基于混杂光机械系统的微波-光波频率转换
量子比特是量子信息处理的基本单元。基于约瑟夫森结的超导量子电路是实现量子比特的最有潜力的物理系统之一，通常工作在微波频段。而可见光子是实现量子信息远距离传输的良好载体。因此，在未来的量子网络中，要实现两者的兼容需要微波与光波光子之间的高效率转换。目前实现微波-光波双向频率转换的物理系统主要包括原子系综，磁振子，稀土掺杂固体，电光材料和光机械系统等。另一方面，波导量子电动力学（波导QED）系统可以实现光和物质强相互作用，近年来得到了广泛研究。在波导QED系统中，由于光子泄漏到非波导自由度的概率非常低，因此可以实现多种高效率量子器件。基于以上背景，我们提出了一种基于波导QED系统的微波-光波双向频率转换新方案。该方案结合了光机械系统和超导电路的优点，机械振子同时耦合超导量子比特和光学微腔，通过交换相互作用实现微波光波之间的双向频率转换。其中，机械模式和超导量子比特近共振耦合，而机械模式和光腔之间的交换相互作用是通过红边带控制场诱导实现。通过调节强驱动场的参数，如强度和失谐，可以优化频率转换，获得接近于100%的理想转换效率。我们通过分析，得到了实现微波与光波理想转换的两种最优条件，并用暗模和原子-声子混合模式来解释其中的物理过程。其中原子-声子混合模式源于系统中的强耦合，是用来实现微波光波频率转换的一种新的物理机制。我们进一步讨论、比较了两种最优条件下，光子损失、原子纯消相干、热噪声以及脉冲宽度等因素对频率转换效率的影响。我们发现，在目前实验可以达到的低损耗和低噪声环境中，系统工作在两种阻抗匹配条件下都可以实现较高的光子转换效率。本文研究的器件可以利用现有的实验技术实现，在未来的量子网络中具有潜在的应用价值。
混杂光机械系统;微波光波;频率转换;脉冲宽度
西南交通大学
硕士
理论物理
贾文志
2021
中文
O413
2022-01-21（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）