[论文解读] Non-classical microwave-optical photon pair generation with a chip-scale transducer

Srujan Meesala, Steven Wood+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2023

Mechanical and Optical Resonators被引用 6

一句话总结

本文通过使用氮化铌制造的芯片级压电-光机械转换器，实现了非经典的微波-光子对生成，实现了微波与光场之间的量子关联。通过利用快速准粒子弛豫和条件外差检测，作者观测到微波场的归一化二阶相关函数低于1（0.42 ± 0.28），证实了光子反聚束现象，并验证了远程量子网络中远距离纠缠所必需的非经典统计特性。

ABSTRACT

Modern computing and communication technologies such as supercomputers and the internet are based on optically connected networks of microwave frequency information processors. In recent years, an analogous architecture has emerged for quantum networks with optically distributed entanglement between remote superconducting quantum processors, a leading platform for quantum computing. Here we report an important milestone towards such networks by observing non-classical correlations between photons in an optical link and a superconducting electrical circuit. We generate such states of light through a spontaneous parametric down-conversion (SPDC) process in a chip-scale piezo-optomechanical transducer. The non-classical nature of the emitted light is verified by observing anti-bunching in the microwave state conditioned on detection of an optical photon. Such a transducer can be readily connected to a superconducting quantum processor, and serve as a key building block for optical quantum networks of microwave frequency qubits.

研究动机与目标

• 通过在微波量子比特与光飞行量子比特之间创建相干接口，实现可扩展的芯片集成量子网络。
• 克服在微波与光子能量尺度差异巨大时保持脆弱量子关联的挑战。
• 开发一种噪声和寄生吸收最小化的转换器，同时实现高保真度、后选的微波单光子态。
• 展示在混合微波-光量子网络中实现DLCZ协议所必需的实验技术。

提出的方法

• 采用压电-光机械转换器，其中声学模式通过光机械腔中的自发参量下转换（SPDC）介导微波与光场之间的纠缠。
• 利用泵浦激光生成光子-声子对，随后通过强压电耦合将声子转换为微波光子。
• 同时对光学分量进行单光子探测，并对微波场进行外差检测，以表征其量子统计特性。
• 测量在光学探测事件（click）条件下微波场的归一化二阶强度相关函数 $ g^{(2)}_{CC}|_{\mathrm{click}} $，以验证非经典性。
• 对外差电压轨迹进行矩量反演，以提取 $ g^{(2)}_{CC} $ 和 $ g^{(2)}_{CC}|_{\mathrm{click}} $，确保结果与增益无关。
• 利用具有亚纳秒级准粒子弛豫时间的氮化铌，抑制由光学泵浦吸收引起的噪声，从而提升信号保真度。

Figure 1: Quantum transducer . a. Transducer mode schematic indicating optical ( $\hat{a}$ ), acoustic ( $\hat{b}$ ) and microwave ( $\hat{c}$ ) modes along with interaction rates for optomechanical coupling ( $G_{\mathrm{om}}$ ) and piezoelectric coupling ( $g_{\mathrm{pe}}$ ), respectively. The op

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在低附加噪声的芯片级转换器上生成非经典的微波-光子对？
• RQ2 当探测到光学光子时，条件微波态是否表现出反聚束现象，表明其具有非经典统计特性？
• RQ3 尽管微波与光子间存在巨大能量差异，该转换过程是否仍能保持量子关联？
• RQ4 氮化铌中快速准粒子弛豫在多大程度上降低了噪声并提升了后选效率？
• RQ5 该系统是否能够实现DLCZ协议，以实现微波量子比特的远程纠缠？

主要发现

• 在光学探测事件条件下测得的微波场归一化二阶相关函数 $ g^{(2)}_{CC}|_{\mathrm{click}} $ 为 $ 0.42^{+0.27}_{-0.28} $，低于经典界限1，证实了非经典统计特性。
• 该结果以2.1个标准差显著违反经典界限，对应经典态原假设的p值为1.7%。
• 无条件微波态的 $ g^{(2)}_{CC} = 1.91^{+0.14}_{-0.14} $，与热态一致（理论期望值为2）。
• 观测到的 $ g^{(2)}_{AC} $ 超过经典上限2，超过二十个标准差，提供了强有力的非经典性证据。
• 采用氮化铌可有效抑制寄生光学吸收效应，使概率性光学探测率提高两个数量级。
• 该转换器设计支持与超导量子比特的未来集成，并可通过强混合模式生成微波-光子贝尔态。

Figure 2: Optical and microwave spectroscopy . a. Continuous wave transduction spectrum measured using a vector network analyzer (VNA) at zero magnetic field. The microwave resonator is excited via the input mode, $\hat{c}_{\mathrm{in}}$ , and the optical output mode, $\hat{a}_{\mathrm{out}}$ is ele