[논문 리뷰] Polarization-entangled photon pairs from a nanowire quantum dot

Marijn A. M. Versteegh, Michael E. Reimer외 6명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 16.

Semiconductor Quantum Structures and Devices인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 나노와이어 양자점으로 극도로 빛나고, 일관되며, 위치 제어가 가능한 편광 양자 얽힌 광자 쌍을 생성함을 보여주며, 신뢰도는 0.859 ± 0.006, 농도는 0.80 ± 0.02를 달성하였다. 나노와이어 기하학적 구조는 이중 광자 양자 상태를 조절하여 고성능의 양자 광학 회로 및 확장 가능한 양자 기술에의 통합을 가능하게 한다.

ABSTRACT

A bright photon source that combines high-fidelity entanglement, on-demand generation, high extraction efficiency, directional and coherent emission, as well as position control at the nanoscale is required for implementing ambitious schemes in quantum information processing, such as that of a quantum repeater. Still, all of these properties have not yet been achieved in a single device. Semiconductor quantum dots embedded in nanowire waveguides potentially satisfy all of these requirements; however, although theoretically predicted, entanglement has not yet been demonstrated for a nanowire quantum dot. Here, we demonstrate a bright and coherent source of strongly entangled photon pairs from a position controlled nanowire quantum dot with a fidelity as high as 0.859 +/- 0.006 and concurrence of 0.80 +/- 0.02. The two-photon quantum state is modified via the nanowire shape. Our new nanoscale entangled photon source can be integrated at desired positions in a quantum photonic circuit, single electron devices and light emitting diodes.

연구 동기 및 목표

• 양자 정보 응용을 위한 고신뢰도 및 고효율의 밝고 즉각적인 얽힌 광자 원천을 개발하기 위해.
• 한 개의 반도체 장치에서 동시에 얽힘, 방출 방향성, 추출 효율성, 나노스케일 위치 제어를 달성하기 위해.
• 이론적으로 예측된 바와 같이 나노와이어에 내장된 양자점이 강하게 얽힌 광자 쌍을 생성할 수 있음을 실험적으로 입증하기 위해.
• 얽힌 광자 원천을 양자 광학 회로 및 하이브리드 양자 시스템에 통합할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 광자 방출을 구속하고 유도하기 위해 반도체 양자점을 나노와이어 웨이브가이드 내부에 삽입한다.
• 나노와이어의 형상과 기하학적 구조를 조절하여 이중 광자 양자 상태를 수정하고 얽힘을 향상시킨다.
• 나노재료 가공 기술을 통해 양자점의 위치 제어를 실현하여 광학 회로 내 정밀한 배치를 가능하게 한다.
• 양자 상태 단층 촬영을 사용하여 얽힌 상태의 신뢰도와 농도를 측정한다.
• 고추출 효율성과 방향성 있는 일관된 광자 방출을 위한 시스템 설계를 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노와이어에 내장된 양자점은 고신뢰도로 편광 얽힌 광자 쌍을 생성할 수 있는가?
• RQ2 나노와이어 기하학적 구조가 얽힘 품질과 방출 특성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 단일 나노스케일 장치에서 고신뢰도 얽힘과 고추출 효율성을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ4 광학 회로에 통합하기 위해 양자점을 나노스케일 정밀도로 위치 제어할 수 있는가?

주요 결과

• 광자 쌍의 얽힌 상태에 대해 0.859 ± 0.006의 높은 신뢰도를 달성하여 고품질의 얽힘을 나타낸다.
• 얽힌 상태의 농도는 0.80 ± 0.02로 측정되어 강한 얽힘을 확인한다.
• 나노와이어 기하학적 구조는 효과적으로 이중 광자 양자 상태를 수정하여 얽힘 특성을 향상시킨다.
• 광자 원천은 높은 밝기, 방향성 있는 방출, 일관성을 보이며, 양자 광학 통합에 적합하다.
• 양자점은 나노스케일 정밀도로 위치 제어되어 광학 회로에 타겟팅된 통합이 가능하다.