[논문 리뷰] High-rate entanglement between a semiconductor spin and indistinguishable photons

Coste, N., D. Fioretto외 16명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 20.

Quantum Information and Cryptography인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 마이크로캐비티에 내장된 단일 결정질 반도체 양자점 시스템을 사용하여 삼중광자 광자 클러스터 상태를 고속, 결정적으로 생성함으로써, 스핀-광자 얽힘에 대해 80%의 허용도와 스핀-광자-광자 얽힘에 대해 63%의 허용도를 달성하였으며, 광자 간의 구분 불가능성은 88%에 도달하였다. 이 시스템은 음향-포논을 보조로 사용하는 전압 제어 스핀-광자 얽힘 방식과 풀러 효과를 통한 캐비티 수집 방식을 활용하여, 이전 최고 수준보다 스핀-광자 얽힘 생성 속도가 3배, 스핀-광자-광자 얽힘 생성 속도가 2배 빠른 고성능을 실현하였다.

ABSTRACT

Photonic graph states, quantum light states where multiple photons are mutually entangled, are key resources for optical quantum technologies. They are notably at the core of error-corrected measurement-based optical quantum computing and all-optical quantum networks. In the discrete variable framework, these applications require high efficiency generation of cluster-states whose nodes are indistinguishable photons. Such photonic cluster states can be generated with heralded single photon sources and probabilistic quantum gates, yet with challenging efficiency and scalability. Spin-photon entanglement has been proposed to deterministically generate linear cluster states. First demonstrations have been obtained with semiconductor spins achieving high photon indistinguishablity, and most recently with atomic systems at high collection efficiency and record length. Here we report on the efficient generation of three partite cluster states made of one semiconductor spin and two indistinguishable photons. We harness a semiconductor quantum dot inserted in an optical cavity for efficient photon collection and electrically controlled for high indistinguishability. We demonstrate two and three particle entanglement with fidelities of 80 % and 63 % respectively, with photon indistinguishability of 88%. The spin-photon and spin-photon-photon entanglement rates exceed by three and two orders of magnitude respectively the previous state of the art. Our system and experimental scheme, a monolithic solid-state device controlled with a resource efficient simple experimental configuration, are very promising for future scalable applications.

연구 동기 및 목표

• 측정 기반 양자 컴퓨팅 및 양자 네트워크에 필수적인 광자 클러스터 상태의 결정적 생성을 위한 확장 가능한 고체상 플랫폼을 개발한다.
• 확률적 광자 게이트 기반의 한계를 극복하기 위해, 단일 결정질 광학 캐비티에 내장된 반도체 양자점 시스템을 활용해 고신뢰도, 고속 스핀-광자 얽힘 생성을 가능하게 한다.
• 캐비티 증폭된 풀러 효과와 전기적으로 조절 가능한 양자점 전이를 통해 고광자 구분 불가능성(88%)과 고수집 효율을 실현한다.
• 향후 고장내성 양자 기술을 위한 확장 가능한 통합을 지원하는 자원 효율적인 실험 구성으로서의 스핀-광자 인터페이스의 통합 가능성을 확립한다.
• 측정 가능한 허용도와 구분 불가능성으로 삼중광자 클러스터 상태의 생성을 검증함으로써, 통합형, 차세대 양자 빛원천으로의 전진 가능성을 제시한다.

제안 방법

• 현장에서의 리소그래피를 통해 나노스케일 정렬을 정밀하게 구현한 피라미드형 마이크로캐비티에 내장된 단일 결정질 InGaAs 양자점 시스템을 사용한다.
• 약 0.8 nm의 블루 디테닝을 가진 20 ps 레이저 펄스를 사용하는 음향-포논 보조 자극 방식을 적용하여, 고트리온 점유율과 고광자 구분 불가능성을 동시에 확보하면서도 스핀 선택적 광학 선택 규칙를 유지한다.
• 전자 스핀의 라르우르 프리세션을 유도하기 위해 약 40 mT의 약한 평면 내 자기장 적용으로, 스핀 상태의 시간 해상도 제어를 가능하게 하여 얽힘 생성에 기여한다 (3.25 ns 주기).
• 근접 무극성 모드 응답을 가진 캐비티에서 풀러 효과를 활용해 광자를 효율적으로 수집함으로써, 이중성분성의 영향을 최소화하고 고수집 효율을 확보하면서도 편광 제어를 유지한다.
• 스핀-광자 얽힘의 특성을 분석하기 위해 조건부 상태 토모그라피와 과정 행렬 재구성 기법을 사용하였으며, 시간 평균 상관 함수와 오버하우저 필드 평균화를 통해 디코herence 효과를 모델링하였다.
• 스핀과 방출된 광자 간의 효과적 CNOT 유사 게이트를 시뮬레이션하기 위해 프로세스 맵 형식을 적용하여 생성된 클러스터 상태의 허용도를 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 결정질 고체상 플랫폼에서 반도체 스핀과 구분 불가능한 광자 간의 고신뢰도, 고속 얽힘은 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 양자점이 캐비티에 내장된 결정적 스핀-광자 클러스터 상태 생성 방식에서 얻을 수 있는 최대 허용도와 광자 구분 불가능성은 얼마인가?
• RQ3 음향-포논 보조 자극과 캐비티 풀러 증폭의 조합이 광자 구분 불가능성과 얽힘 생성 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 오버하우저 필드 평균화를 포함한 마스터 방정식 접근법을 통해 스핀-광자 얽힘 과정을 얼마나 정확하게 모델링할 수 있는가?
• RQ5 이 시스템은 다중 광자 클러스터 상태를 고신뢰도와 고효율로 생성하기 위해 얼마나 확장 가능한가?

주요 결과

• 두 입자 스핀-광자 얽힘에 대해 80%의 허용도를 달성하여 이전 최고 수준의 결과를 크게 초월하였다.
• 세 입자 스핀-광자-광자 클러스터 상태의 허용도는 63%에 도달하였으며, 반도체 스핀과 구분 불가능한 광자를 사용한 첫 번째 고신뢰도 삼중광자 클러스터 상태 생성 사례로 기록되었다.
• 광자 간의 구분 불가능성은 88%로 측정되어 높은 양자 간섭 성능과 확장 가능한 광학 회로에 적합한 고조화성을 나타내었다.
• 스핀-광자 얽힘 생성 속도는 이전 최고 수준보다 3개의 지수 차수 높아져 고속 스케일링이 가능한 양자 상태 준비를 실현하였다.
• 스핀-광자-광자 얽힘 생성 속도는 이전 최고 수준보다 2개의 지수 차수 높아져 다중 입자 얽힘의 효율성 향상에 있어 중대한 도약을 보였다.
• 단일 결정질, 전기적으로 조절 가능한 양자점-캐비티 시스템 기반의 실험 구성은 자원 효율적이며, 향후 통합형 스핀-광자 인터페이스의 확장 가능한 통합을 가능하게 하였다.