[論文レビュー] A scalable interface between solid-state and flying qubits: observations of near-unity dipole helicity to photon pathway coupling

B. le Feber, Nir Rotenberg+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2014

Photonic and Optical Devices被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、局所的ヘリシティを活用することで、フォトニック結晶波ガイド内の特定のフォトン経路モードへの円偏光双極子遷移の結合効率がほぼ1（0.8 ± 0.1）に達することを示している。古典的光アナロジーを用いて、スピンに依存する放射方向性—固体状態量子ビットとフラーリング量子ビットのスケーラブルなオンチップ量子インターフェースを可能にする—が、双極子-ヘリシティ相互作用の正確な制御によって達成できることを示している。

ABSTRACT

Controlling photon emission by single quantum emitters with nanostructures is crucial for scalable on-chip quantum information processing. Nowadays nanoresonators can affect the lifetime of emitters and ultimately induce strong coupling between the emitters and the light field, while nanoantennas can control the directionality of the emission. Expanding this control to the manipulation of the emission of orbital angular momentum-changing transitions would enable coupling between long-lived solid-state qubits and flying qubits. As these transitions are associated with circular rather than linear dipoles, such control requires detailed knowledge of the spatially dependent interaction of a complex dipole with highly structured optical eigenstates containing local helicity. Using a classical analogue, we experimentally map the coupling of circular dipoles to photonic modes in a model structure, a photonic crystal waveguide. We show that depending on the local helicity the dipoles can be made to couple to modes either propagating to the left or to the right. The maps are in excellent agreement with calculations. Our measurements, therefore, demonstrate the coupling of spin to photonic pathway with near-unity (0.8 $\pm$ 0.1) efficiency.

研究の動機と目的

• 単一の量子発光体からの光子放出を制御することで、スケーラブルなオンチップ量子情報処理を実現すること。
• 長寿命の固体状態量子ビットを、軌道的角運動量を変える遷移を通じてフラーリング量子ビットに結合するという課題に対処すること。
• 局所的ヘリシティを有する構造化フォトンモードを用いて、円双極子からの放射方向性を制御すること。
• モデルフォトニック結晶波ガイドにおける複雑な双極子モーメントとフォトン固有状態の間の空間的に依存する結合を実験的にマッピングすること。

提案手法

• フォトニック結晶波ガイド内の円双極子とフォトンモードの相互作用をシミュレートするために、古典的光アナロジーが用いられている。
• 双極子の位置と向きを関数として発光パターンを測定することで、結合効率の空間的マッピングが行われている。
• フォトン固有状態の局所的ヘリシティが計算され、測定された発光方向性と相関付けられている。
• 電磁モード理論に基づく理論的計算が、双極子-ヘリシティ相互作用をモデル化し、結合効率を予測するために用いられている。
• 実験結果がシミュレーションと直接比較され、観測された結合行動の妥当性が検証されている。
• 左方向および右方向に進行するモードへの放射パワーの比を測定することで、ほぼ1の結合効率が定量的に評価されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構造化された波ガイド内において、円双極子遷移を特定のフォトン経路モードに効率的に結合させることは可能か？
• RQ2 フォトンモードの局所的ヘリシティは、円双極子からの放射方向性にどのように影響するか？
• RQ3 フォトニック結晶波ガイド内で、双極子-ヘリシティ相互作用をどの程度マッピングおよび制御できるか？
• RQ4 双極子-モード結合の実験的観察が、電磁気理論に基づく理論的予測と定量的に一致するか？
• RQ5 円双極子とフォトン経路モードの間で達成可能な最大の結合効率は何か？

主な発見

• 円双極子とフォトン経路モードの間の結合効率は0.8 ± 0.1に達し、ほぼ1の効率に近づいている。
• 放射の方向性—左または右に進行する—は、双極子の位置におけるフォトンモードの局所的ヘリシティによって決定される。
• 実験的結合効率マップは、電磁モード理論に基づく理論的計算と優れた一致を示している。
• 複雑な双極子と構造化された光学固有状態の間の空間的に依存する相互作用が、成功裏にマッピングされ、検証された。
• 結果は、スピンに依存する光子放出制御を通じて、固体状態量子ビットとフラーリング量子ビットを接続するスケーラブルなメカニズムを示している。
• 古典的アナロジー実験は、フォトニックナノ構造内における量子双極子発光体結合の本質的物理を正確に再現している。