3ナノ秒以内の量子ドットスピンのキャビティ強化シングルショット読み取り

量子状態の迅速で忠実なシングルショットの読み取りは、量子情報技術における遍在的な要件です。スピン圧力光学遷移を備えたエミッターの場合、レーザーで遷移を駆動し、放出された光子を検出することにより、スピン読み出しを実現できます。このアプローチの速度と忠実度は、通常、低光子の収集速度と測定の逆アクションによって制限されます。ここでは、開いた微小局所を使用して、半導体量子ドットスピン状態からの光学読み出し信号を強化し、これらの制限を大幅に克服します。（95.2±0.7）％の忠実度でわずか3ナノ秒で電子スピンのシングルショット読み取りを実現し、繰り返しのシングルショット測定を使用して量子ジャンプを観察します。読み出しの速度により、測定誘発性の背行動に起因するエラーは最小限の影響を及ぼします。私たちの作業は、半導体量子ドットの達成可能なスピンリラクゼーションと削除時間の両方をはるかに下回り、量子技術で使用するための新しい可能性を開きます。

Rapid, high-fidelity single-shot readout of quantum states is a ubiquitous requirement in quantum information technologies. For emitters with a spin-preserving optical transition, spin readout can be achieved by driving the transition with a laser and detecting the emitted photons. The speed and fidelity of this approach is typically limited by low photon collection rates and measurement back-action. Here we use an open microcavity to enhance the optical readout signal from a semiconductor quantum dot spin state, largely overcoming these limitations. We achieve single-shot readout of an electron spin in only 3 nanoseconds with a fidelity of (95.2 ± 0.7)%, and observe quantum jumps using repeated single-shot measurements. Owing to the speed of our readout, errors resulting from measurement-induced back-action have minimal impact. Our work reduces the spin readout-time well below both the achievable spin relaxation and dephasing times in semiconductor quantum dots, opening up new possibilities for their use in quantum technologies.