子３、７に閉じ込められた励起子のスピン状態にマップされ、その結果、量子ビットは初期化される。複数の光子は、例えばレーザである励起源５１、単一量子ドット、または別の量子ドット分子が起源である。オペレーターが量子メモリへ書き写したい状態を生成するために、一つまたはいくつかの波長板５３を使用して、量子演算を、複数の光子上で実行することができる。レンズ５５は、メモリコンポーネント上に光を集中させるために用いられる。
【００３６】
コントローラー２１は、励起子微細構造を調整し、それによって格納中に励起子量子ビットの発展を制御する。コントローラー２１はさらに、励起子寿命を調整し、それによって、タイミング回路２５を用いて量子ビットの格納時間を制御する。電圧モジュレータは、量子ドット分子を横切る電場を変更するために用いられる。タイミング回路２５は、電圧モジュレータを規制するように使用され、その結果、量子ドット分子にわたる電場は、量子ビットの発展と、オペレーターが行おうと意図する量子演算とに依存した時間内に、複数の正確な瞬間で切り換えられる。タイマーは励起光源に同期化され、続く時間ｔ＝０は、励起子量子ビットが初期化される時として定義される。タイミング回路は、取得回路２３によって取得されたデータを参照することにより電圧を切り替える正確な時間を計算する。
【００３７】
量子メモリが読み出される際に、励起子スピン状態は光子偏光状態に逆にマップされる。量子ドット分子から放射された複数の光子は、レンズ６１によって集められ、その後それらは、離れた量子メモリと通信するために用いられるか、または直接測定される。複数の光子が測定される場合には経路７１に沿って、または複数の光子が離れた量子メモリと通信するために用いられる場合には経路７３に沿って、ビームステアリングデバイスは複数の光子を導くために使用される。経路７３は離れた量子メモリに至る。複数の光子が測定される場合、単一光子検出器６７（例えばアバランシェフォトダイオードあるいは超伝導単一光子検出器）の前にある波長板６３及び線形偏光子６５は、３つの基底（｜Ｄ＞及び｜Ａ＞、｜Ｌ＞及び｜Ｒ＞、または、｜Ｈ＞及び｜Ｖ＞）のうちの１つにおいて射影の測定を行なうために用いられる。検出器６７はタイミング回路２５と同期化される。オペレーターは、このように励起子量子ビットの正確な格納時間を知っていて、この間に量子ビットの発展を推定することができる。
【００３８】
図２の（ａ）は、量子ドット分子を横切る（Ｆで示される）電場が０であるとき、図１を参照して説明されたタイプの、量子ドット分子の概略のバンドダイアグラムである。量子ドット分子は、障壁１０２によって分離された、第１量子ドット１０１及び第２量子ドット１０３を具備する。量子ドット１０１は、伝導帯において最低の閉じ込められた電子エネルギーレベル１０４を持っていて、価電子帯において最高の閉じ込められた正孔レベル１０５を持っている。量子ドット１０３は、伝導帯において最低の閉じ込められた電子エネルギーレベル１０６を持っていて、価電子帯において最高の閉じ込められた正孔レベル１０７を持っている。２つの量子ドットは、異なるサイズであり、したがって、異なる閉じ込めエネルギーを有する。特定の電場ＦＡＣでは、２つの量子ドットの、電子または正孔の基底状態は、共振の状態になる。また、２つの量子ドットはトンネル結合する。図２の（ｂ）は、量子ドット分子を横切る電場がＦＡＣで、２つの正孔状態が共振であるとき、図１を参照して説明されたタイプの、量子ドット分子の概略のバンドダイアグラムである。電子または正孔の状態が共振の状態になるかどうかは、量子ドットの相対的なサイズ、及び電場の方向に左右される。以下の説明において、正孔トンネル共振があるデバイスは、発明を例証するために用いられる。しかしながら、電子トンネルデバイスも用いることができる。
【００３９】
図３は、デバイスの演算中に量子ドット分子のバンドダイアグラムを概略的に示す。光子の偏光は、量子ドット分子内に閉じ込められた励起子のスピン状態へ書き換えられる。励起子は電子２０１と正孔２０２とを具備する。電子占有エネルギー準位１０４あるいは１０６、または、２つの間のトンネル結合された状態。正孔占有エネルギー準位１０５あるいは１０７、または２つの間のトンネル結合された状態。励起子エネルギーは、電子及び正孔のエネルギー間のエネルギー差として定義される。明白に、励起子には４つの異なるエネルギー配置（１０４の電子及び１０５の正孔、１０４の電子及び１０７の正孔、１０６の電子及び１０５の正孔、１０６の電子及び１０７の正孔）がありえる。デバイスは、任意の与えられた電場でも、（最も安定したものである）最低エネルギー励起子配置を用いて動作する。
【００４０】
図３の（ａ）は、初期化段階に量子ドット分子のバンドダイアグラムを示す。最低エネルギーを持った励起子が、同じ量子ドットに閉じ込められる電子と正孔の両方を有しているように、電場は０＜｜Ｆ｜＜｜ＦＡＣ｜であり、これは直接励起子状態として定義される。直接励起子配置は、約１ナノセカンド以下の短い寿命を持っており、したがって容易に光子を吸収する。
【００４１】
図３の（ｂ）は、格納段階への遷移中に量子ドット分子のバンドダイアグラムを示す。電場が｜Ｆ｜＝｜ＦＡＣ｜に変えられ、複数の正孔エネルギー準位が共振の状態になり、正孔が通り抜けることを許される。この電場では、正孔は通常の位置から離され、両方の量子ドットを同時に占める。
【００４２】
図３の（ｃ）は、格納段階中に量子ドット分子のバンドダイアグラムを示す。電場は｜Ｆ｜＞｜ＦＡＣ｜であり、その結果、最低エネルギー励起子状態について、電子と正孔が個別の量子ドット内に閉じ込められ、これは間接励起子配置として定義される。この励起子配置は、直接励起子配置より数桁長い寿命を持っている。また、量子ビットを数１００ナノセカンドで格納することができる。
【００４３】
図３の（ｄ）は、読み出し段階中に量子ドット分子のバンドダイアグラムを示す。電場は０＜｜Ｆ｜＜｜ＦＡＣ｜であり、この結果、励起子は寿命が短いその直接配置に戻ってくる。励起子は続いて光子を再結合し放射する。
【００４４】
図４の（ａ）は、実施形態に従う光キャビティにおける量子メモリコンポーネントを示す。任意の不必要な反復を避けるため、同様な参照数字は同様の特徴を示すために使用される。この実施形態では、キャビティは光結晶キャビティである。
【００４５】
レイヤ１０は、ＡｌｘＧａ１ｘＡｓ（組成ｘ＝０．９−１．０）の犠牲レイヤ３０１の上に成長する。光結晶は、レイヤ１４の上面から全ての中間レイヤを介して犠牲レイヤ３０１へ、周期的なパターンの複数の正孔３０３をエッチングすることによって形成される。その後、レイヤ３０１の一部は選択的にエッチングされ除かれ、その結果、光結晶は、薄いスラブの中に漂っている。１つあるいはいくつかの正孔は故意にエッチングされない、そのため、光共振器３０５を形成する光結晶の周期性は壊れている。
【００４６】
キャビティは初期化及び読み出し処理の効率を向上させるように構成される。これは、キャビティのサイズと同様に複数の正孔のサイズ及び周期性を選ぶことにより行われ、その結果、キャビティの光学モードが、周波数及び空間的形状の両方の点で、励起源５１からの光パルスに一致する。さらに、量子ドット分子がアンチノードに置かれるように、キャビティ３０５の位置は選ばれる。この配置では、キャビティは、初期化及び読み出し処理の効率を向上させるだろう。
【００４７】
図４の（ｂ）は、（ａ）に示される光結晶構造の上面図を示す。
【００４８】
図４の（ｃ）は、さらなる実施形態における光結晶構造の上面図を示す。そこでは導波管３０７は、正孔の列を故意にエッチングしないでおくことにより、光結晶内で生成される。導波管は、光キャビティ３０５へ及び光キャビティ３０５から光を導く。導波管を、複数の離れた量子ドット分子、または複数の離れた励起源あるいは複数の検出器に接続することができる。
【００４９】
上記の実施の形態は、それらが重ね合せ状態の時間発展に対する制御を可能にするように、機能的な量子メモリを提供する。重ね合せ状態を、図５及び図６のいわゆるブロッホ球の表面上の点として記述することができる。球体上の２つの極は、時間について発展しない状態である複数の固有状態を定義する。上記の複数の固有状態を除いてブロッホ球上の任意の点によって表現される重ね合せ状態は、２つの固有状態によって定義された軸のまわりのブロッホの球の表面で歳差運動をするだろう。この歳差運動の周期は、微細構造スプリッティングに反比例する。
【００５０】
上記実施形態では、動作バイアス範囲での微細構造スプリッティングを最小にするデバイス構造が提供され、また微細構造スプリッティングと、ブロッホ球上での固有状態方向との双方を調整する方法が提供される。
【００５１】
図５は、時間について発展しない状態である固有状態｜Ｈ＞と｜Ｖ＞とを有するブロッホ球である。自己組織化した半導体量子ドットにとっては、複数の固有状態は、［１１０］及び［１−１０］の結晶軸に沿って偏光された光（ここで注釈付きの水平及び垂直に偏光した光）に、一般的に結合する。図５は、北極及び南極でそれぞれ水平方向偏光された状態｜Ｈ＞と垂直方向偏光された状態｜Ｖ＞とを有するブロッホ球を示す。任意の量子ビット状態を、複数の固有状態の重ね合せとして示すことができ、図５で定義されるように角度θ及びφによって表現することができる。図はさらに４つの特定の重ね合せ状態（全て｜Ｈ＞及び｜Ｖ＞状態に直交する、対角｜Ｄ＞、反対角｜Ａ＞、左回り｜Ｌ＞、右回り｜Ｒ＞）を示す。複数の固有状態とは対照的に、重ね合せ状態は時間発展するだろう。それは、微細構造スプリッティングに反比例する周期（Ｔ）で、２つの固有状態によって定義された軸のまわりのブロッホ球の表面で歳差運動をする。：
Ｔ＝ｈ／｜Ｓ｜
ここで、ｈがプランク定数であり、｜Ｓ｜は微細構造スプリッティングである。
【００５２】
図６Ａは第２のブロッホ球を示し、｜Ｈ＞及び｜Ｖ＞は固有状態である。球体はさらに、｜Ｈ＞から｜Ｖ＞への軸（ＨＶ軸で示される）の周りで、重ね合せ状態の歳差運動を示す。重ね合せ状態の歳差運動は、破線小円によって示される。
【００５３】
図６Ｂは第２のブロッホ球を示し、｜Ｄ＞及び｜Ａ＞は固有状態である。｜Ｄ＞から｜Ａ＞への軸の周りでの重ね合せ状態の歳差運動は、再び破線小円によって示される。
【００５４】
励起子が読み出されるために直接配置に戻される場合は、状態はまだ歳差運動をしてもよい。これは測定にある不確実性を導入するだろう。この不確実性は、直接の状態（遅い歳差運動）において小さな微細構造スプリッティングを有することによって、かつ直接の状態で励起子寿命を最小化する（高速な再結合）ことによって、最小化される。一般に、寿命は約１ナノセカンドの桁である。しかし、それは、高いパーセルファクターを持った光キャビティ内に量子ドット分子を置くことによって、さらに減少することができる。
【００５５】
量子ビット状態は、格納中に時間にわたって発展するだろう。量子ビットがブロッホ球上での固有状態軸のまわりで整数の回転だけ回転した際に読み出しが行なわれれば、オペレーターは初期の量子ビット状態を再生成することができる。別の実施形態においては、固有状態軸の向きを制御し、かつ量子ビットが前記軸のまわりの整数の回転でなく回転することを可能にすることによって、格納中に量子演算を行うことができる。
