[论文解读] Entangling microwaves with optical light

Rishabh Sahu, Liu Qiu+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2023

Photonic and Optical Devices被引用 5

一句话总结

该论文通过在7 mK温度下运行的超导电光器件，实现了传播微波光子与光学光子之间的确定性纠缠。利用三重共振铌酸锂腔，系统实现了0.72 dB的两模压缩，并以超过5个标准差的显著性违反了Duan-Simon可分性判据，从而在超导电路与通信波段光子之间建立了稳健的量子连接。

ABSTRACT

Entanglement is a genuine quantum mechanical property and the key resource in currently developed quantum technologies. Sharing this fragile property between superconducting microwave circuits and optical or atomic systems would enable new functionalities but has been hindered by the tremendous energy mismatch of $\sim10^5$ and the resulting mutually imposed loss and noise. In this work we create and verify entanglement between microwave and optical fields in a millikelvin environment. Using an optically pulsed superconducting electro-optical device, we deterministically prepare an itinerant microwave-optical state that is squeezed by $0.72^{+0.31}_{-0.25}$\,dB and violates the Duan-Simon separability criterion by $>5$ standard deviations. This establishes the long-sought non-classical correlations between superconducting circuits and telecom wavelength light with wide-ranging implications for hybrid quantum networks in the context of modularization, scaling, sensing and cross-platform verification.

研究动机与目标

• 建立超导微波电路与光学光子之间的相干量子接口，克服约10^5的能量失配和噪声挑战。
• 通过在微波与光学场之间产生非经典关联，实现在混合量子网络中的远距离量子互联。
• 在毫开尔文环境下实现传播微波场与光学场之间的确定性、高保真度纠缠。
• 为模块化量子计算、远程纠缠分发以及量子处理器跨平台验证等未来应用提供支持。

提出的方法

• 采用直径5 mm、厚度150 µm的铌酸锂光学谐振腔，集成于7 mK温度下的超导铝微波腔中。
• 利用皮克尔斯效应，通过三重共振配置实现微波与光学驻波模之间的电光耦合。
• 利用强共振光学泵浦信号实现高效两模压缩，其有效哈密顿量为 $\hat{H}_{\text{{eff}}} = \hbar g_0 \sqrt{\bar{n}_p}(\hat{a}_e^\dagger\hat{a}_o^\dagger + \hat{a}_e\hat{a}_o)$。
• 通过将反斯托克斯模与辅助模杂交，抑制频率上转换和反斯托克斯过程，从而最小化噪声。
• 采用平衡零差检测测量正交分量方差与关联，数据通过五模理论模型进行分析。
• 利用Duan-Simon可分性判据验证纠缠，并通过计算对数负性量化纠缠程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在10^5的能量失配，是否能够生成传播微波场与光学场之间的确定性纠缠？
• RQ2 在毫开尔文环境下，能否在高光学泵浦功率下实现超低噪声运行？
• RQ3 在抑制边带的腔电光系统中，两模压缩的实现程度如何？
• RQ4 所生成的微波-光子态是否以高统计显著性违反Duan-Simon可分性判据？
• RQ5 该系统能否作为可扩展的、相干的混合量子网络接口？

主要发现

• 系统实现了 $0.72^{+0.31}_{-0.25}$ dB的两模压缩，最大共振压缩为 $\Delta_{\text{EPR}}^{-}=0.85^{+0.05}_{-0.06}$（95%置信区间，2σ）。
• 纠缠态违反Duan-Simon可分性判据超过5个标准差，证实了真实的量子纠缠。
• 测得的对数负性为 $E_N = 0.17$，表明存在非零纠缠，态的纯度为 $\rho = 0.44$。
• 正交分量方差测量结果与五模理论模型高度一致，微小偏差归因于相位不稳定。
• 系统工作在参量不稳定性阈值以下（$C < 1$），确保量子反作用主导，附加噪声极低。
• 结果表明，该系统是一种确定性、相干的微波-光子量子接口，适用于与超导量子比特及光纤网络的集成。