Полупроводниковые квантовые точки

Исследователи: Вагов А.В., Кроитору М.Д.
Сотрудничество: Акст Ф.М. (Университет Байройта, Германия),  Рейтер Д. (Университет Дортмунда, Германия), Цигорек М. (Университет Единбурга, Соединенное Королевство)

Результаты и публикации

Фотонная ячейка памяти на основе квантовой точки с магнитным ионом в резонаторе

Световая ловушка является важным механизмом синхронизации в системах оптической связи, особенно для одиночных фотонов, где нужен контроль точного времени испускания. В этой работе предлагается однофотонное буферное устройство, состоящее из квантовой точки, легированной одним атомом Mn. Метод удержания одиночного фотона в резонаторе основан на возбуждении квантовой точки. При этом световой экситон преобразуется в темный при приложении дополнительного внешнего излучения с расстройкой по частоте, которое эффективно связывает возбуждение экситона с поворотом спина иона. Сохраненный фотон можно получить снова, переводя экситон в оптически активное состояние с коротким временем жизни. Результаты расчетов указывают на возможность задержки фотона на время, которое почти на два порядка дольше, чем время жизни самого оптически активного экситона и фотона в резонаторе.

Deterministic photon storage and readout in a semimagnetic quantum dot-cavity system doped with a single Mn ion
M. Cosacchi, T. Seidelmann, A. Mielnik-Pyszczorski, M. Neumann, T.K. Bracht, M. Cygorek, A. Vagov, D. E. Reiter, and V. M. Axt
Adv. Quantum Technol. 5, 2100131 (2022); DOI: 10.1002/qute.202100131


Контролируемое создание заданного квантового состояния в квантовом излучателе путем лазерной накачки с сильной расстройкой

Контролируемая подготовка возбужденного состояния в квантовом излучателе является необходимым условием для его использования в качестве источника одиночных фотонов — ключевого строительного блока квантовых технологий. В данной работе предлагается схема когерентного возбуждения с использованием нерезонансных импульсов. В обычной схеме Раби эти импульсы не привели бы к значительному занятию. Это преодолевается за счет использования частотно-модулированного импульса для увеличения популяции в возбужденном состоянии. Тот же эффект можно получить, используя два импульса с разными сильными расстройками одного знака. Мы теоретически анализируем применимость такой схемы к полупроводниковой квантовой точке. В этом случае возбуждение находится на несколько миллиэлектронвольт ниже ширины запрещенной зоны, то есть далеко от частоты обнаружения, что позволяет легко проводить спектральную фильтрацию и не зависит от каких-либо вспомогательных частиц, таких как фононы. Наша схема потенциально может привести к генерации фотонов, близких к идеальным.

Swing-up of quantum emitter population using highly detuned pulses
T. K. Bracht, M. Cosacchi, T. Seidelmann, M. Cygorek, A. Vagov, D. E. Reiter, V. M. Axt
Phys. Rev. X Quantum 2, 040354 (2021); DOI: 10.1103/PRXQuantum.2.040354


Точность теоремы о квантовой регрессии для излучения фотонов из квантовой точки

Теорема квантовой регрессии (ТКР) является наиболее широко используемым инструментом для вычисления многовременных корреляционных функций для оценки квантовых излучателей. Это приблизительный метод, основанный на марковском предположении о связи с окружающей средой без временной памяти. В этой работе мы рассматриваем свойства фотонов, испускаемых одной квантовой точкой, связанной с фононным резервуаром. Для  определения однофотонной чистоты и неразличимости испускаемых фотонов мы сравниваем численно точные результаты интеграла по траекториям с результатами, полученными из ТКР. Показано, что ТКР систематически завышает влияние окружающей среды для типичных квантовых точек, используемых в информационных технологиях.

Accuracy of the quantum regression theorem for photon emission from a quantum dot
M. Cosacchi, T. Seidelmann, M. Cygorek, A. Vagov, D. E. Reiter, V. M. Axt
Phys. Rev. Lett. 127, 100402 (2021); DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.100402


Динамическое переключение между разными типами квантовой запутанности в системе квантовая точка-резонатор

Каскадный распад в четырехуровневом квантовом излучателе — это хорошо зарекомендовавший себя механизм генерации пар фотонов в запутанном состоянии - строительных блоков многих приложений в квантовых приборах. Четыре наиболее известных состояния максимально запутанных пар фотонов - это состояния Белла. В типичном эксперименте, основанном на неуправляемом излучателе, в данном базисе поляризации можно наблюдать только один тип запутанности состояний Белла. Другие типы запутанности состояний Белла в том же базисе могут быть созданы путем непрерывной накачки системы внешним лазером. Мы предлагаем протокол для переключения запутанности в зависимости от времени в четырехуровневой квантовой системе излучатель-резонатор, которой можно управлять, изменяя силу внешнего возбуждения. Выбирая различные двухфотонные резонансы между состояниями, обработанными лазером, мы можем активно переключаться между различными типами запутанности состояний Белла в одном и том же базисе, а также между парами запутанных и незапутанных фотонов. Эта замечательная особенность демонстрирует возможность достижения контролируемого, зависящего от времени манипулирования типом запутывания, которое можно использовать во многих инновационных приложениях.

