[论文解读] Microwave Photodetection with Electro-Opto-Mechanical Systems

Shabir Barzanjeh, M. C. de Oliveira+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2014

Mechanical and Optical Resonators参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出一种微波光子探测器，利用电-光-机械系统将单个微波光子转换为可被标准光学技术检测的光子。在可实现的实验参数和低温运行条件下，该方案实现了接近100%的量子效率，从而能够高保真度地探测微弱的微波场，适用于射电天文学和深空通信等应用。

ABSTRACT

While detection of optical photons is today achieved with very high efficiencies, the detection of microwave fields at the photon level still poses non-trivial experimental challenges. In this Letter we propose a model of microwave photodetector which is based on the use of an electro-opto-mechanical system. Using state of the art technology, we show how single microwave photons can efficiently be converted into optical photons which are then measured by standard optics. The overall quantum efficiency of our microwave detector tends to one for achievable values of the optical and microwave cooperativity parameters. Our scheme could be used for sensing and scanning very faint microwave fields, as they may occur in radio astronomy, satellite and deep space communications.

研究动机与目标

• 为解决在量子层面探测微波光子的挑战，传统方法存在效率低下和测量反作用的问题。
• 开发一种可扩展的、按需工作的微波光子探测方案，独立于特定的电路量子电动力学（circuit-QED）结构，类似于光学光子探测器。
• 通过高效的微波-光子转换，实现对极微弱微波场（如射电天文学和深空通信中的场）的探测。
• 通过结合高保真度的微波-光子转换与高效率的光学探测，实现高总体量子效率。

提出的方法

• 该系统利用机械谐振器通过辐射压力与微波和光子腔强耦合，实现微波场与光场之间的相干转换。
• 哈密顿量模型包括腔模算符、机械模算符以及涉及单光子电-光-机械耦合速率 $ g_j $ 的耦合项。
• 围绕稳态泵浦振幅对哈密顿量进行线性化，推导出微波场与光场之间的有效传递函数。
• 转换效率由光学和微波的库伯利蒂（cooperativity）参数 $ \Gamma_{\mathrm{w}} $ 和 $ \Gamma_{\mathrm{o}} $ 决定，这些参数决定了有效耦合的强度。
• 输出光场通过高效率光电探测器测量，其效率 $ \eta \approx 1 $，有效量子效率为 $ \eta_{\mathrm{eff}} = \eta |B(0)|^2 $。
• 通过在低温（4 K）下运行，最小化热噪声贡献，降低热浴对探测保真度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 电-光-机械系统能否实现高保真度的微波光子到光子的转换，以实现实际探测？
• RQ2 在真实实验参数下，基于此类转换机制的微波光子探测器可实现的量子效率是多少？
• RQ3 光学和微波的库伯利蒂参数如何影响整体探测效率？
• RQ4 该探测器能否按需工作，并在多种实验环境中有效运行，而独立于特定的腔-量子电动力学架构？
• RQ5 在转换过程中，热噪声能在多大程度上被抑制，以保护量子信息？

主要发现

• 随着光学和微波的库伯利蒂参数 $ \Gamma_{\mathrm{w}} $ 和 $ \Gamma_{\mathrm{o}} $ 增大，微波-光子转换效率趋近于100%，且 $ \bar{N}_{\mathrm{o}}/n_p \to 1 $。
• 当 $ \Gamma_{\mathrm{w}} $ 和 $ \Gamma_{\mathrm{o}} $ 足够大且 $ \eta \approx 1 $ 时，微波探测器的有效量子效率 $ \eta_{\mathrm{eff}} = \eta |B(0)|^2 $ 可趋近于100%。
• 在低温（4 K）下，热噪声贡献 $ N_{\mathrm{thermal}} $ 可忽略不计，主导项为 $ \eta_{\mathrm{eff}} n_p $，其与输入微波光子数成线性比例。
• 数值模拟证实，微弱的微波脉冲（4个光子）可成功转换为可探测的光脉冲，且在频域中波形保持不变。
• 探测器可按需工作，且不局限于特定实验构型，适用于射电天文学和深空通信等多种应用。
• 该方案可通过光学测量获取微波场态的统计特性，克服了间接探测方法中存在反作用的局限。