[論文レビュー] Deterministic and Robust Generation of Single Photons On a Chip with 99.5% Indistinguishability Using Rapid Adiabatic Passage

Yu-Jia Wei, Yuming He+9 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2014

Quantum Information and Cryptography被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、正の chirped パルスを用いた急速断熱遷移（RAP）により、半導体ナノ結晶上に作製された InGaAs 量子ドットから、決定的で頑健な単一光子生成を実現した。この手法により、Hong-Ou-Mandel 干渉における光子の不変性が 99.5% に達し、表面コード量子計算の耐故障閾値を上回り、2光子放出確率は 0.3% とほとんどゼロに近い値となった。

ABSTRACT

We demonstrate deterministic and robust generation of pulsed resonance fluorescence single photons from a single InGaAs quantum dot using the method of rapid adiabatic passage. Comparative study is performed with transform-limited, negatively chirped and positively chirped pulses, identifying the last one to be the most robust against fluctuation of driving strength. The generated single photons are background free, have a vanishing two-photon emission probability of 0.3% and a raw (corrected) two-photon Hong-Ou-Mandel interference visibility of 97.9% (99.5%), reaching a precision that places single photons at the threshold for fault-tolerant surface-code quantum computing. The single-photon source can be readily scaled up to multi-photon entanglement and used for quantum metrology, boson sampling and linear optical quantum computing.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子技術に適した半導体チップ上に、決定的かつ頑健な単一光子源を開発すること。
• 励起パワーおよび電気双極子モーメントの変動に感受性が大きい従来の共鳴励起法の課題を克服すること。
• 耐故障量子計算および線形光学量子計算に必要な高い光子不変性を達成すること。
• 背景雑音を伴わず、多光子放出が最小限に抑えたオンデマンド単一光子放出を実証すること。
• 量子ドットにおける信頼性の高い状態遷移に最適なチップドパルス構成を同定すること。

提案手法

• 2準位系量子ドット系における状態遷移を、周波数チープドレーザーパルスを用いた急速断熱遷移（RAP）によりコherentに制御する。
• 周波数を低から高へスイープする正のチープドパルスを用い、下側のドレッシング状態 |−⟩ 沿いの断熱的遷移を駆動することで、パrameterの変動に対しても頑健な状態反転を実現する。
• 変換制限パルス、負のチープドパルス、正のチープドパルスの性能を比較し、後者が励起強度の変動に対して最も頑健であることが判明。
• スペクトルフィルタリングとアンバランスなマハーズ＝ゼンダー干渉計を用いて、Hong-Ou-Mandel 干渉を介した光子不変性の分離および測定を実施。
• g²(0) = 0.003(2) および1次干渉可視度を個別に測定したシステムパrameterを用いて、原始的な干渉可視度を補正する。
• 50:50 ビームスプリッタと時間ビン符号化を用い、2つの連続光子間の量子干渉を検出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正のチープドパルスを用いた急速断熱遷移は、チップ上に1つの量子ドットから決定的かつ頑健な単一光子生成を可能にするか？
• RQ2 チープドパルスの選択（正 vs. 負）が励起パワーの変動に対する頑健性に与える影響は何か？
• RQ3 RAPを用いて生成された光子の不変性度はどの程度で、表面コード量子計算の耐故障閾値を満たすか？
• RQ4 この手法は、ほぼバックグラウンドフリーで、2光子放出確率が無視できるほど低い単一光子放出を達成できるか？
• RQ5 この手法は、多光子もつれや統合光量子回路へのスケーリングにどの程度対応できるか？

主な発見

• 原始的な Hong-Ou-Mandel 干渉可視度は 97.9% であったが、システムの非理想要因を補正した結果、99.5% に向上した。
• 2光子放出確率 g²(0) は 0.3% と測定され、多光子放出がほぼ完全に抑制されていることが示された。
• 実験的に、正のチープドパルスが励起パワーおよび双極子モーメントの変動に対して、負のチープドパルスよりも優れた頑健性を示した。
• 補正済みの不変性 99.5% は、耐故障表面コード量子計算に必要な 99% の閾値を上回っている。
• この手法により、82 MHz の繰り返しレート、干渉測定に適した 3.2 ns の時間ウィンドウを有する、決定的でバックグラウンドフリーな単一光子放出が実現された。
• 理論的解析により、理想的な条件下では2量子ビット制御位相ゲートの忠実度が 0.999(3) に達し、現実的な線形光学環境下では 0.996(2) に達することが示された。両者とも 99% の誤り閾値を上回っている。