Coherent microwave-to-optical transduction with Yb:YSO spins strongly coupled to a 3D resonator

In de zoektocht naar het bouwen van een kwantuminternet worden wetenschappers geconfronteerd met een fundamentele kloof tussen twee krachtige technologieën. Aan de ene kant zijn er supergeleidende qubits, de minuscule, razendsnelle processors die momenteel de race om kwantumrekenkracht leiden. Deze machines werken op microgolffrequenties en moeten op temperaturen nabij het absolute nulpunt worden gehouden om te kunnen functioneren. Aan de andere kant zijn er optische signalen, lichtbundels die informatie over enorme afstanden kunnen dragen via glasvezelkabels met vrijwel geen verlies. De uitdaging is dat deze twee talen van informatie niet met elkaar spreken. Om een kwantumcomputer te verbinden met een wereldwijd netwerk, hebben onderzoekers een vertaler, of transducer, nodig die de microsignalen van de computer kan omzetten in lichtsignalen voor transport, en weer terug, zonder de delicate kwantuminformatie die ze dragen te vernietigen.

Deze vertaling is moeilijk omdat het energieverschil tussen een microgolffoton en een optisch foton enorm is. Bovendien moet de vertaler in hetzelfde ijskoude milieu werken als de computer en mag hij niet vertrouwen op sterke magnetische velden, die de werking van de computer zouden verstoren. Hoewel sommige materialen veelbelovend zijn gebleken, vereisen ze vaak magnetische velden die incompatibel zijn met supergeleidende circuits. Een team van onderzoekers aan de University of Calgary heeft zich nu gericht op een specifieke kristal die gedoteerd is met ytterbiumionen. Dit materiaal bezit van nature de juiste eigenschappen om de kloof te overbruggen zonder externe magnetische velden nodig te hebben, wat een potentiële weg biedt om kwantumgeheugen en signaalconversie in één enkel, efficiënt apparaat te integreren.

De onderzoekers zetten zich in om deze conversie te demonstreren met behulp van een kristal van yttriumorthosilicaat, een vast materiaal dat is verrijkt met een kleine hoeveelheid ytterbium. Ze plaatsten een klein stukje van dit kristal, slechts enkele millimeters groot, in een gespecialiseerde 3D-microgolfresonator. Deze resonator is een holle metalen structuur gevormd met lussen en openingen, ontworpen om microsignalen te vangen en te versterken. Het kristal werd afgekoeld tot een temperatuur van 30 millikelvin, kouder dan de diepe ruimte, om ervoor te zorgen dat de atomen binnenin stabiel bleven. Het team vuurde vervolgens een continue laserstraal in het kristal terwijl ze tegelijkertijd microsignalen door de resonator stuurden. Het doel was om te zien of de microgolfenergie door de atomen kon worden geabsorbeerd en opnieuw uitgezonden kon worden als een nieuwe kleur licht, waardoor het signaal effectief van de ene vorm naar de andere wordt vertaald.

Het experiment slaagde in het produceren van deze conversie, hoewel het proces momenteel erg zwak is. Het team mat een interne efficiëntie van 2 maal 10 tot de macht -8, wat betekent dat van elke honderd miljoen microsignaal-fotonen die werden verzonden, slechts een minuscuul fractie als geconverteerde optische fotonen naar buiten kwam. Ondanks dit lage aantal was het resultaat significant omdat het bewees dat het mechanisme werkt in een continue stroom van gegevens, in plaats van alleen in korte bursts. Het systeem werkte met een bandbreedte van 200 kilohertz, een maatstaf voor hoeveel informatie het tegelijkertijd kan verwerken. Cruciaal was dat dit alles gebeurde zonder een extern magnetisch veld toe te passen, waarbij werd vertrouwd op de natuurlijke interne structuur van de ytterbiumatomen om de nodige energieniveaus voor de conversie te creëren.

Om te begrijpen waarom de conversie werkte, onderzochten de onderzoekers hoe de atomen in het kristal met het microgolfveld interageerden. Ze observeerden een fenomeen dat bekend staat als een 'avoided crossing' (vermijding van kruising), waarbij de energieniveaus van de atomen en de resonator elkaar afstoten wanneer ze in frequentie dicht bij elkaar komen. Deze afstoting is een duidelijke signatuur dat het microgolfveld en de atomaire spins sterk gekoppeld zijn, waarbij ze energie uitwisselen sneller dan ze deze aan hun omgeving verliezen. Door de kloof tussen deze energieniveaus te meten, berekende het team een koppelingssterkte van 850 kilohertz. Deze sterke verbinding bevestigde dat het kristal niet alleen passief in het microgolfveld zat, maar actief deelnam aan de kwantumuitwisseling die vereist is voor transductie.

Het team onderzocht ook hoeveel atomen daadwerkelijk deelnamen aan het proces. Door het vermogen van het microsignaal te verhogen, ontdekten ze een punt waarop het toevoegen van meer vermogen de conversie niet meer verhoogde en het signaal zelfs deed dalen. Dit verzadigingspunt gaf aan dat de atomen volledig geëxciteerd waren en geen extra energie meer konden absorberen. Vanuit dit gedrag schatten ze dat slechts een fractie van de atomen in het kristal, ongeveer één op duizend, op elk gegeven moment wordt gebruikt. Dit suggereerde dat de huidige opstelling niet het volledige potentieel van het materiaal benut, waarschijnlijk omdat de laserstraal te breed is en het microgolfveld over een groot volume is verspreid.

In de toekomst gebruikten de onderzoekers hun gegevens om te berekenen wat er zou gebeuren als ze het systeem zouden optimaliseren. Ze ontdekten dat het simpelweg verhogen van de concentratie ytterbium in het kristal van 5 deeltjes per miljoen naar 50 deeltjes per miljoen de efficiëntie aanzienlijk zou kunnen verhogen. Ze suggereerden ook dat het nauwer focussen van de laserstraal en het verbeteren van de elektrische verbindingen van de resonator tot verdere winst zouden kunnen leiden. Op basis van deze berekeningen voorspellen zij dat met deze aanpassingen de interne efficiëntie kan stijgen naar 10 tot de macht -4. Hoewel dit nog steeds een klein getal is, vertegenwoordigt het een duizendvoudige verbetering ten opzichte van hun huidige resultaten en brengt het de technologie dichter bij een niveau dat bruikbaar kan zijn voor echte kwantumnetwerken.

Het werk demonstreert dat ytterbium-gedoteerde kristallen een levensvatbare kandidaat zijn voor kwantumtransductie, vooral omdat ze functioneren zonder de magnetische velden die andere materialen plagen. De onderzoekers hebben aangetoond dat de basisfysica werkt, dat de atomen sterk gekoppeld kunnen worden aan het microgolfveld, en dat de conversie continu kan plaatsvinden. Hoewel de huidige efficiëntie laag is, is de weg naar verbetering duidelijk. Door de kristalsamenstelling en de optische opstelling te verfijnen, zou dit platform uiteindelijk als een brug kunnen dienen, waardoor de krachtige kwantumcomputers van de toekomst de taal van het licht kunnen spreken en verbinding kunnen maken met een wereldwijd kwantuminternet.