[论文解读] On-demand generation of entangled photon pairs in the telecom C-band for fiber-based quantum networks

Katharina D. Zeuner, Klaus D. Jöns+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 29被引用 6

一句话总结

该论文通过在InAs/GaAs量子点中采用声子辅助激发方案，在通信C波段（1530–1565 nm）实现了按需生成偏振纠缠光子对。该方法实现了91.4%的concurrence和95.2%的保真度，达到贝尔态|Φ⁺⟩，为可扩展的光纤量子网络提供了稳健、确定性的纠缠源。

ABSTRACT

On-demand sources of entangled photons for the transmission of quantum information in the telecom C-band are required to realize fiber-based quantum networks. So far, non-deterministic sources of quantum states of light were used for long distance entanglement distribution in this lowest loss wavelength range. However, they are fundamentally limited in either efficiency or security due to their Poissonian emission statistics. Here, we show on-demand generation of entangled photon pairs in the telecom C-band by an InAs/GaAs semiconductor quantum dot. Using a robust phonon-assisted excitation scheme we measure a concurrence of $91.4\,\%$ and a fidelity of $95.2\,\%$ to $Φ^+$. On-demand generation of polarization entangled photons will enable secure quantum communication in fiber-based networks. Furthermore, applying this excitation scheme to several remote quantum dots tuned into resonance will enable first on-demand entanglement distribution over large distances for scalable real-life quantum applications.

研究动机与目标

• 开发一种在通信C波段实现确定性、按需生成纠缠光子对的源，以支持长距离量子通信。
• 克服非确定性光源的局限性，例如泊松分布发射统计特性所导致的效率和安全性受限问题。
• 通过一种对环境波动和激光参数漂移具有鲁棒性的声子辅助激发方案，实现稳健、可扩展的量子网络。
• 实现高保真度的纠缠态，适用于量子隐形传态、纠缠交换以及长距离量子通信。

提出的方法

• 利用在GaAs衬底上外延生长的InAs量子点，采用 metamorphic InGaAs缓冲层，实现约1550 nm波段的发射，覆盖通信C波段。
• 实施声子辅助的双光子激发方案，即使在激光功率和波长波动的情况下，也能实现高概率、确定性的双激发态制备。
• 采用由分布布拉格反射镜（DBR）和半导体-空气界面构成的四分之三波长腔结构，以增强光子提取效率。
• 通过双折射校正的密度矩阵重构方法，对偏振纠缠进行分析，将测量结果从双折射基转换到标准的HV基。
• 利用时间分辨单光子探测与滤波技术，分辨振荡的贝尔态并验证纠缠保真度。
• 应用虚拟波片变换，校正低温恒温器、盖帽层及光学元件引入的双折射效应，从而保持态的保真度与正交性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过一种适用于可扩展量子网络的鲁棒激发方案，在通信C波段实现按需生成纠缠光子对？
• RQ2 与传统的双光子共振激发相比，声子辅助激发在提升纠缠光子生成的稳定性与保真度方面有多大改善？
• RQ3 在InAs量子点中，非共振、宽带激发条件下，能达到多高的与最大纠缠态|Φ⁺⟩的concurrence和保真度？
• RQ4 尽管存在光路和样品盖帽层中的双折射效应，纠缠质量是否仍能得以保持并准确测量？
• RQ5 该激发方案是否可扩展至多个远距离分布的量子点，以支持分布式量子网络应用？

主要发现

• 声子辅助激发方案实现了在通信C波段中确定性、按需生成纠缠光子对，对激光功率和波长波动具有高度鲁棒性。
• 测得的concurrence为91.4%，表明纠缠程度较高，适用于量子信息应用。
• 对最大纠缠贝尔态|Φ⁺⟩的保真度达到95.2%，证明在实际实验条件下实现了高质量纠缠。
• 通过坐标变换和虚拟波片技术校正了双折射引起的偏振基畸变，保持了测量态的完整性。
• 采用metamorphic InGaAs缓冲层外延生长的量子点结构实现了约1550 nm的发射，支持在标准光纤中实现低损耗传输。
• 所展示的激发方案具有可扩展性，且兼容多个远距离分布的量子点，为在光纤基量子网络中实现按需长距离纠缠分发铺平了道路。