[논문 리뷰] Entangling microwaves with optical light

Rishabh Sahu, Liu Qiu외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 09.

Photonic and Optical Devices인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 7 mK에서 초전도 전기광학 장치를 사용하여 전파되는 마이크로파 광자와 광학 광자 간의 결정론적 얽힘을 실험적으로 구현한다. 삼중 공진 리튬니오브산재 공진기의 활용으로 시스템은 0.72 dB의 이중모드 압축을 달성하고, Duan-Simon 분리 가능성 기준을 5 표준편차 이상 위반하여 초전도 회로와 통신 대역 광자 간에 강력한 양자 연결을 구축한다.

ABSTRACT

Entanglement is a genuine quantum mechanical property and the key resource in currently developed quantum technologies. Sharing this fragile property between superconducting microwave circuits and optical or atomic systems would enable new functionalities but has been hindered by the tremendous energy mismatch of $\sim10^5$ and the resulting mutually imposed loss and noise. In this work we create and verify entanglement between microwave and optical fields in a millikelvin environment. Using an optically pulsed superconducting electro-optical device, we deterministically prepare an itinerant microwave-optical state that is squeezed by $0.72^{+0.31}_{-0.25}$\,dB and violates the Duan-Simon separability criterion by $>5$ standard deviations. This establishes the long-sought non-classical correlations between superconducting circuits and telecom wavelength light with wide-ranging implications for hybrid quantum networks in the context of modularization, scaling, sensing and cross-platform verification.

연구 동기 및 목표

• 초전도 마이크로파 회로와 광학 광자 간의 일관된 양자 인터페이스를 수립함으로써, 약 10^5의 에너지 불일치 및 노이즈 문제를 해결한다.
• 마이크로파 및 광장 간 비고전적 상관관계를 생성하여 하이브리드 양자 네트워크에서 장거리 양자 연결성을 실현한다.
• 밀리켈빈 환경에서 이동 가능한 마이크로파 및 광장 간에 결정론적 고신뢰도 얽힘을 달성한다.
• 미래의 모듈러 양자 컴퓨팅, 원거리 얽힘 분포, 그리고 양자 프로세서 간의 플랫폼 간 검증 응용을 가능하게 한다.

제안 방법

• 7 mK에서 초전도 알루미늄 마이크로파 공진기 내에 통합된 5 mm 지름, 150 µm 두께의 리튬니오브산재 광학 공진기를 사용한다.
• 삼중 공진 구성을 통해 Pockels 효과를 이용해 마이크로파 및 광학 웨이브가이드 모드 간의 전기광학 결합을 실현한다.
• 강한 공진 광학 펌프 톤을 사용하여 효율적인 이중모드 압축을 달성하며, 이는 효과적 해밀토니안 $\hat{H}_{\text{eff}} = \hbar g_0 \sqrt{\bar{n}_p}(\hat{a}_e^\dagger\hat{a}_o^\dagger + \hat{a}_e\hat{a}_o)$ 로 제어된다.
• 보조 모드와의 하이브리드화를 통해 주파수 상향 변환 및 반스톡스 과정을 억제하여 노이즈를 최소화한다.
• 균형형 동조 검출을 통해 복사계절 변동 및 상관관계를 측정하고, 다섯 모드 이론 모델을 통해 데이터를 분석한다.
• Duan-Simon 분리 가능성 기준을 사용해 얽힘을 검증하고, 얽힘의 정도를 정량화하기 위해 로그 음성도를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10^5의 에너지 불일치가 존재하는 상황에서도 이동 가능한 마이크로파 및 광장 간에 결정론적 얽힘을 생성할 수 있는가?
• RQ2 고강도 광학 펌프 전력 조건에서 밀리켈빈 환경에서 초저소음 작동이 가능할 수 있는가?
• RQ3 측제된 사이드밴드를 가진 공진기 전기광학 시스템에서 이중모드 압축은 어느 정도 달성될 수 있는가?
• RQ4 생성된 마이크로파-광학 상태는 높은 통계적 유의성으로 Duan-Simon 분리 가능성 기준을 위반하는가?
• RQ5 이 시스템은 확장 가능하고 일관된 하이브리드 양자 네트워크 인터페이스로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 $0.72^{+0.31}_{-0.25}$ dB의 이중모드 압축을 달성하였으며, 공진 조건에서 최대 압축은 $\Delta_{\text{EPR}}^{-}=0.85^{+0.05}_{-0.06}$ (2σ, 95% 신뢰도)이다.
• 양상된 상태는 Duan-Simon 분리 가능성 기준을 5 이상의 표준편차 초과로 위반하여 진정한 양자 얽힘을 확인한다.
• 측정된 로그 음성도는 $E_N = 0.17$이며, 비영인 얽힘을 나타내며, 상태의 순도는 $\rho = 0.44$이다.
• 복사계절 변동 측정치는 다섯 모드 이론 모델과 뛰어난 일치를 보이며, 약간의 편차는 위상 불안정성에 기인한다.
• 시스템은 파라메트릭 불안정성 임계값 이하($C < 1$)에서 작동하여, 최소한의 추가 노이즈로 인한 양자 역작용이 지배하는 운영 조건을 확보한다.
• 결과는 초전도 큐비트 및 광섬유 네트워크와의 통합에 적합한 결정론적이고 일관된 마이크로파-광학 양자 인터페이스를 입증한다.