[논문 리뷰] Efficient deterministic giant photon phase shift from a single charged quantum dot

Petros Androvitsaneas, A. B. Young외 9명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 09.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 40인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 저항도수(low-Q) 마이크로피라미드 공진기 내에 있는 단일 음성 전하를 띤 In(Ga)As 양자점에서 120°(2π/3)에 이르는 결정론적 거대 광자 위상 이동을 실현하여 π/2(90°)를 초과하는 위상 이동을 달성하였다. 이는 확장 가능한 양자 광학 스위치 및 스핀-광자 얽힘에 필수적이다. 시스템은 높은 β因수(~0.65)를 확보하고 수집된 광자 중 80%에서 결정론적 π-위상 이동을 가능하게 하여 고체 상태 양자 광학 분야에서의 핵심적 진전을 이룩하였다.

ABSTRACT

Solid-state quantum emitters have long been recognised as the ideal platform to realize integrated quantum photonic technologies. We use a self-assembled negatively charged QD in a low Q-factor photonic micropillar to demonstrate for the first time a key figure of merit for deterministic switching and spin-photon entanglement: a shift in phase of an input single photon of $>90^{o}$ with values of up to $2π/3$ ($120^{o}$) demonstrated. This $>π/2$ ($90^{o}$) measured value represents an important threshold: above this value input photons interact with the emitter deterministically. A deterministic photon-emitter interaction is the only viable scalable means to achieve several vital functionalities not possible in linear optics such as quantum switches and entanglement gates. Our experimentally determined value is limited by mode mismatch between the input laser and the cavity, QD spectral fluctuations and spin relaxation. We determine that up to $80\%$ of the collected photons have interacted with the QD and undergone a phase shift of $π$.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 양자 광학 장치를 위한 고체 상태 양자 발진자와 상호작용하는 단일 광자에서 결정론적, 큰 위상 이동을 달성하기 위해.
• 위상 이동을 약 π/10로 제한하는 고저항도수 공진기의 모드 불일치 및 부속성 산란 문제를 극복하기 위해.
• 결정론적 양자 연산(예: 양자 스위치 및 얽힘 게이트)에 필수적인 임계값인 π/2(90°)를 초과하는 위상 이동을 입증하기 위해.
• 양자점 스핀 전이의 선택 규칙과 함께 결정론적 위상 이동을 조합하여 고정밀 스핀-광자 얽힘을 가능하게 하기 위해.
• 효율적이고 잘 정의된 광학 모드와 높은 β因수를 보장하는 저저항도수 마이크로피라미드를 사용하여 확장 가능하고 통합 가능한 플랫폼을 개발하기 위해.

제안 방법

• 분포형 브라그 반사판(DBRs)을 갖춘 저저항도수(저항도수 ~290) GaAs 기반 마이크로피라미드 공진기 내에 자가조립된 In(Ga)As 양자점을 사용하였다.
• 기본 모드가 1388 meV이고 대역폭이 4.1 meV인 2 µm 직경의 마이크로피라미드를 사용하여 광자 추출 효율을 높이고 고차 모드 결합을 <3%로 최소화하였다.
• 양자점 스핀 상태(|↑⟩ 및 |↓⟩)를 분리하기 위해 파라데이 기하학에서 0.5 T의 자기장을 적용하였다.
• NA = 0.7인 목표 렌즈를 사용한 단일 주파수 레이저(10 MHz 대역폭)를 수직 편광된 빛(|V⟩)로 집중하여 |↓⟩ 전이에 맞추어, |L⟩ 성분에 대해 선택적 위상 이동을 유도하였다.
• 변환 |V⟩ → 1/√2 (|R⟩ − i e^{iφ} |L⟩)을 구현하였으며, φ는 유도된 위상 이동이고, β > 0.5일 경우 φ = π가 되어 거대한 파라데이 회전 π/2를 유도하였다.
• 간섭계적 검출을 통해 위상 이동을 측정하였고, 수집된 광자 중 80%가 π-위상 이동을 겪었다고 유추하였으며, 배경 산란(20%)을 고려했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저저항도수 마이크로피라미드 공진기 내 고체 상태 양자 발진자가 π/2(90°)를 초과하는 결정론적 위상 이동을 달성할 수 있는가? 이는 확장 가능한 양자 광학 연산에 필수적인 임계값이다.
• RQ2 저저항도수 공진기에서 β因수 및 모드 일치 효율은 고저항도수 공진기와 비교해 위상 이동 크기 및 광자 수집 효율 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ3 양자점의 스펙트럼 제동은 얼마나 줄일 수 있으며, 이는 장기간에 걸쳐 안정적인 결정론적 작동을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 시스템은 반사 광자 대부분에 대해 π-위상 이동을 적용하여 결정론적 스핀-광자 얽힘을 실현할 수 있는가?
• RQ5 후처리 선택 없이 고체 상태 플랫폼에서 얻을 수 있는 최대 위상 이동은 얼마이며, 광학 모드 일치 향상에 따라 어떻게 스케일링되는가?

주요 결과

• 실험은 최소 120°(2π/3)의 결정론적 위상 이동을 달성하여 결정론적 양자 연산에 필수적인 임계값인 π/2(90°)를 초과하였다.
• 수집된 광자 중 80%가 π-위상 이동을 겪었다는 유추 결과는 단일 광자와 양자점 간의 고정밀 상호작용을 시사하였다.
• 시스템은 ~0.65의 β因수를 나타내었으며, 향후 β > 0.9도 가능할 것으로 확인되어 양자점과 공진기 모드 간의 강한 결합을 확인하였다.
• 양자점의 스펙트럼 제동은 매우 느리게(양자점의 여백 수명보다 약 10⁵배 느림) 나타나, 촉발 가능한 시간 창에서의 안정된 작동이 가능하였다.
• 저저항도수 마이크로피라미드 설계는 수동 손실을 최소화하고 효율적이고 잘 정의된 입력/출력 광학 모드를 보장하여 높은 수집 효율(포화 시 1 MCount/sec)을 실현하였다.
• 모드 일치가 향상되어(수집 효율 >99%) 시스템은 100 µs당 약 10⁴개의 광자를 반사 및 수집할 수 있었으며, 이는 초당 수십 개의 20광자 클러스터 상태 생성이 가능함을 의미한다.