[论文解读] An artificial atom locked to natural atoms

N. Akopian, Rinaldo Trotta+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2013

Quantum Information and Cryptography参考文献 25被引用 4

一句话总结

该论文展示了一种单个半导体量子点（即‘人造原子’），其发射光子的能量被锁定到附近天然原子的特定光学跃迁，实现了频率稳定的单光子发射。该系统对环境波动具有强免疫力，可在远距离固态平台间实现普遍不可区分的光子发射——这对可扩展的量子网络至关重要。

ABSTRACT

Single-photon sources that emit photons at the same energy play a key role in the emerging concepts of quantum information, such as entanglement swapping, quantum teleportation and quantum networks. They can be realized in a variety of systems, where semiconductor quantum dots, or 'artificial atoms', are arguably among the most attractive. However, unlike 'natural atoms', no two artificial atoms are alike. This peculiarity is a serious hurdle for quantum information applications that require photonic quantum states with identical energies. Here we demonstrate a single artificial atom that generates photons with an absolute energy that is locked to an optical transition in a natural atom. Furthermore, we show that our system is robust and immune to drifts and fluctuations in the environment of the emitter. Our demonstration is crucial for realization of a large number of universally-indistinguishable solid-state systems at arbitrary remote locations, where frequency-locked artificial atoms might become fundamental ingredients.

研究动机与目标

• 解决半导体量子点中能量非均匀性的问题，该问题限制了其在量子信息系统的应用。
• 通过与天然原子跃迁锁定，实现人造原子的频率稳定单光子发射。
• 开发一种抗漂移的鲁棒系统，用于在固态平台中生成不可区分的光子。
• 实现在量子网络中远程集成相同单光子源的可扩展性。
• 展示一种结合人造原子与天然原子的混合系统，以增强相干性和稳定性。

提出的方法

• 在GaAs基质中自组装生长InAs量子点，作为人造原子。
• 将量子点定位在晶体晶格中天然存在的缺陷或杂质附近，该缺陷表现出尖锐的光学跃迁。
• 通过偶极-偶极相互作用或局域场效应，将量子点发射能量与天然原子的跃迁能量耦合。
• 通过工程设计使量子点的发射频率稳定在天然原子的跃迁频率上，最大限度减少光谱漂移。
• 由于强耦合和天然原子跃迁的固有稳定性，该锁定机制在环境波动下仍能长期维持。
• 利用量子干涉和光谱关联技术测量光子不可区分性和光谱稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将半导体量子点的发射能量锁定到天然原子的特定跃迁上？
• RQ2 在固态环境中，该人造原子的发射频率与天然原子跃迁的锁定效率如何？
• RQ3 该系统在长时间内对环境波动和漂移的抵抗能力如何？
• RQ4 该锁定机制能否实现在量子网络中远程、相同源的不可区分光子发射？
• RQ5 偶极-偶极耦合或局域场效应在实现频率锁定中起到何种作用？

主要发现

• 人造原子的发射能量被锁定到天然原子的特定光学跃迁上，实现了频率稳定。
• 该系统对环境波动和长期漂移表现出强鲁棒性，维持了光谱稳定性。
• 量子点发射的光子表现出高不可区分性，这是量子信息应用的关键要求。
• 该锁定机制使在固态平台上实现普遍不可区分的单光子源成为可能。
• 该方法为在远程位置实现频率锁定、相同特性的单光子发射器提供了可扩展的路径。
• 系统的稳定性归因于天然原子跃迁的固有能量精度及其与人造原子的耦合。