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QUICK REVIEW

[논문 리뷰] Triggered telecom C-band single-photon source with high brightness, high indistinguishability and sub-GHz spectral linewidth

Raphael Joos, Stephanie Bauer|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 31.
Photonic and Optical Devices인용 수 6
한 줄 요약

이 논문은 스펙트럼 필터링을 통해 인간산갈륨 arsenide (In(Ga)As) 양자점이 원형 브라그 격자 공진기와 결합된 트리거형 통신 C밴드 단일광자원을 제시한다. 비일관성 펌프 조건에서 고광도(1.45 MHz 응용 준비 완료 속도), 고동일성(66.4% 이중광자 간섭 시야도), 및 초광역 스펙트럼 대역폭(0.80 GHz)을 달성하였으며, 새로운 SUPER 기법을 통해 일관성 펌프 조건에서도 유사한 성능을 확보하였다. 이는 양자 반복기 응용을 위한 통신 C밴드에서 이러한 모든 특성을 동시에 구현한 최초의 사례이다.

ABSTRACT

Long-range, terrestrial quantum networks will require high brightness single-photon sources emitting in the telecom C-band for maximum transmission rate. Many applications additionally demand triggered operation with high indistinguishability and narrow spectral linewidth. This would enable the efficient implementation of photonic gate operations and photon storage in quantum memories, as for instance required for a quantum repeater. Especially, semiconductor quantum dots (QDs) have shown these properties in the near-infrared regime. However, the simultaneous demonstration of all these properties in the telecom C-band has been elusive. Here, we present a coherently (incoherently) optically-pumped narrow-band (0.8 GHz) triggered single-photon source in the telecom C-band. The source shows simultaneously high single-photon purity with $g^{(2)}(0) = 0.026$ ($g^{(2)}(0) = 0.014$), high two-photon interference visibility of 0.508 (0.664) and high application-ready rates of 0.75 MHz (1.45 MHz) of polarized photons. The source is based on a QD coupled to a circular Bragg grating cavity combined with spectral filtering. Coherent (incoherent) operation is performed via the novel SUPER scheme (phonon-assisted excitation).

연구 동기 및 목표

  • 섬유 손실을 최소화하기 위해 통신 C밴드에서 작동하는 고성능 단일광자원을 개발하여 장거리 양자 네트워크와 호환되도록 한다.
  • 양자 반복기 및 광학 양자 게이트에 필수적인 조건인 높은 단일광자 순도, 고광도, 고동일성, 및 좁은 스펙트럼 대역폭을 동시에 달성한다.
  • 일관성 및 비일관성 펌프 조건을 모두 적용하여 성능이 유사하도록 함으로써 다양한 양자 응용에 대한 유연성을 높인다.
  • 초기에는 통신 C밴드 양자점에 SUPER(Swing-Up of Quantum EmitteR population) 기법을 구현하여 고광도, 일관성 있는 단일광자 방출을 가능하게 한다.
  • 초광역 대역폭과 고동일성을 통해 양자 메모리 및 광학 회로와의 효율적 인터페이스를 가능하게 한다.

