[论文解读] Deterministic photon source of genuine three-qubit entanglement

Yijian Meng, Ming Lai Chan+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2023

Quantum Information and Cryptography被引用 5

一句话总结

该论文首次实现了基于镶嵌在平面光子波导中的InAs量子点内单个电子自旋的真正三量子比特纠缠的确定性制备。通过在4 T的Voigt几何磁场下采用核自旋窄化与自旋回波序列，作者实现了保真度为56(2)%的三量子比特GHZ态以及97(2)%的光子不可区分性，从而通过光子融合实现了可扩展的光量子计算。

ABSTRACT

Deterministic photon sources allow long-term advancements in quantum optics. A single quantum emitter embedded in a photonic resonator or waveguide may be triggered to emit one photon at a time into a desired optical mode. By coherently controlling a single spin in the emitter, multi-photon entanglement can be realized. We demonstrate a deterministic source of three-qubit entanglement based on a single electron spin trapped in a quantum dot embedded in a planar nanophotonic waveguide. We implement nuclear spin narrowing to increase the spin dephasing time to $T_2^* \simeq 33$ ns, which enables high-fidelity coherent optical spin rotations, and realize a spin-echo pulse sequence for sequential generation of high-fidelity spin-photon and spin-photon-photon entanglement. The emitted photons are highly indistinguishable, which is a key requirement for subsequent photon fusions to realize larger entangled states. This work presents a scalable deterministic source of multi-photon entanglement with a clear pathway for further improvements, offering promising applications in photonic quantum computing or quantum networks.

研究动机与目标

• 在固态平台上实现可扩展的、确定性的真正多光子纠缠源，以服务于光量子技术。
• 克服基于量子点光源中自旋相干性与光子不可区分性之间的权衡。
• 通过时间-比特协议直接实现高保真度的三量子比特纠缠（自旋+两光子）。
• 通过实现接近单位的光子不可区分性，使光子融合成为可能，从而构建大规模纠缠态。
• 为实现基于自旋-光子接口的可扩展光量子计算和单向量子中继器提供可行路径。

提出的方法

• 利用镶嵌在平面光子波导中的InAs量子点内的单个电子自旋，实现确定性的单光子发射。
• 采用核自旋窄化技术，将电子自旋退相干时间提高至T₂* ≈ 33 ns，从而增强自旋相干性。
• 实施自旋回波脉冲序列，以在嘈杂的固态环境中保持自旋相干性。
• 采用时间-比特多光子纠缠协议，将电子自旋与两个确定性发射的光子纠缠。
• 使用4 T平面内磁场（Voigt几何构型），以实现主动自旋控制并清晰区分光学跃迁。
• 通过Hanbury-Brown–Twiss和Hong–Ou–Mandel干涉测量表征光子质量，测量g²(0)和HOM可见度，从而提取本征不可区分性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用固态量子点光源确定性地生成真正的三量子比特纠缠？
• RQ2 能否在固态平台上同时实现高保真度的自旋控制与光子不可区分性？
• RQ3 核自旋窄化是否足以在嘈杂环境中提供足够的自旋相干性，以实现高保真度纠缠制备？
• RQ4 所展示的光源能否通过光子融合实现可扩展的光量子计算？
• RQ5 此类系统中的保真度基本极限是什么？如何突破这一极限？

主要发现

• 实验实现了56(2)%的三量子比特GHZ态保真度，直接证明了真正的三量子比特纠缠。
• 该态在超过10个标准差的水平上违反了双分离性判据，证实了真正的多体纠缠。
• 光子不可区分性测量值为97(2)%，表明其质量接近单位，适用于光子融合。
• 观察到HOM可见度与g²(0)之间存在线性关系，F ≈ 2.0(3)，表明光子可区分性是主要噪声源。
• 在扣除多光子和泄漏贡献后，提取出本征单光子不可区分性V_s为97(2)%。
• 该平台可扩展至四纠缠量子比特，且通过无应变GaAs液滴外延量子点有望实现进一步性能提升。