[论文解读] Deterministic and Robust Generation of Single Photons On a Chip with 99.5% Indistinguishability Using Rapid Adiabatic Passage

Yu-Jia Wei, Yuming He+9 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2014

Quantum Information and Cryptography被引用 5

一句话总结

该论文通过使用正啁啾脉冲的快速绝热通道（RAP）技术，在芯片上实现了确定性、鲁棒的单光子生成。该方法在Hong-Ou-Mandel干涉中实现了99.5%的光子不可区分性，超过表面码量子计算的容错阈值，且双光子发射概率极低，仅为0.3%。

ABSTRACT

We demonstrate deterministic and robust generation of pulsed resonance fluorescence single photons from a single InGaAs quantum dot using the method of rapid adiabatic passage. Comparative study is performed with transform-limited, negatively chirped and positively chirped pulses, identifying the last one to be the most robust against fluctuation of driving strength. The generated single photons are background free, have a vanishing two-photon emission probability of 0.3% and a raw (corrected) two-photon Hong-Ou-Mandel interference visibility of 97.9% (99.5%), reaching a precision that places single photons at the threshold for fault-tolerant surface-code quantum computing. The single-photon source can be readily scaled up to multi-photon entanglement and used for quantum metrology, boson sampling and linear optical quantum computing.

研究动机与目标

• 开发一种适用于可扩展量子技术的半导体芯片上确定性且鲁棒的单光子源。
• 克服传统共振激发对实验参数波动（如激发功率和偶极矩）的敏感性。
• 实现容错量子计算和线性光学量子计算所需的高光子不可区分性。
• 实现背景无干扰、按需生成的单光子发射，且双光子发射概率极低。
• 确定在量子点中实现可靠布居转移的最鲁棒啁啾脉冲配置。

提出的方法

• 利用频率啁啾激光脉冲进行快速绝热通道（RAP），在双能级量子点系统中相干转移布居。
• 采用正啁啾脉冲（频率从低到高扫频）驱动沿较低 dressed 状态 |−⟩ 的绝热演化，确保在参数波动下仍能实现鲁棒的布居反转。
• 对比使用变换受限脉冲、负啁啾脉冲和正啁啾脉冲的性能，确认后者在驱动强度变化下最具鲁棒性。
• 应用光谱滤波和非对称马赫-曾德尔干涉仪，通过Hong-Ou-Mandel干涉隔离并测量光子不可区分性。
• 利用独立测量的系统参数（包括 g²(0) = 0.003(2) 和一阶干涉可见度）对原始干涉可见度进行校正。
• 使用50:50分束器和时间比特编码，检测两个连续光子之间的量子干涉。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用正啁啾脉冲的快速绝热通道能否在芯片上的单个量子点中实现确定性且鲁棒的单光子生成？
• RQ2 啁啾脉冲的选择（正啁啾与负啁啾）如何影响对激发功率波动的鲁棒性？
• RQ3 通过RAP生成的光子的不可区分性程度如何？是否达到表面码量子计算的容错阈值？
• RQ4 该方法能否实现近乎无背景干扰的单光子发射，且双光子发射概率可忽略不计？
• RQ5 该方法在多光子纠缠和集成光子量子电路中的可扩展性如何？

主要发现

• 原始Hong-Ou-Mandel干涉可见度为97.9%，经系统非理想性校正后提升至99.5%。
• 双光子发射概率 g²(0) 测量值为0.3%，表明双光子发射被近乎完全抑制。
• 实验结果证实，正啁啾脉冲在激发功率和偶极矩变化下比负啁啾脉冲更具鲁棒性。
• 经校正的99.5%不可区分性超过容错表面码量子计算所需的99%阈值。
• 该方法实现了确定性、无背景干扰的单光子发射，重复频率为82 MHz，干涉测量的时间窗口为3.2 ns。
• 理论分析表明，在理想条件下，观测到的不可区分性可实现两量子比特受控相位门保真度为0.999(3)，在实际线性光学中为0.996(2)，两者均高于99%的容错误差阈值。