微波和光波段的電磁波是當今信息處理和通信係統中部署廣泛的信號載體(ti) 。它們(men) 還在編碼量子信息方麵發揮著關(guan) 鍵作用。在過去的幾十年裏，已經開發了各種量子位係統，其中一些利用了光頻激發，包括俘獲離子 、中性原子 、量子點和固態缺陷 ，以及其他在微波頻率下工作的，包括超導量子位(superconducting qubits)和晶體(ti) 中的自旋 （spin in crystal）。其中，超導量子位是有前途的量子計算平台之一。在超導量子電路中，約瑟夫森效應(Josephon effect)固有的微波頻率下的低損耗單光子非線性允許接近糾錯閾值的高保真量子操作 。基於(yu) 該電路量子電動力學 (cQED) 架構，已經開發出具有 50 多個(ge) 量子位的原型量子計算機 。
Optica:微波-光量子頻率轉換綜述
微波和光波段的電磁波是當今信息處理和通信係統中部署廣泛的信號載體(ti) 。它們(men) 還在編碼量子信息方麵發揮著關(guan) 鍵作用。在過去的幾十年裏，已經開發了各種量子位係統，其中一些利用了光頻激發，包括俘獲離子 、中性原子 、量子點和固態缺陷 ，以及其他在微波頻率下工作的，包括超導量子位(superconducting qubits)和晶體(ti) 中的自旋 （spin in crystal）。其中，超導量子位是有前途的量子計算平台之一。在超導量子電路中，約瑟夫森效應(Josephon effect)固有的微波頻率下的低損耗單光子非線性允許接近糾錯閾值的高保真量子操作 。基於(yu) 該電路量子電動力學 (cQED) 架構，已經開發出具有 50 多個(ge) 量子位的原型量子計算機 。
然而，編碼在微波光子中的量子態位於(yu) 稀釋冰箱的毫開爾文階段，並且在達到室溫時會(hui) 被熱噪聲淹沒。微波信號在室溫下的高傳(chuan) 輸損耗進一步阻止了量子信號的長距離傳(chuan) 播。另一方麵，光學光子顯示出互補的特征，是大空間尺度上通信的理想信息載體(ti) ，例如，在光纖中超過 100 公裏 和在自由空間中超過 1000 公裏 。因此，將微波頻率編碼的量子態轉換為(wei) 光能力將極大地提高 cQED 作為(wei) 量子信息處理平台和擴展量子計算網絡，以及建立新形式的量子通信鏈接的可能性。
通過高保真微波-光學 (M-O) 轉換器，微波量子電路還可以通過光學接口訪問長壽命量子存儲(chu) 器。盡管取得了快速進展，但與(yu) 使用離子獲得的 100 秒壽命以及在氮空位 (NV) 中心的幾個(ge) 小時壽命和稀土自旋係統組件相比，超導量子位提供的 100 µs 到 ms 壽命仍然相對較短。顯然，具有超導量子位和光可尋址量子存儲(chu) 器互補特性的混合量子係統將極大推進量子信息科學的進步 。
相反，室溫量子光路，通過 M-O 轉換，可以受益於(yu) cQED 係統提供的按需微波光子源和高保真微波光子探測器。截至今天，按需單光子源仍然是量子光子學界的主要挑戰。在微波電路中，借助超導量子位，可以可靠地生成按需單微波光子 。可以想象，這種微波光子可以通過理想的無損 M-O 轉換器上轉換為(wei) 按需單光子。類似地，超導量子位和陣列可以用作光子數分辨探測器（這是量子光子學的另一個(ge) 瓶頸），用於(yu) 分析下轉換的量子光學狀態。
因此，未來的分布式量子網絡可以同時利用微波頻率下的量子信息處理能力和光頻率下的低量子退相幹能力。結合微波和光學技術的理想方法是在單個(ge) 芯片上集成超導和納米光子器件的集成器件平台，並允許微波和光頻率之間的相幹光子轉換，而不會(hui) 產(chan) 生互連損耗。
超導電路中的微波和光網絡中的光波的共同點是它們(men) 的超低損耗特性，這使得它們(men) 分別在超導體(ti) 和光纖中的超快數字信號處理和高速數據傳(chuan) 輸中得到了国产成人在线观看免费网站。當結合在單芯片平台上時，它們(men) 提供了進一步的優(you) 勢來提高經典国产成人在线观看免费网站中的設備性能。例如，光學技術可以通過超導單通量量子 (SFQ) 邏輯電路 或低溫 cmos 處理器來檢索低溫數字數據處理器生成的大量數據。另一方麵，超導納米線和高動態電感器件（high-kinetic inductance）已成為(wei) 光信號的有效檢測器。
M-O轉換器必須涉及非線性過程，以補償(chang) 微波和光子之間的巨大能量差異。直接 M-O 耦合非常弱。已經研究了許多方案來增強與(yu) 各種非線性混頻機製的耦合，包括光機械、電光、光磁、固態自旋、捕獲的原子/離子等。
耶魯大學的Xu Han(第1作者) Hong X. Tang（通訊作者）撰寫(xie) 綜述文章，詳細介紹了當前實現MO 係統方法，底層非線性過程以及 MO 轉換所需的指標，重點是集成芯片級器件實現。
DOI:https://doi.org/10.1364/OPTICA.425414
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