[论文解读] Efficient deterministic giant photon phase shift from a single charged quantum dot

Petros Androvitsaneas, A. B. Young+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 40被引用 9

一句话总结

该论文通过在低Q值微柱腔中使用单个带负电的In(Ga)As量子点，实现了高达120°（2π/3）的确定性巨量光子相移，相移超过π/2（90°），这对于可扩展的量子光子开关和自旋-光子纠缠至关重要。该系统实现了较高的β因子（~0.65），并在80%收集的光子上实现了确定性π相移，标志着固态量子光子学领域的重要进展。

ABSTRACT

Solid-state quantum emitters have long been recognised as the ideal platform to realize integrated quantum photonic technologies. We use a self-assembled negatively charged QD in a low Q-factor photonic micropillar to demonstrate for the first time a key figure of merit for deterministic switching and spin-photon entanglement: a shift in phase of an input single photon of $>90^{o}$ with values of up to $2π/3$ ($120^{o}$) demonstrated. This $>π/2$ ($90^{o}$) measured value represents an important threshold: above this value input photons interact with the emitter deterministically. A deterministic photon-emitter interaction is the only viable scalable means to achieve several vital functionalities not possible in linear optics such as quantum switches and entanglement gates. Our experimentally determined value is limited by mode mismatch between the input laser and the cavity, QD spectral fluctuations and spin relaxation. We determine that up to $80\%$ of the collected photons have interacted with the QD and undergone a phase shift of $π$.

研究动机与目标

• 实现单光子与固态量子发射器之间确定性的大相移，以支持可扩展的量子光子器件。
• 克服高Q值腔体因模式失配和寄生散射导致的限制，这些因素使相移受限在~π/10左右。
• 展示相移超过π/2（90°），这是实现确定性量子操作（如量子开关和纠缠门）的关键阈值。
• 通过结合量子点自旋跃迁的选择定则与确定性相移，实现高保真度的自旋-光子纠缠。
• 开发一种可扩展、可集成的平台，利用低Q值微柱腔确保高效、明确的光学模式和高β因子。

提出的方法

• 采用自组装的In(Ga)As量子点，嵌入基于GaAs的低Q值（Q ~ 290）微柱腔中，该腔体具有分布布拉格反射镜（DBRs）。
• 使用直径为2 µm的微柱，其基模位于1388 meV，线宽为4.1 meV，确保高效光子提取并最小化高阶模耦合（<3%）。
• 在法拉第几何下施加0.5 T磁场，将量子点自旋态（|↑⟩和|↓⟩）分裂，实现与圆偏振光的选择性相互作用。
• 使用线宽为10 MHz、数值孔径NA = 0.7的单频激光器，通过聚焦垂直偏振光（|V⟩）至微柱，将其调谐至|↓⟩跃迁，以在|L⟩分量上诱导选择性相移。
• 实施变换 |V⟩ → 1/√2 (|R⟩ − i e^{iφ} |L⟩)，其中φ为诱导相移，当β > 0.5时，φ = π，从而实现π/2的巨量法拉第旋转。
• 通过干涉检测测量相移，并推断出80%的收集光子经历了π相移，其余20%归因于背景散射。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低Q值微柱腔中，固态量子发射器能否实现超过π/2（90°）的确定性相移，这是可扩展量子光子操作的关键阈值？
• RQ2 在相移幅度和光子收集效率方面，低Q腔体的β因子和模式匹配效率与高Q腔体相比如何？
• RQ3 量子点的光谱抖动在多大程度上可被抑制，以实现在长时间窗口内的稳定、确定性操作？
• RQ4 该系统能否在大多数反射光子上实现π相移，从而实现确定性自旋-光子纠缠？
• RQ5 在无后选择的固态平台中，最大可实现的相移是多少？其随光学模式匹配改善的演化规律如何？

主要发现

• 实验实现了至少120°（2π/3）的确定性相移，超过π/2（90°）的关键阈值，这是实现确定性量子操作所必需的。
• 推断出80%的收集光子经历了π相移，表明单光子与量子点之间具有高保真度的相互作用。
• 系统展示了约0.65的β因子，且有潜力实现β > 0.9，证实了量子点与腔模之间强耦合。
• 量子点的光谱抖动被发现非常缓慢（比激子寿命慢约10⁵倍），使得在适合触发的时间窗口内实现稳定操作成为可能。
• 低Q值微柱设计最小化了寄生损耗，并确保了高效、明确的输入/输出光学模式，实现了高收集效率（饱和时达1 MCount/sec）。
• 通过改进模式匹配（收集效率>99%），系统有望在100 µs内反射并收集10⁴个光子，从而实现每秒数个20光子簇态的生成。