[논문 리뷰] Indistinguishable photons from an artificial atom in silicon photonics

Lukasz Komza, Polnop Samutpraphoot외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 17.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 54인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 기반 인공 원자인 G 중심을 실리콘 광학파이프에 통합하여 고 fidelity, 구분할 수 없는 단일 광자 방출을 구현한다. 88%의 홍-오우-마르티스(Hong-Ou-Mandel, HOM) 가시도와 0.4(10) GHz의 효과적 이중광자 스펙트럼 폭을 달성함으로써, 실리콘 기반 광학 양자 기술을 위한 확장 가능한, 칩 내에 통합된 통신 대역 광자 원천을 확립한다.

ABSTRACT

Silicon is the ideal material for building electronic and photonic circuits at scale. Spin qubits and integrated photonic quantum technologies in silicon offer a promising path to scaling by leveraging advanced semiconductor manufacturing and integration capabilities. However, the lack of deterministic quantum light sources, two-photon gates, and spin-photon interfaces in silicon poses a major challenge to scalability. In this work, we show a new type of indistinguishable photon source in silicon photonics based on an artificial atom. We show that a G center in a silicon waveguide can generate high-purity telecom-band single photons. We perform high-resolution spectroscopy and time-delayed two-photon interference to demonstrate the indistinguishability of single photons emitted from a G center in a silicon waveguide. Our results show that artificial atoms in silicon photonics can source highly coherent single photons suitable for photonic quantum networks and processors.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 양자 기술을 위한 실리콘 광학에서 결정적인, 공진조된 단일 광자 원천의 부족 문제를 해결하기 위해.
• 인공 원자(G 중심)를 실리콘 파이프에 통합하여 칩 내 통신 대역 광자 생성을 가능하게 하기 위해.
• 시간 지연을 가진 이중광자 간섭을 통해 방출된 광자의 고도로 구분할 수 있는 성질을 입증하기 위해.
• 실제 조건에서 G 중심 발광체의 스펙트럼 안정성과 공진조 성질을 정량화하기 위해.
• 실리콘 호환 플랫폼을 사용하여 향후 광학 양자 네트워크 및 고장 내성 양자 컴퓨팅에의 적용을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이퍼에 12C 이온을 36 keV 에너지와 10^12 cm⁻² 조사량으로 주입한 후, 1000°C에서 20초 동안 급속 열처리를 실시하여 G 중심을 생성한다.
• 광자 수집을 향상시키기 위해 광대역 브라그 반사판을 갖춘 단일 모드 실리콘 광학파이프에 G 중심을 통합한다.
• 방출된 광자를 50%의 효율로 렌즈가 있는 섬유로 커플링하기 위해 등온 모드 컨버터를 사용한다.
• G 중심으로부터 단일 광자 방출을 유도하기 위해, 밴드 갭을 초월하는 펄스 레이저를 사용한다.
• 광자의 구분 불가능성을 정량화하기 위해, 홍-오우-마르티스(Hong-Ou-Mandel, HOM) 간섭계를 사용하여 시간 지연이 있는 이중광자 간섭을 측정한다.
• 스펙트럼 확산 효과를 모델링하기 위해, 방출 주파수의 로렌츠 분포를 사용하고, HOM 가시도를 적합하여 효과적 이중광자 스펙트럼 폭(Γ^HOM)을 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 파이프 내 인공 원자(G 중심)가 높은 시간적 및 스펙트럼적 구분 불가능성을 가진 단일 광자를 방출할 수 있는가?
• RQ2 실리콘 광학 회로 내에서 G 중심으로부터 방출된 광자의 구분 불가능성 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 스펙트럼 확산과 타이밍 제트가 고체 상태 발광체에서 이중광자 간섭의 가시성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 상관된 스펙트럼 변동으로 인해 효과적 이중광자 스펙트럼 폭이 단일 광자 스펙트럼 폭 이하로 줄어들 수 있는가?
• RQ5 G 중심에서 방출된 광자의 공진조성과 구분 불가능성이 나노초 스케일 동안 얼마나 유지되는가?

주요 결과

• G 중심은 실리콘 파이프 내에서 통신 대역의 O 대역인 1278 nm에서 광자를 방출하며, 0-음향선(ZPL)과 높은 스펙트럼 순도를 갖는다.
• 실험적으로 88%의 홍-오우-마르티스(Hong-Ou-Mandel, HOM) 간섭 최소값 가시도를 측정하여 광자의 고도로 구분 불가능한 성질을 입증하였다.
• 효과적 이중광자 스펙트럼 폭(Γ^HOM/2π)은 0.4(10) GHz로 측정되었으며, 이는 단일 광자 스펙트럼 폭 2.8 GHz보다 약 10배 작다.
• 관측된 HOM 가시도는 주로 검출기의 타이밍 제트(252 ps)와 스펙트럼 확산에 의해 제한되며, 후자는 로렌츠 주파수 변동 과정으로 모델링된다.
• 짧은 지연( |τ| < 1 ns)에서 관측된 HOM 상관 함수의 지수 감쇠는 상관 없는 스펙트럼 확산에 기인하며, 이는 25 ns 이상의 상관 시간 스케일을 갖는다.
• 측정된 광자 수명(T₁ = 4.6(1) ns)은 이중광자 간섭 트레이스에서 관측된 감쇠 엣지와 일치한다.