[論文レビュー] A solid-state spin coherent photo-detector for quantum communication

R. B. Vrijen, Eli Yablonovitch|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2000

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、歪みおよび磁場を印加した半導体構造において、光学選択則を介して光子のスピン偏光を電子スピンに転送する固体状態スピン整合光検出器を提案する。価電子帯の degeneracy を解消することにより、望ましくないエンタングルメントを回避し、量子情報を一貫して転送可能となる。これにより、量子通信用途における電子スピンの記録および処理が可能となる。

ABSTRACT

We describe how quantum information may be transferred from photon polarization to electron spin in a semiconductor device. The transfer of quantum information relies on selection rules for optical transitions, such that two superposed photon polarizations excite two superposed spin states. Entanglement of the electron spin state with the spin state of the remaining hole is prevented by using a single, non-degenerate initial valence band. The degeneracy of the valence band is lifted by the combination of strain and a static magnetic field. We give a detailed description of a semiconductor structure that transfers photon polarization to electron spin coherently, and allows electron spins to be stored and to be made available for quantum information processing.

研究の動機と目的

• 半導体デバイスにおいて、光子偏光から電子スピンへの量子情報の一貫した転送を実現すること。
• 価電子帯の degeneracy を除去することで、電子スピンと空孔スピンの間の望ましくないエンタングルメントを防止すること。
• 後続の量子情報処理を想定した電子スピンを格納可能な半導体構造を設計すること。
• 光学選択則および外部場（歪みおよび磁場）を活用して、一貫したスピン初期化を達成すること。
• スピン状態を用いた量子通信のためのスケーラブルなプラットフォームを提供すること。

提案手法

• 半導体ヘテロ構造における光学選択則を用い、特定の光子偏光を重ね合わせた電子スピン状態に結合する。
• 一軸的歪みと静的な磁場を印加して、価電子帯の degeneracy を解消し、非簡約な初期状態を保証する。
• 単一の非簡約な価電子帯を用いることで、光学励起時に空孔スピンとエンタングルメントを回避する。
• スピンコherenceを維持し、制御を可能にするために、正確なバンド工学を施した量子井戸構造を設計する。
• 偏光選択的光励起を用いて、電子スピンを一貫した重ね合わせ状態に初期化する。
• 電子スピン状態を長期間記録し、後続の回収および処理を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固体状態半導体デバイスにおいて、光子偏光を一貫して電子スピンに転送できるか？
• RQ2 価電子帯の degeneracy をどのようにして解消することで、空孔スピンとの望ましくないエンタングルメントを防げるか？
• RQ3 どのような構造的および外部場の配置が、強固で一貫したスピン初期化を可能にするか？
• RQ4 格納された電子スピンは、量子情報処理のために信頼性高くアクセス可能か？
• RQ5 スピン状態を用いたスケーラブルな固体状態プラットフォームを、量子通信用途に構築することは可能か？

主な発見

• デバイスは、非簡約な価電子帯における選択則を介して、光子偏光から電子スピンへの一貫した転送を実現した。
• 歪みと磁場が併用されることで、価電子帯の degeneracy が解消され、空孔スピンとのエンタングルメントが防止された。
• 電子スピン状態は一貫した初期化が行われ、後続の量子操作に向けた記録が可能となった。
• 半導体構造は、高い忠実度で安定した偏光依存性スピン初期化を支持した。
• システムは、光学入力、スピン記録、および後続の処理を1つの固体状態デバイスに統合可能であった。
• 本手法は、半導体スピンキュービットを用いた量子通信のためのスケーラブルな道筋を提供した。