[论文解读] A scalable interface between solid-state and flying qubits: observations of near-unity dipole helicity to photon pathway coupling

B. le Feber, Nir Rotenberg+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2014

Photonic and Optical Devices被引用 1

一句话总结

该论文通过利用局域手性，实现了圆极化偶极子跃迁与光子晶体波导中特定光路模式之间近乎完美的（0.8 ± 0.1）耦合效率。通过经典光学类比，表明可通过精确控制偶极子-手性相互作用，实现自旋依赖的发射方向性，从而在固态量子比特与飞行量子比特之间实现可扩展的片上量子接口。

ABSTRACT

Controlling photon emission by single quantum emitters with nanostructures is crucial for scalable on-chip quantum information processing. Nowadays nanoresonators can affect the lifetime of emitters and ultimately induce strong coupling between the emitters and the light field, while nanoantennas can control the directionality of the emission. Expanding this control to the manipulation of the emission of orbital angular momentum-changing transitions would enable coupling between long-lived solid-state qubits and flying qubits. As these transitions are associated with circular rather than linear dipoles, such control requires detailed knowledge of the spatially dependent interaction of a complex dipole with highly structured optical eigenstates containing local helicity. Using a classical analogue, we experimentally map the coupling of circular dipoles to photonic modes in a model structure, a photonic crystal waveguide. We show that depending on the local helicity the dipoles can be made to couple to modes either propagating to the left or to the right. The maps are in excellent agreement with calculations. Our measurements, therefore, demonstrate the coupling of spin to photonic pathway with near-unity (0.8 $\pm$ 0.1) efficiency.

研究动机与目标

• 通过控制单个量子发射器的光子发射，实现可扩展的片上量子信息处理。
• 解决长寿命固态量子比特与飞行量子比特之间通过轨道角动量改变的跃迁进行耦合的挑战。
• 通过具有局域手性的结构化光子模式，实现对圆极化偶极子发射方向的控制。
• 在模型光子晶体波导中，对复杂偶极矩与光子本征态之间的空间依赖耦合关系进行实验测绘。

提出的方法

• 使用经典光学类比来模拟光子晶体波导中圆极化偶极子与光子模式之间的相互作用。
• 通过测量发射图案随偶极子位置和取向的变化，实现耦合效率的空间映射。
• 计算光子本征模式的局域手性，并将其与测得的发射方向性相关联。
• 基于电磁模式理论的理论计算用于建模偶极子-手性相互作用并预测耦合效率。
• 将实验结果与模拟结果直接对比，以验证观测到的耦合行为。
• 通过测量左向与右向传播模式中辐射功率的比值，量化近乎完美的耦合效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在结构化波导中高效地将圆极化偶极子跃迁耦合到特定的光路模式？
• RQ2 光子模式的局域手性在多大程度上影响圆极化偶极子的发射方向性？
• RQ3 在光子晶体波导中，偶极子-手性相互作用在多大程度上可以被测绘和控制？
• RQ4 实验观测到的偶极子-模式耦合能否与基于电磁理论的理论预测进行定量匹配？
• RQ5 圆极化偶极子与光路模式之间可实现的最大耦合效率是多少？

主要发现

• 圆极化偶极子与光路模式之间的耦合效率达到 0.8 ± 0.1，接近近乎完美的效率。
• 发射的方向性——向左或向右传播——由偶极子位置处光子模式的局域手性决定。
• 实验测得的耦合效率图谱与基于电磁模式理论的理论计算结果高度一致。
• 成功实现了对复杂偶极子与结构化光学本征态之间空间依赖相互作用的测绘与验证。
• 结果表明，通过自旋依赖的光子发射控制，可实现固态量子比特与飞行量子比特之间可扩展的接口机制。
• 经典类比实验准确再现了光子纳米结构中量子偶极子-发射器耦合的基本物理机制。