Нанофотонный светоделитель на квантовых точках с ферстеровской связью

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе описывается схема квантового светоделителя, преобразующего состояние пространственного фотонного кубита на двух модах за счет обмена энергией между модами и квантовыми точками. Контролируя время взаимодействия, можно получить требуемую суперпозицию базисных однофотонных состояний кубита на выходе устройства. Кроме того, светоделитель позволяет генерировать запутанные двухфотонные NOON-состояния. Использование эффекта Ферстера для управления обменом энергией между КТ дает возможность увеличить межмодовое расстояние и подавить нежелательное прямое взаимодействие мод. В качестве примера был рассмотрен светоделитель на основе двумерного фотонного кристалла с температурной и структурной настройкой частот.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Цуканов

НИЦ «Курчатовский институт» – ФТИАН им. К.А. Валиева

Автор, ответственный за переписку.
Email: tsukanov@ftian.ru
Россия, Москва

И. Ю. Катеев

НИЦ «Курчатовский институт» – ФТИАН им. К.А. Валиева

Email: ikateyev@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Moody G., Sorger V.J., Blumenthal D.J., Juodawlkis P.W., Loh W., Sorace-Agaskar C., Jones A.E., Balram K.C., Matthews J.C.F., Laing A., Davanco M., Chang L., Bowers J.E., Quack N., Galland C., Aharonovich I., Wolff M.A., Schuck C., Sinclair N., Lončar M., Komljenovic T., Weld D., Mookherjea S., Buckley S., Radulaski M., Reitzenstein S., Pingault B., Machielse B., Mukhopadhyay D., Akimov A., Zheltikov A., Agarwal G.S., Srinivasan K., Lu J., Tang H.X., Jiang W., McKenna T.P., Safavi-Naeini A.H., Steinhauer S., Elshaari A.W., Zwiller V., Davids P.S., Martinez N., Gehl M., Chiaverini J., Mehta K.K., Romero J., Lingaraju N.B., Weiner A.M., Peace D., Cernansky R., Lobino M., Diamanti E., Vidarte L.T., Camacho R.M. 2022 Roadmap on integrated quantum photonics // J. Phys. Photon. 2022. V. 4. P. 012501.
  2. Adcock J.C., Bao J., Chi Y., Chen X., Bacco D., Gong Q., Oxenløwe L.K., Wang J., Ding Y. Advances in silicon quantum photonics // IEEE Journal Of Selected Topics of Quantum Electronics. 2020. V. 27. P. 1.
  3. Dietrich C.P., Fiore A., Thompson M.G., Kamp M., Höfling S. GaAs integrated quantum photonics: Towards compact and multi-functional quantum photonic integrated circuits // Las. Photon. Rev. 2016. V. 10. P. 870.
  4. Elshaari A.W., Pernice W., Srinivasan K., Benson O., Zwiller V. Hybrid integrated quantum photonic circuits // Nat. Photon. 2020. V. 14. P. 285.
  5. Bogdanov S., Shalaginov M.Y., Boltasseva A., Shalaev V.M. Material platforms for integrated quantum photonics // Opt. Nat. Expr. 2017. V. 7. P. 111.
  6. Kim J.H., Aghaeimeibodi S., Carolan J., Englund D., Waks E. Hybrid integration methods for on-chip quantum photonics // Optica. 2020. V. 7. P. 291.
  7. Raimond J.M., Brune M., Haroche S. Colloquium: Manipulating quantum entanglement with atoms and photons in a cavity // Rev. Mod. Phys. 2001. V. 73. P. 565.
  8. Shu J., Zou X.B., Xiao Y.F., Guo G.C. Quantum phase gate of photonic qubits in a cavity QED system // Phys. Rev. A. 2007. V. 75. P. 044302.
  9. Цуканов А.В., Катеев И.Ю. Квантовые вычисления на квантовых точках в полупроводниковых микрорезонаторах. Часть I. // Микроэлектроника. 2014. Т. 43. С. 323.
  10. Цуканов А.В., Катеев И.Ю. Квантовые вычисления на квантовых точках в полупроводниковых микрорезонаторах. Часть II. // Микроэлектроника. 2014. Т. 43. С. 403.
  11. Цуканов А.В., Катеев И.Ю. Квантовые вычисления на квантовых точках в полупроводниковых микрорезонаторах. Часть III. // Микроэлектроника. 2015. Т. 44. С. 79.
  12. Chuang I.L., Yamamoto Y. A simple quantum computer // Phys. Rev. A. 1995. V. 52. P. 3489.
  13. Cerf N.J., Adami C., Kwiat P.G. Optical simulation of quantum logic // Phys. Rev. A. 1998. V. 57. P. R1477.
  14. Johne R., Fiore A. Proposal for a two-qubit quantum phase gate for quantum photonic integrated circuits // Phys. Rev. A. 2012. V. 86. P. 063815.
  15. Gazzano O., Almeida M.P., Nowak A.K., Portalupi S.L., Lemaȋtre A., Sagnes I., White A.G., Senellart P. Entangling quantum-logic gate operated with an ultrabright semiconductor single-photon source // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 110. P. 250501.
  16. Lee J.M., Lee W.J., Kim M.S., Cho S.W., Ju J.J., Navickaite G., Fernandez J. Controlled-NOT operation of SiN-photonic circuit using photon pairs from silicon-photonic circuit // Opt. Commun. 2022. V. 509. P. 127863.
