[논문 리뷰] Photonic indistinguishability of the tin-vacancy center in nanostructured diamond

Jesús Arjona Martínez, Ryan A. Parker외 13명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 30.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 단일 모드 다이아몬드 웨이브가이드에 내장된 SnV 중심에서 유도된 단일 광자의 높은 광학적 불가구분성(photonic indistinguishability)을 입증한다. 공진 조명과 공명 광학 제어를 통해 63(9)%의 불가구분성과 99.7⁺⁰.³₋₂.⁵%의 순도를 달성하였다. 1.71(1) ns π-펄스의 신뢰도가 77.1(8)%에 도달함으로써, SnV 중심은 확장 가능한 양자 기술을 위한 실현 가능한 스핀-광자 인터페이스로 확인되었다.

ABSTRACT

Tin-vacancy centers in diamond are promising spin-photon interfaces owing to their high quantum-efficiency, large Debye-Waller factor, and compatibility with photonic nanostructuring. Benchmarking their single-photon indistinguishability is a key challenge for future applications. Here, we report the generation of single photons with $99.7^{+0.3}_{-2.5}\%$ purity and $63(9)\%$ indistinguishability from a resonantly excited tin-vacancy center in a single-mode waveguide. We obtain quantum control of the optical transition with $1.71(1)$-ns-long $π$-pulses of $77.1(8)\%$ fidelity. A modest Purcell enhancement factor of 12 would enhance the indistinguishability to $95$\%. The greater than $100$ ms spectral stability shown would then enable strings of up to $10^6$ identical photons to be generated.

연구 동기 및 목표

• 양자 네트워킹을 위한 핵심 조건인 나노구조 다이아몬드 내 SnV 중심에서 방출되는 단일 광자의 광학적 불가구분성을 평가하기 위해.
• 고정밀도, 짧은 지속시간의 π-펄스를 활용한 SnV 중심의 광학 전이에 대한 공명 제어를 입증하기 위해.
• Pur셀 증폭과 스펙트럼 안정성이 근접한 단일 광자 불가구분성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• SnV 중심이 광학 통합 및 확장 가능한 양자 정보 처리와 호환되는 실현 가능한 스핀-광자 인터페이스로 자리매김할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 감쇠를 최소화하기 위해 619 nm 레이저를 사용하여 SnV 중심의 0-음향선(Zero-phonon line, ZPL) 전이에 공진 조명을 시행하였다.
• 출구 커플링 효율을 향상시키고 섬유 수집을 가능하게 하기 위해 아디아바틱 테이퍼를 갖춘 단일 모드 다이아몬드 웨이브가이드를 활용하였다.
• 기존 현미경 기반 수집 대비 23(3)배 향상된 수집 효율을 확보하기 위해 웨이브가이드 모서리에 렌즈 처리된 섬유를 결합하였다.
• 두 광자 양자 간섭을 측정하기 위해 편광 제어와 가변 시간 지연를 갖춘 한버리-브라운 앤 투이스 간섭계(Hanbury-Brown and Twiss interferometer)를 구현하였다.
• 원시 HOM 간섭도에서 진짜 광자 불가구분성을 추출하기 위해 배경 보정 및 유한 대비 보정을 적용하였다.
• 측정된 균일한 너비 브로드닝을 기반으로 이론적 기대치와 비교하기 위해 광자 불가구분성의 모델링을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 모드 다이아몬드 웨이브가이드에 내장된 공진 조명을 받은 SnV 중심이 방출하는 단일 광자의 광학적 불가구분성은 얼마인가?
• RQ2 SnV 중심의 전이에 대해 펄스의 정밀도와 지속시간 측면에서 얼마나 높은 수준의 공명 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ3 Purcell 증폭은 달성 가능한 광자 불가구분성에 어떤 영향을 미치며, 근접한 단일 광자 불가구분성에 도달하기 위해 필요한 증폭 수준은 어느 정도인가?
• RQ4 SnV 중심의 스펙트럼 안정성이 동일한 광자를 연속적으로 방출할 잠재력을 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 배경 보정 후 SnV 중심은 99.7⁺⁰.³₋₂.⁵%의 단일 광자 순도를 나타내어 고품질의 단일 광자 방출을 확인하였다.
• 측정된 두 광자 양자 간섭도(이른바 HOM 불가구분성)는 63(9)%이며, 원시 간섭도 56(8)%는 배경 및 간섭계 대비 보정을 거쳐 보정되었다.
• 1.71(1) ns π-펄스의 정밀도가 77.1(8)%에 도달하여 광학 전이에 대한 고정밀 공명 제어가 가능함을 입증하였다.
• 이론적 모델링은 측정된 균일한 너비 브로드닝(Γ_PD) 기반 예측값과 일치하는 관측된 HOM 간섭도 63.2(4)%를 확인하였다.
• 100 ms 이상의 스펙트럼 안정성은 연속적으로 최대 10⁶개의 동일한 광자를 생성할 잠재력을 제공하여 장수명 양자 메모리 및 얽힘 프로토콜을 지원한다.
• 이미 나노공진기에서 구현된 바 있는 낮은 수준의 Purcell 증폭 인자 12만으로도 불가구분성이 95% 이상으로 향상되어, SnV 중심이 근접한 단일 광자 성능을 달성할 수 있음을 시사한다.