[论文解读] Fundamental Limits to Coherent Scattering and Photon Coalescence from Solid-State Quantum Emitters

Jake Iles-Smith, Dara P. S. McCutcheon+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2016

Quantum Information and Cryptography被引用 1

一句话总结

该论文揭示了在弱激发条件下，由于非马尔可夫声子相互作用，固态量子发射体在相干散射和双光子聚束方面存在固有极限。研究表明，声子诱导的边带独立于激发强度持续存在，从根本上限制了光子的不可分辨性和相干性——这一限制在原子系统或马尔可夫模型中并不存在。

ABSTRACT

The desire to produce high-quality single photons for applications in quantum information science has lead to renewed interest in exploring solid-state emitters in the weak excitation regime. Under these conditions it is expected that photons are coherently scattered, and so benefit from a substantial suppression of detrimental interactions between the source and its surrounding environment. Nevertheless, we demonstrate here that this reasoning is incomplete, as phonon interactions continue to play a crucial role in determining solid-state emission characteristics even for very weak excitation. We find that the sideband resulting from non-Markovian relaxation of the phonon environment is excitation strength independent. It thus leads to an intrinsic limit to the fraction of coherently scattered light and to the visibility of two-photon coalescence at weak driving, both of which are absent for atomic systems or within simpler Markovian treatments.

研究动机与目标

• 研究声子相互作用在限制固态量子发射体相干散射和光子不可分辨性方面的作用。
• 确定非马尔可夫声子动力学是否在弱激发条件下对双光子聚束施加基本约束。
• 阐明为何固态发射体在弱激发下仍无法实现理想相干性，而原子系统可以。
• 确立声子诱导边带与激发强度无关，从而设定相干性的基本极限。

提出的方法

• 在弱激发条件下分析固态量子发射体的发射光谱，以分离出声子诱导的边带。
• 采用非马尔可夫主方程方法，模拟声子 bath 的弛豫动力学。
• 将所得发射特性与马尔可夫处理方法及原子系统进行比较，突出其差异。
• 识别出声子边带与激发强度无关，是非马尔可夫行为的关键特征。
• 量化在声子耦合存在下相干散射光的比例及双光子聚束可见度。
• 从发射光谱中持续存在的边带结构推导出相干性的内在极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在弱激发条件下，是什么限制了固态量子发射体的相干散射程度？
• RQ2 非马尔可夫声子动力学如何影响固态系统中双光子聚束可见度？
• RQ3 为何即使在低激发条件下，固态发射体也无法达到与原子系统相同的光子不可分辨性水平？
• RQ4 在弱驱动 regime 中，声子诱导边带是否依赖于激发强度？
• RQ5 声子相互作用在固态发射体中对光子相干性施加的基本极限是什么？

主要发现

• 固态发射体中的声子诱导边带在任何激发强度下均保持恒定，表明其为非马尔可夫弛豫过程。
• 该边带对可相干散射光的比例施加了内在极限，无法通过降低激发功率来消除。
• 即使在弱激发区域，双光子聚束可见度也受到同一声子边带的根本限制。
• 相干性极限源于非马尔可夫声子动力学，而这类行为在简化的马尔可夫模型中并不存在。
• 由于与声子存在更强的、非马尔可夫耦合，固态发射体面临原子系统中不存在的根本相干性障碍。
• 结果揭示了在设计基于固态发射体的高保真度量子光源时，此前被忽视的约束条件。