[論文レビュー] Towards a source of multi-photon entangled states for linear optical quantum computing

J. P. Lee, Bruno Villa+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 52被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、捕獲されたホールスピンのコherent制御を介して時間binのエンタングルメントを実現する、キャビティQED強化共振蛍光を利用した多光子もつれ状態を生成する方式を提案している。主な結果として、放出された光子の時間binがスピン状態の測定結果に依存することを示し、同一の、もつれた光子を用いたスケーラブルな線形光学量子計算の原理的妥当性を確認した。

ABSTRACT

We propose a scheme to make use of recent advances in cavity QED-enhanced resonance fluorescence from quantum dots to generate a stream of entangled and indistinguishable photons. We then demonstrate that we can optically manipulate the state of a trapped hole spin to achieve complete coherent control of a qubit. In combination with the selective cavity enhancement of the resonantly excited transition, we use this capability to perform a proof-of-principle demonstration of our proposal by showing that the time bin of a single photon is dependent on the measured state of the trapped spin.

研究の動機と目的

• 線形光学量子計算に適したスケーラブルな多光子もつれ状態の光源を開発すること。
• 弱い光子-光子相互作用の課題を、キャビティ強化共振蛍光による決定的かつ同一の光子源を用いることで克服すること。
• 捕獲されたホールスピンの完全なコherent制御を実現し、量子状態の操作を可能とすること。
• 光子の時間bin符号化が測定されたスピン状態に依存することを実証し、もつれ状態の生成を可能とすること。
• 実用的な改善策（短いパルス、向上したコherence）を同定し、測定に基づく量子計算への応用可能性を高めること。

提案手法

• マイクロピラーキャビティに封入された単一のイナガス量子ドットからのキャビティQED強化共振蛍光を用い、非常に同一の光子を生成する。
• ボイント磁場配置を採用し、ファラデー幾何学を必要としないACスターリング効果によるコherentな光学的スピン回転を実現する。
• マルチパルスシーケンスを用いて、スピン状態の準備と操作を含む、捕獲されたホールスピンの完全なコherent制御を実施する。
• 時間分解能を有する単一光子検出を用い、光子放出タイミングを測定し、測定されたスピン状態と相関付ける。
• 励起と発光のエネルギー差に基づくスペクトルフィルタリングを実施し、バックグラウンドを分離するが、偏光もつれを破壊しない。
• Purcell効果を活用し、垂直方向の崩壊レートを約5倍に増幅させ、望ましい崩壊経路の確率を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティ内の単一の量子ドットを用いて、線形光学量子計算に適した同一でもつれた光子のストリームを生成できるか？
• RQ2 ボイント磁場配置において、捕獲されたホールスピンのコherent制御が可能であり、決定的状態準備が可能か？
• RQ3 放出された光子の時間binが、捕獲されたホールスピンの測定状態に依存するか？（時間binもつれに不可欠な要件）
• RQ4 実験装置をどのように改良すれば、光子の同一性とスピンコherenceを向上させ、スケーラブルな量子計算に適した状態にできるか？
• RQ5 パルス長と複数の励起状態の影響が、生成されたもつれ状態の忠実度に与える影響は何か？

主な発見

• 1個の光子の時間binは、捕獲されたホールスピンの測定状態に依存しており、|h̄⟩状態を測定した場合に2番目の時間binで光子を検出する確率が77%、|h⟩状態を測定した場合に68%である。
• マルチパルスシーケンスを用いて、π/2およびπパルスを含むスピン状態の完全なコherent制御が達成され、決定的状態操作が可能となった。
• Purcell増幅により、垂直方向の崩壊レートが約5倍に増加し、望ましい崩壊経路の確率が向上した。
• 2つの時間binにおける測定値g(2)(0)は、g(2)₁,R(0) ≈ 0.68およびg(2)₂,R(0) ≈ 0.77であり、高い光子同一性と非古典的光子放出を示している。
• 本手法は、既存の実験技術と相性が良く、パルス生成に電気的光学モードを用い、コherenceを向上させるためのスピンエコー技術も適用可能である。
• 今後の改善策（短い励起パルス、向上したPurcell係数、核スピンノイズの低減）により、光源の忠実度とスケーラビリティが著しく向上する可能性がある。