【００５６】
ある実施形態においては、生成された状態Ｔに対する制御を支援することは、複数の量子ドット分子を横切る電場を制御できる時間スケールに比較して十分に長い。例えば、これは、微細構造スプリッティングが量子ビット初期化、格納、及び読み出しの処理中いつでも１０μｅＶ未満である場合に、達成される可能性がある。
【００５７】
複数の励起子固有状態は、直接の励起子配置と比較して、間接の励起子配置での減少した微細構造スプリッティングを持っている。図７の（ａ）及び（ｃ）はさらに、直接励起子配置における微細構造スプリッティングは、増加する電場と共に増加し、電場の向きはトップからボトムの量子ドットへ向いているように定義される。図７の（ａ）は、負の電場で動作する量子ドット分子に関する電場の関数として、励起子エネルギースペクトル及び微細構造スプリッティング｜Ｓ｜を示し、２つの最低エネルギー励起子配置だけが明瞭さのために示されている。図での励起子スペクトルのより高いエネルギー分岐は点線によって表現され、一方、より低いエネルギー分岐は実線によって表現される。スペクトルの２つのエネルギー分岐を分離するいわゆるアンチクロッシングは、２つの量子ドットが結合する共振に印を付け、それは電場ＦＡＣで起こり、直接から間接の励起子配置への遷移に印を付ける。図７の（ｂ）は、共振で（ａ）において示された量子ドット分子のバンド構造を概略的に示す。図７の（ｃ）は、正の電場で動作する量子ドット分子に関する電場の関数として、励起子エネルギースペクトル及び微細構造スプリッティングを示す。図７の（ｄ）は、共振で（ｃ）において示された量子ドット分子のバンド構造を概略的に示す。
【００５８】
図７の（ａ）及び（ｃ）は、負電場が印加される場合、｜Ｓ｜は最小化される。複数の量子ドットより下のｎ型の接点及び上のｐ型の接点を持ったｐ−ｉ−ｎダイオード構造において複数の量子ドットを配置することにより、負電場を印加することができる。これとは別に、複数の量子ドットより下のｎ−接点を持ったｎ−ｉ−ショットキーダイオードでの複数の量子ドットを配置することによって、負電場を印加することができる。
【００５９】
ある実施形態において、複数のドットは同一ではない。同一の複数のドットは、Ｆ＝０でそれらの共振（アンチクロッシング）を持っている。Ｆ＝０は、電子と正孔が接点から注入される点である。ボトム接点がｎである場合、荷電粒子を注入せずに、場Ｆ＜０を印加することが可能である。ボトム接点がｐである場合、荷電粒子を注入せずに、場Ｆ＞０を印加することが可能である。どちらの配置が選ばれても、キャリアー注入が始まる点から十分に離れていることが望ましい。
【００６０】
複数の量子ドットが同じ成長時間で成長する場合、トップのドットは一般に、より大きい。しかしながら、常にボトムのドットがより大きいように、量子ドット分子が成長する場合、ドットサイズを制御してもよい。これは、量子ドット分子の配置上の選択を可能にする。例えば、ボトム接点ｎまたはトップ接点ｎをドープする選択と共にボトムドットがより大きいまたはトップドットがより大きい、合計４つの選択がある。上記の実施形態では、ボトムドットはボトム接点ｎと共により大きなドットである。しかしながら、上述の他の配置はすべて可能である。
【００６１】
量子ドットの組成及び歪みに加えて、量子ドットのサイズは、どの荷電粒子が通り抜けるか（図７の（ｂ）では正孔が通り抜け、図７の（ｄ）では電子が通り抜ける）を決定する。
【００６２】
直接の励起子は、最も大きな量子ドットで形成される（組成及び歪みが２つの量子ドットに関して同じであると仮定して）。最も小さなドットにおいて励起子を形成することは可能であるが、それはより高エネルギーを有し、自然に低エネルギー状態へ緩和することを目指すだろう。この理由で、以下の実施形態では最低エネルギー状態に関連する。
【００６３】
図８の（ａ）及び（ｂ）は実験データを表わし、これらの図は、複数の固有状態を、負及び正の電場でそれぞれ動作する２つの異なる量子ドット分子に関する電場の関数と特徴づける。上部パネルは｜Ｓ｜を示し、そして下部パネルは、θに関してブロッホ球での固有状態軸の向きを示す（これらの測定ではφ＝０）。これらの図は、いくつかの量子ドット分子については、複数の固有状態が直接配置から間接配置への遷移で回転することを示す。複数の固有状態の回転は、直接及び間接の励起子配置における異なるスピン状態間での結合の結果である。
【００６４】
図９の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、電場に対する量子ドット分子構造内に閉じ込められた励起子に関してそれぞれエネルギースペクトル、｜Ｓ｜、及びθを示す。励起子スペクトルの最低エネルギー分岐だけが示され、また高エネルギー分岐は明瞭さのために図から省略されている。アンチクロッシングが起こる電場は、図でＦＡＣと印づけられている。ＦＡＣより下の場については、励起子はその間接配置である。また、ＦＡＣより上の場については、励起子はその直接配置である。（その直接配置に励起子を入れる）電場Ｆ１は、初期化及び読み出し処理に用いられる。（その間接配置に励起子を入れる）電場Ｆ２は、格納処理に用いられる。これらの２つの電場では、微細構造スプリッティング、｜Ｓ｜１と｜Ｓ｜２との間での任意の場は、１０μｅＶ未満である。
【００６５】
図９の（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）は、量子演算が行われることなしで量子ビットを格納するために本発明の実施形態による方法を実証する。図９の（ｄ）は、時間の経過による量子ドット分子に印加された励起強度を示し、図９の（ｅ）は、時間の経過による量子ドット分子を横切って印加される電場を示し、図９の（ｆ）は、時間の経過による量子ドット分子からの放射強度を示す。時間ｔ＝０で、量子ドット分子を横切って印加される電場はＦ１である。また、光パルスはその直接配置内の励起子を生成する。光パルスは、レーザあるいは量子光源（例えば量子ドットまたは量子ドット分子）から始まり、励起子エネルギーＥ１と等しいエネルギーを有する、あるいは励起子エネルギーたす整数のフォノンエネルギーに等しいエネルギーを有する。励起光パルス直後に、電場はＦ２に変更され、励起子はその間接配置内に格納される。格納時間中に、量子ビットは歳差運動をし、量子ビットは、時間間隔Δｔ＝ｈ／｜Ｓ｜２（図内の印のある２πＨＶ）でＨＶ軸のまわりの十分な回転で回転する。図において、ｈ／｜Ｓ｜２＝５ナノセカンドであり、したがってオリジナル状態は、５ナノセカンドごとに再生成される（オリジナル状態が再生成される時は図に印が付されている）。格納時間（τＳｔｏｒｅ）は、次のように設定される。
【数１】
【００６６】
ここでｎは整数である。従って、量子ビットは、整数の回転で回転して、格納時間の終わりにオリジナル状態に再生成される。
【００６７】
ｔ＝τＳｔｏｒｅでは、電場はＦ１に戻され、励起子はその直接配置に返される。それは、オリジナル状態と同じ量子状態を有する光子を再生成するために、引き続き再結合される。
【００６８】
図１０の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、電場に対する量子ドット分子構造内に閉じ込められた励起子に関して、エネルギースペクトル、｜Ｓ｜及びθを示す。図１０の（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）は、行われた量子演算で量子ビットを格納するために本発明の実施形態による方法を実証する。図１０の（ｄ）は、時間の経過による量子ドット分子に印加された励起強度を示す、図１０の（ｅ）は、量子ドット分子を横切って印加される電場を示し、図１０の（ｆ）は、時間の経過による量子ドット分子からの放射強度を示す。この実施形態において、量子ビットが“｜Ｈ＞から｜Ｖ＞への軸”の周りで回転される量子演算は格納の間に行われる。図９でも同様に、ｔ＝０の量子ビット状態が以下ごとに再生成される。
【数２】
【００６９】
電場Ｆ２で複数の固有状態によって定義された軸（ここでは｜Ｈ＞から｜Ｖ＞への軸）のまわりの（ラジアンで測られた）回転φは、以下の時間に量子ビットを格納することによって行われる。
【数３】
【００７０】
図１０では、τＳｔｏｒｅ＝４．５＊ｈ／｜Ｓ｜２がＨＶ軸のまわりのπの正味の回転を与える。明らかに、ＨＶ軸のまわりの任意の角度だけ量子ビットを回転することができる。
【００７１】
図１１の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、電場に対する量子ドット分子構造内に閉じ込められた励起子に関して、エネルギースペクトル、｜Ｓ｜及びθを示す。図１１の（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）は、本発明の実施形態による方法を実証する。図１１の（ｄ）は、時間の経過による量子ドット分子に印加された励起強度を示し、図１１の（ｅ）は、時間の経過による量子ドット分子を横切って印加される電場を示し、図１１の（ｆ）は、時間の経過による量子ドット分子からの放射強度を示す。この実施形態において、量子ビットが“｜Ｄ＞から｜Ａ＞への軸”の周りで回転される量子演算が、格納中で行われる。この演算を、複数の固有状態が直接配置から間接配置への遷移で回転する量子ドット分子を使用して、行うことができる。
【００７２】
時間ｔ＝０で、量子ドット分子を横切って印加される電場はＦ３であり、光パルスはその直接配置内の励起子を作成する。光パルスは、レーザあるいは量子光源（例えば量子ドットまたは量子ドット分子）が起源であり、励起子エネルギーＥ３に等しい、または励起子エネルギー足す整数のフォノンエネルギーに等しいエネルギーを有する。励起光パルス直後に、電場はＦ５に変更され、励起子はその間接配置内に格納される。電場がＦ３からＦ５まで変更されるとともに、複数の固有状態が回転する。この実施形態では、θ＝９０°であり、これは固有状態軸がＦ３及びＦ５の両方で“｜Ｈ＞から｜Ｖ＞”であることを意味する。中間の電場Ｆ４では、固有状態軸は“｜Ｄ＞から｜Ａ＞”である。しかしながら、スイッチングは時間発展に関して速く（１００ピコセカンドより速い）、量子ビットの大幅な回転はスイッチングの間には起こらない。格納中に、量子ビットは“｜Ｈ＞から｜Ｖ＞”軸のまわりで歳差運動する。任意の時点では、そのインスタンスでの量子ビット状態を、下記の時間周期の間に電場をＦ４へ変化させることによって、（ラジアンで測定された）角度φで“｜Ｄ＞から｜Ａ＞”の軸の周りで回転することができる。
【数４】
【００７３】
図１１では、ＤＡ軸のまわりのπの回転が行われ、図ではπＤＡと印が付けられている。明らかに、ＤＡ軸のまわりで任意の角度だけ量子ビットを回転することができる。さらに、複数の固有状態を回転することができるあらゆる軸のまわりで、量子ビットを回転することができる。
【００７４】
