[論文レビュー] Optically heralded microwave photons

Wentao Jiang, Felix M. Mayor+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、光学光子のエンタングルメントを検出することでマイクロ波光子を予告する量子トランスデューサーを実証した。この装置は、1ギガヘルツのナノメカニカル共振子を介し、オプトメカニカルおよびピエゾ効果的結合によって光学的およびマイクロ波的場に結合されている。システムは5%の周波数変換効率と15 Hzの予告率を達成し、熱雑音として2個未満のマイクロ波光子を発生させ、将来の超伝導量子ノード間の長距離もつれを可能にする。

ABSTRACT

A quantum network that distributes and processes entanglement would enable powerful new computers and sensors. Optical photons with a frequency of a few hundred terahertz are perhaps the only way to distribute quantum information over long distances. Superconducting qubits on the other hand, which are one of the most promising approaches for realizing large-scale quantum machines, operate naturally on microwave photons that have roughly $40,000$ times less energy. To network these quantum machines across appreciable distances, we must bridge this frequency gap and learn how to generate entanglement across widely disparate parts of the electromagnetic spectrum. Here we implement and demonstrate a transducer device that can generate entanglement between optical and microwave photons, and use it to show that by detecting an optical photon we add a single photon to the microwave field. We achieve this by using a gigahertz nanomechanical resonance as an intermediary, and efficiently coupling it to optical and microwave channels through strong optomechanical and piezoelectric interactions. We show continuous operation of the transducer with $5\%$ frequency conversion efficiency, and pulsed microwave photon generation at a heralding rate of $15$ hertz. Optical absorption in the device generates thermal noise of less than two microwave photons. Joint measurements on optical photons from a pair of transducers would realize entanglement generation between distant microwave-frequency quantum nodes. Improvements of the system efficiency and device performance, necessary to realize a high rate of entanglement generation in such networks are within reach.

研究の動機と目的

• 光学光子（通信用）とマイクロ波光子（超伝導キュービット用）の周波数ギャップを埋め、長距離量子ネットワークを実現すること。
• 機械的中間体を介して光学光子をマイクロ波光子に変換する低雑音・高効率な量子トランスデューサーを開発すること。
• 光学検出を用いた予告付きマイクロ波光子生成を実証し、ハイブリッド量子ネットワークにおけるスケーラブルなもつれ分配を可能にすること。
• 統合されたピエゾ効果的およびオプトメカニカルな変換を用いて、熱雑音を最小限に抑え、結合効率を最適化すること。

提案手法

• ハイブリッドトランスデューサーは、シリコンフォトニクスのファブリ・ペロー共振器とリチウムニオブート（Si-LN）ナノメカニカル共振器、およびニッケル・チタン・ナイトライド（NbTiN）マイクロ波共振器を統合している。
• オプトメカニカル共振器内の放射圧による自己相関四波混合により、エンタングルドされた光学的およびマイクロ波周波数のフォノン対が生成される。
• 強力なピエゾ効果的結合により、機械的振動が高インピーダンスマイクロ波波導にマイクロ波信号に変換される。
• 光学パートナー光子の検出に単一光子検出器を用い、マイクロ波光子の存在を予告する。
• トランスデューサーチップとマイクロ波チップを接続するためのクロスチップワイヤーボンディングが採用され、結合効率を最適化するために集中定数回路モデルが用いられている。
• 線形検出トモグラフィーが用いられ、マイクロ波場の特徴を評価し、1個の光子が追加されたことを確認している。

Figure 1: Transducer schematics and implementation. a , Definition of modes in the transducer and the coupling rates between the modes and channels. b , Physical implementation of the coupling mechanism and the possible conversion processes. The silicon optical mode is represented by the blue Fabry-

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドオプトメカニカル系において、光学検出を用いて高忠実度で1個のマイクロ波光子を予告できるか？
• RQ2 低熱雑音を有するナノメカニカルトランスデューサーで達成可能な最大周波数変換効率は何か？
• RQ3 ワイヤーボンディングの幾何形状は、機械的モードとマイクロ波チャネル間の結合効率にどのように影響するか？
• RQ4 量子ネットワーク用途に十分な安定性を維持しながら、連続的に動作可能か？
• RQ5 マイクロ波出力における熱雑音レベルは何か？ また、これは予告付き単一光子状態の忠実度にどのように影響するか？

主な発見

• トランスデューサーは連続周波数変換効率5%を達成し、量子ネットワーク用途における実用的妥当性を示した。
• 15 Hzの予告率が達成され、光学検出に応じて単一マイクロ波光子が生成されることを確認した。
• 光学吸収が引き起こす熱雑音は2個未満のマイクロ波光子に相当し、低熱クロストークが示された。
• システムは約0.5のコherentフォノン数を示し、強力な機械的モード制御が可能であることを示した。
• 垂直に積み上げたチップ構成で、短く単一のワイヤーボンディング（0.75 mm）を用いることで、結合効率を最大化し、寄生自己容量を最小限に抑えた。
• 2つのこのようなトランスデューサーから得られる光学光子の共同測定により、離れたマイクロ波周波数の量子ノード間のもつれ分配が可能になる。

Figure 2: Transducer characterization. a , Electromagnetically induced transparency (EIT). Top: schematic of the measurement allowing us to extract the optical reflection $S_{\text{oo}}$ with a red detuned pump. Bottom: measurement of the phase of the reflected optical sideband (blue) with the EIT v