[논문 리뷰] A scalable interface between solid-state and flying qubits: observations of near-unity dipole helicity to photon pathway coupling

B. le Feber, Nir Rotenberg외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 30.

Photonic and Optical Devices인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 광학 결정 파동도에서 국소적 헬리시티를 활용하여 원형 듀얼 전이를 특정 광학 경로 모드에 거의 단일 효율(0.8 ± 0.1)로 결합하는 것을 보여준다. 고전적 광학 유사체를 통해 스핀에 의존하는 방출 방향성—고체 상태 큐비트와 플라잉 큐비트 간의 확장 가능한 칩 내 양자 인터페이스를 가능하게 하는—는 두극자-헬리시티 상호작용의 정밀한 제어를 통해 달성될 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Controlling photon emission by single quantum emitters with nanostructures is crucial for scalable on-chip quantum information processing. Nowadays nanoresonators can affect the lifetime of emitters and ultimately induce strong coupling between the emitters and the light field, while nanoantennas can control the directionality of the emission. Expanding this control to the manipulation of the emission of orbital angular momentum-changing transitions would enable coupling between long-lived solid-state qubits and flying qubits. As these transitions are associated with circular rather than linear dipoles, such control requires detailed knowledge of the spatially dependent interaction of a complex dipole with highly structured optical eigenstates containing local helicity. Using a classical analogue, we experimentally map the coupling of circular dipoles to photonic modes in a model structure, a photonic crystal waveguide. We show that depending on the local helicity the dipoles can be made to couple to modes either propagating to the left or to the right. The maps are in excellent agreement with calculations. Our measurements, therefore, demonstrate the coupling of spin to photonic pathway with near-unity (0.8 $\pm$ 0.1) efficiency.

연구 동기 및 목표

• 단일 양자 발광체에서의 광자 방출을 제어하여 확장 가능한 칩 내 양자 정보 처리를 가능하게 하기 위해.
• 오비탈 운동량 변화를 동반하는 전이를 통해 장수명 고체 상태 큐비트를 플라잉 큐비트에 결합하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 국소적 헬리시티를 가진 구조화된 광학 모드를 사용하여 원형 듀얼의 방출 방향성을 제어하기 위해.
• 모델 광학 결정 파동도에서 복잡한 듀얼 모멘트와 광학 고유상태 간의 공간적으로 의존하는 결합을 실험적으로 매핑하기 위해.

제안 방법

• 광학 결정 파동도에서 원형 듀얼과 광학 모드 간의 상호작용을 시뮬레이션하기 위해 고전적 광학 유사체를 사용한다.
• 드롭 위치와 방향성에 따라 방출 패턴을 측정하여 결합 효율의 공간적 매핑을 수행한다.
• 광학 고유상태의 국소적 헬리시티를 계산하고 측정된 방출 방향성과 관련지어 분석한다.
• 전자기 모드 이론에 기반한 이론적 계산을 통해 듀얼-헬리시티 상호작용을 모델링하고 결합 효율을 예측한다.
• 실험 결과를 직접 시뮬레이션과 비교하여 관측된 결합 행동의 타당성을 검증한다.
• 좌우로 전파되는 모드에 방출되는 전력의 비율을 측정하여 거의 단일 효율을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구조화된 파동도에서 원형 듀얼 전이가 특정 광학 경로 모드에 효율적으로 결합될 수 있는가?
• RQ2 광학 모드의 국소적 헬리시티가 원형 듀얼의 방출 방향성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 광학 결정 파동도에서 듀얼-헬리시티 상호작용은 어느 정도 맵핑되고 제어될 수 있는가?
• RQ4 실험적 관측된 듀얼-모드 결합이 전자기 이론에 기반한 이론적 예측과 정량적으로 일치하는가?
• RQ5 원형 듀얼과 광학 경로 모드 간의 최대 달성 가능한 결합 효율은 얼마인가?

주요 결과

• 원형 듀얼과 광학 경로 모드 간의 결합 효율은 0.8 ± 0.1에 도달하여 거의 단일 효율에 가까워진다.
• 방출의 방향성—좌측 또는 우측으로 전파되는 것—은 듀얼 위치에서의 광학 모드의 국소적 헬리시티에 의해 결정된다.
• 실험적 결합 효율 매핑 결과는 전자기 모드 이론에 기반한 이론적 계산과 뛰어난 일치를 보인다.
• 복잡한 듀얼과 구조화된 광학 고유상태 간의 공간적으로 의존하는 상호작용이 성공적으로 매핑되고 검증되었다.
• 결과적으로 스핀에 의존하는 광자 방출 제어를 통해 고체 상태 큐비트와 플라잉 큐비트 간의 확장 가능한 인터페이스 메커니즘이 입증되었다.
• 고전적 유사체 실험은 광학 나노구조에서의 양자 듀얼-발광체 결합의 핵심 물리적 메커니즘을 정확히 재현하였다.