[논문 리뷰] Strain-tunable GaAs quantum dot: An on-demand source of nearly-maximally entangled photon pairs

Daniel Huber, Marcus Reindl외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 20.

Semiconductor Quantum Structures and Devices인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 두광자 공진 조건 하에서 스트레인 조절이 가능한 GaAs 양자점을 사용하여 거의 최대의 얽힘을 가진 광자 쌍을 수요에 따라 생성하는 방법을 보여준다. 이는 후처리 선택 기법 없이도 0.978(5)의 정밀도와 0.97(1)의 농도를 달성하며, 약간의 푸르셀 증폭을 통해 얽힘 수준이 0.99를 초월해 실용적인 양자 통신 응용이 가능하게 한다.

ABSTRACT

Entangled photon generation from semiconductor quantum dots via the biexciton-exciton cascade underlies various decoherence mechanisms related to the solid-state nature of the quantum emitters. So far, this has prevented the demonstration of nearly-maximally entangled photons without the aid of inefficient and complex post-selection techniques that are hardly suitable for quantum communication technologies. Here, we tackle this challenge using strain-tunable GaAs quantum dots driven under two-photon resonant excitation and with strictly-degenerate exciton states. We demonstrate experimentally that our on-demand source generates polarization-entangled photons with fidelity of 0.978(5) and concurrence of 0.97(1) without resorting to post-selection techniques. Moreover, we show that the remaining decoherence mechanisms can be overcome using a modest Purcell enhancement so as to achieve a degree of entanglement >0.99. Our results highlight that GaAs quantum dots can be readily used in advanced communication protocols relying on the non-local properties of quantum entanglement.

연구 동기 및 목표

• 반도체 양자점에서 발생하는 디코herence가 거의 최대의 얽힌 광자 쌍 생성을 제한하는 문제를 해결하기 위해.
• 얽힌 광자 생성에서 효율이 떨어지는 후처리 선택 기법의 필요성을 제거하기 위해.
• 균일한 에너지 준위를 갖는 스트레인 조절이 가능한 GaAs 양자점을 사용하여 고정밀도, 수요에 따른 얽힘을 달성하기 위해.
• 잔류 디코herence는 푸르셀 증폭을 통해 보완될 수 있으며, 이는 거의 이상적인 얽힘을 가능하게 한다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• 엄격히 일치하는 에너지 준위를 갖는 양자점 상태를 설계하기 위해 스트레인 조절이 가능한 GaAs 양자점을 활용하기 위해.
• 이중 광자 공진 조건을 적용하여 이중자-기초 상태 전이 과정에서 스펙트럼 이격 없이 구동하기 위해.
• 세부 구조 분리( fine structure splitting )를 제어하고 디코herence를 억제하기 위해 스트레인 공학을 적용하기 위해.
• 잔류 디코herence 메커니즘을 추가로 억제하기 위해 중간 정도의 푸르셀 증폭을 적용하기 위해.
• 양자 상태 단층 촬영을 통해 편광 얽힘 정밀도와 농도를 측정하기 위해.
• 실험 결과를 이론 예측과 비교하여 소스 성능의 타당성을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스트레인 조절이 가능한 GaAs 양자점은 후처리 선택 기법 없이 거의 최대의 얽힌 광자 쌍을 생성할 수 있는가?
• RQ2 에너지 준위의 일치성이 얽힌 광자 쌍의 정밀도와 농도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 시스템에서 잔류 디코herence는 어느 정도까지 푸르셀 증폭을 통해 억제될 수 있는가?
• RQ4 이 소스는 실용적인 양자 통신 프로토콜에 적합한 정밀도와 농도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 이중 광자 공진 조건은 이중자-기초 상태 전이 과정에서 디코herence를 최소화하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 후처리 선택 기법 없이도 소스는 편광 얽힘 광자 쌍의 정밀도 0.978(5)를 달성한다.
• 생성된 얽힌 상태의 농도는 0.97(1)에 도달하여 거의 최대의 얽힘 수준임을 나타낸다.
• 잔류 디코herence 메커니즘은 중간 정도의 푸르셀 증폭만으로도 극복 가능하다는 것이 입증되었다.
• 이러한 증폭을 적용하면 얽힘 수준이 0.99를 초월하여 이상적인 양자 얽힘에 가까워진다.
• 결과는 GaAs 양자점이 확장 가능한 수요에 따른 양자 통신 기술의 실현 가능 플랫폼이 될 수 있음을 확인한다.
• 연구는 스트레인 공학과 공진 조건이 반도체 양자점 소스에서 디코herence를 효과적으로 억제하는 전략임을 입증한다.