[論文レビュー] Single-Photon Switching and Entanglement of Solid-State Qubits in an Integrated Nanophotonic System

Alp Sipahigil, Ruffin E. Evans+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2016

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 1被引用数 297

ひとこと要約

この論文は、シリコン空孔中心（SiV）を共振器と波導に結合させ、単一光子スイッチ、可変 Raman ベースの単一光子源、およびダイヤモンドナノフォトニック波動導波路中の二つのSiV間の heralded entanglement を実現する統合ダイヤモンドナノフォトニックプラットフォームを示している。

ABSTRACT

Efficient interfaces between photons and quantum emitters form the basis for quantum networks and enable nonlinear optical devices operating at the single-photon level. We demonstrate an integrated platform for scalable quantum nanophotonics based on silicon-vacancy (SiV) color centers coupled to nanoscale diamond devices. By placing SiV centers inside diamond photonic crystal cavities, we realize a quantum-optical switch controlled by a single color center. We control the switch using SiV metastable orbital states and verify optical switching at the single-photon level by using photon correlation measurements. We use Raman transitions to realize a single-photon source with a tunable frequency and bandwidth in a diamond waveguide. Finally, we create entanglement between two SiV centers by detecting indistinguishable Raman photons emitted into a single waveguide. Entanglement is verified using a novel superradiant feature observed in photon correlation measurements, paving the way for the realization of quantum networks.

研究の動機と目的

• ダイヤモンドナノフォトニックデバイスにおけるSiV centersを用いた光子と固体状態量子ビット間の効率的なインターフェースを示す。
• 単一のSiV中心によって制御される量子光学スイッチを実現する。
• 不均一なブロードニングを克服するため Raman 遷移を用いた可変の単一光子源を作成する。
• 波導内の識別不能な Raman 光子を介して二つのSiV中心間のエンタングルメントを生成・検証する。

提案手法

• 小モード体積かつ高 Q のダイヤモンドナノフォトニック共振器に陰性電荷を持つSiV中心を組み込む。
• SiVの準安定軌道状態を用いて共振器透過を制御し、メモリを備えた単一光子スイッチを実現する。
• SiVの準安定状態間の Raman 遷移を用いてダイヤモンド波導中に可変光子を生成する。
• 単一の波導に放出される識別不能な Raman 光子を検出することで二つのSiV中心間のエンタングルメントを確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一のSiV中心は単一光子レベルで堅牢な全光スイッチを提供できるか？
• RQ2 Ramanで調整された光子はスペクトル拡散を緩和し、エンタングルメントのための可変・同一光子を生み出せるか？
• RQ3 識別不能な光子を介してナノフォトニック波導内の二つの固体状態量子ビット間のエンタングルメントを herald できるか？
• RQ4 SiV- cavity 系における非線形・量子レベルの相互作用を示す観測された光子統計量は何か？

主な発見

• ダイヤモンドキャビティ内の単一SiV中心は共鳴探査透過の約38%の消光を達成する。
• 単一光子レベルでSiV-キャビティ系の飽和と非線形応答を観測。
• 自己相関測定は散乱光子の反ボンチング（g(2)SS(0)=0.15(4)）および透過光子の群化（g(2)TT(0)=1.50(5)）を示す。
• ダイヤモンド波導中の単一SiVによるRaman支援発光は、適切なデタuningと光度の下で、可変な光子周波数とサブ自然線幅（<30 MHz）を生み出す。
• 二つの別々のSiVからの識別不能な Raman 光子は超輝的相関によりエンタングルメントを生み出すことが検証され、g(2)ind(0)=0.98(5) を示す。
• 干渉からの条件付きエンタングルメント忠実度の下限は、干渉窓内のイベントについてF≥82(7)%である。