[論文レビュー] Coherent Quantum Interconnection between On-Demand Quantum Dot Single Photons and a Resonant Atomic Quantum Memory

Guodong Cui, Lucas Schweickert+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2023

Quantum Information and Cryptography被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ガリウムヒ素量子ドットから発生するオンデマンド単一光子と87Rb蒸気中の共鳴原子量子メモリの間で、光と物質の共鳴相互作用を用いて、光子の量子化された電場を原子の位相にマッピングすることにより、一貫性のある量子相互接続を実証した。主な結果として、長寿命の原子位相と量子準同素体の形成が観測され、高速ハイブリッド量子ネットワークや非線形光子デバイスへの応用が可能になる。

ABSTRACT

Long-range quantum communication requires the development of in-out light-matter interfaces to achieve a quantum advantage in entanglement distribution. Ideally, these quantum interconnections should be as fast as possible to achieve high-rate entangled qubits distribution. Here, we demonstrate the coherent quanta exchange between single photons generated on-demand from a GaAs quantum dot and atomic ensemble in a $^{87}$Rb vapor quantum memory. Through an open quantum system analysis, we demonstrate the mapping between the quantized electric field of photons and the coherence of the atomic ensemble. Our results play a pivotal role in understanding quantum light-matter interactions at the short time scales required to build fast hybrid quantum networks.

研究の動機と目的

• ガリウムヒ素量子ドットから発生するオンデマンド単一光子と87Rb蒸気中の共鳴原子量子メモリとの間で、一貫性のある量子相互接続を実現すること。
• 非共鳴的遅い光効果に依存せずに、高帯域幅かつ短時間の単一光子を原子アンサンブルにマッピングする課題を克服すること。
• 間接的プロービングとマクスウェル＝ブロッホシミュレーションを用いて、量子化された光場と原子位相の間の共鳴的交換を実験的に検証すること。
• 共鳴的で高速な光と物質の相互作用領域において、ポラリトン形成や長寿命位相といった新しい量子ダイナミクスを明らかにすること。
• ハイブリッド量子系を用いて、非線形光子量子デバイスおよび高レート量子ネットワークの基盤を構築すること。

提案手法

• 87Rb D1線（F=1↔F′=1）に共鳴する周波数可変のオンデマンド単一光子を発生させるため、チューナブルなGaAs量子ドットを用いた。
• 室温の87Rb蒸気セルを量子メモリとして採用し、V字型構成の原子遷移を共鳴励起可能とした。
• 光子伝播中の密度行列要素の空間時間的変化をシミュレートするため、マクスウェル＝ブロッホ方程式のフレームワークを適用した。
• 直接プロービングが相互作用中に不可能であったため、原子位相ダイナミクスを推定するために間接的測定技術を用いた。
• 実験結果を、電場強度 |ℰ(z,t)|² と原子密度行列要素 ρ₃₁, ρ₄₁, ρ₄₃ のシミュレーションと照合し、共鳴的マッピングの妥当性を検証した。
• 時間および温度依存のシミュレーションを通じて、光と物質のポラリトンおよび量子準同素体の形成を分析した。

Figure 1: Hybrid quantum light-matter interfaces. (Left) A tunable solid-state quantum dot photon source. The quantum dot emits entangled photon pairs with different frequencies via its biexciton-exciton cascade. The biexciton transition is strain-tuned to emit at atomic transition wavelengths. (Rig

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オンデマンドで発生する高帯域幅の単一光子と共鳴原子量子メモリとの間で、一貫性のある量子相互接続を実現できるか？
• RQ2 短時間の光パルスと原子アンサンブルとの間で、非共鳴的遅い光効果とは異なる、どのような新しい量子ダイナミクスが共鳴相互作用によって生じるか？
• RQ3 入射光子パルスの持続時間より長く、原子位相がどれほど保持されるか。その背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ4 密度行列要素と電場の時間発展のシミュレーション結果が、光子自由度と原子自由度の間の共鳴的マッピングをどの程度妥当に裏付けているか？
• RQ5 観測された量子準同素体ダイナミクスは、将来的な非線形光子-光子相互作用を実現する量子デバイスに応用可能か？

主な発見

• 電場強度 |ℰ(z,t)|² と原子位相 ρ₃₁(z,t) のシミュレートされた時間発展は、光と物質のポラリトン形成を示す時間依存の振動を示した。
• 光子パルスが深く伝播する領域において、|ℰ(z,t)|² と ρ₃₁(z,t) の逆位相振動が観測され、F=1↔F′=1遷移における光と物質のポラリトン形成が確認された。
• ρ₃₁(z,t) と ρ₄₁(z,t) の同位相振動は、非線形的で結合された原子V字型系の出現を示した。
• 励起状態の位相 ρ₄₃(z,t) は、元の光子パルス持続時間のおよそ20倍の長さにわたり持続した。これは、長寿命の原子位相を示している。
• z = 5 cm における原子アンサンブルのエネルギーは、パルス通過後も非ゼロのままであり、励起状態の重ね合わせ状態への光学励起の貯蔵が確認された。
• 温度上昇により、ρ₃₁(t) と ρ₄₁(t) の間の結合が強化され、1つの光子状態における2つのポラリトンモードの重ね合わせに類似した準同素体的ダイナミクスが生じた。

Figure 2: Quantum dot light source characterization. (a) Color-coded photoluminescence spectra of the biexciton-exciton cascade under resonant two-photon excitation as a function of the excitation pulse area, revealing Rabi-oscillations. The red vertical line indicates the rubidium D 1 transitions.