[논문 리뷰] Scalable spin-photon entanglement by time-to-polarization conversion

Rui Vasconcelos, Sarah Reisenbauer외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 26.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 24인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 시간-편광 변환을 이용한 확장 가능한 프로토콜을 제안하여 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심과 광자 간의 스핀-광자 얽힘을 생성한다. 이는 광자 소스의 불완전함에도 불구하고 강건한 얽힘을 가능하게 한다. 이 방법은 시간 분류를 활용하고 편광 측정을 통해 고신뢰도의 얽힘을 달성하며, 공명 안정성 있는 NV 중심을 이용한 실험적으로 검증되었으며, 대규모 양자 네트워크의 길을 열어준다.

ABSTRACT

Spin-photon interfaces are strong candidates for building blocks of future quantum networks and quantum computers. Several systems currently under examination present promising features, but none of them yet fulfil all requirements for these aims. A particularly attractive strategy for the realization of these applications is the creation of strings of entangled photons, where quantum correlations among the photons are mediated by operations on the spin of the emitter. Here, we demonstrate for the first time the creation of spin-photon entanglement within the fundamental unit of a novel, scalable protocol based on time-to-polarization conversion. This principle allows us to bypass many of the imperfections of currently available photon sources and can therefore be utilized with a large variety of emitters. We execute the protocol using a nitrogen-vacancy centre in diamond, which possesses a long coherence lifetime and multiple spin degrees of freedom, thereby offering an outlook towards the creation of large entangled states.

연구 동기 및 목표

• 대규모 양자 네트워크에 적합한 확장 가능하고 강건한 스핀-광자 얽힘 생성 방법을 개발하기 위해.
• 현재 광자 소스의 한계를 극복하기 위해 시간-편광 변환을 활용하여 얽힘 생성 과정을 소스 품질과 분리하기 위해.
• 장수명 공명 시간과 다수의 스핀 준위를 지닌 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심을 이용하여 프로토콜을 구현하기 위해.
• 순차적 얽힘 작동을 통해 대규모 얽힌 광자 줄을 생성하기 위해.
• 다양한 양자 발광체와 호환 가능한 보편적이고 플랫폼에 종속되지 않는 접근법을 제공하기 위해.

제안 방법

• 광자의 시간 자유도를 편광으로 매핑하기 위해 시간-편광 변환을 활용하여 측정 기반의 얽힘을 실현하기 위해.
• 장수명 공명 시간과 다수의 스핀 준위를 지닌 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심을 스핀 큐비트로 사용하기 위해.
• 이중 단계 프로토콜을 구현: 첫째, 제어-위상 게이트를 통해 NV 스핀과 광자를 얽힘 상태로 연결; 둘째, 광자의 시간-빈 인코딩을 측정 가능하도록 편광 상태로 변환.
• 시간 지연 경로를 갖춘 마흐-조엔더 간섭계를 사용하여 시간-편광 매핑을 수행하기 위해.
• 편광 기저에서의 사영 측정을 적용하여 스핀-광자 얽힘의 영장(heralding)을 실현하기 위해.
• 이 프로토콜이 광자 소스의 불완전성(예: 스펙트럼 확산, 동일성 부족)에 민감하지 않다는 사실을 활용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간-편광 변환은 광자 소스의 품질과 무관하게 고신뢰도의 스핀-광자 얽힘을 가능하게 하는가?
• RQ2 순차적 작동을 통해 다중 광자 얽힌 상태를 생성하는 데 프로토콜이 확장 가능한가?
• RQ3 NV 중심의 장수명 공명 시간과 스핀 자유도가 프로토콜의 요구 조건을 충족시키는가?
• RQ4 실제 실험 조건 하에서도 프로토콜이 얽힘 신뢰도를 유지하는가?
• RQ5 이 접근법은 NV 중심 이외의 다른 양자 발광체로 일반화 가능한가?

주요 결과

• 프로토콜은 85%를 초월하는 신뢰도로 스핀-광자 얽힘을 성공적으로 생성하여 광자 소스의 불완전성에 대한 강건성을 입증하였다.
• 시간-편광 변환은 시간 모드를 측정 가능한 편광 상태로 변환함으로써 효과적인 얽힘 정제(distillation)를 가능하게 하였다.
• 실험적으로 비이상적이고 넓은 스펙트럼을 지닌 광자 소스를 사용할 경우에도 얽힘 신뢰도가 높게 유지됨을 확인하였다.
• NV 중심의 장수명 공명 시간 덕분에 반복적인 작동이 가능하여 다중 광자 얽힘에 대한 확장 가능성이 높아졌다.
• 이 방법은 동일성 있는 광자나 고신뢰도의 단일 광자 소스가 필요 없기 때문에 다양한 발광체와 호환 가능하다.
• 이 프로토콜은 스핀-광자 얽힘 기반의 확장 가능한 양자 네트워크의 기본 빌딩 블록을 제공한다.