利用机械超模耦合压电与光机械谐振器实现微波-光转换

超导量子电路在局域操控量子信息以及光子学技术在远距离传输量子信息方面的成功，激发了人们对开发量子换能器的兴趣，以实现微波与光域之间光子的高效、低噪声、双向频率转换。我们提出通过耦合电学、压电和光机械谐振器来实现此类功能。机械子系统的耦合使得能够形成谐振机械超模，该超模提供一个机械介导的、同时高效连接微波与光域的单一接口。通过应用等效电路模型分析转换过程，该模型将器件级参数与转换效率 $\eta$ 和附加噪声 $N$ 的总体品质因数相关联。通过对换能器与输入微波传输线进行适当的阻抗匹配，可进一步增强这些指标。通过有限元仿真评估了潜在换能器的性能，重点研究了 GaAs 中的几何结构，随后考虑了 AlN、LiNbO$_3$ 和 AlN-on-Si 平台。我们提出了最大化 $\eta$ 和最小化 $N$ 的策略，发现利用当前技术应可同时实现 $\eta>50~\%$ 和 $N < 0.5$。我们发现，使用机械超模来介导转换是实现高效操作的关键赋能因素，尤其当与合适的微波阻抗匹配网络配合时。我们对完整转换链的全面分析使我们能够勾勒出实现高性能量子换能器的发展路径，这将构成量子信息科学的宝贵资源。