利用高泛音体声波谐振实现量子相干微波-光转换

一种能够将微波场单量子转换至光域的设备，在远距离超导量子比特间量子互联的背景下是一项杰出努力，但同样可应用于其他领域，如射电天文学，或经典领域的微波光子学。基于光机械或电光相互作用的多种转换方法已被提出并实现，然而所需的消失附加噪声与接近统一的效率尚未达到。在此我们提出一种新的转换方案，理论上可满足量子相干双向转换的要求。我们的方案依赖一个中介机械模式——高泛音体声波谐振（HBAR）——通过压电与应变-光效应相干耦合微波与光学光子。其效率源于集成的超低损耗 Si3N4 光子电路（维持高腔内光子数）与压电耦合 HBAR 提供的高效微波-机械转换的结合。我们从第一性原理出发首先引入微波模式与机械模式间压电相互作用的量子化方法（据我们所知此前未以此形式呈现），并将其与传统的 Butterworth-Van Dyke 模型联系，由此为该多体系统建立量子理论。随后 HBAR 通过应变-光效应耦合至来自耦合光学环形腔的一对杂化光学模式。我们利用信号流图分析所提设备的转换能力，并证明在现实实验参数下近量子相干转换是可能的。