[論文レビュー] Deterministic photon source of genuine three-qubit entanglement

Yijian Meng, Ming Lai Chan+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2023

Quantum Information and Cryptography被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、平面フォトニック波ガイドに埋め込まれたInAs量子ドット内の単一電子スピンを用いて、真の三量子ビットもつれ状態を決定論的に生成する初の試みを示している。4 Tのボイツ磁場下で核スピンの狭小化とスピンエコーシーケンスを適用することにより、3量子ビットのGHZ状態の保証度が56(2)%に達し、光子の不変性は97(2)%に達した。これにより、光子融合を用いたスケーラブルなフォトリック量子計算が可能になる。

ABSTRACT

Deterministic photon sources allow long-term advancements in quantum optics. A single quantum emitter embedded in a photonic resonator or waveguide may be triggered to emit one photon at a time into a desired optical mode. By coherently controlling a single spin in the emitter, multi-photon entanglement can be realized. We demonstrate a deterministic source of three-qubit entanglement based on a single electron spin trapped in a quantum dot embedded in a planar nanophotonic waveguide. We implement nuclear spin narrowing to increase the spin dephasing time to $T_2^* \simeq 33$ ns, which enables high-fidelity coherent optical spin rotations, and realize a spin-echo pulse sequence for sequential generation of high-fidelity spin-photon and spin-photon-photon entanglement. The emitted photons are highly indistinguishable, which is a key requirement for subsequent photon fusions to realize larger entangled states. This work presents a scalable deterministic source of multi-photon entanglement with a clear pathway for further improvements, offering promising applications in photonic quantum computing or quantum networks.

研究の動機と目的

• フォトリック量子技術のための、スケーラブルで決定論的な真の多光子もつれ状態を固体系プラットフォームで実現すること。
• 量子ドットベースの光源におけるスピンコherenveと光子不変性のトレードオフを克服すること。
• 時間-binプロトコルを用いて、スピンと2つの光子の直接的かつ高保証度の三量子ビットもつれ状態を実証すること。
• 近似ユニタリな光子不変性を達成することで、大規模なもつれ状態を構築するための光子融合を可能にすること。
• スケーラブルなフォトリック量子計算およびワンウェイ量子リピーターへの道筋を提供すること。

提案手法

• 平面フォトニック波ガイドに埋め込まれたInAs量子ドット内の単一電子スピンを用いて、決定論的な単一光子放出を実現する。
• 核スピンの狭小化を適用し、電子スピンの位相崩壊時間T₂*を約33 nsまで延長することで、スピンコherenveを向上させる。
• ノイジーな固体状態環境下でもスピンコherenveを維持するため、スピンエコーパルスシーケンスを実装する。
• 時間-bin多光子もつれプロトコルを用いて、電子スピンと2つの決定論的に放出された光子をもつれ状態に結合する。
• 活性的なスピン制御と明確に区別可能な光学遷移を可能にするために、4 Tの面内磁場（ボイツ幾何）を用いる。
• ハンブリー・ブラウン＝トゥースディおよびホン＝オウ＝マンドル干渉計を用いて光子の品質を評価し、g²(0)とHOM可視度を測定することで、固有の不変性を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真の三量子ビットもつれ状態を、固体系量子ドット光源を用いて決定論的に生成できるか？
• RQ2 スピンコherenveと光子不変性の両方を、固体系プラットフォームで同時に達成できるか？
• RQ3 核スピンの狭小化が、ノイジーな環境下でも高保証度のもつれ状態生成に十分なスピンコherenveを提供できるか？
• RQ4 本実験で示された光源が、光子融合を用いてスケーラブルなフォトリック量子計算を可能にするか？
• RQ5 このようなシステムにおける保証度の根本的限界は何か。そして、それをどのように克服できるか？

主な発見

• 実験により、三量子ビットGHZ状態の保証度が56(2)%に達し、真の三量子ビットもつれ状態の直接的実証がなされた。
• 状態は10標準偏差以上もつれのない状態（biseparability）基準を破り、真の多粒子もつれ状態の確認がなされた。
• 光子の不変性は97(2)%に測定され、光子融合に適したほぼユニタリな品質を示した。
• HOM可視度とg²(0)の間に線形関係が観察され、F ≈ 2.0(3)となった。これは、光子の区別可能性が主なノイズ源であることを示している。
• 多重光子および漏れ成分の寄与を補正した結果、固有の単一光子不変性V_sが97(2)%に抽出された。
• プラットフォームは4つのもつれ量子ビットへスケーラブルであり、歪みのないGaAsドロップエpitaxy量子ドットを用いることでさらなる改善が可能である。