[论文解读] 'Sawfish' Photonic Crystal Cavity for Near-Unity Emitter-to-Fiber Interfacing in Quantum Network Applications

Julian M. Bopp, Matthias Plock+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2022

Photonic and Optical Devices参考文献 65被引用 4

一句话总结

本文介绍了名为'Sawfish'的光子晶体腔，通过结合高达91.4的强普尔塞增强效应与高达0.986的强波导耦合效率（βWG ≈ 0.986），实现了接近单位的发射器-光纤耦合效率，从而在固态量子发射器存在制造与发射器位置偏差的情况下，仍能实现高效且可扩展的量子光接口。

ABSTRACT

Photon loss is one of the key challenges to overcome in complex photonic quantum applications. Photon collection efficiencies directly impact the amount of resources required for measurement-based quantum computation and communication networks. Promising resources include solid-state quantum light sources, however, efficiently coupling light from a single quantum emitter to a guided mode remains demanding. In this work, we eliminate photon losses by maximizing coupling efficiencies in an emitter-to-fiber interface. We develop a waveguide-integrated 'Sawfish' photonic crystal cavity and use finite element simulations to demonstrate that our system transfers, with 97.4% efficiency, the zero-phonon line emission of a negatively-charged tin vacancy center in diamond adiabatically to a single-mode fiber. A surrogate model trained by machine learning provides quantitative estimates of sensitivities to fabrication tolerances. Our corrugation-based design proves robust under state-of-the-art nanofabrication parameters, maintaining an emitter-to-fiber coupling efficiency of 88.6%. To demonstrate its potential in reducing resource requirements, we apply the Sawfish cavity to a recent one-way quantum repeater protocol.

研究动机与目标

• 解决固态量子发射器在可扩展量子网络中发射器-光纤收集效率低下的挑战。
• 设计一种光子晶体腔，在实际制造公差下同时最大化普尔塞增强效应与波导耦合效率。
• 利用统计与机器学习方法量化发射器位置与几何形状变化对腔体性能的影响。
• 通过在真实损耗与误差模型下评估关键性能指标，优化腔体以集成至量子中继器架构中。

提出的方法

• 采用基于349次有限元方法（FEM）仿真训练的高斯过程（GP）代理模型，预测参数空间中的普尔塞因子（FP）与波导耦合效率（βWG）。
• 使用多变量正态分布的蒙特卡洛采样方法，对腔体几何参数（ΔT, δ, Δg）与发射器位置的制造不确定性进行建模。
• 利用辐射衰变速率与普尔塞增强的跃迁概率，计算碳族元素空位中心与氮空位中心的德拜-沃勒因子。
• 将性能指标整合至量子中继器成本函数中，以在真实信道条件下评估密钥生成速率。
• 应用递归误差模型（Rk）估算有效量子比特传输概率 ηe，考虑重编码错误与损耗的影响。
• 采用BB84六态协议，误差率 Q = 2εtrans/3，计算密钥比特分数 f，从而通过成本函数 C 评估密钥生成速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在同时实现高波导耦合效率以支持芯片级集成的前提下，光子晶体腔可实现的最大普尔塞因子是多少？
• RQ2 发射器位置与几何制造偏差如何影响'Sawfish'腔体的普尔塞因子与波导耦合效率？
• RQ3 在实际制造公差下，'Sawfish'腔体在多大程度上能维持接近单位的发射器-光纤耦合效率？
• RQ4 该腔体性能对基于树簇态协议的量子中继网络中密钥生成速率有何影响？
• RQ5 在同时考虑发射器位置抖动与几何制造误差的情况下，该腔体的性能预测结果如何？

主要发现

• 预测的'Sawfish'腔体普尔塞因子为 91.4 ± 3.2（18.3/26.0 置信区间范围），表明其显著增强了发射器的辐射效率。
• 波导耦合效率 βWG 预测值为 0.9863 ± 0.0014，表明光信号可近乎理想地耦合至光波导中。
• 在真实发射器位置抖动（±25 nm）条件下，中位普尔塞因子仍保持在 91.4，95% 置信区间为 65.4 至 117.7。
• 考虑几何制造公差（ΔT: ±0.8 nm, δ: ±0.1°, Δg: ±0.8 nm）后，中位普尔塞因子下降至 48.5，不确定性范围较宽（15.0 至 96.5）。
• 尽管存在制造偏差，波导耦合效率仍保持较高水平，βWG = 0.929 ± 0.054，95% 置信区间为 0.788 至 1.000。
• 该腔体在 1000 公里传输条件下，每衰减长度每中继站可实现 1.2 × 10⁻⁴ s⁻¹ 的密钥生成速率，证明其在长距离量子网络中的可行性。