[논문 리뷰] Deterministic Storage and Retrieval of Telecom Quantum Dot Photons Interfaced with an Atomic Quantum Memory

S. E. Thomas, L. Wagner외 12명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 07.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 ORCA 프로토콜을 사용하여 InAs 반도체 양자점에서 발생하는 단일 광자를 통신 파장(1529.3 nm)에서 열린 루비디움 기체 원자 양자 메모리에 최초로 결정적 저장 및 즉시 검색하는 것을 보여준다. 총 내부 메모리 효율이 12.9±0.4%이고 신호 대 잡음비가 18.2±0.6임을 확인함으로써, 확장 가능한 광자 양자 네트워크와 양자 중계기 구조를 위한 핵심 하이브리드 양자 인터페이스를 구축한다.

ABSTRACT

A hybrid interface of solid state single-photon sources and atomic quantum memories is a long sought-after goal in photonic quantum technologies. Here we demonstrate deterministic storage and retrieval of photons from a semiconductor quantum dot in an atomic ensemble quantum memory at telecommunications wavelengths. We store single photons from an InAs quantum dot in a high-bandwidth rubidium vapour based quantum memory, with a total internal memory efficiency of $(12.9 \pm 0.4) \%$. The signal-to-noise ratio of the retrieved photons is $18.2\pm 0.6$, limited only by detector dark counts. This demonstration paves the way to quantum technologies that rely on distributed entanglement, and is especially suited for photonic quantum networks.

연구 동기 및 목표

• 반도체 양자점에서 유도된 단일 광자를 원자 양자 메모리에 결정적으로 고신뢰도로 저장하고 즉시 검색할 수 있도록 한다.
• 양자점 방출 대역폭(GHz)과 원자 메모리 대역폭를 효율적인 양자 인터페이스를 위해 매칭하는 문제를 해결한다.
• 장거리 광섬유를 통한 저손실 전송을 가능하게 하기 위해 통신 파장(1529.3 nm)에서 작동하도록 한다.
• 이전 시스템의 한계를 극복하기 위해 고신호 대 잡음비와 낮은 잡음 수준을 갖춘 하이브리드 양자 빛-물질 인터페이스를 구현한다.
• 양자점 소스와 원자 군집을 기반으로 한 분산 양자 네트워크와 양자 중계기 아키텍처의 기반을 마련한다.

제안 방법

• 1529.3 nm에서의 광자 저장 및 검색을 위해 열린 루비디움 기체에서 비공명 연쇄 흡수(ORCA) 프로토콜을 사용한다.
• 양자점 광자 방출(가우시안형, FWHM ≈ 300 ps)을 메모리의 1 GHz 대역폭에 맞추기 위해 스펙트럼 및 시간 필터링을 적용한다.
• 광자 웨이브패킷을 지수 감쇠(1/e ≈ 0.85 ns)에서 FWHM = 300 ps인 가우시안으로 형상 조절하기 위해 전기광학 모듈레이터(EOM)를 사용한다.
• 파브리-페로 기록기를 스펙트럼 필터로 사용하여 1529.3 nm에서 연속광에 대해 85% 투과율, 비균일하게 넓어진 단일 광자에 대해 3.0±0.5% 투과율을 갖도록 조정한다.
• 신호 대 잡음비와 광자 수율 간의 균형을 맞추기 위해 500 ps 통합 창을 갖춘 시간 해상도 검출 방식을 구현한다.
• 교정된 단일 광자 검출기로 메모리 효율을 측정하고, 광학 손실을 상세한 손실 예산(총 투과율 η_optical = 0.153±0.009)을 통해 보정한다.

Figure 1: Schematic of the experimental set-up for the quantum dot - quantum memory interface. (a) Energy level scheme for the Telecom ORCA quantum memory protocol in rubidium vapour. (b) Scheme of the semiconductor QD sample with semiconductor bottom DBR, metamorphic buffer (MMB) and oxide top DBR.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반도체 양자점에서 발생하는 단일 광자를 통신 파장에서 원자 양자 메모리에 결정적으로 저장하고 검색할 수 있는가?
• RQ2 GHz 대역폭의 양자점 방출을 고대역폭 원자 메모리에 매칭했을 때 얻을 수 있는 메모리 효율과 신호 대 잡음비는 얼마인가?
• RQ3 시간 및 스펙트럼 필터링은 양자점-메모리 인터페이스의 호환성과 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 ORCA 프로토콜의 잡음 수준은 하이브리드 양자 인터페이스 성능에 어느 정도 제한을 가하는가?
• RQ5 이 시스템은 효율적이고 즉각적인 광자 저장 및 검색을 통해 확장 가능한 장거리 양자 네트워크를 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 총 내부 메모리 효율이 (12.9±0.4)%로 측정되어 고체 상태 소스를 사용한 결정적 양자 메모리 운영의 핵심 이정표를 달성했다.
• 검색된 광자의 신호 대 잡음비가 18.2±0.6에 도달하여 검출기의 암전류에 의해만 제한되며, 고신뢰도 검색을 나타낸다.
• 500 ps 통합 창을 통해 신호 대 잡음비 18.2±0.6과 함께 (22±1) s⁻¹의 수율을 확보하였다.
• 시간 필터링 손실을 고려한 후, 전체 입력 펄스를 사용했을 때 메모리 효율은 (10.9±0.3)%로 감소하여 필터링 영향에 대한 강건성을 확인했다.
• 비균일하게 넓어진 단일 광자에 대한 스펙트럼 필터링 효율은 (3.0±0.5)%로 측정되어 이론적 예측과 일치한다.
• 광학 손실 예산을 정량화하여 소스에서 검출기까지 총 투과율 η_optical = 0.153±0.009로 측정하였으며, 주요 손실은 EOM, 광섬유 커플링 및 필터에서 기인한다.

Figure 2: Characterisation of single-photon source (a) Spectrum of photons from QD without (blue) and with (red) spectral filtering from the etalon, normalised to the maximum intensity. The dashed black line shows the target wavelength of the memory. (b) The second-order autocorrelation, $g^{(2)}(\t