[论文解读] A deterministic source of indistinguishable photons in a cluster state

Dan Cogan, Zu-En Su+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2021

Quantum Information and Cryptography被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于半导体量子点与重空穴自旋相干耦合的确定性、吉赫兹速率光源，用于生成光子簇态中的不可区分光子。通过将平面内磁场调节至0.09 T，系统实现了10个光子的特征纠缠长度以及超过80%的光子不可区分性，从而实现了鲁棒、可扩展的测量型量子通信。

ABSTRACT

Measurement-based quantum communication relies on the availability of highly entangled multi-photon cluster states. The inbuilt redundancy in the cluster allows communication between remote nodes using repeated local measurements, compensating for photon losses and probabilistic Bell-measurements. For feasible applications, the cluster generation should be fast, deterministic, and its photons - indistinguishable. We present a novel source based on a semiconductor quantum-dot device. The dot confines a heavy-hole, precessing in a finely tuned external weak magnetic field while periodically excited by a sequence of optical pulses. Consequently, the dot emits indistinguishable polarization-entangled photons, where the field strength optimizes the entanglement. We demonstrate Gigahertz rate deterministic generation of >90% indistinguishable photons in a cluster state with more than 10 photons characteristic entanglement-length.

研究动机与目标

• 开发一种适用于可扩展光子量子网络的确定性、高度不可区分光子源。
• 克服以往量子点系统中自旋进动控制性差及光子不可区分性降低的局限性。
• 在光子簇态中实现高保真度、长程纠缠，以支持测量型量子通信与量子中继。
• 通过可控外部磁场优化多光子纠缠态的生成，实现纠缠鲁棒性与光子质量之间的平衡。

提出的方法

• 利用包含重空穴（HH）自旋的半导体量子点作为纠缠自由度，其具有Kramers简并性，并在外加平面内磁场下实现相干进动。
• 以与HH自旋进动周期同步的重复率施加皮秒级光学脉冲，实现偏振纠缠光子的确定性发射。
• 利用HH自旋在光子发射后保持稳定基态的特性，维持相干性并提升光子不可区分性。
• 通过调节磁场强度控制自旋进动速率，优化辐射寿命与CNOT类门保真度之间的平衡。
• 通过局域纠缠（LE）与判据测量表征簇态，量化纠缠鲁棒性与不可区分性。
• 采用自旋中心演化模型模拟系统动力学，预测并解释纠缠长度与光子质量随磁场的变化关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用半导体量子点实现光子簇态中确定性、高速率的不可区分光子源？
• RQ2 外部磁场强度如何影响基于量子点的簇态光源中的纠缠鲁棒性与光子不可区分性？
• RQ3 在保持高光子不可区分性的前提下，使特征纠缠长度最大化时的最优磁场为何值？
• RQ4 与以往方案中的暗激子相比，量子点中的重空穴自旋是否能提供更优的相干性与不可区分性？
• RQ5 通过磁场优化与器件工程，光子生成速率与簇态保真度可提升至何种程度？

主要发现

• 在最优磁场0.09 T下，系统实现了约0.5 GHz的确定性生成速率。
• 在0.09 T时，局域纠缠长度（ζ_LE）达到10个光子，表明簇态中存在鲁棒的长程纠缠。
• 在最优磁场下，光子不可区分性超过80%，在更高磁场下因磁场引起的展宽而单调下降。
• 纠缠鲁棒性在0.09 T时达到峰值，此时辐射寿命与自旋进动周期之比最优化，有利于实现CNOT类门保真度。
• 实测的纠缠长度与不可区分性与基于实验测得量子点参数的自旋中心演化模型预测结果高度一致。
• 当前系统检测效率低于1%，但通过集成三维光子微腔可至少提升一个数量级，从而增强可扩展性。