[논문 리뷰] Quantum-limited millimeter wave to optical transduction

Aishwarya Kumar, Aziza Suleymanzade외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 20.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 냉각된 85Rb 원자를 초저온 환경에서 하이브리드 변환기로 사용하여 밀리미터파 광자를 광자로 양자한계에 도달하는 변환을 구현한다. 원자들을 동시에 3차원 초도체 밀리미터파 공진기와 진동 안정화된 광학 공진기에 결합함으로써, 저자들은 내부 변환 효율 58(11)%, 대역폭 360(20) kHz, 추가된 열광자 수 0.6을 달성하여 이론적으로 자유 매개변수 없이 근접한 양자한계 성능을 확인한다.

ABSTRACT

Long distance transmission of quantum information is a central ingredient of distributed quantum information processors for both computing and secure communication. Transmission between superconducting/solid-state quantum processors necessitates transduction of individual microwave photons to optical photons. Current approaches to transduction employ solid state links between electrical and optical domains, facing challenges from the thermal noise added by the strong classical pumps required for high conversion efficiency and bandwidth. Neutral atoms are an attractive alternative transducer: they couple strongly to optical photons in their ground states, and to microwave/millimeter-wave photons in their Rydberg states. Nonetheless, strong coupling of atoms to both types of photons, in a cryogenic environment to minimize thermal noise, has yet to be achieved. Here we demonstrate quantum-limited transduction of millimeter-wave (mmwave) photons into optical photons using cold $^{85}$Rb atoms as the transducer. We achieve this by coupling an ensemble of atoms simultaneously to a first-of-its-kind, optically accessible three-dimensional superconducting resonator, and a vibration suppressed optical cavity, in a cryogenic ($5$ K) environment. We measure an internal conversion efficiency of $58(11)\%$, a conversion bandwidth of $360(20)$ kHz and added thermal noise of $0.6$ photons, in agreement with a parameter-free theory. Extensions to this technique will allow near-unity efficiency transduction in both the mmwave and microwave regimes. More broadly, this state-of-the-art platform opens a new field of hybrid mmwave/optical quantum science, with prospects for operation deep in the strong coupling regime for efficient generation of metrologically or computationally useful entangled states and quantum simulation/computation with strong nonlocal interactions.

연구 동기 및 목표

• 초도체 큐비트(마이크로파/밀리미터파 영역)에서 광자로의 양자 정보를 장거리 양자 통신을 위해 효율적이고 낮은 노이즈로 변환할 수 있도록 하기.
• 냉각된 중성 원자를 변환기로 사용하여 고체 기반 변환 플랫폼에서의 열노이즈 및 펌프 유도 노이즈 제한을 극복하기.
• 초저온 환경에서 고정밀도로 밀리미터파 및 광학 모드에 동시에 결합함으로써 밀리미터파-광학 변환에서 양자한계 성능을 달성하기.
• 스케일러블한 양자 인터페이스 응용을 위한 초도체 공진기와 광학 공진기를 조합한 하이브리드 플랫폼을 구현하기.
• 비국소적 상호작용을 갖는 양자 시뮬레이션과 엔트랑글 상태 생성을 위한 강한 결합 영역에서의 향후 운영 가능성을 확보하기.

제안 방법

• 1D 광학 격자에 갇힌 냉각된 85Rb 원자를 사용하여 5 K에서 3차원 초도체 밀리미터파 공진기와 고Q 광학 공진기에 동시에 결합한다.
• 리드버그 상태를 통한 4파면 혼합 과정을 이용하여 481 nm 및 297 nm 레이저를 통해 밀리미터파 광자와 광학 광자 간의 위상 일치된 변환을 공명적으로 매개한다.
• 내부에 1560 nm 광학 격자를 이용한 준위상 일치를 통해 운동량 반동를 보상하고 집단 증폭을 잃지 않으면서도 유연한 레이저 빔 기하학을 가능하게 한다.
• 스프링 장착 미러 지지 구조와 진동 억제를 도입하여 광학 공진기를 안정화시켜, 대역폭(1/2)이 2π × 1.7 MHz를 달성한다.
• 니오브늄 기반의 밀리미터파 공진기를 사용하여 5 K에서 작동하고 대역폭이 2π × 800 kHz로 유지되어 열노이즈를 최소화한다.
• 35P1/2 상태에 자외선 드레싱을 적용하여 협동성(cooperativity)을 2배로 증가시키되, 낮은 원자 밀도와 작은 C6 계수로 인해 리드버그 상태의 인구 수를 낮게 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉각된 리드버그 원자가 초저온 환경에서 밀리미터파 영역과 광학 영역 간의 양자한계 변환을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 초도체 밀리미터파 공진기와 광학 공진기에 동시에 결합했을 때, 도달 가능한 변환 효율과 대역폭은 얼마인가?
• RQ3 냉각된 원자와 초저온 작동을 통해 하이브리드 변환 플랫폼에서 열노이즈를 어느 정도 억제할 수 있는가?
• RQ4 광학 격자를 통한 준위상 일치가 집단 증폭을 손상시키지 않으면서도 유연한 레이저 빔 기하학을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ5 원자 전이에 거의 공진적으로 작동함으로써 높은 레이저 출력이 필요 없이도 높은 효율을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 내부 변환 효율 58(11)%를 달성하여 밀리미터파 광자와 광학 광자 간의 고정밀도 변환을 입증한다.
• 변환 대역폭은 360(20) kHz로 측정되어 큐비트 규모의 응용에 적합한 빠른 변환을 가능하게 한다.
• 추가된 열광자 수가 오직 0.6으로 측정되어 자유 매개변수 없는 이론 모델과 일치하는 양자한계 성능을 확인한다.
• 광학 공진기는 2π × 1.7 MHz(FWHM)의 대역폭을 보이며 초저온 조건에서 고품질 요소와 안정성을 나타낸다.
• 밀리미터파 공진기는 5 K에서 2π × 800 kHz의 대역폭을 유지하여 양자 얽힘 유지를 위한 낮은 열노이즈 작동이 가능하다.
• 1560 nm 광학 격자를 사용함으로써 준위상 일치가 완전히 실현되어, 481 nm 및 297 nm 빔이 어느 방향에서라도 공진적으로 전파되며 집단 증폭 손실 없이 작동한다.