[논문 리뷰] A deterministic source of indistinguishable photons in a cluster state

Dan Cogan, Zu-En Su외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 12.

Quantum Information and Cryptography인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 반도체 양자점의 무거운 빛자기 스핀을 이용해 광학 클러스터 상태에서 정밀하게 제어 가능한 기계적 주파수의 인지불가능한 광자를 생성하는 방법을 제시한다. 0.09 T의 평면 자기장으로 조정함으로써 시스템은 10개 광자의 특성적 얽힘 길이와 80%를 초월하는 광자 인지불가능성을 달성하여 측정 기반 양자 통신의 강건하고 확장 가능한 구현을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Measurement-based quantum communication relies on the availability of highly entangled multi-photon cluster states. The inbuilt redundancy in the cluster allows communication between remote nodes using repeated local measurements, compensating for photon losses and probabilistic Bell-measurements. For feasible applications, the cluster generation should be fast, deterministic, and its photons - indistinguishable. We present a novel source based on a semiconductor quantum-dot device. The dot confines a heavy-hole, precessing in a finely tuned external weak magnetic field while periodically excited by a sequence of optical pulses. Consequently, the dot emits indistinguishable polarization-entangled photons, where the field strength optimizes the entanglement. We demonstrate Gigahertz rate deterministic generation of >90% indistinguishable photons in a cluster state with more than 10 photons characteristic entanglement-length.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 광학 양자 네트워크를 위한 고도로 인지불가능한 광자를 정밀하게 생성하는 소스 개발.
• 이전의 양자점 시스템에서의 스핀 프리세션 제어 불량과 광자 인지불가능성 저하 등의 한계 극복.
• 측정 기반 양자 통신과 양자 중계기 구현에 필수적인 고정밀 장거리 얽힘을 가능하게 하는 광학 클러스터 상태의 안정성 확보.
• 외부 자기장을 제어하여 다중 광자 얽힌 상태의 생성을 최적화함으로써 얽힘의 강건성과 광자 품질의 균형 확보.

제안 방법

• 외부 평면 자기장 하에서 공명하는 고유한 무거운 빛자기 스핀을 갖는 반도체 양자점을 염두에 두고, 이 스핀이 Kramers 비퇴화 상태이며 공명적으로 진동함을 이용.
• 무거운 빛자기 스핀의 공명 주기와 동기화된 피코초 급격한 광파ulse를 양자점에 적용하여 편광 얽힌 광자를 정밀하게 방출.
• 광자 방출 후 무거운 빛자기 스핀이 안정된 기본 상태를 유지함으로써 공명성을 유지하고 광자 인지불가능성을 향상.
• 자기장 강도를 제어하여 스핀 프리세션 속도를 조절함으로써 복사 수명과 CNOT 유사 연산의 신뢰도 간의 균형 최적화.
• 지역화 가능한 얽힘(LE) 및 증거 측정을 통해 클러스터 상태의 특성을 분석하여 얽힘의 강건성과 인지불가능성의 정도를 정량화.
• 실험적으로 측정된 QD 파arameter를 사용한 중심 스핀 진화 모델을 활용하여 자기장에 따른 얽힘 길이와 광자 품질의 의존성 예측 및 해석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반도체 양자점에서 무거운 빛자기 스핀을 이용해 광학 클러스터 상태에서 정밀하게 제어 가능한 고주파 인지불가능 광자를 생성할 수 있는가?
• RQ2 외부 자기장 강도가 양자점 기반 클러스터 상태의 얽힘 강건성과 광자 인지불가능성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 특성적 얽힘 길이를 최대화하면서도 높은 광자 인지불가능성을 유지하기 위한 최적의 자기장은 무엇인가?
• RQ4 이전의 어둠은 상태 기반 방법과 비교해 무거운 빛자기 스핀이 더 뛰어난 공명성과 인지불가능성을 제공할 수 있는가?
• RQ5 자기장 최적화 및 장치 설계 개선을 통해 광자 생성 속도와 클러스터 상태의 정밀도는 어느 정도 향상될 수 있는가?

주요 결과

• 최적 자기장 0.09 T에서 시스템은 약 0.5 GHz의 정밀한 생성 속도를 달성한다.
• 0.09 T에서 특성적 얽힘 길이(ζ_LE)는 10개 광자에 도달하여 클러스터 상태에서 강력한 장거리 얽힘을 나타낸다.
• 최적 자기장에서 광자 인지불가능성은 80%를 초월하며, 높은 자기장에서는 자기장 유도 폭발로 인해 점진적으로 감소한다.
• 얽힘 강건성이 0.09 T에서 최고에 이르며, 이는 복사 수명과 스핀 프리세션 주기의 비율이 CNOT 유사 게이트의 정밀도를 최적화하기 때문이다.
• 측정된 얽힘 길이와 인지불가능성 값은 실험적으로 측정된 QD 파arameter를 사용한 중심 스핀 진화 모델과 양호한 일치를 보인다.
• 현재 시스템의 탐지 효율은 1% 이하이지만, 3차원 광학 마이크로캐비티에 통합하면 최소한 한 계급 이상 향상되어 확장성 향상이 가능하다.