[論文レビュー] Quantum Teleportation with Telecom Photons from Remote Quantum Emitters

Tim Strobel, Michal Vyvlečka+14 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2024

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、2つの分離された半導体量子ドットから発生する光通信用波長の光子を用いて、全光子的量子トランスポートを実証した。量子周波数変換を用いてスペクトル不一致を消去し、高精度なベル状態測定を可能にした。後選択されたトランスポートの忠実度は 0.721(33) を達成し、古典的限界を上回っており、半導体量子ドットを用いたスケーラブルな量子ネットワークの構築において重要な前進を示している。

ABSTRACT

The quest for a global quantum internet is based on the realization of a scalable network which requires quantum hardware with exceptional performance. Among them are quantum light sources providing deterministic, high brightness, high-fidelity entangled photons and quantum memories with coherence times in the millisecond range and above. To operate the network on a global scale, the quantum light source should emit at telecommunication wavelengths with minimum propagation losses. A cornerstone for the operation of such a quantum network is the demonstration of quantum teleportation. Here we realize full-photonic quantum teleportation employing one of the most promising platforms, i.e. semiconductor quantum dots, which can fulfill all the aforementioned requirements. Two remote quantum dots are used, one as a source of entangled photon pairs and the other as a single-photon source. The frequency mismatch between the triggered sources is erased using two polarization-preserving quantum frequency converters, enabling a Bell state measurement at telecommunication wavelengths. A post-selected teleportation fidelity of up to 0.721(33) is achieved, significantly above the classical limit, demonstrating successful quantum teleportation between light generated by distinct sources. These results mark a major advance for the semiconductor platform as a source of quantum light fulfilling a key requirement for a scalable quantum network. This becomes particularly relevant after the seminal breakthrough of addressing a nuclear spin in semiconductor quantum dots demonstrating long coherence times, thus fulfilling another crucial step towards a scalable quantum network.

研究の動機と目的

• 光ファイバー内の伝送損失を最小限に抑えるために、光通信用波長の光子を用いて長距離量子通信を実現する。
• 量子周波数変換を用いて、分離された量子発光体からの光子の周波数および偏光の区別可能性を克服する。
• 別々の分離された半導体量子ドットから生成された光子間で高忠実度の量子トランスポートを達成する。
• 半導体量子ドットをエンタングルド光子源および単一光子源として併用できる、スケーラブルな量子ネットワークプラットフォームを実証する。
• ベル状態測定と量子周波数変換を統合し、分離ノード間で同一性を持つ光子干渉を可能にする。

提案手法

• 2つの分離された InAs/GaAs 自発形成量子ドットを用いる：一方をエンタングルド光子対源として、他方を単一光子源として使用する。
• 偏光を保持する量子周波数変換器を適用し、両源の発光波長を光通信用 Cバンド（1550 nm）にシフトさせ、ファイバー伝送損失を最小化する。
• 周波数変換器を用いて、トリガー駆動源間の周波数不一致を解消し、高精度な量子干渉を可能にする。
• 50:50ビームスプリッターと偏光維持ファイバーを備えたファイバー型干渉計を用いて、光通信用波長の光子に対してベル状態測定（BSM）を実行する。
• 70 psの時間窓を用いた時間分解検出を実装し、バックグラウンドノイズおよび3光子同時計数を抑制する。
• 理論的モデルを用いて、微細構造分裂（FSS）による偏光モード重ね合わせの劣化、装置の屈折率異方性、時間ジッターの影響を考慮し、偏光重ね合わせ係数 $ M_p ext{ は } [0.8, 0.9] $ の範囲にあると推定する。

Figure 1 : Quantum teleportation setup: (a) schematic of the experiment where QD $1$ is used as a single-photon source (SPS), while QD $2$ is used as an entangled pair source (EPS). Two independent quantum frequency converters are employed to convert the biexciton photons to a common telecommunicati

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2つの別個の分離された半導体量子ドットから発生する光子を用いて、光通信用波長の光子を用いた量子トランスポートが可能かどうか。
• RQ2 量子周波数変換が、異なる量子ドット源からの光子の周波数および偏光の区別可能性をどの程度軽減できるか。
• RQ3 分離された発光体からの周波数変換済み光子を用いた全光子的セットアップにおいて、達成可能なトランスポート忠実度はどの程度か。
• RQ4 実験的不確実要因（FSS、屈折率異方性、時間ジッター）が、偏光モード重ね合わせおよびトランスポート忠実度に与える影響はいかほどか。
• RQ5 決定的量子ドットと周波数変換の組み合わせが、スケーラブルでファイバー互換性を持つ量子ネットワークノードを実現可能か。

主な発見

• 後選択された量子トランスポート忠実度が 0.721(33) に達成され、古典的限界（2/3）を著しく上回り、量子情報の成功した転送が確認された。
• 忠実度は微細構造分裂（FSS）に起因する周波数および空間的区別可能性によって制限されており、偏光モード重ね合わせ係数 $ M_p^{ ext{FSS}} = 0.94 $ であり、装置の屈折率異方性および時間ジッターによる追加の劣化が生じている。
• 理論的モデルは、屈折率異方性および減衰時間の不確実性を考慮した上で、偏光モード重ね合わせ $ M_p $ が [0.8, 0.9] の区間内にあると予測している。
• 70 psの時間窓において、期待される計数と全検出計数の比は 0.85 であった。これは、バックグラウンドおよび3光子イベントの効果的抑制を示している。
• 実験により、量子周波数変換が分離された量子ドットからの光子間で高忠実度干渉を可能にすることが実証され、グローバル量子ネットワークへの重要な一歩となった。
• 本結果は、最近の長寿命スピンコherencesの進展を踏まえると、半導体量子ドットがスケーラブルな量子ネットワークプラットフォームとして有効であることを裏付けている。

Figure 2 : Linewidth and interference of remote quantum light sources : (a) High-resolution linewidth measurements of the QDs biexciton emissions ( $\ket{H}$ component) after quantum frequency conversion, recorded with a Fabry-Pérot interferometer, also depicting their spectral overlap. The data poi