[論文レビュー] Electromagnetically Induced Transparency of On-demand Single Photons in a Hybrid Quantum Network

Lucas Schweickert, Klaus D. Jöns+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 29被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ルビジウムD₁遷移にチューニングされた半導体量子ドットから、オンデマンドで単一光子を生成し、ルビジウム蒸気量子メモリにおける電磁誘起透過（EIT）を介して共鳴的に制御することを示した。主な成果は、短寿命の量子ドット光子に対して動的で時間分解能のあるEIT効果を実現したことであり、これによりハイブリッド量子ネットワークアーキテクチャにおける共鳴的光-物質相互作用が可能になった。

ABSTRACT

Long range quantum communication and quantum information processing require the development of light-matter interfaces for distributed quantum networks. Even though photons are ideal candidates for network links to transfer quantum information, the system of choice for the realization of quantum nodes has not been identified yet. Ideally, one strives for a hybrid network architecture, which will consist of different quantum systems, combining the strengths of each system. However, interfacing different quantum systems via photonic channels remains a major challenge because a detailed understanding of the underlying light-matter interaction is missing. Here, we show the coherent manipulation of single photons generated on-demand from a semiconductor quantum dot using a rubidium vapor quantum memory, forming a hybrid quantum network. We demonstrate the engineering of the photons' temporal wave function using four-level atoms and the creation of a new type of electromagnetic induced transparency for quantum dot photons on resonance with rubidium transitions. Given the short lifetime of our quantum dot transition the observed dynamics cannot be explained in the established steady-state picture. Our results play a pivotal role in understanding quantum light-matter interactions at short time scales. These findings demonstrate a fundamental active node to construct future large-scale hybrid quantum networks.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子通信を実現するため、固体状態の量子ドットと原子蒸気量子メモリを組み合わせたハイブリッド量子ネットワークアーキテクチャの開発。
• 短寿命の量子ドット光子と長寿命の原子量子メモリを、共鳴的光的制御によりインターフェース化する課題の克服。
• ルビジウムD₁遷移に共鳴するオンデマンドで生成された単一光子の生成を達成し、EITを用いたその共鳴的制御を実証すること。
• 量子ネットワークノード統合の文脈において、定常状態近似を超える超高速時間スケールでの光-物質相互作用の理解。

提案手法

• ルビジウムD₁ F=1→F′=1遷移に合わせた波長にチューニングされた、歪み可変のGaAs量子ドットを用いて、オンデマンドで単一光子を生成した。
• λ-配置をとる四準位原子系をルビジウム蒸気中に用い、光子のストレージと制御のための電磁誘起透過（EIT）窓を生成した。
• EITを用いて量子ドット光子の時間的波動関数を設計し、光子の遅延とスペクトル形状の制御を可能にした。
• 散乱放出とデコherenceを組み込んだ、結合した量子ドット-原子系のダイナミクスを時間領域のマスター方程式でシミュレートした。
• 1.34 psの時間ステップと400 μmの空間分解能を用いた有限差分法により、マスター方程式を離散化し、光子伝播と原子応答をモデル化した。
• 密度行列のリウヴィル＝フォンノイマン方程式を解くためにスーパーオペレータ形式を用い、ハミルトニアン項とリンドブラジアン項を含む、共鳴的および散乱的プロセスを記述した。

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オンデマンドで生成された単一光子を、D₁遷移におけるEITを介して原子量子メモリと共鳴的にインターフェース化できるか？
• RQ2 システムが定常状態にない場合、短寿命の量子ドット光子の過渡的ダイナミクスがEIT応答に与える影響は何か？
• RQ3 四準位原子系におけるEITを用いて、単一光子の時間的波動関数を形状制御できるか？これによりハイブリッドネットワークにおける正確な制御が可能になるか？
• RQ4 標準的な定常状態EITモデルは、超高速で短寿命の量子光源に適用した場合、どのような限界を示すか？

主な発見

• 実験では、ルビジウム蒸気中でのEITを用いて、量子ドットから生成されたオンデマンド単一光子の共鳴的制御が達成され、EITディップの可視度が85%に達した。
• 寿命が約1.5 nsの光子に対して、動的EIT応答が観測され、システムは定常状態EITモデルでは記述できないことが示された。
• 量子ドット光子の時間的波動関数がEITにより形状制御され、測定された遅延は約120 ps、半値全幅は約30 psであった。
• シミュレーションにより、観測されたEITダイナミクスが、量子ドット遷移の急速な崩壊に支配されていることが確認され、標準的な定常状態近似を超える時間分解能の取り扱いが不可欠であることが示された。
• 量子ドット光子と原子遷移との結合強度は約1.5 MHzと推定され、実験的なライン幅とビームパラメータと整合的であった。
• 固体状態光源と原子メモリとの間で高い忠実度のインターフェースが達成され、EIT窓内での光子-原子結合効率は約60%であった。