図１２の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、電場に対する量子ドット分子構造内に閉じ込められた励起子について、エネルギースペクトル、｜Ｓ｜及びθを示す。図１２の（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）は、本発明の実施形態による方法を実証する。図１２の（ｄ）は、時間の経過による量子ドット分子に印加された励起強度を示し、図１２の（ｅ）は、時間の経過による量子ドット分子を横切って印加される電場を示し、図１２の（ｆ）は、時間の経過による量子ドット分子からの放射強度を示す。この実施形態では、スピンエコーシーケンスは、格納中に量子ビットの位相をずらすことを減少するために、利用される。量子ビットは格納されているが、それは、固有状態軸（ここでＺと名付ける）のまわりで歳差運動を行い、この間にランダムな位相ずれがさらに起こる。量子情報処理では、これはスピンエコー操作によって、改善することができる。位相ずれが起こる時間τの後、量子ビットは、Ｚに直交の軸（ここでＸと名付ける）のまわりのπ回転を受ける。位相をずらす点では、π回転は、量子ビットがあたかもそれがπ回転後に後方へ時間発展しているかのように振る舞う効果がある。π回転の後の付加的な時間周期τでは、量子ビットは、再び焦点が当てられ、最小の位相ずれを有するオリジナル量子ビット状態を再生成する。いくつかのスピンエコー演算を、量子ビット格納中に、次から次へと行うことができる。
【００７５】
スピンエコー演算は、外部磁界を用いて、一般に実行される。発明者らは、固有状態軸の電気的な制御された回転は、オペレーターが全ての電気的なスピンエコー演算を実行することを可能にする。図１２での実施形態では、固有状態軸は量子ビット格納中にＨＶである。時間ｔ＝τでは、ＤＡ軸のまわりのπ回転は行なわれ、ｔ＝１０ナノセカンドでスピンエコー（ｅｃｈｏ１）になる。演算は続いて繰り返され、ｔ＝２０ナノセカンドで別のスピンエコー（ｅｃｈｏ２）になる。この時に、量子ビットが読み取られる。
【００７６】
上記の複数の実施形態は、光子の偏光量子状態を符号化して励起子のスピン状態にする量子メモリコンポーネントを提供し、前記量子状態は格納され操作される。
【００７７】
いくつかの実施形態において、励起子スピン状態を生成するために用いられる光子は既知でない偏光を有する。量子情報処理（ＱＩＰ：quantum information processing）では、量子ビットの状態は一般に既知でない。上記の複数の実施形態では、ブロッホ球上で予め定義されている軸の周りに、予め定義されている角度で、既知でない量子ビット状態を回転することができる。これは、量子ビットに対する量子演算の構成要素となる。
【００７８】
上記の複数の実施形態は、量子ビットを格納する量子メモリデバイスと、前記量子ビットを操作するためのコントローラーと、を具備するコンポーネントを提供する。量子メモリデバイスは、量子ドット分子と、前記量子ドット分子に中性励起子を生み出すように構成される励起部分と、を具備する。コントローラーは、量子ドット分子を横切って調整された電場を印加するように構成される複数の電気接点につながれた電源を具備する。電場を調整することによって、オペレーターは励起子寿命を調整することができる。電場を調整することによって、量子ビットの読み出し及び初期化に使用される直接励起配置と、量子ビットの格納に使用される間接励起配置との間で切り換えることが可能になる。電場が励起子寿命を調整すると同時に、それは励起子微細構造スプリッティング及び固有状態方向をも調整する。
【００７９】
これは、量子演算が、格納された量子ビット上で行なわれることを可能にする。
【００８０】
上記の複数の実施形態は、多くの量子ビットを同時に扱うために複数の量子メモリを構築することができるという意味で、拡張が可能である。特定の量子メモリ内に格納される量子ビットに、特定の量子演算を行うことができるように、複数の量子メモリを個別に制御することができる。異なる量子ビットも同じ演算を行うことができる。特定の量子ビットをも光子へ転送し、離れた量子メモリ内に格納されるために、または離れた量子メモリからの別の光子と相互作用するために、さらに特定の量子ビットを送ることもできる。
【００８１】
上記の複数の実施形態に従う複数のコンポーネントは既存の半導体技術と互換性がある。量子ビット上で行なわれた量子演算は、電気的に制御され、外部機器（例えば磁石または調整可能なレーザー）を必要としない。したがって、上記の複数の実施形態は、大規模化及び大量生産が可能である。
【００８２】
いくつかの実施形態は説明されているが、これらの実施形態はほんの一例として示されており、発明の範囲を制限するようには意図されない。実際は、本明細書で説明された新しい方法及びシステムは、様々な他の形式で具体化されてもよい。さらに、本明細書で説明された方法及びシステムの形式での様々な省略、置換及び変更は、発明の精神から外れずになされてもよい。添付のクレーム及びそれらの均等物は、発明の範囲及び精神の中にあるように、変更のそのような形式を保護するように意図される。
【技術分野】
【０００１】
ここに説明されるような実施形態は、量子メモリ及び量子情報処理の分野に関連する。
この出願は、２０１１年１０月２８日にファイルされた、英国特許出願第１１１８７６４．８号からの優先権の利益に基づいていて、かつその利益を要求し、出願の全内容は参照によってここに組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
量子中継器及び量子ネットワークのような量子情報処理でのいくつかの応用は、可逆的な手法で安定した量子メモリ上にマップされることを、一光子の量子状態に要求する。
【０００３】
半導体量子ドットは、単一光子の偏光を、高いフィデリティ（fidelity）を有する光子生成励起子（photogenerated exciton）のスピン状態へ書き換える光と物質との有効量子インターフェースとして機能する。励起子は、２つの直交光子偏光に対応する２つのスピン固有状態を有し、これらのスピン固有状態は、いわゆる微細構造スプリッティング（fine-structure splitting）によってエネルギー上で分離されている。２つのスピン固有状態のうちの１つにおいて、あるいはこれらの状態の任意の重ね合せにおいて、励起子を初期化することができる。したがって、励起子を量子ビット（qubit）と見なすことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】図１は、本発明の実施形態に従うメモリコンポーネントの概略図である。
【図２】図２は、量子ドット分子の概略のバンドダイアグラム（band diagram）である。
【図３】図３は、メモリコンポーネントの動作中での量子ドット分子の概略のバンドダイアグラムである。
【図４】図４の（ａ）は、光キャビティ内に位置する本発明の実施形態に従うメモリコンポーネントの概略図である。図４の（ｂ）は、図４の（ａ）のコンポーネントの平面図を示す。図４の（ｃ）は、図４の（ａ）のコンポーネントの変形を示す。
【図５】図５はブロッホ球（Bloch sphere）である。
【図６Ａ】図６Ａは、ＨＶ軸のまわりで歳差運動をする量子状態を示すブロッホ球である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、ＤＡ軸のまわりで歳差運動をする量子状態を示すブロッホ球である。
【図７】図７の（ａ）は、図７の（ｂ）に概略的に示されるバンドダイアグラムを有する量子ドット分子に印加された電場に対する、エネルギー及び微細構造スプリッティングのプロットである。図７の（ｃ）は、図７の（ｄ）に示されるバンドダイアグラムを持った量子ドット分子に印加された電場に対する、エネルギー及び微細構造スプリッティングのプロットである。
【図８】図８の（ａ）は、第１量子ドット分子のための電場に対する、実験的に測定された微細構造スプリッティング及び固有状態方向（eigenstate orientation）のプロットである。図８の（ｂ）は、第２量子ドット分子のための電場に対する、実験的に測定された微細構造スプリッティング及び固有状態方向のプロットである。
【図９】図９の（ａ）は、印加された電場に対する最低エネルギー励起子配置に関するエネルギースペクトルのプロットである。図９の（ｂ）は、印加された電場に対する微細構造スプリッティングのプロットである。図９の（ｃ）は、印加された電場に対する励起子の複数の固有状態の方向のプロットである。図９の（ｄ）は、時間の経過による励起強度のプロットである。図９の（ｅ）は、時間の経過による印加される電場のプロットである。図９の（ｆ）は、量子ドット分子において当初に初期化された状態の再生成を示すために、時間の経過による対応する放射強度のプロットである。
【図１０】図１０の（ａ）は、印加された電場に対する最低エネルギー励起子配置に関するエネルギースペクトルのプロットである。図１０の（ｂ）は、印加された電場に対する微細構造スプリッティングのプロットである。図１０の（ｃ）は、印加された電場に対する励起子の複数の固有状態の向き（orientation）のプロットである。図１０の（ｄ）は、時間の経過による励起強度のプロットである。図１０の（ｅ）は、時間の経過による印加された電場のプロットである。図１０の（ｆ）は、量子ドット分子において当初に初期化された状態からＨＶ軸の周りのπの正味の回転を有する状態の再生成を示すために、時間の経過による対応する放射強度のプロットである。
【図１１】図１１の（ａ）は、印加された電場に対する最低エネルギー励起子配置に関するエネルギースペクトルのプロットである。図１１の（ｂ）は、印加された電場に対する微細構造スプリッティングのプロットである。図１１の（ｃ）は、印加された電場に対する励起子の複数の固有状態の向きのプロットである。図１１の（ｄ）は、時間の経過による励起強度のプロットである。図１１の（ｅ）は、時間の経過による印加された電場のプロットである。図１１の（ｆ）は、量子ドット分子において当初に初期化された状態からＤＡ軸の周りのπの正味の回転を有する状態の再生成を示すために、時間の経過による対応する放射強度のプロットである。
【図１２】図１２の（ａ）は、印加された電場に対する最低エネルギー励起子配置に関するエネルギースペクトルのプロットである。図１２の（ｂ）は、印加された電場に対する微細構造スプリッティングのプロットである。図１２の（ｃ）は、印加された電場に対する励起子の複数の固有状態の向きのプロットである。図１２の（ｄ）は、時間の経過による励起強度のプロットである。図１２の（ｅ）は、時間の経過による印加された電場のプロットである。図１２の（ｆ）は、スピンエコー技術を用いてリフェーズ（rephase）した後に、状態の再生成を示すために、時間の経過による対応する放射強度のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
実施形態において、量子ビット状態を記憶し操作するように構成されたメモリのコンポーネントは提供され、前記コンポーネントは、量子ドット分子と、励起子と、第１電気接点と、第２電気接点と、電源と、電源コントローラーと、を具備し、
