[論文レビュー] Wavelength-tunable high-fidelity entangled photon sources enabled by dual Stark effects

Chen Chen, Jun-Yong Yan+17 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2023

Semiconductor Quantum Structures and DevicesPhysics and Astronomy参考文献 63被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ドロップレットエッチングによるGaAs量子ドットを用いた、波長可変で高忠実度のもつれ光子源を提示する。二重ストーク効果方式を採用し、微細構造分裂補償のための交流ストーク効果と、波長チューニングのための量子閉じ込めストーク効果を組み合わせた。このシステムは1 meVのチューニング範囲においてももつれ忠実度が0.955を超えることを達成し、量子リピーターおよび統合量子回路向けのスケーラブルでオンデマンドの光源を実現する。

ABSTRACT

The construction of a large-scale quantum internet requires quantum repeaters containing multiple entangled photon sources with identical wavelengths. Semiconductor quantum dots can generate entangled photon pairs deterministically with high fidelity. However, realizing wavelength-matched quantum-dot entangled photon sources faces two difficulties: the non-uniformity of emission wavelength and exciton fine-structure splitting induced fidelity reduction. Typically, these two factors are not independently tunable, making it challenging to achieve simultaneous improvement. In this work, we demonstrate wavelength-tunable entangled photon sources based on droplet-etched GaAs quantum dots through the combined use of AC and quantum-confined Stark effects. The emission wavelength can be tuned by ~1 meV while preserving an entanglement fidelity f exceeding 0.955(1) in the entire tuning range. Based on this hybrid tuning scheme, we finally demonstrate multiple wavelength-matched entangled photon sources with f>0.919(3), paving a way towards robust and scalable on-demand entangled photon sources for quantum internet and integrated quantum optical circuits.

研究の動機と目的

• 半導体量子ドットにおける非一様な発光波長および励起子微細構造分裂（FSS）の課題に取り組み、量子リピーターにおけるもつれ忠実度の低下を是正する。
• 従来のチューニング手法では発光波長とFSSを独立に制御できないという制限を克服し、性能上のトレードオフを回避する。
• 波長とFSSを同時に独立して制御できるハイブリッドチューニング方式を開発し、広いチューニング範囲で高忠実度のもつれを実現する。
• 同一波長の複数のもつれ光子源を高忠実度で生成することで、実用的でスケーラブルな量子インターネットアーキテクチャを実現する。
• 統合量子オプティカル回路に適した、決定論的で高忠実度のもつれ光子生成が可能な、丈夫でチップ内対応のプラットフォームを実装する。

提案手法

• GaAs量子ドットの発光波長を約1 meVの範囲でチューニングするために、印加電場による量子閉じ込めストーク効果（QCSE）を用いる。
• 同時に、円偏光の連続波（CW）レーザーを用いて交流ストーク効果を適用し、励起子微細構造分裂（FSS）を動的に補償し、2.92(7) μeVにまで低減する。
• パルス励起二光子励起（TPE）レーザーと可変周波数のCWレーザーを用いた共焦点顕微鏡装置を採用し、QDの電子状態を精密に制御する。
• 残留レーザー背景を抑制し、もつれ光子対を分離するために、可変帯域のノッチフィルターとボリューム位相ホログラフィック（VPH）グレーティングフィルターを含む多段階フィルタリングシステムを実装する。
• 単一光子アクティブライトダイオード（SPAD）を用いた偏光分解交差相関測定により、共偏光およびクロス偏光基底の忠実度を測定し、もつれ忠実度を評価する。
• 波長板と偏光子を用いて、検出中の偏光投影状態を制御・安定化させ、偏光ドリフトおよび光学素子に起因する回転を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GaAs量子ドットにおける発光波長と励起子微細構造分裂（FSS）を、広い波長範囲で独立してチューニング可能であり、高忠実度のもつれを実現できるか？
• RQ2 波長チューニング中に、交流ストーク効果がFSSをどれだけ低減できるか、かつ高忠実度のもつれを維持できるか？
• RQ3 もつれ忠実度が0.955を超える範囲で、最大どの程度の波長チューニング範囲が達成可能か？
• RQ4 CWチューニングレーザーによる再励起が測定された$g^{(2)}(0)$と忠実度に与える影響は何か？また、これを緩和できるか？
• RQ5 ハイブリッドストーク効果方式により、量子リピーターおよび統合量子回路に適したスケーラブルでオンデマンドのもつれ光子源を実現できるか？

主な発見

• 発光波長を約1 meVの範囲でチューニングしたが、もつれ忠実度は0.955(1)以上を維持し、チューニング範囲全体で高い安定性を示した。
• 交流ストーク効果を用いて励起子微細構造分裂（FSS）を2.92(7) μeVにまで低減し、偏光異方性に起因するデコherenceを顕著に低減した。
• 全チューニング範囲にわたりもつれ忠実度が0.955以上を維持し、チューニング窓の端で測定された忠実度は0.955(1)であった。
• CWチューニングレーザーによる$|XX\rangle$状態の再励起が、特に高出力時において$XX$光子の$g^{(2)}(0)$を上昇させ、その結果、QD BではQD Aと比較してわずかに忠実度が低下した。
• $g^{(2)}(0)$の$XX$状態の値はCWレーザー出力に比例して上昇し、再励起効果がレーザー強度に比例することを確認した。これは相関測定の精度を低下させる要因となる。
• $\pi$パルス励起条件下で、$XX$カウントレートは$6.55 \times 10^3$ counts/s、$X$カウントレートは$1.15 \times 10^4$ counts/sを記録した。$XX$レートが低かったのは、CWレーザーを抑制するための狭帯域ノッチフィルターによる$XX$光子の部分的フィルタリングに起因する。