[논문 리뷰] Microwave-optics Entanglement via Cavity Optomagnomechanics

Zhiyuan Fan, Liu Qiu외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 23.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 분산적 자기적 압축성 및 복사압 상호작용을 통해 정적 마이크파-광학 양자 얽힘을 생성하는 캐비티 광자기기계 시스템을 제안한다. 자기기계적 주파수 분할 및 효과적 광기계 비스플리터 및 전자기기 상태 교환 상호작용을 활용하여, 380 mK까지의 온도에서도 마이크파 및 광학장 간에 강건한 얽힘을 달성한다.

ABSTRACT

Microwave-optics entanglement is a vital component for building hybrid quantum networks. Here, a new mechanism for preparing stationary entanglement between microwave and optical cavity fields in a cavity optomagnomechanical system is proposed. It consists of a magnon mode in a ferrimagnetic crystal that couples directly to a microwave cavity mode via the magnetic dipole interaction, and indirectly to an optical cavity through the deformation displacement of the crystal. The mechanical displacement is induced by the magnetostrictive force and coupled to the optical cavity via radiation pressure. Both the opto- and magnomechanical couplings are dispersive. Magnon-phonon entanglement is created via magnomechanical parametric down-conversion, which is further distributed to optical and microwave photons via simultaneous optomechanical beamsplitter interaction and electromagnonic state-swap interaction, yielding stationary microwave-optics entanglement. The microwave-optics entanglement is robust against thermal noise, which will find broad potential applications in quantum networks and quantum information processing with hybrid quantum systems.

연구 동기 및 목표

• 하이브리드 양자 시스템에서 스케일러블한 정적 마이크파-광학 얽힘 생성 메커니즘을 개발하기 위해.
• 양자 네트워크에서 마이크파 도메인과 광학 도메인 간의 큰 주파수 불일치 문제를 해결하기 위해.
• 자기적 압축성 및 복사압 상호작용을 활용하여 효율적인 얽힘 전달을 실현하기 위해.
• 실제 운영 조건에서 열 노이즈 및 기계적 감쇠에 대한 강건성을 확보하기 위해.
• 단일 기계 공진자로 마이크파 및 광학 양자 노드를 통합할 수 있는 실현 가능한 플랫폼을 제시하기 위해.

제안 방법

• 시스템은 자성 이중극 상호작용을 통해 마이크파 캐비티에 분산적으로 결합된 페로자성 YIG 결정을 사용한다.
• 자기모드는 자기적 압축력에 의해 기계 진동 모드와 결합되어 분산적 자기기계 상호작용을 가능하게 한다.
• 기계 모드는 복사압을 통해 광학 캐비티와 결합되어 분산적 광기계 상호작용을 수립한다.
• 얽힘은 자기기계적 주파수 분할을 통해 생성되며, 이 과정에서 자기모드-음향모드 얽힘이 형성된다.
• 이 얽힘은 효과적 광기계 비스플리터 및 전자기기 상태 교환 상호작용을 통해 마이크파 및 광학장으로 전달된다.
• 최적화된 디튜닝를 통해 해리된 사이드밴드 조건에서 시스템이 작동하여 얽힘을 극대화하고 안정성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분산적 상호작용을 사용하여 캐비티 광자기기계 시스템에서 정적 마이크파-광학 얽힘을 생성할 수 있는가?
• RQ2 시스템에서 얽힘의 강건성은 온도 및 기계적 감쇠에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 최대 마이크파-광학 얽힘을 달성하기 위한 최적의 작동 조건(디튜닝, 결합 강도)은 무엇인가?
• RQ4 실제의 열 및 손실 조건에서도 얽힘이 유지될 수 있는가?
• RQ5 마이크론 크기의 YIG 결정은 대체로 두꺼운 결정에 비해 어떻게 자기기계 결합을 향상시키는가?

주요 결과

• 최적 조건에서 시스템은 로그 음성도 약 0.4로 마이크파-광학 얽힘을 달성한다.
• 열 노이즈에 강건하여 환경 가열 조건에서도 380 mK까지 얽힘이 유지된다.
• 기계 모드는 효과적 평균 음향 양자 수 약 0.17로 냉각되어 기저 상태 냉각을 나타낸다.
• 다중 고속도 채널 덕분에 강한 결합 조건(Gm/2π = 4.6 MHz)에서도 시스템은 안정성을 유지한다.
• 최적의 얽힘은 마이크파-자기모드 디튜닝가 0(Δam = 0)일 때 달성되며, 이는 공명 상태 전달의 역할을 확인한다.
• 기계적 감쇠율이 10^5 Hz 이하일 경우, 약 0.1 K까지 얽힘이 유지되어 디코herence에 대한 저항성을 입증한다.