前記分子は、第１レイヤに提供される第１量子ドットと、第２レイヤに提供される第２量子ドットと、を具備し、前記第１レイヤ及び前記第２レイヤはバリヤーレイヤによって分離されていて、前記第２レイヤは前記第１レイヤの上に配置され、
前記励起子は、前記量子ドット分子での電子及び正孔の束縛状態を具備し、前記励起子のスピン状態は前記量子ビットを形成し、
電場が前記量子ドット分子を横切って提供されるために、前記第１電気接点は前記第１量子ドットの下で提供され、第２電気接点は前記第２量子ドットの上に提供され、
前記電源は、前記量子ドット分子を横切って電場を印加するように構成された複数の電気接点に接続され、
前記電源コントローラーは、量子ドット分子を横切る電場を調整するように構成され、その結果、量子ドット分子における励起子は、励起子の電子及び正孔が同じ量子ドットにある直接配置と、電子及び正孔が量子ドット分子の異なった量子ドットに位置する間接配置と、の間で切り換えられ、
前記電源コントローラーは、情報取得回路とタイミング回路を具備し、前記情報取得回路は、前記励起子の微細構造スプリッティングと印加された電場との間の関係に関する情報を取得するように構成され、
前記タイミング回路は、微細構造スプリッティングから導かれる所定回数で間接配置から直接配置への励起子の切り換えを許可するように構成される。
【０００６】
電圧コントローラーは、取得回路を介して、励起子の微細構造スプリッティングが印加された電場にどのように関係しているかを知っている。微細構造スプリッティングはここで、光に結合する２つの励起子スピン状態間のエネルギー分離として定義される。一実施形態において、取得回路は、微細構造スプリッティングを印加された電場に関連づけるデータを含んでいるメモリに接続される。さらなる実施形態では、取得回路は、この情報を無線で検索してもよい。
【０００７】
取得回路によって取得したデータは、演算に先立って量子ドット分子で行なわれた測定からのデータでもよい。
【０００８】
ある実施形態において、前記電源コントローラーは以下のように構成される。
量子ビットの初期化に適した電場は、励起子が生成される際に印加され、この電場では最低エネルギー励起子状態が短い寿命を有する直接励起子配置に対応し、電子及び正孔の両方は同じ量子ドットに閉じ込められる。
量子ビット格納に適した電場は、励起子が初期化された後直ちに印加され、この電場では最低エネルギー励起子状態は、長い寿命を有する間接励起子配置に対応し、電子及び正孔は、異なる量子ドットに閉じ込められ、電場の切り換えの間に励起子配置は直接から間接へ変化する。
励起子のスピン状態に格納される量子情報が検索されることになっている場合には、量子ビット読み出しに適した電場が印加され、この電場では、最低エネルギー励起子状態は、短い寿命を有する直接励起子配置に対応し、電子と正孔の両方は同じ量子ドットに閉じ込められ、電場の切り換えの間に励起子配置は間接から直接へ変化する。
【０００９】
状態が直接あるいは間接の配置のいずれかで量子ドット分子に記憶される時、状態は時間にわたって発展するだろう。時間の経過による状態の発展は予測可能である。ある実施形態において、励起子が生成される状態は、２つの固有状態の重ね合せである。２つの固有状態を、極の間に走る軸を持ったいわゆるブロッホ球上の２つの対立する極として視覚化することができる。時間の経過によって、状態は、２つの固有状態を接続する軸のまわりのブロッホ球上で歳差運動をするだろう。この歳差運動の速度は、微細構造スプリッティングによって制御される。したがって、一旦特定の電圧に関する微細構造スプリッティングが既知であれば、状態の発展は既知である。これは、読出しである状態に対する制御を可能にする。
【００１０】
ある実施形態において、励起子は光学的な励起によって生成される。ある与えられたスピン状態を有する励起子は、既知の偏光を持った量子ドット分子を光学的に励起することによって、生成されてもよい。別の実施形態において、コンポーネントは、さらに光源を具備し、この光源は、前記量子ドット分子に既知のスピン状態の励起子を光学的に励起するように構成される。
【００１１】
別の実施形態において、光源は、量子ビット初期化に適した電場で、最低エネルギー励起子状態より大きな整数のフォノンエネルギーである光子エネルギーを有しているように構成される。これは、励起子が最低エネルギー状態へ緩和するとともに、スピンフリップの可能性を少なくする。
【００１２】
別の実施形態において、光源は、量子ビット初期化に適した電場での最低エネルギー励起子状態に等しい光子エネルギーを有するように構成される。これは、励起子が最低エネルギー状態へ緩和するとともに、スピンフリップの可能性を最小限にする。
【００１３】
ある実施形態において、前記量子ドット分子は、励起子を初期化することができる効率を改善するために、光キャビティ内に位置する。これは、周波数と空間的形状の両方の点からみて、キャビティの光学モードを、光源からの光パルスに一致させることによって行われる。さらに、量子ドット分子はキャビティのアンチノードに位置する。
【００１４】
ある実施形態において、状態は、量子ドット分子を横切る電場を変え励起子を格納配置から読み出し配置へ移動させることによって、読み出される。読み出し配置では、その直接配置における励起子は光子を再結合し放射するだろう。光子の偏光は励起子スピン状態の直接の転写である。別の実施形態において、コンポーネントは、偏光検出器を有する光検出器をさらに具備し、前記光検出器は、前記コンポーネントから出力された複数の光子の放射及び偏光を測定するように構成される。
【００１５】
一実施形態において、電圧コントローラーは、状態を読み出すために、状態を初期化するためと同様の場を印加するように構成される。別の実施形態においては、これらの場は異なる。
【００１６】
微細構造スプリッティングが低ければ低いほど、重ね合わせ状態の歳差運動がゆっくりになる。状態がゆっくり歳差運動をする場合は、任意の特定の時に状態を判定するほうが簡単である。ある実施形態において、電圧コントローラーは、初期化、格納、及び読み出しの処理のために、１０μｅＶより下の微細構造スプリッティングを維持するように構成される。
【００１７】
別の実施形態において、第１レイヤバリヤーレイヤ及び第２レイヤは半導体成長技術によって作り上げられ、その結果、第２量子ドットは第１量子ドットの後に形成され、第１接点はｎ型接点である。別の実施形態において、第２接点はｐ型接点である。別の実施形態において、第２接点はショットキー接点である。
【００１８】
デバイスに基づいてｎ型接点を形成することによって、ボトムの量子ドットからトップの量子ドットへ指向する（ここで負電場と定義する）電場を印加し、それによって微細構造スプリッティングを減少させることが可能になる。
【００１９】
ある実施形態において、メモリはメモリに読み込まれるのと同じ量子ビット状態を出力するように構成される。そのような実施形態では、取得回路は、量子ビット格納中に印加される電場に関する励起子微細構造スプリッティングを得るように構成される。タイミング回路は、一旦量子ビット状態が固有状態軸のまわりの整数の回転を完了したならば、読み出し配置に前記励起子を移動させるように構成される。それは、電圧コントローラーが読み出しであるために初期化されるような量子ビット状態を許可するほどのものである。
【００２０】
別の実施形態において、取得回路は、印加された電場に関して、微細構造スプリッティング及び固有状態方向を取得するように構成され、その元々の状態から予め定義された回転に加えて、前記電圧コントローラーが量子演算を行うように、一旦量子ビット状態が固有状態軸の周りの整数回の回転を完了したならば、タイミング回路は、前記励起子を、読み出し配置へ動かす。
【００２１】
実施形態において、適切な電場の印加により量子ビットの記憶装置中に複数の固有状態を変更することはさらに可能である。量子ビットがブロッホの球体上の２つの異なる軸のまわりで回転する場合、量子の演算は、そのために行なうことができる。
【００２２】
ある実施形態において、電圧コントローラーは、量子ビット格納中に、２つの直交する固有状態軸の間で行き来するのに適した調整された電場を印加するように構成され、それによって「スピンエコー」の作用が、格納された状態をリフェーズすることを可能にする。
【００２３】
ある実施形態においては、励起子エネルギーは２つの量子ドットにおいて異なる。
【００２４】
別の実施形態において、量子ビット状態を格納する方法は提供され、前記量子ビット状態は励起子スピン状態として量子ドット分子に格納され、前記励起子は電子及び正孔の束縛状態を具備し、前記分子は、第１レイヤに提供される第１量子ドットと、第２レイヤに提供される第２量子ドットとを具備し、前記第１レイヤ及び前記第２レイヤはバリヤーレイヤによって分離され、前記第２レイヤは前記第１レイヤの上に配置され、
前記方法は、以下を具備する。
前記量子ドット分子にある励起子が直接配置から間接配置へ移動することを可能にするのに適した電場を印加し、（ここで、直接配置では電子及び正孔は複数の量子ドットの内の１つに位置し、間接配置では前記励起子の電子は１つの量子ドットに位置し、前記励起子の正孔は他の量子ドットに位置する）
前記量子ドット分子における励起子の微細構造スプリッティングと、印加された電場との関係に関する情報を取得し、
所定の時に、間接配置から直接配置へ励起子を移動させるように構成される別の電場を印加すること（ここで、所定の時は、微細構造スプリッティングから導き出される）。
【００２５】
ある実施形態において、方法は次のものを具備する。
励起子が直接配置での量子ドット分子で初期化された場合に前記量子ドット分子にわたる第１電場と（ここで初期化の間、励起子は量子ドットで生成される）、
前記量子ドット分子にわたる第２電場と（この場では最低エネルギー励起子状態は間接励起子配置に対応する）、
前記励起子の前記スピン状態に格納された量子情報の読み出しを可能にするように構成される、前記量子ドット分子にわたる第３電場と（前記第３電場では、最低エネルギー励起子状態は直接励起子配置に対応する）。
【００２６】
図１は、本発明の実施形態に従うメモリコンポーネントの概略図である。
【００２７】
ここに用いられるように、以下の用語「上」及び「下」は複数のレイヤの成長順に関して定義され、初期の時点での成長したレイヤは、後の時点での成長したレイヤより下であると定義される。
【００２８】
コンポーネントは、バリヤーレイヤによって分離された２つの量子ドットを具備する量子ドット分子を有する。
【００２９】
量子ドットレイヤ１は、重なって、かつドープしていない領域１１に接して提供される。この特定の例においては、量子ドットレイヤ１は、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）またはＡｌＧａＡｓのレイヤの上に、ＩｎｘＧａ１ｘＡｓ（ｘ＝０．２−１．０）のいくつかの単レイヤを成長することによって作り上げられる。量子ドットレイヤ１と、下にある複数のレイヤとの間での格子定数における差により、量子ドットレイヤは複数の島を形成し、これらの島は量子ドット３である。ＡｌｘＧａ１ｘＡｓ（ｘ＝０．０−０．９）のドープしていないバリヤーレイヤ９は、前記量子ドットレイヤ１に接して被せる。バリヤの厚さは１−３０ｎｍである。
