[논문 리뷰] Indistinguishable photons from independent semiconductor single-photon devices

Kaoru Sanaka, Alexander Pawlis외 3명|ArXiv.org|2009. 03. 10.

Quantum Information and Cryptography인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 ZnSe/ZnMgSe 양자우물에서 플루오린 기부체를 이용한 두 개의 독립된 반도체 단광자 원천으로부터 실험적으로 구분할 수 없는 광자를 입증한다. 홍-오우-만 간섭 장치를 사용하여, 측정된 비슷함 정도는 65±13%이며, 이중광자 상관 시간은 74±38 ps로 측정되어 근처 수명 제한된 방출을 나타내며, 확장 가능한 광자 양자 기술의 잠재력을 보여준다.

ABSTRACT

We demonstrate quantum interference between photons generated by the radiative decay processes of excitons that are bound to isolated fluorine donor impurities in ZnSe/ZnMgSe quantum-well nanostructures. The ability to generate single photons from these devices is confirmed by auto-correlation experiments, and indistinguishability of single photons from two independent devices is confirmed via a Hong-Ou-Mandel dip. These results indicate that donor impurities in appropriately engineered semiconductor structures can portray atom-like homogeneity and coherence properties, potentially enabling scalable technologies for future large-scale optical quantum computers and quantum communication networks.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 양자정보 처리를 위한 독립된 반도체 단광자 원천에서 온 광자 간의 양자 간섭을 달성하기 위해.
• 기존 양자점 원천의 스펙트럼 및 시간적 비균일성 문제를 해결하기 위해 ZnSe에서 고립된 기부체 불순물 사용을 위해.
• 기획된 반도체 나노구조에서 기부체 결합 엑시톤이 원자 유사의 공명성과 비슷함을 나타낼 수 있음을 입증하기 위해.
• 높은 비슷함을 가진 단일 광자를 공급하여 확장 가능한 칩 통합 광자 양자 기술을 실현하기 위해.
• 장거리 양자통신 네트워크에서 광자 큐비트 또는 양자 메모리로 사용할 수 있는 가능성 탐색을 위해.

제안 방법

• ZnSe/ZnMgSe 양자우물 나노구조에서 중성 플루오린 기부체를 이용해 기부체 결합 엑시톤(D₀X)의 복사 재결합을 통해 단광자 발광체로 사용.
• 410 nm의 초과 밴드 갭 자극을 사용하여 광자 방출을 유도하고, 자가상관 히스토그램을 측정하여 단광자 작동을 확인.
• 두 개의 독립된 장치에서 온 광자를 비스듬한 거울에서 합성하여 홍-오우-만(Hong-Ou-Mandel) 간섭 실험을 수행하고 비슷함 정도를 측정.
• 시간에 따라 변화하는 진폭 함수 α(t)와 β(t)를 사용하여 이중광자 파동함수를 모델링하고, 간섭 시각화는 식 (2)에 의해 주어진 오버랩 적분에 의해 결정됨.
• HOM 딥 데이터를 피팅하여 비슷함 정도 I와 상관 시간 τc를 추출하고 배경 카운트 gback 및 탈조화 효과를 고려함.
• 스트레이크 카메라 측정을 통해 시간 지연(40 ps)을 추정하고 광자 웨이브패킷의 시간적 넓이를 검증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 개의 독립된 반도체 단광자 원천에서 온 광자가 양자 간섭을 보일 수 있는가? 이는 비슷함을 나타내는가?
• RQ2 ZnSe 나노구조에서 기부체 결합 엑시톤은 스펙트럼 및 시간적으로 균일한 단일 광자를 얼마나 잘 생성하는가?
• RQ3 이 시스템에서 독립된 원천에서 온 광자의 비슷함을 제한하는 요소는 무엇인가?
• RQ4 마이크로캐비티 또는 향상된 공간 필터링과 같은 장치 공학을 통해 관측된 비슷함을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 이 시스템은 선형 광자 양자계산을 위한 확장 가능한 칩 내장 비슷한 광자 원천으로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 홍-오우-만 딥에서 측정된 이중광자 간섭 시각화는 31%로, 독립된 원천에서 온 광자 간의 양자 간섭을 확인했다.
• 유도된 광자 비슷함 정도는 65±13%로 측정되어 높은 공명성과 향후 최적화를 통해 근처 100% 비슷함 정도를 달성할 잠재력을 보였다.
• 이중광자 상관 시간은 74±38 ps로 측정되었으며, 이는 자발적 방출 수명과 유사하여 근처 수명 제한된 방출을 시사했다.
• 배경 동시 카운트(gback ≈ 0.51±0.06)는 두 원천 실험에서 공간 필터링 부족으로 예상보다 높아져 산만한 광자 기여가 증가했다.
• 비슷함 정도 감소의 주요 원인은 완벽하지 않은 공간 모드 오버랩이며, 시간 지연과 잔여 스펙트럼 비균일성은 덜 중요한 기여를 하였다.
• 결과적으로, ZnSe에서 기부체 불순물 기반 발광체는 확장 가능한 고체 상태 광자 원천으로서 비슷한 광자를 제공하는 데 있어 유망한 길을 제시한다.