[논문 리뷰] Quantum-enabled continuous microwave-to-optics frequency conversion

Han Zhao, William David Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2024. 06. 04.

Advanced Photonic Communication Systems인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 저소음 및 고효율을 달성하는 실리콘 기반 전기광기계 플랫폼을 사용하여 연속파, 양자 기반 마이크로파-광주파수 변환기를 제시한다. 단일 결정 실리콘에서 전기적 및 광기계적 상호작용을 활용함으로써 기저 상태 복사 냉각이 가능해지고, 입력 기반 추가 노이즈가 0.58 광자이며 외부 효율이 0.47%에 이를 수 있으며, 이는 이전의 연구에 비해 두 개의 주기수준 높은 효율-대역폭 곱을 달성한다.

ABSTRACT

A quantum interface between microwave and optical photons is essential for entangling remote superconducting quantum processors. To preserve fragile quantum states, a transducer must operate efficiently while generating less than one photon of noise referred to its input. Here, we present a platform that meets these criteria, utilizing a combination of electrostatic and optomechanical interactions in devices made entirely from crystalline silicon. This platform's small mechanical dissipation and low optical absorption enable ground-state radiative cooling, resulting in quantum-enabled operation with a continuous laser drive. Under the optimal settings for high efficiency (low noise), we measure an external efficiency of $2.2\%$ ($0.47\%$) and an input-referred added noise of $0.94$ ($0.58$) in microwave-to-optics conversion. We quantify the transducer throughput using the efficiency-bandwidth product, finding it exceeds previous demonstrations with similar noise performance by approximately two orders of magnitude, thereby paving a practical path to interconnecting remote superconducting qubits.

연구 동기 및 목표

• 최소한의 추가 노이즈를 갖는 연속파 마이크로파-광변환기를 개발하여 양자 기반 작동 모드를 실현한다.
• 이전 시스템에서 펄스 작동 방식의 한계를 극복하여 광자 흐름을 감소시키고 다중 노드 네트워킹을 어렵게 하는 문제를 해결한다.
• 원거리에 위치한 초전도 큐비트 프로세서를 연결하기 위해 마이크로파 광자와 광자 간의 효율적이고 저노이즈 변환 가능성을 확보한다.
• 기계적 및 광학 모드에서 저손실 및 고품질 요소를 갖춘 단일 결정 실리콘의 특성을 활용하여 기저 상태 냉각 및 양자 한계 작동을 실현한다.

제안 방법

• 모노리식 실리콘 플랫폼에서 마이크로파 모드와 기계 모드 간의 전기적 결합 및 기계 모드와 광학 모드 간의 광기계적 결합을 이용한 변환기 설계.
• 고임피던스 마이크로파 공진기 구조를 통해 전기기계적 결합을 강화하여 임피던스의 제곱근 비례로 결합률을 증가시킴.
• 음향 띠역 구조를 이용해 기계 모드를 격리함으로써 복사 손실을 감소시키고 마이크로파 및 광학 필드와의 결합을 향상시킴.
• 단일 결정 실리콘의 저기계적 소산 및 저광학 흡수 특성 덕분에 저기계적 소산과 저광학 흡수로 기저 상태 복사 냉각을 달성함.
• 강력한 전기 풍압이 필요 없도록 함으로써 연속파 작동이 가능해지며, 이는 열 노이즈를 감소시킴.
• 효율성과 노이즈는 감지된 광출력 및 변환 효율 기반의 일관된 산란 측정 및 입력 기반 추가 노이즈 계산을 통해 평가됨.

Figure 1: Electro-optomechanical transduction. a Schematic diagram of an electro-optomechanical transducer. b Simulated displacement profile of the mechanical mode, showcasing its extended energy distribution. The insets show the microwave and optical field profiles. c Optical microscope image of a

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속파 마이크로파-광변환기가 1 광자 이하의 입력 기반 추가 노이즈로 양자 한계 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 유사한 노이즈 성능을 갖는 펄스 시스템과 비교해, 연속 작동 변환기의 효율-대역폭 곱은 어떻게 되는가?
• RQ3 단일 결정 실리콘에서 전기적 및 광기계적 결합이 강력한 전기 풍압 없이도 기저 상태 냉각 및 저노이즈 작동을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 완전 통합 실리콘 플랫폼에서 양자 기반 조건 하에 도달 가능한 최대 외부 변환 효율은 얼마인가?
• RQ5 연속 레이저 드라이브의 사용이 원거리에 위치한 초전도 큐비트를 연결하는 데 있어 실용성에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 변환기는 외부 변환 효율 2.2% (최적 조건에서 0.47%)와 입력 기반 추가 노이즈 0.94 (0.58) 광자 수준을 달성하여 양자 기반 작동 모드임을 확인함.
• 효율-대역폭 곱은 1900 Hz (저노이즈 지점에서 470 Hz)에 도달하여 유사한 노이즈 수준에서 이전의 시연 성능을 약 두 개의 주기수준 높게 초월함.
• 단일 결정 실리콘의 저기계적 소산 및 저광학 흡수 특성 덕분에 기저 상태 복사 냉각이 달성되었으며, 이는 안정적인 연속 작동을 가능하게 함.
• 강력한 전기 풍압 없이 작동함으로써 열 노이즈가 감소하고 스케일러블 양자 네트워크에 필수적인 연속파 작동이 가능해짐.
• 효율-대역폭 곱 지표로 측정된 성능은 최근의 펄스 시스템에 비해 처리 능력 면에서 뛰어남.
• 플랫폼의 물질 무관 전기적 결합 특성 덕분에 확장 가능한 통합 및 초전도 큐비트 아키텍처와의 호환성이 확보됨.

Figure 2: Transducer characterization a Measured electromechanical coupling rate vs DC voltage bias. The coupling rate is determined at each voltage by fitting the external decay rate of the mechanical mode. b Measured optomechanical coupling rate versus intracavity photon number. The coupling rate