【００３０】
第２量子ドットレイヤ５は、前記バリヤーレイヤ９に接して被せる。第２量子ドットレイヤ５も、ＩｎｘＧａ１ｘＡｓ（ｘ＝０．２−１．０）のいくつかの単レイヤを成長することによって作り上げられる。量子ドットレイヤ５と、バリヤーレイヤ９との間の格子定数での差により、量子ドットレイヤ５は島を形成し、これらの島は量子ドット７である。量子ドットレイヤ５は、第１量子ドットレイヤ１の後に形成され、比較的薄いバリヤーレイヤ９、第２量子ドットレイヤ内の量子ドット７は、補助の核形成を変形させることにより第１量子ドットレイヤにある複数の量子ドット３と協調する。２つのレイヤにある複数の量子ドットはそれによって整列して複数の量子ドット分子を形成する。
【００３１】
第１量子ドットレイヤは、ＡｌｘＧａ１ｘＡｓ １１（組成ｘ＝０．０−０．９）のドープしていないレイヤに位置する。ドープしていないレイヤは、１０ｎｍ以上の厚さを有する。ｎ型のドープしたレイヤ１０は、ＡｌｘＧａ１ｘＡｓのドープしていないレイヤ１１の下に位置する。
【００３２】
ＡｌｘＧａ１ｘＡｓ １１のドープしていないレイヤ１３（組成ｘ＝０．０−０．９、１０ｎｍより大きな厚さ）は、第２量子ドットレイヤに被さって形成される。ｐ型のドープしたレイヤ１４は、ドープしていないレイヤ１３の上に位置する。
【００３３】
電気接点１７及び１９は、ｎ型レイヤ１０及びｐ型レイヤ１４にそれぞれ接続され、その結果、電源２６を使用して、垂直の電場が量子ドット分子にわたって印加されることが可能になる。
【００３４】
電圧コントローラー２１は、垂直の電場を調整するために用いられる。電圧コントローラーは、取得回路２３及びタイミング回路２５を具備する。
【００３５】
光子の偏光量子状態は、量子ドット分子３、７に閉じ込められた励起子のスピン状態にマップされ、その結果、量子ビットは初期化される。複数の光子は、例えばレーザである励起源５１、単一量子ドット、または別の量子ドット分子が起源である。オペレーターが量子メモリへ書き写したい状態を生成するために、一つまたはいくつかの波長板５３を使用して、量子演算を、複数の光子上で実行することができる。レンズ５５は、メモリコンポーネント上に光を集中させるために用いられる。
【００３６】
コントローラー２１は、励起子微細構造を調整し、それによって格納中に励起子量子ビットの発展を制御する。コントローラー２１はさらに、励起子寿命を調整し、それによって、タイミング回路２５を用いて量子ビットの格納時間を制御する。電圧モジュレータは、量子ドット分子を横切る電場を変更するために用いられる。タイミング回路２５は、電圧モジュレータを規制するように使用され、その結果、量子ドット分子にわたる電場は、量子ビットの発展と、オペレーターが行おうと意図する量子演算とに依存した時間内に、複数の正確な瞬間で切り換えられる。タイマーは励起光源に同期化され、続く時間ｔ＝０は、励起子量子ビットが初期化される時として定義される。タイミング回路は、取得回路２３によって取得されたデータを参照することにより電圧を切り替える正確な時間を計算する。
【００３７】
量子メモリが読み出される際に、励起子スピン状態は光子偏光状態に逆にマップされる。量子ドット分子から放射された複数の光子は、レンズ６１によって集められ、その後それらは、離れた量子メモリと通信するために用いられるか、または直接測定される。複数の光子が測定される場合には経路７１に沿って、または複数の光子が離れた量子メモリと通信するために用いられる場合には経路７３に沿って、ビームステアリングデバイスは複数の光子を導くために使用される。経路７３は離れた量子メモリに至る。複数の光子が測定される場合、単一光子検出器６７（例えばアバランシェフォトダイオードあるいは超伝導単一光子検出器）の前にある波長板６３及び線形偏光子６５は、３つの基底（｜Ｄ＞及び｜Ａ＞、｜Ｌ＞及び｜Ｒ＞、または、｜Ｈ＞及び｜Ｖ＞）のうちの１つにおいて射影の測定を行なうために用いられる。検出器６７はタイミング回路２５と同期化される。オペレーターは、このように励起子量子ビットの正確な格納時間を知っていて、この間に量子ビットの発展を推定することができる。
【００３８】
図２の（ａ）は、量子ドット分子を横切る（Ｆで示される）電場が０であるとき、図１を参照して説明されたタイプの、量子ドット分子の概略のバンドダイアグラムである。量子ドット分子は、障壁１０２によって分離された、第１量子ドット１０１及び第２量子ドット１０３を具備する。量子ドット１０１は、伝導帯において最低の閉じ込められた電子エネルギーレベル１０４を持っていて、価電子帯において最高の閉じ込められた正孔レベル１０５を持っている。量子ドット１０３は、伝導帯において最低の閉じ込められた電子エネルギーレベル１０６を持っていて、価電子帯において最高の閉じ込められた正孔レベル１０７を持っている。２つの量子ドットは、異なるサイズであり、したがって、異なる閉じ込めエネルギーを有する。特定の電場ＦＡＣでは、２つの量子ドットの、電子または正孔の基底状態は、共振の状態になる。また、２つの量子ドットはトンネル結合する。図２の（ｂ）は、量子ドット分子を横切る電場がＦＡＣで、２つの正孔状態が共振であるとき、図１を参照して説明されたタイプの、量子ドット分子の概略のバンドダイアグラムである。電子または正孔の状態が共振の状態になるかどうかは、量子ドットの相対的なサイズ、及び電場の方向に左右される。以下の説明において、正孔トンネル共振があるデバイスは、発明を例証するために用いられる。しかしながら、電子トンネルデバイスも用いることができる。
【００３９】
図３は、デバイスの演算中に量子ドット分子のバンドダイアグラムを概略的に示す。光子の偏光は、量子ドット分子内に閉じ込められた励起子のスピン状態へ書き換えられる。励起子は電子２０１と正孔２０２とを具備する。電子占有エネルギー準位１０４あるいは１０６、または、２つの間のトンネル結合された状態。正孔占有エネルギー準位１０５あるいは１０７、または２つの間のトンネル結合された状態。励起子エネルギーは、電子及び正孔のエネルギー間のエネルギー差として定義される。明白に、励起子には４つの異なるエネルギー配置（１０４の電子及び１０５の正孔、１０４の電子及び１０７の正孔、１０６の電子及び１０５の正孔、１０６の電子及び１０７の正孔）がありえる。デバイスは、任意の与えられた電場でも、（最も安定したものである）最低エネルギー励起子配置を用いて動作する。
【００４０】
図３の（ａ）は、初期化段階に量子ドット分子のバンドダイアグラムを示す。最低エネルギーを持った励起子が、同じ量子ドットに閉じ込められる電子と正孔の両方を有しているように、電場は０＜｜Ｆ｜＜｜ＦＡＣ｜であり、これは直接励起子状態として定義される。直接励起子配置は、約１ナノセカンド以下の短い寿命を持っており、したがって容易に光子を吸収する。
【００４１】
図３の（ｂ）は、格納段階への遷移中に量子ドット分子のバンドダイアグラムを示す。電場が｜Ｆ｜＝｜ＦＡＣ｜に変えられ、複数の正孔エネルギー準位が共振の状態になり、正孔が通り抜けることを許される。この電場では、正孔は通常の位置から離され、両方の量子ドットを同時に占める。
【００４２】
図３の（ｃ）は、格納段階中に量子ドット分子のバンドダイアグラムを示す。電場は｜Ｆ｜＞｜ＦＡＣ｜であり、その結果、最低エネルギー励起子状態について、電子と正孔が個別の量子ドット内に閉じ込められ、これは間接励起子配置として定義される。この励起子配置は、直接励起子配置より数桁長い寿命を持っている。また、量子ビットを数１００ナノセカンドで格納することができる。
【００４３】
図３の（ｄ）は、読み出し段階中に量子ドット分子のバンドダイアグラムを示す。電場は０＜｜Ｆ｜＜｜ＦＡＣ｜であり、この結果、励起子は寿命が短いその直接配置に戻ってくる。励起子は続いて光子を再結合し放射する。
【００４４】
図４の（ａ）は、実施形態に従う光キャビティにおける量子メモリコンポーネントを示す。任意の不必要な反復を避けるため、同様な参照数字は同様の特徴を示すために使用される。この実施形態では、キャビティは光結晶キャビティである。
【００４５】
レイヤ１０は、ＡｌｘＧａ１ｘＡｓ（組成ｘ＝０．９−１．０）の犠牲レイヤ３０１の上に成長する。光結晶は、レイヤ１４の上面から全ての中間レイヤを介して犠牲レイヤ３０１へ、周期的なパターンの複数の正孔３０３をエッチングすることによって形成される。その後、レイヤ３０１の一部は選択的にエッチングされ除かれ、その結果、光結晶は、薄いスラブの中に漂っている。１つあるいはいくつかの正孔は故意にエッチングされない、そのため、光共振器３０５を形成する光結晶の周期性は壊れている。
【００４６】
キャビティは初期化及び読み出し処理の効率を向上させるように構成される。これは、キャビティのサイズと同様に複数の正孔のサイズ及び周期性を選ぶことにより行われ、その結果、キャビティの光学モードが、周波数及び空間的形状の両方の点で、励起源５１からの光パルスに一致する。さらに、量子ドット分子がアンチノードに置かれるように、キャビティ３０５の位置は選ばれる。この配置では、キャビティは、初期化及び読み出し処理の効率を向上させるだろう。
【００４７】
図４の（ｂ）は、（ａ）に示される光結晶構造の上面図を示す。
【００４８】
図４の（ｃ）は、さらなる実施形態における光結晶構造の上面図を示す。そこでは導波管３０７は、正孔の列を故意にエッチングしないでおくことにより、光結晶内で生成される。導波管は、光キャビティ３０５へ及び光キャビティ３０５から光を導く。導波管を、複数の離れた量子ドット分子、または複数の離れた励起源あるいは複数の検出器に接続することができる。
【００４９】
上記の実施の形態は、それらが重ね合せ状態の時間発展に対する制御を可能にするように、機能的な量子メモリを提供する。重ね合せ状態を、図５及び図６のいわゆるブロッホ球の表面上の点として記述することができる。球体上の２つの極は、時間について発展しない状態である複数の固有状態を定義する。上記の複数の固有状態を除いてブロッホ球上の任意の点によって表現される重ね合せ状態は、２つの固有状態によって定義された軸のまわりのブロッホの球の表面で歳差運動をするだろう。この歳差運動の周期は、微細構造スプリッティングに反比例する。
【００５０】
上記実施形態では、動作バイアス範囲での微細構造スプリッティングを最小にするデバイス構造が提供され、また微細構造スプリッティングと、ブロッホ球上での固有状態方向との双方を調整する方法が提供される。
【００５１】
