[論文レビュー] Efficient deterministic giant photon phase shift from a single charged quantum dot

Petros Androvitsaneas, A. B. Young+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 40被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、低Qファイバーマイクロピラーに埋め込まれた1つの負に帯電したIn(Ga)As量子ドットを用いて、最大120°（2π/3）の決定的で巨大な光子位相シフトを達成した。この位相シフトはπ/2（90°）を超えており、スケーラブルな量子フォトリックスイッチやスピン-光子もつれ状態の実現に不可欠である。システムは高いβ要因（約0.65）を達成し、収集された光子の80%に対して決定的なπ位相シフトを実現した。これは固体状態量子フォトニクス分野における重要な前進である。

ABSTRACT

Solid-state quantum emitters have long been recognised as the ideal platform to realize integrated quantum photonic technologies. We use a self-assembled negatively charged QD in a low Q-factor photonic micropillar to demonstrate for the first time a key figure of merit for deterministic switching and spin-photon entanglement: a shift in phase of an input single photon of $>90^{o}$ with values of up to $2π/3$ ($120^{o}$) demonstrated. This $>π/2$ ($90^{o}$) measured value represents an important threshold: above this value input photons interact with the emitter deterministically. A deterministic photon-emitter interaction is the only viable scalable means to achieve several vital functionalities not possible in linear optics such as quantum switches and entanglement gates. Our experimentally determined value is limited by mode mismatch between the input laser and the cavity, QD spectral fluctuations and spin relaxation. We determine that up to $80\%$ of the collected photons have interacted with the QD and undergone a phase shift of $π$.

研究の動機と目的

• スケーラブルな量子フォトリックスイッチデバイスに向け、固体状態量子発光子と相互作用する単一光子に対して決定的かつ大きな位相シフトを実現すること。
• 位相シフトを約π/10に制限するモード不整合と不要な散乱の問題を抱える高Qファイバーの制限を克服すること。
• 量子スイッチやもつれゲートなどの決定的量子操作に不可欠な臨界閾値であるπ/2（90°）を超える位相シフトを実証すること。
• 量子ドットスピン遷移の選択的規則と組み合わせることで、高精度なスピン-光子もつれ状態を実現すること。
• 効率的で明確な光学モードと高いβ要因を提供する低Qマイクロピラーを用いた、スケーラブルで統合可能なプラットフォームの開発

提案手法

• 分散ブロッホ反射鏡（DBR）を備えた低Qファクター（Q ~ 290）のGaAs基盤マイクロピラーに自己組織的に形成されたIn(Ga)As量子ドットを用いた。
• 2 µmの直径を持つマイクロピラーは、1388 meVの基本モードと4.1 meVのバンド幅を有し、効率的な光子抽出と高いモード結合の低減（<3%）を実現した。
• 量子ドットスピン状態（|↑⟩ と |↓⟩）を分離させるために、ファラデーゲオメトリで0.5 Tの磁場を印加した。
• NA = 0.7のオブジェクティブラセンスを備えた単一周波数レーザー（10 MHzバンド幅）を用い、垂直偏光（|V⟩）の光をマイクロピラーに集光し、|↓⟩遷移に合わせて、|L⟩成分に選択的位相シフトを誘発した。
• 変換式 |V⟩ → 1/√2 (|R⟩ − i e^{iφ} |L⟩) を実装し、φがβ > 0.5のときπに達する巨大ファラデー回転を達成した。
• 位相シフトは干渉検出法により測定され、収集された光子の80%がπ位相シフトを受けたと推定された。これはバックグラウンド散乱（20%）を補正した結果である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低Qマイクロピラーに埋め込まれた固体状態量子発光子が、スケーラブルな量子フォトリックスイッチングに不可欠なπ/2（90°）を超える決定的位相シフトを実現できるか？
• RQ2 高Qファイバーと比較して、低Qファイバーにおけるβ要因とモードマッチング効率は、位相シフトの大きさと光子収集効率においてどのように異なるか？
• RQ3 量子ドットのスペクトルジッターは、長時間にわたる安定した決定的動作を可能にするために、どの程度低減可能か？
• RQ4 反射光子の大部分に対してπ位相シフトを達成できるか。これにより、決定的スピン-光子もつれ状態が実現可能か？
• RQ5 事後選択なしで固体状態プラットフォームで達成可能な最大位相シフトは何か。また、光学モードマッチングの向上に伴い、そのスケーリングはどのように変化するか？

主な発見

• 実験では、少なくとも120°（2π/3）の決定的位相シフトが達成され、決定的量子操作に不可欠な臨界閾値π/2（90°）を超えた。
• 収集された光子の80%に対してπ位相シフトが推定された。これは、単一光子と量子ドットとの間で高精度な相互作用が実現されたことを示している。
• システムはβ要因が約0.65を示し、β > 0.9の可能性を示しており、量子ドットとキャビティモードの強い結合が確認された。
• 量子ドットのスペクトルジッターは、励起子の寿命よりも約10⁵倍遅く、トリガ可能な時間窓内での安定動作が可能であることが判明した。
• 低Qマイクロピラー設計により、被動的損失が最小限に抑えられ、効率的で明確な入出力光学モードが確保され、高い収集効率（飽和時1 MCount/sec）が達成された。
• モードマッチングを99%以上に向上させれば、100 µsあたり10⁴個の光子を反射・収集可能となり、1秒間に数個の20光子クラスタ状態を生成可能となる。