[論文レビュー] Cavity-enhanced single artificial atoms in silicon

Valeria Saggio, Carlos Errando-Herranz+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2023

Photonic and Optical Devices被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、逆設計されたフォトニック結晶キャビティを用いて、通信波長帯（1279 nm）におけるシリコン内に埋め込まれた単一のGセンターをキャビティ強化した。高Q/Vおよび高い収集効率（η > 70%）を最適化することで、ポーリン強化を達成し、量子効率を <18% に制限し、スケーラブルな量子技術のための決定的スピン光子インターフェースを実現した。

ABSTRACT

Artificial atoms in solids are leading candidates for quantum networks, scalable quantum computing, and sensing, as they combine long-lived spins with mobile and robust photonic qubits. The central requirements for the spin-photon interface at the heart of these systems are long spin coherence times and efficient spin-photon coupling at telecommunication wavelengths. Artificial atoms in silicon have a unique potential to combine the long coherence times of spins in silicon with telecommunication wavelength photons in the world's most advanced microelectronics and photonics platform. However, a current bottleneck is the naturally weak emission rate of artificial atoms. An open challenge is to enhance this interaction via coupling to an optical cavity. Here, we demonstrate cavity-enhanced single artificial atoms at telecommunication wavelengths in silicon. We optimize photonic crystal cavities via inverse design and show controllable cavity-coupling of single G-centers in the telecommunications O-band. Our results illustrate the potential to achieve a deterministic spin-photon interface in silicon at telecommunication wavelengths, paving the way for scalable quantum information processing.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子情報処理のため、通信波長帯におけるシリコン内に決定的スピン光子インターフェースを実現すること。
• 高品質因子・小モード体積のフォトニック結晶キャビティに結合させることで、シリコン内に人工原子が示す弱い放射遷移率を克服すること。
• 逆設計によるフォトニック結晶キャビティの最適化を通じて、高光子収集効率（η）と高ポーリン因子（FP）を同時に達成すること。
• 1279 nmのゼロフォノンラインを示すGセンターからのキャビティ強化型単一光子放出を実証し、既存の光通信および電子インfraストラクチャとの統合を可能にすること。
• 量子効率と寿命の比較分析を通じて、2種類の異なる欠陥種（GaおよびGb）を特定することで、報告されたGセンター特性に関する矛盾を解消すること。

提案手法

• 高Q/Vおよび0.55 NAの目的関数への高遠方収集効率（η > 70%）を最適化するため、2次元フォトニック結晶キャビティを逆設計により最適化した。
• 有限差分時域法（FDTD）シミュレーションを用いて、キャビティモードプロファイルおよび遠方散乱パターンをモデル化した。
• 目的のQ/V比を満たし、Gセンターの電気双極子遷移と最適化されたモード重ね合わせを持つL3型フォトニック結晶キャビティを設計した。
• 光子フラックス比（φon/φoff）を測定し、ポーリン因子（FP = φon/φoff − 1）を抽出し、寿命データを用いて量子効率（QE）を上限で評価した。
• off-共鳴励起下での寿命測定から、関係式 τoff/ton = 1 + FPF DWQE を適用し、QEの上限を導出した。
• 実験結果を文献と比較することで、ZPL、QE、励起状態寿命に基づいて2種類のGセンター欠陥種（GaおよびGb）を区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 逆設計されたフォトニック結晶キャビティを用いたシリコン内において、単一の人工原子が同時に高Q/Vと高光子収集効率（η）を達成できるか？
• RQ2 Oバンドの1279 nmにおけるキャビティ結合Gセンターの最大量子効率（QE）はどの程度達成可能か？
• RQ3 キャビティ結合が単一Gセンターの励起状態寿命に与える影響は何か？ これは放射遷移強化に何を示唆するか？
• RQ4 報告されたGセンター特性（例：QE、寿命）の矛盾は、異なる欠陥種か、測定条件の差によるものか？
• RQ5 キャビティ強化人工原子を用いて、通信波長帯におけるシリコン内に決定的スピン光子インターフェースを実現できるか？

主な発見

• 著者らは、単一Gセンターのキャビティ強化された励起状態寿命を5.50 ± 0.05 nsに達成し、顕著なポーリン強化を示した。
• キャビティ結合Gセンターの量子効率（QE）は、寿命測定および光子フラックス比から <18% に上限が制限された。
• フォトニック結晶キャビティ設計は、0.55 NAの目的関数へのシミュレートされた遠方収集効率が70%を超えており、オンチップ光収集を効率的に行える。
• キャビティの品質因子（Q）とモード体積（V）は、Q/V比が3725 (λ/n)⁻³を超えることを示し、強い光物質相互作用を示している。
• 測定されたゼロフォノンライン（ZPL）が1279 nmであることは、通信Oバンドでの動作を確認し、既存のファイバーネットワークと互換性があることを示している。
• データは、2種類の異なるGセンター欠陥種（Ga：ZPL ~1278 nm、低QE、短寿命；Gb：ZPL ~1270 nm、高QE、長寿命）の存在を支持しており、過去の矛盾する報告を統合している。