[논문 리뷰] Quantum Teleportation with Telecom Photons from Remote Quantum Emitters

Tim Strobel, Michal Vyvlečka외 14명|arXiv (Cornell University)|2024. 11. 19.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 원거리에 있는 반도체 양자점에서 발생하는 통신파장 광자를 이용한 전면 광학 양자 텔레포테이션을 구현한다. 양자 주파수 변환기를 사용해 스펙트럼 불일치를 제거하고 고정밀 벨 상태 측정을 가능하게 하였다. 후행 선택 기반의 텔레포테이션 허점도 0.721(33)에 도달하여 고전적 한계를 초월하였으며, 반도체 양자점 기반의 확장 가능한 양자 네트워크에 있어 핵심적인 진전을 이룩하였다.

ABSTRACT

The quest for a global quantum internet is based on the realization of a scalable network which requires quantum hardware with exceptional performance. Among them are quantum light sources providing deterministic, high brightness, high-fidelity entangled photons and quantum memories with coherence times in the millisecond range and above. To operate the network on a global scale, the quantum light source should emit at telecommunication wavelengths with minimum propagation losses. A cornerstone for the operation of such a quantum network is the demonstration of quantum teleportation. Here we realize full-photonic quantum teleportation employing one of the most promising platforms, i.e. semiconductor quantum dots, which can fulfill all the aforementioned requirements. Two remote quantum dots are used, one as a source of entangled photon pairs and the other as a single-photon source. The frequency mismatch between the triggered sources is erased using two polarization-preserving quantum frequency converters, enabling a Bell state measurement at telecommunication wavelengths. A post-selected teleportation fidelity of up to 0.721(33) is achieved, significantly above the classical limit, demonstrating successful quantum teleportation between light generated by distinct sources. These results mark a major advance for the semiconductor platform as a source of quantum light fulfilling a key requirement for a scalable quantum network. This becomes particularly relevant after the seminal breakthrough of addressing a nuclear spin in semiconductor quantum dots demonstrating long coherence times, thus fulfilling another crucial step towards a scalable quantum network.

연구 동기 및 목표

• 광섬유에서의 전파 손실을 최소화하기 위해 통신파장 광자를 사용하여 장거리 양자 통신을 가능하게 한다.
• 원거리에 있는 양자 발광체에서 발생하는 광자의 스펙트럼 및 편광 구별 가능성을 양자 주파수 변환을 통해 극복한다.
• 서로 다른 원거리에 있는 반도체 양자점에서 발생하는 광자 간에 고정밀 양자 텔레포테이션을 달성한다.
• 반도체 양자점이 양자 얽힌 광자 소스이자 단일 광자 소스로 기능하는 확장 가능한 플랫폼을 제공한다.
• 양자 주파수 변환과 벨 상태 측정을 통합하여 원거리 노드 간에 서로 일치하는 광자 간 간섭을 가능하게 한다.

제안 방법

• 두 대의 원거리에 있는 InAs/GaAs 자가조립 양자점(하나는 양자 얽힌 광자 쌍 생성원, 다른 하나는 단일 광자 소스)을 사용한다.
• 편광을 유지하는 양자 주파수 변환기를 적용하여 두 소스의 발광 파장을 통신 C밴드(1550 nm)로 이동시켜 섬유 전파 손실을 최소화한다.
• 주파수 변환기를 통해 촉발된 소스 간의 주파수 불일치를 제거하여 고정밀 양자 간섭을 가능하게 한다.
• 50:50 비율의 분광기와 편광 유지 섬유를 사용한 섬유 기반 간섭계를 이용해 통신파장 광자에 대한 벨 상태 측정(BSM)을 수행한다.
• 배경 노이즈와 삼광자 공시를 억제하기 위해 70 ps 시간 창을 사용한 시간 해상도 검출을 구현한다.
• 이론적 모델링을 통해 미세 구조 분리(FSS), 장치 이방성, 시간 지연 잡음 등으로 인한 편광 모드 겹침 품질 저하를 고려하여 편광 겹침 요소 $ M_p ext{ in } [0.8, 0.9] $ 를 추정한다.

Figure 1 : Quantum teleportation setup: (a) schematic of the experiment where QD $1$ is used as a single-photon source (SPS), while QD $2$ is used as an entangled pair source (EPS). Two independent quantum frequency converters are employed to convert the biexciton photons to a common telecommunicati

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 개의 서로 다른 원거리 반도체 양자점에서 발생하는 광자를 이용해 통신파장 광자를 사용한 양자 텔레포테이션을 달성할 수 있는가?
• RQ2 양자 주파수 변환이 서로 다른 양자점 소스에서 발생하는 광자의 스펙트럼 및 편광 구별 가능성을 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 원거리에서 발생하는 광자를 주파수 변환한 경우, 전면 광학 구조에서 달성 가능한 텔레포테이션 허점은 얼마인가?
• RQ4 실험적 완벽하지 않은 조건—예를 들어 FSS, 이방성, 시간 지연 잡음—은 편광 모드 겹침과 텔레포테이션 허점에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 결정적 양자점과 주파수 변환의 조합이 확장 가능하고 섬유 호환성 있는 양자 네트워크 노드를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 후행 선택 기반의 양자 텔레포테이션 허점 0.721(33)을 달성하여 고전적 한계인 2/3를 크게 초월하였으며, 양자 정보의 성공적인 전달을 확인하였다.
• 허점은 주로 미세 구조 분리(FSS)로 인한 스펙트럼 및 공간적 구별 가능성으로 인해 제한되었으며, 편광 모드 겹침 요소 $ M_p^{ ext{FSS}} = 0.94 $ 로 추정되었고, 추가로 장치 이방성과 시간 지연 잡음으로 인한 품질 저하가 있었다.
• 이론적 모델은 이방성 및 탈조화 시간의 불확실성을 고려하여 편광 겹침 요소 $ M_p $ 가 [0.8, 0.9] 간격 내에 있음을 예측하였다.
• 70 ps 시간 창에서 원하는 공시 대비 전체 검출 공시 비율은 0.85였으며, 배경 노이즈와 삼광자 사건 억제가 효과적이었다는 것을 시사하였다.
• 실험은 원거리 양자점에서 발생하는 광자 간에 고정밀 간섭이 가능하다는 것을 입증하였으며, 이는 글로벌 양자 네트워크를 향한 핵심 단계이다.
• 결과는 최근에 양자점의 장수명 스핀 공명 시간이 향상된 바를 감안할 때 반도체 양자점이 양자 네트워크의 확장 가능한 플랫폼으로서 유효하다는 것을 검증하였다.

Figure 2 : Linewidth and interference of remote quantum light sources : (a) High-resolution linewidth measurements of the QDs biexciton emissions ( $\ket{H}$ component) after quantum frequency conversion, recorded with a Fabry-Pérot interferometer, also depicting their spectral overlap. The data poi