[논문 리뷰] A gated quantum dot far in the strong-coupling regime of cavity-QED at optical frequencies

Daniel Najer, Immo Söllner외 11명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 20.

Strong Light-Matter Interactions인용 수 43

한 줄 요약

그 논문은 tunable ultrahigh-Q 캐비티에서 게이티드 양자점이 광학 강결합을 달성하도록 하는 모습을 보여주며, 진공 라비 진동 및 광자 차단 현상을 명확히 나타내고, Jaynes-Cummings 모델로 정량적으로 기술되며, 광학 cQED 양자 기술에의 응용을 제안한다.

ABSTRACT

The strong-coupling regime of cavity-quantum-electrodynamics (cQED) represents light-matter interaction at the fully quantum level. Adding a single photon shifts the resonance frequencies, a profound nonlinearity. cQED is a test-bed of quantum optics and the basis of photon-photon and atom-atom entangling gates. At microwave frequencies, success in cQED has had a transformative effect. At optical frequencies, the gates are potentially much faster and the photons can propagate over long distances and be easily detected, ideal features for quantum networks. Following pioneering work on single atoms, solid-state implementations are important for developing practicable quantum technology. Here, we embed a semiconductor quantum dot in a microcavity. The microcavity has a $\mathcal{Q}$-factor close to $10^{6}$ and contains a charge-tunable quantum dot with close-to-transform-limited optical linewidth. The exciton-photon coupling rate $g$ exceeds both the photon decay rate $κ$ and exciton decay rate $γ$ by a large margin ($g/γ=14$, $g/κ=5.3$); the cooperativity is $C=2g^{2}/(γκ)=150$, the $β$-factor 99.7%. We observe pronounced vacuum Rabi oscillations in the time-domain, photon blockade at a one-photon resonance, and highly bunched photon statistics at a two-photon resonance. We use the change in photon statistics as a sensitive spectral probe of transitions between the first and second rungs of the Jaynes-Cummings ladder. All experiments can be described quantitatively with the Jaynes-Cummings model despite the complexity of the solid-state environment. We propose this system as a platform to develop optical-cQED for quantum technology, for instance a photon-photon entangling gate.

연구 동기 및 목표

• 고속, 장거리 양자 네트워크를 위한 고체 상태 시스템의 광학 캐비티-QED 추구를 동기화한다.
• 초고 Q 및 작은 모드 부피를 갖는 마이크로공진기에 양자점을 실현하여 강 결합에 진입한다.
• 전기 제어를 위한 게이팅을 도입하는 동시에 양자점 선폭을 거의 변환 한계에 가깝게 유지한다.
• 정량적으로 g, κ, γ를 특성화하고 중성 및 하전 엑시톤 전반에 걸친 JC 역학을 시연한다.
• 광자-광자 얽힘 게이트 및 스핀-광자 인터페이스와 같은 응용을 제안한다.

제안 방법

• 전하 조정 가능한 InGaAs 양자점을 Q ~ 10^6 및 모드 부피 ~1.4 λ0^3인 미니어처화된 Fabry-Pérot 캐비티에 삽입한다.
• 양자점(Vg) 게이팅 또는 캐비티(Vz) 조정을 통해 현장에서 디태닝을 제어한다.
• 공진 광 레이저 여기와 편광 기반의 다크필드 검출을 사용하여 캐비티-QD 광자를 산란하고 측정한다.
• 스펙트럼 데이터와 Jaynes-Cummings 모델에 대한 적합으로 결합률 g, 공동 감쇠 κ, 양자점 감쇠 γ를 추출한다.
• 1광자 및 2광자 공진을 통해 Jaynes-Cummings 사다리의 더 높은 가판대들을 조사하고 g^(2)(τ) 및 g^(2)(0)을 분석한다.
• g^(2)-분광법을 사다리 내의 약한 전이를 찾는 방법으로 개발하고 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가변 가능한 초고-Q 캐비티에서 게이티드 양자점이 광학 주파수에서 강 결합 영역에 도달하고 유지될 수 있는가?
• RQ2 같은 양자점 내의 중성 및 하전 엑시톤 구성에서 그리고 여러 양자점에 걸쳐 g, κ, γ의 비교는 어떻게 되는가?
• RQ3 현실적인 고체 상태 조건에서 시간 도메인 및 주파수 도메인 측정으로 진공 라비 진동, 광자 차단, 그리고 높은 가판대의 Jaynes-Cummings 다이내믹이 나타나는가?
• RQ4 Jaynes-Cummings 모델 예측이 detuning 및 구동 조건에 걸친 g^(2)(τ)을 포함한 복잡한 고체 상태 cQED 스펙트럼을 정량적으로 설명할 수 있는가?
• RQ5 특정 사다리 전이를 드러내고 광자-광자 게이트 개념을 가능하게 할 수 있는 프로토콜은 무엇인가?

주요 결과

• g/γ = 14, g/κ = 5.3, 그리고 cooperativity C = 150을 Q ≈ 10^6 및 β ≈ 99.7%로 달성했다.
• 시간 및 스펙트럼 해상 측정에서 1-광자 공진에서 뚜렷한 진공 라비 진동과 광자 차단을 관찰했다.
• 동일 양자점 내의 중성 X0와 하전 X+ 엑시톤 모두에서, 그리고 같은 캐비티의 여러 양자점에 걸쳐 강 결합을 시연했다.
• 스펙트럼 데이터와 시간 영역 측정은 측정된 g, κ, γ를 사용한 Jaynes-Cummings 모델로 정량적으로 설명된다.
• Jaynes-Cummings 사다리 전이에 매칭되는 다중 주파수 성분으로 풍부한 g^(2)(τ) 구조를 드러냈고 JC-모델 예측과 일치한다.
• 사다리에서 1+ → 2-와 같은 약한 고가판 전이를 탐지하기 위한 g^(2)-분광법을 도입하고 검증했다.