[论文解读] High-rate entanglement between a semiconductor spin and indistinguishable photons

Coste, N., D. Fioretto+16 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用 6

一句话总结

该论文展示了一种基于单片式半导体量子点-微腔结构的高重率、确定性三粒子光子簇态生成方法，实现了80%的自旋-光子纠缠保真度和63%的自旋-光子-光子纠缠保真度，光子不可区分性达88%。该系统通过声子辅助激发方案与电控自旋-光子纠缠结合，利用Purcell增强的腔体收集机制，使纠缠生成速率分别比以往最先进水平高出三个和两个数量级。

ABSTRACT

Photonic graph states, quantum light states where multiple photons are mutually entangled, are key resources for optical quantum technologies. They are notably at the core of error-corrected measurement-based optical quantum computing and all-optical quantum networks. In the discrete variable framework, these applications require high efficiency generation of cluster-states whose nodes are indistinguishable photons. Such photonic cluster states can be generated with heralded single photon sources and probabilistic quantum gates, yet with challenging efficiency and scalability. Spin-photon entanglement has been proposed to deterministically generate linear cluster states. First demonstrations have been obtained with semiconductor spins achieving high photon indistinguishablity, and most recently with atomic systems at high collection efficiency and record length. Here we report on the efficient generation of three partite cluster states made of one semiconductor spin and two indistinguishable photons. We harness a semiconductor quantum dot inserted in an optical cavity for efficient photon collection and electrically controlled for high indistinguishability. We demonstrate two and three particle entanglement with fidelities of 80 % and 63 % respectively, with photon indistinguishability of 88%. The spin-photon and spin-photon-photon entanglement rates exceed by three and two orders of magnitude respectively the previous state of the art. Our system and experimental scheme, a monolithic solid-state device controlled with a resource efficient simple experimental configuration, are very promising for future scalable applications.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的固态平台，用于确定性生成对测量型量子计算和量子网络至关重要的光子簇态。
• 通过在单片式光学腔中的半导体量子点，克服概率性光量子门方案的局限，实现高保真度、高重率的自旋-光子纠缠。
• 通过腔体增强的Purcell效应和电可调量子点跃迁，实现高光子不可区分性（88%）和高收集效率。
• 建立一种资源高效的实验构型，支持未来容错量子技术中自旋-光子接口的可扩展集成。
• 验证三粒子簇态的生成，测量其保真度与不可区分性，展示向可扩展、片上量子光源发展的路径。

提出的方法

• 采用通过原位光刻技术实现纳米级精确定位的单片式InGaAs量子点嵌入柱状微腔结构。
• 采用声子辅助激发方案，使用约0.8 nm蓝移的20 ps激光脉冲，实现高三重态占据率与高光子不可区分性，同时保持自旋选择性光学选择规则。
• 施加弱平面内磁场（约40 mT）以诱导电子自旋Larmor进动（周期3.25 ns），实现对自旋态的时间分辨控制，从而实现纠缠生成。
• 利用具有近非极化模式响应的Purcell增强腔体，高效收集光子并最小化双折射效应，实现高收集效率并保持偏振控制。
• 采用条件态层析与过程矩阵重构方法表征自旋-光子纠缠，利用时间平均相关函数与Overhauser场平均模型模拟退相干效应。
• 应用过程图形式化方法模拟自旋与发射光子之间的有效CNOT类门操作，实现生成簇态的保真度计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在单片式固态平台上实现高保真度、高重率的半导体自旋与不可区分光子之间的纠缠？
• RQ2 在基于量子点-腔体结构的确定性自旋-光子簇态生成方案中，可实现的最大保真度与光子不可区分性分别是多少？
• RQ3 声子辅助激发与腔体Purcell增强相结合，如何影响光子不可区分性与纠缠生成速率？
• RQ4 在包含Overhauser场平均的主方程方法下，自旋-光子纠缠过程的建模精度能达到何种程度？
• RQ5 该系统在生成高保真度、高效率多光子簇态方面具备多大的可扩展潜力？

主要发现

• 系统实现80%的两粒子自旋-光子纠缠保真度，显著优于以往最先进水平。
• 三粒子自旋-光子-光子簇态保真度达到63%，首次实现了基于半导体自旋与不可区分光子的高保真度三粒子簇态生成。
• 光子不可区分性测量值为88%，表明具有高相干性，适用于可扩展光子电路中的量子干涉。
• 自旋-光子纠缠生成速率比以往最先进水平高出三个数量级，支持高吞吐量的量子态制备。
• 自旋-光子-光子纠缠生成速率比以往最先进水平高出两个数量级，显著提升了多粒子纠缠的效率。
• 基于单片式、电可调量子点-腔体系统的实验构型，实现了资源高效、可扩展的片上自旋-光子接口集成。