[論文レビュー] Coherent excitation of a strongly coupled quantum dot - cavity system

Dirk Englund, Arka Majumdar+5 more|ArXiv.org|Feb 14, 2009

Photonic Crystals and Applications参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、時間領域Rabi振動を用いて強い結合されたInAs量子ドット-フォトニック結晶キャビティ系を一貫して制御することに成功し、真空中のRabi分裂と超高速な位相崩壊ダイナミクスを達成した。主な結果として、17 psの光励起発光寿命と反バンドリングキャビティ発光の観測が得られ、量子情報応用におけるニアユニティに近い不変性を示す高精度な単一光子源の実現に貢献した。

ABSTRACT

We have studied the coherent excitation of a strongly coupled QD/photonic crystal cavity system. Time-resolved reflectivity measurements show the vacuum Rabi oscillation of the dot in the cavity. Next, we considered the resonant driving of a cavity-detuned dot, which efficiently populates the cavity mode. This cavity-controlled read-out channel allows high-resolution single quantum dot spectroscopy. Autocorrelation measurements on the cavity mode show antibunching and suggest the use of the resonantly driven QD/cavity system as an on-demand source of single photons with potentially near-unity indistinguishability.

研究の動機と目的

• 量子情報処理のため、強い結合されたフォトニック結晶キャビティ内に封入された単一量子ドットの共鳴制御を達成すること。
• 時間分解光学実験装置を用いて、真空中のRabi分裂およびRabi振動のダイナミクスを調査すること。
• ずれた量子ドットがキャビティモードを介して効率的に光子を放出できることを実証し、波長分離された読み出しを可能にすること。
• 位相崩壊メカニズムが光子の不変性およびキャビティ媒介発光に与える影響を検討すること。

提案手法

• 共鳴励起された量子ドットをプローブし、キャビティ透過度を測定するために、可変周波数の連続波レーザー（帯域幅 <300 kHz）を用いたクロス偏光型共焦点顕微鏡装置を採用した。
• 入出力結合効率および指向性を向上させるために、設計された摂動を持つグレーティング統合型フォトニック結晶キャビティ（L3構造）を用いた。
• 反射率分光測定により真空中のRabi分裂を測定し、約1.5 meVの分裂が観測され、強い結合が確認された。
• 位相崩壊（γd ≈ 0.2 ps⁻¹）、緩和（10 ps）、タイミングジッターを組み込んだモンテカルロシミュレーションモデルを用いて、時間分解キャビティ光子数をシミュレートした。
• リンドブラッド散乱項を含むマスター方程式から出発し、量子回帰定理を用いてキャビティおよび量子ドット発光スペクトルの解析的表現を導出した。
• 光励起および反射率測定から抽出した系パラメータ（g, κ, γ, γd）を用いて、実験データを理論モデルにフィットさせた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共鳴励起下で、強い結合された量子ドット-キャビティ系において、共鳴Rabi振動を観測できるか？
• RQ2 位相崩壊が、キャビティを介した発光による単一光子の不変性およびスペクトル特性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ずれた量子ドットがキャビティモードに効率的に結合可能であり、波長分離された単一光子発光を可能にするか？
• RQ4 直接的な量子ドット発光と比較して、キャビティ媒介発光が光子の不変性をどの程度向上させるか？

主な発見

• 量子ドットとキャビティが共鳴状態にあるとき、キャビティ透過度において時間領域Rabi振動が観測され、量子ドット状態の共鳴制御が確認された。
• 量子ドットがキャビティにチューニングされた際、光励起発光寿命が17 psに測定され、系パラメータに基づく理論モデルと良好に一致した。
• ずれた量子ドットが共鳴励起された際、キャビティモードで反バンドリングが観測され、高精度な不変性を示す単一光子発光が実現した。
• キャビティ信号は、バックグラウンド抑制を可能にする高分解能単一量子ドット分光法のための波長分離読み出しチャネルを提供した。
• 反射率測定において、約1.5 meVの真空中のRabi分裂が観測され、真空Rabi周波数g ≈ 0.75 meVの強い結合が確認された。
• 実験データを説明するには、γd ≈ 0.2 ps⁻¹の位相崩壊モデルが必要であり、非共鳴的位相崩壊が光子の不変性を制限していることが示された。