論文の概要: Bidirectional microwave-optical conversion using an integrated barium-titanate transducer
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2501.09728v1
- Date: Thu, 16 Jan 2025 18:22:48 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-01-17 15:08:51.244529
- Title: Bidirectional microwave-optical conversion using an integrated barium-titanate transducer
- Title（参考訳）: 集積バリウム・チタン酸塩変換器を用いた双方向マイクロ波光変換
- Authors: Charles Möhl, Annina Riedhauser, Max Glantschnig, Daniele Caimi, Ute Drechsler, Antonis Olziersky, Deividas Sabonis, David Indolese, Thomas Karg, Paul Seidler,
- Abstract要約: 光とマイクロ波の光子間の効率よく、低雑音、高帯域転送が量子通信の鍵となる。
光薄膜におけるブロードバンド直接電気光学(ポッケルス)効果を用いたマイクロ波光伝送の最近の実証は有望であることを示している。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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- Abstract: Efficient, low-noise, high-bandwidth transduction between optical and microwave photons is key to long-range quantum communication between distant superconducting quantum processors. Recent demonstrations of microwave-optical tranduction using the broadband direct electro-optic (Pockels) effect in optical thin films made of AlN or LiNbO$_3$ have shown promise. Due to the quadratic scaling of transduction efficiency with the electro-optic coefficient, material classes with stronger Pockels effects, such as the perovskite titanates BaTiO$_3$ or SrTiO$_3$, may unlock new performance regimes for future transducers. However, these materials require adapted designs and fabrication approaches due to their nonlinear and, in some cases, hysteretic electro-optic response, as well as limited process compatibility. Here, we engineer an on-chip, triply resonant transducer comprising low-loss BaTiO$_3$-on-SiO$_2$ waveguides monolithically integrated with a superconducting microwave resonator made of Nb. Exploiting the bias-induced Pockels effect of BaTiO$_3$, we demonstrate bidirectional microwave-optical transduction at millikelvin temperatures and total off-chip efficiencies reaching $1\times10^{-6}$ in pulsed operation. We establish a device concept permitting in-situ poling of the ferroelectric material without introducing excess microwave loss and tuning of the optical system without sacrificing microwave-optical overlap. Using a fully subtractive process, we fabricate Nb air bridges for crossings of conductors and both air- and oxide-clad optical waveguides. We investigate optically-induced heating through pulsed optical pumping, revealing fast thermalization and quasiparticle resilience of the microwave resonator. Our transducer concept is applicable to other materials with a large bias-induced Pockels effect and paves the way for efficient, low-power quantum interconnects.
- Abstract（参考訳）: 光とマイクロ波の光子間の効率よく、低ノイズで高帯域幅の伝送は、遠隔超伝導量子プロセッサ間の長距離量子通信の鍵となる。
AlNまたはLiNbO$_3$の光学薄膜におけるブロードバンド直接電気光学効果を用いたマイクロ波光伝送の最近の実証は有望である。
電気光学係数によるトランスダクション効率の2次スケーリングのため、ペロブスカイトチタン酸バTiO$_3$やSrTiO$_3$のようなより強いポッケル効果を持つ材料クラスは、将来のトランスデューサの新たな性能レギュレーションを解き放つ可能性がある。
しかしながら、これらの材料は、非線形かつ場合によってはヒステリックな電気光学応答と限られたプロセス互換性のために、適応的な設計と製造アプローチを必要とする。
そこで我々は低損失BaTiO$_3$-on-SiO$_2$導波路をNbを用いた超伝導マイクロ波共振器とモノリシックに統合したオンチップ三重共振トランスデューサを開発した。
BaTiO$_3$のバイアス誘起ポッケルス効果を爆発させ、ミリケルビン温度と合計オフチップ効率がパルス操作で1\times10^{-6}$に達することを実証した。
我々は、マイクロ波と光の重なりを犠牲にすることなく、過度なマイクロ波損失や光学系のチューニングを伴わずに、強誘電体材料のその場でのポーリングを可能にするデバイス概念を確立した。
完全に減算されたプロセスを用いて、導体と空気および酸化物を被覆した光導波路の交差にNbエアブリッジを作製する。
マイクロ波共振器の高速熱化と準粒子レジリエンスを明らかにするため、パルス光ポンピングによる光誘起加熱について検討した。
我々のトランスデューサの概念は、大きなバイアスによって引き起こされるポッケルス効果を持つ他の材料に適用でき、効率的で低消費電力の量子配線の道を開くことができる。
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