[论文解读] Indistinguishable telecom band photons from a single erbium ion in the solid state

Salim Ourari, Łukasz Dusanowski+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2023

Quantum optics and atomic interactions参考文献 50被引用 8

一句话总结

展示了来自耦合到 CaWO4 中纳米光子腔的单个 Er3+ 离子在通讯波长处的不可区分单光子，实现 Hong-Ou-Mandel 干涉与自旋-光子控制。

ABSTRACT

Atomic defects in the solid state are a key component of quantum repeater networks for long-distance quantum communication. Recently, there has been significant interest in rare earth ions, in particular Er$^{3+}$ for its telecom-band optical transition, but their application has been hampered by optical spectral diffusion precluding indistinguishable single photon generation. In this work we implant Er$^{3+}$ into CaWO$_4$, a material that combines a non-polar site symmetry, low decoherence from nuclear spins, and is free of background rare earth ions, to realize significantly reduced optical spectral diffusion. For shallow implanted ions coupled to nanophotonic cavities with large Purcell factor, we observe single-scan optical linewidths of 150 kHz and long-term spectral diffusion of 63 kHz, both close to the Purcell-enhanced radiative linewidth of 21 kHz. This enables the observation of Hong-Ou-Mandel interference between successively emitted photons with high visibility, measured after a 36 km delay line. We also observe spin relaxation times $T_1$ = 3.7 s and $T_2$ > 200 $μ$s, with the latter limited by paramagnetic impurities in the crystal instead of nuclear spins. This represents a significant step towards the construction of telecom-band quantum repeater networks with single Er$^{3+}$ ions.

研究动机与目标

• 在固态宿主中证明在通讯波长（1.5 μm）实现的单个 Er3+ 离子发射的单光子不可区分性。
• 设计宿主/腔系统以最小化光谱扩散并最大化光子不可区分性。
• 表征在 CaWO4 中 Er3+ 的自旋初始化、读出与相干性，以便潜在的量子存储应用。
• 展示使用长时延线的连发光子之间的 Hong-Ou-Mandel 干涉，以量化不可区分性。
• 评估来自杂质与表面效应的限制，为未来在通讯带量子网络中的改进提供指导。

提出的方法

• 将 Er3+ 以离子掺杂方式引入 CaWO4，深度约 10 nm 并退火修复损伤。
• 制造硅纳米光子腔并与 CaWO4 粘接，以实现较大的 Purcell 增强（P≈850）。
• 施加 600 G 磁场，将基态和激发态分裂为四条光学跃迁，并设计循环跃迁实现自旋读出。
• 执行光致发光激发光谱（PLE）来分辨耦合到腔的单个 Er3+ 能线。
• 测量单次扫描的光学线宽（约 150 kHz）和长期扩散（约 63 kHz），评估光谱稳定性。
• 使用 36 公里延迟线进行 Hong-Ou-Mandel 干涉，量化光子不可区分性（V ≈ 80%）。
• 实现光学自旋初始化和单-shot 读出，忠实度约 0.972，并测量自旋弛豫时间（T1 ≈ 3.7 s），相干时间（T2* ≈ 247 ns，T2 ≈ 44 μs），其中 T2 受寄生自旋杂质限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 CaWO4 中耦合到纳米光子腔的单个 Er3+ 离子是否能发射在通讯波长处不可区分的光子？
• RQ2 在纳米光子腔中植入的 Er3+ 离子，其光学线宽与光谱扩散特性如何？
• RQ3 对于来自单个 Er3+ 离子的连续发射的通讯带光子，是否可观察到 Hong-Ou-Mandel 干涉，其可见度如何？
• RQ4 在该设备配置下，Er3+ 的自旋初始化、读出保真度及自旋相干时间是多少？
• RQ5 限制自旋相干性的主要去相干源（核自旋 vs 参量磁性杂质）是什么，如何进行缓解？

主要发现

• 耦合到硅纳米光子腔的 CaWO4 中的单个 Er3+ 离子在单次扫描中表现出 150 kHz 的光学线宽以及 63 kHz 的长期光谱扩散，接近以 Purcell 增强的辐射线宽 21 kHz。
• 通过将腔调整到一个自旋守恒跃迁，实现了 Purcell 因子 850，使激发态寿命缩短至 7.4 μs。
• 连续通讯波段光子的 Hong-Ou-Mandel 干涉显示可见度 80(4)%，原始数据与背景扣除分析均支持高不可区分性。
• 自旋初始化与单-shot 读出保真度达到 0.972，自旋弛豫时间 T1 = 3.7 s，自旋相干时间 T2* = 247 ns，T2 = 44 μs，其中 T2 受参量磁性杂质限制。
• 这些结果为使用单个 Er3+ 离子在通讯带实现量子中继节点铺平了道路，未来可通过提高腔 Q 值、改进退火工艺和降低磁噪声来进一步改进。