[论文解读] Coherent light scattering from a telecom C-band quantum dot

L. Wells, T. Müller+4 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2022

Semiconductor Lasers and Optical Devices被引用 4

一句话总结

本文展示了在电信C波段中，通过共振瑞利散射实现的InAs/InP量子点相干光散射，其光子相干时间远超傅里叶极限。利用25公里光纤链路，证实了在100,000次激发周期后发射的光子具有不可分辨性，为低损耗光纤中的长距离量子网络应用提供了可能。

ABSTRACT

Quantum networks have the potential to transform secure communication via quantum key distribution and enable novel concepts in distributed quantum computing and sensing. Coherent quantum light generation at telecom wavelengths is fundamental for fibre-based network implementations, but Fourier-limited emission and subnatural linewidth photons have so far only been reported from systems operating in the visible to near-infrared wavelength range. Here, we use InAs/InP quantum dots to demonstrate photons with coherence times much longer than the Fourier limit at telecom wavelength. Evidence of the responsible elastic laser scattering mechanism is observed in a distinct signature in two-photon interference measurements, and is confirmed using a direct measurement of the emission coherence. Further, we show that even the inelastically scattered photons have coherence times within the error bars of the Fourier limit. Finally, we make direct use of the minimal attenuation in fibre for these photons by measuring two-photon interference after 25 km of fibre, thereby demonstrating indistinguishability of photons emitted about 100 000 excitation cycles apart.

研究动机与目标

• 开发一种电信C波段量子点光源，其相干时间超过傅里叶极限，以适用于实际的量子网络。
• 通过在电信波长下利用共振瑞利散射（RRS）来解决固态发射器中的退相干问题。
• 利用低损耗光纤传输实现光子长距离不可分辨性测量，以验证其相干性在量子网络中的适用性。
• 表征并分离弹性散射与非相干背景及残余激光光的贡献。
• 通过迈克尔逊干涉仪实现光子相干性的直接测量，以验证RRS为占主导地位的机制。

提出的方法

• 使用波长为1532.2 nm的窄带连续波激光器，共振激发InAs/InP量子点中的中性激子。
• 采用偏振滤波和正交偏振探测技术，抑制背景激光光，分离出量子点发射光。
• 采用哈纳布里和托马斯（HBT）与洪欧马德尔（HOM）干涉仪装置，测量双光子干涉并提取相干特性。
• 将发射光子的模式函数建模为相干（RRS）与非相干（非弹性）成分的叠加，形式如下：$ \psi(t) = \alpha \psi_{\text{incoherent}}(t) + \beta \psi_{\text{coherent}}(t) $。
• 应用HOM深凹陷的解析表达式，提取相干分数$ |\beta|^2 $，利用归一化深凹陷值校正探测器响应与强度不平衡。
• 通过迈克尔逊干涉仪实现直接相干性测量，以量化RRS成分的相干时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在电信C波段量子点中观测到共振瑞利散射（RRS），从而实现超越傅里叶极限的相干时间？
• RQ2 在HOM测量中，弹性散射与非相干发射对观测到的双光子干涉的贡献分别有多大？
• RQ3 光子相干性在长距离光纤传输中（如25公里）能保持到何种程度？
• RQ4 所测得的RRS成分相干时间与傅里叶极限相比如何？是否可实现直接测量？
• RQ5 在相隔约100,000次激发周期后发射的光子，经标准光纤传输后是否仍保持不可分辨性？

主要发现

• 该量子点发射的光子相干时间显著长于傅里叶极限，证明共振瑞利散射（RRS）是主导机制。
• 双光子干涉测量显示出明显的深凹陷特征，明确归因于RRS，而非残余激光光，该结论通过解析建模得到证实。
• 通过迈克尔逊干涉仪的直接相干性测量证实，RRS成分的相干时间超过傅里叶极限，而非弹性散射光子的相干时间则处于傅里叶极限范围内。
• 经过25公里标准光纤传输后，相隔约100,000次激发周期发射的光子仍保持不可分辨性，归一化HOM深凹陷深度为$ D_{\text{cross}} = 0.237 \pm 0.003 $，证实了长距离相干性。
• 从HOM深凹陷中提取的相干分数$ |\beta|^2 $与模型定量一致，验证了基于RRS的相干机制。
• 该系统具有足够高的信噪比，可支持高保真度量子操作，且偏振滤波有效抑制了激光背景。