基于稀有土耳其离子的单光子水平可扩展微波到光转换器

单光子微波到光转换将在连接未来超导量子器件方面发挥关键作用，具有分布式量子计算和安全通信等应用前景。已开发出 various 转换器通过光驱动耦合微波和光模式，利用如Pockels效应等非线性现象以及电磁、压电和光力耦合的组合。然而，这些非线性性质的强度受制于 Bulk 物性参数，要求使用高品质因子共振器，常需配合复杂的悬架结构纳米制造。因此，高效且可扩展的转换技术仍是一个亟待解决的目标。稀有土耳其离子掺杂晶体提供高品质原子共振，使有效的二阶非线性性质比传统材料强大许多个数量级。本文使用掺杂 YVO$_4$ 晶体中的镱-171 离子（浓度为 340 ppm），实现有效共振 $\chi^{(2)}$ 非线性约为 $10^7$ pm/V，以实现一种无需人造光学腔体的芯片级微波到光转换器。我们实现了百分之一水平的转换效率，添加噪声仅为 1.24(9) 光子。为展示可扩展性，我们演示了来自两个同时操作转换器的光子干涉，这由原子跃迁的固有绝对频率所使。这些结果表明，基于稀有土耳其离子的转换器是一个高度具竞争力的转换平台，为现有的基于稀有土耳其离子的量子技术提供了与各种主流量子微波平台的原生连接，为实现远程转换器辅助的超导量子机器间纠缠铺平了道路。