[论文解读] Efficient single sideband microwave to optical conversion using an electro-optical whispering gallery mode resonator

Alfredo Rueda, Florian Sedlmeir+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2016

Photonic and Optical Devices参考文献 41被引用 78

一句话总结

该论文通过在三重共振锂酸钇铌酸锂微腔的回音壁模式（WGM）中利用工程化色散，实现了高效的单边带微波-光子转换，仅需0.42 mW的光泵浦功率，在10 GHz频率下实现了0.1%的光子数转换效率，相较以往工作提升三个数量级。

ABSTRACT

Linking classical microwave electrical circuits to the optical telecommunication band is at the core of modern communication. Future quantum information networks will require coherent microwave-to-optical conversion to link electronic quantum processors and memories via low-loss optical telecommunication networks. Efficient conversion can be achieved with electro-optical modulators operating at the single microwave photon level. In the standard electro-optic modulation scheme this is impossible because both, up- and downconverted, sidebands are necessarily present. Here we demonstrate true single sideband up- or downconversion in a triply resonant whispering gallery mode resonator by explicitly addressing modes with asymmetric free spectral range. Compared to previous experiments, we show a three orders of magnitude improvement of the electro-optical conversion efficiency reaching 0.1% photon number conversion for a 10GHz microwave tone at 0.42mW of optical pump power. The presented scheme is fully compatible with existing superconducting 3D circuit quantum electrodynamics technology and can be used for non-classical state conversion and communication. Our conversion bandwidth is larger than 1MHz and not fundamentally limited.

研究动机与目标

• 解决量子信息网络中对相干、低噪声微波-光子转换的需求。
• 克服标准电光调制器同时产生上下边带的根本限制，避免自发过程引入的噪声。
• 在不牺牲带宽或不依赖机械共振耦合的情况下，实现高效、选择性的边带转换（上转换或下转换）。
• 实现与超导电路量子电动力学（cQED）平台兼容的高转换效率，以支持可扩展的量子接口。
• 通过光学模式的色散工程，实现MHz量级带宽和可调谐边带抑制的系统设计。

提出的方法

• 利用锂酸钇铌酸锂制成的三重共振回音壁模式（WGM）微腔，同时限制光泵浦场、微波驱动场和信号场。
• 通过调节光学模式的自由光谱范围（FSR）不对称性，利用相消干涉选择性地抑制上边带或下边带。
• 通过皮克尔斯效应实现电光调制，其中微波场调制晶体的折射率，在光泵浦频率周围对称地生成边带。
• 通过利用WGM微腔中两个正交偏振模式之间FSR的非对称性，实现单边带工作，从而在不偏移光泵浦频率的情况下选择性抑制一个边带。
• 利用高品质因数（Q）微腔增强光-物质相互作用，并增强微波与光学模式之间的有效耦合强度g。
• 通过仿真优化系统，以最小化气隙引起的损耗，并通过减小微腔厚度和消除制造缺陷来提高非线性耦合强度g。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在完全基于电光效应的系统中实现单边带微波-光子转换，而无需依赖机械谐振器？
• RQ2 在WGM微腔中通过光学模式的色散工程，边带抑制程度可达到何种程度？
• RQ3 在具有最小自发过程噪声的谐振电光系统中，光子数转换效率的最大可实现值是多少？
• RQ4 在非谐振非线性介质中，转换带宽如何随本征损耗和耦合速率变化？
• RQ5 电光协同度是否可被充分增强，以支持在单光子态区域运行，适用于量子信息应用？

主要发现

• 该系统在仅使用0.42 mW光泵浦功率的条件下，对10 GHz微波信号实现了0.1%的光子数转换效率，相较以往基于WGM的电光系统提升了三个数量级。
• 通过具有非对称自由光谱范围的光学模式工程化色散，实现了边带抑制，可在不偏移光泵浦频率的情况下选择性抑制上边带或下边带。
• 转换带宽超过1 MHz，且不受机械谐振器动力学的限制，与电机械系统形成对比。
• 电光协同度 $ G_0 \approx 4 \times 10^{-3} $ 当前低于非经典态转换的阈值（$ G_0 \approx 1 $），但仿真表明通过减小微腔厚度和消除气隙，可提升两到三个数量级。
• 理论分析表明，通过合理改进可实现 $ G_0 \gg 1 $，从而在未来实现单光子态区域运行。
• 该系统与超导3D电路量子电动力学（cQED）技术完全兼容，可集成于可扩展的量子网络中。