[論文レビュー] Indistinguishable photons from an artificial atom in silicon photonics

Lukasz Komza, Polnop Samutpraphoot+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2022

Photonic and Optical Devices参考文献 54被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、シリコン光波道に統合されたシリコンベースの人工原子（G中心）から、高忠実度で区別不能な単一光子を発生させることを示した。88%のHong-Ou-Mandel可視度と0.4(10) GHzの有効二光子帯域幅を達成することで、スケーラブルな、チップ上に実装された、通信帯域のコherent光子源としての可能性を確立した。

ABSTRACT

Silicon is the ideal material for building electronic and photonic circuits at scale. Spin qubits and integrated photonic quantum technologies in silicon offer a promising path to scaling by leveraging advanced semiconductor manufacturing and integration capabilities. However, the lack of deterministic quantum light sources, two-photon gates, and spin-photon interfaces in silicon poses a major challenge to scalability. In this work, we show a new type of indistinguishable photon source in silicon photonics based on an artificial atom. We show that a G center in a silicon waveguide can generate high-purity telecom-band single photons. We perform high-resolution spectroscopy and time-delayed two-photon interference to demonstrate the indistinguishability of single photons emitted from a G center in a silicon waveguide. Our results show that artificial atoms in silicon photonics can source highly coherent single photons suitable for photonic quantum networks and processors.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子技術に向けた、決定的でコherentな単一光子源の欠如に取り組むこと。
• 人工原子（G中心）をシリコン波道に統合し、チップ上での通信帯域光子発生を可能にすること。
• 時間遅延付き二光子干渉を用いて、放出される光子の高さの区別不能性を実証すること。
• 現実的な条件下におけるG中心発光体のスペクトル安定性およびコherー性特性を定量すること。
• シリコン互換性プラットフォームを用いて、将来的な光子量子ネットワークおよびフォールトトレランス量子計算への応用を可能にすること。

提案手法

• シリコンオンインシュレータ（SOI）ウェーハに12Cを36 keVおよび10^12 cm⁻²のフルエンスでイオンドーピングし、1000°Cで20秒間の急速熱アニールを施してG中心を生成すること。
• 広帯域のブローリング反射鏡を用いて、光子収率を向上させる単モードシリコン光波道にG中心を統合すること。
• 断面変換を用いて、発生した光子をレンズ付きファイバーに50%の効率で結合すること。
• G中心からの単一光子発生を実現するため、バンドギャップを超えるパルスレーザー励起を用いること。
• 時間遅延付き二光子干渉を測定するため、Hong-Ou-Mandel（HOM）干渉計を用いて光子の区別不能性を定量すること。
• スペクトル拡散の影響をモデル化するため、発光周波数のローレンツ分布を用い、HOM可視度をフィッティングして有効二光子帯域幅（Γ^HOM）を抽出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコン波道に埋め込まれた人工原子（G中心）は、高い時間的およびスペクトル的区別不能性を持つ単一光子を発生させることができるか？
• RQ2 シリコン光子回路内のG中心から発生する光子の区別不能性の程度はどの程度か？
• RQ3 スペクトル拡散およびタイミングジッターは、固体発光体における二光子干渉の可視度にどのように影響するか？
• RQ4 相関したスペクトルフラクチュエーションのため、有効二光子帯域幅が単一光子スペクトル帯域幅未満に低下する可能性はあるか？
• RQ5 ナノ秒スケールの時間内において、G中心からの光子のコヒーレンスおよび区別不能性はどの程度保持されるか？

主な発見

• G中心は、シリコン波道内で1278 nmの通信帯Oバンドで単一光子を発生させ、ゼロフォノンライン（ZPL）と高いスペクトル純度を示した。
• 実験的に88%のHong-Ou-Mandel（HOM）ディップ可視度が測定され、高い光子区別不能性が示された。
• 有効二光子帯域幅（Γ^HOM/2π）は0.4(10) GHzと測定され、単一光子帯域幅2.8 GHzよりも1桁小さい値であった。
• 観測されたHOM可視度は主に検出器のタイミングジッター（252 ps）およびスペクトル拡散に起因し、後者はローレンツ周波数フラクチュエーションプロセスとしてモデル化された。
• 短い遅延（|τ| < 1 ns）におけるHOM相関関数の指数的減衰は、相関のないスペクトル拡散に起因し、相関時間定数は25 nsより長いことが示された。
• 測定された光子寿命（T₁ = 4.6(1) ns）は、二光子干渉トレースにおける観測された減衰エンVELOPEと整合的であった。