Forskare ledda av personal från Delft University of Technology har gjort två steg i omvandlingen av kvanttillstånd mellan signaler i mikrovågs- ​​och optiska domäner. Detta är av stort intresse för att koppla ihop framtida supraledande kvantdatorer till ett globalt kvantnätverk. Den här veckan rapporterar de om sina fynd i Naturfysik och i Fysiska granskningsbrev .

Konvertering mellan signaler i mikrovågs- ​​och optiska domäner är av stort intresse, speciellt för att ansluta framtida supraledande kvantdatorer till ett globalt kvantnätverk. Många ledande satsningar inom kvantteknik, inklusive supraledande kvantbitar och kvantpunkter, dela kvantinformation genom fotoner i mikrovågsregimen. Även om detta möjliggör en imponerande grad av kvantkontroll, det begränsar också avståndet som informationen realistiskt kan färdas innan den går förlorad till bara några centimeter.

På samma gång, Fältet för optisk kvantkommunikation har redan sett demonstrationer över avståndsskalor som kan tillhandahålla verkliga tillämpningar. Genom att överföra information i det optiska telekombandet, Fiberbaserade kvantnät över tiotals eller till och med hundratals kilometer kan tänkas. "För att ansluta flera kvantberäkningsnoder över stora avstånd till ett kvantinternet, det är därför viktigt att kunna omvandla kvantinformation från mikrovågsugnen till den optiska domänen, och tillbaka, " säger Prof. Simon Groeblacher vid Delft University of Technology. "Detta kommer inte bara att vara extremt intressant för kvanttillämpningar, men också för högeffektiva, lågbruskonvertering mellan klassiska optiska och elektriska signaler."

Marktillstånd

Flera lovande tillvägagångssätt har tagits för att realisera en mikrovågs-till-optikomvandlare, till exempel genom att försöka koppla signalerna genom ett mekaniskt system (oscillator). Men de har hittills alla opererat med en betydande termisk brusbakgrund. "Vi har övervunnit denna begränsning och visat koherent omvandling mellan GHz mikrovågssignaler och det optiska telekombandet med minimalt termiskt bakgrundsbrus, " Moritz Forsch, en av de två huvudförfattarna till publikationerna, förklarar.

För att uppnå detta, det var nödvändigt att kyla den mekaniska oscillatorn till det kvantbaserade rörelsetillståndet. Den låga termiska ockupationen utgör grunden för kvantkontroll över mekaniska tillstånd. Rob Stockill, den andra huvudförfattaren, fortsätter:"Vi använder en integrerad, on-chip elektro-opto-mekanisk anordning som kopplar akustiska ytvågor som drivs av en resonansmikrovågssignal till en optomekanisk kristall. Vi initierar det mekaniska läget i dess kvantgrundtillstånd, vilket gör att vi kan utföra omvandlingsprocessen med minimalt tillsatt termiskt brus, samtidigt som man upprätthåller att mikrovågsfotoner som mappas in i den mekaniska resonatorn effektivt uppkonverteras till den optiska domänen."

Piezoelektriska material

Groeblachers team har nyligen tagit ytterligare ett steg framåt på detta område, genom att fokusera på användningen av nya piezoelektriska material. Dessa material, där elektriska fält alstras på grund av mekanisk påkänning, kan vara av stort intresse för transduktion av kvantinformation mellan olika bärare. Den elektromekaniska kopplingen möjliggör i princip transduktion av ett kvanttillstånd mellan mikrovågs- ​​och optiska frekvensdomäner i detta material. Ett lovande tillvägagångssätt är därför att bygga integrerade piezoelektriska opto-mekaniska enheter, som sedan kopplas till mikrovågskretsar.

"Vi har designat och karakteriserat en sådan piezoelektrisk optomekanisk anordning tillverkad av galliumfosfid, där ett 2,9 GHz mekaniskt läge är kopplat till en optisk resonator med hög kvalitetsfaktor i telekombandet. Det stora elektroniska bandgapet och den resulterande låga optiska absorptionen av detta nya material, i nivå med enheter tillverkade av kisel, tillåter oss att demonstrera strukturens kvantbeteende, " säger prof. Groeblacher.

Nästa steg

Enheten tillverkad av galliumfosfid (GaP) överträffar vida nuvarande prestationer i GaAs eller andra piezoelektriska material som vanligtvis används i liknande tillvägagångssätt. Nästa steg för forskarna är att bygga vidare på den framgångsrika driften av GaP-enheten i denna parameterregim och ytterligare undersöka användningen av detta spännande material. Med tanke på det breda elektroniska bandgapet och piezoelektriska egenskaperna hos GaP, dessa forskningsresultat öppnar dörren för nya kvantexperiment såväl som potentialen för att använda sådana enheter för mikrovågs-till-optik omvandling av enstaka fotoner.

Publiceringen i Naturfysik var ett samarbete mellan Delft University of Technology, universitetet i Wien, Eindhoven University of Technology och NIST.

Publiceringen i Fysiska granskningsbrev var ett samarbete mellan Delft University of Technology, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay och Université de Paris.