[論文レビュー] Efficient single sideband microwave to optical conversion using an electro-optical whispering gallery mode resonator

Alfredo Rueda, Florian Sedlmeir+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2016

Photonic and Optical Devices参考文献 41被引用数 78

ひとこと要約

本論文は、三次共振リン酸タンパク質ナトリウムのウィスパリングギャラリー・モード（WGM）共振器を用いて、設計された分散を活用して片側波ばくを抑制し、10 GHzで0.42 mWの光ポンプパワーでのみ0.1%の光子数変換効率を達成する、効率的な単一側波ばくマイクロ波-光変換を示している。これは、先行研究と比較して3桁の改善を示している。

ABSTRACT

Linking classical microwave electrical circuits to the optical telecommunication band is at the core of modern communication. Future quantum information networks will require coherent microwave-to-optical conversion to link electronic quantum processors and memories via low-loss optical telecommunication networks. Efficient conversion can be achieved with electro-optical modulators operating at the single microwave photon level. In the standard electro-optic modulation scheme this is impossible because both, up- and downconverted, sidebands are necessarily present. Here we demonstrate true single sideband up- or downconversion in a triply resonant whispering gallery mode resonator by explicitly addressing modes with asymmetric free spectral range. Compared to previous experiments, we show a three orders of magnitude improvement of the electro-optical conversion efficiency reaching 0.1% photon number conversion for a 10GHz microwave tone at 0.42mW of optical pump power. The presented scheme is fully compatible with existing superconducting 3D circuit quantum electrodynamics technology and can be used for non-classical state conversion and communication. Our conversion bandwidth is larger than 1MHz and not fundamentally limited.

研究の動機と目的

• 量子情報ネットワークにおける coherent で低ノイズなマイクロ波-光変換の必要性に対処する。
• 通常の電気光学モジュレータが上側波ばくと下側波ばくの両方を生成するという根本的制限を克服し、自己発生的プロセスに起因するノイズを低減する。
• 帯域幅に制限を課すことなく、または機械的共鳴結合を必要とせず、効率的かつ選択的な側波ばく変換（上変換または下変換）を可能にする。
• スケーラブルな量子インターフェースに適した超伝導回路量子電磁力学（cQED）プラットフォームと併用可能な高い変換効率を達成する。
• 光学モードの分散工学により、MHzレベルの帯域幅とチューナブルな側波ばく抑制を実現するシステムを開発する。

提案手法

• リン酸タンパク質ナトリウムで作られた三重共振WGM共振器を用い、光ポンプ、マイクロ波駆動、信号場を同時に閉じ込める。
• 光学モードの自由スペクトル範囲（FSR）の非対称性を設計することで、破壊的干渉を用いて上側波ばくまたは下側波ばくを選択的に抑制する。
• ポッケルス効果による電気光学変調を採用し、マイクロ波場が結晶の屈折率を変調することで、光ポンプ周波数の両側に対称的な側波ばくを生成する。
• WGM共振器の2つの直交偏光モード間のFSRの非対称性を活用することで、光ポンプ周波数をずらさずに片側波ばくを効果的に抑制する単一側波ばく動作を実現する。
• 高Qファクター（Q）共振器を用いて光-物質相互作用を強化し、マイクロ波と光モード間の有効結合強度gを増加させる。
• シミュレーションを最適化して、空隙による損失を最小限に抑え、共振器の厚さを減少させ、製造上の不完全性を解消することで非線形結合強度gを向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 機械的共鳴器に依存せず、完全に電気光学系として単一側波ばくマイクロ波-光変換を達成できるか？
• RQ2 WGM共振器における光学モードの分散工学により、どの程度の側波ばく抑制が達成可能か？
• RQ3 自己発生的プロセスに起因するノイズを最小限に抑えた、共振電気光学系における最大の光子数変換効率は何か？
• RQ4 非共鳴的非線形媒質における、内在的損失および結合レートと比例して、変換帯域幅はどのようにスケーリングするか？
• RQ5 電気光学コOPERATIVITYが十分に向上して、量子情報応用のための単一光子状態で動作可能になるか？

主な発見

• 本システムは、光ポンプパワーがたった0.42 mWで、10 GHzのマイクロ波トーンに対して0.1%の光子数変換効率を達成しており、これは従来の電気光学的WGMベースのシステムと比較して3桁の改善を示している。
• 側波ばくの抑制は、非対称な自由スペクトル範囲を持つ光学モードの分散工学により実現され、光ポンプ周波数をずらさずに上側波ばくまたは下側波ばくのいずれかを効果的に抑制できる。
• 変換帯域幅は1 MHzを超えており、電気機械的システムとは異なり、機械的共鳴子のダイナミクスによって根本的に制限されない。
• 電気光学コープアティビティ $ G_0 \approx 4 \times 10^{-3} $ は現在、非古典的状態変換の閾値（$ G_0 \approx 1 $）を下回っているが、シミュレーションにより共振器の厚さを減少させ、空隙を排除することで、2〜3桁の向上が可能であると示されている。
• 理論的解析により、現実的な改善を加えることで $ G_0 \gg 1 $ を達成可能であり、将来的に単一光子状態での動作が可能になると示唆されている。
• 本システムは、超伝導3次元回路量子電磁力学（cQED）技術と完全に互換性があり、スケーラブルな量子ネットワークへの統合が可能である。