[论文解读] Spin-photon entanglement of a single Er$^{3+}$ ion in the telecom band

Mehmet T. Uysal, Łukasz Dusanowski+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2024

Quantum optics and atomic interactions被引用 7

一句话总结

展示在硅纳光子电路中直接在通信波段实现单个 Er3+ 离子自旋-光子纠缠，使用快速动态去耦保护自旋相干性，在 15.6 km 距离下实现 1.48 Hz 的纠缠速率，保真度为 73(3)%。

ABSTRACT

Long-distance quantum communication using quantum repeaters is an enabling technology for secure communication, distributed quantum computing and quantum-enhanced sensing and metrology. As a building block of quantum repeaters, spin-photon entanglement has been demonstrated with both atomic and solid-state qubits. However, previously demonstrated qubits with long spin coherence do not directly emit photons into the low-loss telecom band that is needed for long-distance communication. Here, we demonstrate spin-photon entanglement using a single Er$^{3+}$ ion in a solid-state crystal, integrated into a silicon nanophotonic circuit. Direct emission into the telecom band enables an entanglement rate of 1.48 Hz over 15.6 km of optical fiber, with a fidelity of 73(3)$\%$. This opens the door to large-scale quantum networks based on scalable nanophotonic devices and many spectrally multiplexed Er$^{3+}$ ions.

研究动机与目标

• 在固态宿主中直接在电信波段实现单个 Er3+ 离子自旋-光子纠缠的演示。
• 将 CaWO4 中的 Er3+ 离子与硅纳光子腔集成，以实现高效发射与传播路由。
• 在光子发射过程中保护自旋相干性，以在长光纤链路上实现高保真度纠缠。
• 识别并缓解影响纠缠协议的光致自旋相位退相干机制。
• 评估纠缠性能指标（保真度、速率）并讨论量子网络的可扩展性。

提出的方法

• 使用在 CaWO4 中嵌入并放置在接近硅纳光子腔的 Er3+ 离子，以通过 Purcell 效应（P=342）增强发射。
• 实现一个时间箱态自旋-光子纠缠协议，嵌入 XY-16 动态去耦序列以聚焦/恢复自旋去相干。
• 在自旋去耦的交错下应用两次光脉冲来产生纠缠态（|↓g⟩|E⟩ + |↑g⟩|L⟩)/√2，在自发发射后。
• 使用不平衡的 Mach-Zehnder 干涉仪测量光子时间箱比特，通过基于光子探测的条件自旋读出执行 Bell 状态层析。
• 用参考激光连续跟踪干涉仪相位 φ，以随机化测量基并计算纠缠保真度。
• 量化影响保真度的误差源（自旋去相干、微波脉冲误差、光学去相干、背景计数、初始化和发射箱重叠）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 CaWO4 中的单个 Er3+ 离子能否直接发射到电信波段并保持自旋-光子纠缠？
• RQ2 使用集成纳光子器件实现电信波段自旋-光子纠缠时，可达到的纠缠速率和保真度是多少？
• RQ3 在光致退相干机制如何影响发射过程中的自旋相干性，以及是否可通过动态去耦来缓解？
• RQ4 为扩大纠缠产生以用于量子中继应用，需要在器件性能和相干性方面做哪些改进？

主要发现

• 在电信波长（1532.6 nm）实现自旋-光子纠缠，保真度为 0.73(3)。
• 在 15.6 km 光纤上实现 1.48 Hz 的纠缠生成速率。
• 经 Purcell 增强的发射（P=342）将 B 转换的光学寿命降至 18.4 μs，从而实现高效的电信发射。
• 识别出由电场噪声引起的光致自旋去相干，并通过对基态和激发态自旋都施加的快速 XY-16 动态去耦序列缓解。
• 证明改进的协议在光照下仍保持自旋-光子相关性，自旋相干性延长至超过 150 μs。
• 估算在改进的光学/自旋相干性、耦合效率和更快的自旋复位下将纠缠速率提升至 ~150 Hz 的途径。