[论文解读] Coherent Quantum Interconnection between On-Demand Quantum Dot Single Photons and a Resonant Atomic Quantum Memory

Guodong Cui, Lucas Schweickert+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2023

Quantum Information and Cryptography被引用 5

一句话总结

本论文通过共振光-物质相互作用，实现了基于GaAs量子点的按需单光子与⁸⁷Rb蒸气中共振原子量子存储器之间的相干量子互联，将光子的量子化电场映射到原子相干态。关键成果是观察到长寿命原子相干态及量子准分子的形成，为快速混合量子网络和非线性光子器件提供了潜在应用。

ABSTRACT

Long-range quantum communication requires the development of in-out light-matter interfaces to achieve a quantum advantage in entanglement distribution. Ideally, these quantum interconnections should be as fast as possible to achieve high-rate entangled qubits distribution. Here, we demonstrate the coherent quanta exchange between single photons generated on-demand from a GaAs quantum dot and atomic ensemble in a $^{87}$Rb vapor quantum memory. Through an open quantum system analysis, we demonstrate the mapping between the quantized electric field of photons and the coherence of the atomic ensemble. Our results play a pivotal role in understanding quantum light-matter interactions at the short time scales required to build fast hybrid quantum networks.

研究动机与目标

• 实现基于GaAs量子点的按需单光子与⁸⁷Rb蒸气中共振原子量子存储器之间的相干量子互联。
• 克服将高带宽、短时长单光子映射到原子系综的挑战，且不依赖非共振慢光效应。
• 通过间接探测与麦克斯韦-布洛赫模拟，实验验证光子量化场与原子相干态之间的相干交换。
• 探索在共振、快速光-物质相互作用条件下，包括极化子形成与长寿命相干态在内的新型量子动力学。
• 为利用混合量子系统实现非线性光子量子器件与高数据率量子网络奠定基础。

提出的方法

• 利用可调谐GaAs量子点生成与⁸⁷Rb D1线（F=1↔F′=1）共振的按需、频率可调单光子。
• 采用室温⁸⁷Rb蒸气室作为量子存储器，实现V型能级结构中原子跃迁的共振激发。
• 应用麦克斯韦-布洛赫方程框架，模拟光子传播过程中密度矩阵元的时空演化。
• 使用间接测量技术推断原子相干态动力学，因在相互作用期间直接探测不可行。
• 将实验结果与电场强度|ℰ(z,t)|²及原子密度矩阵元ρ₃₁、ρ₄₁、ρ₄₃的模拟结果进行比对，验证相干映射。
• 通过时间与温度依赖的相干态与能量累积模拟，分析光-物质极化子与量子准分子的形成。

Figure 1: Hybrid quantum light-matter interfaces. (Left) A tunable solid-state quantum dot photon source. The quantum dot emits entangled photon pairs with different frequencies via its biexciton-exciton cascade. The biexciton transition is strain-tuned to emit at atomic transition wavelengths. (Rig

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在基于量子点的按需、高带宽单光子与共振原子量子存储器之间实现相干量子互联？
• RQ2 与非共振慢光效应相比，短光脉冲与原子系综之间的共振相互作用中，会涌现出何种新型量子动力学？
• RQ3 原子相干态在入射光子脉冲持续时间之外能保持多长？其背后的物理机制是什么？
• RQ4 密度矩阵元与电场演化模拟动力学在多大程度上验证了光子与原子自由度之间的相干映射？
• RQ5 所观测到的量子准分子动力学能否在未来量子器件中用于实现非线性光-光子相互作用？

主要发现

• 模拟的共振光场|ℰ(z,t)|²与原子相干态ρ₃₁(z,t)演化显示了时间依赖的振荡，表明光-物质极化子的形成。
• 在更深传播深度处，|ℰ(z,t)|²与ρ₃₁(z,t)呈现反相振荡，证实了F=1↔F′=1跃迁中光-物质极化子的形成。
• ρ₃₁(z,t)与ρ₄₁(z,t)之间的同相振荡表明非线性、耦合的原子V型系统已出现。
• 激发态相干态ρ₄₃(z,t)的持续时间约为原始光子脉冲持续时间的20倍，表明存在长寿命原子相干态。
• 在z = 5 cm处，光脉冲通过后，原子系综能量仍保持非零，证实了激发态相干叠加态中光学激发的存储。
• 温度升高导致ρ₃₁(t)与ρ₄₁(t)之间耦合增强，诱导出单光子叠加态中两个极化子模的准分子样动力学。

Figure 2: Quantum dot light source characterization. (a) Color-coded photoluminescence spectra of the biexciton-exciton cascade under resonant two-photon excitation as a function of the excitation pulse area, revealing Rabi-oscillations. The red vertical line indicates the rubidium D 1 transitions.