[论文解读] Strain-tunable GaAs quantum dot: An on-demand source of nearly-maximally entangled photon pairs

Daniel Huber, Marcus Reindl+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2018

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用 3

一句话总结

该论文通过在双光子共振激发下利用应变可调的GaAs量子点，实现了按需生成近乎最大纠缠的光子对，其激发态为简并的激子态。该方法在无需后选择的情况下实现了0.978(5)的保真度和0.97(1)的 concurrence，且研究表明适度的Purcell增强可使纠缠度超过0.99，从而实现实际的量子通信应用。

ABSTRACT

Entangled photon generation from semiconductor quantum dots via the biexciton-exciton cascade underlies various decoherence mechanisms related to the solid-state nature of the quantum emitters. So far, this has prevented the demonstration of nearly-maximally entangled photons without the aid of inefficient and complex post-selection techniques that are hardly suitable for quantum communication technologies. Here, we tackle this challenge using strain-tunable GaAs quantum dots driven under two-photon resonant excitation and with strictly-degenerate exciton states. We demonstrate experimentally that our on-demand source generates polarization-entangled photons with fidelity of 0.978(5) and concurrence of 0.97(1) without resorting to post-selection techniques. Moreover, we show that the remaining decoherence mechanisms can be overcome using a modest Purcell enhancement so as to achieve a degree of entanglement >0.99. Our results highlight that GaAs quantum dots can be readily used in advanced communication protocols relying on the non-local properties of quantum entanglement.

研究动机与目标

• 为克服半导体量子点中的退相干效应，以克服其在生成近乎最大纠缠光子对方面的限制。
• 消除在纠缠光子对生成过程中对低效后选择技术的依赖。
• 利用具有简并激子态的应变可调GaAs量子点，实现高保真度、按需生成的纠缠。
• 证明通过Purcell增强可缓解残余退相干，从而实现近乎理想的纠缠。

提出的方法

• 利用应变可调的GaAs量子点，以实现严格简并的激子态。
• 采用双光子共振激发，驱动双激发-单激发级联过程，且无能级失谐。
• 实施应变工程以调控精细结构分裂，抑制退相干。
• 应用适度的Purcell增强，进一步抑制残余退相干机制。
• 通过量子态层析技术测量偏振纠缠的保真度与concurrence。
• 将实验结果与理论预测进行比较，以验证光源性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 应变可调的GaAs量子点能否在无需后选择的情况下生成近乎最大纠缠的光子对？
• RQ2 激子态的简并性在多大程度上影响纠缠光子对的保真度与concurrence？
• RQ3 在此系统中，残余退相干在多大程度上可通过Purcell增强得到抑制？
• RQ4 该光源能否实现适用于实际量子通信协议的纠缠保真度与concurrence？
• RQ5 双光子共振激发在最小化双激发-单激发级联过程中退相干方面起到何种作用？

主要发现

• 该光源在无需任何后选择技术的情况下，实现了0.978(5)的偏振纠缠光子对保真度。
• 所生成的纠缠态的concurrence达到0.97(1)，表明其为近乎最大纠缠。
• 研究显示，残余退相干机制可通过适度的Purcell增强得到克服。
• 在该增强下，纠缠度超过0.99，接近理想的量子纠缠。
• 结果证实，GaAs量子点可作为可扩展、按需生成的量子通信技术的可行平台。
• 本研究证明，应变工程与共振激发是抑制半导体量子点光源中退相干的有效策略。