[論文レビュー] GaAs quantum dots grown by droplet etching epitaxy as quantum light sources

Saimon Filipe Covre da Silva, Gabriel Undeutsch+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2021

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 110被引用数 67

ひとこと要約

本論文は、GaAs(001)基板上に局所ドロップレットエッチングエpitaxy (LDE) を用いて成長したGaAs量子ドットが、単一光子および偏光もつれ光子の高効率的発生源として機能することを示しており、二光子励起条件下で記錦記録を更新する光子の同一性（93.0(8)％）ともつれ保全度（0.978(5)）を達成し、多光子発生確率が極めて低く（g(2)(0) = 0.00075(16)）なっている。これは、スケーラブルな量子通信およびリピーター技術に最適である。

ABSTRACT

This paper presents an overview and perspectives on the epitaxial growth and optical properties of GaAs quantum dots obtained with the droplet etching method as high-quality sources of quantum light. We illustrate the recent achievements regarding the generation of single photons and polarization entangled photon pairs and the use of these sources in applications of central importance in quantum communication, such as entanglement swapping and quantum key distribution.

研究の動機と目的

• 量子技術向けにスケーラブルで高品質な固体状態光源としての単一光子およびもつれ光子源の開発を目的とする。
• 従来のSPDCおよびInGaAs QD光源の限界、例えば多光子発生や低もつれ保全度を克服することを目的とする。
• 材料およびデバイス工学を用いて、光子の同一性ともつれ保全度をほぼ1に近づけること。
• GaAs QDsを用いた量子鍵配送、もつれスワッピング、および量子リピーターへの実用的応用を可能とすること。
• 材料品質およびフォトニクス統合の最適化を通じて、GaAs QDsを今後のフォトニクス量子ネットワークの主要なプラットフォームとして確立すること。

提案手法

• GaAs(001)基板上に、局所ドロップレットエッチング (LDE) 法を用いた分子線エpitaxy (MBE) により、GaAs/AlGaAs量子ドットを成長させる。
• Asフラックスを用いたエッチングによりAlドロップレットを用いてAlGaAs層にナノホールを形成し、その後GaAsの上積層によりQDsを形成する。
• 歪み調整および電荷可変デバイスを用いてブリンクイングを抑制し、励起子の微細構造分裂 (FSS) をほぼゼロにまで低減する。
• 円形ブロッググレーティングキャビティにQDsを統合することで、光子収率およびPurcell効果を向上させ、同一性を向上させる。
• 共鳴光学励起および二光子励起 (TPE) を用いて、サブポisson的発光を達成し、多光子イベントを最小限に抑える。
• 二光子間の同一性を測定するために、Hong-Ou-Mandel (HOM) 幹渉計を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LDE法で成長したGaAs QDsは、ほぼ1に近いもつれ保全度と極めて低い多光子発生確率を達成できるか？
• RQ2 材料品質およびデバイス工学を用いることで、遠く離れたGaAs QDsにおける光子同一性はどの程度向上できるか？
• RQ3 低FSS、短い励起子寿命、および電荷可変デバイスの組み合わせが、ブリンクイングを抑制し、高精度な量子操作を可能にするか？
• RQ4 GaAs QDsをフォトニクスキャビティに統合することで、光子収率および同一性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 GaAs QDsは、もつれスワッピングおよびスピン-光子インターフェースを用いて、量子リピーターのノードとしてスケーラブルなプラットフォームとして機能できるか？

主な発見

• LDE法で成長したGaAs QDsは、二つの遠く離れたQDsから発生する光子間で、93.0(8)%の二光子干渉可視度を達成し、固体状態発光体としての記録を更新した。
• 超低平均FSSおよび短い励起子寿命のおかげで、もつれ保全度は0.978(5)に達し、これまでに報告されたあらゆる量子ドットタイプで最高の値となった。また、concurrenceは0.97(1)であった。
• バックグラウンド補正や時間フィルタリングを施さずに二光子励起条件下でg(2)(0) = 0.00075(16)と測定され、ほぼ理想の単一光子発光を示している。
• 広帯域キャビティでは光子対収率が0.65(4)に達し、単一光子収率は0.85(3)に達しており、実用的統合に適した高い効率を示している。
• p-i-nダイオード統合QDsでは、共鳴単一光子および二光子励起の両条件下でブリンクイングが完全に抑制され、安定した動作が可能となった。
• 理論的および実験的結果から、GaAs QDsは低歪み、大径、および長寿命のスピンコherences時間の可能性を有するため、量子リピーターのノードとして有望であると確認された。