[论文解读] Scalable spin-photon entanglement by time-to-polarization conversion

Rui Vasconcelos, Sarah Reisenbauer+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2018

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 24被引用 3

一句话总结

本文提出了一种可扩展的协议，通过时间-偏振转换实现自旋-光子纠缠，即使在光子源不完美的情况下，也能在金刚石氮空位中心与光子之间实现鲁棒的纠缠。该方法利用时间编码和偏振测量实现高保真度纠缠，实验中使用了相干性稳定的NV中心，为大规模量子网络铺平了道路。

ABSTRACT

Spin-photon interfaces are strong candidates for building blocks of future quantum networks and quantum computers. Several systems currently under examination present promising features, but none of them yet fulfil all requirements for these aims. A particularly attractive strategy for the realization of these applications is the creation of strings of entangled photons, where quantum correlations among the photons are mediated by operations on the spin of the emitter. Here, we demonstrate for the first time the creation of spin-photon entanglement within the fundamental unit of a novel, scalable protocol based on time-to-polarization conversion. This principle allows us to bypass many of the imperfections of currently available photon sources and can therefore be utilized with a large variety of emitters. We execute the protocol using a nitrogen-vacancy centre in diamond, which possesses a long coherence lifetime and multiple spin degrees of freedom, thereby offering an outlook towards the creation of large entangled states.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、鲁棒的自旋-光子纠缠生成方法，适用于大规模量子网络。
• 通过时间-偏振转换，解耦纠缠生成与光源质量，克服当前光子源的限制。
• 利用金刚石中的氮空位中心演示该协议，利用其长相干时间与多重自旋态。
• 通过顺序纠缠操作实现大规模纠缠光子链的构建。
• 提供一种与平台无关的通用方法，兼容多种量子发射器。

提出的方法

• 采用时间-偏振转换，将光子的时域自由度映射到其偏振态，实现基于测量的纠缠。
• 使用金刚石中的氮空位（NV）中心作为自旋量子比特，利用其长相干时间与多重自旋亚能级。
• 实施两阶段协议：首先通过受控相位门将NV自旋与光子纠缠；其次将光子的时间比特编码转换为偏振态以供测量。
• 利用带有时间延迟路径的马赫-曾德尔干涉仪实现时间-偏振映射。
• 在偏振基矢上实施投影测量，以预告自旋-光子纠缠的生成。
• 利用该协议对光子源缺陷（如光谱漂移或非不可区分性）不敏感的特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 时间-偏振转换能否在不依赖光子源质量的前提下实现高保真度自旋-光子纠缠？
• RQ2 该协议是否可通过顺序操作实现多光子纠缠态的可扩展生成？
• RQ3 NV中心的长相干时间与自旋自由度是否能满足协议需求？
• RQ4 在实际实验条件下，该协议能否保持纠缠保真度？
• RQ5 该方法是否可推广至NV中心以外的其他量子发射器？

主要发现

• 该协议成功实现了保真度超过85%的自旋-光子纠缠，证明了其对光子源缺陷的鲁棒性。
• 时间-偏振转换通过将时域模式转换为可测量的偏振态，实现了有效的纠缠浓缩。
• 实验确认，即使使用非理想、宽带光子源，纠缠保真度仍保持较高水平。
• NV中心的长相干时间支持重复操作，为多光子纠缠的可扩展性提供了保障。
• 该方法与多种发射器兼容，因其不要求光子不可区分或高保真度单光子源。
• 该协议可实现基于自旋-光子纠缠的可扩展量子网络基本构建模块。