[论文解读] Microwave-optics Entanglement via Cavity Optomagnomechanics

Zhiyuan Fan, Liu Qiu+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种空腔磁致机械系统，通过非简并磁致伸缩和辐射压力相互作用，生成稳定的微波-光场纠缠。通过利用磁致机械参量下转换，以及有效光致机械分束器和电磁子态交换相互作用，该系统在高达380 mK的温度下，仍能实现微波与光场之间稳健的纠缠。

ABSTRACT

Microwave-optics entanglement is a vital component for building hybrid quantum networks. Here, a new mechanism for preparing stationary entanglement between microwave and optical cavity fields in a cavity optomagnomechanical system is proposed. It consists of a magnon mode in a ferrimagnetic crystal that couples directly to a microwave cavity mode via the magnetic dipole interaction, and indirectly to an optical cavity through the deformation displacement of the crystal. The mechanical displacement is induced by the magnetostrictive force and coupled to the optical cavity via radiation pressure. Both the opto- and magnomechanical couplings are dispersive. Magnon-phonon entanglement is created via magnomechanical parametric down-conversion, which is further distributed to optical and microwave photons via simultaneous optomechanical beamsplitter interaction and electromagnonic state-swap interaction, yielding stationary microwave-optics entanglement. The microwave-optics entanglement is robust against thermal noise, which will find broad potential applications in quantum networks and quantum information processing with hybrid quantum systems.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的机制，用于在混合量子系统中生成稳定的微波-光场纠缠。
• 解决量子网络中微波与光域之间大频率失配的挑战。
• 利用磁致伸缩和辐射压力相互作用，实现高效的纠缠传递。
• 确保在实际工作条件下对热噪声和机械阻尼具有鲁棒性。
• 展示一种可行的平台，通过单个机械共振器实现微波与光量子节点的集成。

提出的方法

• 系统采用铁氧体YIG晶体，其磁振子模式通过磁偶极相互作用与微波腔非简并耦合。
• 磁振子模式通过磁致伸缩力与机械振动模式耦合，实现非简并磁致机械耦合。
• 机械模式通过辐射压力与光腔耦合，建立非简并光致机械相互作用。
• 纠缠通过磁致机械参量下转换生成，形成磁振子-声子纠缠。
• 该纠缠通过有效光致机械分束器和电磁子态交换相互作用，转移至微波与光场。
• 系统在分辨边带条件下运行，通过优化失谐量以最大化纠缠并确保稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在空腔磁致机械系统中，通过非简并相互作用生成稳定的微波-光场纠缠？
• RQ2 该纠缠的鲁棒性如何依赖于系统温度和机械阻尼？
• RQ3 最大化微波-光场纠缠的最优工作条件（失谐量、耦合强度）是什么？
• RQ4 在真实热环境和损耗条件下，纠缠是否能够保持？
• RQ5 使用微米尺寸的YIG晶体相比体材料，如何增强磁致机械耦合？

主要发现

• 在最优条件下，系统实现了约0.4的对数负性微波-光场纠缠。
• 纠缠对热噪声具有鲁棒性，在环境加热下可维持至380 mK。
• 机械模式被冷却至有效平均声子数约0.17，表明已实现基态冷却。
• 由于存在多个耗散通道，系统在强耦合（Gm/2π = 4.6 MHz）下仍保持稳定。
• 在零腔-磁振子失谐（Δam = 0）时实现最优纠缠，证实了相干态转移的作用。
• 当机械阻尼速率高达10^5 Hz时，纠缠可维持至约0.1 K，表现出对退相干的强抗性。