[論文レビュー] Coherent light scattering from a telecom C-band quantum dot

L. Wells, T. Müller+4 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2022

Semiconductor Lasers and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、光通信CバンドにおけるInAs/InP量子ドットからの coherent な光散乱を実証し、共鳴レイリー散乱を用いてフォーリエ限界をはるかに超える光子のコherency 時間を達成した。25 kmのファイバー回路を用いて、100,000回の励起サイクルにわたる発光光子の同一性が確認され、最小限のファイバー損失で長距離量子ネットワーク応用が可能となった。

ABSTRACT

Quantum networks have the potential to transform secure communication via quantum key distribution and enable novel concepts in distributed quantum computing and sensing. Coherent quantum light generation at telecom wavelengths is fundamental for fibre-based network implementations, but Fourier-limited emission and subnatural linewidth photons have so far only been reported from systems operating in the visible to near-infrared wavelength range. Here, we use InAs/InP quantum dots to demonstrate photons with coherence times much longer than the Fourier limit at telecom wavelength. Evidence of the responsible elastic laser scattering mechanism is observed in a distinct signature in two-photon interference measurements, and is confirmed using a direct measurement of the emission coherence. Further, we show that even the inelastically scattered photons have coherence times within the error bars of the Fourier limit. Finally, we make direct use of the minimal attenuation in fibre for these photons by measuring two-photon interference after 25 km of fibre, thereby demonstrating indistinguishability of photons emitted about 100 000 excitation cycles apart.

研究の動機と目的

• 実用的な量子ネットワークに向け、フォーリエ限界を超えるコherency 時間を持つ光通信Cバンド量子ドット光源の開発。
• 光通信波長における共鳴レイリー散乱（RRS）を活用することで、固体発光体のデコherence 問題に取り組む。
• 低損失ファイバー伝送を用いて光子の長距離同一性を実証し、量子ネットワーキングに向けたコherency を検証する。
• 弾性散乱と非弾性背景、残存レーザー光の寄与を分離・同定する。
• ミケルソン干渉計による直接測定を通じて、光子コherency を明示的に評価し、RRS が主なメカニズムであることを検証する。

提案手法

• 1532.2 nmの狭帯域連続波レーザーを用いて、InAs/InP量子ドット内の中性励起子を共鳴励起する。
• 偏光フィルタリングとクロス偏光検出を用いて、背景レーザー光を抑制し、量子ドット発光を分離する。
• ハインブルン・ブラウンとトゥイス（HBT）およびホン・オウ・マーティン（HOM）干渉計を用いて二光子干渉を測定し、コherency 特性を抽出する。
• 発光光子のモード関数を、共鳴（RRS）成分と非弾性（非共鳴）成分の重ね合わせとしてモデル化し、$ \psi(t) = \alpha \psi_{\text{incoherent}}(t) + \beta \psi_{\text{coherent}}(t) $ の形で表す。
• HOMディップ深さの解析的式を用いて、共鳴成分の割合 $ |\beta|^2 $ を抽出し、検出器応答および強度不均衡を補正するための正規化ディップ深さを用いる。
• ミケルソン干渉計による直接的コherency 測定を実施し、RRS 成分のコherency 時間を定量する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共鳴レイリー散乱（RRS）は、光通信Cバンド量子ドットで観測可能であり、フォーリエ限界を超えるコherency 時間をもたらすか？
• RQ2 HOM測定における観測された二光子干渉に、弾性散乱と非弾性発光の寄与はそれぞれどの程度か？
• RQ3 25 kmのような長距離ファイバー伝送において、光通信量子ドットからの光子のコherency はどの程度保持されるか？
• RQ4 測定されたRRS 成分のコherency 時間はフォーリエ限界を上回っており、直接測定可能か？
• RQ5 100,000回の励起サイクルの間隔をあけて発光された光子が、通常のファイバーを通過後も同一性を保てるか？

主な発見

• 量子ドットは、フォーリエ限界をはるかに超えるコherency 時間を持つ光子を発光しており、これは共鳴レイリー散乱（RRS）が主なメカニズムであることを示している。
• 二光子干渉測定では、明確なディップシグネチャーが観測され、これは残留レーザー光ではなく、RRSに起因するものであることが解析的モデルで裏付けられた。
• ミケルソン干渉計による直接的コherency 測定により、RRS 成分のコherency 時間がフォーリエ限界を上回っていることが確認された一方、非弾性散乱光子はフォーリエ限界内に収束していた。
• 25 kmの通常ファイバーを通過後も、約100,000回の励起サイクルの間隔をあけて発光された光子は同一性を保ち、正規化HOMディップ深さ $ D_{\text{cross}} = 0.237 \pm 0.003 $ を示し、長距離コherency が確認された。
• HOMディップ深さから抽出された共鳴成分の割合 $ |\beta|^2 $ は、モデルと定量的に整合しており、RRSに基づくコherency メカニズムの妥当性が裏付けられた。
• 偏光フィルタリングによりレーザー背景が効果的に抑制され、高精度な量子操作に十分な信号対背景比が達成された。