[論文レビュー] Entangling microwaves with optical light

Rishabh Sahu, Liu Qiu+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2023

Photonic and Optical Devices被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、7 mKで動作する超伝導エレクトロオプティカルデバイスを用いて、進行するマイクロ波光子と光学光子の間で決定的もつれを実証した。三重共振型リチウニオブート酸リチウムキャビティを活用することで、2モードのスリーシングは0.72 dBを達成し、Duan-Simon分離性基準を5標準偏差以上も下回り、超伝導回路と通信波長帯光子の間で堅牢な量子リンクを確立した。

ABSTRACT

Entanglement is a genuine quantum mechanical property and the key resource in currently developed quantum technologies. Sharing this fragile property between superconducting microwave circuits and optical or atomic systems would enable new functionalities but has been hindered by the tremendous energy mismatch of $\sim10^5$ and the resulting mutually imposed loss and noise. In this work we create and verify entanglement between microwave and optical fields in a millikelvin environment. Using an optically pulsed superconducting electro-optical device, we deterministically prepare an itinerant microwave-optical state that is squeezed by $0.72^{+0.31}_{-0.25}$\,dB and violates the Duan-Simon separability criterion by $>5$ standard deviations. This establishes the long-sought non-classical correlations between superconducting circuits and telecom wavelength light with wide-ranging implications for hybrid quantum networks in the context of modularization, scaling, sensing and cross-platform verification.

研究の動機と目的

• マイクロ波回路と光学光子の間で一貫した量子インターフェースを確立し、大きなエネルギー不釣り合い（約10^5）とノイズの課題を克服すること。
• マイクロ波と光学場の間で非古典的相関を生成することで、ハイブリッド量子ネットワークにおける長距離量子接続性を実現すること。
• ミリケルビン環境下で進行するマイクロ波と光学場の間で決定的かつ高精度のもつれを達成すること。
• 将来的なアプリケーションとして、モジュラー量子コンピューティング、遠距離もつれ分配、量子プロセッサのクロスプラットフォーム検証を可能にすること。

提案手法

• 7 mKで動作する超伝導アルミニウムマイクロ波キャビティに統合された、直径5 mm、厚さ150 µmのリチウニオブート酸光学共鳴器を用いる。
• 三重共振構成により、ポッケルス効果を介したマイクロ波と光学のウィスピング・ギャラリー励起モード間のエレクトロオプティカル結合を実現する。
• 強力な共鳴光学ポンプ周波数を用いて効率的な2モードスリーシングを達成し、有効ハミルトニアン $\hat{H}_{\text{eff}} = \hbar g_0 \sqrt{\bar{n}_p}(\hat{a}_e^\dagger\hat{a}_o^\dagger + \hat{a}_e\hat{a}_o)$ で記述される。
• 補助モードと混合させることで、周波数上変換およびアンチストークス過程を抑制し、ノイズを最小限に抑える。
• バランスドホモダイン検出を用いて四分位数分散と相関を測定し、データは5モード理論モデルで解析する。
• Duan-Simon分離性基準を用いてもつれを検証し、対数的ネガティビティを計算してもつれの度合を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10^5のエネルギー不釣り合いがあるにもかかわらず、進行するマイクロ波と光学場の間で決定的もつれを生成できるか？
• RQ2 高い光学ポンプパワー下でミリケルビン環境下でも超高低雑音動作を達成できるか？
• RQ3 側帯を抑制したキャビティエレクトロオプティカル系で、2モードスリーシングはどの程度達成できるか？
• RQ4 生成されたマイクロ波-光学状態は、高い統計的有意性でDuan-Simon分離性基準を破るか？
• RQ5 この系は、スケーラブルで一貫したインターフェースとしてハイブリッド量子ネットワークに利用可能か？

主な発見

• 2モードスリーシングは $0.72^{+0.31}_{-0.25}$ dBを達成し、共鳴状態での最大スリーシングは $\Delta_{\text{EPR}}^{-}=0.85^{+0.05}_{-0.06}$（2σ、95%信頼区間）であった。
• もつれ状態はDuan-Simon分離性基準を5標準偏差以上も下回り、真の量子もつれを確認した。
• 測定された対数的ネガティビティは $E_N = 0.17$ であり、非ゼロのもつれを示し、状態の純度は $\rho = 0.44$ であった。
• 四分位数分散の測定値は、5モード理論モデルと良好に一致しており、わずかなずれは位相不安定性に起因するとされた。
• システムはパラメトリック不安定性閾値以下（$C < 1$）で動作しており、量子バックアクションが支配的で、追加ノイズが最小限に抑えられていた。
• 結果として、超伝導キュービットおよび光ファイバーネットワークと統合可能な、決定的かつ一貫したマイクロ波-光学量子インターフェースを実証した。