[논문 리뷰] Indistinguishable telecom band photons from a single erbium ion in the solid state

Salim Ourari, Łukasz Dusanowski외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 09.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 50인용 수 8

한 줄 요약

CaWO4의 나노광자 공진기에 의한 단일 Er3+ 이온에서 텔레콤 파장 구별 불가 단일 광자 증명, Hong-Ou-Mendel 간섭 및 스핀-광자 제어 가능.

ABSTRACT

Atomic defects in the solid state are a key component of quantum repeater networks for long-distance quantum communication. Recently, there has been significant interest in rare earth ions, in particular Er$^{3+}$ for its telecom-band optical transition, but their application has been hampered by optical spectral diffusion precluding indistinguishable single photon generation. In this work we implant Er$^{3+}$ into CaWO$_4$, a material that combines a non-polar site symmetry, low decoherence from nuclear spins, and is free of background rare earth ions, to realize significantly reduced optical spectral diffusion. For shallow implanted ions coupled to nanophotonic cavities with large Purcell factor, we observe single-scan optical linewidths of 150 kHz and long-term spectral diffusion of 63 kHz, both close to the Purcell-enhanced radiative linewidth of 21 kHz. This enables the observation of Hong-Ou-Mandel interference between successively emitted photons with high visibility, measured after a 36 km delay line. We also observe spin relaxation times $T_1$ = 3.7 s and $T_2$ > 200 $μ$s, with the latter limited by paramagnetic impurities in the crystal instead of nuclear spins. This represents a significant step towards the construction of telecom-band quantum repeater networks with single Er$^{3+}$ ions.

연구 동기 및 목표

• 고체 기질 호스트에서 텔레콤 파장(1.5 μm)에서 단일 Er3+ 이온으로부터 구별 불가 단일 광자 방출을 시연한다.
• 광학 스펙트럴 확산을 최소화하고 광자 간 구별 불가성을 최대화하기 위해 호스트/공진계 시스템을 설계한다.
• CaWO4에서 Er3+의 스핀 초기화, 판독, 코히어런스를 특성화하여 잠재적 양자 메모리 활용 가능성을 평가한다.
• 오랜 지연선을 가진 연속 방출 광자 간의 Hong-Ou-Mandel 간섭을 보이며 구별 불가성을 정량한다.
• 불순물 및 표면 효과로 인한 한계를 평가하여 텔레콤 대역 양자 네트워크를 위한 향후 개선 방향을 제시한다.

제안 방법

• CaWO4에 약 10 nm 깊이로 Er3+를 이온 주입하고 손상을 복구하기 위해 어닐링한다.
• 실리콘 나노광자공진기를 제조하여 CaWO4에 접합시켜 큰 Purcell 증강(P ≈ 850)을 달성한다.
• 지상 및 들뜬 상태를 4개의 광학 전이로 분리하고 스핀 판독을 위한 사이클링 전이를 설계하기 위해 600 G 자계 적용.
• PLE 분광법으로 공진기에 결합된 단일 Er3+ 선을 해상도화한다.
• 단일 스캔 광학 선폭(~150 kHz)과 장기 확산(~63 kHz)을 측정하여 스펙트럴 안정성을 평가한다.
• 36 km 지연선을 이용한 Hong-Ou-Mandel 인터페로메트리 측정을 수행하여 광자의 구별 불가성(V ≈ 80%)을 정량한다.
• 충실도 ≈ 0.972로 광학 스핀 초기화 및 단일 샷 판독을 구현하고 스핀 코히런스(T1 ≈ 3.7 s, T2* ≈ 247 ns, T2 ≈ 44 μs)를 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CaWO4에서 나노광자 공진기에 결합된 단일 Er3+ 이온이 텔레콤 파장에서 구별 불가한 광자를 방출할 수 있는가?
• RQ2 나노광자 공진기에 결합된 CaWO4에 이식된 Er3+ 이온의 광학 선폭 및 스펙트럴 확산 특성은 어떤가?
• RQ3 단일 Er3+ 이온에서 연속적으로 방출되는 텔레콤 광자들 간에 Hong-Ou-Mandel 간섭이 관측되며 가시성은 어떻게 되는가?
• RQ4 이 장치 구성에서 CaWO4의 Er3+에 대한 스핀 초기화, 판독 충실도 및 스핀 코히런스 시간은 무엇인가?
• RQ5 스핀 코히런스를 제한하는 주요 디코히런스 소스(핵 스핀 vs 파라자성 불순물)는 무엇이며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?

주요 결과

• CaWO4에서 실리콘 나노광자공진기에 결합된 단일 Er3+ 이온은 단일 스캔 광학 선폭이 150 kHz이고 장기 스펙트럴 확산이 63 kHz이며 Purcell 증가된 방사 선폭 21 kHz에 근접한다.
• Purcell 인자 850은 공진기를 스핀 보존 전이에 맞춰 달성하여 들뜬 상태 수명을 7.4 μs로 단축한다.
• 연속 텔레콤 대역 광자 간의 Hong-Ou-Mandel 간섭은 가시성 80(4)%를 보이며, 원시(raw) 및 배경 차감 분석에서도 높은 구별 불가성을 뒷받침한다.
• 스핀 초기화 및 단일 샷 판독 충실도는 0.972에 도달하고 스핀 이완 시간 T1 = 3.7 s 및 코히어런스 시간 T2* = 247 ns, T2 = 44 μs이며, T2는 파라자성 불순물에 의해 제한된다.
• 이 결과는 단일 Er3+ 이온을 이용한 텔레콤 대역 양자 중계 노드의 길잡이가 되며, 더 높은 Q 공진기, 더 나은 어닐링, 감소된 자기 잡음으로 개선 가능성이 있다.