[論文レビュー] Polarization-entangled photon pairs from a nanowire quantum dot

Marijn A. M. Versteegh, Michael E. Reimer+6 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2014

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、ナノワイヤー量子ドットを用いて、明るく、整合性があり、位置制御可能な偏光もつれ光子対の光源を実証した。この光源は、忠実度0.859 ± 0.006およびconcurrence 0.80 ± 0.02を達成した。ナノワイヤーの幾何構造により二光子量子状態が調整され、量子フォトニクス回路やスケーラブルな量子技術への高効率統合が可能になった。

ABSTRACT

A bright photon source that combines high-fidelity entanglement, on-demand generation, high extraction efficiency, directional and coherent emission, as well as position control at the nanoscale is required for implementing ambitious schemes in quantum information processing, such as that of a quantum repeater. Still, all of these properties have not yet been achieved in a single device. Semiconductor quantum dots embedded in nanowire waveguides potentially satisfy all of these requirements; however, although theoretically predicted, entanglement has not yet been demonstrated for a nanowire quantum dot. Here, we demonstrate a bright and coherent source of strongly entangled photon pairs from a position controlled nanowire quantum dot with a fidelity as high as 0.859 +/- 0.006 and concurrence of 0.80 +/- 0.02. The two-photon quantum state is modified via the nanowire shape. Our new nanoscale entangled photon source can be integrated at desired positions in a quantum photonic circuit, single electron devices and light emitting diodes.

研究の動機と目的

• 量子情報応用向けに、高忠実度および高効率なもつれ光子対の光源を高輝度でオンデマンドに開発すること。
• 1つの半導体デバイス内で、もつれ、放射方向性、抽出効率、ナノスケール位置決めを同時に制御すること。
• 理論的に予測されたように、ナノワイヤーに埋め込まれた量子ドットが強もつれ光子対を生成できることを実験的に実証すること。
• もつれ光子源を量子フォトニクス回路およびハイブリッド量子システムに統合可能にする。

提案手法

• 光子の放出を閉じ込めて方向付けるために、半導体量子ドットをナノワイヤー波ガイド内に埋め込む。
• ナノワイヤーの形状および幾何構造を設計することで、二光子量子状態を変更し、もつれを強化する。
• ナノフォトリソグラフィー技術を用いて量子ドットの位置を制御し、フォトニクス回路内での正確な配置を実現する。
• 量子状態トモグラフィーを用いて光子放出を測定し、もつれ状態の忠実度およびconcurrenceを測定する。
• 高い抽出効率と方向性・整合性のあるもつれ光子の放出を実現するようにシステムを設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノワイヤーに埋め込まれた量子ドットは、高忠実度の偏光もつれ光子対を生成できるか？
• RQ2 ナノワイヤーの幾何構造は、もつれ品質および放射特性にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 1つのナノスケールデバイス内で、高忠実度のもつれと高抽出効率を両立できるか？
• RQ4 フォトニクス回路への統合を目的として、ナノスケールの精度で量子ドットの位置を制御できるか？

主な発見

• 光源は二光子もつれ状態に対して0.859 ± 0.006の忠実度を達成し、高品質のもつれを示している。
• もつれ状態のconcurrenceは0.80 ± 0.02として測定され、強いもつれが確認された。
• ナノワイヤーの幾何構造が効果的に二光子量子状態を変更し、もつれ特性を向上させた。
• 光源は高輝度、方向性のある放射、整合性を示し、量子フォトニクス統合に適している。
• 量子ドットはナノスケールで位置制御可能であり、フォトニクス回路への標的統合が可能になった。