[논문 리뷰] High-efficiency single-photon source above the loss-tolerant threshold for efficient linear optical quantum computing

Xing Ding, Yong-Peng Guo외 14명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 14.

Photonic and Optical Devices인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 tunable open microcavity에서 공진적으로 여기된 양자점 단일 광자 소스가 엔드 투 엔드 시스템 효율을 손실 허용 임계값 이상으로 달성하며, 높은 순도와 구별 불가능성을 보인다.

ABSTRACT

Photon loss is the biggest enemy for scalable photonic quantum information processing. This problem can be tackled by using quantum error correction, provided that the overall photon loss is below a threshold of 1/3. However, all reported on-demand and indistinguishable single-photon sources still fall short of this threshold. Here, by using tailor shaped laser pulse excitation on a high-quantum efficiency single quantum dot deterministically coupled to a tunable open microcavity, we demonstrate a high-performance source with a single-photon purity of 0.9795(6), photon indistinguishability of 0.9856(13), and an overall system efficiency of 0.712(18), simultaneously. This source for the first time reaches the efficiency threshold for scalable photonic quantum computing. With this source, we further demonstrate 1.89(14) dB intensity squeezing, and consecutive 40-photon events with 1.67 mHz count rate.

연구 동기 및 목표

• 광자 손실을 극복하고 고효율 단일 광자 소스로 확장 가능한 광자 양자 컴퓨팅을 촉진한다.
• 동시에 높은 순도, 높은 구별 불가능성, 높은 전체 효율을 달성하는 주문형 단일 광자 소스를 시연한다.
• 달성된 효율이 내결함성 선형 광학 양자 컴퓨팅을 위한 손실-허용 임계값을 초과함을 보여준다.

제안 방법

• 조정 가능한 개방형 마이크로캐비티에 결정적으로 결합된 단일 양자점에 공진적으로 구동되도록 맞춤형 형태의 레이저 펄스 들뜸을 사용한다.
• 편광 선택적 여기와 방출 수집을 가능하게 하는 모드 분리 캐비티를 활용한다.
• 발진 대역폭을 좁히고 응집적인 QD-캐비티 결합을 극대화하기 위해 4f 펄스 형태를 구현한다.
• 다중 광자 이벤트에 대한 보정을 포함하여 Hanbury Brown and Twiss (HBT)로 순도를 측정하고 비-포스트 선택적 Hong-Ou-Mandel (HOM) 간섭계로 구별 불가능성을 측정한다.
• 검출기 효율과 반복률을 반영하여 엔드 투 엔드 카운트에서 시스템 효율을 정량화하고 0.712(18) 벤치마크를 달성한다.

Figure 1: The design of the QDs in a fully tunable open-cavity setup. The top concave cavity mirror is mounted on a stack of three piezo nano-positioners. The bottom part, including 30 pairs DBR and QD layer, is mounted on a stack of three nano-positioners (XYZ) and two tilt stages ( $\Theta,\Phi$ )

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자점 단일 광자 소자가 동시에 높은 순도, 높은 구별 불가능성, 손실 허용 임계값을 넘는 엔드투엔드 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 개방형 캐비티의 tunability와 펄스 형태가 공진 여기 효율성 및 광자 통계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 거의 변환 한계에 가까운 고효율 소스의 시간 지연에 따른 구별 불가능성의 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 단일 광자 순도 0.9795(6).
• 구별 불가능성 0.9856(13).
• 시스템 효율 0.712(18).
• π-펄스 들뜸 하에서 강도 스퀴징 1.89(14) dB.
• 1.67 mHz 카운트 속도에서 40개의 연속 광자 이벤트가 관찰되었다.
• 확장 가능한 광자 양자 컴퓨팅을 위한 손실 허용 임계값을 초과해야 한다.

Figure 2: High-efficiency single-photon source (SPS) under shape-optimized pulse excitation. (a) Excitation scheme of a polarized single-photon source in a mode-splitting cavity. (b) Deterministic generation of polarized single photons under a series of pulse excitations with different pulse widths.