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

技术摘要：基于 Yb:YSO 自旋的相干微波-光子换能

问题陈述
分布式量子计算需要互连超导量子电路（SQCs）以扩展量子比特数量。虽然微波频率信号是超导量子电路的原生信号，但将其进行长距离传输会引入热噪声，且低温传输线难以规模化。量子微波-光子（M2O）换能器提供了一种解决方案，即将微波信号转换为光信号，以便进行低损耗、室温环境下的传输。然而，现有的换能平台在效率、带宽和噪声之间面临权衡。至关重要的是，在超导量子电路本地运行的换能器必须在零外部磁场下工作，以避免破坏超导量子比特的相干性。虽然铒掺杂（Er³⁺）晶体具有电信波长兼容性，但它们需要磁场来分裂塞曼能级，因此不适合与超导量子电路进行本地集成。镱掺杂（Yb³⁺）晶体具有零一阶塞曼（ZEFOZ）跃迁和零场下的巨大超精细分裂，使其成为理想的候选材料，尽管与其在量子存储领域已建立的应用相比，其在换能方面的潜力在很大程度上仍未被充分探索。

方法论
作者展示了使用 5 ppm 掺杂 Yb:YSO 晶体的连续波（CW）M2O 换能。实验装置利用 3D 环隙谐振器（LGR）来增强微波与自旋跃迁的相互作用，并采用单通光学配置（无光学腔）。

• 系统配置： LGR 设计有一个中心菱形环，用于使晶体热平衡，并使其垂直于光学和微波交流磁场。系统在稀释制冷机的 30 mK 温度下运行。
• 能级结构： 实验利用由基态和前两个光学激发态组成的 V 型三能级系统。自旋跃迁发生在激发态 $|1e\rangle$ 和 $|2e\rangle$ 之间，频率为 $\omega_m = 2623.3$ MHz。光学跃迁将这些激发态连接到各种基态（$|ig\rangle$）。
• 方案： 换能方案涉及通过光泵浦进行布居初始化，以建立在 $|1e\rangle$ 中的稳态布居。同时施加驱动：一个频率为 $\omega_p$ 的强泵浦脉冲和一个在自旋频率 $\omega_m$ 附近扫描的微波驱动。换能信号出现在 $\omega_t = \omega_p + \omega_m$ 处。
• 表征： 团队通过外差检测测量换能效率，通过改变外部磁场进行避越交叉测量来分析自旋-腔耦合，并通过扫描微波功率来表征自旋饱和。

主要贡献与结果

1. 演示了连续波换能： 作者报告了在零外加磁场下实现 Yb:YSO 的连续波 M2O 换能，探索了一种其在这一应用领域潜力尚未被广泛研究的材料。通过使用 5 ppm 掺杂晶体，他们实现了 $2 \times 10^{-8}$ 的内部分换能效率，带宽为 200 kHz。
2. 基态选择： 研究探讨了从所有基态到第一激发态的跃迁。研究发现 $|4g\rangle \leftrightarrow |1e\rangle$ 跃迁由于其光谱隔离性、实验可及性和高分支比而最为理想，在测试的配置中产生了最高的效率。
3. 强自旋-微波耦合： 通过改变外部磁场，作者在自旋跃迁与微波腔模式之间诱导了避越交叉。在 7.2 mT 处的最小分裂为 1.7 MHz，由此得出微波系综耦合强度 $g_{m,ens} = 2\pi \times 850$ kHz。这导致微波合作度（$C_m$）为 2.6，证实了该系统运行在强合作度机制（$C_m > 1$）下。
4. 自旋饱和分析： 通过扫描微波功率，团队观察到自旋共振峰转变为凹陷，表明发生了饱和。他们估计饱和功率对应的腔内光子数在 $6.3 \times 10^{11}$ 到 $2.5 \times 10^{12}$ 之间。被泵浦到激发态的自旋比例估计在 $1.7 \times 10^{-3}$ 到 $6.7 \times 10^{-3}$ 之间，与理论模拟高度吻合。

意义与展望
本文确立了 Yb:YSO 作为一种无需外部磁场的量子换能平台的可行性，从而能够与超导量子比特直接集成。虽然目前的效率（$2 \times 10^{-8}$）较低，但作者认为该材料的长光学和自旋相干时间使其适用于未来的多路复用存储辅助换能。

作者根据计算的目标参数提出了一个适度但具体的改进路线图。他们建议，通过优化系统——具体包括使用更高掺杂浓度（50 ppm）、减小光学束直径、改善阻抗匹配以及减小自旋-腔失谐——在当前的 3D 环隙谐振器架构内，理论上可以将内部分换能效率提高到约 $10^{-4}$。这项工作强调，尽管目前的限制（如较大的模式体积和较弱的系综耦合）降低了效率，但 Yb:YSO 系统的基本物理特性支持通过工程优化实现显著的性能提升。