[論文レビュー] A gated quantum dot far in the strong-coupling regime of cavity-QED at optical frequencies

Daniel Najer, Immo Söllner+11 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2018

Strong Light-Matter Interactions被引用数 43

ひとこと要約

この論文は tunable, ultrahigh-Q キャビティ中のゲート付き量子ドットを示し、光学的強結合を達成し、真空 Rabi 振動とフォトンブロックを明確に可能にし、Jaynes-Cummingsモデルで定量的に記述され、光学cQED量子技術への応用を提案する。

ABSTRACT

The strong-coupling regime of cavity-quantum-electrodynamics (cQED) represents light-matter interaction at the fully quantum level. Adding a single photon shifts the resonance frequencies, a profound nonlinearity. cQED is a test-bed of quantum optics and the basis of photon-photon and atom-atom entangling gates. At microwave frequencies, success in cQED has had a transformative effect. At optical frequencies, the gates are potentially much faster and the photons can propagate over long distances and be easily detected, ideal features for quantum networks. Following pioneering work on single atoms, solid-state implementations are important for developing practicable quantum technology. Here, we embed a semiconductor quantum dot in a microcavity. The microcavity has a $\mathcal{Q}$-factor close to $10^{6}$ and contains a charge-tunable quantum dot with close-to-transform-limited optical linewidth. The exciton-photon coupling rate $g$ exceeds both the photon decay rate $κ$ and exciton decay rate $γ$ by a large margin ($g/γ=14$, $g/κ=5.3$); the cooperativity is $C=2g^{2}/(γκ)=150$, the $β$-factor 99.7%. We observe pronounced vacuum Rabi oscillations in the time-domain, photon blockade at a one-photon resonance, and highly bunched photon statistics at a two-photon resonance. We use the change in photon statistics as a sensitive spectral probe of transitions between the first and second rungs of the Jaynes-Cummings ladder. All experiments can be described quantitatively with the Jaynes-Cummings model despite the complexity of the solid-state environment. We propose this system as a platform to develop optical-cQED for quantum technology, for instance a photon-photon entangling gate.

研究の動機と目的

• 固体状態システムにおける光学キャビティ-QEDを、速く、長距離の量子ネットワークのための追求を動機づける。
• 超高 Q と小モード体積を持つマイクロキャビティ中の量子ドットを実現して強結合に入る。
• 電気的制御のため gating を導入しつつ、Transform-limited に近い量子ドット線幅を維持する。
• g, κ, γ を定量的に特徴づけ、ニュートラルおよび荷電励起子を横断して JC ダイナミクスを示す。
• 光子-光子エンタングル Gates やスピン-光子インターフェースなどの応用を提案する。

提案手法

• Q ~ 10^6 の Q とモード体積 ~1.4 λ0^3 を持つ小型 Fabry-Pérot キャビティに、電荷調整可能な InGaAs 量子ドットを埋め込む。
• デタuning を現場で gates(Vg) によって制御するか、キャビティを調整する(Vz)。
• 共鳴レーザー励起と偏光ベースのダークフィールド検出を用いて、キャビティ-QD 光子を散乱・測定する。
• スペクトルデータとフィットから g、κ、γ を抽出し Jaynes-Cummings モデルで説明する。
• 1 光子および 2 光子共鳴を介して Jaynes-Cummings ラダーの高段 rung を探査し、g^(2)(τ) および g^(2)(0) を解析する。
• weak な higher rung 遷移を探るための g^(2) スペクトroscopy を方法として開発・検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可変で超高Q のキャビティ内のゲート付き量子ドットは、光周波数で強結合の領域へ到達し、保持できるか。
• RQ2 ニュートラルと荷電励起子の構成で、同じ量子ドット内および複数のドットを跨いだ g、κ、γ はどう比較されるか。
• RQ3 真空 Rabi 振動、フォトンブロック、および高 rung JC ダイナミクスは、現実的な固体状態条件下で時系列および周波数領域の測定で現れるか。
• RQ4 Jaynes-Cummings モデルの予測は、 detuning および駆動条件を含む複雑な固体状態 cQED スペクトル、g^(2)(τ) を定量的に説明できるか。
• RQ5 どのプロトコル（例: g^(2) スペクトroscopy） が特定のラダー遷移を明らかにし、フォトン-フォトンゲート概念を可能にするか。

主な発見

• g/γ = 14、g/κ = 5.3、協力性 C = 150 を、Q ≈ 10^6 および β ≈ 99.7% で達成。
• 一光子共鳴で時間・スペクトル分解測定において顕著な真空 Rabi 振動とフォトンブロックを観測。
• 同じ量子ドット内のニュートラル X0 および荷電 X+ 励起子、さらに同キャビティ内の複数の量子ドットにおいて強結合を実証。
• スペクトルデータと時間領域の測定は、測定された g、κ、γ を用いて Jaynes-Cummings モデルで定量的に説明される。
• g^(2)(τ) 構造は、JC ラダー遷移に対応する複数の周波数成分を示し、JC モデルの予測と一致した。
• weak な高 rung 遷移（例: 1+ → 2-）を探るための g^(2) スペクトroscopy を導入・検証した。