Dynamical decoupling of a quantum dot spin in a micropillar cavity for spin-multiphoton entanglement

Riepilogo Tecnico: Decoupling Dinamico di uno Spin di un Punto Quantico in una Cavità a Micropilastro

Definizione del Problema
La generazione di stati grafici fotonici altamente intrecciati su larga scala, essenziali per l'informatica quantistica scalabile e tollerante ai guasti, si basa sull'emissione deterministica di fotoni intrecciati con uno spin residente in un punto quantico (QD) semiconduttore. Tuttavia, questo approccio è fondamentalmente limitato dal breve tempo di coerenza dello spin residente. Nei QD InGaAs, la coerenza dello spin dell'elettrone è dominata dal dephasing disomogeneo ($T_2^*$) causato dalle interazioni iperfini con il bagno di spin nucleari, che tipicamente limita $T_2^*$ a circa 2 ns. Sebbene le tecniche di decoupling dinamico come lo spin echo possano estendere la coerenza, le implementazioni precedenti richiedevano spesso campi magnetici intensi (>1 T) adatti solo alla codifica a tempo di slot (time-bin encoding). La generazione di entanglement spin-fotone basata sulla polarizzazione (lo schema di Lindner e Rudolph) richiede l'operazione in un regime di campo magnetico trasversale debole (<100 mT), dove lo stato dello spin è controllato tramite la precessione di Larmor coerente. In questo regime, estendere i tempi di coerenza in modo sufficiente per generare complessi stati entangled multifotone rimane una sfida significativa.

Metodologia
Gli autori hanno utilizzato un singolo elettrone intrappolato in un QD InGaAs posizionato al centro di una cavità a micropilastro, che fornisce una sorgente di singoli fotoni ad alta purezza e brillantezza. Il dispositivo è stato operato a 4 K sotto un campo magnetico trasversale di 60 mT. Il protocollo sperimentale prevedeva:

1. Inizializzazione e Lettura: È stato utilizzato uno stato di trione negativamente carico ($|X^-\rangle$), dove le regole di selezione ottica mappano lo stato dello spin dell'elettrone ($|\uparrow\rangle$ o $|\downarrow\rangle$) sulla polarizzazione circolare (R o L) dei fotoni emessi. Lo spin è stato heralded nello stato $|\uparrow\rangle$ rilevando un fotone con polarizzazione R.
2. Misurazione del Free Induction Decay: Senza intervento, lo spin precessa e il suo stato viene letto rilevando un secondo fotone dopo un ritardo variabile $\tau$. Questo ha stabilito un valore basale di $T_2^* \approx 1,5$ ns.
3. Implementazione del Decoupling Dinamico:
   • Spin Echo (SE): Un impulso ultrafast (4 ps), red-detuned, a polarizzazione circolare è stato applicato al tempo $\tau/2$ per eseguire una rotazione $\pi$ attorno all'asse ottico, rifocalizzando lo spin.
   • Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG): La tecnica spin echo è stata generalizzata a molteplici impulsi di rifocalizzazione ($N$) spaziati equamente tra gli impulsi di eccitazione. Le sequenze di impulsi sono state generate utilizzando modulatori elettro-ottici (EOM) per sopprimere specifici impulsi laser, consentendo un controllo preciso dei tempi di ritardo $\tau$ e del numero di impulsi.
4. Generazione dell'Entanglement: Gli autori hanno applicato queste tecniche al protocollo di Lindner-Rudolph per generare uno stato GHZ (Greenberger-Horne-Zeilinger) tripartito coinvolgente lo spin e due fotoni. Ciò ha comportato eventi di eccitazione ed emissione sequenziali sincronizzati con la precessione di Larmor dello spin.

Risultati Chiave

• Estensione del Tempo di Coerenza:
  • L'applicazione di un singolo impulso di spin echo ha esteso il tempo di coerenza dal naturale $T_2^* \approx 1,5$ ns a $T_2^{SE} \approx 27(4)$ ns, rappresentando un miglioramento di oltre dieci volte.
  • L'applicazione di sequenze CPMG ha ulteriormente esteso il tempo di coerenza a $T_2^{CPMG} \approx 298(53)$ ns, un miglioramento di oltre due ordini di grandezza (più di 100 volte il naturale $T_2^*$).
• Fedeltà dell'Entanglement:
  • È stata dimostrata la generazione di uno stato GHZ spin-fotone-fotone.
  • L'uso dello spin echo tra la seconda e la terza emissione di fotoni ha migliorato significativamente la purezza dello stato condizionale del secondo fotone, passando da $0,61 \pm 0,05$ (senza echo) a $0,81 \pm 0,05$ (con echo).
  • Simulazioni basate sui dati sperimentali hanno indicato che la fedeltà dello stato GHZ a tre qubit è migliorata da $F_{3-GHZ} = 0,63$ a $F_{3-GHZ}^{SE} = 0,76$ (un miglioramento di circa il 20%) quando è stato impiegato il dynamical decoupling.
• Compatibilità: Lo studio ha confermato che il dynamical decoupling all-optical è compatibile con l'alta velocità di generazione di stati entangled in un regime di campo magnetico trasversale debole, un prerequisito per gli schemi di entanglement basati sulla polarizzazione utilizzati nelle reti quantistiche scalabili.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo rivendica di presentare la prima dimostrazione di un optical dynamical decoupling compatibile con la generazione di stati entangled spin-fotone in un regime di campo magnetico trasversale debole. Gli autori affermano che questi risultati rappresentano lo stato dell'arte attuale per i tempi di coerenza nei QD InGaAs in tali condizioni.

La significatività di questo lavoro è inquadrata come un passo critico verso l'informatica quantistica scalabile e tollerante ai guasti. Nello specifico:

• I tempi di coerenza raggiunti ($T_2 \sim 300$ ns) entrano nella finestra di fattibilità richiesta per le architetture di calcolo ibride spin-ottiche, che richiedono tempi di coerenza nell'ordine delle centinaia di nanosecondi o microsecondi rispetto ai tempi di gate.
• La capacità di estendere la coerenza mantenendo alti tassi di generazione consente la creazione di stati entangled più grandi e complessi (come gli stati grafici "caterpillar" fotonici) con un minor overhead di risorse.
• I risultati suggeriscono che le soglie di tolleranza ai guasti per le operazioni di gate possono essere soddisfatte utilizzando sorgenti QD con spin residente, a condizione che venga utilizzato il dynamical decoupling per mitigare il rumore dello spin nucleare.