[论文解读] Single-Photon Switching and Entanglement of Solid-State Qubits in an Integrated Nanophotonic System

Alp Sipahigil, Ruffin E. Evans+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2016

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 1被引用 297

一句话总结

本文展示了一个集成的金刚石纳米光子学平台，其中 silicon-vacancy（SiV）中心耦合到腔与波导，实现单光子开关、可调 Raman 基单光子源，以及在金刚石纳米光子波导中两个 SiV 间的预告态纠缠。

ABSTRACT

Efficient interfaces between photons and quantum emitters form the basis for quantum networks and enable nonlinear optical devices operating at the single-photon level. We demonstrate an integrated platform for scalable quantum nanophotonics based on silicon-vacancy (SiV) color centers coupled to nanoscale diamond devices. By placing SiV centers inside diamond photonic crystal cavities, we realize a quantum-optical switch controlled by a single color center. We control the switch using SiV metastable orbital states and verify optical switching at the single-photon level by using photon correlation measurements. We use Raman transitions to realize a single-photon source with a tunable frequency and bandwidth in a diamond waveguide. Finally, we create entanglement between two SiV centers by detecting indistinguishable Raman photons emitted into a single waveguide. Entanglement is verified using a novel superradiant feature observed in photon correlation measurements, paving the way for the realization of quantum networks.

研究动机与目标

• 利用 diamond 纳米光子器件中的 SiV 中心，展示光子与固态量子比特之间的高效界面。
• 实现由单个 SiV 中心控制的量子光学开关。
• 利用 Raman 转变创建可调单光子源，以克服非均匀展宽。
• 通过在波导中产生的不可区分 Raman 光子在两个 SiV 中心之间生成并验证纠缠。

提出的方法

• 将带负电的 SiV 中心集成到具有小模态体积和高Q值的 diamond 纳米光子腔中。
• 利用 SiV 的亚稳轨道态来控制腔的透射并实现具有记忆的单光子开关。
• 在 SiV 的亚稳态之间使用 Raman 转变，在 diamond 波导中产生可调单光子。
• 通过检测发射到单一波导中的不可区分 Raman 光子来在两个 SiV 中心之间建立纠缠。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个 SiV 中心是否可以在单光子水平提供鲁棒的全光开关？
• RQ2 通过 Raman 调谐光子是否能够减小光谱扩散，产生可调且不可区分的光子用于纠缠？
• RQ3 是否有可能通过不可区分光子在纳米光子波导中的两个固态量子比特之间实现纠缠的预告？
• RQ4 在 SiV-腔系统中观察到的光子统计量表明非线性、量子级相互作用的有哪些？

主要发现

• 金刚石腔中的单个 SiV 中心对共振探针透射实现约 ~38% 的消光。
• 在单光子水平观察到 SiV-腔系统的饱和和非线性响应。
• 自相关测量显示散射光子反聚集（g(2)SS(0)=0.15(4)）和透射光子聚集（g(2)TT(0)=1.50(5)）。
• 在合适的失谐和功率下，金刚石波导中单个 SiV 的 Raman 辅助发射产生可调光子频率和亚自然而窄线宽(<30 MHz)。
• 来自两个独立 SiV 的不可区分 Raman 光子产生纠缠，得到了超辐射相关性验证，g(2)ind(0)=0.98(5)。
• 来自干涉的条件纠缠保真度下界为 F≥82(7)%，适用于干涉窗口内的事件。