[論文レビュー] Quantum state transfer between a frequency-encoded photonic qubit and a quantum dot spin in a nanophotonic waveguide

Ming Lai Chan, Ziv Aqua+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2022

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ひとこと要約

本論文は、単一光子ラーマン相互作用（SPRINT）を用いて、ナノフォトニクス波ガイド内の周波数符号化光子qubitと量子ドットスピンの間で、決定的で受動的な量子状態転送プロトコルを提案する。実験的条件下でも95％を超える忠実度を達成し、能動的制御を必要とせず、スケーラブルな固体状態量子ネットワークにとって不可欠な、頑健なヘルド状態転送を実現する。

ABSTRACT

We propose a deterministic yet fully passive scheme to transfer the quantum state from a frequency-encoded photon to the spin of a quantum-dot mediated by a nanophotonic waveguide. We assess the quality of the state transfer by studying the effects of all relevant experimental imperfections on the state-transfer fidelity. We show that a transfer fidelity exceeding 95% is achievable for experimentally realistic parameters. Our work sets the stage for deterministic solid-state quantum networks tailored to frequency-encoded photonic qubits.

研究の動機と目的

• 飛行光子qubitと固定スピンqubitの間で、固体状態プラットフォーム上で決定的かつ coherent な量子状態転送を可能にすること。
• 減衰率の非対称性、デコherence、スペクトル拡散といった実験的不確実要因を伴う現実的条件下での高忠実度状態転送を達成する挑戦に応えること。
• 能動的制御場を一切必要としない完全に受動的なスキームを構築すること。波ガイド幾何学に起因する破壊的干渉に依存する。
• スケーラブルな量子ネットワークへの周波数符号化光子qubitの利用可能性を、頑健でヘルド状態のプロトコルによって実証すること。

提案手法

• 2つのメタスタブルスピン状態 |g1⟩ と |g2⟩ を持つΛ型量子ドットが、ナノフォトニクス波ガイドを介して励起状態 |e⟩ と結合する。
• 単一光子ラーマン相互作用（SPRINT）を用い、周波数 ω1 の共鳴光子が、入射光と散乱光の干渉による破壊的干渉によって |g1⟩ から |g2⟩ へのスピン反転を誘発する。
• 周波数 ω2 の非共鳴光子に対しては、相互作用が最小限に抑えられ、高い反射率と無視できるスピン反転が得られ、入力状態が保存される。
• 光子qubit |ψp⟩ = ca|ω1⟩ + cb|ω2⟩ が、局所パウリ-Y回転を除いて等価なスピンqubit |ψs⟩ = iŶ(ca|g1⟩ + cb|g2⟩) にマッピングされる。
• 摂動的解析理論と完全な数値解析を用いて、不確実要因を考慮した系の動的挙動をモデル化し、忠実度を定量的に評価する。
• チョイ-ジャミオルコフスキー忠実度を指標とし、スペクトル幅、デコherence、周波数オフセットの寄与を含む、不忠実度の解析的表現を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノフォトニクス波ガイド内における周波数符号化光子qubitと量子ドットスピンの間で、決定的で受動的な量子状態転送を達成できるか？
• RQ2 スペクトル拡散、デコherence、減衰率の非対称性といった主な実験的不確実要因が、状態転送の忠実度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 実験的に現実的なパラメータ下で達成可能な忠実度はどの程度か？95％を超えるか？
• RQ4 出力光子を周波数 ω2 でヘルドすることにより、不確実要因に対する耐性がどのように向上するか？
• RQ5 能動的制御場を一切必要とせず、完全に受動的かつ決定的なプロトコルを実現できるか？

主な発見

• 実験的に現実的なパラメータ下でも、本プロトコルは95％を超える量子状態転送忠実度を達成し、高い頑健性を示す。
• 忠実度は主にスペクトル拡散（γd）、デコherence（γ）、減衰率の非対称性（ε）によって制限され、不忠実度の解析的表現が導出された。
• 出力光子を周波数 ω2 でヘルドすることで、著しく耐性が向上し、周波数フィルタの追加により、望ましくない周波数成分に起因する誤りがさらに抑制される。
• 摂動的条件が満たされる限り、光子パルスの有限帯域幅（σo ≪ Γ）であっても、本スキームは有効に機能する。
• 本プロトコルは完全に受動的である。外部の制御場は一切不要で、波ガイドに起因する干渉とラーマン散乱に依存する。
• 理論的枠組みは、スペクトル拡散、デコherence、周周波数オフセットといった主な実験的不確実要因をすべてカバーし、包括的な忠実度モデルを提供する。