[論文レビュー] Giant Faraday rotation induced by a single electron spin and applications to entangling remote spins via photons

C. Y. Hu, A. B. Young+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2007

Quantum and electron transport phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、マイクロキャビティ内の量子ドットに閉じ込められた単一電子スピンを測定するために、巨大ファラデー回転を用いた量子非破壊検出法を提案する。これは、キャビティ量子電磁力学と光学的スピン選択則を活用したもので、高精度で調整可能な光子を介した遠隔スピンのエンタングルメントを可能にする。

ABSTRACT

We propose a quantum non-demolition method - giant Faraday rotation - to detect a single electron spin in a quantum dot inside a microcavity where negatively-charged exciton strongly couples to the cavity mode. Left- and right-circularly polarized light reflected from the cavity feels different phase shifts due to cavity quantum electrodynamics and the optical spin selection rule. This yields giant and tunable Faraday rotation which can be easily detected experimentally. Based on this spin-detection technique, a scalable scheme to create an arbitrary amount of entanglement between two or more remote spins via a single photon is proposed.

研究の動機と目的

• 量子ドット内の単一電子スピンをスケーラブルかつ非破壊的に検出するための手法を開発すること。
• 1つの光子をキャリアとして用いて、遠隔に位置する電子スピンを長距離エンタングルすること。
• キャビティ量子電磁力学を活用し、強力な光物質相互作用により、大規模かつ調整可能なファラデー回転を実現し、スピンの読み出しを強化すること。
• 従来のスピン検出法の限界を克服し、光学的手法により高い感度とスケーラビリティを達成すること。

提案手法

• 負に帯電した励起子とキャビティモードが強い結合を示すように、単一電子スピンを有する量子ドットを含むマイクロキャビティを用いる。
• 左回りおよび右回りの円偏光光が電子スピン状態に対して異なるように結合する光学的選択則を活用する。
• スピン依存のキャビティ応答により、左回りおよび右回りの円偏光光に異なる位相シフトを誘発する。
• 強力な光物質相互作用のおかげで、その結果生じるファラデー回転は巨大かつ調整可能となり、読み出し信号として利用可能になる。
• 検出されたスピン状態を用いて、キャビティに放出された1つの光子を介して、遠隔スピン間のエンタングルメントを媒介する。
• 光子放出とスピン測定を組み合わせたプロトコルを設計し、遠く離れた量子ドット間で決定的かつスケーラブルなエンタングルメント分配を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一電子スピンを有するキャビティ-QED系で、巨大ファラデー回転を生成・検出できるか？
• RQ2 この効果が、量子ドット内の単一電子スピンを堅牢かつ非破壊的に測定する手段として機能するか？
• RQ3 ファラデー回転により検出されたスピン状態を、1つの光子を介して遠隔スピンをエンタングルするのに利用できるか？
• RQ4 このスキームのエンタングルメントの忠実度とスケーラビリティは調整可能で、実験的に実現可能か？

主な発見

• 強いスピン-キャビティ結合と光学的選択則のおかげで、単一電子スピンが巨大ファラデー回転を誘発する。
• 外部制御パラメータ（磁場やキャビティのデチューニングなど）を用いることで、ファラデー回転を調整可能である。
• 測定可能な光学的位相シフトを介して、非破壊的かつ高忠実度の単一スピン検出が可能である。
• 1つの光子を量子チャネルとして用いることで、遠隔スピンのスケーラブルかつ決定的なエンタングルメントが実現可能である。
• 既存のキャビティ-QEDおよび量子ドット技術を用いて、プロトコルは堅牢かつ実験的に実現可能である。