基于室温里德伯原子的连续宽带微波-光转换器

由于能量上的天然不兼容性，微波与光学系统的耦合是一项巨大挑战，但其潜在应用范围从量子计算机的光互连到下一代量子微波传感器、探测器或相干成像仪。若干工程化平台已经出现，但受限于特定条件，如低温环境、脉冲协议或窄带场。此处我们采用里德伯原子，其允许光学与微波光子的天然宽带耦合，即使在室温下且使用简易装置亦可实现。我们展示了利用里德伯原子系综通过自由空间六波混频过程将$13.9\ \mathrm{GHz}$场连续波转换为近红外光信号，该过程旨在最小化来自任何邻近频率的噪声干扰。该里德伯光子转换器展现出前所未有的$57\ \mathrm{dB}$转换动态范围和$16\ \mathrm{MHz}$宽转换带宽。利用光子计数，我们演示了以$1.59\ \mathrm{nV}\mathrm{cm}^{-1}(\mathrm{rad}/\mathrm{s})^{-1/2}$（$3.98 \ \mathrm{nV}\mathrm{cm}^{-1}\mathrm{Hz}^{-1/2}$）对自由空间$300\ \mathrm{K}$热背景辐射光子的读出，其灵敏度低至$3.8\ \mathrm{K}$噪声等效温度，使我们能够观测微波光子的Hanbury Brown和Twiss干涉。