[논문 리뷰] Polarized indistinguishable single photons from a quantum dot in an elliptical micropillar

Yuming He, Hui Wang외 16명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 28.

Neural Networks and Reservoir Computing참고 문헌 28인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 원형 대칭을 깨뜨림으로써 편광 성분의 degeneracy를 제거하는 타원형 마이크로피라미드 공진기 내에 위치한 양자점 기반의 고효율 단광자 소스를 제시한다. 이는 편광 필터를 사용하지 않고도 편광된, 서로 구분할 수 없는 광자를 생성한다. 공진기 대칭성을 깨뜨림으로써 편광 성분의 degeneracy를 제거함으로써 시스템은 0.976(1)의 비구별성과 91%의 편광 순도를 달성하여 배경이 없는 공진 조명 방식을 실현하며, 이로 인해 거의 1에 가까운 시스템 효율을 달성한다.

ABSTRACT

The key challenge to scalable optical quantum computing, boson sampling, and quantum metrology is sources of single photons with near-unity system efficiency and simultaneously near-perfect indistinguishability in all degrees of freedom (including spectral, temporal, spatial, and polarization). However, previous high-indistinguishability solid-state single-photon sources had to rely on polarization filtering that reduced the system efficiency by at least 50%. Here, we overcome this challenge by developing a new single-photon source based on a coherently driven quantum dot embedded in an elliptical micropillar. The asymmetric cavity lifts the polarization degeneracy into two orthogonal linearly polarized modes with a suitable energy separation. We design an excitation-collection scheme that allows the creation and collection of single photons with an indistinguishability of 0.976(1) and a degree of polarization of 91%. Our method provides a solution of combining near-unity system efficiency and indistinguishability compatible with background-free resonant excitation, and opens the way to truly optimal single-photon sources for scalable photonic quantum technologies.

연구 동기 및 목표

• 편광 필터를 제거하여 고체 상태 단광자 소스에서 효율성과 비구별성 사이의 상충 관계를 극복하기 위해.
• 공진 조명과 호환되는 고비구별성과 고편광 순도를 갖춘 단광자 소스를 달성하기 위해.
• 온칩 통합된 양자점을 활용한 광학 양자 기술을 위한 확장 가능한 플랫폼을 개발하기 위해.
• 배경이 없는 조명 방식을 통해 거의 1에 가까운 시스템 효율과 높은 정밀도를 갖춘 단광자 조명을 실현하기 위해.

제안 방법

• 원형 대칭을 깨뜨림으로써 수직 편광 모드 간의 비대칭성을 제거하기 위해 타원형 마이크로피라미드 공진기를 설계함.
• 비대칭 공진기의 편광 고유모드에 맞추어 공진 조명 및 수광 방식을 공명적으로 설계함.
• 배경 방출을 최소화하고 광자 비구별성을 향상시키기 위해 공진 조명을 활용함.
• 홍-오우-만 간섭을 통해 광자 비구별성을 측정하고, 편광 분석을 통해 편광 순도를 측정함.
• 희망하는 편광 모드로의 복사 효율을 극대화하기 위해 공진기 기하구조와 양자점 위치를 최적화함.
• 다중광자 방출을 억제하고 소스 품질을 향상시키기 위해 배경이 없는 조명 프rotocol을 적용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고체 상태 단광자 소스가 편광 필터 없이도 거의 1에 가까운 비구별성과 높은 편광 순도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 타원형 마이크로피라미드 공진기의 비대칭성이 방출되는 광자의 편광성과 비구별성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 공진 조명과 높은 편광 제어를 조합하여 양자점 소스에서 배경이 없는 작동 방식을 실현할 수 있는가?
• RQ4 비대칭 공진기를 사용한 단광자 소스에서 도달 가능한 최대 비구별성과 편광도는 얼마인가?
• RQ5 확장 가능한 광학 플랫폼에서 거의 완벽한 비구별성을 달성하면서도 고효율을 유지하는 것이 가능한가?

주요 결과

• 광자 비구별성은 0.976(1)에 도달하여 모든 자유도에서 거의 완벽한 양자 비구별성을 나타낸다.
• 편광도는 91%에 도달하여 원치 않는 편광 성분의 강력한 억제를 보여준다.
• 편광 필터 없이 작동하여, 필터가 적용된 소스 대비 최소 50%의 시스템 효율을 유지한다.
• 타원형 마이크로피라미드 공진기는 편광 성분의 degeneracy를 두 개의 수직 선형 모드로 분리하며, 제어 가능한 에너지 간격을 제공한다.
• 공진 조명은 배경이 없는 작동을 가능하게 하여 다중광자 방출을 최소화하고 소스의 정밀도를 향상시킨다.
• 이 방법은 광학 양자 기술 분야에서 고성능 단광자 소스를 위한 확장 가능한 온칩 플랫폼을 제공한다.