[论文解读] Coherent excitation of a strongly coupled quantum dot - cavity system

Dirk Englund, Arka Majumdar+5 more|ArXiv.org|Feb 14, 2009

Photonic Crystals and Applications参考文献 1被引用 7

一句话总结

该论文通过时域拉比振荡实现了对强耦合InAs量子点-光子晶体腔系统的相干控制，实现了真空拉比分裂和超快退相干动力学。关键结果是观测到17 ps的光致发光衰减和反聚束腔发射，实现了适用于量子信息应用的高保真度单光子源，其光子不可区分度接近1。

ABSTRACT

We have studied the coherent excitation of a strongly coupled QD/photonic crystal cavity system. Time-resolved reflectivity measurements show the vacuum Rabi oscillation of the dot in the cavity. Next, we considered the resonant driving of a cavity-detuned dot, which efficiently populates the cavity mode. This cavity-controlled read-out channel allows high-resolution single quantum dot spectroscopy. Autocorrelation measurements on the cavity mode show antibunching and suggest the use of the resonantly driven QD/cavity system as an on-demand source of single photons with potentially near-unity indistinguishability.

研究动机与目标

• 在强耦合光子晶体腔中实现对单个量子点的相干控制，以用于量子信息处理。
• 在时间分辨光学设置下研究真空拉比分裂和拉比振荡的动力学行为。
• 证明失谐量子点可通过腔模高效发射光子，从而实现光谱分离的读出。
• 探讨退相干机制如何影响光子的不可区分度和腔介导的发射行为。

提出的方法

• 采用可调谐连续激光（线宽 <300 kHz）的交叉偏振共聚焦显微镜装置，对量子点进行共振激发，并探测腔的透射特性。
• 使用集成光栅的光子晶体腔（L3结构），通过设计的扰动结构提升光的输入/输出耦合效率和方向性。
• 通过反射率光谱测量真空拉比分裂，确认强耦合，分裂能级约为1.5 meV。
• 采用蒙特卡罗模拟模型模拟时间分辨的腔光子数，引入退相干（γd ≈ 0.2 ps⁻¹）、弛豫（10 ps）和时间抖动。
• 利用量子回归定理，从含林德布拉德耗散项的主方程推导出腔和量子点发射光谱的解析表达式。
• 通过从光致发光和反射率测量中提取的系统参数（g, κ, γ, γd），将实验数据拟合至理论模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在共振激发条件下，是否可在强耦合的量子点-腔系统中观测到相干拉比振荡？
• RQ2 退相干如何影响通过腔发射的单光子的不可区分度和光谱特性？
• RQ3 失谐量子点是否可被高效耦合至腔模，以实现光谱滤波的单光子发射？
• RQ4 与直接量子点发射相比，腔介导发射在多大程度上提升了光子的不可区分度？

主要发现

• 当量子点与腔处于共振时，在腔透射中观测到时域拉比振荡，证实了对量子点态的相干控制。
• 当量子点调谐至腔内时，测得光致发光衰减时间为17 ps，与基于系统参数的理论模型结果高度一致。
• 当失谐量子点被共振激发时，观测到腔模的反聚束特性，表明实现了高不可区分度的单光子发射。
• 腔信号提供了光谱分离的读出通道，可用于高分辨率单量子点光谱测量，实现背景抑制。
• 在反射率测量中观测到约1.5 meV的真空拉比分裂，证实了强耦合，真空拉比频率g ≈ 0.75 meV。
• 必须引入γd ≈ 0.2 ps⁻¹的退相干模型才能解释实验数据，表明非相干退相干限制了光子的不可区分度。