[論文レビュー] Quantum nondemolition measurement of a single electron spin in a quantum dot

Mitsuro Sugita, Susumu Machida+1 more|ArXiv.org|Jan 15, 2003

Quantum and electron transport phenomena参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ガリウムヒ素/アルミニウムヒ素のマイクロカビティに埋め込まれたインジウムヒ素化ガリウム量子ドット内の単一電子スピンに対する量子非破壊（QND）測定スキームを提案する。キャビティ量子電磁力学を用いて強化されたファラデー効果を活用することで、偏光に敏感なマハランスキー干渉計を用いて破壊的でない連続的スピン読み出しを実現可能であり、高Qマイクロカビティおよび100 psから10 nsの統合時間で実現可能である。

ABSTRACT

We propose a scheme for the quantum nondemolition (QND) measurement of a single electron spin in a single quantum dot (QD). Analytical expressions are obtained for the optical Faraday effect between a quantum dot exciton and microcavity field. The feasibility of the QND measurement of a single electron spin is discussed for a GaAs/AlAs microcavity with an InAs QD.

研究の動機と目的

• スピンベースの量子コンピューティングに不可欠な、量子ドット内の単一電子スピンの破壊的でない連続的モニタリングを可能にすること。
• 単一スピン検出における破壊的フォトン放出と時間分解ファラデー回転の感度不足という限界を克服すること。
• キャビティ量子電磁力学によるスピンに起因する位相シフトの強化を通じて、量子非破壊（QND）測定を達成すること。
• 標準量子限界に制限された干渉計検出を用いた単一電子スピンの検出の実験的妥当性を特定すること。
• 成功したQND測定に必要なキャビティの品質因子（Q）、デチューニング、および統合時間を決定すること。

提案手法

• プローブ光のスピン依存的ファラデー回転を強化するために、埋め込まれたインジウムヒ素化ガリウム量子ドットを有するガリウムヒ素/アルミニウムヒ素マイクロカビティを用いる。
• プローブ場と励起子応答を組み込んだ、結合されたキャビティ-QD系のための量子ランジュバン方程式を用いてシステムをモデル化する。
• 右回りおよび左回りの円偏光光に対する反射位相差 $ d\theta = \theta_R - \theta_L $ によって誘導される位相シフトを検出するために、偏光に敏感なマハランスキー干渉計を用いて反射プローブ光を分析する。
• スピン状態に起因する位相シフトを、右・左円偏光光の反射位相差 $ d\theta = \theta_R - \theta_L $ によって導出する。
• 検出系における真空揺らぎによって定義される標準量子限界（SQL）を用いて、信号対雑音比を評価する。
• 実励起を抑制し、分散的状態を維持するために、大きなデチューニング条件を適用し、スピンへのバックアクションを最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティ強化光学ファラデー回転を用いて、量子ドット内の単一電子スピンを破壊的でない方法で測定可能か？
• RQ2 標準量子限界を超えて単一スピン信号を解像可能とするために、必要なキャビティ品質因子（Q）、デチューニング、および統合時間は何か？
• RQ3 キャビティはどのようにスピンに起因する位相シフトを強化し、低光子フラックスでも検出可能な信号レベルを実現するか？
• RQ4 システムが量子非破壊基準（最小限のバックアクションおよび安定した読み出し）を満たす条件は何か？
• RQ5 Q ~ 10^3–10^4 の実験的に入手可能なマイクロカビティ構造を用いて、本スキームは単一スピン感度を達成可能か？

主な発見

• 高Qマイクロカビティ（Q ~ 10^4）とデチューニング Δ/(γ_ex/2) ~ 10^3 を用いることで、単一電子スピンのQND測定が実現可能であり、位相シフトの強化が可能である。
• 信号対雑音比と励起抑制条件を満たすために、100 psから10 nsの統合時間が必要であり、予想されるスピン寿命と整合的である。
• 入射光子数が統合時間内に満たす条件 $ N_{in} \tau > (|r| \sin(d\theta/2))^{-2} $ を満たす場合、信号対雑音比は標準量子限界を超える。検出可能な信号を得るためには、$ N_{in} \tau $ が約10^4を超える必要がある。
• 光子数の上限は $ (1 - |r|^2) N_{in} \tau < 1 $ であり、励起を最小限に抑え、QND条件を保持する。
• システムは $ d\theta \gg dr/\bar{r} $ を満たす分散的状態で動作しており、位相シフトが振幅変化を上回り、高精度なスピン読み出しを可能にする。
• 必要なキャビティQおよびデチューニングは、現在の実験的マイクロカビティおよびフォトニックスバンドギャップ構造の範囲内にあり、本スキームは実験的に実現可能である。