[论文解读] Deterministic Storage and Retrieval of Telecom Quantum Dot Photons Interfaced with an Atomic Quantum Memory

S. E. Thomas, L. Wagner+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2023

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

该论文首次实现了在电信波长（1529.3 nm）下，利用ORCA协议将InAs半导体量子点发射的单光子确定性地存储并按需检索至热铷原子量子存储器中。总内部存储效率为12.9±0.4%，信噪比为18.2±0.6，该工作建立了一个关键的混合量子接口，适用于可扩展的光子量子网络与量子中继器。

ABSTRACT

A hybrid interface of solid state single-photon sources and atomic quantum memories is a long sought-after goal in photonic quantum technologies. Here we demonstrate deterministic storage and retrieval of photons from a semiconductor quantum dot in an atomic ensemble quantum memory at telecommunications wavelengths. We store single photons from an InAs quantum dot in a high-bandwidth rubidium vapour based quantum memory, with a total internal memory efficiency of $(12.9 \pm 0.4) \%$. The signal-to-noise ratio of the retrieved photons is $18.2\pm 0.6$, limited only by detector dark counts. This demonstration paves the way to quantum technologies that rely on distributed entanglement, and is especially suited for photonic quantum networks.

研究动机与目标

• 实现在半导体量子点与原子量子存储器之间确定性、高保真度的光子存储与按需检索。
• 解决量子点发射带宽（GHz）与原子存储器带宽不匹配的问题，以实现高效量子接口。
• 在电信波长（1529.3 nm）下运行，以实现长距离光纤中的低损耗传输。
• 通过展示具有高信噪比与低噪声底限的混合量子光-物质接口，克服先前系统的局限性。
• 为基于量子点光源与原子系综的分布式量子网络与量子中继器架构铺平道路。

提出的方法

• 在热铷蒸气中采用非共振级联吸收（ORCA）协议，在1529.3 nm波长下实现光子的存储与检索。
• 通过光谱与时间滤波，将量子点光子发射（高斯形，FWHM ≈ 300 ps）与存储器的1 GHz带宽相匹配。
• 使用电光调制器（EOM）将光子波包从指数衰减（1/e ≈ 0.85 ns）整形为FWHM = 300 ps的高斯形。
• 利用法布里-珀罗标准具进行光谱滤波，调谐至1529.3 nm，对连续光的透射率为85%，对非均匀展宽的单光子为3.0±0.5%。
• 采用时间分辨探测方案，积分窗口为500 ps，以平衡信噪比与光子计数率。
• 通过校准的单光子探测器测量存储效率，并通过详细的损耗预算（总透射率η_optical = 0.153±0.009）考虑光学损耗。

Figure 1: Schematic of the experimental set-up for the quantum dot - quantum memory interface. (a) Energy level scheme for the Telecom ORCA quantum memory protocol in rubidium vapour. (b) Scheme of the semiconductor QD sample with semiconductor bottom DBR, metamorphic buffer (MMB) and oxide top DBR.

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在电信波长下，将半导体量子点发射的单光子确定性地存储并检索至原子量子存储器？
• RQ2 当将GHz带宽的量子点发射与高带宽原子存储器匹配时，可实现的存储效率与信噪比是多少？
• RQ3 时间与光谱滤波如何影响量子点-存储器接口的兼容性与性能？
• RQ4 ORCA协议的噪声底限在多大程度上限制了混合量子接口的性能？
• RQ5 该系统能否通过高效、按需的光子存储与检索，实现可扩展的长距离量子网络？

主要发现

• 测得总内部存储效率为(12.9±0.4)%，标志着固态光源确定性量子存储运行的关键里程碑。
• 检索光子的信噪比达到18.2±0.6，仅受探测器暗计数限制，表明高保真度检索。
• 系统在500 ps积分窗口下实现折中，光子计数率为(22±1) s⁻¹，信噪比为18.2±0.6。
• 在考虑时间滤波损耗后，使用完整输入脉冲时存储效率降至(10.9±0.3)%，证实对滤波效应具有鲁棒性。
• 对非均匀展宽单光子的光谱滤波效率测量为(3.0±0.5)%，与理论预期一致。
• 光学损耗预算已量化，从光源到探测器的总透射率η_optical = 0.153±0.009，主要损耗来自EOM、光纤耦合与滤波器。

Figure 2: Characterisation of single-photon source (a) Spectrum of photons from QD without (blue) and with (red) spectral filtering from the etalon, normalised to the maximum intensity. The dashed black line shows the target wavelength of the memory. (b) The second-order autocorrelation, $g^{(2)}(\t