図５は、時間について発展しない状態である固有状態｜Ｈ＞と｜Ｖ＞とを有するブロッホ球である。自己組織化した半導体量子ドットにとっては、複数の固有状態は、［１１０］及び［１−１０］の結晶軸に沿って偏光された光（ここで注釈付きの水平及び垂直に偏光した光）に、一般的に結合する。図５は、北極及び南極でそれぞれ水平方向偏光された状態｜Ｈ＞と垂直方向偏光された状態｜Ｖ＞とを有するブロッホ球を示す。任意の量子ビット状態を、複数の固有状態の重ね合せとして示すことができ、図５で定義されるように角度θ及びφによって表現することができる。図はさらに４つの特定の重ね合せ状態（全て｜Ｈ＞及び｜Ｖ＞状態に直交する、対角｜Ｄ＞、反対角｜Ａ＞、左回り｜Ｌ＞、右回り｜Ｒ＞）を示す。複数の固有状態とは対照的に、重ね合せ状態は時間発展するだろう。それは、微細構造スプリッティングに反比例する周期（Ｔ）で、２つの固有状態によって定義された軸のまわりのブロッホ球の表面で歳差運動をする。：
Ｔ＝ｈ／｜Ｓ｜
ここで、ｈがプランク定数であり、｜Ｓ｜は微細構造スプリッティングである。
【００５２】
図６Ａは第２のブロッホ球を示し、｜Ｈ＞及び｜Ｖ＞は固有状態である。球体はさらに、｜Ｈ＞から｜Ｖ＞への軸（ＨＶ軸で示される）の周りで、重ね合せ状態の歳差運動を示す。重ね合せ状態の歳差運動は、破線小円によって示される。
【００５３】
図６Ｂは第２のブロッホ球を示し、｜Ｄ＞及び｜Ａ＞は固有状態である。｜Ｄ＞から｜Ａ＞への軸の周りでの重ね合せ状態の歳差運動は、再び破線小円によって示される。
【００５４】
励起子が読み出されるために直接配置に戻される場合は、状態はまだ歳差運動をしてもよい。これは測定にある不確実性を導入するだろう。この不確実性は、直接の状態（遅い歳差運動）において小さな微細構造スプリッティングを有することによって、かつ直接の状態で励起子寿命を最小化する（高速な再結合）ことによって、最小化される。一般に、寿命は約１ナノセカンドの桁である。しかし、それは、高いパーセルファクターを持った光キャビティ内に量子ドット分子を置くことによって、さらに減少することができる。
【００５５】
量子ビット状態は、格納中に時間にわたって発展するだろう。量子ビットがブロッホ球上での固有状態軸のまわりで整数の回転だけ回転した際に読み出しが行なわれれば、オペレーターは初期の量子ビット状態を再生成することができる。別の実施形態においては、固有状態軸の向きを制御し、かつ量子ビットが前記軸のまわりの整数の回転でなく回転することを可能にすることによって、格納中に量子演算を行うことができる。
【００５６】
ある実施形態においては、生成された状態Ｔに対する制御を支援することは、複数の量子ドット分子を横切る電場を制御できる時間スケールに比較して十分に長い。例えば、これは、微細構造スプリッティングが量子ビット初期化、格納、及び読み出しの処理中いつでも１０μｅＶ未満である場合に、達成される可能性がある。
【００５７】
複数の励起子固有状態は、直接の励起子配置と比較して、間接の励起子配置での減少した微細構造スプリッティングを持っている。図７の（ａ）及び（ｃ）はさらに、直接励起子配置における微細構造スプリッティングは、増加する電場と共に増加し、電場の向きはトップからボトムの量子ドットへ向いているように定義される。図７の（ａ）は、負の電場で動作する量子ドット分子に関する電場の関数として、励起子エネルギースペクトル及び微細構造スプリッティング｜Ｓ｜を示し、２つの最低エネルギー励起子配置だけが明瞭さのために示されている。図での励起子スペクトルのより高いエネルギー分岐は点線によって表現され、一方、より低いエネルギー分岐は実線によって表現される。スペクトルの２つのエネルギー分岐を分離するいわゆるアンチクロッシングは、２つの量子ドットが結合する共振に印を付け、それは電場ＦＡＣで起こり、直接から間接の励起子配置への遷移に印を付ける。図７の（ｂ）は、共振で（ａ）において示された量子ドット分子のバンド構造を概略的に示す。図７の（ｃ）は、正の電場で動作する量子ドット分子に関する電場の関数として、励起子エネルギースペクトル及び微細構造スプリッティングを示す。図７の（ｄ）は、共振で（ｃ）において示された量子ドット分子のバンド構造を概略的に示す。
【００５８】
図７の（ａ）及び（ｃ）は、負電場が印加される場合、｜Ｓ｜は最小化される。複数の量子ドットより下のｎ型の接点及び上のｐ型の接点を持ったｐ−ｉ−ｎダイオード構造において複数の量子ドットを配置することにより、負電場を印加することができる。これとは別に、複数の量子ドットより下のｎ−接点を持ったｎ−ｉ−ショットキーダイオードでの複数の量子ドットを配置することによって、負電場を印加することができる。
【００５９】
ある実施形態において、複数のドットは同一ではない。同一の複数のドットは、Ｆ＝０でそれらの共振（アンチクロッシング）を持っている。Ｆ＝０は、電子と正孔が接点から注入される点である。ボトム接点がｎである場合、荷電粒子を注入せずに、場Ｆ＜０を印加することが可能である。ボトム接点がｐである場合、荷電粒子を注入せずに、場Ｆ＞０を印加することが可能である。どちらの配置が選ばれても、キャリアー注入が始まる点から十分に離れていることが望ましい。
【００６０】
複数の量子ドットが同じ成長時間で成長する場合、トップのドットは一般に、より大きい。しかしながら、常にボトムのドットがより大きいように、量子ドット分子が成長する場合、ドットサイズを制御してもよい。これは、量子ドット分子の配置上の選択を可能にする。例えば、ボトム接点ｎまたはトップ接点ｎをドープする選択と共にボトムドットがより大きいまたはトップドットがより大きい、合計４つの選択がある。上記の実施形態では、ボトムドットはボトム接点ｎと共により大きなドットである。しかしながら、上述の他の配置はすべて可能である。
【００６１】
量子ドットの組成及び歪みに加えて、量子ドットのサイズは、どの荷電粒子が通り抜けるか（図７の（ｂ）では正孔が通り抜け、図７の（ｄ）では電子が通り抜ける）を決定する。
【００６２】
直接の励起子は、最も大きな量子ドットで形成される（組成及び歪みが２つの量子ドットに関して同じであると仮定して）。最も小さなドットにおいて励起子を形成することは可能であるが、それはより高エネルギーを有し、自然に低エネルギー状態へ緩和することを目指すだろう。この理由で、以下の実施形態では最低エネルギー状態に関連する。
【００６３】
図８の（ａ）及び（ｂ）は実験データを表わし、これらの図は、複数の固有状態を、負及び正の電場でそれぞれ動作する２つの異なる量子ドット分子に関する電場の関数と特徴づける。上部パネルは｜Ｓ｜を示し、そして下部パネルは、θに関してブロッホ球での固有状態軸の向きを示す（これらの測定ではφ＝０）。これらの図は、いくつかの量子ドット分子については、複数の固有状態が直接配置から間接配置への遷移で回転することを示す。複数の固有状態の回転は、直接及び間接の励起子配置における異なるスピン状態間での結合の結果である。
【００６４】
図９の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、電場に対する量子ドット分子構造内に閉じ込められた励起子に関してそれぞれエネルギースペクトル、｜Ｓ｜、及びθを示す。励起子スペクトルの最低エネルギー分岐だけが示され、また高エネルギー分岐は明瞭さのために図から省略されている。アンチクロッシングが起こる電場は、図でＦＡＣと印づけられている。ＦＡＣより下の場については、励起子はその間接配置である。また、ＦＡＣより上の場については、励起子はその直接配置である。（その直接配置に励起子を入れる）電場Ｆ１は、初期化及び読み出し処理に用いられる。（その間接配置に励起子を入れる）電場Ｆ２は、格納処理に用いられる。これらの２つの電場では、微細構造スプリッティング、｜Ｓ｜１と｜Ｓ｜２との間での任意の場は、１０μｅＶ未満である。
【００６５】
図９の（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）は、量子演算が行われることなしで量子ビットを格納するために本発明の実施形態による方法を実証する。図９の（ｄ）は、時間の経過による量子ドット分子に印加された励起強度を示し、図９の（ｅ）は、時間の経過による量子ドット分子を横切って印加される電場を示し、図９の（ｆ）は、時間の経過による量子ドット分子からの放射強度を示す。時間ｔ＝０で、量子ドット分子を横切って印加される電場はＦ１である。また、光パルスはその直接配置内の励起子を生成する。光パルスは、レーザあるいは量子光源（例えば量子ドットまたは量子ドット分子）から始まり、励起子エネルギーＥ１と等しいエネルギーを有する、あるいは励起子エネルギーたす整数のフォノンエネルギーに等しいエネルギーを有する。励起光パルス直後に、電場はＦ２に変更され、励起子はその間接配置内に格納される。格納時間中に、量子ビットは歳差運動をし、量子ビットは、時間間隔Δｔ＝ｈ／｜Ｓ｜２（図内の印のある２πＨＶ）でＨＶ軸のまわりの十分な回転で回転する。図において、ｈ／｜Ｓ｜２＝５ナノセカンドであり、したがってオリジナル状態は、５ナノセカンドごとに再生成される（オリジナル状態が再生成される時は図に印が付されている）。格納時間（τＳｔｏｒｅ）は、次のように設定される。
【数１】
【００６６】
ここでｎは整数である。従って、量子ビットは、整数の回転で回転して、格納時間の終わりにオリジナル状態に再生成される。
【００６７】
ｔ＝τＳｔｏｒｅでは、電場はＦ１に戻され、励起子はその直接配置に返される。それは、オリジナル状態と同じ量子状態を有する光子を再生成するために、引き続き再結合される。
【００６８】
図１０の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、電場に対する量子ドット分子構造内に閉じ込められた励起子に関して、エネルギースペクトル、｜Ｓ｜及びθを示す。図１０の（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）は、行われた量子演算で量子ビットを格納するために本発明の実施形態による方法を実証する。図１０の（ｄ）は、時間の経過による量子ドット分子に印加された励起強度を示す、図１０の（ｅ）は、量子ドット分子を横切って印加される電場を示し、図１０の（ｆ）は、時間の経過による量子ドット分子からの放射強度を示す。この実施形態において、量子ビットが“｜Ｈ＞から｜Ｖ＞への軸”の周りで回転される量子演算は格納の間に行われる。図９でも同様に、ｔ＝０の量子ビット状態が以下ごとに再生成される。
【数２】
【００６９】
電場Ｆ２で複数の固有状態によって定義された軸（ここでは｜Ｈ＞から｜Ｖ＞への軸）のまわりの（ラジアンで測られた）回転φは、以下の時間に量子ビットを格納することによって行われる。
【数３】
【００７０】
図１０では、τＳｔｏｒｅ＝４．５＊ｈ／｜Ｓ｜２がＨＶ軸のまわりのπの正味の回転を与える。明らかに、ＨＶ軸のまわりの任意の角度だけ量子ビットを回転することができる。
【００７１】
図１１の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、電場に対する量子ドット分子構造内に閉じ込められた励起子に関して、エネルギースペクトル、｜Ｓ｜及びθを示す。図１１の（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）は、本発明の実施形態による方法を実証する。図１１の（ｄ）は、時間の経過による量子ドット分子に印加された励起強度を示し、図１１の（ｅ）は、時間の経過による量子ドット分子を横切って印加される電場を示し、図１１の（ｆ）は、時間の経過による量子ドット分子からの放射強度を示す。この実施形態において、量子ビットが“｜Ｄ＞から｜Ａ＞への軸”の周りで回転される量子演算が、格納中で行われる。この演算を、複数の固有状態が直接配置から間接配置への遷移で回転する量子ドット分子を使用して、行うことができる。
