[論文レビュー] On-demand generation of entangled photon pairs in the telecom C-band for fiber-based quantum networks

Katharina D. Zeuner, Klaus D. Jöns+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 29被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、InAs/GaAs量子ドットを用いたフォノン補助励起法により、通信帯Cバンド（1530–1565 nm）でオンデマンドに偏光もつれ光子対を生成することを示した。この手法は、ベル状態|Φ⁺⟩に対するconcurrence 91.4%およびfidelity 95.2%を達成し、スケーラブルなファイバー基盤量子ネットワークに向けた堅牢で決定論的なもつれを実現する。

ABSTRACT

On-demand sources of entangled photons for the transmission of quantum information in the telecom C-band are required to realize fiber-based quantum networks. So far, non-deterministic sources of quantum states of light were used for long distance entanglement distribution in this lowest loss wavelength range. However, they are fundamentally limited in either efficiency or security due to their Poissonian emission statistics. Here, we show on-demand generation of entangled photon pairs in the telecom C-band by an InAs/GaAs semiconductor quantum dot. Using a robust phonon-assisted excitation scheme we measure a concurrence of $91.4\,\%$ and a fidelity of $95.2\,\%$ to $Φ^+$. On-demand generation of polarization entangled photons will enable secure quantum communication in fiber-based networks. Furthermore, applying this excitation scheme to several remote quantum dots tuned into resonance will enable first on-demand entanglement distribution over large distances for scalable real-life quantum applications.

研究の動機と目的

• 長距離量子通信に適した、通信帯Cバンドにおける決定論的でオンデマンドのもつれ光子対源の開発。
• 効率性とセキュリティを制限するポisson分布に従う発光統計を示す非決定論的光源の限界を克服。
• 環境の変動やレーザーのパrameterのずれに強く、フォノン補助励起法を用いることで、堅牢でスケーラブルな量子ネットワークを実現。
• 量子トランスポート、もつれスワッピング、長距離量子通信に適した高精度のもつれを達成。

提案手法

• 通信帯Cバンドにおける発光（～1550 nm）を実現するため、メタモーラルInGaAsバッファ層を有するGaAs基板上に成長させたInAs量子ドットを用いる。
• 励起レーザーの出力および波長の変動に対しても高い確率で決定論的にバイオキシトン状態を準備できるよう、フォノン補助二光子励起法を実装。
• 分散ブレグ反射鏡（DBR）と半導体・空気界面からなる3/4波長キャビティ構造を用い、光子抽出効率を向上。
• 偏光もつれの分析には、偏光性の補正を施した密度行列再構成法を用い、偏光性の影響を受ける基底から標準的なHV基底に測定値を変換。
• 時間分解能を有する単一光子検出およびフィルタリングを適用し、振動するベル状態を解像し、もつれのfidelityを検証。
• 冷却装置、カッピング層、光学部品に起因する偏光性の歪みを補正するため、仮想ウェーブプレート変換を適用し、状態のfidelityと直交性を維持。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォノン補助励起法を用いた堅牢な励起スキームにより、スケーラブルな量子ネットワークに適した通信帯Cバンドでオンデマンドのもつれ光子対を生成できるか。
• RQ2 従来の二光子共鳴励起法と比較して、フォノン補助励起法はもつれ光子生成の安定性およびfidelityをどの程度向上させるか。
• RQ3 InAs量子ドットにおける非共鳴的・広帯域励起条件下で、最大もつれ状態|Φ⁺⟩へのconcurrenceおよびfidelityはどの程度達成できるか。
• RQ4 光学路およびサンプルのカッピング層に起因する偏光性の歪みがあっても、もつれの質を維持し、正確に測定できるか。
• RQ5 この励起スキームを複数の遠隔に配置された量子ドットに応用可能か、分散型量子ネットワーキング応用に向けた可能性はいかが。

主な発見

• フォノン補助励起法により、励起レーザーの出力および波長の変動に強く、通信帯Cバンドで決定論的かつオンデマンドにもつれ光子対を生成可能である。
• 測定されたconcurrenceは91.4%であり、量子情報処理応用に適した高いもつれ度を示している。
• 最大もつれベル状態|Φ⁺⟩へのfidelityは95.2%に達し、実用的な実験条件下でも高品質なもつれを実現している。
• 偏光性の歪みが生じる基底からの測定値は、座標変換および仮想ウェーブプレートにより補正され、測定状態の整合性が保たれた。
• メタモーラルInGaAsバッファ層を用いた量子ドット構造により、発光波長が～1550 nmに達し、標準光ファイバーにおける低損失伝送が可能となった。
• 提示された励起スキームはスケーラブルであり、複数の遠隔に配置された量子ドットとも互換性があるため、ファイバー基盤量子ネットワークにおけるオンデマンド長距離もつれ配布の実現に向けた道筋が示された。