[논문 리뷰] Deterministic and Robust Generation of Single Photons On a Chip with 99.5% Indistinguishability Using Rapid Adiabatic Passage

Yu-Jia Wei, Yuming He외 9명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 08.

Quantum Information and Cryptography인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 긍정적 주기율을 가진 펄스를 사용한 급속 애디아바틱 통과(RAP)를 통해 반도체 웨이퍼에 집적된 InGaAs 양자점에서 결정적인, 강건한 단일 광자 발진을 구현한다. 이 방법은 홍-오우-만델 간섭에서 99.5%의 비구별성(indistinguishability)을 달성하여 표면 코드 양자 컴퓨팅의 고장 내성 임계치를 초월하며, 이중 광자 방출 확률은 0.3%로 극히 낮다.

ABSTRACT

We demonstrate deterministic and robust generation of pulsed resonance fluorescence single photons from a single InGaAs quantum dot using the method of rapid adiabatic passage. Comparative study is performed with transform-limited, negatively chirped and positively chirped pulses, identifying the last one to be the most robust against fluctuation of driving strength. The generated single photons are background free, have a vanishing two-photon emission probability of 0.3% and a raw (corrected) two-photon Hong-Ou-Mandel interference visibility of 97.9% (99.5%), reaching a precision that places single photons at the threshold for fault-tolerant surface-code quantum computing. The single-photon source can be readily scaled up to multi-photon entanglement and used for quantum metrology, boson sampling and linear optical quantum computing.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 양자 기술에 적합한 반도체 웨이퍼 기반 결정적이고 강건한 단일 광자 소스 개발.
• 자기 공명 조명 방식의 실험적 매개변수 변동(예: 조명 강도, 전기 dipole 모멘트)에 대한 민감도를 극복.
• 고장 내성 양자 컴퓨팅 및 선형 광학 양자 계산에 필수적인 높은 광자 비구별성 확보.
• 배경 잡음이 없는, 조건부로 발생하는 단일 광자 방출과 극히 낮은 다중 광자 방출 확률 달성.
• 양자점 내에서 신뢰성 있는 인구 전이를 위한 가장 강건한 주기율 펄스 구성 규명.

제안 방법

• 이중 준위 양자점 시스템에서 인구 전이를 조작하기 위해 주파수 주기율 펄스를 사용한 급속 애디아바틱 통과(RAP)를 적용.
• 낮은 주파수에서 높은 주파수로 주기율이 변화하는 긍정적 주기율 펄스를 사용하여 하위 드레스드 상태 |−⟩를 따라 애디아바틱 진동을 유도함으로써, 매개변수 변동에 대비한 강건한 인구 역전을 보장.
• 변형 제한 펄스, 음성 주기율 펄스, 긍정성 주기율 펄스를 비교하여, 후자가 조명 강도 변화에 대해 더 강건함을 규명.
• 스펙트럼 필터링 및 비대칭 맥스웰-젠더 간섭계를 사용하여 홍-오우-만델 간섭을 통해 광자 비구별성 측정.
• g²(0) = 0.003(2) 및 일阶 간섭 시각화도를 포함한 별도 측정된 시스템 매개변수를 바탕으로 원시 간섭 시각화도 보정.
• 50:50 분광기와 시간-빈 인코딩을 사용하여 연속된 두 광자 간의 양자 간섭 측정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 긍정적 주기율 펄스를 사용한 급속 애디아바틱 통과가 단일 양자점에서 결정적이고 강건한 단일 광자 발진을 가능하게 하는가?
• RQ2 주기율 펄스 선택(긍정 vs. 음성)이 조명 강도 변동에 대한 강건성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 RAP를 통해 생성된 광자의 비구별성 정도는 무엇이며, 표면 코드 양자 컴퓨팅의 고장 내성 임계치를 충족하는가?
• RQ4 이 방법은 배경 잡음이 없는, 거의 배경 없는 단일 광자 방출과 극히 낮은 이중 광자 방출 확률을 달성할 수 있는가?
• RQ5 이 방법은 다중 광자 얽힘 및 통합 광학 양자 회로로의 확장 가능성은 어느 정도인가?

주요 결과

• 원시 홍-오우-만델 간섭 시각화도는 97.9%였으며, 시스템 비이상성 요소를 보정한 결과 99.5%로 향상됨.
• 이중 광자 방출 확률 g²(0)는 0.3%로 측정되어 다중 광자 방출이 극도로 억제됨.
• 실험적으로 긍정적 주기율 펄스가 조명 강도 및 전기 dipole 모멘트 변화에 대해 음성 주기율 펄스보다 더 강건함이 확인됨.
• 보정된 비구별성 99.5%는 표면 코드 양자 컴퓨팅의 고장 내성 임계치인 99%를 초월함.
• 이 방법은 결정적인 배경 없는 단일 광자 방출을 가능하게 하며, 반복 주파수 82 MHz, 간섭 측정에 적합한 3.2 ns 시간 창 확보.
• 이론적 분석 결과, 관측된 비구별성이 이상 조건에서는 이중 큐비트 제어-제논 게이트 허용도 0.999(3), 현실적인 선형 광학 조건에서는 0.996(2)를 제공하며, 모두 99% 오류 임계치를 초월함.