[论文解读] Superconducting cavity electro-optics: a platform for coherent photon conversion between superconducting and photonic circuits

Linran Fan, Chang‐Ling Zou+6 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2018

Mechanical and Optical Resonators参考文献 4被引用 10

一句话总结

该论文展示了一种芯片集成的超导腔电光平台，利用三重共振电光效应，实现了微波与光频率之间相干的双向光子转换。系统实现了25.9 ± 0.3%的内部转换效率和2.05 ± 0.04%的片上效率，电磁诱导透明性证实了相干相互作用，为混合量子网络提供了可扩展的解决方案。

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.

研究动机与目标

• 开发一种高效、相干的超导与光子电路之间的量子转导器，用于大规模量子网络。
• 克服现有转导方案中因中间激发模式（如声子、磁子）引入的噪声并限制带宽的局限性。
• 通过无中间模式的直接、相干光子转换，利用超小模场体积和相位匹配条件，实现电光效应。
• 展示一种可扩展的片上平台，集成超导与光子元件，用于混合量子电路。

提出的方法

• 该平台采用平面超导微波腔与铝酸铋（AlN）光子腔在单芯片上耦合，利用皮克尔斯效应实现电光耦合。
• 通过匹配微波腔频率、光泵浦频率和信号频率，实现三重共振条件，以实现相干能量交换。
• 通过光谱测量确认，电磁诱导透明性（EIT）作为相干微波-光子光子转换的特征。
• 理论建模采用输入-输出关系和主方程，推导转换效率与噪声贡献，包括参量放大和热噪声。
• 在超导腔与光子元件之间引入缓冲层，以抑制金属对光的吸收。
• 系统设计为实现高真空耦合速率和低损耗，通过超小模场体积增强非线性相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无中间激发模式的情况下，实现微波与光频率之间直接、相干的光子转换？
• RQ2 在芯片集成的超导-光子电光系统中，内部与片上转换效率的最大可实现值是多少？
• RQ3 能否在电光系统中实验观测到电磁诱导透明性，从而证实相干的微波-光子耦合？
• RQ4 热激发和反旋转项等噪声源如何影响转换保真度与效率？
• RQ5 通过在单芯片上集成超导与光子腔，转导带宽与可扩展性可提升到何种程度？

主要发现

• 实验在电光系统中实现了电磁诱导透明性，证实了微波与光子之间的相干相互作用。
• 实现了25.9 ± 0.3%的内部转换效率，显著优于以往电光系统中约0.1%的限制。
• 片上转换效率达到2.05 ± 0.04%，表明其在集成量子电路中的实际可行性。
• 由于反旋转项引起的参量放大效应，对效率的贡献可忽略不计，约为10⁻⁵，验证了旋转波近似的有效性。
• 热噪声贡献估计为光学输出约0.3，微波输出约3，可通过低温运行进一步降低。
• 系统展现出宽广的转导带宽和高可扩展性，适用于与其他超导与光子量子器件在单芯片上的集成。