論文の概要: Quantum-limited millimeter wave to optical transduction

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2207.10121v1
• Date: Wed, 20 Jul 2022 18:04:26 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-02-04 07:49:04.841106
• Title: Quantum-limited millimeter wave to optical transduction
• Title（参考訳）: 量子制限ミリ波と光変換
• Authors: Aishwarya Kumar, Aziza Suleymanzade, Mark Stone, Lavanya Taneja, Alexander Anferov, David I. Schuster, and Jonathan Simon
• Abstract要約: 量子情報の長距離伝送は、分散量子情報プロセッサの中心的な要素である。 トランスダクションへの現在のアプローチでは、電気ドメインと光ドメインの固体リンクが採用されている。 我々は、850ドルRbの低温原子をトランスデューサとして用いたミリ波光子の光子への量子制限変換を実証した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 50.663540427505616
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
• 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.
• Abstract（参考訳）: 量子情報の長距離伝送は、コンピューティングとセキュア通信の両方のための分散量子情報プロセッサの中心的な要素である。 超伝導/固体量子プロセッサ間の伝送は、個々のマイクロ波光子の光子への変換を必要とする。 トランスダクションへの現在のアプローチでは、電気領域と光領域の固体リンクが採用されており、高い変換効率と帯域幅に要求される強い古典ポンプによって付加される熱ノイズに直面する。 ニュートラル原子は、基底状態の光学光子と、リドベルク状態のマイクロ波/ミリ波光子とを強く結合する、魅力的な代替トランスデューサである。 しかし、どちらの種類の光子にも原子が強く結合し、熱雑音を最小限に抑える低温環境では、まだ達成されていない。 ここでは、$^{85}$Rb原子をトランスデューサとして用いたミリ波(ミリ波)光子の光子への量子制限変換を実演する。 極低温(5ドルk円)環境において、原子のアンサンブルを第1の3次元超伝導共振器と振動抑制光学キャビティとを同時に結合させることにより、これを実現する。 内部変換効率は58(11)%$、変換帯域幅は360(20)$ khz、熱雑音は0.6$ photonsとパラメータフリー理論で測定した。 この手法の拡張により、ミリ波とマイクロ波の両方でほぼ均一効率の変換が可能となる。 より広義には、この最先端のプラットフォームはハイブリッドmm波/光量子科学の新しい分野を開き、強い非局所的な相互作用を伴う量子シミュレーション/計算と、メロジカルまたは計算学的に有用な絡み合った状態の効率的な生成のための強い結合状態の深い操作が期待できる。

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