[논문 리뷰] On-demand generation of entangled photon pairs in the telecom C-band for fiber-based quantum networks

Katharina D. Zeuner, Klaus D. Jöns외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 10.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 29인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 InAs/GaAs 양자점을 이용한 진동수 보조(excitation) 구조를 통해 통신 C밴드(1530–1565 nm)에서 요구 시에만 양자 얽힌 광자 쌍을 생성함을 보여준다. 이 방법은 벨 상태 |Φ⁺⟩에 대해 91.4%의 콘카르던스와 95.2%의 허상도를 달성하여 확장 가능한 섬유 기반 양자 네트워크를 위한 견고하고 결정적인 얽힘을 가능하게 한다.

ABSTRACT

On-demand sources of entangled photons for the transmission of quantum information in the telecom C-band are required to realize fiber-based quantum networks. So far, non-deterministic sources of quantum states of light were used for long distance entanglement distribution in this lowest loss wavelength range. However, they are fundamentally limited in either efficiency or security due to their Poissonian emission statistics. Here, we show on-demand generation of entangled photon pairs in the telecom C-band by an InAs/GaAs semiconductor quantum dot. Using a robust phonon-assisted excitation scheme we measure a concurrence of $91.4\,\%$ and a fidelity of $95.2\,\%$ to $Φ^+$. On-demand generation of polarization entangled photons will enable secure quantum communication in fiber-based networks. Furthermore, applying this excitation scheme to several remote quantum dots tuned into resonance will enable first on-demand entanglement distribution over large distances for scalable real-life quantum applications.

연구 동기 및 목표

• 장거리 양자 통신을 위한 통신 C밴드에서 결정적이고 요구 시 생성 가능한 양자 얽힌 광자 소스를 개발한다.
• 효율성과 보안에 제한을 주는 비결정적 소스의 문제점, 예를 들어 포isson 분포의 방출 통계를 해결한다.
• 환경 변화와 레이저 파arameter의 이격에 강건한 진동수 보조 자극 구조를 사용하여 견고하고 확장 가능한 양자 네트워크를 실현한다.
• 양자 텔레포테이션, 얽힘 스위칭, 장거리 양자 통신에 적합한 고정도 얽힘 성능을 달성한다.

제안 방법

• 통신 C밴드에서 약 1550 nm의 방출을 달성하기 위해 메타모픽 InGaAs 버퍼층을 포함한 GaAs 기반에 성장시킨 InAs 양자점을 사용한다.
• 레이저 출력과 파장 변화에 영향을 받지 않고도 이입자 상태를 고확률로 결정적으로 준비할 수 있도록 진동수 보조 이광자 자극 구조를 구현한다.
• 분산 반사성 반사판(DBR)과 반도체-공기 인터페이스로 이루어진 3/4 파장 공진기 구조를 적용하여 광자 추출 효율을 향상시킨다.
• 편광 얽힘 분석을 위해 이방성 보정이 적용된 밀도 행렬 재구성 기법을 사용하여 이방성 기반 측정값을 표준 HV 기반으로 변환한다.
• 시간 해상도가 높은 단일 광자 탐지 및 필터링을 통해 진동하는 벨 상태를 식별하고 얽힘 허상도를 검증한다.
• 냉각기, 캡핑 층 및 광학 부품에서 유도되는 이방성 효과를 보완하기 위해 가상의 웨이브플레이트 변환을 적용하여 상태의 허상도와 수직성을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확장 가능한 양자 네트워크에 적합한 강건한 자극 구조를 사용하여 통신 C밴드에서 요구 시 생성 가능한 얽힌 광자 쌍을 구현할 수 있는가?
• RQ2 기존의 이광자 공 resonance 자극에 비해 진동수 보조 자극이 얽힌 광자 생성의 안정성과 허상도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 InAs 양자점에서 비공 resonance, 넓은 대역의 자극 조건 하에서 최대 얽힘 상태 |Φ⁺⟩에 대한 콘카르던스와 허상도는 어느 정도 달성될 수 있는가?
• RQ4 광학 경로 및 샘플 캡핑 층에서 발생하는 이방성 영향에도 불구하고 얽힘 품질이 유지되고 정확하게 측정될 수 있는가?
• RQ5 이 자극 구조를 다수의 서로 멀리 떨어진 양자점에 확장하여 분산된 양자 네트워킹 응용에 활용할 수 있는가?

주요 결과

• 진동수 보조 자극 구조는 레이저 출력 및 파장 변화에 강건하여 통신 C밴드에서 결정적이고 요구 시 생성 가능한 얽힌 광자 쌍 생성이 가능하다.
• 측정된 콘카르던스는 91.4%로, 양자 정보 응용에 적합한 높은 수준의 얽힘 정도를 나타낸다.
• 최대 얽힘 상태인 벨 상태 |Φ⁺⟩에 대한 허상도는 95.2%에 도달하여 실용적인 실험 조건 하에서도 고품질의 얽힘 성능을 입증한다.
• 이방성에 의한 편광 기반 왜곡은 좌표 변환과 가상의 웨이브플레이트를 통해 보정되어 측정된 상태의 무결성이 유지된다.
• 메타모픽 InGaAs 버퍼층을 사용한 양자점 구조는 약 1550 nm의 방출을 달성하여 표준 섬유에서 저손실 전송을 가능하게 한다.
• 제시된 자극 구조는 다수의 원거리에 위치한 양자점과도 호환되며 확장 가능하여 섬유 기반 양자 네트워크에서 요구 시 장거리 얽힘 분포를 실현하는 길을 열어준다.