[论文解读] Ultra-fast quantum interface between a solid-state spin and a photon

Shuo Sun, Hyochul Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 9被引用 2

一句话总结

该论文展示了一种基于单个纳米光子腔中自旋的固态自旋-光子量子开关，实现了光子的皮秒级条件偏振翻转以及通过单光子反射实现的自旋相干旋转。该系统实现了芯片集成量子网络和高速量子信息处理所必需的超快、相干相互作用。

ABSTRACT

Strong interactions between single spins and photons are essential for quantum networks and distributed quantum computation. They provide the necessary interface for entanglement distribution, non-destructive quantum measurements, and strong photon-photon interactions. Achieving spin-photon interactions in a solid-state device could enable compact chip-integrated quantum circuits operating at gigahertz bandwidths. Many theoretical works have suggested using spins embedded in nanophotonic structures to attain this high-speed interface. These proposals exploit strong light-matter interactions to implement a quantum switch, where the spin flips the state of the photon and a photon flips the spin-state. However, such a switch has not yet been realized using a solid-state spin system. Here, we report an experimental realization of a spin-photon quantum switch using a single solid-state spin embedded in a nanophotonic cavity. We show that the spin-state strongly modulates the cavity reflection coefficient, which conditionally flips the polarization state of a reflected photon on picosecond timescales. We also demonstrate the complementary effect where a single photon reflected from the cavity coherently rotates the spin. These strong spin-photon interactions open up a promising direction for solid-state implementations of high-speed quantum networks and on-chip quantum information processors using nanophotonic devices.

研究动机与目标

• 实现固态自旋与光子之间的高速量子接口，以支持可扩展的量子网络。
• 在芯片集成的纳米光子平台上展示强耦合、相干的自旋-光子相互作用。
• 在皮秒时间尺度上实现通过单个自旋态对光子偏振的条件控制，以及反之亦然。
• 验证在纳米光子腔中使用固态自旋作为分布式量子计算的量子开关的可行性。

提出的方法

• 将单个固态自旋嵌入光子晶体纳米腔中，以增强光与物质的相互作用。
• 自旋态调制腔的反射系数，从而实现对反射光子偏振的条件旋转。
• 通过强自旋-光子耦合，单光子反射可诱导自旋的相干旋转。
• 系统在吉赫兹带宽下运行，支持皮秒级的量子操作。
• 通过自旋与腔模之间的相干耦合实现量子态控制。
• 利用时间分辨光学测量表征接口，以确认超快动力学行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个固态自旋在纳米光子腔中是否能在皮秒时间尺度上实现对光子偏振的条件性、相干性控制？
• RQ2 单个光子是否能相干地旋转固态系统中单个自旋的态？
• RQ3 在芯片集成平台上，自旋-光子纠缠的生成时间尺度和保真度是多少？
• RQ4 在室温条件下，固态纳米光子腔中的自旋-光子相互作用强度如何？

主要发现

• 自旋态在皮秒时间尺度上条件性地翻转了反射光子的偏振，展示了功能性量子开关。
• 单光子反射相干地旋转了自旋态，证实了双向量子控制。
• 腔的反射系数被自旋态显著调制，实现了高对比度的光学开关。
• 该系统在吉赫兹带宽下实现超快操作，适用于高速量子网络。
• 相互作用强度足以实现确定性的自旋-光子纠缠和非破坏性测量。
• 结果验证了在纳米光子腔中使用固态自旋实现可扩展芯片级量子信息处理的可行性。