[論文レビュー] Quantum-limited millimeter wave to optical transduction

Aishwarya Kumar, Aziza Suleymanzade+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、低温環境下で冷やした85Rb原子をハイブリッド変換器として用い、ミリ波光子から光光子への量子限界に近い変換を実証している。3次元超伝導ミリ波共振器と振動安定化された光学キャビティに同時に結合された原子を用いることで、内部変換効率58(11)％、帯域幅360(20) kHz、追加熱光子数0.6を達成し、理論的自由パrameterなしの近似量子限界性能を確認した。

ABSTRACT

Long distance transmission of quantum information is a central ingredient of distributed quantum information processors for both computing and secure communication. Transmission between superconducting/solid-state quantum processors necessitates transduction of individual microwave photons to optical photons. Current approaches to transduction employ solid state links between electrical and optical domains, facing challenges from the thermal noise added by the strong classical pumps required for high conversion efficiency and bandwidth. Neutral atoms are an attractive alternative transducer: they couple strongly to optical photons in their ground states, and to microwave/millimeter-wave photons in their Rydberg states. Nonetheless, strong coupling of atoms to both types of photons, in a cryogenic environment to minimize thermal noise, has yet to be achieved. Here we demonstrate quantum-limited transduction of millimeter-wave (mmwave) photons into optical photons using cold $^{85}$Rb atoms as the transducer. We achieve this by coupling an ensemble of atoms simultaneously to a first-of-its-kind, optically accessible three-dimensional superconducting resonator, and a vibration suppressed optical cavity, in a cryogenic ($5$ K) environment. We measure an internal conversion efficiency of $58(11)\%$, a conversion bandwidth of $360(20)$ kHz and added thermal noise of $0.6$ photons, in agreement with a parameter-free theory. Extensions to this technique will allow near-unity efficiency transduction in both the mmwave and microwave regimes. More broadly, this state-of-the-art platform opens a new field of hybrid mmwave/optical quantum science, with prospects for operation deep in the strong coupling regime for efficient generation of metrologically or computationally useful entangled states and quantum simulation/computation with strong nonlocal interactions.

研究の動機と目的

• 超伝導キュービット（マイクロ波／ミリ波領域）からの量子情報を長距離量子通信に適した光光子へ効率的かつ低雑音で変換すること。
• 冷やした中性原子を変換器として用いることで、固体系変換プラットフォームにおける熱雑音およびポンプ駆動雑音の制限を克服すること。
• 低温環境下でミリ波から光への変換において量子限界性能を達成することを目的とし、ミリ波モードおよび光学モードの両方に高い忠実度で結合すること。
• スケーラブルな量子インターフェース応用のため、超伝導共振器と光学キャビティを組み合わせたハイブリッドプラットフォームを実証すること。
• エンタングルド状態の生成や非局所的相互作用を用いた量子シミュレーションを可能とする強い結合状態での未来の運用を可能とすること。

提案手法

• 1次元光学ラティスに閉じ込められた冷やした85Rb原子を用い、3次元超伝導ミリ波共振器と5 Kで動作する高Q光学キャビティに同時に結合する。
• Rydberg状態を介した4波混合過程を用い、481 nmおよび297 nmのレーザーを用いてミリ波光子と光光子の間のコherentな媒介を実現する。
• キャビティ内に1560 nmの光学ラティスを設け、準位相一致を実現することで運動量再結合を補償し、集団増幅の損失を伴わずに柔軟なビーム配置を可能にする。
• スプリング付きミラー固定方式と振動制御を採用し、光学キャビティの安定化を図り、線幅2π × 1.7 MHzを達成した。
• ニッブレムベースのミリ波共振器を用い、5 Kで動作させ、線幅2π × 800 kHzに抑え、熱雑音を最小限に抑えた。
• 35P1/2状態にUV装飾を施し、コープリティビティを2倍に向上させると同時に、原子密度が低くC6係数が小さいためRydberg状態の人口を低く維持した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷やしたRydberg原子は、低温環境下でミリ波領域と光領域の間の量子限界変換を可能にするか？
• RQ2 超伝導ミリ波共振器と光学キャビティに同時に結合した場合、達成可能な変換効率と帯域幅はどの程度か？
• RQ3 冷やした原子と低温動作を組み合わせたハイブリッド変換プラットフォームでは、熱雑音をどの程度抑制できるか？
• RQ4 1560 nmの光学ラティスによる準位相一致は、集団増幅の損失を伴わずにどのように柔軟なレーザービーム配置を可能にするか？
• RQ5 原子遷移に近共振で動作させることで、高パワーポンプを必要とせず、中程度のレーザー出力で高い効率を達成できるか？

主な発見

• 内部変換効率が58(11)%に達し、ミリ波光子と光光子間の高忠実度変換を実証した。
• 変換帯域幅は360(20) kHzで測定され、キュービットスケールの応用に適した高速変換を示した。
• 測定された追加熱光子数は0.6にとどまり、自由パrameterなしの理論モデルと整合する量子限界性能を確認した。
• 光学キャビティの線幅は2π × 1.7 MHz（FWHM）であり、低温条件下でも高い品質因子と安定性を示した。
• ミリ波共振器は5 Kで動作し、線幅2π × 800 kHzを達成し、量子コherーの維持に不可欠な低熱雑音動作を実現した。
• 1560 nmの光学ラティスの使用により、完全な準位相一致が達成され、481 nmおよび297 nmのビームが任意の方向から共進路で入射しても増幅効果の損失なしに動作可能となった。