[论文解读] Indistinguishable photons from an artificial atom in silicon photonics

Lukasz Komza, Polnop Samutpraphoot+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2022

Photonic and Optical Devices参考文献 54被引用 17

一句话总结

该论文展示了基于硅基人造原子（G中心）集成于硅光子波导中，实现了高保真度、不可区分的单光子发射。通过实现88%的Hong-Ou-Mandel可见度以及0.4(10) GHz的有效双光子线宽，该工作建立了一种可扩展的、片上集成的、用于硅光子量子技术的相干电信波段光子源。

ABSTRACT

Silicon is the ideal material for building electronic and photonic circuits at scale. Spin qubits and integrated photonic quantum technologies in silicon offer a promising path to scaling by leveraging advanced semiconductor manufacturing and integration capabilities. However, the lack of deterministic quantum light sources, two-photon gates, and spin-photon interfaces in silicon poses a major challenge to scalability. In this work, we show a new type of indistinguishable photon source in silicon photonics based on an artificial atom. We show that a G center in a silicon waveguide can generate high-purity telecom-band single photons. We perform high-resolution spectroscopy and time-delayed two-photon interference to demonstrate the indistinguishability of single photons emitted from a G center in a silicon waveguide. Our results show that artificial atoms in silicon photonics can source highly coherent single photons suitable for photonic quantum networks and processors.

研究动机与目标

• 解决硅光子学中缺乏确定性、相干单光子源的问题，以推动可扩展量子技术的发展。
• 将人造原子（G中心）集成于硅波导中，以实现片上、电信波段的光子生成。
• 通过时间延迟的双光子干涉实验，证明发射光子的高不可区分性。
• 量化在实际条件下G中心发射体的光谱稳定性和相干特性。
• 为未来在硅兼容平台上实现光子量子网络和容错量子计算应用铺平道路。

提出的方法

• 在绝缘体上硅（SOI）衬底上进行12C离子注入（能量36 keV，注入通量10^12 cm⁻²），随后在1000°C下进行20秒的快速退火，以生成G中心。
• 将G中心集成于单模硅光子波导中，并利用宽带布拉格反射器以增强光子收集效率。
• 采用绝热模式转换器将发射光子耦合至透镜光纤，耦合效率达50%。
• 采用脉冲式带隙以上激光激发，以从G中心产生单光子发射。
• 利用Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉仪测量时间延迟的双光子干涉，以量化光子不可区分性。
• 通过洛伦兹分布的发射频率模型，对光谱扩散效应进行建模，并通过拟合HOM可见度以提取有效双光子线宽（Γ^HOM）。

实验结果

研究问题

• RQ1 集成于硅波导中的人造原子（G中心）能否产生具有高时间和光谱不可区分性的单光子？
• RQ2 来自硅光子电路中G中心的光子具有多高的不可区分性？
• RQ3 光谱扩散和时间抖动如何影响固态发射体中双光子干涉的可见度？
• RQ4 由于相关光谱涨落，有效双光子线宽是否可低于单光子光谱线宽？
• RQ5 G中心发射的光子在纳秒时间尺度上，其相干性和不可区分性能在多大程度上得以保持？

主要发现

• G中心在硅波导中于1278 nm波长处发射单光子，位于电信O波段，具有零声子线（ZPL）和高光谱纯度。
• 实验测得Hong-Ou-Mandel（HOM）凹陷可见度为88%，表明光子具有高度不可区分性。
• 测得的有效双光子线宽（Γ^HOM/2π）为0.4(10) GHz，比单光子线宽2.8 GHz小一个数量级。
• 观测到的HOM可见度主要受限于探测器时间抖动（252 ps）和光谱扩散，后者被建模为洛伦兹频率涨落过程。
• 在短延迟时间（|τ| < 1 ns）下HOM关联函数的指数衰减归因于非关联光谱扩散，其关联时间常数超过25 ns。
• 测得的光子寿命（T₁ = 4.6(1) ns）与双光子干涉迹中观察到的衰减包络一致。