[論文レビュー] Triggered telecom C-band single-photon source with high brightness, high indistinguishability and sub-GHz spectral linewidth

Raphael Joos, Stephanie Bauer+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2023

Photonic and Optical Devices被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、スペクトルフィルタリングを施した円形ブロッググレーティングキャビティに結合されたIn(Ga)As量子ドットを用いた、通信波長帯（Cバンド）の1光子源を提示する。非共鳴励起条件下で高い明るさ（1.45 MHzのアプリケーション対応レート）、高い不変性（2光子干渉可視度66.4%）、およびサブGHz帯域幅（0.80 GHz）を達成しており、共鳴励起でも同様の性能を示す。これは、量子リピーター応用において、通信波長帯でこれらすべての特性を同時に実証した初の例である。

ABSTRACT

Long-range, terrestrial quantum networks will require high brightness single-photon sources emitting in the telecom C-band for maximum transmission rate. Many applications additionally demand triggered operation with high indistinguishability and narrow spectral linewidth. This would enable the efficient implementation of photonic gate operations and photon storage in quantum memories, as for instance required for a quantum repeater. Especially, semiconductor quantum dots (QDs) have shown these properties in the near-infrared regime. However, the simultaneous demonstration of all these properties in the telecom C-band has been elusive. Here, we present a coherently (incoherently) optically-pumped narrow-band (0.8 GHz) triggered single-photon source in the telecom C-band. The source shows simultaneously high single-photon purity with $g^{(2)}(0) = 0.026$ ($g^{(2)}(0) = 0.014$), high two-photon interference visibility of 0.508 (0.664) and high application-ready rates of 0.75 MHz (1.45 MHz) of polarized photons. The source is based on a QD coupled to a circular Bragg grating cavity combined with spectral filtering. Coherent (incoherent) operation is performed via the novel SUPER scheme (phonon-assisted excitation).

研究の動機と目的

• 長距離量子ネットワークに適した、ファイバー損失を最小限に抑える通信波長帯（Cバンド）で動作する高性能1光子源の開発。
• 量子リピーターおよび光量子ゲートに不可欠な、高純度1光子性、高明るさ、高不変性、狭帯域スペクトル幅を同時に達成すること。
• 共鳴励起と非共鳴励起の両方の励起方式を同等の性能で実現し、多様な量子応用への柔軟性を高めること。
• 通信波長帯の量子ドットに初めてSUPER（量子放出体励起状態のスイングアップ）方式を実装し、高明るさで共鳴励起による1光子放出を可能とすること。
• サブGHz帯域幅と高不変性を実現することで、量子メモリーや光回路への効率的インターフェースを可能とすること。

提案手法

• GaAsマトリックスに埋め込まれたIn(Ga)As量子ドットを、通信波長帯（1530–1565 nm）への発光を強化する円形ブロッググレーティング（CBG）マイクロキャビティに結合する。
• ボリュームブロッググレーティング（VBG）ノッチフィルタおよびバンドパスフィルタを用いたスペクトルフィルタリングにより、狭帯域で高純度な1光子発光を分離する。
• 2台の同期されたファイバーレーザーと非対称マハーディア・ゼンダ干渉計を用いて、パルス重畝を精密に制御するSUPER（Swing-Up of Quantum EmitteR population）方式を共鳴励起に適用する。
• 超伝導ナノワイヤー1光子検出器（SNSPD）と時間-デジタルコンバータ（TDC）を用い、ポンプパルス間の相対遅延を測定および安定化する。
• 非共鳴励起にはフォノン補助励起（LA）を採用し、共鳴パルスの同期を必要とせず、高応用レートを実現する。
• 光子の不変性は2光子干渉（TPI）可視度を測定し、スペクトル帯域幅は狭帯域エタロンとスペクトルフィルタリングを用いて測定する。

Figure 1: Schematic of the setup used for coherent pumping via the SUPER scheme using two synchronized fiber lasers (FLs) . The pulses of two synchronized FLs are superimposed in an unbalanced Mach-Zehnder interferometer (MZI). Comparing the arrival time of the pulses on a superconducting nanowire s

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通信波長帯の1光子源が、同時に高明るさ、高不変性、およびサブGHz帯域幅を達成できるか？
• RQ2 SUPER方式が通信波長帯の量子ドットに成功裏に実装可能であり、高明るさで共鳴励起による1光子放出を可能にするか？
• RQ3 共鳴励起と非共鳴励起の両方の励起方式において、狭帯域で通信波長帯の1光子源としての性能指標（不変性、アプリケーション対応レート）にどのような差が生じるか？
• RQ4 スペクトルフィルタリングは、高明るさを維持したまま、光子の不変性と帯域幅にどの程度の向上効果をもたらすか？
• RQ5 このような1光子源が、共鳴励起と非共鳴励起の両方で同等の性能を維持でき、量子ネットワークにおける幅広い応用を可能にするか？

主な発見

• 非共鳴励起条件下で2光子干渉可視度が0.664(4)に達し、通信波長帯の量子ドット1光子源として報告された中で最高水準である。
• 非共鳴励起条件下でアプリケーション対応レートが1.45 MHzに達し、g²(0) = 0.014(1)という1光子純度を示しており、ほぼ完全な1光子放出を実現している。
• スペクトル帯域幅は0.80(1) GHzで測定され、フィルタリング後のサブGHz帯域幅の狭小化が確認された。これは量子メモリーとのインターフェースに不可欠である。
• 共鳴励起によりSUPER方式を用いた場合、可視度は0.504(14)、レートは0.75 MHzに達し、非共鳴励起を必要としない高性能を示している。
• 共鳴励起と非共鳴励起の両方において、光子の不変性にわずかな差（異なるスペクトル拡散ダイナミクスに起因）を除き、高い性能が維持されている。
• 通信波長帯の量子ドットにSUPER方式を初めて実装したことは画期的な出来事であり、この重要な波長帯域で高明るさで共鳴励起による1光子放出を実現した。

Figure 2: Emission characteristics of the QD-microcavity system under coherent SUPER excitation . a Emission spectrum under SUPER pumping and components of the spectrum when excited with only one laser via the phonon sideband. b Scan of detuning $\Delta$ and power $P$ of FL 2 for $\Delta_{1}=$4\text