[論文レビュー] Strain-tunable GaAs quantum dot: An on-demand source of nearly-maximally entangled photon pairs

Daniel Huber, Marcus Reindl+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2018

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、2光子共鳴励起と厳密に縮退した励起子状態を用いたひずみ調整可能GaAs量子ドットを用いて、オンデマンドでほぼ最大にエンタングルされた光子対を生成することを示した。後処理なしで、fidelityが0.978(5)、concurrenceが0.97(1)に達し、わずかなPurcell増幅によってエンタングルメントが0.99を超えることが示された。これにより、実用的な量子通信の応用が可能となる。

ABSTRACT

Entangled photon generation from semiconductor quantum dots via the biexciton-exciton cascade underlies various decoherence mechanisms related to the solid-state nature of the quantum emitters. So far, this has prevented the demonstration of nearly-maximally entangled photons without the aid of inefficient and complex post-selection techniques that are hardly suitable for quantum communication technologies. Here, we tackle this challenge using strain-tunable GaAs quantum dots driven under two-photon resonant excitation and with strictly-degenerate exciton states. We demonstrate experimentally that our on-demand source generates polarization-entangled photons with fidelity of 0.978(5) and concurrence of 0.97(1) without resorting to post-selection techniques. Moreover, we show that the remaining decoherence mechanisms can be overcome using a modest Purcell enhancement so as to achieve a degree of entanglement >0.99. Our results highlight that GaAs quantum dots can be readily used in advanced communication protocols relying on the non-local properties of quantum entanglement.

研究の動機と目的

• 半導体量子ドットにおけるデコherenceを克服し、ほぼ最大にエンタングルされた光子対の生成を可能とすること。
• エンタングルド光子対生成における非効率な後処理技術の必要性を排除すること。
• 縮退した励起子状態を有するひずみ調整可能GaAs量子ドットを用いて、高精度でオンデマンドのエンタングルメントを達成すること。
• 残留デコherenceがPurcell増幅によって抑制可能であり、ほぼ理想に近いエンタングルメントを達成できることを実証すること。

提案手法

• 厳密に縮退した励起子状態を設計するために、ひずみ調整可能GaAs量子ドットを用いる。
• バイホットン共鳴励起を用いて、バイホットン-励起子カスケードをスペクトル的オフセットなしで駆動する。
• ひずみ工学を用いて微細構造分裂を制御し、デコherenceを抑制する。
• わずかなPurcell増幅を適用して、残存するデコherence機構をさらに抑制する。
• 量子状態トモグラフィーを用いて偏光エンタングルメントのfidelityとconcurrenceを測定する。
• 実験結果を理論的予測と比較し、光源の性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ひずみ調整可能GaAs量子ドットは、後処理なしでほぼ最大にエンタングルされた光子対を生成できるか？
• RQ2 励起子状態の縮退度がエンタングルド光子対のfidelityとconcurrenceに与える影響は何か？
• RQ3 この系において、残留デコherenceはどの程度Purcell増幅によって抑制可能か？
• RQ4 この光源は、実用的な量子通信プロトコルに適したエンタングルメントfidelityとconcurrenceを達成できるか？
• RQ5 2光子共鳴励起は、バイホットン-励起子カスケードにおけるデコherenceを最小限に抑える役割を果たすか？

主な発見

• 後処理技術を一切用いずに、偏光エンタングルド光子対のfidelityが0.978(5)に達した。
• 生成されたエンタングルド状態のconcurrenceは0.97(1)に達し、ほぼ最大のエンタングルメントを示している。
• 残存するデコherence機構が、わずかなPurcell増幅によって克服可能であることが示された。
• このような増幅を施すことで、エンタングルメント度が0.99を超えるようになり、理想的な量子エンタングルメントに近づいた。
• 結果から、GaAs量子ドットがスケーラブルでオンデマンドの量子通信技術の実現に有効なプラットフォームであることが確認された。
• 本研究は、ひずみ工学と共鳴励起が半導体量子ドット光源におけるデコherence抑制に効果的であることを実証した。