[논문 리뷰] Using the Autler-Townes and ac Stark effects to optically tune the frequency of indistinguishable single-photons from an on-demand source

Chris Gustin, Łukasz Dusanowski외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 09.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 91인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 광학 공진자로 방출 효율성과 불변성(indistinguishability)을 향상시키면서, 반도체 양자점에서 요구에 따라 생성된 단일 광자를 모두 광학적으로 조절하는 방법을 제안한다. 이는 공진 조절 시 자동러-타운즈 효과(Autler-Townes effect) 또는 비공진 조절 시 애크 스타크 시프트(ac Stark shift)를 이용한 것이다. 실질적인 조건에서 에너지 이격이 수백 µeV 이내일 경우 90% 이상의 불변성을 달성하였고, 수십 µeV 이내일 경우 거의 1에 가까운 불변성을 확보하였다.

ABSTRACT

We describe how a coherent optical drive that is near-resonant with the upper rungs of a three-level ladder system, in conjunction with a short pulse excitation, can be used to provide a frequency-tunable source of on-demand single photons. Using an intuitive master equation model, we identify two distinct regimes of device operation: (i) for a resonant drive, the source operates using the Autler-Townes effect, and (ii) for an off-resonant drive, the source exploits the ac Stark effect. The former regime allows for a large frequency tuning range but coherence suffers from timing jitter effects, while the latter allows for high indistinguishability and efficiency, but with a restricted tuning bandwidth due to high required drive strengths and detunings. We show how both these negative effects can be mitigated by using an optical cavity to increase the collection rate of the desired photons. We apply our general theory to semiconductor quantum dots, which have proven to be excellent single-photon sources, and find that scattering of acoustic phonons leads to excitation-induced dephasing and increased population of the higher energy level which limits the bandwidth of frequency tuning achievable while retaining high indistinguishability. Despite this, for realistic cavity and quantum dot parameters, indistinguishabilities of over $90\%$ are achievable for energy shifts of up to hundreds of $\mu$eV, and near-unity indistinguishabilities for energy shifts up to tens of $\mu$eV. Additionally, we clarify the often-overlooked differences between an idealized Hong-Ou-Mandel two-photon interference experiment and its usual implementation with an unbalanced Mach-Zehnder interferometer, pointing out the subtle differences in the single-photon visibility associated with these different setups.

연구 동기 및 목표

• 모든 광학 제어를 통해 고도의 불변성과 효율성을 확보한 조절 가능한 요구에 따라 생성되는 단일 광자 소스를 개발한다.
• 양자점 기반 단일 광자 소스에서 주파수 조절 범위와 위상 일관성 사이의 상충 관계를 조사한다.
• 광학 공진자 통합을 통해 자발적 방출과 전자-음향파 상호작용에 의한 열화를 완화한다.
• 이dealized 홍-오우-마נדל 간섭계와 실제 비균형 맥스-젠더 간섭계 간의 차이를 명확히 한다.

제안 방법

• 양자점의 이중자-함정 전이 연쇄를 기반으로 한 네 수준의 래더 시스템을 사용한다.
• 상부 전이에 대해 공진에 가까운 연속형 레이저 조절을 적용하여 자동러-타운즈 또는 애크 스타크 효과를 유도한다.
• 역학적 동역학과 불변성, 효율성의 정량적 평가를 위해 마스터 방정식 모델을 활용한다.
• 함정 전이에 공진하는 광학 공진기를 통합하여 광자 수확률을 높이고 디코herence를 억제한다.
• 전자-음향파 상호작용과 자극에 의한 위상 분리가 소스 성능에 미치는 영향을 분석한다.
• 이전 연구에서 확보한 양자점 단일 광자 소스의 실험 기준과 이론 예측을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공진 조절(Autler-Townes)과 비공진 조절(ac Stark) 중 어떤 것을 선택하느냐가 주파수 조절 범위와 광자 불변성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 이 시스템에서 광학 공진기가 디코herence 억제와 방출 효율 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 전자-음향파 상호작용은 양자점에서 고도의 불변성을 유지하면서 주파수 조절을 얼마나 제한하는가?
• RQ4 이dealized HOM 실험과 실제 비균형 맥스-젠더 간섭계 간의 가시도와 간섭 대비도는 어떻게 다를까?
• RQ5 실제로 존재하는 양자점 및 공진기 파arameter를 고려할 때, 조절 범위, 불변성, 효율성 사이의 실현 가능한 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 광학 공진기를 사용함으로써 에너지 이격이 수백 µeV 이내일 경우 불변성이 90%를 초과하는 것이 가능하다.
• 실제 물질 및 공진기 파arameter 조건에서도 에너지 이격이 수십 µeV 이내일 경우 거의 1에 가까운 불변성(99% 이상)을 확보할 수 있다.
• 애크 스타크 영역은 더 높은 불변성과 효율성을 가능하게 하지만, 강력한 조절과 큰 이격이 필요하여 조절 대역폭이 제한된다.
• 자동러-타운즈 영역은 더 넓은 조절 범위를 허용하지만, 시간 지연 잡음으로 인해 위상 일관성이 떨어진다.
• 전자-음향파 상호작용은 자극에 의한 위상 분리와 이중자 농도 증가를 유도하여 고도의 불변성을 유지하는 데 주파수 조절 범위를 제한한다.
• 공진기 강화는 자발적 방출과 위상 분리의 영향을 크게 감소시켜 효율성과 불변성 모두를 향상시킨다.