[論文レビュー] Quantum-enabled continuous microwave-to-optics frequency conversion

Han Zhao, William David Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2024

Advanced Photonic Communication Systems被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、低ノイズかつ高効率を実現するシリコンベースの電気光機械的プラットフォームを用いた連続波型量子駆動マイクロ波-光周波数変換器を提案する。単結晶シリコンにおける静電的および光機械的相互作用を活用することで、基底状態の放射冷却を実現し、入力参照追加ノイズが0.58光子、外部効率が0.47%に達する。効率帯域幅積は、先行研究を約2桁上回る。

ABSTRACT

A quantum interface between microwave and optical photons is essential for entangling remote superconducting quantum processors. To preserve fragile quantum states, a transducer must operate efficiently while generating less than one photon of noise referred to its input. Here, we present a platform that meets these criteria, utilizing a combination of electrostatic and optomechanical interactions in devices made entirely from crystalline silicon. This platform's small mechanical dissipation and low optical absorption enable ground-state radiative cooling, resulting in quantum-enabled operation with a continuous laser drive. Under the optimal settings for high efficiency (low noise), we measure an external efficiency of $2.2\%$ ($0.47\%$) and an input-referred added noise of $0.94$ ($0.58$) in microwave-to-optics conversion. We quantify the transducer throughput using the efficiency-bandwidth product, finding it exceeds previous demonstrations with similar noise performance by approximately two orders of magnitude, thereby paving a practical path to interconnecting remote superconducting qubits.

研究の動機と目的

• 最小限の追加ノイズで量子駆動状態に近い動作を実現する連続波型マイクロ波-光変換器の開発を目的とする。
• 従来のパulses型動作による制限を克服し、光子フラックスの低下とマルチノードネットワーキングの困難さを解消することを目的とする。
• 遠隔に位置する超伝導量子プロセッサを接続するため、マイクロ波光子と光子の間で効率的かつ低ノイズな変換を実現することを目的とする。
• 単結晶シリコンの低損失および高Qファクターを活用し、機械的モードおよび光学モードを用いて基底状態冷却と量子制限動作を達成することを目的とする。

提案手法

• モノリシックなシリコンプラットフォーム上において、マイクロ波モードと機械的モード間の静電的結合、および機械的モードと光学モード間の光機械的結合を用いる。
• 高インピーダンスマイクロ波共振器の設計により電磁機械的結合を強化し、インピーダンスの平方根に比例して結合率を向上させる。
• フォノニクス帯域ギャップ構造を用いて機械的モードを閉じ込める。これにより放射損失を低減し、光学およびマイクロ波場への結合を強化する。
• 単結晶シリコンの低機械的散逸および低光学吸収性により、基底状態の放射冷却を実現する。
• 強い電気的ポンプを不要とすることで連続波動作を実現し、熱雑音を低減する。
• 効率およびノイズは、コherent散乱測定と、検出された光学出力および変換効率に基づく入力参照追加ノイズ計算により評価する。

Figure 1: Electro-optomechanical transduction. a Schematic diagram of an electro-optomechanical transducer. b Simulated displacement profile of the mechanical mode, showcasing its extended energy distribution. The insets show the microwave and optical field profiles. c Optical microscope image of a

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続波型マイクロ波-光変換器は、1光子未満の入力参照追加ノイズで量子制限性能を達成できるか？
• RQ2 類似したノイズ性能を有するパulses型システムと比較して、連続型変換器の効率帯域幅積はどのように異なるか？
• RQ3 単結晶シリコンにおける静電的および光機械的結合は、強い電気的ポンプを用いずに基底状態冷却と低ノイズ動作を実現できるか？
• RQ4 完全統合型シリコンプラットフォーム上での量子駆動状態において、最大でどの程度の外部変換効率が達成可能か？
• RQ5 連続レーザードライブの使用が、遠隔に配置された超伝導キュービットを接続する実用性をどの程度向上させるか？

主な発見

• 外部変換効率は2.2%（最適条件下で0.47%）に達し、入力参照追加ノイズは0.94（0.58）光子であり、量子駆動状態での動作が確認された。
• 効率帯域幅積は1900 Hz（低ノイズ点で470 Hz）に達し、類似したノイズレベルにおける先行研究を約2桁上回った。
• 単結晶シリコンの低機械的散逸および低光学吸収性により、基底状態の放射冷却が実現され、安定した連続動作が可能となった。
• 強い電気的ポンプを必要としないため、熱雑音が低減され、スケーラブルな量子ネットワークに不可欠な連続波動作が実現された。
• 効率帯域幅積という指標により、最近のパulses型システムと比較してスループット面で優れた性能を示した。
• プラットフォームの材料に依存しない静電的結合により、スケーラブルな統合および超伝導キュービットアーキテクチャとの互換性が実現された。

Figure 2: Transducer characterization a Measured electromechanical coupling rate vs DC voltage bias. The coupling rate is determined at each voltage by fitting the external decay rate of the mechanical mode. b Measured optomechanical coupling rate versus intracavity photon number. The coupling rate