[论文解读] Demonstration of quantum entanglement between a single quantum dot electron spin and a photon

John R. Schaibley, A. P. Burgers+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2012

Quantum and electron transport phenomena被引用 3

一句话总结

该论文首次在实验中实现了半导体量子点中单个电子自旋与同一量子点发射的光子之间的量子纠缠。通过全光学技术，作者实现了0.59的保真度，达到在探测器时间分辨率限制下理论最大保真度的84%，并推断出纠缠生成速率为3 × 10³ s⁻¹，标志着通过光学生态量子比特实现可扩展量子点基量子计算的关键一步。

ABSTRACT

The electron spin state of a singly charged semiconductor quantum dot has been shown to form a suitable single qubit for quantum computing architectures with fast gate times. A key challenge in realizing a useful quantum dot quantum computing architecture lies in demonstrating the ability to scale the system to many qubits. In this letter, we report an all optical experimental demonstration of quantum entanglement between a single electron spin confined to single charged semiconductor quantum dot and the polarization state of a photon spontaneously emitted from the quantum dot's excited state. We obtain a lower bound on the fidelity of entanglement of 0.59, which is 84% of the maximum achievable given the timing resolution of available single photon detectors. In future applications, such as measurement based spin-spin entanglement which does not require sub-nanosecond timing resolution, we estimate that this system would enable near ideal performance. The inferred (usable) entanglement generation rate is 3 x 10^3 s^-1. This spin-photon entanglement is the first step to a scalable quantum dot quantum computing architecture relying on photon (flying) qubits to mediate entanglement between distant nodes of a quantum dot network.

研究动机与目标

• 证明带电InAs/GaAs量子点中单个电子自旋与从其激发态发射的光子之间的量子纠缠。
• 通过使用光子作为飞行量子比特，在远距离量子点节点之间介导纠缠，实现可扩展的量子点量子计算。
• 通过利用光学生态连接实现长距离纠缠，克服基于自旋的量子比特扩展挑战。
• 在实际实验约束条件下，特别是单光子探测器时间分辨率有限的情况下，实现高保真度的自旋-光子纠缠。

提出的方法

• 利用单电荷InAs/GaAs自组装量子点，将单个电子自旋作为量子比特进行束缚。
• 将量子点制备在激发态，以诱导发射出处于偏振态叠加的光子。
• 通过全光学测量检测电子自旋与发射光子偏振态之间的纠缠态。
• 采用时间分辨单光子探测技术，结合有限的时间分辨率，评估纠缠保真度。
• 通过将量子态层析技术应用于测得的相关性，计算纠缠保真度的下限。
• 基于检测到的光子发射事件和自旋测量结果，估算可用纠缠生成速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 半导体量子点中的单个电子自旋能否与自发发射光子的偏振态实现纠缠？
• RQ2 在实际探测器时间分辨率限制下，此类自旋-光子纠缠的可实现保真度是多少？
• RQ3 该系统能否作为远距离量子点网络中自旋-自旋纠缠的可扩展资源？
• RQ4 现有单光子探测器的时间分辨率有限，如何影响观测到的纠缠保真度？
• RQ5 该系统中可用纠缠生成的实际速率是多少？

主要发现

• 实验测得纠缠保真度的下限为0.59，达到在单光子探测器时间分辨率限制下理论最大保真度的84%。
• 推断出的可用纠缠生成速率为3 × 10³ s⁻¹，表明该速率在未来的量子网络中具有实际应用潜力。
• 该系统证明了利用光子作为飞行量子比特，介导远距离量子点自旋之间纠缠的可行性。
• 在对时间分辨率要求不那么严格的未来应用中，例如基于测量的自旋-自旋纠缠，该系统有望实现接近理想的性能。
• 该自旋-光子纠缠构成了基于光学生态互连的可扩展量子点量子计算架构的基础步骤。