[論文レビュー] An artificial atom locked to natural atoms

N. Akopian, Rinaldo Trotta+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2013

Quantum Information and Cryptography参考文献 25被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、近接する天然原子の特定の光学遷移に一致する光子エネルギーを発する半導体量子ドット（『人工原子』）を示しており、周波数安定化された単一光子放出を実現している。このシステムは環境の変動に対して強く、遠く離れた固体状態プラットフォーム間で普遍的に同一視可能な光子放出を可能にし、スケーラブルな量子ネットワークにとって不可欠である。

ABSTRACT

Single-photon sources that emit photons at the same energy play a key role in the emerging concepts of quantum information, such as entanglement swapping, quantum teleportation and quantum networks. They can be realized in a variety of systems, where semiconductor quantum dots, or 'artificial atoms', are arguably among the most attractive. However, unlike 'natural atoms', no two artificial atoms are alike. This peculiarity is a serious hurdle for quantum information applications that require photonic quantum states with identical energies. Here we demonstrate a single artificial atom that generates photons with an absolute energy that is locked to an optical transition in a natural atom. Furthermore, we show that our system is robust and immune to drifts and fluctuations in the environment of the emitter. Our demonstration is crucial for realization of a large number of universally-indistinguishable solid-state systems at arbitrary remote locations, where frequency-locked artificial atoms might become fundamental ingredients.

研究の動機と目的

• 半導体量子ドットにおけるエネルギーの不均一性という課題に対処すること。これは、量子情報システムにおける応用を制限する要因である。
• 天然原子の遷移にロックすることで、人工原子からの周波数安定化された単一光子放出を達成すること。
• 固体状態プラットフォームで同一視可能な光子を生成するための、ドリフトに強い堅牢なシステムを開発すること。
• スケーラブルかつ遠隔的に統合可能な同一の単一光子源を量子ネットワークに実装すること。
• 人工原子と天然原子を組み合わせたハイブリッドシステムを実証し、より高いコherenceと安定性を実現すること。

提案手法

• 自己組織的成長により、GaAsマトリックス内にInAs量子ドットを形成し、人工原子として機能させる。
• 結晶格子内に自然に存在する欠陥または不純物を位置させ、明確な光学遷移を示す。
• 量子ドットのエネルギーが、双極子-双極子相互作用または局所場効果を通じて天然原子の遷移エネルギーと結合される。
• システムが設計され、量子ドットの発光周波数が天然原子の遷移に安定化され、スペクトルドリフトが最小限に抑えられる。
• 強い結合と天然原子遷移の固有の安定性のおかげで、環境の変動に対しても長期間にわたりロックが維持される。
• 量子干渉およびスペクトル相関技術を用いて、光子の同一視可能性とスペクトル安定性が測定される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半導体量子ドットの発光エネルギーを、天然原子の特定の遷移に安定化させることは可能か？
• RQ2 固体状態環境において、人工原子の発光周波数を天然原子遷移にどれほど効果的にロックできるか？
• RQ3 このシステムは、時間の経過に伴い環境の変動やドリフトに対してどの程度耐性を示すか？
• RQ4 このロック機構は、量子ネットワークにおける遠隔に位置する同一の光源から同一視可能な光子放出を可能にするか？
• RQ5 双極子-双極子結合または局所場効果が周波数ロックを達成するために果たす役割は何か？

主な発見

• 人工原子の発光エネルギーが、天然原子の特定の光学遷移にロックされ、周波数安定化が達成された。
• システムは環境の変動や長期的なドリフトに対して強く、スペクトル安定性を維持した。
• 量子ドットからの光子放出は高い同一視可能性を示し、量子情報応用における重要な要件を満たしている。
• ロック機構により、固体状態プラットフォーム上で普遍的に同一視可能な単一光子源の作成が可能になった。
• このアプローチは、遠く離れた場所に位置する同一の周波数ロック済み単一光子発生源をスケーラブルに実装する道筋を提供する。
• システムの安定性は、天然原子遷移の固有のエネルギー精度と、人工原子との結合に起因する。