【００７２】
時間ｔ＝０で、量子ドット分子を横切って印加される電場はＦ３であり、光パルスはその直接配置内の励起子を作成する。光パルスは、レーザあるいは量子光源（例えば量子ドットまたは量子ドット分子）が起源であり、励起子エネルギーＥ３に等しい、または励起子エネルギー足す整数のフォノンエネルギーに等しいエネルギーを有する。励起光パルス直後に、電場はＦ５に変更され、励起子はその間接配置内に格納される。電場がＦ３からＦ５まで変更されるとともに、複数の固有状態が回転する。この実施形態では、θ＝９０°であり、これは固有状態軸がＦ３及びＦ５の両方で“｜Ｈ＞から｜Ｖ＞”であることを意味する。中間の電場Ｆ４では、固有状態軸は“｜Ｄ＞から｜Ａ＞”である。しかしながら、スイッチングは時間発展に関して速く（１００ピコセカンドより速い）、量子ビットの大幅な回転はスイッチングの間には起こらない。格納中に、量子ビットは“｜Ｈ＞から｜Ｖ＞”軸のまわりで歳差運動する。任意の時点では、そのインスタンスでの量子ビット状態を、下記の時間周期の間に電場をＦ４へ変化させることによって、（ラジアンで測定された）角度φで“｜Ｄ＞から｜Ａ＞”の軸の周りで回転することができる。
【数４】
【００７３】
図１１では、ＤＡ軸のまわりのπの回転が行われ、図ではπＤＡと印が付けられている。明らかに、ＤＡ軸のまわりで任意の角度だけ量子ビットを回転することができる。さらに、複数の固有状態を回転することができるあらゆる軸のまわりで、量子ビットを回転することができる。
【００７４】
図１２の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、電場に対する量子ドット分子構造内に閉じ込められた励起子について、エネルギースペクトル、｜Ｓ｜及びθを示す。図１２の（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）は、本発明の実施形態による方法を実証する。図１２の（ｄ）は、時間の経過による量子ドット分子に印加された励起強度を示し、図１２の（ｅ）は、時間の経過による量子ドット分子を横切って印加される電場を示し、図１２の（ｆ）は、時間の経過による量子ドット分子からの放射強度を示す。この実施形態では、スピンエコーシーケンスは、格納中に量子ビットの位相をずらすことを減少するために、利用される。量子ビットは格納されているが、それは、固有状態軸（ここでＺと名付ける）のまわりで歳差運動を行い、この間にランダムな位相ずれがさらに起こる。量子情報処理では、これはスピンエコー操作によって、改善することができる。位相ずれが起こる時間τの後、量子ビットは、Ｚに直交の軸（ここでＸと名付ける）のまわりのπ回転を受ける。位相をずらす点では、π回転は、量子ビットがあたかもそれがπ回転後に後方へ時間発展しているかのように振る舞う効果がある。π回転の後の付加的な時間周期τでは、量子ビットは、再び焦点が当てられ、最小の位相ずれを有するオリジナル量子ビット状態を再生成する。いくつかのスピンエコー演算を、量子ビット格納中に、次から次へと行うことができる。
【００７５】
スピンエコー演算は、外部磁界を用いて、一般に実行される。発明者らは、固有状態軸の電気的な制御された回転は、オペレーターが全ての電気的なスピンエコー演算を実行することを可能にする。図１２での実施形態では、固有状態軸は量子ビット格納中にＨＶである。時間ｔ＝τでは、ＤＡ軸のまわりのπ回転は行なわれ、ｔ＝１０ナノセカンドでスピンエコー（ｅｃｈｏ１）になる。演算は続いて繰り返され、ｔ＝２０ナノセカンドで別のスピンエコー（ｅｃｈｏ２）になる。この時に、量子ビットが読み取られる。
【００７６】
上記の複数の実施形態は、光子の偏光量子状態を符号化して励起子のスピン状態にする量子メモリコンポーネントを提供し、前記量子状態は格納され操作される。
【００７７】
いくつかの実施形態において、励起子スピン状態を生成するために用いられる光子は既知でない偏光を有する。量子情報処理（ＱＩＰ：quantum information processing）では、量子ビットの状態は一般に既知でない。上記の複数の実施形態では、ブロッホ球上で予め定義されている軸の周りに、予め定義されている角度で、既知でない量子ビット状態を回転することができる。これは、量子ビットに対する量子演算の構成要素となる。
【００７８】
上記の複数の実施形態は、量子ビットを格納する量子メモリデバイスと、前記量子ビットを操作するためのコントローラーと、を具備するコンポーネントを提供する。量子メモリデバイスは、量子ドット分子と、前記量子ドット分子に中性励起子を生み出すように構成される励起部分と、を具備する。コントローラーは、量子ドット分子を横切って調整された電場を印加するように構成される複数の電気接点につながれた電源を具備する。電場を調整することによって、オペレーターは励起子寿命を調整することができる。電場を調整することによって、量子ビットの読み出し及び初期化に使用される直接励起配置と、量子ビットの格納に使用される間接励起配置との間で切り換えることが可能になる。電場が励起子寿命を調整すると同時に、それは励起子微細構造スプリッティング及び固有状態方向をも調整する。
【００７９】
これは、量子演算が、格納された量子ビット上で行なわれることを可能にする。
【００８０】
上記の複数の実施形態は、多くの量子ビットを同時に扱うために複数の量子メモリを構築することができるという意味で、拡張が可能である。特定の量子メモリ内に格納される量子ビットに、特定の量子演算を行うことができるように、複数の量子メモリを個別に制御することができる。異なる量子ビットも同じ演算を行うことができる。特定の量子ビットをも光子へ転送し、離れた量子メモリ内に格納されるために、または離れた量子メモリからの別の光子と相互作用するために、さらに特定の量子ビットを送ることもできる。
【００８１】
上記の複数の実施形態に従う複数のコンポーネントは既存の半導体技術と互換性がある。量子ビット上で行なわれた量子演算は、電気的に制御され、外部機器（例えば磁石または調整可能なレーザー）を必要としない。したがって、上記の複数の実施形態は、大規模化及び大量生産が可能である。
【００８２】
いくつかの実施形態は説明されているが、これらの実施形態はほんの一例として示されており、発明の範囲を制限するようには意図されない。実際は、本明細書で説明された新しい方法及びシステムは、様々な他の形式で具体化されてもよい。さらに、本明細書で説明された方法及びシステムの形式での様々な省略、置換及び変更は、発明の精神から外れずになされてもよい。添付のクレーム及びそれらの均等物は、発明の範囲及び精神の中にあるように、変更のそのような形式を保護するように意図される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ビット状態を格納し操作するメモリのコンポーネントであって、
量子ドット分子と、励起子と、第１電気接点と、第２電気接点と、電源と、電源コントローラーと、を具備し、
前記分子は、第１レイヤに提供される第１量子ドットと、第２レイヤに提供される第２量子ドットと、を具備し、前記第１レイヤ及び前記第２レイヤはバリヤーレイヤによって分離されていて、前記第２レイヤは前記第１レイヤの上に配置され、
前記励起子は、前記量子ドット分子での電子及び正孔の１つの束縛状態を具備し、前記励起子のスピン状態は前記量子ビットを形成し、
電場が前記量子ドット分子を横切って提供されるために、前記第１電気接点は前記第１量子ドットの下で提供され、前記第２電気接点は前記第２量子ドットの上に提供され、
前記電源は、前記量子ドット分子を横切って電場を印加する複数の前記電気接点に接続され、
前記電源コントローラーは、前記量子ドット分子における励起子が、前記励起子の前記電子及び正孔が同じ量子ドットにある直接配置と、前記電子及び正孔が前記量子ドット分子の異なった量子ドットに位置する間接配置と、の間で切り換えられるように、前記量子ドット分子を横切る前記電場を調整し、前記電源コントローラーは、情報取得回路とタイミング回路を具備し、前記情報取得回路は、前記励起子の微細構造スプリッティングと、前記印加された電場との間の関係に関する情報を取得し、前記タイミング回路は、前記微細構造スプリッティングから導かれる所定回数で間接配置から直接配置への励起子の切り換えを許可する、コンポーネント。
【請求項２】
前記第１量子ドット、前記バリヤーレイヤ及び前記第２量子ドットは、前記第２量子ドットは前記第１量子ドットの後に形成され、前記第１接点はｎ型接点であるように、半導体成長技術によって作り上げられている、請求項１のコンポーネント。
【請求項３】
前記第２接点はｐ型接点である請求項２のコンポーネント。
【請求項４】
前記第２接点はショットキー接点である請求項２のコンポーネント。
【請求項５】
前記取得回路は、前記励起子の前記微細構造スプリッティングを、印加された前記電場に関連づけるデータを含んでいるメモリに接続される、請求項１のコンポーネント。
【請求項６】
光源をさらに具備し、前記光源は、前記量子ドット分子に既知のスピン状態の励起子を光学的に励起する請求項１のコンポーネント。
【請求項７】
前記光源は、量子ビット初期化に適した前記電場で、最低エネルギー励起子状態より大きな、整数のフォノンエネルギーである光子エネルギーを有している請求項６のコンポーネント。
【請求項８】
前記光源は、量子ビット初期化に適した前記電場で、最低エネルギー励起子状態に等しい光子エネルギーを有している請求項６のコンポーネント。
【請求項９】
前記量子ドット分子は、光キャビティの光モードが、周波数及び空間形状の両方の点からみて、前記光源からの光パルスに一致し、かつ、前記量子ドット分子が前記キャビティのアンチノードに位置するように、前記キャビティに配置される請求項６のコンポーネント。
【請求項１０】
偏光検出器を有する光検出器をさらに具備し、前記光検出器は、前記コンポーネントから出力された複数の光子の放射及び偏光を測定する請求項１のコンポーネント。
【請求項１１】
励起子エネルギーは２つの前記量子ドットで異なる請求項１のコンポーネント。
【請求項１２】
前記電圧コントローラーは、１０μｅＶより下の微細構造スプリッティングを維持する請求項１のコンポーネント。
【請求項１３】
前記電圧コントローラーは、電圧コントローラーによって初期化された前記量子ビット状態が読み出しされることが可能になるように、一旦量子ビット状態が固有状態軸のまわりの整数の回転を完了したならば、前記励起子を前記間接配置から前記直接配置へ移動し、前記タイミング回路は、前記微細構造スプリッティングから前記直接配置へ前記励起子を移動するための時間を計算する、請求項１のコンポーネント。
