[論文レビュー] Review Article: Quantum Nanophotonics in Diamond

Tim Schröder, Sara Mouradian+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2016

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 192被引用数 3

ひとこと要約

このレビューは、光集合を向上させるとともに光-物質結合を強化するためのフォトニクス構造（波導、固体集光レンズ、光学キャビティなど）を用いたダイヤモンドベースの量子ナノフォトニクス分野における最近の進展を統合している。主な貢献は、欠陥中心の決定的統合、高Qナノキャビティ、およびスケーラブルで高精度な量子ネットワークを実現するハイブリッド系であり、長時間のスピン相干性とほぼ寿命制限の発光線幅を実現している。

ABSTRACT

The past decade has seen great advances in developing color centers in diamond for sensing, quantum information processing, and tests of quantum foundations. Increasingly, the success of these applications as well as fundamental investigations of light-matter interaction depend on improved control of optical interactions with color centers -- from better fluorescence collection to efficient and precise coupling with confined single optical modes. Wide ranging research efforts have been undertaken to address these demands through advanced nanofabrication of diamond. This review will cover recent advances in diamond nano- and microphotonic structures for efficient light collection, color center to nanocavity coupling, hybrid integration of diamond devices with other material systems, and the wide range of fabrication methods that have enabled these complex photonic diamond systems.

研究の動機と目的

• 量子応用におけるダイヤモンド色中心の低効率な光子収集と弱い光-物質結合の課題に対処する。
• 不確実な欠陥生成を克服し、高品質な量子ノードを実現する決定的でスケーラブルなプロセス技術を開発する。
• ナノフォトニックダイヤモンド構造における光学的およびスピン的性質の制御を向上させることで、高精度な量子情報処理およびセンシングを実現する。
• ダイヤモンドフォトニックデバイスを他の材料（例：超伝導検出器）と統合し、検出効率とシステムのスケーラビリティを向上させる。
• 単一光子のルーティング、相互作用、検出を実現するためのハイブリッドおよび完全ダイヤモンドフォトニックアーキテクチャの設計を進める。

提案手法

• 多結晶および単結晶ダイヤモンドのパターン形成に、フォーカスドアイオントラブルマッピング、電子ビームリソグラフィ、および角度/等方的エッチングを含む高度なナノフォトニクス技術を採用する。
• 移行可能で高品質なダイヤモンドナノ構造を実現するため、シリコンマスクリソグラフィと反応性イオンエッチングを実装する。
• ダイヤモンド成長中に色中心の空間的およびスペクトル的配置を制御するため、デルタドーピングとイオンインプラントを用いる。
• 薄膜およびバルクダイヤモンドを用いて、高Qファクターと小さなモード体積を実現するため、ウィスパリングギャラリーモードおよびフォトニッククリスタルキャビティなどのフォトニックキャビティを設計する。
• ダイヤモンド基板上に超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）を統合し、1550 nmで66％以上の検出効率を達成する。
• 欠陥の電気双極子モーメントを光モードと一致させる決定的結合技術を適用し、高精度でオンデマンドの単一光子放出を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 欠陥誘発のデ coherent に起因する分解能低下を最小限に抑えるために、高品質で高Qのダイヤモンドフォトニック構造を最適化するナノフォトニクス技術は何か？
• RQ2 スケーラブルな量子ネットワークを実現するため、色中心をナノキャビティに決定的に配置・結合するためのプロセス戦略は何か？
• RQ3 超伝導検出器および波導と統合することで、単一光子検出効率および時間分解能はどの程度向上するか？
• RQ4 ドライエッチングによる表面欠陥および格子欠損は、スピン相干性および発光線幅をどの程度劣化させるか？また、それらはどのように緩和できるか？
• RQ5 欠陥遷移周波数とキャビティ共鳴周波数を調整することで、Qファクターまたは相干性を損なわずに共鳴結合を実現する可能性は何か？

主な発見

• 薄膜およびバルクダイヤモンドにおいてQファクターが10^5を超える高品質なダイヤモンドフォトニック構造が実現され、強力な光-物質結合が可能となった。
• ダイヤモンド基板上に実装された超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）は、1550 nmで66％の検出効率と190 psの時間分解能を達成した。
• 窒素空位中心をフォトニックキャビティに決定的に結合させることで、ほぼ寿命制限の発光線幅が実現され、現在の劣化要因（約30）を除けば、根本的限界に近づいた。
• 波導および固体集光レンズ構造により、バルクダイヤモンドに比べて光子収集効率が最大10倍向上し、単一光子源の明るさが向上した。
• 多孔質ダイヤモンド上にニッブリウム窒化物（NbN）SNSPDをハイブリッド統合したダイヤモンド波導では、低ダークカウントレートと高い検出効率が達成された。
• 制御されたイオンインプラントとデルタドーピングにより、色中心の空間的およびスペクトル的配置が正確に制御され、量子ノードのプロセスにおける不確実性が低減された。