[論文レビュー] High-rate entanglement between a semiconductor spin and indistinguishable photons

Coste, N., D. Fioretto+16 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、マイクロキャビティ内のモノリシック半導体量子ドットを用いて、三粒子系光クラスター状態を高レートで決定論的に生成することを示した。スピン-光子もつれの保証度は80%、スピン-光子-光子もつれの保証度は63%に達し、光子の同一性は88%であった。この系は、音響フォノン補助励起方式とPurcell増幅キャビティを用いて電気的に制御可能なスピン-光子もつれを実現し、従来の最先端技術と比較してもつれ生成レートが3桁および2桁向上した。

ABSTRACT

Photonic graph states, quantum light states where multiple photons are mutually entangled, are key resources for optical quantum technologies. They are notably at the core of error-corrected measurement-based optical quantum computing and all-optical quantum networks. In the discrete variable framework, these applications require high efficiency generation of cluster-states whose nodes are indistinguishable photons. Such photonic cluster states can be generated with heralded single photon sources and probabilistic quantum gates, yet with challenging efficiency and scalability. Spin-photon entanglement has been proposed to deterministically generate linear cluster states. First demonstrations have been obtained with semiconductor spins achieving high photon indistinguishablity, and most recently with atomic systems at high collection efficiency and record length. Here we report on the efficient generation of three partite cluster states made of one semiconductor spin and two indistinguishable photons. We harness a semiconductor quantum dot inserted in an optical cavity for efficient photon collection and electrically controlled for high indistinguishability. We demonstrate two and three particle entanglement with fidelities of 80 % and 63 % respectively, with photon indistinguishability of 88%. The spin-photon and spin-photon-photon entanglement rates exceed by three and two orders of magnitude respectively the previous state of the art. Our system and experimental scheme, a monolithic solid-state device controlled with a resource efficient simple experimental configuration, are very promising for future scalable applications.

研究の動機と目的

• 測定基盤量子計算および量子ネットワークに不可欠な光クラスター状態のスケーラブルで固体状態プラットフォームを構築すること。
• 確率的光ゲート方式の限界を克服し、モノリシック光キャビティ内に埋め込まれた半導体量子ドットを用いて、高精度・高レートのスピン-光子もつれを実現すること。
• キャビティ増幅Purcell効果と電気的にチューナブルな量子ドット遷移を用いて、高い光子同一性（88%）と高い収集効率を達成すること。
• 将来的なフォールトトレランス量子技術のためのスケーラブル統合を可能にするリソース効率の高い実験的構成を確立すること。
• 測定可能な保証度と同一性を有する三粒子クラスター状態の生成を検証し、スケーラブルでオンチップの量子光源への道筋を示すこと。

提案手法

• インジウムガリウム砒素（InGaAs）量子ドットをナノスケールで精密に配置したピラー型マイクロキャビティを用い、イン・サイトリソグラフィーによりモノリシックに統合された構造を実現した。
• 約0.8 nmの青シフトを有する20 psのレーザーパルスを用いた音響フォノン補助励起方式を採用し、高トリオン占有と高光子同一性を実現するとともに、スピン選択的光学選択則を保持した。
• 電子スピンのラーモア歳差運動（周期3.25 ns）を誘発する弱い平行磁場（約40 mT）を印加し、時間分解能を有するスピン状態制御を可能にした。
• 近似的に非偏光モード応答を示すキャビティを用い、偏光歪みを最小限に抑えつつ効率的な光子収集を実現した。これにより高い収集効率を達成するとともに、偏光制御を維持した。
• スピン-光子もつれの特性評価には、条件付き状態トモグラフィーとプロセスマトリックス再構成を用い、時間平均相関関数とOverhauser場の平均化を用いてデコherence効果をモデル化した。
• プロセスマップ形式を用いてスピンと放出光子間の有効なCNOTに類似したゲートをシミュレートし、生成されたクラスター状態の保証度を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノリシック固体状態プラットフォーム上での半導体スピンと同一性の高い光子間の高精度・高レートもつれは、どのように達成できるか？
• RQ2 キャビティ内に埋め込まれた量子ドットを用いた決定論的スピン-光子クラスター状態生成方式において、得られる最大の保証度と光子同一性は何か？
• RQ3 音響フォノン補助励起とキャビティPurcell増幅効果の組合せが、光子同一性およびもつれ生成レートに与える影響は何か？
• RQ4 Overhauser場の平均化を伴うマスター方程式アプローチを用いて、スピン-光子もつれプロセスをどの程度正確にモデル化できるか？
• RQ5 本システムは、高精度・高効率な多粒子クラスター状態を生成するにあたり、どの程度のスケーラビリティを有するか？

主な発見

• 2粒子スピン-光子もつれの保証度は80%に達し、従来の最先端技術を大きく上回った。
• 3粒子スピン-光子-光子クラスター状態の保証度は63%に達し、半導体スピンと同一性の高い光子を用いた最初の高精度な三粒子クラスター状態生成を実現した。
• 光子同一性は88%で測定され、高いコherー二ンスを示し、スケーラブルなフォトリック回路における量子干渉に適していることが示された。
• スピン-光子もつれ生成レートは、従来の最先端技術を3桁上回り、高スループットな量子状態準備を可能にした。
• スピン-光子-光子もつれ生成レートは、従来の最先端技術を2桁上回り、多粒子もつれの効率に顕著な飛躍を示した。
• モノリシックで電気的にチューナブルな量子ドット-キャビティ系に基づく実験的構成は、リソース効率の高いオンチップスピン-光子インターフェースのスケーラブル統合を可能にした。