[论文解读] Quantum repeaters based on individual electron spins and nuclear-spin-ensemble memories in quantum dots

Kenneth Sharman, Faezeh Kimiaee Asadi+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 140被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种量子中继器方案，利用GaAs/AlGaAs量子点中的单个电子自旋作为通信量子比特，周围核自旋集合作为长寿命量子存储器。通过利用腔增强门和预告式量子纠缠交换，该方案实现了高保真度的远距离量子纠缠分发，其速率超过直接光子传输，得益于高普尔系数微腔和高效的自旋-光子接口。

ABSTRACT

Inspired by recent developments in the control and manipulation of quantum dot nuclear spins, which allow for the transfer of an electron spin state to the surrounding nuclear-spin ensemble for storage, we propose a quantum repeater scheme that combines individual quantum dot electron spins and nuclear-spin ensembles, which serve as spin-photon interfaces and quantum memories respectively. We consider the use of low-strain quantum dots embedded in high-cooperativity optical microcavities. Quantum dot nuclear-spin ensembles allow for the long-term storage of entangled states, and heralded entanglement swapping is performed using cavity-assisted gates. We highlight the advances in quantum dot technologies required to realize our quantum repeater scheme which promises the establishment of high-fidelity entanglement over long distances with a distribution rate exceeding that of the direct transmission of photons.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的量子中继器架构，以克服长距离量子通信中的光子损耗问题。
• 通过利用核自旋集合作为长寿命量子存储器，解决量子点中电子自旋退相干时间短的局限性。
• 通过结合快速电子自旋量子比特与鲁棒的核自旋存储器，实现在远距离上的高保真度纠缠分发。
• 识别并解决实现该方案所需的关键技术挑战，包括纳米加工、核自旋控制和腔体集成。
• 证明所提出的方案在纠缠分发速率方面优于直接光子传输和基于其他存储器的协议。

提出的方法

• 利用高协同度微腔中的单电荷量子点，以实现强光-物质相互作用和高效的自旋-光子纠缠。
• 利用超精细相互作用将电子自旋态转移到周围核自旋集合中，实现长期存储。
• 应用腔增强门实现远距离节点间的预告式量子纠缠交换，以扩展纠缠。
• 依赖低应变量子点，具有高普尔系数（>100）和高光子提取效率（~50%），以最大化光子收集率和门保真度。
• 通过PPLN波导实现频率转换，将750 nm光子移至电信波段（1550 nm），以兼容光纤网络。
• 将位置控制的量子点与光子电路集成，以实现可扩展的片上实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子点中的核自旋集合能否作为电子自旋量子比特的高相干、长寿命量子存储器？
• RQ2 基于量子点中电子自旋与核自旋存储器的量子中继器，其可实现的纠缠分发速率是多少？
• RQ3 腔体协同度和普尔系数增强如何影响自旋-光子纠缠和交换门的保真度与效率？
• RQ4 实现此类中继器的关键技术障碍是什么？能否通过当前或近中期的制造技术克服？
• RQ5 与直接光子传输和其他量子中继器架构相比，该方案在性能上表现如何？

主要发现

• 该方案在超过~500 km的距离上，实现了纠缠分发速率超过直接光子传输。
• 在40%频率转换效率下，分发速率降至理想情况的16%，但通过进一步改进仍具可行性。
• 腔增强门的保真度随公式 1 − 5/(4C) 变化，其中C为腔体协同度，优于如虚拟光子交换等其他方案。
• 量子点中的核自旋集合展现出约秒量级的相干时间，可实现长期量子存储操作。
• 为实现最佳性能，该方案要求核极化度 >80%，普尔系数 >100，且光子提取效率 ~50%。
• 在单个腔体内集成两个量子点，是实现可扩展片上中继器协议的关键。