  17. Цуканов А.В., Катеев И.Ю. Квантовый вентиль CNOT на пространственных фотонных кубитах с резонансным электрооптическим контролем // Микроэлектроника. 2024. Т. 53. С. 296.
  18. Цуканов А.В. Принцип измерения электронной населенности квантовой точки с помощью однофотонного транзистора на основе массива квантовых точек // Квант. электроника. 2021. Т. 51. С. 718.
  19. Цуканов А.В., Катеев И.Ю. Взаимодействие массива одноэлектронных квантовых точек с полем микрорезонатора с учетом кулоновских корреляций // Квантовая электроника. 2022. Т. 52. С. 474.
  20. Tsukanov A.V., Kateev I.Yu. Optical measurement of a quantum dot state in a microdisk by a Stark transducer // Laser Phys. Lett. 2022. V. 19. P. 086201.
  21. Bromberg Y., Lahini Y., Silberberg Y. Bloch oscillations of path-entangled photons // Phys. Rev. Lett. 2010. V. 105. P. 263604.
  22. Chen X., Fu Z., Gong Q., Wanga J. Quantum entanglement on photonic chips: a review // Adv. Photon. 2021. V. 3. P. 064002.
  23. Tsukanov A.V., Kateev I.Yu. Generation of spatially entangled states in a photonic molecule containing a quantum dot // Las. Phys. Lett. 2023. V. 20. 116201.
  24. Baker C., Belacel C., Andronico A., Senellart P., Lemaitre A., Galopin E., Ducci S., Leo G., Favero I. Critical optical coupling between a GaAs disk and a nanowaveguide suspended on the chip // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 99. P. 151117.
  25. Nozaki K., Shinya A., Matsuo S., Suzaki Y., Segawa T., Sato T., Kawaguchi Y., Takahashi R., Notomi M. Ultralow-power all-optical RAM based on nanocavities // Nat. Photon. 2012. V. 6. P. 248.
  26. Notomi M., Shinya A., Nozaki K., Tanabe T., Matsuo S., Kuramochi E., Sato T., Taniyama H., Sumikura H. Low-power nanophotonic devices based on photonic crystals towards dense photonic network on chip // IET Circ. Device Syst. 2011. V. 5. P. 84.
  27. Baba T., Kawasaki T., Sasaki H., Adachi J., Mori D. Large delay-bandwidth product and tuning of slow light pulse in photonic crystal coupled waveguide // Opt. Expr. 2008. V. 16. P. 9245.
  28. Kondo K., Shinkawa M., Hamachi Y., Saito Y., Arita Y., Baba T. Ultrafast slow-light tuning beyond the carrier lifetime using photonic crystal waveguides // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 110. P. 053902.
  29. Tanabe T., Notomi M., Kuramochi E., Shinya A., Taniyama H. Trapping and delaying photons for one nanosecond in an ultrasmall high-Q photonic-crystal nanocavity // Nat. Photon. 2007. V. 1. P. 49.
  30. Lu T.W., Lin P.T., Sio K.U., Lee P.T. Optical sensing of square lattice photonic crystal point-shifted nanocavity for protein adsorption detection // Appl. Phys. Lett. 2010. V. 96. P. 213702.
  31. Hennessy K., Högerle C., Hu E., Badolato A., Imamolu A. Tuning photonic nanocavities by atomic force microscope nanooxidation // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89. P. 041118.
  32. Strauf S., Rakher M.T., Carmeli I., Hennessy K., Meier C., Badolato A., DeDood M.J.A., Petroff P.M., Hu E.L., Gwinn E.G., Bouwmeester D. Frequency control of photonic crystal membrane resonators by monolayer deposition // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 88. P. 043116.
  33. Faraon A., Vučković J. Local temperature control of photonic crystal devices via micron scale electrical heaters // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 95. P. 043102.
  34. Faraon A., Englund D., Fushman I., Vučković J. Local quantum dot tuning on photonic crystal chips // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. P. 213110.
  35. Properties of Gallium Arsenide, 2nd ed., EMIS Datareview Series (INSPEC, London, U.K., 1990), p. 18.
  36. Della Corte F.G., Cocorullo G., Iodice M., Rendina I. Temperature dependence of the thermo-optic coefficient of InP, GaAs, and SiC from room temperature to 600 K at the wavelength of 1.5 μm // Appl. Phys. Lett. – 2000. – V. 77. – P. 1614.
  37. Bayindir M., Temelkuran B., Ozbay E. Tight-binding description of the coupled defect modes in three-dimensional photonic crystals // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 84. P. 2140.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схемы квантового светоделителя, представляющего собой два оптических волновода, находящихся на расстоянии L друг от друга. Моды 1 и 2 волноводов взаимодействуют с одной КТ с частотами Раби и (а) или двумя КТ А и КТ В с частотами Раби и (б). Обмен энергией между КТ А и КТ В происходит за счет взаимодействия Ферстера со скоростью VF. Диссипативные эффекты в системе определя-ются скоростями электронной релаксации КТ γ, γ1 и γ2, а также скоростями фотонного распада мод 1 и 2 κ1 и κ2.

