[논문 리뷰] An integrated microwave-to-optics interface for scalable quantum computing

Matthew J. Weaver, Pim Duivestein외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 27.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 40인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 리튬니오브산탄(스일리콘 기반 기계 진동자)을 사용한 통합 마이크로파-광학 변환기로, 초전도 큐비트와 광섬유 간의 저노이즈·고효율 양자 상태 전송을 가능하게 한다. 장치는 0.9%의 변환 효율을 달성하며, 약 6개의 광자를 추가로 생성하고, 14.8 MHz 대역폭과 최대 100 kHz 반복률로 작동하며, 냉각기 내 확장 가능한 통합을 위한 직접 50-Ω 임피던스 매칭을 구현한다.

ABSTRACT

Microwave-to-optics transduction is emerging as a vital technology for scaling quantum computers and quantum networks. To establish useful entanglement links between qubit processing units, several key conditions have to be simultaneously met: the transducer must add less than a single quantum of input referred noise and operate with high-efficiency, as well as large bandwidth and high repetition rate. Here we present a new design for an integrated transducer based on a planar superconducting resonator coupled to a silicon photonic cavity through a mechanical oscillator made of lithium niobate on silicon. We experimentally demonstrate its unique performance and potential for simultaneously realizing all of the above conditions, measuring added noise that is limited to a few photons, transduction efficiencies as high as 0.9%, with a bandwidth of 14.8 MHz and a repetition rate of up to 100 kHz. Our device couples directly to a 50-Ohm transmission line and can easily be scaled to a large number of transducers on a single chip, paving the way for distributed quantum computing.

연구 동기 및 목표

• 초전도 양자 프로세서의 확장성 문제를 해결하기 위해 광섬유를 이용한 장거리 양자 인터커넥트를 가능하게 한다.
• 냉각 및 케이블 제약으로 인해 제한되는 마이크로파 기반 인터커넥트의 한계를 극복한다.
• 실용적인 양자 네트워킹을 위해 저추가 노이즈, 고효율, 넓은 대역폭, 높은 반복률을 동시에 달성하는 변환기를 개발한다.
• 작고 50-Ω 호환성 및 확장 가능한 설계를 통해 칩 내 다수의 변환기 통합을 가능하게 한다.
• 준입자 생성과 열 부하를 최소화하여 초전도 큐비트의 코herence를 유지한다.

제안 방법

• 리튬니오브산탄의 압전 기계 진동자를 통해 평면형 초전도 모리브덴-레니늄 마이크로파 공진기를 실리콘 광학 공진기와 통합한다.
• 공진기와 기계 모드 간의 강한 결합을 가능하게 하기 위해 광학 및 진동 모드를 동시에 국소화한 광학 및 진동 모드 결정 구조를 사용한다.
• 초전도 큐비트와의 직접 전기적 인터페이스를 위해 50-Ω 전송선로에 용량 결합을 구현한다.
• 고효율 광학 품질 인자를 달성하기 위해 광학 웨이브가이드와 광학 결정 공진기 간의 증발 결합을 적용한다.
• 리튬니오브산탄 블록에 압전 전극을 배치하여 마이크로파 신호를 기계 진동으로, 그 다음으로 광신호로 변환한다.
• 레이저 조절을 이용한 마이크로파 반사, 광학 공진주기 측정 및 기계 모드 탐지 방식을 통해 변환 성능을 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합 변환기가 실용적인 양자 통신에서 양자 한계에 가까운 1광자 이하의 추가 노이즈를 유지하면서도 고효율과 넓은 대역폭을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ2 단일 칩이 열 부하와 교차 간섭을 최소화하면서 수천 개의 변환기를 지원할 수 있는가?
• RQ3 박막형 리튬니오브산탄-스일리콘 기반 설계가 50-Ω 임피던스 매칭을 통해 저노이즈·고효율 변환을 가능하게 하는가?
• RQ4 광학 전력 유도로 인한 준입자 생성이 초전도 공진기 성능을 얼마나 저하시키는가?
• RQ5 펄스 작동 방식이 준입자 영향을 최소화하면서도 높은 반복률을 통해 양자 상태 전송을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 변환기는 측정된 추가 노이즈가 약 6개의 광자로, 실용적 양자 통신에서 양자 한계에 근접한다.
• 연속파 작동 시 변환 효율이 0.9%에 도달하고, 펄스 작동 시 5×10⁻⁵에 도달하며, 14.8 MHz 대역폭과 최대 100 kHz 반복률을 확보한다.
• 장치는 평균 1 nW 이하의 레이저 전력과 0.15 mm² 이하의 면적을 사용하여, 단일 냉각기 내에서 10,000개 이상의 변환기를 통합할 수 있다.
• 펄스 작동은 뿌리 200 kHz의 주파수 이동과 무시할 만한 손실 증가를 유발하여 준입자 생성과 열 영향이 최소임을 시사한다.
• 변환기는 50-Ω 전송선로에 임피던스 매칭되어 있어, 추가 부품 없이도 초전도 큐비트에 직접 연결할 수 있다.
• 광학 주파수 multiplexing를 통해 대규모 프로세서의 광섬유 수를 약 100개로 줄일 수 있으며, 예상되는 수동 열 부하가 단지 300 pW이다.