【請求項１４】
前記電圧コントローラーは、その元々の状態から予め定義された回転に加えて、前記電圧コントローラーが量子演算を行うように、一旦前記量子ビット状態が固有状態軸のまわりの整数の回転を完了したならば、前記励起子を前記間接配置から前記直接配置へ移動し、前記タイミング回路は、前記微細構造スプリッティングから前記直接配置へ前記励起子を移動するための時間を計算する、請求項１のコンポーネント。
【請求項１５】
前記情報取得回路は、前記励起子の前記微細構造スプリッティングと、ブロッホ球での前記固有状態方向と同様な印加された前記電場との間の関係に関する情報を取得する、請求項１のコンポーネント。
【請求項１６】
前記電圧コントローラーは、量子ビットが格納中のある複数の時点において有限な時間周期の間に、前記量子ビット状態の前記固有状態を変更するのに適した調整された電場を印加し、それによって前記量子ビットが、格納中に２つの異なる固有状態軸のまわりで予め定義された回転を行うことを可能にする、請求項１のコンポーネント。
【請求項１７】
前記電圧コントローラーは、量子ビット格納中に２つの直交する固有状態軸の間を行ったり来たりするのに適した調整された電場を印加し、それによってスピンエコーの作用が格納された前記状態をリフェーズすることを可能にする、請求項１のコンポーネント。
【請求項１８】
前記電圧コントローラーは、前記状態を読み出すために、前記状態を初期化するためと同様の場を印加する請求項１のコンポーネント。
【請求項１９】
量子ビット状態を格納する方法であって、前記量子ビット状態は、量子ドット分子内の励起子スピン状態として格納され、前記励起子は電子及び正孔の束縛状態を具備し、前記分子は、第１レイヤに提供される第１量子ドットと、第２レイヤに提供される第２量子ドットとを具備し、前記第１レイヤ及び前記第２レイヤはバリヤーレイヤによって分離され、前記第２レイヤは前記第１レイヤの上に配置され、
前記方法は、
前記量子ドット分子にある励起子が直接配置から間接配置へ移動することを可能にするのに適した第１電場を印加することと、
ここで、直接配置では電子及び正孔は複数の量子ドットの内の１つに位置し、間接配置では前記励起子の電子は１つの量子ドットに位置し、前記励起子の正孔は他の量子ドットに位置していて、
前記量子ドット分子における励起子の微細構造スプリッティングと、印加された電場との関係に関する情報を取得することと、
予め定義された時に、間接配置から直接配置へ励起子を移動させる別の電場を印加することと、を具備し、
前記予め定義された時は、前記微細構造スプリッティングから導き出される方法。
【請求項２０】
電源コントローラーは、
励起子が直接配置での量子ドット分子で初期化された場合に前記量子ドット分子を横切って第１電場を印加し、
ここで初期化の間、励起子は前記量子ドットで生成され、
前記量子ドット分子を横切って第２電場を印加し、
ここでこの場では最低エネルギー励起子状態は間接励起子配置に対応し、
前記励起子の前記スピン状態に格納された量子情報の読み出しを可能にする、前記量子ドット分子を横切って第３電場を印加し、
ここで前記第３電場では最低エネルギー励起子状態は直接励起子配置に対応する、請求項１９の方法。
【請求項１】
量子ビット状態を格納し操作するメモリのコンポーネントであって、
量子ドット分子と、励起子と、第１電気接点と、第２電気接点と、電源と、電源コントローラーと、を具備し、
前記分子は、第１レイヤに提供される第１量子ドットと、第２レイヤに提供される第２量子ドットと、を具備し、前記第１レイヤ及び前記第２レイヤはバリヤーレイヤによって分離されていて、前記第２レイヤは前記第１レイヤの上に配置され、
前記励起子は、前記量子ドット分子での電子及び正孔の１つの束縛状態を具備し、前記励起子のスピン状態は前記量子ビットを形成し、
電場が前記量子ドット分子を横切って提供されるために、前記第１電気接点は前記第１量子ドットの下で提供され、前記第２電気接点は前記第２量子ドットの上に提供され、
前記電源は、前記量子ドット分子を横切って電場を印加する複数の前記電気接点に接続され、
前記電源コントローラーは、前記量子ドット分子における励起子が、前記励起子の前記電子及び正孔が同じ量子ドットにある直接配置と、前記電子及び正孔が前記量子ドット分子の異なった量子ドットに位置する間接配置と、の間で切り換えられるように、前記量子ドット分子を横切る前記電場を調整し、前記電源コントローラーは、情報取得回路とタイミング回路を具備し、前記情報取得回路は、前記励起子の微細構造スプリッティングと、前記印加された電場との間の関係に関する情報を取得し、前記タイミング回路は、前記微細構造スプリッティングから導かれる所定回数で間接配置から直接配置への励起子の切り換えを許可する、コンポーネント。
【請求項２】
前記第１量子ドット、前記バリヤーレイヤ及び前記第２量子ドットは、前記第２量子ドットは前記第１量子ドットの後に形成され、前記第１接点はｎ型接点であるように、半導体成長技術によって作り上げられている、請求項１のコンポーネント。
【請求項３】
前記第２接点はｐ型接点である請求項２のコンポーネント。
【請求項４】
前記第２接点はショットキー接点である請求項２のコンポーネント。
【請求項５】
前記取得回路は、前記励起子の前記微細構造スプリッティングを、印加された前記電場に関連づけるデータを含んでいるメモリに接続される、請求項１のコンポーネント。
【請求項６】
光源をさらに具備し、前記光源は、前記量子ドット分子に既知のスピン状態の励起子を光学的に励起する請求項１のコンポーネント。
【請求項７】
前記光源は、量子ビット初期化に適した前記電場で、最低エネルギー励起子状態より大きな、整数のフォノンエネルギーである光子エネルギーを有している請求項６のコンポーネント。
【請求項８】
前記光源は、量子ビット初期化に適した前記電場で、最低エネルギー励起子状態に等しい光子エネルギーを有している請求項６のコンポーネント。
【請求項９】
前記量子ドット分子は、光キャビティの光モードが、周波数及び空間形状の両方の点からみて、前記光源からの光パルスに一致し、かつ、前記量子ドット分子が前記キャビティのアンチノードに位置するように、前記キャビティに配置される請求項６のコンポーネント。
【請求項１０】
偏光検出器を有する光検出器をさらに具備し、前記光検出器は、前記コンポーネントから出力された複数の光子の放射及び偏光を測定する請求項１のコンポーネント。
【請求項１１】
励起子エネルギーは２つの前記量子ドットで異なる請求項１のコンポーネント。
【請求項１２】
前記電圧コントローラーは、１０μｅＶより下の微細構造スプリッティングを維持する請求項１のコンポーネント。
【請求項１３】
前記電圧コントローラーは、電圧コントローラーによって初期化された前記量子ビット状態が読み出しされることが可能になるように、一旦量子ビット状態が固有状態軸のまわりの整数の回転を完了したならば、前記励起子を前記間接配置から前記直接配置へ移動し、前記タイミング回路は、前記微細構造スプリッティングから前記直接配置へ前記励起子を移動するための時間を計算する、請求項１のコンポーネント。
【請求項１４】
前記電圧コントローラーは、その元々の状態から予め定義された回転に加えて、前記電圧コントローラーが量子演算を行うように、一旦前記量子ビット状態が固有状態軸のまわりの整数の回転を完了したならば、前記励起子を前記間接配置から前記直接配置へ移動し、前記タイミング回路は、前記微細構造スプリッティングから前記直接配置へ前記励起子を移動するための時間を計算する、請求項１のコンポーネント。
【請求項１５】
前記情報取得回路は、前記励起子の前記微細構造スプリッティングと、ブロッホ球での前記固有状態方向と同様な印加された前記電場との間の関係に関する情報を取得する、請求項１のコンポーネント。
【請求項１６】
前記電圧コントローラーは、量子ビットが格納中のある複数の時点において有限な時間周期の間に、前記量子ビット状態の前記固有状態を変更するのに適した調整された電場を印加し、それによって前記量子ビットが、格納中に２つの異なる固有状態軸のまわりで予め定義された回転を行うことを可能にする、請求項１のコンポーネント。
【請求項１７】
前記電圧コントローラーは、量子ビット格納中に２つの直交する固有状態軸の間を行ったり来たりするのに適した調整された電場を印加し、それによってスピンエコーの作用が格納された前記状態をリフェーズすることを可能にする、請求項１のコンポーネント。
【請求項１８】
前記電圧コントローラーは、前記状態を読み出すために、前記状態を初期化するためと同様の場を印加する請求項１のコンポーネント。
【請求項１９】
量子ビット状態を格納する方法であって、前記量子ビット状態は、量子ドット分子内の励起子スピン状態として格納され、前記励起子は電子及び正孔の束縛状態を具備し、前記分子は、第１レイヤに提供される第１量子ドットと、第２レイヤに提供される第２量子ドットとを具備し、前記第１レイヤ及び前記第２レイヤはバリヤーレイヤによって分離され、前記第２レイヤは前記第１レイヤの上に配置され、
前記方法は、
前記量子ドット分子にある励起子が直接配置から間接配置へ移動することを可能にするのに適した第１電場を印加することと、
ここで、直接配置では電子及び正孔は複数の量子ドットの内の１つに位置し、間接配置では前記励起子の電子は１つの量子ドットに位置し、前記励起子の正孔は他の量子ドットに位置していて、
前記量子ドット分子における励起子の微細構造スプリッティングと、印加された電場との関係に関する情報を取得することと、
予め定義された時に、間接配置から直接配置へ励起子を移動させる別の電場を印加することと、を具備し、
前記予め定義された時は、前記微細構造スプリッティングから導き出される方法。
【請求項２０】
電源コントローラーは、
励起子が直接配置での量子ドット分子で初期化された場合に前記量子ドット分子を横切って第１電場を印加し、
ここで初期化の間、励起子は前記量子ドットで生成され、
前記量子ドット分子を横切って第２電場を印加し、
ここでこの場では最低エネルギー励起子状態は間接励起子配置に対応し、
前記励起子の前記スピン状態に格納された量子情報の読み出しを可能にする、前記量子ドット分子を横切って第３電場を印加し、
ここで前記第３電場では最低エネルギー励起子状態は直接励起子配置に対応する、請求項１９の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−９７３７７（Ｐ２０１３−９７３７７Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−１８９８２８（Ｐ２０１２−１８９８２８）
【出願日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１８９８２８（Ｐ２０１２−１８９８２８）
【出願日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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