[論文レビュー] Photonic indistinguishability of the tin-vacancy center in nanostructured diamond

Jesús Arjona Martínez, Ryan A. Parker+13 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、単一モードダイヤモンド波ガイドに埋め込まれたスズバケージャ (SnV) 中心から発する単一光子の光子的同一性が高水準で実証され、共鳴励起と一貫性のある光的制御により、63(9)% の同一性と 99.7⁺⁰.³₋₂.⁵% の純度を達成した。1.71(1) ns の πパルスで 77.1(8)% の忠実度を達成した結果、SnV 中心がスケーラブルな量子技術に適したスピン-光子インターフェースであることが確認された。

ABSTRACT

Tin-vacancy centers in diamond are promising spin-photon interfaces owing to their high quantum-efficiency, large Debye-Waller factor, and compatibility with photonic nanostructuring. Benchmarking their single-photon indistinguishability is a key challenge for future applications. Here, we report the generation of single photons with $99.7^{+0.3}_{-2.5}\%$ purity and $63(9)\%$ indistinguishability from a resonantly excited tin-vacancy center in a single-mode waveguide. We obtain quantum control of the optical transition with $1.71(1)$-ns-long $π$-pulses of $77.1(8)\%$ fidelity. A modest Purcell enhancement factor of 12 would enhance the indistinguishability to $95$\%. The greater than $100$ ms spectral stability shown would then enable strings of up to $10^6$ identical photons to be generated.

研究の動機と目的

• 量子ネットワーキングに不可欠な要件である、ナノ構造ダイヤモンド中のスズバケージャ (SnV) 中心から発する単一光子の光子的同一性をベンチマークすること。
• 高忠実度で短時間の π パルスを用いた SnV 中心の光学遷移に対する一貫性のある光的制御を実証すること。
• Purcell増幅とスペクトル安定性が、ほぼユニティに近い光子同一性を達成する上で果たす影響を評価すること。
• SnV 中心が光子統合とスケーラブルな量子情報処理に適合する、実用的なスピン-光子インターフェースとしての可能性を確立すること。

提案手法

• デコherenceを最小限に抑えるために、ゼロフォノンライン (ZPL) 遷移を標的とする 619 nm レーザーを用いた SnV 中心の共鳴励起。
• 出射効率を向上させるとともに、ファイバー集光を可能にするために、断面が急変するアディアバティックターミナルを備えた単一モードダイヤモンド波ガイドの使用。
• 従来の顕微鏡法と比較して 23(3) 倍の集光効率向上を実現するため、波ガイド端にレンズ加工を施したファイバーを接続。
• 2光子量子干渉を測定するために、偏光制御と可変遅延を備えたハナリー・ブラウン・トゥイス干渉計の実装。
• 背景補正と有限対比補正を適用し、原始的な HOM visibility から真の光子同一性を抽出。
• 均一な幅による光子の同一性のモデル化を行い、測定された HOM visibility が理論的期待値と一致するかを検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共鳴励起された SnV 中心が単一モードダイヤモンド波ガイドから発する単一光子の光子的同一性はどの程度か？
• RQ2 SnV 中心の遷移に対する一貫性のある光的制御は、パルス忠実度と持続時間の観点からどの程度達成可能か？
• RQ3 Purcell増幅は達成可能な光子同一性にどのように影響を及ぼし、ユニティに近い同一性に到達するにはどの程度の増幅が必要か？
• RQ4 SnV 中心のスペクトル安定性は、同一光子の連続的生成にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• 背景補正後、SnV 中心の単一生体純度は 99.7⁺⁰.³₋₂.⁵% に達し、高品質な単一生体発光を示している。
• 2光子量子干渉の可視度（HOM 同一性）は 63(9)% に測定され、背景および干渉計対比補正後の原始可視度は 56(8)% であった。
• 1.71(1) ns の π パルスで 77.1(8)% の忠実度を達成し、光学遷移に対する高忠実度の一貫性制御を実証した。
• 理論的モデルにより、測定された HOM 可視度 63.2(4)% が、測定された均一な幅 (Γ_PD) に基づく期待値と一致することが確認された。
• 100 ms を超えるスペクトル安定性により、最大 10⁶ 個の同一光子を連続して生成する可能性が示され、長寿命量子メモリおよびエンタングルメントプロトコルに適している。
• すでにナノキャビティで実証済みの 12 のわずかな Purcell 増幅要因があれば、同一性は 95% を超えるまで向上し、SnV 中心がユニティに近い性能を達成するための基盤が整った。