[論文レビュー] An integrated microwave-to-optics interface for scalable quantum computing

Matthew J. Weaver, Pim Duivestein+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2022

Photonic and Optical Devices参考文献 40被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、リチウムニオブート化物/シリコンの機械的オシレータを用いた統合マイクロ波-光変換器を提案し、超伝導キュービットと光ファイバー間の低ノイズで高効率な量子状態転送を実現する。デバイスは0.9%の変換効率を達成し、ノイズとして約6光子を追加し、14.8 MHz帯域幅かつ最大100 kHzの繰り返しレートで動作し、冷却装置内でのスケーラブル統合を可能にする50-Ωインピーダンスマッチングを直接実装している。

ABSTRACT

Microwave-to-optics transduction is emerging as a vital technology for scaling quantum computers and quantum networks. To establish useful entanglement links between qubit processing units, several key conditions have to be simultaneously met: the transducer must add less than a single quantum of input referred noise and operate with high-efficiency, as well as large bandwidth and high repetition rate. Here we present a new design for an integrated transducer based on a planar superconducting resonator coupled to a silicon photonic cavity through a mechanical oscillator made of lithium niobate on silicon. We experimentally demonstrate its unique performance and potential for simultaneously realizing all of the above conditions, measuring added noise that is limited to a few photons, transduction efficiencies as high as 0.9%, with a bandwidth of 14.8 MHz and a repetition rate of up to 100 kHz. Our device couples directly to a 50-Ohm transmission line and can easily be scaled to a large number of transducers on a single chip, paving the way for distributed quantum computing.

研究の動機と目的

• 光ファイバーを用いた長距離量子インターベンションを可能にすることで、超伝導量子プロセッサのスケーラビリティ課題に取り組む。
• 冷媒冷却とケーブル制約の制限に縛られるマイクロ波ベースのインターベンションの限界を克服する。
• 実用的な量子ネットワーキングに適した、低ノイズ、高効率、広帯域、高繰り返しレートを同時に達成する変換器を開発する。
• コンactな50-Ω対応でスケーラブルな設計により、複数の変換器をオンチップに統合可能とする。
• 準粒子生成と熱負荷を最小限に抑えて、超伝導キュービットのコherー二ンスを維持する。

提案手法

• リチウムニオブート化物の圧電性機械的オシレータを介して、平面状の超伝導モリブデンランタンマイクロ波共振器とシリコンフォトニクスキャビティを統合する。
• マイクロ波、機械的、光的モードの強い結合を実現するため、光と音の両方のキャビティを局所的に共存させる。
• 超伝導キュービットとの直接電気的インターフェースを実現するため、50-Ω送信線への容量結合を実装する。
• 高光学Qファクターを達成するため、光波導とフォトニクスキャビティ間のエバネッセント結合を採用する。
• リチウムニオブート化物ブロックに圧電電極を設け、マイクロ波信号を機械的振動に、その後光信号に変換する。
• レーザー変調を用いた機械モード検出、マイクロ波反射、光共振エネルギー測定により、変換性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統合型変換器は、高効率と広帯域を維持したまま、1光子未満のノイズ追加を達成できるか？
• RQ2 1枚のチップが、最小限の熱負荷とクロストークを伴いながら、数千個の変換器をサポートできるか？
• RQ3 薄膜リチウムニオブート化物/シリコンの使用が、50-Ωインピーダンスマッチングを伴う低ノイズ・高効率変換を可能にするか？
• RQ4 光パワーが準粒子生成を引き起こし、超伝導共振器性能を劣化させる程度はどの程度か？
• RQ5 パルス動作により準粒子効果を最小限に抑えながら、高繰り返しレートでの量子状態転送を実現できるか？

主な発見

• 測定されたノイズ追加は約6光子であり、実用的量子通信における量子限界に近い。
• 連続波動作では変換効率が0.9%に達し、パルス動作では5×10⁻⁵に達し、14.8 MHz帯域幅かつ最大100 kHzの繰り返しレートを実現した。
• 平均レーザー出力が1 nWで、面積が0.15 mm²未満であり、1台の冷却装置に10,000個以上の変換器を統合可能である。
• パルス動作では周波数シフトが+200 kHzにとどまり、損失増加は無視できるほど小さく、準粒子生成と熱的影響が最小限であることが示された。
• 50-Ω送信線へのインピーダンスマッチングが実現されており、追加部品を必要とせず、超伝導キュービットに直接接続可能である。
• 光周波数多重化により、大規模プロセッサではファイバー数を約100本にまで削減可能であり、予測される被動的熱負荷はわずか300 pWである。