[논문 리뷰] Electromagnetically Induced Transparency of On-demand Single Photons in a Hybrid Quantum Network

Lucas Schweickert, Klaus D. Jöns외 12명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 17.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 29인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 반도체 양자점에서 단일 광자를 요구에 따라 생성하고 루비디움 D₁ 전이에 공진시키며, 루비디움 기체 양자 메모리에서 전자기 유도 투명성(EIT)을 통해 공명적으로 제어하는 것을 보여준다. 주요 결과는 짧은 수명을 가진 양자점 광자에 대해 동적인 시간 해상도 EIT 효과를 실현한 것으로, 하이브리드 양자 네트워크 아키텍처에서 공명적인 광-물질 상호작용을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Long range quantum communication and quantum information processing require the development of light-matter interfaces for distributed quantum networks. Even though photons are ideal candidates for network links to transfer quantum information, the system of choice for the realization of quantum nodes has not been identified yet. Ideally, one strives for a hybrid network architecture, which will consist of different quantum systems, combining the strengths of each system. However, interfacing different quantum systems via photonic channels remains a major challenge because a detailed understanding of the underlying light-matter interaction is missing. Here, we show the coherent manipulation of single photons generated on-demand from a semiconductor quantum dot using a rubidium vapor quantum memory, forming a hybrid quantum network. We demonstrate the engineering of the photons' temporal wave function using four-level atoms and the creation of a new type of electromagnetic induced transparency for quantum dot photons on resonance with rubidium transitions. Given the short lifetime of our quantum dot transition the observed dynamics cannot be explained in the established steady-state picture. Our results play a pivotal role in understanding quantum light-matter interactions at short time scales. These findings demonstrate a fundamental active node to construct future large-scale hybrid quantum networks.

연구 동기 및 목표

• 스스로 확장 가능한 양자 통신을 위한 고체 상태 양자점과 원자 기체 양자 메모리를 조합한 하이브리드 양자 네트워크 아키텍처를 개발하기 위해.
• 짧은 수명을 가진 양자점 광자와 긴 수명을 가진 원자 양자 메모리 간의 인터페이스 문제를 공명 광학 제어를 통해 해결하기 위해.
• 루비디움 D₁ 전이에 공진하는 요구에 따라 생성된 단일 광자를 실현하고, EIT를 통해 그 광자를 공명적으로 제어하는 데에 목적이 있다.
• 양자 네트워크 노드 통합의 맥락에서, 정적인 평형 근사 이론을 넘어서 초고속 시간 스케일에서의 광-물질 상호작용을 이해하기 위해.

제안 방법

• 루비디움 D₁ F=1→F′=1 전이에 공진하도록 파장이 조정된 진성 변형 조절 가능 GaAs 양자점을 사용하여 요구에 따라 단일 광자를 생성하였다.
• λ-구성의 4준위 원자 시스템을 이용해 루비디움 기체에서 전자기 유도 투명성(EIT) 창을 생성하여 광자 저장 및 제어를 구현하였다.
• EIT를 이용해 양자점 광자의 시간적 파동함수를 설계하여 광자 지연 및 스펙트럼 형상 제어를 가능하게 하였다.
• 자기적 복사 및 비가역성 효과를 포함한 연립 양자점-원자 시스템의 동역학을 기술하기 위해 시간 영역 마스터 방정식 접근법을 적용하였다.
• 광자 전파 및 원자 반응을 모델링하기 위해 1.34 ps 시간 간격과 400 μm 공간 해상도를 사용한 유한차분 방법으로 마스터 방정식을 이산화 하였다.
• 해밀토니안 및 리드블라디안 항을 포함한 밀도 행렬에 대한 리우빌-폰 노이만 방정식을 해결하기 위해 수퍼연산자 형식을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반도체 양자점에서 요구에 따라 생성된 단일 광자를 루비디움 D₁ 전이에서 EIT를 통해 원자 양자 메모리와 공명적으로 인터페이스할 수 있는가?
• RQ2 시스템이 정적인 평형 상태가 아닐 때, 짧은 수명을 가진 양자점 광자의 잠깐의 동역학이 EIT 반응에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 4준위 원자 시스템에서 EIT를 통해 단일 광자의 시간적 파동함수를 형상 조절할 수 있는가? 이를 통해 하이브리드 네트워크에서 정밀 제어가 가능할까?
• RQ4 초고속이고 짧은 수명을 가진 광원에 적용했을 때, 표준 정적 평형 EIT 모델의 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 실험적으로 루비디움 기체에서 EIT를 이용해 요구에 따라 생성된 양자점 광자를 공명적으로 제어함을 입증하였으며, EIT 우물의 해상도는 85%를 기록하였다.
• 수명 약 1.5 ns인 광자에 대해 동적인 EIT 반응이 관측되었으며, 이는 시스템이 정적 평형 EIT 모델로 기술될 수 없음을 시사한다.
• 양자점 광자의 시간적 파동함수는 EIT를 통해 형상 조절되었으며, 측정된 지연은 약 120 ps, 반폭은 약 30 ps였다.
• 모의 실험을 통해 관측된 EIT 동역학이 양자점 전이의 급격한 붕괴에 의해 지배되며, 표준 정적 평형 근사 이론을 넘어서 시간 해상도 분석이 필요하다는 것이 확인되었다.
• 양자점 광자와 원자 전이 간의 결합 강도는 약 1.5 MHz로 추정되었으며, 이는 실험적 스펙트럼 폭 및 빔 매개변수와 일치하였다.
• 고정밀도의 고체 상태 광원과 원자 메모리 간의 인터페이스 성능을 달성하였으며, EIT 창 내에서 광자-원자 결합 효율은 약 60%로 측정되었다.