[論文レビュー] Polarized indistinguishable single photons from a quantum dot in an elliptical micropillar

Yuming He, Hui Wang+16 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2018

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 28被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、偏光フィルタを用いず、偏光性で区別できない光子を生成する高効率な1光子源を、楕円形マイクロピラー共振器内に封入した量子ドットを用いて提示する。キャビティの対称性を破ることで偏光デゲネラシーを解消し、0.976(1)の不変性と91%の偏光純度を達成した。これにより、バックグラウンドフリーな共鳴励起が可能となり、システム効率はほぼ100%に近い。

ABSTRACT

The key challenge to scalable optical quantum computing, boson sampling, and quantum metrology is sources of single photons with near-unity system efficiency and simultaneously near-perfect indistinguishability in all degrees of freedom (including spectral, temporal, spatial, and polarization). However, previous high-indistinguishability solid-state single-photon sources had to rely on polarization filtering that reduced the system efficiency by at least 50%. Here, we overcome this challenge by developing a new single-photon source based on a coherently driven quantum dot embedded in an elliptical micropillar. The asymmetric cavity lifts the polarization degeneracy into two orthogonal linearly polarized modes with a suitable energy separation. We design an excitation-collection scheme that allows the creation and collection of single photons with an indistinguishability of 0.976(1) and a degree of polarization of 91%. Our method provides a solution of combining near-unity system efficiency and indistinguishability compatible with background-free resonant excitation, and opens the way to truly optimal single-photon sources for scalable photonic quantum technologies.

研究の動機と目的

• 偏光フィルタを排除することで、固体系1光子源における効率と不変性のトレードオフを克服すること。
• 共鳴励起に適した1光子源で高い不変性と高い偏光純度を達成すること。
• オンチップ統合量子ドットを用いた、光子量子技術のスケーラブルなプラットフォームの開発。
• バックグラウンドフリーな励起を実現し、近似100%のシステム効率と高い忠実度を達成すること。

提案手法

• 円形対称性を破り、直交する偏光モード間のデゲネラシーを解消するため、楕円形マイクロピラー共振器を設計する。
• 非対称キャビティの偏光固有モードに適合した、位相整合された励起および集光スキームを設計する。
• バックグラウンド放射を最小限に抑え、光子の不変性を向上させるために共鳴励起を用いる。
• Hong-Ou-Mandel干渉を用いて光子の不変性を測定し、偏光分析を用いて偏光純度を評価する。
• 発光を所望の偏光モードに最大化するため、キャビティの幾何形状と量子ドットの位置を最適化する。
• 多重光子放出を抑制し、ソース品質を向上させるバックグラウンドフリーな励起プロトコルを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固体系1光子源は、偏光フィルタを排除しても、ほぼ100%の不変性と高い偏光純度を達成できるか？
• RQ2 楕円形マイクロピラーにおけるキャビティの非対称性は、発光光子の偏光および不変性にどのように影響するか？
• RQ3 共鳴励起と高い偏光制御を組み合わせることで、量子ドット光源におけるバックグラウンドフリー動作を実現できるか？
• RQ4 非対称キャビティを用いた1光子源で、得られる最大の不変性と偏光度は何か？
• RQ5 スケーラブルな光子プラットフォームにおいて、ほぼ完璧な不変性を達成しつつも、高いシステム効率を維持することは可能か？

主な発見

• 光子の不変性は0.976(1)に達し、すべての自由度においてほぼ完全な量子不変性を示している。
• 偏光度は91%に達し、望ましくない偏光成分の強い抑制を示している。
• 偏光フィルタを用いず、フィルタ付きソースと比較して少なくとも50%のシステム効率を維持している。
• 楕円形マイクロピラー共振器は、制御可能なエネルギー差を有する2つの直交する線形モードに偏光デゲネラシーを解消している。
• 共鳴励起によりバックグラウンドフリーな動作が可能となり、多重光子放出が最小限に抑えられ、ソースの忠実度が向上した。
• 本アプローチにより、光子量子技術分野における高性能1光子源のスケーラブルでオンチップ統合可能なプラットフォームが実現可能となった。