[논문 리뷰] Non-classical microwave-optical photon pair generation with a chip-scale transducer

Srujan Meesala, Steven Wood외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 30.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 niobium nitride로 제작된 칩스케일 피에조옵티omechanical 변환기를 사용하여 비고전적 마이크로파-광학 광자 쌍을 생성함으로써 마이크로파 및 광학 필드 간의 양자 상관관계를 실현한다. 빠른 준입자 회복과 조건부 이방형 검출을 활용하여 저자들은 마이크로파 필드의 정규화된 두 번째 순서 상관함수를 1 이하로 관측하였으며(0.42 ± 0.28), 이는 광자 반구성과 비고전적 통계의 검증을 확인하며 양자 네트워크에서 원거리 얽힘을 위한 핵심 조건을 만족함을 보여준다.

ABSTRACT

Modern computing and communication technologies such as supercomputers and the internet are based on optically connected networks of microwave frequency information processors. In recent years, an analogous architecture has emerged for quantum networks with optically distributed entanglement between remote superconducting quantum processors, a leading platform for quantum computing. Here we report an important milestone towards such networks by observing non-classical correlations between photons in an optical link and a superconducting electrical circuit. We generate such states of light through a spontaneous parametric down-conversion (SPDC) process in a chip-scale piezo-optomechanical transducer. The non-classical nature of the emitted light is verified by observing anti-bunching in the microwave state conditioned on detection of an optical photon. Such a transducer can be readily connected to a superconducting quantum processor, and serve as a key building block for optical quantum networks of microwave frequency qubits.

연구 동기 및 목표

• 마이크로파 큐비트와 광학 플라잉 큐비트 간의 일관된 인터페이스를 제공함으로써 확장 가능한 칩 통합 양자 네트워크를 실현하기 위해.
• 마이크로파와 광학 광자 간의 에너지 스케일 격차가 매우 크다는 도전 과제를 극복하여 취약한 양자 상관관계를 유지하기 위해.
• 노이즈와 부가적 흡수를 최소화하면서도 고정밀도, 화성된 마이크로파 단일광자 상태를 생성할 수 있는 변환기를 개발하기 위해.
• 하이브리드 마이크로파-광학 양자 네트워크에서 DLCZ 프로토콜을 구현하기 위한 실험 기법을 입증하기 위해.

제안 방법

• 마이크로파 및 광학 필드 간의 얽힘을 비틀림형 파라메트릭 다운컨버전(스파ontaneous parametric down-conversion, SPDC)을 통해 옵티omechanical 캐비티에서 음향 모드가 매개하는 피에조옵티omechanical 변환기를 사용한다.
• 펌프 레이저를 통해 광자-음향파 쌍을 생성한 후, 강력한 피에조전기 결합을 통해 음향파를 마이크로파 광자로 변환한다.
• 광학 성분의 단일광자 검출과 마이크로파 필드의 이방형 검출을 동시에 수행하여 양자 통계를 특성화한다.
• 비고전성의 검증을 위해 광학 클릭 조건 하에서 마이크로파 필드의 정규화된 두 번째 순서 강도 상관함수 $ g^{(2)}_{CC}|_{\mathrm{click}} $ 를 측정한다.
• 이방형 전압 트레이스의 모멘트 역행렬을 사용하여 $ g^{(2)}_{CC} $ 와 $ g^{(2)}_{CC}|_{\mathrm{click}} $ 를 추출함으로써 결과가 이득에 의존하지 않음을 보장한다.
• 나이오븀 질화물의 피코초 이내 준입자 회복 특성을 활용하여 광학 펌프 흡수로 인한 노이즈를 억제하고 신호 정밀도를 향상시킨다.

Figure 1: Quantum transducer . a. Transducer mode schematic indicating optical ( $\hat{a}$ ), acoustic ( $\hat{b}$ ) and microwave ( $\hat{c}$ ) modes along with interaction rates for optomechanical coupling ( $G_{\mathrm{om}}$ ) and piezoelectric coupling ( $g_{\mathrm{pe}}$ ), respectively. The op

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최소한의 추가 노이즈를 유발하는 칩스케일 변환기를 통해 비고전적 마이크로파-광학 광자 쌍을 생성할 수 있는가?
• RQ2 광학 광자 검출 시 조건부 마이크로파 상태가 반구성 특성을 보이며 비고전적 통계를 나타내는가?
• RQ3 마이크로파 광자와 광학 광자 간의 큰 에너지 차이에도 불구하고 변환 과정이 양자 상관관계를 유지할 수 있는가?
• RQ4 나이오븀 질화물 내의 빠른 준입자 회복이 노이즈를 얼마나 감소시키고 화성 효율을 향상시키는가?
• RQ5 이 시스템은 마이크로파 큐비트의 원거리 얽힘을 위한 DLCZ 프로토콜을 실현하는 데 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 광학 클릭 조건 하에서 마이크로파 필드의 정규화된 두 번째 순서 상관함수인 $ g^{(2)}_{CC}|_{\mathrm{click}} $ 는 $ 0.42^{+0.27}_{-0.28} $ 로 측정되었으며, 이는 고전적 한계인 1 이하에 해당하여 비고전적 통계를 확인한다.
• 이 결과는 고전적 상태의 귀무가설이 참일 가능성이 1.7%에 해당하는 2.1 표준편차의 차이로 고전적 한계를 위반한다.
• 조건부가 아닌 마이크로파 상태는 $ g^{(2)}_{CC} = 1.91^{+0.14}_{-0.14} $ 를 나타내며, 이는 열 상태(기대값 2)와 일치한다.
• 관측된 $ g^{(2)}_{AC} $ 는 고전적 상한값인 2를 20여 개 표준편차 이상 초과하여 비고전성에 대한 강력한 증거를 제공한다.
• 나이오븀 질화물의 사용으로 부가적 광학 흡수 효과가 억제되어 확률적 광학 검출 빈도가 두 배수 증가하였다.
• 변환기 설계는 향후 초전도 큐비트와의 통합을 지원하며, 강하게 하이브리드화된 모드를 통해 마이크로파-광학 벨 상태의 생성이 가능하다.

Figure 2: Optical and microwave spectroscopy . a. Continuous wave transduction spectrum measured using a vector network analyzer (VNA) at zero magnetic field. The microwave resonator is excited via the input mode, $\hat{c}_{\mathrm{in}}$ , and the optical output mode, $\hat{a}_{\mathrm{out}}$ is ele