[논문 리뷰] Optically heralded microwave photons

Wentao Jiang, Felix M. Mayor외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 19.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 광학적 양자 얽힘된 광자들을 감지하여 마이크로파 광자를 경고하는 양자 변환기를 구현한다. 이는 기가헤르츠 수준의 나노기계 진동자와 광학 및 마이크로파 필드 사이의 옵티오메카닉스적 및 피에조전기 상호작용을 통해 이루어지며, 주어진 시스템은 5%의 주파수 변환 효율과 15 Hz의 경고율을 달성했으며, 열 노이즈로 인한 마이크로파 광자 수가 두 개 이하로 유지되어 초전도 양자 노드 간 장거리 얽힘을 향한 길을 열었다.

ABSTRACT

A quantum network that distributes and processes entanglement would enable powerful new computers and sensors. Optical photons with a frequency of a few hundred terahertz are perhaps the only way to distribute quantum information over long distances. Superconducting qubits on the other hand, which are one of the most promising approaches for realizing large-scale quantum machines, operate naturally on microwave photons that have roughly $40,000$ times less energy. To network these quantum machines across appreciable distances, we must bridge this frequency gap and learn how to generate entanglement across widely disparate parts of the electromagnetic spectrum. Here we implement and demonstrate a transducer device that can generate entanglement between optical and microwave photons, and use it to show that by detecting an optical photon we add a single photon to the microwave field. We achieve this by using a gigahertz nanomechanical resonance as an intermediary, and efficiently coupling it to optical and microwave channels through strong optomechanical and piezoelectric interactions. We show continuous operation of the transducer with $5\%$ frequency conversion efficiency, and pulsed microwave photon generation at a heralding rate of $15$ hertz. Optical absorption in the device generates thermal noise of less than two microwave photons. Joint measurements on optical photons from a pair of transducers would realize entanglement generation between distant microwave-frequency quantum nodes. Improvements of the system efficiency and device performance, necessary to realize a high rate of entanglement generation in such networks are within reach.

연구 동기 및 목표

• 광학 광자(통신용)와 초전도 큐비트용 마이크로파 광자 사이의 주파수 격차를 메우기 위해 장거리 양자 네트워킹을 가능하게 하기 위해.
• 기계적 중간 매개체를 통해 광자에서 마이크로파 광자로 변환하는 저노이즈, 고효율의 양자 변환기를 개발하기 위해.
• 광학 검출을 통한 경고 방식으로 마이크로파 광자를 생성함으로써 하이브리드 양자 네트워크에서 확장 가능한 얽힘 분포를 실현하기 위해.
• 통합된 피에조전기 및 옵티오메카닉스적 변환을 통해 열 노이즈를 최소화하고 결합 효율을 최적화하기 위해.

제안 방법

• 하이브리드 변환기는 실리콘 광학 피아르-페로 공진기, 리튬니오브산화물(Si-LN) 나노기계 공진기, 니obium-티타늄-니트라이드(NbTiN) 마이크로파 공진기를 통합한다.
• 옵티오메카닉스적 공진기 내에서 복사압력에 의한 자발적 4파면 혼합을 통해 얽힌 광학 및 마이크로파 주파수의 진동수 파iring을 생성한다.
• 강한 피에조전기 결합을 통해 기계적 진동이 고임피던스 마이크로파 웨이브가이드로 전환된다.
• 단일 광자 검출기가 광학적 동반 광자를 감지함으로써 마이크로파 광자의 존재를 경고한다.
• 교차 칩 웨이브본딩을 통해 변환기 칩과 마이크로파 칩을 연결하며, 결합 효율을 최적화하기 위해 집중된 회로 모델이 사용된다.
• 선형 탐지 톰그래피를 적용하여 마이크로파 필드를 특성화하고 단일 광자 추가를 확인한다.

Figure 1: Transducer schematics and implementation. a , Definition of modes in the transducer and the coupling rates between the modes and channels. b , Physical implementation of the coupling mechanism and the possible conversion processes. The silicon optical mode is represented by the blue Fabry-

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 옵티오메카닉스 시스템에서 광학 검출을 통해 고정밀도로 단일 마이크로파 광자를 경고할 수 있는가?
• RQ2 낮은 열 노이즈 조건에서 나노기계 변환기에서 달성 가능한 최대 주파수 변환 효율은 얼마인가?
• RQ3 웨이브본딩 기하학적 구조가 기계 모드와 마이크로파 채널 간의 결합 효율에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 양자 네트워크 응용에 적합한 충분한 안정성을 유지하면서 변환기가 연속적으로 작동할 수 있는가?
• RQ5 마이크로파 출력에서의 열 노이즈 수준은 얼마이며, 이는 경고된 단일 광자 상태의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 변환기는 연속적인 주파수 변환 효율 5%를 달성하여 양자 네트워킹 응용의 실용성을 입증하였다.
• 15 Hz의 경고율을 확보하여 광학 검출에 의해 단일 마이크로파 광자가 생성됨을 확인하였다.
• 광학 흡수로 인한 열 노이즈는 마이크로파 광자 수 두 개 이하로 유지되어 낮은 열 교차 노이즈를 나타낸다.
• 시스템은 약 0.5의 일관된 진동수 수를 유지하여 강력한 기계 모드 제어를 나타낸다.
• 수직으로 스택된 칩 구성에서 짧고 단일 웨이브본드(0.75 mm)를 사용함으로써 결합 효율을 극대화하고 부가적 용량을 최소화하였다.
• 두 개의 이러한 변환기에서 유래한 광학 광자를 공동 측정하면, 떨어진 마이크로파 주파수 양자 노드 간의 얽힘 분포가 가능해진다.

Figure 2: Transducer characterization. a , Electromagnetically induced transparency (EIT). Top: schematic of the measurement allowing us to extract the optical reflection $S_{\text{oo}}$ with a red detuned pump. Bottom: measurement of the phase of the reflected optical sideband (blue) with the EIT v