[論文レビュー] Indistinguishable telecom band photons from a single erbium ion in the solid state

Salim Ourari, Łukasz Dusanowski+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2023

Quantum optics and atomic interactions参考文献 50被引用数 8

ひとこと要約

telecom wavelength から CaWO4 の単一 Er3+ イオンとナノフォトニック腔の結合による識別不可能な単一光子を実証し、Hong-Ou-Mandel 干渉とスピン-光子制御を実現する。

ABSTRACT

Atomic defects in the solid state are a key component of quantum repeater networks for long-distance quantum communication. Recently, there has been significant interest in rare earth ions, in particular Er$^{3+}$ for its telecom-band optical transition, but their application has been hampered by optical spectral diffusion precluding indistinguishable single photon generation. In this work we implant Er$^{3+}$ into CaWO$_4$, a material that combines a non-polar site symmetry, low decoherence from nuclear spins, and is free of background rare earth ions, to realize significantly reduced optical spectral diffusion. For shallow implanted ions coupled to nanophotonic cavities with large Purcell factor, we observe single-scan optical linewidths of 150 kHz and long-term spectral diffusion of 63 kHz, both close to the Purcell-enhanced radiative linewidth of 21 kHz. This enables the observation of Hong-Ou-Mandel interference between successively emitted photons with high visibility, measured after a 36 km delay line. We also observe spin relaxation times $T_1$ = 3.7 s and $T_2$ > 200 $μ$s, with the latter limited by paramagnetic impurities in the crystal instead of nuclear spins. This represents a significant step towards the construction of telecom-band quantum repeater networks with single Er$^{3+}$ ions.

研究の動機と目的

• ソリッドステート宿主中の telecom 波長（1.5 μm）で Er3+ イオン1個からの indistinguishable な単一光子放出を実証する。
• 光学的スペクトル拡散を最小化し、光子の indistinguishability を最大化する宿主/腔系を設計する。
• CaWO4 における Er3+ のスピン初期化、読み出し、コヒーレンスを特徴づけ、潜在的な量子メモリ用途を検討する。
• 長い遅延線を用いた連続発光光子間で Hong-Ou-Mandel 干渉を示し、同一性を定量化する。
• 不純物や表面効果による限界を評価し、 telecom 帯量子ネットワークの将来の改善を導く。

提案手法

• CaWO4 への Er3+ の ~10 nm 深さまでのイオン埋込と欠陥修復のアニーリング。
• CaWO4 に大きな Purcell 増強を達成するためのシリコンナノフォトニック腔を製作し結合。P ≈ 850。
• 基底状態と励起状態を4つの光転換へ分裂させる 600 G の磁場を適用し、スピン読み出しのためのサイクリック遷移を設計。
• 腔に結合した Er3+ の単一ラインを解像するフォトルミネセンス励起（PLE）分光。
• 単一スキャンの光学的線幅 (~150 kHz) と長期拡散 (~63 kHz) を測定しスペクトル安定性を評価。
• 36 km の遅延線を用いた Hong-Ou-Mandel 干渉測定で、光子同一性の指標を定量（V ≈ 80%）。
• 光学的スピン初期化と単発読み出しを実装し、忠実度 ≈ 0.972、スピンコヒアレンスを測定（T1 ≈ 3.7 s、T2* ≈ 247 ns、T2 ≈ 44 μs）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CaWO4 の単一 Er3+ イオンがナノフォトニック腔に結合して telecom 波長で識別可能な光子を放出するか？
• RQ2 ナノフォトニック腔内に埋込まれた Er3+ イオンの光学的線幅とスペクトル拡散特性はどのようか？
• RQ3 単一 Er3+ イオンからの連続発光 telecom 光子間で Hong-Ou-Mandel 干渉を観測できるか、そして可視度は？
• RQ4 このデバイス構成で Er3+ のスピン初期化、読み出し忠実度とスピンコヒアレンス時間はどれくらいか？
• RQ5 スピンコヒアレンスを制限する主要なデコヒアランス源（核スピン対 paramagnetic 不純物）は何で、それをどう緩和できるか？

主な発見

• CaWO4 に結合したシリコンナノフォトニック腔の単一 Er3+ イオンは、単一スキャンの光学的線幅が 150 kHz、長期スペクトル拡散が 63 kHz、Purcell 増強された放射線幅 21 kHz に近い。
• 共鳴遷移へ腔を調整することで Purcell ファクター 850 を達成し、励起状態寿命を 7.4 μs に短縮。
• telecom 帯光子の連続発生間の Hong-Ou-Mandel 干渉は可視度 80(4)%、生データと背景差し引き分析は高い同一性を支持。
• スピン初期化と単発読み出し忠実度は 0.972 に達し、スピン緩和時間 T1 = 3.7 s、コヒアレンス時間 T2* = 247 ns、T2 = 44 μs、T2 はパラ magnet 不純物により制限。
• この結果は単一 Er3+ イオンを用いる telecom 帯量子リピータノードへの道を開き、より高い Q の腔、より良いアニーリング、磁気ノイズ低減などで改善の可能性。