特別說明：本文由學(xué)研匯技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識(shí)。因?qū)W識(shí)有限，難免有所疏漏和錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批判性閱讀，也懇請(qǐng)大方之家批評(píng)指正。原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）早期在超導(dǎo)諧振腔中通過圓形里德堡原子的實(shí)驗(yàn)奠定了現(xiàn)代腔和電路量子電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)，并有助于探索糾纏等量子力學(xué)的定義特征。而超冷原子和超導(dǎo)電路在探索新物理的過程中采取了相當(dāng)獨(dú)立的路徑，利用它們?cè)诩上到y(tǒng)中的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，可以獲得全新的參數(shù)體系和器件能力。在這里，芝加哥大學(xué)Aishwarya Kumar等人報(bào)道了這樣一個(gè)系統(tǒng)，在低溫(5 K)環(huán)境中，將冷85Rb原子的集合同時(shí)耦合到一個(gè)光學(xué)可達(dá)的三維超導(dǎo)諧振器和一個(gè)振動(dòng)抑制光學(xué)腔中。為了演示該平臺(tái)的功能，并著眼于量子網(wǎng)絡(luò)，作者利用里德堡原子和超導(dǎo)諧振器之間的強(qiáng)耦合來實(shí)現(xiàn)量子使能的毫米波(毫米波)光子到光學(xué)光子換能器。測(cè)量的內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率為58(11)%，轉(zhuǎn)換帶寬為360(20)kHz，并添加了0.6光子的熱噪聲，與無參數(shù)理論一致。該技術(shù)的擴(kuò)展將允許在毫米波和微波體制中實(shí)現(xiàn)近乎統(tǒng)一的效率轉(zhuǎn)導(dǎo)。更廣泛地說，該結(jié)果開辟了混合毫米波/光學(xué)量子科學(xué)的新領(lǐng)域，具有在強(qiáng)耦合體系中高效生成計(jì)量或計(jì)算上有用的糾纏態(tài)以及具有強(qiáng)非局部相互作用的量子模擬/計(jì)算的前景。值得一提的是，Aishwarya Kumar正在斯坦福大學(xué)Jonathan Simon教授團(tuán)隊(duì)（本文最后一位作者）從事博士后研究，而Aishwarya Kumar也是本文的第一作者兼唯一通訊作者。作者將冷的Rydberg修飾原子強(qiáng)耦合到與光學(xué)腔交叉的超導(dǎo)毫米波諧振器，并利用這一獨(dú)特的平臺(tái)來相互轉(zhuǎn)換光學(xué)和毫米波光子。這些突破是由一種新的三維毫米波諧振器和一種緊密集成設(shè)計(jì)的穩(wěn)振光學(xué)腔實(shí)現(xiàn)的。毫米波諧振器將光子限制在大約λ3/10的體積內(nèi)，同時(shí)保持形成光學(xué)腔，負(fù)載和光學(xué)定位原子所需的光學(xué)通道。
通過執(zhí)行實(shí)驗(yàn)來描述相互轉(zhuǎn)換過程的步驟，這些實(shí)驗(yàn)將光學(xué)光子增量地環(huán)繞轉(zhuǎn)導(dǎo)環(huán)。首先省略UV驅(qū)動(dòng)，并將原子從毫米波腔中分離，在典型的Rydberg電磁感應(yīng)透明(EIT)構(gòu)型中，只留下與光學(xué)腔和481 nm控制場(chǎng)耦合的三能級(jí)原子。在引入量子化毫米波腔場(chǎng)之前，研究了經(jīng)典毫米波場(chǎng)對(duì)暗極化子共振的影響。這個(gè)場(chǎng)將極化子的36S1/2原子分量驅(qū)動(dòng)到35P1/2狀態(tài)，產(chǎn)生暗極化子的Autler-Townes分裂。由此產(chǎn)生的避免交叉作為毫米波驅(qū)動(dòng)頻率的函數(shù)，有助于提取原子躍遷頻率，從而確定來自毫米波腔的原子失穩(wěn)(?)。接著，通過改變?cè)雍?未驅(qū)動(dòng)的)毫米波腔之間的失諧來探索原子與毫米波腔真空的耦合。
為了系統(tǒng)地研究相互轉(zhuǎn)換，首先通過35P1/2狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)處理分?jǐn)?shù)改變?，?控制毫米波轉(zhuǎn)換的集體協(xié)同性。如果固定失諧并改變?cè)訑?shù)(改變光學(xué)協(xié)同性Co和Cmm)，可以觀察到轉(zhuǎn)換效率變化中類似的阻抗匹配。測(cè)量的峰值效率為58(11)%，帶寬為360(20)kHz，與無參數(shù)理論(實(shí)體曲線)一致。為了確保觀察到的噪聲光子不是相干的背景，當(dāng)改變外部相干毫米波驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，作者測(cè)量了轉(zhuǎn)換光子g(2)(τ)的二階強(qiáng)度相關(guān)函數(shù)。
為了表征熱噪聲，在阻抗匹配點(diǎn)附近操作換能器，改變紫外激光頻率以頻率轉(zhuǎn)換換能帶，并繪制觀測(cè)到的光學(xué)計(jì)數(shù)率。在沒有外部毫米波驅(qū)動(dòng)器的情況下，觀察到一個(gè)廣泛的不對(duì)稱特征，當(dāng)添加一個(gè)弱相干驅(qū)動(dòng)器時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)窄峰。作者設(shè)想了進(jìn)一步提高傳感器性能和耦合超導(dǎo)量子比特的明確途徑。目前轉(zhuǎn)換效率受到481 nm激光器的拉比頻率的限制。對(duì)毫米波模式和481 nm/UV激光偏振的修改將顯著提高481 nm、UV和毫米波諧振器耦合強(qiáng)度，從而將效率推向接近100%。
Kumar, A., Suleymanzade, A., Stone, M. et al. Quantum-enabled millimetre wave to optical transduction using neutral atoms. Nature 615, 614–619 (2023).https://doi.org/10.1038/s41586-023-05740-2
