[論文レビュー] Superconducting cavity electro-optics: a platform for coherent photon conversion between superconducting and photonic circuits

Linran Fan, Chang‐Ling Zou+6 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2018

Mechanical and Optical Resonators参考文献 4被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、三重共鳴電気光学効果を用いて、マイクロ波と光周波数の間でコherentで双方向の光子変換を可能にする、チップ統合型超伝導キャビティ光エレクトロニクスプラットフォームを示している。システムは25.9 ± 0.3%の内部変換効率と2.05 ± 0.04%のチップ上効率を達成し、電磁誘起透過がコherent相互作用を確認するものであり、ハイブリッド量子ネットワークのスケーラブルな解決策を提供する。

ABSTRACT

Leveraging the quantum information processing ability of superconducting circuits and long-distance distribution ability of optical photons promises the realization of complex and large-scale quantum networks. In such a scheme, a coherent and efficient quantum transducer between superconducting and photonic circuits is critical. However, such quantum transducer is still challenging since the use of intermediate excitations in current schemes introduces extra noise and limits bandwidth. Here we realize direct and coherent transduction between superconducting and photonic circuits based on triple-resonance electro-optics principle, with integrated devices incorporating both superconducting and optical cavities on the same chip. Electromagnetically induced transparency is observed, indicating the coherent interaction between microwave and optical photons. Internal conversion efficiency of 25.9\pm0.3\% has been achieved, with 2.05\pm0.04\% total efficiency. Superconducting cavity electro-optics offers broad transduction bandwidth and high scalability, and represents a significant step towards the integrated hybrid quantum circuits and distributed quantum computation.

研究の動機と目的

• 大規模量子ネットワークに適した、超伝導回路と光回路の間で高効率かつコherentな量子トランスデューサーを開発すること。
• 既存の変換方式でノイズを引き起こし帯域幅を制限する中間励起状態（例：格子振動、磁気モーメント）の制限を克服すること。
• 中間モードを経由せずに、超小型モード体積と位相一致条件を活用して直接的かつコherentな光子変換を実現すること。
• 超伝導および光回路部品を統合したスケーラブルでチップ上に実装可能なプラットフォームを実証し、ハイブリッド量子回路を実現すること。

提案手法

• プラナー型超伝導マイクロ波キャビティをアルミナイトライド（AlN）光キャビティと結合させ、Pockels効果を用いて電気光学的結合を実現する。
• マイクロ波キャビティ周波数、光ポンプ周波数、信号周波数を一致させることで三重共鳴条件を達成し、コherentエネルギー交換を実現する。
• スペクトル測定により、電磁誘起透過（EIT）が観測され、マイクロ波-光光子間のコherent結合を確認する。
• 理論的モデルは入出力関係とマスター方程式を用い、変換効率とノイズ寄与（パラメトリック増幅、熱雑音など）を導出する。
• 金属による光吸収を低減するため、超伝導キャビティと光素子の間にバッファ層を設ける。
• 高真空結合率と低損失を設計し、超小型モード体積による非線形相互作用を強化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中間励起状態を経由せずに、マイクロ波と光周波数の間で直接的かつコherentな光子変換を達成できるか？
• RQ2 チップ統合型超伝導-光回路電気光学系における最大内部効率およびチップ上効率はどの程度達成可能か？
• RQ3 電磁誘起透過は電気光学系で実験的に観測可能であり、マイクロ波-光コヒーレント結合を確認できるか？
• RQ4 熱励起や反回転項などのノイズ源が、変換の忠実度および効率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 超伝導キャビティと光キャビティを1チップ上に統合することで、変換帯域幅およびスケーラビリティはどの程度向上できるか？

主な発見

• 実験により、電気光学系における電磁誘起透過が観測され、マイクロ波光子と光光子の間のコherent相互作用が確認された。
• 25.9 ± 0.3%の内部変換効率が達成され、従来の電気光学系が約0.1%に制限されていた点を著しく上回る。
• チップ上効率は2.05 ± 0.04%に達し、統合量子回路への実用的妥当性を示している。
• 反回転項に起因するパラメトリック増幅効果は、効率に約10⁻⁵の微小な変更をもたらすにとどまり、回転波近似の妥当性が裏付けられた。
• 熱雑音寄与は、光出力で約0.3、マイクロ波出力で約3と推定され、低温で動作させることで低減可能である。
• 広帯域の変換帯域幅と高いスケーラビリティを示し、1チップ上に他の超伝導および光量子デバイスと統合可能である。