[논문 리뷰] Spin-photon entanglement of a single Er$^{3+}$ ion in the telecom band

Mehmet T. Uysal, Łukasz Dusanowski외 6명|arXiv (Cornell University)|2024. 06. 10.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 7

한 줄 요약

단일 Er3+ 이온의 스핀-광 얽힘을 직접 텔레콤 대역에서 실리콘 나노광학 회로 내에서 입증하고, 빠른 다이나믹 디커플링을 이용해 스핀 코히어런스를 보호하며 15.6 km 거리에서 1.48 Hz 얽힘 속도와 73(3)%의 충실도를 달성함.

ABSTRACT

Long-distance quantum communication using quantum repeaters is an enabling technology for secure communication, distributed quantum computing and quantum-enhanced sensing and metrology. As a building block of quantum repeaters, spin-photon entanglement has been demonstrated with both atomic and solid-state qubits. However, previously demonstrated qubits with long spin coherence do not directly emit photons into the low-loss telecom band that is needed for long-distance communication. Here, we demonstrate spin-photon entanglement using a single Er$^{3+}$ ion in a solid-state crystal, integrated into a silicon nanophotonic circuit. Direct emission into the telecom band enables an entanglement rate of 1.48 Hz over 15.6 km of optical fiber, with a fidelity of 73(3)$\%$. This opens the door to large-scale quantum networks based on scalable nanophotonic devices and many spectrally multiplexed Er$^{3+}$ ions.

연구 동기 및 목표

• 단일 Er3+ 이온를 고체 기질에서 직접 텔레콤 대역의 스핀-광 얽힘으로 구현한다.
• CaWO4에 Er3+ 이온을 실리콘 나노포토닉 캐비티와 결합시켜 방출 및 라우팅의 효율을 높인다.
• 빛 방출 동안 스핀 코히어런스를 보호하여 장거리 광섬유 링크에서 높은 충실도 얽힘을 가능하게 한다.
• 얽힘 프로토콜에 영향을 미치는 광학적 유발 스핀 디페어싱 메커니즘을 식별하고 완화한다.
• 충실도, 속도 등의 얽힘 성능 지표를 평가하고 양자 네트워크 확장성에 대해 논의한다.

제안 방법

• Purcell 효과(P=342)를 통해 방출을 강화하도록 실리콘 나노포토닉 캐비티 근처에 배치된 CaWO4 내의 Er3+ 이온을 사용한다.
• XY-16 다이나믹 디커플링 시퀀스에 내장된 시간-빈(spin-타임) 얽힘 프로토콜을 적용하여 스핀 디코히런스를 재집속한다.
• 두 광펄스를 스핀 디커플링과 교대로 적용하여 얽힌 상태(|↓g⟩|E⟩ + |↑g⟩|L⟩)/√2를 자발 방출 후 생성한다.
• 비대칭 Mach-Zehnder 간섭계로 광자 시간-빈 큐빗을 측정하고 광자 탐지에 조건화된 스핀 판독을 통해 벨-상 태토모그래피를 수행한다.
• 참조 레이저로 간섭계 위상 φ를 지속적으로 추적하여 측정 기저를 무작위화하고 얽힘 충실도를 계산한다.
• 충실도에 기여하는 오차 요인을 정량화한다(스핀 디코히런스, MW 펄스 오차, 광학 디코히런스, 백그라운드 카운트, 초기화 및 방출-빈 간섭 등).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CaWO4의 단일 Er3+ 이온이 텔레콤 대역으로 직접 방출하면서 스핀-광 얽힘을 유지할 수 있는가?
• RQ2 집적 나노광학 소자에서 텔레콤 대역 스핀-광 얽힘의 달성 가능한 속도와 충실도는 어느 정도인가?
• RQ3 광학적으로 유발되는 디페어싱 메커니즘이 빛 방출 중 스핀 코히런스에 미치는 영향은 무엇이며 다이나믹 디커플링으로 이를 완화할 수 있는가?
• RQ4 양자 중계기 응용을 위한 얽힘 생성의 기기 성능 및 코히런스 개선은 무엇이 필요하며 확장 가능한가?

주요 결과

• 텔레콤 파장(1532.6 nm)에서 0.73(3)의 충실도로 스핀-광 얽힘을 달성했다.
• 광섬유 15.6 km에서 얽힘 생성 속도 1.48 Hz를 시연했다.
• Purcell 강화 방출(P=342)은 B 전이의 광 수명을 18.4 μs로 단축시켜 텔레콤 방출을 가능하게 한다.
• 전하 변동으로 인한 전기장 소음으로 인한 광학적 스핀 디페어싱을 빠른 XY-16 다이나믹 디커플링 시퀀스로_ground 및 excited 상태 스핀에 적용하여 완화했다.
• 변형된 프로토콜이 광학 조명 하에서도 150 μs를 넘는 스핀 코히런스를 유지하는 스핀-광 상관을 보존함을 시연했다.
• 광학/스핀 코히런스, 결합 효율성, 더 빠른 스핀 리셋 등의 개선으로 얽힘 속도를 약 150 Hz까지 증가시킬 수 있는 경로를 추정했다.