[論文レビュー] A deterministic source of indistinguishable photons in a cluster state

Dan Cogan, Zu-En Su+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2021

Quantum Information and Cryptography被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、半導体量子ドットに重い空孔スピンを用いたコherentなエンタングラーを備えた光子クラスターステートにおいて、決定的でギガヘルツレートの不変光子源を提示する。イン-plane磁場を0.09 Tに調整することで、10光子の特徴的なエンタングルメント長と80%を超える光子不変性を達成し、堅牢でスケーラブルな測定ベースの量子通信を可能にする。

ABSTRACT

Measurement-based quantum communication relies on the availability of highly entangled multi-photon cluster states. The inbuilt redundancy in the cluster allows communication between remote nodes using repeated local measurements, compensating for photon losses and probabilistic Bell-measurements. For feasible applications, the cluster generation should be fast, deterministic, and its photons - indistinguishable. We present a novel source based on a semiconductor quantum-dot device. The dot confines a heavy-hole, precessing in a finely tuned external weak magnetic field while periodically excited by a sequence of optical pulses. Consequently, the dot emits indistinguishable polarization-entangled photons, where the field strength optimizes the entanglement. We demonstrate Gigahertz rate deterministic generation of >90% indistinguishable photons in a cluster state with more than 10 photons characteristic entanglement-length.

研究の動機と目的

• スケーラブルなフォトニック量子ネットワークに適した高不変性光子の決定的ソースの開発。
• スピンプロセッションの制御が不十分で、光子の不変性が低下するといった、従来の量子ドット系の限界を克服すること。
• 測定ベースの量子通信および量子リピーターに不可欠な、高精度で長距離エンタングルメントを実現すること。
• 外部磁場を制御することで、エンタングルメントの頑健性と光子品質のバランスを最適化し、多光子エンタングルド状態の生成を最適化すること。

提案手法

• 外部のイン-plane磁場下でコherentにプロセッシングするKramers簡約な重い空孔スピンをエンタングルの自由度として用いる半導体量子ドットを用いる。
• HHスピンプロセッション周期と同期した繰り返しレートで、ピコ秒スケールの光パルスを量子ドットに印加し、偏光エンタングルド光子の決定的発生を実現する。
• 光子放出後にHHスピンが安定した基底状態に留まるという事実を活用し、コherenecyを維持し、光子不変性を向上させる。
• 磁場強度を制御することでスピンプロセッションレートを調整し、CNOTに類似した操作のための放射寿命とゲート忠実度のバランスを最適化する。
• 局所可能なエンタングルメント（LE）およびウィtness測定を用いてクラスターステートを特徴付け、エンタングルメントの頑健性と不変性を定量的に評価する。
• 実験的に決定されたQDパラメータを用いた中心スピン進化モデルを用いて、系のダイナミクスをモデル化し、磁場依存のエンタングルメント長と光子品質の依存関係を予測・解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半導体量子ドットを用いたクラスターステートにおいて、決定的で高レートの不変光子源を実現できるか？
• RQ2 外部磁場強度が量子ドットベースのクラスターステートにおけるエンタングルメントの頑健性と光子不変性にどのように影響するか？
• RQ3 特徴的なエンタングルメント長を最大化しつつ、高い光子不変性を維持する最適な磁場は何か？
• RQ4 従来のダーク励起子の手法と比較して、量子ドット内の重い空孔スピンが優れたコherenecyと不変性を提供できるか？
• RQ5 磁場最適化とデバイス工学を組み合わせることで、光子生成レートとクラスターステートの忠実度をどの程度向上できるか？

主な発見

• 最適磁場0.09 Tにおいて、約0.5 GHzの決定的生成レートを達成する。
• 0.09 Tで特徴的なエンタングルメント長（ζ_LE）が10光子に達し、クラスターステートにおける頑健な長距離エンタングルメントを示す。
• 最適磁場強度で光子不変性が80%を超えるが、高磁場で場に起因する幅が広がるため、単調に減少する。
• エンタングルメントの頑健性は0.09 Tでピークに達し、放射寿命とスピンプロセッション周期の比がCNOTに類似したゲート忠実度に最適化されている。
• 測定されたエンタングルメント長と不変性は、実験的に決定されたQDパラメータを用いた中心スピン進化モデルと良好に一致している。
• 現在のシステムの検出効率は1%未満であるが、3次元フォトニックマイクロカビティに統合することで、少なくとも1桁の向上が見込まれ、スケーラビリティが向上する。