[논문 리뷰] Coherent Quantum Interconnection between On-Demand Quantum Dot Single Photons and a Resonant Atomic Quantum Memory

Guodong Cui, Lucas Schweickert외 12명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 24.

Quantum Information and Cryptography인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 GaAs 양자점에서 발생하는 주문형 단일 광자와 87Rb 기체의 공 resonance 원자 양자 메모리 사이의 일관된 양자 상호작용을 통해, 광자의 양자화된 전기장이 원자 공명에 맵핑되는 공 resonance 빛-물질 상호작용을 이용하여, 일관된 양자 상호접속을 구현한다. 주요 결과는 장수명 원자 공명과 양자 준-시뮬턴의 형성을 관측한 것으로, 이는 향후 고속 하이브리드 양자 네트워크 및 비선형 광학 장치에 응용 가능성을 제공한다.

ABSTRACT

Long-range quantum communication requires the development of in-out light-matter interfaces to achieve a quantum advantage in entanglement distribution. Ideally, these quantum interconnections should be as fast as possible to achieve high-rate entangled qubits distribution. Here, we demonstrate the coherent quanta exchange between single photons generated on-demand from a GaAs quantum dot and atomic ensemble in a $^{87}$Rb vapor quantum memory. Through an open quantum system analysis, we demonstrate the mapping between the quantized electric field of photons and the coherence of the atomic ensemble. Our results play a pivotal role in understanding quantum light-matter interactions at the short time scales required to build fast hybrid quantum networks.

연구 동기 및 목표

• GaAs 양자점에서 주문형으로 발생하는 단일 광자와 87Rb 기체 내 공 resonance 원자 양자 메모리 사이의 일관된 양자 상호접속을 달성하고자 한다.
• 비공 resonance 느린 빛 효과에 의존하지 않고, 고대역폭·단기 단일 광자를 원자 집합체에 맵핑하는 데 도전 과제를 극복하고자 한다.
• 간접 측정 기법과 맥스웰-블로흐 시뮬레이션을 이용하여, 양자화된 광학장과 원자 공명 간의 일관된 교환을 실험적으로 검증하고자 한다.
• 공 resonance, 고속 빛-물질 상호작용 영역에서 새로운 양자 역학적 현상, 예를 들어 폴라리톤 형성과 장수명 공명을 탐색하고자 한다.
• 하이브리드 양자 시스템을 기반으로 비선형 광학 양자 장치와 고속도 양자 네트워크를 위한 기반을 마련하고자 한다.

제안 방법

• 87Rb D1 선( F=1↔F′=1)에 공 resonance하는 주문형, 주파수 조절 가능한 GaAs 양자점을 사용하여 단일 광자를 생성하였다.
• 실온에서 작동하는 87Rb 기체 세포를 양자 메모리로 활용하여, V-구조 형식의 원자 전이를 공 resonance로 자극하였다.
• 광자 전파 동안 밀도 행렬 요소의 시공간적 진화를 시뮬레이션하기 위해 맥스웰-블로흐 방정식 프레임워크를 적용하였다.
• 직접 측정이 상호작용 중 불가능했기 때문에, 원자 공명 역학을 유추하기 위해 간접 측정 기법을 사용하였다.
• 실험 결과를 전기장 세기 |ℰ(z,t)|² 및 원자 밀도 행렬 요소 ρ₃₁, ρ₄₁, ρ₄₃의 시뮬레이션과 비교하여 일관된 맵핑을 검증하였다.
• 공명 및 에너지 축적의 시간 및 온도 의존성 시뮬레이션을 통해 빛-물질 폴라리톤 및 양자 준-시뮬턴 형성 과정을 분석하였다.

Figure 1: Hybrid quantum light-matter interfaces. (Left) A tunable solid-state quantum dot photon source. The quantum dot emits entangled photon pairs with different frequencies via its biexciton-exciton cascade. The biexciton transition is strain-tuned to emit at atomic transition wavelengths. (Rig

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주문형 고대역폭 단일 광자와 공 resonance 원자 양자 메모리 사이에서 일관된 양자 상호접속을 달성할 수 있는가?
• RQ2 짧은 광자 펄스와 원자 집합체 사이의 공 resonance 상호작용에서, 비공 resonance 느린 빛 효과와 비교해 어떤 새로운 양자 역학적 현상이 나타나는가?
• RQ3 입사 광자 펄스의 지속 시간을 초월해 원자 공명이 얼마나 오랫동안 유지될 수 있으며, 이를 가능하게 하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 밀도 행렬 요소의 시뮬레이션 동역학과 전기장 진화가 광학적 자유도와 원자 자유도 간의 일관된 맵핑을 어떻게 검증하는가?
• RQ5 관측된 양자 준-시뮬턴 역학은 향후 비선형 광-광자 상호작용을 위한 양자 장치에서 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 시뮬레이션된 공 resonance 광자장 |ℰ(z,t)|² 과 원자 공명 ρ₃₁(z,t) 의 진화는 빛-물질 폴라리톤 형성의 시적 변화 진동을 나타내었다.
• 깊은 전파 깊이에서 |ℰ(z,t)|² 과 ρ₃₁(z,t) 간의 반대 위상의 진동은 F=1↔F′=1 전이에서 빛-물질 폴라리톤 형성을 확인시켰다.
• ρ₃₁(z,t) 와 ρ₄₁(z,t) 간의 동위상 진동은 비선형으로 결합된 원자 V-구조 시스템의 존재를 보여주었다.
• 상태 공명 ρ₄₃(z,t) 는 원래 광자 펄스 지속 시간의 약 20배 더 오래 지속되어 장수명 원자 공명을 나타내었다.
• z = 5 cm 에서 펄스가 지나간 후에도 원자 집합체의 에너지는 여전히 비영이었으며, 이는 흥분 상태의 일관된 초위상 중첩 상태에 광학 흥분이 저장되었음을 확인하였다.
• 온도 상승은 ρ₃₁(t) 와 ρ₄₁(t) 간의 결합을 유도하여, 한 개의 광자 초위상에서 두 개의 폴라리톤 모드를 포함하는 준-시뮬턴 유사 역학을 초래하였다.

Figure 2: Quantum dot light source characterization. (a) Color-coded photoluminescence spectra of the biexciton-exciton cascade under resonant two-photon excitation as a function of the excitation pulse area, revealing Rabi-oscillations. The red vertical line indicates the rubidium D 1 transitions.