МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 3, с. 163-179
КВАНТОВЫЕ ^^^^^^^^^^^^^^ КОМПЬЮТЕРЫ
УДК 530.145
КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ В ФОТОННЫХ МОЛЕКУЛАХ И КВАНТОВАЯ
ИНФОРМАТИКА. ЧАСТЬ II © 2014 г. А. В. Цуканов
Физико-технологический институт Российской АН E-mail: tsukanov@ftian.ru Поступила в редакцию 29.08.2013 г.
Мы продолжаем рассматривать гибридные системы, которые базируются на квантовых точках, интегрированных в твердотельные оптические структуры — фотонные молекулы. Во второй части обзора будут представлены основные результаты, имеющие прямое или косвенное отношение к обработке квантовой информации при помощи данных систем. В частности, мы познакомимся с простейшей ячейкой твердотельного квантового регистра — квантовой точкой, когерентно взаимодействующей с делокализованными фотонными модами. Кроме того, мы подробно обсудим свойства и технологии изготовления протяженных фотонных молекул — структурированных волноводов, функционирующих как транспортные каналы в процессе управления кубитами.
DOI: 10.7868/S0544126914010086
1. ВВЕДЕНИЕ
В первой части [1] обзора мы увидели, как из высокодобротных твердотельных резонаторов формируются простейшие квантовые оптические структуры, называемые фотонными молекулами (ФМ). Независимо от типа резонаторов, свойства ФМ описываются в рамках единого формализма, идентичного модели сильной связи в теории кристаллических решеток. Спектр и распределение полей собственных мод ФМ зависят как от параметров образующих ее резонаторов (частот собственных мод, скорости диссипации), так и от их взаимодействия, задаваемого матричным элементом фотонного тун-нелирования (или перескока) между соседними резонаторами.
Вторая часть обзора посвящена перспективам использования ФМ в роли вспомогательных элементов устройств, предназначенных для контроля над состоянием кубитов, их транспортировки, а также некоторых других приложений квантовой теории информации. Принимая во внимание формальную тождественность гибридных систем типа "ФМ + кубит" и универсальность математических подходов к их изучению, мы сфокусируем наше внимание на твердотельных кубитах, представленных электронными или экситонными состояниями квантовых точек (КТ). Обсудим важное практическое приложение данной системы в качестве надежного источника коррелированных фотонных состояний.
Помимо экспериментальных данных, будут представлены и некоторые теоретические результаты, касающиеся принципов квантового
моделирования. Эти новейшие предложения еще не получили надежного практического подтверждения, но предлагаемая ими альтернатива традиционной концепции квантовых вычислений делает их принципиально важными объектами исследований в ближайшем будущем. В качестве примера остановимся на задаче моделирования квантовых фазовых переходов с помощью инженерии поляритонных состояний ФМ.
2. ГЕНЕРАЦИЯ ЗАПУТАННЫХ СОСТОЯНИЙ ФОТОНОВ С ПОМОЩЬЮ ФМ
Мы начинаем знакомство с примерами использования в квантовой информатике гибридных систем, сформированных из КТ и ФМ, с описания источника фотонных пар, находящихся в максимально коррелированном (запутанном) состоянии. Как известно, для большинства экспериментальных приложений, таких, как квантовая телепортация и криптография, требуется устройство, создающее нелокальные корреляции между различными узлами квантовой сети. Распределение запутанности может быть реализовано при помощи пространственного разделения пары фотонов в синглетном поляризационном состоянии, испускаемой некоторой системой (эмиттером). Одними из наиболее распространенных способов, позволяющих этого добиться, являются (а) параметрическая конверсия исходного фотона в пару фотонов меньшей частоты в нелинейной оптической среде и (б) каскадная эмиссия пары фотонов элементарными квантовыми излучателями (например, КТ) за счет рекомбинации биэкси-тонов. Последний способ считается более прогрес-
ЦУКАНОВ (а)
5 Температура,К 50
Рис. 1. Каскадная схема (а) генерации белловского состояния фотонной пары в результате распада биэкситонного ХХ-состояния КТ. Температурная настройка (б) спектров ФМ и КТ [2].
сивным, поскольку он гарантирует испускание одиночных пар коррелированных фотонов, однако его практическая эффективность остается крайне низкой из-за высоких потерь излучения в массивном изотропном субстрате, содержащем эмиттер. Чтобы увеличить долю излучения на выходе устройства, а также достигнуть высокой степени запутанности поляризационного состояния пары, авторы работы [2] воспользовались структурой, представляющей собой ФМ из двух взаимопроникающих цилиндров. Эти цилиндры были изготовлены на основе полупроводниковой ^аАз/АЮаАз) гетероструктуры, содержащей ак-
тивный 1пА8^аА — слой КТ. Проведя предварительное спектроскопическое тестирование гетероструктуры и выявив местоположение одной КТ, оптическая частота которой лежала в заданном диапазоне, авторы литографически сформировали ФМ, совместив координаты пучности моды (геометрического центра) одного из цилиндров с координатами КТ Затем, варьируя температуру системы, они добились при Т = 5 К синхронного совпадения частот переходов | XX) о1X) и | X) о10 в КТ с частотами мод ФМ М2 и М3 соответственно (рис. 1). При этом скорости эмиссионного распада
состояний КТ с двумя (ХХ) и одним (Х) экситонами возрастали в несколько раз за счет эффекта Пер-селла, а генерируемые в результате этих переходов фотоны испускались в узкий телесный угол, ориентированный вдоль оси цилиндра, обеспечивая очень высокую эффективность детектирования (около 40% на один фотон). Для инициализации системы в начальном состоянии |XX) использовался импульсный лазер, вызывающий нерезонансные межзонные переходы в КТ.
