[논문 리뷰] Demonstration of quantum entanglement between a single quantum dot electron spin and a photon

John R. Schaibley, A. P. Burgers외 7명|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 19.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 반도체 양자점 내 단일 전자 스핀과 동일한 양자점에서 방출된 광자 간의 첫 번째 실험적 양자 얽힘을 입증한다. 전적으로 광학적 기법을 사용하여 저자들은 검출기 시간 해상도 제약 조건을 고려할 때 이론적으로 달성 가능한 최대 허상도의 84%에 해당하는 0.59의 허상도를 달성하였으며, 유추된 얽힘 생성률은 3 × 10³ s⁻¹이었다. 이는 광자 큐비트를 통한 확장 가능한 양자점 기반 양자 컴퓨팅으로 향하는 핵심 단계이다.

ABSTRACT

The electron spin state of a singly charged semiconductor quantum dot has been shown to form a suitable single qubit for quantum computing architectures with fast gate times. A key challenge in realizing a useful quantum dot quantum computing architecture lies in demonstrating the ability to scale the system to many qubits. In this letter, we report an all optical experimental demonstration of quantum entanglement between a single electron spin confined to single charged semiconductor quantum dot and the polarization state of a photon spontaneously emitted from the quantum dot's excited state. We obtain a lower bound on the fidelity of entanglement of 0.59, which is 84% of the maximum achievable given the timing resolution of available single photon detectors. In future applications, such as measurement based spin-spin entanglement which does not require sub-nanosecond timing resolution, we estimate that this system would enable near ideal performance. The inferred (usable) entanglement generation rate is 3 x 10^3 s^-1. This spin-photon entanglement is the first step to a scalable quantum dot quantum computing architecture relying on photon (flying) qubits to mediate entanglement between distant nodes of a quantum dot network.

연구 동기 및 목표

• 이온 InAs/GaAs 양자점 내 단일 전자 스핀과 그의 비활성 상태에서 방출된 광자 간의 양자 얽힘을 입증하는 것.
• 원거리에 있는 양자점 노드 간의 얽힘을 매개하기 위해 광자를 '비행 큐비트'로 사용하여 확장 가능한 양자점 기반 양자 컴퓨팅을 실현하는 것.
• 장거리 얽힘을 위해 장거리 연결을 위한 광학적 링크를 활용하여 스핀 기반 큐비트의 확장성 문제를 해결하는 것.
• 특히 단일 광자 검출기의 제한된 시간 해상도에 기인한 현실적인 실험 조건 하에서 고신뢰도의 스핀-광자 얽힘을 달성하는 것.

제안 방법

• 단일 전자를 고립시키기 위해 이온화된 InAs/GaAs 자가조립 양자점을 사용하여 큐비트로 기능하는 단일 전자 스핀을 구속한다.
• 양자점을 비활성 상태로 준비하여, 스핀 상태의 초위상에서 균형을 이룬 극화 상태를 갖는 광자를 자발적으로 방출하도록 유도한다.
• 광자 극화 상태와 전자 스핀 간의 얽힘 상태를 검출하기 위해 전적으로 광학적 측정을 수행한다.
• 제한된 시간 해상도를 갖는 시간 분해 단일 광자 검출을 통해 얽힘의 허상도를 평가한다.
• 측정된 상관관계에 양자 상태 단층 촬영 기법을 적용하여 얽힘 허상도의 하한을 계산한다.
• 검출된 광자 방출 사건과 스핀 측정 결과를 기반으로 사용 가능한 얽힘 생성률을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반도체 양자점 내 단일 전자 스핀이 자발적으로 방출된 광자의 극화 상태와 얽힐 수 있는가?
• RQ2 실제 검출기 시간 해상도 제약 조건 하에서 이러한 스핀-광자 얽힘의 달성 가능한 허상도는 얼마인가?
• RQ3 이 시스템은 양자점 네트워크에서 장거리 스핀-스핀 얽힘에 대한 확장 가능한 자원으로 기능할 수 있는가?
• RQ4 사용 가능한 단일 광자 검출기의 제한된 시간 해상도가 관측된 얽힘 허상도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 시스템에서 실용적인 사용 가능한 얽힘 생성률은 얼마인가?

주요 결과

• 실험은 단일 광자 검출기의 시간 해상도 제약 조건을 고려할 때, 얽힘 허상도의 하한을 0.59로 달성하였으며, 이는 이론적으로 가능한 최대 허상도의 84%에 해당한다.
• 유추된 사용 가능한 얽힘 생성률은 3 × 10³ s⁻¹이며, 향후 양자 네트워크에 적합한 실용적 속도를 나타낸다.
• 이 시스템은 원거리 양자점 스핀 간의 얽힘을 매개하기 위해 광자를 '비행 큐비트'로 활용할 수 있음을 입증한다.
• 미래의 응용에서 시간 해상도 요구 조건이 덜 엄격한 경우 — 예를 들어 측정 기반 스핀-스핀 얽힘 — 이 시스템은 거의 이상적인 성능을 달성할 것으로 기대된다.
• 이 스핀-광자 얽힘은 광학 인터커넥트 기반의 확장 가능한 양자점 기반 양자 컴퓨팅 아키텍처를 향한 기초적인 단계를 대표한다.