[論文レビュー] Microwave-optics Entanglement via Cavity Optomagnomechanics

Zhiyuan Fan, Liu Qiu+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、分散的磁気歪みおよび放射圧相互作用を介して、静的マイクロ波-光エントァングルメントを生成するキャビティオプトマグノメカニカルシステムを提案する。マグノメカニカルパラメトリックダウンコンバージョンと効果的オプトメカニカルビームスプリッタおよび電磁マグノニクス状態交換相互作用を活用することで、380 mKまでの温度でも、マイクロ波および光場間の頑健なエントァングルメントを実現する。

ABSTRACT

Microwave-optics entanglement is a vital component for building hybrid quantum networks. Here, a new mechanism for preparing stationary entanglement between microwave and optical cavity fields in a cavity optomagnomechanical system is proposed. It consists of a magnon mode in a ferrimagnetic crystal that couples directly to a microwave cavity mode via the magnetic dipole interaction, and indirectly to an optical cavity through the deformation displacement of the crystal. The mechanical displacement is induced by the magnetostrictive force and coupled to the optical cavity via radiation pressure. Both the opto- and magnomechanical couplings are dispersive. Magnon-phonon entanglement is created via magnomechanical parametric down-conversion, which is further distributed to optical and microwave photons via simultaneous optomechanical beamsplitter interaction and electromagnonic state-swap interaction, yielding stationary microwave-optics entanglement. The microwave-optics entanglement is robust against thermal noise, which will find broad potential applications in quantum networks and quantum information processing with hybrid quantum systems.

研究の動機と目的

• ハイブリッド量子システムにおける静的マイクロ波-光エントァングルメントを生成するスケーラブルなメカニズムの開発を目的とする。
• 量子ネットワークにおけるマイクロ波帯域と光帯域の間の大きな周波数不一致の課題に対処することを目的とする。
• 磁気歪みおよび放射圧相互作用を活用して、効率的なエントァングルメント転送を実現することを目的とする。
• 実用的な運用条件下における熱雑音およびメカニカルダンピングに対する頑健性を確保することを目的とする。
• 単一のメカニカルレゾネーターを介してマイクロ波および光量子ノードを統合する実現可能なプラットフォームを示すこと。

提案手法

• システムは、磁気双極子相互作用を介してマイクロ波キャビティに分散的に結合されたフェリミングニクスYIG結晶を用い、マグノンモードを実装する。
• マグノンモードは磁気歪み力によってメカニカル振動モードと結合され、分散的マグノメカニカル結合を実現する。
• メカニカルモードは放射圧を介して光キャビティと結合され、分散的オプトメカニカル相互作用を確立する。
• エントァングルメントはマグノメカニカルパラメトリックダウンコンバージョンにより生成され、マグノン-フォノンエントァングルメントが形成される。
• このエントァングルメントは、効果的オプトメカニカルビームスプリッタおよび電磁マグノニクス状態交換相互作用を通じて、マイクロ波および光場へ転送される。
• エンタングルメントの最大化と安定性の確保を目的に、最適化されたデチューニングを用いた解決側帯条件でシステムが動作する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散的相互作用を用いたキャビティオプトマグノメカニカルシステムにおいて、静的マイクロ波-光エントァングルメントを生成できるか？
• RQ2 このシステムにおけるエントァングルメントの頑健性は、温度およびメカニカルダンピングにどのように依存するか？
• RQ3 マイクロ波-光エントァングルメントを最大化するための最適な作動条件（デチューニング、結合強度）は何か？
• RQ4 現実的な熱的および損失を伴う条件下でもエントァングルメントは保持可能か？
• RQ5 マイクロメートルサイズのYIG結晶は、バルク結晶と比較して、どのようにマグノメカニカル結合を強化するか？

主な発見

• 最適条件の下で、対数的ネガティビティが約0.4に達するマイクロ波-光エントァングルメントが実現された。
• エントァングルメントは熱雑音に対して頑健であり、環境加熱下でも380 mKまで生存した。
• メカニカルモードは有効な平均フォノン数が約0.17に冷却されており、これは基底状態冷却を示している。
• 複数の散逸チャネルのおかげで、強結合状態（Gm/2π = 4.6 MHz）下でもシステムは安定した。
• 最適なエントァングルメントはキャビティ-マグノンデチューニングがゼロ（Δam = 0）のとき達成され、一貫性のある状態転送の役割が確認された。
• メカニカルダンピング率が10^5 Hzまで上昇しても、エントァングルメントは約0.1 Kまで持続し、デコherenceに対して高い耐性を示した。