Time-dependent switching between different types of photon entanglement using a driven quantum emitter-cavity system
T. Seidelmann, D. E. Reiter, M. Cosacchi, M. Cygorek, A. Vagov, and V. M. Axt
Appl. Phys. Lett. 118, 164001 (2021); DOI: 10.1063/5.0045377

Different Types of Photon Entanglement from a Constantly Driven Quantum Emitter Inside a Cavity
T. Seidelmann, M. Cosacchi, M. Cygorek, D.E. Reiter, A. Vagov, and V.M. Axt
Adv. Quantum Technol. 2000108 (2020); DOI: 10.1002/qute.202000108


Создание квантовых состояний фотонов типа "кот Шредингера" в системах квантовая точка-резонатор.

Состояние кота Шрёдингера  (КШ) — это когерентная суперпозиция различимых  макроскопическиx квантовых состояний, обычно реализуемая в квантовой оптике, как суперпозиция когерентных состояний. Протоколы подготовки фотонных КШ были разработаны на базе структур, состоящих из атомов. В этой работе мы исследуем, каким образом и насколько хорошо протоколы подготовки могут быть перенесены на платформу, реализованную с использованием твердых тел, а именно на систему полупроводниковая квантовая точка в квантовом резонаторе. В системах с резонаторами существует множество факторов разрушающих квантовую когерентность, таких как потери фотонов, радиационный распад квантовой точки и взаимодействие с продольными акустическими фононами. В работе мы показываем, что для одного из протоколов эти воздействия убивают квантовую когерентность между состояниями, формирующими КШ, зато для второго протокола можно определить параметрический режим, при котором существенные характеристики состояний КШ выдерживают воздействия окружающей среды в реальных условиях на современном оборудовании.

Schrodinger cats in quantum dot - cavity systems
M. Cosacchi, T. Seidelmann, J. Wiercinski, M. Cygorek, A. Vagov, D. E. Reiter, and V.M. Axt
Phys. Rev. Research 3, 023088 (2021); DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.023088


Контролируемое создание фоковских состояний  фотонов высокого порядка в системах квантовая точка-резонатор

Подготовка по требованию состояний Фока более высокого порядка имеет фундаментальное значение для в квантовой информатики. В этой работе мы предлагаем и сравниваем различные протоколы для генерации состояний Фока более высокого порядка в твердотельных системах типа квантовая точка-резонатор. Рассматриваемые протоколы используют серию лазерных импульсов для возбуждения экситона в квантовой точке, чередующиеся с нерезонансными импульсами другой частоты для управления расстройкой между точкой и резонатором. Исследование включает в себя процессы релаксации в квантовых точках и резонаторах, а также процессы чистой дефазировки из-за взаимодействия точки с продольными акустическими фононами. Расчеты выполнены за пределами двухуровневого приближения для квантовых точек, учитывают влияние конечного обменного расщепления квантовых уровней системы, а также биэкситонного состояния. Результаты предсказывают, что в реальных условиях протокол, в котором резонатор всегда находится в резонансе с квантовой точкой до достижения желаемого квантового состояния, способен обеспечить заполненность состояния Фока с n=5 значительно выше 40%.

On-demand generation of higher-order Fock states in quantum-dot-cavity systems
M. Cosacchi, J. Wiercinski, T. Seidelmann, M. Cygorek, A. Vagov, D.E. Reiter, and V.M. Axt
Phys. Rev. Research 2, 033489 (2020); DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.033489


Динамически изменяющееся распределение фотонных состояний при лазерной накачке квантовой точки в резонаторе

В работе моделируется временная эволюция распределения числа фотонов в системе полупроводниковая квантовая точка - микрорезонатор, возбуждаемой лазерными импульсами с перестраиваемой и постоянной частотой.  В случае, когда нет взаимодействия с фононами, как для изолированных атомов, распределение чисел заполнения фотонов резко меняют свою форму с течением времени.

Взаимодействия с фононами качественно меняет статистику фотонов в резонаторе. Асимметрия между поглощением и излучением фононов разрушает симметрию фотонного распределения для повышающей/понижающей расстроек частоты лазера. Для понижающей перестройки наблюдаются распределения, напоминающие стандартное термодинамическое распределение Гиббса. Для повышающей перестройки распределение числа фотонов имеет другие, более гладкие формы. Однако, при использовании лазерных импульсов постоянной частоты при одинаковой площади и длительности импульса мы получили волновые пакеты, которые перемещаются вверх и вниз по лестнице Джейнса-Каммингса, и при этом имеют форму колокола, мало изменяющуюся со временем. Для более коротких импульсов большей возникают колебания числа фотонов, подобные осцилляциям Раби.

Для всех рассмотренных условий возбуждения мы обнаружили переходы между суб- и суперпуассоновской статистикой фотонов. При резонансном возбуждении малой интенсивности параметр Манделя осциллирует в отрицательной области. Это указывает на неклассическое состояние фотонных состояний резонатора. Мы также показываем, что хотя параметр Манделя динамически стремится к нулю, однако распределение фотонов имеет два максимума и, таким образом, не является пуассоновским.

Transiently changing shape of the photon number distribution in a quantum-dot-cavity system driven by chirped laser pulses
M. Cosacchi, T. Seidelmann, F. Ungar, M. Cygorek, A. Vagov, and V. M. Axt
Phys. Rev. B 101, 205304 (2020); DOI:  10.1103/PhysRevB.101.205304