[论文解读] Towards a source of multi-photon entangled states for linear optical quantum computing

J. P. Lee, Bruno Villa+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 52被引用 7

一句话总结

该论文提出一种利用带电量子点在微柱腔中的腔量子电动力学增强共振荧光来制备多光子纠缠态的方案，通过相干控制被捕获的空穴自旋实现时间-bin纠缠。关键结果表明，发射光子的时间bin取决于自旋的测量态，从而证实了利用可分辨、纠缠的光子实现可扩展线性光学量子计算的可行性原理。

ABSTRACT

We propose a scheme to make use of recent advances in cavity QED-enhanced resonance fluorescence from quantum dots to generate a stream of entangled and indistinguishable photons. We then demonstrate that we can optically manipulate the state of a trapped hole spin to achieve complete coherent control of a qubit. In combination with the selective cavity enhancement of the resonantly excited transition, we use this capability to perform a proof-of-principle demonstration of our proposal by showing that the time bin of a single photon is dependent on the measured state of the trapped spin.

研究动机与目标

• 开发一种适用于线性光学量子计算的可扩展多光子纠缠态源。
• 通过利用腔增强共振荧光实现确定性、可分辨的光子源，以克服光子-光子相互作用微弱的挑战。
• 实现对被捕获空穴自旋的完全相干控制，以实现量子态操控。
• 证明光子的时间-bin编码取决于测量的自旋态，从而实现纠缠态的生成。
• 识别实际改进措施——如使用更短脉冲和增强相干性——以使该方案适用于测量型量子计算。

提出的方法

• 利用单电荷InGaAs量子点在微柱腔中的腔量子电动力学增强共振荧光，生成高度可分辨的光子。
• 采用Voigt磁场构型，通过AC斯塔克效应实现相干光学自旋旋转，避免使用法拉第几何结构。
• 应用多脉冲序列，对被捕获的空穴自旋实现完全相干控制，包括π/2和π脉冲以实现态制备与操控。
• 采用时间分辨单光子探测技术测量光子发射时间，并将其与测量的自旋态相关联。
• 基于激发与发射之间的能量差实施光谱滤波，以在不破坏偏振纠缠的前提下分离信号与背景。
• 利用Purcell效应将垂直跃迁速率增强约5倍，提高目标跃迁通道的概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个量子点在腔中是否可用于生成适用于线性光学量子计算的可分辨、纠缠光子流？
• RQ2 能否在Voigt磁场构型下实现对被捕获空穴自旋的相干控制，以实现确定性态制备？
• RQ3 发射光子的时间-bin是否依赖于被捕获空穴自旋的测量态，这是实现时间-bin纠缠所必需的？
• RQ4 实验装置是否可通过改进以提升光子可分辨性和自旋相干性，从而适用于可扩展的量子计算应用？
• RQ5 脉冲持续时间和多次激发对生成的纠缠态保真度有何影响？

主要发现

• 单个光子的时间-bin取决于被捕获空穴自旋的测量态，当测量|h̄⟩态时，有77%的概率在第二个时间bin中检测到光子；当测量|h⟩态时，该概率为68%。
• 通过多脉冲序列实现了对被捕获空穴自旋的完全相干控制，包括π/2和π脉冲，从而实现确定性态操控。
• Purcell增强使垂直跃迁速率提高约5倍，提高了目标跃迁路径的概率。
• 两个时间bin的测量g(2)(0)值分别为g(2)₁,R(0) ≈ 0.68和g(2)₂,R(0) ≈ 0.77，表明光子具有高度可分辨性及非经典光子发射特性。
• 该方案与现有实验技术兼容，包括用于脉冲生成的电光调制技术，以及用于提升相干性的自旋回声技术。
• 未来改进措施——如使用更短的激发脉冲、增强Purcell因子、减少核自旋噪声——可显著提高源的保真度与可扩展性。