[论文解读] Hybrid acousto-optical swing-up state control in a quantum dot

Mateusz Kuniej, Paweł Machnikowski+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2024

Spectroscopy Techniques in Biomedical and Chemical ResearchBiochemistry, Genetics and Molecular Biology被引用 3

一句话总结

该论文提出一种混合声光摆动方案，利用单个光学或声学脉冲，通过非共振激发避免滤波损耗，实现对量子点中激子和双激子态的确定性制备。结果表明，GaAs/AlGaAs量子点在液氮温度下可实现近乎无退相干的激子制备，为量子信息应用提供高保真度态制备。

ABSTRACT

State transfer between different quantum systems is key for successful quantum technologies. Over long distances, photons are irreplaceable, but on short ranges in miniaturized complex devices or hybrid systems, coupling via orders of magnitude shorter-wavelength acoustic waves has great potential. With interfaces to light, acoustic waves, and more, optically active quantum dots (QDs) are essential for multi-component systems. Here, we propose a hybrid acousto-optical method for non-resonant QD charge state control, extending the recent all-optical swing-up state preparation. We show that exciton and biexciton states, or other superpositions of charge states, can be prepared. Each field can act as a trigger, allowing for the implementation of either an optically gated acoustic control or the opposite scheme, where an optical pulse controls the transition during acoustic modulation. Thus, we introduce acoustic state control into a system that lacks direct acoustic coupling between the states. The method does not rely on pulse shaping and is expected to work with arbitrary pulse shapes as long as the optical dressing is performed quasi-adiabatically. Evaluating the phonon impact, we find an almost decoherence-free exciton preparation even at elevated temperatures with current QD and acoustic technology. This approach may also pave the way for optically controlled entanglement between emitters and acoustic modes, and further on-chip state transfer via quantum acoustic buses.

研究动机与目标

• 为克服量子点中共振激发方案的局限性，后者需要光谱滤波，从而降低光子产额。
• 开发一种非共振、确定性的态制备方法，避免滤波和非相干弛豫路径。
• 探索声场作为可调控制参数，用于选择性激发激子态。
• 在实际条件下评估InAs/GaAs和GaAs/AlGaAs量子点中声子诱导的退相干效应。
• 识别在实验可实现温度下可实现近乎无退相干态制备的材料平台。

提出的方法

• 提出一种混合声光摆动协议，利用非共振光学和声学场驱动基态、激子态和双激子态之间的相干拉比振荡。
• 通过声波引起的应变移位或光学频率调谐，调节非共振激发的失谐，避免共振滤波问题。
• 将系统建模为三能级哈密顿量，通过形变势和压电效应与声子耦合，采用谱密度方法计算退相干。
• 利用包含谱密度和关联函数的一般表达式推导态制备保真度，考虑声子 bath 的影响。
• 使用InAs/GaAs和GaAs/AlGaAs量子点的材料参数计算声子谱密度，包括波函数形式因子和声子色散关系。
• 通过在LA、TA1和TA2分支上对玻色-爱因斯坦分布进行积分，评估退相干的温度依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用一个声学或光学脉冲，在不需两个精确同步脉冲的情况下，选择性制备量子点中的激子或双激子态？
• RQ2 与光学失谐相比，声学调制失谐在激子态制备保真度和控制方面表现如何？
• RQ3 在有限温度下，声子诱导的退相干对InAs/GaAs和GaAs/AlGaAs量子点中态制备保真度有何影响？
• RQ4 在当前声学调制能力下，GaAs/AlGaAs量子点在何种温度下可实现近乎无退相干的激子制备？
• RQ5 该混合声光方案能否在无需光谱滤波的情况下，实现偏振纠缠光子对的确定性生成？

主要发现

• 混合声光摆动方案仅通过一个光学脉冲和一个声学模式（或反之），通过调制失谐，即可实现激子和双激子态的确定性制备。
• 对于GaAs/AlGaAs量子点，由于有利的声子谱密度和耦合参数，即使在液氮温度（77 K）下，激子态制备保真度也近乎无退相干。
• InAs/GaAs量子点因更高的形变势和电子-空穴局域化，表现出更强的声子诱导退相干，导致在较高温度下性能受限。
• 谱密度分析表明，压电效应和形变势贡献均显著，其中形变势在GaAs基系统中占主导地位。
• 在4 K时，GaAs/AlGaAs量子点的总声子谱密度在约1.5 THz处达到峰值，且分布比InAs/GaAs更宽，表明其具有更优的相干特性。
• 温度依赖性分析表明，退相干随温度升高而增加，但在77 K时，GaAs/AlGaAs的退相干可忽略不计，使其成为室温兼容量子器件的有前途平台。