[论文解读] Quantum state transfer between a frequency-encoded photonic qubit and a quantum dot spin in a nanophotonic waveguide

Ming Lai Chan, Ziv Aqua+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2022

Quantum Information and Cryptography参考文献 71被引用 13

一句话总结

本文提出了一种在纳米光波导中通过单光子拉曼相互作用（SPRINT）实现频率编码光学生态量子比特与量子点自旋之间确定性、无源的量子态转移协议。该方案在现实条件下实现了超过95%的保真度，实现了无需主动控制的鲁棒、预警式态转移，对可扩展固态量子网络至关重要。

ABSTRACT

We propose a deterministic yet fully passive scheme to transfer the quantum state from a frequency-encoded photon to the spin of a quantum-dot mediated by a nanophotonic waveguide. We assess the quality of the state transfer by studying the effects of all relevant experimental imperfections on the state-transfer fidelity. We show that a transfer fidelity exceeding 95% is achievable for experimentally realistic parameters. Our work sets the stage for deterministic solid-state quantum networks tailored to frequency-encoded photonic qubits.

研究动机与目标

• 在固态平台上实现飞行光学生态量子比特与固定自旋量子比特之间的确定性、相干量子态转移。
• 解决在存在衰减率不对称性、退相位和光谱扩散等缺陷的现实实验条件下实现高保真度态转移的挑战。
• 开发一种完全无源的方案，无需外部控制场，仅依赖波导几何结构中的相消干涉。
• 通过一种鲁棒、预警式的协议，证明利用频率编码光学生态量子比特实现可扩展量子网络的可行性。

提出的方法

• 采用具有两个亚稳态自旋态 |g1⟩ 和 |g2⟩ 的Λ型量子点，通过纳米光波导与激发态 |e⟩ 耦合。
• 采用单光子拉曼相互作用（SPRINT），其中共振频率为 ω1 的光子通过入射场与散射场的相消干涉，诱导 |g1⟩ 到 |g2⟩ 的自旋翻转。
• 对于非共振频率 ω2 的光子，相互作用微弱，导致高反射率且自旋翻转可忽略，从而保持输入态不变。
• 该协议将处于叠加态 |ψp⟩ = ca|ω1⟩ + cb|ω2⟩ 的光学生态量子比特映射为自旋量子比特 |ψs⟩ = iŶ(ca|g1⟩ + cb|g2⟩)，等价于一个局域泡利-Y旋转。
• 采用微扰解析理论与完整数值分析相结合的方法，对系统动力学进行建模，并量化在缺陷条件下的保真度。
• 采用 Choi-Jamiolkowski 保真度作为性能指标，其保真度表达式中包含光谱宽度、退相位和失谐的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在纳米光波导中实现频率编码光学生态量子比特与量子点自旋之间的确定性、无源量子态转移？
• RQ2 关键实验缺陷（如光谱扩散、退相位和衰减率不对称性）如何影响态转移的保真度？
• RQ3 在实验可实现参数下，可达到的保真度是多少？是否可超过95%？
• RQ4 在频率 ω2 处预警输出光子如何增强对缺陷的鲁棒性？
• RQ5 该协议能否完全无源且确定性地运行，而无需依赖主动控制场？

主要发现

• 在实验可实现参数下，该协议实现了超过95%的量子态转移保真度，表现出高度鲁棒性。
• 保真度主要受限于光谱扩散（γd）、退相位（γ）和衰减率不对称性（ε），其保真度损失表达式已通过解析方法推导得出。
• 在 ω2 频率处预警输出光子显著增强了鲁棒性，添加频率滤波器可进一步抑制非期望频率分量引起的误差。
• 只要满足微扰条件，即使光子脉冲具有有限带宽（σo ≪ Γ），该方案仍保持有效。
• 该协议完全无源：无需外部控制场，仅依赖波导诱导的干涉和拉曼散射。
• 理论框架综合考虑了所有主要实验缺陷，包括光谱扩散、退相位和失谐，提供了全面的保真度建模。