[論文レビュー] 'Sawfish' Photonic Crystal Cavity for Near-Unity Emitter-to-Fiber Interfacing in Quantum Network Applications

Julian M. Bopp, Matthias Plock+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2022

Photonic and Optical Devices参考文献 65被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、固体状態量子発光体のためのスケーラブルな量子ネットワークを実現するため、高Purcell増幅（最大91.4）と強力な波ガイド結合（βWG ≈ 0.986）を組み合わせることで、発光体からファイバーへの効率をほぼ1に近づけることを目的とした「Sawfish」光格子キャビティを紹介する。この設計により、プロセスおよび発光体位置のばらつきに対しても、効率的でスケーラブルな量子光インターフェースが実現可能である。

ABSTRACT

Photon loss is one of the key challenges to overcome in complex photonic quantum applications. Photon collection efficiencies directly impact the amount of resources required for measurement-based quantum computation and communication networks. Promising resources include solid-state quantum light sources, however, efficiently coupling light from a single quantum emitter to a guided mode remains demanding. In this work, we eliminate photon losses by maximizing coupling efficiencies in an emitter-to-fiber interface. We develop a waveguide-integrated 'Sawfish' photonic crystal cavity and use finite element simulations to demonstrate that our system transfers, with 97.4% efficiency, the zero-phonon line emission of a negatively-charged tin vacancy center in diamond adiabatically to a single-mode fiber. A surrogate model trained by machine learning provides quantitative estimates of sensitivities to fabrication tolerances. Our corrugation-based design proves robust under state-of-the-art nanofabrication parameters, maintaining an emitter-to-fiber coupling efficiency of 88.6%. To demonstrate its potential in reducing resource requirements, we apply the Sawfish cavity to a recent one-way quantum repeater protocol.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子ネットワークにおける固体状態量子発光体の発光体からファイバーへの収集効率が低いという課題に対処すること。
• 現実的なプロセス許容誤差のもとで、Purcell増幅と波ガイド結合効率の両方を最大化する光格子キャビティを設計すること。
• 統計的手法および機械学習手法を用いて、発光体位置および幾何的変動がキャビティ性能に与える影響を定量化すること。
• 現実的な損失および誤差モデルのもとで、主要な性能指標を評価することにより、量子リピーター構造への統合を最適化すること。

提案手法

• 349回の有限要素法（FEM）シミュレーションを用いてトレーニングされたガウス過程（GP）サーヴィレートモデルを採用し、パrameter空間全域におけるPurcell因子（FP）および波ガイド結合効率（βWG）を予測した。
• キャビティ幾何形状（ΔT, δ, Δg）および発光体位置のプロセス不確実性をモデル化するために、多変量正規分布を用いたモンテカルロサンプルを実施した。
• 群-IV欠陥中心および窒素欠陥中心のDebye-Waller因子を、放射性崩壊率およびPurcell増幅された遷移確率を用いて計算した。
• 現実的なチャネル条件のもとで、秘密鍵レートを評価するために、性能指標を量子リピーターのコスト関数に統合した。
• 再符号化誤差および損失を考慮した有効量子ビット伝送確率ηeを推定するために、再帰的誤差モデル（Rk）を適用した。
• 誤差率Q = 2εtrans/3を用いたBB84六状態プロトコルにより、秘密ビットの割合fを計算し、コスト関数Cを介して秘密鍵レートの評価を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オンチップ統合を可能にする高波ガイド結合効率を有する光格子キャビティで、得られる最大のPurcell因子は何か？
• RQ2 発光体位置および幾何的プロセスばらつきが、「Sawfish」キャビティのPurcell因子および波ガイド結合効率に与える影響は何か？
• RQ3 現実的な製造許容誤差のもとで、「Sawfish」キャビティは、ほぼ1に近い発光体からファイバーへの効率をどの程度維持できるか？
• RQ4 木型クラスタ状態プロトコルを用いた量子リピーター網において、キャビティ性能が秘密鍵レートに与える影響は何か？
• RQ5 発光体位置のジャイタおよび幾何的プロセス誤差を両方とも考慮した場合、キャビティの予測性能はどのようになるか？

主な発見

• 「Sawfish」キャビティは、予測されるPurcell因子が91.4 ± 3.2（18.3/26.0の不確実性範囲）に達し、発光体放射の強力なキャビティ増幅を示している。
• 波ガイド結合効率βWGは、予測で0.9863 ± 0.0014に達し、光ファイバーへのほぼ理想に近い光抽出を示している。
• 発光体位置のジャイタ（±25 nm）を考慮した場合、中央値のPurcell因子は依然として91.4の高水準を維持し、95%信頼区間は65.4から117.7にわたる。
• 幾何的プロセス許容誤差（ΔT: ±0.8 nm, δ: ±0.1°, Δg: ±0.8 nm）を考慮した場合、中央値のPurcell因子は48.5に低下し、広い不確実性範囲（15.0から96.5）を示す。
• プロセスばらつきに対しても、波ガイド結合効率はβWG = 0.929 ± 0.054の高い水準を維持し、95%区間は0.788から1.000にわたる。
• 1000 km伝送条件下で、1回のリピーター局ごとおよび1回の減衰長さあたり、予測される秘密鍵レートは1.2 × 10⁻⁴ s⁻¹に達し、長距離量子ネットワークの実現可能性を示している。