We propose an optical scheme to generate an entangled state between a trapped ion and a solid state donor qubit through which-path erasure of identical photons emitted from the two systems. The proposed scheme leverages the similar transition frequencies between In donor bound excitons in ZnO and the P21/2 to S21/2 transition in Yb+. The lifetime of the relevant ionic state is longer than that of the ZnO system by a factor of 6, leading to a mismatch in the temporal profiles of emitted photons. A detuned cavity-assisted Raman scheme weakly excites the donor with a shaped laser pulse to generate photons with a 0.99 temporal overlap to the Yb+ emission and partially shift the emission of the defect toward the Yb+ transition. The remaining photon shift is accomplished via the dc Stark effect. We show that an entanglement rate of 2.1×104 s−1 and an entanglement fidelity of 94% can be attained using a weak excitation scheme with reasonable parameters.

1.
J. D.
Siverns
,
J.
Hannegan
, and
Q.
Quraishi
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
014044
(
2019
).
2.
S.
Zaske
,
A.
Lenhard
,
C. A.
Keßler
,
J.
Kettler
,
C.
Hepp
,
C.
Arend
,
R.
Albrecht
,
W.-M.
Schulz
,
M.
Jetter
,
P.
Michler
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
109
,
147404
(
2012
).
3.
M.
Bock
,
P.
Eich
,
S.
Kucera
,
M.
Kreis
,
A.
Lenhard
,
C.
Becher
, and
J.
Eschner
,
Nat. Commun.
9
,
1
7
(
2018
).
4.
H.
Rütz
,
K.-H.
Luo
,
H.
Suche
, and
C.
Silberhorn
,
Phys. Rev. Appl.
7
,
024021
(
2017
).
5.
M.
Keller
,
B.
Lange
,
K.
Hayasaka
,
W.
Lange
, and
H.
Walther
,
Nature
431
,
1075
1078
(
2004
).
6.
L.
Fan
,
C.-L.
Zou
,
N.
Zhu
, and
H. X.
Tang
,
Nat. Photonics
13
,
323
327
(
2019
).
7.
M.
Karpiński
,
M.
Jachura
,
L. J.
Wright
, and
B. J.
Smith
,
Nat. Photonics
11
,
53
(
2017
).
8.
C. J.
Ballance
,
T. P.
Harty
,
N. M.
Linke
,
M. A.
Sepiol
, and
D. M.
Lucas
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
060504
(
2016
).
9.
Y.
Wang
,
M.
Um
,
J.
Zhang
,
S.
An
,
M.
Lyu
,
J.-N.
Zhang
,
L.-M.
Duan
,
D.
Yum
, and
K.
Kim
,
Nat. Photonics
11
,
646
650
(
2017
).
10.
N. M.
Linke
,
D.
Maslov
,
M.
Roetteler
,
S.
Debnath
,
C.
Figgatt
,
K. A.
Landsman
,
K.
Wright
, and
C.
Monroe
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
,
3305
3310
(
2017
).
11.
R. J.
Warburton
,
Nat. Mater.
12
,
483
493
(
2013
).
12.
K.-M. C.
Fu
,
S. M.
Clark
,
C.
Santori
,
C. R.
Stanley
,
M.
Holland
, and
Y.
Yamamoto
,
Nat. Phys.
4
,
780
784
(
2008
).
13.
Y.
He
,
S. K.
Gorman
,
D.
Keith
,
L.
Kranz
,
J. G.
Keizer
, and
M. Y.
Simmons
,
Nature
571
,
371
375
(
2019
).
14.
B. E.
Kane
,
Nature
393
,
133
137
(
1998
).
15.
E.
Waks
and
C.
Monroe
,
Phys. Rev. A
80
,
062330
(
2009
).
16.
H.
Meyer
,
R.
Stockill
,
M.
Steiner
,
C. L.
Gall
,
C.
Matthiesen
,
E.
Clarke
,
A.
Ludwig
,
J.
Reichel
,
M.
Atatüre
, and
M.
Köhl
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
123001
(
2015
).
17.
C.
Cabrillo
,
J. I.
Cirac
,
P.
Garcia-Fernandez
, and
P.
Zoller
,
Phys. Rev. A
59
,
1025
(
1999
).
18.
P. C.
Humphreys
,
N.
Kalb
,
J. P. J.
Morits
,
R. N.
Schouten
,
R. F. L.
Vermeulen
,
D. J.
Twitchen
,
M.
Markham
, and
R.
Hanson
,
Nature
558
,
268
(
2018
).
19.
L.
Slodička
,
G.
Hétet
,
N.
Röck
,
P.
Schindler
,
M.
Hennrich
, and
R.
Blatt
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
083603
(
2013
).
20.
B.
Blinov
,
D.
Moehring
,
L.-M.
Duan
, and
C.
Monroe
,
Nature
428
,
153
157
(
2004
).
21.
G.
Araneda
,
D.
Higginbottom
,
L.
Slodika
,
Y.
Colombe
, and
R.
Blatt
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
193603
(
2018
).
22.
L.
Stephenson
,
D.
Nadlinger
,
B.
Nichol
,
S.
An
,
P.
Drmota
,
T.
Ballance
,
K.
Thirumalai
,
J.
Goodwin
,
D.
Lucas
, and
C.
Ballance
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
110501
(
2020
).
23.
C.-K.
Chou
,
C.
Auchter
,
J.
Lilieholm
,
K.
Smith
, and
B.
Blinov
,
Rev. Sci. Instrum.
88
,
086101
(
2017
).
24.
C. D.
Bruzewicz
,
J.
Chiaverini
,
R.
McConnell
, and
J. M.
Sage
,
Appl. Phys. Rev.
