[论文解读] An integrated microwave-to-optics interface for scalable quantum computing

Matthew J. Weaver, Pim Duivestein+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2022

Photonic and Optical Devices参考文献 40被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种基于硅基钽酸锂机械振荡器的集成微波-光子转换器，实现了超导量子比特与光纤之间低噪声、高效率的量子态转移。该器件实现了0.9%的转换效率，仅增加约6个光子的噪声，带宽为14.8 MHz，重复频率最高达100 kHz，并具备直接50-Ω阻抗匹配，可实现稀释制冷机中可扩展的集成。

ABSTRACT

Microwave-to-optics transduction is emerging as a vital technology for scaling quantum computers and quantum networks. To establish useful entanglement links between qubit processing units, several key conditions have to be simultaneously met: the transducer must add less than a single quantum of input referred noise and operate with high-efficiency, as well as large bandwidth and high repetition rate. Here we present a new design for an integrated transducer based on a planar superconducting resonator coupled to a silicon photonic cavity through a mechanical oscillator made of lithium niobate on silicon. We experimentally demonstrate its unique performance and potential for simultaneously realizing all of the above conditions, measuring added noise that is limited to a few photons, transduction efficiencies as high as 0.9%, with a bandwidth of 14.8 MHz and a repetition rate of up to 100 kHz. Our device couples directly to a 50-Ohm transmission line and can easily be scaled to a large number of transducers on a single chip, paving the way for distributed quantum computing.

研究动机与目标

• 通过使用光纤实现长距离量子互连，解决超导量子处理器的可扩展性挑战。
• 克服基于微波的互连限制，后者受限于低温冷却和布线约束。
• 开发一种转换器，同时实现低附加噪声、高效率、大带宽和高重复频率，以实现实际的量子网络应用。
• 通过紧凑、50-Ω兼容且可扩展的设计，实现多个转换器的芯片级集成。
• 最小化准粒子生成和热负荷，以保持超导量子比特的相干性。

提出的方法

• 通过钽酸锂压电机械振荡器将平面超导钼-铼微波谐振器与硅光子谐振腔集成。
• 采用共置的光子与声子晶体谐振腔，实现微波、机械与光子模式之间的强耦合。
• 通过电容耦合至50-Ω传输线，实现与超导量子比特的直接电气接口。
• 采用光波导与光子晶体谐振腔之间的倏逝耦合，实现高光学品质因数。
• 在钽酸锂块上使用压电电极，将微波信号转换为机械振动，再进一步转换为光信号。
• 通过微波反射、光学共振测量以及激光调制下的机械模式检测，表征转换性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 集成转换器能否在保持高效率和大带宽的同时，实现低于1个光子的附加噪声？
• RQ2 单个芯片能否在极低热负荷和串扰下支持数千个转换器，实现可扩展的量子计算？
• RQ3 采用薄膜钽酸锂与硅的结合是否能够实现低噪声、高效率的转换，并具备50-Ω阻抗匹配？
• RQ4 光功率在多大程度上会引发准粒子生成，从而降低超导谐振器的性能？
• RQ5 脉冲工作模式能否最小化准粒子效应，同时实现高重复频率的量子态转移？

主要发现

• 该转换器实测附加噪声约为6个光子，接近实用量子通信的量子极限。
• 连续波工作下转换效率达到0.9%，脉冲工作下为5×10⁻⁵，带宽为14.8 MHz，重复频率最高达100 kHz。
• 器件仅需1 nW平均激光功率，芯片面积小于0.15 mm²，可在单台稀释制冷机中集成超过10,000个转换器。
• 脉冲工作仅引起+200 kHz的频率漂移且损耗增加可忽略，表明准粒子生成和热影响极小。
• 转换器与50-Ω传输线阻抗匹配，可直接连接至超导量子比特，无需额外组件。
• 通过光学频率复用，大型处理器的光纤数量可减少至约100根，预计被动热负荷仅为300 pW。