[논문 리뷰] Cavity-enhanced single artificial atoms in silicon

Valeria Saggio, Carlos Errando-Herranz외 10명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 20.

Photonic and Optical Devices인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 통신 O밴드 파장(1279 nm)에서 실리콘 내 단일 G-센터를 광학 공진기로 강화하여, 고 Q/V 비율과 고수집 효율(η > 70%)을 최적화함으로써, 결정적인 스핀-광자 인터페이스를 실현하고, 확장 가능한 양자 기술을 위한 페르쿨 증폭을 달성하였다. 양자 효율은 <18%로 제한되어 있어, 스핀-광자 인터페이스의 결정적 실현이 가능해졌다.

ABSTRACT

Artificial atoms in solids are leading candidates for quantum networks, scalable quantum computing, and sensing, as they combine long-lived spins with mobile and robust photonic qubits. The central requirements for the spin-photon interface at the heart of these systems are long spin coherence times and efficient spin-photon coupling at telecommunication wavelengths. Artificial atoms in silicon have a unique potential to combine the long coherence times of spins in silicon with telecommunication wavelength photons in the world's most advanced microelectronics and photonics platform. However, a current bottleneck is the naturally weak emission rate of artificial atoms. An open challenge is to enhance this interaction via coupling to an optical cavity. Here, we demonstrate cavity-enhanced single artificial atoms at telecommunication wavelengths in silicon. We optimize photonic crystal cavities via inverse design and show controllable cavity-coupling of single G-centers in the telecommunications O-band. Our results illustrate the potential to achieve a deterministic spin-photon interface in silicon at telecommunication wavelengths, paving the way for scalable quantum information processing.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 양자 정보 처리를 위한 실리콘 내 통신 파장에서 결정적인 스핀-광자 인터페이스를 실현하기 위해.
• 실리콘 내 인공 원자에서의 약한 복사 방출률을 극복하기 위해 고품질 인덕계수, 소형 모드 부피를 갖춘 광결정 공진기와 결합함으로써.
• 역설계를 통해 광결정 공진기를 최적화하여, 고광자 수집 효율(η)과 고페르쿨 인자(FP)를 동시에 달성하기 위해.
• 1279 nm에서 영점 진동선을 갖는 G-센터에서 공진기 강화된 단일 광자 방출을 실험적으로 구현하여 기존 광학 및 전자 인프라와의 통합을 가능하게 하기 위해.
• 양자 효율과 수명 측정치를 비교 분석함으로써 두 가지 다른 결함 유형(Ga 및 Gb)을 규명하여 이전 보고된 G-센터 특성 간의 모순을 해결하기 위해.

제안 방법

• 고 Q/V 비율과 고원거리 수집 효율(η > 70%)을 확보하기 위해 2차원 광결정 공진기를 역설계함.
• 유한차분시간영역(FDTD) 시뮬레이션을 사용하여 공진기 모드 분포 및 원거리 산란 패턴을 모델링함.
• 목표 Q/V 비율을 확보하고 G-센터의 전이 모멘트와의 모드 오버랩을 최적화한 L3형 광결정 공진기를 제작함.
• 광자 플럭스 비율(φon/φoff)을 측정하여 페르쿨 인자(FP = φon/φoff − 1)를 추출하고, 수명 데이터를 이용해 양자 효율(QE)의 상한을 도출함.
• 비공진(excitation) 조건 하에서 수명 측정치를 기반으로 τoff/ton = 1 + FPF DWQE 관계를 적용하여 QE의 상한을 유도함.
• 실험 결과를 문헌 자료와 비교하여 ZPL, QE, 그리고 자극 상태 수명을 기반으로 두 가지 G-센터 결함 유형(Ga 및 Gb)을 구분함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 내 역설계된 광결정 공진기는 단일 인공 원자에서 동시에 고 Q/V 비율과 고광자 수집 효율(η)을 달성할 수 있는가?
• RQ2 O밴드 파장 1279 nm에서 실리콘 내 공진기에 결합된 단일 G-센터에서 달성 가능한 최대 양자 효율(QE)은 얼마인가?
• RQ3 공진기 결합은 단일 G-센터의 자극 상태 수명에 어떤 영향을 미치며, 이는 복사 붕괴 증폭에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 이전 보고된 G-센터 특성 간의 모순(예: QE, 수명)은 서로 다른 결함 유형 때문이거나 측정 조건의 차이 때문인가?
• RQ5 공진기로 강화된 인공 원자를 활용하여 실리콘 내 통신 파장에서 결정적인 스핀-광자 인터페이스를 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 저자들은 단일 G-센터에서 공진기 강화된 자극 상태 수명을 5.50 ± 0.05 ns로 측정하여, 상당한 페르쿨 증폭이 발생했음을 확인하였다.
• 공진기 결합된 G-센터의 양자 효율(QE)은 18% 이하로 제한되며, 이는 수명 측정치와 광자 플럭스 비율에서 유도됨.
• 광결정 공진기 설계는 0.55 NA 목표 렌즈로의 시뮬레이션 원거리 수집 효율이 70% 이상을 기록하여, 칩 내 효율적인 빛 수집이 가능함을 보여줌.
• 공진기 품질 인자(Q)와 모드 부피(V)는 3725 (λ/n)⁻³를 초과하는 Q/V 비율을 제공하여 강한 빛-물질 상호작용을 나타냄.
• 측정된 영점 진동선(ZPL) 1279 nm는 통신 O밴드에서의 작동을 확인하며, 기존의 섬유 네트워크와 호환됨.
• 데이터는 두 가지 다른 G-센터 결함 유형(Ga: ZPL ~1278 nm, 저효율, 짧은 수명; Gb: ZPL ~1270 nm, 고효율, 긴 수명) 존재를 지지하며, 이전의 모순된 보고를 통합함.