[論文レビュー] Using the Autler-Townes and ac Stark effects to optically tune the frequency of indistinguishable single-photons from an on-demand source

Chris Gustin, Łukasz Dusanowski+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2022

Quantum Information and Cryptography参考文献 91被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、半導体量子ドットからのオンデマンド単一光子の周波数を、光学的キャビティを用いて発光効率および不変性を向上させることで、すべて光的な方法で調整する手法を提案する。共振駆動によるAutler-Townes効果または非共鳴駆動によるacスターリングシフトを用い、エネルギーシフトが数100 µeVまで100%を超える不変性を実現し、数十µeVまでのシフトではほぼ100%の不変性を達成する。実際の条件下でも同様の性能を示す。

ABSTRACT

We describe how a coherent optical drive that is near-resonant with the upper rungs of a three-level ladder system, in conjunction with a short pulse excitation, can be used to provide a frequency-tunable source of on-demand single photons. Using an intuitive master equation model, we identify two distinct regimes of device operation: (i) for a resonant drive, the source operates using the Autler-Townes effect, and (ii) for an off-resonant drive, the source exploits the ac Stark effect. The former regime allows for a large frequency tuning range but coherence suffers from timing jitter effects, while the latter allows for high indistinguishability and efficiency, but with a restricted tuning bandwidth due to high required drive strengths and detunings. We show how both these negative effects can be mitigated by using an optical cavity to increase the collection rate of the desired photons. We apply our general theory to semiconductor quantum dots, which have proven to be excellent single-photon sources, and find that scattering of acoustic phonons leads to excitation-induced dephasing and increased population of the higher energy level which limits the bandwidth of frequency tuning achievable while retaining high indistinguishability. Despite this, for realistic cavity and quantum dot parameters, indistinguishabilities of over $90\%$ are achievable for energy shifts of up to hundreds of $\mu$eV, and near-unity indistinguishabilities for energy shifts up to tens of $\mu$eV. Additionally, we clarify the often-overlooked differences between an idealized Hong-Ou-Mandel two-photon interference experiment and its usual implementation with an unbalanced Mach-Zehnder interferometer, pointing out the subtle differences in the single-photon visibility associated with these different setups.

研究の動機と目的

• すべて光的制御を用いて、高い不変性と効率を備えた、周波数を可変にできるオンデマンド単一光子源の開発。
• 量子ドットを用いた単一光子源における周波数可変範囲とコherenecのトレードオフの解明。
• 光学的キャビティ統合による自発的放出および電子-格子振動子散乱による性能劣化の低減。
• 理想化されたHong-Ou-Mandel干渉計と実用的な非対称Mach-Zehnder干渉計との違いの明確化。

提案手法

• 量子ドットの二重励起状態-励起状態カスケードに基づく四準位ラダー系を用いる。
• 上位遷移に近い共鳴周波数の連続波レーザー駆動を適用し、Autler-Townes効果またはacスターリング効果を誘発する。
• マスター方程式モデルを用いてダイナミクスをシミュレートし、不変性と効率を定量的に評価する。
• 励起状態遷移と共鳴する光学的キャビティを統合し、光子収率の向上とデコherenceの抑制を実現する。
• 電子-格子振動子散乱および励起状態誘発デコherenceがソース性能に与える影響を分析する。
• 先行研究における量子ドット単一光子源の実験的ベンチマークと理論的予測を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共振駆動（Autler-Townes）と非共鳴駆動（acスターリング）の選択が、周波数可変範囲および光子不変性にどのように影響するか？
• RQ2 光学的キャビティが、この系におけるデコherence低減および発光効率向上に果たす役割は何か？
• RQ3 電子-格子振動子相互作用は、量子ドットにおいて高不変性を維持したまま周波数可変範囲をどの程度制限するか？
• RQ4 理想化されたHOM実験と現実世界の非対称Mach-Zehnder干渉計との間で、可視性および干渉対比はどのように異なるか？
• RQ5 実際の量子ドットおよびキャビティパラメータを想定した場合、可変範囲、不変性、効率の間に達成可能なトレードオフは何か？

主な発見

• キャビティを用いることで、エネルギーシフトが数100 µeVまでであっても、不変性が90%を超えることが可能である。
• 数十µeVまでのシフトでも、現実の材料およびキャビティパラメータを想定した状況下でも、ほぼ100%（99%以上）の不変性が達成可能である。
• acスターリング領域では、より高い不変性と効率が得られるが、強力な駆動と大きなデチューニングを要し、可変帯域が制限される。
• Autler-Townes領域では、広い可変範囲が可能だが、タイミングジッターの影響によりコherenceが劣化する。
• 電子-格子振動子散乱は、励起状態誘発デコherenceおよび二重励起状態の人口増加を引き起こし、高不変性を維持したままの周波数可変範囲を制限する。
• キャビティ強化は、自発的放出およびデコherenceの影響を顕著に低減し、効率および不変性の両方を向上させる。