6
,
021314
(
2019
).
25.
S.
Nur
,
H.-J.
Lim
,
J.
Elzerman
, and
J. J. L.
Morton
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
091101
(
2019
).
26.
M. H.
Huang
,
S.
Mao
,
H.
Feick
,
H.
Yan
,
Y.
Wu
,
H.
Kind
,
E.
Weber
,
R.
Russo
, and
P.
Yang
,
Science
292
,
1897
1899
(
2001
).
27.
T.-C.
Chang
,
K.-B.
Hong
,
Y.-Y.
Lai
,
Y.-H.
Chou
,
S.-C.
Wang
, and
T.-C.
Lu
,
Nanoscale Res. Lett.
11
,
319
(
2016
).
28.
T.
Zhong
,
J. M.
Kindem
,
J. G.
Bartholomew
,
J.
Rochman
,
I.
Craiciu
,
V.
Verma
,
S. W.
Nam
,
F.
Marsili
,
M. D.
Shaw
,
A. D.
Beyer
, and
A.
Faraon
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
183603
(
2018
).
29.
M.
Arcari
,
I.
Söllner
,
A.
Javadi
,
S.
Lindskov Hansen
,
S.
Mahmoodian
,
J.
Liu
,
H.
Thyrrestrup
,
E. H.
Lee
,
J. D.
Song
,
S.
Stobbe
, and
P.
Lodahl
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
093603
(
2014
).
30.
P.
Senellart
,
G.
Solomon
, and
A.
White
,
Nat. Nanotechnol.
12
,
1026
1039
(
2017
).
31.
B.
Meyer
,
H.
Alves
,
D.
Hofmann
,
W.
Kriegseis
,
D.
Forster
,
F.
Bertram
,
J.
Christen
,
A.
Hoffmann
,
M.
Straßburg
,
M.
Dworzak
 et al.,
Phys. Status Solidi B
241
,
231
260
(
2004
).
32.
A. J.
Bennett
,
R. B.
Patel
,
J.
Skiba-Szymanska
,
C. A.
Nicoll
,
I.
Farrer
,
D. A.
Ritchie
, and
A. J.
Shields
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
031104
(
2010
).
33.
T.
Kim
,
P.
Maunz
, and
J.
Kim
,
Phys. Rev. A
84
,
063423
(
2011
).
34.
X.
Linpeng
,
M. L.
Viitaniemi
,
A.
Vishnuradhan
,
Y.
Kozuka
,
C.
Johnson
,
M.
Kawasaki
, and
K.-M. C.
Fu
,
Phys. Rev. Appl.
10
,
064061
(
2018
).
35.
M. R.
Wagner
,
J.-H.
Schulze
,
R.
Kirste
,
M.
Cobet
,
A.
Hoffmann
,
C.
Rauch
,
A. V.
Rodina
,
B. K.
Meyer
,
U.
Röder
, and
K.
Thonke
,
Phys. Rev. B
80
,
205203
(
2009
).
36.
X.
Liu
,
A. W.
Bruch
,
Z.
Gong
,
J.
Lu
,
J. B.
Surya
,
L.
Zhang
,
J.
Wang
,
J.
Yan
, and
H. X.
Tang
,
Optica
5
,
1279
1282
(
2018
).
37.
T.
Huber
,
M.
Davanco
,
M.
Müller
,
Y.
Shuai
,
O.
Gazzano
, and
G. S.
Solomon
,
Optica
7
,
380
385
(
2020
).
38.
S.
Olmschenk
,
D.
Hayes
,
D.
Matsukevich
,
P.
Maunz
,
D.
Moehring
,
K.
Younge
, and
C.
Monroe
,
Phys. Rev. A
80
,
022502
(
2009
).
39.
M.
Wagner
,
G.
Callsen
,
J.
Reparaz
,
J.-H.
Schulze
,
R.
Kirste
,
M.
Cobet
,
I.
Ostapenko
,
S.
Rodt
,
C.
Nenstiel
,
M.
Kaiser
 et al.,
Phys. Rev. B
84
,
035313
(
2011
).
40.
L. J.
Wright
,
M.
Karpiński
,
C.
Söller
, and
B. J.
Smith
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
023601
(
2017
).
41.
S.-Y.
Baek
,
O.
Kwon
, and
Y.-H.
Kim
,
Phys. Rev. A
77
,
013829
(
2008
).
42.
C.
Law
and
H.
Kimble
,
J. Mod. Opt.
44
,
2067
2074
(
1997
).
43.
G. S.
Vasilev
,
D.
Ljunggren
, and
A.
Kuhn
,
New J. Phys.
12
,
063024
(
2010
).
44.
L.
Béguin
,
J.
Jahn
,
J.
Wolters
,
M.
Reindl
,
Y.
Huo
,
R.
Trotta
,
A.
Rastelli
,
F.
Ding
,
O. G.
Schmidt
,
P.
Treutlein
, and
R.
Warburton
,
Phys. Rev. B
97
,
205304
(
2018
).
45.
S.
Crain
,
C.
Cahall
,
G.
Vrijsen
,
E. E.
Wollman
,
M. D.
Shaw
,
V. B.
Verma
,
S. W.
Nam
, and
J.
Kim
,
Commun. Phys.
2
,
97
(
2019
).
46.
R.
Stockill
,
M. J.
Stanley
,
L.
Huthmacher
,
E.
Clarke
,
M.
Hugues
,
A. J.
Miller
,
C.
Matthiesen
,
C. L.
Gall
, and
M.
Atatüre
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
010503
(
2017
).
47.
J.
Tribollet
,
Eur. Phys. J. B
72
,
531
(
2009
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.