[论文解读] Polarized indistinguishable single photons from a quantum dot in an elliptical micropillar

Yuming He, Hui Wang+16 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2018

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 28被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种基于椭圆形微柱腔中量子点的高效单光子源，可在无需偏振滤波的情况下产生偏振化、不可区分的单光子。通过破坏腔体对称性以解除偏振简并，系统实现了0.976(1)的不可区分性与91%的偏振纯度，从而实现背景无干扰的共振激发，系统效率接近100%。

ABSTRACT

The key challenge to scalable optical quantum computing, boson sampling, and quantum metrology is sources of single photons with near-unity system efficiency and simultaneously near-perfect indistinguishability in all degrees of freedom (including spectral, temporal, spatial, and polarization). However, previous high-indistinguishability solid-state single-photon sources had to rely on polarization filtering that reduced the system efficiency by at least 50%. Here, we overcome this challenge by developing a new single-photon source based on a coherently driven quantum dot embedded in an elliptical micropillar. The asymmetric cavity lifts the polarization degeneracy into two orthogonal linearly polarized modes with a suitable energy separation. We design an excitation-collection scheme that allows the creation and collection of single photons with an indistinguishability of 0.976(1) and a degree of polarization of 91%. Our method provides a solution of combining near-unity system efficiency and indistinguishability compatible with background-free resonant excitation, and opens the way to truly optimal single-photon sources for scalable photonic quantum technologies.

研究动机与目标

• 通过消除偏振滤波，克服固态单光子源中效率与不可区分性之间的权衡。
• 在与共振激发兼容的单光子源中实现高不可区分性与高偏振纯度。
• 开发一种用于集成量子点的可扩展平台，以推动光子量子技术的发展。
• 实现背景无干扰的单光子激发，系统效率接近100%，保真度高。

提出的方法

• 通过设计椭圆形微柱腔以破坏圆形对称性，解除正交偏振模之间的简并。
• 设计一种与非对称腔的偏振本征模相匹配的相干驱动激发与收集方案。
• 利用共振激发以最小化背景发射，提升光子不可区分性。
• 通过Hong-Ou-Mandel干涉测量光子不可区分性，通过偏振分析测量偏振纯度。
• 优化腔体几何结构与量子点位置，以最大化光子向目标偏振模的发射。
• 采用无背景激发协议，抑制多光子发射，提升光源质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 固态单光子源是否能在无需偏振滤波的情况下实现接近100%的不可区分性与高偏振纯度？
• RQ2 椭圆形微柱腔中的腔体非对称性如何影响发射光子的偏振与不可区分性？
• RQ3 能否将共振激发与高偏振控制相结合，实现在量子点光源中的无背景运行？
• RQ4 在使用非对称腔的单光子源中，可实现的最大不可区分性与偏振度是多少？
• RQ5 是否可能在可扩展的光子平台上维持高系统效率，同时实现近乎完美的不可区分性？

主要发现

• 光源实现了0.976(1)的光子不可区分性，表明在所有自由度上均接近完美的量子不可区分性。
• 偏振度达到91%，表明对非期望偏振分量具有强烈抑制。
• 系统无需偏振滤波，与滤波源相比，至少保留了50%的系统效率。
• 椭圆形微柱腔将偏振简并分裂为两个具有可调能量间隔的正交线性模式。
• 共振激发实现了无背景运行，最小化了多光子发射，提升了光源保真度。
• 该方法可实现一种可扩展的、片上集成的平台，适用于光子量子技术中的高性能单光子源。