論文の概要: Scalable microwave-to-optical transducers at single photon level with spins

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2407.08879v1
• Date: Thu, 11 Jul 2024 21:43:02 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-07-16 01:26:19.090063
• Title: Scalable microwave-to-optical transducers at single photon level with spins
• Title（参考訳）: スピンを持つ単一光子レベルのスケーラブルマイクロ波-光変換器
• Authors: Tian Xie, Rikuto Fukumori, Jiahui Li, Andrei Faraon,
• Abstract要約: 単一光子のマイクロ波から光への変換は、将来の超伝導量子デバイス間の相互接続において重要な役割を果たす。 我々はレアアースイオン(REI)ドープ結晶を用いたオンチップマイクロ波-光変換器を実装した。 我々は、原子遷移の絶対周波数によって実現された2つの同時に動作するトランスデューサに由来する光子の干渉を実証する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.142140287566351
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Microwave-to-optical transduction of single photons will play an essential role in interconnecting future superconducting quantum devices, with applications in distributed quantum computing and secure communications. Various transducers that couple microwave and optical modes via an optical drive have been developed, utilizing nonlinear phenomena such as the Pockels effect and a combination of electromechanical, piezoelectric, and optomechanical couplings. However, the limited strength of these nonlinearities, set by bulk material properties, requires the use of high quality factor resonators, often in conjunction with sophisticated nano-fabrication of suspended structures. Thus, an efficient and scalable transduction technology is still an outstanding goal. Rare-earth ion (REI) doped crystals provide high-quality atomic resonances that result in effective second-order nonlinearities stronger by many orders of magnitude compared to conventional materials. Here, we use ytterbium-171 ions doped in a YVO$_4$ crystal at 340 ppm with an effective resonant $\chi^{(2)}$ nonlinearity of ~ 10$^7$ pm/V to implement an on-chip microwave-to-optical transducer. Without an engineered optical cavity, we achieve percent-level efficiencies with an added noise as low as 1.24(9) photons. To showcase scalability, we demonstrate the interference of photons originating from two simultaneously operated transducers, enabled by the inherent absolute frequencies of the atomic transitions. These results establish REI-based transducers as a highly competitive transduction platform, provide existing REI-based quantum technologies a native link to various leading quantum microwave platforms, and pave the way toward remote transducer-assisted entanglement of superconducting quantum machines.
• Abstract（参考訳）: 単一光子のマイクロ波から光への変換は、将来の超伝導量子デバイスと分散量子コンピューティングとセキュア通信の相互接続において重要な役割を果たす。 光駆動を介してマイクロ波と光モードを結合する様々なトランスデューサが開発され、ポッケル効果や電気機械、圧電、光学結合の組み合わせといった非線形現象を利用した。 しかし、これらの非線形性の限られた強度は、バルク材料特性によって設定され、しばしば懸濁構造の高度なナノファブリケーションと共に高品質なファクタ共振器を使用する必要がある。 したがって、効率的でスケーラブルなトランスダクション技術は、依然として優れた目標である。 希土類イオンドープ結晶(REI)は高品質な原子共鳴をもたらし、従来の物質に比べて多くのオーダーで効果的な二階非線形性をもたらす。 ここでは、YVO$_4$340 ppmのYVO$_4$結晶にドープされたイッテルビウム-171イオンと有効共振器$\chi^{(2)}$非線形性~10$^7$ pm/Vを用いて、オンチップマイクロ波-光電子変換器を実装する。 工学的な光学キャビティがなければ、ノイズを1.24(9)の低い光子に付加することで、パーセンテージレベルの効率を達成することができる。 拡張性を示すために、2つの同時動作トランスデューサから発する光子の干渉を、原子遷移の本質的な絶対周波数によって実証する。 これらの結果は、REIベースのトランスデューサを高い競争力を持つトランスデューサプラットフォームとして確立し、既存のREIベースの量子技術に様々な主要な量子マイクロ波プラットフォームへのネイティブなリンクを提供し、超伝導量子マシンのリモートトランスデューサによる絡み合いへの道を開く。

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