論文の概要: Coherent microwave-to-optical transduction with Yb:YSO spins strongly coupled to a 3D resonator
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.02226v1
- Date: Wed, 02 Sep 2026 07:37:10 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-09-03 17:53:18.136651
- Title: Coherent microwave-to-optical transduction with Yb:YSO spins strongly coupled to a 3D resonator
- Title（参考訳）: Yb:YSOスピンを3次元共振器に強く結合したコヒーレントマイクロ波-光伝送
- Abstract要約: マイクロ波-光量子トランスデューサは、遠隔超伝導量子ビットの絡み合わせに不可欠である。
Er$3+$とYb$3+$の固体にドープされたイオンのアンサンブルが主要な候補として現れている。
5ppmドープYb:YSO結晶を用いた連続波状態におけるマイクロ波-光伝送の実証を行った。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Microwave-to-optical quantum transducers are essential for entangling remote superconducting qubits. Among the available transduction platforms, ensembles of Er$^{3+}$ and Yb$^{3+}$ ions doped into solids have emerged as leading candidates. While external magnetic fields are needed to split the Zeeman levels of erbium ions and enable a microwave--qubit interface, superconducting qubits suffer decoherence in such fields. In contrast, ytterbium ions exhibit zero-first-order Zeeman transitions and large hyperfine splittings at zero magnetic field (when doped into inorganic crystals). Owing to its long optical and spin coherence times, Yb:YSO has been widely used as a quantum memory, yet its potential for quantum transduction remains largely unexplored. Investigating this material could enable the integration of quantum memory and transduction in a single platform. Here, we demonstrate microwave-to-optical transduction in the continuous-wave regime using a 5\,ppm doped Yb:YSO crystal. The internal transduction efficiency is $2\times10^{-8}$ with a bandwidth of 200\,kHz, achieved using a 3D loop-gap microwave resonator (LGR) and a single-pass optical configuration. We explore all the ground states that form a V-type three-level system with the first and second optical excited states and assert the use of the ground state, which provides the highest efficiency and isolated optical transition. We further establish strong spin-microwave coupling from avoided crossing measurements. With a strong microwave drive to saturate the spin transition, we estimate the spin population pumped into the excited state, close to the simulated value. Finally, we calculate target parameter values for maximum efficiency with our system and suggest using 50\,ppm doped Yb:YSO crystal. With the calculated target parameters, the internal transduction efficiency is predicted to reach up to $10^{-4}$ in the current LGR.
- Abstract（参考訳）: マイクロ波-光量子トランスデューサは、遠隔超伝導量子ビットの絡み合わせに不可欠である。
利用可能なトランスダクションプラットフォームのうち、Er$^{3+}$とYb$^{3+}$のイオンが固体にドープされたアンサンブルが主要な候補として現れている。
外部磁場は、エルビウムイオンのゼーマン準位を分割し、マイクロ波-量子界面を実現するのに必要であるが、超伝導量子ビットはそのような磁場ではデコヒーレンスに悩まされる。
対照的に、イッテルビウムイオンはゼロ1次ゼーマン転移と0磁場での大きな超微細分裂(無機結晶にドープした場合)を示す。
長い光とスピンのコヒーレンス時間のため、Yb:YSOは量子メモリとして広く用いられてきたが、量子トランスダクションの可能性はほとんど解明されていない。
この物質を調べることで、単一のプラットフォームで量子メモリとトランスダクションを統合することが可能になる。
ここでは、5\,ppmドープYb:YSO結晶を用いた連続波状態におけるマイクロ波-光間変換を実演する。
3Dループギャップマイクロ波共振器(LGR)とシングルパス光学構成で実現した200,kHzの帯域幅を持つ内部転送効率は$2\times10^{-8}である。
我々は、第1および第2の光学励起状態を持つV型3レベル系を形成する基底状態をすべて探索し、基底状態の使用を主張する。
さらに、交差測定の回避により、強いスピン-マイクロ波結合を確立する。
スピン遷移を飽和させる強いマイクロ波駆動を用いて、シミュレーション値に近い励起状態に励起されたスピン集団を推定する。
最後に,本システムを用いて最大効率の目標パラメータ値を算出し,Yb:YSO結晶を50,ppm添加したYb:YSO結晶を用いて提案する。
計算された目標パラメータにより、現在のLGRにおいて、内部トランスダクション効率は最大10〜4ドルに達すると予測される。
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