[論文レビュー] Deterministic Storage and Retrieval of Telecom Quantum Dot Photons Interfaced with an Atomic Quantum Memory

S. E. Thomas, L. Wagner+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2023

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、1529.3 nmの光通信波長帯域で、InAs半導体量子ドットから発生する単一光子を、ホットルビジウム蒸気原子量子メモリに、ORCAプロトコルを用いて初めて決定的かつオンデマンドで記録・再生することを示した。全内部メモリ効率は12.9±0.4%、信号対雑音比は18.2±0.6であり、大規模な光量子ネットワークや量子リピーターに向けた重要なハイブリッド量子インターフェースを確立した。

ABSTRACT

A hybrid interface of solid state single-photon sources and atomic quantum memories is a long sought-after goal in photonic quantum technologies. Here we demonstrate deterministic storage and retrieval of photons from a semiconductor quantum dot in an atomic ensemble quantum memory at telecommunications wavelengths. We store single photons from an InAs quantum dot in a high-bandwidth rubidium vapour based quantum memory, with a total internal memory efficiency of $(12.9 \pm 0.4) \%$. The signal-to-noise ratio of the retrieved photons is $18.2\pm 0.6$, limited only by detector dark counts. This demonstration paves the way to quantum technologies that rely on distributed entanglement, and is especially suited for photonic quantum networks.

研究の動機と目的

• 半導体量子ドットからの単一光子を、原子量子メモリに決定的かつ高忠実度で記録・オンデマンド再生すること。
• 量子ドットの発光帯域幅（GHz）と原子メモリの帯域幅を一致させ、効率的な量子インターフェースを実現すること。
• 長距離光ファイバーを介した低損失伝送を可能にするために、光通信波長帯域（1529.3 nm）で動作すること。
• 従来のシステムの限界を克服し、高い信号対雑音比と低雑音フロアを実現したハイブリッド量子光物質インターフェースを実証すること。
• 量子ドット光源と原子集団を用いた分散型量子ネットワークや量子リピーター構造の基盤を築くこと。

提案手法

• ホットルビジウム蒸気を用いた非共鳴連鎖吸収（ORCA）プロトコルを活用し、1529.3 nmの波長で光子を記録・再生する。
• 量子ドット光子発光（ガウス型、FWHM ≈ 300 ps）を、1 GHz帯域幅のメモリに適合させるために、スペクトルおよび時間的フィルタリングを実施する。
• 電気光学モジュレータ（EOM）を用いて、指数関数的減衰（1/e ≈ 0.85 ns）から出力される光子波パケットを、FWHM = 300 psのガウス型に整形する。
• ファブリ・ペロー干渉計をスペクトルフィルタとして用い、1529.3 nmでCW光に対して85%透過、非一様に広がった単一光子に対しては3.0±0.5%透過を実現する。
• 信号対雑音比と光子カウントレートのバランスを取るために、500 psの統合ウィンドウを用いた時間分解検出方式を採用する。
• 校正済み単一光子検出器を用いてメモリ効率を測定し、詳細な損失予算（全透過率 η_optical = 0.153±0.009）を用いて光学損失を補正する。

Figure 1: Schematic of the experimental set-up for the quantum dot - quantum memory interface. (a) Energy level scheme for the Telecom ORCA quantum memory protocol in rubidium vapour. (b) Scheme of the semiconductor QD sample with semiconductor bottom DBR, metamorphic buffer (MMB) and oxide top DBR.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半導体量子ドットから発生する単一光子を、光通信波長帯域で、原子量子メモリに決定的に記録・再生できるか？
• RQ2 GHz帯域幅の量子ドット発光を、高帯域幅の原子メモリに適合させた場合、達成可能なメモリ効率と信号対雑音比はどの程度か？
• RQ3 時間的およびスペクトル的フィルタリングは、量子ドット–メモリインターフェースの適合性と性能にどのように影響するか？
• RQ4 ORCAプロトコルの雑音フロアは、ハイブリッド量子インターフェースの性能にどの程度制限要因となるか？
• RQ5 本システムは、効率的かつオンデマンドの光子記録・再生を可能にすることで、大規模かつ長距離の量子ネットワークを実現できるか？

主な発見

• 全内部メモリ効率は (12.9±0.4)% と測定され、固体状態光源を用いた決定的量子メモリ動作における重要なマイルストーンを示した。
• 再生光子の信号対雑音比は 18.2±0.6 に達し、検出器のダークカウントに起因する限界に達しており、高忠実度の再生を示している。
• 500 psの統合ウィンドウを採用した結果、カウントレートは (22±1) s⁻¹、信号対雑音比は 18.2±0.6 に達した。
• 時間的フィルタリング損失を補正した後、入力パルス全体を用いた場合のメモリ効率は (10.9±0.3)% に低下したが、フィルタリングの影響に強く、耐障害性が確認された。
• 非一様に広がった単一光子に対するスペクトルフィルタリング効率は (3.0±0.5)% と測定され、理論的予測と整合的であった。
• 光学損失予算は、光源から検出器までの全透過率 η_optical = 0.153±0.009 として定量され、EOM、ファイバー結合、フィルタが主な損失要因であった。

Figure 2: Characterisation of single-photon source (a) Spectrum of photons from QD without (blue) and with (red) spectral filtering from the etalon, normalised to the maximum intensity. The dashed black line shows the target wavelength of the memory. (b) The second-order autocorrelation, $g^{(2)}(\t