[論文レビュー] Indistinguishable photons from independent semiconductor single-photon devices

Kaoru Sanaka, Alexander Pawlis+3 more|ArXiv.org|Mar 10, 2009

Quantum Information and Cryptography被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ZnSe/ZnMgSe量子井戸におけるフルオリン供与体を用いた二つの独立した半導体単一光子源から得られる、実験的に区別できない光子を実証している。Hong-Ou-Mandel干渉装置を用いて、測定された不変性は65±13%であり、二光子相関時間は74±38 psであった。これは、ほぼ寿命制限発光を示し、スケーラブルな光量子技術への応用が可能であることを示している。

ABSTRACT

We demonstrate quantum interference between photons generated by the radiative decay processes of excitons that are bound to isolated fluorine donor impurities in ZnSe/ZnMgSe quantum-well nanostructures. The ability to generate single photons from these devices is confirmed by auto-correlation experiments, and indistinguishability of single photons from two independent devices is confirmed via a Hong-Ou-Mandel dip. These results indicate that donor impurities in appropriately engineered semiconductor structures can portray atom-like homogeneity and coherence properties, potentially enabling scalable technologies for future large-scale optical quantum computers and quantum communication networks.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子情報処理のため、独立した半導体単一光子源からの光子間で量子干渉を実現すること。
• 従来の量子ドット源におけるスペクトル的および時間的不均一性の課題を、ZnSe中の孤立した供与体不純物を用いて解決すること。
• 設計された半導体ナノ構造における供与体結合励起子が、原子的コherenceと不変性を示すことを実証すること。
• 高不変性を持つ単一光子を供給することにより、スケーラブルでチップ統合型の光量子技術を実現すること。
• これらの光源が長距離量子通信ネットワークにおける光学キュービットまたは量子メモリとしての利用可能性を検討すること。

提案手法

• ZnSe/ZnMgSe量子井戸ナノ構造における中性フルオリン供与体を、放射的再結合による供与体結合励起子（D₀X）を用いた単一光子発光体として利用。
• 410 nmの上バンドギャップパルス励起を用いて光子発光を誘発し、自己相関ヒストограмを測定することで単一光子動作を確認。
• 二つの独立したデバイスから得た光子をビームスプリッターで合成し、Hong-Ou-Mandel（HOM）干渉実験を実施して不変性を測定。
• 時間に依存する振幅関数α(t)およびβ(t)を用いて二光子波動関数をモデル化し、干渉可視度は式(2)の重ね合わせ積分によって支配される。
• HOMディップデータをフィッティングして不変性Iおよび相関時間τcを抽出。背景カウントgbackおよび位相崩壊効果を考慮。
• スティークスカメラ測定を用いてタイミングジッター（40 ps）を推定し、光子波パケットの時間的広がりを検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二つの独立した半導体単一光子源から得た光子は、量子干渉を示すことができるか。これは不変性の証明となる。
• RQ2 ZnSeナノ構造における供与体結合励起子は、スペクトル的および時間的に均一な単一光子をどれほど生成できるか。
• RQ3 この系において、独立した光源からの光子の不変性を制限する要因は何か。
• RQ4 マイクロキャビティや強化された空間フィルタリングなどのデバイス工学的手法により、観測された不変性を向上させられるか。
• RQ5 この系は、線形光量子計算用にスケーラブルでチップ内に統合可能な不変性の高い光子源として利用可能か。

主な発見

• Hong-Ou-Mandelディップにおける二光子干渉可視度は31%に達し、独立した光源からの光子間で量子干渉が確認された。
• 導出された光子不変性は65±13%であり、高いコherenceを示し、さらなる最適化によりほぼ100%の不変性が達成可能である可能性を示している。
• 二光子相関時間は74±38 psで測定され、これは自発的放射の寿命と同等であり、ほぼ寿命制限発光であることを示唆している。
• 背景同時計数（gback ≈ 0.51±0.06）は、二光源実験における空間フィルタリングの欠如により予想を上回っており、不要な光子寄与が増加している。
• 不変性の主な低下要因は、不完全な空間モード重ね合わせであり、タイミングジッターおよび残存するスペクトル的不均一性はそれほど顕著ではない。
• 結果から、ZnSe中の供与体不純物を用いた発光体は、量子技術向けにスケーラブルな固体状態光子源として有望であることが示された。