[论文解读] Indistinguishable photons from independent semiconductor single-photon devices

Kaoru Sanaka, Alexander Pawlis+3 more|ArXiv.org|Mar 10, 2009

Quantum Information and Cryptography被引用 3

一句话总结

该论文通过ZnSe/ZnMgSe量子阱中氟化物施主的单光子源，实验上实现了来自两个独立半导体单光子源的不可区分光子。利用Hong-Ou-Mandel干涉装置，作者测得不可区分性为65±13%，两光子相关时间为74±38 ps，表明发射接近寿命限制，具有可扩展光子量子技术的潜力。

ABSTRACT

We demonstrate quantum interference between photons generated by the radiative decay processes of excitons that are bound to isolated fluorine donor impurities in ZnSe/ZnMgSe quantum-well nanostructures. The ability to generate single photons from these devices is confirmed by auto-correlation experiments, and indistinguishability of single photons from two independent devices is confirmed via a Hong-Ou-Mandel dip. These results indicate that donor impurities in appropriately engineered semiconductor structures can portray atom-like homogeneity and coherence properties, potentially enabling scalable technologies for future large-scale optical quantum computers and quantum communication networks.

研究动机与目标

• 实现来自独立半导体单光子源的光子间量子干涉，以实现可扩展的量子信息处理。
• 通过ZnSe中孤立施主杂质解决传统量子点源中光谱和时间非均匀性的挑战。
• 证明工程化半导体纳米结构中的施主束缚激子可表现出类原子相干性和不可区分性。
• 通过提供高度不可区分的单光子源，实现可扩展的芯片集成光子量子技术。
• 探索这些源作为光学量子比特或在长距离量子通信网络中用于量子存储的可行性。

提出的方法

• 利用ZnSe/ZnMgSe量子阱纳米结构中的中性氟化物施主作为单光子发射器，通过施主束缚激子（D₀X）的辐射复合实现。
• 采用脉冲带上激发（410 nm）触发光子发射，并通过自相关直方图测量发射光谱，以确认单光子操作。
• 通过在分束器上合并两个独立器件的光子，进行Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉实验，以测量不可区分性。
• 使用时间依赖的振幅函数α(t)和β(t)对两光子波函数进行建模，干涉可见度由公式(2)中的重叠积分决定。
• 通过拟合HOM深凹数据提取不可区分性I和相关时间τc，同时考虑背景计数gback和退相干效应。
• 使用条纹相机测量估算时间抖动（40 ps），并验证光子波包的时间展宽。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自两个独立半导体单光子源的光子是否能表现出量子干涉，表明其不可区分性？
• RQ2 ZnSe纳米结构中的施主束缚激子在多大程度上能产生光谱和时间均匀的单光子？
• RQ3 在该系统中，限制来自独立源光子不可区分性的主要因素是什么？
• RQ4 通过器件工程（如微腔或增强空间滤波）能否改善观测到的不可区分性？
• RQ5 该系统能否作为线性光学量子计算中可扩展的芯片级不可区分光子源？

主要发现

• 实验在Hong-Ou-Mandel深凹中实现了31%的两光子干涉可见度，证实了来自独立源光子间的量子干涉。
• 推导出的光子不可区分性为65±13%，表明具有高相干性，且通过进一步优化有望实现接近100%的不可区分性。
• 测得的两光子相关时间为74±38 ps，与自发辐射寿命相当，表明发射接近寿命限制。
• 背景符合计数（gback ≈ 0.51±0.06）高于预期，原因是两源实验中缺乏空间滤波，导致杂散光子贡献增加。
• 不可区分性降低的主要原因是空间模式重叠不完美，时间抖动和残留光谱非均匀性影响较小。
• 结果表明，ZnSe中基于施主杂质的发射器为实现可扩展的固态不可区分光子源提供了有前途的路径，适用于量子技术。