[論文レビュー] Quantum repeaters based on individual electron spins and nuclear-spin-ensemble memories in quantum dots

Kenneth Sharman, Faezeh Kimiaee Asadi+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 140被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、ガリウムヒ素/アルミニウムガリウムヒ素量子ドット内の個々の電子スピンを通信量子ビットとして、周囲の核スピン集合を長寿命量子メモリとして用いる量子リピーター方式を提案する。キャビティ支援ゲートと予報的エンタングルメントスワッピングを活用することで、高い忠実度で長距離にわたるエンタングルメント配布が可能となり、直接光子伝送を上回るレートを達成する。これは、高いペルフェクト要因を有するマイクロキャビティと、効率的なスピン-光子インターフェースによって実現される。

ABSTRACT

Inspired by recent developments in the control and manipulation of quantum dot nuclear spins, which allow for the transfer of an electron spin state to the surrounding nuclear-spin ensemble for storage, we propose a quantum repeater scheme that combines individual quantum dot electron spins and nuclear-spin ensembles, which serve as spin-photon interfaces and quantum memories respectively. We consider the use of low-strain quantum dots embedded in high-cooperativity optical microcavities. Quantum dot nuclear-spin ensembles allow for the long-term storage of entangled states, and heralded entanglement swapping is performed using cavity-assisted gates. We highlight the advances in quantum dot technologies required to realize our quantum repeater scheme which promises the establishment of high-fidelity entanglement over long distances with a distribution rate exceeding that of the direct transmission of photons.

研究の動機と目的

• 長距離量子通信における光子損失を克服するスケーラブルな量子リピーター・アーキテクチャの開発を目的とする。
• 量子ドットにおける電子スピンの短いコherences時間の制限を、長寿命量子メモリとしての核スピン集合を用いることで解決することを目的とする。
• 高速な電子スピン量子ビットと頑丈な核スピンメモリを組み合わせることで、長距離にわたる高忠実度エンタングルメント配布を可能とすることを目的とする。
• ナノファブリケーション、核スピン制御、キャビティ統合に必要な主な技術的課題を特定し、それらを解消可能かどうかを検討することを目的とする。
• 提案手法が直接光子伝送および他のメモリベースのプロトコルに比べ、エンタングルメント配布レートにおいて優れていることを示すこと

提案手法

• 高協調性マイクロキャビティに単一正にドーピングされた量子ドットを用い、強い光-物質相互作用と効率的なスピン-光子エンタングルメントを実現する。
• ハイパーファイン相互作用を用いて、電子スピン状態を周囲の核スピン集合に転送し、長期記憶を実現する。
• キャビティ支援ゲートを用いて、遠く離れたノード間で予報的エンタングルメントスワッピングを実行し、エンタングルメントを拡張する。
• 低歪み量子ドットを用い、ペルフェクト要因 >100 および高い抽出効率 (~50%) を達成することで、光子収集とゲート忠実度を最大化する。
• PPLN波導を用いた周波数変換により、750 nm の光子を通信波長 (1550 nm) にシフトさせ、光ファイバー網との互換性を確保する。
• サイト制御量子ドットと光回路を統合することで、スケーラブルかつオンチップ実装可能な実装を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子ドット内の核スピン集合は、電子スピン量子ビットの高コヒーレンス・長寿命量子メモリとして機能できるか？
• RQ2 量子ドットにおける電子スピンと核スピンメモリを用いた量子リピーターのエンタングルメント配布レートは、どの程度達成可能か？
• RQ3 キャビティ協調性とペルフェクト強化は、スピン-光子エンタングルメントおよびスワッピングゲートの忠実度と効率にどのように影響するか？
• RQ4 このようなリピーターを実装するにあたり、主な技術的障壁は何か。それらは現在または近い将来のファブリケーション技術で克服可能か？
• RQ5 提案手法は、直接光子伝送および他の量子リピーター・アーキテクチャと比較して、性能面で優れているか？

主な発見

• 提案手法は、~500 km を超える距離において、直接光子伝送を上回るエンタングルメント配布レートを達成する。
• 周波数変換効率が40%の場合、理想状態の16%にまで低下するが、さらなる改善により実用的である。
• キャビティ支援ゲートの忠実度は、1 − 5/(4C) のように変化する（C はキャビティ協調性）、他の手法（仮想光子交換など）を上回る性能を示す。
• 量子ドット内の核スピン集合は、数秒オーダーのコヒーレンス時間を示し、長期間にわたる量子メモリ動作を可能にする。
• 最適な性能を達成するには、核スピン極化 >80%、ペルフェクト要因 >100、および高い抽出効率 (~50%) が必要である。
• 1つのキャビティ内に2つの量子ドットを統合することが、スケーラブルかつオンチップでのリピーター方式実装に不可欠である。