[论文解读] Photonic indistinguishability of the tin-vacancy center in nanostructured diamond

Jesús Arjona Martínez, Ryan A. Parker+13 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 6

一句话总结

本研究展示了金刚石单模波导中锡空位（SnV）中心产生的单光子具有高光子不可区分性，通过共振激发和相干光控，实现了63(9)%的不可区分性与99.7⁺⁰.³₋₂.⁵%的纯度。在1.71(1) ns π脉冲保真度达77.1(8)%的情况下，结果证实SnV中心是可扩展量子技术中可行的自旋-光子接口。

ABSTRACT

Tin-vacancy centers in diamond are promising spin-photon interfaces owing to their high quantum-efficiency, large Debye-Waller factor, and compatibility with photonic nanostructuring. Benchmarking their single-photon indistinguishability is a key challenge for future applications. Here, we report the generation of single photons with $99.7^{+0.3}_{-2.5}\%$ purity and $63(9)\%$ indistinguishability from a resonantly excited tin-vacancy center in a single-mode waveguide. We obtain quantum control of the optical transition with $1.71(1)$-ns-long $π$-pulses of $77.1(8)\%$ fidelity. A modest Purcell enhancement factor of 12 would enhance the indistinguishability to $95$\%. The greater than $100$ ms spectral stability shown would then enable strings of up to $10^6$ identical photons to be generated.

研究动机与目标

• 对纳米结构金刚石中锡空位（SnV）中心的光子不可区分性进行基准测试，这是量子网络的关键要求。
• 展示对SnV中心光学跃迁实现高保真度、短时长π脉冲的相干光控。
• 评估Purcell增强与光谱稳定性对实现近似单位光子不可区分性的影响。
• 确立SnV中心作为与光子集成兼容、适用于可扩展量子信息处理的可行自旋-光子接口。

提出的方法

• 使用619 nm激光对SnV中心进行共振激发，以靶向零声子线（ZPL）跃迁，最大限度减少退相干。
• 采用具有绝热锥形结构的单模金刚石波导，以增强出射耦合效率并实现光纤收集。
• 使用透镜光纤耦合至波导端面，实现较传统显微镜方法23(3)-倍增强的收集效率。
• 构建具有偏振控制与可变时间延迟的Hanbury-Brown and Twiss干涉仪，用于测量两光子量子干涉。
• 应用背景校正与有限对比度校正，从原始HOM可见度中提取真实的光子不可区分性。
• 利用均匀展宽模型对光子不可区分性进行建模，以验证实测HOM可见度与理论预期的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单模金刚石波导中，共振激发的SnV中心发射的单光子具有多高的光子不可区分性？
• RQ2 在脉冲保真度与持续时间方面，对SnV中心跃迁的相干光控能达到何种程度？
• RQ3 Purcell增强如何影响可实现的光子不可区分性？需要多高的增强水平才能实现近似单位不可区分性？
• RQ4 SnV中心的光谱稳定性如何影响生成一长串相同光子的潜力？

主要发现

• 经过背景校正后，金刚石波导中SnV中心的单光子纯度为99.7⁺⁰.³₋₂.⁵%，表明其具有高质量的单光子发射特性。
• 测得的两光子量子干涉可见度（HOM不可区分性）为63(9)%，原始可见度为56(8)%，经背景与干涉对比度校正后得出。
• 实现了1.71(1) ns的π脉冲，保真度达77.1(8)%，证明了对光学跃迁的高保真度相干控制。
• 理论建模表明，观测到的HOM可见度63.2(4)%与基于实测均匀展宽（Γ_PD）的理论预期值一致。
• 光谱稳定性超过100 ms，支持连续生成多达10⁶个相同光子，为长寿命量子存储与纠缠协议提供可能。
• 仅需12倍的Purcell增强因子（已在纳米腔中实现）即可使不可区分性提升至95%以上，使SnV中心具备实现近似单位性能的潜力。