[논문 리뷰] GaAs quantum dots grown by droplet etching epitaxy as quantum light sources

Saimon Filipe Covre da Silva, Gabriel Undeutsch외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 03.

Semiconductor Quantum Structures and Devices참고 문헌 110인용 수 67

한 줄 요약

이 논문은 GaAs(001) 기판 상에서 국소 드롭렛 에칭 에pitaxy(LDE)를 통해 성장시킨 GaAs 양자점이 단일 및 편광 양자 얽힌 광자를 고성능으로 제공하며, 이중 광자 자극 조건 하에서 기록적인 광자 불가구분성(93.0(8)%)과 얽힘 허점도(0.978(5))를 달성하고, 다중 광자 방출 확률이 매우 낮은( g(2)(0) = 0.00075(16)) 특성을 보이며, 확장 가능한 양자 통신 및 중계 기술에 이상적인 소스임을 입증한다.

ABSTRACT

This paper presents an overview and perspectives on the epitaxial growth and optical properties of GaAs quantum dots obtained with the droplet etching method as high-quality sources of quantum light. We illustrate the recent achievements regarding the generation of single photons and polarization entangled photon pairs and the use of these sources in applications of central importance in quantum communication, such as entanglement swapping and quantum key distribution.

연구 동기 및 목표

• 양자 기술을 위한 확장 가능하고 고품질의 고체 상태 단일 광자 및 얽힌 광자 소스를 개발하기 위해.
• 기존의 SPDC 및 InGaAs QD 소스의 한계, 즉 다중 광자 방출과 낮은 얽힘 허점도를 극복하기 위해.
• 재료 및 장치 공학을 통해 근접 단일 광자 불가구분성과 얽힘 허점도를 실현하기 위해.
• GaAs QDs를 활용하여 양자 키 분배, 얽힘 스위핑, 양자 중계기에서의 실용적 응용을 가능하게 하기 위해.
• 재료 품질 최적화 및 광학 통합을 통해 LDE를 통한 GaAs QDs를 향후 광학 양자 네트워크의 주요 플랫폼으로 확립하기 위해.

제안 방법

• GaAs(001) 기판 상에서 국소 드롭렛 에칭(LDE) 방법을 이용해 GaAs/AlGaAs 양자점을 성장시키기 위해 분자束 에pitaxy(MBE)를 적용한다.
• As 농도를 조절한 에칭 조건에서 알루미늄 드롭렛을 이용해 AlGaAs 계면에 나노홀을 형성한 후, GaAs를 재성장하여 QD를 형성한다.
• 응력 조절 및 전하 조절 가능한 장치를 적용하여 번쩍임 현상과 양자점의 에너지 준위 분리(자기분리)를 억제하고, 근본적으로 0에 가까운 값을 확보한다.
• 원형 브라그 격자 공진기와 QD를 통합하여 광자 수집 효율성과 풀리 효과를 향상시켜 불가구분성을 향상시킨다.
• 공명 광자 자극 및 이중 광자 자극(TPE)을 이용해 보다 하위 포isson 분포의 방출을 달성하고 다중 광자 사건을 최소화한다.
• 홍-오우-마르티니(Hong-Ou-Mandel, HOM) 간섭계를 사용하여 두 개의 원거리에 있는 QD에서 발생한 광자 간의 불가구분성을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LDE를 통해 성장한 GaAs QD는 근접 단일 광자 얽힘 허점도와 극히 낮은 다중 광자 방출 확률을 달성할 수 있는가?
• RQ2 재료 품질 및 장치 공학을 통해 원거리에 있는 GaAs QD에서 광자 불가구분성을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 낮은 FSS, 짧은 양자점 준위 수명, 전하 조절 가능한 장치의 조합이 번쩍임 현상을 억제하고 고정도 양자 연산을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 GaAs QD를 광학 공진기에 통합할 경우 광자 수집 효율성과 불가구분성은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 GaAs QD는 얽힘 스위핑과 스핀-광자 인터페이스를 통해 양자 중계기 노드의 확장 가능한 플랫폼으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• LDE를 통한 GaAs QD는 두 개의 원거리에 있는 QD에서 발생한 광자 간 이중 광자 간섭성 간섭도를 93.0(8)%로 측정하여 고체 상태 발광체 중 최고 수준의 성과를 달성하였으며, 새로운 최고 기록을 수립하였다.
• 초저수준의 집합 평균 FSS와 짧은 양자점 수명 덕분에, 얽힘 허점도는 0.978(5)에 도달하였으며, 이는 어느 종류의 양자점이라도 기록된 바가 없는 최고 수준이다. 또한, 콘쿠르런스 값은 0.97(1)에 도달하였다.
• 배경 제거나 시간 필터링 없이도 이중 광자 자극 조건 하에서 다중 광자 방출 확률이 g(2)(0) = 0.00075(16)로 측정되어 거의 이상적인 단일 광자 방출 특성을 보였다.
• 광대역 공진기에서는 광자 쌍 수집 효율이 0.65(4)에 도달하였고, 단일 광자 수집 효율은 0.85(3)에 도달하여 실용적 통합에 매우 높은 효율성을 입증하였다.
• p-i-n 다이오드 통합 QD에서는 공명 단일 광자 및 이중 광자 자극 조건 하에서 번쩍임 현상이 완전히 억제되어 안정적인 작동이 가능하였다.
• 이론적 및 실험적 결과는 GaAs QD가 낮은 응력, 큰 크기, 장수명 스핀 공명 시간 잠재력 등으로 인해 양자 중계기 노드의 유망한 후보임을 확인하였다.