[论文解读] Giant Faraday rotation induced by a single electron spin and applications to entangling remote spins via photons

C. Y. Hu, A. B. Young+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2007

Quantum and electron transport phenomena被引用 1

一句话总结

该论文提出了一种利用巨法拉第旋转的量子非破坏性检测方法，用于测量微腔内量子点中的单个电子自旋，结合腔量子电动力学与光学自旋选择定则。该方法可实现高保真度、可调谐的远程电子自旋光子介导纠缠，具备可扩展性。

ABSTRACT

We propose a quantum non-demolition method - giant Faraday rotation - to detect a single electron spin in a quantum dot inside a microcavity where negatively-charged exciton strongly couples to the cavity mode. Left- and right-circularly polarized light reflected from the cavity feels different phase shifts due to cavity quantum electrodynamics and the optical spin selection rule. This yields giant and tunable Faraday rotation which can be easily detected experimentally. Based on this spin-detection technique, a scalable scheme to create an arbitrary amount of entanglement between two or more remote spins via a single photon is proposed.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的、非破坏性的单电子自旋检测方法，用于量子点中的自旋。
• 利用单个光子作为载体，实现远程电子自旋的长距离纠缠。
• 利用腔量子电动力学实现大尺寸、可调谐的法拉第旋转，以增强自旋读出性能。
• 通过光学手段克服传统自旋检测的局限性，实现高灵敏度与可扩展性。

提出的方法

• 利用含有单个电子自旋的量子点的微腔，实现负电荷激子与腔模之间的强耦合。
• 利用光学选择定则，使左旋和右旋圆偏振光以不同方式耦合至电子自旋态。
• 由于自旋依赖的腔响应，左旋和右旋圆偏振光在反射时产生不同的相位延迟。
• 通过测量由此产生的法拉第旋转作为读出信号，由于强光-物质相互作用，该旋转效应显著增强且可调。
• 利用检测到的自旋态，通过发射至腔内的单个光子介导远程自旋之间的纠缠。
• 设计一种协议，使光子发射与自旋测量相结合，实现远距离量子点间确定性的、可扩展的纠缠分发。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有单个电子自旋的腔-QED系统中，能否产生并检测到巨法拉第旋转？
• RQ2 该效应能否作为量子点中单个电子自旋的鲁棒、非破坏性测量手段？
• RQ3 通过法拉第旋转检测到的自旋态能否用于通过单个光子实现远程电子自旋的纠缠？
• RQ4 该方案的纠缠保真度与可扩展性是否可调谐且具备实验可行性？

主要发现

• 由于强自旋-腔耦合与光学选择定则，单个电子自旋可诱导巨法拉第旋转。
• 通过外部控制参数（如磁场或腔失谐）可调节法拉第旋转。
• 该方法可通过可测量的光学相位延迟实现非破坏性、高保真度的单个电子自旋检测。
• 该方案支持利用单个光子作为量子通道，实现远程电子自旋的可扩展、确定性纠缠。
• 该协议在现有腔-QED与量子点技术下具有鲁棒性与实验可实现性。