Скачать (78KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Графики зависимостей заселенностей от времени для базисных состояний фотонного кубита в схемах с одной КТ (а) и с двумя КТ (б). Показаны результаты для двух близких значений отстроек и энергий Ферстера. Параметры даны в единицах частоты перехода в КТ.

Скачать (211KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Графики зависимостей заселенностей от времени электрон-фотонных состояний светоделителя с оптически активной КТ А и вспомогательной КТ В. Показаны результаты для резонансного режима при слабом (а) и сильном (б) взаимодействии Ферстера, а также для нерезонансного режима (в). Параметры даны в единицах частоты перехода в КТ.

Скачать (470KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Графики зависимостей заселенностей от времени электрон-фотонных состояний светоделителя для резонансного режима при сильном взаимодействии Ферстера КТ А и КТ В. Мода 1(2) обменивается энергией с КТ А(В). Параметры даны в единицах частоты перехода в КТ.

Скачать (209KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Оптический спектр ТМ-мод волновода на основе линейного дефекта ФК при a = 3.3 мкм, R = 1.2 мкм (а) и двумерное распределение амплитуды электрического поля рабочей моды (б).

Скачать (437KB)
Метаданные
7. Рис. 6. График зависимости длины волны λс рабочей моды волновода на основе линейного дефекта ФК для a = 3.3 мкм от радиуса отверстий R при Т = 0 (nc = 3.4), сплошная линия, и от температуры Т при R = 1.2 мкм, штриховая линия.

Скачать (83KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Двумерное распределение амплитуды электрического поля нечетной (а) и четной (б) моды двух взаимодействующих волноводов на основе ФК при a = 3.3 мкм, R = 1.2 мкм.

Скачать (672KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Коэффициент оптического взаимодействия J двух волноводов на основе ФК для a = 3.3 мкм, R = = 1.2 мкм для двух случаев: 1) отверстия оптического барьера имеют радиус R1 (сплошная линия) и 2) отверстия оптического барьера эллиптические, вертикальная полуось которых имеет радиус R1 (штриховая линия).

Скачать (123KB)
Метаданные
10. Рис. 9. График зависимости длин волн λ+ и λ- четной (сплошная линия) и нечетной (штриховая линия) мод двух взаимодействующих волноводов на основе ФК для a = 3.3 мкм, R = 1.2 мкм от температуры Т.

Скачать (78KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024