[论文解读] Quantum-limited millimeter wave to optical transduction

Aishwarya Kumar, Aziza Suleymanzade+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

本论文通过在低温环境下利用冷 85Rb 原子作为混合换能器，实现了毫米波光子到光波光子的量子极限转换。通过将原子同时耦合至三维超导毫米波谐振腔和振动稳定化的光学腔，作者实现了 58(11)% 的内部转换效率、360(20) kHz 带宽，且仅增加 0.6 个热光子，证实了理论中无自由参数的近量子极限性能。

ABSTRACT

Long distance transmission of quantum information is a central ingredient of distributed quantum information processors for both computing and secure communication. Transmission between superconducting/solid-state quantum processors necessitates transduction of individual microwave photons to optical photons. Current approaches to transduction employ solid state links between electrical and optical domains, facing challenges from the thermal noise added by the strong classical pumps required for high conversion efficiency and bandwidth. Neutral atoms are an attractive alternative transducer: they couple strongly to optical photons in their ground states, and to microwave/millimeter-wave photons in their Rydberg states. Nonetheless, strong coupling of atoms to both types of photons, in a cryogenic environment to minimize thermal noise, has yet to be achieved. Here we demonstrate quantum-limited transduction of millimeter-wave (mmwave) photons into optical photons using cold $^{85}$Rb atoms as the transducer. We achieve this by coupling an ensemble of atoms simultaneously to a first-of-its-kind, optically accessible three-dimensional superconducting resonator, and a vibration suppressed optical cavity, in a cryogenic ($5$ K) environment. We measure an internal conversion efficiency of $58(11)\%$, a conversion bandwidth of $360(20)$ kHz and added thermal noise of $0.6$ photons, in agreement with a parameter-free theory. Extensions to this technique will allow near-unity efficiency transduction in both the mmwave and microwave regimes. More broadly, this state-of-the-art platform opens a new field of hybrid mmwave/optical quantum science, with prospects for operation deep in the strong coupling regime for efficient generation of metrologically or computationally useful entangled states and quantum simulation/computation with strong nonlocal interactions.

研究动机与目标

• 实现从超导量子比特（微波/毫米波域）到光波光子的高效、低噪声量子信息转换，以支持长距离量子通信。
• 通过使用冷中性原子作为换能器，克服固态换能平台中热噪声和泵浦诱导噪声的限制。
• 通过在低温环境中运行并实现与毫米波和光波模式的高保真度耦合，实现毫米波至光波转换的量子极限性能。
• 展示一种结合超导谐振腔和光学腔的混合平台，以支持可扩展的量子接口应用。
• 为未来在强耦合 regime 下运行以生成纠缠态，并实现具有非局域相互作用的量子模拟铺平道路。

提出的方法

• 在 1D 光学晶格中使用冷 85Rb 原子，使其在 5 K 条件下同时耦合至三维超导毫米波谐振腔和高品质因数光学腔。
• 通过里德堡态实现四波混频过程，利用 481 nm 和 297 nm 激光相干地介导毫米波与光波光子之间的转换。
• 通过谐振腔内 1560 nm 光学晶格实现准相位匹配，以补偿动量反冲，并在不损失集体增强效应的前提下实现灵活的光束几何布局。
• 采用弹簧加载镜架系统和振动抑制技术稳定光学腔，实现 2π × 1.7 MHz 的线宽。
• 采用铌基毫米波谐振腔，工作温度为 5 K，线宽为 2π × 800 kHz，以最小化热噪声。
• 对 35P1/2 态施加紫外光 Dressing，使协同度提高 2 倍，同时由于原子密度低和 C6 系数小，保持较低的里德堡态占据率。

实验结果

研究问题

• RQ1 冷里德堡原子是否能在低温环境下实现毫米波与光波域之间的量子极限转换？
• RQ2 当原子同时耦合至超导毫米波谐振腔和光学腔时，可实现的转换效率和带宽是多少？
• RQ3 在使用冷原子和低温运行的混合换能平台中，热噪声能在多大程度上被抑制？
• RQ4 通过光学晶格实现的准相位匹配如何在不降低集体增强效应的前提下实现灵活的激光光束布局？
• RQ5 系统是否能通过在原子跃迁上近共振运行，以中等激光功率实现高效率转换，从而避免对高泵浦功率的需求？

主要发现

• 系统实现了 58(11)% 的内部转换效率，证明了毫米波与光波光子之间高保真度的转换。
• 转换带宽测量为 360(20) kHz，表明该转换速度快，适用于量子比特规模的应用。
• 仅测量到 0.6 个附加热光子，证实了与无自由参数理论模型一致的量子极限性能。
• 光学腔的线宽为 2π × 1.7 MHz（FWHM），表明其在低温条件下具有高 Q 因数和稳定性。
• 毫米波谐振腔在 5 K 下线宽为 2π × 800 kHz，实现了低热噪声运行，对量子相干性至关重要。
• 使用 1560 nm 光学晶格可实现完全的准相位匹配，使 481 nm 和 297 nm 光束可从任意方向共传播，且不损失增强效应。