論文の概要: High-Efficiency Tunable Microwave Photon Detector Based on a Semiconductor Double Quantum Dot Coupled to a Superconducting High-Impedance Cavity

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.19828v1
• Date: Tue, 24 Jun 2025 17:44:15 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-25 19:48:23.755607
• Title: High-Efficiency Tunable Microwave Photon Detector Based on a Semiconductor Double Quantum Dot Coupled to a Superconducting High-Impedance Cavity
• Title（参考訳）: 超伝導高温キャビティに結合した半導体量子ドットを用いた高効率波長可変光子検出器
• Authors: Fabian Oppliger, Wonjin Jang, Aldo Tarascio, Franco De Palma, Christian Reichl, Werner Wegscheider, Ville F. Maisi, Dominik Zumbühl, Pasquale Scarlino,
• Abstract要約: マイクロ波領域における高効率単一光子検出は、量子センシング、通信、情報処理において重要な技術である。 本研究では、単一光子状態において70%の効率でマイクロ波光子検出を行う。 本研究は,半導体ベースのキャビティQEDアーキテクチャを,効率的なマイクロ波光子検出のためのスケーラブルで汎用的なプラットフォームとして確立し,量子マイクロ波光学およびハイブリッド量子情報技術のための新たな道を開いた。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: High-efficiency single-photon detection in the microwave domain is a key enabling technology for quantum sensing, communication, and information processing. However, the extremely low energy of microwave photons (~{\mu}eV) presents a fundamental challenge, preventing direct photon-to-charge conversion as achieved in optical systems using semiconductors. Semiconductor quantum dot (QD) charge qubits offer a compelling solution due to their highly tunable energy levels in the microwave regime, enabling coherent coupling with single photons. In this work, we demonstrate microwave photon detection with an efficiency approaching 70% in the single-photon regime. We use a hybrid system comprising a double quantum dot (DQD) charge qubit electrostatically defined in a GaAs/AlGaAs heterostructure, coupled to a high-impedance Josephson junction (JJ) array cavity. We systematically optimize the hybrid device architecture to maximize the conversion efficiency, leveraging the strong charge-photon coupling and the tunable DQD tunnel coupling rates. Incoming cavity photons coherently excite the DQD qubit, which in turn generates a measurable electrical current, realizing deterministic photon-to-charge conversion. Moreover, by exploiting the independent tunability of both the DQD transition energy and the cavity resonance frequency, we characterize the system efficiency over a range of 3-5.2 GHz. Our results establish semiconductor-based cavity-QED architectures as a scalable and versatile platform for efficient microwave photon detection, opening new avenues for quantum microwave optics and hybrid quantum information technologies.
• Abstract（参考訳）: マイクロ波領域における高効率単一光子検出は、量子センシング、通信、情報処理において重要な技術である。 しかし、マイクロ波光子(〜{\mu}eV)の極低エネルギーは、半導体を用いた光学系で達成される直接光子チャージ変換を防止し、根本的な課題を示す。 半導体量子ドット (QD) 電荷量子ビットは、マイクロ波状態において高度に調整可能なエネルギーレベルのために魅力的な解であり、単一の光子とのコヒーレントカップリングを可能にする。 本研究では、単一光子状態において70%の効率でマイクロ波光子検出を行う。 我々は、GaAs/AlGaAsヘテロ構造で電気的に定義された二重量子ドット(DQD)電荷量子ビットからなるハイブリッドシステムを用いて、高インピーダンスジョセフソン接合(JJ)アレイキャビティと結合する。 我々は,変換効率を最大化するためにハイブリッドデバイスアーキテクチャを体系的に最適化し,強い電荷-光子結合と可変DQDトンネル結合率を活用する。 キャビティ光子がコヒーレントに励起するとDQD量子ビットは測定可能な電流を発生し、決定論的光子対電荷変換を実現する。 さらに,DQD遷移エネルギーと共振器共振周波数の両方の独立チューナビリティを利用して,3.5.2GHz帯のシステム効率を特徴付ける。 本研究は,半導体ベースのキャビティQEDアーキテクチャを,効率的なマイクロ波光子検出のためのスケーラブルで汎用的なプラットフォームとして確立し,量子マイクロ波光学およびハイブリッド量子情報技術のための新たな道を開いた。

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