[論文レビュー] Microwave Photodetection with Electro-Opto-Mechanical Systems

Shabir Barzanjeh, M. C. de Oliveira+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2014

Mechanical and Optical Resonators参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、電磁力学的系を用いて単一のマイクロ波光子を光学的光子に変換し、標準的な光学的手法で検出可能なマイクロ波光検出器を提案する。実現可能な実験的パラメータと低温動作を組み合わせることで、ほぼ100%の量子効率を達成し、電波天文や深宇宙通信における微弱なマイクロ波場の高精度検出を可能にする。

ABSTRACT

While detection of optical photons is today achieved with very high efficiencies, the detection of microwave fields at the photon level still poses non-trivial experimental challenges. In this Letter we propose a model of microwave photodetector which is based on the use of an electro-opto-mechanical system. Using state of the art technology, we show how single microwave photons can efficiently be converted into optical photons which are then measured by standard optics. The overall quantum efficiency of our microwave detector tends to one for achievable values of the optical and microwave cooperativity parameters. Our scheme could be used for sensing and scanning very faint microwave fields, as they may occur in radio astronomy, satellite and deep space communications.

研究の動機と目的

• マイクロ波光子の量子レベルでの検出という課題に取り組むこと。従来の手法では、低効率と測定の逆作用の問題がある。
• 特定の回路-QED構成に依存しない、スケーラブルでオンデマンドのマイクロ波光検出方式を開発すること。光学光検出器に類似した動作を実現する。
• 効率的なマイクロ波-光学変換を活用することで、電波天文や深宇宙通信における極めて微弱なマイクロ波場のセンシングを可能にすること。
• 高精度なマイクロ波-光学変換と高効率の光学検出を組み合わせることで、高い全体的な量子効率を達成すること。

提案手法

• 系は、放射圧を介してマイクロ波および光学的キャビティと強く結合された機械的共振子を用い、マイクロ波場と光学場の間でコherentな変換を可能にする。
• ハミルトニアンモデルには、キャビティモード演算子、機械的モード演算子、および1光子電磁力学的結合定数 $ g_j $ を含む結合項が含まれる。
• 定常状態のポンプ振幅の周囲での線形化により、マイクロ波場と光学場の間の有効伝達関数が導出される。
• 変換効率は、光学的およびマイクロ波的コープリティー係数 $ \Gamma_{\mathrm{w}} $ および $ \Gamma_{\mathrm{o}} $ によって制御され、これが有効結合の強度を決定する。
• 出力光学場は、効率 $ \eta \approx 1 $ の高効率フォト検出器で測定され、有効量子効率は $ \eta_{\mathrm{eff}} = \eta |B(0)|^2 $ で与えられる。
• 低温（4 K）での動作により、熱雑音の寄与が最小限に抑えられ、検出の忠実度に与える熱バスタブ効果が低減される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電磁力学的系は、実用的な検出に適したマイクロ波光子を光学的光子に高精度で変換できるか？
• RQ2 現実的な実験的パラメータ下で、このような変換メカニズムに基づくマイクロ波光検出器の実現可能な量子効率はどの程度か？
• RQ3 光学的およびマイクロ波的コープリティー係数が全体の検出効率にどのように影響するか？
• RQ4 特定のキャビティ-QEDアーキテクチャに依存せず、オンデマンドで効果的に動作するか？
• RQ5 量子情報を保持する上で、変換プロセスにおける熱雑音はどの程度抑制可能か？

主な発見

• 光学的およびマイクロ波的コープリティー係数 $ \Gamma_{\mathrm{w}} $ および $ \Gamma_{\mathrm{o}} $ が増加するにつれて、マイクロ波-光学変換効率は100%に近づき、比 $ \bar{N}_{\mathrm{o}}/n_p \to 1 $ に近づく。
• マイクロ波検出器の有効量子効率 $ \eta_{\mathrm{eff}} = \eta |B(0)|^2 $ は、$ \Gamma_{\mathrm{w}} $ および $ \Gamma_{\mathrm{o}} $ が十分に大きく、$ \eta \approx 1 $ の場合、100%に近づく。
• 低温（4 K）では、熱雑音寄与 $ N_{\mathrm{thermal}} $ は無視できるほど小さく、支配的項は $ \eta_{\mathrm{eff}} n_p $ となり、入射マイクロ波光子数に線形に比例する。
• 数値シミュレーションにより、微弱なマイクロ波パルス（4光子）が検出可能な光学パルスに効率的に変換され、周波数領域でも波形が保持されていることが確認された。
• 検出器はオンデマンドで動作し、特定の実験的構成に制限されないため、電波天文や深宇宙通信など多様な応用に適している。
• この方式により、測定の逆作用を伴う間接的手法の制限を克服し、光学的測定によってマイクロ波場状態の統計にアクセス可能になる。