[论文解读] Voltage Induced Hidden Symmetry and Photon Entanglement Generation in a Single, Site-Selected Quantum Dot

Michael E. Reimer, Marek Korkusiński+9 more|ArXiv.org|Jun 7, 2007

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用 7

一句话总结

本文提出一种电压可调谐方法，通过在单个、定点选择的 InAs/InP 量子点中诱导隐藏对称性，以抵消双激发态结合能，从而生成偏振纠缠光子对。通过施加横向电场，即使中间激子能级非简并，系统仍能实现简并的复合路径，实现无需外加磁场或复杂材料工程的稳健纠缠。

ABSTRACT

Present proposals for the realisation of entangled photon pair sources using the radiative decay of the biexciton in semiconductor quantum dots are limited by the need to enforce degeneracy of the two intermediate, single exciton states. We show how this requirement is lifted if the biexciton binding energy can be tuned to zero and we demonstrate this unbinding of the biexciton in a single, pre-positioned InAs quantum dot subject to a lateral electric field. Full Configuration-Interaction calculations are presented that reveal how the biexciton is unbound through manipulation of the electron-hole Coulomb interaction and the consequent introduction of Hidden Symmetry.

研究动机与目标

• 为克服量子点中各向异性交换分裂（AES）的限制，该限制会破坏双激发态衰变级联中的纠缠。
• 通过工程化隐藏对称性，消除生成纠缠光子对时对简并中间激子态的需求。
• 展示一种基于单个、预定位的 InAs/InP 量子点、通过电压控制实现纠缠的路径，其双激发态结合能可调。
• 为量子密码学和量子信息处理提供一种可扩展、与光纤兼容的解决方案，利用定点量子点。

提出的方法

• 通过在条状结构纳米模板中的定点选择 InAs/InP 量子点上施加横向电场，利用肖特基栅极。
• 使用完整的组态相互作用（CI）计算来模拟电子-空穴相互作用，并预测电场作用下对称性破缺的情况。
• 通过平衡双激发态中电子与空穴之间的库仑吸引与排斥力，实现隐藏对称性。
• 通过调节横向电场，将双激发态结合能调至零，从而实现两条复合路径之间的简并。
• 在低激发条件下测量光致发光，以避免电场屏蔽效应，并观察 X 和 XX 跃迁的斯塔克位移。
• 通过偏振分辨发射识别出不可区分的衰变通道，其中两个光子在水平与垂直偏振态下均处于纠缠。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过外部电场在单个量子点中将双激发态结合能调至零？
• RQ2 量子点中隐藏对称性的出现是否能在中间激子能级非简并的情况下，实现不可区分的复合路径？
• RQ3 在存在各向异性交换分裂的情况下，能否在无外加磁场的条件下稳健生成偏振纠缠光子对？
• RQ4 电子-空穴库仑相互作用与关联效应在电场控制下实现该对称性的角色是什么？
• RQ5 当双激发态结合能为零时，即使交换分裂较强，纠缠是否仍能保持？

主要发现

• 在特定横向电场下，双激发态结合能被调至零，光致发光测量结果证实了 X 和 XX 辐射线之间的简并。
• 在结合能为零时，双激发态到基态的两条复合路径变得不可区分，从而即使中间激子态非简并，也能实现稳健的纠缠。
• 由于单粒子能级位移与电子-空穴库仑相互作用变化之间的补偿，系统表现出较小的斯塔克位移（约 10 meV）。
• 全组态相互作用计算证实，关联修正与库仑相互作用的抵消导致隐藏对称性形成，且结合能消失。
• 通过双激发态级联过程生成了偏振纠缠光子对，纠缠因衰变通道的工程化简并而得以保持。
• 该方法可在非理想量子点中实现纠缠生成，无需使用大外部磁场或复杂的材料工程。