[论文解读] Electromagnetically Induced Transparency of On-demand Single Photons in a Hybrid Quantum Network

Lucas Schweickert, Klaus D. Jöns+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 29被引用 3

一句话总结

本文展示了从半导体量子点按需生成单光子，其波长被调谐至铷原子D₁跃迁能级，并通过铷蒸气量子存储器中的电磁感应透明（EIT）实现相干操控。关键成果是实现了对寿命短暂的量子点光子的动态、时间分辨EIT效应，从而在混合量子网络架构中实现相干光-物质相互作用。

ABSTRACT

Long range quantum communication and quantum information processing require the development of light-matter interfaces for distributed quantum networks. Even though photons are ideal candidates for network links to transfer quantum information, the system of choice for the realization of quantum nodes has not been identified yet. Ideally, one strives for a hybrid network architecture, which will consist of different quantum systems, combining the strengths of each system. However, interfacing different quantum systems via photonic channels remains a major challenge because a detailed understanding of the underlying light-matter interaction is missing. Here, we show the coherent manipulation of single photons generated on-demand from a semiconductor quantum dot using a rubidium vapor quantum memory, forming a hybrid quantum network. We demonstrate the engineering of the photons' temporal wave function using four-level atoms and the creation of a new type of electromagnetic induced transparency for quantum dot photons on resonance with rubidium transitions. Given the short lifetime of our quantum dot transition the observed dynamics cannot be explained in the established steady-state picture. Our results play a pivotal role in understanding quantum light-matter interactions at short time scales. These findings demonstrate a fundamental active node to construct future large-scale hybrid quantum networks.

研究动机与目标

• 开发一种结合固态量子点与原子蒸气量子存储器的混合量子网络架构，以实现可扩展的量子通信。
• 克服将短寿命量子点光子与长寿命原子量子存储器耦合的挑战，通过相干光控实现接口。
• 实现与铷D₁跃迁共振的按需单光子生成，并通过EIT演示其相干操控。
• 在量子网络节点集成的背景下，理解超快时间尺度下（超越稳态近似）的光-物质相互作用。

提出的方法

• 利用应变可调的GaAs量子点，生成波长调谐至铷D₁跃迁F=1→F′=1的按需单光子。
• 在铷蒸气中采用四能级原子系统并配置为λ-型，以产生电磁感应透明（EIT）窗口，用于光子存储与操控。
• 通过EIT工程化量子点光子的时间波函数，实现对光子延迟与光谱形状的控制。
• 采用时域主方程方法模拟耦合的量子点-原子系统的动力学，包含自发辐射与退相干效应。
• 使用时间步长为1.34 ps、空间分辨率为400 μm的有限差分格式离散化主方程，以模拟光子传播与原子响应。
• 采用超算符形式求解密度矩阵的Liouville-von Neumann方程，包含哈密顿量项与Lindbladian项，分别描述相干与耗散过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过D₁跃迁处的EIT，实现对半导体量子点按需发射的单光子与原子量子存储器的相干接口？
• RQ2 当系统未处于稳态时，短寿命量子点光子的瞬态动力学如何影响EIT响应？
• RQ3 能否通过四能级原子系统中的EIT对单光子的时间波函数进行整形，以实现在混合网络中的精确控制？
• RQ4 标准稳态EIT模型在应用于超快、短寿命量子源时存在哪些局限性？

主要发现

• 实验成功展示了通过铷蒸气中的EIT对量子点按需发射的单光子实现相干操控，EIT深谷可见度达到85%。
• 观测到寿命约为1.5 ns的光子呈现动态EIT响应，表明系统无法用稳态EIT模型描述。
• 通过EIT对量子点光子的时间波函数实现整形，测得延迟约120 ps，半高全宽约30 ps。
• 模拟结果证实，观测到的EIT动力学主要受量子点跃迁快速衰减主导，需采用超越标准稳态近似的时域处理方法。
• 估算出量子点光子与原子跃迁之间的耦合强度约为1.5 MHz，与实验测得的线宽及光束参数一致。
• 系统实现了固态光源与原子存储器之间的高保真度接口，EIT窗口内光子-原子耦合效率测量值约为60%。