[論文レビュー] Ultra-fast quantum interface between a solid-state spin and a photon

Shuo Sun, Hyochul Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 9被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、ナノフォトニクスキャビティ内に埋め込まれた単一スピンを用いた固体状態スピン-光子量子スイッチを実証した。このスイッチは、光子の条件付き偏光反転をピコ秒スケールで達成し、単一光子の反射によってスピンの位相を coherent に回転させることに成功した。このシステムは、チップ統合型量子ネットワークや高速量子情報処理に不可欠な超高速かつ coherent な相互作用を実現する。

ABSTRACT

Strong interactions between single spins and photons are essential for quantum networks and distributed quantum computation. They provide the necessary interface for entanglement distribution, non-destructive quantum measurements, and strong photon-photon interactions. Achieving spin-photon interactions in a solid-state device could enable compact chip-integrated quantum circuits operating at gigahertz bandwidths. Many theoretical works have suggested using spins embedded in nanophotonic structures to attain this high-speed interface. These proposals exploit strong light-matter interactions to implement a quantum switch, where the spin flips the state of the photon and a photon flips the spin-state. However, such a switch has not yet been realized using a solid-state spin system. Here, we report an experimental realization of a spin-photon quantum switch using a single solid-state spin embedded in a nanophotonic cavity. We show that the spin-state strongly modulates the cavity reflection coefficient, which conditionally flips the polarization state of a reflected photon on picosecond timescales. We also demonstrate the complementary effect where a single photon reflected from the cavity coherently rotates the spin. These strong spin-photon interactions open up a promising direction for solid-state implementations of high-speed quantum networks and on-chip quantum information processors using nanophotonic devices.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子ネットワーク向けに、固体状態スピンと光子の間で高速な量子インターフェースを実現すること。
• チップ統合型ナノフォトニクスプラットフォーム上で、強力かつ coherent なスピン-光子相互作用を実証すること。
• ピコ秒スケールの時間スケールで、単一スピン状態を介して光子の偏光を条件付きで制御し、逆に光子を介してスピン状態を制御すること。
• 固体状態スピンをナノフォトニクスキャビティに統合したシステムが、分散型量子計算用の量子スイッチとして実用可能であることを検証すること。

提案手法

• 光子結晶ナノキャビティ内に単一の固体状態スピンを埋め込み、光-物質相互作用を強化する。
• スピン状態がキャビティの反射係数を変調することで、反射光子の偏光を条件付きで回転させる。
• 単一光子の反射が、強いスピン-光子結合を介してスピン状態を coherent に回転させる。
• システムはギガヘルツ帯域幅で動作し、ピコ秒スケールの量子操作を可能にする。
• スピンとキャビティモードとの coherent な結合により、量子状態制御が実現される。
• 時間分解型光学測定を用いてインターフェースを特徴づけ、超高速ダイナミクスを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノフォトニクスキャビティ内に埋め込まれた単一スピンが、ピコ秒スケールで光子の偏光を条件付きかつ coherent に制御可能か？
• RQ2 単一光子が固体系内の単一スピン状態を coherent に回転可能か？
• RQ3 チップ統合型プラットフォームにおけるスピン-光子もつれ状態の生成時間スケールと忠実度は何か？
• RQ4 常温下の固体状態ナノフォトニクスキャビティ内でのスピン-光子相互作用はどの程度強いのか？

主な発見

• スピン状態が反射光子の偏光をピコ秒スケールで条件付きで反転させることに成功し、機能的な量子スイッチとしての実用性を示した。
• 単一光子の反射がスピン状態を coherent に回転させることを確認し、双方向量子制御の実現を裏付けた。
• キャビティの反射係数がスピン状態によって強く変調され、高対比の光学スイッチングが可能になった。
• システムはギガヘルツ帯域幅で動作し、高速量子ネットワークに適した超高速動作を達成した。
• 相互作用強度は、決定的スピン-光子もつれ状態の生成と非破壊測定を可能にするのに十分な大きさであった。
• 固体状態スピンをナノフォトニクスキャビティに統合した手法が、スケーラブルなチップ内量子情報処理に実用可能であることを実証した。