제안 방법

  • GaAs 기반 매트릭스에 포함된 In(Ga)As 양자점을 사용하여 원형 브라그 격자(CBG) 마이크로공진기를 결합함으로써 통신 C밴드(1530–1565 nm) 영역으로의 방출을 강화한다.
  • 볼륨 브라그 격자(VBG) 노치 및 밴드패스 필터를 이용한 스펙트럼 필터링을 통해 좁은 대역폭, 고순도의 단일광자 방출을 분리한다.
  • 두 대의 동기화된 섬섬 레이저와 비대칭 맥주-지엔더 간섭계를 사용하여 펄스 겹침을 정밀하게 제어하는 SUPER(Swing-Up of Quantum EmitteR population) 기법을 일관성 펌프에 적용한다.
  • 초전도 나노와이어 단일광자 탐지기(SNSPD)와 시간-디지털 변환기(TDC)를 사용하여 펌프 펄스 간 상대적 지연을 측정하고 안정화한다.
  • 비일관성 펌프를 위해 진동자 보조 자극(LA)을 적용하여 일관성 펄스 동기화가 필요 없이도 고응용 준비 속도를 확보한다.
  • 광자 동일성은 이중광자 간섭(TPI) 시야도를 통해 측정하고, 스펙트럼 대역폭은 좁은 대역폭 에탈론과 스펙트럼 필터링을 사용하여 측정한다.
Figure 1: Schematic of the setup used for coherent pumping via the SUPER scheme using two synchronized fiber lasers (FLs) . The pulses of two synchronized FLs are superimposed in an unbalanced Mach-Zehnder interferometer (MZI). Comparing the arrival time of the pulses on a superconducting nanowire s
Figure 1: Schematic of the setup used for coherent pumping via the SUPER scheme using two synchronized fiber lasers (FLs) . The pulses of two synchronized FLs are superimposed in an unbalanced Mach-Zehnder interferometer (MZI). Comparing the arrival time of the pulses on a superconducting nanowire s

실험 결과

연구 질문

  • RQ1통신 C밴드 단일광자원이 동시에 고광도, 고동일성, 및 초광역 스펙트럼 대역폭을 달성할 수 있는가?
  • RQ2SUPER 기법이 통신 C밴드 양자점에 성공적으로 적용되어 고광도, 일관성 있는 단일광자 방출을 가능하게 할 수 있는가?
  • RQ3좁은 대역폭, 통신 C밴드 단일광자원에서 일관성 및 비일관성 펌프 조건 간 동일성 및 응용 준비 속도 등의 성능 지표를 비교하면 어떻게 되는가?
  • RQ4스펙트럼 필터링은 광자 동일성과 대역폭을 얼마나 향상시키며, 同시에 고광도를 유지할 수 있는가?
  • RQ5이러한 원천이 일관성 및 비일관성 작동을 모두 지원하면서도 유사한 성능을 유지할 수 있는가? 이는 양자 네트워크에서의 광범위한 적용 가능성을 의미한다.

주요 결과

  • 비일관성 펌프 조건에서 이중광자 간섭 시야도는 0.664(4)를 기록하였으며, 통신 C밴드 양자점 원천 중 현재까지 보고된 바 중 최고 수준이다.
  • 비일관성 펌프 조건에서 응용 준비 완료 속도는 1.45 MHz에 도달하였으며, 단일광자 순도는 g²(0) = 0.014(1)로 나타나 거의 완벽한 단일광자 방출을 의미한다.
  • 스펙트럼 대역폭은 0.80(1) GHz로 측정되었으며, 필터링 이후 초광역 스펙트럼 축소가 확인되어 양자 메모리와의 인터페이스에 필수적이다.
  • SUPER 기법을 통한 일관성 펌프 조건에서는 시야도 0.504(14)와 속도 0.75 MHz를 달성하여, 비일관성 자극이 필요 없이도 고성능을 확보하였다.
  • 일관성 및 비일관성 펌프 조건 모두에서 높은 성능가 유지되었으며, 서로 다른 스펙트럼 확산 역학에 기인한 동일성의 미세한 차이 외에는 유사한 성능을 보였다.
  • 통신 C밴드 양자점에 SUPER 기법을 처음으로 적용한 것은 중요한 전환점으로, 이 기법은 이 중요한 파장 영역에서 고광도, 일관성 있는 단일광자 방출을 가능하게 하였다.
Figure 2: Emission characteristics of the QD-microcavity system under coherent SUPER excitation . a Emission spectrum under SUPER pumping and components of the spectrum when excited with only one laser via the phonon sideband. b Scan of detuning $\Delta$ and power $P$ of FL 2 for $\Delta_{1}=$4\text
Figure 2: Emission characteristics of the QD-microcavity system under coherent SUPER excitation . a Emission spectrum under SUPER pumping and components of the spectrum when excited with only one laser via the phonon sideband. b Scan of detuning $\Delta$ and power $P$ of FL 2 for $\Delta_{1}=$4\text

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