[논문 리뷰] Superconducting cavity electro-optics: a platform for coherent photon conversion between superconducting and photonic circuits

Linran Fan, Chang‐Ling Zou외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 11.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 4인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 초전도성 마이크로파 및 광학 주파수 간에 일관된 이방성 광자 변환을 가능하게 하는 칩 통합 초전도성 공진기 광전기 플랫폼을 제시한다. 삼중 공진 광전기 효과를 이용하여 마이크로파와 광학 주파수 간의 일관된 이방성 광자 변환을 실현한다. 시스템은 내부 변환 효율 25.9 ± 0.3%와 칩 내 효율 2.05 ± 0.04%를 달성하였으며, 전자기 유도 투명도를 통해 일관된 상호작용을 확인하였다. 이는 하이브리드 양자 네트워크를 위한 확장 가능한 솔루션을 제공한다.

ABSTRACT

Leveraging the quantum information processing ability of superconducting circuits and long-distance distribution ability of optical photons promises the realization of complex and large-scale quantum networks. In such a scheme, a coherent and efficient quantum transducer between superconducting and photonic circuits is critical. However, such quantum transducer is still challenging since the use of intermediate excitations in current schemes introduces extra noise and limits bandwidth. Here we realize direct and coherent transduction between superconducting and photonic circuits based on triple-resonance electro-optics principle, with integrated devices incorporating both superconducting and optical cavities on the same chip. Electromagnetically induced transparency is observed, indicating the coherent interaction between microwave and optical photons. Internal conversion efficiency of 25.9\pm0.3\% has been achieved, with 2.05\pm0.04\% total efficiency. Superconducting cavity electro-optics offers broad transduction bandwidth and high scalability, and represents a significant step towards the integrated hybrid quantum circuits and distributed quantum computation.

연구 동기 및 목표

• 대규모 양자 네트워크를 위한 초전도 회로와 광학 회로 간에 고효율, 일관된 양자 변환기 개발
• 기존 변환 기술에서 소음과 대역폭 제한을 유발하는 중간 상태(예: 진동자, 마그논)의 한계 극복
• 중간 모드 없이 직접 일관된 광자 변환을 실현하기 위해 초소형 모드 부피와 위상 일치 조건을 활용한 전기광학 효과 활용
• 하이브리드 양자 회로를 위한 초전도성 및 광학 성분을 단일 칩에 통합한 확장 가능한 칩 내 플랫폼 구현

제안 방법

• 플레인 초전도성 마이크로파 공진기와 알루미나 나이트라이드(AlN) 광학 공진기를 단일 칩에 통합하여, Pockels 효과를 이용한 전기광학 결합 실현
• 마이크로파 공진기 주파수, 광학 풍자 주파수, 신호 주파수를 일치시켜 삼중 공진 조건 달성으로 일관된 에너지 교환 가능
• 스펙트럼 측정을 통해 전자기 유도 투명도(EIT) 관찰을 통해 일관된 마이크로파-광학 광자 변환의 증거 확보
• 이론적 모델링은 입력-출력 관계와 마스터 방정식을 사용하여 변환 효율과 노이즈 기여도(예: 비선형 증폭, 열 노이즈 포함) 유도
• 금속에 의한 광학 흡수를 억제하기 위해 초전도성 공진기와 광학 구성 요소 사이에 버퍼층 구현
• 고진공 결합률과 저손실 설계로 초소형 모드 부피를 통해 비선형 상호작용 향상

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간 상태 없이 마이크로파와 광학 주파수 간에 직접 일관된 광자 변환을 달성할 수 있는가?
• RQ2 칩 통합 초전도-광학 전기광학 시스템에서 내부 및 칩 내 최대 변환 효율은 얼마인가?
• RQ3 전자기 유도 투명도가 전기광학 시스템에서 실험적으로 관측될 수 있는가? 이는 일관된 마이크로파-광학 결합을 확인하는가?
• RQ4 열 진동 및 반대방향 운동 항목과 같은 노이즈 원인이 변환 정밀도와 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 초전도성 및 광학 공진기를 단일 칩에 통합함으로써 변환 대역폭과 확장성은 어느 정도 향상될 수 있는가?

주요 결과

• 실험적으로 전기광학 시스템에서 전자기 유도 투명도를 관측하여 마이크로파 및 광학 광자 간의 일관된 상호작용을 확인하였다.
• 내부 변환 효율 25.9 ± 0.3%를 달성하였으며, 이는 이전 전기광학 시스템의 약 0.1%에 머무르는 것과 비교해 상당한 향상이다.
• 칩 내 변환 효율은 2.05 ± 0.04%에 도달하여 통합 양자 회로의 실용적 가능성을 보여주었다.
• 반대방향 운동 항목에 기인한 비선형 증폭 효과로 인한 효율 변화는 약 10⁻⁵ 수준으로 미미하여, 회전파근사가 타당함을 입증하였다.
• 열 노이즈 기여도는 광학 출력 기준 약 0.3, 마이크로파 출력 기준 약 3으로 추정되며, 낮은 온도에서 작동시 이를 감소시킬 수 있다.
• 시스템은 넓은 변환 대역폭과 높은 확장성을 보이며, 단일 칩에 초전도성 및 광학 양자 장치와의 통합에 적합하다.