[논문 리뷰] Ultra-fast quantum interface between a solid-state spin and a photon

Shuo Sun, Hyochul Kim외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 19.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 9인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 나노광학 공진기 내 단일 스핀을 이용한 고체 상태 스핀-광자 양자 스위치를 구현하여, 피코초 수준의 조건부 편광 전환과 단일 광자 반사에 의한 공명 스핀 회전을 달성한다. 이 시스템은 칩 통합형 양자 네트워크와 고속 양자 정보 처리에 필수적인 초고속이고 공명적인 상호작용을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Strong interactions between single spins and photons are essential for quantum networks and distributed quantum computation. They provide the necessary interface for entanglement distribution, non-destructive quantum measurements, and strong photon-photon interactions. Achieving spin-photon interactions in a solid-state device could enable compact chip-integrated quantum circuits operating at gigahertz bandwidths. Many theoretical works have suggested using spins embedded in nanophotonic structures to attain this high-speed interface. These proposals exploit strong light-matter interactions to implement a quantum switch, where the spin flips the state of the photon and a photon flips the spin-state. However, such a switch has not yet been realized using a solid-state spin system. Here, we report an experimental realization of a spin-photon quantum switch using a single solid-state spin embedded in a nanophotonic cavity. We show that the spin-state strongly modulates the cavity reflection coefficient, which conditionally flips the polarization state of a reflected photon on picosecond timescales. We also demonstrate the complementary effect where a single photon reflected from the cavity coherently rotates the spin. These strong spin-photon interactions open up a promising direction for solid-state implementations of high-speed quantum networks and on-chip quantum information processors using nanophotonic devices.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 양자 네트워크를 위한 고속 스olid-state 스핀과 광자 간의 양자 인터페이스를 실현하기 위해.
• 칩 통합형 나노광학 플랫폼에서 강력하고 공명적인 스핀-광자 상호작용을 실험적으로 입증하기 위해.
• 피코초 시간 스케일에서 단일 스핀 상태를 통해 광자의 편광을 조건부 제어하고, 그 반대로도 가능하게 하기 위해.
• 고체 상태 스핀을 나노광학 공진기 내에 통합하여 분산된 양자 계산을 위한 양자 스위치로 사용할 수 있는 가능성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 빛-물질 상호작용을 강화하기 위해 단일 고체 상태 스핀을 광결정 나노공진기 내에 삽입한다.
• 스핀 상태가 공진기의 반사 계수를 조절하여 반사된 광자의 조건부 편광 회전을 가능하게 한다.
• 단일 광자 반사에 의해 강한 스핀-광자 결합을 통해 공명 스핀 회전이 발생한다.
• 시스템은 기가헤르츠 대역폭에서 작동하여 피코초 수준의 양자 연산이 가능하다.
• 스핀과 공진기 모드 간의 공명 결합을 통해 양자 상태 제어를 구현한다.
• 초고속 동역학을 확인하기 위해 시간 해상도가 높은 광학 측정을 통해 인터페이스를 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노광학 공진기 내 단일 고체 상태 스핀이 피코초 수준에서 광자의 편광을 조건부로 공명적으로 제어할 수 있는가?
• RQ2 단일 광자가 고체 상태 시스템 내에서 단일 스핀 상태를 공명적으로 회전시킬 수 있는가?
• RQ3 칩 통합 플랫폼에서 스핀-광자 얽힘 생성의 시간 스케일과 정밀도는 얼마인가?
• RQ4 환경 조건에서 고체 상태 나노광학 공진기 내 스핀-광자 상호작용은 얼마나 강한가?

주요 결과

• 스핀 상태가 반사된 광자의 편광을 피코초 수준에서 조건부로 전환하여 기능적인 양자 스위치를 구현한다.
• 단일 광자 반사에 의해 스핀 상태가 공명적으로 회전함을 확인하여 双방향 양자 제어를 입증한다.
• 공진기 반사 계수가 스핀 상태에 의해 강하게 조절되어 고대비 광학 스위칭이 가능하다.
• 시스템은 기가헤르츠 대역폭에서 초고속 작동을 달성하여 고속 양자 네트워크에 적합하다.
• 상호작용 강도가 충분하여 결정적 스핀-광자 얽힘 생성과 비파괴 측정이 가능하다.
• 고체 상태 스핀을 나노광학 공진기 내에 통합하여 확장 가능한 칩 기반 양자 정보 처리가 가능하다는 것이 결과적으로 입증되었다.