[论文解读] Quantum entanglement between optical and microwave photonic qubits

Srujan Meesala, David P. Lake+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2023

Mechanical and Optical Resonators被引用 4

一句话总结

该论文通过将压电-光机械转换器与超导谐振器集成，实现了一种芯片级的纠缠光学生态与微波光学生态量子比特源。通过在转换器中驱动自发参量下转换并采用双轨时间-箱编码，作者实现了下限贝尔态保真度为0.794，超过经典极限，从而实现了超导处理器与光通信信道之间可扩展的量子网络互联。

ABSTRACT

Entanglement is an extraordinary feature of quantum mechanics. Sources of entangled optical photons were essential to test the foundations of quantum physics through violations of Bell's inequalities. More recently, entangled many-body states have been realized via strong non-linear interactions in microwave circuits with superconducting qubits. Here we demonstrate a chip-scale source of entangled optical and microwave photonic qubits. Our device platform integrates a piezo-optomechanical transducer with a superconducting resonator which is robust under optical illumination. We drive a photon-pair generation process and employ a dual-rail encoding intrinsic to our system to prepare entangled states of microwave and optical photons. We place a lower bound on the fidelity of the entangled state by measuring microwave and optical photons in two orthogonal bases. This entanglement source can directly interface telecom wavelength time-bin qubits and GHz frequency superconducting qubits, two well-established platforms for quantum communication and computation, respectively.

研究动机与目标

• 通过在单芯片上生成纠缠的微波-光学生态光学生态量子比特，实现超导量子处理器与光学生态量子网络之间的可扩展互联。
• 克服微波-光学生态纠缠生成中的挑战，包括弱非线性、光学吸收和集成损耗。
• 在微波和光学生态量子比特中均采用对损耗不敏感的离散变量纠缠协议，使用双轨编码。
• 通过在多个基矢下进行联合测量验证纠缠保真度，确保对探测和收集损耗的鲁棒性。
• 实现微波光学生态量子比特向超导量子比特的直接映射，以支持未来的量子信息处理。

提出的方法

• 利用与超导动能电感谐振器集成的压电-光机械转换器，通过机械声子实现微波与光学生态模式之间的强耦合。
• 在转换器中驱动自发参量下转换（SPDC）以生成相关的微波与光学生态光子对。
• 采用双轨编码：光学生态量子比特使用时间-箱编码（早期/延迟时间箱），微波量子比特使用由混合声-电谐振模式产生的正交微波模式（标记为+和−）。
• 在光学生态通道中对单光子事件进行后选择，以隔离计算子空间并减少噪声贡献。
• 对条件性微波外差电压进行最大似然态层析，重建密度矩阵并提取保真度度量。
• 应用基于Z-基和X-基条件概率的保真度下限公式：$ F_{\text{lb}} = \frac{1}{2}(p_{\text{ee}}+p_{\text{ll}}-p_{\text{el}}-p_{\text{le}} + p_{{++}}+p_{{--}}-2\sqrt{p_{{+-}}p_{{-+}}}) $。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够通过压电-光机械转换器在芯片尺度上生成高保真度的微波与光学生态光学生态量子比特纠缠？
• RQ2 该纠缠保真度是否对光学和微波探测损耗具有鲁棒性，以满足真实量子网络的需求？
• RQ3 在微波和光学生态域中均采用双轨编码，是否能在实验噪声和有限转换效率下保持纠缠？
• RQ4 泵浦引起的热噪声在多大程度上限制了此类系统中贝尔态保真度的可实现性？
• RQ5 所生成的微波光学生态量子比特是否可相干映射到超导量子比特上，以支持未来的量子信息处理？

主要发现

• 实验实现了贝尔态保真度下限 $ F_{\text{lb}} = 0.794^{+0.048}_{-0.071} $，超过经典极限0.5，超过四个标准差以上。
• 测得的保真度与考虑泵浦引起的热噪声的理论模型一致，该模型预测保真度高于0.83。
• 条件性微波态层析证实了在Z-基和X-基下均存在强关联，计算子空间中的矩阵元素与贝尔态的预期值一致。
• 由于采用后选择和双轨编码，保真度对损耗具有鲁棒性，有效抑制了非计算子空间的贡献。
• 微波到光学生的转换效率测量为 $ \eta_{\text{mw}} = 0.59 $，保真度下降的主要原因归因于有限转换效率带来的真空分量。
• 该系统实现了微波光学生态量子比特向超导量子比特（如transmons或qutrits）的直接映射，光学泵浦串扰极小。