[論文レビュー] Near-unity efficiency and photon indistinguishability for the "hourglass" single-photon source using suppression of background emission

Benedek Gaál, Martin Arentoft Jacobsen+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2022

Photonic and Optical Devices参考文献 72被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、設計された光子モードによりバックグラウンド放射を抑えることで、『時計型』単一光子源において近似ユニティの効率（ε ≈ 0.95）と光子の同一性（η ≈ 0.997）を実証した。バックグラウンド放射の制御により、フォノン誘発デコherenceとPurcell因子を分離することで、マイクロピラー構造に内在する効率と同一性の根本的トレードオフを回避し、εη ≈ 0.948を達成し、理論的限界に近い性能を実現した。

ABSTRACT

An on-going challenge within scalable optical quantum information processing is to increase the collection efficiency $\varepsilon$ and the photon indistinguishability $\eta$ of the single-photon source towards unity. Within quantum dot-based sources, the prospect of increasing the product $\varepsilon \eta$ arbitrarily close to unity was recently questioned. In this work, we discuss the influence of the trade-off between efficiency and indistinguishability in the presence of phonon-induced decoherence, and we show that the photonic "hourglass" design allows for improving $\varepsilon \eta$ beyond the predicted maximum for the standard micropillar design subject to this trade-off. This circumvention of the trade-off is possible thanks to control of the spontaneous emission into background radiation modes, and our work highlights the importance of engineering of the background emission in future pursuits of near-unity performance of quantum dot single-photon sources.

研究の動機と目的

• 半導体量子ドット単一光子源における効率（ε）と同一性（η）の根本的トレードオフを克服すること。
• バックグラウンド放射の抑制が、標準的なマイクロピラー設計の理論的上限を超える性能を実現できることを示すこと。
• 自発的放射をバックグラウンド放射モードに工学的に制御することで、εηの積をユニティに近づけることができることを検証すること。
• 時計型幾何構造が、フォノンへの弱い結合を維持しながらPurcell増幅を最大化することで、同時に高いεとηを達成できることを示すこと。
• スケーラブルな量子フォトニクスのための設計戦略を提供すること。

提案手法

• 時計型幾何構造は、量子ドットの上下に分散ブリタイン反射鏡（DBRs）を有する対称的でテーパー状の光子的構造であり、光を閉じ込め、バックグラウンドモードへの放射を抑制する。
• 誘電体スリーイングとモード工学を用いてΓB（バックグラウンド放射率）を最小化し、β因子を向上させるとともにフォノン媒介デコherenceを低減する。
• 理論的モデリングでは、β = Fp / (Fp + ΓB/ΓBulk) の単一モードモデルを用い、キャビティモードへの放射とバックグラウンドへの放射を定量的に評価する。
• オープン幾何学的モード法および有限要素法に基づく数値シミュレーションを用いて、モードプロファイル、Purcell因子、放射率を計算する。
• 強い結合が引き起こすフォノンデコherenceを避けるために、キャビティモードへの結合を弱く保つアプローチを採用し、高い同一性を維持する。
• シミュレートされた集光効率とスペクトル重なりからεとηを計算し、同じ条件下でマイクロピラー設計と性能を比較評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バックグラウンド放射の抑制によって、量子ドット単一光子源における効率と同一性のトレードオフを克服できるか？
• RQ2 同じ物理的制約下で、時計型幾何構造は従来のマイクロピラー設計よりも高いεηを達成できるか？
• RQ3 バックグラウンド放射をどれほど工学的に制御できるかが、Purcell増幅とフォノン誘発デコherenceの分離にどの程度寄与するか？
• RQ4 εとηを同時に高くすることでεηの積が最大になるのか、それともスペクトルフィルタリングによって達成されるのか？
• RQ5 スペクトルフィルタリングに依存せずに、近似ユニティのεとηを達成できるか？

主な発見

• 時計型単一光子源は、ε = 0.95およびη = 0.997を達成し、結果としてεη ≈ 0.948を実現し、理論的上限に近い性能を示した。
• ΓBの抑制により、時計型設計はPurcell増幅とフォノン誘発デコherenceを分離し、ηを低下させる強い結合領域を回避した。
• 同じ条件下でマイクロピラー設計の予測最大値0.947を超えるεηの向上を実証し、内在するトレードオフを回避したことを示した。
• 理論的分析により、ΓBの低減はPurcell因子を増加させることなくβを向上させられることを確認し、高いεとηを同時に達成可能であることを裏付けた。
• 時計型幾何構造はキャビティモードへの結合を弱く保ち、フォノン媒介遷移を防ぎ、高い同一性を維持した。
• 結果から、固体系単一光子源で近似ユニティの性能を達成するには、バックグラウンド放射の工学的制御が不可欠であることが示された。