[論文レビュー] Spin-photon entanglement of a single Er$^{3+}$ ion in the telecom band

Mehmet T. Uysal, Łukasz Dusanowski+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2024

Quantum optics and atomic interactions被引用数 7

ひとこと要約

単一の Er3+ イオンを直接テレコム帯でのスピン-フォトンエンタングルメントとして実証し、シリコンナノフォトニック回路内で 15.6 km にわたり 1.48 Hz のエンタングルメント速度を 73(3)% の忠実度で達成。高速ダイナミックデコヒーレンスによりスピンコヒーレンスを保護。

ABSTRACT

Long-distance quantum communication using quantum repeaters is an enabling technology for secure communication, distributed quantum computing and quantum-enhanced sensing and metrology. As a building block of quantum repeaters, spin-photon entanglement has been demonstrated with both atomic and solid-state qubits. However, previously demonstrated qubits with long spin coherence do not directly emit photons into the low-loss telecom band that is needed for long-distance communication. Here, we demonstrate spin-photon entanglement using a single Er$^{3+}$ ion in a solid-state crystal, integrated into a silicon nanophotonic circuit. Direct emission into the telecom band enables an entanglement rate of 1.48 Hz over 15.6 km of optical fiber, with a fidelity of 73(3)$\%$. This opens the door to large-scale quantum networks based on scalable nanophotonic devices and many spectrally multiplexed Er$^{3+}$ ions.

研究の動機と目的

• 固体状態基質内で単一の Er3+ イオンの直接的なテレコム帯スピン-フォトンエンタングルメントを実証する。
• CaWO4 中の Er3+ イオンをシリコンナノフォトニックキャビティと統合して放射を効率的に発し、導波を可能にする。
• 光子放出中にスピンコヒーレンスを保護して、長距離ファイバーリンクで高忠実度のエンタングルメントを可能にする。
• エンタングルメントプロトコルに影響を与える光学的に誘発されるスピンデフェージング機構を特定し、緩和する。
• エンタングルメント性能指標（忠実度、レート）を評価し、量子ネットワークのスケーラビリティについて論じる。

提案手法

• Purcell 効果（P=342）により放射を増強するよう、CaWO4 内に埋め込まれた Er3+ イオンをシリコンナノフォトニックキャビティの近くに配置して使用する。
• スピンデコヒーレンスを再焦点化するため、XY-16 ダイナミックデコップリング列に埋め込まれたタイムビンのスピン-フォトンエンタングルメントプロトコルを実装。
• 自然放出後、|↓g⟩|E⟩ + |↑g⟩|L⟩)/√2 を生成するため、スピンデコアップを挟んだ2 つの光パルスを適用する。
• 非対称のマッハ-ツェンダー干渉計を用いて光子のタイムビン量子ビットを測定し、 光検出に条件付けたスピン読み出しを介してベル状態トモグラフィを行う。
• 参照レーザーでインターフェロメータの位相 φ を連続追跡し、測定基底をランダム化してエンタングルメント忠実度を算出する。
• 忠実度に寄与する誤差源を定量化する（スピンデコヒーレンス、MWパルス誤差、光学デコヒーレンス、背景カウント、初期化、放出ビンの重なり）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CaWO4 中の単一の Er3+ イオンがテレコム帯へ直接放射し、その際にスピン-フォトンエンタングルメントを維持できるか。
• RQ2 統合ナノフォトニックデバイスを用いたテレコム帯スピン-フォトンエンタングルメントの達成レートと忠実度はいくつか。
• RQ3 光学的誘発デフェージング機構が光子放出中のスピンコヒーレンスにどう影響するか、ダイナミックデコップリングで緩和可能か。
• RQ4 量子リピーター用途でエンタングルメント生成をスケールさせるために、デバイス性能とコヒーレンスにどのような改善が必要か。

主な発見

• テレコム波長(1532.6 nm)でスピン-フォトンエンタングルメントを実証し、忠実度は0.73(3)。
• 15.6 km の光ファイバ上でエンタングルメント生成レート 1.48 Hz を実証。
• Purcell 効果による放出増強（P=342）により B 遷移の光学寿命を 18.4 μs に短縮し、テレコム放出を効率化。
• 電荷ゆらぎによる電場ノイズに起因する光学的誘発スピンデフェージングを同定し、基底状態と励起状態スピンの両方に高速 XY-16 ダイナミックデコップリング列を適用して緩和した。
• 修正プロトコルは光照射下でもスピンコヒーレンスが150 μs超で維持され、スピン-フォトン相関を保つことを示した。
• 光学/スピンコヒーレンス、結合効率、より速いスピンリセットの改善により、エンタングルメントレートを約 150 Hz に引き上げる見通しを推定。