[논문 리뷰] Towards a source of multi-photon entangled states for linear optical quantum computing

J. P. Lee, Bruno Villa외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 30.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 52인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 단일 전하를 띤 InGaAs 양자점이 마이크로피라미드 캐비티에 내장되어 있을 때, 공진 조명을 통해 캐비티 QED를 강화한 복사광을 이용하여 다중 광자 얽힌 상태를 생성하는 방법을 제안한다. 이는 갇힌 정공 스핀의 조작을 통해 시간-bin 얽힘을 실현한다. 주요 결과로는 방출된 광자의 시간-빈(bin)이 측정된 스핀 상태에 의존함을 입증하여, 동일한 광자들이 얽힌 상태로 사용 가능한 스케일러블 선형 광학 양자 컴퓨팅의 원리적 실현 가능성을 확인한다.

ABSTRACT

We propose a scheme to make use of recent advances in cavity QED-enhanced resonance fluorescence from quantum dots to generate a stream of entangled and indistinguishable photons. We then demonstrate that we can optically manipulate the state of a trapped hole spin to achieve complete coherent control of a qubit. In combination with the selective cavity enhancement of the resonantly excited transition, we use this capability to perform a proof-of-principle demonstration of our proposal by showing that the time bin of a single photon is dependent on the measured state of the trapped spin.

연구 동기 및 목표

• 선형 광학 양자 컴퓨팅에 적합한 스케일러블 다중 광자 얽힌 상태의 소스를 개발하기 위해.
• 약한 광자-광자 상호작용 문제를 극복하기 위해 캐비티 강화 공진 조명을 통한 결정적이고 구분 불가능한 광자 소스를 사용하기 위해.
• 간직된 정공 스핀의 완전한 조작을 가능하게 하기 위해 양자 상태 조작을 위한 완전한 조작 제어를 달성하기 위해.
• 광자의 시간-빈 인코딩이 측정된 스핀 상태에 조건적으로 의존함을 입증하여, 얽힘 생성을 가능하게 하기 위해.
• 실용적인 개선 사항—예를 들어 더 짧은 펄스와 향상된 공명성—을 규명하여 측정 기반 양자 컴퓨팅에 적용 가능한 방식으로 만들기 위해.

제안 방법

• 마이크로피라미드 캐비티에 갇힌 단일 전하를 띤 InGaAs 양자점에서 캐비티 QED를 강화한 공진 조명 복사광을 이용해 매우 구분 불가능한 광자를 생성한다.
• Voigt 자기장 구성을 사용하여 AC 스타크 효과를 통한 비틀림 없는 광학적 스핀 회전을 가능하게 하여 패럴렐 기하학적 구성을 필요로 하지 않는다.
• 다중 펄스 시퀀스를 적용하여 갇힌 정공 스핀의 완전한 조작 제어를 수행하며, 상태 준비 및 조작을 위한 π/2 및 π 펄스를 포함한다.
• 시간에 따라 분리된 단일 광자 탐지기를 사용하여 광자 방출 시간을 측정하고, 이를 측정된 스핀 상태와 연관지운다.
• 자기적 에너지 차이를 기반으로 한 스펙트럼 필터링을 통해 신호와 배경을 분리하면서도 편광 얽힘을 손상시키지 않는다.
• Purcell 효과를 활용하여 수직 방향의 붕괴 확률을 약 5배 향상시켜 원하는 붕괴 경로의 확률을 증가시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 캐비티에 갇힌 단일 양자점이 선형 광학 양자 컴퓨팅에 적합한 구분 불가능하고 얽힌 광자를 방출할 수 있는가?
• RQ2 Voigt 자기장 구성을 통해 갇힌 정공 스핀의 조작 제어를 달성하여 결정적 상태 준비가 가능한가?
• RQ3 방출된 광자의 시간-빈이 갇힌 정공 스핀의 측정된 상태에 의존하는가? 이는 시간-빈 얽힘을 위해 필수적이다.
• RQ4 실험 설정을 수정하여 광자 구분 불가능성과 스핀 공명성을 향상시켜 스케일러블 양자 컴퓨팅 응용에 적합하게 만들 수 있는가?
• RQ5 펄스 길이와 다중 흥 excitations가 생성된 얽힌 상태의 정밀도에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 단일 광자의 시간-빈은 갇힌 정공 스핀의 측정된 상태에 따라 달라지며, |h̄⟩ 상태를 측정했을 때 두 번째 시간-빈에 광자를 감지할 확률이 77%이고, |h⟩ 상태를 측정했을 때는 68%이다.
• 다중 펄스 시퀀스를 통해 갇힌 정공 스핀의 완전한 조작 제어를 달성하였으며, π/2 및 π 펄스를 포함하여 결정적 상태 조작이 가능하다.
• Purcell 강화로 수직 붕괴 속도가 약 5배 향상되어 원하는 붕괴 경로의 발생 확률이 증가한다.
• 두 시간-빈에 대한 측정된 g(2)(0) 값은 g(2)₁,R(0) ≈ 0.68 및 g(2)₂,R(0) ≈ 0.77로, 높은 광자 구분 불가능성과 비고전적 빛 방출을 나타낸다.
• 기존 실험 기술과 호환되며, 펄스 생성을 위한 전기광학 조절 및 스핀 에코 기법을 통해 공명성을 향상시킬 수 있다.
• 미래의 개선 사항—더 짧은 흥 excitations 펄스, 향상된 Purcell 인자, 감소된 핵 스핀 노이즈—는 소스의 정밀도와 스케일러비리티를 크게 향상시킬 수 있다.