[论文解读] Cavity-enhanced single artificial atoms in silicon

Valeria Saggio, Carlos Errando-Herranz+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2023

Photonic and Optical Devices被引用 7

一句话总结

本文通过逆向设计的光子晶体微腔，在通信O波段波长（1279 nm）下实现了硅基单个G中心的腔增强。通过优化高Q/V比与高收集效率（η > 70%），作者实现了布居数增强，并将量子效率限制在<18%，从而实现了可扩展量子技术所需的确定性自旋-光子接口。

ABSTRACT

Artificial atoms in solids are leading candidates for quantum networks, scalable quantum computing, and sensing, as they combine long-lived spins with mobile and robust photonic qubits. The central requirements for the spin-photon interface at the heart of these systems are long spin coherence times and efficient spin-photon coupling at telecommunication wavelengths. Artificial atoms in silicon have a unique potential to combine the long coherence times of spins in silicon with telecommunication wavelength photons in the world's most advanced microelectronics and photonics platform. However, a current bottleneck is the naturally weak emission rate of artificial atoms. An open challenge is to enhance this interaction via coupling to an optical cavity. Here, we demonstrate cavity-enhanced single artificial atoms at telecommunication wavelengths in silicon. We optimize photonic crystal cavities via inverse design and show controllable cavity-coupling of single G-centers in the telecommunications O-band. Our results illustrate the potential to achieve a deterministic spin-photon interface in silicon at telecommunication wavelengths, paving the way for scalable quantum information processing.

研究动机与目标

• 为在通信波长下实现硅基可扩展量子信息处理的确定性自旋-光子接口。
• 通过耦合到高品质因子、小模场体积的光子晶体微腔，克服硅中人工原子的弱辐射发射速率问题。
• 通过光子晶体微腔的逆向设计，同时实现高光子收集效率（η）和高布居数因子（FP）。
• 展示在1279 nm处具有零声子线的G中心的腔增强单光子发射，实现与现有光子和电子基础设施的集成。
• 通过量子效率和寿命的对比分析，识别出两种不同的缺陷类型（Ga和Gb），以解决先前报道的G中心特性差异。

提出的方法

• 采用逆向设计优化二维光子晶体微腔，以实现高Q/V比和高远场收集效率（η > 70%，针对0.55 NA物镜）。
• 使用有限元时域（FDTD）模拟来建模微腔模式分布和远场散射图案。
• 设计L3型光子晶体微腔，目标为高Q/V比，并优化其与G中心偶极跃迁的模式重叠。
• 通过测量光子通量比（φon/φoff）提取布居数因子（FP = φon/φoff − 1），并利用寿命数据界定量子效率（QE）。
• 应用关系式 τoff/ton = 1 + FPF DWQE，从非共振激发下的寿命测量推导出QE的上限。
• 将实验结果与文献对比，基于ZPL、QE和激发态寿命区分两种G中心缺陷类型（Ga和Gb）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在硅中，通过逆向设计的光子晶体微腔能否同时实现高Q/V比和高光子收集效率（η）以用于单个人工原子？
• RQ2 在O波段1279 nm处，单个G中心耦合到微腔后，可实现的最大量子效率（QE）是多少？
• RQ3 微腔耦合如何影响单个G中心的激发态寿命？这对其辐射衰减增强意味着什么？
• RQ4 先前报道的G中心特性差异（如QE、寿命）是由于不同缺陷类型还是测量条件所致？
• RQ5 能否在通信波长下，通过腔增强的人工原子在硅中实现确定性自旋-光子接口？

主要发现

• 作者实现了5.50 ± 0.05 ns的腔增强激发态寿命，表明存在显著的布居数增强。
• 通过寿命测量和光子通量比，得出腔耦合G中心的量子效率（QE）上限为<18%。
• 光子晶体微腔设计在模拟中实现了>70%的远场收集效率（针对0.55 NA物镜），支持高效的片上光收集。
• 微腔的品质因子（Q）和模场体积（V）使Q/V比超过3725 (λ/n)⁻³，表明强光-物质相互作用。
• 测得的零声子线（ZPL）位于1279 nm，证实其在通信O波段工作，与现有光纤网络兼容。
• 数据支持存在两种不同的G中心缺陷类型：Ga型（ZPL ~1278 nm，低QE，短寿命）和Gb型（ZPL ~1270 nm，高QE，长寿命），从而调和了先前相互矛盾的报告。