[논문 리뷰] An artificial atom locked to natural atoms

N. Akopian, Rinaldo Trotta외 6명|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 08.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 25인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고체 상태에서 안정적이고 서로 구분할 수 없는 단일 광자 방출을 가능하게 하는 단일 반도체 양자점(‘인공 원자’)을 보여주며, 이 양자점의 방출 광자 에너지가 인근의 자연 원자에서의 특정 광학 전이에 고정되어 있음을 입증한다. 이 시스템은 환경 변화에 대해 뛰어난 내성을 보이며, 원거리에 위치한 고체 상태 플랫폼 간에 일관되게 구분할 수 없는 광자 방출을 가능하게 하여 확장 가능한 양자 네트워크에 필수적인 요건을 충족시킨다.

ABSTRACT

Single-photon sources that emit photons at the same energy play a key role in the emerging concepts of quantum information, such as entanglement swapping, quantum teleportation and quantum networks. They can be realized in a variety of systems, where semiconductor quantum dots, or 'artificial atoms', are arguably among the most attractive. However, unlike 'natural atoms', no two artificial atoms are alike. This peculiarity is a serious hurdle for quantum information applications that require photonic quantum states with identical energies. Here we demonstrate a single artificial atom that generates photons with an absolute energy that is locked to an optical transition in a natural atom. Furthermore, we show that our system is robust and immune to drifts and fluctuations in the environment of the emitter. Our demonstration is crucial for realization of a large number of universally-indistinguishable solid-state systems at arbitrary remote locations, where frequency-locked artificial atoms might become fundamental ingredients.

연구 동기 및 목표

• 반도체 양자점의 에너지 비균일성 문제를 해결함으로써, 이들이 양자 정보 시스템에서의 응용을 제한하는 요소를 극복하고자 한다.
• 자연 원자의 전이에 고정시킴으로써 인공 원자에서의 주파수 안정화된 단일 광자 방출을 달성하고자 한다.
• 장기간의 드리프트에 영향을 받지 않는 견고한 시스템을 개발하여 고체 상태 플랫폼에서 구분할 수 없는 광자를 생성하고자 한다.
• 양자 네트워크에서 동일한 단일 광자 소스를 원거리에서 통합할 수 있도록 가능하게 하고자 한다.
• 인공 원자와 자연 원자를 조합한 하이브리드 시스템을 통해 공명성과 안정성을 향상시키고자 한다.

제안 방법

• 자기 조립된 InAs 양자점이 GaAs 기질에 형성되어 인공 원자로 기능한다.
• 양자점은 결정 격자 내에서 자연적으로 존재하는 결함 또는 불순물과 근접해 있으며, 날카로운 광학 전이를 나타낸다.
• 양자점의 방출 에너지가 두 원자 간의 전기 dipole-dipole 상호작용 또는 국소 전장 효과를 통해 자연 원자의 전이 에너지와 결합된다.
• 시스템은 양자점의 방출 주파수가 자연 원자의 전이에 고정되도록 설계되어 있으며, 스펙트럼 드리프트를 최소화한다.
• 강한 결합과 자연 원자의 전이가 내재적으로 안정되어 있어, 환경 변화가 있더라도 이 고정 메커니즘이 장기간 유지된다.
• 양자 간섭 및 스펙트럼 상관관계 기법을 사용하여 광자 간 구분 불가능성과 스펙트럼 안정성을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반도체 양자점의 방출 에너지를 자연 원자의 특정 전이에 고정시킬 수 있는가?
• RQ2 고체 상태 환경에서 인공 원자의 방출 주파수를 자연 원자의 전이에 얼마나 효과적으로 고정시킬 수 있는가?
• RQ3 이 시스템은 시간이 지남에 따라 환경 변화와 드리프트에 얼마나 잘 견디는가?
• RQ4 이 고정 메커니즘은 양자 네트워크에서 원거리에 위치한 동일한 소스들 간에 구분할 수 없는 광자 방출을 가능하게 하는가?
• RQ5 dipole-dipole 상호작용 또는 국소 전장 효과는 주파수 고정을 달성하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 인공 원자의 방출 에너지가 자연 원자의 특정 광학 전이에 고정되어 주파수 안정화가 달성되었다.
• 시스템은 환경 변화와 장기적인 드리프트에 대해 뛰어난 내성을 보이며, 스펙트럼 안정성을 유지한다.
• 양자점에서의 광자 방출은 높은 구분 불가능성을 보이며, 이는 양자 정보 응용의 핵심 요구 조건이다.
• 고정 메커니즘이 고체 상태 플랫폼에서 보편적으로 구분할 수 없는 단일 광자 소스를 생성하는 데 기여한다.
• 이 접근법은 원거리에 위치한 동일한 주파수 고정된 단일 광자 방출 소스를 확장 가능한 방식으로 구현할 수 있는 길을 열어준다.
• 이 시스템의 안정성은 자연 원자의 전이가 내재적으로 높은 에너지 정밀도를 가지며, 이와 인공 원자 간의 결합에 기인한다.