[論文レビュー] Symmetric quantum dots as efficient sources of highly entangled photons

Takashi Kuroda, Takaaki Mano+11 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2013

Quantum Information and Cryptography参考文献 44被引用数 130

ひとこと要約

本論文は、ドロップレットエpitaxyを用いて(111)A面に自己組織的に形成された歪みのないGaAs量子ドットを用い、C3v対称性を実現することで、微細構造分裂を抑制した高にねじれの強い光子対源を示した。この源は、ベル状態への保証度86(±2)%の光子対を発生させ、後選別を要せずベルの不等式を明確に破った。これはスケーラブルな量子通信への重要な前進を示している。

ABSTRACT

An ideal source of entangled photon pairs combines the perfect symmetry of an atom with the convenient electrical trigger of light sources based on semiconductor quantum dots. We create a naturally symmetric quantum dot cascade that emits highly entangled photon pairs on demand. Our source consists of strain-free GaAs dots self-assembled on a triangular symmetric (111)A surface. The emitted photons strongly violate Bell's inequality and reveal a fidelity to the Bell state as high as 86 (+-2) % without postselection. This result is an important step towards scalable quantum-communication applications with efficient sources.

研究の動機と目的

• 量子通信に適したスケーラブルで電気的にトリガー可能な高にねじれた光子対源の開発。
• 従来の量子ドットでエンタングルメントを劣化させる微細構造分裂（FSS）の克服。
• 歪みや電場の外部調整を不要にするために、量子ドット構造に内在する対称性を設計で実現。
• 自然に対称的で歪みのない量子ドットカスケードを用いて、後選別を要せず高保証度のエンタングルメントを実現。
• 量子ネットワークへの統合に適した堅牢でオンデマンドの光源を実証。

提案手法

• ドロップレットエpitaxyを用いて(111)A面上にGaAs量子ドットを成長させ、C3v対称性を実現し、構造的異方性を排除。
• ドロップレットエpitaxyを用いて、湿性層を用いずに自己組織的に整列した格子整合量子ドットを形成し、非対称発光を最小限に抑える。
• 640 nmのパルスレーザー励起（80 psパルス、200 MHz繰り返し周波数）を用いて、高分解能の相関測定を可能にする。
• 偏光分析器を備えた3検出器の一致計数を実装し、励起のゆらぎ効果を排除し、量子干渉の可視度を測定。
• 時間-デジタル変換を用いて、複数の偏光設定（例：LR、HH、VV）における一致ヒストグラムを記録。
• 9 Kでの測定によりデコherenceと熱的幅拡大を低減し、高保証度のエンタングルメントを確保。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 (111)A面上に成長した量子ドットに内在するC3v対称性が、微細構造分裂を抑制し、高保証度のエンタングルメントを可能にするか。
• RQ2 ドロップレットエpitaxyで成長した量子ドットカスケードが、後選別や外部調整を要せず、高保証度のエンタングルド光子対を発生させるか。
• RQ3 励起子の偏光消去が、このような光源のエンタングルメント度に与える影響は何か。
• RQ4 測定された量子干渉の可視度は、放射性およびスピン緩和率とどのように関係するか。
• RQ5 この光源はスケーラブルであり、通信波長帯に適合可能か。

主な発見

• ベル状態への保証度が86(±2)%に達し、後選別を要せず高品質なエンタングルメントを実現した。
• ベルの不等式の明確な破れが観測され、発生した光子対の非古典的性質が確認された。
• 微細構造分裂（FSS）は平均して10±5 µeVにまで抑制され、5%のドットでは検出可能なFSSが認められなかった。
• 測定された量子干渉の可視度（C ≈ 0.7）は、理論的推定値Γ1/(Γ1 + Γs)と一致しており、偏光消去効果が最小限であることが示された。
• 励起子寿命（560 ps）とスピン緩和時間（1.5 ns）から、偏光消去は主にランダムな電荷および核スピンフラクチュエーションに起因することが確認された。
• 非対称雑音やドット以外の発光に対して耐性があり、高い純度と安定性を示した。