[論文レビュー] An integrated whispering-gallery-mode resonator for solid-state coherent quantum photonics

Arianne Brooks, Xiao‐Liu Chu+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2021

Photonic and Optical Devices参考文献 63被引用数 18

ひとこと要約

本論文は、自己組織的量子ドットを埋め込んだ統合ガリウム砒素（GaAs）マイクロディスクフォトニックキャビティを用い、バス波ガイドとドロップ波ガイド間で共鳴結合によるコherentな光子ルーティングを実現した。測定されたPurcell係数が6.9 ± 0.9で、負荷Qファクターが約10,000であることを確認し、1つのキャビティ寿命あたり1光子未満のエネルギーで、光子の共鳴散乱と単一光子レベルでの制御が可能となった。これにより、決定的量子光子スイッチングが実現された。

ABSTRACT

Tailored photonic cavities allow enhancing light-matter interaction ultimately to create a fully coherent quantum interface. Here, we report on an integrated microdisk cavity containing self-assembled quantum dots to coherently route photons between different access waveguides. We measure a Purcell factor of $F_{exp}=6.9\pm0.9$ for a cavity quality factor of about 10,000, allowing us to observe clear signatures of coherent scattering of photons by the quantum dots. We show how this integrated system can coherently re-route photons between the drop and bus ports, and how this routing is controlled by detuning the quantum dot and resonator, or through the strength of the excitation beam, where a critical photon number less than one photon per lifetime is required. We discuss the strengths and limitations of this approach, focusing on how the coherent scattering and single-photon nonlinearity can be used to increase the efficiency of quantum devices such as routers or Bell-state analyzers.

研究の動機と目的

• 統合されたウィスパリングギャラリー・モードキャビティと量子ドットを用いた、オンチップで完全に共鳴的な量子光子インターフェースの開発。
• Purcell増幅を活用してスペクトル拡散に起因するデコherenceを低減し、ノイズへの感受性を低下させる。
• 量子ドットキャビティのエネルギー準位ずれや励起パワーを用いて、波ガイド端子間での共鳴的かつスイッチ可能な単一光子ルーティングの実証。
• スペクトル拡散がコherenceと消光効率を制限する役割を定量的に評価し、温度依存性を明らかにする。
• 単一光子非線形性を用いた、低消費電力で決定的な量子操作（ルーティングやベル状態解析など）の実現。

提案手法

• 電子線リソグラフィーと反応性イオン/誘導結合プラズマエッチングを用いて、半径3.5 µmのGaAs/AlGaAsマイクロディスクキャビティのプロセスを実施。
• 表面モード結合型単モード波ガイドとグレーティングカップラーを実装し、オンチップでの光励起と検出を実現。
• 有限要素法（COMSOL）を用いてモードプロファイル、有効モード体積（V_eff ≈ 18–22(λ/n)³）、理論的Qファクター最大10¹³をシミュレート。
• 熱的ノイズを最小限に抑えるために7 Kで低温測定を実施。励起は810 nm（Ti:Sapphire）で、発光波長は940 nmで検出。
• キャビティ透過スペクトルにローレンツ関数フィッティングを適用し、負荷Qファクター（Q_exp ≈ 10,600 ± 4,700）と線幅（κ ≈ 36.68 GHz）を抽出。
• 放射性崩壊率γ_cavと漏れ率γ_leakを含む2準位系モデルを用いて量子ドットのダイナミクスをモデリングし、温度依存性のデコherence要因としてスペクトル拡散（σ_sd）を導入。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 埋め込まれた自己組織的量子ドットを有する統合マイクロディスクキャビティは、バス波ガイドとドロップ波ガイド間で共鳴的光子ルーティングを実現できるか？
• RQ2 Purcell増幅は、スペクトル拡散の低減と単一光子レベルでの共鳴散乱を可能にする役割を果たすか？
• RQ3 クリティカルカップリング条件（ギャップ幅40–160 nm）が、バスおよびドロップポートにおける負荷Qファクターと透過深さに与える影響は？
• RQ4 スペクトル拡散は、量子ドットの最大消光をどの程度制限し、温度およびエネルギー準位ずれにどのように依存するか？
• RQ5 量子ドット-キャビティ準位ずれまたは励起パワーを用いて、1光子未満の動作で光子ルーティングを制御可能か？

主な発見

• 負荷Qファクター約10,000で測定されたPurcell係数F_exp = 6.9 ± 0.9を達成し、強い光-物質結合が確認された。
• 全モードで平均負荷Qファクター10,600 ± 4,700が観測され、1次モードでは13,600 ± 5,400、2次モードでは9,300 ± 4,900の高いQファクターを示した。
• 量子ドットからの光子の共鳴散乱が観測され、共鳴状態ではドロップポートでの消光が、裸のキャビティ応答の1.2倍に達した。
• スペクトル拡散（σ_sd）は温度およびエネルギー準位ずれに線形に依存し、4 Kでσ_sd ≈ 0.6 GHzとなり、理想共鳴状態からの最大消光が約20%低下した。
• 量子ドット-キャビティ準位ずれまたは励起パワーの調整により、光子ルーティングが共鳴的に制御可能であり、1つのキャビティ寿命あたり1光子未満の臨界光子数で動作が可能であった。
• 理論的モデリングにより、スペクトル拡散を考慮した場合に最大消光がδ = 0で発生しないことが示され、σ_sdをモデルに組み込むことで実験データとの一致が向上（R² = 0.96）した。