[論文レビュー] Non-classical microwave-optical photon pair generation with a chip-scale transducer

Srujan Meesala, Steven Wood+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2023

Mechanical and Optical Resonators被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、ニオブナイトライドから作製されたチップスケールの圧電光力学的変換器を用いて、非古典的マイクロ波-光子ペアの生成を実証し、マイクロ波場と光場の間の量子相関を実現した。高速準粒子緩和と条​​件付き混合検出を活用することで、マイクロ波場の正規化された2次相関関数が1未満（0.42 ± 0.28）であることを観測し、光子の反跳び（anti-bunching）を確認し、量子ネットワークにおける遠隔もつれのための不可欠な非古典的統計を検証した。

ABSTRACT

Modern computing and communication technologies such as supercomputers and the internet are based on optically connected networks of microwave frequency information processors. In recent years, an analogous architecture has emerged for quantum networks with optically distributed entanglement between remote superconducting quantum processors, a leading platform for quantum computing. Here we report an important milestone towards such networks by observing non-classical correlations between photons in an optical link and a superconducting electrical circuit. We generate such states of light through a spontaneous parametric down-conversion (SPDC) process in a chip-scale piezo-optomechanical transducer. The non-classical nature of the emitted light is verified by observing anti-bunching in the microwave state conditioned on detection of an optical photon. Such a transducer can be readily connected to a superconducting quantum processor, and serve as a key building block for optical quantum networks of microwave frequency qubits.

研究の動機と目的

• マイクロ波量子ビットと光の飛行量子ビットの間の整合性のあるインターフェースを構築することで、スケーラブルでチップ統合された量子ネットワークを実現すること。
• マイクロ波と光子の間で著しく異なるエネルギースケールに起因する、壊れやすい量子相関を保持する課題を克服すること。
• ノイズと余分な吸収を最小限に抑えつつ、高精度でヘルド・マイクロ波単一光子状態を生成できる変換器を開発すること。
• ハイブリッドマイクロ波-光量子ネットワークにおけるDLCZプロトコルの実装に必要な実験的手法を示すこと。

提案手法

• 圧電光力学的変換器を用い、光力学的キャビティ内での自発的パラメトリック下変換（SPDC）により、音響モードがマイクロ波場と光場の間のもつれを媒介する。
• ポンプレーザーを用いて光子-フォノンペアを生成し、その後、強力な圧電結合によってフォノンをマイクロ波光子に変換する。
• 光成分の単一光子検出とマイクロ波場の混合検出を同時に実行し、量子統計を特徴付ける。
• 光のクリック検出条件下でのマイクロ波場の正規化された2次強度相関関数 $ g^{(2)}_{CC}|_{\mathrm{click}} $ を測定し、非古典的性を検証する。
• 混合検出電圧トレースのモーメント反転を用いて $ g^{(2)}_{CC} $ と $ g^{(2)}_{CC}|_{\mathrm{click}} $ を抽出し、増幅依存性のない結果を保証する。
• ニオブナイトライドのナノ秒未塔の準粒子緩和を活用し、光学ポンプ吸収に起因するノイズを低減することで、信号の忠実度を向上させる。

Figure 1: Quantum transducer . a. Transducer mode schematic indicating optical ( $\hat{a}$ ), acoustic ( $\hat{b}$ ) and microwave ( $\hat{c}$ ) modes along with interaction rates for optomechanical coupling ( $G_{\mathrm{om}}$ ) and piezoelectric coupling ( $g_{\mathrm{pe}}$ ), respectively. The op

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限の追加ノイズで、チップスケール変換器を用いて非古典的マイクロ波-光子ペアを生成できるか？
• RQ2 光子が検出された条件下で、マイクロ波状態が反跳びを示すか。これは非古典的統計を示唆する。
• RQ3 マイクロ波と光子の間の大きなエネルギー差にもかかわらず、変換プロセスが量子相関を保持できるか？
• RQ4 ニオブナイトライドにおける高速準粒子緩和が、ノイズ低減と効率的なヘルド化にどの程度寄与するか？
• RQ5 このシステムは、マイクロ波量子ビットの遠隔もつれを実現するためのDLCZプロトコルの実装を可能にするか？

主な発見

• 光のクリック検出条件下でのマイクロ波場の正規化された2次相関関数 $ g^{(2)}_{CC}|_{\mathrm{click}} $ は $ 0.42^{+0.27}_{-0.28} $ と測定され、古典的境界（1）を下回っており、非古典的統計が確認された。
• この結果は、古典的状態の帰無仮説が棄却される2.1標準偏差の有意水準に達しており、帰無仮説の有意確率は1.7%である。
• 無条件マイクロ波状態は $ g^{(2)}_{CC} = 1.91^{+0.14}_{-0.14} $ を示し、期待値が2である熱的状態と整合的である。
• 観測された $ g^{(2)}_{AC} $ は古典的上限の2を20以上の標準偏差を超えて上回り、非古典的性の強い証拠を示している。
• ニオブナイトライドの使用により、余分な光学吸収効果が抑制され、確率的光学検出率が2桁向上した。
• 変換器設計は将来の超伝導量子ビットとの統合を可能とし、強く結合したモードを介してマイクロ波-光子ベル状態の生成も可能である。

Figure 2: Optical and microwave spectroscopy . a. Continuous wave transduction spectrum measured using a vector network analyzer (VNA) at zero magnetic field. The microwave resonator is excited via the input mode, $\hat{c}_{\mathrm{in}}$ , and the optical output mode, $\hat{a}_{\mathrm{out}}$ is ele