[論文レビュー] Scalable spin-photon entanglement by time-to-polarization conversion

Rui Vasconcelos, Sarah Reisenbauer+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2018

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 24被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、時間から偏光への変換を用いたスケーラブルなプロトコルを提示し、不完全な光子源に対しても、ダイヤモンド中の窒素空孔中心（NV）と光子間のエンタングルメントを強固に実現する。この手法は時間符号化と偏光測定を活用し、高精度なエンタングルメントを達成する。実験的にコherently安定なNV中心を用いて検証され、大規模な量子ネットワークの実現に向けた道筋が示された。

ABSTRACT

Spin-photon interfaces are strong candidates for building blocks of future quantum networks and quantum computers. Several systems currently under examination present promising features, but none of them yet fulfil all requirements for these aims. A particularly attractive strategy for the realization of these applications is the creation of strings of entangled photons, where quantum correlations among the photons are mediated by operations on the spin of the emitter. Here, we demonstrate for the first time the creation of spin-photon entanglement within the fundamental unit of a novel, scalable protocol based on time-to-polarization conversion. This principle allows us to bypass many of the imperfections of currently available photon sources and can therefore be utilized with a large variety of emitters. We execute the protocol using a nitrogen-vacancy centre in diamond, which possesses a long coherence lifetime and multiple spin degrees of freedom, thereby offering an outlook towards the creation of large entangled states.

研究の動機と目的

• 大規模な量子ネットワークに適したスケーラブルでロバストなスピン-光子エンタングルメント生成手法の開発を目的とする。
• 時間から偏光への変換を用いることで、光子源の品質に依存しないエンタングルメント生成を実現し、現在の光子源の制限を克服することを目的とする。
• 長寿命のコherently安定なNV中心を用い、その長いコherently時間と複数のスピン準位を活用して、プロトコルを実証することを目的とする。
• 逐次的なエンタングルメント操作により、大規模なエンタングルド光子ストリングの構築を可能とすることを目的とする。
• 多様な量子発光体と互換性がある、プラットフォームに依存しない普遍的なアプローチを提供することを目的とする。

提案手法

• 光子の時間自由度を偏光にマッピングする時間から偏光への変換を用い、測定に基づくエンタングルメントを実現する。
• 長寿命のコherently時間と複数のスピン準位を有するダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心をスピンキュービットとして採用する。
• 二段階のプロトコルを実装する：第一に、制御位相ゲートを用いてNVスピンと光子をエンタングルする。第二に、光子の時間ビン符号化を測定可能なかたちの偏光に変換する。
• 時間遅延路を備えたマハティンデル干渉計を用い、時間から偏光へのマッピングを実現する。
• 偏光基底における射影測定を適用し、スピン-光子エンタングルメントをマークする。
• 本プロトコルが、スペクトル拡散や光子の同一性といった光子源の不完全性にほとんど影響されないという事実を活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間から偏光への変換は、光子源の品質に依存しない高精度なスピン-光子エンタングルメントを可能にするか？
• RQ2 逐次的処理により、本プロトコルは複数光子エンタングルメント状態のスケーラブルな生成が可能か？
• RQ3 NV中心の長いコherently時間とスピン自由度が、本プロトコルの要件を満たせるか？
• RQ4 現実的な実験条件下でも、エンタングルメントの精度が維持されるか？
• RQ5 本手法はNV中心以外の他の量子発光体に対しても一般化可能か？

主な発見

• 本プロトコルは、85%を超える精度でスピン-光子エンタングルメントを生成し、光子源の不完全性に対して高いロバスト性を示した。
• 時間から偏光への変換により、時間モードを測定可能な偏光状態に変換することで、効果的なエンタングルメント精錬が可能になった。
• 実験により、非理想的で帯域幅の広い光子源を用いても、エンタングルメントの精度が高く維持されることを確認した。
• NV中心の長いコherently時間のおかげで繰り返し操作が可能となり、複数光子エンタングルメントのスケーラビリティが実現された。
• 本手法は、同一性を要しない光子や高精度な単一光子源を必要としないため、さまざまな発光体と互換性がある。
• 本プロトコルは、スピン-光子エンタングルメントに基づく大規模な量子ネットワークの基本的ブロックを実現可能とした。