[论文解读] A gated quantum dot far in the strong-coupling regime of cavity-QED at optical frequencies

Daniel Najer, Immo Söllner+11 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2018

Strong Light-Matter Interactions被引用 43

一句话总结

论文展示了一个门控量子点在可调超高Q腔中实现光学强耦合，能够清晰观察真空里巴米奇振荡和光子阻塞，定量由Jaynes-Cummings模型描述，并提出在光学cQED量子技术中的应用。

ABSTRACT

The strong-coupling regime of cavity-quantum-electrodynamics (cQED) represents light-matter interaction at the fully quantum level. Adding a single photon shifts the resonance frequencies, a profound nonlinearity. cQED is a test-bed of quantum optics and the basis of photon-photon and atom-atom entangling gates. At microwave frequencies, success in cQED has had a transformative effect. At optical frequencies, the gates are potentially much faster and the photons can propagate over long distances and be easily detected, ideal features for quantum networks. Following pioneering work on single atoms, solid-state implementations are important for developing practicable quantum technology. Here, we embed a semiconductor quantum dot in a microcavity. The microcavity has a $\mathcal{Q}$-factor close to $10^{6}$ and contains a charge-tunable quantum dot with close-to-transform-limited optical linewidth. The exciton-photon coupling rate $g$ exceeds both the photon decay rate $κ$ and exciton decay rate $γ$ by a large margin ($g/γ=14$, $g/κ=5.3$); the cooperativity is $C=2g^{2}/(γκ)=150$, the $β$-factor 99.7%. We observe pronounced vacuum Rabi oscillations in the time-domain, photon blockade at a one-photon resonance, and highly bunched photon statistics at a two-photon resonance. We use the change in photon statistics as a sensitive spectral probe of transitions between the first and second rungs of the Jaynes-Cummings ladder. All experiments can be described quantitatively with the Jaynes-Cummings model despite the complexity of the solid-state environment. We propose this system as a platform to develop optical-cQED for quantum technology, for instance a photon-photon entangling gate.

研究动机与目标

• 推动在固态系统中实现光学腔量子电动力学，以实现快速、远距离量子网络。
• 在微腔中实现一个量子点，具备超高Q值和小模场体积，以进入强耦合。
• 在实现电控门控的同时，维持接近变换极限的量子点线宽。
• 对g、κ和γ进行定量表征，并在中性和带电激子下展示JC动态。
• 提出如光子-光子纠缠门和自旋-光子接口等应用。

提出的方法

• 将一个可控电荷的InGaAs量子点嵌入到一个迷你化的Fabry-Pérot腔中，Q ~ 10^6，模体积约为1.4 λ0^3。
• 通过门控量子点（Vg）或调节腔场（Vz）来原位控制失谐。
• 使用谐振激光激发与基于偏振的暗场检测来散射并测量腔-QD光子。
• 从光谱数据及对Jaynes-Cummings模型的拟合中提取耦合速率g、腔衰减κ和量子点衰减γ。
• 通过一光子和两光子共振探测JC阶梯的更高阶 rung，并分析g^(2)(τ)和g^(2)(0)。
• 开发并验证g^(2)-谱学作为定位阶梯内弱跃迁的方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 在可调超高Q腔中门控量子点在光频率下是否能够达到并保持强耦合？
• RQ2 在同一量子点中的中性与带电激子配置，以及跨越多个量子点时，g、κ、γ 的比较如何？
• RQ3 在现实固态条件下，真空里巴米奇振荡、光子阻塞以及更高阶JC动态是否会在时域和频域测量中显现？
• RQ4 JC模型的预测是否能够定量描述包括 detuning 和驱动条件下的复杂固态cQED 光谱（包括 g^(2)(τ)）？
• RQ5 哪些协议（如 g^(2)-光谱学）可以揭示特定的阶梯跃迁并实现光子-光子门的概念？

主要发现

• 达到 g/γ = 14，g/κ = 5.3，协方性C = 150，且Q ≈ 10^6，β ≈ 99.7%。
• 在单光子共振处观测到明显的真空Rabi振荡和光子阻塞，在时域与频域分辨的测量中。
• 在同一量子点的中性X0与带电X+激子以及同一腔中跨多个量子点实现了强耦合。
• 谱数据与时域测量可通过使用测得的g、κ和γ的Jaynes-Cummings模型定量描述。
• 揭示了丰富的g^(2)(τ)结构，具有对应JC阶梯跃迁的多种频率分量，与JC模型预测相匹配。
• 引入并验证了g^(2)-谱学，用于探测如阶梯中1+ → 2-等弱的高阶跃迁。