[논문 리뷰] Wavelength-tunable high-fidelity entangled photon sources enabled by dual Stark effects

Chen Chen, Jun-Yong Yan외 17명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 09.

Semiconductor Quantum Structures and DevicesPhysics and Astronomy참고 문헌 63인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 이중 스타크 효과를 활용한 이중 스타크 효과 기반의 파장 조절 가능하고 고정밀도 양자 얽힌 광자 소스를 제안한다. 이는 GaAs 양자점의 드롭렛 에칭을 통해 제작되었으며, 미세 구조 분열 보정을 위한 교류 스타크 효과와 파장 조절을 위한 양자 구속 스타크 효과를 조합한다. 이 시스템은 1 meV의 파장 조절 범위에서 0.955 이상의 얽힘 허용도를 달성하여, 양자 중계기와 통합된 양자 회로를 위한 확장 가능하고 요구 시 생성 가능한 광자 소스를 실현한다.

ABSTRACT

The construction of a large-scale quantum internet requires quantum repeaters containing multiple entangled photon sources with identical wavelengths. Semiconductor quantum dots can generate entangled photon pairs deterministically with high fidelity. However, realizing wavelength-matched quantum-dot entangled photon sources faces two difficulties: the non-uniformity of emission wavelength and exciton fine-structure splitting induced fidelity reduction. Typically, these two factors are not independently tunable, making it challenging to achieve simultaneous improvement. In this work, we demonstrate wavelength-tunable entangled photon sources based on droplet-etched GaAs quantum dots through the combined use of AC and quantum-confined Stark effects. The emission wavelength can be tuned by ~1 meV while preserving an entanglement fidelity f exceeding 0.955(1) in the entire tuning range. Based on this hybrid tuning scheme, we finally demonstrate multiple wavelength-matched entangled photon sources with f>0.919(3), paving a way towards robust and scalable on-demand entangled photon sources for quantum internet and integrated quantum optical circuits.

연구 동기 및 목표

• 양자 중계기에서 얽힘 허용도를 떨어뜨리는 반도체 양자점의 비균일한 발광 파장과 엑시톤 미세 구조 분열(FSS) 문제를 해결한다.
• 기존의 조절 방법이 발광 파장과 FSS를 별개로 제어할 수 없어 성능 상의 상충이 발생하는 한계를 극복한다.
• 파장과 FSS를 동시에 독립적으로 제어할 수 있는 하이브리드 조절 기법을 개발하여 넓은 조절 범위에서 고정밀도 얽힘을 실현한다.
• 동일한 파장을 가진 다수의 광자 소스를 고정밀도로 생산함으로써 실용적이고 확장 가능한 양자 인터넷 아키텍처를 실현한다.
• 결정적이고 고정밀도의 양자 얽힌 광자 생성이 가능한 내장형으로 구현 가능한 플랫폼을 제공하여 통합된 양자 광학 회로에 적합한 기술을 제시한다.

제안 방법

• GaAs 양자점의 발광 파장을 ~1 meV 범위에서 조절하기 위해 적용된 전기장에 의한 양자 구속 스타크 효과(QCSE)를 활용한다.
• 동시에 원형 편광 연속파(CW) 레이저를 사용한 교류 스타크 효과를 적용하여 엑시톤의 미세 구조 분열(FSS)을 동적으로 보정하고, 이를 2.92(7) μeV로 감소시킨다.
• 양자점의 전자 상태를 정밀하게 제어하기 위해 펄스형 이중 광자 여기(TPE) 레이저와 가변 주파수의 연속파 레이저를 사용한 공형 현미경 장치를 구현한다.
• 잔여 레이저 배경을 억제하고 양자 얽힌 광자 쌍을 고립하기 위해 가변 주파수 노치 필터와 볼륨형 포지션 히브리드(VPH) 격자 필터를 포함한 다단계 필터링 시스템을 도입한다.
• 단일 광자 앤트리어 디오드(스패드)를 사용한 편광 해상도가 있는 교차 상관 측정을 수행하여 공편광 및 교차편광 기저에서의 허용도를 통해 얽힘 허용도를 정량화한다.
• 검출 중 편광 투영 상태를 제어하고 안정화하기 위해 웨이브플레이트와 편광 필터를 적용하여 편광 이격과 광학 구성 요소에 의한 회전을 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GaAs 양자점에서 발광 파장과 엑시톤의 미세 구조 분열(FSS)을 넓은 파장 범위에서 고정밀도 얽힘을 달성하기 위해 독립적으로 조절할 수 있는가?
• RQ2 파장 조절 중에 교류 스타크 효과가 FSS를 어느 정도 억제할 수 있으며, 이로 인해 고정밀도 얽힘 허용도를 유지할 수 있는가?
• RQ3 0.955 이상의 유지된 얽힘 허용도를 확보할 수 있는 최대 파장 조절 범위는 얼마인가?
• RQ4 CW 조절 레이저에 의한 재진입이 측정된 $g^{(2)}(0)$과 허용도에 어떤 영향을 미치며, 이를 완화할 수 있는가?
• RQ5 하이브리드 스타크 효과 기법이 양자 중계기와 통합된 양자 회로에 적합한 확장 가능하고 요구 시 생성 가능한 양자 얽힌 광자 소스를 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 약 1 meV의 범위에서 파장 조절을 수행하면서도 얽힘 허용도가 0.955(1) 이상을 유지하여 조절 범위 전체에서 높은 안정성을 확보하였다.
• 교류 스타크 효과를 통해 엑시톤의 미세 구조 분열(FSS)을 2.92(7) μeV로 감소시켜 편광 이방성에 의한 디코herence를 크게 줄였다.
• 모든 조절 범위에서 얽힘 허용도가 0.955 이상을 유지하였으며, 조절 창의 극단적인 위치에서 측정된 허용도는 0.955(1)였다.
• CW 조절 레이저에 의한 $|XX\rangle$ 상태 재진입이 $XX$ 광자에 대해 $g^{(2)}(0)$의 증가 원인이 되었으며, 특히 높은 CW 레이저 출력에서 두드러졌다. 이로 인해 QD B의 허용도는 QD A보다 약간 낮아졌다.
• $g^{(2)}(0)$의 값은 CW 레이저 출력 증가에 따라 증가하였으며, 이는 재진입 효과가 레이저 강도에 비례하고 관련 측정의 정밀도를 떨어뜨릴 수 있음을 확인하였다.
• $\pi$-펄스 여기 조건에서 $XX$ 카운트 레이트는 $6.55 \times 10^3$ 개/초, $X$ 카운트 레이트는 $1.15 \times 10^4$ 개/초를 기록하였으며, $XX$ 광자에 대한 좁은 대역 노치 필터에 의한 부분적 필터링으로 인해 $XX$ 레이트가 낮아졌다.