Отметим, что схема запутывания состояний с горизонтальной (Н) и вертикальной (V) поляризациями для пары фотонов, представленная на рис. 1, базируется на предположении об эквивалентности процессов рекомбинации экситонов для обеих поляризаций. Поэтому разность энергий S эксито-нов, составляющая несколько микроэлектрон-вольт и обусловленная анизотропией и структурным беспорядком, которая позволяет в принципе различить испущенные H- и V-фотоны, должна быть сделана существенно меньше, чем уширение Г спектральных линий системы. Для минимизации отношения S/Г был проведен отжиг ФМ с целью улучшения структурных свойств (уменьшение S), а ее добротность выбиралась не слишком высокой в пределах Q ~ 3500 (увеличение Г). Измерение корреляционной функции второго порядка продемонстрировало каскадную генерацию фотонов преимущественно с одинаковой поляризацией, а томографическое исследование указало на нахождение фотонных пар в состоянии Белла
|¥) = (|HH) + |W)))2 с точностью воспроизведения 61%. В работе [3] тем же авторам удалось добиться генерации запутанной фотонной пары уже при Т = 53 К, несмотря на то, что для такой температуры велика вероятность спиновой релаксации или захвата стороннего экситона в КТ. Они связывают свой успех с эффектом Перселла, который обеспечивает значительное увеличение времен релаксации и дефазировки спина эксито-на и сокращение времени спонтанной эмиссии фотона. Дальнейшая оптимизация ФМ, используемой в качестве каскадного источника коррелированных пар фотонов, может быть достигнута путем применения резонансного лазерного излучения для инициализации ХХ-состояния КТ.
Другой способ получения запутанных состояний двух фотонов с разной поляризацией при помощи ФМ из двух резонаторов был предложен в работе [4]. Он базируется на частичном измерении системы с целью проецирования ее в запутанное состояние с вероятностью P ~ 1/2 (heralded entanglement). Трехуровневые КТ (или атомы), находящиеся внутри резонаторов и управляемые лазером, играют вспомогательную роль при генерации и измерении числа фотонов. Фотонное тун-нелирование (перескок) между резонаторами, ха-
рактеризующееся энергией J, генерирует запутанное поляризационное состояние, подобно тому, как туннелирование электронов в двойной КТ приводит к эффективному обменному взаимодействию двух электронов с противоположными спинами и, как следствие, их запутыванию. Как утверждают авторы работы [4], данная схема будет устойчива по отношению к диссипации фотонов.
Даже если КТ в резонаторах отсутствуют, ФМ, тем не менее, могут самостоятельно использоваться в качестве источника одиночных фотонов и запутанных многофотонных состояний. В работах [5, 6] швейцарского коллектива теоретически изучались способы инженерии поляритонных состояний ФМ, состоящих из двух [5] и трех [6] тождественных резонаторов, которые связаны за счет фотонного перескока. Как было показано, благодаря определенному выбору отстройки частот мод резонаторов, коэффициента взаимодействия мод и энергии отталкивания поляритонов, фотоны лазера, инжектируемые в один из резонаторов, могут переизлучаться ФМ в состояния с заданными свойствами. Физический механизм, лежащий в основе этих процессов, обусловлен коррелированными флуктуациями среднего числа фотонов в отдельных резонаторах. Он позволяет, несмотря на относительно слабую нелинейность спектра поляритонов (см. раздел 5), увеличить надежность генерации одиночных фотонов в ФМ в 5 раз по сравнению с традиционными схемами, базирующимися на параметрической конверсии. С другой стороны, вырождение и пространственная разделенность мод резонаторов способствуют получению устойчивых к потере когерентности запутанных двухфо-тонных состояний. Более детальное рассмотрение этого явления было дано в работе [7], где исследовалась нелинейность, обусловленная как традиционным эффектом Керра, так и наличием двухуровневой КТ в одном из резонаторов. В отличие от одиночных резонаторов, в которых сильные фотонные корреляции наблюдаются только в случае высокой нелинейности среды, ФМ, по мнению авторов работ [5—7], позволят наблюдать данный эффект даже при небольших значениях энергии и, обусловленной нелинейностью. Это объясняется наличием дополнительного параметра /, на величину которого накладывается одно обязательное условие: она должна превосходить скорость диссипации к фотонов из ФМ, то есть J > к. Вычисленные автокорреляционные функции второго порядка испускаемых фотонов обращ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.