Microwave-to-Optical Quantum Transduction via Defect-Mediated Scattering in Diamond

Sintesi Tecnica: Trasduzione Quantistica da Microonde a Ottica tramite Scattering Mediato da Difetti nel Diamante

Enunciato del Problema
L'espansione dei processori quantistici superconduttori fino alle centinaia di migliaia di qubit fisici necessari per il calcolo quantistico universale tollerante ai guasti rimane una sfida primaria. Le architetture di calcolo quantistico distribuito, che utilizzano interconnessioni ottiche per collegare processori basati su microonde, offrono una soluzione promettente per la scalabilità. Tuttavia, la realizzazione di tali reti richiede un trasduttore quantistico da microonde a ottica efficiente che operi a temperature criogeniche con alta efficienza di conversione e basso rumore aggiunto. Gli approcci esistenti, inclusi sistemi elettro-ottici, ottomeccanici, magnetici e di ensemble atomici, tipicamente fanno affidamento su un pompaggio ottico intenso per ottenere un accoppiamento sufficiente. Questo pompaggio intenso induce un riscaldamento indesiderato e degrada la coerenza dei singoli fotoni, creando un compromesso critico tra efficienza di conversione e rumore che ostacola l'implementazione pratica.

Metodologia
Gli autori propongono un trasduttore quantistico basato su scattering a doppia risonanza da un singolo centro di vacanza di azoto neutro ($NV^0$) incorporato in un risonatore ottomeccanico in diamante. Il sistema è costituito da un risonatore a microonde ($\hat{a}$), un risonatore meccanico ($\hat{b}$), un centro $NV^0$ e un risonatore ottico ($\hat{c}$) accoppiati in serie.

La metodologia sfrutta l'accoppiamento forte del centro $NV^0$ sia ai campi ottici che a quelli di deformazione. Gli stati fondamentali del $NV^0$ sono divisi dall'accoppiamento spin-orbita e dalla deformazione statica in due rami degeneri di spin ($|0\rangle$ e $|1\rangle$) separati da $\sim 10$ GHz, con uno stato eccitato orbitale $|2\rangle$ alla riga zero-fonone (ZPL). Il sistema opera in una condizione di tripla risonanza in cui la modalità a microonde, la modalità meccanica e la transizione $|0\rangle \leftrightarrow |1\rangle$ soddisfano $\omega_a = \omega_b = \omega_{10}$. La modalità ottica è sintonizzata sulla transizione $|0\rangle \leftrightarrow |2\rangle$.

Viene derivato un modello ridotto in cui il centro $NV^0$ si accoppia direttamente alle guide d'onda, impiegando un'approssimazione di stato stazionario per le tre modalità di cavità. La dinamica è analizzata utilizzando le equazioni di Heisenberg-Langevin per gli operatori atomici $\hat{\sigma}_{ij}$, incorporando i processi di rilassamento tramite operatori di Lindblad. Lo studio considera due regimi di diffusione spettrale:

1. Diffusione spettrale rapida ($\tau_{diff} < \tau_{conv}$): Modellata introducendo tassi di dephasing puro ($\gamma^\phi_1, \gamma^\phi_2$) nelle equazioni del sistema.
2. Diffusione spettrale lenta ($\tau_{diff} > \tau_{conv}$): Modellata come sfasamenti costanti ($\Delta\omega_{10}, \Delta\omega_{20}$) dalla risonanza.

L'analisi calcola il flusso totale di fotoni rilevati ($R_{tot}$) e il flusso coerente di fotoni ($R_{coh}$) espandendo la risposta del sistema in termini di ampiezze di segnale e di pilotaggio. Le caratteristiche di risposta a singolo fotone sono derivate dai termini lineari di uno sviluppo in serie di Taylor di questi flussi rispetto al flusso di fotoni di segnale.

Risultati Chiave

• Operazione a Potenza Ultra-Bassa: Il dispositivo proposto achieve una conversione coerente a potenze di pompaggio estremamente basse. A una potenza di pompaggio di 55 pW, l'analisi di stato stazionario produce un'efficienza quantistica esterna ($P_{coh}$) di 0,32 e una probabilità totale di rilevamento ($P_{tot}$) di 0,36.
• Larghezza di Banda di Conversione: La larghezza di banda di conversione è determinata essere di 5,0 MHz, coerente con i tassi di rilassamento degli stati eccitati.
• Tasso di Conteggio al Buio: In assenza di segnale, il debole pilotaggio produce un tasso di conteggio al buio di 41 Hz, che aumenta linearmente con la potenza di pompaggio in questo regime.
• Impatto della Diffusione Spettrale:
  • Nel regime di diffusione rapida, la coerenza viene persa quando i tassi di dephasing puro superano i tassi di accoppiamento alla guida d'onda mediati dalla cavità. Nello specifico, quando $\gamma^\phi_2 \gtrsim 15(\gamma_{20} + \gamma_{21})$, la frazione coerente scende significativamente e l'emissione incoerente diventa dominante.
  • Nel regime di diffusione lenta, il sistema tollera sfasamenti di circa 10 MHz mantenendo una frazione coerente ($P_{coh}/P_{tot}$) superiore a 0,9.
• Generazione di Entanglement Remoto: Utilizzando i fotoni convertiti per la generazione di entanglement remoto tra qubit superconduttori (tramite uno schema a singolo clic), il dispositivo consente un tasso di segnalazione di 3,1 kHz a una frequenza di ripetizione di 1 MHz. In condizioni ideali di sfasamento, la fedeltà dello stato entangled generato ($F_{1c}$) raggiunge 0,93.

Significato e Affermazioni
Il documento afferma che il trasduttore proposto offre un percorso praticabile verso una trasduzione quantistica ad alta efficienza e ultra-bassa potenza. Sfruttando l'accoppiamento dipolo-cavità forte tra un singolo centro di colore e un risonatore di piccolo volume modale, la potenza di pompaggio ottimale richiesta per un'efficienza di $\sim 10\%$ è più di tre ordini di grandezza inferiore a quella dei sistemi elettro-ottici, ottomeccanici e di ensemble atomici attuali. Questa drastica riduzione della potenza di pompaggio è significativa perché sopprime il riscaldamento e il rumore indotti dal pompaggio, permettendo potenzialmente l'integrazione di un numero maggiore di trasduttori all'interno di un refrigeratore a diluizione.

Gli autori identificano la diffusione spettrale (ad esempio, dovuta al rumore di carica) come una sfida primaria. Osservano che quando la diffusione spettrale avviene più velocemente dell'accoppiamento mediato dalla cavità, degrada la fedeltà della generazione di entanglement remoto. Di conseguenza, il documento suggerisce che il lavoro futuro deve concentrarsi sulla mitigazione del rumore di carica attraverso una fabbricazione migliorata o esplorando centri di colore robusti contro tale rumore, come i centri Silicio-Vacanza (SiV), cercando al contempo sistemi con un accoppiamento spin-orbita più piccolo. Nonostante queste sfide, il lavoro stabilisce una base per future reti quantistiche superconduttive distribuite su larga scala.