[论文解读] Wavelength-tunable high-fidelity entangled photon sources enabled by dual Stark effects

Chen Chen, Jun-Yong Yan+17 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2023

Semiconductor Quantum Structures and DevicesPhysics and Astronomy参考文献 63被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种基于液滴蚀刻GaAs量子点的波长可调谐、高保真度纠缠光子源，采用双斯塔克效应方案，结合交流斯塔克效应以补偿精细结构分裂，以及量子限制斯塔克效应以实现波长调谐。该系统在1 meV的调谐范围内实现了超过0.955的纠缠保真度，为量子中继器和集成量子电路提供了可扩展的按需光源。

ABSTRACT

The construction of a large-scale quantum internet requires quantum repeaters containing multiple entangled photon sources with identical wavelengths. Semiconductor quantum dots can generate entangled photon pairs deterministically with high fidelity. However, realizing wavelength-matched quantum-dot entangled photon sources faces two difficulties: the non-uniformity of emission wavelength and exciton fine-structure splitting induced fidelity reduction. Typically, these two factors are not independently tunable, making it challenging to achieve simultaneous improvement. In this work, we demonstrate wavelength-tunable entangled photon sources based on droplet-etched GaAs quantum dots through the combined use of AC and quantum-confined Stark effects. The emission wavelength can be tuned by ~1 meV while preserving an entanglement fidelity f exceeding 0.955(1) in the entire tuning range. Based on this hybrid tuning scheme, we finally demonstrate multiple wavelength-matched entangled photon sources with f>0.919(3), paving a way towards robust and scalable on-demand entangled photon sources for quantum internet and integrated quantum optical circuits.

研究动机与目标

• 解决半导体量子点中发射波长不均匀和激子精细结构分裂（FSS）的问题，这些问题会降低量子中继器中纠缠保真度。
• 克服传统调谐方法无法独立控制发射波长和FSS的局限性，避免性能上的权衡。
• 开发一种混合调谐方案，实现波长和FSS的同步、独立控制，从而在宽调谐范围内实现高保真度纠缠。
• 通过产生多个相同波长的高保真度纠缠光子源，推动实用化、可扩展的量子互联网架构。
• 展示一种坚固、适用于芯片集成的平台，可实现确定性、高保真度的纠缠光子生成，适用于集成量子光学电路。

提出的方法

• 通过施加电场利用量子限制斯塔克效应（QCSE）在约1 meV范围内调谐GaAs量子点的发射波长。
• 同时使用圆偏振连续波（CW）激光实现交流斯塔克效应，动态补偿激子精细结构分裂（FSS），将其降低至2.92(7) μeV。
• 采用共聚焦显微镜系统，结合脉冲双光子激发（TPE）激光和可调谐CW激光，精确控制量子点的电子态。
• 实施多级滤波系统，包括可调谐陷波滤波器和体分布拉格光栅（VPH）滤波器，以抑制残留激光背景并分离纠缠光子对。
• 利用单光子雪崩二极管（SPADs）进行偏振分辨的互相关测量，通过共偏振和交叉偏振基的保真度量化纠缠保真度。
• 使用波片和偏振片控制并稳定探测过程中的偏振投影态，最大限度减少偏振漂移和光学元件引起的旋转。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够独立调谐GaAs量子点的发射波长和激子精细结构分裂（FSS），以在宽波长范围内实现高保真度纠缠？
• RQ2 在波长调谐过程中，交流斯塔克效应在多大程度上可抑制FSS，同时保持高纠缠保真度？
• RQ3 在保持保真度高于0.955的前提下，可实现的最大波长调谐范围是多少？
• RQ4 CW调谐激光对$|XX\rangle$态的再激发如何影响测量的$g^{(2)}(0)$和保真度？该影响是否可被抑制？
• RQ5 混合斯塔克效应方案是否能够实现适用于量子中继器和集成量子电路的可扩展、按需纠缠光子源？

主要发现

• 在约1 meV的调谐范围内，发射波长被成功调谐，同时保持了超过0.955(1)的纠缠保真度，表明在整个调谐范围内具有高度稳定性。
• 通过交流斯塔克效应，激子精细结构分裂（FSS）被降低至2.92(7) μeV，显著减少了由偏振各向异性引起的退相干。
• 在整个调谐范围内，纠缠光子源的保真度始终高于0.955，即使在调谐窗口的两端，测得的保真度仍为0.955(1)。
• 识别出CW调谐激光对$|XX\rangle$态的再激发是导致$XX$光子$g^{(2)}(0)$增大的主要原因，尤其在较高CW激光功率下，这使得一个量子点（QD B）的保真度略低于另一个（QD A）。
• $XX$态的$g^{(2)}(0)$随CW激光功率增加而上升，证实再激发效应与激光强度成正比，可能对相关测量造成退化。
• 在$\pi$-脉冲激发条件下，$XX$计数率为$6.55 \times 10^3$ counts/s，$X$计数率为$1.15 \times 10^4$ counts/s，其中$XX$计数率较低是由于使用窄带陷波滤波器抑制CW激光时对$XX$光子的部分滤除。